CN111739776A - 一种回旋离子束加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回旋离子束加工装置，属于离子加工设备技术领域。它包括工作台、离子源、离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件、末端离子束束流检测器、三维移动平台。通过均匀磁场使得离子束做回旋运动，三维移动平台控制离子束逐渐接近工件表面，对工件材料表面进行加工，由于离子束做回旋运动，加工完成后完全射出磁场，不会继续对工件表面造成损伤，因此，去除量一致性较好，工件表面更加平整；末端离子束束流检测器能够判断离子束与工件表面的接触情况以及当前接触点的材料去除是否已经完成。

Description

一种回旋离子束加工装置

技术领域

本发明涉及一种回旋离子束加工装置，属于离子加工设备技术领域。

背景技术

离子束加工具备原子级超精细去除、非接触与高确定性等独特优势，已被广泛应用于超精密光学元件修形、微刀具制造、微光电系统元器件制造、透射电镜样品制备、纳米结构加工等领域，是一种对国防装备、空间光学系统、先进半导体设备、精密刀具等高科技产业都具有重要意义的加工技术。在为各领域的超精密与纳米加工做出重要贡献的同时，离子束加工技术也存在一些亟待解决的问题。

亚表面损伤与离子残留是离子束加工技术面临的一个难题。当前只能通过减小离子束的能量或者涂覆保护层来降低损伤深度，或者通过更换离子种类来避免引入不能容忍的离子种类。这些方法并不能从根本上解决亚表面损伤的问题，而且会带来加工效率等方面的妥协。离子束加工技术面临的另一个难题是去除函数随材料性质的局部变化。对于多晶材料或者微晶玻璃之类的多相材料，离子束在加工取向不同的晶粒或者材料内部不同相的区域时，去除函数会发生改变。这种去除函数的改变会导致不同位置的材料去除量不一致，进而导致表面不平整。此外，不同于基于切削工具的加工过程通过控制刀具轨迹来保证所加工的形状轮廓，现有的离子束加工需要先确定去除函数，然后解算驻留时间以获得所需的去除量。但是去除函数受到离子束入射角度、离子束流强度、工件材料等很多因素的影响，并且对于复杂曲面驻留时间的解算比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种回旋离子束加工装置，它解决了目前采用离子束加工方式，工件表面不同区域的去除量一致性较差，导致工件表面不平整的问题。

本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：

一种回旋离子束加工装置，它包括工作台、离子源、离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件、末端离子束束流检测器、三维移动平台；

所述工作台表面固定有工件，工件始终处于侧向的均匀磁场中；

所述离子源和工件之间依次设有离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件，离子源射出的离子经过离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件后形成离子束，离子束经过均匀磁场回旋后射向末端离子束束流检测器；

所述离子源、离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件、末端离子束束流检测器共同构成离子束发生装置，离子束发生装置或者工作台两者之一安装在三维移动平台上，通过三维移动平台驱动离子束发生装置或者工作台移动，使得离子束回旋圆周与工件接触。

作为优选实例，所述工作台、工件、均匀磁场、三维移动平台外部设有磁场屏蔽罩，工作台安装在三维移动平台上，磁场屏蔽罩上设有离子束入射口和离子束出射口，离子束由离子束入射口进入磁场屏蔽罩内，由离子束出射口射出磁场屏蔽罩。

作为优选实例，所述离子束发生装置外部设有磁场屏蔽罩中，磁场屏蔽罩和离子束发生装置安装在三维移动平台上，磁场屏蔽罩上设有离子束出射口和离子束入射口，离子束由离子束出射口射出磁场屏蔽罩，由离子束入射口进入磁场屏蔽罩内。

作为优选实例，所述离子束聚焦组件与工件之间设有初端离子束束流检测器。

本发明的有益效果是：通过均匀磁场使得离子束做回旋运动，三维移动平台控制离子束逐渐接近工件表面，对工件材料表面进行加工，由于离子束做回旋运动，加工完成后完全射出磁场，不会继续对工件表面造成损伤，因此，去除量一致性较好，工件表面更加平整；末端离子束束流检测器能够判断离子束与工件表面的接触情况以及当前接触点的材料去除是否已经完成；在离子束入射工件之前设有初端离子束束流检测器，判断离子束是否达到加工束流强度，与末端离子束束流检测器检测结果相比较，能更精确地判断离子束与工件表面的接触状况。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明离子束回旋角度小于180°大于0°的结构示意图；

图5为本发明离子束开始向工件表面接近的局部放大示意图；

图6为本发明离子束与工件表面接触的局部放大示意图。

图中：工作台1，离子源2，离子束引出装置3，离子束速度选择器4，离子束聚焦组件5，末端离子束束流检测器6，三维移动平台7，工件8，均匀磁场9，离子束10，磁场屏蔽罩11，离子束入射口12，离子束出射口13，初端离子束束流检测器14。

具体实施方式

为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-图6所示所示，一种回旋离子束加工装置，它包括工作台1、离子源2、离子束引出装置3、离子束速度选择器4、离子束聚焦组件5、末端离子束束流检测器6、三维移动平台7；

工作台1表面固定有工件8，工件8始终处于侧向的均匀磁场9中；

离子源2和工件8之间依次设有离子束引出装置3、离子束速度选择器4、离子束聚焦组件5，离子源2射出的离子经过离子束引出装置3、离子束速度选择器4、离子束聚焦组件5后形成离子束10，离子束10经过均匀磁场9回旋后射向末端离子束束流检测器6；

离子源2、离子束引出装置3、离子束速度选择器4、离子束聚焦组件5、末端离子束束流检测器6共同构成离子束发生装置，离子束发生装置或者工作台1两者之一安装在三维移动平台7上，通过三维移动平台7驱动离子束发生装置或者工作台1移动，使得离子束10回旋圆周与工件8接触。

离子源2及离子束引出装置3：依据加工对象及质量要求的不同，该离子束加工装置可以使用多种类型的离子源2。比如：液态金属离子源、气态场发射离子源、双等离子体离子源。离子束引出装置3可选择具有电压差的电极，离子源2产生的离子经过电极加速后射出。这些离子源2及配套的离子束引出装置3均为相应市售产品。

离子束速度选择器4：离子束速度选择器4其原理是广为人知和被讲授的，可以从商业市场获得相应的产品。对于本加工装置，可以选用典型的BE型离子束速度选择器4，其原理为：离子束速度选择器4是利用离子在均匀电场E、磁场B中受力平衡实现，当特定速度的离子受到的电场力与洛伦兹力相抵消时，保持直线运动，其他速度的离子运动轨迹弯曲无法继续前行，最终射出的离子，就是经过筛选后具有相同速度的离子。

离子束聚焦装置：离子束10的聚焦可以通过使用静电透镜离子光学系统或者磁透镜离子光学系统来实现。这些离子光学系统的原理和设计方法是广为人知和被讲授的。离子束聚焦组件5采用磁透镜，将离子聚焦成离子束10，经过聚焦的离子，形成平行离子束10，对工件8表面进行加工；或者关闭或去除离子束聚焦组件5，具有足够强度的发散的离子束10，也能够对工件8表面进行加工。

均匀磁场9及磁场屏蔽罩11：磁场发生装置产生均匀磁场9，磁场发生装置可以采用永磁铁，也可以是通电线圈。为了获得稳定的强磁场，本装置可以选用各种通电线圈磁场发生器。通电线圈磁场发生器的原理和设计方法是广为人知和被讲授的。对于该种加工装置，磁场的优选强度在0.3T到2T的范围内。另外需要有磁场屏蔽装置来隔开磁场区域和离子源2组件及检测器所在的区域。可以使用铁磁性材料来实现该屏蔽作用。利用铁磁材料将下方磁场及工作台1区域封闭起来，可以达到屏蔽磁场的作用。屏蔽装置上需要开小孔，以供离子束10进入和射出。或者也可以选择将离子束发生及检测装置部分使用铁磁性材料包围起来，以避免受磁场的影响。

离子束束流检测器：本加工装置依据所使用离子源2和离子束10强度的不同，可以选用多种类型的离子束束流检测器。比如霍尔电流传感器、法拉第笼(Farady cup)。这些离子束束流检测器的原理和设计方法是广为人知和被讲授的，可以在市场上购买到相关的产品。对于较大强度的离子束10(>10μA)，可以选用霍尔电流传感器。对于较小强度的离子束10(<10μA)，可以选用法拉第笼型检测器。

三维移动平台7：本加工装置通过使用三维移动平台7驱动，实现离子束10和工件8相对运动，来覆盖加工工件8整个表面，三维移动平台7类型包括但不限于：具有3个方向自由度的精密平移工作台、具有两个平移自由度和一个旋转自由度的精密工作台、具有3个平移自由度和1个或以上旋转自由度的精密工作台。精密工作台的原理和设计方法是广为人知和被讲授的，可以在市场上买到相关的产品。

加工过程：如图1、图5、图6所示，典型的加工工艺过程是，在离子源2、磁场发生装置已启动，工件8表面处产生均匀磁场9，末端离子束束流检测器6检测到稳定的离子束10以后，先由三维移动平台7控制工作台1上升，直到末端离子束束流检测器6检测到的束流强度大大降低或为0，此时保持工作台1不再上升，直到束流检测器检测到的离子束10强度恢复原有水平；这意味着该点的加工已完成。此时使用三维移动平台7控制工作台1根据所需加工的表面轮廓形状进行运动，可以对其他点进行加工。利用三维移动平台7对工艺过程进行控制的方法及其具体软件的开发方法是广为人知和被讲授的。

实施例1

如图1所示，工作台1、工件8、均匀磁场9、三维移动平台7外部设有磁场屏蔽罩11，工作台1安装在三维移动平台7上，磁场屏蔽罩11上设有离子束入射口12和离子束出射口13，离子束10由离子束入射口12进入磁场屏蔽罩11内，由离子束出射口13射出磁场屏蔽罩11。

实施例2

如图2所示，离子束发生装置外部设有磁场屏蔽罩11中，磁场屏蔽罩11和离子束发生装置安装在三维移动平台7上，磁场屏蔽罩11上设有离子束出射口13和离子束入射口12，离子束10由离子束出射口13射出磁场屏蔽罩11，由离子束入射口12进入磁场屏蔽罩11内。

实施例3

如图3所示，在实施例1或实施例2基础上，离子束聚焦组件5与工件8之间设有初端离子束束流检测器14。

如图4所示，离子束发生装置射出的离子束10，经过工件8处均匀磁场9后发生的偏转角度(即离子束10的回旋角度)大于0°，离子束10的回旋角度不限于图1-图3所示的180度，还可采用图4中的小于180°的回旋角度。

通过均匀磁场9使得离子束10做回旋运动，三维移动平台7控制离子束10逐渐接近工件8表面，对工件8材料表面进行加工，由于离子束10做回旋运动，加工完成后完全射出磁场，不会继续对工件8表面造成损伤，因此，去除量一致性较好，工件8表面更加平整；末端离子束束流检测器6能够判断离子束10与工件8表面的接触情况以及当前接触点的材料去除是否已经完成；在离子束10入射工件8之前设有初端离子束束流检测器14，判断离子束10是否达到加工束流强度，与末端离子束束流检测器6检测结果相比较，能更精确地判断离子束10与工件8表面的接触状况。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种回旋离子束加工装置，其特征在于，它包括工作台、离子源、离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件、末端离子束束流检测器、三维移动平台；

所述工作台表面固定有工件，工件始终处于侧向的均匀磁场中；

所述离子源和工件之间依次设有离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件，离子源射出的离子经过离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件后形成离子束，离子束经过均匀磁场回旋后射向末端离子束束流检测器；

所述离子源、离子束引出装置、离子束速度选择器、离子束聚焦组件、末端离子束束流检测器共同构成离子束发生装置，离子束发生装置或者工作台两者之一安装在三维移动平台上，通过三维移动平台驱动离子束发生装置或者工作台移动，使得离子束回旋圆周与工件接触。

2.根据权利要求1所述一种回旋离子束加工装置，其特征在于，所述工作台、工件、均匀磁场、三维移动平台外部设有磁场屏蔽罩，工作台安装在三维移动平台上，磁场屏蔽罩上设有离子束入射口和离子束出射口，离子束由离子束入射口进入磁场屏蔽罩内，由离子束出射口射出磁场屏蔽罩。

3.根据权利要求1所述一种回旋离子束加工装置，其特征在于，所述离子束发生装置外部设有磁场屏蔽罩中，磁场屏蔽罩和离子束发生装置安装在三维移动平台上，磁场屏蔽罩上设有离子束出射口和离子束入射口，离子束由离子束出射口射出磁场屏蔽罩，由离子束入射口进入磁场屏蔽罩内。

4.根据权利要求1所述一种回旋离子束加工装置，其特征在于，所述离子束聚焦组件与工件之间设有初端离子束束流检测器。

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