激光加速离子束特点及应用二
离子束的案例介绍,
离子束的案例介绍,
离子束技术是一种应用广泛的表面处理技术，它可以用于改变材料表面的化学和物理性质。
离子束的案例介绍包括以下几个方面：
1. 离子束在半导体制造中的应用：离子束可以用于制造半导体器件中的掺杂、刻蚀和清洗等工艺步骤。
2. 离子束在纳米制造中的应用：离子束可以用于制造纳米结构材料，如纳米管、纳米线和纳米颗粒等。
3. 离子束在生物医学领域中的应用：离子束可以用于生物医学中的癌症治疗、细胞成像和分析等。
4. 离子束在材料表面改性中的应用：离子束可以用于改变材料表面的化学和物理性质，如改善材料的耐磨性、耐腐蚀性和光学性能等。
5. 离子束在能源领域中的应用：离子束可以用于制备能源材料，如太阳能电池和燃料电池等。
离子束技术在各个领域都有广泛的应用，未来还将有更多的应用领域被开发出来。
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离子源的功能和分类
离子源的功能和分类离子源是一种广泛应用于科研、工业和医学等领域的仪器，主要用于产生、加速和传输离子束。
它包含一个用于产生离子束的离子发生器和一个控制系统，用于调控离子束的能量、形状和方向。
离子源的功能主要包括产生离子束、加速离子束和传输离子束。
根据离子源中离子发生的方式和产生的离子种类，离子源可以分为多种不同的分类。
一、离子源的功能1.产生离子束：离子源的最基本功能是产生离子束。
离子源通过不同的方式用电场和热能等形式刺激固体、气体或液体样品，将其原子或分子转化为带正电荷的离子。
常见的离子源包括电子轰击离子源、激光脉冲离子源等。
2.加速离子束：离子束需要经过加速器进行加速，以便在实验或工业应用中达到特定的束流能量。
离子源配备了与加速器连接的加速装置，可通过改变加速电压和加速极性等参数来调节离子束的能量。
3.传输离子束：离子源通常还包含了离子束传输系统，用于保持和控制离子束的形状、方向和稳定性。
离子束传输系统包括导向磁场、聚焦透镜、碰撞细化装置等，可以对离子束进行聚焦、偏转和碰撞等操作，以满足实验或应用的需要。
二、离子源的分类根据离子源中离子发生的方式和产生的离子种类，离子源可以分为以下几种分类：1.电子轰击离子源：电子轰击离子源是利用高能电子束轰击样品表面产生离子的一种方法。
通过设定合适的加速电压和轰击电流，可以得到所需的离子束。
电子轰击离子源常用于表面硅化、氮化、氧化等薄膜沉积和材料改性等应用。
2.电化学离子源：电化学离子源是利用电化学反应产生离子的一种方法。
通过在电解质溶液中施加电压和电流，将溶液中的原子或分子转化为相应的离子。
电化学离子源广泛用于制备金属离子、有机离子和生物分子等。
3.激光脉冲离子源：激光脉冲离子源是利用激光脉冲激发样品产生离子的一种方法。
通过设定合适的激光参数，例如脉冲能量、脉冲宽度和重复频率等，可以实现对样品表面的局部激发，从而产生离子束。
激光脉冲离子源常用于材料表面分析、生物分子解析和制备纳米材料等应用。
强激光与粒子束基础
强激光与粒子束基础
强激光和粒子束是两种在物理学、医学和工程等领域广泛应用的高能技术。
下面是它们的基础概念和应用：
强激光：
1. 概念：
•强激光通常指激光束的强度和功率非常高的激光。
激光是一种通过受激辐射产生的高度聚焦和相干光束。
2. 激光的产生：
•激光通过激发原子或分子，使其产生光子，这些光子在光学谐振腔中受到反射，最终产生高度一致的激光束。
3. 强激光特性：
•强激光通常具有高度的单色性、方向性和相干性，能够在远距离保持束团的集中度。
4. 应用领域：
•切割和焊接：在工业制造中用于金属切割和焊接。
•医学：用于激光手术、眼科手术等。
•研究：在物理学研究、量子光学等领域有广泛应用。
粒子束：
1. 概念：
•粒子束是由带电粒子（如电子、质子、中子等）组成的高能束流，其运动速度接近光速。
2. 粒子加速器：
•粒子束的产生通常需要粒子加速器，通过电场或磁场加速带电粒子到高能状态。
3. 应用领域：
•医学：在放射治疗中用于癌症治疗，粒子束具有更好的定向性，能减少对周围正常组织的伤害。
•物理学：在高能物理实验中，用于探测基本粒子的性质和相互作用。
•材料科学：用于材料表面改性和分析。
4. 粒子种类：
•电子束：由电子组成，广泛应用于电子显微镜和电子束焊接。
•质子和重离子束：在医学和科研中用于放射治疗和材料研究。
总体而言，强激光和粒子束技术在医学、科研和工程等领域都有重要应用。
它们的高能特性使其在微观和宏观层面上都能够实现精确控制和处理。
激光、电子束、离子束三束区别
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。
电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1um。
电子束由电子组成，而离子束一般由金属粒子组成，本质的原理是一样的。
都有溅射作用，对样品损伤也没一定的规律。
但对于石英材料来讲，损伤很明显。
电子束不会造成成分污染，但离子束会，相当于离子注入。
3.加工特点：电子束：（1）.束径小、能量密度高；（2）.非接触加工，加工过程中工具与加工工件之间不存在明显的机械切削力，不产生宏观应力和变形；（3）.被加工对象范围广；（4）.电子束能量高，加工速度快、效率高；（5）.电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。
离子束：（1）.加工精度和表面质量高；（2）.加工材料广泛；（3）.加工方法丰富；（4）.性能好，易于实现自动化；（5）.应用范围广泛，可根据加工要求选择。
激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵加工方法：电子束;（1）.电子束扫描曝光；（2）.电子束投影曝光；（3）.电子束表面改性。
离子束：（1）.离子束溅射去除加工；（2）.离子束溅射镀膜加工；（3）.离子束注入加工；（4）.离子束曝光加工。
激光、电子束、离子束三束区别讲解
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。
电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1um。
电子束由电子组成，而离子束一般由金属粒子组成，本质的原理是一样的。
都有溅射作用，对样品损伤也没一定的规律。
但对于石英材料来讲，损伤很明显。
电子束不会造成成分污染，但离子束会，相当于离子注入。
3.加工特点：电子束：（1）.束径小、能量密度高；（2）.非接触加工，加工过程中工具与加工工件之间不存在明显的机械切削力，不产生宏观应力和变形；（3）.被加工对象范围广；（4）.电子束能量高，加工速度快、效率高；（5）.电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。
离子束：（1）.加工精度和表面质量高；（2）.加工材料广泛；（3）.加工方法丰富；（4）.性能好，易于实现自动化；（5）.应用范围广泛，可根据加工要求选择。
激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵加工方法：电子束;（1）.电子束扫描曝光；（2）.电子束投影曝光；（3）.电子束表面改性。
离子束：（1）.离子束溅射去除加工；（2）.离子束溅射镀膜加工；（3）.离子束注入加工；（4）.离子束曝光加工。
电子束离子束激光束加工
2) 导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚 焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗口到被加工工 件之间的装置称为导光聚焦系统。 3) 激光加工系统 激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内 移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展， 许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实 现激光加工的连续工作。
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2. 激光加工基本设备及其组成部分 激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机 (激光加工系统)三部分组成。 1) 激光器 激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变 成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固 体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。 由于He-Ne(氦—氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制， 而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的 精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与 能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、 YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。
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4）焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。 当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处 的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被 熔融金属环绕着的毛细管状的熔池，如果焊件按一定速 度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池 由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成 一条焊缝。 由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电 子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。
(3) 可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进 行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。
(4) 电子束的能量密度高，加工效率很高。 (5) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 (6) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较 贵，故在生产中受到一定程度的限制。
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束
2．特点及应用
离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。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。
(2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合 金和半导体材料进行加工。 (3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用， 所以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。
4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。
二、激光束加工
激光：源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射 的光子所产生的物理现象。
激光产生的原理：原子经过激励而发生跃迁现象。 激光加工:激光加工就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点 上达到很高的能量密度产生的光热效应来加工各种材料。
加工原理
1）高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机 套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔， 可使其具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片 上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。
2）加工型孔及特殊表面
激光加工的应用
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大 体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利 用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激 光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指 激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。 包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
0.03～ 0.07 mm
离子束加工技术的研究及应用
离子束加工技术的研究及应用离子束加工技术是通过加速离子束并将其瞄准到目标物表面，通过离子与物质相互作用，使得目标物表面发生物理或化学反应的一种表面加工技术。
该技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点。
因此，离子束加工技术在材料科学、电子信息、光学等领域中获得广泛应用。
本文将从离子束加工技术的原理、研究进展以及应用三个方面来介绍该技术的现状和未来发展。
一、离子束加工技术的原理离子束加工技术是一种表面加工技术，其加工原理与传统的机械切削和化学反应加工有所不同。
其基本过程是通过高能离子束准确地瞄准到目标物表面，离子束与目标物表面相互作用，促进表面发生物理或化学反应，最终实现加工过程。
其中，离子束主要通过瞄准精度和加速能量来控制反应速率和表面结构。
离子束加工技术的主要原理包括以下三个方面：1. 离子束加速技术：离子束加工技术中，离子束的加速是其基本原理。
离子束一般通过加速器进行加速，其加速倍数决定了离子束的加工速率和加工深度。
离子束的加速倍数越高，则离子束的轰击能量，对工件表面的损伤就越大，加工效果也就越好。
2. 离子束瞄准技术：离子束瞄准技术是通过控制离子束的方向和位置，使其准确瞄准到目标物表面进行加工。
通过瞄准角度、扫描方向和覆盖范围等参数的调整，可以实现加工位置的精度控制，并且可以保证加工精度和加工质量。
3. 离子束撞击效应：离子束撞击效应是指离子束与目标物表面相互作用时，离子的动能被转化为等离子体能，并且通过反射、透射和散射等现象，与目标物表面发生相互作用，从而实现表面加工。
二、离子束加工技术的研究进展离子束加工技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点，因此，在材料科学、电子信息、光学等领域中获得了广泛应用。
随着物理化学技术的发展和相关领域的需求，离子束加工技术在处理材料方面表现出越来越重要的作用。
离子束加工技术的研究进展主要包括前置处理技术、控制技术、退火处理技术以及晶体控制技术等方面：1. 前置处理技术：前置处理技术主要包括差速泵技术和真空和高温蒸发技术。
特种加工技术概论
特种加工技术概论摘要：随着科学技术的迅猛发展，对产品结构的要求日趋复杂，对产品性能的要求日益增加，因此随之产生了特种加工技术，本文介绍了激光加工、电子束加工、离子束加工、超声加工等特种加工的原理、特点和应用。
关键词：特种加工激光电子束离子束超声波1 概述随着科学技术的迅猛发展，对产品结构的要求日趋复杂，对产品性能的要求日益增加，特别是在航空、航天和军事尖端技术中更为突出。
有些产品要求具备很高的强度重量比；由此而产品在精度、工作速度、功率及小型化方面要求很高；有些产品则要求在高温、高压和腐蚀环境中能可靠的进行工作。
为了适应以上要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量涌现，其结构形状的复杂性、材料的可加工性以及加工精度和表面完整性方面的要求，用一般的机械加工是难以实现的，这就不断地向传统的切削加工技术提出新的挑战。
传统切削加工技术的本质和特点：一是靠刀具材料比工件材料更硬来实现切削；二是靠机械能把工件上多余的材料切除。
一般情况下，这是行之有效的方法。
但是，当工件材料越来越硬，加工表面越来越复杂的情况下，原来行之有效的方法就转化为限制生产率和影响加工质量的不利因素。
于是人们开始探索用软的工具加工硬的材料，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量进行加工。
到目前为止，已经找到了多种这一类的加工方法，为区别于现有的金属切削加工，统称为特种加工。
与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。
(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。
(3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。
(4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。
2 电子束加工（1）电子束加工原理电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。
利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。
离子束和等离子体加工
离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流，在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体，具有极高的能量密度。
3. 离子束加工主要的特点（1）属于原子级逐层去除加工，加工精度高（2）加工生产污染小（3）加工应力、变形小（4）加工范围广（利用机械碰撞能量加工）（5）易实现自动化（6）设备复杂、价格贵4. 等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。
5.离子束抛光的典型应用离子束抛光是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。
此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。
离子电子学的新技术及应用
离子电子学的新技术及应用离子电子学是一门研究离子和电子运动的学科。
在现代科技中，离子电子学的应用广泛，如计算机芯片制造、化学分析、医学诊断等领域。
本文就新兴的离子电子学技术及其应用进行探讨。
1. 离子束技术离子束技术是一种通过加速器将离子加速到高能状态，然后通过束流技术将离子聚焦成束流，通过在样品表面或深层中注入离子实现材料模拟和改性。
离子束技术具有高分辨率、精准控制、可重复性强等特点。
在集成电路制造等行业中得到广泛应用。
离子束技术的应用之一是材料改性。
通过注入离子，可以改变材料的物理和化学性质，如硬度、导电性、磁性等，从而使其适应某些特定的应用需求。
这种方法在新型材料研究中有广泛应用，如钻石薄膜合成、超导体制备等。
此外，离子束技术还可以制备纳米结构材料，如纳米线、纳米管等。
这种方法可以通过控制离子束的能量、流强、注入时间、注入离子种类等参数来实现。
纳米材料具有特殊的物理和化学性质，如表面增强拉曼效应、量子大小效应等，因此在化学分析、生物传感等领域具有广泛应用。
2. 电离层探测技术电离层是太阳辐射与地球大气相互作用的区域，其主要成分为电离气体和电子束。
电离层探测技术是通过利用地球磁场的性质来研究电离层中的等离子体和电子束。
该技术可以用于天气预报、太空探索等领域。
在天气预报中，通过监测电离层中的等离子体浓度和电子束能量变化，可以预测大气层对无线电波和卫星通讯的影响，从而提前采取措施避免通讯中断。
这种技术也可以用于太空探索中，如探测行星磁场、地球磁场等。
3. 离子染色技术离子染色技术是指通过利用离子的物理、化学性质，使其与样品表面或内部发生反应，从而改变样品的颜色或形态。
这种技术在制备半导体材料、荧光探针、标记试剂、生物医学诊断等领域有广泛应用。
在半导体制备中，离子染色技术可以制备出自组装纳米结构，从而实现器件的微缩和高集成度。
同时可以通过离子掺杂改变半导体的光学和电学性质。
在生物医学诊断中，离子染色技术可以用于制备生物标记物，例如探针和荧光分子，可以用于疾病的检测和治疗。
现代加工技术第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊外表
切割复杂型面，切口宽度6~3 μm ，边 缘粗糙度可控制在±0.5μm ；
不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和 立体曲面；
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
III 刻蚀
在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，利用电 子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ； 制版；
ii 蚀刻加工时，对离子入射能量、束流大小、离子 入射到工件上的角度以及工作室气压等分别控制；
iii 氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度；
入射能量增大蚀刻效率增加；
入射角度增加蚀刻效率增加，但角度过大使有效束流减 小，40º~60º效率最高；
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7.2.离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
IV 焊接
当高能量密度的电子束轰击焊件外表时，使焊件接头处 的金属熔融，在电子束不断轰击下，形成一个被熔融金 属环绕的毛细管状的蒸气管，如果焊件按一定速度沿接 缝与电子束作相对运动，那么接缝上的蒸气管由于电子 束的离开而重新凝固，形成焊缝 ； 焊接速度快，焊缝窄、强度好，热影响区小，变形小； 可以焊接难熔金属和化学活性高的金属； 可以焊接不同材料；
Pag.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
i 考夫曼型离子源；
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7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
ii 双等离子体型离子源；
高能束加工图文详解
（4） 加工精度高，质量好。
（5）
加工效率高，经济效益好。
（6）
能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大 优势。
四、激光加工设备
1. 激光器
4. 机械系统
拓展提高
1.数控化和综合化
把激光与数控技术，光 学技术或高精度、自动化的 工件装卸、定位系统结合， 研制和生产各种加工中心， 已成为激光加工设备发展的 一个重要趋势。
拓展提高
2.典型的离子束加工机床
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机
拓展提高
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机的主要参数
（2）污染少。
二、离子束加工
考 夫 曼 型 离 子 源 示 意 图
3.离子束加工装置
1—真空抽气孔； 2—灯丝； 3—注入孔； 4—电磁线圈； 5—离子束流； 6—工件； 7—阴极； 8— 9—阳极； 10—电离室
拓展提高
1.典型的电子束加工机床
EB300 型电子束加工机床
拓展提高
EB300 型电子束加工机床的主要参数
4
2
束斑极小。
5
1
无污染。
6
加工的局限性。
7
一、电子束加工
电 子 束 加 工 装 置 的 基 本 结 构
3.电子束加工装置
一、电子束加工
电子枪
真空系统 真空系统
1）
2）
控制系统
3）
电源装置
4）
二、离子束加工
1.离子束加工原理
二、离子束加工
（3）加工应力小、变形小。
2.离子束加工特点
（1）易于精确控制，加 工精度高。
二、激光的产生及特性
光的受激辐射
离子束加工原理特点及其应用研究
本科课程论文题目离子束加工原理特点及其应用研究学院专业机械设计制造及其自动化年级2012学号XX指导教师成绩2014年12 月10 日目录1 前言12 离子束加工的原理23 离子束加工的优缺点33.1离子束加工的优点33.1.1加工精度高33.1.2污染少、无氧化33.1.3对材料影响小33.2离子束加工的缺点34 离子束加工的分类34.1离子蚀刻44.2离子溅射沉积44.3离子镀44.4离子注入45离子束加工的主要应用45.1刻蚀加工的定义及具体应用领域55.1.1刻蚀加工的定义55.1.2刻蚀加工的应用领域55.2离子镀膜加工的定义及具体应用55.2.1离子镀膜加工的定义55.2.2离子镀膜加工的具体应用55.3离子注入加工的定义及具体应用6 6离子束加工应用现状67结语6参考文献7离子束加工原理特点及其应用研究摘要:本文分析离子束加工的原理特点，阐述了离子束加工作为加工精度最高的特种加工方法在微电子学领域中特别是纳米加工的重要性。
离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀，离子注入。
离子束加工作为最近几年才发展起来的特种加工方法，极大的拓宽了人类对微细材料领域的探索；但是离子束加工的潜力还有待继续挖掘；目前因为加工设备费用贵，成本搞，加工效率低，一些技术还处于研发阶段等问题，离子束加工还未能普及。
但我们相信未来离子束加工必将被广泛应用，为人类发展带来更多的贡献。
关键词：离子束加工原理分类现状1 前言特种加工是现代先进制造工程技术中较为重要和实用的新技术之一，而且获得了较为广泛的应用，它是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段之一。
经过最近十几年的迅猛发展，各种特种加工方法在生产中的应用日益广泛，无论是在国内还是国外电加工机床年产量的年平均增长率均打打高于金属切削机床的增长率。
作为近年来获得较大发展的新兴特种加工方式，离子加工极高的加工精度和加工质量在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到了较多的应用，比如亚微米加工和纳米加工技术。
电子束离子束激光束加工
第七章 其他特种加工技术 3．电子束加工的应用 ． 1）高速打孔 ） 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。 左右。 目前电子束打孔的最小直径可达 左右 例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。 例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。 在人造革、塑料上用电子束打大量微孔， 在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可使其具有 如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔， 如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔， 如在叶片上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深 、直径 的孔， 如在叶片上打深度 的孔 径比大于10： 。 径比大于 ：1。
第七章 其他特种加工技术 1)刻蚀加工 刻蚀加工 离子刻蚀是从工件上去除材料， 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射 过程。当离子束轰击工件， 过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工 件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时， 件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时， 原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。 原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。 离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上 的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。 的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束刻 蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形， 蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形，如集成电 路、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图 形。
第七章 其他特种加工技术 (2) 加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使 加工材料的范围广。由于电子束能量密度高， 任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小， 任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变 形和应力，故能加工各种力学性能的导体、 形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体 材料。 材料。 (3) 可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等 可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、 进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。 进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。 (4) 电子束的能量密度高，加工效率很高。 电子束的能量密度高，加工效率很高。 (5) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 (6) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统， 较贵，故在生产中受到一定程度的限制。 较贵，故在生产中受到一定程度的限制。
超强激光束的特性及其应用
超强激光束的特性及其应用激光技术是一种重要的先进科技，其高度凝练的特性开辟了许多前沿领域的新研究方向。
超强激光束是激光技术中最具有特色的一种形态，其具备的高能量、高光束质量和高相干性等特性使其在许多重要领域中被广泛应用。
本文将深入探讨超强激光束的特性以及其在科学研究、医疗和工业领域的应用。
超强激光束是由一系列光子组成的高度聚焦的激光束。
其特性主要包括以下几个方面。
首先，超强激光束具备丰富的光谱。
不同的激光源会发出不同波长的光子，因此超强激光束可以根据特定的应用需求产生不同波长的光。
这使得超强激光束能够渗透到材料的不同深度，从而实现不同的加工和分析效果。
其次，超强激光束具备高能量。
超强激光束的能量可以达到非常高的水平，甚至可以与核能相媲美。
这种高能量使得超强激光束可以用于高强度光学物理实验，如高温等离子体物理研究、核聚变和核裂变研究等。
此外，调谐超强激光束的能量还可以用于粒子加速器的研究，从而促进粒子物理研究的进展。
第三，超强激光束具备高光束质量。
光束质量是一个衡量激光束好坏的重要指标，其中包括光束的纯度、光束的横截面形状以及光束的聚焦度等。
超强激光束通常具有较高的光束质量，可以在极小的空间范围内实现极高的光强度，因此可以用于材料加工、纳米科学、光学显微镜和激光诱导等应用。
最后，超强激光束具备高相干性。
相干性是指光波的一种波动特性，与光波的波长和相位有关。
超强激光束的相干性高，能够实现相干光学干涉和相干控制，从而可以用于光学仪器、全息术和光学通信等领域。
基于超强激光束的特性，它在科学研究、医疗和工业领域都有广泛的应用。
首先，超强激光束在科学研究中扮演着重要的角色。
科学家使用超强激光束进行高能物理实验，如加速器驱动的高能粒子撞击和激光引导聚变实验。
这些实验对于揭示宇宙的奥秘、了解物质的性质和推动核能研究具有重要意义。
此外，超强激光束还被用于实现高精度测量、精密控制和粒子加速等应用，推动了许多领域的前沿科学研究。
特种加工12第五六章激光加工与电子束离子束加工
青
x射线
050
紫外线 红外线
绿
10-7 10-6 0.57
0.60
黄
微波
0.63
橙
红
无线电波
104 0.76
电磁波波谱图
可见光波谱图
原子的发光
原子的激发、跃迁 基态时原子可长时间存在，激发
态时原子停留时间很短。 有些原子在某些能级上停留时间
较长，这些能级称为亚稳态能级 亚稳态能级的存在是形成激光的
3 激光加工的原理和特点
激光加工的原理
经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密度， 光能转化为热能，靠光热效应来加工的。
激光加工的特点
1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为 热能，几乎可以熔化任何材料。
2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可 调，可以用于精密微细加工。
3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的 机械力。加工速度快、热影响区小，容易实 现自动化
2 激光的特性
激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉 等等）
普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩序 的、相互独立地产生光发射。发出的光波的方 向、相位和偏振状态都不同。
激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发 射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振 状态和严格的相位。所以激光具有强度高、单 色性好、相干性好和方向性好。
4、离子注入： 5-500KeV离子束 垂直轰击工件，离子注 入表层，改变表层性质。
考夫曼型离子源
1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流
6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10— 电离室
2、离子束加工应用
1）刻蚀加工； 2）镀膜加工； 3）离子注入加工。
激光束电子束等离子束加工的特点
激光束激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。
由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到107～1011 W/cm2，温度可达10 000℃以上。
在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。
因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。
激光加工的特点主要有以下几个方面：∙(1) 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。
∙(2) 激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。
∙ (3) 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。
∙ (4) 加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。
∙ (5) 无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。
∙(6)价格昂贵。
电子束加工的特点如下：∙(1) 电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 μm)，故可进行微细加工。
∙(2) 加工材料的范围广。
由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。
∙(3) 可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。
∙(4) 电子束的能量密度高，加工效率很高。
∙(5) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。
∙(6) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。
∙(7) 电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。
离子束加工有如下特点：∙(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。
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。
∙(2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工∙(3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以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。
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扇形磁铁能量分析
能散
-2%
0%
2%
-1%
1%
狭缝径向开合0 到 ±3.4 cm，
对应选能能散范围±5%
44 MeV ±1 、±4%能散
• 在收集段三元四极透镜后设计二元四极透镜， 辅助收集高能离子束。 磁场1.5 T的扇形磁铁能够分析的最高能量是44 MeV。
±1%能散
±4%能散
Jun-Gao Zhu et al. “Beam Line
癌症治疗需要扩展布拉格峰
要求能散<5%
布拉格峰
扩展布拉格峰
100%
高斯
单能
散射特性
传统加速器：笔形束扫描
随能量衰减离子束脉冲能谱实现SOBP整 形
调控激光离子能谱， 获得剂量平台峰
不再需要单能质子束！！！
L Tao et al. Phys. Med. Biol. 62 (2017) 5200
22
金属靶离子加速实验设置
1.8J 30fs
激光参数
激光能量：1.8J 脉冲宽度：30fs
0.8μm-6μm铝靶 0.2-6um塑料靶
聚焦强度：8.3×1019W/cm2
入射角度：30度或45度
激光光斑：4.5μm×5.3μm
汤姆孙谱仪
100μm Al foil RCF HD-V2
layer RCF MD-V3
F. Wagner et al 2016
辐射压加速 （RPA）
纳米靶体，I>1020W/cm2， CP/LP，Eion ~I
I. J. Kim et al 2016
激光驱动离子束特点
能散大 ~100%
宽能谱应用
散角大 ~10°
大束斑尺寸应用
初始束斑小，点源 ~5μm 新束流光学特点
发射度小 ~0.25 πmm.mrad 致密物质高热态研究
• 一、激光加速离子束特点及应用 • 二、紧凑激光等离子体加速器（ CLAPA ）离子
束线设计 • 三、 CLAPA 质子加速实验 • 四、激光驱动离子束医疗应用与展望
癌症治疗
• 2015年，中国癌症病人新增430万，死亡人数280万。 • 癌症治疗的最佳方式是离子束放射治疗
基于直径21米的同步加速器， 上海市质子重离子医院，占地 150亩，投入特点及应用 • 二、紧凑激光等离子体加速器（ CLAPA ）离子
束线设计 • 三、 CLAPA 质子加速实验 • 四、激光驱动离子束医疗应用与展望
激光离子加速器(质子接近100MeV)
靶后鞘层场加速 (TNSA)
•微米靶体, I>1018 W/cm2 •Eion ~I0.5 •加速场强>TV/m •加速距离~ few microns
靶与透镜距离19 cm 收集±50 mrad内质子束
初始横 向相图
没有三元透镜时，在距离激光靶1400毫米处， 散角±50mrad的质子束束斑约是15000mm2
5 MeV、±1%能散质子束聚焦束斑约3mm2 聚焦后质子面密度增强超过4000倍
漂浮5 cm 后相图
激光加速质子束发射度测量
~0.09mmmrad
PRL 100, 135003
PRL 102, 239502
PRL 102, 239502 PRL 103, 245003
Proton Beam Line
Laser
PRL 107, 115002
PRL 107, 265002
PRL 115 , 064801
PRL 110 , 045002
7
束线布局
脉冲长度短 ~20 ps
时间分辨应用
亮度高 1013质子/束
高剂量应用
峰值电流大，安培量级 高密度空间电荷动力学研究
激光加速应用前景
4
Z. Najmudin et al. 2016
癌症治疗对离子束的要求
Uli Weber et al. 2000
1. 离子具有不同能量（0~最高能量）。（Energy） 2. 剂量平台峰对能谱形状有要求。（Shape） 3. 一定面积的束斑覆盖肿瘤。（Area） 4. 离子分布均匀性好。（Uniformity）
请见张艾霖博士poster
三元四极透镜聚焦+谱仪分析
三元四极透镜聚焦
模拟中心能量5 MeV质子束在MCP上成腰
条形狭缝选取/角分辨谱仪+MCP探测
侧视图
三元四极透镜聚焦+谱仪分析
MCP实验结果
无聚焦
设定3MeV聚焦
设定4MeV聚焦
设定 5MeV聚 焦
四极透镜后，MCP观测到质子电 量显著提升。
3.5MeV 7倍 4.5MeV 20倍 5.5MeV 20倍
layer RCF MD-V3
layer RCF EBT-3 layer
RCF EBT-3 layer
层叠探测器
12
1.2μm塑料靶加速结果 (最大能量抖动<3%)
15MeV
Y. X. Geng et al Submitted to APL
13
国家重大仪器专项完成技术测试
7发叠加结果
激光加速实验质子束传输实验
Design of Compact Laser Plasma
Accelerator”, Chin. Phys. Lett. 5,
34 (2017)
10
• 一、激光加速离子束特点及应用 • 二、紧凑激光等离子体加速器（ CLAPA ）离子
束线设计 • 三、 CLAPA 质子加速实验 • 四、激光驱动离子束医疗应用与展望
激光加速产生的离子束不能直接满足应用需要。 要求传输束线既能传输单能束，又能高效率传输大能量
范围离子束，并且实现能谱整形、满足离子束治疗要求。
• 一、激光加速离子束特点及应用 • 二、紧凑激光等离子体加速器（ CLAPA ）离子
束线设计 • 三、 CLAPA 质子加速实验 • 四、激光驱动离子束医疗应用与展望
展望 医疗应用激光加速器
稳定性
激光与靶作用的高频率重复性 束线保障能量、电量、剂量、分布的精确
超强 激+光
束+线
10~20MeV 皮肤美容等 ~70MeV 眼部等浅层肿瘤 ~250MeV 所有肿瘤
靶+
能量 品质 稳定性
应+用
扩展的布拉格剂量平台峰
总结
❖ 针对激光加速产生的大能散、大散角的强流质子 束，设计了四极透镜-扇形磁铁束线，可以高效传 输能量1~44 MeV、散角±50 mrad、峰值电流8 A 的短脉冲质子束，方便地选择±5%能散内能量范 围，得到单能束。
首台激光加速与辐照装置
国家重大仪器专项: 超小型激光离子加速器及关键技术研究
北京大学提出和证实稳相
（2012YQ030142） 2)FEL
3)Nanotargets in High field science
加速新机制，建成首台激 1)Animal Irradiation
光加速与辐照装置
Platform