隨著我國(guó)空間探測(cè)的不斷發(fā)展和精細(xì)化研究，質(zhì)譜計(jì)在航天活動(dòng)中起著越來越重要的作用，但空間用質(zhì)譜計(jì)很難從國(guó)外進(jìn)口，為了解決我國(guó)空間探測(cè)的急需，我們研制了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)，2012 年11 月在我國(guó)新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了成功搭載，已經(jīng)過近兩年時(shí)間的空間測(cè)試，探測(cè)出了地球衛(wèi)星軌道上的氣體成分以及衛(wèi)星放出的氣體成分，空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的研制成功將為后續(xù)質(zhì)譜計(jì)在空間的廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)�？臻g小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)由物理部分、電控單元、高壓電源三部分組成，體積170 mm × 165 mm × 165 mm，質(zhì)量4. 5 kg，功耗18 W，質(zhì)量數(shù)范圍：1 ～90u，最小可檢離子流10^-13A。

　　空間質(zhì)譜計(jì)在航天活動(dòng)中起著重要的作用，可用于月球、火星、金星等星球表面氣體成分的探測(cè)，以及星球土壤可揮發(fā)性氣體成分分析，以便更好地探測(cè)和利用空間資源；可用于載人飛船座艙、空間站、宇航服內(nèi)氣體環(huán)境中氣體濃度以及對(duì)微量有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保障航天員的生命安全；質(zhì)譜計(jì)也可用于航天器自身對(duì)空間環(huán)境帶來污染物成分、濃度和分布探測(cè)，準(zhǔn)確探測(cè)污染源。國(guó)際上根據(jù)空間探測(cè)任務(wù)和環(huán)境的不同使用質(zhì)譜計(jì)的類型也不同，在空間探測(cè)中使用過的質(zhì)譜計(jì)有磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)、四極質(zhì)譜計(jì)、離子阱質(zhì)譜計(jì)、射頻質(zhì)譜計(jì)、飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)等。磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)雖然是一種傳統(tǒng)質(zhì)譜計(jì)，但其相對(duì)于其它質(zhì)譜計(jì)而言有不可替代的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：①設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；②穩(wěn)定性好；③質(zhì)量分辨率好、④豐度靈敏度高、⑤對(duì)系統(tǒng)和其它儀器設(shè)備的電磁干擾性最小，所以是一種適合定量分析的質(zhì)譜計(jì)。

　　人類在上世紀(jì)70 年代第一次探測(cè)月球高潮時(shí)期，美國(guó)先后在“阿波羅”15、16 號(hào)宇宙飛船上搭載磁偏轉(zhuǎn)型質(zhì)譜計(jì)，探測(cè)了月球軌道空間環(huán)境的氣體成分，“阿波羅”17 號(hào)宇宙飛船上搭載的磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)探測(cè)了月球軌道空間及月表的氣體成分，從探測(cè)結(jié)果得出月球表面包含氦氣、氬氣等稀薄氣體。近幾年國(guó)際上又掀起了探月第二次浪潮，這次探月的主要目的是開發(fā)和利用月球資源，印度發(fā)射的“月船1 號(hào)”撞擊器上搭載了一臺(tái)四極質(zhì)譜計(jì)測(cè)量了撞擊過程中月球大氣成分的變化情況。美國(guó)重返月球計(jì)劃中，準(zhǔn)備發(fā)射探月機(jī)器人并搭載一臺(tái)磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)實(shí)地探測(cè)月球南極土壤是否有水冰存在，以及冰的分布情況。2013 年9 月6 日，美國(guó)NASA 發(fā)射了月球大氣與塵埃環(huán)境探索航天器，搭載了一臺(tái)質(zhì)譜計(jì)探測(cè)月球表面稀薄的大氣層及月球塵埃。2003年英國(guó)發(fā)射了小獵犬-2火星著陸器，其上搭載了一臺(tái)小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)用于在線分析火星巖石、土壤和大氣樣品，以探尋火星生命的起源。2007 年，美國(guó)成功發(fā)射“鳳凰”號(hào)火星探測(cè)器，其上搭載了一臺(tái)小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)成功在線探測(cè)了火星土壤和大氣樣品，2008 年7 月30 日探測(cè)出火星上水冰的存在。

　　我國(guó)正在進(jìn)行的探月工程，其中一個(gè)重要的科學(xué)目標(biāo)就是定量分析月球土壤中可揮發(fā)性氣體成分( 特別是同位素³He/⁴He 的分析) ，以及月球表面大氣氣體成分。我國(guó)即將開展的火星探測(cè)工程也需要探測(cè)火星大氣成分以及火星土壤可揮發(fā)性氣體成分，以探尋火星資源。我國(guó)正在逐步建立中國(guó)的空間站，質(zhì)譜計(jì)在空間站上是一個(gè)不可或缺的有效載荷。我們國(guó)內(nèi)還沒有成熟的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)產(chǎn)品，所以我們針對(duì)我國(guó)航天發(fā)展的需求研制了完全自主產(chǎn)權(quán)的定量分析性好、穩(wěn)定性高的空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)，希望在我國(guó)的重大航天工程中得到應(yīng)用，空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)已在繞地球衛(wèi)星上成功搭載飛行，探測(cè)出了地球衛(wèi)星軌道上的氣體成分以及空間帶電離子成分。這將為我國(guó)深空探測(cè)、載人航天事業(yè)中質(zhì)譜分析奠定了基礎(chǔ)。

1、空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)工作原理及組成

　　空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)由物理部分、電控單元和高壓電源組成。其中物理部分主要由離子源、磁分析器、離子接收器等組成；電控單元由離子流檢測(cè)、處理和存儲(chǔ)單元，掃描電壓控制、燈絲電流控制、以及倍增器高壓控制單元，通過總線與星務(wù)計(jì)算機(jī)的通信單元組成；高壓電源由離子源和倍增器高壓供電，燈絲供電電源組成；小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)組成框圖及各部分關(guān)系圖如圖1 所示，實(shí)物圖如圖2 所示。

圖1 小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的組成框圖及各部分關(guān)系圖

圖2 小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)實(shí)物圖

　　小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)是一種可實(shí)現(xiàn)氣體成分定量分析的質(zhì)譜分析儀器，對(duì)衛(wèi)星飛行軌道上的氣體進(jìn)行采集，氣體進(jìn)入離子源之后，離子源燈絲發(fā)射的電子使氣體分子電離，產(chǎn)生帶正電的離子，帶電離子經(jīng)加速聚焦后引入磁分析器，不同質(zhì)荷比的帶電離子在磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)半徑不同，在某一加速電壓下只有一種離子到達(dá)檢測(cè)器，離子檢測(cè)器檢測(cè)出不同加速電壓下離子流的強(qiáng)度，從而得出待測(cè)氣體的成分。我們研制的空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)為雙通道模式，一個(gè)通道測(cè)量范圍為1 ～12 u，另一個(gè)通道測(cè)量范圍為6 ～90 u，其工作原理如圖3 所示。

圖3 雙聚焦磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)工作原理圖

5、小結(jié)

　　小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)經(jīng)歷3 年多實(shí)現(xiàn)了從原理樣機(jī)、驗(yàn)證件產(chǎn)品以及正樣產(chǎn)品的研制工作，并于2012 年年底在實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了搭載飛行，迄今為止已實(shí)現(xiàn)在空飛行測(cè)試近兩年。研制的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)體積170 mm × 165 mm × 165 mm，質(zhì)量4. 5kg，功耗18 W，質(zhì)量數(shù)范圍：1 ～ 90 u，最小可檢離子流10^-13 A�，F(xiàn)已測(cè)試出了空間環(huán)境的氣體成分以及衛(wèi)星材料放出的氣體成分，后續(xù)還將測(cè)試出衛(wèi)星軌道不同高度、不同緯度的氣體成分，測(cè)試結(jié)果將在后續(xù)的文章中描述。小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)研制搭載成功之后，在我國(guó)將廣泛應(yīng)用到空間站載人飛船、以及月球、火星等深空探測(cè)之中。