實(shí)驗(yàn)背景

隕石是降落在地球表面的外星巖石，而不是在到達(dá)地球之前就燃燒的流星，它在地球的歷史演變中扮演著重要的角色。關(guān)于隕石的假說(shuō)有很多，有些人認(rèn)為月球是由一顆大隕石與地球相撞的殘余物形成。還有人認(rèn)為，覆蓋地球的水是由隕石帶來(lái)的。其中更廣為人知的說(shuō)法是隕石撞擊造成了白堊紀(jì)-古近紀(jì)滅絕事件。

隕石中存在著許多奧秘，其標(biāo)本自然也受到了歷史學(xué)家，地質(zhì)學(xué)家和地外事物愛(ài)好者的追捧。然而，判斷一塊巖石是否為真正的隕石卻比較困難。一般情況下，鑒定巖石類別的基本指標(biāo)有：密度，磁性和成分。但是，例如陸地巖石中主要由鐵組成的無(wú)定形巖石，它們?cè)谕庥^和成分上也與隕石大致相似。所以，我們需要使用更具針對(duì)性的方法來(lái)鑒定巖石的類別，其中較為有效的方法就是利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種原子發(fā)射光譜，它使用脈沖激光器作為激發(fā)源。激光脈沖聚焦到被測(cè)物體的表面，使被測(cè)材料表面的激光功率密度升高至一定程度。在如此之高的激光功率密度作用下，被測(cè)材料表面會(huì)有幾微克的物質(zhì)噴射出來(lái)，同時(shí)材料表面還會(huì)產(chǎn)生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達(dá)10,000 攝氏度 。冷卻過(guò)程中，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)回至低能態(tài)，此時(shí)不同元素會(huì)發(fā)射出其特定波長(zhǎng)的光，這個(gè)光被光譜儀監(jiān)測(cè)到后形成光譜，在光譜圖中可以直接觀測(cè)到代表各元素波長(zhǎng)的峰。因此，LIBS成為了一種用于鑒定不同類型金屬和礦物成分的光譜技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)的目的是：利用LIBS鑒別四個(gè)巖石樣品中的隕石和陸地巖石。

實(shí)驗(yàn)共有四個(gè)樣品，其中兩個(gè)樣品為隕石樣品，分別是H5普通球粒隕石和鎳鐵隕石。另外兩個(gè)樣品為氧化鐵(FeO2)和二氧化鈦(TiO2)。

實(shí)驗(yàn)中我們采用了AvaSoft中的原始數(shù)據(jù)扣除暗背景模式，即Sd模式。使用此模式可以減少噪聲，并更好地隔離和識(shí)別等離子體峰。我們將積分時(shí)間設(shè)置為10ms，平均次數(shù)設(shè)置為1。

實(shí)驗(yàn)配置

本次實(shí)驗(yàn)(圖2)使用了全新的AvaSpec-PCT4096CL迷你型光譜儀，它設(shè)計(jì)緊湊，更易集成到臺(tái)式設(shè)備和手持設(shè)備中，更適配OEM用戶。這款光譜儀配置4096像素CMOS探測(cè)器，其分辨率可達(dá)0.09 nm，雜散光水平低至0.1%。

實(shí)驗(yàn)使用的其他附件如下：Lumibird公司的DPSS雙脈沖Nd:YAG激光器、定制短光纖、使激光器和光譜儀同步測(cè)量的Quantel控制箱，其型號(hào)為FX002725。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下圖顯示的是每個(gè)樣品在Sd模式下的LIBS光譜。

圖3:H5普通球粒隕石樣品的LIBS光譜

圖4: 鎳鐵隕石樣品的LIBS光譜

圖5:氧化鐵樣品的LIBS光譜

圖6:二氧化鈦樣品的LIBS光譜

圖7: 鎳鐵隕石(橙色)和氧化鐵(紅色)樣品的的LIBS光譜對(duì)比圖

結(jié)果分析

首先來(lái)看其中的三個(gè)樣品：H5普通球粒隕石、鎳鐵隕石和氧化鐵，它們?cè)?30-265 nm波長(zhǎng)范圍附近都顯示出一簇峰(圖3-5)，表示它們含有鐵元素。

H5普通球粒隕石樣品在280 nm附近和288 nm附近存在其余樣品沒(méi)有的峰，這兩個(gè)峰分別表示它含有鎂元素和硅元素，測(cè)量結(jié)果與H5普通球粒隕石的成分相對(duì)應(yīng)。

對(duì)比鎳鐵隕石和氧化鐵樣品，兩者區(qū)別不大(圖7)。但在鎳鐵隕石樣品光譜圖中可以觀測(cè)到一個(gè)略高的峰，大約在221 nm附近，表示它含有鎳元素。

二氧化鈦樣品(圖6)在230-265 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的峰較少，表示其鐵元素含量較少。其主峰在300-340 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，表示它含有鈦元素。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)使用LIBS技術(shù)觀察光譜圖中每個(gè)樣品的特定波長(zhǎng)峰，能夠便捷直觀地確定樣品的元素組成。本次實(shí)驗(yàn)使用的新款迷你型光譜儀PACTO適配于各類應(yīng)用，它尺寸小巧，支持多種通信協(xié)議，易于集成到產(chǎn)品和系統(tǒng)中。