本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)定點去除的聚焦離子束四級柵網(wǎng)系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
在科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，超精密光學(xué)元件的制造技術(shù)正在成為關(guān)注的熱點，光學(xué)元件超精密化發(fā)展，是光學(xué)系統(tǒng)自身發(fā)展極限化所提出的要求?，F(xiàn)代短波光學(xué)、強光光學(xué)、電子學(xué)、ic技術(shù)、信息存儲技術(shù)及薄膜科學(xué)的發(fā)展對表面的要求則更為苛刻，一般稱表面粗糙度優(yōu)于納米量級的表面為超光滑表面。常用的超光滑表面加工方法有浴法拋光、浮法拋光及延展性拋光等。此類加工方法雖可得到極低的表面粗糙度，但由于傳統(tǒng)工藝主要采用接觸式加工方式，即使可得到滿足表面粗糙度要求的工件，但仍存在表面掩蓋下的亞表面損傷，這些都會影響到光學(xué)元件的使用性能。
近年來，采用離子束拋光工藝加工超光滑表面引起了廣泛的關(guān)注。離子束拋光在加工過程中不會對光學(xué)元件形成亞表面損傷，更重要的是相較傳統(tǒng)拋光方法，離子束拋光能顯著降低光學(xué)元件表面粗糙度，同時對加工表面面形誤差可進(jìn)行高精度的去除，以確保達(dá)到很高的面形精度。例如，德國iom研究所于2004年，提出了一種間接性的離子束拋光技術(shù)，德國iom研究所與日本尼康公司聯(lián)合開展的極紫外光刻元件制造研究實例中，利用真空等離子體拋光技術(shù)結(jié)合離子束拋光，獲得了粗糙度優(yōu)于0.087nm的顯著效果，代表了國際最先進(jìn)的技術(shù)水平。在國內(nèi)，真空離子束拋光技術(shù)領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，特別是在大口徑超光滑光學(xué)表面加工領(lǐng)域，目前國內(nèi)僅有西安工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)等少數(shù)幾個單位展開基礎(chǔ)研究。然而，離子束拋光技術(shù)在制造具有超低表面缺陷密度、超低光學(xué)損耗的大口徑光學(xué)元件方面，具有其他技術(shù)不可替代的作用。然而，相關(guān)的設(shè)備裝置研究集中在美國和德國，由于該技術(shù)可應(yīng)用于激光核聚變、激光武器等敏感領(lǐng)域，這些國家在相關(guān)的設(shè)備及其開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域仍然對于我國進(jìn)行技術(shù)封鎖，無法直接通過設(shè)備引進(jìn)或者技術(shù)引進(jìn)來予以突破。
目前，國內(nèi)現(xiàn)有的離子束拋光工藝均采用發(fā)散或平行離子束設(shè)備，與傳統(tǒng)拋光方法相比，此類離子源的拋光效率較低，而且并不能有效的定點加工消除加工表面的面型誤差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為解決上述問題，提供一種實現(xiàn)離子束聚焦的柵網(wǎng)系統(tǒng)及其方法，本發(fā)明提出采用聚焦離子束柵網(wǎng)系統(tǒng)對寬束冷陰極離子源進(jìn)行改良，實現(xiàn)大束流聚焦離子束引出，一方面提高離子束刻蝕效率，另一方面可對加工表面進(jìn)行定點去除。
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種實現(xiàn)定點去除的聚焦離子束四級柵網(wǎng)系統(tǒng)，包括外殼、陽極、永磁體、陰極座和絕緣套，外殼內(nèi)設(shè)置有陽極，陽極上設(shè)置有陽極固定環(huán)，陽極固定環(huán)通過陽極支撐桿與陰極座連接，陰極座上設(shè)置有陰極，陰極座上還設(shè)置有充氣孔，陽極支撐桿與陰極座之間設(shè)置有絕緣套，所述的永磁體設(shè)置于外殼的外圓周上，其特征在于：還包括依次設(shè)置于外殼和永磁體一側(cè)的屏柵、加速柵、接地柵和約束柵，所述的屏柵、加速柵、接地柵平行設(shè)置且之間分別設(shè)置絕緣陶瓷，所述的約束柵設(shè)置于接地柵的另一側(cè)；
所述的約束柵的結(jié)構(gòu)為圓柱形，圓柱形的軸向開設(shè)置圓錐形的通孔；所述的屏柵、加速柵和接地柵均為球面柵；屏柵和接地柵球面柵的圓周外設(shè)置有環(huán)狀的裝配槽，加速柵的球面柵的圓周外設(shè)置有與環(huán)狀裝配槽相配合的環(huán)狀凸起；所述的屏柵、加速柵和接地柵的間距為0.25~2mm；屏柵、加速柵和接地柵的柵網(wǎng)小孔直徑為0.5~2mm，相鄰小孔中心距為1.5~2倍孔徑；
所述的加速柵電位uacc調(diào)節(jié)范圍為-50~-1000v。
所述的屏柵、加速柵、接地柵和約束柵的制備材料為濺射率低的等靜壓石墨、熱解石墨、金屬鉬等材料。
所述的柵網(wǎng)小孔的開孔方式為平行開孔或球面法向開孔。
柵網(wǎng)球面半徑范圍80~250mm。
所述的絕緣陶瓷為陶瓷柱、陶瓷管和陶瓷球。
一種利用四級柵網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)清除雜散離子的方法為：等離子體在陽極區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，并在屏柵表面形成等離子體鞘層，加速柵接負(fù)電位，等離子體中的正離子在陽極和加速柵的電場作用下被引出，通過調(diào)節(jié)加速柵上的電位高低對離子運動軌跡進(jìn)行整形，降低離子在加速柵上的損耗，離子通過接地柵后出射形成離子束，由于三級柵網(wǎng)均為球面柵，離子出射后向球心位置運動，從而形成聚焦離子束，聚焦離子束在約束柵的作用下消除雜散離子，實現(xiàn)復(fù)雜工件表面的定點精確去除。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：
本發(fā)明的四級柵網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)了離子束的聚焦，可提高離子束能量密度和工作效率，并可實現(xiàn)復(fù)雜工件表面的定點去除，例如球面、非球面以及自由曲面等；
本發(fā)明可通過設(shè)計柵網(wǎng)上小孔分布圖形及尺寸大小來實現(xiàn)各種圖形化加工，特別是針對一些自由曲面的加工過程，可做到精確的定點去除；
本發(fā)明加速柵電位調(diào)節(jié)可有效控制離子運動軌跡，減少離子運動過程中的損失和柵網(wǎng)損耗；
本發(fā)明采用約束柵對聚焦離子束進(jìn)行雜散離子的消除，一方面可降低石墨柵網(wǎng)對工件的表面污染；另一方面可提高加工精度，消除雜散離子對工件表面刻蝕而引入的誤差。
附圖說明
圖1為寬束冷陰極離子源實現(xiàn)聚焦離子束的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為球面半徑150mm的屏柵設(shè)計圖，開孔對角線長度40mm；
圖3為圖2的左視圖；
圖4為圖形對角線長度為20mm的柵網(wǎng)設(shè)計圖；
圖5為圖3的左視圖；
圖6為平行開孔結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為球面法向開孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中：1—約束柵，2—接地柵，3—絕緣陶瓷，4—加速柵，5—屏柵，6—永磁體，7—陽極，8—陽極固定環(huán)，9—外殼，10—充氣孔，11—陽極支撐桿，12—陰極座，13—陰極，14—絕緣套。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
一種利用四級柵網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)清除雜散離子的方法：等離子體在陽極7區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，并在屏柵5表面形成等離子體鞘層，加速柵4接負(fù)電位，等離子體中的正離子在陽極7和加速柵4的電場作用下被引出，通過調(diào)節(jié)加速柵4上的電位高低對離子運動軌跡進(jìn)行整形，降低離子在加速柵4上的損耗，離子通過接地柵2后出射形成離子束，由于三級柵網(wǎng)均為球面柵，離子出射后向球心位置運動，從而形成聚焦離子束，聚焦離子束在約束柵1的作用下消除雜散離子，實現(xiàn)復(fù)雜工件表面的定點精確去除。
一種實現(xiàn)定點去除的聚焦離子束四級柵網(wǎng)系統(tǒng)（參見圖1），包括外殼9、陽極7、永磁體6、陰極座12和絕緣套14，外殼9內(nèi)設(shè)置有陽極7，陽極7上設(shè)置有陽極固定環(huán)8，陽極固定環(huán)8通過陽極支撐桿11與陰極座12連接，陰極座12上設(shè)置有陰極13，陰極座12上還設(shè)置有充氣孔10，陽極支撐桿11與陰極座12之間設(shè)置有絕緣套14，所述的永磁體6設(shè)置于外殼9的外圓周上，其特征在于：還包括依次設(shè)置于外殼9和永磁體6一側(cè)的屏柵5、加速柵4、接地柵2和約束柵1，所述的屏柵5、加速柵4、接地柵2平行設(shè)置且之間分別設(shè)置絕緣陶瓷3，所述的約束柵1設(shè)置于接地柵2的另一側(cè)；
所述的約束柵1的結(jié)構(gòu)為圓柱形，圓柱形的軸向開設(shè)置圓錐形的通孔；所述的屏柵5、加速柵4和接地柵2均為球面柵；屏柵5和接地柵2的結(jié)構(gòu)相同，其球面柵的圓周外設(shè)置有環(huán)狀的裝配槽，加速柵4的球面柵的圓周外設(shè)置有與環(huán)狀裝配槽相配合的環(huán)狀凸起；所述的屏柵5、加速柵4和接地柵2的間距為0.25~2mm；屏柵5、加速柵4和接地柵2的柵網(wǎng)小孔直徑為0.5~2mm，相鄰小孔中心距為1.5~2倍孔徑；
約束柵1的長度根據(jù)聚焦離子束的實測焦點位置確定，約束柵實際長度小于離子束焦距5~10mm，約束柵1與接地柵2接觸處的開孔直徑由屏柵5、加速柵4及接地柵2的實際開孔圖形對角線尺寸相等，約束柵1出口處的直徑大于2~3mm或等于實際聚焦離子束束斑尺寸；
所述的柵網(wǎng)小孔的分布圖形為圓形、橢圓形或任意多邊形排布方式，圖形尺寸可根據(jù)實際加工需求和離子源窗口尺寸大小進(jìn)行調(diào)節(jié)；
所述的加速柵電位uacc調(diào)節(jié)范圍為-50~-1000v。
所述的屏柵5、加速柵4、接地柵2和約束柵1的制備材料為濺射率低的等靜壓石墨、熱解石墨、金屬鉬等材料。
所述的柵網(wǎng)小孔的開孔方式為平行開孔或球面法向開孔。
所述的離子束焦點位置通過柵網(wǎng)球面半徑尺寸調(diào)節(jié)，也可通過球面半徑尺寸不同的屏柵和加速柵的匹配來調(diào)節(jié)，柵網(wǎng)球面半徑范圍80~250mm。
所述的絕緣陶瓷為陶瓷柱、陶瓷管和陶瓷球。
實施例1，采用等靜壓石墨柵網(wǎng)；屏柵、加速柵和接地柵球面半徑均為80mm；柵網(wǎng)間距0.25mm；柵網(wǎng)小孔直徑0.5mm，小孔中心距2倍直徑，即1mm；平行開孔方式，小孔正六邊形排布，圖形對角線長度40mm；柵網(wǎng)間采用陶瓷球絕緣；測得離子束的焦點位置在距離接地柵平面80mm處，束斑直徑15mm，由此確定，約束柵入口直徑40mm，出口直徑15mm，長度70mm；加速電壓-100v；離子源工作參數(shù)為：陽極電壓1000v，氣體流量15sccm，工作氣壓5×10-2pa；實測束流大小為32.7ma。
實施例2（參見圖2和圖3），采用熱解石墨柵網(wǎng)；屏柵球面半徑150mm、加速柵和接地柵球面半徑均為100mm；柵網(wǎng)間距0.5mm；柵網(wǎng)小孔直徑1mm，小孔中心距1.5倍直徑，即1.5mm；平行開孔方式，小孔正六邊形排布，圖形對角線長度40mm；柵網(wǎng)間采用陶瓷柱絕緣；測得離子束的焦點位置在距離接地柵平面85mm處，束斑直徑20mm，由此確定，約束柵入口直徑40mm，出口直徑20mm，長度75mm；加速電壓-200v；離子源工作參數(shù)為：陽極電壓1000v，氣體流量15sccm，工作氣壓5×10-2pa；實測束流大小為31.4ma。
實施例3（參見圖4和圖5），采用金屬鉬柵網(wǎng)；屏柵、加速柵和接地柵球面半徑均為250mm；柵網(wǎng)間距0.5mm；柵網(wǎng)小孔直徑1mm，小孔中心距2倍直徑，即2mm；平行開孔方式（參見圖6），小孔正六邊形排布，圖形對角線長度20mm；柵網(wǎng)間采用陶瓷管絕緣；測得離子束的焦點位置在距離接地柵平面25mm處，束斑直徑8mm，由此確定，約束柵入口直徑20mm，出口直徑10mm，長度20mm；加速電壓-1000v；離子源工作參數(shù)為：陽極電壓1000v，氣體流量15sccm，工作氣壓5×10-2pa；實測束流大小為9.8ma。
實施例4，采用等靜壓石墨柵網(wǎng)；屏柵、加速柵和接地柵球面半徑均為100mm；柵網(wǎng)間距0.5mm；柵網(wǎng)小孔直徑1mm，小孔中心距1.5倍直徑，即1.5mm；球面法向開孔方式（參見圖7），小孔正六邊形排布，圖形對角線長度40mm；柵網(wǎng)間采用陶瓷球絕緣；測得離子束的焦點位置在距離接地柵平面75mm處，束斑直徑12mm，由此確定，約束柵入口直徑40mm，出口直徑15mm，長度65mm；加速電壓-500v；離子源工作參數(shù)為：陽極電壓1000v，氣體流量15sccm，工作氣壓5×10-2pa；實測束流大小為34.6ma。
上述實施例1-4均可實現(xiàn)離子束的聚焦。
綜上所述，本發(fā)明不僅可以實現(xiàn)大束流聚焦離子束引出，還可以通過控制柵網(wǎng)的球面半徑、開孔圖形尺寸以及開孔方式來調(diào)節(jié)離子束焦點位置、束斑和束流大小，可實現(xiàn)對加工表面進(jìn)行定點去除。本發(fā)明將推動國內(nèi)離子束拋光技術(shù)的工程化應(yīng)用。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。