CN1954402B - 具有作为电子源的场发射器的大面积指示电子束照射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子束照射器，该电子束照射器能用场发射器尖端，在高电流密度下，在宽区域中执行电子束照射。该电子束照射器包括：具有在真空室的外周边纵向地形成的电子束照射窗口的真空室；在真空室内中心地和纵向地放置的阴极，并具有在阴极上形成的场发射器尖端，对应于电子束照射窗口；以及在真空室的一端放置的高压电源，用于朝向阴极施加高压。根据本发明，可以在宽区域中进行电子束照射，而不使用电磁体，以及用高电流密度，而不使用加热器如灯丝或附加电源，由此保证简化的结构以及减小的尺寸。

Description

具有作为电子源的场发射器的大面积指示电子束照射器

技术领域

本发明涉及一种电子束照射器，更具体涉及一种设计为允许在宽区域中的电子束照射，而不使用扫描磁铁系统，以及允许用高电流密度而不使用加热器如灯丝或附加电源的低能电子束照射器，由此保证简化的结构以及减小的尺寸。

背景技术

所属领域的技术人员清楚地了解，每种物质的性能由组成原子的键合决定，其中通过束缚到该原子的外层电子进行键合。用充分能级的电子束改变物质的键状态可以获得完全不同于先前物质的性能。

亦即，电子束可以被照射到物质，以给予它附加的可用性能，或从它除去任意性能，例如对人体有害的性能。

用于电子束照射器以产生电子束的阴极材料通常选自具有低功函数的各种单晶、氧化物等。但是，这些材料用于电子束照射源，它们的尺寸受到限制，因此必需使用电磁体，以便在宽的区域中电子束照射和处理目标。

此外，常规电子束照射器是热电启动类型，其中为了产生电子束，利用灯丝加热阴极材料直至适合的高温。由于此，必然需要与灯丝一起使用附加的分开电源。

发明内容

技术问题

如上所述，常规电子束照射器具有复杂的结构。此外，由于用点电子束源进行常规电子束照射，存在其中照射效率降低和经济竞争力和加工能力变差的缺点。

由此，在技术上需要一种能防止上述问题的电子束照射器。

为了解决现有技术的上述问题，进行本发明，因此本发明的目的是提供一种设计为在宽的区域中照射电子束而不使用电磁系统，以及在高电流密度中，而不使用加热器如灯丝或附加电源的电子束照射器，由此保证简单的结构以及减小的尺寸。

本发明的另一目的是提供一种电子束照射器，该电子束照射器设计为从阴极的条形场发射器尖端径向地照射电子束，允许在更宽的区域中照射更大的区域，由此进一步提高电子束的照射效率。

本发明的再一目的是提供一种电子束照射器，该电子束照射器设计为被简单地装配和拆卸，由此增强装配、替换和维护的快速性、简单性和效率。

本发明的另一目的是提供一种电子束照射器，该电子束照射器设计为使通过电子束照射窗口照射的电子束的加速电场的形变最小化，同时防止通过电子束照射窗口损坏真空室的真空状态，以及实现克服真空和空气之间压力差的充分承受力，同时使通过其照射电子束的金属箔厚度最小化，由此减小通过金属箔的电子束的损失和所得的能量损耗。

本发明的又一目的是提供一种电子束照射器，该电子束照射器设计为在一个圆柱体单元中形成几个电子束照射窗口，以便根据用途，保证各个电子束照射窗口的独立应用和高操作效率，具体对于圆柱体的内部进一步，提高处理效率，以及能够根据照射器和目标之间的距离变化进行电流密度调整。

技术方案

根据用于实现上述目的的本发明的一个方面，提供一种电子束照射器，包括：具有在真空室的外周边纵向地形成的电子束照射窗口的真空室；在真空内部中心地和纵向地放置的阴极，以及具有在阴极上形成的场发射器尖端，对应于电子束照射窗口；以及在真空室的一端放置的高压电源，用于朝向阴极施加高压；第一支撑件，所述第一支撑件支撑所述阴极的一端，所述第一支撑件包括第一绝缘体，高压电源的连接器管脚通过第一绝缘体插入在阴极的一端形成的阴极的管脚插入孔中；以及第二支撑件，所述第二支撑件支撑所述阴极的另一端，所述第二支撑件包括第二绝缘体，所述第二绝缘体具有插入沟槽，在阴极的另一端形成的插入突起被插入该插入沟槽中。

优选，该场发射器尖端由碳纳米管制成。

在本发明中，阴极是具有圆形截面的杆形结构，且包括在杆形结构的外周边中纵向地形成的条形场发射器尖端。

该电子束照射器还可以包括：在真空室的两端整体地设置的固定法兰(flange)，与固定法兰之一耦合并具有高压电源的第一真空法兰；以及与另一固定法兰耦合的第二真空法兰。

在本发明中，电子束照射窗口可以包括：固定到真空室的基板，略微地从真空室突出到外面，并具有在其中心区中形成的延长矩形缝隙；被插入基板缝隙的外周边中形成的插入沟槽中的金属导线；放置在金属导线上的金属箔，具有一区域，该区域略微地大于被金属导线围绕的区域；以及与基板耦合的盖板，对应于基板的缝隙，并具有对应于基板的中心区中的缝隙的电子束照射缝隙。

优选，该真空室是圆柱体，具有在其外周边中形成的多个电子束照射窗口，以及其中放置在真空室内的阴极具有在该阴极的外周边中形成的场发射器尖端，分别对应于真空室的电子束照射窗口。

根据用于实现上述目的的本发明的另一方面，提供一种电子束照射器，包括：具有在真空室的外周边区域中纵向地形成的多个电子束照射窗口的真空室；放置在真空室内的阴极，具有在其上形成的至少一个线性区和在该线性区上形成的多个场发射器尖端，分别对应于电子束照射窗口；以及放置在真空室的一端的高压电源，用于朝向阴极施加高压；第一支撑件，所述第一支撑件支撑所述阴极的一端，所述第一支撑件包括第一绝缘体，高压电源的连接器管脚通过第一绝缘体在阴极的一端形成的管脚插入孔中；以及第二支撑件，所述第二支撑件支撑所述阴极的另一端，所述第二支撑件包括第二绝缘体，所述第二绝缘体具有插入沟槽，在阴极的另一端形成的插入突起被插入该插入沟槽中。

优选，该真空室具有与阴极的线性区平行相对的至少一个线性区，其中形成电子束照射窗口。

有益效果

如上所述，本发明提供一种电子束照射器，该电子束照射器设计为通过使用场发射器尖端，在宽区域中以低能量照射电子束，以便在宽区域中可以照射电子束，而不使用电磁体，以及在高电流密度中照射电子束，而不使用加热器如灯丝或附加电源，由此保证简化的结构以及减小的尺寸。

此外，根据本发明，通过使用从阴极中形成的条形场发射器尖端发射的电子束，可以迅速地固化在宽区域中应用的油墨或涂料，以及便于医学物品的消毒和杀菌。

此外，根据本发明，可以简单地装配和拆卸电子束照射器，由此增强装配、替换以及维护的快速性、简单性和效率。

此外，根据本发明，该电子束照射器，可以使通过电子束照射窗口照射的电子束的加速电场的变形最小化，同时防止通过电子束照射窗口损坏真空室的真空状态，以及实现克服真空和空气之间压力差的足够承受力，同时使通过其照射电子束的金属箔厚度最小化，由此减小通过金属箔的电子束的损失和所得的能量损耗，。

此外，根据本发明，该电子束照射器可以在单个圆柱体单元中形成几个电子束照射窗口，以便根据使用保证各个电子束照射窗口的独立应用和高操作效率，具体进一步提高圆柱体内的处理效率，以及允许根据照射器和目标之间的距离变化进行电流密度调整。

具体实施方式

从下面结合附图的详细说明将更清楚地理解本发明的上述及其他目的、特点以及其他优点，其中：

图1是说明根据本发明实施例的电子束照射器的分解透视图；

图2是说明图1所示的电子束照射器的装配状态的剖面图；

图3是说明根据本发明的电子束照射图形的剖面图；

图4是说明根据本发明的电子束照射窗口的分解透视图；

图5是说明图4所示的电子束照射窗口的装配状态的剖面图；

图6是说明根据本发明的另一实施例的电子束照射器的透视图；

图7a至7c说明根据本发明来自图6所示的电子束照射器的电子束照射图形，其中

图7a根据本发明的多个电子束照射窗口的图例，其中执行单独的照射，

图7b是根据本发明在三个侧面提供的电子束照射窗口的图例，其中在曲面上移动的目标上执行多重照射，以及

图7c是根据本发明在四个侧面提供的电子束照射窗口的图例，其中在圆柱体的内表面上执行多重照射；以及

图8是根据本发明的另一实施例的电子束照射器的工作状态的图例。

下面将结合附图更详细地描述本发明的优选实施例。

图1是说明根据本发明实施例的电子束照射器的分解透视图，如下面将描述。

如图1所示，本发明的电子束照射器包括电-阳极的真空室1，该真空室1用于保持空内真空，在真空室1内纵向地居中并具有杆状结构2A的阴极2，在真空室1内分别支撑阴极2的两端的第一和第二支撑件3和4，以及用于施加高压到阴极2的高压电源5。

真空室1可以是在两端具有开口的圆柱体结构，以及具有在该圆柱体结构的外周边中的基本上中间区中形成的延长电子束照射窗口11。此外，第一和第二固定法兰12和12A与真空室1的两端集成。

阴极2形成为延长的杆，具有圆形截面。在阴极2上形成场发射器尖端20，构形为延长的条，与真空室1中的电子束照射窗口11相对。场发射器尖端20优选由碳纳米管20A构成。

碳纳米管由NEC Corporation′s Fundamental Research Laboratory的Dr.Iijima Sumio在1991年发现，当他通过使用放电分析石墨阴极上生长的碳固体时，其中六个碳原子的六角形连接在一起变为具有约为仅仅几纳米至几十纳米直径的管形状。这也称作场发射器尖端。此外，纳米，如1/1,000,000,000m基本上等于人头发的1/100,000。

碳纳米管显示出高达铜的导电率，高达金刚石的导热率，已知其特性具有最优异的强度和大于钢100倍的强度。碳纳米管可以忍受高达15％形变，而碳纤维在仅仅1％形变时切断。在本发明中，采用碳纳米管作为电子束照射器。

当碳纳米管20A施加有高压时，它通过场致发射，发射高电流密度电子束。

本发明的高压电源5用于气密密封真空室1的开口以及施加高压到阴极2。

本发明的电子束照射器包括与真空室1的第一固定法兰12耦合的第一真空法兰51以及固定到真空室1的第二固定法兰12A上的第二真空法兰6，以便从外面气密地密封真空室1。真空法兰51和6通过螺栓加固密封。

此外，在本发明的电子束照射器中，第一和第二支撑件3和4用于在真空室1内在其两端支撑阴极2。第一支撑件3包括在阴极2的一端形成的管脚插入孔31，如图2所示，用于接收从其中的高压电源5突出的连接器管脚52，以便提供到阴极2的电连接，同时支撑它们在适当的位置。

第一支撑件3具有围绕连接器管脚52成形并由绝缘陶瓷构成的第一绝缘体32。第一绝缘体32在其中心部分具有管脚穿通孔321，允许高压电源5的连接器管脚52通过。第一绝缘体32的外表面被旋入高压电源5的绝缘体5a中设置的安装沟槽33中。

该绝缘结构保证沿连接器管脚52流动的高电压肯定地与除阴极2以外的其他元件电绝缘。

第二支撑件4包括在第二真空法兰6的中心部分中形成的耦合沟槽45，第二绝缘体41在其后部中具有耦合突起44。后耦合突起44适合于与耦合沟槽45螺旋地耦合。

此外，第二绝缘体41具有在其前中心部分中形成的插入沟槽42，以及阴极2具有将被插入该插入沟槽42并在其中支撑的插入突起43。

此外，优选在第一和第二绝缘体32和41的表面中形成大量突起和凹坑，延伸其表面通道，以便防止高电压下的绝缘击穿。

图2是说明图1所示的电子束照射器的装配状态的剖面图，如下面将描述。

在本发明的电子束照射器中，在真空室1的中心部分中纵向地设置阴极2，其中阴极2的一端通过第一支撑件3与高压电源5连接，以及由此支撑，而阴极2的另一端通过第二支撑4与第二真空法兰6连接并由此支撑在适当的位置。当高压电源5的连接器管脚52通过第一支撑件3的第一绝缘体32被插入阴极2的管脚插入孔31中时，阴极2的一端被支撑，以及当阴极2的后插入突起43被插入第二绝缘体41的插入沟槽42中时，阴极2的另一端被支撑。

连接器管脚52通过高压电源5电连接到电源(未示出)，以便从电源提供的高电压被施加到阴极2。

在如上构成的本发明的电子束照射器中，当高电压被施加到阴极2时，与真空室1的电子束照射窗口11相对设置的场发射器尖端20通过场致发射，发射高电流密度的电子束。由于阴极2具有圆形截面和沿圆形截面的曲线形成场发射器尖端20，因此如图3所示径向地产生电子束。

然后在电气地用作阳极的真空室1和阴极2之间用预定能量加速该电子束，以便通过真空室1的电子束照射窗口11照射该加速的电子束。

图4和5图示了本发明的电子束照射器中装备的电子束照射窗口，如下面将描述。

电子束照射窗口11被设置在真空室1中，以及具有在真空室1的延长的、基本上矩形的开口中形成的基板111。基板111从真空室1整体地突出。在基板111的中心部分中形成延长的矩形缝隙111A，以及在缝隙111A的外圆周中形成基本上矩形的导线插入沟槽111B，由此在基板111中容纳金属导线112。

在金属导线112上密封薄的金属箔113，以及在金属箔113上放置盖板114并通过螺栓加固与基板111耦合。在盖板114的中心部分中，电子束照射缝隙114A具有基板111的缝隙111A的形状匹配。

基板111优选被设计成能以最小尺寸突出，以便减小加速电场的变形。该金属导线112用作密封件，以防止真空室1内的真空通过电子束照射窗口11损失。

在如上构成的本发明的电子束照射器中装备的电子束照射窗口11中，薄的金属箔113可以肯定地承受真空和空气之间的压力差，由于基板111中的缝隙A具有小的宽度。由于此可以相对增加贯穿金属箔113的电子束数量，超过贯穿厚金属箔的电子束数量，由此减小能量损耗。因此，有利地，电子束照射窗口11可以用作用于低能量电子束的适合电子束照射窗口。

图6是说明根据本发明的另一实施例的电子束照射器的透视图。如图6所示，本发明的电子束照射器具有围绕真空室1的多个电子束照射窗口11。此外，在真空室1内纵向地、中心地设置阴极2，以及具有分别匹配电子束照射窗口11的多个场发射器尖端20。

亦即，在本发明的一个电子束照射器中设置多个电子束照射窗口11，以便可以同时使用单个电子束照射窗口11，分开地具有不同的用途，如图7a至7c所示。此外，对圆柱体目标的内表面提供处理是有效的，以及通过径向地照射电子束，可以根据照射器和目标之间的距离变化调整电流密度。

如图7a所示，利用在真空室1的两侧形成的电子束照射窗口11，本发明的电子束照射器可以对目标提供处理，而它们在真空室1外面沿箭头S线性地移动。此外，如图7b所示，利用在真空室1的三个侧面设置的三个电子束照射窗口11，电子束照射器可以对目标提供处理，该目标在箭头S的方向中在电子束照射窗口11周围线性地移动。

此外，如图7c所示，在真空室1的四个侧面形成四个电子束照射窗口11，本发明的电子束照射器可以对圆柱体目标提供处理，而该目标在圆柱体内在箭头S的方向中旋转。

由于通过使用旋转电动机(未示出)和电力传输(未示出)可以容易地制成用于旋转真空室1的机构，这些在技术上是公共的，因此它们将不被详细描述。

图8是根据本发明的另一实施例的电子束照射器的工作状态的图例。

图8所示的本发明的电子束照射器包括具有在真空室1上纵向地形成的多个电子束照射窗口11。

真空室1优选在外表面上具有线性区1a，其上形成电子束照射窗口11。

在真空室1内，提供具有多个场发射器尖端20的阴极2。阴极2具有与真空室1的线性区1平行相对的至少一个线性区2a。在线性区2a上，对应于电子束照射窗口11分别放置场发射器尖端20。此外，在真空室1中设置用于朝向阴极2施加高电压的高压电源(未示出)。

该场发射器尖端20优选由碳纳米管20A构成。

本发明的电子束照射器可以有利地处理真空室1外面的目标，同时该目标在箭头S的方向沿线性区1a线性地移动。该布置的优点是在短时期内可以同时照射大量剂量。

应当理解，尽管相对于几个可能的优选实施例说明和描述了本发明，但是这种实施例仅仅是说明性的，以及本发明没有理由被限于此。相反，打算对于所属领域的技术人员来说无疑将发生体现本发明的原理的改进和改变。因此发明应该延伸至所有这种改进和改变，如在附加权利要求的全部精神和范围内可以引入本发明的广泛原理。具体，尽管可以不同地提出材料替换、简单的功能增加、简单的形状改变和尺寸改变，很明显这些应该属于本发明的权利范围。

工业实用性

如上所述，本发明提供一种电子束照射器，该电子束照射器设计为通过使用场发射器尖端，在宽区域中用低能量照射电子束，以便可以在宽区域中照射电子束，而不使用电磁体，以及可以用高电流密度，而不使用加热器如灯丝或附加电源，由此保证简化的结构以及减小的尺寸。

Claims (13)

1.一种电子束照射器，包括：

真空室，具有在真空室的外周边纵向地形成的电子束照射窗口；

在真空室内中心地和纵向地放置的阴极，并具有在阴极上形成的场发射器尖端，对应于电子束照射窗口；

在真空室的一端放置的高压电源，用于朝向阴极施加高压；

第一支撑件，所述第一支撑件支撑所述阴极的一端，所述第一支撑件包括第一绝缘体，高压电源的连接器管脚通过所述第一绝缘体插入在阴极的一端形成的管脚插入孔中；以及

第二支撑件，所述第二支撑件支撑所述阴极的另一端，所述第二支撑件包括第二绝缘体，所述第二绝缘体具有插入沟槽，在阴极的另一端形成的插入突起被插入该插入沟槽中。

2.根据权利要求1的电子束照射器，其中该场发射器尖端由碳纳米管制成。

3.根据权利要求1的电子束照射器，其中阴极是具有圆形截面的杆状结构，以及包括在杆状结构的外周边中纵向地形成的条形场发射器尖端。

4.根据权利要求3的电子束照射器，其中沿阴极的圆形截面形成场发射器尖端，以径向地发射电子束。

5.根据权利要求1或3的电子束照射器，还包括：

在真空室的两端整体地设置的固定法兰；

与固定法兰之一耦合并具有高压电源的第一真空法兰；以及

与另一固定法兰耦合的第二真空法兰。

6.根据权利要求5的电子束照射器，其中第二支撑件的第二绝缘体具有在第二绝缘体上形成的多个突起和凹坑，以延伸其表面通道，以便防止高电压下的绝缘击穿。

7.根据权利要求1的电子束照射器，其中该电子束照射窗口包括：

基板，固定到真空室，从真空室略微地突出到外面，以及具有在其中心区中形成的延长矩形缝隙；

金属导线，插入基板缝隙的外周边中形成的插入沟槽中；

金属箔，放置在金属导线上并具有一区域，该区域略微地大于被金属导线围绕的区域；以及

与基板耦合的盖板，对应于基板的缝隙，以及具有对应于基板中心区中的缝隙的电子束照射缝隙。

8.根据权利要求1或3的电子束照射器，其中该真空室是圆柱体，具有在其外周边中形成的多个电子束照射窗口，以及其中在真空室内放置的阴极具有在阴极的外周边中形成的场发射器尖端，分别对应于真空室的电子束照射窗口。

9.根据权利要求8的电子束照射器，其中在真空室的两侧形成该电子束照射窗口，以为在真空室外面线性地移动的目标提供处理。

10.根据权利要求8的电子束照射器，其中在真空室的三个侧面形成电子束照射窗口，以为在真空室周围移动的目标提供处理。

11.根据权利要求8的电子束照射器，其中在真空室的四个侧面形成电子束照射窗口，以对圆柱体目标提供处理，同时该真空室在圆柱体内旋转。

12.一种电子束照射器，包括：

真空室，具有在真空室的外围区中纵向地形成的多个电子束照射窗口；

阴极，放置在真空室内，以及具有在其上形成的至少一个线性区和在该线性区上形成的多个场发射器尖端，分别对应于该电子束照射窗口；

高压电源，放置在真空室的一端，并用于朝向阴极施加高压；

第一支撑件，所述第一支撑件支撑所述阴极的一端，所述第一支撑件包括第一绝缘体，高压电源的连接器管脚通过所述第一绝缘体插入在阴极的一端形成的管脚插入孔中；以及

第二支撑件，所述第二支撑件支撑所述阴极的另一端，所述第二支撑件包括第二绝缘体，所述第二绝缘体具有插入沟槽，在阴极的另一端形成的插入突起被插入该插入沟槽中。

13.根据权利要求12的电子束照射器，其中该真空室具有与阴极的线性区平行相对的至少一个线性区，其中形成电子束照射窗口。

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