超高（gāo）真空（UHV）應用中的等離子清洗-粒子加速器
超潔（jié）淨表（biǎo）麵
超高真空關鍵部件（例（lì）如表麵科學（xué）實驗室和粒子加速器中廣泛使用的部件（jiàn））需滿足嚴格的清潔標準，其中安裝前的清洗是重要步驟。位於英國、專注於全球粒（lì）子加速器技術的達雷斯伯裏實驗室（Daresbury Laboratory）與Henniker Plasma合作，探索將氧等離子清洗納入其嚴格的預清洗流程的潛力。
通過測量“電子激勵脫附優率”electron stimulated desorption yields“（ESD），實驗室評（píng）估了等離（lí）子（zǐ）清洗的效果（guǒ），並將傳統溶劑清洗與等離子清洗的結果進行了對比。
溶劑清（qīng）洗技術
達雷（léi）斯伯裏實驗室選擇（zé）氫氟醚（mí）（HFE）作為主（zhǔ）要清洗溶劑，該結論基於早期研究——不同清洗技術對不鏽鋼表麵出氣和電子激發脫附的影響[1]。
HFE清洗流程（chéng）步驟（zhòu）如（rú）下（xià）：
- 1. 手（shǒu）動洗滌劑清洗
- 2. 去（qù）離子水衝洗
- 3. 標準洗（xǐ）滌劑水洗15分鍾
- 4. 去離子水衝洗（xǐ）
- 5. HFE超聲清洗15分鍾
- 6. HFE蒸汽清洗15分（fèn）鍾
- 7. 去離子水衝洗
- 8. 烘幹（80°C）
等（děng）離子清洗
氣體原子電離時，高能粒（lì）子碰撞會（huì）使其外層電子脫離軌（guǐ）道，產生（shēng）等（děng）離（lí）子體的特征“輝光”。等離子體包含多種活性（xìng）成分，如原子、分子、離子、電（diàn）子（zǐ）、自（zì）由基、亞穩（wěn）態粒子以及短波紫外光（真空（kōng）紫外光，VUV）。等離子體通（tōng）常在低壓（<1.0 Torr）密閉容器中生成，低（dī）壓環境延長了活性粒子的平均自由程（chéng），使其在接觸表麵時仍保持高（gāo）反應性。常用功率和壓力下，腔（qiāng）體（tǐ）溫度接近室溫。
實驗中使用的氣體為氧（yǎng）氣（qì）。真空（kōng）紫外光能有效破壞表麵汙染物（wù）中的（de）有機鍵（如C-H、C-C、C=C、C-O、C-N），分解高分子量汙染物。等離子體中的氧活性物種（如O₂⁺、O₂⁻、O₃、O、O⁺、O⁻、電離臭氧、亞穩態氧、自由電子）進一步與有（yǒu）機物反應，生成H₂O、CO、CO₂及低分子量碳氫化合物。這些產物（wù）蒸（zhēng）氣壓較高，易被抽離腔體。
樣品清潔度（dù）測量
不鏽鋼樣品被故意汙染（油汙、油脂、指紋、記號筆等），並通過“電子激勵脫（tuō）附優率“評估清潔度。計算公式如下：
CCLRC方程-用（yòng）於（yú）超高真空應用和（hé）粒子加速（sù）器的等離子清洗
其中：
- - Nₘ=脫附分子數
- - Nₑ=入射電子數
- - qₑ=電子電荷
- - kB=玻爾茲曼常數
- - T=腔體溫度
- - Iesd=漏極電流
- - Q=通量
圖1. ESD實驗裝置-用於超（chāo）高真空應用和粒子加速（sù）器的等離（lí）子清洗
實驗關鍵參數包括：
- - 圓柱（zhù）體偏壓+200V
- - 同軸電子源
- - 可（kě）變通導（dǎo）率：143升/秒（質（zhì）量28，用（yòng）於ESD）
- - 校準壓力測量（liàng）
- - ESD期間樣品漏極電流監測
結果與討論
圖（tú）表（biǎo）1顯示，在傳統溶劑清（qīng）洗基礎上增加等離子清洗（xǐ）步驟後（hòu），電子激勵脫附優率（即（jí）樣品清潔（jié）度）顯著改善。經等離子清洗的樣品脫附優率接近未汙染樣品水平。這表明，等離子清洗可減少脫附優率，從而降低加速器真（zhēn）空係（xì）統的氣（qì）體負載。
此外，縮短清洗流（liú）程（僅保留HFE超聲清洗+等離子清洗【ultrasonic HFE + plasma】）的樣品清（qīng）潔度優於完整HFE流程。這意味著傳（chuán）統HFE流程可（kě）簡化為兩步（超聲（shēng）+等離子清洗），仍能獲得更（gèng）高（gāo）清潔度的（de）表麵。
圖表（biǎo）1. 不（bú）同清洗方法（fǎ）的電子激勵脫附優率對比（bǐ）（分子/電子）
其他組（zǔ）合（如水洗/蒸汽清洗+等離子[aqueous or vapour clean + plasma]）的清潔效果（guǒ）不足，無法滿足超高真空要（yào）求。
解決方案
使（shǐ）用（yòng）台式等離子清洗機結（jié）合傳統溶劑清洗，可獲（huò）得接近未汙染表麵（miàn）的清潔度，且效果優於單獨溶劑清（qīng）洗。此案例表明，等離子清洗（xǐ）能（néng）夠：
- 1. 縮短冗長的清洗流程（chéng）
- 2. 減少對不環保溶劑的使（shǐ）用
- 3. 降低溶劑處理、使（shǐ）用（yòng）和（hé）處置成本
達雷斯伯裏實驗室團隊與Henniker Plasma緊密合作，確（què）保解決方（fāng）案助力其成（chéng）為全球粒子加速器技術的（de）領導者（zhě）。
“結合傳統溶劑清洗與台式（shì）等離子清洗機，我們獲得了比單獨溶劑清洗更潔淨的表麵。”
——K.J. Middleman，達（dá）雷斯伯裏實驗室
參考文獻：
Reference[1] K.J. Middleman, Vacuum 81 (2007) P793-798.
本（běn）文翻（fān）譯自：
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