同步辐射光束线辉光放电清洗研究

论文摘要

同步辐射光束线上存在的碳污染问题不仅影响光束线特别是软X光束线传输效率而且会降低光学元件使用寿命。目前解决碳污染问题主要途径是对已经污染的光学元件进行清洗或更换。已有大量实验研究表明碳污染的生成与真空镜箱的洁净度特别是腔壁表面的油分子数量有非常大的关系。本文目的是利用辉光放电对镜箱真空室壁进行清洗,获得更加洁净的真空室,力争从源头上减少光学元件碳污染的产生。论文主要包括如下内容:建立了氩气氧气（Ar/O2）放电的二维流体模型,并用有限元方法求解得到了放电物理参数的空间分布,包括电子密度、电子温度、电势、离子密度（Ar+、O2+、O-）、亚稳态粒子密度（Ar*、O2（a1?g）、O2（b1Σg+）、O（1D））。通过对放电空间内等离子体的数值模拟,分析了气体比例、电压、气压和电极排布对物理参数的空间分布影响。模拟结果表明,提高O2比例、增加电压和气压、采用单电极排布时放电空间内总的亚稳态粒子平均密度增大。在模拟的基础上设计并搭建了一套可应用在同步辐射光束线镜箱上的辉光放电清洗系统。利用四极质谱分析技术对辉光放电前后及过程中镜箱内的残气进行分析。实验发现辉光放电清洗过程中,油特征峰（39、41、43、55、57、69、71）先极速减少后又增加,说明碳氢化合物被裂解成较小分子量的粒子。通过20小时辉光放电清洗后,真空室内残存的微量油大分子（分子量为39、41、43、55、57、69、71）大幅度减少。辉光放电清洗对真空腔体内表面油分子有明显去除效果。通过对常温下辉光放电清洗与高温烘烤下的辉光放电清洗的比较,得出高温烘烤下的辉光放电清洗更适用于实际应用,不仅可以有效去除碳氢化合物还可以去除水气。文章最后系统研究了辉光放电清洗对光学元件表面和其他真空中常用材料的损伤。通过对辉光放电清洗前后镀Au、镀Al和Si片光学元件表面表面粗糙度、反射率、化学成分等参数的测量,得出了辉光放电等离子体清洗对光学元件表面的影响。研究结果表明所有不同条件下的辉光放电清洗对镀Au、镀Al和Si片光学元件表面粗糙度（Rq）均有损伤。90分钟GDC清洗后,镀Au光学镜片膜厚从41.85nm下降到18.60nm。辉光放电清洗对镀Au光学元件在5～48nm范围内的X射线反射率影响不明显,但是对镀Al光学元件和Si片反射率存在影响。辉光放电清洗后镀Au光学元件表面化学元素无变化,但是镀Al光学元件清洗后表面变为Al2O3。文中结合数值模拟结果对辉光放电清洗后光学元件表面产生这些变化的原因进行了分析。通过粗糙度轮廓仪对辉光放电清洗前后不锈钢、铝和无氧铜的测试,得出辉光放电清洗对不锈钢和无氧铜表面粗糙度影响不大,但是清洗会增加铝表面粗糙度。利用光学显微镜可以看到20小时辉光放电清洗后这些零部件样品表面均存在弧痕。综上所述,本文针对同步辐射光束线上产生碳污染的源头,研究将辉光放电清洗引入到光束线特别是软X光束线镜箱真空预处理工艺中,获得更加洁净的真空室,力争从根本上减少光学元件碳污染的产生。本文研究的内容对于减少光束线站特别是软X射线光束线上碳污染的产生具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 符号列表
• 第1章 绪论
•   1.1 同步辐射光源及光束线站
•     1.1.1 同步辐射光源
•     1.1.2 同步辐射光束线
•   1.2 同步辐射光束线碳污染
•     1.2.1 同步辐射光束线碳污染概述
•     1.2.2 同步辐射光束线碳污染的解决方案
•   1.3 光束线真空系统与真空清洁处理
•     1.3.1 光束线真空系统
•     1.3.2 超高真空清洁处理
•   1.4 低温等离子体
•     1.4.1 等离子体
•     1.4.2 等离子体与固体表面的相互作用
•     1.4.3 低温等离子体的产生与应用
•   1.5 论文的结构与主要解决的问题
•   1.6 本章小结
• 第2章 直流辉光等离子体的数值模拟
•   2.1 直流辉光等离子体数值模拟概述
•   2.2 基于流体模型的等离子体的数值模拟及理论基础
•     2.2.1 控制方程
•     2.2.2 边界条件
•     2.2.3 粒子与等离子体化学
•   2.3 数值模拟模型的建立
•     2.3.1 模型的构建与简化
•     2.3.2 主要参数的设置
•     2.3.3 网格划分
•   2.4 数值模拟结果与分析
•     2.4.1 电子密度空间分布随时间变化
•     2.4.2 工作气体比例对辉光放电等离子体特性的影响
•     2.4.3 电压对辉光放电等离子体特性的影响
•     2.4.4 气压对辉光放电等离子体特性的影响
•     2.4.5 电极排布对辉光放电等离子体特性的影响
•   2.5 本章小结
• 第3章 同步辐射光束线镜箱直流辉光放电等离子体清洗研究·
•   3.1 直流辉光放电
•   3.2 同步辐射光束线镜箱辉光放电清洗系统与实验过程
•     3.2.1 充气与真空系统
•     3.2.2 直流放电系统
•     3.2.3 真空测量系统
•     3.2.4 等离子体清洗的实验过程
•   3.3 辉光放电清洗的实验结果与分析
•     3.3.1 直流辉光放电清洗的伏安特性
•     3.3.2 常温下辉光放电清洗对镜箱内油分子含量的影响
•     3.3.3 烘烤同时辉光放电清洗对镜箱内油分子含量的影响
•   3.4 本章小结
• 第4章 辉光放电等离子体对光学元件和机械零部件表面的影响
•   4.1 测试方法介绍
•     4.1.1 原子力显微镜（AFM）
•     4.1.2 X射线光电子能谱仪（XPS）
•     4.1.3 同步辐射X射线反射（XRR）
•     4.1.4 白光干涉扫描轮廓仪（SWLI）
•     4.1.5 表面轮廓仪
•     4.1.6 光学显微镜（OM）
•   4.2 辉光放电清洗对光学元件表面的影响
•     4.2.1 辉光放电清洗对Au薄膜光学元件表面的影响
•     4.2.2 辉光放电清洗对Al薄膜光学元件表面的影响
•     4.2.3 辉光放电清洗对Si片表面的影响
•   4.3 辉光放电清洗对机械零部件表面的影响
•     4.3.1 辉光放电清洗对不锈钢零件的影响
•     4.3.2 辉光放电清洗对铝零件的影响
•     4.3.3 辉光放电清洗对无氧铜零件的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 论文总结
•   5.2 论文创新点
•   5.3 课题展望
• 附录 A中国科学院大学学位论文撰写要求
• 参考文献
• 附录
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李波

导师: 薛松

关键词: 同步辐射光束线,等离子体清洗,碳污染,辉光放电,数值模拟

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

分类号: TL628;O461.21

总页数: 129

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