它用離子轟擊固體表面，然后將從表面濺射的二次離子引入質(zhì)量分析器，并在質(zhì)量分離后，從檢測(cè)記錄系統(tǒng)獲得分析表面的元素或化合物的組分。二次離子法是一種有效的表面分析方法，因?yàn)殡x子束入射到固體表面時(shí)的穿透深度比電子淺。
而且，由于離子的質(zhì)量大，原始離子束與表面原子之間存在大量的動(dòng)能交換，因此表面原子產(chǎn)生一定程度的濺射。只要使用低能量，低束密度的初級(jí)離子束，這種濺射效應(yīng)對(duì)表面的影響可以降低到表面分析所允許的程度。
根據(jù)不同的工作模式，二次離子質(zhì)譜儀可分為靜態(tài)二次離子質(zhì)譜儀，動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜儀，二次離子成像質(zhì)譜儀和二次離子微探測(cè)梁。靜態(tài)二次離子質(zhì)譜儀處于超高真空條件下（10-8~10-9 Pa），具有低射束電流密度（約1×10-9 A / cm2）和大轟擊面積（典型面積為0.1 cm） 2）初級(jí)離子束用于轟擊樣品表面，將樣品的表面速率降低到單層以下。
這種儀器的檢測(cè)器通常采用以脈沖計(jì)數(shù)模式操作的通道型電子倍增器。圖1顯示了靜態(tài)二次離子質(zhì)譜儀的原理。
除了表面單層檢測(cè)外，該質(zhì)譜儀還可用于研究氣體和固體之間的化學(xué)反應(yīng)。與前者不同，動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜儀的一次離子束具有更高的能量，更高的束密度和更大的束斑直徑。
它具有高分析靈敏度和高樣品消耗率。二次離子質(zhì)譜儀通常消耗單層樣品的時(shí)間少于分析所需的時(shí)間，稱為動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜儀;具有大于一個(gè)單層的分析信息深度的二次離子質(zhì)譜儀也可以稱為動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜儀。
二次離子成像質(zhì)譜儀和二次離子微探測(cè)束是使用扇形磁場(chǎng)質(zhì)量分析儀的大型二次離子質(zhì)譜儀。兩者都具有成像能力，并且都具有高空間分辨率和質(zhì)量分辨率。
在成像原理方面，前者類似于發(fā)射電子顯微鏡，并利用離子光學(xué)系統(tǒng)的直接成像原理。后者利用電子檢測(cè)光束的成像原理，用非常小的原始離子束掃描樣品表面，然后將質(zhì)量分離的二次離子束調(diào)整到一定質(zhì)量數(shù)，與原始離子同步光束。
在掃描的情況下，記錄被分析表面上的元素或化合物分布的圖像。與其他表面分析方法不同，二次離子質(zhì)譜的特點(diǎn)是能夠檢測(cè)從氫到鈾的所有元素，同位素和化合物;它的特征還在于檢測(cè)轟擊樣品表面的初級(jí)離子（“指紋”）。
二次離子光譜是基于的。因此，二次離子質(zhì)譜可以提供關(guān)于表面元素的信息以及關(guān)于化學(xué)組分的信息。
二次離子質(zhì)譜法具有高靈敏度，可檢測(cè)10-2~10-7單層，最小可檢測(cè)質(zhì)量為10-14克，最小可檢測(cè)濃度為1 ppm至1 ppb。由于使用濺射原理，在動(dòng)態(tài)操作模式中容易直接進(jìn)行包括縱向的三維分析。
可以在某些條件下進(jìn)行定量和半定量分析。除了分析半導(dǎo)體材料中的痕量雜質(zhì)外，二次離子質(zhì)譜還廣泛應(yīng)用于金相學(xué)，薄膜和催化研究以及有機(jī)化合物分析。