亚冠2019上海上港与川崎前锋:四極質譜計在一些外星球大氣成份分析中的應用

質譜測量 汪志成 蘭州物理研究所

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  四極質譜計多次搭載在探測器上對金星、土星、木星、土衛六等外星球表面大氣成份進行了分析,獲得了一些有價值的信息。本文分析了四極質譜計在空間應用時面臨的問題;以具體的空間探測任務為例,探討了質譜計設計的成功和不足之處,以及未來空間探測任務對四極質譜計提出的新要求。

  對行星大氣環境的研究具有重大價值,如氣體組成成份和濃度的分析數據可以為行星起源和形成過程的深入研究提供參考;同位素的分析數據可以為太陽系形成過程的理論研究提供有價值的信息;檢測土壤中的有機組分可以為外星生命的研究提供證據等。質譜計作為一種主要的分析儀器,在行星大氣分析中發揮了重要作用。到目前為止,各種不同類型的質譜計都曾搭載在探測器上執行過空間任務。其中四極質譜計由于其獨特的優勢:可以很方便的與外部大氣離子源實現對接,適應惡劣的空間環境;方便的實現MS-MS 分析;可以通過調節電參數獲得不同的質量數測量范圍、分辨率、調整掃描時間等,在行星大氣探測中得到了廣泛的應用。

1、應用環境對四極質譜計的要求

  四極質譜計用于行星大氣分析時必須考慮到空間應用環境的特殊性,主要體現在如下一些方面:

  (1)行星大氣中除了有常見氣體外,還可能存在其他一些在地球上不常發現的氣體和同位素,這些物質分解出離子碎片和雙電荷離子,可能造成質譜分析時出現大量同質異位元素,如表1所示;

  (2)進樣系統可能被污染而影響測量結果,潛在的污染物質包括:燃料排放的氣體、航天器材料排出的氣體、原子氧附著在進樣裝置表面形成的分子氧、從金屬表面濺射出來的鈉和其他的堿性金屬;

  (3)在航天器飛行過程中進行測量時,質譜計必須能夠適應寬的壓力范圍,如金星的高層大氣壓力約為103 Pa(110 km 高空處),而到達金星表面時,氣壓接近108Pa;

  (4)航天器的飛行速度會限制采樣的次數,也對四極質譜計的掃描速度提出了特殊要求。

表1 行星大氣中可能存在的同質異位元素

行星大氣中可能存在的同質異位元素

2、四極質譜計在外星球大氣分析中應用的歷史

  針對不同的探測目標,為了適應特定的應用環境,空間應用質譜計的設計往往不同于一般的商業儀器,具有唯一性。下面以幾個典型的空間探測任務為例,分析空間應用四極質譜計的一些特性。

2.1、先鋒號四極質譜計

  先鋒號金星探測器于1978 年發射,其上搭載了一臺雙曲面四極質譜計來研究金星的高層大氣(140~300 km 高度處)。主要探測大氣中的一氧化碳、二氧化碳、原子和分子氮、原子氧和氦等組分。儀器重3.81 kg,平均功耗12 W,質量數測量范圍1~64 amu,結構如圖1 所示。

先鋒號金星高層大氣探測質譜儀

圖1 先鋒號金星高層大氣探測質譜儀

  其主要設計特點有:

  (1)進樣裝置經過特殊設計,使得外星球大氣和儀器背景污染、儀器表面濺射的金屬離子通過進樣管道的速度不一樣,從而將背景噪聲區分開;并在進樣管道入口加偏轉電壓,以阻止外星球大氣中的離子和電子進入離子源。

  (2)為了更好地區分同質異位元素,設計電子碰撞型離子源的電子能量可以在27~70 eV 之間調節,利用不同的電子能量來改變分子分解的形式和荷電量。如在70 eV 時,CO2譜圖在44 amu (母峰),28 amu (CO),22 amu(CO2++),16 amu(O),和12 amu(C)都有很高的質量峰;使用37 eV 電子,22Da 峰消失并且其他峰也大大降低;在27 eV 時,所有分解峰除了CO 峰外,都在母峰的1%以下。這樣就可以更好的區分同質異位元素(如將CO2++ 和22Ne+ 區分開)。

  這些設計幫助四極質譜計成功的獲得了金星大氣中的一氧化碳、二氧化碳、原子和分子氮、原子氧和氦等成份的相關數據,為研究金星表面大氣逃逸機理、大氣動力學、熱結構、光化學提供了重要參考信息。

3、分析與展望

  針對不同的探測環境要求,四極質譜計進行了一些特殊的設計,取得了很好的效果。但四極質譜計還存在一些明顯的不足,如功耗偏高,質量數范圍窄,不適合進行大分子量有機物的探測,而進行大分子量有機物的探測可以為探索地球外生命提供直接的證據,是未來各國宇航局進行空間探測的一個重要目標。因此,為了適應空間探測的需求,四極質譜計必須進行小型化處理,在降低儀器尺寸、功耗的同時,提高儀器的性能。在這些方面,質譜工作者進行了大量研究, 取得了一系列突破, 如日本希望號(Nozomi) 探測器上搭載的四極質譜計質量僅為2.7 kg,平均功耗為7.4 W,實現了1~64 amu 質量數的探測,印度的月神1 號探測器上搭載的四極質譜計達到了0.5 amu 的分辨本領,分壓力測量范圍達到10-14Torr。同時,島津實驗室的丁力等人用矩形波驅動四級桿的研究,StevenWright等人利用MEMS 技術進行的微型四極質譜技術研究等,都極大地推動了四極質譜技術的發展。隨著這些技術的成熟和在航天領域的應用,四極質譜計有望在空間探測中得到越來越廣泛的應用。