深空探測中的激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測儀

舒嶸，徐衛(wèi)明，付中梁，萬雄，袁汝俊,3

（1. 中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2. 上?？萍即髮W(xué)，上海 201210；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 探月與航天工程中心，北京 100190）

引 言

人類進行深空探測的終極目標就是尋找適于生命生存的環(huán)境。其中很重要一點是對星體的物質(zhì)環(huán)境進行測定，所以對星體物質(zhì)成分研究是深空探測的首要問題。因為星體上的大氣和表面的物質(zhì)之間存在相互作用的關(guān)系，因而只有結(jié)合二者才能真正分析行星表面的物質(zhì)成分。所以對火星探測中的物質(zhì)成分的研究也包含對其表面及大氣的檢測兩個部分。對這兩部分的研究對于研究火星的形成過程、火星地質(zhì)的長期演變過程、火星表面成分的長期演化過程、巖石和空氣的相互作用、巖石和水的相互作用過程以及火星地貌的長期變化，都具有重要的科學(xué)意義[1-2]。

1 激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）技術(shù)是指通過向被測物體發(fā)射高功率密度的激光脈沖，在其表面燒蝕少量的等離子體，并探測后者冷卻過程中的特征發(fā)射光譜以得到被測物體的元素成分組成信息的檢測方法。圖1為遠程LIBS技術(shù)的系統(tǒng)框圖。

相比α粒子X射線光譜儀（Alpha Particle X-Ray Spectrometer，簡稱APXS）和X射線熒光等傳統(tǒng)深空探測的方法，LIBS具有如下所述的優(yōu)點：①遠程分析：LIBS可在距離數(shù)米遠的距離外進行物質(zhì)元素分析，是目前獲取超過數(shù)厘米以上的距離的元素組成分析的唯一儀器；②高效率：LIBS無需樣品制備、分析速度快（幾分鐘），可同時進行多元素分析和微量元素檢測；③探測目標表面改造能力：LIBS發(fā)射的激光燒蝕效果可用于清除樣品表面塵埃層，提高了探測結(jié)果的準確度，此外對同一位置反復(fù)燒蝕形成深度剖面，可達到對樣品內(nèi)部進行探測的目標；④體積、功耗和技術(shù)實現(xiàn)性：LIBS儀器可在現(xiàn)有技術(shù)條件下在地外探測平臺中搭載實現(xiàn)[3]。

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1.1 國外典型的LIBS系統(tǒng)

NASA早在2000年之前就在開展了LIBS和激光誘導(dǎo)Raman光譜儀的整合技術(shù)研究，并開發(fā)出原型樣機。在2011年發(fā)射的火星科學(xué)實驗室（Mars Science Laboratory，MSL）上搭載的ChemCam包括LIBS和遠距離顯微鏡（Remote Microscope Imager，RMI）兩套主要探測儀器[4]。ESA火星探測任務(wù)中將計劃于2020年發(fā)射的Mars 2020 rover探測車上搭載了LIBS和Raman組合儀器，旨在完成火星生物環(huán)境特征分析，為機器人挖掘選址提供參考以及為載人火星探測提供依據(jù)等目標[5]。在其探測器中，LIBS負責在原子層面對近距離礦物元素探測，Raman負責在分子層面對近距離有機物質(zhì)和無機礦物探測。NASA 2020火星車上的SuperCam除搭載了在上一代表現(xiàn)出色的LIBS光譜儀之外，還新加入了Raman光譜儀在內(nèi)的多種探測手段，進一步豐富了火星車的探測能力[6]。圖2為ChemCam和SuperCam的實物比較圖。

圖1 遠程LIBS分析系統(tǒng)框圖Fig.1 Remote LIBS analysis system block diagram

圖2 SuperCam與ChemCam實物比較圖Fig.2 Comparison of SuperCam and ChemCam

1.1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

與發(fā)達國家如火如荼的LIBS研究相比，我國有關(guān)LIBS的研究工作起步較晚?？梢詵说降淖钤缪芯抗ぷ靼l(fā)表在1994年，由安徽師范大學(xué)物理系光譜與材料研究室的陸同興和崔執(zhí)鳳教授報道[7]。他們采用光學(xué)多通道分析儀測量了Nd∶YAG激光燒蝕固體等離子體的發(fā)射光譜，獲得了延時1到10 μs時Mg的552.84、516.74、470.30、383.83 nm等譜線的Stark展寬。2004年，華中科技大學(xué)陸繼東教授將LIBS技術(shù)應(yīng)用于煤燃燒過程的檢測中[8]。此后華中科技大學(xué)的研究人員還將LIBS技術(shù)應(yīng)用于煤質(zhì)測定、大氣的成分分析以及土壤中微量元素定量分析等研究中；中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所的劉憲云、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所、中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所和華南理工大學(xué)等單位也都就LIBS設(shè)備和應(yīng)用進行了一系列的研究工作，推進了該技術(shù)的發(fā)展。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所從2004年開始以月球探測為目標開展了深入的LIBS研究，對不同氣壓條件下LIBS探測相關(guān)理論進行了深入的研究，先后建立了多套適合不同要求的試驗裝置，對多種典型樣品在不同氣壓條件下進行了不同目的的LIBS實驗研究，獲取了大量研究數(shù)據(jù)。研究了LIBS應(yīng)用于低氣壓的月球表面環(huán)境的探測性能變化和探測模式改進，并研制出相應(yīng)的原理樣機。中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所在LIBS-Raman集成技術(shù)、小型化半導(dǎo)體泵浦脈沖激光器等關(guān)鍵技術(shù)方面也有了突破[9-12]。

2 火星表面成分分析儀工作原理

火星表面成分探測儀在進行物質(zhì)成分檢測時是基于LIBS技術(shù)的。探測儀的艙外探頭部分包括光學(xué)鏡頭、調(diào)焦機構(gòu)、激光器頭部及發(fā)射光學(xué)、顯微成像探測器及其電路、分光耦合光纖光路和艙外熱控等（參見圖3）。艙外探頭接收到主控電路發(fā)出的控制指令后啟動調(diào)焦機構(gòu)工作，主控電路同時控制激光發(fā)射和光譜采集。調(diào)焦功能采用同軸光路發(fā)射連續(xù)激光，通過尋找接收光信號峰值確定最小光斑。

圖3 火星物質(zhì)成分分析儀Fig.3 Mars material identification instrument

艙內(nèi)光譜儀部分包括激光驅(qū)動電路、LIBS光譜儀和艙內(nèi)熱控。艙內(nèi)光譜儀根據(jù)主控電路發(fā)出的控制信號工作，激光發(fā)射時序由主控電路產(chǎn)生，光譜儀的數(shù)據(jù)采集啟動由主控電路控制，采集到數(shù)據(jù)后傳輸?shù)街骺仉娐凡糠诌M行緩存并分析。光譜儀既要高分辨率，也要兼顧輕小和可靠，因此選擇切爾-特爾納（Czerny-Turner）光譜儀結(jié)構(gòu)，以平面光柵作為色散元件，分辨率高、色散均勻。為保證在240～850 nm整個譜段范圍內(nèi)都能有高的光譜分辨率，將該譜段范圍分成3段，紫外譜段240～340 nm光譜分辨率0.1 nm，可見光譜段340～540 nm光譜分辨率0.2 nm，近紅外譜段540～850 nm光譜分辨率0.3 nm。LIBS光譜儀采用光纖輸入接口，從探頭部分引出光纖以收集LIBS信號。LIBS光譜儀則采用分色片將240～850 nm分成3個譜段，分別采集各譜段內(nèi)的LIBS光譜。

定標板安裝在火星車結(jié)構(gòu)板的尾部，可以實現(xiàn)在軌定標，定標板設(shè)計10種典型物質(zhì)，在啟動光譜采集任務(wù)前，通過指向定標板上的不同標定物，進行定量光譜采集，提高光譜定量分析的精度。

主控電路部分主要進行外部通訊、接口控制、工作時序控制、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)壓縮、以及光譜分析。主控電路安裝在載荷控制器內(nèi)部，根據(jù)載荷控制器給出的指令啟動或者停止火星表面成分探測儀工作，并根據(jù)指令將采集到的光譜及其他相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到載荷控制器，經(jīng)中繼后發(fā)送回地面。光譜分析部分可以實現(xiàn)在軌的光譜合并累加，根據(jù)地面指令要求傳輸可以選擇傳輸原始光譜數(shù)據(jù)、還是傳輸在軌處理后的光譜數(shù)據(jù)。

3 火星環(huán)境載荷生存問題

火星探測器需要從地面飛行至距離地球上億千米的火星進行著陸巡視探測。在飛行期間，火星探測器經(jīng)歷的空間環(huán)境和月球探測類似，但是二者著陸探測的環(huán)境區(qū)別很大。跟載荷的生存密切相關(guān)的火星環(huán)境如下。

3.1 火星環(huán)境

1）太陽光照強度：火星距離太陽比地球更遠，火星上的平均太陽光強只有地球的0.43，目前國際上通常采用的地球軌道光強為1 353 W/m2，而火星運行軌道的平均光強為590 W/m2。此外，火星的光強隨著與太陽的距離變化還會有 ± 19%的波動，為493～717 W/m2。太陽光照強度減弱意味著如果只利用太陽能，能源供應(yīng)可能會存在問題。

2）火星大氣：火星大氣層非常稀薄，主要成分是CO2和N2，見下表所示?；鹦潜砻娴钠骄鶜鈮菏?00 Pa，小于地球氣壓的1%，隨海拔高度的改變可以在100～900 Pa之間變化。“海盜號”著陸器利用所攜帶的質(zhì)譜儀對火星低層大氣的成分進行了探測鑒別，探測結(jié)果如表1所示。對于激光誘導(dǎo)擊穿等離子體光譜技術(shù)而言，在不同的氣壓下會導(dǎo)致激發(fā)等離子體的強度、形狀等特性發(fā)生變化，從而影響載荷的探測信噪比。理論分析和相關(guān)實驗證明，在火星大氣壓下，激光誘導(dǎo)擊穿光譜采集的數(shù)據(jù)信噪比相比1個大氣壓下是有一定提升的。因此，火星低氣壓是適合應(yīng)用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的。

表1 火星近地大氣成分Table 1 Atmospheric composition of Mars surface

3）火星表面溫度：由于火星大氣層很薄，難以通過大氣運動傳遞表面的熱量，所以其表面溫度變化較大?！昂１I號”的兩個著陸點夏季的平均溫度為-60 ℃，晝夜的溫度變化約50 ℃：冬季平均溫度達-120 ℃，晝夜溫度變化達100℃。整個冬季溫度低于-123 ℃，使得CO2凍結(jié)成白色沉積物，形成極冠。由于極冠的季節(jié)性循環(huán)，表面總氣壓波動達30%。-120 ℃的低溫環(huán)境對載荷的控溫提出了較高的要求，尤其是在太陽光照不足的條件下。

4）火星風：火星風是火星上的一種常見天氣?；鹦堑娘L速是地球風速的10倍，而其空氣的密度比地球的小120倍?；鹦歉鱾€區(qū)域的風速存在較大差異，通常的風速為2～7 m/s，而在地形交界處的風速高達50 m/s?；鹦秋L的強度和方向隨季節(jié)而劇烈變化著，甚至在一天里也會發(fā)生巨大改變。在強風下開展空間載荷探測，也是有別于傳統(tǒng)空間探測的顯著特點。

5）塵暴：劇烈的火星風伴隨著巨大的塵暴，這也是一種常見天氣。大的塵暴將持續(xù)數(shù)月，彌漫整個大氣，對光學(xué)可見度的阻擋將達5個光學(xué)深度。即使在晴朗的天氣里，空氣的不透明度將超過0.18（即能見度小于0.82）。沙塵覆蓋對光學(xué)探測會產(chǎn)生非常不利的影響。

3.2 火星激光誘導(dǎo)擊穿光譜載荷環(huán)境適應(yīng)性

NASA于2012年發(fā)射的“好奇號”火星車上搭載的ChemCam載荷就是利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)分析火星表面元素的，如圖4所示。ChemCam載荷的光學(xué)頭部放置在桅桿上端，外部用熱保護層包裹以保證內(nèi)部工作溫度滿足要求?！昂闷嫣枴被鹦擒嚥捎煤四芄╇?，可以提供充足的能源，保證ChemCam的光學(xué)頭部溫度范圍在（-40～+35）℃。并且由于整體結(jié)構(gòu)密封，光學(xué)窗口垂直于火星表面，難以聚集灰塵，有利于阻止火星沙塵的影響。下圖是“好奇號”火星車的物質(zhì)成分分析儀的示意圖。

圖4 “好奇號”上的物質(zhì)成分分析儀Fig.4 Curiosity on the composition of the material analyzer

中國將于2020年發(fā)射火星探測器，火星車上也配置了激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器，圖5中火星車前方的發(fā)射激光儀器就是中國火星車上的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器。我國的火星車配置方案與國外不同，桅桿上放置了導(dǎo)航相機，激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器安裝在火星車艙板上正前方，并且由于該火星車沒有采用核能供電，太陽能不足，以至于沒有多余功率供給激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器進行控溫設(shè)計，因此，相比NASA的ChemCam而言，我國的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器所處溫度環(huán)境更為惡劣，要適應(yīng)火星夜-130℃的低溫。圖5為中國火星車的工作示意圖。

圖5 中國火星車工作示意圖Fig.5 Work diagram of China Mars rover

激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器是一臺精密的光機電儀器，包括激光器、運動機構(gòu)、精密光學(xué)等，要適應(yīng)-130℃的低溫，必須采用特殊設(shè)計，需要遵循以下設(shè)計原則開發(fā)儀器：

1）單機的結(jié)構(gòu)材料要能適應(yīng)低溫下的存儲，能適應(yīng)多個火星夜的溫度交變而不損壞；激光器要能適應(yīng)較寬的工作溫度范圍；

2）運動機構(gòu)要有足夠的驅(qū)動能力，在低溫下能正常工作且不會卡死；

3）精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮材料之間的膨脹系數(shù)的一致性和良好的熱導(dǎo)率，保證在從低溫到常溫的極寬的溫度范圍內(nèi)，光學(xué)零件不會由于受到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力而變形，降低光學(xué)性能；

4）同時作為精密的光學(xué)儀器，還必須要考慮在火星上沙塵問題，火星上風大，沙塵也多，需要確保觀測光學(xué)窗口不會被沙塵覆蓋，從而降低光學(xué)探測性能。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器要到火星上使用，生存是設(shè)計上首要考慮的重要因素。對于沒有足夠的能源進行熱控的系統(tǒng)，要充分利用被動熱控手段，減小單機的溫度變化范圍。由于火星上的大氣，輻射、傳導(dǎo)和對流熱交換都需要考慮，故和通常的真空中熱設(shè)計有較大區(qū)別。

4 數(shù)據(jù)反演及定量化技術(shù)

4.1 LIBS數(shù)據(jù)反演

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)作為一種元素組成分析技術(shù)，可分為定性分析和定量分析。定性分析是依據(jù)原子離子發(fā)射譜線的波長值對應(yīng)到元素的類別，每個元素都有一定數(shù)量的不同強度的特征譜線，而每一根特征譜線就像元素的指紋，只對應(yīng)一種元素。LIBS定量化分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，確定探測目標中元素的具體含量信息。有關(guān)LIBS數(shù)據(jù)分析的研究近10余年都有廣泛的研究。2007年北京交通大學(xué)的王智宏利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)定性分析礦石成分，結(jié)果表明，激光誘導(dǎo)解析光譜方法是一種潛在的快捷且有效的材料定性分析手段[13]。2009年北京交通大學(xué)的陸運章利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)定量分析礦石樣品中Si和Mg，采用外定標法對硅和鎂的含量進行了反演，測得的硅和鎂元素含量值與標準值的相對誤差分別為7%和3%[14]。2012年江西農(nóng)業(yè)大學(xué)陳添兵用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)定量分析土壤中Ba和Sr，測定Ba和Sr含量值與標準值的相對偏差分別為5.7%和5.1%[15]。這些對LIBS技術(shù)的研究成果可以用來對火星表面物質(zhì)成分進行精確定性及定量分析。

圖6為進行LIBS數(shù)據(jù)分析的基本流程說明。

圖6 LIBS數(shù)據(jù)分析流程圖Fig.6 Flow chart of LIBS data analysis

4.2 數(shù)據(jù)修正

4.2.1 儀器定標

光譜圖像實際上是一維數(shù)據(jù)，因此儀器對實際光譜的影響分成以下兩個部分。一方面是對波長位置的影響，另一方面是對特定波長范圍的光譜產(chǎn)生衰減。因此需要在波長和輻射強度兩方面對儀器進行標定，以進行最終測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為實際數(shù)據(jù)的修正。

1）波長定標。CCD陣列傳感器數(shù)據(jù)采集是以像元為接收單位，一個像元接收一個數(shù)據(jù)，對于光譜波長定標實質(zhì)上就是波長對應(yīng)CCD序號像元之間的關(guān)系。常用特征光譜定標法對光譜進行定標，其原理為：采用具有特征光譜的光源（如低壓汞燈）作為定標光源，找到特定譜線在CCD上對應(yīng)像元點位置，通過多項式擬合等算法，實現(xiàn)CCD像元與波長之間的匹配。根據(jù)定標方程給CCD的每個像元分配一個波值，并將首尾像元的波長值分別作為儀器通道的波長起止值，從而完成光譜定標中的波長定標。

對3個通道進行的標定實驗方法完全相同，即通過標定實驗得到對應(yīng)于標定光源特征譜線1、2、…、i的像元序號n1、n2、…、ni。通過擬合方法建立兩者之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)方程λ =f（n），完成波長定標。

2）輻射定標。光譜儀器測量的是待測目標的光譜強度分布E（λ），反映其光譜輻射特性。CCD陣列探測器時間歸一化之后的輸出電壓U（λ）可表示為

其中：α為系統(tǒng)的比例系數(shù)；T（λ）為相對光譜透射率；S（λ）為CCD陣列探測器的光譜響應(yīng)度；△λ為光譜波長劃分寬度。則有

采用已知光譜強度分布E（λ）的定標光源，在同等條件下測得CCD陣列探測器的輸出電壓U（λ），則有

由上兩式可得Es

式中，β（λ）的確定即為光譜輻射定標。定標的標準光源可采用經(jīng)中國計量研究院標定過的輻射標準燈，其光譜強度分布Es（λ）已知，通過測定CCD陣列探測器的輸出電壓Us（λ），可實現(xiàn)對三通道光譜范圍內(nèi)β（λ）的標定。

4.2.2 在軌定標

由于LIBS探測受環(huán)境的影響很大，在火星大氣環(huán)境（7 Torr，二氧化碳95%）下，系統(tǒng)的探測性能會有變化，因此在線的系統(tǒng)標定是必須的。擬在火星車上安裝LIBS探測包的定標樣品，以進行火星環(huán)境下的在軌定標。定標樣品的選擇必須考慮以下因素：空間分布各向同性、激光耦合吸收效率、化學(xué)基質(zhì)效應(yīng)、消耗速率、地質(zhì)多樣性、與火星物質(zhì)的相似性、環(huán)境忍受能力等。

通過在軌定標，修正LIBS光譜系統(tǒng)的譜線波長位置。具體步驟為：①首先對兩種單質(zhì)在軌定標樣品進行LIBS探測，得到其3個譜段主要譜線的波長位置，并與其實驗室建立的定標數(shù)據(jù)庫進行對比，得到相關(guān)修正系數(shù)，以對系統(tǒng)的波長漂移進行修正；②對4種巖石標準物質(zhì)樣品進行LIBS探測標定，得到其3個譜段主要元素譜線的波長位置及強度，并與其實驗室建立的定標數(shù)據(jù)庫進行對比，評估系統(tǒng)的探測性能，進行必要的系數(shù)修正；③類似地，對4種黏土標準物質(zhì)樣品進行相同的標定及對系統(tǒng)的必要修正。

4.3 定量分析原理

在LIBS探測中，高能激光經(jīng)聚焦到目標表面，使得聚焦點附近形成高密度的等離子體輻射源，并向周圍膨脹；等離子體的行為模式主要是自由電子和原子、離子之間的碰撞，這種碰撞使得等離子體中各種粒子（原子和離子）的激發(fā)態(tài)逐漸接近于平衡玻爾茲曼分布；這種分布由等離子體發(fā)射出的原子譜線的強度反映出來，可以被用來決定發(fā)射粒子的含量。等離子體的激發(fā)的發(fā)射系數(shù)可用來表征原子譜線的強度，其含義為單位時間單位體積單位立體角內(nèi)輻射的能量，可用下式表示

其中：n2是處于發(fā)射狀態(tài)的粒子數(shù)密度，而A21是自發(fā)輻射的愛因斯坦系數(shù)，這個系數(shù)對于任意兩個特定的能級是定值；ε（dtdVdΩ）則是在單位時間dt內(nèi)從單位體積dV中朝單位立體角dΩ方向上所輻射的能量。上式建立了LIBS譜線強度與粒子數(shù)密度之間的關(guān)系，奠定了LIBS定量分析的理論基礎(chǔ)。

4.3.1 無需定標的LIBS定量分析方法

無需定標的LIBS定量分析方法（Calibration-Free LIBS Technique，CF-LIBS）基于3個從理論和試驗的角度提出的假設(shè)：①激光誘導(dǎo)等離子體的元素組成與待測物質(zhì)樣品的元素組成一致；②用來作定量化分析的原子譜線不存在自我吸收；③等離子體處于“局部熱動力學(xué)平衡態(tài)”。

在這3個假設(shè)條件下，原子按能量的分布規(guī)律遵循麥克斯韋-玻爾茲曼分布。

LIBS試驗中獲取的每條符合CF-LIBS假設(shè)的原子譜線都是由x和y確定的平面的一個點，整個LIBS探測過程獲得的數(shù)據(jù)組為波爾茲曼平面上的若干點，其中的某些點是屬于同一種元素粒子的，把這些點擬合成一條直線，其斜率為p，截距為q；不同元素粒子擬合出來的曲線相互平行，分別對應(yīng)不同截距。根據(jù)直線的斜率可求得等離子體的溫度T；計算出對應(yīng)T的配分函數(shù)Z（T）；然后根據(jù)截距可得到激發(fā)區(qū)域的元素粒子數(shù)nV。算出所有的元素粒子總數(shù)后，可得到每種元素的含量。

4.3.2 基于單變量定標的LIBS定量分析

1）外標法。在元素的定量分析中，外標法是通過校準曲線進行定標，然后通過光譜強度值，便可計算出其元素在樣品中的含量。其理論公式為羅馬金-賽伯公式

其中：I表示為實驗所得的光譜強度；C為分析元素的濃度；a和b為常數(shù)，a與樣品的參數(shù)、激發(fā)過程等相關(guān)，b為自吸收系數(shù)。在做LIBS檢測中，一般假設(shè)為光學(xué)薄等離子體，忽略了自吸收，所以假設(shè)b為1。

基于定標的LIBS探測樣品元素濃度，需要制備一系列標準樣品，而且定標時需要儀器完全固定，樣品放在固定位置上，定完標后再進行待測樣品的檢測。

LIBS測量需要考慮很多因素：①激光聚焦到樣品上的方式，需要考慮激光器的參數(shù)，激光器觸發(fā)信號與光譜儀采集信號之間的延遲時間，透鏡與樣品之間的距離等等；②樣品表面的情況，樣品表面粗糙程度、表面清潔度等都會影響到LIBS檢測的精度；③要考慮化學(xué)基質(zhì)效應(yīng)（Matrix Effect），假設(shè)兩種不同物質(zhì)的某種元素濃度相同，但是用LIBS檢測時強度不一定相同。

2）內(nèi)標法。內(nèi)標法通過歸一化感興趣的譜線強度來避免由于實驗操作帶來的誤差，有利于改進分析結(jié)果。在采用內(nèi)標法做定量分析時，必須遵循幾條規(guī)則：①在定標的樣品中，其內(nèi)標元素的濃度不能有變化；②內(nèi)標譜線要避免其它譜線的干擾或者重疊；③不能改變外界參數(shù)來擾動所要測量的元素歸一化譜線強度。

在LIBS實驗中，必須要找好內(nèi)標譜線，在實驗條件相同的情況下，檢測待測標品的譜線，然后根據(jù)濃度和所要測量元素與內(nèi)標元素的譜線強度比擬合出定標曲線。

5 儀器特色及科學(xué)目標

5.1 儀器特色

在研的火星表面物質(zhì)成分分析儀的主要特色在于可以將用作LIBS探測的可見光譜儀與紅外光譜探測中的短波光譜儀合二為一。該分析儀在具備分析物質(zhì)原子特征發(fā)射譜線的能力的同時，也可以對其分子振動光譜（被動紅外發(fā)射光譜）進行探測。通過結(jié)合這兩種方式可以實現(xiàn)在原子和分子這兩層面的對物質(zhì)信息進行分析。

5.2 主要探測任務(wù)

1）火星表面物質(zhì)的化學(xué)元素組成分析。激光光譜探測器攜帶激光擊穿等離子體光譜儀，能夠通過原子光譜的探測來分析火星表面物質(zhì)的化學(xué)元素組成；能夠獲取礦物巖石不同深度剖面上的化學(xué)元素組成。

2）火星表面礦物分析和巖石識別。激光光譜探測器攜帶短波紅外（1.0～2.4 μm）光譜儀，能對火星表面礦物種類進行識別，分析礦物組成、巖石類型與分布特征。

3）火星表面詳細地質(zhì)信息分析?；鹦潜砻嫖镔|(zhì)成分分析儀的科學(xué)目標在于研究火星表面物質(zhì)組成。它的主要任務(wù)是識別火星表面巖石類型、分析表面礦物組成，探查和搜尋火星表面次生礦物，特別是曾經(jīng)有水作用痕跡的特征鹽類礦物與氧化物。通過提供這些信息，為行星地質(zhì)學(xué)家對火星的地質(zhì)、地貌及氣候變化等信息進行分析時提供更有力的參考依據(jù)。

6 結(jié)束語

2020年將隨著我國首次火星探測任務(wù)搭載我國第一臺火星表面物質(zhì)成分探測儀，激光擊穿光譜技術(shù)在深空探測中將發(fā)揮非常重要的作用，但同時要充分認識到火星任務(wù)環(huán)境的嚴酷性和任務(wù)的復(fù)雜性。只有在克服這些可預(yù)知的問題時，火星表面物質(zhì)成分分析儀才能更好地為火星探測任務(wù)提供科學(xué)儀器方面的保障。