超高真空（UHV）应用中的等离子清洗-粒子加速器
超洁净表面
超高真空关键部件（例如表面科学实验室和粒子加速器中广泛使用的部件）需满足严格的清洁标准，其中安装前的清洗是重要步骤。位于英国、专注于全球粒子加速器技术的达雷斯伯里实验室（Daresbury Laboratory）与Henniker Plasma合作，探索将氧等离子清洗纳入其严格的预清洗流程的潜力。
通过测量“电子激励脱附优率”electron stimulated desorption yields“（ESD），实验室评估了等离子清洗的效果，并将传统溶剂清洗与等离子清洗的结果进行了对比。
溶剂清洗技术
达雷斯伯里实验室选择氢氟醚（HFE）作为主要清洗溶剂，该结论基于早期研究——不同清洗技术对不锈钢表面出气和电子激发脱附的影响[1]。
HFE清洗流程步骤如下：
- 1. 手动洗涤剂清洗
- 2. 去离子水冲洗
- 3. 标准洗涤剂水洗15分钟
- 4. 去离子水冲洗
- 5. HFE超声清洗15分钟
- 6. HFE蒸汽清洗15分钟
- 7. 去离子水冲洗
- 8. 烘干（80°C）
等离子清洗
气体原子电离时，高能粒子碰撞会使其外层电子脱离轨道，产生等离子体的特征“辉光”。等离子体包含多种活性成分，如原子、分子、离子、电子、自由基、亚稳态粒子以及短波紫外光（真空紫外光，VUV）。等离子体通常在低压（<1.0 Torr）密闭容器中生成，低压环境延长了活性粒子的平均自由程，使其在接触表面时仍保持高反应性。常用功率和压力下，腔体温度接近室温。
实验中使用的气体为氧气。真空紫外光能有效破坏表面污染物中的有机键（如C-H、C-C、C=C、C-O、C-N），分解高分子量污染物。等离子体中的氧活性物种（如O₂⁺、O₂⁻、O₃、O、O⁺、O⁻、电离臭氧、亚稳态氧、自由电子）进一步与有机物反应，生成H₂O、CO、CO₂及低分子量碳氢化合物。这些产物蒸气压较高，易被抽离腔体。
样品清洁度测量
不锈钢样品被故意污染（油污、油脂、指纹、记号笔等），并通过“电子激励脱附优率“评估清洁度。计算公式如下：
CCLRC方程-用于超高真空应用和粒子加速器的等离子清洗
其中：
- - Nₘ=脱附分子数
- - Nₑ=入射电子数
- - qₑ=电子电荷
- - kB=玻尔兹曼常数
- - T=腔体温度
- - Iesd=漏极电流
- - Q=通量
图1. ESD实验装置-用于超高真空应用和粒子加速器的等离子清洗
实验关键参数包括：
- - 圆柱体偏压+200V
- - 同轴电子源
- - 可变通导率：143升/秒（质量28，用于ESD）
- - 校准压力测量
- - ESD期间样品漏极电流监测
结果与讨论
图表1显示，在传统溶剂清洗基础上增加等离子清洗步骤后，电子激励脱附优率（即样品清洁度）显著改善。经等离子清洗的样品脱附优率接近未污染样品水平。这表明，等离子清洗可减少脱附优率，从而降低加速器真空系统的气体负载。
此外，缩短清洗流程（仅保留HFE超声清洗+等离子清洗【ultrasonic HFE + plasma】）的样品清洁度优于完整HFE流程。这意味着传统HFE流程可简化为两步（超声+等离子清洗），仍能获得更高清洁度的表面。
图表1. 不同清洗方法的电子激励脱附优率对比（分子/电子）
其他组合（如水洗/蒸汽清洗+等离子[aqueous or vapour clean + plasma]）的清洁效果不足，无法满足超高真空要求。
解决方案
使用台式等离子清洗机结合传统溶剂清洗，可获得接近未污染表面的清洁度，且效果优于单独溶剂清洗。此案例表明，等离子清洗能够：
- 1. 缩短冗长的清洗流程
- 2. 减少对不环保溶剂的使用
- 3. 降低溶剂处理、使用和处置成本
达雷斯伯里实验室团队与Henniker Plasma紧密合作，确保解决方案助力其成为全球粒子加速器技术的领导者。
“结合传统溶剂清洗与台式等离子清洗机，我们获得了比单独溶剂清洗更洁净的表面。”
——K.J. Middleman，达雷斯伯里实验室
参考文献：
Reference[1] K.J. Middleman, Vacuum 81 (2007) P793-798.
本文翻译自：
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