本发明涉及离子束超精密加工，具体涉及一种离子束束径动态约束调节装置及其参数优化方法。
背景技术：
1、光学元件的精度是光学系统整体性能的关键参数之一，随着科技的不断发展，观测系统、激光系统、光刻投影等技术对光学元件的制造精度提出了严苛的要求。超精密离子束抛光技术是一种先进的光学元件加工技术，该技术基于离子溅射理论，利用一定能量的粒子流轰击光学元件表面，当被轰击的表面原子获得足够的能量后，便可以摆脱表面能的束缚，脱离工件表面，从而实现具有高斯型轮廓的原子量级材料去除。离子束抛光技术是现阶段一种高确定性、高稳定性和非接触的超精密加工方法。
2、要对一定空间频率误差进行修正，理论上离子束流的半峰全宽应小于误差波长的一半。因此对于现阶段一些轻小型、高陡度光学元件，产生小束径离子束（强毫米级或亚毫米级离子束）是成功实现此类元件形状误差校正的关键因素。
3、目前，普遍的产生小束径离子束的方法是在离子源出口处设置合适尺寸的光阑片，每次修形前根据加工需求进行更换，由于离子源工作于高真空环节，更换光阑片不可避免地需要破坏真空环境，延长制造周期。少部分离子束抛光系统安装有自动光阑装置，避免了破坏真空环境，然而这种方案需要进行复杂的传动设计，成本较高。此外，对于一些特殊元件的加工工艺，如锥镜加工，当加工区域从侧面过渡至锥尖区域时，离子束流需要调整至极小的尺寸，若采用传统更换光阑片的方法，降低了加工的连贯性，离子束径在毫米至亚毫米范围内不能连续可调。与此同时，光阑片的设置会阻挡大部分束流能量，离子束流能量利用率极低。因此，此离子束抛光系统离子束径在毫米至亚毫米范围内不能连续可调，难以满足产生小束径离子束（强毫米级或亚毫米级离子束）的要求。
4、现有申请号为202311212077.0的一种离子束束径调节装置、离子束发生装置，包括绝缘安装座，绝缘安装座上设有用于供离子束经过的内孔，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，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，减速极、聚束极和加速极均为环形结构，对减速极、聚束极和加速极施加不同电压，可对电子束分别起到减速、聚束和加速的作用。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。该离子束束径调节装置仅能通过一个电透镜对离子束束径动态调节，只能满足离子束径在毫米以上范围内连续可调，难以满足产生小束径离子束（强毫米级或亚毫米级离子束）的要求，适应性差。若采用多个电透镜串联调节离子束束径，一方面，面临如何使离子束径连续可调的问题；另一方面，面临如何降低离子束流在各电透镜之间的能量损耗问题；第三方面，面临各电透镜的减速极、聚束极和加速极的直径、间距及电透镜之间连通件相关参数的确定问题。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能满足产生小束径离子束要求，适应性好，既使得离子束在整个过程中束径连续调节，又降低离子束流在各电透镜组件之间能量损耗的离子束束径动态约束调节装置；还提供一种便于确定离子束束径动态约束调节装置的相关参数及验证和制备最合理的离子束束径动态约束调节装置的离子束束径动态约束调节装置的参数优化方法。
2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
3、一种离子束束径动态约束调节装置，包括安装架、以及依次且同轴设置在安装架上的第一离子束通道、第二离子束通道和第三离子束通道，所述第一离子束通道和第三离子束通道均呈圆柱形，且所述第一离子束通道的直径比第三离子束通道的大，所述第二离子束通道呈锥形，且所述第二离子束通道的大口径端与第一离子束通道的出口端连通、小口径端与第三离子束通道的进口端连通，所述第二离子束通道的大口径端的内径比第一离子束通道的小、小口径端的内径比第三离子束通道的小，所述安装架于第一离子束通道的周侧设有用于改变离子轨迹实现束径调节的第一电透镜组件、于第三离子束通道的周侧设有用于改变离子轨迹实现束径调节的第二电透镜组件。
4、作为上述技术方案的进一步改进：
5、所述第二离子束通道的圆锥角为20°。
6、所述第二离子束通道大口径端的内径为14mm、小口径端的内径为2mm。
7、所述第一电透镜组件包括沿第一离子束通道的离子束输入到输出方向依次间隙布置的第一减速环、第一聚束环和第一加速环，所述第二电透镜组件包括沿第三离子束通道的离子束输入到输出方向依次间隙布置的第二减速环、第二聚束环和第二加速环。
8、所述安装架包括可拆卸连接的第一安装座、第二安装座和第三安装座，所述第一离子束通道设于第一安装座上，所述第二离子束通道设于第二安装座，所述第三离子束通道设于第三安装座上，所述第一减速环、第一聚束环和第一加速环活动套设于第一安装座上，所述第二减速环、第二聚束环和第二加速环活动套设于第三安装座上。
9、所述第一安装座于第一电透镜组件外设有第一绝缘外壳，所述第一绝缘外壳上设有用于锁定第一减速环的第一锁定件、用于锁定第一聚束环的第二锁定件和用于锁定第一加速环的第三锁定件，所述第三安装座于第二电透镜组件外设有第二绝缘外壳，所述第二绝缘外壳上设有用于锁定第二减速环的第四锁定件、用于锁定第二聚束环的第五锁定件和用于锁定第二加速环的第六锁定件。
10、所述第一安装座与第二安装座螺纹连接，所述第三安装座与第一绝缘外壳螺纹连接。
11、所述第一绝缘外壳上设有用于观测第一减速环、第一聚束环和第一加速环位置的第一可视口，所述第二绝缘外壳上设有用于观测第二减速环、第二聚束环和第二加速环位置的第二可视口。
12、所述第一减速环、第一聚束环和第一加速环的内径均为60mm、间距为5mm，所述第二减速环、第二聚束环和第二加速环的内径均为14mm、间距为4mm。
13、一种根据上述的离子束束径动态约束调节装置的参数优化方法，包括针对离子束束径动态约束调节装置的第一减速环、第一聚束环和第一加速环三者的电压、长度和间距、第二离子束通道的圆锥角和两端的内径、以及第二减速环、第二聚束环和第二加速环三者的电压、长度和间距作为待优化参数，针对不同的待优化参数组合下的离子束束径动态约束调节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动态约束调节装置。
14、与现有技术相比，本发明的优点在于：
15、本发明的离子束束径动态约束调节装置，让离子束先通过第一离子束通道，在第一电透镜组件的作用下实现减速、聚焦再加速的效果；再经过第二离子束通道进行浓缩，使离子束从第二离子束通道射出后束径聚焦至接近亚毫米范围；再经过第三离子束通道，在第二电透镜组件的作用下，可使离子束从第三离子束通道射出后束径至亚毫米范围内。初态等离子体在第一电透镜组件、第二离子束通道的作用下，可在短行程内将等离子体束径聚焦至接近亚毫米范围，结合第二电透镜组件可实现毫米至亚毫米范围内离子束束径的动态调节。本离子束束径动态约束调节装置，一方面，在周侧设有第一电透镜组件的第一离子束通道、第二离子束通道和周侧设有第二电透镜组件的第三离子束通道的结合作用下，能满足离子束径在毫米以上范围内连续可调，满足产生小束径离子束（强毫米级或亚毫米级离子束）的要求，另一方面，通过呈锥形的第二离子束通道连接作用，既使得离子束在整个过程中束径连续可调，又降低离子束流在各电透镜组件之间能量损耗。
16、本发明的束径动态约束调节装置的参数优化方法，一方面，便于确定各电透镜组件的减速极、聚束极和加速极的直径、间距及电透镜之间连通件相关参数；另一方面，便于验证和制备最合理的离子束束径动态约束调节装置。
1.一种离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：包括安装架（1）、以及依次且同轴设置在安装架（1）上的第一离子束通道（2）、第二离子束通道（3）和第三离子束通道（4），所述第一离子束通道（2）和第三离子束通道（4）均呈圆柱形，且所述第一离子束通道（2）的直径比第三离子束通道（4）的大，所述第二离子束通道（3）呈锥形，且所述第二离子束通道（3）的大口径端与第一离子束通道（2）的出口端连通、小口径端与第三离子束通道（4）的进口端连通，所述第二离子束通道（3）的大口径端的内径比第一离子束通道（2）的小、小口径端的内径比第三离子束通道（4）的小，所述安装架（1）于第一离子束通道（2）的周侧设有用于改变离子轨迹实现束径调节的第一电透镜组件（5）、于第三离子束通道（4）的周侧设有用于改变离子轨迹实现束径调节的第二电透镜组件（6）。
2.根据权利要求1所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述第二离子束通道（3）的圆锥角为20°。
3.根据权利要求2所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述第二离子束通道（3）大口径端的内径为14mm、小口径端的内径为2mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述第一电透镜组件（5）包括沿第一离子束通道（2）的离子束输入到输出方向依次间隙布置的第一减速环（51）、第一聚束环（52）和第一加速环（53），所述第二电透镜组件（6）包括沿第三离子束通道（4）的离子束输入到输出方向依次间隙布置的第二减速环（61）、第二聚束环（62）和第二加速环（63）。
5.根据权利要求4所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述安装架（1）包括可拆卸连接的第一安装座（11）、第二安装座（12）和第三安装座（13），所述第一离子束通道（2）设于第一安装座（11）上，所述第二离子束通道（3）设于第二安装座（12），所述第三离子束通道（4）设于第三安装座（13）上，所述第一减速环（51）、第一聚束环（52）和第一加速环（53）活动套设于第一安装座（11）上，所述第二减速环（61）、第二聚束环（62）和第二加速环（63）活动套设于第三安装座（13）上。
6.根据权利要求5所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述第一安装座（11）于第一电透镜组件（5）外设有第一绝缘外壳（14），所述第一绝缘外壳（14）上设有用于锁定第一减速环（51）的第一锁定件（141）、用于锁定第一聚束环（52）的第二锁定件（142）和用于锁定第一加速环（53）的第三锁定件（143），所述第三安装座（13）于第二电透镜组件（6）外设有第二绝缘外壳（15），所述第二绝缘外壳（15）上设有用于锁定第二减速环（61）的第四锁定件（151）、用于锁定第二聚束环（62）的第五锁定件（152）和用于锁定第二加速环（63）的第六锁定件（153）。
7.根据权利要求6所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述第一安装座（11）与第二安装座（12）螺纹连接，所述第三安装座（13）与第一绝缘外壳（14）螺纹连接。
8.根据权利要求6所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述第一绝缘外壳（14）上设有用于观测第一减速环（51）、第一聚束环（52）和第一加速环（53）位置的第一可视口（7），所述第二绝缘外壳（15）上设有用于观测第二减速环（61）、第二聚束环（62）和第二加速环（63）位置的第二可视口（8）。
9.根据权利要求4所述的离子束束径动态约束调节装置，其特征在于：所述第一减速环（51）、第一聚束环（52）和第一加速环（53）的内径均为60mm、间距为5mm，所述第二减速环（61）、第二聚束环（62）和第二加速环（63）的内径均为14mm、间距为4mm。
10.一种根据权利要求4至9中任一项所述的离子束束径动态约束调节装置的参数优化方法，其特征在于：包括针对离子束束径动态约束调节装置的第一减速环（51）、第一聚束环（52）和第一加速环（53）三者的电压、长度和间距、第二离子束通道（3）的圆锥角和两端的内径、以及第二减速环（61）、第二聚束环（62）和第二加速环（63）三者的电压、长度和间距作为待优化参数，针对不同的待优化参数组合下的离子束束径动态约束调节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动态约束调节装置。
