CN1209788C - 电子束辐射方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于电子束辐射的方法和设备(11)，其中，三角波发生器(22)用于提供三角波电流给扫描线圈(17)，以在第一扫描方向(Y)上移动电子束；方波发生器(21)用于提供方波电流给偏转线圈(16)，以在垂直于第一扫描方向(Y)的第二扫描方向(X)上移动电子束；三角波发生器提供的三角波电流被调制，以消除扫描线圈的磁滞效应。此外，相对于三角波电流的峰值，方波电流上升沿被同步并偏移一个预定时期，以便沿第二扫描方向分散电子束路径上的折返点。
Description
技术领域
本发明涉及用于处理如热电厂产生的废气之类的电子束辐射设备，或者这样一种电子束辐射设备，即，它用大电子流辐射来提高比如交联树脂之类的物质的质量。更具体地说，本发明涉及这样的电子束辐射方法和设备，其中，电子束在扫描运动中移动，同时通过辐射窗口箔片而进入大气。
技术背景
目前认为热电厂的烟道排放气体中的SOx，NOx，和其它一些成分导致了与空气污染有关的全球问题，如全球变暖和酸雨。通过对烟道气体进行电子束辐射从而去硫化和去硝化以消除这些有毒的SOx，NOx等成分的方法已被熟知。
图1表示上述用途的电子束辐射设备的例子。用于处理烟道气的这种设备主要包括：用于产生直流高压的电源10；电子束辐射设备11，用于向烟道气辐射电子束；以及通道19，用于传输烟道气。通道19沿窗口箔片15设置，该窗口作为从电子束辐射设备11辐射电子束的出口。窗口箔片15用钛或类似材料的薄片制成。通过窗口箔片15向外辐射的电子束对烟道气中的氧分子(O2)和水蒸气分子(H2O)进行辐射。这些分子变成了强氧化基，如OH，O，和HO2。这些氧化基氧化有毒成分SOx，NOx，等，同时产生中间产物硫酸和硝酸。这些中间产物与事先引入的氨气反应产生硫酸铵盐和硝酸铵盐，它们可以用作化肥。可见这样的废气处理系统可以除掉烟道气中的有害成分，例如SOx和NOx，并产生有用的硫酸铵盐和硝酸铵盐材料作为副产物。
电子束辐射设备11包括：热离子发生器12，如热灯丝；加速管，用于加速热离子发生设备12辐射的电子束；偏转线圈16(电磁铁)，通过利用方波电流产生磁场而横向偏转电子束；以及扫描线圈17(电磁铁)，通过给该电子束施加一个磁场而纵向移动被控制的电子束。当然，热离子发生设备、加速电极、和偏转/扫描磁极被放入真空管18a和18b中，保持着约10-6帕的高真空气氛。通过向扫描线圈16和偏转线圈17供电，并使用电磁铁形成磁场，使高能电流通过窗口箔片在预定的范围入射到通道19的预定区域，同时偏转电子束并且使电子束在扫描方向上运动。
如上所述，这类电子束辐射设备必须在真空环境下向大气辐射高速的电子流。通常，为了在辐射电子流时获得高电子传输效率，该窗口箔片由厚度大约几十微米比如40μm的纯钛薄膜或钛合金薄膜构成。这个窗口箔片利用固定法兰被固定在真空管18a的末端。窗口箔片较大，约为3×0.6米。其外表面的压力约为1000hPa，即大气压力，内表面为真空管内的真空气压10-6Pa。
下面，将介绍电子束的偏转和扫描。
三角波发生器22提供如图2A所示的三角波电流给扫描线圈17，以移动电子束，使其在Y方向扫描，如图3所示。方波发生器21提供如图2B所示的与三角波同步的方波电流给偏转线圈16，以移动电子束，使其在与Y方向垂直的X方向扫描，如图3所示。当线圈16和17被电流激励后，电子束被加速管13加速并进入偏转/扫描区域，以沿图3所示的方形路径扫描。该电子束穿过窗口箔片15射向目标物质。
在图2A和2B中的时间点T1和T2之间方波电流被固定为+Q，并且当来自三角波发生器的电流由+P变到-P时，形成如图3的路径Y1；当三角波电流在时间点T2达到峰值-P并且方波电流从+Q变化到-Q，形成路径X1。同样，当在时间点T2和T3之间三角波电流由-P变到+P时，形成路径Y2；而当方波电流由-Q变为+Q时，在时间点T3形成X2。
图4表示扫描线圈17的磁滞特性。当扫描线圈17在扫描方向移动电子束时，在Y方向的两个转折点处，对于扫描线圈电流来说即为三角波电流开始上升或下降的跃迁点处，扫描线圈17的电流I和磁通密度B的关系有磁滞特性。在这些点，磁通密度B不随电流I变化，这就降低了电子束的扫描速率。因此，无论何时三角波电流I的峰值(+P和-P)进入磁通密度B的饱和区，即使电流I大小变化，磁通密度B也不改变，从而，造成电子束的扫描速率变化，因此电子束的辐射量变得不均匀。
再来参照图4中的I与B磁滞特性，磁通密度B不会根据电流I的上升和下降成比例的升降，而是在短时间内保持不变。因此，电子束在该时期内停滞。所以在图3中阴影部分表示的每一个Y开始点处，电流加大，造成辐射量不均匀。
图5A表示这时期Y方向上的电子辐射量分布图。该图表示Y1和Y2的组合状态。正如所见到的，不平衡的辐射量被加到了辐射窗口的窗口箔片上。该辐射量导致箔表面特定区域的温度异常升高，因此减少了该窗口箔片的寿命。另外，射到窗口箔片下目标物质的电子流也不均匀。
因此，考虑到当三角波下降时磁通密度的磁滞，提出了一个获得均匀电子辐射量的方法。该方法在三角波峰值附近用delta函数方法(加一个尖脉冲)进行电子辐射。
然而，简单使用附加了尖脉冲的三角波来均衡电子辐射量无法消除在Y方向两个末端的开始点的电子束不均衡。在对Y1和Y2方向扫描的电子束辐射量分配的实际测量中，出现倾斜的分布，如图5B和5C所示。
下面参照图6A和6B来描述用于偏转和扫描电子束的另一种常规方法。三角波发生器22提供如图6A所示的三角波电流给扫描线圈17，使电子束沿纵向(Y方向)扫描，如图7所示。另一方面，方波发生器21提供如图6B所示的梯形波电流给偏转线圈16，使电子束进行横向(X方向)扫描。如图6A所示的三角波电流与如图6B所示的梯形波电流同步，使得三角波的波峰与梯形波斜边的中间点A和A′重合。因此，偏转线圈16和扫描线圈17使电子束沿长六边形路径扫描，如图7所示。
在这种情况下，电子束在真空管中被加速和偏转，以穿过窗口箔片扫描并通过辐射窗口射向空中的目标物质。然而，当被加速的电子束穿过窗口箔片时，损失能量，于是加热了该箔片，如果热量聚集在窗口箔片的某一部分，则该部分聚集的热量将使箔熔化。因此应该在进行电子束偏转和扫描时保持均匀的热量密度。然而，如图7所示的长六边形扫描路径的转折点A和A′对应于Y方向扫描末端，即如图6B所示的梯形波电流斜边的中点。因此，如图7阴影所示，在点A和A′处电子束沿X方向移动，但在Y方向上是折回的。因此，电子束停滞在此区域，使热聚集在窗口箔片的该处，并可能使箔片熔化。
发明概述
根据以上说明，本发明的一个目的是提供一种方法和设备，用于实现电子束均衡扫描并避免当电子束纵向反复扫描移动时由扫描线圈的磁滞引起的问题。
本发明的另一个目的是提供一种实现电子束的辐射方法和设备，它能避免在辐射窗口上由于电子束导致的热量聚集。这些目的可以通过下述电子束辐射设备实现，该设备包括：扫描线圈；三角波发生器，用于提供三角波电流给扫描线圈，以在第一扫描方向移动电子束；偏转线圈；方波发生器，用于提供方波电流给偏转线圈，以在垂直于第一扫描方向的第二扫描方向上移动电子束；以及控制单元，用于调制三角波发生器提供的三角波电流以消除扫描线圈的磁滞效应。
这里，所述的控制单元对三角波电流进行调制，以在波形的上升和下降沿处形成陡斜坡。而且，三角波电流波形在上升和下降沿上具有一组偏移点，以将上升和下降沿分成一组相连的线性部分。
根据本发明的另一方面，电子束辐射方法包括下列步骤：用三角波发生器产生三角波电流；将三角波电流提供给扫描线圈，以在第一扫描方向移动电子束；用方波发生器产生方波电流；将方波电流提供给偏转线圈，以在垂直于第一扫描方向的第二扫描方向上移动电子束；和用控制单元调制三角波发生器提供的三角波电流，以消除扫描线圈的磁滞效应。
这里，三角波电流在波形的上升和下降沿处应被调制出陡峭的斜坡。
对于用于电子束的纵向扫描的三角波电流，本发明对电流和磁通密度之间的磁滞效应进行补偿，以获得均衡的辐射量。由于磁滞特性，磁通密度在三角波电流的升降点处几乎不随电流的变化而改变。通过在这些点形成电流突变，可以消除磁滞影响并获得近似线性的磁通变化。这样，可以基本维持固定的电子束扫描速率。本发明的方法解决了传统设备中的由于扫描线圈磁滞引起的电子束停滞(扫描速率变慢)。因此，可以使辐射量均匀分布，防止了窗口箔片上的电子辐射量不均匀。
根据本发明的另一方面，电子束辐射方法包括下列步骤：用三角波发生器产生三角波电流；将三角波电流提供给扫描线圈，以在第一扫描方向移动电子束；用方波发生器产生方波电流；将方波电流提供给偏转线圈，以在垂直于第一扫描方向的第二扫描方向上移动电子束；以及使方波电流的上升沿同步，从而使该方波电流相对于三角波电流的峰值偏移一个预定时期，以便沿第二扫描方向在电子束路径上分散折返点。
这里，对方波电流上升沿的定时应该每个周期地进行偏移，以按下列顺序相对于参考上升沿位置来周期性地改变方波的位置，所述顺序如下：参考点、延迟点、先行点、参考点、延迟点，等等。另外，电子束路径中的折返点在由方波电流形成的扫描宽度的一半范围内顺序移动。
根据本发明的另一方面，用于电子束辐射的设备包括：扫描线圈；三角波发生器，用于提供三角波电流给扫描线圈，以在第一扫描方向移动电子束；偏转线圈；方波发生器，用于提供方波电流给偏转线圈，以在垂直于第一扫描方向的第二扫描方向移动电子束；以及控制单元，用于使方波电流的上升沿同步，从而使该方波电流相对于三角波电流的峰值偏移一个预定时间间隔，以便沿第二扫描方向在电子束路径上以预定顺序分散折返点。
用这种结构，可以分散电子束聚集点，避免在窗口箔片聚热。从而，延长了窗口箔片寿命，并且降低了用于冷却窗口箔片的装置的负荷。因此，该设备更紧凑。它可以发射均匀的电子束到窗口箔片下的目标物质，以与目标物质产生均匀的反应。
通过下面结合附图对本发明的最佳实施例的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更清楚。
附图简述
图1为表示电子束辐射设备总体结构的示意图；
图2A和2B分别表示应用于传统电子束辐射设备的三角波电流和方波电流的波形；
图3为电子束路径平面图，阴影部分表示扫描速度变慢。
图4表示扫描线圈的磁滞特性；
图5A至5C表示沿着传统的电子束辐射设备的扫描路径的辐射量分布；
图6A和6B分别表示应用于传统电子束辐射设备的三角波电流和方波电流的波形；
图7表示应用于传统电子束辐射设备的电子束路径的平面图；
图8A和8B分别表示根据本发明的第一实施例的三角波电流和方波电流的波形；
图9是第一实施例中电子束路径的平面图；
图10是第一实施例中沿着扫描路径的辐射量分布；
图11A和11B表示根据本发明的第二实施例的三角波电流和方波电流的波形；
图12是第二实施例中电子束路径的平面图。
本发明的最佳实施例
下面将参照附图描述本发明的最佳实施例的电子束辐射设备。根据本发明的第一实施例的电子束辐射设备参照图8-10来描述。图8A表示本发明的三角波发生器提供的三角波电流波形，图8B表示方波发生器提供的方波电流波形。
在本实施例中，方波电流波形与图2B所示的传统方法产生的相同。然而，三角波电流波形在上升和下降沿的起始点被调制成陡峭的形状，如图所示。三角波发生器内置的参考信号发生器(控制单元)具有ROM，用于以这种方式调制波形。因此，可修改ROM数据以产生预定的参考波形。用一个放大器放大参考信号，以便产生预定的调制、的三角波。
而且，方波电流上升沿与三角波电流峰值的同步点与传统例子中的相同。因此，本实施例的电子束路径依然为方形，如图9所示。换句话说，当方波电流在时间点T1由-Q变为+Q，电子束即刻沿X1路径移动。然后，在时间点T1和T2之间，三角波电流由+P转变到-P，方波电流固定在+Q。因此，电子束此时沿Y1移动。在时间点T2，方波电流由+Q变为-Q，电子束即刻沿X2路径移动。然后，在时间点T2和T3之间，三角波电流由-P变化到+P，方波电流固定在-Q。相应地，电子束此时沿Y2移动。
在本实施例中，三角波电流波形在+P到0范围内被调制出陡斜坡，因此提高了扫描速度，在O到-P范围内被调制出缓斜坡，减慢了扫描速度。具体地说，波形的上升和下降斜坡包括偏移点A、B，形成相连的线性部分。陡线将电流的上升或下降峰值点P连接到点A，然后相对平缓的线将点A和B连接。最后，从点B到下一峰值点P的线段为平缓的斜坡。这样，电子束在短时间穿过磁滞效应显著的区域，通过补偿这些影响，使辐射量均匀分布。
为了设置波形的陡峭度，偏移点A和B首先被设定为相似大小。作为参考的波形数据被写入ROM。放大器放大该信号，以产生调制的三角波，并且测量辐射量分布。如果辐射量不均匀，则设置新波形，重复该过程。
如图8所示，偏移点A和B被设置在+P和0之间，在三个区域内形成斜坡。+P和0间的时间称为Tc；而0和-P间的时间称为Td，其中Tc＜Td。按照图8所示的三角波电流而扫描的电子束的辐射量分布在纵向Y1和Y2上是均匀的，如图10所示。
在上述实施例中，三角波电流的波形被调制成由两个偏移点A和B相连的线段。然而，显然偏移点的个数可以被设定为所需的值。而且，偏移点间的直线可以换为曲线。
同样，用于调制三角波电流的控制器从三角波发生器提供三角电流波形，从而使扫描线圈形成的磁通密度波形为准确的三角形。根据该控制器，扫描线圈磁通密度形成准确的三角形，所以在Y扫描方向的所有扫描点上，电子束的分布是均匀的。
在上述实施例中，电子束沿方形路径扫描和偏转，在扫描方向上的所有扫描点上电子束辐射量均匀。因此，减少了窗口箔片的退化，电子束可均匀地辐射到目标物质上。
下面将参照图11和12描述本发明的第二实施例的电子束辐射设备。图11A表示用于在Y方向扫描、由三角波发生器22供给扫描线圈17的三角波电流波形。该波形相同于图6A所示的常规技术。如图11B所示，本发明改变了供给偏转线圈16的梯形(方形)电流波形的升降时间。即，方波发生器21设置了用于控制梯形(方形)电流波形的升降时间的装置。
在上述现有技术中，梯形波电流波形被如此形成，以致于三角波电流峰值与方波电流的上升和下降沿的中点同步。然而，在本实施例中，梯形波电流波形上升和下降沿的定时略微偏离了三角波电流的峰值时间点。
在X扫描方向，如图11B所示的梯形方波的上升和下降时间需要50-100微秒。通过顺序地错开梯形波电流的上升和下降定时，可以顺序地分布在X扫描方向的长六边形路径的折返点，如图12所示。换句话说，三角波电流的峰值表明电子束位于Y扫描方向的两个末端。通过相对于中点A(图11B中的点B)来延迟梯形波的上升同步位置，可以使折返点在X方向上移。同样，通过相对于中点A(图11B中的点C)来提前梯形波的上升同步位置，可以使折返点在X方向下移，同样的过程适用于梯形波电流下降时间，以便移动折返点A′到B′或C′。
图11所示的例子假设梯形波电流上升或下降需要80微秒。而且，折返点在三个点中移动。在开始的梯形波电流中，该电流的上升和下降中点同步于三角波电流峰值。因此，梯形波电流上升或下降40微秒后三角波电流达到峰值。对于这种波形，折返点为图12所示的A和A′。第二梯形波电流被如此设定，使得梯形波电流上升或下降60微秒后三角波电流达到峰值。对于这种波形，折返点为图12所示的B和B′。对于第三梯形波电流，梯形波电流上升或下降20微秒后三角波电流达到峰值。折返点为图12所示的C和C′。
因此，本实施例中，相对于参考上升位置(40微秒)的波形，梯形波形依次在在参考点(0)、提前点(负20微秒)和滞后点(正20微秒)之间移动。对于这种结构，图12中第一折返点为A，随后为下一轮的B，再下一轮的C，在更后一轮又返回A。即折返点以A、B、C、A、B、C、……交替。图12右侧的A′、B′、和C′的情形完全相同。
在上述实施例中，梯形波电流上升或下降的时间为80微秒。因此，参考点(中间点)为40微秒。当沿X方向上移动折返点时，三角波电流峰值被同步到梯形波电流开始上升后的60微秒。当沿X方向下移折返点时，三角波电流峰值被同步到梯形波电流开始上升后的20微秒。因此，图12中折返点移动的宽度约为X方向扫描宽度的一半。然而，显然该宽度可以被调整为适合散热的值。
在上述实施例中，折返点在三个位置移动，但这个数量可以被调整，可提供更多的折返点。折返点越多，电子束被分布得越广。
按照以上所述的本发明，扫描电子束折返点在方波的每一周期被移动，以便窗口箔片散热。因此，延长了窗口箔片的寿命，窗口箔片的冷却设备可以更小。此外，射向目标物质的电子束可以更均匀。
工业用途
本发明适用于电子束辐射设备，该设备用于处理如热电厂排放的废气等，或者适用于这样一种电子束辐射设备，即它用大电子流辐射来提高比如交联树脂之类的物质的质量。
Claims (3)
1、一种电子束辐射设备，包括：
一个扫描线圈；
一个三角波发生器，用于提供三角波电流给扫描线圈，以在第一扫描方向移动电子束；
一个偏转线圈；
一个方波发生器，用于提供方波电流给偏转线圈，以在垂直于第一扫描方向的第二扫描方向上移动电子束；以及
一个控制单元，用于调制三角波发生器提供的三角波电流，以在波形上升和下降的起始点处形成陡斜坡。
2、按照权利要求1所述的电子束辐射设备，其中，三角波电流波形在该波形的上升和下降沿具有一组偏移点，以将上升和下降沿分成一组相连的线性部分。
3、一种电子束辐射方法，包括：
用三角波发生器产生三角波电流；
提供三角波电流给扫描线圈，以在第一扫描方向移动电子束；
用方波发生器产生方波电流；
提供方波电流给偏转线圈，以在垂直于第一扫描方向的第二扫描方向上移动电子束；以及
使用控制单元调制三角波发生器提供的三角波电流，以在波形上升和下降的起始点处形成陡斜坡。
Applications Claiming Priority (6)
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