Eine solche Flüssigmetall-lonenquelle ist aus der US 4,328, 667 bekannt. Diese bekannte Flüssigmetall-lonenquelle 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 lonen ausgestoßen werden. In einer zweiten Ausgestaltung weist die Flüssigmetall-lonenquelle eine Vielzahl an ringförmigen Ausstoß-Schlitzen auf.

Solche Flüssigmetall-lonenquellen werden unter anderem in der Raumfahrttechnik als lonen-Antriebe eingesetzt, bei denen die Antriebswirkung aus dem Rückstoß der ausgestoßenen lonen entsteht. Sie arbeiten im wesentlichen nach folgendem Prinzip : Elektrischer Strom auf einem Satelliten wird verwendet, um im eigentlichen Triebwerk einen lonenstrom hervorrufen, der anschließend in einem System elektrischer Felder beschleunigt wird. Charakteristisch für lonen-Antriebe ist, dass sie mit hoher Ausströmgeschwindigkeit, jedoch kleiner Schubbeschleunigung arbeiten. Die geringe Schubbeschleunigung ist darauf zurückzuführen, dass trotz der hohen Geschwindigkeit des Antriebsstrahls der Massendurchsatz außerordentlich gering ist. 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 lonen-Antriebe sind an den verschiedenen Komponenten des Antriebs auftretende Leckströme und die Strahldivergenz, so dass der Geometrie und Dimensionierung dieser Komponenten entscheidende Bedeutung beikommt. Nachteilig bei lonen-und anderen elektrostatischen Antrieben ist das Nichtfunktionieren in der Atmosphäre. Für ihr Funktionsprinzip benötigen sie Hochvakuum. Dies macht ihre Erprobung und Weiterentwicklung schwierig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angeführten Flüssigmetall-lonenquellen zu verbessern und insbesondere ihre Masseneffizienz vor allem bei hohen Emissionsströmen zu erhöhen, da bei den bekannten Flüssigmetall-lonenquellen bei Emissionsströmen über 20 pA ein starker Abfall der Masseneffizienz auftritt.

Diese Aufgabe wird durch Bereitstellung einer Flüssigmetall-lonenquelle wie in Anspruch 1 definiert gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Flüssigmetall-lonenquelle 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 um 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 um liegt. Vorteilhaft ist der Kapillar-Durchgang zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet.

Um ein auf das flüssige Metall konzentrierendes elektrisches Feld zu erreichen, soll das Verhältnis der Höhe hc des Emitterkörpers zum Durchmesser rc des Kapillar- Durchgangs zumindest 1 : 1, und vorzugsweise zwischen 1 : 1 und 5 : 1, insbesondere zwischen 1,5 : 1 und 3 : 1, liegen. In weiterer Ausgestaltung sollte die Außenfläche des Emitterkörpers einen Steigungswinkel a von 0-60° aufweisen, wobei vorzugsweise der Emitterkörper als Kegelstumpf ausgebildet ist. Dadurch wird das elektrische Feld an der Öffnung des Emitterkörpers verstärkt und ein Überlaufen des flüssigen Metalls verhindert.

Um eine befriedigende lonen-Emission an der Spitze des Emitterkörpers zu gewährleisten, ist eine ausreichende und regelmäßige Strömung des flüssigen Metalls durch den Kapillar-Durchgang hindurch erforderlich. Um diese Strömung sicherzustellen weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Wandfläche des Kapillar- Durchgangs ein für das hindurchgehende flüssige Metall gut benetzbares Material bzw. eine gut benetzbare Materialstruktur auf.

Mit für das flüssige Metall gut benetzbarem Material geht jedoch die Gefahr einher, dass eine Beschichtung dieses Materials mit dem flüssigen Metall auftritt. Um ein Überlaufen des flüssigen Metalls zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, der Außenfläche des Emitterkörpers eine glatte Oberflächenstruktur und/oder eine Beschichtung mit geringer Benetzbarkeit für das auszustoßende Metall zu verleihen. Als Beschichtungsmaterial kommen beispielsweise elektrisch leitende Quasikristalle oder ein anderes elektrisch leitendes Material mit schlechter Benetzung infrage.

Wie eingangs erwähnt, haben gegenwärtige Flüssigmetall-lonenquellen bei Emissionsströmen über 20 uA eine stark abfallende Masseneffizienz. Um diesen Abfall der Masseneffizienz zu verhindern ist in einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, den erwünschten Emissionsstrom, der eventuell beträchtlich über 20 pA liegen kann, in eine Vielzahl von Teilströmen aufzuteilen, die jeweils gleich oder geringer als 20 NA sind, indem an der Gehäusewand eine Vielzahl von in einem regelmäßigen Muster angeordneten, vorragenden Emitterkörpern vorgesehen wird, deren Kapillar-Durchgänge mit dem Hohlraum zur Aufnahme des flüssigen oder verflüssigbaren Metalls kommunizieren. Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen Strom mit einer Masseneffizienz von bis zu 100% zu emittieren. Gleichzeitig wird eine Flüssigmetall- lonenquelle mit exzellenter Skalierbarkeit zur Verfügung gestellt. Zur weiter verbesserten Strom-Emission mit höchster Masseneffizienz ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, den Abstand zwischen jeweiligen Emitterkörpern zwischen 0,15 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,3 mm, festzulegen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verhältnis der summierten Flächen der Öffnungen der Kapillar-Durchgänge aller Emitterkörper zur Gesamtfläche des Gehäusewandabschnitts, auf dem die Emitterkörper

angeordnet sind, zwischen 1 : 10 und 1 : 5000 gewählt werden. Dies führt zu einer guten Verteilung des elektrischen Feldes ohne das Auftreten unerwünschter Raumladungseffekte.

Als Gegenelektrode zum leitenden Gehäuse, die eine Beschleunigung der ausgestoßenen lonen hervorruft, kann vorteilhaft im Abstand vor den Emitterkörpern und elektrisch davon isoliert eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern ausgebildete Extraktor-Elektrode angeordnet sein, wobei jeweils ein Blendenloch koaxial mit der Öffnung des Kapillar-Durchgangs eines Emitterkörpers ausgerichtet ist und das Verhältnis zwischen dem Durchmesser r, des Blendenlochs und dem Durchmesser rc des Kapillar- Durchgangs zwischen 1 : 1 und 5 : 1, vorzugsweise zwischen 1 : 1 und 4 : 1, beträgt. Diese Ausgestaltung der Erfindung zeigt einen sehr hohen Wirkungsgrad. Die Extraktor- Elektrode kann mittels eines elektrisch isolierenden Distanzhalters am Gehäuse befestigt werden, wobei die genaue Justierung einzuhalten ist.

Um einen günstigen Verlauf des elektrischen Feldes an der Öffnung des Kapillar- Durchgangs zu erzielen, sollte die Distanz D zwischen dem Rand der Öffnung des Kapillar-Durchgangs eines Emitterkörpers und dem Rand des zugeordneten Blendenlochs zwischen der Hälfte und dem Doppelten der Höhe hc des Emitterkörpers betragen.

In einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist in einem größeren Abstand vor den Emitterkörpern als die Extraktor-Elektrode und elektrisch von beiden isoliert eine mit einer Vielzahl von Blendenlöchern ausgebildete Abschirm-Elektrode angeordnet, wobei jeweils ein Blendenloch koaxial mit der Öffnung des Kapillar-Durchgangs eines Emitterkörpers ausgerichtet ist und das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Blendenlochs und dem Durchmesser rc des Kapillar-Durchgangs zwischen 1 : 1 und 5 : 1, vorzugsweise zwischen 2 : 1 und 4 : 1, beträgt. Bei dieser Anordnung kann das elektrische Potential der Extraktor-Elektrode von 0 V in Richtung eines positiven Potentials variiert werden, um die positive Spannung am Gehäuse bei gleich bleibendem Strom zu verändern. Dies ermöglicht eine Variation des spezifischen Impulses bei gleich bleibendem Schub. Die Abschirm-Elektrode sollte mit negativem Potential verbunden sein, um Elektronen aus dem Umgebungsplasma oder des Neutralisators abzustoßen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Flüssigmetall- lonenquelle 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 Wulsten 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-lonenquelle in ihrer Gesamtheit im Querschnitt, Fig. 2 die Flüssigmetall-lonenquelle in der Perspektive, Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Flüssigmetall-lonenquelle 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-lonenquelle im Querschnitt.

In Fig. 1 ist eine allgemein mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Flüssigmetall- lonenquelle im Querschnitt in ihrer Gesamtheit dargestellt. Die Flüssigmetall-lonenquelle 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 Wulsten 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 r, des Blendenlochs 7a und dem Durchmesser ré 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 lonen. 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-lonenquelle 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-lonenquelle 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-lonenquelle 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 Nm, bevorzugt von 3-10 um, 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 uA ist, ermöglicht es, einen Gesamtstrom mit einer Masseneffizienz von 100% zu emittieren.

Um ein gutes Funktionieren der Flüssigmetall-lonenquelle 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-lonenquelle 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 he des Emitterkörpers betragen, um den Aufbau unerwünschter Raumladungsverhältnisse zu verhindern.

In Fig. 6 ist eine Fortbildung der Flüssigmetall-lonenquelle 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.