科研动态空间中心科研人员开发完成基于微片激光器电离源的新一代轻小型TOF质谱仪

　　深空探测中，地外天体的原位元素测量是揭示天体物质组成、探索生命起源和宇宙演化的关键手段。传统探测手段或存在体积大、功耗高的问题，或需复杂的样品预处理，难以适配航天任务的资源约束或者应用环境。飞行时间质谱仪（TOF质谱仪）因结构简单、资源需求少、扫描速度快、全元素测量等优势成为深空探测的优选技术。

　　这款小型质谱仪主要微片激光器和离轴反射式TOF组成，整体尺寸仅为 φ58mm×172mm，实现了小型化集成。微片激光器国内自主研制，波长1064nm，聚焦之后的功率密度22 GW cm-2，脉冲宽度410ps，频率100-1000Hz可调，整机重量106g，能够很好的烧星空综合蚀岩石或者金属样品产生等离子体，加载压电陶瓷驱动的样品台，可实现测试点的精准位移，保证了测量的稳定性和连续性。TOF机构主要包括静电单透镜（Einzel透镜）、等离子体双极反射器、无场漂移管和微通道板（MCP）组成。Einzel透镜用于激光等离子体的空间聚焦；等离子体双级反射器采用无栅网的电极结构，实现等离子体时间聚焦的同时，保证了等离子体的高透射率；无场漂移管提供TOF等离子体飞行路径；MCP用于激发等离子体元素的到达时间测量。通过结构离子光学的全链路仿真优化，在紧凑架构下实现了高质量分辨率，仿真显示质量分辨率可以达到1050。同时飞行路径上采取一些抗外场干扰设计，增强了TOF质谱仪的电磁兼容性。

　　图3 TOF离子光学质量分辨率仿线 真空腔内测试的微片激光器激发TOF质谱仪

　　此外为了增强系统可靠性，系统除了MCP的供电高压之外，离子光学上的其它电极都保持 500V 以下低电位，所有的高压供电系统集成于单块印刷电路板，既降低了高压放电风险，又进一步压缩了整体体积，同时也实现了TOF质谱仪大动态范围和高质量分辨，理论上该质谱仪能够实现全元素测量。

　　实验测试结果显示，该质谱仪性能表现优异，对铝合金样品测试单谱质量分辨率416，多谱叠加分辨率300，动态范围拓展至五个数量级，同位素丰度比的相对测量精度优于5%，空间分辨率达15 μm。借助脉冲激光优势，每秒可完成多达1000次单光谱测量，且无需复杂的样品前处理，可实现固体样品的直接分析。此外，在镁、铜等纯金属样品测试中，仪器能清晰分辨不同同位素的质量谱图，测得的同位素丰度比与天然丰度高度吻合，验证了其在同位素定量分析中的可靠性。

　　该仪器的研发得到科工局民用航天预先研究项目资助。其研发成功为未来月球、火星等深空探测任务的物质成分原位分析提供了一种新的载荷技术，填补了国内轻小型微片激光烧蚀TOF质谱仪的技术空白。目前正在完善基于激光同轴激发、体积更小的TOF质谱仪。此外，团队已经全面突破了轻小型离轴和同轴TOF的仿真与设计技术，并研制了基于TOF的气体或者挥发份质谱仪，能够在高真空环境下实施残余气体测量，该成果正在进一步整理。这些技术的进一步完善和拓展，不仅能为深空探测提供新的技术手段，同时该技术也具有广阔的市场前景，发展轻小型便携式质谱仪，为野外选矿或者实验室分析提供一种更为便捷、低成本的高端科学分析仪器。

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