四極質(zhì)譜計多次搭載在探測器上對金星、土星、木星、土衛(wèi)六等外星球表面大氣成份進行了分析，獲得了一些有價值的信息。本文分析了四極質(zhì)譜計在空間應(yīng)用時面臨的問題；以具體的空間探測任務(wù)為例，探討了質(zhì)譜計設(shè)計的成功和不足之處，以及未來空間探測任務(wù)對四極質(zhì)譜計提出的新要求。

　　對行星大氣環(huán)境的研究具有重大價值，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)可以為太陽系形成過程的理論研究提供有價值的信息；檢測土壤中的有機組分可以為外星生命的研究提供證據(jù)等。質(zhì)譜計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，各種不同類型的質(zhì)譜計都曾搭載在探測器上執(zhí)行過空間任務(wù)。其中四極質(zhì)譜計由于其獨特的優(yōu)勢：可以很方便的與外部大氣離子源實現(xiàn)對接，適應(yīng)惡劣的空間環(huán)境；方便的實現(xiàn)MS-MS 分析；可以通過調(diào)節(jié)電參數(shù)獲得不同的質(zhì)量數(shù)測量范圍、分辨率、調(diào)整掃描時間等，在行星大氣探測中得到了廣泛的應(yīng)用。

1、應(yīng)用環(huán)境對四極質(zhì)譜計的要求

　　四極質(zhì)譜計用于行星大氣分析時必須考慮到空間應(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)譜分析時出現(xiàn)大量同質(zhì)異位元素，如表1所示；

　　(2)進樣系統(tǒng)可能被污染而影響測量結(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、原子氧附著在進樣裝置表面形成的分子氧、從金屬表面濺射出來的鈉和其他的堿性金屬；

　　(3)在航天器飛行過程中進行測量時，質(zhì)譜計必須能夠適應(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），而到達金星表面時，氣壓接近10⁸Pa；

　　(4)航天器的飛行速度會限制采樣的次數(shù)，也對四極質(zhì)譜計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)譜計在外星球大氣分析中應(yīng)用的歷史

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

2.1、先鋒號四極質(zhì)譜計

　　先鋒號金星探測器于1978 年發(fā)射，其上搭載了一臺雙曲面四極質(zhì)譜計來研究金星的高層大氣（140~300 km 高度處）。主要探測大氣中的一氧化碳、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)測量范圍1~64 amu，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 先鋒號金星高層大氣探測質(zhì)譜儀

　　其主要設(shè)計特點有：

　　(1)進樣裝置經(jīng)過特殊設(shè)計，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進樣管道的速度不一樣，從而將背景噪聲區(qū)分開；并在進樣管道入口加偏轉(zhuǎn)電壓，以阻止外星球大氣中的離子和電子進入離子源。

　　(2)為了更好地區(qū)分同質(zhì)異位元素，設(shè)計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改變分子分解的形式和荷電量。如在70 eV 時，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，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）。

　　這些設(shè)計幫助四極質(zhì)譜計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理、大氣動力學(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

　　針對不同的探測環(huán)境要求，四極質(zhì)譜計進行了一些特殊的設(shè)計，取得了很好的效果。但四極質(zhì)譜計還存在一些明顯的不足，如功耗偏高，質(zhì)量數(shù)范圍窄，不適合進行大分子量有機物的探測，而進行大分子量有機物的探測可以為探索地球外生命提供直接的證據(jù)，是未來各國宇航局進行空間探測的一個重要目標。因此，為了適應(yīng)空間探測的需求，四極質(zhì)譜計必須進行小型化處理，在降低儀器尺寸、功耗的同時，提高儀器的性能。在這些方面，質(zhì)譜工作者進行了大量研究， 取得了一系列突破， 如日本希望號（Nozomi） 探測器上搭載的四極質(zhì)譜計質(zhì)量僅為2.7 kg，平均功耗為7.4 W，實現(xiàn)了1~64 amu 質(zhì)量數(shù)的探測，印度的月神1 號探測器上搭載的四極質(zhì)譜計達到了0.5 amu 的分辨本領(lǐng)，分壓力測量范圍達到10^-14Torr。同時，島津?qū)嶒炇业亩×Φ热擞镁匦尾��?qū)動四級桿的研究，StevenWright等人利用MEMS 技術(shù)進行的微型四極質(zhì)譜技術(shù)研究等，都極大地推動了四極質(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)譜計有望在空間探測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。