火星沙尘暴模拟实验装置及实验方法

摘要

本发明涉及一种火星沙尘暴模拟实验装置及实验方法，所述实验装置包括密闭容器和光电测量装置，所述密闭容器内设有转动件，密闭容器外部设有驱动件，所述驱动件的传动杆穿过密闭容器与转动件连接；所述光电测量装置包括光纤探头以及与光纤探头连接的光电倍增管，光纤探头安装于密闭容器的石英窗片上，光电倍增管位于密闭容器外部。本发明能够实现火星大气气氛和气压控制，能模拟火星表面的沙尘暴，并对模拟的尘暴进行放电次数、放电电场强度和等离子体光谱特征进行在线测量。本发明为真实模拟、检测最大程度符合火星实际情况的物理和化学特性提供了可能，有利于在模拟沙尘暴条件下实现光谱的原位探测分析，对火星探测具有重要的科学意义。

说明书

技术领域

本发明涉及火星模拟实验技术领域，具体地说，涉及一种在模拟的火星条件下产生沙尘暴的实验装置及实验方法，用于模拟火星表面的沙尘暴。

背景技术

火星和地球环境差异巨大，研究火星表面的尘暴现象需要在模拟火星环境下(主要是气氛、气压、矿物成分)搭建实验装置。目前我国模拟沙尘暴装置，都是模拟地球环境下的尘暴现象，没有模拟火星条件下沙尘暴装置的报道，也没有测量尘暴放电次数、诱发电场和激发火星大气产生自由基的报道。

火星大气(含有95.5％的CO₂、2.7％的N₂、1.6％的Ar以及其他微量气体)以CO2为主，表面平均压强仅为700Pa，年平均温度为-60℃。尽管火星气压很低，但是火星表面存在比地球更活跃的全球性、区域性沙尘暴(dust>

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷和不足，提供了一种在模拟火星条件下的沙尘暴模拟实验装置及实验方法，用于模拟火星表面的沙尘暴，并对模拟的尘暴进行放电次数、电场强度和等离子体光谱特征的测量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种火星沙尘暴模拟实验装置，包括：

用于盛放矿物颗粒的密闭容器，所述密闭容器内设有转动件，密闭容器外部设有驱动件，所述驱动件的传动杆穿过密闭容器与转动件连接；

光电测量装置，所述光电测量装置包括光纤探头以及与光纤探头连接的光电倍增管，光纤探头安装于密闭容器的石英窗片上，光电倍增管位于密闭容器外部。

进一步的，还包括静电测量装置，包括设置于密闭容器内的静电计和设置于密闭容器外部的静电计控制器，静电计控制器与静电计电连接。

优选的，静电计控制器通过设于密闭容器外壁上的真空法兰与静电计电连接，所述静电计与真空法兰之间、真空法兰与静电计控制器之间均通过静电计数据线连接。

进一步的，还包括波长范围为200-1100nm的高分辨光谱仪，所述高分辨光谱仪位于所述密闭容器外部，并通过光纤与所述密闭容器连接，用于测量沙尘暴中放电时产生的等离子体光谱特征。

优选的，光电倍增管通过光纤与光纤探头连接。

优选的，所述转动件为旋转叶片，所述驱动件为电机。

进一步的，所述电机安装于密闭容器的顶部，密闭容器的顶部设有一通孔，所述电机传动杆穿过通孔与旋转叶片连接。

进一步的，所述电机传动杆与所述通孔之间设置有密封件。

优选的，所述密封件为密封胶圈、或密封垫。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种火星沙尘暴模拟实验方法，采用上述沙尘暴模拟实验装置，其具体实验步骤如下：

根据火星表面土壤成分特征选择沙尘暴中矿物颗粒样品，向密闭容器中填装矿物颗粒样品；

密闭容器调节至火星气氛和火星低气压条件下；

启动驱动件，由驱动件带动转动件旋转搅拌矿物颗粒样品，形成沙尘暴，通过光电测量装置测量沙尘暴中的放电次数，通过静电测量装置测量沙尘暴中的电场强度，并通过光谱仪测量沙尘暴中放电时的产生的等离子体光谱特征；

放电次数、电场强度以及等离子体光谱特征检测完成后，关闭驱动件。

优选的，所述火星气氛为火星表面的含有95.5％的CO₂气氛，所述火星气压为700Pa的低气压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的火星沙尘暴模拟实验装置结构简单，操作方便，能够真实模拟火星表面的沙尘暴，设有光电测量装置，对沙尘暴中的放电次数进行测量，能够用来研究火星表面沙尘暴的放电规律，为真实模拟、检测最大程度符合火星实际情况的沙尘暴物理和化学特性提供环境模拟条件，利于进一步的火星探测，为火星探测时载荷和航天员的安全提供保障。

(2)本发明提供的火星沙尘暴模拟实验装置还设有静电测量装置和高分辨光谱仪，对沙尘暴中的电场强度和等离子体光谱特征(即：火星大气受到激发后产出的光谱发射谱线)进行测量，进一步为真实模拟、检测最大程度符合火星实际情况的沙尘暴物理和化学特性提供了环境模拟条件，有利于在模拟沙尘暴条件下实现光谱的原位探测分析，对更进一步的火星探测具有重要的科学意义。

(3)本发明提供的火星沙尘暴模拟实验装置对等离子体光谱特征进行测量，可以根据等离子体光谱特征指认出沙尘暴中自由基类型，从而获取自由基诱发火星大气和表面元素的演化规律，为进一步的火星探测提供研究基础。

(4)本发明提供的火星沙尘暴模拟实验方法，步骤简单，能够真实模拟、最大程度符合火星实际情况的沙尘暴，并对放电次数、放电电场和等离子体光谱特征进行在线测量，为进一步的火星探测提供研究基础。

附图说明

附图1为本发明一实施例中火星沙尘暴模拟实验装置的结构图。

附图2为本发明一实施例火星沙尘暴模拟实验方法的流程图。

图中，1、密闭容器，11、旋转叶片，12、石英窗片，13、通孔，21、光纤探头、22、光电倍增管，23、光纤，3、电机，31、电机传动杆，41、静电计，42、静电计控制器，43、真空法兰，44、静电计数据线，5、高分辨光谱仪，51、光纤。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1，本发明一实施例，提供了一种火星沙尘暴模拟实验装置，包括密闭容器1和光电测量装置，所述密闭容器内设有转动件，密闭容器外部设有驱动件，所述驱动件的传动杆穿过密闭容器与转动件连接；所述光电测量装置包括光纤探头21以及与光纤探头21连接的光电倍增管22，光纤探头21安装于密闭容器1的石英窗片12上，光电倍增管22位于密闭容器1外部。

为了实现光纤探头与光电倍增管之间的光信号传输，继续参见图1，光电倍增管22通过光纤23与光纤探头21连接。进行沙尘暴模拟实验时，矿物颗粒在沙尘暴和尘旋风中相互碰撞，诱发静电放电现象，光纤探头测量沙尘暴中的放电闪光，并通过光纤传输至光电倍增管，通过光电倍增管实现放电次数的计数。

参见图1，作为上述实验装置的优选设计，所述转动件为旋转叶片11，所述驱动件为电机3。由于密封容器为完全密封，电机传动杆需要穿过密封容器才能与旋转叶片连接，为了实现电机传动杆和旋转叶片之间的有效连接，继续参见图1，对上述实验装置进一步设计，所述电机3安装于密闭容器1的顶部，密闭容器1的顶部设有一通孔13，所述电机传动杆31穿过通孔13与旋转叶片11连接。

在进行沙尘暴模拟时，为了更真实的模拟沙尘暴，密闭容器需要保持密封状态，由于密闭容器顶部的通孔与电机传动杆之间存在一定的空隙，为了保证电机传动杆与密闭容器之间的密封，对上述实验装置进行优选设计，所述电机传动杆31与所述通孔13之间设置有密封件，通过密封件实现电机传动杆31与通孔13之间的密封，此处，所述密封件可以为密封胶圈，也可以为密封垫。

进行沙尘暴模拟时，先向密闭容器中装入符合火星表面环境的矿物颗粒，密闭容器调整到火星表面的含有95.5％的CO₂气氛和700Pa的低气压条件，启动电机，电机带动旋转叶片旋转形成沙尘暴，静电计测量沙尘暴中的电场，并将测量的电场数据传输给静电计控制器，实现对模拟沙尘暴中电场的测量；同时，光纤探头从石英窗片测量沙尘暴中的放电闪光，并将其通过光纤传输至光电倍增管，实现对模拟沙尘暴中放电次数的计数，根据放电次数可以获知放电规律，对火星探测提供了研究基础。

继续参见图1，对上述模拟实验装置进一步设计，该模拟实验装置还包括静电测量装置，所述静电测量装置包括设置于密闭容器1内的静电计41和设置于密闭容器1外部的静电计控制器42，静电计控制器42与静电计41电连接。在进行沙尘暴模拟实验时，矿物颗粒在沙尘暴和尘旋风中相互碰撞，诱发静电放电现象，放电现象影响电场，此时，通过静电计测量沙尘暴中的电场强度，并将测量的电场强度数据传输给静电计控制器，实现对模拟沙尘暴中电场强度的测量，根据电场强度可以获知电场的变化，从而为进一步对火星探测提供研究基础。

继续参见图1，静电计测量沙尘暴中的电场强度后，需要将其传输至静电计控制器，为了便于静电计与静电计控制器之间的信号传输，对上述模拟实验装置进行优选设计，静电计控制器42通过设于密闭容器1外壁上的第一真空法兰43与静电计41电连接，保证在真空密闭的情况下实现对模拟沙尘暴中电场的测量。所述静电计41与真空法兰43之间、真空法兰43与静电计控制器42之间均通过静电计数据线44连接。

继续参见图1，对上述模拟实验装置进一步设计，该模拟实验装置还包括波长范围为200-1100nm的高分辨光谱仪5，所述高分辨光谱仪5位于所述密闭容器1外部，并通过光纤51与所述密闭容器1连接。由于尘暴中的放电现象会产生大量含氧自由基诱发火星大气和表面元素的变化。在进行沙尘暴模拟实验时，密闭容器中沙尘暴中放电产生的自由基受激发后产出的光谱发射谱线通过光纤传输至光谱仪，实现对模拟沙尘暴中等离子体光谱特征的测量，根据等离子体光谱特征指认出沙尘暴中自由基类型，从而获取自由基诱发火星大气和表面元素的演化规律，为进一步的火星探测提供研究基础。由于对等离子体光谱特征的测量需要具有灵敏度高的光谱仪，因此本申请选择光谱仪的波长范围为200-1100nm，在进行沙尘暴实验时，可以在上述波长范围内任意选取光谱仪。也就是说，波长范围在200-1100nm任意一款光谱仪均可完成沙尘暴中等离子体光谱特征的测量。

本发明上述沙尘暴模拟实验装置，在进行沙尘暴模拟实验时，需要将密闭容器调整到火星气氛和火星的低气压环境，调整到火星表面的含有95.5％的CO₂气氛和700Pa的低气压条件。

参见图2，本发明实施例还揭示了一种沙尘暴模拟实验方法，采用上述实施例中所述沙尘暴模拟实验装置，其具体实验步骤如下：

步骤一：根据火星表面土壤成分特征选择沙尘暴中矿物颗粒样品；向密闭容器中填装矿物颗粒样品；

步骤二：密闭容器调试至火星气氛和火星气压条件下，即火星表面的含有95.5％的CO₂气氛和700Pa的低气压条件；

步骤三：启动驱动件，由驱动件带动转动件旋转搅拌矿物颗粒样品，形成沙尘暴，通过光电测量装置测量沙尘暴中的放电次数，通过静电测量装置测量沙尘暴中的电场强度，并通过光谱仪测量沙尘暴中放电时的产生的等离子体光谱特征；

步骤四：放电次数、电场强度以及等离子体光谱特征检测完成后，关闭驱动件。

在本发明上述实验方法中，通过火星环境模拟真空模拟火星环境时，火星环境的模拟参数包括气氛、气压和温湿度。

本发明上述实验方法，能够模拟火星环境下的沙尘暴，并对沙尘暴中由于矿物颗粒在沙尘暴和尘旋风中相互碰撞诱发的静电放电现象进行检测，通过测量放电次数、放电电场和等离子体光谱特征，真实模拟、最大程度符合火星实际情况的沙尘暴，为进一步的火星探测提供研究基础。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。