Page 48 - 《真空与低温》2026年第1期
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袁祖浩等：面向离子束抛光的聚焦型射频离子源研制 45
0 引言 线圈、栅网系统以及电源连接组件等核心部分构
成，其总装结构示意图如图 2 所示。该离子源的工
离子束修形技术凭借其非接触、无应力、低损
作流程如下：首先，射频电源产生 13.56 MHz 的射
伤以及去除函数稳定等优势，被公认为当前加工精
频电流，经由自动匹配器调节后，输送至缠绕于真
度最高、修形效果最佳的光学零件修形技术，尤其
空放电室外壁的电感线圈（射频天线）；射频功率通
适用于传统方法难以加工的轻质、薄型及异形光
过天线被高效耦合至真空放电室内，用于激励其中
学零件 [1-2] 。离子源作为离子束抛光装备的核心组
的反应源气体；射频电流驱动电感线圈，产生高频
成部分，其性能直接决定了最终的加工精度与工艺
变化的磁场，进而在放电室内感生出交变电场；电
能力。尽管法国 REOSC、比利时 CSL、德国 NTGL
子在该感生电场中获能并做回旋运动，在此过程中
以及日本尼康等机构已研发出较为成熟的产品，然
与反应源气体分子发生碰撞，导致气体电离。电子
而国内在面向离子束抛光应用的聚焦型射频离子
的螺旋运动轨迹有效增长了其路径，增强了与气体
源研发方面，仍面临技术挑战 。针对这一现状，
[3]
分子的碰撞概率，从而显著提高了等离子体密度。
本研究立足于自主研制，开发满足离子束抛光的聚
随后，生成的等离子体由栅网系统引出，形成可用
焦型射频离子源，并通过搭建工程化样机，系统验
于加工的离子束。本研究自主设计了一套三栅引
证其综合性能与加工效果。
出系统，该系统在传统双栅结构（屏栅与加速栅）的
1 理论基础与总体设计方案
基础上，额外增设了一层地栅。该设计能有效抑制
1.1 射频离子源放电原理 离子反溅射，减少其对离子源内部的污染，从而显
射频离子源的核心工作原理是利用射频电场 著提升了离子源的长期工作稳定性与运行可靠性。
能量使中性气体（通常为氩气）发生电离，产生并维 为满足离子束抛光工艺需求，所研制的聚焦型射频
持高密度等离子体；随后等离子体在栅极系统的静 离子源需实现束径≤Φ10 mm、8 h 运行效率波动
−3
3
电加速下被引出，形成具有特定能量、电流密度与 ≤5% 和体积去除率≥6×10 mm /min 的目标。
几何形状的离子束。图 1 展示了射频驱动器放电
空间内部的电磁场示意图。当高频电流通过线圈
时，会激发交变磁场，而变化的磁场又会在其周围
空间感生出变化的电场，从而实现无电极耦合的能
量传输。在等离子体形成过程中，线圈的绕制方式
是影响放电效率与稳定性的关键因素，其设计是
一个涉及电磁学、等离子体物理等多学科交叉的 图 2 聚焦型射频离子源结构示意图
综合性优化问题 [4-5] 。 Fig. 2 Schematic diagram of the focusing RF ion
source structure
1.3 电控方案设计
控制系统在聚焦型射频离子源中起着核心作
E θ
用，其采用分层架构设计，融合实时控制（RT）与用
户界面（UI），并通过 WCF 实现系统间通信，整体遵
循 MVVM 模式，以确保业务逻辑的高内聚与模块
E 1
间的低耦合。该设计不仅实现了工艺流程的高度
自动化与操作的高可靠性，还在提供友好人机交互
体验的同时，全面保障了设备运行的稳定性。
图 1 射频驱动器放电空间电磁场示意图 控制系统总体架构划分为四个主要层级：服务
Fig. 1 Schematic diagram of the electromagnetic field in the
接口层作为顶层通信与调度中心；业务逻辑与动作
discharge space of an RF driver
层承担系统核心业务处理；设备驱动层作为硬件抽
1.2 结构方案设计 象接口；核心管理与 IO 层则提供与硬件交互的底
聚焦型射频离子源主要由真空放电室、电感 层支持。此外，系统还设有一个独立的用户界面
