等離子體清洗同步輻射光學(xué)元件

2010-01-11 尉偉中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗室

　　同步輻射光束線(xiàn)的光學(xué)元件的碳污染問(wèn)題。它導致光學(xué)系統的光通量下降,尤其是在碳吸收邊情況更加嚴重。因此在光束線(xiàn)運行一定的時(shí)間后,必須對光學(xué)元件的碳污染進(jìn)行清洗以便保證其正常使用。為此我們開(kāi)發(fā)了一套射頻等離子體原位光學(xué)元件清洗系統,以干燥的氧氣和氬氣為介質(zhì)。在產(chǎn)生的等離子中存在大量的臭氧,與光學(xué)元件表面的碳反應,變成CO和CO₂氣體,從而達到清洗的目的。實(shí)驗證明等離子體清洗不但可有效清除碳污染,而且有利于光束線(xiàn)真空系統的超高真空環(huán)境的恢復,為光束線(xiàn)的維護提供了方便。

　　在同步輻射光束線(xiàn)中,長(cháng)時(shí)間工作在光束線(xiàn)中的光學(xué)元件,如反射鏡、光柵等表面會(huì )產(chǎn)生碳污染,使光束線(xiàn)的傳輸效率下降。由X 射線(xiàn)吸收精細結構測定所形成的為石墨型碳,碳對于其吸收邊,即285eV 以及以上能量光吸收作用,可使得光通量減少一個(gè)甚至2個(gè)數量級,同時(shí)由于此碳層對于雜散光無(wú)影響,使得信噪比劇烈下降,從而嚴重影響了在此能量范圍內的實(shí)驗。

　　碳污染主要產(chǎn)生在暴露于同步輻射X 射線(xiàn)中的光學(xué)元件表面。碳污染的產(chǎn)生主要是由于表面吸附的含碳的分子被X 射線(xiàn)或者是X 射線(xiàn)產(chǎn)生的自由電子的裂解作用。裂解發(fā)生后,碳原子以強結合力吸附在光學(xué)元件表面。周?chē)鷼夥罩械暮荚託怏w再次吸附于光學(xué)元件表面,此裂解再次產(chǎn)生。由于碳污染的聚集速率與光子通量成正比關(guān)系,因此在一些高光通量的插入元件,例如第三代光源的undulator 光束線(xiàn)中,此污染影響非常明顯。碳污染嚴重的情況下,在鏡子表面會(huì )產(chǎn)生肉眼明顯可見(jiàn)的棕色或黑色條紋。

　　由于光學(xué)元件上的碳污染是影響同步輻射光束線(xiàn)工作的重要原因,因此對于光學(xué)元件的碳污染的有效清洗是光束線(xiàn)穩定運行的保證。直流等離子體放電清洗、射頻等離子體放電清洗以及紫外光/臭氧照射清洗都可用來(lái)清洗光學(xué)元件。直流等離子體放電清洗法是在真空腔體中加入放電電極,電極和光學(xué)元件支撐架及箱壁之間發(fā)生放電,產(chǎn)生氧等離子體,氧等離子體與沉積碳反應產(chǎn)生CO 或者CO₂ 而被真空系統抽出。這種清洗中產(chǎn)生等離子體電極的設計和安裝需滿(mǎn)足特定要求,以避免光學(xué)元件表面濺射或電極材料濺射沉積到元件表面。紫外光/臭氧照射清洗則是利用汞燈光離解空氣中的氧產(chǎn)生臭氧,臭氧與碳污染物化學(xué)反應生成揮發(fā)性產(chǎn)物而實(shí)現清洗。這種方法在汞燈周?chē)嬖诤軓姷某粞鯘舛忍荻?所以清洗速率強烈依賴(lài)于汞燈到光學(xué)元件表面的距離。與直流等離子體放電清洗類(lèi)似,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)的氧等離子體完成清洗。此方法結構簡(jiǎn)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)生的損害和污染較少,是一種可行的碳污染清洗方法。

　　實(shí)驗中采用了以氬氣和氧氣作為工作氣體的射頻等離子體放電清洗光束線(xiàn)上的光學(xué)元件。在等離子體氣氛中的氬起到了催化劑的作用,其存在可以顯著(zhù)增強元件表面碳的清除速率。

1、清洗裝置

　　實(shí)驗采用的清洗設備如圖1 所示,其主要組成為射頻電氣系統和氣路/真空系統。

　　射頻電氣系統主要包括: (1)射頻電源,包括射頻信號發(fā)生器和功率源以及匹配調節器; (2)安裝于法蘭上的,伸入所要清洗的光學(xué)元件所在真空室內部的鋁制圓柱形天線(xiàn); (3)通過(guò)法蘭上的電極引線(xiàn),天線(xiàn)與供電電路連接,將射頻功率引入腔體中。氣路/ 真空系統主要包括: (1)氬氣以及氧氣氣瓶,及對應的流量閥門(mén); (2)液氮冷阱,可有效去除氣氛中的水; (3)渦輪分子泵機組,用來(lái)抽出腔體中的氣體,保持放電腔體中氣體壓力的恒定。

　　等離子體放電時(shí)的放電參數受到具體結構和氣體壓強的影響,通過(guò)調節功率和射頻匹配,可以完成等離子體點(diǎn)火和放電參數的控制。

O2/ Ar 等離子體清洗系統