本發(fā)明屬于等離子體設(shè)備，具體涉及到一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、在高分辨空間光學(xué)系統(tǒng)、慣性約束激光核聚變、高精度光刻機(jī)、軍用強(qiáng)激光系統(tǒng)中需要批量化實現(xiàn)碳化硅、藍(lán)寶石和熔石英等硬脆難加工核心光學(xué)元件的超精密制造。傳統(tǒng)加工工藝極易在此類光學(xué)元件表面形成表面及亞表面損傷層，損傷層的存在會造成散射和成像質(zhì)量下降，降低元件的使用壽命。如何才能既實現(xiàn)損傷層高效去除，又能兼顧面形快速收斂，是目前要解決的問題。

2、聚焦離子束拋光以其高效的面形收斂速度和精度，已成為中大口徑硬脆光學(xué)元件面形修正的主流方法。國內(nèi)仍以進(jìn)口和仿制國外離子源和相關(guān)拋光技術(shù)為主，聚焦離子束射頻源和微波源是目前國內(nèi)外中大口徑硬脆光學(xué)元件主流拋光加工核心裝置，但此類離子源采用石墨作為柵網(wǎng)和陽極材料，引入反應(yīng)氣體后，不僅會造成部件損耗加大，在刻蝕過程中也極易造成元件污染，降低元件表面質(zhì)量和性能。在不引入反應(yīng)氣體的前提下，此類離子源的刻蝕效率較低，不適用于光學(xué)元件損傷層的快速去除。更重要的是，在此類射頻源的放電原理和構(gòu)造方面，我國已無法獲得自主知識產(chǎn)權(quán)。

3、除國外生產(chǎn)的聚焦離子束射頻源和微波源外，現(xiàn)有的聚焦離子束源的技術(shù)方案還有聚焦式考夫曼源和霍爾陽極層離子源。如在“cn211125568u”中公開了“一種離子束鍍膜聚焦離子源”，其采用考夫曼離子源結(jié)構(gòu)，存在的技術(shù)問題是：仍需使用兩級柵網(wǎng)形成聚焦離子束，在工作過程中，柵網(wǎng)材料仍會被離子束濺射到工件表面，造成污染。在“cn110767522b”中公開的“一種聚焦型線性陽極層離子源”、在“cn106653557a”中公開的“一種聚焦式陽極層離子源裝置”，以及cn117912922a中公開的“一種無柵聚焦束離子源”，均采用霍爾陽極層離子源結(jié)構(gòu)，三者共同存在的技術(shù)問題有三點：

4、1、無進(jìn)一步離子束聚焦約束裝置，陽極和陰極之間的霍爾正交電磁場會使出射離子在垂直引出方向上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)分量，導(dǎo)致引出離子束形成漏斗狀分布，離子能量在束腰處不能形成正太分布，無法實現(xiàn)確定性定點去除；

5、2、陽極無優(yōu)化設(shè)計，陽極的優(yōu)化可使等離子體分布壓縮到引出間隙處，提高引出離子束的密度；

6、3、未引入反應(yīng)氣體，無法同時滿足光學(xué)元件的保形加工和損傷層的快速去除。

7、鑒于上述問題，目前聚焦式霍爾陽極層離子源還未成功應(yīng)用于光學(xué)元件的加工。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決目前霍爾陽極層離子源無法獲得離子能量呈正太分布的聚焦離子束，導(dǎo)致無法實現(xiàn)光學(xué)元件表面確定性定點去除；離子源未引入反應(yīng)氣體，無法同時滿足光學(xué)元件的保形加工和損傷層的快速去除的問題,提供一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，包括設(shè)置于底板上的筒狀外殼、筒狀外殼內(nèi)設(shè)置有陽極、外陰極和中心陰極，筒狀外殼內(nèi)的底板中心設(shè)置有工作氣體導(dǎo)入裝置，中心陰極設(shè)置于工作氣體導(dǎo)入裝置上，外陰極的向下傾斜的內(nèi)環(huán)與中心陰極向上傾斜的內(nèi)環(huán)相對設(shè)置之間的間隙為離子束引出間隙；所述的陽極和外陰極、中心陰極之間設(shè)置有電離區(qū)，筒狀外殼的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置有電離磁線圈，中心陰極上方設(shè)置有磁透鏡中心磁極，所述的磁透鏡中心磁極中間設(shè)置有反應(yīng)氣體導(dǎo)出孔，反應(yīng)氣體由導(dǎo)氣管經(jīng)中心陰極導(dǎo)入磁透鏡中心磁極，再由磁透鏡中心磁極中設(shè)置的導(dǎo)出孔導(dǎo)出，外陰極的上部從下到上依次設(shè)置有磁透鏡線圈和磁透鏡外磁極。

3、進(jìn)一步,磁透鏡中心磁極外端面向上傾斜構(gòu)成y型，導(dǎo)氣管從磁透鏡中心磁極底部中心伸入，磁透鏡外磁極內(nèi)端面向下傾斜，傾斜角度0～50°，且磁透鏡中心磁極和磁透鏡外磁極傾斜部分處于同一錐面內(nèi)。

4、進(jìn)一步,磁透鏡外磁極的上部結(jié)構(gòu)與外陰極的上部結(jié)構(gòu)相同。

5、進(jìn)一步,陽極的上端面寬度與離子束引出間隙寬度一致。

6、進(jìn)一步,磁透鏡外磁極內(nèi)端面到外陰極的垂直距離大于磁透鏡外磁極內(nèi)端面到磁透鏡中心磁極外端面的垂直距離。

7、進(jìn)一步,磁透鏡中心磁極中的反應(yīng)氣體導(dǎo)出孔角度設(shè)置為0～60°。

8、進(jìn)一步,磁透鏡線圈和電離磁線圈采用無芯電磁線圈，采用直徑1mm以上的絕緣漆包線繞制。

9、進(jìn)一步,根據(jù)不同加工場景，離子束源采用圓柱形或矩形設(shè)計。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：

11、1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用磁透鏡對引出的離子束進(jìn)一步約束，使聚焦離子束焦點處離子能量呈正太分布，解決了聚焦霍爾離子源無法用于光學(xué)元件確定性定點加工的問題。

12、2、本發(fā)明對陽極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使等離子體分布集中在引出間隙處，一方面提高工作氣體離化率，另一方面提高了引出離子束密度。

13、3、本發(fā)明引入反應(yīng)氣體，并采用工作氣體和反應(yīng)氣體分離式設(shè)計，可有效避免反應(yīng)氣體對陽極的腐蝕，從根本上解決了現(xiàn)有主流考夫曼源和射頻源中燈絲電極、石墨陽極以及柵網(wǎng)易于腐蝕，無法用于反應(yīng)刻蝕的問題。

14、4、由于本發(fā)明基于無柵結(jié)構(gòu)聚焦霍爾陽極層離子源設(shè)計，因此從根本上解決了現(xiàn)有射頻或微波離子源在工作時聚焦柵網(wǎng)對被加工件表面的污染問題。

技術(shù)特征：

1.一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，包括設(shè)置于底板上的筒狀外殼、筒狀外殼內(nèi)設(shè)置有陽極（1）、外陰極（2）和中心陰極（3），筒狀外殼內(nèi)的底板中心設(shè)置有工作氣體導(dǎo)入裝置（8），中心陰極（3）設(shè)置于工作氣體導(dǎo)入裝置（8）上，外陰極（2）的向下傾斜的內(nèi)環(huán)與中心陰極（3）向上傾斜的內(nèi)環(huán)相對設(shè)置之間的間隙為離子束引出間隙；其特征在于：所述的陽極（1）和外陰極（2）、中心陰極（3）之間設(shè)置有電離區(qū)，筒狀外殼的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置有電離磁線圈（7），中心陰極（3）上方設(shè)置有磁透鏡中心磁極（4），所述的磁透鏡中心磁極（4）中間設(shè)置有反應(yīng)氣體導(dǎo)出孔，反應(yīng)氣體由導(dǎo)氣管（9）經(jīng)中心陰極（3）導(dǎo)入磁透鏡中心磁極（4），再由磁透鏡中心磁極（4）中設(shè)置的導(dǎo)出孔導(dǎo)出，外陰極（2）的上部從下到上依次設(shè)置有磁透鏡線圈（6）和磁透鏡外磁極（5）。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，其特征在于：所述的磁透鏡中心磁極（4）外端面向上傾斜構(gòu)成y型，導(dǎo)氣管（9）從磁透鏡中心磁極（4）底部中心伸入，磁透鏡外磁極（5）內(nèi)端面向下傾斜，傾斜角度0~50°，且磁透鏡中心磁極（4）和磁透鏡外磁極（5）傾斜部分處于同一錐面內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，其特征在于：所述的磁透鏡外磁極（5）的上部結(jié)構(gòu)與外陰極（2）的上部結(jié)構(gòu)相同。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，其特征在于：所述的陽極（1）的上端面寬度與離子束引出間隙寬度一致。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，其特征在于：所述的磁透鏡外磁極（5）內(nèi)端面到外陰極（2）的垂直距離大于磁透鏡外磁極（5）內(nèi)端面到磁透鏡中心磁極（4）外端面的垂直距離。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，其特征在于：所述的磁透鏡中心磁極（4）中的反應(yīng)氣體導(dǎo)出孔角度設(shè)置為0~60°。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，其特征在于：所述的磁透鏡線圈（6）和電離磁線圈（7）采用無芯電磁線圈，采用直徑1mm以上的絕緣漆包線繞制。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源，其特征在于：根據(jù)不同加工場景，離子束源采用圓柱形或矩形設(shè)計。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁透鏡約束聚焦反應(yīng)離子束源.本發(fā)明能獲得離子能量呈正太分布的聚焦離子束，并引入反應(yīng)氣體，實現(xiàn)光學(xué)元件表面損傷層的快速去除。本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括陽極，設(shè)置于陽極上方的外陰極和設(shè)置于離子源中間的中心陰極，所述的陽極、外陰極和中心陰極為異形圓環(huán)，外陰極和中心陰極之間設(shè)置有離子束引出間隙，陽極和外陰極、中心陰極之間設(shè)置有電離區(qū)，陽極外側(cè)設(shè)置有電離磁線圈，中心陰極下方設(shè)置有工作氣體導(dǎo)入裝置，中心陰極上方設(shè)置有磁透鏡中心磁極，所述磁透鏡中心磁極中間設(shè)置有反應(yīng)氣體導(dǎo)出孔，反應(yīng)氣體由導(dǎo)氣管經(jīng)中心陰極導(dǎo)入磁透鏡中心磁極，磁透鏡中心磁極外周設(shè)置有磁透鏡線圈，磁透鏡線圈上方設(shè)置有磁透鏡外磁極。

技術(shù)研發(fā)人員：張進(jìn),吳嘉俊,劉衛(wèi)國,惠迎雪,秦文罡,梁海鋒,栗旭陽,蔡長龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9