本發(fā)明涉及火星環(huán)境實驗技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置及實驗方法，用于模擬火星環(huán)境，并在火星環(huán)境下進(jìn)行光譜原位測試。

背景技術(shù)：

由于火星和地球的環(huán)境不同，火星表面元素或者礦物類型存在的形式都不盡相同，進(jìn)行真實火星表面元素或礦物探測研究工作，需要借助于對火星環(huán)境以及原位光譜測試模擬實驗來實現(xiàn)。

公開號為cn105854960a的中國發(fā)明專利申請公開了一種火星溫度和壓力環(huán)境的地面模擬實驗系統(tǒng)，包括環(huán)境模擬容器、內(nèi)置容器、壓力控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，其中，內(nèi)置容器設(shè)置在環(huán)境容器內(nèi)，環(huán)境容器采用液氮熱沉結(jié)構(gòu)；壓力控制系統(tǒng)用于控制內(nèi)置容器的壓力，溫度控制系統(tǒng)用于控制內(nèi)置容器的溫度。內(nèi)置容器溫度在可控在160k-170k之間，壓力可控在600pa-1000pa之間。該發(fā)明專利申請還公開了一種地面模擬試驗方法。該發(fā)明專利申請可以實現(xiàn)火星溫度、壓力的地面等效模擬。

公開號為cn105548133a的中國專利申請公開了一種采用主被動結(jié)合光譜技術(shù)的火星物質(zhì)成分分析系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)包括光學(xué)頭部、短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀、紅外aotf光譜儀、定標(biāo)板、二維指向鏡、指向鏡控制電纜及載荷控制器?；谠撓到y(tǒng)可聯(lián)合主動激光光譜與被動紅外光譜技術(shù)實現(xiàn)火星礦物中的原子和分子的聯(lián)合探測。該發(fā)明專利申請主動libs光譜探測可實現(xiàn)物質(zhì)原子的定性與定量分析，主動時域激光拉曼探測可實現(xiàn)對物質(zhì)分子的定性與定量分析，被動紅外光譜探測可實現(xiàn)物質(zhì)分子的定性與定量分析，主被動光譜結(jié)合同事實現(xiàn)物質(zhì)原子、分子的探測，進(jìn)而實現(xiàn)火星巖石、土壤、礦物等的分類與識別，擴大火星物質(zhì)分析范圍，保持了系統(tǒng)的緊湊便捷性。

公開號為cn103743719a的中國專利申請公開了一種行星表面物質(zhì)及大氣遠(yuǎn)程原位綜合測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：小型脈沖固體激光器、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、一維精密移動平臺、連續(xù)光譜指示定位激光器、各種光學(xué)器件及中階梯光譜儀、iccd、高分辨率相機以及光電倍增管等。該發(fā)明專利申請裝置系統(tǒng)和方法在同一套系統(tǒng)中實現(xiàn)激光誘導(dǎo)擊穿光譜(libs)、拉曼光譜(raman)以及激光雷達(dá)等技術(shù)聯(lián)用，采用模塊化設(shè)計，集成度高、體積小、重量輕?？蓪崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離表面顯微成像、遠(yuǎn)距離物質(zhì)元素分析、遠(yuǎn)距離物質(zhì)成分分析以及行星邊界層大氣探測。

上述測試系統(tǒng)中，有的系統(tǒng)只能進(jìn)行火星環(huán)境模擬實驗，不能進(jìn)行元素或礦物探測實驗，有的系統(tǒng)只能進(jìn)行元素或礦物探測實驗，不能進(jìn)行火星環(huán)境模擬實驗。為了進(jìn)行真實火星表面元素或礦物探測研究工作，需要一種能夠同時進(jìn)行火星環(huán)境模擬實驗和火星元素或礦物實驗的裝置及方法，對火星探測具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷和不足，提供了一種火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置及實驗方法，用于進(jìn)行火星環(huán)境模擬實驗，并在火星環(huán)境下對同一樣品的同一測試點進(jìn)行光譜原位測試。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置，包括用于模擬火星表面環(huán)境的火星環(huán)境模擬實驗裝置以及用于火星環(huán)境下原位光譜測試的原位光譜聯(lián)用實驗裝置，其中，所述火星環(huán)境模擬實驗裝置包括：

真空艙體，用于提供真空環(huán)境；

與所述真空艙體連接的真空控制單元，用于使所述真空艙體內(nèi)形成真空環(huán)境；

與所述真空艙體連通的濕度控制單元，用于模擬和控制火星表面環(huán)境濕度；

與所述濕度控制單元連通的第一供氣單元，用于提供模擬火星大氣；

與所述真空艙體連接的溫度控制單元，用于模擬和控制火星表面環(huán)境溫度；

所述原位光譜聯(lián)用實驗裝置設(shè)置于所述真空艙體外部，用于遠(yuǎn)程raman光譜和遠(yuǎn)程libs光譜聯(lián)用測試。

優(yōu)選的，所述濕度控制單元包括溫控加熱器、放置于所述溫控加熱器上的密閉容器以及與所述密閉容器連通的氣體配置件，所述密閉容器內(nèi)盛放有去離子水，所述氣體配置件與所述真空艙體連通，所述第一供氣單元與所述氣體配置件連通。

進(jìn)一步的，還包括與所述密閉容器連通的第二供氣單元，所述第二供氣單元與密閉容器之間的設(shè)有氣體流量計，所述氣體流量計設(shè)于連通所述第二供氣單元與所述氣體配置件連通的密封管路上。

優(yōu)選的，所述溫度控制單元包括放置于所述真空艙體內(nèi)的冷熱臺，以及分別放置于所述真空艙體外的溫度控制器、液體泵和杜瓦瓶，所述溫度控制器與所述液體泵電連接，所述液體泵分別通過密封管路與所述杜瓦瓶和設(shè)置于所述冷熱臺內(nèi)的冷卻件連通，所述冷熱臺上設(shè)有與所述溫度控制器連接溫度傳感器；所述冷熱臺上表面設(shè)有旋轉(zhuǎn)樣品臺，所述旋轉(zhuǎn)樣品臺在所述冷熱臺上水平360°旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步的，所述火星環(huán)境模擬實驗裝置還包括壓力控制單元，所述壓力控制單元包括氣體流量計以及與所述氣體流量計連接壓力控制器，所述氣體流量計設(shè)于連通所述供氣單元與所述氣體配置件連通的密封管路上，所述壓力控制器與所述真空控制單元的真空泵電連接。

優(yōu)選的，所述真空控制單元包括真空泵和與所述真空艙體連接的真空計，所述真空泵通過密封管路與所述真空艙體連通。

進(jìn)一步的，所述火星環(huán)境模擬實驗裝置還包括用于提供火星表面紫外輻射條件的紫外輻照光源，所述紫外輻照光源安裝于所述真空艙體的透明真空視窗上。

進(jìn)一步的，所述火星環(huán)境模擬實驗裝置還包括用于提供火星表面電場環(huán)境的電場控制單元，所述電場控制單元包括放置于真空艙體內(nèi)的電動平移臺和平板電容，以及放置于真空艙體外的電壓控制單元，所述電壓控制單元包括電壓發(fā)生器、變壓器和電動平移臺控制器。

優(yōu)選的，所述原位光譜聯(lián)用實驗裝置包括數(shù)字脈沖發(fā)生器、放置于所述真空艙體的透明真空視窗處的卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、與所述數(shù)字脈沖發(fā)生器連接的光譜儀以及與所述數(shù)字脈沖發(fā)生器連接的激光器；所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的透射光路上依次設(shè)有二向色片、濾波片和凹面反射鏡，所述凹面反射鏡的光線會聚點上設(shè)有與光譜儀連接的光纖探頭；所述激光器的出射光路上設(shè)有二向色鏡，所述二向色鏡的透射光路上設(shè)有擴束器，所述二向色片位于所述擴束器的出射光路上，所述二向色鏡的反射光路上設(shè)有反射鏡，所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的凹面鏡位于所述反射鏡的反射光路上。

進(jìn)一步的，所述真空艙體內(nèi)設(shè)有放置于旋轉(zhuǎn)樣品臺上的樣品盛放件，所述樣品盛放件位于所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的凹面鏡的焦點處。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種火星原位光譜聯(lián)用實驗方法，采用上述實驗裝置，其具體實驗步驟為：

檢測火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置并調(diào)試其至正常工作狀態(tài)，根據(jù)火星表面存在的礦物種類選擇礦物樣品；

向真空艙體內(nèi)的樣品盛放件中添加礦物樣品；

通過火星環(huán)境模擬實驗裝置模擬火星環(huán)境；

打開激光器及光譜儀電源，激光器發(fā)出激光，通過光路打到礦物樣品上，礦物樣品受到激發(fā)后產(chǎn)生的激發(fā)光譜信號通過光路反向傳回至光纖探頭，光譜儀通過光纖探頭順序采集礦物樣品的raman光譜信號和libs光譜信號；

礦物樣品的raman光譜信號和libs光譜信號采集完成后，關(guān)閉激光器以及光譜儀電源即可。

進(jìn)一步的，所述模擬火星環(huán)境的步驟為：

檢測火星環(huán)境模擬實驗裝置并調(diào)試其至正常工作狀態(tài)；

啟動真空泵，將真空艙體調(diào)至真空環(huán)境；

通過供氣單元配置火星表面氣體，根據(jù)需求通過溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，通過氣體配置件將水蒸氣與配置的火星大氣混合獲得濕度火星表面氣體；

向真空艙體內(nèi)通入濕度火星表面氣體，調(diào)節(jié)氣體配置件出口的閥門開關(guān)程度和氣體流量計，控制濕度火星表面氣體的流量，使真空艙體內(nèi)的壓力達(dá)到火星表面氣體壓力；

啟動冷熱臺進(jìn)行加熱，溫度控制器根據(jù)溫度傳感器測量的冷熱臺溫度控制液通過液體泵由杜瓦瓶流入冷卻件的液體流量，使真空艙體內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的工作溫度；

火星環(huán)境氣氛、濕度、壓力、溫度的模擬完成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置設(shè)有火星環(huán)境模擬實驗裝置和原位光譜聯(lián)用實驗裝置，能夠真實模擬火星環(huán)境包括溫度、濕度和氣氛，還能夠在火星環(huán)境下對礦物樣品的光譜進(jìn)行測試，研究環(huán)境參數(shù)對礦物樣品光譜的影響，同時進(jìn)行單、多變量的研究。

(2)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中，火星環(huán)境模擬實驗裝置設(shè)有濕度控制單元、溫度控制單元和供氣單元，不僅能夠真實模擬火星表面環(huán)境氣氛、濕度和溫度，并實現(xiàn)對濕度和溫度的調(diào)控，對火星特定礦物/鹽類與水的相互作用研究具有重要意義。

(3)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中，火星環(huán)境模擬實驗裝置還設(shè)有壓力控制單元，包括氣體流量計和壓力控制器，通過壓力控制器和氣體流量計實現(xiàn)對火星表面環(huán)境氣氛的調(diào)控。本發(fā)明能夠同時實現(xiàn)火星表面環(huán)境氣氛和濕度的真實模擬以及對氣氛和濕度的精確調(diào)控；還能夠同時實現(xiàn)火星表面環(huán)境氣氛、濕度和溫度的真實模擬以及對氣氛、濕度和溫度的精確調(diào)控。

(4)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中，火星環(huán)境模擬實驗裝置還設(shè)有紫外輻照光源，還能夠?qū)崿F(xiàn)火星表面環(huán)境紫外輻照的模擬。

(5)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中，火星環(huán)境模擬實驗裝置還設(shè)有電場控制單元，還能夠?qū)崿F(xiàn)火星表面電場環(huán)境的模擬。

(6)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中，火星環(huán)境模擬實驗裝置在冷熱臺上設(shè)置旋轉(zhuǎn)樣品臺，能夠在火星表面環(huán)境包括氣氛、濕度、溫度、壓力和紫外輻照下研究多個樣品，節(jié)約實驗時間，提高實驗效率。

(7)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中，原位光譜聯(lián)用實驗裝置包括遠(yuǎn)程raman光譜系統(tǒng)和遠(yuǎn)程libs光譜系統(tǒng)，可以對礦物樣品的同一點依次進(jìn)行光譜探測研究。

(8)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置及方法，簡便易操作，可行性高，為火星環(huán)境相關(guān)實驗提供了綜合實驗平臺，可用于火星樣品原位光譜測試、火星遙感光譜揭示、模擬火星樣品的熱動力學(xué)實驗、火星探測有效載荷定標(biāo)實驗等，應(yīng)用范圍廣。

(9)本發(fā)明提供的火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置及方法模擬的火星表面環(huán)境參數(shù)連續(xù)可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)火星環(huán)境晝夜變化和季節(jié)性變化的模擬，為其他天體(如金星、泰坦等)的環(huán)境模擬設(shè)備的搭建提供技術(shù)積累和重要參考。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明一實施例所述火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中火星環(huán)境模擬實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖。

附圖2為本發(fā)明另一實施例所述火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中火星環(huán)境模擬實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖。

附圖3為本發(fā)明實施例所述火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置中原位光譜聯(lián)用實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖。

附圖4為本發(fā)明實施例火星原位光譜聯(lián)用實驗方法的流程圖。

附圖5-7位本發(fā)明實施例火星環(huán)境模擬實驗方法的流程圖。

圖中，1、真空艙體，10、氣源鋼瓶，101、第一氣源鋼瓶，102、第二氣源鋼瓶，11、透明真空視窗，21、溫控加熱器、22、密閉容器，23、氣體配置件，31、冷熱臺，32、溫度控制器，33、液體泵，34、杜瓦瓶，35、溫度傳感器，36、旋轉(zhuǎn)樣品臺，37、導(dǎo)管，41、氣體流量計，411、第一氣體流量計，412、第二氣體流量計，42、壓力控制器，51、真空泵，52、真空計，6、紫外輻照光源，7、溫濕度計，71、電動平移臺，72、平行板電容，73，電壓控制單元，81、第一真空法蘭，82、第二真空法蘭，83、第三真空法蘭，84、第四真空法蘭，85、第五真空法蘭，91、數(shù)字信號發(fā)生器，92、卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，921、二向色片，922、濾波片，923、凹面反射鏡，924、凹面鏡，925、望遠(yuǎn)鏡主鏡，926、望遠(yuǎn)鏡副鏡，93、光譜儀，931、光纖探頭，94、激光器，941、二向色鏡，942、擴束器，943、反射鏡，95、樣品盛放件。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本發(fā)明進(jìn)行具體描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，在沒有進(jìn)一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實施方式中。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“內(nèi)”、“外”“上”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在進(jìn)行真實火星表面元素或礦物探測研究工作時，需要借助于對火星環(huán)境以及原位光譜測試模擬實驗來實現(xiàn)，但現(xiàn)有的測試系統(tǒng)或只能進(jìn)行火星環(huán)境模擬實驗，不能進(jìn)行元素或礦物探測實驗，或只能進(jìn)行元素或礦物探測實驗，不能進(jìn)行火星環(huán)境模擬實驗。

為了能夠同時完成火星環(huán)境模擬實驗和火星元素或礦物實驗，本發(fā)明提供了一種火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置，包括用于模擬火星表面環(huán)境的火星環(huán)境模擬實驗裝置以及用于火星環(huán)境下原位光譜測試的原位光譜聯(lián)用實驗裝置。既能夠?qū)崿F(xiàn)火星環(huán)境模擬實現(xiàn)，真實模擬火星環(huán)境，又能夠在火星環(huán)境下對礦物樣品的同一點依次進(jìn)行光譜探測研究。

在上述測試實驗裝置中，為了實現(xiàn)火星環(huán)境模擬，所述火星環(huán)境模擬實驗裝置包括：

真空艙體1，用于提供真空環(huán)境；

與所述真空艙體1連接的真空控制單元，用于使所述真空艙體1內(nèi)形成真空環(huán)境；

與所述真空艙體1連通的濕度控制單元，用于模擬和控制火星表面環(huán)境濕度；

與所述濕度控制單元連通的第一供氣單元，用于提供火星大氣；

與所述真空艙體1連接的溫度控制單元，用于模擬和控制火星表面環(huán)境溫度；

所述原位光譜聯(lián)用實驗裝置設(shè)置于所述真空艙體1外部，用于raman光譜和libs光譜聯(lián)用測試。

在進(jìn)行火星環(huán)境研究過程中，研究火星特定對象，如生物、礦物和水的相互作用等時，需要嚴(yán)格的濕度控制。為了實現(xiàn)濕度控制，繼續(xù)參見圖1，對上述實驗裝置進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，所述濕度控制單元包括溫控加熱器21、放置于所述溫控加熱器21上的密閉容器22以及與所述密閉容器22連通的氣體配置件23，所述密閉容器22內(nèi)盛放有去離子水，所述氣體配置件23與所述真空艙體1連通，所述第一供氣單元與所述氣體配置件23連通。通過供氣單元提供火星大氣，通過溫控加熱器對密閉容器中的去離子水進(jìn)行加熱形成水蒸氣，水蒸氣與供氣單元提供的火星大氣經(jīng)氣體配置件混合形成濕度火星表面氣體，傳輸至真空艙體內(nèi)，實現(xiàn)火星表面環(huán)境氣氛和濕度的模擬。同時，通過溫控加熱器控制水蒸氣的產(chǎn)生量進(jìn)行濕度的調(diào)節(jié)。

繼續(xù)參見圖1，作為實驗裝置的優(yōu)選設(shè)計，所述的第一供氣單元為包括氣源和盛放氣源的氣源鋼瓶10。

參見圖2，作為上述火星環(huán)境模擬實驗裝置的另一優(yōu)選設(shè)計，所述的火星環(huán)境模擬實驗裝置不僅包括與所述氣體配置件23連通的第一供氣單元，用于提供火星大氣，還包括與所述密閉容器22連通的第二供氣單元。所述第一供氣單元包括氣源和盛放氣源的第一氣源鋼瓶101，連通所述第一氣源鋼瓶101與所述氣體配置件23的密封管路上設(shè)有第一氣體流量計411；所述第二供氣單元包括氣源和盛放氣源的第二氣源鋼瓶102，連通所述第二氣源鋼瓶102與所述密閉容器22的密封管路上設(shè)有第二氣體流量計412。

溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，但該方案產(chǎn)生水蒸氣的量很少，且濕度不易調(diào)節(jié)，不滿足火星大氣環(huán)境濕度控制的要求。因此，為了使?jié)穸葏?shù)可控，使模擬火星大氣的濕度條件更加真實，利用通過第二供氣單元向密閉容器內(nèi)的去離子水中充入氣體的方式獲取更高的濕度，然后與第一供氣單元提供的干燥火星大氣混合，通過氣體配置件控制水蒸氣與配置的火星大氣混合比例獲得不同濕度火星表面氣體。

繼續(xù)參見圖1，作為優(yōu)選設(shè)計，氣體配置件23通過密封管路與真空艙體1連通，為了保證氣氛和濕度模擬時真空艙體的密封狀態(tài)，連通氣體配置件23與真空艙體1的密封管路通過安裝于所述真空艙體1上的第一真空法蘭81與真空艙體1連通。

由于火星表面環(huán)境溫度晝夜不同，在進(jìn)行火星環(huán)境溫度模擬時，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對火星表面環(huán)境溫度調(diào)控，對上述實驗裝置進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，繼續(xù)參見圖1，所述溫度控制單元包括放置于所述真空艙體1內(nèi)的冷熱臺31，以及分別放置于所述真空艙體1外的溫度控制器32、液體泵33和杜瓦瓶34，所述溫度控制器32與所述液體泵33電連接，所述液體泵33分別通過密封管路與所述杜瓦瓶34和設(shè)置于所述冷熱臺31內(nèi)的冷卻件連通，所述冷熱臺31上設(shè)有與所述溫度控制器32連接溫度傳感器35。液體泵將杜瓦瓶中的液體經(jīng)由密封管路輸入冷熱臺，從而控制冷熱臺的溫度，并通過溫度傳感器實時進(jìn)行測量冷熱臺的溫度，反饋給溫度控制器，通過溫度控制器控制液體泵中液體的流量實現(xiàn)溫度控制。作為優(yōu)選設(shè)計，所述杜瓦瓶中盛放的液體為液氮，還可以為液氬，所述冷熱臺31內(nèi)的冷卻件為均勻分布的導(dǎo)管37，實現(xiàn)溫度的降溫控制控制。進(jìn)一步優(yōu)選，所述溫度控制器32還與設(shè)置在冷熱臺31內(nèi)均勻分布的加熱元件連接，通過溫度控制器控制加熱元件來實現(xiàn)溫度升溫控制，作為優(yōu)選，所述加熱元件為加熱絲或熱電阻。通過溫度控制器控制液氮的流量和加熱元件，能夠進(jìn)一步提高對溫度的控制精度，溫度控制更精確。繼續(xù)參見圖1，進(jìn)一步優(yōu)選，為了保證，模擬溫度時真空艙體的密封狀態(tài)，連接所述液體泵33與所述冷熱臺31內(nèi)冷卻件的密封管路和連接所述溫度控制器32與所述溫度傳感器35的控制線均通過安裝于所述真空艙體1上的第二真空法蘭82與所述真空艙體1連接。在進(jìn)行火星環(huán)境模擬時，能夠完成火星表面環(huán)境溫度的模擬和調(diào)控，進(jìn)一步真實模擬火星環(huán)境。

繼續(xù)參見圖1，對上述實驗裝置進(jìn)一步設(shè)計，所述冷熱臺31上表面設(shè)有旋轉(zhuǎn)樣品臺36，所述旋轉(zhuǎn)樣品臺36在所述冷熱臺上水平360°旋轉(zhuǎn)。在進(jìn)行火星環(huán)境實驗或者火星環(huán)境下進(jìn)行火星樣品原位光譜測試、火星遙感光譜揭示、模擬火星樣品的熱動力學(xué)實驗、火星探測有效載荷定標(biāo)實驗等時，用于更換樣品，可以順序更換，也可以逆序更換，還可以在相同火星環(huán)境下研究多個樣品，節(jié)約實驗時間，提高實驗效率。

繼續(xù)參見圖1，對上述實驗裝置進(jìn)一步設(shè)計，所述火星環(huán)境模擬實驗裝置還包括壓力控制單元，所述壓力控制單元包括氣體流量計41以及與所述氣體流量計41連接壓力控制器42，所述氣體流量計41設(shè)于連通所述供氣單元與所述氣體配置件23連通的密封管路上。通過壓力控制器和氣體流量計控制火星大氣的壓力，從而實現(xiàn)對火星大氣壓力的精確控制。繼續(xù)參見圖1，作為優(yōu)選設(shè)計，所述壓力控制器與所述真空控制單元的真空泵51電連接，通過壓力控制器控制真空泵中氣體的流量，從而實現(xiàn)對真空艙體內(nèi)真空度的調(diào)節(jié)。

繼續(xù)參見圖1，作為上述實驗裝置的優(yōu)選設(shè)計，所述真空控制單元包括真空泵51和與所述真空艙體1連接的真空計52，所述真空泵51通過密封管路與所述真空艙體1連通。通過真空泵對真空艙體進(jìn)行抽真空，并通過真空計測量真空艙體內(nèi)的真空度，在進(jìn)行火星環(huán)境模擬實驗時，根據(jù)實驗需要，通過測量的真空度和真空泵調(diào)節(jié)真空艙體內(nèi)的真空度，以便達(dá)到實驗要求。繼續(xù)參見圖1，作為優(yōu)選設(shè)計，為了保證真空艙體的密封狀態(tài)，連通所述真空泵51與所述真空艙體1的密封管路通過安裝于所述真空艙體1上的第三真空法蘭83與所述真空艙體1連通，所述真空計52通過安裝于所述真空艙體1的第四真空法蘭84與所述真空艙體1連接。

繼續(xù)參見圖1，對上述實驗裝置進(jìn)一步設(shè)計，所述火星環(huán)境模擬實驗裝置還包括用于提供火星表面紫外輻射條件的紫外輻照光源6，所述紫外輻照光源6安裝于所述真空艙體1的透明真空視窗11上。紫外輻照光源提供火星表面紫外輻射條件，通過調(diào)節(jié)紫外輻照光源的光照強度實現(xiàn)紫外輻射劑量的調(diào)節(jié)，模擬火星表面紫外輻照條件，使本發(fā)明實驗裝置對火星環(huán)境模擬的更加真實。

繼續(xù)參見圖1，對上述實驗裝置進(jìn)一步設(shè)計，所述真空艙體1還連接有溫濕度計7，用于測量真空艙體內(nèi)的溫度和濕度，根據(jù)測量的溫度和濕度以及實驗要求對真空艙體內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。作為優(yōu)選設(shè)計，繼續(xù)參見圖1，為了保證測量溫度和濕度時所述真空艙體1的密封狀態(tài)，所述溫濕度計7通過安裝于所述真空艙體1上的第五真空法蘭85與所述真空艙體1連接。

繼續(xù)參見圖1，對上述實驗裝置進(jìn)一步設(shè)計，所述真空艙體實驗裝置還包括電場控制單元，電場控制單元包括電動平移臺71、平行板電容72以及電壓控制單元73。所述平行板電容72安裝在電動平移臺71上，與電壓控制單元通過安裝與所述真空艙體1的第六真空法蘭86電連接。通過調(diào)節(jié)電壓控制單元73的變壓器和電動平移臺71，改變平行板電容72的電場強度，模擬火星表面電場環(huán)境，使本發(fā)明實驗裝置模擬的火星環(huán)境更加真實。

參見圖3，在上述測試實驗裝置中，為了實現(xiàn)火星環(huán)境下，礦物樣品的原位光譜的探測分析，研究火星環(huán)境對礦物樣品光譜的影響。對上述實驗裝置進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，所述原位光譜聯(lián)用實驗裝置包括數(shù)字脈沖發(fā)生器91、放置于所述真空艙體1的透明真空視窗11處的卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡92、與所述數(shù)字脈沖發(fā)生器91連接的光譜儀93以及與所述數(shù)字脈沖發(fā)生器91連接的激光器94；所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡92的透射光路上依次設(shè)有二向色片921、濾波片922和凹面反射鏡923，所述凹面反射鏡923的光線會聚點上設(shè)有與光譜儀93連接的光纖探頭931；所述激光器94的出射光路上設(shè)有二向色鏡941，所述二向色鏡941的透射光路上設(shè)有擴束器942，所述二向色片921位于所述擴束器942的出射光路上，所述二向色鏡941的反射光路上設(shè)有反射鏡943，所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的凹面鏡924位于所述反射鏡943的反射光路上。其中，數(shù)字脈沖發(fā)生器91、卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡92、二向色片921、濾波片922、凹面反射鏡923、光譜儀93、光纖探頭931、激光器94、二向色鏡941、反射鏡943組成遠(yuǎn)程raman光路系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程raman光譜測試。數(shù)字脈沖發(fā)生器91、卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡92、二向色片921、濾波片922、凹面反射鏡923、光譜儀93、光纖探頭931、激光器94、二向色鏡941、擴束器942、反射鏡943組成遠(yuǎn)程libs光路系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程libs光譜測試。所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡92包括凹面鏡924、望遠(yuǎn)鏡主鏡925和望遠(yuǎn)鏡副鏡926，進(jìn)行光譜測試時，根據(jù)測試要求，所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡92可前后模擬實驗移動控制其到真空艙體1的透明真空視窗11的距離。

繼續(xù)參見圖3，作為上述裝置的優(yōu)選設(shè)計，為了實現(xiàn)對火星環(huán)境下礦物樣品的原位光譜測試，所述真空艙體1內(nèi)設(shè)有放置于旋轉(zhuǎn)樣品臺36上的樣品盛放件95，所述樣品盛放件95位于所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡92內(nèi)的凹面鏡924的焦點處。在進(jìn)行原位光譜測試時，將礦物樣品放入樣品盛放件中即可。作為優(yōu)選，所述的樣品盛放件可以是樣品杯，也可以是樣品筒，或其他可以盛放樣品的器件。

為了便于光譜測試，作為優(yōu)選設(shè)計，所述激光器依次產(chǎn)生532nm、1064nm的激光，其中，532nm的激光為ramam光譜的激光光源，1064nm的激光為libs光譜的激光光源；所述二向色片可以透射<1064nm的激光，反射≥1064nm的激光；所述二向色鏡可以反射≤532nm的激光，透射≥1064nm的激光。

進(jìn)行火星環(huán)境下礦物樣品的光譜測試，數(shù)字脈沖發(fā)生器通過數(shù)據(jù)線分別與光譜儀和激光器連接，當(dāng)光譜儀開始采集遠(yuǎn)程raman光譜信號時，數(shù)字脈沖發(fā)生器通過控制激光器和光譜儀，讓激光器發(fā)出一個激光脈沖的同時，讓光譜儀采集一個raman光譜信號；當(dāng)光譜儀開始采集遠(yuǎn)程libs光譜信號時，數(shù)字脈沖發(fā)生器通過控制激光器和光譜儀，讓激光器發(fā)出一個激光脈沖后延遲幾個微秒后，再讓光譜儀采集一個libs光譜信號。對于每個待測礦物樣品，均是先測試ramam光譜，后測試libs光譜。其具體步驟為：

(1)激光器出射的532nm激光、1064nm激光打到二向色鏡上后，二向色鏡僅反射532nm激光，532nm激光經(jīng)二向色鏡反射到反射鏡上；然后反射鏡將532nm激光反射到卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的凹面鏡上，凹面鏡將平行光匯聚，通過透明真空視窗打到位于真空艙體的樣品盛放件中的礦物樣品上；532nm激光打到礦物樣品上以后會發(fā)生raman散射，帶有樣品信息的散射光經(jīng)過真空艙體上的透明真空視窗打到望遠(yuǎn)鏡主鏡邊緣，在望遠(yuǎn)鏡主鏡上光線匯聚反射至望遠(yuǎn)鏡副鏡，望遠(yuǎn)鏡副鏡將會聚光變?yōu)槠叫泄獠⑼ㄟ^望遠(yuǎn)鏡主鏡中心的孔打向二向色片。樣品的raman散射信號(波長＞532nm且<1064nm)經(jīng)凹面反射鏡匯聚到光纖探頭上并傳輸至光譜儀上。光譜儀即采集礦物樣品的raman光譜信號。另外，激光器出射的用于產(chǎn)生raman光譜信號的532nm的部分激光也會隨raman散射信號一起返回卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，該部分返回卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的532nm的激光信號將被濾波片濾掉。

(2)激光器出射的532nm激光、1064nm激光打到二向色鏡上后，二向色鏡僅透射1064nm激光，1064nm激光經(jīng)二向色鏡透射至擴束器；擴束器將光束擴大，擴束器出射的光束直射至二向色片上；1064nm激光在二向色片發(fā)生反射，反射光通過卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的望遠(yuǎn)鏡主鏡中心的孔后透射到望遠(yuǎn)鏡副鏡上，望遠(yuǎn)鏡副鏡將平行光變?yōu)闀酃猓h(yuǎn)鏡副鏡反射的會聚光打到望遠(yuǎn)鏡主鏡邊緣上，經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡主鏡邊緣反射的光線通過透明真空視窗打到位于真空艙體的樣品盛放件中的礦物樣品上；1064nm激光打到礦物樣品上以后會氣化樣品并產(chǎn)生等離子體，等離子體激發(fā)的libs信號經(jīng)過真空艙體上的透明真空視窗反射到望遠(yuǎn)鏡主鏡邊緣，在望遠(yuǎn)鏡主鏡上光線匯聚反射至望遠(yuǎn)鏡副鏡，在望遠(yuǎn)鏡副鏡上激光發(fā)生反射通過望遠(yuǎn)鏡主鏡中心的孔打到二向色片上，樣品的libs信號(波長<1064nm)經(jīng)凹面反射鏡匯聚到光纖探頭上并傳輸至光譜儀上。光譜儀即采集礦物樣品的libs光譜信號。另外，激光器出射的用于產(chǎn)生libs光譜信號的1064nm的部分激光也會隨libs散射信號一起返回卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。該部分返回卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的1064nm的激光信號將被濾波片濾掉。

本發(fā)明上述火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置，一方面能夠真實模擬火星表面環(huán)境氣氛、濕度、壓力、溫度(或電場)以及紫外輻照，另一方面可以實現(xiàn)火星環(huán)境下礦物樣品元素激發(fā)光譜與分子振動光譜的原位探測分析，研究環(huán)境參數(shù)對礦物樣品光譜的影響。再一方面可以為火星環(huán)境相關(guān)實驗提供綜合實驗平臺，用于火星遙感光譜揭示、模擬火星樣品的熱動力學(xué)實驗、火星探測有效載荷定標(biāo)實驗等，應(yīng)用范圍廣。

參見圖4，本發(fā)明提供了一種火星原位光譜聯(lián)用實驗方法，采用上述火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置，其具體實驗步驟如下：

s1：檢測火星原位光譜聯(lián)用實驗裝置并調(diào)試其至正常工作狀態(tài)，根據(jù)火星表面存在的礦物種類選擇礦物樣品；

s2：向真空艙體內(nèi)的樣品盛放件中添加礦物樣品；

s3：通過火星環(huán)境模擬實驗裝置模擬火星環(huán)境；

s4：打開激光器及光譜儀電源，激光器發(fā)出激光，通過光路打到礦物樣品上，礦物樣品激發(fā)光線通過光路傳輸至光纖探頭，光譜儀通過光纖探頭依次采集礦物樣品的raman光譜信號和libs光譜信號；

s5：礦物樣品的raman光譜信號和libs光譜信號采集完成后，關(guān)閉激光器以及光譜儀電源即可。

繼續(xù)參見圖4，為了實現(xiàn)不同火星環(huán)境參數(shù)下礦物樣品的同一點光譜測試，在步驟s4之后，改變火星環(huán)境，重復(fù)步驟s4，采集不同火星環(huán)境下礦物樣品的raman光譜信號和libs光譜信號。同樣地，為了獲取同一火星參數(shù)下不同礦物樣品的光譜測試，在步驟s4后，更換礦物樣品，重復(fù)步驟s4，采集相同火星環(huán)境下不同礦物樣品的raman光譜信號和libs光譜信號。通過改變火星環(huán)境參數(shù)或礦物樣品的種類，有利于研究環(huán)境參數(shù)對礦物樣品光譜的影響。

參見圖5，為了實現(xiàn)火星環(huán)境的模擬，實現(xiàn)對火星環(huán)境氣氛、溫度、壓力、濕度的模擬，上述火星環(huán)境模擬實驗裝置模擬火星環(huán)境，其具體的實驗步驟如下：

(1)檢測火星環(huán)境模擬實驗裝置并調(diào)試其至正常工作狀態(tài)；

(2)啟動真空泵，將真空艙體調(diào)至真空環(huán)境；

(3)通過第一供氣單元配置火星表面氣體，根據(jù)需求通過溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，通過氣體配置件將水蒸氣與配置的火星大氣混合獲得濕度火星表面氣體；

(4)向真空艙體內(nèi)通入濕度火星表面氣體，調(diào)節(jié)氣體配置件出口的閥門開關(guān)程度和氣體流量計，控制濕度火星表面氣體的流量，使真空艙體內(nèi)的壓力達(dá)到火星表面氣體壓力；

(5)啟動冷熱臺進(jìn)行加熱，溫度控制器根據(jù)溫度傳感器測量的冷熱臺溫度控制液通過液體泵由杜瓦瓶流入冷卻件的液氮流量，使真空艙體內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的工作溫度；

(6)火星環(huán)境氣氛、濕度、壓力、溫度的模擬完成。

上述(4)和(5)可以互換，不影響火星模擬實現(xiàn)。

在上述(3)中，溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，但該方案產(chǎn)生水蒸氣的量很少，且濕度不易調(diào)節(jié)，不滿足火星大氣環(huán)境濕度的要求。為了獲取更高的可控濕度條件，在所述步驟三中，同時通過第二供氣單元向密閉容器內(nèi)的去離子水中充入氣體，由充入的氣體獲取更多的水蒸氣，并與第一供氣單元的干燥氣體混合，可通過調(diào)節(jié)混合比例控制混合氣體的濕度，使模擬的火星表面濕度環(huán)境更加真實。

上述火星環(huán)境模擬實驗方法能夠完成火星表面環(huán)境氣氛、濕度、壓力、溫度的模擬和精確控制，實現(xiàn)真實火星表面環(huán)境模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)火星環(huán)境晝夜變化和季節(jié)性變化的模擬，為其他天體(如金星、泰坦等)的環(huán)境模擬設(shè)備的搭建提供技術(shù)積累和重要參考。

參見圖6，為了進(jìn)一步完善對火星環(huán)境的模擬，使模擬的火星環(huán)境更接近真實的火星環(huán)境，上述火星環(huán)境模擬實驗裝置進(jìn)行火星模擬，其具體實驗步驟如下：

(1)檢測火星環(huán)境模擬實驗裝置并調(diào)試其至正常工作狀態(tài)；

(2)啟動真空泵，將真空艙體調(diào)至真空環(huán)境；

(3)通過第一供氣單元配置火星表面氣體，根據(jù)需求通過溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，通過氣體配置件將水蒸氣與配置的火星大氣混合獲得濕度火星表面氣體；

(4)向真空艙體內(nèi)通入濕度火星表面氣體，調(diào)節(jié)氣體配置件出口的閥門開關(guān)程度和氣體流量計，控制濕度火星表面氣體的流量，使真空艙體內(nèi)的壓力達(dá)到火星表面氣體壓力；

(5)啟動冷熱臺進(jìn)行加熱，溫度控制器根據(jù)溫度傳感器測量的冷熱臺溫度控制液通過液體泵由杜瓦瓶流入冷卻件的液氮流量，使真空艙體內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的工作溫度；

(6)啟動并調(diào)節(jié)紫外輻照光源，模擬火星表面紫外輻射環(huán)境。

(7)火星環(huán)境氣氛、濕度、壓力、溫度、紫外輻照的模擬完成。

上述(4)、(5)和(6)可以任意互換，不影響火星模擬實現(xiàn)。

在上述(3)中，溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，但該方案產(chǎn)生水蒸氣的量很少，且濕度不易調(diào)節(jié)，不滿足火星大氣環(huán)境濕度的要求。為了獲取更高的可控濕度條件，在所述步驟三中，同時通過第二供氣單元向密閉容器內(nèi)的去離子水中充入氣體，由充入的氣體獲取更多的水蒸氣，并與第一供氣單元的干燥氣體混合，可通過調(diào)節(jié)混合比例控制混合氣體的濕度，使模擬的火星表面濕度環(huán)境更加真實。

上述實驗方法能夠完成火星表面環(huán)境氣氛、濕度、壓力、溫度以及紫外輻照的模擬和精確控制，實現(xiàn)更加真實的火星表面環(huán)境模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)火星環(huán)境晝夜變化和季節(jié)性變化的模擬，為其他天體(如金星、泰坦等)的環(huán)境模擬設(shè)備的搭建提供技術(shù)積累和重要參考。

參見圖7，為了進(jìn)一步完善對火星環(huán)境的模擬，使模擬的火星環(huán)境更接近真實的火星環(huán)境，上述火星環(huán)境模擬實驗裝置進(jìn)行火星模擬，其具體實驗步驟如下：

(1)檢測火星環(huán)境模擬實驗裝置并調(diào)試其至正常工作狀態(tài)；

(2)啟動真空泵，將真空艙體調(diào)至真空環(huán)境；

(3)通過第一供氣單元配置火星表面氣體，根據(jù)需求通過溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，通過氣體配置件控制水蒸氣與配置的火星大氣混合比例獲得不同濕度火星表面氣體；

(4)向真空艙體內(nèi)通入濕度火星表面氣體，調(diào)節(jié)氣體配置件出口的閥門開關(guān)程度和氣體流量計，控制濕度火星表面氣體的流量，使真空艙體內(nèi)的壓力達(dá)到火星表面氣體壓力；

(5)啟動并調(diào)節(jié)紫外輻照光源，模擬火星表面紫外輻射環(huán)境；

(6)啟動電壓發(fā)生器，并調(diào)節(jié)變壓器調(diào)節(jié)平行板電容間的電場。

(7)火星環(huán)境氣氛、濕度、壓力、紫外輻射、電場的模擬完成。

上述(4)、(5)和(6)可以任意互換，不影響火星模擬實現(xiàn)。

在上述(3)中，溫控加熱器加熱密封容器內(nèi)的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，但該方案產(chǎn)生水蒸氣的量很少，且濕度不易調(diào)節(jié)，不滿足火星大氣環(huán)境濕度的要求。為了獲取更高的可控濕度條件，在所述步驟三中，同時通過第二供氣單元向密閉容器內(nèi)的去離子水中充入氣體，由充入的氣體獲取更多的水蒸氣，并與第一供氣單元的干燥氣體混合，可通過調(diào)節(jié)混合比例控制混合氣體的濕度，使模擬的火星表面濕度環(huán)境更加真實。

上述實驗方法能夠完成火星表面環(huán)境氣氛、濕度、壓力、紫外輻射以及電場環(huán)境的模擬和精確控制，能夠?qū)崿F(xiàn)火星表面電場環(huán)境的模擬。

本發(fā)明上述實驗方法，在模擬火星環(huán)境的基礎(chǔ)，進(jìn)行火星環(huán)境下礦物樣品的原位光譜測試，滿足了真實火星表面元素或者礦物探測研究的需要。一方面能夠真實模擬火星表面環(huán)境氣氛、濕度、壓力、溫度(或電場)以及紫外輻照，另一方面可以實現(xiàn)火星環(huán)境下礦物樣品振動光譜的原位探測分析，研究環(huán)境參數(shù)對礦物樣品光譜的影響。再一方面可以為火星環(huán)境相關(guān)實驗提供綜合實驗平臺，用于火星遙感光譜揭示、模擬火星樣品的熱動力學(xué)實驗、火星探測有效載荷定標(biāo)實驗等，應(yīng)用范圍廣。

上述實施例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。