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飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)较其他离子探针分析技术有较大的优势，能够一次测量所有正的或者负的二次离子，使得同时进行主量元素、微量元素快速分析成为可能，并可大大降低样品量。目前TOF-SIMS已经在获得二维或者三维同位素图像等方面得到广泛应用。由于现有TOF-SIMS受质量分辨率、离子源类型、二次离子产出效率等因素影响，在稀土元素及稳定同位素分析方面仍受到较多的限制。针对同位素地质研究中珍贵样品及小样品分析特点，由中国地质科学院地质研究所牵头，联合中国科学院大连化学物理研究所、吉林大学，提出设计高空间分辨率、高质量分辨率及高精度的同位素分析TOF-SIMS，以便实现主量元素、微量元素、稀土元素及稳定同位素的快速、准确分析，项目于2011年底由科技部立项启动。该仪器主要包括氧离子源及聚焦系统／铯离子源及聚焦系统、中性粒子飞秒激光／光电子后电离和多次反射TOF质量分析器等子系统。通过使用氧离子源和铯离子源分别提高正的和负的二次离子产出效率，再经过后电离进一步提高二次离子的电离效卒，从而达到提高仪器灵敏度的目的。整个系统二次离子经过两次反射飞行十几米，用于提高仪器质量分辨率。通过SIMION仿真，氧离子源聚焦直径小于5μm，铯离子源聚焦直径小于0.5μm，多次反射TOF质量分析器分辨率达到8500（1％峰高），系统采用无栅网结构，离子通过效率高达60%，能够基本满足所有稀土元素及稳定同位素分析。