用于空间的化学气相制备系统的气体计量和控制

　　材料的气相制备技术是目前材料科学的一个重要前沿领域，是新材料制备的一个重要手段，在先进材料合成、芯片制造、表面防护、电子元器件等新兴产业中已经成为主流技术[1-6]。在材料气相生长实验系统中，反应气体的计量与控制是非常重要的环节[7]。作为气体计量与控制的流量计，已经被广泛用于材料气相生长装置上，并取得了非常好的效果。然而，在一些特殊环境下，尤其是空间实验环境下，气体的有效计量和控制就成为一个必须重新考虑的问题。在空间环境下，以传感器和电子元件为主体的流量计将不可避免地受到宇宙环境的影响，出现故障的几率增加，难以满足空间实验对可靠性和安全性的要求，可能导致空间实验的失败。因此，研究更为可靠的气体计量和控制方法，是进行空间气相实验的重要方面。

　　从技术的角度上看，许多的实验装置可以不使用电子元件和传感器控制的气体质量流量计，采用机械控制方式完全可以达到气体的计量和控制要求[8，9]。从空间环境使用的角度来看，气体质量流量计有许多问题需要解决但却难以解决。以常用的气体质量流量计为例：1.流量计容易受到宇宙射线和高频电磁波干扰，引发器件失效;2.流量计对于气体流入和流出的压力差有固定的限制，超过使用范围将导致计量失真;3.地面环境校验的流量计，在空间使用时会出现误差，要针对不同的气体进行修正，通常这种修正工作被忽略，导致实验数据失真和错误使用。基于以上原因，本文阐述了采用机械装置来实现气体的计量和控制。

　　1 机械装置实现气体的计量可行性分析

　　1.1 减压器工作过程

　　在化学气相沉积系统中，气体从高压气瓶放出后需要经过减压器减压后才能使用。减压器的作用是将高压气体转变为低压气体，并以恒定的压力输送给系统使用。从减压器出来的气体还需经过流量计才能送入合成室。流量计的输入和输出端的压力不同，所以气体经过流量计可以视为经历了一次节流过程，气体进入反应室后以声速分散并达到平衡压力。在反应室内，气体经过一些特定的物理化学过程形成所需的材料，剩余气体经过排气阀门由真空系统排出。就一般情况而言，在系统工作过程中，气体经过的物理过程有以下几个[10-14]：

　　(1)气体经过减压器的减压作功过程，所处的压力在几十到几个大气压之间;

　　(2)气体经过减压器的节流过程;

　　(3)气体经过节流阀的节流过程，这个过程在一个大气压左右进行，可以看作是等焓流动过程;

　　(4)气体经过生长区域的加热分解过程，工作压力通常是 kPa 的数量级;