【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于离子束超精密加工，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。
技术介绍
1、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。
2、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。
3、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
4、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。
5、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。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题：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，本专利技术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。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
3、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。
4、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。
5、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。
6、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。
7、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。
8、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。
9、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。
10、此外，本专利技术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。
11、此外，本专利技术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。
12、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。
13、和现有技术相比，本专利技术主要具有下述优点：
14、1、本专利技术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，本专利技术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。
15、2、本专利技术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。
16、3、本专利技术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。
17、4、本专利技术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。
18、5、本专利技术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。
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1.一种离子束束径调节装置，其特征在于，包括绝缘安装座(1)，所述绝缘安装座(1)上设有用于供离子束经过的内孔(11)，所述绝缘安装座(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，所述电磁透镜包括电透镜(2)和磁透镜(3)。
2.根据权利要求1所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述电透镜(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)，所述减速极(21)、聚束极(22)和加速极(23)均为环形结构。
3.根据权利要求2所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述减速极(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)。
4.根据权利要求3所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述加速极(23)的端部连接有与内孔(11)平行的套管(24)，所述磁透镜(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。
5.根据权利要求4所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述套管
6.根据权利要求1所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述磁透镜(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，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。
7.根据权利要求6所述的离子束束径调节装置，其特征在于，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。
8.一种离子束发生装置，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，其特征在于，所述离子束束径调节装置为权利要求1～7中任意一项所述的离子束束径调节装置。
9.一种权利要求8所述的离子束发生装置的应用方法，其特征在于，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。
10.根据权利要求9所述的离子束发生装置的应用方法，其特征在于，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。
...【技术特征摘要】
1.一种离子束束径调节装置，其特征在于，包括绝缘安装座(1)，所述绝缘安装座(1)上设有用于供离子束经过的内孔(11)，所述绝缘安装座(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，所述电磁透镜包括电透镜(2)和磁透镜(3)。
2.根据权利要求1所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述电透镜(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)，所述减速极(21)、聚束极(22)和加速极(23)均为环形结构。
3.根据权利要求2所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述减速极(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)。
4.根据权利要求3所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述加速极(23)的端部连接有与内孔(11)平行的套管(24)，所述磁透镜(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。
5.根据权利要求4所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述套管(24)上设有接线孔(241)，所述减速极(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。
6.根据权利要求1所述的离子束束径调节装置，其特征在于，所述磁透镜(3)包括沿着内孔(11)的离子束输入...
【专利技术属性】
技术研发人员：田野，石峰，乔冬阳，郭双鹏，周港，谢凌波，宋辞，铁贵鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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