通過采用射頻等離子體對由于表面碳污染減少光通量的同步輻射光學(xué)元件進(jìn)行原位清洗實驗，利用質(zhì)譜儀、X 射線電子能譜對清洗過程以及表面變化進(jìn)行監(jiān)測，并對清洗過程截止點進(jìn)行研究。結(jié)果表明射頻等離子體清洗方法可有效去除嚴(yán)重影響光束線使用效率的碳污染，提高光束線使用效率； 通過監(jiān)測氣體成分變化能為截止點判斷提供有效依據(jù)。

　　同步輻射裝置是使用同步輻射光的特性進(jìn)行相關(guān)研究的大科學(xué)裝置，目前國內(nèi)北京、合肥以及上海均有同步輻射裝置，在進(jìn)行基礎(chǔ)以及應(yīng)用科研方面有著重要的應(yīng)用。各光源均有數(shù)目不等的光束線站，同步輻射光束線是置于電子儲存環(huán)和實驗站間，并分光、單色和聚焦特定波長的同步輻射光從而傳輸?shù)綄嶒炚镜囊惶坠鈱W(xué)真空系統(tǒng)。光束線的光學(xué)元件表面在同步輻射光的照射，特別是在X 射線的輻照下，在其表面吸附的碳基物質(zhì)裂解后可產(chǎn)生的附著在光學(xué)元件表面的碳污染，是光束線傳輸效率下降的主要原因，此碳污染會引起光子能量在碳吸收邊( 約285 eV) 及以上能量光通量的嚴(yán)重?fù)p失，同時也因污染物增加雜散光而降低能量分辨率。

　　對于光束線中的同步輻射光學(xué)元件，其性能要求嚴(yán)格，安裝位置要求精確，若采用簡單的反復(fù)換下碳污染光學(xué)元件的辦法，既不經(jīng)濟(jì)且光學(xué)元件的精確復(fù)位和超高真空環(huán)境的恢復(fù)會占用大量實驗時間； 此外，替換后的光學(xué)元件在同步輻射光的照射下，甚至在短時間使用可能再次出現(xiàn)碳污染效應(yīng)。因此對污染的同步輻射光學(xué)元件進(jìn)行在線清洗是解決此問題的可行方法，也是國際上同步輻射研究人員解決此問題的主要手段之一。目前國內(nèi)外光學(xué)元件碳污染在線清洗的主要手段有直流放電清洗、射頻等離子體放電清洗、紫外光/ 臭氧照射等。射頻等離子體清洗是依靠電極與真空室壁之間射頻放電激發(fā)的等離子體產(chǎn)生的氧離子完成清洗，此方法結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，且射頻等離子體所產(chǎn)生的低能量離子對光學(xué)元件產(chǎn)生較少的損害和污染，是一種可行的碳污染清洗方法。各種方法均有研究報道，但對清洗過程和截止點判斷研究工作很少。

　　本文通過清洗實驗，選擇使用Ar/O2 混合氣體作為工作介質(zhì)氣體的射頻等離子體在線清洗此光束線中光學(xué)元件碳污染，進(jìn)行清洗過程參數(shù)、進(jìn)程截止點判斷以及真空環(huán)境恢復(fù)特性的分析研究。

1、實驗

　　實驗采用的清洗設(shè)備如圖1 所示，包括射頻電氣系統(tǒng)和氣路/真空系統(tǒng)。

圖1 O2/ Ar 等離子體清洗系統(tǒng)配置

　　射頻電氣系統(tǒng)主要包括：射頻電源，包括射頻信號發(fā)生器和功率源以及匹配調(diào)節(jié)器； 安裝于法蘭上的，伸入所要清洗的光學(xué)元件所在真空室內(nèi)部的鋁制天線； 通過法蘭上的電極引線，天線與供電電路連接，將射頻功率耦合入腔體中。氣路/ 真空系統(tǒng)主要包括：  氬氣以及氧氣氣瓶，及對應(yīng)的流量閥門； º液氮冷阱，用來去除混合工作氣體中的水； 渦輪分子泵機(jī)組，用來抽出腔體中的氣體，維持保持放電腔體中氣體壓力的恒定； 濺射離子泵，在清實洗驗前后用于超高真空獲得。射頻等離子體放電電源采用中科院微電子研究所的SY500 型射頻電源以及射頻匹配器，通過調(diào)節(jié)射頻功率輸出和射頻匹配，可將射頻功率有效耦合入真空腔體中，從而在射頻天線附近產(chǎn)生射頻電場，產(chǎn)生等離子體而電離工作氣體。為了利于進(jìn)行氣體放電，通過前期實驗研究，選擇工作氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，混合氣體的質(zhì)量流量比為2B3，通過調(diào)節(jié)控制混合氣體進(jìn)入腔體的微調(diào)閥和控制分子泵機(jī)組抽速的抽速閥，將放電腔體內(nèi)的壓強(qiáng)控制在5~ 8 Pa 內(nèi)。等離子體放電時的放電參數(shù)受到具體結(jié)構(gòu)和氣體壓強(qiáng)的影響，通過調(diào)節(jié)功率和射頻匹配，可以完成等離子體放電啟動和放電參數(shù)的控制。氣體成分的監(jiān)測采用德國PFIFFER QMG 220 F1四極質(zhì)譜完成。XPS 分析采用英國VG ESCALAB250 完成，真空度測量采用美國VARIAN 公司的MULTI-GAUGE。

　　在磁性圓二色實驗線清洗實驗中，由于要在前置鏡箱上安裝射頻電極，因此首先將鏡箱充入高純氮氣，然后安裝射頻電極。在進(jìn)行如上條件的等離子體清洗3 h 后，鏡面表面的碳污染條紋可見明顯變淡，而且由于等離子體密度分布的影響，在射頻電極附近的污染條紋消除程度明顯高于稍遠(yuǎn)處。由于無法進(jìn)行清洗效果的實時監(jiān)測，因此參考離線實驗的結(jié)果，將清洗時間設(shè)定為9 h，在清洗進(jìn)行9 h 后，鏡箱經(jīng)過24 h 200 ℃烘烤處理，同時離子泵泵體烘烤，然后啟動離子泵，離子泵啟動24 h 后鏡箱進(jìn)入超高真空區(qū)域。測試實驗站的接受光強(qiáng)后，對前置鏡箱充工作混合氣體至10 Pa 左右，再進(jìn)行9 h 的放電清洗。再次進(jìn)行接受光強(qiáng)測量后，進(jìn)行了變間距光柵的清洗并再次測量接受光強(qiáng)。

　　對光電子能譜線站進(jìn)行的實驗與此相同，增加采用四極質(zhì)譜儀監(jiān)測氣體成分變化，以完成清洗截止點的判斷。實驗結(jié)果也基本相同。

2、結(jié)果與討論

2.1、清洗效果分析

　　在前期離線實驗基礎(chǔ)上，對合肥同步輻射光源的磁性圓二色以及光電子能譜兩條實驗線站進(jìn)行清洗實驗。圖2 為磁性圓二色線的前置鏡( 掠入射平面反射鏡) 在清洗前后的照片，可見原反射鏡中心肉眼可見的碳污染條紋在清洗后被清除。

圖2 清洗前后的前置鏡照片

　　磁性圓二色線站清洗前后在實驗站上得到的光強(qiáng)如圖3 中所示，其中各條曲線分別為清洗開始前( 曲線A) ，進(jìn)行等離子體清洗9 h( 曲線B) 以及18 h之后( 曲線C) 所測的光強(qiáng)。由圖中的清洗前后，在相同的HLS 束流強(qiáng)度以及光束線光學(xué)參數(shù)條件下測得的光強(qiáng)曲線可以看出，清洗之后的實驗站接受光強(qiáng)在270~ 330 eV 區(qū)間內(nèi)均有不同程度的提高，其中包括在碳吸收邊，即285 eV 處的光強(qiáng)有所提高，由2.5 × 10^{- 12} 提高到3.0 × 10^{- 12}。隨后對單色儀中的兩條光柵，其中包括變間距光柵進(jìn)行了同樣條件下的9 h 清洗( 曲線D) ，相同測試條件下的光強(qiáng)曲線為圖3 中的曲線D，此時光通量得到了更大的提升，在285 eV 處使用金網(wǎng)探測的光強(qiáng)為7.1 ×10^{- 12}，較清洗前提高半個量級，在其他能量處均有不同程度提高。

圖3 清洗前后在磁圓二色實驗站接受到的光強(qiáng)

　　由此可得，射頻清洗能清除碳污染物實驗線站的光學(xué)元件表面碳污染，碳污染是普遍存在的，需要對所有的光學(xué)元件進(jìn)行清洗才能有效提高光束線光通量。在光電子能譜實驗線站上的清洗實驗結(jié)果與此類似，兩條線站經(jīng)過清洗之后光學(xué)元件性能得到很好的恢復(fù)，并在長時間均保持良好狀態(tài)。

2.2、清洗截止點判斷研究

　　清洗的機(jī)理是利用等離子體產(chǎn)生的氧離子與光學(xué)元件表面的碳污染反應(yīng)，生成可用真空抽氣系統(tǒng)排出的反應(yīng)產(chǎn)物，即CO 和CO2，那么隨著清洗過程的進(jìn)行，光學(xué)元件表面的碳污染物被不斷清除，隨之而來的就是反應(yīng)產(chǎn)物在排出氣體中的組分比例會顯著下降。

　　如圖4 中所示，為采用四極質(zhì)譜儀在排氣口處監(jiān)測到的氣體成分變化。隨清洗進(jìn)程的進(jìn)行，輸入反應(yīng)氣體的兩種主要氣體成分氬氣分壓基本不變，而氧氣分壓隨進(jìn)行過程中維持壓強(qiáng)而進(jìn)行的調(diào)整有所波動，其他氣體組分均隨時間變化而顯著下降�？梢缘贸�，光學(xué)元件表面的碳污染隨著反應(yīng)的進(jìn)行而去除，反應(yīng)產(chǎn)物也在不斷減少，同時一些碳?xì)浠�合物的污染物也在不斷減少，在質(zhì)譜圖上的表現(xiàn)就是二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽及氫的分壓不斷減少，此特性可被用來作為反應(yīng)截止點判斷的依據(jù)。

圖4 清洗進(jìn)程中殘余氣體組分變化

　　質(zhì)譜儀在清洗過程中探測殘余氣體成分的變化，與清洗效果( 光學(xué)元件表面碳污染) 有直接關(guān)系，為直觀檢測表面碳含量，利用XPS 對實驗樣品表面的碳?xì)堄嗔窟M(jìn)行測試。圖5 為樣品表面碳污染殘余量、氣體成分變化與清洗時間的關(guān)系。由此我們利用產(chǎn)物中氧氣與CO2 比例達(dá)到閾值作為清洗的截止點判斷依據(jù)，并在光電子能譜實現(xiàn)線站清洗實驗中得到了很好的應(yīng)用和驗證。

圖5 被清洗表面碳元素相對含量及殘氣成分與清洗時間關(guān)系

2.3、光束線真空環(huán)境恢復(fù)特性

　　未暴露大氣的光束線腔體，進(jìn)過射頻等離子體清洗后，只烘烤離子泵體、鏡箱腔體24 h 后，啟動離子泵12 h 后，即可進(jìn)入較好的超高真空環(huán)境( 真空度好于5× 10^-7 Pa) 。鏡箱超高真空環(huán)境之所以可快速恢復(fù)，首先是在清洗過程中束線腔體避免暴露大氣，其次是通入的反應(yīng)氣體經(jīng)過良好的純化處理，這均可減少真空室表面吸附氣體，有利于恢復(fù)真空環(huán)境。但在引入同步輻射光后，由于光致解吸效應(yīng)，會產(chǎn)生暫時的壓強(qiáng)升高，經(jīng)過72 h 同步光照射后，超高真空環(huán)境會再次恢復(fù)。

3、結(jié)論

　　使用氧氣和氬氣混合氣體產(chǎn)生的等離子體原位清洗，可有效去除在同步輻射X 射線作用下所產(chǎn)生的沉積于同步輻射光學(xué)元件表面的碳污染，等離子體的參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)射頻功率源和氣體壓強(qiáng)進(jìn)行控制； 光學(xué)元件所在的超高真空腔體，經(jīng)過等離子體放電清洗后可快速恢復(fù)至超高真空環(huán)境，有利于光束線在線清洗后工作狀態(tài)的恢復(fù)； 清洗過程中反應(yīng)產(chǎn)物的成分監(jiān)測可用于進(jìn)程截止點判斷。實驗工作對于同類型的同步輻射光源光束線，尤其是X 射線光束線的光學(xué)元件碳污染問題的解決提供了可行方式，具有重要的借鑒意義和實用價值。

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