四極質(zhì)譜計(jì)多次搭載在探測(cè)器上對(duì)金星、土星、木星、土衛(wèi)六等外星球表面大氣成份進(jìn)行了分析，獲得了一些有價(jià)值的信息。本文分析了四極質(zhì)譜計(jì)在空間應(yīng)用時(shí)面臨的問(wèn)題；以具體的空間探測(cè)任務(wù)為例，探討了質(zhì)譜計(jì)設(shè)計(jì)的成功和不足之處，以及未來(lái)空間探測(cè)任務(wù)對(duì)四極質(zhì)譜計(jì)提出的新要求。

　　對(duì)行星大氣環(huán)境的研究具有重大價(jià)值，如氣體組成成份和濃度的分析數(shù)據(jù)可以為行星起源和形成過(guò)程的深入研究提供參考；同位素的分析數(shù)據(jù)可以為太陽(yáng)系形成過(guò)程的理論研究提供有價(jià)值的信息；檢測(cè)土壤中的有機(jī)組分可以為外星生命的研究提供證據(jù)等。質(zhì)譜計(jì)作為一種主要的分析儀器，在行星大氣分析中發(fā)揮了重要作用。到目前為止，各種不同類(lèi)型的質(zhì)譜計(jì)都曾搭載在探測(cè)器上執(zhí)行過(guò)空間任務(wù)。其中四極質(zhì)譜計(jì)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：可以很方便的與外部大氣離子源實(shí)現(xiàn)對(duì)接，適應(yīng)惡劣的空間環(huán)境；方便的實(shí)現(xiàn)MS-MS 分析；可以通過(guò)調(diào)節(jié)電參數(shù)獲得不同的質(zhì)量數(shù)測(cè)量范圍、分辨率、調(diào)整掃描時(shí)間等，在行星大氣探測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1、應(yīng)用環(huán)境對(duì)四極質(zhì)譜計(jì)的要求

　　四極質(zhì)譜計(jì)用于行星大氣分析時(shí)必須考慮到空間應(yīng)用環(huán)境的特殊性，主要體現(xiàn)在如下一些方面：

　　(1)行星大氣中除了有常見(jiàn)氣體外，還可能存在其他一些在地球上不常發(fā)現(xiàn)的氣體和同位素，這些物質(zhì)分解出離子碎片和雙電荷離子，可能造成質(zhì)譜分析時(shí)出現(xiàn)大量同質(zhì)異位元素，如表1所示；

　　(2)進(jìn)樣系統(tǒng)可能被污染而影響測(cè)量結(jié)果，潛在的污染物質(zhì)包括：燃料排放的氣體、航天器材料排出的氣體、原子氧附著在進(jìn)樣裝置表面形成的分子氧、從金屬表面濺射出來(lái)的鈉和其他的堿性金屬；

　　(3)在航天器飛行過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，質(zhì)譜計(jì)必須能夠適應(yīng)寬的壓力范圍，如金星的高層大氣壓力約為10³ Pa（110 km 高空處），而到達(dá)金星表面時(shí)，氣壓接近10⁸Pa；

　　(4)航天器的飛行速度會(huì)限制采樣的次數(shù)，也對(duì)四極質(zhì)譜計(jì)的掃描速度提出了特殊要求。

表1 行星大氣中可能存在的同質(zhì)異位元素

2、四極質(zhì)譜計(jì)在外星球大氣分析中應(yīng)用的歷史

　　針對(duì)不同的探測(cè)目標(biāo)，為了適應(yīng)特定的應(yīng)用環(huán)境，空間應(yīng)用質(zhì)譜計(jì)的設(shè)計(jì)往往不同于一般的商業(yè)儀器，具有唯一性。下面以幾個(gè)典型的空間探測(cè)任務(wù)為例，分析空間應(yīng)用四極質(zhì)譜計(jì)的一些特性。

2.1、先鋒號(hào)四極質(zhì)譜計(jì)

　　先鋒號(hào)金星探測(cè)器于1978 年發(fā)射，其上搭載了一臺(tái)雙曲面四極質(zhì)譜計(jì)來(lái)研究金星的高層大氣（140~300 km 高度處）。主要探測(cè)大氣中的一氧化碳、二氧化碳、原子和分子氮、原子氧和氦等組分。儀器重3.81 kg，平均功耗12 W，質(zhì)量數(shù)測(cè)量范圍1~64 amu，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 先鋒號(hào)金星高層大氣探測(cè)質(zhì)譜儀

　　其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：

　　(1)進(jìn)樣裝置經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，使得外星球大氣和儀器背景污染、儀器表面濺射的金屬離子通過(guò)進(jìn)樣管道的速度不一樣，從而將背景噪聲區(qū)分開(kāi)；并在進(jìn)樣管道入口加偏轉(zhuǎn)電壓，以阻止外星球大氣中的離子和電子進(jìn)入離子源。

　　(2)為了更好地區(qū)分同質(zhì)異位元素，設(shè)計(jì)電子碰撞型離子源的電子能量可以在27~70 eV 之間調(diào)節(jié)，利用不同的電子能量來(lái)改變分子分解的形式和荷電量。如在70 eV 時(shí)，CO2譜圖在44 amu （母峰），28 amu (CO)，22 amu(CO2++)，16 amu(O)，和12 amu(C)都有很高的質(zhì)量峰；使用37 eV 電子，22Da 峰消失并且其他峰也大大降低；在27 eV 時(shí)，所有分解峰除了CO 峰外，都在母峰的1%以下。這樣就可以更好的區(qū)分同質(zhì)異位元素（如將CO2++ 和22Ne+ 區(qū)分開(kāi)）。

　　這些設(shè)計(jì)幫助四極質(zhì)譜計(jì)成功的獲得了金星大氣中的一氧化碳、二氧化碳、原子和分子氮、原子氧和氦等成份的相關(guān)數(shù)據(jù)，為研究金星表面大氣逃逸機(jī)理、大氣動(dòng)力學(xué)、熱結(jié)構(gòu)、光化學(xué)提供了重要參考信息。

3、分析與展望

　　針對(duì)不同的探測(cè)環(huán)境要求，四極質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行了一些特殊的設(shè)計(jì)，取得了很好的效果。但四極質(zhì)譜計(jì)還存在一些明顯的不足，如功耗偏高，質(zhì)量數(shù)范圍窄，不適合進(jìn)行大分子量有機(jī)物的探測(cè)，而進(jìn)行大分子量有機(jī)物的探測(cè)可以為探索地球外生命提供直接的證據(jù)，是未來(lái)各國(guó)宇航局進(jìn)行空間探測(cè)的一個(gè)重要目標(biāo)。因此，為了適應(yīng)空間探測(cè)的需求，四極質(zhì)譜計(jì)必須進(jìn)行小型化處理，在降低儀器尺寸、功耗的同時(shí)，提高儀器的性能。在這些方面，質(zhì)譜工作者進(jìn)行了大量研究， 取得了一系列突破， 如日本希望號(hào)（Nozomi） 探測(cè)器上搭載的四極質(zhì)譜計(jì)質(zhì)量?jī)H為2.7 kg，平均功耗為7.4 W，實(shí)現(xiàn)了1~64 amu 質(zhì)量數(shù)的探測(cè)，印度的月神1 號(hào)探測(cè)器上搭載的四極質(zhì)譜計(jì)達(dá)到了0.5 amu 的分辨本領(lǐng)，分壓力測(cè)量范圍達(dá)到10^-14Torr。同時(shí)，島津?qū)嶒?yàn)室的丁力等人用矩形波驅(qū)動(dòng)四級(jí)桿的研究，StevenWright等人利用MEMS 技術(shù)進(jìn)行的微型四極質(zhì)譜技術(shù)研究等，都極大地推動(dòng)了四極質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展。隨著這些技術(shù)的成熟和在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，四極質(zhì)譜計(jì)有望在空間探測(cè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。