DE102020114999A1

DE102020114999A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Flüssigmetall-Ionenquelle oder Flüssigmetall-Elektronenquelle sowie Flüssigmetall-Ionenquelle oder Flüssigmetall-Elektronenquelle

Info

Publication number: DE102020114999A1
Application number: DE102020114999.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Tajmar
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2021-12-09
Also published as: AT523882A2; US20210383994A1; US11705299B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem, umfassend:- eine leitfähige Emitter-Elektrode (2),- eine der Emitter-Elektrode (2) gegenüberliegende leitfähige Extraktor-Elektrode (3),- ein Flüssigmetall-Reservoir (4), das fluidisch mit der Emitter-Elektrode (2) verbunden ist, um Flüssigmetall zur Emitter-Elektrode (2) zu transportieren,- eine Steuereinheit (5), die ausgebildet ist, um zwischen Emitter-Elektrode (2) und Extraktor-Elektrode (3) eine periodisch variierende Betriebsspannung anzulegen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Flüssigmetall-Ionenquellen, insbesondere für elektrische Raumfahrtantriebe, und lonenstrahlwerkzeuge in Focused-Ion-Beam-Anlagen, sowie Flüssigmetall-Elektronenquellen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betreiben derartiger Flüssigmetall-Ionenquellen bzw. Flüssigmetall-Elektronenquellen mit reduziertem Flüssigmetallverbrauch.
Technischer Hintergrund
Flüssigmetall-Ionenquellen werden für elektrische Raumfahrtantriebe, wie beispielsweise aus M. Tajmar et al., „Liquid metal-ion source development for space propulsion at ARC," Utramicroscopy, Band 109, Nr. 5, Seiten 442- 446, 2009 bekannt, und als lonenstrahl-Werkzeuge in Focused-Ion-Beam Anlagen, wie aus J. Gierak, „Focused ion beam technology and ultimate applications," Semiconductor Science and Technology., Band 24, Nr. 4, Seite 043001, 2009 bekannt, seit vielen Jahrzehnten benutzt.
In der Regel weisen Flüssigmetall-Ionenquellen bzw. Flüssigmetall-Elektronenquellen derartige Vorrichtungen einen Emitter in Form einer spitzen oder porösen Nadel oder einer Kapillare auf, welche aus einem Reservoir mit Flüssigmetall herausragt. Mit Abstand davon ist ein Extraktor z.B. in Form einer Lochelektrode, angeordnet. Als Treibstoff wird oft ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie Gallium oder Indium, benutzt, das dem Emitter zugeführt wird.
Der Emitter wird mit einem Heizer auf eine Temperatur gebracht, bei der der metallische Treibstoff flüssig ist. Wenn eine hohe Spannung zwischen dem Emitter und Extraktor angelegt wird, entsteht auf der Emitterspitze ein Flüssigmetall-Kegel mit einer atomaren Spitze, die sich in Richtung des Extraktors erstreckt. Dort ist das elektrische Feld so groß, dass je nach Polarität Ionen beim Betrieb als Flüssigmetall-Ionenquelle oder Elektronen beim Betrieb als Flüssigmetall-Elektronenquellen emittiert werden.
Beim Betrieb als Flüssigmetall-Ionenquelle wird der Emitter mit einer positiven Spannung in Bezug auf den Extraktor versorgt. Bis zu einer kritischen Stromschwelle von wenigen µA wird ein reiner lonenstrahl erzeugt. Bei darüberhinaus ansteigendem Strom werden zusätzlich zum lonenstrom leicht geladene Mikro-Tröpfchen emittiert, die sich aus dem Flüssigmetallkegel herauslösen. Die Mikro-Tröpfchen entstehen dadurch, dass der Transport des Flüssigmetalls zu Spitze des Emitters nicht schnell genug erfolgt und die atomare Spitze des Flüssigmetallkegels deshalb immer wieder kollabiert.
Die Mikro-Tröpfchen sind nur leicht elektrisch geladen und tragen beim Betrieb in einem Antriebssystem daher nicht signifikant zum Erzeugen einer Schubkraft bei. Die Effizienz der Flüssigmetall-Ionenquelle als Antriebssystem sinkt und der Treibstoffverbrauch erhöht sich wesentlich. Der sich ausbildende lonenstrahl ist daher pulsierend. Die Pulsierungsfrequenz ist von der Geometrie der Emitter und der Viskosität des Flüssigmetalls abhängig und liegt ab den kritischen Strom in der Regel im hohen kHz und unteren MHz Bereich.
Der Einsatz von Flüssigmetall-Elektronenquellen ist dann vorteilhaft, wenn hohe Elektronenströme generiert werden sollen. Bei einer Flüssigmetall-Elektronenquelle liegt eine negative Spannung zwischen dem Emitter und dem Extraktor an. Es bildet sich hier ebenfalls ein Flüssigmetall-Kegel aus und die atomare Spitze führt direkt zur Erzeugung eines Elektronenstroms. Ein kontinuierlicher Betrieb ist bei dieser Betriebsweise nicht möglich und die Elektronen werden immer gepulst emittiert, da die Elektronen neutrale Atome in der Nähe ionisieren, welche mit ihrer positiven Ladung von der negativen Emitterspitze angezogen werden. Dieses Bombardement führt zu einer starken lokalen Aufheizung der Spitze, das dazu führt, dass noch mehr Elektronen emittiert werden. Es entsteht ein Lawinen-Effekt, der zu einem explosionsartig ansteigenden Elektronenstrom im Ampere-Bereich führt, bevor die gesamte Flüssigmetall-Spitze verdampft und der Prozess von neuem startet. Der Verbrauch an Flüssigmetall ist auch in dieser Betriebsweise relativ hoch. Außerdem ist die Emission von Metall-Tröpfchen für viele Anwendungen ein großer Nachteil, da nur Elektronen benötigt werden und der Metalldampf die umliegenden Oberflächen beschichtet.
Während Flüssigmetall-Ionenquellen für Focused-Ion-Beam Anwendungen in der Regel mit sehr geringen Strömen betrieben werden, die unterhalb der kritischen Stromschwelle liegen, werden bei Antriebssystemen für die Raumfahrt Ströme über der kritischen Stromschwelle verwendet, um relevante Schubleistungen zu erhalten. Hier nimmt man eine Tröpfchenbildung und den damit verbundenen zusätzlichen Treibmassenverlust in Kauf. Die Tröpfchenbildung erfordert umfangreiche Schutzmaßnahmen (z.B. Labyrinth Abschirmungen) und limitiert die Lebensdauer. Die bisher beste Lösung ist es einen sehr spitzen Nadelemitter zu verwenden, die einen Effizienzvorteil gegenüber einem Kapillar-Emitter hat, wie aus M. Tajmar, „Influence of Taylor cone size on droplet generation in an indium liquid metal ion source," Appl. Phys. A Mater. Sci. Process, vol. 81, no. 7, Seiten 1447-1450, 2005 bekannt.
Flüssigmetall-Elektronenquellen sind derzeit ein Nischenprodukt. Der einzelne Stromimpuls ist hoch, die Wiederholfrequenz liegt im ms Bereich, was den praktischen Einsatz solcher Elektronenquellen erschwert, da alternative Lösungen gleichmäßigere Elektronenströme ohne Metall-Tröpfchen generieren.
Aus der EP 0 202 685 A1 ist eine Flüssigmetall-Ionenquelle bekannt mit einer lonenemitterspitze, der ein lonenquellen-Flüssigmetallmaterial zugeführt wird, mit einer Ausziehelektrode zum Ausziehen eines lonenstrahls aus der Emitterspitze und mit einer ersten Einrichtung zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen der Emitterspitze und der Ausziehelektrode. Die Gleichspannung ist auf einen der Schwellenspannung für das Ausziehen eines lonenstrahls benachbarten Wert eingestellt. Es ist eine zweite Einrichtung vorgesehen, die der Gleichspannung Spannungsimpulse überlagert, um das Ausziehen eines pulsierenden lonenstrahls zu bewirken.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flüssigmetall-Ionenquelle bzw. eine Flüssigmetall-Elektronenquelle so zu betreiben, dass der Verbrauch des verwendeten Flüssigmetalls reduziert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer Flüssigmetalllonenquelle bzw. Flüssigmetall-Elektronenquelle gemäß Anspruch 1 sowie ein Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem bzw. Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem oder ein Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem vorgesehen, umfassend:

- eine leitfähige Emitter-Elektrode,
- eine der Emitter-Elektrode gegenüberliegende leitfähige Extraktor-Elektrode,
- ein Flüssigmetall-Reservoir, das fluidisch mit der Emitter-Elektrode verbunden ist, um Flüssigmetall zur Emitter-Elektrode zu transportieren,
- eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um zwischen Emitter-Elektrode und Extraktor-Elektrode eine periodisch variierende Betriebsspannung anzulegen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Flüssigmetalllonenstrahlsystems oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystems vorgesehen, umfassend:

- eine leitfähige Emitter-Elektrode,
- eine der Emitter-Elektrode gegenüberliegende leitfähige Extraktor-Elektrode,
- ein Flüssigmetall-Reservoir, das fluidisch mit der Emitter-Elektrode verbunden ist, um Flüssigmetall zur Emitter-Elektrode zu transportieren,

Die Flüssigmetall-Ionenquelle bzw. Flüssigmetall-Elektronenquelle sieht eine Emitter-Elektrode und eine Extraktor-Elektrode vor, wobei diese durch Anlegen einer periodisch variierenden Betriebsspannung zwischen der Emitter-Elektrode und der Extraktor-Elektrode so betrieben werden, dass Ionen oder Elektronen von der Emitter-Elektrode emittiert werden. Dabei wird der Emitter-Elektrode ein Flüssigmetall zugeleitet, dass sich im Betrieb in einem der Extraktor-Elektrode zugewandten Bereich der Emitter-Elektrode sammelt und dort zur Generierung von Ionen bzw. Elektronen dient.
Weiterhin kann eine Betriebsspannungsschwelle vorgegeben sein, die einen Spannungsbetrag definiert, ab dem an der Emitter-Elektrode nicht oder nur leicht ionisiertes Flüssigmetall durch emittierte, in Richtung der Extraktor-Elektrode beschleunigte Ionen oder Elektronen herausgelöst wird, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die eine periodisch variierende Betriebsspannung zwischen einer Unterschwellenspannung, die betragsmäßig unter der Betriebsspannungsschwelle liegt, und einer Überschwellenspannung, die betragsmäßig über der Betriebsspannungsschwelle liegt, zu variieren.
Es existiert je nach Material des Flüssigmetalls und Geometrie des Emitters eine Betriebsspannungsschwelle, ab der eine Tröpfchenbildung erfolgt, d.h. durch die Generierung von Flüssigmetallionen werden Tröpfchen von Flüssigmetall von dem Emitter gelöst bzw. durch einen Lawineneffekt wird Flüssigmetall an den Emittern verdampft.
Die Tröpfchenbildung tritt erst nach einer bestimmten Zeitdauer nach Überschreiten der Betriebsspannungsschwelle auf. Daher kann durch einen gepulsten Betrieb mit wechselnden Spannungen zwischen der Überschwellenspannung und der Unterschwellenspannung eine Tröpfchenbildung trotz Überschreiten der Betriebsspannungsschwelle vermieden werden. Die Betriebsfrequenz der Spannungsvariation ist dabei so eingestellt, dass eine Tröpfchenbildung an der Emitter-Elektrode vermieden wird.
Dabei kann zum einen der Extraktor auf einem Bezugspotenzial und eine Pulsspannung einer Pulsspannungsquelle am Emitter angelegt werden. Hier besteht ein Vorteil darin, dass der Aufbau eine geringe Komplexität aufweist, da nur eine Hochspannungsquelle (Pulsspannungsquelle) notwendig ist. Allerdings werden für die Pulsspannung hohe Spannungsimpulse benötigt, die nicht immer einfach erzeugt werden können. Durch zusätzliche Verwendung von Nadel-Emittern als Emitter kann die Zeit zum Aufbau eines Flüssigmetallkegels bzw. -Tröpfchens, das sich um die Nadelspitze des Emitters bildet, verringert werden.
In einer weiteren Alternative kann der Extraktor mit einem Bezugspotenzial und der Emitter mit einem konstanten Betriebspotenzial verbunden sein, so dass sich eine Spannungsdifferenz unter der Betriebsspannungsschwelle einstellt. Dadurch wird ein Flüssigmetallkegel an dem Emitter aufgebaut, wobei jedoch keine Emission stattfindet. Durch Anlegen, d. h. serielles Dazuschalten einer gepulsten Potenzialquelle, welche dadurch nur ein geringeres gepulstes Potenzial zur Verfügung stellen muss, kann der gepulste Betrieb der Ionen- bzw. Elektronenquelle erreicht werden.
Alternativ kann der Extraktor mit einem hohen konstanten Betriebspotenzial und der Emitter mit einem Bezugspotenzial verbunden sein, so dass sich eine Spannungsdifferenz unterhalb der Betriebsspannungsschwelle einstellt. Die Pulsspannungsquelle wird zwischen Bezugspotenzial und Emitter angelegt und stellt einen periodischen Spannungshub bereit, der die Betriebsspannung zwischen Emitter und Extraktor zwischen der ersten Spannungsdifferenz und der zweiten Spannungsdifferenz variiert. Die Pulsspannungsquelle benötigt keine Hochspannungsisolierung und auch nur einen geringen Spannungshub der Spannungspulse. Die Energie des so erzeugten lonenstrahls bzw. -Elektronenstrahls ist relativ gering für den Betrieb als Elektronenquelle, aber von Vorteil, da nur negative Ladungen für den Ladungsausgleich benötigt werden.
Durch die Wahl einer geeigneten Pulsfrequenz der Pulsspannungsquelle, die das Entstehen von Tröpfchen verhindert, kann der Verbrauch an Flüssigmetall zum Betrieb der Flüssigmetall-Ionen- bzw. Flüssigmetall-Elektronenquelle deutlich reduziert werden. Die Pulsfrequenz kann fest eingestellt, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 100kHz und 100 MHz für einen Flüssigmetall-Ionenquelle und zwischen 1MHz bis 1GHz für eine Flüssigmetall-Elektronenquelle, sein. Alternativ kann die Pulsfrequenz sich auch durch einen geregelten Betrieb einstellen, insbesondere indem die anliegende Potenzialdifferenz unter eine Betriebsspannung reduziert wird, wenn der Ionen- bzw. Elektronenstrom einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt oder wenn ein Gradient des Ionen- bzw. Elektronenstroms einen vorbestimmten Gradientenschwellenwert übersteigt.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Betriebsspannung durch eine Konstanthochspannungsquelle zum Bereitstellen einer konstanten Hochspannung und eine Pulsspannungsquelle zum Bereitstellen einer periodisch variierenden Pulsspannung erzeugt werden, die mit der Anordnung aus der Emitter-Elektrode und der Extraktorelektrode in Reihe geschaltet sind, wobei die Summe der Spannungen der Konstanthochspannungsquelle und der Pulsspannungsquelle die periodisch variierende Betriebsspannung ergibt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Pulsspannungsquelle mit einem Bezugspotenzial, insbesondere einem Massepotenzial verbunden ist.
Weiterhin kann die Emitter-Elektrode als Spitzenelektrode oder als eine Kapillarelektrode ausgebildet sein.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um die periodisch variierende Betriebsspannung durch einen geregelten Betrieb einzustellen, wobei die Betriebsspannung betragsmäßig unter die Betriebsspannungsschwelle abgesenkt wird, wenn der Stromfluss durch die Anordnung aus Emitter-Elektrode und Extraktor-Elektrode betragsmäßig eine Stromstärke über einer vorgegebenen Stromschwelle überschreitet und/oder ein Stromgradient betragsmäßig über eine vorgegebene Gradientenschwelle ansteigt, und über die Betriebsspannungsschwelle angehoben wird, wenn der Stromfluss durch die Anordnung aus Emitter-Elektrode und Extraktor-Elektrode betragsmäßig eine Stromstärke über einer vorgegebenen Stromschwelle unterschreitet und/oder ein Stromgradient betragsmäßig unter eine vorgegebene Gradientenschwelle fällt. Dabei sind die vorgegebene Stromschwelle und die vorgegebene Gradientenschwelle so gewählt, dass diese die Schwelle des Einsetzens der Tröpfchenbildung angeben.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem mit einer Pulsfrequenz der Betriebsspannung von größer als 100 kHz und kleiner als 100 MHz betrieben werden.
Weiterhin kann bei dem Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem die Pulsfrequenz der Betriebsspannung größer als 1 MHz und kleiner 1 GHz sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System mit dem obigen Flüssigmetalllonenstrahlsystem und dem obigen Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem vorgesehen, wobei die Betriebsspannungen sich auf ein gleiches Bezugspotenzial beziehen. Auf diese Weise kann eine elektrostatische Aufladung eines nicht geerdeten Fahrzeugs, insbesondere eines Raumfahrzeugs vermieden werden, da ein Ladungsausgleich zwischen der Menge an ausgestoßener positiver und negativer Ladung erreicht werden kann.
Insbesondere können das Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem und das Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem mit identischen Pulsfrequenzen insbesondere phasenversetzt betrieben werden, um eine Wechselbelastung eines elektrischen Energiespeichers zu reduzieren.
Außerdem würde ein einziges Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem, das sowohl als lonenals auch als Elektronenquelle dienen kann, bei Verwendung als Antriebssystem für ein Raumfahrzeug ermöglichen, durch wechselweisen Betrieb als Ionen und Elektronenquelle einen Ladungsausgleich herzustellen, so dass eine Aufladung des Raumfahrzeugs vermieden werden kann bzw. auf eine separate Elektronenquelle verzichtet werden kann.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem;
2a bis 2c verschiedene Varianten der Erzeugung der gepulsten Betriebsspannung für die Flüssigmetall-Ionenquelle bzw. Flüssigmetall-Elektronenquelle.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Flüssigmetall-Ionenstrahlsystems 1 mit einer leitfähigen Emitter-Elektrode 2, die in Form einer leitfähigen Spitzenelektrode (wie dargestellt) oder alternativ einer Kapillarelektrode ausgebildet sein kann, und eine der Emitter-Elektrode 2 gegenüberliegende leitfähige Extraktor-Elektrode 3 zum Beschleunigen von Ladungsträgern. Der Extraktor 3 kann als Lochblende ausgebildet sein.
Nahe der Emitter-Elektrode 2 ist ein Flüssigmetall-Reservoir 4 angeordnet, das fluidisch mit dem Bereich der Emitter-Elektrode 2 verbunden ist, um Flüssigmetall zur Emitter-Elektrode 2 zu transportieren. An der Spitze der Emitter-Elektrode 2 bildet sich ein sehr spitzer Flüssigmetall-Kegel aus, aus dem im Betrieb die Metall-Ionen herausgelöst werden und in Richtung der Extraktor-Elektrode 3 beschleunigt werden. Das Material von so ausgelösten Metall-Ionen wird aus dem Flüssigmetall-Reservoir 4 ersetzt.
Es ist eine Steuereinheit 5 vorgesehen, die zwischen Emitter-Elektrode 2 und Extraktor-Elektrode 3 eine positive Betriebsspannung V_E anlegt. Die Betriebsspannung V_E weist einen Betrag auf, durch die an der Emitter-Elektrode 2 Ionen I herausgelöst werden und in Richtung der Extraktor-Elektrode 3 beschleunigt werden. Dadurch fließt ein Strom im µA-Bereich.
Steigt der Strom über einen Schwellenstrom an, können zusätzlich zum lonenstrom leicht geladene Mikrotröpfchen T von der Spitze der Emitter-Elektrode 2 gelöst und abgesondert werden, wodurch der Verbrauch an Flüssigmetall deutlich steigt, ohne dass diese Tröpfchen T signifikant zum lonenstrahl beitragen.
Die Anordnung der 1 lässt sich auch als ein Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem betreiben, wenn die Steuereinheit 5 zwischen Emitter-Elektrode 2 und Extraktor-Elektrode 3 eine negative Betriebsspannung V_E anlegt. Die Betriebsspannung V_E weist einen Betrag auf, durch die an der Emitter-Elektrode 2 Elektronen abgegeben werden.
Beim Betrieb als Elektronenquelle bildet sich an der Spitze der Elektrode ein Flüssigmetallkegel aus, der direkt zur Erzeugung des Elektronenstroms führt. Die Elektronen werden dabei immer gepulst emittiert, da die Elektronen neutrale Atome in der Nähe ionisieren, die mit ihrer positiven Ladung von der negativ geladenen Spitze der Emitter-Elektrode angezogen werden. Dieses Bombardement führt zu einer starken lokalen Aufheizung der Spitze und zu einer sich dadurch verstärkenden Emission von Elektronen. Dieser Lawineneffekt führt zu einem sehr hohen Elektronenstrom, der dazu führt, dass die Flüssigmetall-Kegel and der Spitze der Emitter-Elektrode 2 verdampft. Dieser Prozess führt zu einem Verbrauch an Flüssigmetall und zu einer starken Abrasion der Emitter-Elektrode 2.
Um diese Effekte zu vermeiden, ist nun vorgesehen, das Flüssigmetalllonenstrahlsystem bzw. das Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem mit einer gepulsten Betriebsspannung V_E zu betreiben. Dabei wird die Betriebsspannung V_E , die zwischen der Emitter-Elektrode 2 und der Extraktor-Elektrode 3 anliegt, periodisch zwischen einer Unterschwellenspannung, die betragsmäßig unter einer Betriebsspannungsschwelle V_thr liegt, und einer Überschwellenspannung, die betragsmäßig über einer Betriebsspannungsschwelle V_thr liegt, variiert. Die Betriebsspannungsschwelle entspricht einer Spannungsschwelle, ab der eine Tröpfchenbildung bzw. eine Ablösung von Flüssigmetall auftritt.
Die Pulsfrequenz der Betriebsspannung V_E ist so gewählt, dass die oben genannten Effekte, d.h. Tröpfchenbildung beim Betrieb als lonenquelle und Abdampfung beim Betrieb als Elektronenquelle vermieden wird. Die Pulsfrequenz kann fest vorgegeben sein und insbesondere größer als 100 kHz und kleiner als 100 MHz für Flüssigmetall-Ionenquellen und größer als 1 MHz und kleiner 1 GHz für Flüssigmetall-Elektronenquellen liegen.
Die Pulsform kann rechteckförmig, sinusförmig, sägezahnförmig sein oder eine andere Form aufweisen.
Es sind grundsätzlich mehrere Varianten denkbar, die periodisch variierende Betriebsspannung V_E zu generieren.
Wie in der 2a gezeigt, kann die Extraktor-Elektrode 3 auf ein Bezugs- bzw. Massepotenzial B gelegt sein. Die Emitter-Elektrode 2 wird an eine Betriebsspannungsquelle 6 angeschlossen, die periodisch variiert ist und die Betriebsspannung V_E direkt generiert. Spannungspulse sind in dem dargestellten Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt. Die Komplexität einer solchen Anordnung ist relativ gering, da nur die Betriebsspannungsquelle 6 notwendig ist. Diese muss jedoch hohe Spannungspulse mit sehr hohen Spannungen bereitstellen, die nur sehr aufwendig hergestellt werden können. Die Unterschwellenspannung kann dabei ein Potenzial aufweisen, das dem Bezugspotenzial B entspricht oder einem Potenzial zwischen dem Bezugspotenzial B und der Betriebsspannungsschwelle V_thr entspricht. Auch sollte die Emitter-Elektrode 2 als Spitzenelektrode ausgebildet sein, da die Zeit, einen Flüssigmetallkegel aufzubauen, von der Geometrie der Elektrode abhängt und bei als Kapillaren ausgebildete Emitter-Elektroden üblicherweise mehr Zeit benötigt, als durch die Pulsbreite der Betriebsspannung V_E (Zeitdauer des Anliegens der Überschwellenspannung) bereitgestellt wird.
Die Ausführungsform der 2b zeigt eine Verbindung der Extraktor-Elektrode 3 mit dem Bezugspotenzial (Massepotenzial) B, wobei an der Emitter-Elektrode 2 mithilfe einer Konstant-Hochspannungsquelle 7 eine konstante Hochspannung HV angelegt ist, deren Höhe unterhalb der Betriebsspannungsschwelle liegt, unter der kein Ionen- bzw. Elektronenstrom emittiert wird. Zusätzlich wird eine Pulsspannungsquelle 8 seriell dazugeschaltet, die mithilfe einer gepulsten Spannung das an der Emitter-Elektrode 2 anliegende Betriebsspannung V_E über die Betriebsspannungsschwelle V_thr hebt bzw. absenkt. Somit bilden die Hochspannungsquelle 7 und die Pulsspannungsquelle 8 die Betriebsspannungsquelle der 2a. Durch das Anlegen der Unterschwellenspannung im Bereich der Betriebsspannungsschwelle V_thr , insbesondere in einem Bereich zwischen 70 und 90% der Betriebsspannungsschwelle, wird der Aufbau eines Flüssigmetallkegels ermöglicht, jedoch wird keine Emission von Ionen bzw. Elektronen bewirkt. Durch das gepulste Hinzuschalten der Pulsspannungsquelle 8, die nur eine geringere Spannung zur Verfügung stellen muss, kann nun die Flüssigmetall-Ionenquelle bzw. Flüssigmetall-Elektronenquelle mit geringerem Flüssigmetallverbrauch betrieben werden.
In der Ausführungsform, die in 2c dargestellt ist, kann die Extraktor-Elektrode 3 an ein hohes konstantes Potenzial HP unterhalb der Betriebsspannungsschwelle V_thr in der umgekehrten Polarität zur Emitter-Elektrode 2 betrieben werden. Mithilfe einer Pulsspannungsquelle 8 wird eine periodische Pulsspannung erzeugt und an die Emitter-Elektrode 2 angelegt. Diese benötigt im Gegensatz zur vorangegangenen Ausführungsform keine Hochspannungsisolierung und auch nur eine relativ geringen Spannungshub, um das Gesamtpotenzial zwischen Emitter-Elektrode 2 und Extraktor-Elektrode 3 über die Betriebsspannungsschwelle V_thr zu heben.
Die Betriebsspannungsquelle 6 oder die Pulsspannungsquelle 8 sind so ausgelegt, um die Gesamtspannung zwischen Emitter-Elektrode 2 und Extraktor-Elektrode 3 von der Unterschwellenspannung über die Betriebsspannungsschwelle V_thr in einem gepulsten Betrieb auf eine Überschwellenspannung zu heben und darunter abzusenken. Die sich einstellende Frequenz kann fest vorgegeben oder durch einen geregelten Betrieb eingestellt werden. Bei der fest vorgegebenen Frequenz sollte für eine Flüssigmetall-Ionenquelle eine Frequenz zwischen 100 kHz und 100 MHz und für eine Flüssigmetall-Elektronenquelle im Bereich zwischen 1 MHz und 1 GHz gewählt werden.
Beim geregelten Betrieb kann das Absenken unter die Betriebsspannungsschwelle V_thr dann durchgeführt werden, wenn der Ionen- bzw. Elektronenstrom betragsmäßig eine Stromstärke über einer vorgegebenen Stromschwelle überschreitet bzw. der Stromgradient über eine vorgegebene Gradientenschwelle ansteigt. Nach dem Absenken der Betriebsspannung V_E auf die Unterschwellenspannung kann nach einer Totzeit die Überschwellenspannung wieder angelegt bzw. die Betriebsspannung V_E wieder erhöht werden, um den Zyklus erneut zu starten.
Bezugszeichenliste

1: Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem
2: Emitter-Elektrode
3: Extraktor-Elektrode
4: Flüssigmetall-Reservoir
5: Steuereinheit
6: Betriebsspannungsquelle
7: Konstanthochspannungsquelle
8: Pulsspannungsquelle
B: Bezugspotenzial
HP: Hochspannungspotenzial
Vthr: Betriebsspannungsschwelle
VE: Betriebsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0202685 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Tajmar et al., „Liquid metal-ion source development for space propulsion at ARC,“ Utramicroscopy, Band 109, Nr. 5, Seiten 442- 446, 2009 [0002]
J. Gierak, „Focused ion beam technology and ultimate applications,“ Semiconductor Science and Technology., Band 24, Nr. 4, Seite 043001, 2009 [0002]
M. Tajmar, „Influence of Taylor cone size on droplet generation in an indium liquid metal ion source,“ Appl. Phys. A Mater. Sci. Process, vol. 81, no. 7, Seiten 1447-1450, 2005 [0008]

Claims

Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem, umfassend: - eine leitfähige Emitter-Elektrode (2), - eine der Emitter-Elektrode (2) gegenüberliegende leitfähige Extraktor-Elektrode (3), - ein Flüssigmetall-Reservoir (4), das fluidisch mit der Emitter-Elektrode (2) verbunden ist, um Flüssigmetall zur Emitter-Elektrode (2) zu transportieren, - eine Steuereinheit (5), die ausgebildet ist, um zwischen Emitter-Elektrode (2) und Extraktor-Elektrode (3) eine periodisch variierende Betriebsspannung anzulegen.
Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1, wobei eine Betriebsspannungsschwelle vorgegeben ist, die einen Spannungsbetrag definiert, ab dem an der Emitter-Elektrode (2) nicht oder nur leicht ionisiertes Flüssigmetall durch emittierte, in Richtung der Extraktor-Elektrode (3) beschleunigte Ionen oder Elektronen herausgelöst wird, wobei die Steuereinheit (5) ausgebildet ist, die eine periodisch variierende Betriebsspannung zwischen einer Unterschwellenspannung, die betragsmäßig unter der Betriebsspannungsschwelle liegt, und einer Überschwellenspannung, die betragsmäßig über der Betriebsspannungsschwelle liegt, zu variieren.
Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsspannung durch eine Konstanthochspannungsquelle (7) zum Bereitstellen einer konstanten Hochspannung und eine Pulsspannungsquelle (8) zum Bereitstellen einer periodisch variierenden Pulsspannung erzeugt wird, die mit der Anordnung aus der Emitter-Elektrode (2) und der Extraktor-Elektrode (3) in Reihe geschaltet sind, wobei die Summe der Spannungen der Konstanthochspannungsquelle (7) und der Pulsspannungsquelle (8) die periodisch variierende Betriebsspannung ergibt.
Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 3, wobei die Pulsspannungsquelle (8) mit einem Bezugspotenzial, insbesondere einem Massepotenzial verbunden ist.
Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Emitter-Elektrode (2) als Spitzenelektrode oder als eine Kapillarelektrode ausgebildet ist.
Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit (5) ausgebildet ist, um die periodisch variierende Betriebsspannung durch einen geregelten Betrieb einzustellen, wobei die Betriebsspannung betragsmäßig unter die Betriebsspannungsschwelle abgesenkt wird, wenn der Stromfluss durch die Anordnung aus Emitter-Elektrode (2) und Extraktor-Elektrode (3) betragsmäßig eine Stromstärke über einer vorgegebenen Stromschwelle überschreitet und/oder ein Stromgradient betragsmäßig über eine vorgegebene Gradientenschwelle ansteigt, und über die Betriebsspannungsschwelle angehoben wird, wenn der Stromfluss durch die Anordnung aus Emitter-Elektrode (2) und Extraktor-Elektrode (3) betragsmäßig eine Stromstärke über einer vorgegebenen Stromschwelle unterschreitet und/oder ein Stromgradient betragsmäßig unter eine vorgegebene Gradientenschwelle fällt.
Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pulsfrequenz der Betriebsspannung größer als 100 kHz und kleiner als 100 MHz ist.
Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pulsfrequenz der Betriebsspannung größer als 1 MHz und kleiner 1 GHz ist.
Verfahren zum Betreiben eines Flüssigmetall-Ionenstrahlsystems (1) oder Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystems, umfassend: - eine leitfähige Emitter-Elektrode (2), - eine der Emitter-Elektrode (2) gegenüberliegende leitfähige Extraktor-Elektrode (3), - ein Flüssigmetall-Reservoir (4), das fluidisch mit der Emitter-Elektrode verbunden ist, um Flüssigmetall zur Emitter-Elektrode (2) zu transportieren, wobei zwischen Emitter-Elektrode (2) und Extraktor-Elektrode (3) eine periodisch variierende Betriebsspannung angelegt wird.
System mit einem Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, wobei die Betriebsspannungen sich auf ein gleiches Bezugspotenzial beziehen.
System nach Anspruch 10, wobei das Flüssigmetall-Ionenstrahlsystem (1) und das Flüssigmetall-Elektronenstrahlsystem mit identischen Pulsfrequenzen insbesondere phasenversetzt betrieben werden, um eine Wechselbelastung eines elektrischen Energiespeichers zu reduzieren.