隨著我國空間探測的不斷發(fā)展和精細化研究，質譜計在航天活動中起著越來越重要的作用，但空間用質譜計很難從國外進口，為了解決我國空間探測的急需，我們研制了完全自主知識產(chǎn)權的空間小型磁偏轉質譜計，2012 年11 月在我國新技術試驗衛(wèi)星上實現(xiàn)了成功搭載，已經(jīng)過近兩年時間的空間測試，探測出了地球衛(wèi)星軌道上的氣體成分以及衛(wèi)星放出的氣體成分，空間小型磁偏轉質譜計的研制成功將為后續(xù)質譜計在空間的廣泛應用打下堅實的基礎。空間小型磁偏轉質譜計由物理部分、電控單元、高壓電源三部分組成，體積170 mm × 165 mm × 165 mm，質量4. 5 kg，功耗18 W，質量數(shù)范圍：1 ～90u，最小可檢離子流10^-13A。

　　空間質譜計在航天活動中起著重要的作用，可用于月球、火星、金星等星球表面氣體成分的探測，以及星球土壤可揮發(fā)性氣體成分分析，以便更好地探測和利用空間資源；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微量有害氣體進行監(jiān)測，保障航天員的生命安全；質譜計也可用于航天器自身對空間環(huán)境帶來污染物成分、濃度和分布探測，準確探測污染源。國際上根據(jù)空間探測任務和環(huán)境的不同使用質譜計的類型也不同，在空間探測中使用過的質譜計有磁偏轉質譜計、四極質譜計、離子阱質譜計、射頻質譜計、飛行時間質譜計等。磁偏轉質譜計雖然是一種傳統(tǒng)質譜計，但其相對于其它質譜計而言有不可替代的優(yōu)勢，其優(yōu)勢主要有以下幾點：①設計簡單；②穩(wěn)定性好；③質量分辨率好、④豐度靈敏度高、⑤對系統(tǒng)和其它儀器設備的電磁干擾性最小，所以是一種適合定量分析的質譜計。

　　人類在上世紀70 年代第一次探測月球高潮時期，美國先后在“阿波羅”15、16 號宇宙飛船上搭載磁偏轉型質譜計，探測了月球軌道空間環(huán)境的氣體成分，“阿波羅”17 號宇宙飛船上搭載的磁偏轉質譜計探測了月球軌道空間及月表的氣體成分，從探測結果得出月球表面包含氦氣、氬氣等稀薄氣體。近幾年國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”撞擊器上搭載了一臺四極質譜計測量了撞擊過程中月球大氣成分的變化情況。美國重返月球計劃中，準備發(fā)射探月機器人并搭載一臺磁偏轉質譜計實地探測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，搭載了一臺質譜計探測月球表面稀薄的大氣層及月球塵埃。2003年英國發(fā)射了小獵犬-2火星著陸器，其上搭載了一臺小型磁偏轉質譜計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，美國成功發(fā)射“鳳凰”號火星探測器，其上搭載了一臺小型磁偏轉質譜計成功在線探測了火星土壤和大氣樣品，2008 年7 月30 日探測出火星上水冰的存在。

　　我國正在進行的探月工程，其中一個重要的科學目標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。我國即將開展的火星探測工程也需要探測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。我國正在逐步建立中國的空間站，質譜計在空間站上是一個不可或缺的有效載荷。我們國內(nèi)還沒有成熟的小型磁偏轉質譜計產(chǎn)品，所以我們針對我國航天發(fā)展的需求研制了完全自主產(chǎn)權的定量分析性好、穩(wěn)定性高的空間小型磁偏轉質譜計，希望在我國的重大航天工程中得到應用，空間小型磁偏轉質譜計已在繞地球衛(wèi)星上成功搭載飛行，探測出了地球衛(wèi)星軌道上的氣體成分以及空間帶電離子成分。這將為我國深空探測、載人航天事業(yè)中質譜分析奠定了基礎。

1、空間小型磁偏轉質譜計工作原理及組成

　　空間小型磁偏轉質譜計由物理部分、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、處理和存儲單元，掃描電壓控制、燈絲電流控制、以及倍增器高壓控制單元，通過總線與星務計算機的通信單元組成；高壓電源由離子源和倍增器高壓供電，燈絲供電電源組成；小型磁偏轉質譜計組成框圖及各部分關系圖如圖1 所示，實物圖如圖2 所示。

圖1 小型磁偏轉質譜計的組成框圖及各部分關系圖

圖2 小型磁偏轉質譜計實物圖

　　小型磁偏轉質譜計是一種可實現(xiàn)氣體成分定量分析的質譜分析儀器，對衛(wèi)星飛行軌道上的氣體進行采集，氣體進入離子源之后，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，不同質荷比的帶電離子在磁場的作用下偏轉半徑不同，在某一加速電壓下只有一種離子到達檢測器，離子檢測器檢測出不同加速電壓下離子流的強度，從而得出待測氣體的成分。我們研制的空間小型磁偏轉質譜計為雙通道模式，一個通道測量范圍為1 ～12 u，另一個通道測量范圍為6 ～90 u，其工作原理如圖3 所示。

圖3 雙聚焦磁偏轉質譜計工作原理圖

5、小結

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