周志權(quán)，呂 浩，張 棟，陳煥文，趙占鋒,

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，信息工程研究所，山東 威海 264209；2.質(zhì)譜科學(xué)與儀器江西省2011協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 南昌 330013)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類(lèi)尋找地球以外的能源和生存空間的活動(dòng)越來(lái)越頻繁。從20世紀(jì)50年代末，美、蘇就開(kāi)始了深空探測(cè)的活動(dòng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，各國(guó)紛紛掀起了深空探測(cè)的熱潮。美國(guó)、歐洲、中國(guó)、日本以及印度等都制定了宏偉的深空探測(cè)計(jì)劃[1-3]，并作為航天領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的項(xiàng)目之一。

深空探測(cè)的一個(gè)主要任務(wù)是對(duì)地球以外的星體進(jìn)行勘測(cè)，用以解釋地球的起源和演變。質(zhì)譜儀是一種根據(jù)離子質(zhì)荷比來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的分析儀器，在外星體大氣和土壤成分分析中發(fā)揮著重大作用[4]。通過(guò)質(zhì)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(jié)果可作為太陽(yáng)系形成過(guò)程的理論依據(jù)；而通過(guò)檢測(cè)土壤中的有機(jī)物可以得到外星生命存在的證據(jù)。

1 用于空間探測(cè)的質(zhì)譜儀

磁質(zhì)譜儀、射頻質(zhì)譜儀、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、單極質(zhì)譜儀、四極桿質(zhì)譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等都被用于空間探測(cè)任務(wù)中。

磁質(zhì)譜儀是根據(jù)帶電離子在同一磁場(chǎng)所受洛倫茲力不同而實(shí)現(xiàn)離子分離的一種質(zhì)譜儀器[5]。1963年，美國(guó)發(fā)射的探險(xiǎn)者17號(hào)搭載了兩個(gè)相同的雙聚焦磁質(zhì)譜儀，用于測(cè)量地球上層大氣中某些中性粒子濃度[6]。

單極質(zhì)譜儀是利用帶電離子在射頻場(chǎng)中受電場(chǎng)力不同而進(jìn)行離子分離的一種質(zhì)譜儀器[7]。1967年西德利用單極空間質(zhì)譜儀測(cè)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(zhì)譜儀是離子通過(guò)與RF場(chǎng)共振獲得不同的能量而實(shí)現(xiàn)分離的一種質(zhì)譜儀器，由Bennett發(fā)明，而后前蘇聯(lián)科學(xué)家將其改進(jìn)成三段式[9-10]。1973年，前蘇聯(lián)發(fā)射的火星6號(hào)搭載一臺(tái)三段式Bennett質(zhì)量分析器，用于研究火星表面及大氣成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等[11]。

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀是根據(jù)相同能量的離子在無(wú)場(chǎng)漂移管中飛行時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)離子分離的一種質(zhì)譜儀器[12]。1984年，前蘇聯(lián)發(fā)射的維加號(hào)搭載了一臺(tái)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，用于檢測(cè)哈雷彗星大氣中塵埃的成分[13]。

四極桿質(zhì)譜儀是根據(jù)帶電離子在四極場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的穩(wěn)定性來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的一種質(zhì)譜儀器。1973年，美國(guó)發(fā)射的探險(xiǎn)者C上搭載了一臺(tái)雙曲型四極桿質(zhì)譜儀，用于實(shí)時(shí)測(cè)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(zhì)譜聯(lián)用儀是將氣相色譜儀與質(zhì)譜儀聯(lián)合使用進(jìn)行分析的儀器。1976年，美國(guó)發(fā)射的海盜號(hào)搭載了一臺(tái)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，用于對(duì)火星大氣及土壤進(jìn)行檢測(cè)[15]。

射頻質(zhì)譜儀重量輕、體積小，但靈敏度和分辨率欠佳，最初只有少數(shù)的幾個(gè)國(guó)家(如前蘇聯(lián))使用，后來(lái)被逐漸棄用；磁質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、質(zhì)量分辨率好、數(shù)據(jù)可靠，但磁鐵比較重，可能會(huì)出現(xiàn)漏磁的現(xiàn)象；單極質(zhì)譜儀只利用四極射頻場(chǎng)的一部分，有利于減少功率消耗、簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，且分辨率較高、質(zhì)量數(shù)范圍較寬，不會(huì)出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象[8]，但是靈敏度低，對(duì)此俄羅斯科學(xué)家已進(jìn)行了改進(jìn)，北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所也對(duì)單極質(zhì)譜儀進(jìn)行了比較深入的研究，目前正致力于將單極質(zhì)譜儀應(yīng)用到空間站和飛船等密閉環(huán)境進(jìn)行氣體成分的測(cè)量[7]；飛行時(shí)間質(zhì)譜儀具有測(cè)定快速、質(zhì)量定標(biāo)可靠、電極對(duì)準(zhǔn)要求不高、防震效果好等優(yōu)點(diǎn)；四極桿質(zhì)譜儀質(zhì)量輕、分辨率好，可在較惡劣的真空條件下工作[8]，且無(wú)漏磁現(xiàn)象；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀結(jié)合了色譜的分離效率高、定量準(zhǔn)確和質(zhì)譜的選擇性高、鑒別能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[16]。

2 各國(guó)歷年深空探測(cè)任務(wù)

質(zhì)譜儀器第一次應(yīng)用于太空活動(dòng)是在20世紀(jì)50年代末期，采用的是Bennett射頻質(zhì)譜儀，用于研究低電離層成分和粒子數(shù)密度[17]。后來(lái)，美、蘇陸續(xù)開(kāi)展了一系列深空探測(cè)活動(dòng)，如“阿波羅”號(hào)、“月球”號(hào)、“火星”號(hào)等。但在探測(cè)初期，主要任務(wù)是獲取星體表面照片，尋找合適的著陸點(diǎn)，研究星體表面和大氣的成分、溫度、結(jié)構(gòu)，以及宇宙射線、微流星體碰撞、磁場(chǎng)的信息等。飛行器搭載的儀器多為照相機(jī)、紅外光譜儀、輻射計(jì)和紫外光譜儀等，鮮見(jiàn)質(zhì)譜儀。直到20世紀(jì)70年代，不同類(lèi)型的質(zhì)譜儀才大量出現(xiàn)在各國(guó)的深空探測(cè)任務(wù)中[18-21]。

2.1 阿波羅15號(hào)

為了探測(cè)月球大氣的成分和分布情況，阿波羅15號(hào)于1971年7月26日搭載多檢測(cè)器的扇形磁場(chǎng)質(zhì)譜儀飛向月球。該質(zhì)譜儀安裝在一個(gè)可以伸縮的機(jī)械臂上，這使得質(zhì)譜儀能對(duì)離飛船7.3 m處的物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)質(zhì)譜儀為30 cm×32 cm×23 cm的長(zhǎng)方體，質(zhì)量為11 kg[17,22]，其工作原理示于圖1。

圖1 阿波羅15號(hào)搭載的質(zhì)譜儀工作原理Fig.1 Principle of mass spectrometer aboard Apollo 15

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

該質(zhì)譜儀檢測(cè)到的大部分氣體都是阿波羅飛船艙內(nèi)的，但是檢測(cè)到的20Ne是飛船艙外的。檢測(cè)到的20Ne含量只是其預(yù)期含量的1/3，這是由太陽(yáng)風(fēng)捕獲氣體造成的[23]。在之后發(fā)射的阿波羅16號(hào)探測(cè)器上也搭載了同種結(jié)構(gòu)的質(zhì)譜儀。

2.2 阿波羅17號(hào)

阿波羅15號(hào)和16號(hào)上的質(zhì)譜儀對(duì)所有氣體的總濃度進(jìn)行了檢測(cè)，但是并沒(méi)有對(duì)月球大氣中主要?dú)怏w的各自濃度進(jìn)行測(cè)量[24]。阿波羅17號(hào)搭載了一臺(tái)小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀用于檢測(cè)月球大氣，并于1972年12月成功發(fā)射。

該小型質(zhì)譜儀采用EI源作為電離源，燈絲為兩根錸鎢絲，對(duì)應(yīng)2個(gè)發(fā)射模式：在固定模式下，電子能量為70 eV；在轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)離子傳輸透鏡后進(jìn)入質(zhì)量分析器，質(zhì)量分析器采用磁偏轉(zhuǎn)型。該質(zhì)譜儀有3個(gè)檢測(cè)器，對(duì)應(yīng)3個(gè)不同的質(zhì)量范圍：第1個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)低質(zhì)量(1～4 u)離子，軌道半徑為1.21 cm；第2個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)中間質(zhì)量(12～48 u)離子，軌道半徑為4.2 cm；第3個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)高質(zhì)量(27.4～110 u)離子，軌道半徑為6.35 cm。整個(gè)質(zhì)譜儀的質(zhì)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(hào)搭載的質(zhì)譜儀工作原理Fig.2 Principle of mass spectrometer aboard Apollo 17

阿波羅17號(hào)上的磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀對(duì)月球大氣中的主要成分進(jìn)行了檢測(cè)，證明了月球大氣中存在氦氣、氖氣和氬氣，同時(shí)還可能存在分子氧[26]。

2.3 火星海盜號(hào)探測(cè)器

圖3 海盜號(hào)搭載的質(zhì)譜儀工作原理Fig.3 Principle of mass spectrometer aboard Viking

在阿波羅飛船搭載的質(zhì)譜儀對(duì)月球大氣進(jìn)行成功檢測(cè)后，美國(guó)宇航局(NASA)開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向了火星。海盜1號(hào)和海盜2號(hào)火星探測(cè)器分別于1976年6月和9月到達(dá)火星表面，2個(gè)探測(cè)器上搭載了同一結(jié)構(gòu)的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，它不僅能夠?qū)鹦谴髿膺M(jìn)行檢測(cè)，還能對(duì)火星土壤中的有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)，從而證明外星生命存在的可能性[4]。整個(gè)質(zhì)譜儀的工作原理示于圖3。

整個(gè)GC/MS儀器的體積為27.5 cm×33 cm×25 cm，質(zhì)量為10.4 kg；離子源采用EI源；質(zhì)量分析器為尼爾-約翰遜結(jié)構(gòu)的雙聚焦磁偏轉(zhuǎn)分析器，即90°電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)加-90°磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)[15]；質(zhì)譜儀的質(zhì)量檢測(cè)范圍為1～230 u。海盜號(hào)上的GC/MS檢測(cè)到火星大氣成分主要為CO2，并有少量的N2和Ar，但沒(méi)有檢測(cè)到有機(jī)物的存在[17]，也有科學(xué)家指出GC/MS存在設(shè)計(jì)缺陷[27]，所以才導(dǎo)致沒(méi)有發(fā)現(xiàn)火星生命。

2.4 金星先驅(qū)者號(hào)探測(cè)器

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美、蘇兩國(guó)開(kāi)始實(shí)施金星太空探測(cè)任務(wù)，慢慢地揭開(kāi)了金星表面的神秘面紗。1978年，美國(guó)發(fā)射了先驅(qū)者號(hào)金星探測(cè)器，以了解金星表面的大氣化學(xué)成分，其探測(cè)器上搭載了多種類(lèi)型的質(zhì)譜儀[17]。

第一種是雙曲面四極質(zhì)譜儀，采用EI源，儀器的質(zhì)量為3.81 kg，平均功耗為12 W，質(zhì)量掃描范圍為1～64 u[4,28]，其結(jié)構(gòu)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(qū)者號(hào)高層大氣探測(cè)質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of upper atmosphere MS aboard Pioneer Venus

為了對(duì)金星62 km以下的大氣進(jìn)行探測(cè)，在探測(cè)器的有效載荷中還包含一臺(tái)采用EI電離源的磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀，其質(zhì)量掃描范圍為1～208 u，有2個(gè)檢測(cè)通道，低質(zhì)量通道的范圍是1～16 u，高質(zhì)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(zhuǎn)質(zhì)譜儀對(duì)二氧化碳的檢測(cè)靈敏度達(dá)到1×10-6，檢測(cè)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(shí)發(fā)現(xiàn)36Ar/40Ar也較高[4]。

圖5 金星先驅(qū)者號(hào)上的低層大氣質(zhì)譜儀原理圖Fig.5 Principle of lower atmosphere MS aboard Pioneer Venus

2.5 木星伽利略號(hào)探測(cè)器

利用質(zhì)譜儀成功探測(cè)了月球、火星和金星之后，伽利略號(hào)作為美國(guó)宇航局第一個(gè)專(zhuān)用于探測(cè)木星的探測(cè)器，于1989年從“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)上成功發(fā)射，并于1995年12月抵達(dá)環(huán)木星軌道。

該探測(cè)器上搭載了一臺(tái)四極桿質(zhì)譜儀，用于探測(cè)木星大氣的同位素成分和物理狀態(tài)，其實(shí)物示于圖6。整個(gè)質(zhì)譜儀的外殼采用鈦合金制作，質(zhì)量為13.2 kg，平均功耗為13 W，質(zhì)量掃描范圍為2～150 u，動(dòng)態(tài)范圍為1×108[12]。

圖6 伽利略號(hào)上的質(zhì)譜儀Fig.6 Mass spectrometer aboard Galileo

該質(zhì)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(zhǎng)度為15 cm；射頻頻率為2.83 MHz和1.83 MHz，分別對(duì)應(yīng)的質(zhì)量掃描范圍為2～19 u和20～150 u[31]。

該質(zhì)譜儀也對(duì)3He/4He、D/H、13C/12C、20Ne/22Ne、38Ar/36Ar以及Kr和Xe等同位素比值進(jìn)行了測(cè)定[32]。

2.6 土星卡西尼號(hào)探測(cè)器

卡西尼-惠更斯號(hào)是美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局共同合作的項(xiàng)目，于1997年10月15日發(fā)射，主要任務(wù)是對(duì)土星系進(jìn)行空間探測(cè)，確定土星主要區(qū)域的中性分子和低能離子的組成及密度[33]。

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

圖7 卡西尼號(hào)上的質(zhì)譜儀原理圖Fig.7 Schematics of MS aboard Cassini

圖8 卡西尼號(hào)上的質(zhì)譜儀Fig.8 Mass spectrometer aboard Cassini

該質(zhì)譜儀的離子源采用EI源，且有兩種工作模式：用來(lái)檢測(cè)中性粒子的閉源模式；用來(lái)檢測(cè)比較活潑離子的開(kāi)源模式[34]。開(kāi)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(zhì)量分析器為四極桿，半徑為0.5 cm，長(zhǎng)度為10 cm，射頻頻率為1.64 MHz和3.57 MHz，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量掃描范圍分別為1～8 u和12～99 u[33-34]。

整個(gè)儀器的體積為20.3 cm×42.2 cm×36.5 cm，質(zhì)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(wèi)六惠更斯號(hào)探測(cè)器

作為卡西尼號(hào)的子飛船，惠更斯號(hào)于1997年10月隨卡西尼號(hào)發(fā)射升空，并于2004年12月25日脫離母船，飛向土衛(wèi)六以完成它的使命。

惠更斯探測(cè)器上攜帶了6套科學(xué)儀器，其中的氣相層析質(zhì)譜儀是一臺(tái)氣相色譜與四極桿質(zhì)譜儀聯(lián)用的設(shè)備。質(zhì)譜儀的離子源采用5個(gè)EI源，燈絲為錸鎢絲，并且通過(guò)一個(gè)四極桿透鏡開(kāi)關(guān)決定哪個(gè)EI源連接到四極桿質(zhì)量分析器上，可選擇的電子束能量為25 eV和70 eV；質(zhì)量分析器采用雙曲面桿結(jié)構(gòu)，實(shí)物圖示于圖9[15]；檢測(cè)器利用了2個(gè)電子倍增管，在脈沖技術(shù)模式和模擬電流模式下工作[35-36]。

圖9 惠更斯號(hào)上的質(zhì)譜儀離子源和質(zhì)量分析器Fig.9 Ion source and mass analyzer of mass spectrometer aboard Huygens

該質(zhì)譜儀的主要任務(wù)是探測(cè)土衛(wèi)六從地表到176 km高空的大氣組成。質(zhì)譜儀的質(zhì)量為17.3 kg，平均功耗為28 W，質(zhì)量掃描范圍為2～141 u，動(dòng)態(tài)范圍大于108。裝配好的質(zhì)譜儀為圓柱形，直徑為198 mm，高度為470 mm，實(shí)物圖示于圖10[35]。

2.8 日本希望號(hào)火星探測(cè)器

日本希望號(hào)(Nozomi，原名Planet B)火星探測(cè)器于1998年7月3日發(fā)射升空，是日本第一個(gè)火星探測(cè)器，這使日本成為世界上第3個(gè)發(fā)射火星探測(cè)器的國(guó)家。探測(cè)器計(jì)劃探測(cè)火星的上部大氣層和電離層，重點(diǎn)研究太陽(yáng)風(fēng)的影響，并向地球傳送考察圖像。

圖10 惠更斯號(hào)上的質(zhì)譜儀Fig.10 Mass spectrometer aboard Huygens

該探測(cè)器上攜帶了一臺(tái)中性氣體質(zhì)譜儀(NMS)[37]，是金星先驅(qū)號(hào)上質(zhì)譜儀的修改版本。該質(zhì)譜儀采用雙頻四極桿質(zhì)量分析器，質(zhì)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(zhǎng)度為33.7 cm。

質(zhì)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(kāi)源和閉源2種工作模式，其功能與先驅(qū)者號(hào)上的高層大氣質(zhì)譜儀相同；四極桿質(zhì)量分析器為雙曲面型，其半徑為0.2 cm，長(zhǎng)度為7.7 cm，射頻頻率為3.25 MHz和4.85 MHz，質(zhì)量掃描范圍為1～60 u；檢測(cè)器為2個(gè)電子倍增管，在脈沖計(jì)數(shù)模式下工作。

雖然由于種種原因，希望號(hào)最終沒(méi)能完成它的使命，但其上搭載的質(zhì)譜儀對(duì)日本以及其他國(guó)家的深空探測(cè)任務(wù)提供了重要參考。

2.9 美國(guó)星塵號(hào)火星探測(cè)器

除了對(duì)內(nèi)太陽(yáng)系探測(cè)外，科學(xué)界對(duì)外太陽(yáng)系的星體也越來(lái)越感興趣。星塵號(hào)于1999年2月7日發(fā)射升空；2011年2月15日飛抵坦普爾一號(hào)彗星進(jìn)行考察；2011年3月24日主探測(cè)器耗盡燃料，關(guān)閉發(fā)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(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。該儀器位于星塵號(hào)飛船的下方，由入口、接收靶、離子提取器、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀和離子檢測(cè)器組成，其核心為飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，實(shí)物圖示于圖11。入口處帶有隔板，防止太陽(yáng)光進(jìn)入并在檢測(cè)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(hào)上的彗星和星際塵埃分析器Fig.11 CIDA aboard Stardust

實(shí)際工作中，灰塵顆粒與靶相碰撞而被檢測(cè)，帶電柵格提取離子，離子在彎曲的管狀飛行時(shí)間質(zhì)譜儀中運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量它們的到達(dá)時(shí)間來(lái)確定離子的質(zhì)量。該儀器在1～150 u質(zhì)量范圍內(nèi)的靈敏度較高。

另外，喬托號(hào)以及維加號(hào)上搭載的是相同的塵埃分析儀，用來(lái)獲取哈雷彗星上單顆粒的化學(xué)組成數(shù)據(jù)。

2.10 彗星羅塞塔號(hào)探測(cè)器

進(jìn)入21世紀(jì)以后，各國(guó)的航天活動(dòng)更加頻繁。2004年3月2日，歐空局發(fā)射了羅塞塔彗星探測(cè)器，該探測(cè)器將近距離繞彗星運(yùn)行，并投放一個(gè)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(jìn)而探測(cè)有關(guān)太陽(yáng)系形成和生命起源的信息。其中，探測(cè)器和登錄器上分別攜帶了3臺(tái)和2臺(tái)質(zhì)譜儀。

圖12 羅塞塔號(hào)軌道器上的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀Fig.12 TOF MS aboard Rosetta orbiter

軌道器上的彗星次級(jí)粒子質(zhì)量分析器(COSIMA)[39-40]的核心為飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，基于次級(jí)粒子質(zhì)譜分析方法，可以現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)量探測(cè)范圍為1～3 500 u，對(duì)于100 u離子，質(zhì)量分辨率大于2 000。整個(gè)儀器的質(zhì)量為19.8 kg，實(shí)物圖示于圖12。

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

圖13 羅塞塔號(hào)軌道器上的雙聚焦磁質(zhì)譜儀Fig.13 DFMS aboard Rosetta orbiter

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

登陸器上有一個(gè)彗星采樣及成分分析(COSAC)系統(tǒng)，用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)彗星表面及彗核中的化學(xué)成分和同位素組成，并通過(guò)化學(xué)成分來(lái)確定負(fù)載有機(jī)物。COSAC中有一臺(tái)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀[39,42]，常與氣相色譜儀聯(lián)合使用。

圖14 羅塞塔號(hào)軌道器上的反射式飛行時(shí)間質(zhì)譜儀Fig.14 RTOF-MS aboard Rosetta orbiter

登陸器上還有一臺(tái)進(jìn)化氣體分析器(MODULUS Ptolemy)[39]，用于探測(cè)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(lián)用的離子阱質(zhì)譜儀，結(jié)構(gòu)示于圖15。該質(zhì)譜儀的總質(zhì)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(zhì)量檢測(cè)范圍為12～150 u。為了延長(zhǎng)電離源的壽命，采用一種納米針(Nanotips)結(jié)構(gòu)，即3×2排列的6組納米針，每組有40×40個(gè)納米針，比燈絲的壽命要長(zhǎng)很多。

注：a.離子阱質(zhì)譜儀及其相關(guān)電路；b.離子阱質(zhì)量分析器示意圖圖15 羅塞塔號(hào)登陸器上的離子阱質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Stucture of IT MS aboard Rosetta lander

2.11 新視野號(hào)探測(cè)器

新視野號(hào)是美國(guó)國(guó)家航天局針對(duì)冥王星、冥衛(wèi)一等柯伊伯帶天體進(jìn)行考察的探測(cè)器，于2006年1月19日發(fā)射，預(yù)計(jì)在2015年7月14日進(jìn)行冥王星系統(tǒng)的飛越。

在飛船上搭載的7種科學(xué)儀器中，高能離子質(zhì)譜儀(PEPSSI)是由John Hopkins大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制的[43-44]。搭載PEPSSI的第一個(gè)目的是研究冥王星的中性大氣層性質(zhì)及其逃逸速率；第二個(gè)目的是研究冥王星的電離層特性以及與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用；第三個(gè)目的是研究冥王星和卡戎的高能粒子環(huán)境。

該儀器質(zhì)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(gè)小的扇形區(qū)(每個(gè)扇區(qū)25°×12°，間隔2°，面積為0.6 cm×1.2 cm)，每個(gè)扇區(qū)有2個(gè)檢測(cè)器，其中有3個(gè)是電子檢測(cè)器，9個(gè)是離子檢測(cè)器，可以檢測(cè)多個(gè)方向的高能離子或電子[45]，實(shí)物圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)示于圖16。

注：a.實(shí)物圖；b.內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖16 新視野號(hào)探測(cè)器上的高能離子質(zhì)譜儀Fig.16 PEPSSI MS aboard on New Horizons

傳感器模塊由一個(gè)6 cm長(zhǎng)的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀和固態(tài)Si檢測(cè)器(SSD)構(gòu)成。它將能量測(cè)量和飛行時(shí)間測(cè)量相結(jié)合：粒子分別在入口和出口處撞擊箔片產(chǎn)生次級(jí)電子，次級(jí)電子分別撞擊起始陽(yáng)極和終止陽(yáng)極，該段時(shí)間為粒子飛行時(shí)間；粒子撞擊檢測(cè)器測(cè)得總能量，其原理示于圖17。通過(guò)能量和飛行時(shí)間的測(cè)量，可以推導(dǎo)出粒子的質(zhì)量和種類(lèi)，輕離子、中等離子和較重離子的質(zhì)量分辨率分別為小于1、5和15 u。

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

2.12 鳳凰號(hào)火星探測(cè)器

美國(guó)鳳凰號(hào)火星探測(cè)器于2007年8月發(fā)射，2008年5月25日登陸火星。鳳凰號(hào)上攜帶了熱與氣體分析儀(TEGA)，其核心是一臺(tái)磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀[15,17]，用以分析火星土壤加熱后放出的揮發(fā)性物質(zhì)。整臺(tái)質(zhì)譜儀的質(zhì)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(jié)構(gòu)示于圖18。

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

NeBFe型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)量分析儀的質(zhì)量?jī)H為500 g，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.65 T。磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)量分析儀設(shè)置了4個(gè)通道，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量數(shù)測(cè)量范圍為0.7～4 u、7～35 u、14～70 u和28～140 u，最高質(zhì)量數(shù)離子通道的分辨率可達(dá)140，其他通道的分辨率按比例降低。

在火星上工作了5個(gè)月之后，鳳凰號(hào)最終被火星上的嚴(yán)冬凍死。該探測(cè)器記錄了火星的降雪量并且收集了冰樣。而且，鳳凰號(hào)還發(fā)現(xiàn)火星表面土壤的化學(xué)成分與海水非常相似，這為火星表面液態(tài)水可能維持生命存在的說(shuō)法提供了證據(jù)[46]。

圖18 鳳凰號(hào)上的質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)圖Fig.18 Stucture of MS aboard Phoenix

2.13 印度月球一號(hào)探月飛船

月球一號(hào)(Chandrayaan-1)[47-48]是印度第一次發(fā)射的探月飛船，于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2008年10月22日發(fā)射升空。為了調(diào)查月球的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦物資源，飛船上攜帶了多臺(tái)科學(xué)儀器，其中在一臺(tái)月球撞擊探測(cè)器(MIP)上搭載了一臺(tái)四極桿質(zhì)譜儀(CHACE)，其質(zhì)量探測(cè)范圍為1～100 u，質(zhì)量分辨率為0.5 u，用于研究月球陽(yáng)光照射面稀薄大氣的成分，實(shí)物圖示于圖19。

圖19 月球撞擊探測(cè)器上的質(zhì)譜儀Fig.19 CHACE aboard MIP

2.14 火星好奇號(hào)探測(cè)器

2012年8月6日，好奇號(hào)火星探測(cè)器成功地降落在火星表面，展開(kāi)為期兩年的火星探測(cè)任務(wù)。為了對(duì)火星進(jìn)行勘測(cè)，好奇號(hào)上搭載了多種科學(xué)儀器[49-50]，其中的火星樣本分析儀(SAM)是好奇號(hào)的心臟，質(zhì)量約占好奇號(hào)上所有科學(xué)儀器的一半。

火星樣本分析儀由3個(gè)獨(dú)立的儀器構(gòu)成，分別為四極桿質(zhì)譜儀、氣相色譜儀和激光分光計(jì)。主要任務(wù)為通過(guò)研究與生命相關(guān)的分子及元素來(lái)確定現(xiàn)在以及過(guò)去火星上是否有居住的可能，其中，四極桿質(zhì)譜儀與氣相色譜儀聯(lián)用以分離鑒別有機(jī)化合物。

四極桿質(zhì)量分析器為雙曲面型，長(zhǎng)度為15.24 cm，場(chǎng)半徑為0.5 cm。其上施加3個(gè)固定的射頻頻率，以實(shí)現(xiàn)2～535 u質(zhì)量范圍的探測(cè)，其中，3.013、1.438和0.853 MHz分別對(duì)應(yīng)的質(zhì)量探測(cè)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(fā)射電流值為20 μA和200 μA，質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示于圖20[50]。

圖20 好奇號(hào)上的四極桿質(zhì)譜儀Fig.20 QMS aboard Curiosity Rover

最近，好奇號(hào)在巖石上鉆孔獲取的粉末中檢測(cè)到了復(fù)雜有機(jī)化合物，這是好奇號(hào)在火星上首次檢測(cè)到有機(jī)物。遺憾的是，這并不能揭示火星上是否存在過(guò)生命，只能說(shuō)明，遠(yuǎn)古的火星上存在適宜生命活動(dòng)的環(huán)境[51]。

2.15 月球大氣月塵環(huán)境探測(cè)器

美國(guó)航天局于2013年9月6日成功地發(fā)射了月球大氣月塵環(huán)境探測(cè)器(LADEE)，其上搭載了一臺(tái)中性粒子質(zhì)譜儀(NMS)，目的是為了檢測(cè)月球稀薄大氣的組成及其可變性。該質(zhì)譜儀是在卡西尼號(hào)探測(cè)器INMS的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，其結(jié)構(gòu)示于圖21[52]。

圖21 月球大氣月塵環(huán)境探測(cè)器上的中性粒子質(zhì)譜儀示意圖Fig.21 Schematic view of NMS aboard LADEE

該質(zhì)譜儀的離子源采用EI源，電子獲得的能量為75 eV，同樣有開(kāi)源模式和閉源模式，中性氣體采樣可通過(guò)開(kāi)源或閉源實(shí)現(xiàn)，正離子采樣可在開(kāi)源模式下加熱實(shí)現(xiàn)；質(zhì)量分析器為雙曲面型四極桿，其上施加2個(gè)固定的頻率，質(zhì)量探測(cè)范圍為2～150 u，其中，3 MHz和1.4 MHz對(duì)應(yīng)的質(zhì)量探測(cè)范圍是2～20.5 u和20.5～150.5 u；檢測(cè)器由離子聚焦透鏡和2個(gè)通道型電子倍增管組成，倍增管在脈沖計(jì)數(shù)模式下工作。

2.16 印度火星軌道探測(cè)器

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

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

2.17 火星大氣與揮發(fā)演化探測(cè)器

2013年11月19日，美國(guó)發(fā)射了“火星大氣與揮發(fā)演化”(MAVEN)探測(cè)器，2014年9月22日進(jìn)入火星軌道，上面搭載了一臺(tái)中性氣體和離子質(zhì)譜儀[54](NGIMS)，以對(duì)火星上層大氣層的組成、結(jié)構(gòu)以及可變性進(jìn)行測(cè)量，并測(cè)量了一些元素的同位素比值。

與LADEE上的NMS類(lèi)似，該質(zhì)譜儀的離子源同樣有開(kāi)源和閉源兩種模式，質(zhì)量分析器為雙曲面型四極桿，其結(jié)構(gòu)示于圖23。其上施加2個(gè)固定的頻率，質(zhì)量探測(cè)范圍為2～150 u，其中，3 MHz和1.4 MHz對(duì)應(yīng)的質(zhì)量探測(cè)范圍是2～19.5 u和19.5～150.5 u；檢測(cè)器由離子聚焦透鏡和2個(gè)通道型電子倍增管組成，倍增管同樣在脈沖計(jì)數(shù)模式下工作。

3 中國(guó)深空探測(cè)的發(fā)展

中國(guó)的航天活動(dòng)開(kāi)始于20世紀(jì)50年代。2010年11月22日，國(guó)務(wù)院發(fā)表了《中國(guó)的航天》白皮書(shū)，明確提出了開(kāi)展以月球探測(cè)為主的深空探測(cè)的發(fā)展目標(biāo)。目前，我國(guó)已經(jīng)圓滿完成嫦娥探月工程第一期“繞”和第二期“落”的目標(biāo)，正在實(shí)施第三期“回”的工程研制[55]。

雖然國(guó)內(nèi)有很多研制質(zhì)譜儀器的單位，但大部分都是針對(duì)大型的臺(tái)式質(zhì)譜儀，而對(duì)小型便攜式質(zhì)譜儀的研究則很少。在航天質(zhì)譜儀方面，由于對(duì)質(zhì)量、體積、功耗和可靠性等方面的要求苛刻，則很少有人問(wèn)津。

針對(duì)我國(guó)探測(cè)任務(wù)的需求，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的探月質(zhì)譜儀研究團(tuán)隊(duì)研制了小型化、低功耗、高可靠性的離子阱質(zhì)譜儀，實(shí)物圖示于圖24[56]。根據(jù)任務(wù)的需求，該離子阱質(zhì)譜儀的質(zhì)量掃描范圍為1～40 u，既可測(cè)量小分子質(zhì)量的氣體，也可測(cè)量分子質(zhì)量較大的氣體。整個(gè)儀器的質(zhì)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(zhì)譜儀照片F(xiàn)ig.24 Photo of mini RIT-MS

該離子阱質(zhì)譜儀已對(duì)甲烷、氫氣、氦氣等進(jìn)行了測(cè)量，為我國(guó)小型化質(zhì)譜儀應(yīng)用于深空探測(cè)做出了探索性的研究。

4 總結(jié)及展望

在深空探測(cè)初期，由于任務(wù)側(cè)重點(diǎn)等問(wèn)題，飛行器上搭載的質(zhì)譜儀較少，但隨著質(zhì)譜技術(shù)的不斷發(fā)展以及探測(cè)任務(wù)的深入，飛行器上搭載了多種類(lèi)型的質(zhì)譜儀器。質(zhì)譜儀器既可以用在飛行器上測(cè)定不同高度的大氣成分、溫度以及正負(fù)離子，也可以著陸在星球表面測(cè)定當(dāng)?shù)卮髿?、土壤和巖石的成分等[8]。

在選擇探空質(zhì)譜儀時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮儀器的指標(biāo)，如分辨率、質(zhì)量范圍、質(zhì)量、體積、功耗、防震和檢測(cè)速度等問(wèn)題。小型化的質(zhì)譜儀具有質(zhì)量輕、體積小、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)中[15,28]；常壓快速質(zhì)譜分析技術(shù)具有快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，在深空探測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)在常用的電子轟擊電離源技術(shù)成熟，譜圖完整，離子強(qiáng)度大且穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是樣品只能是氣態(tài)物質(zhì)，如果對(duì)固體樣品進(jìn)行離子化，則需要用到解析電離技術(shù)，而僅對(duì)不分裂且產(chǎn)生蒸汽的樣品有效，對(duì)于有些難揮發(fā)的化合物或熱不穩(wěn)定的化合物則難以進(jìn)行檢測(cè)。離子源可以借鑒地面設(shè)備中新的電離技術(shù)，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(duì)新型離子源的壽命、可靠性、功耗和小型化等指標(biāo)提出了更高的要求[57]。

另外，常壓快速質(zhì)譜分析技術(shù)可以在無(wú)需樣品預(yù)處理的條件下直接對(duì)各種復(fù)雜基體樣品進(jìn)行電離并快速分析，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種能夠直接電離的新型離子源，如表面解吸常壓化學(xué)電離(SDAPCI)、電噴霧萃取電離(EESI)等，并且具有良好的應(yīng)用前景[58-59]。將新型離子源應(yīng)用于空間探測(cè)中，則對(duì)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(zhì)譜儀已成為人類(lèi)探索未知星球活動(dòng)必不可少的儀器，幾乎每一深空探測(cè)器上都載有質(zhì)譜儀。因此，有理由相信，隨著小型化質(zhì)譜儀以及其他技術(shù)的發(fā)展并應(yīng)用到質(zhì)譜技術(shù)中，質(zhì)譜儀將在未來(lái)的深空探測(cè)中發(fā)揮更大的作用，幫助人類(lèi)繼續(xù)探索未知的外太空世界。

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