离子源出射离子束流口径自动变换装置以及设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种离子源出射离子束流口径自动变换装置以及设计方法，包括至少两级截断组件；各截断组件连接在同一个转轴上；下一级的截断组件的出口与上一级截断组件的入口对接，最下方一级的截断组件的入口通过固定圆环与离子源出口对接；在对镜面抛光过程中，每一级截断组件负责镜面误差中的一个频段误差的去除；能够在单次离子束加工过程中实现多种束流口径的转换，从而获得不同尺寸的去除函数，能够针对镜面上空间波长不同的频段误差进行去除函数选择与变换，提高加工效率及单次加工收敛率。

Automatic conversion device and design method of ion source ejection ion beam caliber

The invention discloses an ion source ion beam emitting device and automatic transform caliber design method, including at least two truncated components; the truncated components connected on the same rotating shaft; the docking entrance is the next level of truncation component exports and the upper level of truncated components, the components of a truncated square the entrance through the fixed ring and the ion source in the docking; mirror polishing process, the removal of each component is responsible for a truncation error in the mirror frequency error; to achieve a variety of beam aperture conversion in single ion beam machining process, so as to obtain the removal function of different sizes, according to the mirror on the spatial wavelength different frequency error removal function selection and transformation, improve the processing efficiency and the convergence rate of single process.

【技术实现步骤摘要】
离子源出射离子束流口径自动变换装置以及设计方法
本专利技术属于
，具体涉及一种离子源出射离子束流口径自动变换装置以及设计方法。
技术介绍
从离子源中出射的离子束流具有一定的空间分布，即在离子源前端出口不同距离处离子束流浓度分布不同。在离子束抛光过程中，离子束流口径是固定的，因此在材料去除过程中无法使用较大口径的离子束流去除镜面上空间波长较小的频段误差。为去除高频面形误差，需要对离子束流口径进行截断与调整。德国NTG公司采用一种固定的截断装置，在离子源出口前端对离子束流进行截断以获得小口径的离子束流，通过换装不同的截断装置能够获得的最小口径为0.5mm。现有的束流截断装置每次换装只有一种固定尺寸，即在单次加工过程中离子束流尺寸固定，只有单一的去除函数，对镜面上的频段误差去除效果有限。在实际使用过程中，若需要改变束流口径每一次都需要单独安装，离子束抛光需要在真空条件下进行，变换离子束流尺寸需要释放真空并更换束流截断装置，此过程繁琐且加工效率低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种离子源出射离子束流口径自动变换装置以及设计方法，组合不同束流口径截断组件实现离子束流的在线自动转换，大幅提升单次加工效率。一种离子源出射离子束流口径自动变换装置，包括至少两级截断组件(1)；各截断组件(1)连接在同一个转轴上；转轴最下端通过转轴端子(2)连接固定圆环(4)；截断组件(1)为两端开口的空心锥台结构，上端开口为出口(12)，下端开口为入口(11)，出口(12)与入口(11)之间用支撑结构(13)连接；所述孔径自动变换装置在组装状态时，下一级的截断组件(1)的出口(12)与上一级截断组件(1)的入口(11)对接，最下方一级的截断组件(1)的入口(11)通过固定圆环(4)与离子源(6)出口对接；在对镜面抛光过程中，每一级截断组件(1)负责镜面误差中的一个频段误差的去除。截断组件(1)通过连接结构(3)与转轴端子(2)固连，各个转轴端子(2)按照对应截断组件(1)的排列顺序设置在所述转轴上。所述支撑结构(13)为铝金属材料。所述出口(12)为石墨材料。所述出口(12)内径边缘倒角处理。一种孔径自动变换装置的设计方法，包括如下步骤：步骤1、首先对镜面误差进行频谱分析，将误差频段划分为设定频段个数；步骤2、根据误差频段选择对应的去除函数半宽尺寸；步骤3、获得离子源(6)出射的离子束流三维空间分布；步骤4、根据去除函数半宽尺寸，对应在离子束流三维空间分布的表达式中找到与该去除函数半宽尺寸对应的离子束电流的半宽，该半宽对应的z值即为截断组件(1)的出口(12)与离子源(6)出口的距离；最后，结合离子源(6)出口尺寸、截断组件(1)的的出口(12)口径尺寸获得支撑结构(13)的锥度，由此完成第一级离子束流截断装置的设计；步骤5、对于第二级截断组件(1)，将第一级截断组件(1)的出口(12)作为离子源(6)出口，根据该级截断组件(1)需要去除的误差的频段范围，按照步骤2至步骤4的方法，完成第二级截断组件(1)的设计；以此类推，继续计算其它各级截断组件(1)的参数，由此完成整个装置的设计。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的装置能够在单次离子束加工过程中实现多种束流口径的转换，从而获得不同尺寸的去除函数，能够针对镜面上空间波长不同的频段误差进行去除函数选择与变换，提高加工效率及单次加工收敛率。附图说明图1为本专利技术装置的各个截断组件分开状态时的结构示意图；图2为本专利技术的截断组件的示意图；图3为本专利技术装置的各个截断组件组合状态时的结构示意图；图4为本专利技术装置的石墨出口的结构示意图；图5(a)为在未安装截断组件前离子源的束流分布；图5(b)为在安装第一级截断组件后的束流分布；图6(a)为镜面误差分布示意图；图6(b)为镜面误差低频成分分布示意图；图6(c)为镜面误差中频成分分布示意图；图6(d)为镜面误差高频成分分布示意图；其中，1-截断组件，11-入口，12-出口，13-支撑结构，2-转轴端子，3-连接结构，4-固定圆环，5-电机，6-离子源。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。如图1和3所示，本专利技术的装置包括至少两个截断组件1；各个截断组件1通过连接结构3连接有转轴端子2，各个转轴端子2按照所在截断组件1的排列顺序设置在同一个转轴上。转轴最下端通过转轴端子2连接固定圆环4；如图2所示，截断组件1为两端开口的空心锥台结构，上端开口为出口12，下端开口为入口11，出口12与入口11之间用支撑结构13连接。本装置在组装状态时，下一级的截断组件1的出口12与上一级截断组件1的入口11对接，最下方一级的截断组件1的入口11通过固定圆环4与离子源6出口对接；在对镜面抛光过程中，每一级截断组件1负责镜面误差中的一个频段误差的去除。其中，支撑结构13为铝金属材料，如图4所示，出口12为石墨材料，选择石墨作为出口部件材质，因为石墨在离子束流轰击下能够保持性质稳定且损耗速度慢，石墨出口尺寸决定了此束流截断组件1的最终束径尺寸。石墨出口12内径边缘倒角处理，确保出射离子束流受到石墨影响最小。具体的，第一级截断组件1通过固定圆环4安装在离子源6前端出口处，由子源口径大小决定本装置的具体尺寸，根据待加工镜面的频段误差特点确定本装置中包括的截断组件1的级数以及截断组件1的高度和口径尺寸。装置后端安装有真空电机5，可以控制截断组件1绕转轴转动。不同的截断组件1之间通过转轴端子2连接，截断组件1绕转轴端子2旋转，实现不同束流口径的转换。工作时，先将第一级截断组件1转到离子源6上方，并通过固定圆环4与离子源6出口对接，由此，其它级的截断组件1避开离子源6上方的位置，第一级截断组件1可实现镜面表面的对应频段误差的去除；完成后，将第二级截断组件1旋转至第一级截断组件1上方，对接完毕后，可实现镜面表面的对应频段误差的去除，依次类推，根据去除的需要，将需要的截断组件1转入离子源6正对位置，组装成口径变换装置，可方便的实现镜面误差的去除。为了实现对束流口径变换装置的设计，本专利技术还提供了一种设计方法，具体为：锥台状的支撑结构13的锥度由离子束流空间分布及所需要的束径决定，由离子源6出射的离子束流呈汇聚式分布，对其进行截断需要结合实际的束流分布。设所需截断的束径为d1，则需要在束流截断处离子浓度在直径为d1的范围内达到总数的90％以上。由离子源6出射的离子束流在其工作截面内的浓度可以通过法拉第杯扫描过程获得，如图5(a)所示。离子束流在工作截面内的浓度分布通常呈高斯型，如式1所示:其中J0为镜面上束流截面内离子浓度峰值，σi和μi分别为束流截面内离子浓度在x、y方向上的高斯分布系数。本装置中束流截断组件1数量及其口径的选择需要根据待加工工件表面误差频段分布来决定。首先对镜面误差进行频谱分析，结合镜面口径尺寸和误差空间波长来分别划定镜面误差内的高、中、低频误差频段，如图6(a)、(b)、(c)和(d)所示。面形误差的离散傅里叶频谱具有式(2)所示形式，其中，S为面形误差离散傅里叶变换，R和I分别为傅里叶变换的实部和虚部。空间域和频率域采样分辨率的关系如下在对镜面频段误差进行分析后，可以将镜面误差的频段划分为多个频段，一般情况下，将频段划分为高、中、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子源出射离子束流口径自动变换装置，其特征在于，包括至少两级截断组件(1)；各截断组件(1)连接在同一个转轴上；转轴最下端通过转轴端子(2)连接固定圆环(4)；截断组件(1)为两端开口的空心锥台结构，上端开口为出口(12)，下端开口为入口(11)，出口(12)与入口(11)之间用支撑结构(13)连接；所述孔径自动变换装置在组装状态时，下一级的截断组件(1)的出口(12)与上一级截断组件(1)的入口(11)对接，最下方一级的截断组件(1)的入口(11)通过固定圆环(4)与离子源(6)出口对接；在对镜面抛光过程中，每一级截断组件(1)负责镜面误差中的一个频段误差的去除。

【技术特征摘要】
1.一种离子源出射离子束流口径自动变换装置，其特征在于，包括至少两级截断组件(1)；各截断组件(1)连接在同一个转轴上；转轴最下端通过转轴端子(2)连接固定圆环(4)；截断组件(1)为两端开口的空心锥台结构，上端开口为出口(12)，下端开口为入口(11)，出口(12)与入口(11)之间用支撑结构(13)连接；所述孔径自动变换装置在组装状态时，下一级的截断组件(1)的出口(12)与上一级截断组件(1)的入口(11)对接，最下方一级的截断组件(1)的入口(11)通过固定圆环(4)与离子源(6)出口对接；在对镜面抛光过程中，每一级截断组件(1)负责镜面误差中的一个频段误差的去除。2.如权利要求1所述的一种离子源出射离子束流口径自动变换装置，其特征在于，截断组件(1)通过连接结构(3)与转轴端子(2)固连，各个转轴端子(2)按照对应截断组件(1)的排列顺序设置在所述转轴上。3.如权利要求1所述的一种离子源出射离子束流口径自动变换装置，其特征在于，所述支撑结构(13)为铝金属材料。4.如权利要求1所述的一种离子源出射离子束流口径自动变换装置，其特征在于，所述出口(...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐瓦，邓伟杰，李锐钢，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22