离子束加工课件.ppt

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1、一.概述二.离子束加工原理三.离子束加工特点四.离子束离子源五.离子束应用范围六.等离子体加工七.等离子体加工特点八.等离子体加工应用九.现状与发展趋势一.概述发展史纵观离子束技术发展史，最早可追溯到本世纪初。1906年哥达德（Goddard）提出，在宇宙空间可借助电力方法推进空间载体运行。自此，很多空间电推进力装置的设想相继而生。开拓这个领域的先驱们不约而同地发现，电场加速离子方法在实现空间飞行使命将具有极大的潜力和可行性，因为离子的高冲量无疑是最理想的推进手段。从此，解开了人类探索空间的新纪元。1960年美国航空航天局拟定了一项空间飞行计划，决定研制控制卫

2、星姿态的电推进器系统（EBTS），由卡夫曼（Kaufman）教授主持设计宽束低束流密度的电子轰击电推进器，经过近十年完成了代号为SERT—Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型的飞行实验，取得了突破性的进展。从此，这种离子发动机称之为Kaufman离子源。不久，贝尔（Bell）实验室的专家们把这种大口径均匀离子发射技术转移到地面应用，开拓了离子束刻蚀（IBE）工艺技术，显示出超微细结构的加工能力。从原理上看，在空间与地面应用并无本质的区别，前者需要的是发射大面积重离子（Hg）均匀束，目的是给卫星系统提供足够大的比推；后者则采用惰性气体（Ar）作为工质，使均匀的离子束入射到材料表面，产生

3、预期的刻蚀效果。由于空间和地面工作环境极不相同，因此，离子发射装置的设计要求各有偏重。在地面上更关心的是满足刻蚀工艺的需要和技术商用化。经过近30年的发展，各技术发达国家已普遍使用这项技术于科学家研究和军事目的。其中，美国起步早，水平高，研究深入，普及广泛。其次是日本、英国、中国等。然而，从技术应用的深度和广度来看，这项技术仍然是一项年轻的技术，未来发展的规模和对高科技的影响尚难估计。不过可以肯定，用这个带有能量的离子作为超微型技术炮弹，将会轰开许多科技奥秘的大门，闪烁出耀眼的科技光彩。新闻中国具备研发磁流变和离子束抛光装备能力——世界唯一1纳米有多长？相当于

4、一根头发丝直径的1/80000。亚纳米有多长？小于1纳米！1月中旬，国防科大精密工程创新团队自主研制的磁流变和离子束两种超精抛光装备，创造了光学零件加工的亚纳米精度，并通过国家权威部门验收。据专家介绍，这一成果使我国成为继美国、德国之后第3个掌握高精度光学零件制造加工技术的国家，并成为世界上唯一同时具有磁流变和离子束抛光装备研发能力的国家。纳米精度被誉为超精密加工技术“皇冠上的明珠”。20世纪90年代，我国大多采用“手工+机械抛光”的传统加工技术，无法进行大口径、高精度、复杂面形的光学零件加工。国防科大精密工程创新团队在李圣怡教授率领下，经过20多年顽强拼搏，

5、突破重重技术瓶颈，自主研制出磁流变、离子束两种超精抛光装备，创造出我国光学零件加工领域的亚纳米精度。近3年来，该团队先后与中国科学院、中国航天科技集团等单位合作，推动我国空间光学、高端装备制造发展，自主研制出两大类7个型号的磁流变和离子束抛光机床，取得了显著经济效益和社会效益。该团队先后获得科技部重大科技专项颁发的“突出贡献奖”和“突出成果奖”。离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，最后射入工件表面。二.离子束加工原理三.离子束加工特点加工精度高。离

6、子束加工是目前最精密、最微细的加工工艺。离子束轰击工件的材料时，其束流密度和能量可以精确控制。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。环境污染少。离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。加工质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。与电子束相比（1）相同点：在真空条件中进行；粒子束加工（2）不同点：带正电荷的离子，质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍;是靠微观的机械撞击能量来加工的，离

7、子束比电子束具有更大的撞击动能。加工装置：离子源、真空系统、控制系统、电源根据离子源产生的方式和用途的不同，离子源有很多形式，常用的有：（1）考夫曼型离子源四.离子束加工装置（2）双等离子体型离子源真空系统在离子束设备中，真空系统的好坏直接影响该设备离子源寿命的长短、束流品质和离子束工作效果的优劣。真空系统的主要作用如下：1.提供产生束流环境。束斑尺寸范围从几十纳米到几百纳米，为亚微米级或纳米级，很容易受到大气分子的干扰，不能穿越空气，需要真空系统给它提供一个超真空环境。2.提供束流工作环境。设备工作时，工件和离子束都需要一个非常“洁净”的环境，否则会污染工件

8、和影响束流的工作。如果离子束通道和工作