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ChemCam:深度揭秘好奇号火星车搭载的科学仪器
作者:东隆科技 Tim Hayes
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光学仪器展厅
显微镜, 金相显微镜, CCD摄像机, 水准仪, 光谱仪, ...
激光诱导击穿光谱仪器研发在火星探测应用中的巨大技术挑战。

好奇号火星车在成功抵达火星并完成一系列着陆步骤后,开始了为期两年的火星表面勘探的科研工作。

该科研项目使用ChemCam化学与照相机科学仪器来实现目标物的可视化,火星车桅杆装载的ChemCam由一个激光诱导击穿光谱仪(LIBS)和一个高分辨率成像仪组成。ChemCam是首个LIBS技术在行星科学中的应用实例,并且已经成功发出过激光并分析好奇号周围选中的火星岩石。

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好奇号火星车的桅杆竖起,顶部装载ChemCam

虽然LIBS的原理相对较简单明了,但考虑到好奇号火星车所工作的特殊环境要求,实际应用方面面临着重重挑战。

更小,更轻便的激光器
ChemCam中的激光器由法国Thales Optronics公司研发制造。据该公司项目经理Eric Durand 介绍,早在2001年,ChemCam配件供应商之一法国国家空间研究中心(CNES)在首次和Thales Optronics 沟通时就提出,Thales的产品Diva半导体泵浦固体激光器的光学性能很适合火星LIBS勘探应用,但是需要缩小体积和重量以适应航天环境的严苛要求。
Diva激光器原来设计为在常温下工作,设备需要改进为能在无主动冷却系统的条件下,在温差为60度的环境温度下运作。对重量的要求更加苛刻:Diva激光器原来有10公斤重,CNES要求Thales研发出重量只有500克的激光器,并且要求该激光器能够顺利通过火星之旅。

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LIBS技术的实际应用原理图

在解决方案中,所有的温控组件都被去除掉了,以减小整体的体积与质量。另外,由一个振荡器加上两个板条放大器的系统也被应用于设计之中。但是以上两点需要系统有更强的传导冷却能力。

原来的Nd:YAG激光介质被替换成了Nd:KGW晶体棒或者掺钕钨酸钾钆晶体,并由700瓦二极管堆栈纵向泵浦。Nd:KGW晶体棒的宽光谱吸收特性使其在大温差范围内具有极小的吸收率波动,从而可以实现二极管和激光棒的传导冷却,以便在大温差的火星环境中工作。

研发团队同时改进了Q开关系统,原来的4千伏特供电不太适合用于其它行星,通过改用基于RTP(磷酸钛氧铷)普克尔盒的Q开关系统,就只需要1千伏特供电并且可在要求的大温差范围内工作。

令人振奋的是,早在2003年当ChemCam被正式确认为好奇号火星探测组件时,THALES就研制出了在实验环境中运作良好的光学组件。并在接下来的4年中构建6组不同的模型来研究系统参数,并于2007年交付用于最终飞行设备。

据Durand介绍,他们几乎完全重新改造了激光器,挑战比较大,开始时并没有足够的信心,但是他们最终成功改造了满足如下工作要求的激光器:一个输出24毫焦以上脉冲能量、8纳秒以内脉宽、1067纳米波长的激光光源,并且它的理想工作温度为-20到+20摄氏度。

三重光谱分析仪

ChemCam机身内还包含有CCD相机和光谱仪电子元件,分别安装在好奇号火星车的桅杆上,通过光缆接受激光激发产生的等离子光束。

ChemCam包含的三个光谱分析仪由海洋光学(Ocean Optics)提供,据该公司的Rob Morris介绍,基于HR2000型号的光谱分析仪经过了较大的定制改造,以达到更好的空间利用率。ChemCam的三个光谱仪分别能检测三个不同波段的光谱:240.1-342.2纳米的紫外波段(UV);382.1-469.3纳米的紫光波段(VIO);474.0-906.5纳米的可见光以及近红外波段(VNIR)。飞行外壳采用了铍金属来制作,三个光谱仪被去除顶盖后叠在一起,都是为了减轻整体重量。

温度控制也需要一些技巧。具有极低导热性的钛金属被用来制作安装脚,以此提升光谱仪的绝热性能。光谱仪的侧面通过聚酰亚胺胶带贴着火星车外壁,另外一层胶带被贴在了火星车的内壁,用来增加两个表面的热传导,借助凌晨时火星车外壁的低温来进一步冷却光谱仪,直到外壁被日光照热。额外的热电制冷装置也被加装于系统中,以便进一步控制光谱仪的温度。

定制CCD相机

ChemCam采用了由e2v公司提供的三个CCD相机,分别用于三个光谱仪。(该公司还提供了一个CCD相机用于好奇号火星车的另一个CheMin粉末X射线衍射科学仪器)

三个CCD相机基于该公司的标准4210产品,其表面根据对应的不同光谱范围而分别进行了镀膜处理:扫描UV波段的CCD镀了普通商用紫外增透膜,扫描VIO波段的CCD镀了增强型宽带膜,扫描VNIR波段的CCD镀了全定制膜。

该项目经理Wolfgang Suske介绍,第三个CCD相机是4210产品的全新版,它采用了渐变式增透镀膜,也就是说,CCD的不同区域的镀膜厚度是不同的,对不同波长的反射与位置相关,从而可以调整适应以达到该波段的最优性能。这项创新主要用来解决标准具效应带来的问题,标准具效应是指CCD探测器因其内部的干涉效应而对不同波长会有不同的响应,在450纳米以上的波段,这个问题会更明显。在VNIR CCD探头上使用渐变式增透镀膜后,探测器上的每个像素栏就能与波长相匹配了。

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商业价值

如e2v公司的Suske所说,在行星项目研发中出现的具有突破进展的镀膜技术,正是合同价值所在。

海洋光学将继续与美国宇航局和其他太空机构保持紧密合作。Morris表示,该公司在各种项目中的贡献包括:对在太空中飞行的火箭监测,月球表面监测,以及各种非太空探索项目中推进科学发展的应用。

Thales研发的ChemCam激光器还没有找到直接的商业应用。Durant表示,尽管LIBS应用已经很普及很有用,但是考虑到激光器高昂的价格并且难以降低成本,这种太空应用激光器还并不具有对普通市场的较好适应性。在Thales内部体现出很强的协作精神,并且他们对该LIBS系统成功应用于火星探测感到非常自豪。

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CHEMCAM Mast Unit

(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2013-1-17)
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