一种等离子体加工用微波中和器及其应用方法

本发明涉及光学元件与微纳结构的离子束加工，具体涉及一种等离子体加工用微波中和器及其应用方法。

背景技术：

1、在离子束加工过程中，由于从离子源中抽取的是带正电荷的阳离子，为了避免离子束由于离子间电荷排斥力的作用导致的离子束发散以及避免正电荷在光学元件表面堆积，必须对离子束进行中和，而提供中和用电子的便是中和器。

2、传统中和器有热灯丝型中和器、空心阴极中和器和射频中和器。热灯丝型中和器采用钨丝或者钽丝作为灯丝，通过加热到高温状态释放出电子用来中和离子束，但是这种灯丝只有十几个小时的使用寿命，寿命短，需定期更换维护。空心阴极中和器与热灯丝型中和器类似，但采用钽金属管加热释放电子，此类中和器启动时间长，可靠性低。射频中和器难点火电离，且体积大。微波中和器技术利用电子回旋共振(ecr)原理，外加的高频电场与磁场中电子的回旋频率相匹配时，会发生共振现象，使工质气体电离产生所需电子。现常见微波中和器多用于空间飞行器的离子推力器中，使推力器系统得到电位平衡。采用l型天线和特殊设计的磁场，虽可实现很高的电子密度，仅适配特定微波频率。但是面对离子束加工领域不同于空间飞行的需求，离子束材料去除为亚纳米级精度，并需要长时间高稳定性地运行，因此要求中和器高稳定性、高鲁棒性、高寿命、极长连续工作时间以及小型化等，传统用于空间飞行器的离子推力器中的微波中和器无法满足上述需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种等离子体加工用微波中和器及其应用方法，本发明旨在解决微波中和器在离子束加工领域需要长时间高稳定性地运行所需的高稳定性、高鲁棒性、高寿命、极长连续工作时间以及小型化的需求。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种等离子体加工用微波中和器，包括微波中和器本体和闭环控制单元，所述微波中和器本体包括放电室、环形永磁体、微波天线、电子提取栅网、微波接头和离子源，所述放电室中设有内孔，所述内孔的一端开口且开口处安装有所述电子提取栅网、另一端设有贯穿放电室内壁的进气孔，所述环形永磁体布置于内孔中以用于产生垂直轴向的梯度磁场，所述微波接头与放电室固定连接，所述微波天线的根部固定于微波接头上且端部穿过进气孔后插设于内孔中，所述放电室的内壁中设有冷却介质内腔，所述放电室上分别设有与冷却介质内腔连通的冷却介质进口和冷却介质出口，所述离子源与微波接头相连以用于为微波天线提供能量，所述闭环控制单元包括液冷机、温度检测模块和控制器，所述冷却介质进口和冷却介质出口与液冷机相连，所述温度检测模块的输出端与控制器相连以用于检测离子源和微波中和器本体的温度，所述液冷机的控制端与控制器相连以用于根据离子源和微波中和器本体的温度实现对液冷机的闭环控制。

4、可选地，所述冷却介质内腔中注入的冷却介质为水。

5、可选地，所述环形永磁体为环形，所述微波天线插设布置于环形永磁体的内孔中且与环形永磁体同心布置。

6、可选地，所述微波天线为同轴形钼金属天线。

7、可选地，所述电子提取栅网通过螺栓安装在内孔的开口处。

8、可选地，所述电子提取栅网为单层单口栅网。

9、可选地，所述微波接头通过螺栓安装在放电室的进气孔侧的外壁上。

10、可选地，所述微波接头为n型接口。

11、可选地，所述温度检测模块为红外相机。

12、此外，本发明还提供一种前述等离子体加工用微波中和器的应用方法，包括下述步骤：

13、s1，分别检测离子源的温度a和微波中和器本体的温度b；

14、s2，判断微波中和器本体的温度b大于设定值c是否成立，若成立则以调整值d增加液冷机功率，否则以调整值d减小液冷机功率，且所述调整值d的计算函数表达式为：

15、d=m*(a-b)*(|b-c|),

16、上式中，m为设定的常数；

17、s3，检测微波中和器本体的温度b，跳转步骤s2。

18、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

19、1、微波中和器缺陷之一是热量较高，微波辐射与离子撞击使发热严重，一旦长时间连续使用容易产生束流不稳定，甚至导致电离击穿，束流熄灭等现象产生，所以本发明通过“放电室1的内壁中设有冷却介质内腔，放电室上分别设有与冷却介质内腔连通的冷却介质进口和冷却介质出口”为放电室加入了水冷设计，并为满足小型化的需求，水冷放电室采用一体化大面积水冷设计，包裹面积大，整体体积小，散热效率高，提高系统的稳定性。

20、2、在离子束超精密加工过程中，对束流的稳定性和鲁棒性提出极高的要求，然而，在加工过程中存在诸多的干扰因素，比如离子源在加工过程中的热辐射，尤其是不同工况下，离子源的热辐射对中和器的热辐射干扰不同。由此，本发明通过“闭环控制单元包括液冷机、温度检测模块和控制器，所述冷却介质进口和冷却介质出口与液冷机相连，所述温度检测模块的输出端与控制器相连以用于检测离子源和微波中和器本体的温度，所述液冷机的控制端与控制器相连以用于根据离子源和微波中和器本体的温度实现对液冷机的闭环控制”加入闭环控制的结构，可监控离子源和微波中和器的温度，水冷机用于调控中和器的温度，控制系统根据离子源的温度调整水冷机的功率，从而实现中和器的闭环控制，提高中和器的鲁棒性。

21、综上所述，本发明等离子体加工用微波中和器加入闭环控制与液冷的结构设计，使得本发明等离子体加工用微波中和器具有高稳定性、高鲁棒性的优点，且其无发射体损耗，可以极长时间连续工作，具有可靠性高，结构紧凑、体积小、使用寿命长的优点，可适配宽范围微波频段，匹配多种微波电源以应对多种加工条件的需求，很好地用于离子束加工领域。本发明等离子体加工用微波中和器的环形永磁体用于形成梯度磁场，该梯度磁场在内孔中形成的耦合腔内形成不同频率的电子回旋共振区，配合微波天线，与磁场相耦合可适应多频段的微波，从而提高微波中和器的稳定性，并大幅拓展微波中和器的使用场景。

技术特征：

1.一种等离子体加工用微波中和器，其特征在于，包括微波中和器本体和闭环控制单元，所述微波中和器本体包括放电室（1）、环形永磁体（2）、微波天线（3）、电子提取栅网（4）、微波接头（5）和离子源，所述放电室（1）中设有内孔（11），所述内孔（11）的一端开口且开口处安装有所述电子提取栅网（4）、另一端设有贯穿放电室（1）内壁的进气孔（12），所述环形永磁体（2）布置于内孔（11）中以用于产生垂直轴向的梯度磁场，所述微波接头（5）与放电室（1）固定连接，所述微波天线（3）的根部固定于微波接头（5）上且端部穿过进气孔（12）后插设于内孔（11）中，所述放电室（1）的内壁中设有冷却介质内腔（13），所述放电室（1）上分别设有与冷却介质内腔（13）连通的冷却介质进口和冷却介质出口，所述离子源与微波接头（5）相连以用于为微波天线（3）提供能量，所述闭环控制单元包括液冷机、温度检测模块和控制器，所述冷却介质进口和冷却介质出口与液冷机相连，所述温度检测模块的输出端与控制器相连以用于检测离子源和微波中和器本体的温度，所述液冷机的控制端与控制器相连以用于根据离子源和微波中和器本体的温度实现对液冷机的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述冷却介质内腔（13）中注入的冷却介质为水。

3.根据权利要求1所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述环形永磁体（2）为环形，所述微波天线（3）插设布置于环形永磁体（2）的内孔中且与环形永磁体（2）同心布置。

4.根据权利要求1所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述微波天线（3）为同轴形钼金属天线。

5.根据权利要求1所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述电子提取栅网（4）通过螺栓（6）安装在内孔（11）的开口处。

6.根据权利要求5所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述电子提取栅网（4）为单层单口栅网。

7.根据权利要求1所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述微波接头（5）通过螺栓（6）安装在放电室（1）的进气孔（12）侧的外壁上。

8.根据权利要求7所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述微波接头（5）为n型接口。

9.根据权利要求1所述的等离子体加工用微波中和器，其特征在于，所述温度检测模块为红外相机。

10.一种权利要求1～9中任意一项所述的等离子体加工用微波中和器的应用方法，其特征在于，包括下述步骤：

技术总结本发明公开了一种等离子体加工用微波中和器及其应用方法，本发明的等离子体加工用微波中和器包括放电室、环形永磁体、微波天线、电子提取栅网和微波接头，放电室中设有内孔，内孔的一端开口且开口处安装有电子提取栅网、另一端设有贯穿放电室内壁的进气孔，环形永磁体布置于内孔中，微波接头与放电室固定连接，微波天线的根部固定于微波接头上且端部穿过进气孔后插设于内孔中，放电室的内壁中设有冷却介质内腔，放电室上分别设有与冷却介质内腔连通的冷却介质进口和冷却介质出口。本发明旨在解决微波中和器在离子束加工领域需要长时间高稳定性地运行所需的高稳定性、高鲁棒性、高寿命、极长连续工作时间以及小型化的需求。技术研发人员：田野,石峰,巩保启,郭双鹏,张景鹏,宋辞,翟德德受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29