ДИОДНО-ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ для ПЛАНЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ – опыт разработок ИКИ РАН И.И.Виноградов, ИКИ РАН Рабочая группа «Полярные процессы в атмосферах планет» Апатиты, 15 – 18 апреля 2013

Диодно-лазерная спектроскопия сегодня – вполне сложившаяся область спектральных исследований, обеспечивающая быстрые и точные измерения содержания интересующих молекул атмосфер и газовых смесей, изотопных соотношений. Высокое спектральное разрешение λ/δλ=10 7 позволяет разрешать тонкие особенности профиля регистрируемой линии молекулярного поглощения, что может предоставить дополнительную информацию о физических условиях в месте зондируемой газовой смеси и при измерениях в открытой атмосфере.

В ИКИ РАН работы по разработке спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров для анализа состава атмосферы Марса (содержание H 2 O, изотопы CO 2 ) проводились в ИКИ с 2002 г. в тесном сотрудничестве с коллегами из научной группы Молекулярной и Атмосферной Спектроскопии (G.S.M.A.) университета г. Реймс (Франция), где подобные приборы используются для земных стратосферных исследований на аэростатных зондах [G. Durry, et al, ]. Совместно с коллегами G.S.M.A. был разработан и создан лабораторный макет спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров диапазона 1,88 мкм компании Nanoplus и предложена его реализация для получения спектров поглощения H 2 O и CO 2 в марсианской атмосфере “Diode laser spectroscopy of H 2 O and CO 2 in the µm region for the in situ monitoring of the Martian atmosphere”, G. Durry, O. Korablev, I. Vinogradov, et al., Applied Physics B, 2006, V.82, Iss.1,

Диодно-лазерный спектрометр для газового хроматографа научной аппаратуры миссии Фобос-Грунт GAP М. Герасимов, О. Кораблев, И. Виноградов, А. Титов ИКИ РАН, Москва G. Durry, J. Cousin, L. Joly GSMA, CNRS, Reims University, France N. Amarouche, DT-INSU\CNRS, France

CGT – carrier gas tank (2 tanks with gas regulators and sensors each) CalGT – calibration gas tank PR 1,2 – pressure regulators PS 1,2 – pressure sensors SV – sample volume IT 1,2 – injection traps for permanent gases and for organics CL 1,2 – capillary columns for permanent gases and for organics TCD 1,2,3 – thermal conductivity detectors CL – capillary leak S – separator v valves GC – gas chromatograph TDLAS – tunable diode laser spectrometer PC 1-6 – pyrolytic cells MS – mass-spectrometer Схематика газового аналитического комплекса

Пиролитическая ячейка Основной режим работы ДЛС – непосредственное измерение динамики выделения летучих компонент грунта при его пиролизе. Газовый поток через оптическую кювету ДЛС

 Laser (T Laser, I Laser ) =  mol T Laser I Laser Peltier FoFo F1F1  Laser  Laser CH 4, 40 Torr, 8cm, ~ 1.65  m FoFo F1F1 Принципы регистрации содержания летучих газовых компонент грунта

Диодно-лазерный спектрометр для газового хроматографа

Предварительное решение спектроскопических задач в лаборатории G.S.M.A. CO 2 изотопы Диапазон 2,04 мкм

C2H2C2H2 Диапазон 1,53 мкм

Основная линия CO 2 Основная линия H 2 O Диапазон 2,68 мкм

H 2 O изотопы Диапазон 2,64 мкм

Предварительные наземные калибровки ДЛС H 2 O (10%) + He, 220 hPa Experimental spectra with TDLAS - LM G. Durry, J.Li, I. Vinogradov & al., Applied Physics B, 99, pp , 2010.

Калибровки ДЛС, установленного на посадочный модуль КА «Фобос-Грунт» CO 2 (~ 2000 ppmv) + He P ~ 700 mbar T ~ +70°C = 2.68  m CO 2 (~ 2000 ppmv) + He P ~ 260 mbar T ~ +70°C = 2.68  m experimenta l simulated

Впрыскивание небольшой порции чистого CO 2 в технологический ввод и ее транспорт по капиллярам хроматографа через оптическую кювету ДЛС газом-носителем He. Спектры записаны с периодичностью 18 с.

Актуальные и будущие проекты Для участия в проекте «Луна-Ресурс» осуществляется модернизация лазерного спектрометра, в целом аналогичного прибору, интегрированному в составе Газового аналитического комплекса научной аппаратуры проекта «Фобос-Грунт».

Предполагается измерять: H 2 16 O and 12 C 16 O 2 в диапазоне 2,68 мкм 13 CO 2, 18 OCO, 17 OCO в диапазоне 2,78 мкм HDO, H 2 17 O, H 2 18 O в диапазоне 2,64 мкм

Для будущего проекта «Венера-Д» предполагается разработать отдельный многоканальный диодно-лазерный спектрометр «ИСКРА-В», размещаемый на посадочном модуле (ПМ) и предназначенный, в первую очередь, для измерений содержания сернистых компонент венерианской атмосферы на траектории снижения ПМ от высот существования облачного слоя (~ 65 км) вплоть до самой поверхности планеты.

Миссия ЭкзоМарс-2018 Марсианский многоканальный диодно-лазерный спектрометр M-TDLAS войдет в состав Газового аналитического комплекса, планируемого к размещению на посадочной платформе для марсохода, для измерений: - летучих компонент марсианского грунта в тесной интеграции с газовым хроматографом: H 2 O, H 2 17 O, H 2 18 O, HDO, CO 2, 13 CO 2, 18 OCO, CH 4, NH 3, H 2 S, C 2 H 2 (TBD) - долговременных in-situ суточных и сезонных вариаций содержания газовых составляющих атмосферы около поверхности Марса: H 2 O, H 2 17 O, H 2 18 O, HDO, CO 2, 13 CO 2, 18 OCO, CH 4 (TBD) - дистанционных измерений при солнечном просвечивании (пасссивный прием): H 2 O, H 2 17 O, H 2 18 O, HDO, CO 2, 13 CO 2, 18 OCO, CH 4 (TBD) Каковы последние мировые достижения в этой области?

Комплекс научной аппаратуры SAM миссии Curiosity Christopher R. Webster, et al., Planetary and Space Science 59 (2011) 271–283 - в работе на поверхности Марса с середины 2012 г.

Возможно ли реализовать подобные измерения? К настоящему моменту ДЛС SAM сделаны первые измерения CO 2, 13 C/ 12 C, 18 O/1 6 O, 17 O/ 16 O и 13 C 18 O/ 12 C 16 O; изотопные соотношения для воды: D/H и 18 O/ 16 O как для атмосферы, так и для летучих компонент грунта Марса; осуществлена попытка измерить содержание атмосферного CH 4.

С учетом ограничений ресурсов посадочной платформы, предоставляемых для размещения научной аппаратуры, рассматривается облегченная версия ДЛС: Предполагается работа в ближнем ИК-диапазоне от 1,1 до 1,7 мкм, с использованием коммерчески доступных оптических волокон и разветвителей телекоммуникационного диапазона, что обеспечит гибкость доставки зондирующего излучения от каждого излучателя в каждый физический канал измерений. Физические каналы измерений разделены для исключения взаимного влияния (например, загрязнения): - оптическая кювета газового хроматографа, - открытая в атмосферу многопроходная оптическая кювета, - вспомогательная оптическая кювета с реперной газовой смесью, - открытая трасса наблюдений Солнца.

Эскиз волоконно-оптического многоканального ДЛС

Ближайшие задачи разработок TDLAS для планетных исследований Реализация улучшенной схемы многоканального ДЛС для проекта «Луна-Ресурс». Детальная проработка возможностей волоконно- оптического многоканального ДЛС для проекта «ЭкзоМарс- 2018» в кооперации с лабораторией Диодно-лазерной спектроскопии ИОФАН, лабораторией ИСПАВР МФТИ, научной группой G.S.M.A. ун-та г. Реймс (Франция). Обработка данных наземных калибровок приборов, решение спектроскопических задач для условий проведения измерений. Теоретическая и экспериментальная подготовка спектральных моделей и методик измерений для будущих планетных миссий «Фобос-Грунт-2», «Венера-Д» и других.

Спасибо за внимание!!!