等离子体清洗光学元件碳污染

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。
氧气和氩气混合气体产生的等离子体,可以有效清洗在同步辐射X射线作用下所产生的沉积于同步辐射光学元件表面的碳污染。24539