离子束修形离子源及其启动方法、真空腔室与流程

1.本技术涉及离子源技术领域，特别是一种离子束修形离子源及其启动方法、真空腔室。


背景技术：

2.在光学镀膜领域，有些工件需要修整平面或修正表面形状，因此需要使用离子束修形(ibf)进行处理，离子束修形技术具有精度高、确定性好等优点，应用越来越广泛。
3.离子束修形是使用离子源发射的离子束，在真空中轰击光学表面，利用轰击时发生的物理溅射效应去除光学元件表面材料，从而达到修正面形误差的目的，离子轰击工件表面的物理溅射过程伴随着复杂的能量传递与交换，并在工件内部引起级联碰撞，当工件表面原子被碰撞并获得足够的能量可以摆脱表面束缚时，脱离工件表面形成溅射原子。
4.由于离子束修形对离子源的特殊应用，要求离子源本身需要具有发热量低，在真空腔室中可移动的特点，且发射出的离子光斑必须足够小，一般需要<5mm，离子能量较高，一般在500～1000ev左右，工作稳定，束流稳定，并且工作时间往往需要几十到几百小时。
5.目前常用的离子源，在应用于离子束修形时，难以满足离子光斑足够小、离子能量较高以及长时间工作的要求，极大影响了在离子束修形中的使用效果。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对上述至少一种技术缺陷，提供一种离子束修形离子源，以提升在离子束修形中的使用效果。
7.一种离子束修形离子源，包括设于腔体两侧的阳极和磁场，以及设于腔体前端的栅网；还包括设于腔体后端的中空阴极，以及设置在中空阴极前的电子均匀板；其中，所述中空阴极从腔体后端套入腔体内；
8.所述中空阴极用于向腔体内注入电子束流；
9.所述电子均匀板将所述电子束流均匀分散进入到阳极区域内；
10.所述电子束流中的电子在阳极的电场和磁场的作用下电离，并在所述栅网的电场作用下引出离子束流。
11.在一个实施例中，所述的离子束修形离子源，还包括：控制器，以及分别连接所述控制器的栅网供电模块、阳极供电模块、启动供电模块和维持供电模块；
12.所述栅网供电模块用于向栅网提供电源，所述阳极供电模块用于向阳极提供电压，所述启动供电模块用于在启动中空阴极过程中提供启动电源，所述维持供电模块用于向中空阴极提供维持工作状态的维持电源；
13.所述控制器用于分别对栅网供电模块、阳极供电模块、启动供电模块和维持供电模块进行控制和管理。
14.在一个实施例中，所述的离子束修形离子源，还包括：设于栅网外侧的外置中和器，用于向所述离子束流提供中和电子。
15.在一个实施例中，所述的离子束修形离子源，还包括金属外壳；其中，所述中空阴极内置在所述金属外壳内，所述中空阴极的供气管道通过气体绝缘件连接到金属外壳外部。
16.在一个实施例中，所述的离子束修形离子源，还包括水冷外壳；其中，所述腔体内置在水冷外壳内，水冷外壳的水路用于对所述阳极进行冷却散热。
17.上述离子束修形离子源，采用中空阴极结构为阳极提供离子供体的中空阴极直流源结构，结构轻巧，性能稳定，实现了小束斑、大能量的离子束流输出，并可以控制离子束的能量和停留时间，在离子束修形中具有良好的使用效果。
18.本技术还提供一种离子束修形离子源的启动方法。
19.一种离子束修形离子源的启动方法，应用于上述的离子束修形离子源，该方法包括：
20.向中空阴极输入高纯惰性气体；
21.给中空阴极输入启动电压，使中空阴极引出电子束流；
22.向中空阴极输入维持电压以维持电子持续输出，关掉启动电压，中空阴极起辉引出电子束流，控制中空阴极进入正常工作状态；
23.中空阴极引出电子束流通过电子均匀板分散进入阳极内，电子束流在阳极电场和磁场的作用下电离产生离子；
24.离子在栅网电场的作用下引出离子束流。
25.在一个实施例中，所述的离子束修形离子源的启动方法，还包括：开启外置中和器，向所述栅网引出的离子束流提供中和电子。
26.上述实施例的离子束修形离子源的启动方法，通过启动中空阴极来启动离子源进入工作状态，启动方便，操作简单，工作稳定，具有更高的操作效率和实用效果。
27.本技术还提供一种真空腔室。
28.一种真空腔室，包括：上述的离子束修形离子源，以及真空室；其中，所述离子束修形离子源以活动形式设置在真空室内，在真空室内进行空间多维运动。
29.在一个实施例中，所述的真空腔室，还包括设于所述真空室外壳上的多芯气电真空接头；
30.其中，所述离子束修形离子源通过不锈钢波纹管套住的高温供电线与所述多芯气电真空接头连接；所述不锈钢波纹管两端使用不锈钢葛兰头进行连接。
31.在一个实施例中，所述的真空腔室，还包括设于所述真空室外壳上的密封的冷却水接头；其中，所述水冷外壳通过不锈钢波纹管套住的高温软性水管连接至所述冷却水接头；
32.所述中空阴极的供气管路通过不锈钢波纹管套住的高温软性气管连接至所述多芯气电真空接头。
33.上述真空腔室，通过结构轻巧和性能稳定的离子束修形离子源，能够满足各种满足表面修形场合应用，对工件逐层剥离减薄，达到精密修形加工的目的。
34.进一步的，离子束修形离子源在真空室内的所有线束、水路管道和气路采用软性管线并套在软性屏蔽波纹管中，具有良好屏蔽效果，离子束修形离子源可以在真空室内多维度自由运动，便于离子束修形使用。
附图说明
35.图1是一个实施例的离子束修形离子源的结构示意图；
36.图2是供电模块电气结构示意图；
37.图3是外置中和器安装示意图；
38.图4是离子束修形离子源的启动方法流程图；
39.图5是真空腔室的结构示意图。
具体实施方式
40.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
41.参考图1所示，图1是一个实施例的离子束修形离子源的结构示意图，图中所示是侧面角度的剖面图；如图示，该离子束修形离子源采用了直流离子源的结构设计，包括设于腔体两侧的阳极21和磁场24，以及设于腔体前端的栅网22；还包括设于腔体后端的中空阴极100，以及设置在中空阴极100前的电子均匀板30；其中中空阴极100从腔体后端套入腔体内；另外，中空阴极100还设有气体绝缘件11、.管道金属连接件12、金属气管道13、第一.绝缘件15、管道金属大小头连接件16、第二绝缘件17、中空阴极管维持极18和中空阴极管19等等结构。
42.在工作中，中空阴极100用于向腔体内注入电子束流；电子均匀板30将电子束流均匀分散进入到阳极21区域内；电子束流中的电子在阳极21的电场和磁场24的作用下电离，并在栅网22的电场作用下引出离子束流。
43.进一步的，如图1，本技术的离子束修形离子源还包括金属外壳14和水冷外壳23；其中中空阴极100内置在金属外壳14内，中空阴极100的供气管道通过气体绝缘件11连接到金属外壳14外部；腔体内置在水冷外壳23内，水冷外壳23的水路用于对阳极21进行冷却散热；通过金属外壳14可以对中空阴极100进行良好的真空保护，金属外壳14和水冷外壳23可以进行紧密形状设计，以到达降低设备体积的目的。
44.上述实施例的离子束修形离子源，采用中空阴极结构为阳极提供离子供体的中空阴极直流源结构，结构轻巧，性能稳定，实现了小束斑、大能量的离子束流输出，并可以控制离子束的能量和停留时间，在离子束修形中具有良好的使用效果。
45.为了更加优化本技术技术方案的使用效果，下面提供更多实施例。
46.参考图2所示，图2是供电模块电气结构示意图，本技术的离子束修形离子源还包括：控制器，以及分别连接控制器的栅网供电模块、阳极供电模块、启动供电模块和维持供电模块；其中，栅网供电模块用于向栅网22提供电源，阳极供电模块用于向阳极21提供电压，启动供电模块用于在启动中空阴极100过程中提供启动电源，维持供电模块用于向中空阴极100提供维持工作状态的维持电源；控制器用于分别对栅网供电模块、阳极供电模块、启动供电模块和维持供电模块进行控制和管理。
47.如上所示，四个供电模块既可以实现单独模块化，也可以在一个供电模块作用于几个部件的供电输入，优选的，上述四个供电模块可以集成在一个标准的工业4u机箱内，由控制器对各个供电模块进行集中控制和管理，方便对供电模块进行不同参数的设置，操作
集中，方便快捷。
48.在一个实施例中，为了提升离子束的输出效果，本技术的离子束修形离子源还可以在栅网22外侧设置外置中和器40，参考图3所示，图3是外置中和器安装示意图，该外置中和器40用于向离子束流提供中和电子；通过外置中和器40实现离子源输出的离子束提供有效中和，可以明显提升离子源的使用效果。
49.下面产生本技术的离子束修形离子源的启动方法的实施例。
50.参考图4所示，图4是离子束修形离子源的启动方法流程图，包括如下步骤：
51.s1，向中空阴极输入高纯惰性气体；具体的，先通过进气口输入高纯惰性气体，气体经过气体绝缘件、管道金属连接件、金属气管道流入到中空阴极管。
52.s2，给中空阴极输入启动电压，使中空阴极引出电子束流；具体的，向中空阴极输入一个高压的启动电压，使中空阴极管的顶部与中和器维持极之间拉出拉弧，引出电子束流。
53.s3，向中空阴极输入维持电压以维持电子持续输出，关掉启动电压，中空阴极起辉引出电子束流，控制中空阴极进入正常工作状态。
54.s4，中空阴极引出电子束流通过电子均匀板分散进入阳极内，电子束流在阳极电场和磁场的作用下电离产生离子。
55.s5，离子在栅网电场的作用下引出离子束流。
56.s6，开启外置中和器，向所述栅网引出的离子束流提供中和电子。
57.上述实施例的离子束修形离子源的启动方法，通过启动中空阴极来启动离子源进入工作状态，启动方便，操作简单，工作稳定，具有更高的操作效率和实用效果。
58.下面阐述真空腔室的实施例。
59.参考图5，图5是真空腔室的结构示意图，包括离子束修形离子源以及真空室；其中离子束修形离子源以活动形式设置在真空室内，在真空室内进行空间多维运动；进一步的，真空室外壳上还设置有多芯气电真空接头51和密封的冷却水接头52；其中，离子束修形离子源通过不锈钢波纹管套住的高温供电线511与多芯气电真空接头51连接；不锈钢波纹管两端使用不锈钢葛兰头501进行连接；对应的，栅网供电模块、阳极供电模块、启动供电模块和维持供电模块可以连接多芯气电真空接头从而向栅网22提供电源、向阳极21提供电压，向中空阴极100过程中提供启动电源和维持电源。水冷外壳23通过不锈钢波纹管套住的高温软性水管521连接至冷却水接头；中空阴极100的供气管路通过不锈钢波纹管套住的高温软性气管513连接至多芯气电真空接头。
60.上述实施例的技术方案，离子束修形离子源在真空室内的所有线束、水路管道和气路采用软性管线并套在软性屏蔽波纹管中，具有良好屏蔽效果，离子束修形离子源可以在真空室内多维度自由运动，便于离子束修形使用。
61.综合上述各实施例的技术方案，可以看出，本技术的离子束修形离子源，使用了中空阴极驱动，实现很低的热辐射，发热量低，实测温度不超过70
°
；直流驱动，尺寸小，保证离子源可以进行空间多维运动；使用的中空阴极，连续工作时间能达到数百小时，发射出的离子光斑足够小，栅网结构可以实现15mm
‑
60mm的出射面积，通过掩膜配合即可以实现5mm以下的作用光斑，离子能量较高，实测数据在一般在500～1000ev左右，可以通过3层栅网的结构，能实现100～1500ev的能量输入；工作稳定，束流稳定。
62.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。