火星表面有哪些元素和矿物？上海造“火眼金睛”300毫秒完成一次探测

“大家没日没夜地干了3年，得到的就是这条光谱曲线，对光谱进行分析，可以知道火星表面到底有哪些元素，眼下原始数据正在处理中。”中科院上海技物所副所长、月球与深空探测系列载荷指挥舒嵘，指着电脑上的光谱曲线，话里透着期待和兴奋。

6月11日，“天问一号”着陆火星首批科学影像图公布，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。上海技物所是唯一研制两个有效载荷的科研机构，即火星表面成分探测仪和火星矿物光谱分析仪。

6月4日，火星表面成分探测仪顺利开机，对“祝融号”火星车附近的岩石进行了探测，6月5日第一组探测数据成功下传回地球；在环绕器上工作的火星矿物光谱分析仪，已于2月28日开机，对祝融号预选着陆区域进行了多次探测，提供了一些科学探测数据。

【从-100℃到30℃都做过模拟实验】

当“天问一号”成功着陆火星，舒嵘既兴奋又紧张。重量占了火星车载荷一半多的火星表面成分探测仪即将登场，它能否经受落火时的热冲击以及昼夜温差大的双重考验？

尽管其中的光谱仪技术曾用于嫦娥四号，为验证分析月壤的成分做出过贡献，但火星距离地球实在太远，没法实时看到遥测数据，这对火星表面成分探测仪的自主适应性就要求很高。

火星表面成分探测仪地面光校调试

“第一次开机是火星时间下午两点，当时气温只有-47℃，好在我们从-100℃到30℃都做过模拟实验，探测仪顺利开机工作。”舒嵘说。

抗低温，是一个重要挑战。一到夜晚，大气稀薄的火星表面最低气温会降到-130℃。除了选用抗低温材料来强其“筋骨”，技术人员还为探测仪穿上了轻薄的“保暖外套”。

“火星表面成分探测仪有一个‘独门秘笈’——主动激光诱导击穿光谱探测仪，它相当于火力十足的“激光枪”，300毫秒就可完成一次探测，此类仪器在我国深空探测中是第一次应用。”火星表面成分探测仪电子学主管设计师张振强说。

每种元素在受热发光时都会发出独一无二的光谱，火星表面成分探测仪可发出瞬时功率百万瓦的强激光脉冲，被瞄准的火星矿物或岩石表面则会瞬间被加热为等离子气体，通过对气体的光谱进行分析，从而得到元素的种类和含量。

“如果说主动激光诱导击穿光谱探测仪相当于‘激光枪’，其中的铟镓砷探测器就是这把枪的‘准星’，可以把光信号转为电信号。”上海技物所邵秀梅研究员介绍，美国波士顿大学发表了一篇综述，引用了她所在的铟镓砷探测器项目组十几篇论文，专门来研究分析他们的技术方案。

【2.7微米到3.4微米的谱段，可以用来探测水分子】

上海技物所研制的火星矿物光谱分析仪，涵盖了从可见光至中波红外的谱段，也就是从0.4微米到3.4微米，可为火星矿物资源种类、含量及空间分布探测提供科学数据。

“特别是2.4微米到3.4微米的高光谱成像，是我国第一次在空间进行验证。尤其是2.7微米到3.4微米的谱段很有价值，可以用来探测水分子。”上海技物所火星矿物光谱分析仪主任设计师何志平研究员介绍。

火星矿物光谱分析仪标定测试

相比普通相机一次只看一个谱段的信息，火星矿物光谱分析仪采用推帚式成像，可以同时看到576个谱段。“这相当于可以看到576个颜色的彩虹。”何志平说。

轻量化，也是一个挑战。原本一台普通的光谱分析仪至少上百千克，但火星探测对重量把控特别苛刻，经过高度集成，火星矿物光谱分析仪最终控制在了7千克左右。

火星矿物光谱分析仪在1微米-3.4微米谱段的探测中，碲镉汞探测器在200℃温差范围需经受几百次考验。“这就像不断地把仪器扔入火炉，再扔到冰块，循环往复。”火星矿物光谱分析仪红外面阵探测器主管设计师周松敏介绍，他们为此已在地面进行多达2000次的温度循环寿命试验，来适应“冰火两重天”。不久之后，当环绕器进入科学探测轨道，火星矿物光谱分析仪将再次启动科学探测，期待它能有更多的发现。

上海技物所火星探测任务部分试验队员在基地合影

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作者：黄海华

微信编辑：泰妮

校对：皮小姐

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