等离子体清洗同步辐射光学元件

2010-01-11 尉伟中国科学技术大学国家同步辐射实验室

　　同步辐射光束线的光学元件的碳污染问题。它导致光学系统的光通量下降,尤其是在碳吸收边情况更加严重。因此在光束线运行一定的时间后,必须对光学元件的碳污染进行清洗以便保证其正常使用。为此我们开发了一套射频等离子体原位光学元件清洗系统,以干燥的氧气和氩气为介质。在产生的等离子中存在大量的臭氧,与光学元件表面的碳反应,变成CO和CO₂气体,从而达到清洗的目的。实验证明等离子体清洗不但可有效清除碳污染,而且有利于光束线真空系统的超高真空环境的恢复,为光束线的维护提供了方便。

　　在同步辐射光束线中,长时间工作在光束线中的光学元件,如反射镜、光栅等表面会产生碳污染,使光束线的传输效率下降。由X 射线吸收精细结构测定所形成的为石墨型碳,碳对于其吸收边,即285eV 以及以上能量光吸收作用,可使得光通量减少一个甚至2个数量级,同时由于此碳层对于杂散光无影响,使得信噪比剧烈下降,从而严重影响了在此能量范围内的实验。

　　碳污染主要产生在暴露于同步辐射X 射线中的光学元件表面。碳污染的产生主要是由于表面吸附的含碳的分子被X 射线或者是X 射线产生的自由电子的裂解作用。裂解发生后,碳原子以强结合力吸附在光学元件表面。周围气氛中的含碳原子气体再次吸附于光学元件表面,此裂解再次产生。由于碳污染的聚集速率与光子通量成正比关系,因此在一些高光通量的插入元件,例如第三代光源的undulator 光束线中,此污染影响非常明显。碳污染严重的情况下,在镜子表面会产生肉眼明显可见的棕色或黑色条纹。

　　由于光学元件上的碳污染是影响同步辐射光束线工作的重要原因,因此对于光学元件的碳污染的有效清洗是光束线稳定运行的保证。直流等离子体放电清洗、射频等离子体放电清洗以及紫外光/臭氧照射清洗都可用来清洗光学元件。直流等离子体放电清洗法是在真空腔体中加入放电电极,电极和光学元件支撑架及箱壁之间发生放电,产生氧等离子体,氧等离子体与沉积碳反应产生CO 或者CO₂ 而被真空系统抽出。这种清洗中产生等离子体电极的设计和安装需满足特定要求,以避免光学元件表面溅射或电极材料溅射沉积到元件表面。紫外光/臭氧照射清洗则是利用汞灯光离解空气中的氧产生臭氧,臭氧与碳污染物化学反应生成挥发性产物而实现清洗。这种方法在汞灯周围存在很强的臭氧浓度梯度,所以清洗速率强烈依赖于汞灯到光学元件表面的距离。与直流等离子体放电清洗类似,射频等离子体清洗是依靠电极与真空室壁之间射频放电激发的氧等离子体完成清洗。此方法结构简单,易于控制,且射频等离子体所产生的低能量离子对光学元件产生的损害和污染较少,是一种可行的碳污染清洗方法。

　　实验中采用了以氩气和氧气作为工作气体的射频等离子体放电清洗光束线上的光学元件。在等离子体气氛中的氩起到了催化剂的作用,其存在可以显著增强元件表面碳的清除速率。

1、清洗装置

　　实验采用的清洗设备如图1 所示,其主要组成为射频电气系统和气路/真空系统。

　　射频电气系统主要包括: (1)射频电源,包括射频信号发生器和功率源以及匹配调节器; (2)安装于法兰上的,伸入所要清洗的光学元件所在真空室内部的铝制圆柱形天线; (3)通过法兰上的电极引线,天线与供电电路连接,将射频功率引入腔体中。气路/ 真空系统主要包括: (1)氩气以及氧气气瓶,及对应的流量阀门; (2)液氮冷阱,可有效去除气氛中的水; (3)涡轮分子泵机组,用来抽出腔体中的气体,保持放电腔体中气体压力的恒定。

　　等离子体放电时的放电参数受到具体结构和气体压强的影响,通过调节功率和射频匹配,可以完成等离子体点火和放电参数的控制。

O2/ Ar 等离子体清洗系统