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Cameca 二次離子質譜儀由離子源、質量分析器和離子探測器組成。質譜儀利用離子的質量與電荷比率將它們相互分離。質譜儀的一般操作就是產生氣體狀態的離子并根據它們的質量與電荷比率差異從時間或空間上分離、然后將所分離的離子進行定量。 SIMS是目前常用的各种表面分析技术中最灵敏的技术，其测试精度达到ppm-ppb范围，并能进行其它技术无法比拟的目标元素的精确测量。
二次離子質譜分析的基本原理是在超真空狀況下用高能量離子或中子束轟擊試樣表面然后分析所產生的二次離子成份和含量。在電場下聚焦的高能離子束被引導在分析樣品表面微區上掃描。在掃描中濺射出來的粒子含量和速率取決于高能離子的能量、質量及強度、以及樣品本身的物理化學性質。濺射出來的粒子中只有小部分被電離而形成二次離子質譜分析中的二次離子。由此產生的二次離子在加速到質譜儀的過程中按照它們的質量與電荷比率分離出來。在此过程中所收集的二次离子的密度被转换成浓度曲线。
二次離子質譜分析能夠分辨元素周期表中的所有元素、包括他們的同位素。二次離子質譜分析對大多數元素的靈敏度可達百萬分之一以下、某些元素可達十億分之一以下。二次離子質譜分析的主要特征是： * 探測從H到U的所有元素 * 微量元素分析达到0.1ppb-0.1ppm的水平 * 依據標樣的定量分析 * 深度分辨率 ~ 10nm * 小區域分析(<25um) * 單層深度信息 * 同位素测量
當樣品表面逐漸地被入射離子束侵蝕剝離時、記錄下的二次離子連續譜線則形成從樣品表面的深度剖面。二次離子強度可通過由標樣測定獲得的轉換系數進行校準。樣品刻蝕深度則通過輪廓曲線儀測定。二者所共同產生的結果便是二次離子質譜分析的深度剖面。