CN1358108A - 电子束照射设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种电子束照射设备采用电子束照射燃烧废气以从废气中去除有毒成分。电子束照射设备包括用于发射电子的电子束源(12)、用于将从电子束源发射的电子加速的加速管(13)、通过将磁场施加到加速管(13)中形成高能量的电子束以控制电子束直径的聚焦电磁铁(16)、通过将磁场施加到电子束以偏转和扫描电子束的电磁铁(17、18)、以及允许电子束从那里经过的照射窗口(20)。电子束由聚焦电磁铁(16)聚焦在聚焦点,使得电子束收敛一次并且随后发散,然后经过照射窗口(20)向外发射。

Description

电子束照射设备和方法

                      技术领域

本发明涉及电子束照射设备和方法，尤其涉及使用电子束来照射从热电站或类似的地方排出的燃烧废气以从废气中去除有毒成分的电子束照射设备和方法。

                      技术背景

随着经济的发展，要求越来越多的能量。在能量要求的不断增长中，能源仍然依赖于矿物燃料如煤和石油。然而，由于矿物燃料的燃烧产生的有害产物或污染物对全球的污染负有责任。应该认为由于空气污染引起的全球变暖和酸雨的全球问题是由如SOx和NOx成分造成的，这些成分包含在从热电站或类似的地方排出的燃烧废气中。有一种用于去除有毒成分如SOx和NOx的方法，这种方法利用电子束照射燃烧废气以脱硫和脱硝(即去除有毒成分如SOx和NOx)。

在利用电子束处理燃烧废气的废气处理系统中，如燃烧废气中的氧(O₂)、水蒸汽(H₂O)分子被从照射窗口发射的电子束照射，以形成具有高氧化强度的基如OH、O和HO₂，该窗口包括由Ti或类似的物质制成的薄膜。这些基使有毒成分如SOx和Nox氧化以产生硫酸和硝酸作为中间产品。这些中间产品与先前加入废气中的铵气(NH₃)起反应以产生作为化肥材料还原的硫酸铵和硝酸铵。因此，这个用于处理废气的系统可以从燃烧废气中去除有毒成分如SOx和NOx，并且同时还原硫酸铵和硝酸铵作为用作化肥材料的有用的副产品。

图3示出根据这个例子用于上面废气处理系统的电子束照射设备。

电子束照射设备11主要包括具有灯丝或类似东西的热电子发生器12、用于加速从热电子发生器12发射的电子的加速管13、通过将磁场施加到加速管13中形成的高能量电子束来控制电子束直径的聚焦电磁铁16、以及通过将磁场施加到其直径由聚焦电磁铁16控制的电子束在x和y方向上偏转电子束的扫描电磁铁17、18。x方向是图3示出的水平方向，y方向是垂直于x方向并且垂直于图3的图表面的方向。外层提供了外壳19和照射窗口20，外层的内部保持在1.33×10^-3到1.33×10^-4Pa(10^-5到10^-6托)的高真条件。由加速管13形成的高能量电子束通过将磁场施加到电子束的扫描电磁铁17、18偏转和扫描，并且经过照射窗口20发射到外面的废气通道(图3中未示出)的某一区域。

由包括灯丝或类似东西的热电子发生器12产生的热电子通过例如加速管13中大约800kV的高压来加速以形成高速电子束。然后，通过聚焦电磁铁16控制电子束的射束直径，这样形成线性电子束，它具有如图3示出例子中传播方向上大致相同的直径，然后它指向由扫描电磁铁17、18形成的磁场。聚焦电磁铁16包括在电磁铁轴向布置的环形线圈的电磁铁，并且形成相对于电子束轴对称的磁场。通过磁场的幅度和方向来控制电子束的射束直径。换句话说，通过磁场的幅度和方向来控制电子束的聚焦。因此，直流I_o提供到电磁铁的线圈，电子束的收敛和发散程度由直流I_o的幅度来调节。

通过扫描电磁铁17、18在x和y方向上扫描其直径由聚焦电磁铁16控制的电子束。扫描电磁铁17包括一个电磁铁，它具有一对电极用于在y方向上偏转电子束，扫描电磁铁18包括一个电磁铁，它具有一对电极用于在x方向上偏转电子束。通过控制提供到扫描电磁铁17、18的线圈的电流幅度和方向，控制在x和y方向上的偏转角度，因此，扫描电子束并且控制电子束的照射位置。在一个例子中，使用扫描电磁铁17的矩形波在y方向(纬度方向)上扫描电子束，使用扫描电磁铁18的正弦波在x方向(经度方向)上扫描电子束。

然而，通过扫描电磁铁18在x方向上扫描电子束时，如果在相应于扫描两端的最大扫描位置A、B附近的偏转角度较大，则通过电磁铁产生的磁场来偏转电子束，使得输出电子束的角度与电子束的入射角不同。因此，由于凸透镜或类似的东西产生的透镜效应，电子束在相应于最大扫描位置A、B的照射窗口位置A、B收敛。特别地，如图3的照射窗口位置A、B和C所示，当射束直径大约是10cm时，例如在中心位置C，在相应于扫描两端的最大扫描位置A、B的射束直径大约是5cm。这样，电子束的照射区域在最大扫描位置A、B显著地收敛。照射窗口20包括钛(Ti)薄膜，因此，如果电子束在最大扫描位置A、B或在它的附近收敛，则电子束的能量密度在那里增加，导致对照射窗口的损坏。

另外，电子束照射的区域没有在最大扫描位置A、B或在它的附近形成，因此，燃烧废气中的有毒成分不能被充分地去除。

                   本发明的公开

因此，本发明的目的是提供电子束照射设备和方法，使得能够防止电子束在最大扫描位置收敛，并且能够稳定地获得具有均匀能量密度的照射区域，这里电子束的照射被均匀地完成。

根据本发明的一个方面，提供的电子束照射设备包括：用于发射电子的电子束源；用于将从电子束源发射的电子加速的加速管；通过将磁场施加到在加速管中形成高能量的电子束，用于控制电子束直径的聚焦电磁铁；通过将磁场施加到电子束，用于偏转和扫描电子束的电磁铁；以及允许电子束从那里通过的照射窗口；其中通过聚焦电磁铁将电子束聚焦在聚焦点，使得电子束收敛一次并且随后发散，然后经过照射窗口向外发射。

根据本发明，电子束在聚焦点收敛一次并且随后发散，然后经过照射窗口向外发射。因此，电子束的射束直径可以在照射窗口扩大。聚焦的电子束的射束直径在位置A、B具有比中心位置C较大的偏转角度。这样，因为电子束的射束直径在最大扫描位置(最大偏转角度)足够大，可以防止电子束在照射窗口部分收敛。因此，在照射窗口部分的电子束的照射密度是均匀的，这样防止照射窗口部分损坏。另外，电子束经过照射窗口部分均匀地发射，以允许燃烧废气被电子束均匀地照射，这样从废气中充分地去除有毒成分。

最好定位预聚焦点，这里在电子束通过用于在电子束的传播方向上偏转和扫描电子束的磁场之后，电子束收敛一次并且随后在该位置发散。这样，在电子束的加速能量大到大约800kV并且电子束的速度接近于光速的情况下，电子束变为相对论性电子束(REB)。本发明可以应用于这种电子束。因此，即使偏转角度很大，也可以在照射窗口部分获得具有足够扩展的射束直径。

最好聚焦点的位置通过控制提供到聚焦电磁铁的电流值来调节。这样，通过调节提供到聚焦电磁铁电流值的相对简单的装置，在照射窗口部分的最大扫描位置可以获得具有足够扩展的射束直径。

根据本发明的另一个方面，电子束照射方法包括：通过将磁场施加到电子束，控制具有高能量的电子束的直径；通过聚焦电磁铁将磁场施加到电子束，偏转和扫描直径被控制的电子束；经过照射窗口向外发射电子束；其中通过聚焦电磁铁将电子束聚焦在聚焦点，使得电子束收敛一次并且随后发散，然后经过照射窗口向外发射。

借助于上面的装置，即使具有高能量的电子束以相当大的偏转角度扫描，也可以避免电子束的收敛，电子束的照射可以在很宽的扫描区域上以均匀的能量密度实现。这样，具有均匀能量密度的电子束可以提供到电子束照射设备的相当大的照射区域，用于处理废气或类似的东西。另外，可以允许电子束有相当大的偏转角度，这样有助于缩小该设备的尺寸。

                   附图的简单描述

图1是在本发明实施例的电子束照射设备中收敛和发散电子束方式的示意图；

图2是集成了图1示出的电子束照射设备的废气处理系统的示意图；以及

图3是在常规的电子束照射设备中收敛和发散电子束方式的示意图。

                 实现本发明的最好方式

下面参照图1描述本发明实施例的电子束照射设备和方法。在附图中，类似的或相应的部件由类似的或相应的参考标号来表示。

如图1所示，电子束照射设备11包括热电子发生器12、加速管13、聚焦电磁铁16、以及扫描电磁铁17和18，因此，电子束被加速和扫描，然后经过照射窗口20发射到外面的废气通道的某一区域。电子束照射设备11的这个结构与常规设备的结构相同。另外，电子束被加速管13中的大约800kV的高压加速到高速，电子束的射束直径由聚焦电磁铁16控制，然后直径被控制的电子束被扫描电磁铁17、18偏转和扫描。这个结构也与常规的设备相同。作为扫描宽度，在纬度方向(x方向)的扫描长度在3到4m的范围内，在经度方向(y方向)上的扫描长度在60到40cm的范围内。

在本发明的电子束照射设备中，调节提供给聚焦电磁铁16的直流I_o，使得在电子束到达照射窗口20之前，当电子束到达照射窗口20时电子束被聚焦而形成足够的扩展。特别地，通过将直流I_o更多地提供到聚焦电磁铁16，如图1所示，电子束的聚焦被调节，使得在电子束经过扫描电磁铁18产生的主要磁场之后，电子束E在聚焦点F被收敛到最大的程度。也就是电子束E的射束直径在聚焦点F变为最小。因此，在电子束E经过聚焦点F之后，电子束E发散以充分地扩大射束直径并且到达照射窗口20。以后，电子束E经过包括Ti箔的照射窗口20发射到废气通道的某一区域，这样完成废气的脱硫或脱硝。

电子束E的射束直径大约是10cm，它与图3所示的常规设备获得的线性电子束相同。在照射窗口20的最大扫描位置A、B，电子束E的射束直径大于等于10cm。聚焦点F的位置可以通过直流I_o的幅度来调节，因此，可以在照射窗口20适当地调节射束直径。

通过不同的试验已经确认当扫描电磁铁18产生的磁场的通量密度为零时，最好将聚焦点F定位在电子束经过扫描电磁铁18产生的磁场之后的位置。因此，电子束进入扫描电磁铁17、18产生的磁场的入射角被最好地控制，在那里循环运动之后，电子束出磁场的角度也被最好地控制。因此，电子束的收敛和发散可以在聚焦点F很好地实现。

根据本发明的实施例，用于废气处理系统中电子束照射设备所需的电子束能量大约是800kV，电子束具有接近光速的高速度并且被称为相对论性电子束。电子束的速度由下面的方程式(1)表达： $\frac{v}{c}={[1-\frac{1}{{(1+\frac{\mathrm{ev}}{m_0{c}^2})}^2}]}^{\frac{1}{2}}----\left(1\right)$ 这里e表示电子的电荷等于1.6×10^-19C，m₀表示电子质量等于9.1×10^-31kg，以及C表示光速等于3×10⁸m/s。

因此，通过800kV的高压加速的电子具有使用下面式子的光速(C)表达的速度v：

              V/c≈0.92

在具有高速的相对论性电子束中，通过将聚焦点F定位在上述位置，在照射窗口20的电子束的射束直径可以扩大到适当的尺寸。在相对论性电子束中，电子束的射束直径在最大的扫描位置A、B比在中心位置C要大。

因此，可以防止电子束在最大扫描位置A、B的收敛，可以防止对照射窗口的损坏，可以在整个照射区域上提供具有均匀能量密度的电子束。

图2示出集成了本发明电子束照射设备的废气处理系统，其中从燃料燃烧设备如热电站排出的废气通过电子束的照射来处理。如图2所示，从一种燃料燃烧设备热电站21排出的废气在热交换器22中冷却，然后进入冷却塔24。在冷却塔24中，由泵23提供的水通过液体喷管26喷洒，喷洒的水在那里蒸发。废气在冷却塔24中被冷却到某一温度范围，然后冷却的气体进入处理罐25。

另一方面，从硫酸供应设备29提供的硫酸与线性混合器30中的空气混合。混合的气体和从水供应源(未示出)提供的水在双液体喷管31的气体液体混合室中混合，在处理罐25的入口喷洒。气体和水的混合物采用来自图1所示的电子束照射设备11的电子束来照射。

在上面的实施例中，描述了用于处理废气的电子束照射设备。但是，本发明的实质在于扫描电子束时可以避免由于大偏转角度引起的电子束收敛。因此，本发明可以应用于各种设备，包括电子束焊接设备、扫描电子显微镜和利用电子束的其他类似的东西。

如上所述，根据本发明，即使高能量电子束以相对大偏转角度扫描，也可以避免电子束收敛，电子束的照射可以在很大的扫描区域上以均匀的能量密度实现。

                    工业应用范围

本发明涉及电子束照射设备和方法，可以应用于废气处理系统，用于处理从燃料燃烧设备如热电站、电子束焊接设备或扫描电子显微镜排出的废气。

Claims (6)

1.电子束照射设备包括：

用于发射电子的电子束源；

用于加速所述电子束源发射的电子的加速管；

通过将磁场施加到在所述加速管中形成高能量的电子束，控制电子束直径的聚焦电磁铁；

通过将磁场施加到所述电子束，偏转和扫描所述电子束的电磁铁；以及

允许所述电子束经过的照射窗口；

其中所述电子束由所述聚焦电磁铁聚焦在聚焦点，使得所述电子束收敛一次并且随后发散，然后经过所述照射窗口向外发射。

2.如权利要求1所述的电子束照射设备，其中，所述电子束的聚焦点被定位在所述电子束经过用于扫描所述电子束的所述磁场之后的位置。

3.如权利要求2所述的电子束照射设备，其中通过控制提供到所述聚焦电磁铁的电流值来调节所述聚焦点的位置。

4.电子束照射方法包括：

通过将磁场施加到所述电子束，控制具有高能量的电子束的直径；

采用聚焦电磁铁，通过将磁场施加到所述电子束，偏转和扫描控制了直径的所述电子束；以及

经过照射窗口将所述电子束向外发射；

其中所述电子束被所述聚焦电磁铁聚焦在聚焦点，使得所述电子束收敛一次并且随后发散，然后经过所述照射窗口向外发射。

5.如权利要求4所述的电子束照射方法，其中，所述电子束的聚焦点定位在所述电子束经过用于扫描所述电子束的所述磁场之后的位置。

6.如权利要求5所述的电子束照射方法，其中通过控制提供到所述聚焦电磁铁的电流值来调节所述聚焦点的所述位置。

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