有孔曲面電極及其加工方法
2023-06-14 14:39:11
專利名稱：有孔曲面電極及其加工方法
技術領域：
本發明一般地涉及太空飛行器推進系統，尤其涉及離子推進器。
自載推進系統可為太空飛行器的許多機動動作提供便利。在衛星上，例如，所述機動動作包括軌道提升(例如，從近地軌道提升到同步軌道)、泊位維持(例如，矯正軌道交角、漂移和偏心率)和姿態控制(例如，修正衛星在其橫滾、縱搖角和側滑軸方面的姿態誤差)。
推進系統的推進器施加於太空飛行器的推力用式(1)F=mve=wgve=wIsp----(1)]]>表示為推進器的質量比流量和噴出速率的積。式(1)還表明，質量比流量可以代之以重量比流量與重力加速度之比，而噴出速率與重力加速度之比可以用比衝量Isp來表示，後者正是推進器的性能係數。因此式(1)可以改寫為式(2)Isp=Fw----(2)]]>該式表明，比衝量是推力與重量比流量之比。
太空飛行器要獲得一個速度增量ΔV，其推進器儲備的燃料就需減少一定質量。這樣，在太空飛行器的初質量Mi(在機動動作之前)及其終質量Mf(機動動作之後)之間就有一個差值。該質量差是推進器比衝量Isp的函數，該函數表示為下述「火箭公式」Mf=Mie-(VgIsp)----(3)]]>其中，ΔV的單位為米/秒，Isp的單位為秒，重力加速度g的單位為米/秒2。式(3)表明，燃料消耗的效果，是使得太空飛行器的終質量Mf隨著ΔV的增加而呈指數率減少，而這種減少可以通過增大比衝量Isp而呈指數率地予以補償。
因此，比衝量是推進器的燃料效率的一個很重要的衡量尺度。一般的比衝量值，對於一元燃料(例如肼)推進器為230秒，對於固體燃料推進器為290秒，對於二元燃料(例如液氫和液氧)推進器為445秒，對於電弧噴射推進器則為500秒。與此形成鮮明對照的是，已開發出的離子推進器的比衝量超過2500秒。
離子推進器的高比衝量可有利於減少衛星的初始質量，增加有效載荷，並延長在軌使用期限。初始質量的減少將降低太空飛行器的初始發射成本，而有效載荷的增加和使用壽命的延長則可以增加太空飛行器帶來的收益。
離子推進器的關鍵部件是其離子光學系統，該系統由多個密排的電極組成，用來從一個等離子體源引出離子束。在典型的三電極系統中，所述電極分別稱為屏柵極、加速柵極和減速柵極。所述每一個柵極都具有若干孔眼，三個柵極共同形成一個孔眼組陣列，其中每一個孔眼組由三個柵極各出一個孔眼構成。
加在所述柵極上的電壓使得每一個孔眼組從所述等離子體源引出離子，並將後者噴射出去形成細離子束。所有的細離子束共同匯合成一個離子束，該離子束被加速，最後從所述離子光學系統噴出。所述離子束的動量對離子推進器，從而對推進器所配屬的裝置(例如太空飛行器)產生一個反作用力。
為了加強離子束的推力，延長推進器的使用期限，每一孔眼組必須精確準直並予以維持。某一離子推進器的性能是其離子流噴射情況的函數，而離子流噴射情況又是細離子束中心對準精度，從而是孔眼組準直精度的函數。如果孔眼組未對準而導致細離子束與某電極交會，從該電極上濺蝕掉電極材料而造成電極損耗，推進器的使用期限就會縮短。如果被濺蝕掉的材料澱積到敏感表面(例如太陽能電池上)的話，就會進一步縮短太空飛行器的使用期限。
針對溫度變化的準直維持能力一般通過下述方式得以增強，即，使各電極成為球面形，以減弱溫度導致的柵極間的相對移動。例如，直徑為典型的13釐米的離子推進器中的各電極分別由厚度在0.25-0.50毫米範圍內、曲率半徑約為50釐米的鉬片構成。這種典型推進器的電極共形成3145個孔眼組。
孔眼組準直精度是各電極上的孔眼的位置精度的函數。在示於
圖1A到圖1F的通常的電極加工方法中已經發現，所述位置精度局限於約125微米。這種方法以一種圓形的鉬片20為材料。由於該鉬片非常薄，圖1A到圖1E各圖將鉬片在橢圓22內的部分放大，並緊挨著示於鉬片20的上方，用以闡釋所述方法的細節。
在圖1A中，先將鉬片20塗覆一層負性光致抗蝕劑24，形成敷料電極26。在圖1B中，在所述光致抗蝕劑24上覆蓋一個蔽光罩28(例如一個曝光模板)，形成電極組合件30。所述蔽光罩如此設計，使其蓋住孔眼部分32，而不蓋住鉬片20的網壁部分。下一步，用輻射線36均勻照射電極組合件30，使得光致抗蝕劑未被蔽光罩28蓋住的部分38接受照射。然後，在負性光致抗蝕劑的情況下，未暴露的部分就可以被溶掉，形成圖1C中的經處理過的鉬片40，其中，光致抗蝕劑只有38部分留在鉬片的網壁部分34上。
然後，將經處理過的鉬片40在圖1C中的形狀變形，形成示於圖1D中的經處理過的球面電極44(圖1C中的力箭頭例示了變形方法)。因此，圖1D中橢圓22中的結構的放大圖就顯示出一定的曲率半徑。在圖1D中使用一種化學蝕刻劑46將孔眼部分32的鉬片腐蝕掉，從而形成示於圖1E的蝕刻球面電極50中的由網壁部分32隔開的孔眼48。最後一步，將光致抗蝕劑的38部分去除，形成圖1F中的有孔曲面電極，該電極具有一個由網壁34隔開的孔眼48的陣列54。
已經發現，圖1C和圖1D中的變形處理會拉伸鉬片20，從而不可預見並不可控制地改變圖1D中光致抗蝕劑的38部分的位置。因此，圖1E中的孔眼48的位置精度受到限制，如前所述，僅限於約130微米，從而導致用圖1A到圖1F所示的傳統方法加工的電極降低了離子光學系統的孔眼組準直精度。
本發明的目的在於提高任何用離子光學系統形成和加速離子束的系統的性能和使用壽命。這樣的系統包括離子推進器、離子束注入系統和中性離子束加速裝置。所述提高性能和使用壽命的目的是通過提高多柵極離子光學系統的曲面電極中的孔眼位置精度而實現的。
而所述的位置精度的改善則是通過一種加工方法實現的。該加工方法中，形成曲面電極的變形步驟在形成光致抗蝕劑圖模的處理步驟之前，因此不存在變形處理步驟在空間位置上改變光致抗蝕劑圖模的問題。曲面電極上的孔眼是用受到所述光致抗蝕劑圖模的空間控制的蝕刻方法形成的。因為變形處理沒有機會改變光致抗蝕劑圖模，也就不會降低孔眼的位置精度。
曲面電極上的光致抗蝕劑圖模最好用雷射束刻成。該方法的一種實施例是綜合運用橫截面為環面形的雷射束和負性光致抗蝕劑，而另一種實施例則是綜合運用圓形雷射束和正性光致抗蝕劑。
本發明的離子光學系統的孔眼組中，各孔眼在50微米的範圍之內(例如，可近到約25微米)共軸設置。
本發明的創新特徵逐一列於所附的權利要求之中。在閱讀下文的說明時，參照附圖將有利於對本發明的最佳理解。
圖1A到圖1F圖示了加工離子推進器的有孔曲面電極的傳統方法的各步驟；圖2A到圖2H圖示了本發明的用來加工有孔曲面電極的方法的各步驟；圖3是沿圖2H中的3-3面的視圖，圖示了圖2H中的有孔曲面電極的孔眼陣列的四分之一；圖4是類似於圖2D中的放大部分的一個視圖，其中用正性光致抗蝕劑取代了負性光致抗蝕劑；圖5是類似於圖2E的一幅視圖，其中，以圓形雷射束取代了環面形雷射束；圖6是一個離子推進器的正視圖，該推進器採用本發明的方法加工其有孔曲面電極，從而提高了其性能。
圖2A到圖2G圖示了本發明的用來加工有孔曲面電極的一種方法。該加工方法實現了提高孔眼位置精度的目的，因為該方法的變形步驟在形成精確定位的光致抗蝕劑圖模的處理步驟之前，因而變形步驟所導致的不可預見、不可控制的電極延展就不會在空間位置方面改變所述光致抗蝕劑圖模。
該方法的第一步始於圖2A的圓片60形式的圓形金屬件。在圖2A中，使圓片60變形(形變力用力箭頭62例示)，形成圖2B中的曲面電極64。儘管所述變形操作可以用任何常規的變形方法完成，最好還是用液壓成形的方法實現，在這種方法中，通過液體介質對電極加以分布壓強。
在圖2C到圖2G各圖中，圓片60的在橢圓65內的一部分被放大，並緊挨著圖示於各圖圓片的上方，用以結合這些附圖來詳細闡釋前述方法細節。在圖2C中，曲面電極片60被塗覆(例如用旋塗工藝)一層負性光致抗蝕劑66，形成敷料曲面電極70。在圖2D中，用輻射線74照射所述敷料曲面電極70，形成照射過的曲面電極76。如圖2D所示，該步驟僅僅照射覆蓋未來的電極網壁部分80的光致抗蝕劑部分78，也就是說，覆蓋未來的電極孔眼部分84的光致抗蝕劑部分82未被照射。
最好，圖2D所示步驟用示於圖2E的環面形雷射束86來實現。該環面形雷射束86按示於圖2E中的列依次步進，逐列橫穿圖2C中的敷料曲面電極70。這樣，在每一步，所述雷射束的環形部分88照射敷料曲面電極70的未來網壁部分，而不照射未來的孔眼部分84。在每次雷射束步進時(即相鄰兩次照射之間)，雷射束86就被關閉，以免雷射束向下一相鄰位置步進時照射到所述孔眼部分84。
當負性光致抗蝕劑被照射時，其中的感光劑就與其中的基體聚合物相交聯，使得衝洗光致抗蝕劑時所述被照射過的光致抗蝕劑不易溶解。這樣，就可以將光致抗蝕劑未被照射的部分衝洗掉而留下被照射過的部分。該處理步驟的結果，就是在示於圖2F的被處理過的曲面電極90的網壁部分80上遺留下被照射過的光致抗蝕劑部分78。
在圖2F中，用一種化學蝕刻劑92蝕刻處理過的曲面電極90，將未被覆蓋的孔眼部分84腐蝕掉，形成示於圖2G中的蝕刻曲面電極96上的孔眼94。最後，去除(例如用溶劑)所述光致抗蝕劑部分78，從而得到示於圖2H的具有由網壁80隔開的孔眼94的陣列102的有孔曲面電極100。
圖3例示了孔眼94陣列102的四分之一。孔眼陣列未抵達有孔曲面電極100的周界，因而留下了一個環形邊緣104，該邊緣是網壁80的組成部分(在前述處理過程中，邊緣104以類似於網壁80的方式進行處理)。該邊緣14有助於將有孔曲面電極100安裝到還包括其它有孔曲面電極的離子光學系統中去。
圖2H和圖3中的孔眼94的位置精度得到了提高(例如，與圖1F中的孔眼48相比)，因為，形成圖2B中的曲面電極64的變形步驟在形成示於圖2F中的處理過的電極90的光致抗蝕劑圖模的處理步驟之前，因而變形步驟沒有機會在空間位置方面改變所述光致抗蝕劑圖模。根據計算，圖2A到圖2H所示的加工方法能夠實現優於50微米的位置精度，例如約25微米，這與示於圖1A到圖1F的傳統方法相比提高了五倍。在由多個曲面電極構成的離子光學系統中，這樣的位置精度可以提高孔眼的共軸準直精度，從而提高離子光學系統的性能和使用壽命。
圖2A到圖2H所示的各步驟可以互換，只要保證變形步驟在實現光致抗蝕劑圖模的處理步驟之前即可。例如，圖2C的塗覆步驟可以與圖2A的變形步驟互換。即，在另一方法實施例中，可以首先將圖2A中的圓片60塗覆一層負性光致抗蝕劑，隨後再將該敷料電極變形，形成圖2C的敷料曲面電極70。
本發明的方法的其它實施例可以使用不同的光致抗蝕劑和不同的雷射束樣型。例如，圖4類似於圖2D中的放大部分，圖5類似於圖2E，其中相同的部分標以相同的標號。但是，圖2D中的負性光致抗蝕劑66在圖4中被代之以正性光致抗蝕劑105，圖2E中的環面形雷射束86在圖5中被代之以圓形雷射束106。在本發明方法的該實施例中，覆蓋未來的電極孔眼部分84的光致抗蝕劑部分82被照射，而覆蓋未來的電極網壁部分80的光致抗蝕劑部分78不被照射。
當正性光致抗蝕劑被照射時，其中的基體聚合物中的感光劑被分解破壞，使其衝洗時的溶解速率提高。這樣，就可以將光致抗蝕劑被照射過的部分衝洗掉而留下未被照射過的部分。該處理步驟的結果，就是在示於圖2F的被處理過的曲面電極90的網壁部分80上遺留下未被照射過的光致抗蝕劑部分78。
本發明方法的其它實施例可以使用不同的蝕刻方法。例如，圖2F中的箭頭92可以代表幹法蝕刻工藝，而不是溼化學法蝕刻工藝。典型的幹法蝕刻工藝包括，將曲面部件暴露於活性氣體等離子體中、活性氣體等離子體的被加速的離子中，或者惰性氣體等離子體的被加速的離子中。
對圖2E中的雷射束86或者圖5中的雷射束106的控制操作可以用任何一般的光學方法實現，例如用分光鏡和/或夾持並移動圖2D和圖2E中的敷料曲面電極70的可控夾具。所述環面形的雷射束86可以這樣實現，即，使雷射穿過放置在一個石英部件上的環面形的蔽光框。例如，該蔽光框可以包括一個銅盤和一個外圍蔽光部件，後者有一個孔，該孔共軸地環繞所述銅盤。所述銅盤限定了所述環形面的內邊界，所述外圍蔽光部件則限定了所述環形面的外邊界。
圖2H的有孔曲面電極特別適於提高任何形成並加速離子束的系統的離子光學系統性能和使用壽命。如前所述，這樣的系統包括離子推進器、離子束注入系統和中性離子束加速裝置。
圖6示出了一種典型的離子推進器120。該推進器120具有一個有開口的外殼122和一個離子光學系統124。後者橫跨外殼122的開口，從而形成一個離子化室126。
推進器120還包括位於室126內部的一個電子發射源127和一個電極系統128、一個同樣位於室126內部的磁場發射器130、一個鄰近離子光學系統124的中和器132，以及一個電源系統134，後者用來生成加於推進器各部分裝置上的偏轉電壓。一儲罐136用來供應可離子化氣體(例如氙氣)，並通過一閥門138和一氣流噴嘴與室126相連。
離子光學系統124具有以一定間隔設置的一個屏柵極142、一個加速柵極144和一個減速柵極146。這些有孔曲面電極最好用本發明所述的方法加工。所述柵極形成一個共軸排列孔眼組的陣列150，其中的每一個孔眼組由各柵極各出一個孔眼(例如圖2H中的孔眼94)形成。每個孔眼組中的孔眼都共軸地排列。
離子推進器120工作時，推進器控制系統打開閥門138，氣流噴嘴140計量從儲罐136進入室126的可離子化氣體。一發射極加熱電源160和一發射極保溫電源162使得電子發射源127產生初級電子。
一發射電源164加在電極系統128上，後者一般包括一個電子源127中的陰極165和一個鄰近外殼122的陽極166。該電源將所述初級電子加速，使之轟擊氣體原子而在室126中生成由離子和電子組成的等離子體168。磁場發生器130一般包括一個環形永久磁鐵系統169，它產生的磁力線170使得電子在被電極系統128捕獲之前作廣泛的運動。所述電子的分布廣泛的運動路徑增加其與氣體原子碰撞的次數，從而增進等離子體168的發生。
一屏柵極電源172向所述屏柵極142的孔眼施加偏壓，以利於從等離子體168中引出細離子束。一加速電源174則加偏壓於加速柵極144，以使所述細離子束在被稍微減速之前被加速通過加速柵極孔眼。所述減速發生在所述細離子束在加速柵極144和減速柵極146間通過時。對於最後匯成離子束180的各細離子束，所述加速柵極144有一種平行校正作用。
從離子光學系統124射出的離子束180及其動量對離子推進器及其所配屬的裝置(例如某太空飛行器)產生一個推力。如果不另作補償，離子束180中的正電荷流會對離子推進器120進行負充電，這將減弱推進器的推力。因此，一中和器132向離子束180附近噴射一電子流186，既中和空間電荷，亦中和正離子流。使中和器132工作的電源由一屏柵極電源172、一中和器加熱電源182和一中和器保溫電源提供。
儘管圖2H中的有孔曲面電極100的曲面形狀對於在圖6的推進器120中使用而言最好為球面形，本發明的加工方法仍可以加工出孔眼位置精度得到提高的各種曲面形狀的電極，例如橢圓形。儘管圖1A中的圓片可以由其它金屬組成，但用於推進器120中時最好用鉬，因為鉬的濺射率低、強度高、可成形性好。
前面描述本發明的方法時都只是一側塗覆光致抗蝕劑。例如，在圖2C中，光致抗蝕劑66隻是塗覆在敷料曲面電極70的上表面。實施本發明的方法時，最好兩面塗覆光致抗蝕劑。在一種兩面塗覆光致抗蝕劑的方法中，還在所述敷料曲面電極70的下側塗覆了一個下部光致抗蝕劑層67，這在圖2C和圖2D中以虛線表示。那麼，圖2D中的輻射線74就需照射圖2D中的敷料曲面電極70的兩個側面。
在去除光致抗蝕劑之後，如圖2F中的虛線所示，在處理過的曲面電極90的下側保留有光致抗蝕劑部分79。該光致抗蝕劑部分79與電極90上側的光致抗蝕劑部分78相當地匹配。
最後，在圖2F中要用化學蝕刻劑92對處理過的曲面電極90的兩個側面進行蝕刻，以形成圖2G所示的孔眼94。這種兩面光致抗蝕劑法在孔眼90的孔壁邊界界定效果方面通常非常優良，因為蝕刻劑92系從電極的兩個側面向內蝕刻。
儘管本發明中的孔眼在前文的描述中舉例為圓形，在實施本發明時其橫截面仍可以是任何形狀，例如為示於圖3左下部的六邊形孔眼190、方形孔眼192或三角形孔眼194。
前文圖示並闡釋了本發明的若干例證性實施例，但對於本領域技術人員而言，會有許多變型和可替換的實施例。它們是可以預見的並能夠實施，而並不超出在所附權利要求中所述的本發明的精神實質和範圍。
權利要求
1.一種加工有孔曲面電極的方法，包括下列步驟製備一個金屬曲面部件(64)；用光致抗蝕劑(66)覆蓋所述曲面部件上的網壁部分(80)；蝕刻所述曲面部件，在所述網壁部分之間形成孔眼(94)；和去除所述光致抗蝕劑。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述覆蓋步驟包括下列步驟用一種負性光致抗蝕劑覆蓋所述曲面部件；照射所述光致抗蝕劑的所述網壁部分；和去除未被照射的光致抗蝕劑。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述覆蓋步驟包括下列步驟用一種正性光致抗蝕劑覆蓋所述曲面部件；照射所述光致抗蝕劑的位於所述網壁部分之間的孔眼部分；和去除被照射過的光致抗蝕劑。
4.一種加工有孔曲面電極的方法，包括下列步驟用光致抗蝕劑(66)覆蓋一金屬平面部件(60)；使所述平面部件變形為曲面部件(70)；去除所述曲面部件上除網壁部分(80)之外的所有所述光致抗蝕劑；和蝕刻所述曲面部件，在所述網壁部分之間形成孔眼(94)。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述曲面部件為球面形。
6.如權利要求4所述的方法，其中，所述覆蓋步驟包括用一種負性光致抗蝕劑覆蓋所述平面部件的步驟，所述去除步驟包括下列步驟僅照射所述光致抗蝕劑的所述網壁部分；和去除未被照射的光致抗蝕劑。
7.如權利要求4所述的方法，其中，所述覆蓋步驟包括用一種正性光致抗蝕劑覆蓋所述平面部件的步驟，所述去除步驟包括下列步驟照射所述光致抗蝕劑的位於所述網壁部分之間的孔眼部分；和去除被照射過的光致抗蝕劑。
8.如權利要求4所述的方法，其中，所述蝕刻步驟包括將一種化學蝕刻劑(92)作用於所述曲面部件的步驟。
9.一種離子光學系統，包括至少三個以一定間隔設置的曲面電極(142、144、146)；和許多孔眼組(152)，其中a)每個孔眼組包括多個孔眼；b)一個孔眼組中的每個孔眼分別由所述曲面電極之一提供；並且c)每一孔眼組的各孔眼在50微米的範圍之內共軸設置。
10.一種生成由多束細離子束組成的離子束的離子推進器，包括一個外殼(122)；一個由所述外殼形成的用來容納一種可離子化氣體的室(126)，所述室具有一個開口；一個用來向所述室內噴射初級電子的電子源(127)；一個設置在所述室中，用來承受電極電壓以加速所述初級電子並將所述氣體離子化為等離子體源的電極系統(128)；一個設置在所述室內，用來產生貼近所述外殼的磁力線以加強所述離子化的磁鐵系統(130)；一個橫跨所述開口設置的離子光學系統(124)，該系統具有至少三個以一定間隔設置的曲面電極(142、144、146)，還具有許多孔眼組(152)，其中a)每個孔眼組包括多個孔眼；b)一個孔眼組中的每個孔眼分別由所述曲面電極之一提供；並且c)每一孔眼組的各孔眼在50微米的範圍之內共軸設置。
全文摘要
本發明用一種新的加工方法來提高曲面電極上的孔眼位置精度。在該方法中,形成曲面電極的變形步驟在形成光致抗蝕劑圖模的處理步驟之前,因此不存在變形處理步驟在空間位置上改變光致抗蝕劑圖模的問題。對於使用本方法加工的曲面電極的離子推進器,所述位置精度的提高可以改善其性能,延長其使用壽命。
文檔編號H01J37/08GK1222981SQ98800465
公開日1999年7月14日 申請日期1998年4月8日 優先權日1997年4月11日
發明者約漢·R·比迪 申請人:休斯電子公司