一种含水模拟月壤制备和含水测定系统及其方法

摘要

本发明公开了一种含水模拟月壤制备和含水测定系统及其方法，属于土壤检测技术领域，系统包括含水模拟月壤制备单元、低气压环境模拟单元和含水量分析单元；含水模拟月壤制备单元包括制备管道、低温月壤冷阱以及低温水冰冷阱，制备管道的两端分别通过第一启闭阀和第二启闭阀与低温月壤冷阱和低温水冰冷阱连接；低气压环境模拟单元包括设有真空泵的低气压管道，低气压管道的两端分别通过第一气动阀和第二气动阀与制备管道和含水量分析单元连接。方法包括以下步骤：S1、制备含水模拟月壤；S2、模拟月壤含水量的测定。制作过程中能够模拟月壤的低气压和低温环境，最大程度还原真实的含水月壤，且从制作至测定均在此系统中，以保证中间水汽不会损失。

权利要求

1.一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，其特征在于，包括含水模拟月壤制备单元、低气压环境模拟单元和含水量分析单元；所述含水模拟月壤制备单元包括制备管道、内装有模拟月壤的低温月壤冷阱以及内装有固体冰的低温水冰冷阱，所述制备管道的两端分别通过第一启闭阀和第二启闭阀与所述低温月壤冷阱和所述低温水冰冷阱连接；所述低气压环境模拟单元包括设有真空泵的低气压管道，所述低气压管道的一端通过第一气动阀与所述制备管道连通，所述低气压管道的另一端通过第二气动阀所述含水量分析单元连接；模拟月壤含水量测定时，开启所述第一气动阀和所述第二气动阀，对所述低温月壤冷阱进行加热，通过所述含水量分析单元测定水含量，所述含水量分析单元包括四极杆质谱仪。

2.根据权利要求1所述的一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，其特征在于，所述四极杆质谱仪通过流量调节阀与所述第二气动阀连通。

3.根据权利要求2所述的一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，其特征在于，所述第一气动阀与所述第二气动阀之间设有第三气动阀，所述第三气动阀与所述第一气动阀之间设有与所述低气压管道连通的薄膜规。

4.根据权利要求3所述的一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，其特征在于，所述第三气动阀与所述第一气动阀之间设有离子规，所述离子规通过第四气动阀与所述低气压管道连接。

5.根据权利要求4所述的一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，其特征在于，所述第一启闭阀和所述第二启闭阀均为手动角阀。

6.根据权利要求4所述的一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，其特征在于，所述真空泵为分子泵。

7.一种含水模拟月壤制备和含水量测定方法，采用了如权利要求4‑6任意一项所述的含水模拟月壤制备和含水测定系统，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备含水的模拟月壤：打开第一启闭阀、第二启闭阀、第一气动阀以及第二气动阀，并启动所述真空泵抽真空，待所述低气压管道和所述制备管道内的气压降低到预设值后关闭所述第一气动阀和所述第二气动阀，通过调节所述低温月壤冷阱和所述低温水冰冷阱的温度，所述低温月壤冷阱内的固体冰融化释放水汽以制备含水模拟月壤，待含水模拟月壤制备成功后关闭所述第二启闭阀；

S2、模拟月壤含水量测定：开启所述第一气动阀和所述第二气动阀，对所述低温月壤冷阱进行加热，通过所述含水量分析单元测定水含量。

8.根据权利要求7所述的一种含水模拟月壤制备和含水量测定方法，其特征在于，步骤S2中，在开启所述第一气动阀之前，关闭所述第二气动阀和所述第三气动阀，然后通过所述薄膜规测定含水量，如果含水量较低则打开所述流量调节阀利用所述四极杆质谱仪测量模拟月壤中的含水量。

9.根据权利要求8所述的一种含水模拟月壤制备和含水量测定方法，其特征在于，步骤S1中，在启动所述真空泵后，打开所述第四气动阀对所述低气压管道和所述制备管道内的气压进行测定，待所述低气压管道和所述制备管道内的气压降低到0.00001Pa后关闭所述第一气动阀和所述第二气动阀。

说明书

一种含水模拟月壤制备和含水测定系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及土壤检测技术领域，特别是涉及一种含水模拟月壤制备和含水测定系统及其方法。

背景技术

[0002] 月秋极区永久阴影区可能存在大量的水冰，这些水冰对将来科研基地具有重要意义。而对于相应水冰探测对方式目前缺乏可靠的方式，为了验证水冰探测方案的有效性需要制备相应的含水模拟月壤，同时需要对水含量进行确定。目前分析含水模拟月壤通常采用加水搅拌的方式并用加热天平秤量的方式确定水含量。但上述传统制备和测量的方式，不仅制成的含水模拟月壤与实际月表月壤中水的赋存状态有很大的差异，而且天平称量的方式会使其他挥发分对测量结果产生干扰。因为月壤永久阴影区，属于低温低气压状态，含水模拟月壤中更多是含有水汽，而非液态水，且在样品转移和测量过程中模拟月壤中的水汽容易挥发导致测量前后水含量会有较大的变化。

[0003] 为此专利号为“202110582255.3”的发明专利公开了一种含水冰月壤水汽提取模拟实验装置：它包括主体腔体，控制单元，液氮输送单元及真空设备单元；其实验步骤包括启动真空设备单元及液氮输送单元，当主体腔体真空参数及温度参数达到设定阈值后，采用局部加热的方式对水冰进行水汽提取，提取的水汽可传输到水汽分析仪器进行进一步水汽分析，本发明的优点为能够模拟低温、真空月面环境下的月球水冰局部提取水汽过程。但是上述专利只能用于含水量的测定，不能制作含水月壤，需要额外提供含水月壤，在转移过程至该水汽提出实验装置时，含水月壤内的含水量难免会发生损失，且上述专利中并未公开具体如何制得的含水月壤，因此还原度如何便无法得知。

发明内容

[0004] 本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种含水模拟月壤制备和含水测定系统及其方法，兼具了含水月壤的制作和含水量的测定，制作过程中能够模拟月壤的低气压和低温环境，从而最大程度还原含水月壤真实度，同时从制作至测定过程均在此系统中，保证中间不会出现水汽损失问题，从而提高测量的准确性。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，包括含水模拟月壤制备单元、低气压环境模拟单元和含水量分析单元；所述含水模拟月壤制备单元包括制备管道、内装有模拟月壤的低温月壤冷阱以及内装有固体冰的低温水冰冷阱，所述制备管道的两端分别通过第一启闭阀和第二启闭阀与所述低温月壤冷阱和所述低温水冰冷阱连接；所述低气压环境模拟单元包括设有真空泵的低气压管道，所述低气压管道的一端通过第一气动阀与所述制备管道连通，所述低气压管道的另一端通过第二气动阀所述含水量分析单元连接。

[0006] 优选地，所述含水量分析装置包括四极杆质谱仪。

[0007] 优选地，所述四极杆质谱仪通过流量调节阀与所述第二气动阀连通。

[0008] 优选地，所述第一气动阀与所述第二气动阀之间设有第三气动阀，所述第三气动阀与所述第一气动阀之间设有与所述低气压管道连通的薄膜规。

[0009] 优选地，所述第三气动阀与所述第一气动阀之间设有离子规，所述离子规通过第四气动阀与所述低气压管道连接。

[0010] 优选地，所述第一启闭阀和所述第二启闭阀均为手动角阀。

[0011] 优选地，所述真空泵为分子泵。

[0012] 还公开了一种含水模拟月壤制备和含水量测定方法，采用了上述的含水模拟月壤制备和含水量分析系统，包括以下步骤：

[0013] S1、制备含水的模拟月壤：打开第一启闭阀、第二启闭阀、第一气动阀以及第二气动阀，并启动所述真空泵抽真空，待所述低气压管道和所述制备管道内的气压降低到预设值后关闭所述第一气动阀和所述第二气动阀，通过调节所述低温月壤冷阱和所述低温水冰冷阱的温度，所述低温月壤冷阱内的固体冰融化释放水汽以制备含水模拟月壤，待含水模拟月壤制备成功后关闭所述第二启闭阀；

[0014] S2、模拟月壤含水量测定：开启所述第一气动阀和所述第二气动阀，对所述低温月壤冷阱进行加热，通过所述含水量分析单元测定水含量。

[0015] 优选地，步骤S2中，在开启所述第一气动阀之前，关闭所述第二气动阀和所述第三气动阀，然后通过所述薄膜规测定含水量，如果含水量较低则打开所述流量调节阀利用所述四极杆质谱仪测量模拟月壤中的含水量。

[0016] 优选地，步骤S1中，在启动所述真空泵后，打开所述第四气动阀对所述低气压管道和所述制备管道内的气压进行测定，待待所述低气压管道和所述制备管道内的气压降低到0.00001Pa后关闭所述第一气动阀和所述第二气动阀。

[0017] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

[0018] 1.本发明中通过真空泵可对系统抽真空，从而模拟月壤极区永久阴影区的低气压环境，然后调节低温月壤冷阱、低温水冰冷阱的温度，可模拟模拟月壤极区永久阴影区的低温环境，在此低气压和低温环境下，制作出的含水模拟土壤，能够最大程度还原真实月壤极区永久阴影区内的月壤含水量；然后无论是制备和测量均在同一系统内，水汽不会外漏，能够保证测定前后水汽不会发生损失，从而提高测定准确度。

[0019] 2.本发明中在第一气动阀与第二气动阀之间设有薄膜规，在制备完含水模拟月壤后，通过薄膜规可先行测量含水模拟月壤的含水量，如果水汽较大，则说明水压较大，通过流量调节阀调小流量，再开启第二气动阀进行测量，能够保护四极杆质谱仪，避免水压过大损伤四极杆质谱仪。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0021] 图1为一种含水模拟月壤制备和含水测定系统。

[0022] 附图标记说明：1、低温月壤冷阱；2、低温水冰冷阱；3、薄膜规；4、离子规；5、真空泵；6、四极杆质谱仪；7、制备管道；8、低气压管道；9、第一启闭阀；10、第二启闭阀；11、第一气动阀；12、第二气动阀；13、第三气动阀；14、第四气动阀；15、流量调节阀。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 实施例1

[0025] 本实施例提供了一种含水模拟月壤制备和含水测定系统，如图1所示，包括含水模拟月壤制备单元、低气压环境模拟单元和含水量分析单元；含水模拟月壤制备单元包括低温月壤冷阱1、低温水冰冷阱2以及制备管道7，低温月壤冷阱1内装有模拟月壤，低温水冰冷阱2内装有固体冰，制备管道7的一端通过第一启闭阀9与低温月壤冷阱1连通，制备管道7的另一端通过第二启闭阀10与低温水冰冷阱2连通。低气压环境模拟单元包括设有真空泵5的低气压管道8，低气压管道8的一端通过第一气动阀11与制备管道7连通，低气压管道8的另一端通过第二气动阀12与含水量分析单元连接。

[0026] 制备含水模拟月壤时，需要先开启第一气动阀11、第二气动阀12、第一启闭阀9和第二启闭阀10，然后启动真空泵5抽真空，待达到与月壤极区永久阴影区同样的低气压时，关闭真空泵5、第一气动阀11和第二气动阀12，调节低温水冰冷阱2和低温月壤冷阱1的温度，使其与月壤极区永久阴影区的低温环境相同，使低温水冰冷阱2内的固体冰升温释放出水汽，水汽通过制备管道7进入到低温月壤冷阱1内，当低温月壤冷阱1内模拟月壤含水量达到与月壤极区永久阴影区内月壤水汽含量相同时，关闭第二气动阀12，完成制备含水模拟月壤。由于低温月壤冷阱1、低温水冰冷阱2以及制备管道7处于与月壤极区永久阴影区内相同的低气压和低温环境，制备出的含水模拟月壤含水量能够最大程度还原度真实月壤。作为优选地，整个系统的低气压环境的气压应保持在0.1～0.00001Pa，优选为0.00001Pa；制备含水月壤时，低温月壤冷阱1、低温水冰冷阱2的温度应为80k～350k；含水量需要达到0.5％～10％，算制备达标。

[0027] 测定含水模拟月壤含水量时，打开第一气动阀11和第二气动阀12，对低温月壤冷阱1进行加热，便可通过含水量分析单元进行含水模拟土壤的测量，因为从制备到测量，含水模拟月壤均在该密闭的系统中，因为含水月壤中的水汽不会挥发到外界，从而保证测量的准确性。此外通过更换不同形式的测量设备，重复上述制备和测量，便可得出哪种测量设备测定的最准。本实施例中提供了一种测量较为准确的测量设备，如图1所示，含水量分析装置包括四极杆质谱仪6，四极杆质谱仪6的质量数1～25amu，分辨率小于1amu，检测线1ppm。

[0028] 进一步，本实施例中，如图1所示，四极杆质谱仪6通过流量调节阀15与第二气动阀12连通。

[0029] 本实施例中，如图1所示，第一气动阀11与第二气动阀12之间设有第三气动阀13，第三气动阀13与第一气动阀11之间设有薄膜规3，薄膜规3与低气压管道8连通。在制备完含水模拟月壤后，先开启第一气动阀11，此时第二气动阀12和第三气动阀13均保持关闭，然后通过薄膜规3先行测量含水模拟月壤的含水量，如果水汽水压较大，则先不开启第二气动阀12进行测量，以保护四极杆质谱仪6，避免气压高伤到四极杆质谱仪6，然后通过流量调节阀
15先调小进气口，再开启第二气动阀12进行测量。

[0030] 进一步，本实施例中，如图1所示，第三气动阀13与第一气动阀11之间设有离子规4，离子规4通过第四气动阀14与低气压管道8连接。在用真空泵5抽真空时，通过离子规4检测低气压管道8内的低气压程度，并在达标后，关闭第四气动阀14。

[0031] 本实施例中，如图1所示，第一启闭阀9和第二启闭阀10均为手动角阀。

[0032] 本实施例中，如图1所示，真空泵5为分子泵。

[0033] 实施例2

[0034] 本实施例提供了一种含水模拟月壤制备和含水量测定方法，采用了实施例1中的含水模拟月壤制备和含水量分析系统，包括以下步骤：

[0035] S1、制备含水的模拟月壤：打开第一启闭阀9、第二启闭阀10、第一气动阀11以及第二气动阀12，并启动真空泵5抽真空，待低气压管道8和制备管道7内的气压降低到预设值后关闭第一气动阀11和第二气动阀12，通过调节低温月壤冷阱1和低温水冰冷阱2的温度，低温水冰冷阱2内的固体冰融化释放水汽，低温月壤冷阱1内的模拟月壤吸收水汽以制备含水模拟月壤，待含水模拟月壤制备成功后，含水量达到0.5％～10％，关闭第二启闭阀10；

[0036] S2、模拟月壤含水量测定：开启第一气动阀11和第二气动阀12，对低温月壤冷阱1进行加热，通过含水量分析单元测定水含量。

[0037] 本实施例，如图1所示，步骤S2中，在开启第一气动阀11之前，关闭第二气动阀12和第三气动阀13，然后通过薄膜规3测定含水量，如果水汽较多，说明水汽气压较高，则打开流量调节阀15调节流量，以起到保护四极杆质谱仪6的作用。

[0038] 进一步，本实施例，如图1所示，步骤S1中，在启动真空泵5后，打开第四气动阀14对低气压管道8和制备管道7内的气压进行测定，待低气压管道8和制备管道7内的气压降低到0.00001Pa后关闭第一气动阀11和第二气动阀12。

[0039] 本实施例，如图1所示，在步骤S1之前，还包括步骤S0，将低温水冰冷阱2放置在液氮中然后缓慢注入液态水待其全部结成冰后通过真空法兰连接到第二启闭阀10上，以形成内装有固体冰的低温水冰冷阱2。将定量的模拟月壤放入低温月壤冷阱1后也是通过真空法兰连接到第一启闭阀9上，即可进行步骤S1。

[0040] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。