月球、小行星等天体由于缺乏浓密大气层的保护,其表层物质普遍遭受微陨石轰击等太空风化作用的改造,使其矿物结构与元素组成发生显著改变并形成熔融胶结质玻璃和纳米级单质金属铁等特征产物,对月球的反射光谱特征具有重要影响。除返回月壤样品、月球表土角砾岩等的分析之外,依托地面实验装置模拟微陨石的轰击过程也是研究太空风化作用的重要技术手段。当前,微陨石轰击模拟主要包括轻气炮、静电加速以及脉冲激光三种技术路径。其中,脉冲激光模拟微陨石轰击技术具有装置简单、运行成本低、实验快捷等特点。
近年来,月球与行星科学研究中心依托中国科学院修购专项组建完成了脉冲激光模拟微陨石轰击实验装置并开发、完善了相关实验技术方法。装置主体包括纳秒激光器和超高真空表面分析系统两部分。脉冲激光器型号为Continuum Surelite I-10,可选波长为1024 nm及其倍频(532 nm、 355 nm、266 nm),单次脉冲能量0-400 mJ连续可调。脉冲激光束束斑直径为6 mm,经平凸透镜聚焦后可达0.5 mm。脉冲激光束聚焦后,通过增透熔石英玻璃窗与放置于超高真空表面分析系统预抽室中的样品发生作用,预抽室工作真空度可达5×10
-6 Pa。轰击后的样品可通过样品转移系统进入分析腔依托集成的扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、电子能量损失谱仪、原子力显微镜以及拉曼光谱仪等,开展原位微区的表面形貌、物相、元素组成、元素价态等综合分析。
该系统是当前可选工作波段最多、集成分析功能最为全面的微陨石轰击地面模拟实验装置,能够有效支撑无大气行星体表层物质演化过程、反射光谱的太空风化改造特征以及相关机理分析等研究工作的开展。
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