质谱计在行星大气和土壤成份分析中的应用

1 、引言

对行星大气和土壤成份分析的研究具有重大价值，如气体组成成份和浓度的分析数据可以为行星起源和形成过程的深入研究提供参考；同位素的分析数据可以为太阳系的形成过程研究提供有价值的信息；检测土壤中的有机组分可以为外星生命的研究提供证据等[1]。到目前为止，多个执行空间任务的探测器上都搭载了质谱计，对行星大气和土壤成份进行分析。

质谱仪在执行空间任务时，受到应用环境的限制，在设计过程中必须综合考虑到以下因素的影响：体积、重量、功耗、灵敏度、分辨率、测量精度和准确度、扫描速度和完成一次扫描所需的时间等。同时，针对不同的探测对象，需要选择最适合完成特定科学目标的质谱计类型。磁偏转质谱计、四极质谱计、离子阱质谱计、及飞行时间质谱计等都有过成功应用的历史。

2、质谱计在行星大气和土壤成份分析中应用的历史

2.1 磁偏转质谱计

磁偏转质谱计用于行星探测具有如下优势：（1）设计简单；（2）稳定性好；（3）坚固结实；（4）质量分辨率非常好，能将信号强度相差很大的相邻质量峰分开；（5）对其他设备和系统的电磁干扰很小[2]。已经搭载在多个探测器上出色的完成了空间探测任务，下面以海盗号金星探测器和凤凰号火星探测器为对象，探讨磁偏转质谱计在空间应用中发挥的作用。

2 . 1 . 1 海盗号色谱质谱联用仪（GCMS）[ 3 , 4 ]

海盗1号探测器于1976年6月19号进入火星轨道；海盗2 号于1976 年9 月3 号触地于火星乌托邦平原。海盗1、2号探测器采用了同一结构的GCMS进行火星表面大气和火星土壤成份分析，仪器的整体结构如图 1 所示。

质谱计部分采用Nier-Johnson 结构，使用的是一个电子碰撞型离子源（瓦里安检漏器上的离子源），离子源灵敏度为1×10-8/Pa，和一个双聚焦质量分析器，9 0°电场偏转，-90°磁场偏转，0～1070V线性扫描。仪器重约 10kg，质量数范围1～230amu，质量分辨率>300。海盗号GCMS 分析了四个样本，检测到了 CO2、H2O 、C H3C l 和氟碳化合物等物质，但没有检测到有机物的存在。

2.1.2 凤凰号磁偏转质谱计[5,6]

凤凰号航天器于美国当地时间2008年5 月 25 号到达火星。凤凰号探测器上搭载了一个热析出气体分析包（TEGA），核心部分是一台磁偏转质谱计，用于分析火星土壤加热后放出的挥发性物质成分，并探明它们相应的丰度和基本元素的同位素比率；测定火星环境大气的主要组成。封装好的质谱计重 4.3kg，平均功耗 13W，外形尺寸为24 ×23 ×18cm，结构如图2所示。

离子源采用电子碰撞型结构，离子室体积为 1cm3。两根钨灯丝（一根备用）被用作热发射电极，并使用微处理器系统控制热发射电子束。通过调整发射电流（25 和 200 μ A）和电子能量（90、37、27 和 23eV）来改变被测气体分子分解的形式和荷电量，以更准确地给出分子组成的信息。