CN111257965B - 一种月球表面水分子及同位素组成就位测量***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种月球表面水分子及同位素组成就位测量***及方法，它涉及在月球永久阴影极区，对月表水冰进行原位的采样提取，采用激光吸收光谱‑质谱联用手段进行就位的水分子含量及同位素组成进行测定的***和方法。它包括电控单元，分析单元，水冰提取装置，该***依托在月球探测着陆平台。其步骤包括着陆平台降落在待测区域，仪器开机自检，水冰提取装置加热提取水汽，启动分析仪测量水含量和氢同位素，降温完成本区域分析流程，移动到下一区域，最后完成测量。

Description

一种月球表面水分子及同位素组成就位测量***及方法
技术领域
本发明涉及一种月球表面水分子及同位素组成就位测量***及方法。
背景技术
月球水和挥发分的分布、含量和来源与月球起源、岩浆洋演化等重大问题直接相关。同时月球水也是重要战略资源，为未来月球基地、载人探月活动提供支撑。因此开展月球水冰探测具有重要的科学意义和战略价值。然而，以往国际上月球水冰探测均采用遥感间接技术方案，包括全月球中子谱探测、成像光谱仪、反射率探测等。目前，还没有直接就位进行月球水冰探测及同位素测量，在我国更是首次。
发明内容
为了解决以上的技术问题，提供了一种月球表面水分子及同位素组成就位测量***及方法。该***包括电控单元，分析单元，水冰提取装置，该***依托在月球探测着陆平台；水冰提取装置与置于分析单元的反射池的输入端流体连接；反射池的输出端与第一隔离阀的一端流体连接，第一隔离阀的另一端与EI离子源的输入端流体连接；分析单元的输出端与第二隔离阀流体连接。
还提供了一种月球表面水分子及同位素组成就位测量方法，步骤为：
第一步：着陆平台降落在待测区域，电控单元，分析单元开机自检，水冰提取装置预热；
第二步：移动水冰提取装置，利用传动机构***月壤中；
第三步：水冰提取装置加载工作电流，记录加热温度；
第四步：启动分析单元，测量水分子含量及氢同位素；
第五步：温度达到设定温度后降温，收回水冰提取装置，完成该区域测量。
本发明的有益效果是：本发明提出以激光吸收光谱-飞行时间质谱联用为技术手段，依托月球探测着陆平台，对月球永久阴影极区的月表水冰进行原位的采样提取，从而原位获得月表水分子含量及同位素组成。***功耗低、质量轻、灵敏度高符合月球探测载荷需求。
附图说明
图1：月球表面水分子及同位素组成就位测量***总体示意图；
图2：月球表面水分子及同位素组成就位测量***内部结构图；
图3：月球表面水分子及同位素组成就位测量***及方法总体流程图。
具体实施方式
本发明的月球表面水分子及同位素组成就位测量***，包括电控单元1，分析单元2，水冰提取装置3，该***依托在月球探测着陆平台4；水冰提取装置3与置于分析单元2的反射池2-1的输入端流体连接；反射池2-1的输出端与第一隔离阀2-5的一端流体连接，第一隔离阀2-5的另一端与EI离子源2-6的输入端流体连接；分析单元2的输出端与第二隔离阀2-11流体连接。
分析单元2设置有反射池2-1、激光器2-2、温度探头2-3、激光探测器2-4、第一隔离阀2-5、EI离子源2-6、加速区2-7、MCP检测器2-8、飞行区2-9、反射区2-10、第二隔离阀2-11。
反射池2-1、激光器2-2、温度探头2-3、激光探测器2-4用于获得激光吸收光谱数据，通信连接并传输到电控单元1。反射池2-1的温度探头2-3与电控单元1电性连接，用于对吸收光谱数据进行校正计算水分子同位素；EI离子源2-6、加速区2-7、MCP检测器2-8、飞行区2-9、反射区2-10用于获得水分子含量信息。
对于月球表面水分子及同位素组成就位测量方法，具体测量流程如下：
第一步：着陆平台4降落在待测区域，电控单元1，分析单元2开机自检，水冰提取装置3预热；
第二步：移动水冰提取装置3，利用传动机构***月壤中；
第三步：水冰提取装置3加载工作电流，记录加热温度；
第四步：启动分析单元2，测量水分子含量及氢同位素；
第五步：温度达到设定温度后降温，收回水冰提取装置3，完成该区域测量；
第六步：判断是否进行下区域测量，移动着陆平台到下一区域或结束测量。
具体地，水冰提取装置3提取的水汽进入反射池2-1，通过激光器2-2，激光探测器2-4获得激光吸收光谱数据，传输到电控单元1。反射池2-1的温度探头2-3与电控单元1电性连接，用于对吸收光谱数据进行校正计算水分子同位素，电控单元1输出水分子同位素信息。为实现同位素比的准确测量，需要选择线强更强的中红外基频吸收，选取波长为6756nm，实现该波段出光的激光器为量子级联激光器（QCL）。激光探测器选用相应波段的热电制冷型或无制冷型MCT、InAsSb探测器。
飞行时间质谱中，EI离子源2-5电离水汽产生离子，离子依次通过加速区2-7、飞行区2-9、反射区2-10被MCP检测器2-8接收，获得的水分子信号传输到电控单元1，电控单元1输出水分子含量信息。飞行质谱的质量范围为1-100amu，分辨率为100FWHM。
为了提高水汽的探测精度，需要提高水汽在腔体内的浓度或压力。在水冰提取装置3的管路处设置有水汽的冷凝富集装置，当水汽达到一定量后关闭水冰提取装置3的进气阀门，然后加热水汽的冷凝富集装置，从而产生较高浓度的水汽。

Claims (5)

1.一种月球表面水分子及同位素组成就位测量***，其特征在于：它包括电控单元（1），分析单元（2），水冰提取装置（3），该***依托在月球探测着陆平台（4）；水冰提取装置（3）与置于分析单元（2）的反射池（2-1）的输入端流体连接；反射池（2-1）的输出端与第一隔离阀（2-5）的一端流体连接，第一隔离阀（2-5）的另一端与EI离子源（2-6）的输入端流体连接；分析单元（2）的输出端与第二隔离阀（2-11）流体连接；水冰提取装置(3)，***月壤中加热提取水分子；电控单元（1）输出水分子同位素信息及水分子含量信息。
2.根据权利要求1所述月球表面水分子及同位素组成就位测量***，其特征在于，分析单元（2）设置有反射池（2-1）、激光器（2-2）、温度探头（2-3）、激光探测器（2-4）、第一隔离阀（2-5）、EI离子源（2-6）、加速区（2-7）、MCP检测器（2-8）、飞行区（2-9）、反射区（2-10）、第二隔离阀（2-11）；
其中激光器（2-2）、温度探头（2-3）、激光探测器（2-4）、第一隔离阀（2-5），EI离子源（2-6）、加速区（2-7）、MCP检测器（2-8）、飞行区（2-9）、反射区（2-10）、第二隔离阀（2-11）与电控单元（1）电性连接。
3.一种利用权利要求2所述的测量***的月球表面水分子及同位素组成就位测量方法，其特征在于该方法步骤为：
第一步：着陆平台（4）降落在待测区域，电控单元（1），分析单元(2)开机自检，水冰提取装置(3)预热；
第二步：移动水冰提取装置(3)，利用传动机构***月壤中；
第三步：水冰提取装置(3)加载工作电流，记录加热温度；
第四步：启动分析单元(2)，测量水分子含量及氢同位素；
第五步：温度达到设定温度后降温，收回水冰提取装置(3)，完成该区域测量；
第六步：判断是否进行下一区域测量，移动着陆平台到下一区域或结束测量。
4.根据权利要求3所述的月球表面水分子及同位素组成就位测量方法，其特征在于，所述水冰提取装置(3)提取的水汽进入反射池（2-1），通过激光器（2-2），激光探测器（2-4）获得激光吸收光谱数据，传输到电控单元（1）；
反射池(2-1)的温度探头(2-3)与电控单元(1)电性连接，用于对吸收光谱数据进行校正计算水分子同位素。
5.根据权利要求3所述的月球表面水分子及同位素组成就位测量方法，其特征在于，所述EI离子源（2-5）电离水汽产生离子，离子依次通过加速区（2-7）、飞行区（2-9）、反射区（2-10）被MCP检测器（2-8）接收，获得的水分子信号传输到电控单元（1）。
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