超高真（zhēn）空（UHV）應用中的等離（lí）子清洗-粒（lì）子加速器
超潔淨表麵
超（chāo）高真空關鍵部件（jiàn）（例（lì）如（rú）表麵科學（xué）實驗室和粒子加速器中廣泛使用的部件）需（xū）滿足嚴（yán）格（gé）的清潔標準，其中安裝前的清洗是重要步（bù）驟。位於英國、專注於全球粒子加速器技術的達雷斯伯裏實驗室（shì）（Daresbury Laboratory）與Henniker Plasma合作，探索將氧等（děng）離子清洗納入其嚴格的預清洗流程的潛（qián）力。
通過測量“電子激（jī）勵脫附優（yōu）率”electron stimulated desorption yields“（ESD），實驗室（shì）評估了等離子清洗的效果（guǒ），並將（jiāng）傳統溶劑（jì）清洗與等離子清洗的結果進行了對比。
溶劑清洗技術
達（dá）雷斯伯裏實驗室選擇氫氟醚（HFE）作為主要清洗溶劑，該結論基於（yú）早期研究（jiū）——不同清洗技術對不鏽鋼（gāng）表麵出氣和電子激發脫附的（de）影響[1]。
HFE清洗流程步驟如下：
- 1. 手動洗滌劑清（qīng）洗（xǐ）
- 2. 去離子水衝洗
- 3. 標準洗滌劑（jì）水洗15分鍾
- 4. 去離子水衝洗
- 5. HFE超聲清洗15分鍾
- 6. HFE蒸汽清洗15分鍾
- 7. 去離子水（shuǐ）衝洗（xǐ）
- 8. 烘幹（80°C）
等離子清（qīng）洗
氣體原子電（diàn）離時，高能粒子碰撞會（huì）使其外層電子脫離軌道，產生等離子體的特征“輝光”。等離子體包含多種活性成分，如原子、分子、離子、電子、自由基、亞（yà）穩（wěn）態粒子以及短波紫外光（真空紫外光，VUV）。等離子體通常在低（dī）壓（<1.0 Torr）密閉容器中生成，低壓環境延長了活性粒子的（de）平均自由程，使（shǐ）其在（zài）接觸表麵時仍保（bǎo）持高反（fǎn）應性。常用功率和壓力下，腔體溫度接近室溫。
實（shí）驗中使用的氣體為氧氣。真空紫外光能有效破壞表麵（miàn）汙染物（wù）中的有（yǒu）機鍵（如C-H、C-C、C=C、C-O、C-N），分解高分子（zǐ）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（diàn）子（zǐ））進一步與有機物反應，生成H₂O、CO、CO₂及低分子量碳（tàn）氫（qīng）化合物。這些產（chǎn）物蒸氣壓較高，易被抽離腔體。
樣品清潔（jié）度（dù）測量
不鏽鋼樣（yàng）品被故意汙染（油汙、油脂、指紋、記號筆等），並通過“電子激（jī）勵脫附優率“評估清潔度。計算公式如下：
CCLRC方程-用於超高真空（kōng）應用和粒子加速器（qì）的（de）等離子清洗
其中：
- - Nₘ=脫附分子數
- - Nₑ=入射（shè）電子數
- - qₑ=電子電荷（hé）
- - kB=玻爾茲曼常（cháng）數
- - T=腔體溫度
- - Iesd=漏極電流
- - Q=通量
圖1. ESD實驗裝置-用於超高真空（kōng）應用和粒子加速器的等離子清洗
實驗關鍵參數包括：
- - 圓柱體偏壓+200V
- - 同軸電子源
- - 可變通導率：143升/秒（質量28，用於ESD）
- - 校準（zhǔn）壓力測量
- - ESD期間樣品漏極電流監測
結果（guǒ）與討（tǎo）論
圖表1顯示，在傳統溶劑清洗基礎上增加等（děng）離子清洗步驟（zhòu）後，電子激勵脫附優率（即樣品清潔度）顯著改（gǎi）善。經等離子清洗的樣（yàng）品脫附優率接近未汙染樣品（pǐn）水平。這表明，等離子（zǐ）清洗可減少（shǎo）脫附優率，從而（ér）降低加速器真（zhēn）空係（xì）統（tǒng）的氣體負載。
此外，縮短清洗流程（僅保留HFE超聲清洗+等離子清洗【ultrasonic HFE + plasma】）的樣品清潔度優（yōu）於完整HFE流程。這意味著傳統（tǒng）HFE流程可簡化為兩步（超（chāo）聲+等離子清洗），仍能獲得更高清潔度的表麵。
圖表1. 不同清（qīng）洗方法的電子激勵脫附優率對比（分子/電子）
其他組合（如水洗/蒸汽（qì）清洗+等離子[aqueous or vapour clean + plasma]）的清潔效果不足，無法（fǎ）滿足超高真空要求。
解決方案
使用台式等離子（zǐ）清洗機結（jié）合傳統溶劑清洗，可獲得接近未汙染表麵的清潔度，且效果優於單（dān）獨溶劑清洗。此（cǐ）案例表明，等離子清洗能（néng）夠：
- 1. 縮短冗長的清洗流程
- 2. 減少（shǎo）對不環保（bǎo）溶（róng）劑的使用
- 3. 降低溶劑處理（lǐ）、使用（yòng）和處置成本
達（dá）雷斯伯裏實（shí）驗室團隊與Henniker Plasma緊密合作，確（què）保解決方案助力其（qí）成為全球粒子加速（sù）器技術的領導者。
“結合傳統溶劑清洗與台（tái）式等離子清洗機，我們（men）獲得了比單獨溶劑清洗更潔淨的表麵。”
——K.J. Middleman，達雷斯伯（bó）裏實驗室
參考文獻：
Reference[1] K.J. Middleman, Vacuum 81 (2007) P793-798.
本文翻譯自：
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