论文标题：Measurement and Uncertainty Analysis of Lunar Soil Water Content via Heating Flux Method

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期刊名：Aerospace

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如图1所示月壤挥发分测量仪由微量采样单元、挥发分制备单元、加热驱动单元、挥发分测量仪主体四部分组成。其中微量取样单元中封装有可以定量采样的吸纳片可以定量封装被分析的月壤，微量取样单元在机械臂的辅助下可以将样品转移到挥发分制备单元，挥发分制备单元在接受到装有月壤的吸纳片后合盖密封，然后通过感应加热的方式对样品进行加热。月壤中不同赋存状态的挥发分会根据不同温度转换成气体释放出来。释放的气体通过管路扩散到质谱仪，气体在质谱仪内会被质谱仪的离子源进行电离，电离后经过质量分析器与其他离子有分别地到达电子倍增器并产生电流。通过对电子倍增益的电流测量结合质谱分析器的数据，可以获得不同质量数的挥发分成分及浓度分布。

图 1：月壤挥发分测量仪组成图

研究过程与结果

作者在文中提出了水含量分析过程如下图所示，当炉膛密封后加热水从月壤中释放；释放的水蒸气一部分被炉膛管壁吸附，一部分会泄漏出去；如果考虑到水含量过高水完全释放出来超过当前温度到饱和蒸气压，按照设计当水含量大于某一阈值会触发排水阀门打开，该过程是将多余的水蒸气排出；当水蒸气排到一定程度炉膛和管壁的水又会释放出来；当水排到设定阈值后关闭排水阀打开进气阀，剩余水蒸气通过微漏孔进入质谱仪对生蒸气的分压进行分析。

图2：挥发分测量仪分析水的过程示意图

理想气体加热释放的到密闭容腔，该气体的气压的分压如图3a所示，先缓慢增加然后达到平衡。因为水蒸气在金属管壁内具有一定的吸附性，所以水蒸气的实际分压P‘0要低于理论分压P0，如图3b所示。因为水蒸气在常温下（在轨分析温度与室温接近）饱和蒸气压较低，很容易达到饱和，所以当水含量高的时候需要对水进行排出一部分后进行分析，为了避免测量时气压与饱和蒸气压混淆，所以被分析时的水蒸气分压需要远低于当前温度的饱和蒸气压，如果水完全释放出来没有达到饱和蒸气压且需要排出的过程如图3c所示，如果达到了饱和蒸气压如图3d所示。

图 3：炉腔和管路内气压随时间变化过程曲线

研究总结

本文介绍了挥发分测量仪水含量分析过程和方法，梳理了在轨水含量测量不确定性主要来自被分析样品的重量、样品转移过程损失、仪器测量分析三方面的确定性。根据当前月壤挥发分测量仪当前状态和本文测量方法设计可以直接对水含量在0.008～0.17%范围内的月壤直接分析，当水含量更大时，可以通过排水的方式分析跟高含水量的样品。

Aerospace期刊介绍

主编：Konstantinos Kontis, University of Glasgow, Scotland, UK

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