CN102282642A - 用于监测电子束强度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述方法和装置用于监测电子束的强度。为了探测所述电子束强度的变化，探测和评估所述电子束直接或间接产生的电磁辐射。这尤其是指紫外线辐射和/或可见光范围内的辐射。

Description

用于监测电子束强度的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于监测电子束强度的方法。

本发明还涉及一种用于监测电子束强度的装置。

背景技术

这种电子束能够例如用构造成类似X射线管的管状装置产生，并且在所述管状装置内布置炽热的金属发射元件。在这方面，所述电子由热电子发射产生并且在所述管内被加速到高动能。相应的加速电子通过所述加速区域末端的出射窗离开所述管状装置。典型地，所述出射窗被细细地和/或狭窄地构造并且电连接到地电位。这种装置也被通称为电子枪。

离开所述出射窗后，所述电子进入大气环境中进行传播。最大的传播距离由所述电子的动能决定。

根据典型实施例，产生的电子电流具有100μA(微安)到200mA(毫安)范围的强度。所述管也通常提供连续运行以达到恒定的电子发射速率。也通常使用恒定的加速电压以产生不随着时间变化的电子电流。

然而，由于使用的所述管的结构，能够例如由例如沿着陶瓷绝缘子的表面发生的火花，引起随时发生小电压骤降。这种电压骤降在电学上的表现与短暂短路一样并且引起所述电子电流的电子动能减少，用此也可能减小束强度和/或电子的范围。

也不可能绝对地消除因这种影响而使所述电子束出现短暂完全遗失。根据特殊原因，这种遗失能够持续从几微秒到几毫秒的时间段。持续超过约1毫秒的非工作状态时间能够通过监测向所述管供电的电源单元的电压和电流特性探测到。然而，由于在所述电源单元的滤波中时间常量并且由于所实现的电压和电流特性监测的抽样速率，不能探测更短的非工作状态时间，或者至少不可靠地探测。

这种电子束的应用能够用于例如给包装材料表面消毒。在这种类型的应用中，通过所述电子束的适当偏转和/或通过相对电子源移动所述包装材料，至少在特定的区域，所述包装材料的表面被电子束全部扫过，以便执行可靠的消毒。因此，如果所述电子束强度骤降，电子束的短暂丧失或者电子束的能量骤降，在缺乏恰当对策时执行的消毒操作是不完全的，这是不能接受的。

当保持经济边界条件时，已经证明在技术上很难可靠地避免所述的强度骤降、能量骤降和/或短暂失效。因而努力快速地并且可靠地探测相应强度波动，以便影响所述电子束的偏转或者执行运动的路径，使得所述包装材料的要消毒的表面的每部分都在足够强度的电子束里曝露足够长时间。

在本发明的范围内，术语“包装材料”必须被解释为，是指适合缠绕或者容纳易腐蚀物质的任何材料。这不仅涉及到诸如薄膜的柔软材料，而且涉及到诸如用金属板制造的罐或者玻璃制造的瓶子或坛的刚性材料以及例如塑料瓶，塑料杯等半刚性材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在上面开头部分所表示类型的方法，所述方法能够执行可靠的强度监测。

根据本发明的方法实现了这个目的，即为了探测所述电子束的强度变化，探测和评估通过所述电子束直接或间接地产生的电子辐射或电磁辐射。

当在本发明的范围内使用时，所述句子“由所述电子束直接或间接地产生的辐射或电磁辐射”将被解释为是指本发明的目的涉及能够以不同方式发生的(电磁)辐射的探测。一方面，这涉及直接由所述电子束产生的电子辐射，其中，例如电子从原子或分子的外壳脱离出来并且直接撞击用于探测的辐射敏感部件。使用例如本领域技术人员熟知类型的诸如PT100，PTC，NTC的温度敏感电阻能够探测所述电子辐射，在这方面优选使用对温度变化反应非常快并且因此能够探测电子辐射的非常小变化的部件。

另一方面，本发明的目的涉及只由所述电子束间接产生的电磁辐射，例如，通过电子-离子对的重新组合并因此产生的电磁辐射，下面将会更详细地描述。

本发明的另一目的是设计一种开头所述类型的装置，以便提供快速可靠的强度监测。

根据本发明提供的探测器实现了这个目的，即本发明提供了一种用于测量由电子束直接或间接地产生的电磁辐射的探测器，并且所述探测器与用于探测所产生的电磁辐射的强度变化的评估器相连接。

附图说明

下面在此将参考示范性实施例描述本发明。具体地，

图1显示本领域技术人员已知的电子穿过空气时的能量损失的情况图；以及

图2以简化方式显示根据本发明的装置。

具体实施方式

一种用于监测由电子束发出的电磁辐射的测量装置，能够用小的空间尺寸并且不昂贵地实现。探测由所述电子束产生的等离子体辐射的相应探测器具有非常小的误差，以致仅仅几毫秒分之一的的测量时间或观察时间(时间常量)就足够进行信号过滤，例如，用于探测电子束的变化。

所述探测器能够定位在所述电子束的外面，使得它们的热载荷低，这对这种探测器的使用寿命具有非常积极的影响。

发射的电磁辐射的强度与电子束的强度直接相关，并且所述电磁辐射的测量能够具有极其良好的精度。

在特征频率范围内的测量受到紫外线辐射的评估的影响。

还提议进行光辐射评估。

在电子束在空气内传播期间，特别简单的构建技术的实施由正在被评估的电磁辐射辅助。

根据优选应用，建议所述电子束用于包装材料表面区域的杀菌(bacterial reduction)。特别建议用于减少在容器的表面区域的细菌数。

紧凑设计通过半导体传感器探测的电磁辐射辅助。

使用光敏二极管，也称为光电二极管，作为半导体传感器有助于经济地实施。

在进一步型式的实施例中，CCD芯片，光敏CMOS芯片或者光电晶体管用作半导体传感器。使用光敏电阻器型式的实施例也是可以想象的。

图1描绘了特定电离作用和能量损失对于电子能量的典型特征图。标有特定电离作用的曲线表示在照射1mg/cm²的空气柱的过程中，由具有1千电子伏特到3兆电子伏特的能量的电子所形成的离子对数。在此上下文中使用的术语“单离子对”是指一个电子和一个离子的组，在此下文中称为电子-离子对。

标有能量损失的曲线描述当照射具有1mg/cm²的每单位面积的质量的空气柱时，电子在空气中损失的能量。在电子与物质相互作用过程中引起的效应通常以每单位面积的质量的方式表示，因为这与物质的类型没有关系，即与所谓的吸收材料无关，每单位面积相同质量的不同吸收体产生大致相同的效应。这样，当照射每单位面积相同质量σ的氩气柱或氮气柱时，电子束的大致相同的能量损失ΔE如当照射每单位面积相同质量的空气柱的能量损失所预期的那样。

所产生的电子-离子对的数目也大致遵循这个规则。在上下文中，术语“大致”应当解释为是指用作具有6到20之间原子数Z的吸收体成分的特定材料的期望依赖性能够仅改变±15％。对于所有其它吸收体，单独材料的偏差更大。由贝特-布洛赫方程所描述的电子在吸收体中能量损失的效应在“Dosimetrie ionisierender Strahlung”Reich B.G Teubner，Stuttgart1990，p.96中进行了解释。

共同用于包装材料表面消毒的电子束强度的监测实现本发明的方法和本发明的装置的优选应用。为了这种照射的目的，电子在管内被加速以产生电子束，使得电子的能量达到60千电子伏特到2兆电子伏特的范围。所述电子辐射在出射窗区域离开所述管进入大气环境或者包括诸如氩气或氮气的外来气体的环境，并且所述外来气体环境能够代替大气环境以便在所述包装材料的区域中获得无氧环境。

在出射窗区域中，电子的能量减少，其中，能量减少的程度取决于所述出射窗的厚度、出射窗的材料和所述电子的动能。

电子穿过出射窗之后，当它们穿过大气环境时遭到进一步的永久的能量损失。这种能量损失主要是由脉冲传输引起的，其中，离开的电子产生例如电子-离子对、受激发离子、受激发分子、分子碎片以及自由基。总的来说，所述离开的电子在大气环境中产生等离子体。使电子枪的电子减速的区域一般也能够用不同于空气的气体填充，例如，由氩气、氮气、氦气或者诸如此类的气体。此应用等同于下面的描述。

图1以实例方式显示作为特定电离作用的电子-离子对的产生率。图1也显示了对于吸收距离(absorption train)的1mg/cm²的空气，能量范围在1千电子伏特到3兆电子伏特之间的电子的能量损失，吸收距离的1mg/cm²的空气相当于在293K的温度和1013.25mbar的压强时约8.3毫米的空气柱。相应的能量损失导致，例如130千电子伏特的电子束在大气层的空气中具有约20厘米的传播距离。因此，具有此能量的电子束不能到达离出射窗超过20厘米的包装材料的表面。

为了实现本发明的目的，本发明利用了如下效应，即所述电子的最初动能的至少显著部分消耗在从出射窗向外传播的电子通过脉冲传输其动能到它们所穿过的大气。在所述过程中，当所述电子传播并且与包围它们的大气的颗粒碰撞时，电子被永久地从所述颗粒的原子或分子的外壳敲出来，结果再次形成自由的电子和离子对。这样当所述电子束传播时，所述电子束连续地产生等离子体。

从专家文献，例如，H.Huchling，“Taschenbuch der Physik”，CarlHanser Verlag，第16版，第572页，熟知空气的平均电离作用常量是33.85电子伏特，所以，对于在吸收器内产生电子-离子对的已知能量损失的电子，沿着其路径由所述电子束的电子形成的电子-离子对的数量是可能计算的。

在具有130千电子伏特能量的电子离开出射窗的情况下，根据图1所示，此电子在所述吸收体内的最初8.3毫米路径上至少损失3.3千电子伏特的能量。因此，通过产生该能量损失的碰撞能够产生97个电子-离子对。对于所有其它在吸收体中经过的路径，产生的电子-离子对数增加，这是因为当电子能量下降时，能量损失升高。在8.3毫米的吸收体路径上，产生电子-离子对用值100表示对下面估计能够认为是保守的。

能够被探测到的并且以需要的精度监测强度的电子束，通过下面的计算实例显示：

产生具有130千电子伏特的电子：

24mg/cm²×100个电子-离子对/(1mg/cm²)＝2400个电子-离子对。

在100微安到200毫安范围内的束电流用于例如利用通过空气传播的电子束对包装材料消毒。

下面的计算实例涉及1毫安的束电流，使用1毫安的束电流在包装材料消毒中达到了很好的效果。

1毫安的电流相当于每秒6.25×10¹⁵个电子的数量。因而，1毫安的束电流从空气中每秒产生至少6.25×10¹⁵×2400个电子-离子对，或者每秒1.5×10¹⁹个电子-离子对。

几乎所有这些电子-离子对立即重新组合，在重组过程中释放的能量的大部分以在紫外线光或可见光范围内的辐射形式发出，简称‘光辐射’。

不能规定光辐射的量与其他范围的量或与不辐射的跃迁的确切比例，然而，本领域的技术人员一般认为，与接近1％相比，所述比例更接近50％。

因此，在光辐射范围内的重组比例可以认为是非常保守的估计。所以，在每秒1.5×10¹⁹个电子-离子对中，在光辐射范围内至少发射1.5×10¹⁷个光子。

从电子束的出射窗开始，所述紫外线或光辐射从气球状区域发生，所述气球状区域由所述电子辐射和所述电子多次散射的范围限定。所述光辐射在空间中各向同性地传播。

为实现本发明的目的，只需要监测气球状区域的很小的面积元素。例如，监测约0.2cm²大小的面积元素，相当于直径为5毫米的圆形监测窗口，就足够了。如果我们假设探测器具有0.2cm²的敏感区域(5毫米直径)，并且探测器距离所述重组区域中心30厘米并且瞄准所述中心，则由于两立体角的比率，即由于光辐射的πr²的全立体角，其中r是所述重组区域中心到所述探测器位置的距离，以及由于由所述探测器区域占据的相对于所述辐射发射体积的立体角，所述探测器仅仅看到每秒作为光辐射发射的1.5×10¹⁷个光子中的第57600部分。

光敏二极管可以使用在非常广阔的敏感范围内，所述敏感范围已经从约200纳米的波长开始并且超过了可见光范围。这种辐射敏感芯片或部件(光敏二极管、辐射敏感二极管、CCD芯片、CMOS芯片、光电二极管、光电晶体三极管、光敏电阻器)的响应几率通常大大高于50％，即至少每对中第二个量子也被探测到，结果在这个实例中所述探测器每秒探测1.3×10¹²个光量子。

所述电子电流的有意义的检查需要具有每秒10⁴次抽样率的约0.001精度的控制信号。这意味着我们需要每100微秒将实际值与标称值比较的电子电流检测器，这样，实际值应当具有1％的精度。

因为统计地并且大量地发出所述光量子，即每100微秒1.3×10⁸个光量子，所述光量子然后被转换成电流，所述电流信号I的误差ΔI能够很容易地计算出来。

从数学上来看，一般知道统计地发生的事件的精度ΔI，因而在电子束强度的测量和/或计算值精度的情况下，等于‘事件的平方根’除以‘事件总数’，用公式表示：

$\mathrm{\ΔI}=\sqrt{n}/n$

其中n＝事件数

这就是为什么具有如此大数量的事件(事件数＝1.3×10⁸)，对于100微秒抽样率的电流信号的相对误差达到8.8×10^-5。这个数字算是优良的并且是没有其它探测方法可能达到的。

所描述的估算预先假定所述监测区域没有任何日光，从而要监测的信号不具有高背景信号。为此，将要监测的区域必须实施成没有外来光能够对它产生干扰影响，外来光为例如日光或来自照明灯具的光。

所述探测器的进一步实施例使用如下光学部件，所述光学部件不仅限制可测量的立体角区域并且也可以屏蔽任何现有的日光杂散辐射。

由于所述探测器视野的限制，这将减少入射到敏感二极管上的光量子数，但是即使每100微秒间隔时间内具有仅仅1.3×10⁸个光子落到所述探测器上，所取得的统计精度将仍然是8.8×10^-4数量级。

在所述探测器的进一步技术实施例中，允许小光谱范围穿过所述探测器的滤色器连接所述探测器的上游。这样能够限制光谱范围，使得只有等离子体的特征发射谱线允许进入所述探测器以进行电流转换。当所述电子束处理所述包装材料的区域注满纯净气体时，本实施例特别使人感兴趣。例如，所述处理区域注满氮气或氩气以防止所述包装材料被空气中存在的氧气改变。

对于本示范性实施例的另一变型，提议将所述滤色器构造成只对氮气或氩气的发射谱线敏感，以便监测所述电子束的强度。

对于本示范性实施例的进一步变型，提议将所述滤色器构造成只对氧气的发射谱线敏感，以便监测氧气进入所处理的区域。

此外，所述探测器可以结合电子电路，例如用于监测所述电子束或电子电流的电路，其中优选地，能够得到所述电子电流的强度。

在这种情况下，如果所述电子电路能够具体指定一个或多个优选地任选的限值或者开关点，使得当所述电子电流的实际强度达到、低于或者超过这些开关点时启动特定的动作，这将是特别有益的。

例如，能够设置联系‘电子电流骤降’信号的第一开关点。当所述电子电流下降一定时间时，也能够仅仅输出所述‘电子电流骤降’信号。

也可以设置第二开关点，所述第二开关点高于第一开关点。比较所述第二开关点与所述第一开关点，使得仅当在一定可选时间后不再次超过所述第二开关点时，才输出所述‘电子电流骤降’信号。

用于测量这种辐射的探测器能够实施成例如具有约0.2平方厘米的面积。这相当于圆形探测器区域情况下的直径约为5毫米的圆面积。离所述重组区域的中心以及因此离所述电子束的中心线约30厘米。当然也可以使用具有其它截面的传感器并且可以选择离所述重组区域的其它距离。

这种类型的探测器的典型实施例实现为光敏半导体二极管形式。这种二极管具有遍布波长范围从约200纳米到可见光的范围的敏感度范围。也可能使用CCD芯片作为探测器。

根据优选的结构实现，所述探测器配置成至少基本上只俘获所述电子束发射的电磁辐射。为此，所述传感器被屏蔽，使得只有极其微不足道量的日光或者来自照明灯具的光能够进入所述探测器的范围。

根据本发明的另一实施例，所述探测器也能够配置成，使得所述探测器通过透明或者半透明的包装材料壁看到所述等离子体。例如，所述电子束能被用于稳定或消毒PET瓶子或其它中空体型包装材料的内包装材料表面，并且能够产生这种中空体的包装材料所必需的消毒等离子体或稳定等离子体。在这方面，所述探测器有利地配置成，通过所述壁瞄准在中空体内产生的等离子体，并且因此监测存在于所述中空体内的等离子体的辐射发射。还利用本实施例，所述探测器能装配有光学部件和/或滤色器。

所述包装材料能够具有例如塑料或玻璃形式，或者也可以包括另一种材料，在这种情况下，所述包装材料必须是对在电子-离子对重组过程中产生的辐射，至少部分所述的辐射，是透明的，能透过的或者半透明的。

本发明的进一步实施例使用如下效应，即不是所有的电子-离子对在产生之后立即重组，和/或在此处理过程中，电子采取与所述电子束初始方向的不同方向，结果能够探测到这些电子而不是所述电子束本身被探测到。如前已经描述，这些电子也能够用合适的部件探测到，由此，再次能够构造用于监测电子束强度的极其有利的装置。

附图标记列表：

1.电子发射器

2.出射窗

3.紫外线辐射或光辐射的气球状区域的边界

4.光量子或紫外线量子

5.紫外线辐射或光辐射的气球状区域

6.过滤器

7.光学部件

8.光敏元件

Claims (22)

1.用于监测电子束强度的方法，其特征在于，探测和评估由电子束直接或间接产生的电子辐射或者电磁辐射，以便探测所述电子束强度的变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，评估电磁紫外线辐射或者电磁光辐射。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，评估电子辐射。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其特征在于，在所述电子束在空气、氮气或者氩气中传播期间，评估所述辐射。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述电子束用于包装材料表面区域中的杀菌。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，减少容器表面区域的细菌数。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的方法，其特征在于，通过半导体传感器探测由所述电子束产生的辐射。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，辐射敏感二极管或光敏二极管用作半导体传感器。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，CCD芯片或者CMOS芯片或者光电二极管或者光电晶体三极管或者光敏电阻器用作半导体传感器。

10.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在所述电磁辐射到达所述半导体传感器之前，所述电磁辐射已经经过光谱过滤器或者滤色器。

11.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在中空体的内部发生由所述半导体传感器接收的辐射。

12.用于监测电子束强度的装置，其特征在于，所述装置构造成用于测量所述电子束直接或间接产生的电子辐射或者电磁辐射的一种探测器，并且所述探测器与用于探测所述电子束产生的电子辐射或电磁辐射的强度变化的评估器相连接。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述探测器构造成捕获电磁紫外线辐射或电磁光辐射。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述探测器构造成捕获电子辐射。

15.根据权利要求12至14中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测器配置在电子束的传播路径的区域中，所述传播路径穿过周围空气。

16.根据权利要求12至14中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测器配置在所述电子束的传播路径的区域中，所述传播路径穿过氮气或氩气。

17.根据权利要求12至16中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测器构造成用于包装材料表面区域中杀菌的装置的一部分。

18.根据权利要求12至16中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测器构造成用于容器表面区域中杀菌的装置的一部分。

19.根据权利要求12至18中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测器构造成半导体传感器。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述半导体传感器构造成辐射敏感二极管或光敏二极管。

21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述半导体传感器构造成CCD芯片或CMOS芯片或光电二极管或光电晶体三极管或光敏电阻器。

22.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述半导体传感器配制成，使得所述半导体传感器能够接收在包装材料体内部发生的电磁辐射。

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