【摘要】：物質(zhì)成分分析是深空探測的核心任務(wù)之一。通過探測行星地表元素的分布及含量,對研究行星的形成、演變、礦物資源以及地表與氣候的相互作用具有重要的科學(xué)意義。而微區(qū)、高精度和高靈敏度的光譜分析技術(shù)是行星地表觀測和深部探測的核心技術(shù)手段。由于深空探測環(huán)境的特殊性,相比較其它光譜探測技術(shù),微區(qū)激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Micro-LIBS)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)原位、微區(qū)、高分辨率的行星巖石表面及亞表面物質(zhì)成分元素探測及定量分析,且可以提取目標物質(zhì)的三維元素分布信息。Micro-LIBS技術(shù)在深空探測領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。為了提高Micro-LIBS系統(tǒng)的空間分辨率及探測靈敏度,提高Micro-LIBS技術(shù)的物質(zhì)成分分析能力,本論文從實驗系統(tǒng)的研制、實驗參數(shù)的優(yōu)化、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的研究等角度提高大氣環(huán)境下Micro-LIBS系統(tǒng)的探測能力,并在模擬類行星環(huán)境下的氣氛、氣壓下開展相應(yīng)的實驗研究,為發(fā)展我國深空探測戰(zhàn)略提供一定的研究基礎(chǔ)和技術(shù)沉淀。首先,本論文闡述了Micro-LIBS技術(shù)的研究背景及科學(xué)意義,總結(jié)了現(xiàn)有物質(zhì)分析技術(shù)在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用及各自的優(yōu)缺點,并詳細介紹了Micro-LIBS技術(shù)的優(yōu)勢、物理原理和國內(nèi)外研究進展。其次,本論文設(shè)計并搭建了一套MicroLIBS實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為三個模塊:光路模塊、延時控制模塊、三軸運動模塊,論文對各模塊的設(shè)計進行了較為詳細的介紹說明。最后,本實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的自聚焦以及目標物質(zhì)亞表面空間區(qū)域的元素掃描,且掃描分辨率優(yōu)于40μm�；谏鲜鯩icro-LIBS實驗系統(tǒng),本論文開展了大氣環(huán)境下Micro-LIBS相關(guān)實驗參數(shù)優(yōu)化的研究工作。主要研究了脈沖激光頻率、延時時間、待測樣品位置、物鏡倍數(shù)等實驗參數(shù)對光譜信號的影響,并得到了最優(yōu)實驗參數(shù):脈沖激光頻率40Hz,光譜儀延時時間1000ns,樣品位置-20μm,物鏡倍數(shù)20�；谏鲜鯩icro-LIBS實驗系統(tǒng)和最優(yōu)實驗參數(shù),本論文首先開展多種MicroLIBS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的對比研究,包括篩選異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)均值處理、去除背景噪聲、數(shù)據(jù)歸一化、平滑降噪等。在上述數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的基礎(chǔ)上,針對性的制備了一批標準樣品,進一步開展了基于傳統(tǒng)定標法的定量實驗、基于多元線性回歸法的定量實驗和基于自由定標法的定量實驗的研究。分析結(jié)果表明,多元線性回歸法的定量分析誤差較小,預(yù)測精度為92.9%�；谏鲜鰧嶒灲⒌拟}元素定量分析模型,研究了菊石化石中鈣元素的區(qū)域分布情況。本論文設(shè)計了模擬環(huán)境下的Micro-LIBS實驗,對比地球大氣環(huán)境下和模擬火星大氣環(huán)境下的Micro-LIBS信號。實驗驗證了在模擬火星氣體和氣壓的環(huán)境下Micro-LIBS技術(shù)的可行性,并揭示了Micro-LIBS信號與環(huán)境氣壓的關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P148;V419
【圖文】：

究背景及科學(xué)意義 21 世紀后，世界各國的科研機構(gòu)都開始研究激光誘導(dǎo)擊穿inducedBreakdownSpectroscopy，簡稱 LIBS 技術(shù)）在深空探測美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administrat歐洲航空局（EuropeanSpaceAgency，簡稱 ESA）、奧德賽月球（和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等。 年，NASA 開始研究 LIBS 技術(shù)應(yīng)用于深空探測的可行性，并樣機[1]。2004 年，LIBS 技術(shù)被 NASA 批準應(yīng)用于火星探測領(lǐng)SA 牽頭研制的好奇號火星車成功發(fā)射，好奇號上的 ChemCam[2]。圖 1.1 是 ChemCam 的系統(tǒng)架構(gòu)圖。其主要技術(shù)參數(shù)為：脈沖能量 30mJ；頻率 1-10Hz；光譜范圍 240nm-850nm。

.3 我國火星探測器科學(xué)載荷的系統(tǒng)架構(gòu)（圖片來源于國家空間科學(xué)中Figure 1.3 System architecture of scientific load of Mars detector in China(Picture comes from National Space Science Center) 年 1 月，我國首次火星探測任務(wù)立項[4]，計劃于 2020 年左右任務(wù)。圖 1.3 是我國火星探測器科學(xué)載荷的系統(tǒng)架構(gòu)圖�；鹦敲娉煞痔綔y儀，其中包含一套 LIBS 系統(tǒng)[5]。LIBS 載荷的研發(fā)技術(shù)物理研究所承擔(dān)，該載荷將承擔(dān)火星表面土壤和礦石物質(zhì)

LIBS-Raman組合儀器的系統(tǒng)架構(gòu)（圖片來源于ESA）

【相似文獻】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 何強;面向深空探測的Micro-LIBS關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所);2019年

2 李鴻儒;Micro-LIBS三維精密掃描系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[D];中國海洋大學(xué);2014年

本文編號：2767976