WO2004057643A2 - Flüssigmetall-ionenquelle - Google Patents

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WO2004057643A2
WO2004057643A2 PCT/AT2003/000370 AT0300370W WO2004057643A2 WO 2004057643 A2 WO2004057643 A2 WO 2004057643A2 AT 0300370 W AT0300370 W AT 0300370W WO 2004057643 A2 WO2004057643 A2 WO 2004057643A2
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Inventor
Martin Tajmar
Ernst Semerad
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Arc Seibersdorf Research Gmbh
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    • 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]

Definitions

  • the invention relates to a liquid metal ion source according to the preamble of claim 1.
  • a liquid metal ion source is known from US 4,328,667.
  • this known liquid metal ion source comprises a metal housing which is composed of two halves, a narrow slot of at most 0.02 mm wide but of any length being left free on one side between the housing halves, from which the metal is in operation are expelled in its liquid phase or the ions formed in the process.
  • the liquid metal ion source has a plurality of ring-shaped ejection slots.
  • Such liquid metal ion sources are used, among other things, in space technology as ion drives, in which the drive effect results from the recoil of the ejected ions. They basically work according to the following principle: Electric current on a satellite is used to produce an ion current in the actual engine, which is then accelerated in a system of electric fields. It is characteristic of ion drives that they work with a high outflow speed, but with a low thrust acceleration. The low thrust acceleration is due to the fact that the mass throughput is extremely low despite the high speed of the drive jet. Ion drives are characterized by their low fuel consumption. Despite their low thrust, they have a high drive capacity due to a long operating time.
  • ion and other electrostatic drives are critical for the efficiency of the ion drives, so that the geometry and dimensioning of these components are of crucial importance.
  • a disadvantage of ion and other electrostatic drives is that they do not function in the atmosphere. They need high vacuum for their operating principle. This makes their testing and further development difficult.
  • the present invention has for its object to improve the above-mentioned liquid metal ion sources and in particular to increase their mass efficiency, especially at high emission currents, since in the known liquid metal ion sources, a large drop in mass efficiency occurs at emission currents above 20 ⁇ A.
  • the capillary passage By forming the capillary passage with a substantially circular cross-section, which has a diameter r c of 1 - 100 ⁇ m at its open end in the emitter body, a considerable increase occurs Mass efficiency. The highest mass efficiency is achieved if the diameter r c of the cross-section of the capillary passage is between 3 and 10 ⁇ m.
  • the capillary passage is advantageously cylindrical or frustoconical.
  • the ratio of the height h c of the emitter body to the diameter r c of the capillary passage should be at least 1: 1, and preferably between 1: 1 and 5: 1, in particular between 1.5 : 1 and 3: 1.
  • the outer surface of the emitter body should have a pitch angle ⁇ of 0-60 °, the emitter body preferably being designed as a truncated cone. This strengthens the electric field at the opening of the emitter body and prevents the liquid metal from overflowing.
  • the wall surface of the capillary passage has a material or material structure that is well wettable for the liquid metal passing through.
  • the invention provides for the outer surface of the emitter body to be given a smooth surface structure and / or a coating with low wettability for the metal to be ejected.
  • electrically conductive quasicrystals or another electrically conductive material with poor wetting are suitable as coating material.
  • a further embodiment provides for the distance between the respective emitter bodies to be between 0.15 and 0.5 mm, preferably between 0.2 and 0.3 mm. Additionally or alternatively, the ratio of the summed areas of the openings of the capillary passages of all emitter bodies to the total area of the housing wall section on which the emitter body can be are arranged, can be selected between 1:10 and 1: 5000. This leads to a good distribution of the electric field without the occurrence of undesired space charge effects.
  • an extractor electrode formed with a plurality of diaphragm holes can advantageously be arranged at a distance from and electrically isolated from the emitter bodies, one diaphragm hole each coaxial with the opening of the capillary passage of an emitter body is aligned and the ratio between the diameter ⁇ of the aperture and the diameter r c of the capillary passage is between 1: 1 and 5: 1, preferably between 1: 1 and 4: 1.
  • This embodiment of the invention shows a very high efficiency.
  • the extractor electrode can be attached to the housing using an electrically insulating spacer, whereby the exact adjustment must be observed.
  • the distance D between the edge of the opening of the capillary passage of an emitter body and the edge of the associated aperture hole should be between half and twice the height h c of the emitter body be.
  • a shielding electrode formed with a plurality of diaphragm holes is arranged, one diaphragm hole each coaxial with the opening of the capillary passage of an emitter body is aligned and the ratio between the diameter of the aperture hole and the diameter r c of the capillary passage is between 1: 1 and 5: 1, preferably between 2: 1 and 4: 1.
  • the electrical potential of the extractor electrode can be varied from 0 V in the direction of a positive potential in order to change the positive voltage on the housing while the current remains the same. This enables a variation of the specific impulse with constant thrust.
  • the shielding electrode should be connected to a negative potential in order to repel electrons from the surrounding plasma or the neutralizer.
  • Ion source, the housing and the emitter body (s) consist of a high-strength metal, preferably processed by etching or laser cutting, or a highly doped semiconductor.
  • the metal is particularly preferably selected from tantalum or molybdenum, both of which have a high melting point.
  • the surface properties of the ion source should not be changed as far as possible by the production.
  • the outer surfaces of the emitter body (s) and the outer surface of the housing wall from which he / she extends should be free of burrs and beads.
  • FIG. 1 a liquid metal ion source according to the invention in its entirety in cross section
  • FIG. 2 the liquid metal ion source in perspective
  • FIG. 3 an enlarged section of the liquid metal ion source from FIG. 1 in cross section
  • FIGS. 4 and 5 further enlarged details in cross section
  • FIG. 6 shows a section of a second embodiment of the liquid metal ion source according to the invention in cross section.
  • the liquid metal ion source 1 shows a liquid metal ion source according to the invention, generally designated 1, in cross section in its entirety.
  • the liquid metal ion source 1 has an electrically conductive housing 2 with a cavity 4 for receiving liquid or liquefiable metal 3, the metal 3 preferably being indium or gallium or an alloy with indium as a component.
  • a plurality of emitter bodies 5 protrude upwards, each having a capillary passage that communicates with the cavity 3, as explained in more detail below with reference to the enlarged representations of FIGS. 3 to 5.
  • the emitter body 5 are made of a high-strength metal, or an alloy of this metal, preferably processed by etching or laser cutting, the metal preferably being selected from tantalum or molybdenum.
  • the metal preferably being selected from tantalum or molybdenum.
  • Spacer 6 electrically insulated therefrom, is one with an emitter body 5
  • a plurality of aperture holes 7a designed extractor electrode 7 are arranged, each having an aperture hole 7a coaxially aligned with the opening 5a of the capillary passage 5b of an emitter body 5 (see FIGS. 3-5).
  • the ratio between the diameter ⁇ of the aperture 7a and the diameter r c of the capillary passage 5b should be between 1: 1 and 5: 1, preferably between 1: 1 and 4: 1 (see Fig.
  • the extractor electrode 7 is connected to the negative pole of a voltage source 8, and the electrically conductive housing 2 is connected to the positive pole of the voltage source 8.
  • the extractor electrode 7 is biased negatively with respect to the housing 2 and thus also with respect to the metal 3 located in the cavity 4 and thereby serves to accelerate the ions formed on the emitter bodies 5.
  • the voltage generated by the voltage source 8 should be between 50 and 10,000 V in order to generate specific pulses of the emitted current between 900 and 14,000 s.
  • the metal 3 in the cavity 4 is heated to the temperature necessary for its liquefaction by means of an electrical resistance heater 9.
  • the temperature in the cavity 4 should be between 156 ° C. and 300 ° C., a temperature range between 156.6 ° C. and 200 ° C. being preferred.
  • FIG. 2 shows the liquid metal ion source according to the invention from FIG. 1 obliquely from above in perspective.
  • the extractor electrode 7 can be seen with its diaphragm holes 7a, which are aligned coaxially with the openings 5a of the capillary passages of the emitter bodies 5.
  • a multiplicity of emitter bodies 5 are arranged in a regular, rectangular pattern.
  • the distance between respective adjacent emitter bodies 5 is advantageously between 0.15 and 0.35 mm, and preferably between 0.2 and 0.3 mm.
  • the ratio of the summed areas of the openings 5a of the capillary passages of all emitter bodies 5 to the total area of the housing wall section on which the emitter bodies are arranged is between 1:10 and 1: 5000 lies.
  • FIG. 3 shows a section of the liquid metal ion source from FIG. 1 on an enlarged scale.
  • the housing wall 2a from which the emitter bodies 5 extend upwards at equal intervals.
  • Each emitter body 5 is penetrated centrally by a capillary passage 5b, one end of which opens into the cavity 4 and the other end of which opens into an opening 5a in the top surface of the emitter body 5.
  • the housing wall 2a and the emitter body 5 are preferably formed as an integral housing part by etching or laser cutting.
  • the extractor electrode 7 with its diaphragm holes 7a is arranged at a distance H above the emitter bodies 5. Extractor electrode 7 and housing wall 2a are connected to voltage source 8. 4 shows detail A of FIG. 3 in a further enlarged magnification.
  • each emitter body 5 is designed as a truncated cone with a pitch angle ⁇ of approximately 15 °. This small pitch angle makes a significant contribution to strengthening the electric field at the opening 5a and preventing the liquid metal from overflowing.
  • the cylindrical capillary passage 5b has an essentially circular cross section, which has a diameter r c of 1-4 at its opening 5a in the emitter body 5. 100 ⁇ m, preferably from 3 to 10 ⁇ m.
  • the mass efficiency can be increased further if the ratio of the height h c of the emitter body 5 to the diameter r c of the capillary passage 5b is at least 1: 1, and preferably between 1: 1 and 5: 1, in particular between 1.5: 1 and 3: 1.
  • the wall surface of the capillary passage 5b has a material structure which is readily wettable by the liquid metal, for example indium, which passes through it.
  • the outer surface of the emitter body 5 should, however, be wetted as little as possible by inadvertently overflowing metal in order to prevent the metal from adhering to this surface.
  • the outer surface of the emitter body 5 is provided with a smooth surface structure.
  • the outer surface of the emitter body 5 is coated with a coating 12 which is electrically conductive and which is used as fuel used metal can hardly be wetted. It has proven advantageous to use quasicrystals for this coating.
  • the distance D between the edge of the opening 5a of the capillary passage 5b of the emitter body 5 and the edge of the associated aperture hole 7a of the extractor electrode 7 should be between half and twice the height h c of the emitter body in order to prevent the build-up of undesired space charge relationships.
  • 6 shows a further development of the liquid metal ion source according to FIGS. 1 to
  • a shielding electrode 10 formed with a plurality of diaphragm holes 10a is arranged at a distance above the extractor electrode 7 and electrically isolated from it and from the emitter bodies 5, one diaphragm hole 10a each coaxial with the opening 5a of the capillary passage 5b of the Emitter body 5 is aligned.
  • the ratio between the diameter of the aperture hole and the diameter of the capillary passage 5b is between 1: 1 and 5: 1, preferably between 1: 1 and 4: 1.
  • a further voltage source 10 is provided, the positive pole of which is connected both to the extractor electrode 7 and the negative pole of the voltage source 8 and the negative pole of which is connected to the shielding electrode 10 is connected.
  • the electrical potential of the extractor electrode 7 can be varied from 0 V in the direction of a positive potential in order to change the positive voltage on the housing while the current remains the same. This enables a variation of the specific impulse with constant thrust.
  • the shielding electrode 10 is connected to a negative potential in order to repel electrons from the surrounding plasma.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, 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 µm, bevorzugt von 3 - 10 µm, besitzt.

Description

Flüssigmetall-Ionenquelle
Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetali-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 Ionen-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 Ionen-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. Ionen-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 Ionen-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 Flüssigmetali-Ionenquellen zu verbessern und insbesondere ihre Masseneffizienz vor allem bei hohen Emissionsströmen zu erhöhen, da bei den bekannten Flussigmetall-Ionenquellen bei Emissionsströmen über 20 μA 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 μm besitzt, tritt eine beträchtliche Steigerung der Masseneffizienz ein. Höchste Masseneffizienz wird erreicht, wenn der Durchmesser rc des Querschnitts des Kapillar-Durchgangs zwischen 3 und 10 μm 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 Ionen-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 erfϊndungsgemäß 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 Flussigmetall-Ionenquellen bei Emissionsströmen über 20 μA 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 μA liegen kann, in eine Vielzahl von Teilströmen aufzuteilen, die jeweils gleich oder geringer als 20 μA 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- Ionenquelle 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 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 η 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 hochdotiertem Halbleiter. Besonders bevorzugt ist das Metall aus Tantal oder 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.
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 μm, bevorzugt von 3 - 10 μm, 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 μA 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 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

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 μm, bevorzugt von 3 - 10 μm, 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 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. Flussigmetall-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 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 nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und/oder die Emitterkörper (5) einen mikrostrukturierten Aufbau besitzen.
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