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国外研究人员开发新型激光光谱仪分析火星大气层的同位素组成

激光光谱仪 激光束 同位素
发布:2020-12-30 11:39:36    

由于火星表面的条件与地球上的条件接近,因此具有很大的科学意义。这颗星球在遥远的过去留下了液态水的痕迹。在地表发现了山谷网络,以及有渗水迹象的斜坡和碎石。火星的大气层过去可能比较浓密,大气层中发生了类似地球的水循环。要彻底了解火星大气层中发生的过程,需要对火星大气层的组成进行长期连续的观测。探测器对大气层组成的测量为研究大气层与地球表面之间的交换过程提供了数据。然而,目前没有一个固定平台对火星大气的主要成分,如二氧化碳、水蒸气及其同位素进行连续的长期观测。大气中的同位素比值会因为凝结和升华过程而发生很大的变化,所以要想全面研究大气中发生的过程,必须对同位素比值进行连续监测。


 

莫斯科物理技术学院(MIPT)应用红外光谱实验室的研究人员与兰斯大学(法国)的研究人员一起开发了一种新的激光光谱仪,用于长期分析火星大气层的同位素组成。该设备能够以百分比的精度计算至少一年的火星大气中主要成分的同位素数目。该成果发表在《Applied Sciences》杂志上。现在,该装置已在法国欧洲航天局的现场,并准备在2022年发送。

作为光谱仪的主要测量部分,作者使用了一个限镜分析比色皿,进气系统将大气气体样品吸入其中进行分析。对同位素光谱特性的分析表明,测量其浓度的最佳光谱区间可由两种可调谐半导体激光器重叠。激光辐射通过入口镜进入充满气体的区域,在测量周期内,每个激光的频率略有变化。从高反射系数的镜面上一致反射,激光束反复穿过样品的工作区域,使两台激光器的有效光路分别为55米和110米。所有被出口镜遗漏并被分子吸收衰减的光线都被透镜收集并沉积在光电探测器上。多次反射期间发生的重要光路可确保高测量精度。

大多数激光光谱仪的积分时间不超过几秒钟。由于采用了特殊的激光频率稳定算法,我们的方法可以将测量信号存储数十分钟。该方法对不同同位素的测量精度为1-3%。此外,与经典的多通道光学系统相比,我们的系统具有抗外部影响(冲击、振动)的能力。

论文标题为《Martian Multichannel Diode Laser Spectrometer (M-DLS) for In-Situ Atmospheric Composition Measurements on Mars Onboard ExoMars-2022 Landing Platform》。

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