AT500412A1 - Flüssigmetall-ionenquelle - Google Patents
Flüssigmetall-ionenquelle Download PDFInfo
- Publication number
- AT500412A1 AT500412A1 AT0193202A AT19322002A AT500412A1 AT 500412 A1 AT500412 A1 AT 500412A1 AT 0193202 A AT0193202 A AT 0193202A AT 19322002 A AT19322002 A AT 19322002A AT 500412 A1 AT500412 A1 AT 500412A1
- Authority
- AT
- Austria
- Prior art keywords
- liquid metal
- metal ion
- ion source
- emitter body
- source according
- Prior art date
Links
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 title claims description 51
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011324 bead Substances 0.000 claims description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 36
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000013079 quasicrystal Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000008674 spewing Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
- F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
- F03H1/005—Electrostatic ion thrusters using field emission, e.g. Field Emission Electric Propulsion [FEEP]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
• 4 φ · · · · · * · _ η · ·*·«··· ·
Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Ionenquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine solche Flüssigmetall-Ionenquelle ist aus der US 4,328,667 bekannt. Diese bekannte Flüssigmetall-Ionenquelle umfasst in einer ersten Ausführungsform ein Metallgehäuse, das aus zwei Hälften zusammengesetzt ist, wobei an einer Seite zwischen den Gehäusehälften ein schmaler Schlitz von höchstens 0,02 mm Breite, aber beliebiger Länge freigelassen ist, aus dem im Betrieb das Metall in seiner flüssigen Phase bzw. die dabei gebildeten Ionen ausgestoßen werden. In einer zweiten Ausgestaltung weist die Flüssigmetall-Ionenquelle eine Vielzahl an ringförmigen Ausstoß-Schlitzen auf.
Solche Flüssigmetall-Ionenquellen werden unter anderem in der Raumfahrttechnik als lonen-Antriebe eingesetzt, bei denen die Antriebswirkung aus dem Rückstoß der ausgestoßenen Ionen entsteht. Sie arbeiten im wesentlichen nach folgendem Prinzip: Elektrischer Strom auf einem Satelliten wird verwendet, um im eigentlichen Triebwerk einen lonenstrom hervorrufen, der anschließend in einem System elektrischer Felder beschleunigt wird. Charakteristisch für lonen-Antriebe ist, dass sie mit hoher Ausströmgeschwindigkeit, jedoch kleiner Schubbeschleunigung arbeiten. Die geringe Schubbeschleunigung ist darauf zurückzuführen, dass trotz der hohen Geschwindigkeit des Antriebsstrahls der Massendurchsatz außerordentlich gering ist. lonen-Antriebe zeichnen sich durch geringen Treibstoffverbrauch aus. Trotz ihres geringen Schubes verfügen sie durch eine lange Betriebsdauer über ein hohes Antriebsvermögen. Kritisch für den Wirkungsgrad der lonen-Antriebe sind an den verschiedenen Komponenten des Antriebs auftretende Leckströme und die Strahldivergenz, so dass der Geometrie und Dimensionierung dieser Komponenten entscheidende Bedeutung beikommt. Nachteilig bei Ionen- und anderen elektrostatischen Antrieben ist das Nichtfunktionieren in der Atmosphäre. Für ihr Funktionsprinzip benötigen sie Hochvakuum. Dies macht ihre Erprobung und Weiterentwicklung schwierig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angeführten Flüssigmetall-Ionenquellen zu verbessern und insbesondere ihre Masseneffizienz vor allem bei hohen Emissionsströmen zu erhöhen, da bei den bekannten Flüssigmetall-Ionenquellen bei Emissionsströmen über 20 μΑ ein starker Abfall der Masseneffizienz auftritt.
Diese Aufgabe wird durch Bereitstellung einer Flüssigmetall-Ionenquelle wie in Anspruch 1 definiert gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Ionenquelle sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Durch Ausbildung des Kapillar-Durchgangs mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, der an seinem offenen Ende im Emitterkörper einen Durchmesser rc von 1 - 100 pm besitzt, tritt eine beträchtliche Steigerung der Masseneffizienz ein. Höchste Masseneffizienz wird erreicht, wenn der Durchmesser rc des -2' • · * ·
Querschnitts des Kapillar-Durchgangs zwischen 3 und 10 pm liegt. Vorteilhaft ist der Kapillar-Durchgang zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet.
Um ein auf das flüssige Metall konzentrierendes elektrisches Feld zu erreichen, soll das Verhältnis der Höhe hc des Emitterkörpers zum Durchmesser rc des Kapillar-Durchgangs zumindest 1:1, und vorzugsweise zwischen 1:1 und 5:1, insbesondere zwischen 1,5:1 und 3:1, liegen. In weiterer Ausgestaltung sollte die Außenfläche des Emitterkörpers einen Steigungswinkel a von 0-60° aufweisen, wobei vorzugsweise der Emitterkörper als Kegelstumpf ausgebildet ist. Dadurch wird das elektrische Feld an der Öffnung des Emitterkörpers verstärkt und ein Überlaufen des flüssigen Metalls verhindert.
Um eine befriedigende lonen-Emission an der Spitze des Emitterkörpers zu gewährleisten, ist eine ausreichende und regelmäßige Strömung des flüssigen Metalls durch den Kapillar-Durchgang hindurch erforderlich. Um diese Strömung sicherzustellen weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Wandfläche des Kapillar-Durchgangs ein für das hindurchgehende flüssige Metall gut benetzbares Material bzw. eine gut benetzbare Materialstruktur auf.
Mit für das flüssige Metall gut benetzbarem Material geht jedoch die Gefahr einher, dass eine Beschichtung dieses Materials mit dem flüssigen Metall auftritt. Um ein Überlaufen des flüssigen Metalls zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, der Außenfläche des Emitterkörpers eine glatte Oberflächenstruktur und/oder eine Beschichtung mit geringer Benetzbarkeit für das auszustoßende Metall zu verleihen. Als Beschichtungsmaterial kommen beispielsweise elektrisch leitende Quasikristalle oder ein anderes elektrisch leitendes Material mit schlechter Benetzung infrage.
Wie eingangs erwähnt, haben gegenwärtige Flüssigmetall-Ionenquellen bei Emissionsströmen über 20 μΑ eine stark abfallende Masseneffizienz. Um diesen Abfall der Masseneffizienz zu verhindern ist in einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, den erwünschten Emissionsstrom, der eventuell beträchtlich über 20 pA liegen kann, in eine Vielzahl von Teilströmen aufzuteilen, die jeweils gleich oder geringer als 20 pA sind, indem an der Gehäusewand eine Vielzahl von in einem regelmäßigen Muster angeordneten, vorragenden Emitterkörpern vorgesehen wird, deren Kapillar-Durchgänge mit dem Hohlraum zur Aufnahme des flüssigen oder verflüssigbaren Metalls kommunizieren. Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen Strom mit einer Masseneffizienz von bis zu 100% zu emittieren. Gleichzeitig wird eine Flüssigmetall-lonenquelle mit exzellenter Skalierbarkeit zur Verfügung gestellt. Zur weiter verbesserten Strom-Emission mit höchster Masseneffizienz ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, den Abstand zwischen jeweiligen Emitterkörpern zwischen 0,15 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,3 mm, festzulegen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verhältnis der summierten Flächen der Öffnungen der Kapillar-Durchgänge aller Emitterkörper zur Gesamtfläche des Gehäusewandabschnitts, auf dem die Emitterkörper angeordnet sind, zwischen 1:10 und 1:5000 gewählt werden. Dies führt zu einer guten
Φ ··· ····*«« V • ♦ · · · · ·# ·· ·*· • · » ♦ · · · • ·_2β- ······· · ··
Verteilung des elektrischen Feldes ohne das Auftreten unerwünschter
Raumladungseffekte.
Als Gegenelektrode zum leitenden Gehäuse, die eine Beschleunigung der ausgestoßenen Ionen hervorruft, kann vorteilhaft im Abstand vor den Emitterkörpern und elektrisch davon isoliert eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern ausgebildete Extraktor-Elektrode angeordnet sein, wobei jeweils ein Blendenloch koaxial mit der Öffnung des Kapillar-Durchgangs eines Emitterkörpers ausgerichtet ist und das Verhältnis zwischen dem Durchmesser r, des Blendenlochs und dem Durchmesser rc des Kapillar-Durchgangs zwischen 1:1 und 5:1, vorzugsweise zwischen 1:1 und 4:1, beträgt. Diese Ausgestaltung der Erfindung zeigt einen sehr hohen Wirkungsgrad. Die Extraktor-Elektrode kann mittels eines elektrisch isolierenden Distanzhalters am Gehäuse befestigt werden, wobei die genaue Justierung einzuhalten ist.
Um einen günstigen Verlauf des elektrischen Feldes an der Öffnung des Kapillar-Durchgangs zu erzielen, sollte die Distanz D zwischen dem Rand der Öffnung des Kapillar-Durchgangs eines Emitterkörpers und dem Rand des zugeordneten Blendenlochs zwischen der Hälfte und dem Doppelten der Höhe hc des Emitterkörpers betragen.
In einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist in einem größeren Abstand vor den Emitterkörpern als die Extraktor-Elektrode und elektrisch von beiden isoliert eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern ausgebildete Abschirm-Elektrode angeordnet, wobei jeweils ein Blendenloch koaxial mit der Öffnung des Kapillar-Durchgangs eines Emitterkörpers ausgerichtet ist und das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Blendenlochs und dem Durchmesser rc des Kapillar-Durchgangs zwischen 1:1 und 5:1, vorzugsweise zwischen 2:1 und 4:1, beträgt. Bei dieser Anordnung kann das elektrische Potential der Extraktor-Elektrode von 0 V in Richtung eines positiven Potentials variiert werden, um die positive Spannung am Gehäuse bei gleich bleibendem Strom zu verändern. Dies ermöglicht eine Variation des spezifischen Impulses bei gleich bleibendem Schub. Die Abschirm-Elektrode sollte mit negativem Potential verbunden sein, um Elektronen aus dem Umgebungsplasma oder des Neutralisators abzustoßen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Ionenquelle besteht das Gehäuse und der/die Emitterkörper aus einem hochfesten, vorzugsweise durch Ätzen oder Laser-Schneiden bearbeiteten Metall oder einem hochdotierten Halbleiter, z.B. mit Bor oder Arsen dotiertes Silizium. Besonders bevorzugt ist das Metall aus reinem Tantal oder reinem Molybdän ausgewählt, die beide einen hohen Schmelzpunkt besitzen. Durch die Fertigung sollen die Oberflächeneigenschaften der lonenquelle möglichst nicht verändert werden. Um unerwünschte Feldlinienverläufe zu vermeiden sollten die Außenflächen des/der Emitterkörper(s) und die Außenfläche der Gehäusewand, von der er/sie sich erstreckt/erstrecken, frei von Graten und Wülsten sein.
Die Erfindung wird nun anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. • · · * • · * · · Ml 1 eine erfindungsgemäße Flüssigmetall-Ionenquelle in ihrer Gesamtheit im Querschnitt, Fig. 2 die Flüssigmetall-Ionenquelle in der Perspektive, Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Flüssigmetall-Ionenquelle von Fig. 1 im Querschnitt, die Figuren 4 und 5 weiter vergrößerte Details im Querschnitt, und Fig. 6 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Ionenquelle im Querschnitt.
In Fig. 1 ist eine allgemein mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Flüssigmetall-Ionenquelle im Querschnitt in ihrer Gesamtheit dargestellt. Die Flüssigmetall-Ionenquelle 1 besitzt ein elektrisch leitendes Gehäuse 2 mit einem Hohlraum 4 zur Aufnahme von flüssigem oder verflüssigbarem Metall 3, wobei das Metall 3 vorzugsweise Indium oder Gallium oder eine Legierung mit Indium als Bestandteil ist. Von einer Gehäusewand 2a des Gehäuses 2 ragen eine Vielzahl von Emitterkörpern 5 nach oben, die jeweils einen Kapillar-Durchgang aufweisen, der mit dem Hohlraum 3 kommuniziert, wie weiter unten anhand der vergrößerten Darstellungen der Figuren 3 bis 5 näher erläutert. Das Gehäuse 2 und die Emitterkörper 5 sind aus einem hochfesten, vorzugsweise durch Ätzen oder Laser-Schneiden bearbeiteten Metall oder einer Legierung aus diesem Metall gefertigt, wobei das Metall vorzugsweise aus Tantal oder Molybdän ausgewählt ist. Solcherart ist es möglich, die Außenflächen der Emitterkörper 5 und die Außenfläche der Gehäusewand 2a, von der sich die Emitterkörper 5 erstrecken, frei von Graten und Wülsten auszubilden.
Von den Emitterkörpern 5 beabstandet und mittels eines elektrisch nicht-leitenden Distanzhalters 6 elektrisch davon isoliert ist über den Emitterkörpern 5 eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern 7a ausgebildete Extraktor-Elektrode 7 angeordnet, wobei jeweils ein Blendenloch 7a koaxial mit der Öffnung 5a des Kapillar-Durchgangs 5b eines Emitterkörpers 5 ausgerichtet ist (siehe Fig. 3 - 5). Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser η des Blendenlochs 7a und dem Durchmesser rc des Kapillar-Durchgangs 5b sollte zwischen 1:1 und 5:1, vorzugsweise zwischen 1:1 und 4:1, betragen (siehe Fig. 4).
Die Extraktor-Elektrode 7 ist mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 8 verbunden, und das elektrisch leitende Gehäuse 2 ist mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 8 verbunden. Somit ist im Betrieb die Extraktor-Elektrode 7 negativ gegenüber dem Gehäuse 2 und damit auch gegenüber dem im Hohlraum 4 befindlichen Metall 3 vorgespannt und dient dadurch zur Beschleunigung der an den Emitterkörpern 5 gebildeten Ionen. Die von der Spannungsquelle 8 erzeugte Spannung sollte zwischen 50 und 10.000 V liegen, um spezifische Impulse des emittierten Stroms zwischen 900 und 14.000 s zu erzeugen.
Mittels einer elektrischen Widerstandsheizung 9 wird das Metall 3 im Hohlraum 4 auf die zu seiner Verflüssigung notwendige Temperatur erhitzt. Bei Verwendung von Indium als das Metall 3 sollte die Temperatur im Hohlraum 4 zwischen 156° C und 300° C liegen, wobei ein Temperaturbereich zwischen 156,6° C und 200° C bevorzugt wird. • · - ······· · *♦
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Flüssigmetall-Ionenquelle von Fig. 1 schräg von oben in der Perspektive dargestellt. Man erkennt die Extraktor-Elektrode 7 mit ihren Blendenlöchern 7a, die koaxial mit den Öffnungen 5a der Kapillar-Durchgänge der Emitterkörper 5 ausgerichtet sind. Weiters ist aus dieser Darstellung ersichtlich, dass eine Vielzahl von Emitterkörpern 5 in einem regelmäßigen, rechteckigen Muster angeordnet sind. Der Abstand zwischen jeweiligen benachbarten Emitterkörpern 5 liegt günstigerweise zwischen 0,15 und 0,35 mm, und bevorzugt zwischen 0,2 und 0,3 mm. Für einen verbesserten Wirkungsgrad der Flüssigmetall-Ionenquelle hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Verhältnis der summierten Flächen der Öffnungen 5a der Kapillar-Durchgänge aller Emitterkörper 5 zur Gesamtfläche des Gehäusewandabschnitts, auf dem die Emitterkörper angeordnet sind, zwischen 1:10 und 1:5000 liegt.
In Fig. 3 ist ein Abschnitt der Flüssigmetall-Ionenquelle von Fig. 1 vergrößert dargestellt. Man erkennt die Gehäusewand 2a, von der sich die Emitterkörper 5 in gleichen Abständen nach oben erstrecken. Jeder Emitterkörper 5 wird zentral von einem Kapillar-Durchgang 5b durchsetzt, dessen eines Ende in den Hohlraum 4 mündet und dessen anderes Ende in einer Öffnung 5a in der Deckfläche des Emitterkörpers 5 mündet. Die Gehäusewand 2a und die Emitterkörper 5 sind vorzugsweise durch Ätzen oder Laser-Schneiden als integraler Gehäuseteil ausgebildet. Im Abstand H über den Emitterkörpern 5 ist die Extraktor-Elektrode 7 mit ihren Blendenlöchern 7a angeordnet. Extraktor-Elektrode 7 und Gehäusewand 2a sind an die Spannungsquelle 8 angeschlossen. In Fig. 4 ist das Detail A von Fig. 3 in nochmalig erhöhter Vergrößerung dargestellt. Man erkennt, dass jeder Emitterkörper 5 als Kegelstumpf mit einem Steigungswinkel a von ca. 15° ausgebildet ist. Dieser geringe Steigungswinkel trägt wesentlich dazu bei, das elektrische Feld an der Öffnung 5a zu verstärken und ein Überlaufen des flüssigen Metalls zu verhindern.
Um eine hohe Masseneffizienz des Emissionsstroms aus den Emitterkörpern 5 zu erzielen, ist als wesentliches Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass der zylindrische Kapillar-Durchgang 5b einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der an seiner Öffnung 5a im Emitterkörper 5 einen Durchmesser rc von 1-100 pm, bevorzugt von 3-10 pm, besitzt. Die Masseneffizienz kann weiter erhöht werden, wenn das Verhältnis der Höhe hc des Emitterkörpers 5 zum Durchmesser rc des Kapillar-Durchgangs 5b zumindest 1:1 ist, und vorzugsweise zwischen 1:1 und 5:1, insbesondere zwischen 1,5:1 und 3:1, liegt. Diese Maßnahmen, in Verbindung mit der Aufteilung des Emissionsstromes in eine Vielzahl von Teilströmen durch Vorsehen der Vielzahl von Emitterkörpern 5, wobei durch obige Dimensionierungen und Wahl geeigneter Spannungen dafür gesorgt wird, dass kein Teilstrom größer als 20 pA ist, ermöglicht es, einen Gesamtstrom mit einer Masseneffizienz von 100% zu emittieren.
Um ein gutes Funktionieren der Flüssigmetall-Ionenquelle zu gewährleisten und unkontrolliertes Herausspritzen von flüssigem Metall aus dem Kapillar-Durchgang 5b zu • · 9 <·* · · · · • t · · ♦ · • · • · _ 0·_ ·····«· · vermeiden, weist die Wandfläche des Kapillar-Durchgangs 5b eine für das hindurchgehende flüssige Metall, z.B. Indium, gut benetzbare Materialstruktur auf.
Die Außenfläche des Emitterkörpers 5 soll jedoch von unbeabsichtigt überfließendem Metall möglichst wenig benetzt werden, um zu verhindern, dass das Metall an dieser Fläche anhaftet. Um dies zu gewährleisten, ist die Außenfläche des Emitterkörpers 5 mit einer glatten Oberflächenstruktur versehen. In einer alternativen Ausgestaltung, die in Fig. 5 als vergrößertes Detail A’ (analog zum Detail A von Fig. 4) dargestellt ist, ist die Außenfläche des Emitterkörpers 5 mit einer Beschichtung 12 überzogen, die elektrisch leitfähig ist und die von dem als Treibstoff verwendeten Metall kaum benetzt werden kann. Es hat sich als günstig erwiesen, für diese Beschichtung Quasikristalle zu verwenden.
Aus Fig. 5 ist ein weiteres erfindungsgemäßes geometrisches Detail der Flüssigmetall-Ionenquelle zu erkennen: Die Distanz D zwischen dem Rand der Öffnung 5a des Kapillar-Durchgangs 5b des Emitterkörpers 5 und dem Rand des zugeordneten Blendenlochs 7a der Extraktor-Elektrode 7 sollte zwischen der Hälfte und dem Doppelten der Höhe hc des Emitterkörpers betragen, um den Aufbau unerwünschter Raumladungsverhältnisse zu verhindern.
In Fig. 6 ist eine Fortbildung der Flüssigmetall-Ionenquelle nach den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Dazu ist im Abstand oberhalb der Extraktor-Elektrode 7 und elektrisch von ihr sowie von den Emitterkörpern 5 isoliert eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern 10a ausgebildete Abschirm-Elektrode 10 angeordnet, wobei jeweils ein Blendenloch 10a koaxial mit der Öffnung 5a des Kapillar-Durchgangs 5b des Emitterkörpers 5 ausgerichtet ist. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Blendenlochs und dem Durchmesser des Kapillar-Durchgangs 5b beträgt zwischen 1:1 und 5:1, vorzugsweise zwischen 1:1 und 4:1.
Zusätzlich zur Spannungsquelle 8 zwischen der Gehäusewand 2a und der Extraktor-Elektrode 7 ist eine weitere Spannungsquelle 10 vorgesehen, deren positiver Pol sowohl mit der Extraktor-Elektrode 7 als auch dem negativen Pol der Spannungsquelle 8 verbunden ist und deren negativer Pol mit der Abschirm-Elektrode 10 verbunden ist. Mit dieser Anordnung kann das elektrische Potential der Extraktor-Elektrode 7 von 0 V in Richtung eines positiven Potentials variiert werden, um die positive Spannung am Gehäuse bei gleich bleibendem Strom zu verändern. Dies ermöglicht eine Variation des spezifischen Impulses bei gleich bleibendem Schub. Die Abschirm-Elektrode 10 ist mit negativem Potential verbunden, um Elektronen aus dem Umgebungsplasma abzustoßen.
Claims (15)
- • · * t ··*♦··· · • · · Μ · * ♦ · · *»· • · _· · · · · • · _ (*- ······· * ·· Patentansprüche : 1. Flüssigmetall-Ionenquelle, umfassend ein elektrisch leitendes Gehäuse (2), vorzugsweise aus Metall, mit einem Hohlraum (4) zur Aufnahme von flüssigem oder verflüssigbarem Metall (3), vorzugsweise Indium, oder einer Metalllegierung, wobei der Hohlraum (4) mit einem sich durch einen von einer Gehäusewand (2a) vorragenden Emitterkörper (5) hindurch erstreckenden Kapillar-Durchgang (5b) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapillar-Durchgang (5b) einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der an seiner Öffnung (5a) im Emitterkörper (5) einen Durchmesser (rc) von 1-100 pm, bevorzugt von 3 - 10 pm, besitzt.
- 2. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapillar-Durchgang (5b) zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
- 3. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe (hc) des Emitterkörpers (5) zum Durchmesser (rc) des Kapillar-Durchgangs (5b) zumindest 1:1 ist, und vorzugsweise zwischen 1:1 und 5:1, insbesondere zwischen 1,5:1 und 3:1, liegt.
- 4. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandfläche des Kapillar-Durchgangs (5b) ein für das hindurchgehende flüssige Metall gut benetzbares Material bzw. eine gut benetzbare Materialstruktur aufweist.
- 5. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Emitterkörpers (5) eine glatte Oberflächenstruktur und/oder eine Beschichtung (12) mit geringer Benetzbarkeit für das auszustoßende Metall aufweist.
- 6. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Emitterkörpers (5) einen Steigungswinkel a von 0-60° aufweist, wobei vorzugsweise der Emitterkörper (5) als Kegelstumpf ausgebildet ist.
- 7. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Gehäusewand (2a) eine Vielzahl in einem regelmäßigen Muster angeordneter, vorragender Emitterkörper (5) erstreckt, deren -8‘- • ♦ * ♦ • · · · · · · Kapillar-Durchgänge (5b) mit dem Hohlraum (4) zur Aufnahme des flüssigen oder verflüssigbaren Metalls (3) kommunizieren.
- 8. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den jeweiligen Emitterkörpern (5) zwischen 0,15 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,3 mm, beträgt.
- 9. Flüssigmetall-Ionenquellen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der summierten Flächen der Öffnungen (5a) der Kapillar-Durchgänge (5b) aller Emitterkörper (5) zur Gesamtfläche des Abschnitts der Gehäusewand (2a), auf dem die Emitterkörper angeordnet sind, zwischen 1:10 und 1:5000 liegt.
- 10. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand (H) vor den Emitterkörpern (5) und elektrisch davon isoliert eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern (7a) ausgebildete Extraktor-Elektrode (7) angeordnet ist, wobei jeweils ein Blendenloch (7a) koaxial mit der Öffnung (5a) des Kapillar-Durchgangs (5b) des Emitterkörpers (5) ausgerichtet ist und das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (η) des Blendenlochs (7a) und dem Durchmesser (rc) des Kapillar-Durchgangs (5b) zwischen 1:1 und 5:1, vorzugsweise zwischen 1:1 und 4:1, beträgt.
- 11. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (D) zwischen dem Rand der Öffnung (5a) des Kapillar-Durchgangs (5b) des Emitterkörpers (5) und dem Rand des zugeordneten Blendenlochs (7a) der Extraktor-Elektrode (7) zwischen der Hälfte und dem Doppelten der Höhe (hc) des Emitterkörpers beträgt.
- 12. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem größeren Abstand vor den Emitterkörpern (5) als die Extraktor-Elektrode (7) und elektrisch von beiden isoliert eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern (10a) ausgebildete Abschirm-Elektrode (10) angeordnet ist, wobei jeweils ein Blendenloch (10a) koaxial mit der Öffnung (5a) des Kapillar-Durchgangs (5b) des Emitterkörpers (5) ausgerichtet ist und das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Blendenlochs (10a) und dem Durchmesser (rc) des Kapillar-Durchgangs (5b) zwischen 1:1 und 5:1, vorzugsweise zwischen 1:1 und 4:1, beträgt.
- 13. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen des/der Emitterkörper(s) (5) und die · -9- · -9- • ♦ « 4 I« # * ♦ ♦ • · Außenfläche der Gehäusewand (2a), von der er/sie sich erstreckt/erstrecken, frei von Graten und Wülsten ausgebildet sind.
- 14. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und der/die Emitterkörper (5) aus einem hochfesten, vorzugsweise durch Ätzen oder Laser-Schneiden bearbeiteten, Metall oder hochdotiertem Halbleiter bestehen, wobei das Metall vorzugsweise aus Tantal oder Molybdän ausgewählt ist.
- 15. Flüssigmetall-Ionenquelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und/oder die Emitterkörper (5) einen mikrostrukturierten Aufbau besitzen. radorf roeoareh-GmbHWien, am 23. Dczcmber2002
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT19322002A AT500412B8 (de) | 2002-12-23 | 2002-12-23 | Flüssigmetall-ionenquelle |
| AU2003287750A AU2003287750A1 (en) | 2002-12-23 | 2003-12-17 | Liquid-metal ion source |
| PCT/AT2003/000370 WO2004057643A2 (de) | 2002-12-23 | 2003-12-17 | Flüssigmetall-ionenquelle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT19322002A AT500412B8 (de) | 2002-12-23 | 2002-12-23 | Flüssigmetall-ionenquelle |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT500412A1 true AT500412A1 (de) | 2005-12-15 |
| AT500412B1 AT500412B1 (de) | 2006-06-15 |
| AT500412B8 AT500412B8 (de) | 2007-02-15 |
Family
ID=32660445
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| AT19322002A AT500412B8 (de) | 2002-12-23 | 2002-12-23 | Flüssigmetall-ionenquelle |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT500412B8 (de) |
| AU (1) | AU2003287750A1 (de) |
| WO (1) | WO2004057643A2 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019113617A1 (en) | 2017-12-12 | 2019-06-20 | Enpulsion Gmbh | Ion thruster |
| WO2023217449A1 (en) | 2022-05-12 | 2023-11-16 | Enpulsion Gmbh | Ion source |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT500917B8 (de) * | 2004-07-20 | 2007-02-15 | Arc Seibersdorf Res Gmbh | Flüssigmetall-ionenquelle |
| AT512617B1 (de) * | 2012-03-13 | 2016-04-15 | Fotec Forschungs Und Technologietransfer Gmbh | Ionenquelle |
| US11801949B2 (en) | 2017-07-31 | 2023-10-31 | Morpheus Space Gmbh | Field emission propulsion system and method for calibrating and operating a field emission propulsion system |
| DE102017117316B4 (de) * | 2017-07-31 | 2020-04-02 | Technische Universität Dresden | Feldemissionsantriebssystem sowie Verfahren zum Kalibrieren und Betreiben eines Feldemissionsantriebssystems |
| US11965494B2 (en) * | 2021-02-17 | 2024-04-23 | Accion Systems, Inc. | Electrospray emission apparatus |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3233404A (en) * | 1962-04-02 | 1966-02-08 | Csf | Ion gun with capillary emitter fed with ionizable metal vapor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4328667A (en) * | 1979-03-30 | 1982-05-11 | The European Space Research Organisation | Field-emission ion source and ion thruster apparatus comprising such sources |
-
2002
- 2002-12-23 AT AT19322002A patent/AT500412B8/de not_active IP Right Cessation
-
2003
- 2003-12-17 WO PCT/AT2003/000370 patent/WO2004057643A2/de not_active Ceased
- 2003-12-17 AU AU2003287750A patent/AU2003287750A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3233404A (en) * | 1962-04-02 | 1966-02-08 | Csf | Ion gun with capillary emitter fed with ionizable metal vapor |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019113617A1 (en) | 2017-12-12 | 2019-06-20 | Enpulsion Gmbh | Ion thruster |
| WO2023217449A1 (en) | 2022-05-12 | 2023-11-16 | Enpulsion Gmbh | Ion source |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2004057643A2 (de) | 2004-07-08 |
| AU2003287750A1 (en) | 2004-07-14 |
| AT500412B8 (de) | 2007-02-15 |
| AT500412B1 (de) | 2006-06-15 |
| WO2004057643A3 (de) | 2005-07-14 |
| AU2003287750A8 (en) | 2004-07-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102008046721B4 (de) | Kathode mit einem Parallel-Flachemitter | |
| DE69830664T2 (de) | Vorrichtung zum emittieren eines geladenen teilchenstrahls | |
| EP1826810B1 (de) | Anordnung für die Separation von Partikeln aus einem Plasma | |
| DE3429591A1 (de) | Ionenquelle mit wenigstens zwei ionisationskammern, insbesondere zur bildung von chemisch aktiven ionenstrahlen | |
| EP0620045A1 (de) | Elektrostatische Sprühvorrichtung | |
| DE112011102526T5 (de) | Strahlvorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen | |
| DE102005004885B4 (de) | Transport von Ionen ins Vakuum | |
| DE69107162T2 (de) | Elektronenquelle mit teilchenhaltender Anordnung. | |
| AT500412A1 (de) | Flüssigmetall-ionenquelle | |
| EP1158562B1 (de) | Röntgenröhre mit Flachkathode | |
| DE3414549C2 (de) | ||
| DE1589487A1 (de) | Anordnung zur Erzeugung und Fuehrung eines ElektroAnordnung zur Erzeugung und Fuehrung eines Elektronenstrahles nenstrahles | |
| DE3415625C2 (de) | ||
| DE2556694A1 (de) | Elektronenschleuder | |
| DE2516464C3 (de) | Kathodenstrahlröhre | |
| DE2341503A1 (de) | Elektronenstrahlroehre | |
| DE2950897C2 (de) | Einrichtung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen | |
| AT523882B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Flüssigmetall-Ionenquelle oder Flüssigmetall-Elektronenquelle sowie Flüssigmetall-Ionenquelle oder Flüssigmetall-Elektronenquelle | |
| DE102015113314B4 (de) | Ionisierungsanordnung | |
| DE2425219A1 (de) | Elektronenoptische vorrichtung, insbesondere bildverstaerker | |
| DE2759147C2 (de) | Glühkathode mit einem Heizer aus pyrolytischem Graphit | |
| EP0603844A1 (de) | Mikrominiaturisierte, elekrostatische Pumpe und Verfahren zu deren Herstellung | |
| DE102021109963A1 (de) | Magnetoplasmadynamische Antriebseinheit für Raumfahrtanwendungen | |
| DE4104845C5 (de) | Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere für eine Elektronenstrahlkanone | |
| DE2410050A1 (de) | Elektronenstrahlerzeuger mit linearer katode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ELJ | Ceased due to non-payment of the annual fee |