質譜儀在深空探測中的應用

周志權，呂 浩，張 棟，陳煥文，趙占鋒,

(1.哈爾濱工業大學(威海)，信息工程研究所，山東 威海 264209；2.質譜科學與儀器江西省2011協同創新中心，江西 南昌 330013)

隨著科學技術的不斷發展，人類尋找地球以外的能源和生存空間的活動越來越頻繁。從20世紀50年代末，美、蘇就開始了深空探測的活動。進入21世紀后，各國紛紛掀起了深空探測的熱潮。美國、歐洲、中國、日本以及印度等都制定了宏偉的深空探測計劃[1-3]，并作為航天領域重點發展的項目之一。

深空探測的一個主要任務是對地球以外的星體進行勘測，用以解釋地球的起源和演變。質譜儀是一種根據離子質荷比來對物質進行檢測的分析儀器，在外星體大氣和土壤成分分析中發揮著重大作用[4]。通過質譜儀分析出的大氣組分和濃度信息是行星起源的重要參考；同位素分析結果可作為太陽系形成過程的理論依據；而通過檢測土壤中的有機物可以得到外星生命存在的證據。

1 用于空間探測的質譜儀

磁質譜儀、射頻質譜儀、飛行時間質譜儀、單極質譜儀、四極桿質譜儀、氣相色譜-質譜聯用儀等都被用于空間探測任務中。

磁質譜儀是根據帶電離子在同一磁場所受洛倫茲力不同而實現離子分離的一種質譜儀器[5]。1963年，美國發射的探險者17號搭載了兩個相同的雙聚焦磁質譜儀，用于測量地球上層大氣中某些中性粒子濃度[6]。

單極質譜儀是利用帶電離子在射頻場中受電場力不同而進行離子分離的一種質譜儀器[7]。1967年西德利用單極空間質譜儀測量了200 km高空處大氣的主要成分和氬等極微量成分[8]。

射頻質譜儀是離子通過與RF場共振獲得不同的能量而實現分離的一種質譜儀器，由Bennett發明，而后前蘇聯科學家將其改進成三段式[9-10]。1973年，前蘇聯發射的火星6號搭載一臺三段式Bennett質量分析器，用于研究火星表面及大氣成分、結構和性質等[11]。

飛行時間質譜儀是根據相同能量的離子在無場漂移管中飛行時間的長短來實現離子分離的一種質譜儀器[12]。1984年，前蘇聯發射的維加號搭載了一臺飛行時間質譜儀，用于檢測哈雷彗星大氣中塵埃的成分[13]。

四極桿質譜儀是根據帶電離子在四極場中運動軌跡的穩定性來實現分離的一種質譜儀器。1973年，美國發射的探險者C上搭載了一臺雙曲型四極桿質譜儀，用于實時測量地球上層大氣中粒子濃度的空間分布和變化[14]。

氣相色譜-質譜聯用儀是將氣相色譜儀與質譜儀聯合使用進行分析的儀器。1976年，美國發射的海盜號搭載了一臺氣相色譜-質譜聯用儀，用于對火星大氣及土壤進行檢測[15]。

射頻質譜儀重量輕、體積小，但靈敏度和分辨率欠佳，最初只有少數的幾個國家(如前蘇聯)使用，后來被逐漸棄用；磁質譜儀結構簡單、工作穩定、質量分辨率好、數據可靠，但磁鐵比較重，可能會出現漏磁的現象；單極質譜儀只利用四極射頻場的一部分，有利于減少功率消耗、簡化儀器結構，且分辨率較高、質量數范圍較寬，不會出現漏磁現象[8]，但是靈敏度低，對此俄羅斯科學家已進行了改進，北京航天醫學工程研究所也對單極質譜儀進行了比較深入的研究，目前正致力于將單極質譜儀應用到空間站和飛船等密閉環境進行氣體成分的測量[7]；飛行時間質譜儀具有測定快速、質量定標可靠、電極對準要求不高、防震效果好等優點；四極桿質譜儀質量輕、分辨率好，可在較惡劣的真空條件下工作[8]，且無漏磁現象；氣相色譜-質譜聯用儀結合了色譜的分離效率高、定量準確和質譜的選擇性高、鑒別能力強的優點，具有廣泛的應用領域[16]。

2 各國歷年深空探測任務

質譜儀器第一次應用于太空活動是在20世紀50年代末期，采用的是Bennett射頻質譜儀，用于研究低電離層成分和粒子數密度[17]。后來，美、蘇陸續開展了一系列深空探測活動，如“阿波羅”號、“月球”號、“火星”號等。但在探測初期，主要任務是獲取星體表面照片，尋找合適的著陸點，研究星體表面和大氣的成分、溫度、結構，以及宇宙射線、微流星體碰撞、磁場的信息等。飛行器搭載的儀器多為照相機、紅外光譜儀、輻射計和紫外光譜儀等，鮮見質譜儀。直到20世紀70年代，不同類型的質譜儀才大量出現在各國的深空探測任務中[18-21]。

2.1 阿波羅15號

為了探測月球大氣的成分和分布情況，阿波羅15號于1971年7月26日搭載多檢測器的扇形磁場質譜儀飛向月球。該質譜儀安裝在一個可以伸縮的機械臂上，這使得質譜儀能對離飛船7.3 m處的物質進行檢測。整個質譜儀為30 cm×32 cm×23 cm的長方體，質量為11 kg[17,22]，其工作原理示于圖1。

圖1 阿波羅15號搭載的質譜儀工作原理Fig.1 Principle of mass spectrometer aboard Apollo 15

圖1的右上方為質譜儀的離子源，采用電子轟擊源(EI源)結構。離子源兩側安裝有鎢絲，通過控制電路加熱鎢絲使樣品電離。同時，為了在飛行期間除去離子源中的氣體，離子源兩側安裝了由陶瓷器件組成的加熱器，可以使離子源在15 min內的溫度達到300 ℃，以快速蒸發氣體。圖1的中間部分為單聚焦的永磁體質量分析器，2個檢測器可以同時檢測質量范圍為12～28 u和28～66 u的離子[17,22]。

該質譜儀檢測到的大部分氣體都是阿波羅飛船艙內的，但是檢測到的20Ne是飛船艙外的。檢測到的20Ne含量只是其預期含量的1/3，這是由太陽風捕獲氣體造成的[23]。在之后發射的阿波羅16號探測器上也搭載了同種結構的質譜儀。

2.2 阿波羅17號

阿波羅15號和16號上的質譜儀對所有氣體的總濃度進行了檢測，但是并沒有對月球大氣中主要氣體的各自濃度進行測量[24]。阿波羅17號搭載了一臺小型磁偏轉質譜儀用于檢測月球大氣，并于1972年12月成功發射。

該小型質譜儀采用EI源作為電離源，燈絲為兩根錸鎢絲，對應2個發射模式：在固定模式下，電子能量為70 eV；在轉換模式下，電子能量有70、27、20、18 eV可供選擇。被EI源電離的離子經過離子傳輸透鏡后進入質量分析器，質量分析器采用磁偏轉型。該質譜儀有3個檢測器，對應3個不同的質量范圍：第1個檢測器檢測低質量(1～4 u)離子，軌道半徑為1.21 cm；第2個檢測器檢測中間質量(12～48 u)離子，軌道半徑為4.2 cm；第3個檢測器檢測高質量(27.4～110 u)離子，軌道半徑為6.35 cm。整個質譜儀的質量為9.1 kg，體積為17 cm×32 cm×34 cm[25]，其工作原理示于圖2。

圖2 阿波羅17號搭載的質譜儀工作原理Fig.2 Principle of mass spectrometer aboard Apollo 17

阿波羅17號上的磁偏轉質譜儀對月球大氣中的主要成分進行了檢測，證明了月球大氣中存在氦氣、氖氣和氬氣，同時還可能存在分子氧[26]。

2.3 火星海盜號探測器

圖3 海盜號搭載的質譜儀工作原理Fig.3 Principle of mass spectrometer aboard Viking

在阿波羅飛船搭載的質譜儀對月球大氣進行成功檢測后，美國宇航局(NASA)開始將目光轉向了火星。海盜1號和海盜2號火星探測器分別于1976年6月和9月到達火星表面，2個探測器上搭載了同一結構的氣相色譜-質譜聯用儀，它不僅能夠對火星大氣進行檢測，還能對火星土壤中的有機物進行檢測，從而證明外星生命存在的可能性[4]。整個質譜儀的工作原理示于圖3。

整個GC/MS儀器的體積為27.5 cm×33 cm×25 cm，質量為10.4 kg；離子源采用EI源；質量分析器為尼爾-約翰遜結構的雙聚焦磁偏轉分析器，即90°電場偏轉加-90°磁場偏轉的結構[15]；質譜儀的質量檢測范圍為1～230 u。海盜號上的GC/MS檢測到火星大氣成分主要為CO2，并有少量的N2和Ar，但沒有檢測到有機物的存在[17]，也有科學家指出GC/MS存在設計缺陷[27]，所以才導致沒有發現火星生命。

2.4 金星先驅者號探測器

從20世紀60年代開始，美、蘇兩國開始實施金星太空探測任務，慢慢地揭開了金星表面的神秘面紗。1978年，美國發射了先驅者號金星探測器，以了解金星表面的大氣化學成分，其探測器上搭載了多種類型的質譜儀[17]。

第一種是雙曲面四極質譜儀，采用EI源，儀器的質量為3.81 kg，平均功耗為12 W，質量掃描范圍為1～64 u[4,28]，其結構示于圖4。目的是為了研究金星的高層大氣(140～300 km高度處)中一氧化碳、二氧化碳、原子和分子氮、原子氧和氦等組分。

圖4 先驅者號高層大氣探測質譜儀的結構Fig.4 Structure of upper atmosphere MS aboard Pioneer Venus

為了對金星62 km以下的大氣進行探測，在探測器的有效載荷中還包含一臺采用EI電離源的磁偏轉質譜儀，其質量掃描范圍為1～208 u，有2個檢測通道，低質量通道的范圍是1～16 u，高質量通道的范圍是15～208 u[29-30]，其工作原理示于圖5。該磁偏轉質譜儀對二氧化碳的檢測靈敏度達到1×10-6，檢測到金星大氣約含96% CO2和4% N2以及比地球上多很多的Ar，同時發現36Ar/40Ar也較高[4]。

圖5 金星先驅者號上的低層大氣質譜儀原理圖Fig.5 Principle of lower atmosphere MS aboard Pioneer Venus

2.5 木星伽利略號探測器

利用質譜儀成功探測了月球、火星和金星之后，伽利略號作為美國宇航局第一個專用于探測木星的探測器，于1989年從“亞特蘭蒂斯”號航天飛機上成功發射，并于1995年12月抵達環木星軌道。

該探測器上搭載了一臺四極桿質譜儀，用于探測木星大氣的同位素成分和物理狀態，其實物示于圖6。整個質譜儀的外殼采用鈦合金制作，質量為13.2 kg，平均功耗為13 W，質量掃描范圍為2～150 u，動態范圍為1×108[12]。

圖6 伽利略號上的質譜儀Fig.6 Mass spectrometer aboard Galileo

該質譜儀的離子源采用雙燈絲EI源，可供選擇的電子轟擊能量為75、25、15 eV；四極桿半徑為0.5 cm，長度為15 cm；射頻頻率為2.83 MHz和1.83 MHz，分別對應的質量掃描范圍為2～19 u和20～150 u[31]。

該質譜儀也對3He/4He、D/H、13C/12C、20Ne/22Ne、38Ar/36Ar以及Kr和Xe等同位素比值進行了測定[32]。

2.6 土星卡西尼號探測器

卡西尼-惠更斯號是美國國家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局共同合作的項目，于1997年10月15日發射，主要任務是對土星系進行空間探測，確定土星主要區域的中性分子和低能離子的組成及密度[33]。

卡西尼號上攜帶了一臺離子和中性粒子質譜儀(INMS)，用于探測土星附近的離子和中性粒子。質譜儀的原理圖和實物圖分別示于圖7[28]和圖8[33]。

圖7 卡西尼號上的質譜儀原理圖Fig.7 Schematics of MS aboard Cassini

圖8 卡西尼號上的質譜儀Fig.8 Mass spectrometer aboard Cassini

該質譜儀的離子源采用EI源，且有兩種工作模式：用來檢測中性粒子的閉源模式；用來檢測比較活潑離子的開源模式[34]。開源模式下的電子轟擊能量為25 eV和70 eV，閉源模式下的電子轟擊能量為27 eV和71 eV。質量分析器為四極桿，半徑為0.5 cm，長度為10 cm，射頻頻率為1.64 MHz和3.57 MHz，對應的質量掃描范圍分別為1～8 u和12～99 u[33-34]。

整個儀器的體積為20.3 cm×42.2 cm×36.5 cm，質量為10.28 kg。中性粒子模式、離子模式和睡眠狀況下的平均功耗分別為23.3、20.9和13.1 W[33]。

2.7 土衛六惠更斯號探測器

作為卡西尼號的子飛船，惠更斯號于1997年10月隨卡西尼號發射升空，并于2004年12月25日脫離母船，飛向土衛六以完成它的使命。

惠更斯探測器上攜帶了6套科學儀器，其中的氣相層析質譜儀是一臺氣相色譜與四極桿質譜儀聯用的設備。質譜儀的離子源采用5個EI源，燈絲為錸鎢絲，并且通過一個四極桿透鏡開關決定哪個EI源連接到四極桿質量分析器上，可選擇的電子束能量為25 eV和70 eV；質量分析器采用雙曲面桿結構，實物圖示于圖9[15]；檢測器利用了2個電子倍增管，在脈沖技術模式和模擬電流模式下工作[35-36]。

圖9 惠更斯號上的質譜儀離子源和質量分析器Fig.9 Ion source and mass analyzer of mass spectrometer aboard Huygens

該質譜儀的主要任務是探測土衛六從地表到176 km高空的大氣組成。質譜儀的質量為17.3 kg，平均功耗為28 W，質量掃描范圍為2～141 u，動態范圍大于108。裝配好的質譜儀為圓柱形，直徑為198 mm，高度為470 mm，實物圖示于圖10[35]。

2.8 日本希望號火星探測器

日本希望號(Nozomi，原名Planet B)火星探測器于1998年7月3日發射升空，是日本第一個火星探測器，這使日本成為世界上第3個發射火星探測器的國家。探測器計劃探測火星的上部大氣層和電離層，重點研究太陽風的影響，并向地球傳送考察圖像。

圖10 惠更斯號上的質譜儀Fig.10 Mass spectrometer aboard Huygens

該探測器上攜帶了一臺中性氣體質譜儀(NMS)[37]，是金星先驅號上質譜儀的修改版本。該質譜儀采用雙頻四極桿質量分析器，質量約為2.8 kg，平均功率為7.4 W，其形狀為圓柱形，直徑為15 cm，長度為33.7 cm。

質譜儀的離子源為EI源，有2種電子轟擊能量，分別為25 eV和75 eV，離子源有開源和閉源2種工作模式，其功能與先驅者號上的高層大氣質譜儀相同；四極桿質量分析器為雙曲面型，其半徑為0.2 cm，長度為7.7 cm，射頻頻率為3.25 MHz和4.85 MHz，質量掃描范圍為1～60 u；檢測器為2個電子倍增管，在脈沖計數模式下工作。

雖然由于種種原因，希望號最終沒能完成它的使命，但其上搭載的質譜儀對日本以及其他國家的深空探測任務提供了重要參考。

2.9 美國星塵號火星探測器

除了對內太陽系探測外，科學界對外太陽系的星體也越來越感興趣。星塵號于1999年2月7日發射升空；2011年2月15日飛抵坦普爾一號彗星進行考察；2011年3月24日主探測器耗盡燃料，關閉發射器。

在其攜帶的有效載荷中，彗星和星際塵埃分析器(CIDA)[38]攔截灰塵，并向地球傳回實時分析數據。該儀器位于星塵號飛船的下方，由入口、接收靶、離子提取器、飛行時間質譜儀和離子檢測器組成，其核心為飛行時間質譜儀，實物圖示于圖11。入口處帶有隔板，防止太陽光進入并在檢測器處引起背景噪聲；接收靶的材料可以是銀或者其他重金屬，面積為50 cm2。

圖11 星塵號上的彗星和星際塵埃分析器Fig.11 CIDA aboard Stardust

實際工作中，灰塵顆粒與靶相碰撞而被檢測，帶電柵格提取離子，離子在彎曲的管狀飛行時間質譜儀中運動，通過測量它們的到達時間來確定離子的質量。該儀器在1～150 u質量范圍內的靈敏度較高。

另外，喬托號以及維加號上搭載的是相同的塵埃分析儀，用來獲取哈雷彗星上單顆粒的化學組成數據。

2.10 彗星羅塞塔號探測器

進入21世紀以后，各國的航天活動更加頻繁。2004年3月2日，歐空局發射了羅塞塔彗星探測器，該探測器將近距離繞彗星運行，并投放一個菲萊登陸器；2014年11月13日，菲萊登陸器成功登陸“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星，進而探測有關太陽系形成和生命起源的信息。其中，探測器和登錄器上分別攜帶了3臺和2臺質譜儀。

圖12 羅塞塔號軌道器上的飛行時間質譜儀Fig.12 TOF MS aboard Rosetta orbiter

軌道器上的彗星次級粒子質量分析器(COSIMA)[39-40]的核心為飛行時間質譜儀，基于次級粒子質譜分析方法，可以現場分析彗星顆粒的元素成分和核心元素的同位素組成。該儀器的質量探測范圍為1～3 500 u，對于100 u離子，質量分辨率大于2 000。整個儀器的質量為19.8 kg，實物圖示于圖12。

軌道器上的另一臺質量分析器為離子中心分子軌道質譜分析儀(ROSINA)[39,41]，用于分析彗星的大氣和電離層組成，同時也是在喬托號之后，首次現場分析彗星表面的揮發性物質。該儀器中有2臺質譜儀，分別是質量探測范圍為12～150 u和1～350 u的雙聚焦磁質譜儀和反射式飛行時間質譜儀，實物圖示于圖13和圖14。

圖13 羅塞塔號軌道器上的雙聚焦磁質譜儀Fig.13 DFMS aboard Rosetta orbiter

其中，雙聚焦磁質譜儀的體積為63 cm×63 cm×26 cm，質量為16.2 kg，平均功耗為19 W，質量分辨率可達3 000；反射式飛行時間質譜儀的體積為114 cm×38 cm×24 cm，質量為14.7 kg，分辨率大于500，功耗為24 W。

登陸器上有一個彗星采樣及成分分析(COSAC)系統，用于現場檢測彗星表面及彗核中的化學成分和同位素組成，并通過化學成分來確定負載有機物。COSAC中有一臺飛行時間質譜儀[39,42]，常與氣相色譜儀聯合使用。

圖14 羅塞塔號軌道器上的反射式飛行時間質譜儀Fig.14 RTOF-MS aboard Rosetta orbiter

登陸器上還有一臺進化氣體分析器(MODULUS Ptolemy)[39]，用于探測彗核表面C、N、O、H的同位素信息，其核心為與氣相色譜儀聯用的離子阱質譜儀，結構示于圖15。該質譜儀的總質量為4.5 kg，體積為8 cm×10 cm×5.5 cm，離子阱為雙曲線型，其中，r0=0.8 cm，2z0=1.13 cm，射頻工作頻率為0.6 MHz，掃描電壓為25～300 V0-pk，質量檢測范圍為12～150 u。為了延長電離源的壽命，采用一種納米針(Nanotips)結構，即3×2排列的6組納米針，每組有40×40個納米針，比燈絲的壽命要長很多。

注：a.離子阱質譜儀及其相關電路；b.離子阱質量分析器示意圖圖15 羅塞塔號登陸器上的離子阱質譜儀的結構示意圖Fig.15 Stucture of IT MS aboard Rosetta lander

2.11 新視野號探測器

新視野號是美國國家航天局針對冥王星、冥衛一等柯伊伯帶天體進行考察的探測器，于2006年1月19日發射，預計在2015年7月14日進行冥王星系統的飛越。

在飛船上搭載的7種科學儀器中，高能離子質譜儀(PEPSSI)是由John Hopkins大學應用物理實驗室研制的[43-44]。搭載PEPSSI的第一個目的是研究冥王星的中性大氣層性質及其逃逸速率；第二個目的是研究冥王星的電離層特性以及與太陽風的相互作用；第三個目的是研究冥王星和卡戎的高能粒子環境。

該儀器質量輕(1.5 kg)、功耗小(平均功率2.5 W)，外形是160°×12°的扇形，分為6個小的扇形區(每個扇區25°×12°，間隔2°，面積為0.6 cm×1.2 cm)，每個扇區有2個檢測器，其中有3個是電子檢測器，9個是離子檢測器，可以檢測多個方向的高能離子或電子[45]，實物圖與內部結構示于圖16。

注：a.實物圖；b.內部結構圖圖16 新視野號探測器上的高能離子質譜儀Fig.16 PEPSSI MS aboard on New Horizons

傳感器模塊由一個6 cm長的飛行時間質譜儀和固態Si檢測器(SSD)構成。它將能量測量和飛行時間測量相結合：粒子分別在入口和出口處撞擊箔片產生次級電子，次級電子分別撞擊起始陽極和終止陽極，該段時間為粒子飛行時間；粒子撞擊檢測器測得總能量，其原理示于圖17。通過能量和飛行時間的測量，可以推導出粒子的質量和種類，輕離子、中等離子和較重離子的質量分辨率分別為小于1、5和15 u。

圖17 高能離子質譜儀傳感器示意圖Fig.17 Diagram of PEPSSI sensor

2.12 鳳凰號火星探測器

美國鳳凰號火星探測器于2007年8月發射，2008年5月25日登陸火星。鳳凰號上攜帶了熱與氣體分析儀(TEGA)，其核心是一臺磁偏轉質譜儀[15,17]，用以分析火星土壤加熱后放出的揮發性物質。整臺質譜儀的質量約為5.7 kg，功耗為13 W，體積約為24 cm×23 cm×18 cm，其總體結構示于圖18。

該質譜儀的離子源采用EI源，通過微控制器調節2種發射電流(25、200 μA)和4種電子轟擊能量(90、37、27、23 eV)來改變被測氣體分子分解的形式和所帶的電荷量[15]。

NeBFe型磁偏轉質量分析儀的質量僅為500 g，磁場強度為0.65 T。磁偏轉質量分析儀設置了4個通道，對應的質量數測量范圍為0.7～4 u、7～35 u、14～70 u和28～140 u，最高質量數離子通道的分辨率可達140，其他通道的分辨率按比例降低。

在火星上工作了5個月之后，鳳凰號最終被火星上的嚴冬凍死。該探測器記錄了火星的降雪量并且收集了冰樣。而且，鳳凰號還發現火星表面土壤的化學成分與海水非常相似，這為火星表面液態水可能維持生命存在的說法提供了證據[46]。

圖18 鳳凰號上的質譜儀的結構圖Fig.18 Stucture of MS aboard Phoenix

2.13 印度月球一號探月飛船

月球一號(Chandrayaan-1)[47-48]是印度第一次發射的探月飛船，于當地時間2008年10月22日發射升空。為了調查月球的地質結構和礦物資源，飛船上攜帶了多臺科學儀器，其中在一臺月球撞擊探測器(MIP)上搭載了一臺四極桿質譜儀(CHACE)，其質量探測范圍為1～100 u，質量分辨率為0.5 u，用于研究月球陽光照射面稀薄大氣的成分，實物圖示于圖19。

圖19 月球撞擊探測器上的質譜儀Fig.19 CHACE aboard MIP

2.14 火星好奇號探測器

2012年8月6日，好奇號火星探測器成功地降落在火星表面，展開為期兩年的火星探測任務。為了對火星進行勘測，好奇號上搭載了多種科學儀器[49-50]，其中的火星樣本分析儀(SAM)是好奇號的心臟，質量約占好奇號上所有科學儀器的一半。

火星樣本分析儀由3個獨立的儀器構成，分別為四極桿質譜儀、氣相色譜儀和激光分光計。主要任務為通過研究與生命相關的分子及元素來確定現在以及過去火星上是否有居住的可能，其中，四極桿質譜儀與氣相色譜儀聯用以分離鑒別有機化合物。

四極桿質量分析器為雙曲面型，長度為15.24 cm，場半徑為0.5 cm。其上施加3個固定的射頻頻率，以實現2～535 u質量范圍的探測，其中，3.013、1.438和0.853 MHz分別對應的質量探測范圍為1.5～19.5 u、19.5～150.5 u和150.5～535.5 u，離子源為EI源，典型的發射電流值為20 μA和200 μA，質譜儀的結構示于圖20[50]。

圖20 好奇號上的四極桿質譜儀Fig.20 QMS aboard Curiosity Rover

最近，好奇號在巖石上鉆孔獲取的粉末中檢測到了復雜有機化合物，這是好奇號在火星上首次檢測到有機物。遺憾的是，這并不能揭示火星上是否存在過生命，只能說明，遠古的火星上存在適宜生命活動的環境[51]。

2.15 月球大氣月塵環境探測器

美國航天局于2013年9月6日成功地發射了月球大氣月塵環境探測器(LADEE)，其上搭載了一臺中性粒子質譜儀(NMS)，目的是為了檢測月球稀薄大氣的組成及其可變性。該質譜儀是在卡西尼號探測器INMS的基礎上改進而成的，其結構示于圖21[52]。

圖21 月球大氣月塵環境探測器上的中性粒子質譜儀示意圖Fig.21 Schematic view of NMS aboard LADEE

該質譜儀的離子源采用EI源，電子獲得的能量為75 eV，同樣有開源模式和閉源模式，中性氣體采樣可通過開源或閉源實現，正離子采樣可在開源模式下加熱實現；質量分析器為雙曲面型四極桿，其上施加2個固定的頻率，質量探測范圍為2～150 u，其中，3 MHz和1.4 MHz對應的質量探測范圍是2～20.5 u和20.5～150.5 u；檢測器由離子聚焦透鏡和2個通道型電子倍增管組成，倍增管在脈沖計數模式下工作。

2.16 印度火星軌道探測器

2013年11月5日，印度發射了第一顆火星軌道探測器(MOM)，2014年9月24日成功地進入火星軌道，使得印度成為亞洲第1個、世界第4個擁有火星探測器的國家。

在其攜帶的5個有效載荷中，質量為3.56 kg的火星外大氣層中性粒子質譜儀(MENCA)[53]的核心是一個四極桿質譜儀，采用EI作為電離源；該儀器的質量探測范圍是1～300 u，質量分辨率為0.5 u；MENCA的核心目標是研究火星外大氣層中性粒子的密度和組成，實物圖示于圖22。

2.17 火星大氣與揮發演化探測器

2013年11月19日，美國發射了“火星大氣與揮發演化”(MAVEN)探測器，2014年9月22日進入火星軌道，上面搭載了一臺中性氣體和離子質譜儀[54](NGIMS)，以對火星上層大氣層的組成、結構以及可變性進行測量，并測量了一些元素的同位素比值。

與LADEE上的NMS類似，該質譜儀的離子源同樣有開源和閉源兩種模式，質量分析器為雙曲面型四極桿，其結構示于圖23。其上施加2個固定的頻率，質量探測范圍為2～150 u，其中，3 MHz和1.4 MHz對應的質量探測范圍是2～19.5 u和19.5～150.5 u；檢測器由離子聚焦透鏡和2個通道型電子倍增管組成，倍增管同樣在脈沖計數模式下工作。

3 中國深空探測的發展

中國的航天活動開始于20世紀50年代。2010年11月22日，國務院發表了《中國的航天》白皮書，明確提出了開展以月球探測為主的深空探測的發展目標。目前，我國已經圓滿完成嫦娥探月工程第一期“繞”和第二期“落”的目標，正在實施第三期“回”的工程研制[55]。

雖然國內有很多研制質譜儀器的單位，但大部分都是針對大型的臺式質譜儀，而對小型便攜式質譜儀的研究則很少。在航天質譜儀方面，由于對質量、體積、功耗和可靠性等方面的要求苛刻，則很少有人問津。

針對我國探測任務的需求，哈爾濱工業大學的探月質譜儀研究團隊研制了小型化、低功耗、高可靠性的離子阱質譜儀，實物圖示于圖24[56]。根據任務的需求，該離子阱質譜儀的質量掃描范圍為1～40 u，既可測量小分子質量的氣體，也可測量分子質量較大的氣體。整個儀器的質量為1.5 kg，功耗為8 W，體積為15 cm×10 cm×10 cm，離子阱的尺寸為r0=0.1 cm和z0=0.09 cm，工作溫度為-40 ℃～60 ℃。

圖24 小型離子阱質譜儀照片Fig.24 Photo of mini RIT-MS

該離子阱質譜儀已對甲烷、氫氣、氦氣等進行了測量，為我國小型化質譜儀應用于深空探測做出了探索性的研究。

4 總結及展望

在深空探測初期，由于任務側重點等問題，飛行器上搭載的質譜儀較少，但隨著質譜技術的不斷發展以及探測任務的深入，飛行器上搭載了多種類型的質譜儀器。質譜儀器既可以用在飛行器上測定不同高度的大氣成分、溫度以及正負離子，也可以著陸在星球表面測定當地大氣、土壤和巖石的成分等[8]。

在選擇探空質譜儀時，需要根據實際情況綜合考慮儀器的指標，如分辨率、質量范圍、質量、體積、功耗、防震和檢測速度等問題。小型化的質譜儀具有質量輕、體積小、功耗小等優點，現已被廣泛應用于深空探測中[15,28]；常壓快速質譜分析技術具有快速檢測的優點，在深空探測中有著廣闊的應用前景。

現在常用的電子轟擊電離源技術成熟，譜圖完整，離子強度大且穩定，但缺點是樣品只能是氣態物質，如果對固體樣品進行離子化，則需要用到解析電離技術，而僅對不分裂且產生蒸汽的樣品有效，對于有些難揮發的化合物或熱不穩定的化合物則難以進行檢測。離子源可以借鑒地面設備中新的電離技術，如電感耦合等離子體(ICP)、激光電離源(LI)、閾值電離、電子俘獲離子源等，這對新型離子源的壽命、可靠性、功耗和小型化等指標提出了更高的要求[57]。

另外，常壓快速質譜分析技術可以在無需樣品預處理的條件下直接對各種復雜基體樣品進行電離并快速分析，現已開發出多種能夠直接電離的新型離子源，如表面解吸常壓化學電離(SDAPCI)、電噴霧萃取電離(EESI)等，并且具有良好的應用前景[58-59]。將新型離子源應用于空間探測中，則對其抗震性、排除可能干擾等方面提出了更高的要求。

綜上所述，質譜儀已成為人類探索未知星球活動必不可少的儀器，幾乎每一深空探測器上都載有質譜儀。因此，有理由相信，隨著小型化質譜儀以及其他技術的發展并應用到質譜技術中，質譜儀將在未來的深空探測中發揮更大的作用，幫助人類繼續探索未知的外太空世界。

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