X射线光电子能谱仪真空系统的维护
摘要：作为表面分析领域的必备分析技术，X射线光电子能谱主要研究材料表面元素组成、相对含量及化学价态等信息。基于表面分析技术的特性以及仪器构造的要求，X射线光电子能谱需在超高真空条件下运行，通常分析室真空要优于10-10mbar，进样室真空要优于10-8mbar。真空系统的有效维护对于测试结果的准确性及维持良好的仪器运行状态至关重要。针对真空系统的日常维护以及具体的报错维修经验作了简单介绍，可为其他仪器管理者提供参考。目前的维护模式在确保仪器处于良好运行状态的前提下，较大程度地提升了仪器使用效率。
关键词：X射线光电子能谱、维护、真空系统、超高真空条件
中图分类号：O657. 62 文献标识码：
1 引言
X射线光电子能谱（XPS）样品前处理简单，测试损伤小，表面灵敏度高[1]。XPS除了可以提供元素种类（氢、氦除外）、价态及相对含量等基本信息，还能给出深度分布、微区分布、化学成像、价带结构等方面的信息[2]- [6]。超高真空测试环境的保持，可以减少低能光电子与气体分子相互作用造成的能量损失，使得光电子顺利逃逸出样品表面到达能量探测器，同时也会减少样品表面污染，延长仪器寿命。真空系统的问题可能出于以下原因：进样室门有污染物、样品本放气量太大、真空部件故障（真空泵真空规）、进样室与分析室之间舱门有污染导致密封差等。本文就仪器管理过程中出现的两点真空异常维护经验作了简单介绍，并总结了真空系统日常维护要点。
2 真空系统异常原因排查及维护案例
2.1 分析室真空虚高后报错
分析室真空出现如图1所示报错，追溯历史排查原因，报错前一段时间真空度异常升高甚至长时间保持10-11mbar（如图2），通过乙醇在分析室各个法兰接口处作初步捡漏（见图3），未发现漏气点。综合分析排查情况，报错原因为前期分析室真空规污染不能准确监测分析室真空出现虚高的示数，后期污染过度或达到使用寿命不能监测真空情况，待查看真空规使用日志，确认真空规已达到寿命需要更换。因此再遇到真空示数出现虚高的情况就要做好真空规报错的准备。
图1 分析室真空报错
图2 分析室真空报错报错前状态
图3（a）仪器正面法兰接口检漏点；（b）仪器背面法兰接口检漏点
2.2 分析室真空差，持续抽不上去
分析室真空达不到测试要求，取出样品台后抽真空72小时以上仍然维持在10-7mbar左右没有改善（如图4），排查原因：出现异常前进样室进样后分析室真空变-7，开V1阀后变-8，开一段时间后基本不变稍变差，由于进样室和分析室是两个分子泵分别抽真空，同时抽时可稍变好，说明分析室有漏气的地方，但通过乙醇在分析室各个法兰接口处作初步捡漏（见图3），未发现漏气点。经请教工程师检查分析：中和枪(FLOOD GUN)和离子枪(ION GUN)的漏阀V4和V27有杂质或者漏气点使氩气持续进入分析室影响真空（内部气路示意图参考图4，漏气点实物见图5）。手动关闭氩气V9和 V6，手动打开V7用机械泵抽走管路中的氩气，机械泵抽到10-2mbar就可以打开V6，关闭V7，分析室的真空恢复正常（如图6）。
图4 真空状态及内部气路示意图
图5 V4和V27阀门连接点
图6 真空恢复正常状态
3 真空系统日常维护要点
3.1 保持样品的“干净”
从源头上避免样品释放大量的气体，拒绝接受含有挥发性单质碘/硫的样品、X射线照射下会分解的样品、制样过程中易潮解的样品；XPS对表面极其敏感，样品的储存、转移及制备对于样品表面状态和数据可靠性的影响不可忽视[9]。因此，送样测试要求及注意事项成为送样测试者的重点普及知识，如所有样品要干燥、密封送样；有特殊性质的样品（光照射下分解、易磁化、易氧化、易吸潮、含有易挥发元素等）需说明并做好特殊处理；粉末均需研磨至没有颗粒感；薄膜样品或块状样品若有正反面要做好标记等，便于相关用户测试前准备好样品，并能尽快得到较为可靠的数据。
3.2 测试前要确保达到允许测试的真空条件
为了使样品在进样室充分预抽，通常下午或者晚上进样，过夜抽真空，次日转移到分析室测试，若过夜抽真空后依然无法抽至10-7mbar，应该取消该样品台上样品的测试。
3.3 减少换样间隔时间
避免进样室舱门长时间打开，尽量减少换样间隔时间。还应注意保持进样室门的清洁并定期运行钛升华泵以吸附影响真空的反应气体[8-10]。
4 结论
测试平台自2019年开放运行X射线光电子能谱仪，样品测试量大，为了高效完成了测试任务，提升有效资源的优化配置，这就要求管理人员必须特别注意仪器状态的维护，降低仪器故障率，减少维修时间。本文就仪器管理过程中出现真空异常情况时的维护维修经验作了简单总结，并罗列了真空系统日常维护要点，可供其他仪器管理者参考。
参考文献：
[1] 卢炯平. X射线光电子能谱在材料研究中的应用[J]. 分析测试技术与仪器, 1995, 1(1): 1-12.
[2] 吴正龙, 刘洁. 现代X光电子能谱(XPS)分析技术[J]. 现代仪器, 2006, 12(1): 50-53.
[3] 袁欢欣, 欧阳健明. X 射线光电子能谱在配合物研究中的应用及其研究进展[J]. 光谱学与光谱分析, 2007, 27(2): 395-399.
[4] 贾双珠, 李长安. X射线光电子能谱在新型催化材料表征中的应用[J]. 分析试验室, 2016, 35(7): 862-868.
[5] 张莉. 关于环境催化研究中X射线光电子能谱的应用研究[J]. 化工管理, 2018, 36(103): 151-152.
[6] 周逸凡,杨慕紫,谢方艳. X射线光电子能谱在固态锂离子电池界面研究中的应用[J].物理学报, 2021, 70(17): 369-387.
[7] 邱丽美, 刘芬, 赵良仲. 样品表面污染对X射线光电子能谱定量分析的影响[J]. 理化检验(化学分册), 2007(03): 182-184.
[8] 苗利静, 江柯敏, 卢焕明. X射线光电子能谱仪的开放使用与管理[J]. 分析测试技术与仪器, 2017, 23(02): 124-126.
[9] 刘朋, 诸葛兰剑, 李洁爱. X-光电子能谱仪的管理与维护[J]. 分析测试技术与仪器, 2018, 24(03): 188-191.
[10] 张国宏, 熊祖钊, 王飞舟. X射线光电子能谱仪的开放使用与维护[J]. 广州化工, 2022, 50(10): 98-99+144.
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