[科普中國]-軌道分子屏

簡介

軌道分子屏技術(shù)是近年來開發(fā)利用空間極高真空資源的重要技術(shù)。利用分子屏技術(shù)可以在低地球軌道高真空環(huán)境中，獲得一個(gè)局部的極高真空區(qū)域。這種技術(shù)的發(fā)展將開拓一個(gè)在低地球軌道進(jìn)行超純材料加工的新領(lǐng)域。

軌道分子屏是利用人造航天器的動(dòng)能拖動(dòng)一個(gè)分子屏。由于繞地球運(yùn)行的航天器的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)航天器繞地球運(yùn)行時(shí)，在其拖帶的分子屏的后面形成一個(gè)低壓力區(qū)。如果設(shè)計(jì)合理，該區(qū)域的壓力可達(dá)極高真空。分子屏的概念是由Kostoff提出。1976年Melfi、Hueser等對(duì)影響分子屏后壓力的因素作了理論分析。1977年美國國家宇航局（NASA）資助了一批學(xué)者，對(duì)軌道分子屏進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，這些研究結(jié)果發(fā)表在美國真空學(xué)報(bào)上。1987年Nauman提出了分子屏應(yīng)用的問題，并提出應(yīng)用中減小分子屏出氣的方案。1991年美國國家宇航局開始了利用軌道分子屏加工超純材料的實(shí)驗(yàn)研究。用分子束外延法在空間生長超純的半導(dǎo)體薄膜，超導(dǎo)體薄膜等。1994年美國“發(fā)現(xiàn)者”航天飛機(jī)把一個(gè)碟形軌道分子屏送入太空生產(chǎn)高純砷化稼。到2002年已經(jīng)成功地進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)。1

可變翼軌道分子屏在極高真空環(huán)境的地面裝置中，當(dāng)試件出氣量大的時(shí)候，由于真空泵的抽速的限制，很難維持一個(gè)良好的真空環(huán)境。而軌道分子屏具有很大的抽速，對(duì)出氣量大的加工工藝（比如分子束外延（MBE））軌道分子屏技術(shù)是獲得極高真空的一個(gè)很好的選擇。

軌道分子屏的形狀有半球型、平板型和傘型。在分子屏飛行過程以及加工材料過程中，軌道分子屏本身以及加工材料的出氣速率隨著時(shí)間及加工進(jìn)程而變化，固定形狀的軌道分子屏并不能使分子屏內(nèi)的真空度始終處于最佳真空狀態(tài)。為了解決這個(gè)問題，達(dá)道安等提出了可變翼軌道分子屏的概念：在平板型軌道分子屏上加一個(gè)可變翼，可變翼與圓盤之間的翼傾角可以調(diào)節(jié)。在軌道分子屏的飛行過程中，可以根據(jù)分子屏本身出氣率，加工材料的出氣率的變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)翼傾角的角度，使分子屏內(nèi)(或者加工材料所處空間)保持最佳的真空度。

如果沒有氣體載荷，軌道分子屏內(nèi)的分子數(shù)密度主要有三個(gè)來源:周圍大氣分子入射到分子屏內(nèi)的分子數(shù)密度，周圍大氣分子入射到分子屏附近后散射的分子數(shù)密度，以及分子屏本身的出氣分子數(shù)密度。2

凹半球形軌道分子屏凹半球形軌道分子屏是一種典型形狀的分子屏，它利用在軌飛行時(shí)自身的飛行速度遠(yuǎn)大于軌道環(huán)境大氣分子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度這一特征，使空間環(huán)境對(duì)分子屏產(chǎn)生理想抽速，從而在尾部形成極高真空區(qū)。主要用途是利用在空間產(chǎn)生的極高真空、高潔凈以及微重力環(huán)境制取地面上無法獲得的高純度半導(dǎo)體薄膜、超導(dǎo)薄膜等材料。從理論上對(duì)軌道分子屏分子流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果可以為軌道分子屏的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3