一种应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法与系统

本发明属于超精密加工，具体涉及一种应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法与系统。

背景技术：

1、蓝宝石、钇铝石榴石(yag)、尖晶石等硬脆材料，由于其优异的物理、化学和光学特性，在多个领域有着广泛的应用。例如，蓝宝石不仅是宝石，更因为其次仅于钻石的硬度、高的熔点、良好的热导性、化学稳定性以及抗紫外线能力而被广泛应用于透视窗口为代表的军事航空领域，卫星、高端相机镜头为代表的光学组件等领域。但是，蓝宝石的硬度极高，最终借助化学机械抛光获得极高的表面质量，这种加工工艺耗时长，难以实现工业化生产。但是传统的金刚石切削方式，会导致刀具崩碎，同时，加工表面质量差。采用离子注入改性，降低蓝宝石材料的硬度，可以大大提高蓝宝石的可加工性，并实现蓝宝石高质量加工，并提供了刀具的使用寿命。高能离子束注入是一种广泛应用的材料改性手段，可有效提高材料的加工性能。当前离子束注入装置由于真空环境需求，只能通过非原位的方式将工件长时间改性后再加工，工艺复杂。同时，在真空环境下的无法根据加工位置非常精确地控制注入离子的剂量、能量和深度。而原位离子注入改性可实现复杂面形跟随，无需掩膜，简化工艺流程，提高整体加工效率。并且，真空环境下的离子注入技术无法根据加工区域的大小实时调节加工区域的大小。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题：提供一种采用等离子体窗技术实现离子束的真空环境的导出，采用静电透镜实现离子束的聚焦，可以进行离子束注入区域的调节。最终实现在大气环境中的离子束注入改性的一种应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法与系统。

2、技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法，离子源产生离子束，通过等离子体窗实现离子束的真空环境的导出，利用静电透镜实现离子束的聚焦，实现离子束注入区域的调节，最终实现在大气环境中的离子束注入改性。

4、进一步地，具体包括以下步骤：

5、s1：产生离子束，并控制得到平行运动的离子束；

6、s2：平行运动的离子束进入等离子体窗，等离子体窗借助气体下的尖端放电和电感耦合获得约束的高密度等离子体，离子束通过该约束的等离子体后输出至大气环境；

7、s3：等离子体窗输出的离子束进行聚焦后，作用于工件表面，实现离子束注入区域的调节,最终实现在大气环境中的离子束注入改性。

8、进一步地，步骤s1中，离子源产生离子束，并通过控制工艺参数，改变束流强度和能量；接着借助加速电压实现离子束输出，利用扫描电磁线圈产生交变磁场，对离子束往复偏转，实现束流成直线，形成呈扇形带状的离子束；然后，准直电磁线圈将发散的离子束聚焦成均匀的离子束，得到平行运动的离子束。

9、进一步地，步骤s2中，尖端放电单元在强电场作用下进行尖端放电形成等离子体，在电感线圈上施加交流电场，电感线圈放电产生的磁场约束高密度等离子体，保证等离子体的稳定，然后离子束通过等离子体约束后输出至大气环境。

10、进一步地，步骤s3中，等离子体窗输出的离子束，首先经过两级静电透镜元件实现离子束的两级聚焦，控制输出离子束的直径，再次降低离子束的发射角度；然后，通过上下偏转电极改变离子束偏转光轴的角度，最后经过喷嘴再一次实现离子束的聚焦，降低离子束的束斑直径后输出，作用于工件表面。

11、一种实现上述改性方法的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性系统，包括离子加速单元、等离子体窗单元和静电透镜单元；

12、所述离子加速单元，用于产生并控制得到平行运动的离子束；

13、所述等离子体窗单元，用于离子束通过约束的等离子体后输出至大气环境；

14、所述静电透镜单元，用于实现离子束的聚焦。

15、进一步地，离子加速单元包括离子源、加速器、聚焦透镜、扫描电磁线圈和准直电磁线圈；所述离子源产生离子并通过电场引出离子，所述扫描电磁线圈实现束流成直线，形成呈扇形带状的离子束，所述准直电磁线圈使离子束聚焦，得到平行运动的离子束。

16、进一步地，所述等离子体窗单元包括尖端放电单元、石英玻璃管、电感线圈、铜板，尖端放电单元连接至石英玻璃管内，所述石英玻璃管沿中心轴设置，石英玻璃管外周间隔穿设有多个铜板，在铜板与铜板之间设置有包裹在石英玻璃管外周的电感线圈。

17、进一步地，在铜板和电感线圈之间填充陶瓷绝缘材料，铜板内设置第一冷却管路给铜板降温。

18、进一步地，所述静电透镜单元主要包括两个相邻设置的静电透镜元件、同轴设置的两个偏转电极、以及实现离子束再聚焦的喷嘴。

19、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、本发明的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法与系统，采用等离子体窗技术实现离子束的真空环境的导出，采用静电透镜实现离子束的聚焦，可以进行离子束注入区域的调节。该技术可以实现在大气环境中的离子束注入改性，降低了蓝宝石注入改性过程中的工艺步骤，提高了蓝宝石的加工效率，具有极高的应用前景。

21、本发明的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性系统可以实现在大气环境下的离子传输，适用于大气环境下的离子注入改性、抛光修形等功能。避免了高真空环境下，大大简化了设备和操作流程，降低了成本。并且，在大气环境下进行离子注入改性通常更加方便和快捷，不需要复杂的真空系统，且设备启动和关闭的时间短。由于不需要高能消耗的真空泵，这种方法通常更加环境友好，并且能源消耗较低。离子注入可以在材料的特定区域进行，使得可以有选择性地改善材料的局部特性。可以通过控制离子的种类、能量、剂量和注入时间来精确地调节材料表面的改性效果。

技术特征：

1.一种应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法，其特征在于：离子源产生离子束，通过介质窗口实现离子束的真空环境的导出，利用静电透镜实现离子束的聚焦，实现离子束注入区域的调节，最终实现在大气环境中的离子束注入改性。

2.根据权利要求1所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法，其特征在于，所述介质窗口为等离子体窗、金介质窗或者钛介质窗。

3.根据权利要求2所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法，其特征在于：步骤s1中，离子源产生离子束，并通过控制工艺参数，改变束流强度和能量；接着借助加速电压实现离子束输出，利用扫描电磁线圈产生交变磁场，对离子束往复偏转，实现束流成直线，形成呈扇形带状的离子束；然后，准直电磁线圈将发散的离子束聚焦成均匀的离子束，得到平行运动的离子束。

5.根据权利要求3所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法，其特征在于：步骤s2中，尖端放电单元在强电场作用下进行尖端放电形成等离子体，在电感线圈上施加交流电场，电感线圈放电产生的磁场约束高密度等离子体，保证等离子体的稳定，然后离子束通过等离子体约束后输出至大气环境。

6.根据权利要求3所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法，其特征在于：步骤s3中，等离子体窗输出的离子束，首先经过两级静电透镜元件实现离子束的两级聚焦，控制输出离子束的直径，再次降低离子束的发射角度；然后，通过上下偏转电极改变离子束偏转光轴的角度，最后经过喷嘴再一次实现离子束的聚焦，降低离子束的束斑直径后输出，作用于工件表面。

7.一种实现权利要求1-6任一权利要求所述改性方法的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性系统，其特征在于：包括离子加速单元、等离子体窗单元和静电透镜单元；

8.根据权利要求7所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性系统，其特征在于：离子加速单元包括离子源、加速器、聚焦透镜、扫描电磁线圈和准直电磁线圈；所述离子源产生离子并通过电场引出离子，所述扫描电磁线圈实现束流成直线，形成呈扇形带状的离子束，所述准直电磁线圈使离子束聚焦，得到平行运动的离子束。

9.根据权利要求7所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性系统，其特征在于：所述等离子体窗单元包括尖端放电单元、石英玻璃管、电感线圈、铜板，尖端放电单元连接至石英玻璃管内，所述石英玻璃管沿中心轴设置，石英玻璃管外周间隔穿设有多个铜板，在铜板与铜板之间设置有包裹在石英玻璃管外周的电感线圈。

10.根据权利要求9所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性系统，其特征在于：在铜板和电感线圈之间填充陶瓷绝缘材料，铜板内设置第一冷却管路给铜板降温。

11.根据权利要求7所述的应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性系统，其特征在于：所述静电透镜单元主要包括两个相邻设置的静电透镜元件、同轴设置的两个偏转电极、以及实现离子束再聚焦的喷嘴。

技术总结本发明公开一种应用于硬脆材料加工的基于等离子窗原位离子注入改性方法与系统，属于超精密加工技术领域。包括用于产生并控制得到平行运动的离子束的离子加速单元、用于离子束通过约束的等离子体后输出至大气环境的等离子体窗单元，以及用于实现离子束聚焦的静电透镜单元；本发明可以实现在大气环境下的离子传输，适用于大气环境下的离子注入改性、抛光修形等功能。避免了高真空环境，大大简化了设备和操作流程，降低了成本。并且，在大气环境下进行离子注入改性通常更加方便和快捷，不需要复杂的真空系统，且设备启动和关闭的时间短。离子注入可以在材料的特定区域进行，使得可以有选择性地改善材料的局部特性，具有极高的应用前景。技术研发人员：许剑锋,孙浩,段俊宇,张建国,翟辰鹏,汪学方,肖峻峰,白龙受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12