本發明涉及一種實現定點去除的聚焦離子束四級柵網系統及其方法。

背景技術：

在科學和工程技術領域，超精密光學元件的制造技術正在成為關注的熱點，光學元件超精密化發展，是光學系統自身發展極限化所提出的要求?，F代短波光學、強光光學、電子學、ic技術、信息存儲技術及薄膜科學的發展對表面的要求則更為苛刻，一般稱表面粗糙度優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注。離子束拋光在加工過程中不會對光學元件形成亞表面損傷，更重要的是相較傳統拋光方法，離子束拋光能顯著降低光學元件表面粗糙度，同時對加工表面面形誤差可進行高精度的去除，以確保達到很高的面形精度。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，德國iom研究所與日本尼康公司聯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結合離子束拋光，獲得了粗糙度優于0.087nm的顯著效果，代表了國際最先進的技術水平。在國內，真空離子束拋光技術領域的研究尚處于起步階段，特別是在大口徑超光滑光學表面加工領域，目前國內僅有西安工業大學、國防科技大學等少數幾個單位展開基礎研究。然而，離子束拋光技術在制造具有超低表面缺陷密度、超低光學損耗的大口徑光學元件方面，具有其他技術不可替代的作用。然而，相關的設備裝置研究集中在美國和德國，由于該技術可應用于激光核聚變、激光武器等敏感領域，這些國家在相關的設備及其開發技術領域仍然對于我國進行技術封鎖，無法直接通過設備引進或者技術引進來予以突破。

目前，國內現有的離子束拋光工藝均采用發散或平行離子束設備，與傳統拋光方法相比，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。

技術實現要素：

本發明為解決上述問題，提供一種實現離子束聚焦的柵網系統及其方法，本發明提出采用聚焦離子束柵網系統對寬束冷陰極離子源進行改良，實現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行定點去除。

為解決現有技術存在的問題，本發明的技術方案是：一種實現定點去除的聚焦離子束四級柵網系統，包括外殼、陽極、永磁體、陰極座和絕緣套，外殼內設置有陽極，陽極上設置有陽極固定環，陽極固定環通過陽極支撐桿與陰極座連接，陰極座上設置有陰極，陰極座上還設置有充氣孔，陽極支撐桿與陰極座之間設置有絕緣套，所述的永磁體設置于外殼的外圓周上，其特征在于：還包括依次設置于外殼和永磁體一側的屏柵、加速柵、接地柵和約束柵，所述的屏柵、加速柵、接地柵平行設置且之間分別設置絕緣陶瓷，所述的約束柵設置于接地柵的另一側；

所述的約束柵的結構為圓柱形，圓柱形的軸向開設置圓錐形的通孔；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置有環狀的裝配槽，加速柵的球面柵的圓周外設置有與環狀裝配槽相配合的環狀凸起；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調節范圍為-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。

所述的柵網小孔的開孔方式為平行開孔或球面法向開孔。

柵網球面半徑范圍80~250mm。

所述的絕緣陶瓷為陶瓷柱、陶瓷管和陶瓷球。

一種利用四級柵網系統實現清除雜散離子的方法為：等離子體在陽極區域內產生，并在屏柵表面形成等離子體鞘層，加速柵接負電位，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，通過調節加速柵上的電位高低對離子運動軌跡進行整形，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，實現復雜工件表面的定點精確去除。

與現有技術相比，本發明的優點如下：

本發明的四級柵網系統實現了離子束的聚焦，可提高離子束能量密度和工作效率，并可實現復雜工件表面的定點去除，例如球面、非球面以及自由曲面等；

本發明可通過設計柵網上小孔分布圖形及尺寸大小來實現各種圖形化加工，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；

本發明加速柵電位調節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損耗；

本發明采用約束柵對聚焦離子束進行雜散離子的消除，一方面可降低石墨柵網對工件的表面污染；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聚焦離子束的結構示意圖；

圖2為球面半徑150mm的屏柵設計圖，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的柵網設計圖；

圖5為圖3的左視圖；

圖6為平行開孔結構示意圖；

圖7為球面法向開孔的結構示意圖；

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，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

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

一種利用四級柵網系統實現清除雜散離子的方法：等離子體在陽極7區域內產生，并在屏柵5表面形成等離子體鞘層，加速柵4接負電位，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，通過調節加速柵4上的電位高低對離子運動軌跡進行整形，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，實現復雜工件表面的定點精確去除。

一種實現定點去除的聚焦離子束四級柵網系統（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內設置有陽極7，陽極7上設置有陽極固定環8，陽極固定環8通過陽極支撐桿11與陰極座12連接，陰極座12上設置有陰極13，陰極座12上還設置有充氣孔10，陽極支撐桿11與陰極座12之間設置有絕緣套14，所述的永磁體6設置于外殼9的外圓周上，其特征在于：還包括依次設置于外殼9和永磁體6一側的屏柵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平行設置且之間分別設置絕緣陶瓷3，所述的約束柵1設置于接地柵2的另一側；

所述的約束柵1的結構為圓柱形，圓柱形的軸向開設置圓錐形的通孔；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的結構相同，其球面柵的圓周外設置有環狀的裝配槽，加速柵4的球面柵的圓周外設置有與環狀裝配槽相配合的環狀凸起；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，圖形尺寸可根據實際加工需求和離子源窗口尺寸大小進行調節；

所述的加速柵電位uacc調節范圍為-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球面半徑尺寸調節，也可通過球面半徑尺寸不同的屏柵和加速柵的匹配來調節，柵網球面半徑范圍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；屏柵、加速柵和接地柵球面半徑均為80mm；柵網間距0.25mm；柵網小孔直徑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；屏柵球面半徑150mm、加速柵和接地柵球面半徑均為100mm；柵網間距0.5mm；柵網小孔直徑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；屏柵、加速柵和接地柵球面半徑均為250mm；柵網間距0.5mm；柵網小孔直徑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；屏柵、加速柵和接地柵球面半徑均為100mm；柵網間距0.5mm；柵網小孔直徑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均可實現離子束的聚焦。

綜上所述，本發明不僅可以實現大束流聚焦離子束引出，還可以通過控制柵網的球面半徑、開孔圖形尺寸以及開孔方式來調節離子束焦點位置、束斑和束流大小，可實現對加工表面進行定點去除。本發明將推動國內離子束拋光技術的工程化應用。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。