超高真空（UHV）應用中的等離子清洗-粒子加速器
超潔淨表面
超高真空關鍵部件（例如表面科學實驗室和粒子加速器中廣泛使用的部件）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、專注於全球粒子加速器技術的達雷斯伯裡實驗室（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），實驗室評估了等離子清洗的效果，並將傳統溶劑清洗與等離子清洗的結果進行了對比。
溶劑清洗技術
達雷斯伯裡實驗室選擇氫氟醚（HFE）作為主要清洗溶劑，該結論基於早期研究——不同清洗技術對不鏽鋼表面出氣和電子激發脫附的影響[1]。
HFE清洗流程步驟如下：
- 1. 手動洗滌劑清洗
- 2. 去離子水沖洗
- 3. 標準洗滌劑水洗15分鐘
- 4. 去離子水沖洗
- 5. HFE超聲清洗15分鐘
- 6. HFE蒸汽清洗15分鐘
- 7. 去離子水沖洗
- 8. 烘乾（80°C）
等離子清洗
氣體原子電離時，高能粒子碰撞會使其外層電子脫離軌道，產生等離子體的特徵“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、亞穩態粒子以及短波紫外光（真空紫外光，VUV）。等離子體通常在低壓（<1.0 Torr）密閉容器中生成，低壓環境延長了活性粒子的平均自由程，使其在接觸表面時仍保持高反應性。常用功率和壓力下，腔體溫度接近室溫。
實驗中使用的氣體為氧氣。真空紫外光能有效破壞表面汙染物中的有機鍵（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）進一步與有機物反應，生成H₂O、CO、CO₂及低分子量碳氫化合物。這些產物蒸氣壓較高，易被抽離腔體。
樣品清潔度測量
不鏽鋼樣品被故意汙染（油汙、油脂、指紋、記號筆等），並通過“電子激勵脫附優率“評估清潔度。計算公式如下：
CCLRC方程-用於超高真空應用和粒子加速器的等離子清洗
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-用於超高真空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）
- - 校準壓力測量
- - ESD期間樣品漏極電流監測
結果與討論
圖表1顯示，在傳統溶劑清洗基礎上增加等離子清洗步驟後，電子激勵脫附優率（即樣品清潔度）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，從而降低加速器真空系統的氣體負載。
此外，縮短清洗流程（僅保留HFE超聲清洗+等離子清洗【ultrasonic HFE + plasma】）的樣品清潔度優於完整HFE流程。這意味著傳統HFE流程可簡化為兩步（超聲+等離子清洗），仍能獲得更高清潔度的表面。
圖表1. 不同清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/蒸汽清洗+等離子[aqueous or vapour clean + plasma]）的清潔效果不足，無法滿足超高真空要求。
解決方案
使用臺式等離子清洗機結合傳統溶劑清洗，可獲得接近未汙染表面的清潔度，且效果優於單獨溶劑清洗。此案例表明，等離子清洗能夠：
- 1. 縮短冗長的清洗流程
- 2. 減少對不環保溶劑的使用
- 3. 降低溶劑處理、使用和處置成本
達雷斯伯裡實驗室團隊與Henniker Plasma緊密合作，確保解決方案助力其成為全球粒子加速器技術的領導者。
“結合傳統溶劑清洗與臺式等離子清洗機，我們獲得了比單獨溶劑清洗更潔淨的表面。”
——K.J. Middleman，達雷斯伯裡實驗室
參考文獻：
Reference[1] K.J. Middleman, Vacuum 81 (2007) P793-798.
本文翻譯自：
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