激光誘導擊穿光譜法對外星礦物的地質(zhì)表征

Darby Dyar教授在Mt. Holyoke College的研究小組正在研究太陽系中包括月球，火星和金星在內(nèi)的地外天體的地質(zhì)學。實驗室主要使用不同形式的分析光譜，如莫斯堡爾、反射、拉曼和X射線。她的團隊還利用激光誘導擊穿光譜(LIBS)來定量表征不同的礦物。行星探測中的LIBS首次部署在好奇號火星車上使用的ChemCam儀器上，并已成為分析火星上復雜礦物的最重要工具之一。作為SuperCam儀器的一部分，LIBS也將包含在毅力號火星車的下一次火星探測任務中。

LIBS是一種將高功率激光脈沖聚焦到目標(在本例中為地質(zhì)目標)上的技術(shù)，從而產(chǎn)生原子等離子體。當 LIBS 等離子體中的電子和原子重新組合時，它們會發(fā)射跨越紫外-近紅外波長范圍的特征發(fā)射線。這些線可用于識別和量化目標的元素組成。LIBS的優(yōu)點是它可以產(chǎn)生特征光譜，而無需與目標接觸，遠程檢測距離可達幾個。

對來自火星的LIBS數(shù)據(jù)進行定量分析需要根據(jù)參考光譜和分析模型進行校準。參考數(shù)據(jù)應反映主要由地球測量提供的各種礦物和化學變化。Dyar小組已經(jīng)建立了最大的地質(zhì)參考數(shù)據(jù)庫，包括3，500多個礦物物理樣本，并正在努力獲取參考數(shù)據(jù)，以改善當前和未來火星，金星和月球任務的LIBS校準數(shù)據(jù)。

圖 1：Mt. Holyoke 學院改進的 SuperLIBS 儀器的 LIBS 光譜顯示，與上一代實驗相比，分辨率和靈敏度都有所提高。

挑戰(zhàn)

礦物表征中的一個挑戰(zhàn)是礦物樣品的處理。LIBS數(shù)據(jù)對大氣成分和壓力非常敏感，因此必須在環(huán)境室中進行測量。由于該項目的重點是確定火星、空氣和真空條件下不同礦物的 LIBS 光譜，因此打開 LIBS 室以更換單個樣品非常耗時，并且可能導致樣品組之間局部大氣環(huán)境的變化。

研究小組建立了一個系統(tǒng)，一次自動測量100個樣品，以防止頻繁破壞真空或大氣環(huán)境。這導致使用了一個大的樣品室。該小組使用的樣品是直徑為1厘米的小顆粒，需要對其進行100種不同的亞毫米測量。這需要高度對準的光學設置，以及激光和樣品控制裝置的精確聚焦，以及高光收集效率和光學系統(tǒng)吞吐量，以實現(xiàn)高效的信號采集。

由于研究人員正在創(chuàng)建一個校準數(shù)據(jù)庫，因此所使用的系統(tǒng)必須具有高分辨率和靈敏度，以確保地球礦物和化學變化的準確光譜數(shù)據(jù)。雖然該系統(tǒng)的設計規(guī)格與當前的火星任務相似，以確?？杀刃?，但它需要適應未來任務的規(guī)格變化。

解決方案

為了解決這些挑戰(zhàn)，Dyar教授的實驗室實施了三臺IsoPlane 160光譜儀，以及PIXIS相機和PI-MAX4 ICCD相機，以重建類似于SuperCam儀器的系統(tǒng)。PIXIS相機是使用定制的CCD傳感器與SuperCam中使用的設備相匹配的。其中一臺IsoPlane 160光譜儀使用PI-MAX4 ICCD相機，使用門控操作來測量LIBS等離子體復合發(fā)射的時間演變，時間演變低至納秒級。

該系統(tǒng)使用三通道“解復用”設備將收集的信號分成三個不同的波段，由其中一個等平面光譜儀尋址。定制設計的Acton Optics二向色鏡，以最大限度地提高信號耦合到每個通道，同時最大限度地減少任何帶外雜散光。然后，每個通道的信號被耦合到光纖束中，從而提高光收集效率，同時保持高分辨率。IsoPlane 160 的像差校正光學設計可確保最佳的信噪比，因為來自光纖束的光可以精確地聚焦在傳感器上。最終，IsoPlane的高靈敏度和靈活性使其成為大型樣品組和小樣品區(qū)域的理想解決方案。

審核編輯 黃宇