AT523319B1

AT523319B1 - Method and system for generating an ion or electron beam

Info

Publication number: AT523319B1
Application number: ATA392/2019A
Authority: AT
Inventors: Buldrini Nembo; Engel Werner
Original assignee: Fotec Forschungs Und Tech Gmbh
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-10-15
Also published as: AT523319A1

Abstract

Bei einem Verfahren sowie einem System zur Erzeugung eines Ionen- oder Elektronenstrahls sind folgende Elemente vorgesehen: - ein Träger (1) zur Aufnahme eines magnetischen pulverförmigen Materials in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit (2), eine Vorrichtung zum Bereitstellen und Anlegen eines Magnetfelds an das magnetische Material zur Erzeugung von Spitzen (3) in dem magnetischen Material, wenigstens eine Elektrode (4) in Abstand von dem magnetischen Material bzw. dem Träger, und eine Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Felds zwischen dem magnetischen Material und der Flüssigkeit und der Elektrode (4) zur Erzeugung eines elektrischen Felds an den Spitzen (3) des magnetischen Materials und der Flüssigkeit zur Abgabe von Ionen oder Elektronen.In a method and a system for generating an ion or electron beam, the following elements are provided: a carrier (1) for receiving a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid (2), a device for providing and applying a magnetic field the magnetic material for generating tips (3) in the magnetic material, at least one electrode (4) at a distance from the magnetic material or the carrier, and a device for applying an electric field between the magnetic material and the liquid and the electrode (4) to generate an electric field at the tips (3) of the magnetic material and the liquid to give off ions or electrons.

Description

description

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf ein System zur Erzeugung eines lonen- oder Elektronenstrahls. The present invention relates to a method and a system for generating an ion or electron beam.

[0002] Ein derartiger lonenstrahl kann beispielsweise als Antrieb für eine Raumsonde, einen Satelliten oder dgl. eingesetzt werden, während ein Elektronenstrahl beispielsweise in einem Elektronenmikroskop oder dgl. eingesetzt wird. Such an ion beam can, for example, be used as a drive for a space probe, a satellite or the like. While an electron beam is used, for example, in an electron microscope or the like.

[0003] Übliche Verfahren und Systeme für ein Implementieren bzw. Einsetzen derartiger Quellen beinhalten eine Verwendung einer Struktur beispielsweise in der Form einer Kapillare, einer Nadel oder einem Array bzw. Feld derartiger Elemente. Der Prozess einer Herstellung derartiger Strukturen ist jedoch sehr kostspielig und kompliziert und erfordert mehrere Schritte, wie beispielsweise die Erzeugung bzw. Herstellung einer Form, einen Form- bzw. Gießprozess und einen Nadelätzprozess. Derartige Schritte sind üblicherweise schwierig insbesondere in dem Fall von zweidimensionalen Arrays bzw. Feldern zu implementieren, wobei ergänzend die erzeugten Strukturen teilweise zerbrechlich, statisch und derart nicht an unterschiedliche Gegebenheiten anpassbar sind. Ausführungsformen derartiger lonen- bzw. Elektronenquellen sind beispielsweise der FR 2 912 836 A1, der US 3 122 882 A, der US 2010/0251690 A1 oder der AT-B 512 617 zu entnehmen. Common methods and systems for implementing such sources include using a structure, for example in the form of a capillary, a needle, or an array of such elements. However, the process of producing such structures is very expensive and complicated and requires several steps, such as the production of a mold, a molding process and a needle etching process. Steps of this kind are usually difficult to implement, particularly in the case of two-dimensional arrays or fields, with the structures generated additionally being partially fragile, static and thus not adaptable to different circumstances. Embodiments of such ion or electron sources can be found in FR 2 912 836 A1, US 3 122 882 A, US 2010/0251690 A1 or AT-B 512 617, for example.

[0004] Darüber hinaus ist aus der WO 2014/134386 A1 die Erzeugung eines Elektrosprays aus einem Ferrofluid bekannt, wobei in diesem Fall sogenannte Rosensweig-Instabilitäten für die Ausbildung von Spitzen in einer ferrofluidischen Flüssigkeit verantwortlich sind. Derart ausgebildete Spitzen in einer ferrofluidischen Flüssigkeit weisen eine abgerundete bzw. stumpfe Form von Erhebungen auf, wobei aus dieser Literaturstelle zusätzlich die Ausbildung von Taylor-Cones bzw. Taylor-Kegeln bekannt ist, welche durch Anlegen eines elektrischen Felds in dem Fluid erzeugt werden, so dass sich durch eine Anziehung an die Gegenelektrode eine schärfere Spitze ausbildet. Furthermore, from WO 2014/134386 A1 the generation of an electrospray from a ferrofluid is known, in which case so-called Rosensweig instabilities are responsible for the formation of peaks in a ferrofluidic liquid. Such designed tips in a ferrofluidic liquid have a rounded or blunt shape of elevations, the formation of Taylor cones or Taylor cones, which are generated in the fluid by applying an electric field, is also known from this reference that a sharper tip is formed by attraction to the counter electrode.

[0005] Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren sowie ein System zur Erzeugung eines lonen- oder Elektronenstrahls zur Verfügung zu stellen, wobei bei vereinfachtem Aufwand gegenüber bekannten Ausführungsformen unter Einsatz von nadelförmigen Emittern oder Arrays ein lonen- oder Elektronenstrahl zur Verfügung gestellt werden kann, wobei insbesondere auch eine einfache Anpassung der Konfiguration eines derartigen Elektronen- oder lonenstrahls an unterschiedliche Gegebenheiten möglich wird. The present invention aims to provide a method and a system for generating an ion or electron beam, an ion or electron beam being made available with a simplified effort compared to known embodiments using needle-shaped emitters or arrays can, wherein in particular a simple adaptation of the configuration of such an electron or ion beam to different circumstances becomes possible.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgaben umfasst ein Verfahren zur Erzeugung eines lonen- oder Elektronenstrahls im Wesentlichen die folgenden Schritte: To achieve these objects, a method for generating an ion or electron beam essentially comprises the following steps:

[0007] - Bereitstellen eines magnetischen pulverförmigen Materials in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit in einem Träger, - Providing a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid in a carrier,

[0008] - Anlegen eines Magnetfelds an das magnetische Material zur Erzeugung von Spitzen in dem magnetischen Material, - Applying a magnetic field to the magnetic material to generate peaks in the magnetic material,

[0009] - Bereitstellen wenigstens einer Elektrode in Abstand von dem magnetischen Material bzw. dem Träger, und - Providing at least one electrode at a distance from the magnetic material or the carrier, and

[0010] - Anlegen eines elektrischen Felds zwischen dem magnetischen Material und der Flüssigkeit und der Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Felds an den Spitzen des magnetischen Materials und der Flüssigkeit zur Abgabe von lonen oder Elektronen. - Applying an electric field between the magnetic material and the liquid and the electrode to generate an electric field at the tips of the magnetic material and the liquid to deliver ions or electrons.

[0011] Durch ein Bereitstellen eines magnetischen pulverförmigen Materials in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit in einem Träger sowie ein Anlegen eines Magnetfelds sowie eines elektrischen Felds an das magnetische Material können Spitzen in dem magnetischen Material erzeugt werden, wobei die Konfigurationen derartiger Spitzen bzw. nadelartiger Konfigurationen des magnetischen Materials entsprechend dem angelegten Magnetfeld und elektrischen Feld an den Einsatz- bzw. Verwendungszweck angepasst werden können. Wie dies oben erläutert wurde, ist es für sich gesehen bekannt, dass magnetische Materialien in einer leitenden bzw. leitfähigen By providing a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid in a carrier and applying a magnetic field and an electric field to the magnetic material tips can be generated in the magnetic material, the configurations of such tips or needle-like Configurations of the magnetic material can be adapted to the application or intended use in accordance with the applied magnetic field and electric field. As has been explained above, it is known per se that magnetic materials in a conductive or conductive

Flüssigkeit durch ein Anlegen eines Magnetfelds und eines elektrischen Felds spitzen- bzw. nadelartige Strukturen erzeugen, wobei durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatz eines magnetischen pulverförmigen Materials in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit bei Anlegen eines Magnetfelds und eines elektrischen Felds sogenannten Taylor-Cones bzw. Taylor-Kegel erzeugt werden, welche scharfe Spitzen in einem derartigen magnetischen Material und der Flüssigkeit zur nachfolgenden Abgabe von lonen oder Elektronen zur Verfügung stellen. In diesem Zusammenhang wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zusätzlich wenigstens eine Elektrode in Abstand von dem magnetischen Material bzw. dem Träger bereitgestellt wird, so dass durch zusätzliches Anlegen eines elektrischen Felds zwischen dem magnetischen Material in der Flüssigkeit und der Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Felds an den Spitzen des magnetischen Materials und der Flüssigkeit entsprechend der Polarität des elektrischen Felds lonen oder Elektronen abgegeben werden. Es soll hierbei nochmals darauf hingewiesen werden, dass die derart erhaltenen Spitzen nicht mit den sogenannten Rosensweig-Instabilitäten zu vergleichen sind, welche allgemein in ferrofluiden bzw. ferrofluidischen Fluiden gefunden werden, wie dies eingangs erörtert wurde. Derartige Rosensweig-Instabilitäten sind abgerundete bzw. stumpfe Erhebungen, während die Spitzen, welche durch eine Verwendung von magnetischem pulverförmigem Material erhalten werden können, schärfer bzw. spitzer sind, wobei dies in einem höheren elektrischen Feld an der Spitze und niedrigeren Spannungen resultiert, welche zu einer Erzeugung der Taylor-Cones erforderlich sind. Generate liquid by applying a magnetic field and an electric field tip-like or needle-like structures, with the use of a magnetic powdery material in a conductive liquid when a magnetic field and an electric field are applied, so-called Taylor-Cones or Taylor Cones are generated which provide sharp points in such a magnetic material and the liquid for subsequent release of ions or electrons. In this context, it is proposed according to the invention that at least one electrode is additionally provided at a distance from the magnetic material or the carrier, so that by additionally applying an electric field between the magnetic material in the liquid and the electrode to generate an electric field at the Tips of the magnetic material and the liquid are released according to the polarity of the electric field ions or electrons. It should be pointed out here again that the tips obtained in this way cannot be compared with the so-called Rosensweig instabilities which are generally found in ferrofluid or ferrofluidic fluids, as discussed at the beginning. Such Rosensweig instabilities are rounded or blunt bumps, while the tips, which can be obtained by using magnetic powdered material, are sharper, which results in a higher electric field at the tip and lower voltages which lead to a production of Taylor cones are required.

[0012] Durch Vorsehen eines entsprechenden Magnetfelds und elektrischen Felds wird es möglich, entsprechend den Anforderungen eine Vielzahl von Konfigurationen der Nadeln bzw. Spitzen, beispielsweise durch ein Variieren der Magnetfeldstärke und/oder elektrischen Feldstärke und/oder der Form bzw. Gestalt des Magnetfelds und durch eine Anpassung des magnetischen pulverförmigen Materials und der Flüssigkeit als auch der leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen. Derart stellt das magnetische pulverförmige Material im Wesentlichen ein Gerüst dar, während die leitende bzw. leitfähige Flüssigkeit nicht magnetisch ist und denjenigen Bestandteil darstellt, welcher ionisiert und abgegeben bzw. ausgestoßen wird. By providing a corresponding magnetic field and electric field, it is possible, according to the requirements, a variety of configurations of the needles or tips, for example by varying the magnetic field strength and / or electrical field strength and / or the shape of the magnetic field and by adapting the magnetic powdery material and the liquid as well as the conductive or conductive liquid. In this way, the magnetic powdery material essentially represents a framework, while the conductive or conductive liquid is non-magnetic and represents that component which is ionized and released or expelled.

[0013] In diesem Zusammenhang wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass das magnetische pulverförmige Material von ferromagnetischen Materialien, wie beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt gebildet wird. Ein Einsatz derartiger ferromagnetischer Materialien ermöglicht die Erzielung bzw. Ausbildung der Spitzen bei Anlegen eines Magnetfelds und die Spitzen dienen für die Ausbildung eines hohen elektrischen Felds zur Erzielung entsprechend hoher Raten an lonen oder Elektronen. Bei Verwendung von ferromagnetischen Materialien können beispielsweise Eisenpulver insbesondere aufgrund der geringeren Toxizität eines derartigen Materials verglichen mit Nickel und Kobalt bevorzugt sein. In this context, it is proposed according to a preferred embodiment that the magnetic powdery material is formed from ferromagnetic materials such as iron, nickel or cobalt. The use of such ferromagnetic materials enables the tips to be achieved or formed when a magnetic field is applied, and the tips are used to create a high electric field to achieve correspondingly high rates of ions or electrons. When using ferromagnetic materials, iron powder, for example, can be preferred, in particular because of the lower toxicity of such a material compared to nickel and cobalt.

[0014] Zur Erzielung entsprechend feiner nadel- bzw. spitzenförmiger Strukturen in dem in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit enthaltenen magnetischen pulverförmigen Material bei Anlegen eines Magnetfelds wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass das magnetische pulverförmige Material mittlere Teilchenabmessungen im Bereich von Nanometer bis Mikrometer, insbesondere etwa 5 nm bis etwa 150 um aufweist. To achieve correspondingly fine needle-like or pointed structures in the magnetic powdery material contained in a conductive or conductive liquid when a magnetic field is applied, it is proposed according to a further preferred embodiment that the magnetic powdery material mean particle dimensions in the range from nanometers to Micrometers, in particular about 5 nm to about 150 µm.

[0015] Als leitende bzw. leitfähige Flüssigkeit bzw. flüssige Komponente, welche für eine Benetzung des magnetischen pulverförmigen Materials dient, welches darin dispergiert bzw. verteilt ist, wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die leitende bzw. leitfähige Flüssigkeit von einem flüssigen Metall, einer jonischen Flüssigkeit, einer Flüssigkeit, welche zu einer Beeinflussung von elektrischen Feldern fähig ist, einer rekonfigurierbaren ferromagnetischen Flüssigkeit oder dgl. gebildet wird. As a conductive or conductive liquid or liquid component, which is used for wetting the magnetic powdery material which is dispersed or distributed therein, it is proposed according to a further preferred embodiment that the conductive or conductive liquid from a liquid Metal, an ionic liquid, a liquid which is capable of influencing electrical fields, a reconfigurable ferromagnetic liquid or the like.

[0016] Allgemein kann als leitende bzw. leitfähige Flüssigkeit eine Substanz verwendet werden, welche für eine Emission von lonen und/oder Elektronen geeignet ist. In general, a substance which is suitable for the emission of ions and / or electrons can be used as the conductive or conductive liquid.

[0017] Als ionische Flüssigkeiten können bevorzugt folgende Flüssigkeiten eingesetzt werden: 1-Ethyl-3-Methylimidazol-Tetrafluorborat, 1-(2-Hydroxyethyl)-3-Methylimidazol-Dicyanamid, 1Butyl-1-Methylpyrrolidin Dicyanamid, 1-Butyl-3-Methylimidazol-Hexafluorphosphat, 1,2-Dimethyl3-Propylimidazol-Tricyanmethid, 1-Ethyl-2-Methylpyrazol-Tetrafluoroborat, Allylmethylimidazol-The following liquids can preferably be used as ionic liquids: 1-ethyl-3-methylimidazole tetrafluoroborate, 1- (2-hydroxyethyl) -3-methylimidazole-dicyanamide, 1-butyl-1-methylpyrrolidine dicyanamide, 1-butyl-3- Methylimidazole hexafluorophosphate, 1,2-dimethyl3-propylimidazole tricyanomethide, 1-ethyl-2-methylpyrazole tetrafluoroborate, allylmethylimidazole

Dicyanamid, und 1-Butyl-3-Methylimidazol-Dicyanamid. Dicyanamide, and 1-butyl-3-methylimidazole dicyanamide.

[0018] Für einen besonders guten Einsatz des pulverförmigen magnetischen Materials wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass das flüssige Metall von einer bei Umgebungstemperatur flüssigen Legierung, beispielsweise Gallium-Indium-Zinn gebildet wird, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht. Durch ein Betreiben bei Umgebungstemperaturen wird eine rasche Oxidation vermieden und es können auch Probleme, welche durch eine Verwendung von beispielsweise Salzsäure als ein Flussmittel bei hohen Temperaturen auftreten, vermieden werden. For a particularly good use of the powdered magnetic material, it is also proposed that the liquid metal is formed by an alloy that is liquid at ambient temperature, for example gallium-indium-tin, as corresponds to a further preferred embodiment of the method according to the invention. By operating at ambient temperatures, rapid oxidation is avoided and problems which occur due to the use of, for example, hydrochloric acid as a flux at high temperatures, can also be avoided.

[0019] Gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Magnetfeld von einem Permanentmagnet oder einem Elektromagnet bereitgestellt wird. Derart wird es möglich, dass eine Ausbildung von ungefähr gleichmäßig verteilten scharfen Spitzen bzw. Nadeln erzielbar ist. Durch eine gewünschte Anordnung des Magnetfelds wird eine gewünschte Verteilung von derartigen scharfen Spitzen bzw. Nadeln erhalten. According to a further preferred embodiment it is proposed that the magnetic field is provided by a permanent magnet or an electromagnet. In this way, it is possible to achieve the formation of roughly evenly distributed sharp points or needles. A desired distribution of such sharp points or needles is obtained by a desired arrangement of the magnetic field.

[0020] Zur Erleichterung bzw. Unterstützung der Erzeugung und Verteilung der Spitzen wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass das Magnetfeld zeitlich und/oder örtlich geändert wird und/oder mechanische Schwingungen angelegt werden. Hierzu kann beispielsweise eine piezo-elektrische Betätigungseinrichtung verwendet werden. To facilitate or support the generation and distribution of the peaks, it is proposed according to a further preferred embodiment that the magnetic field is changed over time and / or location and / or mechanical vibrations are applied. For example, a piezo-electric actuating device can be used for this purpose.

[0021] Zur Erzielung der gewünschten scharfen Spitzen bzw. Nadeln wird darüber hinaus derart vorgegangen, dass die Stärke des Magnetfelds in einem Bereich von 50 uWT bis 3,5 T, insbesondere von 2 mT bis 500 mT gewählt wird, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht. To achieve the desired sharp points or needles, the procedure is also such that the strength of the magnetic field is selected in a range from 50 uWT to 3.5 T, in particular from 2 mT to 500 mT, as is a further preferred Embodiment of the method according to the invention corresponds.

[0022] Bei Anlegen einer entsprechenden Hochspannung an der Elektrode sowie dem pulverförmigen magnetischen Material und der Flüssigkeit werden entsprechend hohe elektrische Feldstärken an den Spitzen bzw. Nadeln erzeugt, wo die leitende bzw. leitfähige Flüssigkeit mit dem darin enthaltenen pulverförmigen magnetischen Material gut definierte konische Formen an den Spitzen bildet, welche, wie oben erwähnt, als Taylor-Cones bekannt sind. In diesem Zusammenhang wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die angelegte Spannung zur Erzeugung des elektrischen Felds in einem Bereich von 250 V bis 1,5 MV, insbesondere von 1000 V bis 180 kV, bevorzugt 3000 V bis 25 kV gewählt wird. Die Auswahl der Spannungen hängt allgemein von der Geometrie des Systems und von den bevorzugten Arbeitspunkten ab und kann, wie oben angeführt, in einem breiten Bereich von Werten variieren, wobei allgemein eine Spannungsdifferenz zwischen dem Emitter (magnetischem Pulver + flüssigem leitfähigem Metall) und der Extrahiereinrichtung (negativen bzw. Gegenelektrode) von einigen wenigen Kilovolt, beispielsweise etwa 15 kV ausreichend ist, um eine Emission von lonen zu starten. When a corresponding high voltage is applied to the electrode and the powdered magnetic material and the liquid, correspondingly high electric field strengths are generated at the tips or needles, where the conductive liquid with the powdered magnetic material contained therein has well-defined conical shapes forms at the tips, which, as mentioned above, are known as Taylor cones. In this context, it is proposed according to a further preferred embodiment that the applied voltage for generating the electric field is selected in a range from 250 V to 1.5 MV, in particular from 1000 V to 180 kV, preferably 3000 V to 25 kV. The selection of the voltages generally depends on the geometry of the system and on the preferred operating points and, as stated above, can vary within a wide range of values, generally a voltage difference between the emitter (magnetic powder + liquid conductive metal) and the extractor (negative or counter electrode) of a few kilovolts, for example about 15 kV, is sufficient to start an emission of ions.

[0023] Derart werden in Abhängigkeit von der Polarität des elektrischen Felds lonen oder Elektronen von den Spitzen der Taylor- Cones emittiert. In this way, depending on the polarity of the electric field, ions or electrons are emitted from the tips of the Taylor cones.

[0024] Zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben umfasst erfindungsgemäß ein System zur Erzeugung eines lonen- oder Elektronenstrahls im Wesentlichen: In order to achieve the above-mentioned objects, according to the invention, a system for generating an ion or electron beam essentially comprises:

[0025] - einen Träger zur Aufnahme eines magnetischen pulverförmigen Materials in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit , - a carrier for receiving a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid,

[0026] - eine Vorrichtung zum Bereitstellen und Anlegen eines Magnetfelds an das magnetische Material zur Erzeugung von Spitzen in dem magnetischen Material, - A device for providing and applying a magnetic field to the magnetic material for generating peaks in the magnetic material,

[0027] - wenigstens eine Elektrode in Abstand von dem magnetischen Material bzw. dem Träger, und - At least one electrode at a distance from the magnetic material or the carrier, and

[0028] - eine Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Felds zwischen dem magnetischen Material und der Flüssigkeit und der Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Felds an den Spitzen des magnetischen Materials und der Flüssigkeit zur Abgabe von lonen oder Elektronen. A device for applying an electric field between the magnetic material and the liquid and the electrode for generating an electric field at the tips of the magnetic material and the liquid for the delivery of ions or electrons.

[0029] Derart gelingt es in einfacher und zuverlässiger Weise durch ein Vorsehen eines magne-In this way it is possible in a simple and reliable manner by providing a magnetic

tischen pulverförmigen Materials in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit sowie durch Anlegen eines Magnetfels und eines elektrischen Felds an das magnetische Material und die Flüssigkeit entsprechend gut definierte Spitzen in dem magnetischen Material und der Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, so dass durch ergänzendes Vorsehen einer Elektrode unter Anlegen eines elektrischen Felds an den Spitzen des magnetischen Materials und der Flüssigkeit eine definierte Abgabe von lonen oder Elektronen erzielbar ist. tables powdery material in a conductive or conductive liquid and by applying a magnetic rock and an electric field to the magnetic material and the liquid appropriately well-defined tips in the magnetic material and the liquid available, so that by additionally providing an electrode under Applying an electric field to the tips of the magnetic material and the liquid, a defined release of ions or electrons can be achieved.

[0030] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird hierbei vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur Bereitstellung eines Magnetfelds von einem Permanentmagnet oder einem Elektromagnet gebildet ist. According to a preferred embodiment, it is proposed here that the device for providing a magnetic field is formed by a permanent magnet or an electromagnet.

[0031] Zur Anpassung an gegebenenfalls unterschiedliche Gegebenheiten unter Bereitstellung von unterschiedlichen Konfigurationen der Anordnung der Spitzen bzw. Nadeln des magnetischen pulverförmigen Materials wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass zusätzlich eine Vorrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Beaufschlagung, insbesondere einer Vibration bzw. Schwingung auf das magnetische Material, und/oder eine Vorrichtung zur Anderung des Magnetfelds, beispielsweise eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, vorgesehen ist (sind), wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems entspricht. To adapt to possibly different circumstances while providing different configurations of the arrangement of the tips or needles of the magnetic powdery material, it is also proposed that a device for generating a mechanical application, in particular a vibration or oscillation, to the magnetic material , and / or a device for changing the magnetic field, for example a piezoelectric actuating device, is (are) provided, as corresponds to a further preferred embodiment of the system according to the invention.

[0032] Insbesondere in Abhängigkeit von der Polarität des anzulegenden elektrischen Felds zwischen der Elektrode und den Spitzen des magnetischen pulverförmigen Materials, welches in der leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit verteilt bzw. aufgenommen ist, lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße System als Antrieb für eine Raumsonde, einen Satelliten oder dgl. bei einer Erzeugung von lonen einsetzen. In particular, depending on the polarity of the electric field to be applied between the electrode and the tips of the magnetic powdery material which is distributed or received in the conductive or conductive liquid, the inventive method and the inventive system can be used as a drive for a space probe, a satellite or the like. Use in a generation of ions.

[0033] Bei entsprechend umgekehrter Polarität des elektrischen Felds unter Abgabe von Elektronen lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße System beispielsweise in einem Elektronenmikroskop einsetzen. When the polarity of the electric field is correspondingly reversed with the release of electrons, the method according to the invention and the system according to the invention can be used, for example, in an electron microscope.

[0034] Eine Emission von Elektronen kann auch beispielsweise dadurch verstärkt werden, indem die Spitzen einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise, jedoch nicht begrenzt auf UVLicht, Wärme ausgesetzt werden. An emission of electrons can also be increased, for example, by exposing the tips to electromagnetic radiation, for example, but not limited to UV light, heat.

[0035] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown schematically in the accompanying drawing. In this show:

[0036] Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines lonenstrahls; 1 shows a schematic view of a first embodiment of a system according to the invention for carrying out the method according to the invention for generating an ion beam;

[0037] Fig. 2 in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine schematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Elektronenstrahls; FIG. 2 shows, in a representation similar to FIG. 1, a schematic view of a modified embodiment of a system according to the invention for carrying out the method according to the invention for generating an electron beam;

[0038] Fig. 3a bis 3c detaillierte Ansichten eines Trägers des erfindungsgemäßen Systems mit einem magnetischen pulverförmigen Material in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit unter Ausbildung von Spitzen unter Einfluss eines Magnetfelds; und 3a to 3c detailed views of a carrier of the system according to the invention with a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid with the formation of peaks under the influence of a magnetic field; and

[0039] Fig. 4a bis 4c weitere abgewandelte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems mit unterschiedlichen Vorrichtungen zur Erzeugung und/oder Beeinflussung des Magnetfelds. 4a to 4c further modified embodiments of the system according to the invention with different devices for generating and / or influencing the magnetic field.

[0040] In Fig. 1 ist schematisch mit 1 ein Träger bezeichnet, auf welchem ein magnetisches pulverförmiges Material in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit 2 angeordnet ist, wobei, wie dies nachfolgend erörtert werden wird, durch ein Anlegen eines Magnetfelds sowie eines elektrischen Felds das magnetische pulverförmige Material 2 eine Mehrzahl von Nadeln bzw. Spitzen 3 ausbildet, wie dies ebenfalls nachfolgend insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 3 im Detail erörtert werden wird. In Fig. 1, 1 denotes a carrier on which a magnetic powdery material is arranged in a conductive or conductive liquid 2, wherein, as will be discussed below, by applying a magnetic field and an electric field the magnetic powdery material 2 forms a plurality of needles or tips 3, as will also be discussed in detail below, in particular with reference to FIG. 3.

[0041] Neben dem Träger 1 ist in Abstand von diesem sowie in Abstand von den Spitzen 3 eine Elektrode 4 vorgesehen. In addition to the carrier 1, an electrode 4 is provided at a distance therefrom and at a distance from the tips 3.

[0042] Durch ein Anlegen einer Hochspannung HV positiver Polarität an den Träger 1 sowie ein Anlegen einer Hochspannung HV negativer Polarität an der Elektrode 4 werden von den Spitzen 3 der von dem magnetischen pulverförmigen Material und der leitenden Flüssigkeit gebildeten Mischung lonen von der Flüssigkeit emittiert, so dass durch die Abgabe der jeweils mit + bezeichneten lonen ein Schub entsprechend dem Pfeil 5 auf eine den Träger 1 sowie die Elektrode 4 enthaltende Vorrichtung ausgeübt wird. By applying a high voltage HV positive polarity to the carrier 1 and applying a high voltage HV negative polarity to the electrode 4, ions are emitted from the liquid from the tips 3 of the mixture formed by the magnetic powdery material and the conductive liquid, so that by releasing the ions marked +, a thrust corresponding to the arrow 5 is exerted on a device containing the carrier 1 and the electrode 4.

[0043] Derart kann das in Fig. 1 dargestellte System beispielsweise als ein lonenantrieb für eine Raumsonde, einen Satelliten oder dgl. eingesetzt werden. In this way, the system shown in FIG. 1 can be used, for example, as an ion drive for a space probe, a satellite or the like.

[0044] In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass sich theoretisch die Elektrode 4 auch auf einem Erdpotential befinden kann oder sogar positiv sein kann, wobei eine notwendige Bedingung ist, dass die Differenz zwischen der Spannung, welche an das lonen emittierende Material und die Elektrode angelegt wird, positiv sein muss. In this context it is noted that the electrode 4 can theoretically also be at ground potential or even be positive, a necessary condition being that the difference between the voltage applied to the ion-emitting material and the electrode will, must be positive.

[0045] Wenn die an das lonen emittierende Material angelegte Spannung negativ wäre, würden die lonen unmittelbar danach wiederum auf den Träger 1 auftreffen, so dass allgemein die an das lonen emittierende Material angelegte Spannung positiv ist. If the voltage applied to the ion-emitting material were negative, the ions would immediately afterwards again impinge on the carrier 1, so that the voltage applied to the ion-emitting material is generally positive.

[0046] Für die Abgabe der lonen stellt hierbei das magnetische pulverförmige Material ein Gerüst, insbesondere zur Ausbildung der Spitzen 3 dar, während die Flüssigkeit, welche nicht magnetisch ist, ionisiert wird und lonen abgibt. For the release of the ions, the magnetic powdery material represents a framework, in particular for the formation of the tips 3, while the liquid, which is not magnetic, is ionized and releases ions.

[0047] In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist auf einem Träger 11 wiederum ein magnetisches pulverförmigen Material in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit 12 vorgesehen, wobei durch Anlegen eines Magnetfelds Nadeln bzw. Spitzen 13 gebildet werden. Weiters ist eine Elektrode 14 in Abstand von dem Träger 11 sowie dem darauf angeordneten pulverförmigen magnetischen Material in der leitenden Flüssigkeit vorgesehen. In the embodiment shown in Fig. 2, a magnetic powdery material is again provided in a conductive or conductive liquid 12 on a carrier 11, needles or tips 13 being formed by applying a magnetic field. Furthermore, an electrode 14 is provided in the conductive liquid at a distance from the carrier 11 and the powdery magnetic material arranged thereon.

[0048] Durch ein Anlegen einer Hochspannung HV mit gegenüber der Ausbildung gemäß Fig. 1 umgekehrter Polarität werden bei dem in Fig. 2 dargestellten System von den Spitzen 13 Elektronen ausgesandt bzw. abgegeben, welche jeweils mit - bezeichnet sind. By applying a high voltage HV with opposite polarity compared to the configuration according to FIG. 1, electrons are emitted or released from the tips 13 in the system shown in FIG. 2, each of which is denoted by -.

[0049] Eine derartige Anordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, kann beispielsweise in einem Elektronenmikroskop Verwendung finden. Such an arrangement as shown in FIG. 2 can be used, for example, in an electron microscope.

[0050] Eine Elektronenemission kann auch für eine Raumsonde oder einen Satelliten eingesetzt werden, wobei eine derartige Emission von Elektronen unter anderem für eine Ladungskompensation bzw. eine Steuerung bzw. Regelung der Ladung des Satelliten verwendet werden kann. Electron emission can also be used for a space probe or a satellite, such emission of electrons being used, inter alia, for charge compensation or control or regulation of the charge of the satellite.

[0051] In Fig. 3 sind in den einzelnen Darstellungen gemäß den Fig. 3a bis 3c wesentliche Details zur Ausbildung der Spitzen 3 bzw. 13 in dem magnetischen pulverförmigen Material in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit 2 bzw. 12 dargestellt. In Fig. 3, essential details for the formation of the tips 3 and 13 in the magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid 2 and 12 are shown in the individual representations according to FIGS. 3a to 3c.

[0052] Aus Fig. 3a ist ersichtlich, dass der Träger 1 bzw. 11 beispielsweise unmittelbar von einem Magnet, z.B. einem Permanentmagnet oder einem Elektromagnet gebildet wird, wobei durch N und S Pole eines derartigen Magnets angedeutet sind. Bei einer derartigen Orientierung des Magnets werden durch den Magnet schematisch mit 6 angedeutete Feldlinien erzeugt. From Fig. 3a it can be seen that the carrier 1 or 11 is formed, for example, directly by a magnet, for example a permanent magnet or an electromagnet, with N and S poles of such a magnet being indicated. With such an orientation of the magnet, field lines indicated schematically with 6 are generated by the magnet.

[0053] Durch ein Anordnen von magnetischem pulverförmigem Material in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit, welche wie in Fig. 1 und 2 mit 2 bzw. 12 bezeichnet ist, auf dem Träger 1 bzw. 11, welcher einen Magnet enthält bzw. unmittelbar von diesem gebildet wird, bilden sich entlang der Magnetfeldlinien 6 die Spitzen 3 bzw. 13. By arranging magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid, which is designated as in Fig. 1 and 2 with 2 or 12, on the carrier 1 or 11, which contains a magnet or directly from this is formed, the tips 3 and 13 are formed along the magnetic field lines 6.

[0054] Eine Ausbildung sehr dünner bzw. feiner Nadeln bzw. Spitzen 3 bzw. 13 wird neben dem Vorsehen des Magnetfelds zusätzlich durch ein Anlegen einer Hochspannung HV unterstützt, so dass sich eine in einem vergrößerten Detail zu Fig. 3c dargestellte Ausbildung einer sehr feinen Spitze 3 bzw. 13 erzielen lässt, wobei der oberste Teil der Spitze üblicherweise als Taylor-Cone bzw. Taylor-Kegel bezeichnet wird. A formation of very thin or fine needles or tips 3 or 13 is supported by the application of a high voltage HV in addition to the provision of the magnetic field, so that a very fine formation shown in an enlarged detail of FIG. 3c Can achieve tip 3 or 13, the uppermost part of the tip is usually referred to as a Taylor cone or Taylor cone.

[0055] Durch eine entsprechende Einstellung und/oder räumliche Ausbildung des Magnetfelds in dem Träger 1 bzw. 11 lässt sich eine Anpassung der Konfiguration sowie Anzahl der gebildeten Spitzen 3 bzw. 13 entsprechend den Erfordernissen erzielen. By appropriate setting and / or spatial formation of the magnetic field in the carrier 1 or 11, an adaptation of the configuration and the number of tips 3 or 13 formed can be achieved in accordance with the requirements.

[0056] In Fig. 4 sind schematisch unterschiedliche bzw. abgewandelte Ausführungsformen jeweils eines Trägers zur Aufnahme eines magnetischen pulverförmigen Materials in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit zur Ausbildung der wie in den vorangehenden Figuren wiederum mit 3 bezeichneten Spitzen der von dem magnetischen pulverförmigen Material und der leitenden Flüssigkeit gebildeten Mischung zur Emission von lonen oder Elektronen dargestellt. In Fig. 4 are schematically different or modified embodiments each of a carrier for receiving a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid to form the tips, again designated by 3 in the preceding figures, of the magnetic powdery material and the mixture formed by the conductive liquid for the emission of ions or electrons.

[0057] Bei der in Fig. 4a schematisch dargestellten Ausführungsform findet ein Permanentmagnet 21 als Träger Verwendung, welcher mit einer piezo-ähnlichen Betätigungseinrichtung 22 gekoppelt ist, wobei die Piezo-Betätigungseinrichtung 22 zur Anderung bzw. Beeinflussung des Magnetfelds, insbesondere zur Anderung der Konfiguration der Spitzen 3 eingesetzt werden kann. In the embodiment shown schematically in Fig. 4a, a permanent magnet 21 is used as a carrier, which is coupled to a piezo-like actuator 22, the piezo actuator 22 for changing or influencing the magnetic field, in particular for changing the configuration the tips 3 can be used.

[0058] Bei der in Fig. 4b dargestellten Ausführungsform wird für den Träger 23 ein Elektromagnet verwendet, wobei mit 24 ein Spulenkern aus einem ferromagnetischen Material angedeutet ist und mit 25 eine Spulenwicklung angedeutet ist. In the embodiment shown in FIG. 4b, an electromagnet is used for the carrier 23, with a coil core made of a ferromagnetic material being indicated at 24 and a coil winding being indicated at 25.

[0059] Darüber hinaus ist bei der in Fig. 4c dargestellten Ausführungsform für einen Träger 26 eine Kombination aus einem Elektromagnet, dessen wesentliche Elemente wiederum mit 23 und 24 bezeichnet sind, sowie einem Piezo-Betätigungselement 22 gebildet. In addition, in the embodiment shown in FIG. 4c, a combination of an electromagnet, the essential elements of which are in turn designated by 23 and 24, and a piezo actuating element 22 is formed for a carrier 26.

[0060] Anstelle eines Piezo-Betätigungselements 22 kann zur Erzielung einer mechanischen Beaufschlagung ein Betätigungselement ähnlich einem Rüttler, welcher beispielsweise auf exzentrisch aufgehängten rotierenden Massen beruht, verwendet werden. Instead of a piezo actuating element 22, an actuating element similar to a vibrator, which is based, for example, on eccentrically suspended rotating masses, can be used to achieve mechanical loading.

[0061] Als Frequenzen für eine derartige Beaufschlagung eines beispielsweise von einem Permanentmagnet 21 oder einem Elektromagnet 23 gebildeten Trägers können bei dem Piezo-Betätigungselement 2,5 MHz oder bei einem mechanischen Rüttler 50 Hz eingesetzt werden. The frequencies used for such action on a carrier formed for example by a permanent magnet 21 or an electromagnet 23 can be 2.5 MHz for the piezo actuator or 50 Hz for a mechanical vibrator.

[0062] Als Materialien für das magnetische pulverförmige Material in einer leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit, wie diese in den vorangehenden Figuren mit 2 bzw. 12 bezeichnet ist, können folgende Material-Kombinationen eingesetzt werden. The following material combinations can be used as materials for the magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid, as this is denoted in the preceding figures with 2 or 12.

[0063] 1. Als das magnetische Metallpulver kann Kobalt in Kombination mit der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-Methylimidazoltetrafluoroborat zum Einsatz kommen. Für das Magnetfeld, die elektrische Spannung sowie die Partikel- bzw. Teilchengröße können folgende Parameter gewählt werden: 1. As the magnetic metal powder, cobalt can be used in combination with the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazole tetrafluoroborate. The following parameters can be selected for the magnetic field, the electrical voltage and the particle or particle size:

[0064] 800 mT, 2.500 V, 900 nm 800 mT, 2,500 V, 900 nm

[0065] 2. Für die Kombination aus dem magnetischen pulverförmigen Material sowie der leitenden bzw. leitfähigen Flüssigkeit kann auch folgende Konfiguration zum Einsatz kommen: 2. For the combination of the magnetic powdery material and the conductive or conductive liquid, the following configuration can also be used:

[0066] Ein Pulver aus einer Legierung zwischen Eisen, Aluminium, Kupfer, Kobalt Titan und Nickel (ähnlich Alnico), dem flüssigen Metall Galinstan, bei Einsatz folgender Parameter für die magnetische Feldstärke, die elektrische Spannung und die P07384 Entwurf typische Teilchengröße: A powder made of an alloy between iron, aluminum, copper, cobalt titanium and nickel (similar to Alnico), the liquid metal Galinstan, using the following parameters for the magnetic field strength, the electrical voltage and the P07384 draft typical particle size:

[0067] 900 mT, 18.500 V, 10 um 900 mT, 18,500 V, 10 µm

Claims

Claims 1. A method of generating an ion or electron beam, comprising the following

Steps:

- Providing a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid (2, 12) in a carrier (1, 11),

- applying a magnetic field to the magnetic material to generate tips (3, 13) in the magnetic material,

- providing at least one electrode (4, 14) at a distance from the magnetic material or the carrier (1, 11, 21, 23), and

- Application of an electric field between the magnetic material and the liquid and the electrode (4, 14) to generate an electric field at the tips (3, 13) of the magnetic material and the liquid to give off ions (+) or electrons (- ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic powdery material is formed from ferromagnetic materials such as iron, nickel or cobalt.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic powdery material has mean particle dimensions in the range from nanometers to micrometers, in particular about 5 nm to about 150 μm.

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the conductive liquid (2, 12) of a liquid metal, an ionic liquid, a liquid which is capable of influencing electrical fields, a reconfigurable ferromagnetic liquid or the like. Is formed.

5. The method according to claim 4, characterized in that the liquid metal is formed from an alloy that is liquid at ambient temperature, for example gallium-indium-tin.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the magnetic field is provided by a permanent magnet (21) or an electromagnet (23).

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the magnetic field is changed in terms of time and / or location and / or mechanical vibrations are applied.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the strength of the magnetic field is selected in a range from 50 uT to 3.5 T, in particular from 2 mT to 500 mT.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the applied voltage for generating the electric field is selected in a range from 250 V to 1.5 MV, in particular from 1000 V to 180 kV, preferably 3000 V to 25 kV will.

10. A system for generating an ion or electron beam, comprising:

- A carrier (1, 11, 21, 23) for receiving a magnetic powdery material in a conductive or conductive liquid (2, 12),

- A device for providing and applying a magnetic field to the magnetic material for generating tips (3, 13) in the magnetic material,

- At least one electrode (4, 14) at a distance from the magnetic material or the carrier (1, 11, 21, 23), and

- A device for applying an electric field between the magnetic material and the liquid and the electrode (4, 14) for generating an electric field at the tips (3, 13) of the magnetic material and the liquid to release ions (+) or Electrons (-).

11. System according to claim 10, characterized in that the device for providing a magnetic field is formed by a permanent magnet (21) or an electromagnet (23).

12. System according to claim 10 or 11, characterized in that in addition a device for generating a mechanical application, in particular a vibration or oscillation on the magnetic material, and / or a device for changing the magnetic field, for example a piezoelectric actuator (22) , is (are) provided.

13. Use of a method and a system for generating an ion or electron beam according to one of the preceding claims as a drive for a space probe, a satellite or the like.

14. Use of a method and a system according to one of claims 1 to 12 in an electron microscope or the like.

In addition 3 sheets of drawings