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深海激光诱导击穿光谱系统通过压力测试

发布:HPLSElaser    |    2018-11-07 22:51    阅读:142
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汉诺威激光中心(LZH)和Neolase公司正在共同开发激光诱导击穿光谱(LIBS)系统,该系统能够在最深6000米的海底操作。这样的系统将能够非破坏性地定位和量化海底的矿床,这意味着能够以更集中,破坏性更小的方式开采合适的矿藏。图片来源:GEOMAR/Creative Commons。

激光诱导击穿光谱已被证明能够在600巴的压力下识别锌矿物,这意味着该分析技术看起来适合未来在深海探测器上使用。汉诺威激光中心的工程师一直在研究激光诱导击穿光谱识别矿物的方法,作为更广泛的“地平线2020”项目的一部分,该项目旨在开发一种能够在海底寻找有价值矿藏的自动水下航行器。这个耗资600万欧元的项目名为“ROBUST”(自动海底勘探技术的简称)已经在近三年前启动,预计到2020年初结束。该项目将由英国焊接研究所(TWI)、汉诺威激光中心和Neolase公司共同完成。

矿物测绘

该项目的目的是通过提供一种在海底绘制和量化矿物的方法来帮助海底采矿,但前提是不会扰乱和危害海洋环境。激光诱导击穿光谱提供了一种非接触式和非破坏性的方法来对岩石和矿物进行化学分析。当脉冲激光发射到岩石上时,脉冲激光将产生一小块面积的等离子体,对等离子体中的光进行光谱分析,我们能够得到关于其中存在的化学元素信息。该技术已经证明了它在恶劣环境中的实用性——尤其是火星表面,其中好奇号火星车的“ChemCam”仪器使用的就是激光诱导击穿光谱分析火星岩石。

今年早些时候,汉诺威激光中心表示它已经建造了一个模拟深海环境的专用压力室。现在该团队表示他们已经首次成功测量了在600巴的压力水平下利用激光诱导击穿光谱探测锌样品。汉诺威激光中心表示:“该压力室适用于淡水和咸水,因此可以模拟各种应用场景,激光辐射通过观察窗进入压力室并分析测试样品。”最新实验表明,当压力升至600巴时,蓝绿色光谱区域中三条锌元素发射线中有两条清晰可见(见下图光谱图),尽管两条线都明显变宽。这表明该方法能够用于鉴定锰铁结壳和硫化物含量丰富的地点,该压力相当于水下6000米的深度,已被确定为最大探测深度。


在环境压力下,黑色的激光诱导击穿光谱在465~485nm区域中显示出锌元素的三个特征发射线。在600巴的压力下(红线),三条线中的一条几乎消失,而另外两条线显著变宽。图片来源:汉诺威激光中心。

海底服务计划

“地平线2020”项目的主要目标之一是开发一种能够用于海底巨大压力下的紧凑型二极管泵浦固态激光器,并将其用于激光诱导击穿光谱探测头。其他关键能力包括在深海测试之前为携带激光诱导击穿光谱套件的自主水下航行器(AUV)研发悬停和控制能力。6000米的最大目标深度足以探测矿藏最丰富的几乎所有海床。除了完成硬件开发方面,ROBUST团队的目标是制定生命周期成本计划,以报告采用激光诱导击穿光谱的无人水下航行器如何降低勘探成本,以及基于该技术提供海底服务的商业计划。

汉诺威激光中心表示:“ROBUST计划的目标是开发一套全自动程序,自主水下航行器在预先设定的地点进行潜水,通过先进的三维绘图和识别技术对海床目标自动扫描,并通过激光诱导击穿光谱进行高度集中的采矿活动,从而减少对环境的影响。这将为海洋资源的可持续开发提供帮助,我们认为该项目还将改善对人们深海环境的科学认识。”

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