一种离子束束径调节装置、离子束发生装置及应用方法

技术领域

本发明属于离子束超精密加工技术领域，具体涉及一种离子束束径调节装置、离子束发生装置及应用方法。

背景技术

更高精度、更小尺寸的超精密加工技术是现代高科技产业和科学技术发展的基础。随着光学性能要求的不断提高，武器装备、太空观测、激光核聚变、极紫外光刻等领域对光学元件的精度要求越来越高，且数量要求越来越大，使光学元件的加工面临严峻的挑战。离子束抛光作为一种非接接触式抛光工具，通过束流轰击元件表面发生溅射作用进行材料去除，可以避免加工过程中产生边缘效应，从而获得超高精度的表面。离子束修形去除函数近似为高斯形，其良好的修形能力可以实现光学材料表面误差可控去除，其高确定性的修形特点，使得理论上其具备了亚纳米精度的加工能力，满足光学元件的精度要求。

传统离子束加工时，其束径固定且离子入射能量不可变，在单次迭代加工时只能去除部分频率误差，面形收敛速度慢，加工效率低。在其修形过程中，常通过光阑改变去除函数束径以满足不同陡度误差的需求，且需要在加工过程中保持去除函数的稳定。传统离子束加工时使用大束径迭代加工去除低频误差后，需要更换光阑以改变离子束加工束径，进行高频段误差的去除。这种方式不仅需要较长的加工准备时间，而且增加光阑减小束径将降低出射离子密度，从而降低了其去除效率。光阑孔越小，这种效应越明显。

当前对中高频误差的去除，通常采用上述改变光阑孔大小的方式。每次更换光阑，需要破坏离子束真空环境，重新进行加工准备，耗时较长。而且在去除高频误差时，小光阑孔大幅降低了去除效率，使得加工周期延长，同时对机床的动态性能要求变高。

根据现有的去除函数模型和离子溅射理论，在进行离子束加工时，通过离子源外部加装的束径调节电磁透镜装置，改变透镜内部电场与磁场分布调节不同束径，从而去除不同频段误差，实现光学元件亚纳米精度修形。这种技术通过电磁透镜改变离子出射轨迹，改变离子束去除函数束径，不需要反复更换光阑，大幅减少了加工的准备时间，同时保证了其束流密度，增加了去除效率，进而实现高效高精度光学元件修形。

因此，当前离子束加工装置具有以下不足：(1)对面形高频段误差去除效率低下，难以满足光学元件生产需求；(2)机床动态性能无法满足实际加工需求，在面对高陡度误差时，固定去除函数对机床运动轴的加速度要求较高。(3)通过更换光阑改变束径的方式，加工准备时间长，且无法做到束径实时动态可调，难以达到高效高精度的离子束修形要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种离子束束径调节装置、离子束发生装置及应用方法，本发明旨在实现离子束束径动态调节，避免传统离子束加工固定束径带来的截止频率下残差和对机床动态性能的高要求，以及传统变束径离子束更换光阑的准备时间。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种离子束束径调节装置，包括绝缘安装座，所述绝缘安装座上设有用于供离子束经过的内孔，所述绝缘安装座上位于内孔的周侧设有用于改变离子轨迹实现束径调节的电磁透镜，所述电磁透镜包括电透镜和磁透镜。

可选地，所述电透镜包括沿着内孔的离子束输入到输出方向依次间隙布置的减速极、聚束极和加速极，所述减速极、聚束极和加速极均为环形结构。

可选地，所述减速极、聚束极和加速极三者的内壁构成绝缘安装座的内孔。

可选地，所述加速极的端部连接有与内孔平行的套管，所述磁透镜嵌设布置在套管的内壁以及减速极、聚束极、加速极三者的外壁之间。

可选地，所述套管上设有接线孔，所述减速极、聚束极和加速极三者的电源连接线从接线孔中引入套管内。

可选地，所述磁透镜包括沿着内孔的离子束输入到输出方向依次间隙布置的多级磁调节单元，每一个磁调节单元包括周向磁性交替变化的多个电磁磁极，以使得离子束经过多个电磁磁极的中心轴线时受到指向其中心的洛伦兹力影响往中心轴线上聚焦，且各级磁调节单元的聚焦方向不同。

可选地，所述多级磁调节单元包括四级磁调节单元，所述磁调节单元包括周向磁性交替变化的四个磁极。

此外，本发明还提供一种离子束发生装置，包括射频离子源和安装在射频离子源的离子出射孔处的离子束束径调节装置，所述离子束束径调节装置为前述的离子束束径调节装置。

此外，本发明还提供一种前述的离子束发生装置的应用方法，包括针对离子束束径调节装置的电透镜中减速极、聚束极和加速极三者的电压、电极长度以及电极间隙作为待优化参数，针对不同的待优化参数组合下的离子束发生装置进行有限元分析获取对应的离子束束径，并将最佳的离子束束径对应的待优化参数组合作为优化得到的给定离子束束径区间内各个离子束束径下的最佳结构参数以用于制备离子束束径调节装置。

可选地，还包括通过调节电透镜中减速极、聚束极和加速极三者的电压大小，及磁透镜的电磁磁极电流大小中的部分或者全部来动态调节离子束束径以改变离子束去除效率。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

1、本发明绝缘安装座上位于内孔的周侧设有用于改变离子轨迹实现束径调节的电磁透镜，所述电磁透镜包括电透镜和磁透镜，本发明实现了实时动态调节离子束束径，改变了传统离子束单次迭代加工时束径固定的方式，避免了更换光阑需要加工准备时间，同时降低了对机床动态性能的影响，实现了去除函数大小实时可变，达到了全频段误差高精度修调的要求，同时大幅提高了加工效率，为光学元件的亚纳米精度修形提供了技术支撑。

2、本发明具备高效高精度修形能力、结构简单、可操作性强、经济实用性好的优点。

3、本发明为一种可以实现束径动态可调装置对离子束束径大小的改变，是通过调控装置上电极电压和磁极电流的分布来实现，具有实时动态可调的特点，极大的减少了加工准备的时间，提高了加工效率。

4、本发明对去除函数束径的改变不损失去除效率。通过操纵装置内的电场和磁场分布来改变离子运动的轨迹，可以保持和提高单位面积上的离子的束流密度，同时离子出射的动能也可以通过改变电压来调控，从而增大了去除函数的峰值去除效率。

5、本发明可以实现对光学元件进行时变去除函数加工，极大提升了离子束修形能力，为光学元件亚纳米精度修形奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例中离子束束径调节装置的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中离子束束径调节装置的侧视结构示意图。

图3为图2中的A-A剖视结构示意图。

图4为本发明实施例中磁调节单元的平面结构示意图。

图5为本发明实施例中离子束发生装置的立体结构示意图。

图6为本发明实施例中离子束发生装置的工作原理示意图。

图7为本发明实施例中装置内部电势分布示意图。

图8为本发明实施例中电场作用下离子轨迹示意图。

图9为本发明实施例中装置内部磁场分布示意图。

图10为本发明实施例中磁场作用下粒子运动轨迹。

图11为本发明实施例中束径改变前后的去除函数对比图。

图例说明：1、绝缘安装座；11、内孔；2、电透镜；21、减速极；22、聚束极；23、加速极；24、套管；241、接线孔；3、磁透镜；4、射频离子源；5、水冷部件。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例离子束束径调节装置包括绝缘安装座1，绝缘安装座1上设有用于供离子束经过的内孔11，绝缘安装座1上位于内孔11的周侧设有用于改变离子轨迹实现束径调节的电磁透镜，电磁透镜包括电透镜2和磁透镜3。绝缘安装座1为离子束束径调节装置的载体，用于将离子束束径调节装置安装到固定于离子源之上，本实施例中采用陶瓷制成。电磁透镜主要由电透镜2和磁透镜3共同作用，改变离子轨迹，实现束径调节。电透镜2的电场作用由单透镜聚焦原理，根据电极电势的不同，在其内部形成可以改变离子轨迹的电场。离子在空间内受电场约束，有沿电场梯度方向运动的趋势。根据此原理，计算分析电极引入的电势分布，在空间内形成向中轴线聚焦的电场，从而使离子在空间内实现聚焦。同时磁透镜3的磁场引入使离子在空间内运动更加稳定，实现对空间磁场内的离子聚焦。

如图3所示，本实施例的电透镜2包括沿着内孔11的离子束输入到输出方向依次间隙布置的减速极21、聚束极22和加速极23，减速极21、聚束极22和加速极23均为环形结构。减速极21、聚束极22和加速极23由于施加的电压不同，可对电子束分别起到减速、聚束和加速的作用。减速极21、聚束极22和加速极23三者的内壁构成绝缘安装座1的内孔11。本实施例中，减速极21、聚束极22和加速极23由导电材料石墨制作而成。

如图3所示，本实施例的加速极23的端部连接有与内孔11平行的套管24，磁透镜3嵌设布置在套管24的内壁以及减速极21、聚束极22、加速极23三者的外壁之间。

如图3所示，本实施例的套管24上设有接线孔241，减速极21、聚束极22和加速极23三者的电源连接线从接线孔241中引入套管24内。

参见图3，本实施例中磁透镜3包括沿着内孔11的离子束输入到输出方向依次间隙布置的多级磁调节单元，每一个磁调节单元包括周向磁性交替变化的多个电磁磁极(扇形结构)，以使得离子束经过多个电磁磁极的中心轴线时受到指向其中心的洛伦兹力影响往中心轴线上聚焦，且各级磁调节单元的聚焦方向不同。参见图3，本实施例中多级磁调节单元包括四级磁调节单元；如图4所示，磁调节单元包括周向磁性交替变化的四个磁极，例如N极朝外的记为轴向外磁极、S极朝外的记为轴向内磁极，则轴向外磁极两侧均为轴向内磁极，轴向内磁极两侧均为轴向外磁极，经过电磁磁极的中心轴线的离子束的初始轮廓如图4中虚线圆形所示，但是经过磁调节单元的四个磁极，其聚焦后的轮廓则如图4中实线椭圆形所示，即实现了图中X方向的聚焦。采用四极磁透镜叠加放置，单层磁四级透镜，周向使用磁性交替变化的四个磁极，离子通过其中心形成的磁场时，受到指向其中心的洛伦兹力影响发生轨迹偏转，从而聚焦到中心轴线上。单层磁四级透镜只能实现一个方向上的聚焦，使用多磁四级透镜，交替叠加安装，从而实现空间内离子束径的调节。

在电场作用下，氩离子的轨迹方程可以通过电势分析和粒子运动方程推导得到。首先，我们假设电透镜2的极轴方向为z轴，入射方向为x轴。假设氩离子的质量为m，电荷为q，初始位置为(x

上式中，

由于电磁透镜是轴对称的，我们可以使用球坐标系进行求解。假设电势函数的形式为：

V(r,θ)＝V(r)cos(θ)，

上式中，V(r,θ)为关于径向距离r和极角θ的电势函数，V(r)为关于径向距离r的电势函数，r为径向距离，θ为极角。

根据球坐标系下的拉普拉斯方程，可以推导出径向电势分布方程：

1/r

根据电透镜2的几何形状和电势分布特点，可以得到极间电势分布方程。假设电透镜2的几何结构参数为a、b、c，可以得到如下的电势分布方程：

V(r)＝k(1/r-a/r

上式中，k为常数。

在束径减小的情况下，我们假设电透镜2的半径为r，减速极21、聚束极22和加速极23中两者之间的间隔为d，减速极21、聚束极22和加速极23的电压分别为V

上式中，R

接下来将推导离子在电场中的运动方程。

电场作用下的离子运动方程可以表示为：

上式中，m为离子的质量，q为离子的电荷，E(r)为电场强度。

为了推导电场强度E(r)，，我们使用电势U(r)的梯度：

根据电势分布的表达式，可以计算出电场强度的梯度为：

将电场强度代入离子运动方程中，可以得到离子在电场作用下的径向运动方程：

通过求解径向电势分布方程，可以得到氩离子在Einzel透镜中的轨迹方程。可以得到，在离子进入加速极之前，其轨迹发生改变，有向内聚拢的趋势，而后离子通过加速极，恢复因聚束减小的动能，使离子出射时动能增加。

离子进入磁场区域后，由于受到洛伦兹力F的作用，产生法向加速度a：

上式中，

由上可知，离子在电磁透镜中受到电场和磁场的复合作用，实现离子轨迹的改变。在使用过程中，通过改变输入电压和电流调节空间磁场和电场分布，实现不同束径离子束的出射。从而实现离子束加工在不同位置的束径动态可调。

如图5和图6所示，本实施例还提供一种离子束发生装置，包括射频离子源4和安装在射频离子源4的离子出射孔处的离子束束径调节装置，离子束束径调节装置为前述的离子束束径调节装置。参见图6，作为一种优选的实施方式，本实施例中射频离子源4和离子束束径调节装置之间还设有水冷部件5以防止射频离子源4的温度传递到离子束束径调节装置。

经过研究发现，减速极21、聚束极22和加速极23三者的电压、电极长度以及电极间隙是影响聚束效果的关键因素。因此，本实施例还提供一种前述的离子束发生装置的应用方法，包括针对离子束束径调节装置的电透镜2中减速极21、聚束极22和加速极23三者的电压、电极长度以及电极间隙作为待优化参数，针对不同的待优化参数组合下的离子束发生装置进行有限元分析获取对应的离子束束径，并将最佳的离子束束径对应的待优化参数组合作为优化得到给定离子束束径区间内各个离子束束径下的最佳结构参数以用于制备离子束束径调节装置。具体地，本实施例通过Comsol仿真有限元分析，得到最优参数电极长度20mm，电极间隙4mm。在此参数下，可将20mm离子束束径实现6-32mm区间变化。

此外，本实施例前述的离子束发生装置的应用方法还包括通过调节电透镜2中减速极21、聚束极22和加速极23三者的电压大小，及磁透镜3的电磁磁极电流大小中的部分或者全部来动态调节离子束束径以改变离子束去除效率。不同电压分布和磁极电流在其内部形成的电势场和磁场不同，进而改变离子的运动轨迹实现对束径的动态实时调节。

以出射离子Ar

综上所述，本实施例公开了一种基于电磁透镜的离子束束径动态调节技术，通过在离子源外部安装的电磁透镜动态调节离子束束径。通过改变本实施例装置中电磁透镜上的电压分布，调节内部电势场和磁场，改变离子出射轨迹，从而实现束径动态调节，避免了传统离子束加工固定束径带来的截止频率下残差和对机床动态性能的高要求。通过电压控制动态调节离子束束径，可实现在不同位置使用不同束径离子束加工，且大幅减少了传统变束径离子束更换光阑的准备时间，不仅达到了高精度修形的要求，同时减少了加工实践，较大程度提高了修形效率。本实施例装置不仅实现了离子束束径动态实时可调，且具有结构简单、可操作性强、经济实用性好等优点。在离子束加工过程中，本实施例离子束发生装置能够实现精确的束径控制，从而提高加工的精度和效率。未来的工作可以进一步优化装置的设计和参数，以提高束径控制的精度和稳定性。通过持续改进和优化，这项技术有望在超精密加工领域发挥更大的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。