離子探針的原理是利用能量為1～20KeV的離子束照射在固體表面上，激發出正、負離子（濺射），利用質譜儀對這些離子進行分析，測量離子的質荷比和強度，從而確定固體表面所含元素的種類和數量。
被加速的一次離子束照射到固體表面上，打出二次離子和中性粒子等，這個現象稱作濺射。濺射過程可以看成是單個入射離子和組成固體的原子之間獨立的、一連串的碰撞所產生的。 右圖說明入射的一次離子與固體表面的碰撞情況。
入射離子一部分與表面發生彈性或非彈性碰撞后改變運動方向，飛向真空，這叫作一次離子散射；另外有一部分離子在單次碰撞中將其能量直接交給表面原子，并將表面原子逐出表面，使之以很高能量發射出去，這叫作反彈濺射（如圖中Ⅲ）；然而在表面上大量發生的是一次離子進入固體表面，并通過一系列的級聯碰撞而將其能量消耗在晶格上，最后注入到一定深度（通常為幾個原子層）。固體子受到碰撞，一旦獲得足夠的能量就會離開晶格點陣，并再次與其它原子碰撞，使離開晶格的原子增加，其中一部分影響到表面，當這些受到影響的表面或近表面的原子具有逸出固體表面所需的能量和方向時，它們就按一定的能量分布和角度分布發射出去。通常只有2-3個原子層中的原子可以逃逸出來，因此二次離子的發射深度在1nm左右。可見，來自發射區的發射粒子無疑代表著固體近表面區的信息，這正是SISM能進行表面分析的基礎。
一次離子照射到固體表面引起濺射的產物種類很多，其中二次離子只占總濺射產物的很小一部分（約占0.01-1%）。影響濺射產額的因素很多，一般來說，入射離子原子序數愈大，即入射離子愈重，濺射產額愈高；入射離子能量愈大，濺射產額也增高，但當入射離子能量很高時，它射入晶格的深度加大將造成深層原子不能逸出表面，濺射產額反而下降。