CN107106712B - 低压电子束剂量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在包装材料的灭菌过程的大部分持续时间期间连续测量电子束的至少一个剂量控制参数的传感器组件，所述传感器组件包括：适于从电子出射窗(2)发射电子束(e‑)的电子束发射器(3)；以及传感器装置(1)；其中所述传感器装置(1)包括：传感器表面(4)，其包括被布置成由所述电子束(e‑)的至少一部分辐射的电子可激发材料(5)，以便激发所述电子可激发材料(5)，使得所述电子可激发材料(5)发光；以及检测器(6)，其被布置成并适于检测所述发光；并且其中所述电子束发射器适于在预定时间段期间发射连续的电子束(e‑)以便对包装材料进行照射并灭菌。本发明还涉及包括此类传感器装置(1)的包装机，以及用于测量电子束发射器的电子束的至少一个剂量控制参数的方法。

Description

低压电子束剂量装置和方法
技术领域
本发明涉及适于用作用于灭菌目的的低压电子束发射器的剂量计的传感器装置。
背景技术
在食品领域内，常用的做法是将液体和部分液体食品包装在由包装层压体制成的包装容器中，所述包装层压体包括纸或纸板的芯层和例如聚合物材料或铝箔的一个或多个阻隔层。
越来越常见的包装类型是在灌装机中制造的“盒式容器”，其中上述包装层压体的包装坯料形成并密封为套筒。所述套筒的在一端上闭合，其中热塑性材料的顶部在套筒端部上直接注塑。包装层压体的片材可以从包装层压体的卷筒纸臂架切割。
当顶部完成后，包装容器准备通过仍然开口的底部由产品填充，并且然后密封并最终折叠。在填充操作之前，对包装容器进行处理。如果待在冷藏温度下进行分配和储存，则包装容器被灭菌，然而如果待在环境温度下进行分配和储存，则包装容器需要进行灭菌。对即时可填充式包装容器进行灭菌的常规方法是使用过氧化氢，优选使用气相形式的过氧化氢。对此类包装容器进行灭菌的另一种方式是借助于从电子束发射器发射的低压电子束照射所述包装容器。国际专利公布WO 2005/002973中公开了由电子束线性照射即时可填充式包装容器的示例。电子束发射器为圆柱形，其中电子发射窗定位于一个远侧端部处。在灭菌循环期间，将包装容器升高以包围电子束发射器。在这些情况下，包装容器(PET瓶)的照射的其它示例描述于例如WO 2011/011079和EP 2 371 397中，后者描述了旋转系统。在这些系统中，使用发射器，所述发射器的直径足够小以穿过瓶的颈部部分。
为了监测电子束发射器的正确操作，从而能够确保无菌保证水平，通常的做法是进行剂量测试。这些测试在电子束发射器的整个寿命期间定期进行，一般每天进行。一般来讲，剂量测试包括将剂量装置，即对辐射暴露反应的贴片加入包装容器以测量在辐射期间是否获得正确的吸收剂量。同时在电子束发射器中进行电压和电流的测量。测量灯丝上的电流。通过比较馈送到灯丝的电流和离开灯丝的电流，可以确定从灯丝发射的电子的量。此外，测量电子出射窗和灯丝之间的电压，即电位。然后在生产包装容器期间，将电压和电流的测量值用作设定值。在生产期间连续监测电流和电压，只要该值不低于设定值，就假设包装容器接收正确的剂量。
然而，使用一次性剂量贴片或剂量膜需要大量的手动工作来进行剂量测量。剂量膜还必须在实验室中进行处理以获得剂量值。剂量膜还不能承受高温，限制了测量持续时间。因此，需要自动剂量测量。WO2007050007和WO2014086674提出了解决方案，其使用具有永久或暂时置于电子束发射窗前部中的导体的剂量测量装置。导体由电子束充电，并且可测量与电子束强度成比例的电流，并且因此可以计算剂量。然而，这些剂量测量装置将产生电子束分布的非常粗略的测量，因为每个导体将对应于沿暴露于电子束的导体的延长部的总线性测量。当导体永久置于窗的前部时，其将存在屏蔽电子束分布的一些部分的阻隔。每个导体还将通过电子撞击所述导体来加热，从而存在损坏电子束发射器的出射窗的风险。
因此，需要用于电子束发射器的剂量测量的改善的传感器装置，其具有与剂量膜的分辨率一样好或更好的分辨率。
发明内容
本发明的目的是改善本领域的现状，解决现有技术的问题，并提供用于测量电子束的至少一个剂量控制参数的改善的传感器装置。
这些和其它目的通过传感器组件来实现，所述传感器组件用于在包装材料的灭菌过程的大部分持续时间期间连续测量电子束的至少一个剂量控制参数，所述传感器组件包括电子束发射器，所述电子束发射器适于从所述电子束发射器的电子出射窗发射电子束；以及传感器装置。所述传感器装置包括传感器表面，所述传感器表面包括被布置成由所述电子束的至少一部分辐射的电子可激发材料，以便激发所述电子可激发材料，使得所述电子可激发材料发光；以及检测器，所述检测器被布置并适于检测所述发光。所述电子束发射器还适于在预定时间段内发射连续的电子束以便对包装材料进行照射和灭菌。
来自所述电子可激发材料的发光呈荧光或磷光的形式，并与撞击电子可激发材料的传感器表面的电子束的强度成比例。撞击传感器表面的每个电子将在电子撞击表面的点处产生所述发光。传感器表面和电子可激发材料对于诱导发光是透明的。通过放置可以收集一些发射的发光的检测器，即所述检测器观察电子可激发材料，可以估计电子束的强度，由此还可估计由电子束发射器发射的电子的剂量。如果使用2D检测器，则可记录传感器表面的图像，从而产生如下图像，其中每个像素的强度对应于诱导图像的所述像素中的发射的电子束的强度。
可激发材料的激发态是暂时的，其具有在几纳秒至几毫秒的范围内的寿命，从而在可激发材料去激发时产生发光。因此材料不受电子束永久性地影响并且因此传感器表面可重复使用并且可用于电子束分布强度的持续时间分辨测量并持续无限时间段。时间分辨的分辨率的极限由所述寿命确定，只要检测器足够快即可。
电子束发射器适于在预定时间段期间用电子照射包装材料，所述预定时间段足够长以杀死包装材料上的所有细菌，因此对其进行灭菌。因此，传感器组件适于测量此类灭菌过程的整个持续时间，以在大部分所述持续时间期间内监测剂量控制参数。
在测量电子束分布的剂量控制参数时，期望在电子束发射器已经操作一定时间段时进行测量，因为电子束分布强度最初将在其达到稳定态之前改变。稳定态是测量电子束分布所期望的状态，因为其是电子束发射器在用于灭菌目的时的正常操作状态。使电子束发射器产生脉冲将产生可能不对应于电子束发射器的实际操作状态的误导结果。
根据本发明的优选实施方式，电子束发射器为低压电子束发射器。使用在20-800keV，优选40-400keV，更优选60-250keV，最优选70-150keV范围内的低压电子束发射器，使得电子束分布更大。其还允许使用所述传感器装置连续测量电子束分布并具有较低的热问题，因为在传感器表面中产生的热与电子束发射器的电压成比例。高电压电子束发射器可导致过多的热，从而损坏传感器装置的传感器表面或传感器装置的其它部分。
传感器装置的可激发材料可以为例如，YAG:Ce晶体、YAG:Ce粉末、CaF2:Eu、Gd2O2S:Tb、LuAG:Ce、YAP:Ce(Mg4FGeO6:Mn)或可由以可测量的频率产生发射的电子激发的任何其它材料。在使用YAG:Ce闪烁晶体的情况下，传感器表面完全由晶体的透明板制成。利用此类透明结晶产生的测量的空间分辨率将非常高。然而，YAG:Ce的磷光粉末或涂覆在透明板上的任何上述材料也将起作用，但由于涂覆粉末的不均匀表面，分辨率将在一定程度上降低。YAG:Ce具有约530nm的宽带发光，其中半峰全宽(FWHM)为约95nm。
传感器装置的检测器可以是CCD相机、ICCD相机、COMS相机、光电倍增管、光电二极管或用于检测诱导发光发射的任何其它合适的传感器。在使用YAG:Ce作为电子可激发材料的情况下，约530nm的强黄光发射允许使用正常的相机，从而避免了对昂贵的专用检测器的需要。
根据本发明的另一实施方式，根据本发明的传感器组件还具有在传感器装置上的传感器表面，其由面向电子束发射器的金属涂层覆盖。金属涂层将用作诱导发光的镜子，同时允许电子在其朝向电子可激发材料的途中穿过所述金属涂层。镜面金属涂层将增强发光的信号强度，并且将增强检测器的对比度，因为对相机而言，其将阻挡源自面向电子发射器侧的可见光谱中的大部分辐射。因此，测量中背景发光的问题将大大降低。镜面金属涂层将例如对源自由电子发射器导致的等离子体的辐射提供防护。
金属涂层可优选由下列组中所包括的金属制成：铑、锆、铂、锇、铱、钌和钯。涂层优选较薄，厚度在20nm-1μm的范围内，优选约100nm，以便不吸收过多来自电子发射器的电子发射。来自铂族金属的材料尤其适合，因为其非常良好地耐受腐蚀，因此长期呈现期望的镜面效应而不降解也不需要清洁表面以防止干扰可吸收电子发射的腐蚀。铑因为其很好地耐腐蚀所以是优选的选择，并且非常适于涂覆在传感器表面上。
优选使用物理气相淀积(PVD)将金属表面涂覆到传感器表面以获得薄且均匀厚度的层。
根据本发明的另一方面，将传感器表面上的涂覆的金属表面接地以便引导走沉积在金属涂层上的任何电荷。否则金属涂层上的电荷会干扰传感器装置的测量。
根据本发明的另一方面，传感器装置可以包括玻璃窗，例如蓝宝石窗，其布置成与传感器表面热连接，所述窗面向检测器并与另外的导热元件热连接，以便从所述玻璃窗和所述传感器表面传导热。这有助于增加引导走传感器表面中引发的热的电子束能量的可能性，从而，使得传感器表面不被过度加热损坏。
根据本发明的另一方面，传感器装置可包括布置在传感器表面和检测器之间的引导窗。引导窗较薄，以允许从电子可激发材料引发的发光穿透，同时阻挡由电子束发射器产生的任何X射线发射。在X射线发射足够强以穿透电子可激发材料为X射线发射而存在的阻隔时，该实施方式尤其良好。
根据本发明的另一方面，所述检测器通过光纤从所述传感器表面收集发光。在这种情况下，检测器可以远程设置，这使得在检测器被放置成避免受到X射线辐射时，引导窗不是必要的。优选由YAG:Ce晶体的小窗口制成的传感器表面可以具有与光纤大致相同的直径，并且可在具有或不具有金属涂层和蓝宝石窗的情况下直接附接到光纤针尖。因为光纤不导致X-射线辐射，因此在该实施方式中，引导窗不那么重要。由此，使用光纤实现用于点测量的非常小的检测器。如果需要1D或2D测量，则可以将光纤检测器的阵列或矩阵捆绑在一起。
测量的剂量控制参数可以为剂量率(kGy/s)，使得输出测量结果与符合剂量测量的工业标准的传统剂量测量设备的测量结果相当。
还优选传感器装置连接到用于处理来自传感器的信息的处理装置；并且被布置成产生电子束的剂量控制参数的1D或2D图像。处理装置可适于由来自电子可激发材料的诱导发光的时间分辨强度测量来计算剂量率。在1D检测器的情况下，可以测量电子束发射器的总剂量率，并且在2D检测器的情况下，可测量剂量率的2D图像。
还优选传感器表面足够大以捕获电子束的整个横截面，以便能够测量和/或使电子束发射器的整体剂量率成像。
本发明还涉及用于生产食品包装的包装机，其包括根据本发明的上述传感器装置。将传感器装置置于包装机中可允许一个或多个电子束发射器的在线测量，尤其是在电子束发射器在机器中移动时的在线测量。
本发明还涉及在包装材料的灭菌过程的大部分持续时间期间连续测量电子束发射器的电子束的至少一个剂量控制参数的方法，所述方法包括迫使电子束的电子撞击传感器表面的步骤，所述传感器表面适于在被电子(e-)撞击时产生发光；并且由至少一个检测器检测产生的发光。
应当注意，本发明方法可结合与本发明装置相关的上述特征中的任一个，并具有相同的相应优点。
附图说明
在下文中，将连同附图一起更详细地描述本发明，其中
图1示出根据本发明的传感器组件的示意图。
图2示出根据本发明的具有简化检测器的传感器组件的第二实施方式的示意图。
图3示出根据本发明的具有使用光纤的简化检测器的传感器组件的第三实施方式的示意图。
图4示出其中在线使用根据本发明的传感器组件的包装机的透视图。
具体实施方式
图1示出本发明的传感器组件的示意图。电子发射器3是用于对包装材料，例如瓶子的内部或包装材料片的表面进行灭菌的低压电子束发射器。低压电子束发射器指向传感器装置1，使得整个电子束(e-)撞击传感器装置1的传感器表面4。传感器表面4具有附接于其上的电子可激发材料，例如，磷光材料，但是传感器表面4和电子可激发材料5也可以相同，由闪烁晶体板5形成。在该实施方式中，电子可激发材料5是由YAG:Ce制成的闪烁板，其具有约530nm的宽带荧光(95nm FWHM)。
图1中的传感器表面4涂覆有薄金属涂层7，所述涂层由约100nm厚的铑或锆制成。金属涂层7布置在面向电子束发射器3的侧面上。在电子可激发材料的另一侧上，放置引导窗9和蓝宝石窗8。后一窗8、9的顺序可相反。
在图1中，放置呈相机6形式的检测器6，其具有透镜装置61，该透镜装置将传感器表面5(由虚线示出)的图像投影到相机的相机传感器芯片62上。透镜装置61自然仅是示例，并且可是适用于传感器表面4成像的任何透镜装置。
电子可激发材料5由电子束的电子(e-)激发，从而在传感器表面4的每个位置中诱导发光。诱导的发光从电子可激发材料5中的每个点在所有方向上发射。金属涂层7用作诱导发光的镜子，从而将相机6的信号增加高达100％。另外，如由照相机6可见，对比度也增加，因为金属涂层的远侧的任何物体均被金属涂层7阻隔。
金属涂层7还接地(在图1中通过传感器装置1的外壳)，以便在电子束(e-)撞击传感器装置时，引导走沉积在传感器装置1的表面上的任何电荷。
蓝宝石窗8具有通过热管19将热从其他层7、5、9引导到传感器装置的另一导热部分的功能，在图1中，传感器装置1的外壳用作散热器。因此，蓝宝石窗用作电子可激发材料，YAG:Ce闪烁晶体的散热器，使得由电子束发射器产生的过量热可传导而远离YAG:Ce晶体。以所述方式，可增加电子束的能量，而不损坏YAG:Ce闪烁晶体板或附接于其上的任何其它层。
蓝宝石窗8优选与电子可激发材料5直接接触，尤其是电子可激发材料5是闪烁体板，以使来自传感器材料5的热传导最大化。
如果传感器材料5为磷光粉末，则其可直接涂覆到蓝宝石窗上。
当操作电子束发射器3时，将产生可干扰或损坏检测器相机6的X-射线发射。然而，引导窗9将吸收任何X-射线发射，从而将检测器6与X-射线发射屏蔽。
可在例如包装机中使用图1的低压电子束发射器，在所述包装机中两个LVEB发射器彼此面对放置，使包装的未折叠的纸板供入LVEB发射器之间以用于灭菌目的。为确保LVEB发射器发射指定量的电子用于灭菌，将必须定期检查LVEB发射器的电子束分布剂量率。图1所示的设置可以是LVEB发射器的此类服务检查，其中LVEB已从包装机中临时移除以用于剂量测量。
图2示出了根据本发明的简化的检测器组件。检测器是简单的检测器，例如光电二极管或光电倍增管。其它层直接附接到检测器6。在图2中，省略了引导窗，但其也可以包括在蓝宝石窗8和传感器表面4之间。在该实施方式中，传感器表面涂覆有优选铑的金属涂层。
图3示出了本发明的另一实施方式。传感器组件是如图2所示的简化的检测器，区别在于检测器6与传感器表面4和相邻层分离。将来自传感器表面的发光通过光纤63引导到检测器6。传感器表面4和其它层可制成与光纤直径一样小，从而形成能够在相机或甚至光纤束永远不适合的狭窄位置中测量的非常小的检测器。
图4示出了本发明的另一实施方式。附图示出了照射装置36，其中布置了多个上述电子束发射器3。在该实施方式中，对可旋转载体38提供六个发射器3。在该实施方式中，可旋转的载体38成形为轮，并且能够绕中心轴40旋转。旋转方向由箭头R示出并且旋转运动是连续的。发射器3固定到载体38上，使得其在载体38旋转时被携带。包装容器的输送在横向于发射器3的纵向延伸的方向上进行。
照射装置36还包括包装容器输送装置(未示出)，其适于与载体旋转运动同步并与电子束发射器3对齐地将包装容器10从进料位置42输送到出料位置44。包装容器12与电子束发射器3同步移动，并且包装容器12的纵向中心轴与电子束发射器3的纵向中心轴线对齐，参见图4中的虚线。
包装容器输送装置还适于使包装容器12相对于电子束发射器3垂直移位。在所示的实施方案中，电子束发射器3固定地布置在载体38中，并且不能朝向包装容器12移动。包装容器输送装置可使包装容器12在其中包装容器12和电子束发射器3彼此不接合的非接合位置与其中包装容器12和电子束发射器3彼此完全接合的接合位置之间移位。在进料位置42和出料位置44处，包装容器12定位在非接合位置，即不与电子束发射器3接合。
在进料位置42处，向照射装置36提供包装容器12。每个包装容器12与相应的电子束发射器3对齐。当载体38旋转时，使得电子束发射器3和包装容器12从进料位置42旋转到出料位置44，包装容器12输送装置使包装容器12朝向电子束发射器3移位，使得电子束发射器3容纳在包装容器12的开口34中，用于对包装容器12进行灭菌。在进料位置42和出料位置44之间的一些位置，包装容器12已经移位，使得包装容器12与电子束发射器3完全接合。
包装容器输送装置不是本发明的焦点，因此将不再详细描述。其可布置在载体38上，或电子束发射器3上，或它们的组合。另选地，其可与载体38分离布置，但是能够与载体旋转同步地输送包装容器12。例如，其可布置在包封载体38的照射屏蔽装置上。包装输送装置具有适于夹持包装容器12的包装容器夹持装置。
当到达出料位置44时，完成包装容器12的灭菌循环或照射循环，并且包装容器12已从接合位置缩回到非接合位置。因此，包装容器12然后准备从照射装置36送出，用于进一步转移到灌装装置(未示出)。在载体38从出料位置44进一步旋转并返回到进料位置42时，电子束发射器3不与任何包装容器12接合，但仍保持操作，即其仍然发射相同的电子束。当再次到达进料位置42时，在进料位置42处提供了新包装容器12时开始新灭菌循环。
在进料位置42处，包装容器12转移到照射装置36的载体38。进料部(未示出)可以是任何常规类型的输送机，例如星形轮。在出料位置44处，包装容器12从载体38转移到出料部(未示出)，以进一步运输到灌装站。与进料部(未示出)类似，出料部(未示出)可以是任何常规类型的输送机，例如星形轮。
在本发明的照射装置36中，传感器装置1固定地布置在出料位置44和进料位置42之间的区域中，即照射装置36中不存在包装容器12的区域。传感器装置1被布置成使得电子束发射器3可通过传感器表面4上方，并且其还被布置成使得在电子束发射器3在其上方通过时，电子出射窗2与传感器装置1暂时对齐，以使得传感器装置1测量所述电子束发射器3的电子束的剂量控制参数。
当电子束发射器3通过传感器装置1时，表示传感器表面4和电子出射窗2的平面至少暂时地彼此大致平行。此外，电子束发射器3的纵轴与传感器表面4的中心对齐，使得传感器装置1可收集来自通过电子出射窗2的平面发射的整个电子束16的信息。电子出射窗2和传感器表面4之间形成约0.5-15mm范围内的距离d。优选地，电子出射窗2和传感器表面4之间形成约1-10mm范围内的距离d。所述距离在电子出射窗箔和传感器表面4之间进行测量。通常，间隙越小，测量越好。
以示意性方式描述了照射装置36。仅描述了本发明中包括的照射装置36的一部分，但应当理解，照射装置还包括附加部件，诸如用于驱动载体38和包装输送装置的驱动单元，用于确保电子和X-射线不扩散到装置外的环境的包封照射装置36的照射屏蔽部，以及用于形成并保持令人满意的无菌区的无菌阻隔件，其为流动阻隔或物理壁、或两者的组合。
应当理解，可设想本发明的其它变化，并且在一些情况下，可使用本发明的一些特征而不用相应地使用其它特征。本领域技术人员应当理解，检测器或相机6可从一定角度而不是与电子束对齐地观察来自电子可激发材料5的发光。镜子也可用于不同地放置检测器6。因此，所附权利要求以与本发明的范围一致的方式广义地来理解是适当的。

Claims (14)

1.一种用于在包装材料的灭菌过程的大部分持续时间期间连续测量电子束的至少一个剂量控制参数的传感器组件，所述传感器组件包括：
-电子束发射器(3)，其适于从电子出射窗(2)发射电子束；以及
-传感器装置(1)；
其中所述传感器装置(1)包括：
-传感器表面(4)，其包括被布置成由所述电子束的至少一部分辐射的电子可激发材料(5)，以便激发所述电子可激发材料(5)使得所述电子可激发材料(5)发光；以及
-检测器(6)，其被布置并适于检测所述发光；并且
其中所述电子束发射器(3)适于在预定时间段期间发射连续的电子束以便对包装材料进行照射并灭菌，其中，所述传感器表面(4)由面向所述电子束发射器(3)的金属涂层(7)覆盖。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述电子束发射器(3)为低压电子束发射器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件，其中所述可激发材料为下列组中包括的材料：
YAG:Ce晶体、YAG:Ce粉末、CaF2:Eu、Gd2O2S:Tb、LuAG:Ce和YAP:Ce(Mg4FGeO6:Mn)。
4.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中所述检测器(6)为下列组中的一个：
CCD-相机、ICCD-相机、COMS-相机、光电倍增管、光电二极管。
5.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中所述金属涂层(7)由下列组中包括的金属制成：
铑、铂、锇、铱、钌、钯和金。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，其中所述金属涂层(7)由铑制成。
7.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中所述金属涂层(7)接地。
8.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其还包括被布置成与所述传感器表面(4)热连接的玻璃窗(8)，所述玻璃窗(8)面向所述检测器(6)并且与另外的热传导元件热连接。
9.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其还包括被布置在所述传感器表面(4)和所述检测器(6)之间的引导窗(9)。
10.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中所述剂量控制参数为剂量率。
11.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中所述检测器(6)经由光纤收集来自所述传感器表面(4)的发光。
12.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中所述传感器装置(1)
-连接至用于处理来自所述传感器的信息的处理装置；并且
-被布置成形成电子束的所述剂量控制参数的1D或2D图像。
13.用于制备食品包装的包装机，其包括根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件。
14.用于在包装材料的灭菌过程的大部分持续时间期间连续测量电子束发射器(3)的电子束的至少一个剂量控制参数的方法，所述方法包括以下步骤：
-迫使电子束的电子撞击传感器表面(4)，所述传感器表面(4)由面向所述电子束发射器(3)的金属涂层(7)覆盖并且适于在被电子撞击时形成发光；并且
-由至少一个检测器(6)检测形成的所述发光。
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