一种地外天体大气成分及同位素测量仪和测量方法

摘要

本发明主要属于大气组分测量技术领域，具体涉及一种地外天体大气成分及同位素测量仪和测量方法。本发明所述测量仪包括气体采集室、气体处理室、四级杆质谱、高真空泵；气体采集室，用于采集并存储待测地外天体大气；气体处理室，外围设置加热装置，内部设置温度压力感应装置，对待测地外天体大气进行处理，为气体元素及同位素测量做准备；四级杆质谱，对气体处理室处理后的待测地外天体大气进行测试，测量获得地外天体大气成分及同位素含量；高真空泵，与气体处理室和四级杆质谱连接用于维持高真空环境。该测量仪的重量小，在目前航天载荷所能够承受的范围内，并且该测量仪能测试到高精度准确可靠的实验数据。

说明书

技术领域

本发明主要属于大气组分测量技术领域，具体涉及一种地外天体大气成分及同位素测量仪和测量方法。

背景技术

虽然现有的气体含量及同位素测量已经十分成熟，但是由于两种测量所基于的方法不同，对于气体含量及同位素测量的分析往往是在不同平台上完成。

对于气体含量一般采用化学方法进行测量，这种方法需要针对不同的分子用到不同的化学试剂、特定的化学反应条件、复杂的化学反应过程、熟练的操作过程等。然而，这些条件目前是很难在地外天体上实现的。对气体同位素的测量手段以磁铁质谱为主。该种质谱具有质量大、难调节、容易受扰动干扰等缺点，不适合搭载在地外天体探测器上。

目前，对不同气体成分及同位素的测试方法琳琅满目，但是缺少一种能够应用到地球以外其他天体上并能够同时测量多种气体含量及同位素的仪器和方法。

此外，航太载荷十分有限，所以设计一套简洁、轻便、精度接近目前地球测量水平、并集合气体含量测量及同位素含量测量于一体的测量仪十分有必要。

发明内容

为了实现行星大气中气体含量及同位素成分的测定，本发明提供一种地外天体大气成分及同位素测量仪和测量方法。该测量仪的重量小，在目前航天载荷所能够承受的范围内，并且该测量仪能测试到高精度准确可靠的实验数据，为研究行星气体演化等科学问题提供第一手资料。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种地外天体大气成分及同位素测量仪，所述测量仪包括气体采集室、气体处理室、四级杆质谱、高真空泵；

气体采集室，用于采集并存储待测地外天体大气；

气体处理室，外围设置加热装置，气体处理室的进气口与气体采集室连接，气体处理室对待测地外天体大气进行处理，为气体元素及同位素测量做准备；

四级杆质谱，与气体处理室的出气口连接，对气体处理室处理后的待测地外天体大气进行测试，测量获得地外天体大气成分及同位素含量；

高真空泵，与气体处理室和四级杆质谱连接。

进一步地，所述测量仪还包括标准气体室，用于存储成分已知的标准气体，以对待测地外天体大气的测量数据进行矫正。

进一步地，所述测量仪还包括温度压力感应装置，所述温度压力感应装置测量进入气体处理室中的气体总含量，并可以预判气体处理室中的气体的压力是否低于所述四级杆质谱的安全测量值。

进一步地，所述测量仪还包括活性气体吸附装置，活性气体吸附装置的一端与气体处理室连接，另一端与所述高真空泵连接。

进一步地，所述测量仪还包括控制气体流通的阀门；

在气体采集室的进气端设置第一阀门，在气体采集室和气体处理室之间的气体管道上设置第二阀门；

在气体处理室和高真空泵之间的气体管道上设置第三阀门；

在气体处理室和四级杆质谱之间的气体管道上设置第四阀门；

在气体处理室和活性气体吸附装置之间的气体管道上设置第五阀门，在活性气体吸附装置和高真空泵之间的气体管道上设置第六阀门；

在标准气体室和和气体处理室之间的气体管道上设置第七阀门和第八阀门；

在高真空泵和四级杆质谱之间的气体管道上设置第九阀门。

一种地外天体大气成分及同位素的测量方法，所述测量方法利用所述测量仪进行测量，所述方法能够准确测量待测气体中活性气体的含量，所述方法包括以下步骤：

1）真空维持：打开第三阀门和第九阀门，开启高真空泵，使气体处理室和四级杆质谱呈真空状态，然后关闭第三阀门和第九阀门，为待测地外天体大气的气体元素及同位素测量做准备；

2）采集待测地外天体大气：打开第一阀门，待测地外天体大气进入气体采集室，然后关闭第一阀门，打开第二阀门待测地外天体大气进入气体处理室，气体采集室和气体处理室中的气体达到气压平衡后，关闭第二阀门；

3）气体含量预判：所述温度压力感应装置测量进入气体处理室中的气体总含量，如果气体处理室中的压力高于所述四级杆质谱在与气体处理室相同温度下的最大工作气压，则进入步骤4）；如果气体处理室的压力低于所述四级杆质谱在与气体处理室相同温度下的最大工作气压，则打开第四阀门，直接进入步骤5）；

4）气体处理室中的气体总含量的调节：打开第三阀门抽走气体处理室中的部分气体，然后关闭第三阀门；返回步骤3）对处理室中气体含量进行预判；

5）分析测定：采用四级杆质谱仪对来自气体处理室的气体进行测试；

6）数据矫正：将上述步骤中的步骤2）替换为步骤2’），对标准气体室中的标准气体进行测量，以对四级杆质谱仪的测量数据进行矫正；其中步骤2’）具体为：关闭第八阀门打开第七阀门待气压平衡后关闭第七阀门打开第八阀门，标准气体进入气体处理室，待气压平衡后关闭第八阀门。

进一步地，所述方法还能够测量地外天体大气中惰性气体的含量，测量惰性气体时，在步骤5）和步骤6）中间添加以下两个步骤：

A）活性气体去除：待步骤5）完成对待测地外天体大气的总体测定后，关闭第四阀门，并打开第六阀门和第九阀门，打开高真空泵，使活性气体吸附装置和四级杆质谱仪内为真空状态，然后关闭第六阀门和第九阀门, 活性气体装置可以采用非蒸散型吸气剂泵（Non Evaporable Getter，NEG），该泵以合金为吸气剂与活性气体反应来提高惰性气体的浓度，并且通过调节其工作温度来达到重复使用的效果；

开启第五阀门，活性气体吸附装置吸附气体处理室中的活性气体，剩余惰性气体；

B）惰性气体含量及同位素的测量：打开第四阀门，采用四级杆质谱仪对去除活性气体后剩余的惰性气体进行测试。

本发明的有益技术效果：

本发明提供一种地外天体大气成分及同位素测量仪及方法。该测量仪结构简单质量小，在目前航天载荷所能够承受的范围内。

该测量仪稳定性、适应性强，可以在环境恶劣复杂的地外太空工作。此外，该测量仪具有高精度的测量特点，不仅可以对低含量的气体及同位素进行测试而且通过稀释作用可以对高含量的气体及同位素进行准确的测量。最重要的，是可以测得多种气体成分组成和同位素含量，具有“一机多功能”的特点大大得减少了探测器的成本并且可以解决关于气体的多种科学问题。

从测量方法来看，因为有标准气体的加入可以对测量仪所测到的数据进行校正使得所测数据安全可靠。此外，通过对标准气体稀释，可以针对成分未知气体多次稀释尝试测量从而达到更加准确的测量结果。

综上，本发明所述方法能够应用到地球以外其他天体上并能够同时测量多种气体含量及同位素，为研究行星气体演化等科学问题提供第一手资料。

附图说明

图1为本发明地外天体大气成分及同位素测量仪的结构示意图；

1. 气体采集室、2. 气体处理室、3. 四级杆质谱、4. 高真空泵、5. 标准气体室、6. 温度压力感应装置、7. 活性气体吸附装置、8-1.第一阀门、8-2.第二阀门、8-3.第三阀门、8-4.第四阀门、8-5.第五阀门、8-6.第六阀门、8-7.第七阀门、8-8.第八阀门、8-9.第九阀门。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

如图1所示，一种地外天体大气成分及同位素测量仪，所述测量仪包括气体采集室1、气体处理室2、四级杆质谱3、高真空泵4；

气体采集室1，用于采集并存储待测地外天体大气；

气体处理室2，外围设置加热装置，气体处理室2的进气口与气体采集室2连接，气体处理室2对待测地外天体大气进行处理，为气体元素及同位素测量做准备；

四级杆质谱3，与气体处理室2的出气口连接，对气体处理室2处理后的待测地外天体大气进行测试，测量获得地外天体大气成分及同位素含量；

高真空泵4，与气体处理室2和四级杆质谱3连接。

所述测量仪还包括标准气体室5，用于存储成分已知的标准气体，以对待测地外天体大气的测量数据进行矫正。

所述测量仪还包括温度压力感应装置6，所述温度压力感应装置6测量进入气体处理室2中的气体总含量，并可以预判进入气体处理室2中的气体的含量是否低于安全测量值。

所述测量仪还包括活性气体吸附装置7，活性气体吸附装置7的一端与气体处理室2连接，另一端与所述高真空泵4连接。

所述测量仪还包括控制气体流通的阀门；在气体采集室1的进气端设置第一阀门8-1，在气体采集室1和气体处理室2之间的气体管道上设置第二阀门8-2；在气体处理室2和高真空泵4之间的气体管道上设置第三阀门8-3；在气体处理室2和四级杆质谱3之间的气体管道上设置第四阀门8-4；在气体处理室2和活性气体吸附装置7之间的气体管道上设置第五阀门8-5，在活性气体吸附装置7和高真空泵4之间的气体管道上设置第六阀门8-6；在标准气体室5和和气体处理室2之间的气体管道上设置第七阀门8-7和第八阀门8-8；在高真空泵4和四级杆质谱3之间的气体管道上设置第九阀门8-9。

实施例2

一种地外天体大气成分及同位素的测量方法，所述测量方法应用实施例1中所述测量仪进行测量，所述方法能够准确测量待测气体中活性气体的含量，（注：一般而言，活性气体含量要远高于稀有气体的含量，再根据四级杆质谱的性质优先电离活性气体，因此在测试活性气体的过程中，没有必要去除稀有气体）所述方法包括以下步骤：

1）真空维持：打开第三阀门和第九阀门，开启高真空泵，使气体处理室和四级杆质谱呈真空状态，然后关闭第三阀门和第九阀门，为待测地外天体大气的气体元素及同位素测量做准备；

2）采集待测地外天体大气：打开第一阀门，待测地外天体大气进入气体采集室，然后关闭第一阀门，打开第二阀门待测地外天体大气进入气体处理室，气体采集室和气体处理室中的气体达到气压平衡后，关闭第二阀门；

3）气体含量预判：所述温度压力感应装置测量进入气体处理室中的气体总含量，如果气体处理室中的压力高于所述四级杆质谱在与气体处理室相同温度下的最大工作气压，则进入步骤4）；如果气体处理室的压力低于所述四级杆质谱在与气体处理室相同温度下的最大工作气压，则打开第四阀门，直接进入步骤5）；

4）气体处理室中的气体总含量的调节：打开第三阀门抽走气体处理室中的气体，然后关闭第三阀门；返回步骤3）对处理室中气体含量进行预判；

5）分析测定：采用四级杆质谱仪对来自气体处理室的气体进行测试；

6）数据矫正：

1’）真空维持：与上述步骤1）相同；

2’）对标准气体室中的标准气体进行测量，以对四级杆质谱仪的测量数据进行矫正；其中步骤2’）具体为：关闭第八阀门打开第七阀门待气压平衡后关闭第七阀门打开第八阀门，标准气体进入气体处理室，待气压平衡后关闭第八阀门。

3’）气体含量预判：与上述步骤3）相同；

4’）气体处理室中的气体总含量的调节：打开第三阀门抽走气体处理室中的气体，然后关闭第三阀门；返回步骤3’）对处理室中气体含量进行预判；

5’）分析测定：采用四级杆质谱仪对来自气体处理室的气体进行体进行测试，获得标准气体的测量结果。

实施例3

一种地外天体大气成分及同位素的测量方法，所述测量方法应用实施例1中所述测量仪进行测量，所述方法能够准确测量待测气体中惰性气体的含量，惰性气体含量的测量方法包括以下步骤：

1）真空维持：打开第三阀门和第九阀门，开启高真空泵，使气体处理室和四级杆质谱呈真空状态，然后关闭第三阀门和第九阀门，为待测地外天体大气的气体元素及同位素测量做准备；

2）采集待测地外天体大气：打开第一阀门，待测地外天体大气进入气体采集室，然后关闭第一阀门，打开第二阀门待测地外天体大气进入气体处理室，气体采集室和气体处理室中的气体达到气压平衡后，关闭第二阀门；

3）气体含量预判：所述温度压力感应装置测量进入气体处理室中的气体总含量，如果气体处理室中的压力高于所述四级杆质谱在与气体处理室相同温度下的最大工作气压，则进入步骤4）；如果气体处理室的压力低于所述四级杆质谱在与气体处理室相同温度下的最大工作气压，则打开第四阀门，直接进入步骤5）；

4）气体处理室中的气体总含量的调节：打开第三阀门抽走气体处理室中的部分气体，然后关闭第三阀门；返回步骤3）对处理室中气体含量进行预判；

5）分析测定：采用四级杆质谱仪对来自气体处理室的气体进行测试；

6）活性气体去除：待步骤5）完成对待测地外天体大气的总体测定后，关闭第四阀门，并打开第六阀门和第九阀门，打开高真空泵，使活性气体吸附装置和四级杆质谱仪内为真空状态，然后关闭第六阀门和第九阀门；

开启第五阀门，活性气体吸附装置吸附气体处理室中的活性气体，剩余惰性气体；

7）惰性气体含量及同位素的测量：打开第四阀门，采用四级杆质谱仪对去除活性气体后剩余的惰性气体进行测试；

8）数据矫正：

1’）真空维持：与上述步骤1）相同；

2’）对标准气体室中的标准气体进行测量，以对四级杆质谱仪的测量数据进行矫正；其中步骤2’）具体为：关闭第八阀门打开第七阀门待气压平衡后关闭第七阀门打开第八阀门，标准气体进入气体处理室，待气压平衡后关闭第八阀门。

3’）气体含量预判：与上述步骤3）相同；

4’）气体处理室中的气体总含量的调节：打开第三阀门抽走气体处理室中的部分气体，然后关闭第三阀门；返回步骤3’）对处理室中气体含量进行预判；

5’）分析测定：采用四级杆质谱仪对来自气体处理室的气体进行体进行测试，获得标准气体的测量结果。