激光诱导击穿光谱法对外星矿物的地质表征

Darby Dyar教授在Mt. Holyoke College的研究小组正在研究太阳系中包括月球，火星和金星在内的地外天体的地质学。实验室主要使用不同形式的分析光谱，如莫斯堡尔、反射、拉曼和X射线。她的团队还利用激光诱导击穿光谱(LIBS)来定量表征不同的矿物。行星探测中的LIBS首次部署在好奇号火星车上使用的ChemCam仪器上，并已成为分析火星上复杂矿物的最重要工具之一。作为SuperCam仪器的一部分，LIBS也将包含在毅力号火星车的下一次火星探测任务中。

LIBS是一种将高功率激光脉冲聚焦到目标(在本例中为地质目标)上的技术，从而产生原子等离子体。当 LIBS 等离子体中的电子和原子重新组合时，它们会发射跨越紫外-近红外波长范围的特征发射线。这些线可用于识别和量化目标的元素组成。LIBS的优点是它可以产生特征光谱，而无需与目标接触，远程检测距离可达几个。

对来自火星的LIBS数据进行定量分析需要根据参考光谱和分析模型进行校准。参考数据应反映主要由地球测量提供的各种矿物和化学变化。Dyar小组已经建立了最大的地质参考数据库，包括3，500多个矿物物理样本，并正在努力获取参考数据，以改善当前和未来火星，金星和月球任务的LIBS校准数据。

图 1：Mt. Holyoke 学院改进的 SuperLIBS 仪器的 LIBS 光谱显示，与上一代实验相比，分辨率和灵敏度都有所提高。

挑战

矿物表征中的一个挑战是矿物样品的处理。LIBS数据对大气成分和压力非常敏感，因此必须在环境室中进行测量。由于该项目的重点是确定火星、空气和真空条件下不同矿物的 LIBS 光谱，因此打开 LIBS 室以更换单个样品非常耗时，并且可能导致样品组之间局部大气环境的变化。

研究小组建立了一个系统，一次自动测量100个样品，以防止频繁破坏真空或大气环境。这导致使用了一个大的样品室。该小组使用的样品是直径为1厘米的小颗粒，需要对其进行100种不同的亚毫米测量。这需要高度对准的光学设置，以及激光和样品控制装置的精确聚焦，以及高光收集效率和光学系统吞吐量，以实现高效的信号采集。

由于研究人员正在创建一个校准数据库，因此所使用的系统必须具有高分辨率和灵敏度，以确保地球矿物和化学变化的准确光谱数据。虽然该系统的设计规格与当前的火星任务相似，以确保可比性，但它需要适应未来任务的规格变化。

解决方案

为了解决这些挑战，Dyar教授的实验室实施了三台IsoPlane 160光谱仪，以及PIXIS相机和PI-MAX4 ICCD相机，以重建类似于SuperCam仪器的系统。PIXIS相机是使用定制的CCD传感器与SuperCam中使用的设备相匹配的。其中一台IsoPlane 160光谱仪使用PI-MAX4 ICCD相机，使用门控操作来测量LIBS等离子体复合发射的时间演变，时间演变低至纳秒级。

该系统使用三通道“解复用”设备将收集的信号分成三个不同的波段，由其中一个等平面光谱仪寻址。定制设计的Acton Optics二向色镜，以最大限度地提高信号耦合到每个通道，同时最大限度地减少任何带外杂散光。然后，每个通道的信号被耦合到光纤束中，从而提高光收集效率，同时保持高分辨率。IsoPlane 160 的像差校正光学设计可确保最佳的信噪比，因为来自光纤束的光可以精确地聚焦在传感器上。最终，IsoPlane的高灵敏度和灵活性使其成为大型样品组和小样品区域的理想解决方案。

审核编辑 黄宇