二次离子质谱而且离子散射光谱学
对于SIMS和ISS，主离子束与动能0.3 - 10kev，通常由离子组成惰性气体，是指向一个表面。当离子撞击表面时，会发生两种情况。在一种情况下，主离子可以被表面原子弹性散射，从而产生反射的主离子。ISS测量的就是这种离子。这是一个弹性散射过程动能被反射的初级离子的能量将取决于参与散射过程的表面原子的质量，从而提供关于表面的信息。
在另一种可能的情况下，主离子可以穿透表面并嵌入固体．当主离子穿透分子或原子晶格时，由于动量转移到晶格原子或分子而发生相当大的破坏。这就产生了一种叫做“溅射”的效果。对于~10 keV的初级离子，破坏只发生在几个原子或分子层的深处。在如此短的距离内阻止这种高能离子可以想象为破坏表面并驱逐原子、原子团、分子或分子碎片，所有这些都可能是中性或离子。离子，被称为二次离子(因此术语二次离子质谱法)，则由离子透镜变成质谱仪。
在溅射有机和无机材料中产生的二次离子产量非常低，对于大多数材料来说只有0.1%或更低，大多数排出的碎片都是中性粒子。然而，即使对于极低的一次离子电流密度- 10−9安培每平方厘米(A/cm2) -产生的二次离子数量足够大，可以获得具有合理灵敏度的质谱。
离子光谱学中入射离子束的电流密度可能很低(低于10−9一个/厘米2；称为“静态”模式)或高(~10−6一个/厘米2；称为"动态”模式)。在静态模式下，在获得光谱所需的时间内，只有不到1%的表面被一次离子“击中”，因此每个主粒子都遇到了一个基本上没有溅射的表面。在动态模式下，表面在几秒钟内就会发生快速侵蚀，梁会钻入表面。此模式用于深度剖析。
二次离子质谱
在SIMS中，对有机和无机材料的定性分析是通过直接解释所产生的质谱得到的。然而，定量分析或确定化学物种的绝对比例是困难的，因为相对离子产率可能随着表面性质的变化而变化很大。样品基质效应的灵敏度变化使SIMS无法进行绝对定量分析。此外，由于矩阵的微小变化而可能发生的强度变化使测量中的相对不确定性，即使是校准系统，比其他技术差。
SIMS仪器通常使用四极杆或飞行时间质谱仪。四极杆仪器的质量范围通常为1 - 1000相对原子质量单位(阿姆河;1amu等于1.66 × 10−24克)，而飞行时间仪器将可用质量范围扩展到10,000 amu以上。低于500amu质量范围内的信号强度通常比高质量范围内的信号强度更强。然而，产生了足够数量的大分子片段，可以用SIMS进行观察，这可以提供有价值的信息。
在表面分析技术中，SIMS是唯一对所有元素都敏感的技术。SIMS的特异性较好，但不同元素的峰间存在一定的重叠。比如Si2+峰(56)与Fe重叠+(56)，使其难以检测少量的铁在…面前硅通过使用低分辨率质谱仪区分只有单位质量(1amu)。然而，高分辨率仪器很容易区分它们(Si2+= 55.9538和Fe+= 55.9349)，因为它通常可以区分0.001 amu或更小。SIMS的灵敏度变化非常高。样品基质的严重影响导致灵敏度变化为105在SIMS最敏感和最不敏感的元素之间。根据经验，正电元素越多，在正离子模拟实验中灵敏度越高的电负性元素在负离子模拟实验中表现出较高的灵敏度。
SIMS的一个重要特征是它能够检测表面上非常少量的物质。在更敏感的情况下，很可能实现可识别的SIMS信号从10−4单层的百分比(百万分之一)。因此，虽然SIMS是表面定量最少的分析技术，它可以是最敏感的。
SIMS对于有机和无机分析同样有价值。典型的有机应用包括分析织物表面涂层，检测半导体中的杂质，以及研究合成聚合物．无机应用包括表征异构催化剂以及表面的测定作文的合金。
静态SIMS是映射曲面的理想方法。由于静态SIMS是一种相当无损的技术，因此可以绘制有机和无机物种的原子和分子。离子束可以聚焦在直径小于0.1微米(μm;1 μm = 10−6米)，这是最小的光斑大小，可以包含足够的材料来产生图像。SIMS在微电子工业的成像半导体器件方面特别有用。