DE102009057334B4

DE102009057334B4 - Elektronenstrahleinheit mit Strahlfeldbegrenzung

Info

Publication number: DE102009057334B4
Application number: DE200910057334
Authority: DE
Inventors: Eberhard Föll; Bengt Laurell
Original assignee: ELECTRON CROSSLINKING AB
Current assignee: CROSSLINKING AB, SE
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: DE102009057334A1

Abstract

Es wird eine Elektronenstrahleinheit zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes beschrieben. Die Elektronenstrahleinheit umfasst mindestens eine Heizkathode zur Erzeugung von Elektronen, eine Gitteranordnung mit einem oder mehreren Gitterelementen, die dazu vorgesehen sind, die Elektronen von der Heizkathode abzuziehen, zu verteilen und zu beschleunigen, sowie ein Elektronenaustrittsfenster, aus dem die Elektronen nach der Beschleunigung austreten. Dabei umfasst mindestens ein Gitterelement einen elektronenundurchlässigen Außsenbereich sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung, wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahleinheit zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes mittels eines Elektronenstrahlers.
Für eine Vielzahl von Anwendungen wie beispielsweise das Behandeln von Oberflächen, das Vernetzen von polymeren Materialien, das Härten von strahlungshärtenden Lacken und Druckfarben, das Sterilisieren von Gegenständen und Behältnissen etc. werden Elektronenstrahler benötigt, die ein flächig ausgedehntes Bestrahlungsfeld von Elektronen bereitstellen. Für viele Einsatzzwecke ist es dabei notwendig, das von der Bestrahlungseinheit bereitgestellte Bestrahlungsfeld mit Hilfe von Blenden oder Abdeckungen auf einen bestimmten Bereich einzuschränken.
Allerdings kommt es an derartigen Blenden oder Abdeckungen jeweils zur Entstehung von Röntgenstrahlung, und zum Schutz vor dieser Röntgenstrahlung waren aufwändige Abschirmungen erforderlich. Darüber hinaus müssen die Blenden, Lochblenden oder sonstigen Abdeckungen häufig gekühlt werden, da die auftreffenden Elektronen eine Aufheizung dieser Blenden verursachten. Darüber hinaus kommt es zur Entstehung von zusätzlichen Spaltprodukten wie beispielsweise Ozon, welche abgesaugt und entsorgt werden müssen.
Die deutsche Patentanmeldung DE 3020809 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Elektronenaustrittsfensters eines Elektronenstrahlerzeugers, der eine die Elektronen an vielen Punkten emittierende Kathode, insbesondere Dünnfilmemissionskathode, aufweist. Das genannte Fenster wird mit dem genannten, eigenen Elektronenstrahlerzeuger und also mit der genannten, eigenen, punktuell emittierenden Kathode über Aperturlinsen durch Elektronenprojektionslithographie hergestellt.
Die US-Patentanmeldung US 2004/0251431 A1 beschreibt eine Elektronenstrahlröhre und ein Elektronenstrahlaustrittsfenster, die in der Lage sind, durch effektives Abführen der Hitze, die beim Hindurchtreten des Elektronenstrahls durch ein Fenster erzeugt wird, einen intensiven Ausgangselektronenstrahl zu erzeugen. Dabei wird ein Temperaturanstieg des Fensters kontrolliert und ein Brechen des Fensters verhindert. Die Elektronenstrahlröhre umfasst erste Stege, die auf einer ersten Seite des Fensters angebracht sind, und zweite Stege, welche auf einer zweiten Seite des Fensters an Stellen angeordnet sind, die den Flächen zwischen den ersten Stegen entsprechen, wobei eine Höhe der zweiten Stege, eine Breite der zweiten Stege und ein Abstand zwischen den benachbarten zweiten Stegen jeweils kleiner ist als bei den ersten Stegen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Elektronenstrahleinheit sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener Geometrie zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes mittels eines Elektronenstrahlers nach Anspruch 11 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Elektronenstrahleinheit zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes umfasst mindestens eine Heizkathode zur Erzeugung von Elektronen, eine Gitteranordnung mit einem oder mehreren Gitterelementen, die dazu vorgesehen sind, die Elektronen von der Heizkathode abzuziehen, zu verteilen und zu beschleunigen, sowie ein Elektronenaustrittsfenster, aus dem die Elektronen nach der Beschleunigung austreten. Mindestens ein Gitterelement umfasst einen elektronenundurchlässigen Außenbereich sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung, wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist, und wobei mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen.
Bei vielen Anwendungen ist es vorteilhaft, das von einer Elektronenstrahleinheit erzeugte flächige Bestrahlungsfeld auf einen tatsächlich benötigten Bereich einzuschränken. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, nur einen Teilbereich der zu bestrahlenden Produkte mit Elektronen zu bestrahlen, oder das Bestrahlungsfeld auf bestimmte Bereiche einer Bestrahlungsvorrichtung, beispielsweise auf eine Transportbahn der Produkte, zu beschränken. Die Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, Geometrie und Ausdehnung des Bestrahlungsfeldes durch entsprechende Gestaltung von mindestens einer elektronendurchlässigen Aussparung in einem oder mehreren der Gitterelemente beliebig vorzugeben. Mit Hilfe der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung wird das gewünschte Bestrahlungsfeld festgelegt, während Elektronen außerhalb des benötigten Bereichs durch den elektronenundurchlässigen Außenbereich abgefangen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird das gewünschte Bestrahlungsfeld auf der Ebene der Gitteranordnung ausgeblendet. Dort sind die Elektronen in der Regel bereits auf eine gewisse Energie vorbeschleunigt, die eigentliche Beschleunigung erfolgt jedoch meist zwischen der Gitteranordnung und dem Elektronenaustrittsfenster. Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die nicht benötigten Elektronen bereits auf Höhe der Gitteranordnung abgefangen, und nur die tatsächlich benötigten Elektronen werden nachbeschleunigt. Nur die tatsächlich benötigten Elektronen werden der starken Beschleunigung zwischen Gitteranordnung und Elektronenaustrittsfenster unterworfen, und daher wird die Verlustleistung bei der erfindungsgemäßen Elektronenstrahleinheit reduziert. Dadurch wird die Energieaufnahme der erfindungsgemäßen Elektronenstrahleinheit auf das notwendige Maß begrenzt.
Die erfindungsgemäße Elektronenstrahleinheit liefert ein Bestrahlungsfeld von gewünschter Geometrie. Dadurch wird es unnötig, das Bestrahlungsfeld außerhalb der Elektronenstrahleinheit durch Blenden, Lochblenden oder Abdeckungen zu begrenzen. Bei den Elektronenstrahlern des Stands der Technik kam es an derartigen Blenden oder Abdeckungen jeweils zur Entstehung von Röntgenstrahlung, und zum Schutz vor dieser Röntgenstrahlung waren zusätzliche aufwändige Abschirmungen erforderlich. Darüber hinaus mussten die Blenden, Lochblenden oder sonstigen Abdeckungen häufig gekühlt werden, da die auftreffenden Elektronen eine Aufheizung dieser Blenden verursachten. Darüber hinaus kam es zur Entstehung von zusätzlichen Spaltprodukten wie beispielsweise Ozon, welche abgesaugt und entsorgt werden mussten.
Indem das flächige Bestrahlungsfeld auf den tatsächlich benötigten Bereich begrenzt wird, werden diese außerhalb des Elektronenstrahlers angeordneten Blenden überflüssig, da die Strahlfeldbegrenzung bereits innerhalb des Elektronenstrahlers vorgenommen wird. Dadurch werden auch die Folgeprobleme durch die zusätzlich entstehende Röntgenstrahlung, die zusätzlich entstehenden Spaltprodukte sowie die Aufheizung der Blenden deutlich verringert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung dazu ausgelegt, aus den beschleunigten Elektronen ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener geometrischer Form auszublenden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Geometrie des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Geometrie der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronenstrahleinheit dazu ausgebildet, Gegenstände zu bestrahlen, die entlang einer Transportbahn an der Elektronenstrahleinheit vorbeigeführt werden, wobei die Form von mindestens einer der elektronendurchlässigen Aussparungen entsprechend der Transportbahn gewählt ist. Durch eine geeignete Gestaltung der mindestens einen Aussparung ist es möglich, das Bestrahlungsfeld an die Geometrie der Transportbahn und der dort transportieren Produkte anzupassen. Damit wird zum einen erreicht, dass die Produkte gleichmäßig bestrahlt werden, zum andern werden Probleme vermieden, die durch die Bestrahlung von Bereichen außerhalb der Transportbahn hervorgerufen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Auf diese Weise kann ein Bestrahlungsfeld erzeugt werden, das eine über das Bestrahlungsfeld hinweg variierende Intensität aufweist. Mit Hilfe derartiger Bestrahlungsfelder ist es möglich, an verschiedenen Bereichen eines Produkts eine unterschiedliche Bestrahlungsdosis aufzubringen. Dies kann beispielsweise bei der Bestrahlung von kompliziert geformten Formteilen sinnvoll sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eines der Gitterelemente eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. An den Bereichen, an denen die Elektronendurchlässigkeit hoch ist, kommt es zur Ausprägung einer hohen Bestrahlungsintensität, während sich für Bereiche mit niedriger Elektronendurchlässigkeit eine niedrige Bestrahlungsintensität ergibt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eines der Gitterelemente Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eines der Gitterelemente elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitterelement hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen. Es ist daher möglich, ein Gitter so auszulegen, dass den durch das Gitter hindurchtretenden Elektronen ein vorher festgelegtes Intensitätsprofil aufgeprägt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind innerhalb der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung jeweils Gitter angebracht. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Verlauf der zur Beschleunigung der Elektronen verwendeten elektrischen Felder.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eines der Gitter eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eines der Gitter Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eines der Gitter elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitter hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen. Während durch die Form der mindestens einen Aussparung die Form des Bestrahlungsfelds vorgegeben wird, kann das Intensitätsprofil des Bestrahlungsfelds durch die Gestaltung der in den Aussparungen angeordneten Gitter vorgegeben werden. Dadurch kann zum einen die Geometrie des Bestrahlungsfelds, zum anderen aber auch der Intensitätsverlauf innerhalb des Bestrahlungsfelds beliebig vorgegeben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronenstrahleinheit zur Bestrahlung von Formteilen ausgebildet, wobei das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches an eine Formgebung des Formteils angepasst ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches so gewählt ist, dass verschiedene unterschiedlich geformte und geneigte Oberflächen des Formteils im Wesentlichen homogen mit Elektronen beaufschlagt werden. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Bestrahlung pro Flächeneinheit ist beispielsweise für eine stärker geneigte Oberfläche eine höhere Bestrahlungsdosis erforderlich als für eine weniger stark geneigte Oberfläche.
Zur Erzielung eines gleichmäßigen Bestrahlungsergebnisses ist es daher vorteilhaft, das Intensitätsprofil des Bestrahlungsfeldes entsprechend der Oberflächenform des zu bestrahlenden Formteils zu wählen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Gitteranordnung ein primäres Gitterelement und ein sekundäres Gitterelement.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das primäre Gitterelement zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet, während das sekundäre Gitterelement nicht zur Strahlfeldbegrenzung ausgebildet ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das sekundäre Gitterelement zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet, während das primäre Gitterelement nicht zur Strahlfeldbegrenzung ausgebildet ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind sowohl das primäre Gitterelement als auch das sekundäre Gitterelement als Strahlfeldbegrenzungselemente ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich zu mindestens einem der Gitterelemente auch das Elektronenaustrittsfenster als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet und weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung auf. Beispielsweise kann die grobe Form des Bestrahlungsfeldes durch mindestens eines der Gitterelemente vorgegeben werden, während die scharfe Konturierung des Bestrahlungsfeldes und das exakte Ausblenden der gewünschten Strahlkontur mittels des Elektronenaustrittsfensters erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Aussparung des mindestens einen Gitterelements kleiner oder im Wesentlichen gleich groß wie die mindestens eine entsprechende Aussparung des Elektronenaustrittsfensters.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung herrscht innerhalb der Elektronenstrahleinheit ein Vakuum.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Elektronenstrahleinheit eine Spannungsquelle, die dazu ausgelegt ist, die Heizkathode, mindestens eines der Gitterelemente sowie das Elektronenaustrittsfenster auf vorbestimmte Potentiale zu legen, welche so gewählt sind, dass die Elektronen von der Heizkathode abgezogen, verteilt und durch die Gitterelemente hindurch zum Elektronenaustrittsfenster hin beschleunigt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spannungsquelle dazu ausgelegt, zwischen der Heizkathode und mindestens eines der Gitterelemente eine Gitterspannung anzulegen, welche dazu ausgelegt ist, die Elektronen von der Heizkathode abzuziehen und zu verteilen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Elektronenaustrittsfenster als Anode der Elektronenstrahleinheit ausgebildet, und dass die Spannungsquelle dazu ausgelegt ist, zwischen mindestens eines der Gitterelemente und das Elektronenaustrittsfenster eine Beschleunigungsspannung anzulegen, welche dazu ausgelegt ist, die Elektronen auf eine gewünschte Energie zu beschleunigen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Gitteranordnung ein primäres Gitterelement und ein sekundäres Gitterelement, welche sich im Wesentlichen auf demselben Potential befinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Elektronenstrahleinheit eine Strahlblende mit einer Öffnung, an die ein Strahlfinger angeformt ist, dessen Röhrenquerschnitt gleich oder etwas größer ist als die Öffnung der Strahlblende, wobei das der Strahlblende entgegengesetzte Ende des Strahlfingers als Elektronenaustrittsfenster ausgebildet ist. Ein derartiger Strahlfinger kann beispielsweise zum Sterilisieren von Behältnissen eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Gitterelemente als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet und weist eine Aussparung auf, die bezüglich Form und Größe im Wesentlichen mit der Öffnung der Strahlblende übereinstimmt. Mit Hilfe eines Gitterelements, das zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet ist, kann aus dem Strom von Elektronen eine Strahlgeometrie ausgeblendet werden, die optimal an die Strahlblende des Strahlfingers angepasst ist. Auf diese Weise kann der Strahlfinger optimal mit Elektronen beschickt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Querschnitt des Strahlfingers gleich oder etwas größer als die Öffnung der Strahlblende.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlblende als Anode des Elektronenbeschleunigers ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes mittels eines Elektronenstrahlers umfasst Erzeugen von Elektronen mittels mindestens einer Heizkathode, Abziehen der Elektronen von der Heizkathode und Verteilen der Elektronen mittels einer Gitteranordnung, die mindestens ein Gitterelement umfasst, sowie Beschleunigen der Elektronen zu einem Elektronenaustrittsfenster des Elektronenstrahlers hin. Des weiteren umfasst das Verfahren Begrenzen des Bestrahlungsfeldes mittels mindestens einem der Gitterelemente, welches einen elektronenundurchlässigen Außenbereich sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung aufweist, wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist, und wobei mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung dazu ausgelegt, aus den beschleunigten Elektronen ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener geometrischer Form auszublenden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Geometrie des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Geometrie der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben.
1 zeigt die Grundstruktur eines Elektronenstrahlers gemäß dem Stand der Technik;
2 veranschaulicht, wie eines oder mehrere der Gitterelemente zur Strahlfeldbegrenzung verwendet werden können;
3 zeigt, wie zusätzlich auch das Elektronenaustrittsfenster zur Strahlfeldbegrenzung eingesetzt werden kann;
4 zeigt ein Gitterelement von homogener Elektronendurchlässigkeit, das in eine Aussparung einsetzbar ist;
5 zeigt, wie durch Variation der Gitterabstände und der Dicke der Stege ein Gitter mit variierender Elektronendurchlässigkeit hergestellt werden kann;
6 zeigt ein Gitter mit variierender Elektronendurchlässigkeit sowie ein Formteil, das mit Hilfe dieses Gitters geeignet bestrahlt werden kann;
7 zeigt erfindungsgemäße Strahleneinheiten, mit denen Bestrahlungsfelder mit vorgegebenem Intensitätsprofil erzeugt werden können;
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektronenstrahler, bei dem die Form des Bestrahlungsfeldes an die Transportbahn angepasst ist; und
9 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein Strahlfinger mit Elektronen beschickt wird.
1 zeigt einen Elektronenstrahler zur Erzeugung eines flächigen Bestrahlungsfeldes. Die Erzeugung und Beschleunigung der Elektronen erfolgt dabei im Vakuum. Der Elektronenstrahler umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Heizkathoden 1, welche beispielsweise in Form von Kathodendrähten ausgebildet sein können. Der Elektronenstrahler umfasst ein primäres Gitterelement 2 sowie ein sekundäres Gitterelement 3. Die beiden Gitterelemente 2, 3 sind vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden und befinden sich insofern auf demselben elektrischen Potential. Die Gitterelemente 2, 3 sind dazu ausgelegt, die Elektronen von den Heizkathoden 1 abzuziehen, gleichmäßig zu verteilen und einer Vorbeschleunigung zu unterziehen. Zu diesem Zweck wird zwischen die Heizkathoden 1 einerseits und die Gitterelemente 2, 3 andererseits eine einstellbare Gitterspannung angelegt, die von einer Hochspannungsquelle 4 zur Verfügung gestellt wird. Diese Gitterspannung kann beispielsweise im Bereich von –30 V bis +300 V variiert werden. Wenn die beiden Gitterelemente 2, 3 im Vergleich zu den Heizkathoden 1 auf ein negatives Potential gelegt werden, dann kommt kein Elektronenfluss zustande. Werden die beiden Gitterelemente 2, 3 dagegen auf ein im Vergleich zu den Heizkathoden positives Potential gelegt, dann werden die ausgetretenen Elektronen von den Heizkathoden abgezogen, und so beschleunigt, dass sie durch das primäre Gitterelement 2 und das sekundäre Gitterelement 3 hindurch fliegen.
Das primäre Gitterelement 2 kann beispielsweise als vergleichsweise grobmaschiges Gitter ausgebildet sein, während das sekundäre Gitterelement als feinmaschiges Gitter ausgebildet ist. Beispielsweise können beim primären Gitterelement 2 die Durchbrüche ca. 5 mm² groß sein, während beim sekundären Gitterelement 3 die Durchbrüche ca. 0,5 mm² groß sind. Derartige Gitterelemente können beispielsweise durch Ätzen oder mittels Laserstrukturierung hergestellt werden.
Hauptsächlich erfolgt die Beschleunigung der Elektronen jedoch zwischen dem sekundären Gitterelement 3 und einem Elektronenaustrittsfenster 5. Das Elektronenaustrittsfenster 5 dient dazu, das Vakuum im Inneren des Elektronenstrahlers gegenüber dem normalen Luftdruck außerhalb des Elektronenstrahlers abzudichten, wobei die beschleunigten Elektronen durch das Elektronenaustrittsfenster hindurchtreten können. Typischerweise umfasst das Elektronenaustrittsfenster 5 eine Stützkonstruktion, beispielsweise eine Lochfeldplatte oder eine Lamellenkonstruktion, sowie eine an der Außenseite der Stützkonstruktion angebrachte dünne Metallfolie, durch die die beschleunigten Elektronen hindurchtreten können. Zur Verwendung als Elektronenaustrittsfenster eignet sich beispielsweise eine Titanfolie mit einer Dicke zwischen 6 und 20 μm.
Die eigentliche Beschleunigung erfahren die Elektronen erst nach dem sekundären Gitterelement 3. Die bereits vorbeschleunigten Elektronen werden beim Durchlaufen eines elektrischen Feldes zwischen dem sekundären Gitterelement 3 und dem Elektronenaustrittsfenster 5 stark beschleunigt. Beispielsweise kann zwischen den Gitterelementen 2, 3 und dem Elektronenaustrittsfenster 5 eine Beschleunigungsspannung angelegt werden, die beispielsweise zwischen 60 kV und 300 kV beträgt. Dabei kann das Elektronenaustrittsfenster 5 als Anode dienen, welche vorzugsweise geerdet wird. Die benötigte Beschleunigungsspannung kann ebenfalls von der Hochspannungsquelle 4 zur Verfügung gestellt werden. Die beschleunigten Elektronen treten durch das Elektronenaustrittsfenster 5 aus dem Elektronenstrahler aus. Auf diese Weise kann der Elektronenstrahler ein flächig ausgedehntes Bestrahlungsfeld von beschleunigten Elektronen zur Verfügung stellen.
In vielen Fällen wird nur ein Bruchteil des vom Elektronenstrahler zur Verfügung gestellten Strahlaustritts tatsächlich für die Bestrahlung von Flächen oder Produkten benötigt. Beispielsweise werden Produkte oft nur teilweise oder partiell an bestimmten Stellen bestrahlt. In diesen Fällen wird ein erheblicher Teil der vom Elektronenbeschleuniger zur Verfügung gestellten Bestrahlungsleistung nicht gebraucht und somit verschwendet. Die vom Elektronenstrahler zur Verfügung gestellte Menge an Elektronen wird nur zum Teil zur Bestrahlung eines Produkts verwendet. Die überschüssige Elektronenstrahlung führt beim Auftreffen auf Materie jedoch zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, die störend ist und zusätzlich abgeschirmt werden muss. Darüber hinaus werden durch die eigentlich nicht benötigte Elektronenstrahlung zusätzliche Spaltprodukte wie beispielsweise Ozon erzeugt, das abgesaugt und entsorgt werden muss. Grundsätzlich ist es zwar möglich, Bereiche, in denen keine Elektronenstrahlung gewünscht ist, mit Blenden oder Lochblenden abzudecken. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die dort auftretende Leistung zur Erwärmung der Blenden führt, welche gegebenenfalls gekühlt werden müssen.
Entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mindestens eines der Gitterelemente zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet, um auf diese Weise ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener Form und Ausdehnung zu erzeugen. Dies kann sinnvoll sein, um die Form des Bestrahlungsfeldes beispielsweise an die Geometrie der zu bestrahlenden (Teil-)Flächen oder Produkte, an eine Transportbahn der Produkte oder an vorgegebene bauliche Gegebenheiten der Bestrahlungsvorrichtung anzupassen.
In den 2A–2D sind verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie aus den beschleunigten Elektronen ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener Form und Ausdehnung ausgeblendet werden kann.
Bei der in 2A gezeigten Ausführungsform ist das primäre Gitterelement 200 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet, welches die Elektronen von den Heizkathoden 201 abzieht und verteilt. Das sekundäre Gitterelement 202 dagegen dient zur Strahlfeldbegrenzung und weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich 203, eine erste elektronendurchlässige Aussparung 204 von dreieckiger Form und eine zweite elektronendurchlässige Aussparung 205 von runder Form auf. Der elektronenundurchlässige Außenbereich 203 kann vorzugsweise aus Metall bestehen. Die elektronendurchlässigen Aussparungen 204, 205 sind vorzugsweise jeweils mit einem Gitter versehen, um einen homogenen elektrischen Feldverlauf zu gewährleisten. Elektronen, die von den Heizkathoden 201 abgezogen werden, werden durch das primäre Gitterelement 200 und das sekundäre Gitterelement 202 hindurch zu einem Elektronenaustrittsfenster 206 hin beschleunigt. Dabei wird durch den elektronenundurchlässigen Außenbereich 203 des sekundären Gitterelements 202 ein Teil der Elektronen ausgeblendet, so dass die Form der erzeugten Bestrahlungsfelder allein durch die Konturen der ersten elektronendurchlässigen Aussparung 204 und der zweiten elektronendurchlässigen Aussparung 205 festgelegt wird. Dementsprechend erhält man ein erstes Bestrahlungsfeld 207 von dreieckiger Form sowie ein zweites Bestrahlungsfeld 208 von runder Form. Da die Elektronen zunächst durch das durchgehend elektronendurchlässige primäre Gitterelement 200 gleichmäßig verteilt und anschließend durch die Aussparungen 204, 205 begrenzt werden, erhält man gleichmäßig bestrahlte und klar konturierte Bestrahlungsfelder 207, 208. Durch eine geeignete Gestaltung der elektronendurchlässigen Aussparungen kann ein Bestrahlungsfeld von beliebig vorgebbarer Form und Ausdehnung realisiert werden.
In 2B ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der sowohl das primäre Gitterelement 209 als auch das sekundäre Gitterelement 210 zur Strahlfeldbegrenzung dienen. Das primäre Gitterelement 209 weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich 211 sowie zwei elektronendurchlässige Aussparungen 212, 213 auf, wobei in den Aussparungen 212, 213 vorzugsweise Gitter angeordnet sind. Das sekundäre Gitterelement 210 weist ebenfalls einen elektronenundurchlässigen Außenbereich 214 sowie zwei Aussparungen 215, 216 auf, wobei die Aussparungen 215, 216 vorzugsweise gleich groß oder etwas größer gewählt sind als die entsprechenden Aussparungen 212, 213 des primären Gitterelements 209. Elektronen, die aus den Heizkathoden 217 ausgetreten sind, werden durch die beiden Gitterelemente 209 und 210 hindurch zum Elektronenaustrittsfenster 218 hin beschleunigt. Dabei wird der Strom von Elektronen durch die elektronendurchlässigen Aussparungen 212, 213 sowie 215, 216 dergestalt begrenzt, dass die Geometrie der erzeugten Bestrahlungsfelder 219, 220 der Geometrie der Aussparungen 212, 213, 215, 216 entspricht. Die dreieckige Form des Bestrahlungsfelds 219 entspricht der dreieckigen Form der Aussparungen 212, 215, und die runde Form des Bestrahlungsfelds 220 entspricht der runden Form der Aussparungen 213, 216. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung erhält man klar konturierte Bestrahlungsfelder von gleichmäßiger Strahlungsintensität.
In 2C ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der das primäre Gitterelement 221 zur Strahlfeldbegrenzung ausgebildet ist, während das sekundäre Gitterelement 222 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet ist. Das primäre Gitterelement 221 weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich 223 sowie zwei elektronendurchlässige Aussparungen 224, 225 auf. Die von den Heizkathoden 226 zur Verfügung gestellten Elektronen werden durch die Gitterelemente 221, 222 hindurch zum Elektronenaustrittsfenster 227 beschleunigt, und dabei wird dem Strom von Elektronen durch die beiden elektronendurchlässigen Aussparungen 224, 225 eine Strahlfeldbegrenzung aufgeprägt. Daher erzeugt der in 2C gezeigte Elektronenstrahler die beiden Bestrahlungsfelder 228, 229, deren Form durch die Aussparungen 224, 225 vorgegeben ist.
2D zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen umfasst der in 2D gezeigte Elektronenstrahler nur ein einziges Gitterelement 230, das zugleich zur Strahlfeldbegrenzung dient. Das Gitterelement 230 umfasst einen elektronenundurchlässigen Außenbereich 231 sowie zwei elektronendurchlässige Aussparungen 232, 233. Elektronen, die aus den Heizkathoden 234 austreten, werden durch das Gitterelement 230 hindurch in Richtung zum Elektronenaustrittsfenster 235 hin beschleunigt, wobei durch die Aussparungen 232, 233 die gewünschten Bestrahlungsfelder 236, 237 vorgegeben werden.
Bei den bisher anhand von 2A–2D beschriebenen Ausführungsformen wird die Strahlfeldbegrenzung mit Hilfe von mindestens einem der Gitterelemente erzielt, während das Elektronenaustrittsfenster als durchgehend elektronendurchlässiges Elektronenaustrittsfenster ausgebildet ist. In 3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der zusätzlich zu mindestens einem der Gitterelemente auch das Elektronenaustrittsfenster zur Strahlfeldbegrenzung herangezogen wird. Bei dem gezeigten Beispiel ist das primäre Gitterelement 300 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet. Das sekundäre Gitterelement 301 umfasst einen elektronenundurchlässigen Außenbereich 302 sowie zwei Aussparungen 303, 304, die aus dem von den Heizkathoden 305 erzeugten Strom von Elektronen die gewünschten Bestrahlungsfelder ausblenden. Anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen dient das Elektronenaustrittsfenster 306 ebenfalls zur Strahlfeldbegrenzung. Die elektronendurchlässige Metallfolie befindet sich lediglich in den elektronendurchlässigen Bereichen 307, 308, wohingegen der Außenbereich 309 elektronenundurchlässig ist. Insofern wird die Form der Bestrahlungsfelder 310, 311 sowohl durch die Aussparungen 303, 304 des sekundären Gitterelements 301 als auch durch die elektronendurchlässigen Bereiche 307, 308 des Elektronenaustrittsfensters 306 festgelegt. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist zu beachten, dass die Elektronen, die im Außenbereich 309 des Elektronenaustrittsfensters 306 auftreffen, bereits stark beschleunigt sind. Um zu vermeiden, dass die von den beschleunigten Elektronen verursachte Verlustleistung allzu groß wird, erscheint es daher sinnvoll, bereits auf Höhe der Gitterelemente eine Strahlfeldbegrenzung vorzunehmen.
Zur Erzielung eines homogenen Bestrahlungsfeldes werden in den Aussparungen der Gitterelemente Gitter angebracht, die eine homogene Elektronendurchlässigkeit aufweisen. In 4 ist ein derartiges Gitter 400 für eine runde Aussparung gezeigt, beispielsweise für die Aussparung 205 in 2A. Um eine konstante Elektronendurchlässigkeit zu erzielen, weist das Gitter 400 eine Vielzahl von Stegen 401 und Durchbrüchen 402 auf, die in gleichmäßigem Abstand über das Gitter 400 hinweg angeordnet sind. Mit Hilfe des Gitters 400 wird ein gleichmäßiger Verlauf des zur Beschleunigung der Elektronen verwendeten elektrischen Feldes erreicht. Mit Hilfe des Gitters 400 kann ein Elektronenbestrahlungsfeld von gleichmäßiger Elektronendichte erzeugt werden.
Alternativ dazu kann die Elektronendurchlässigkeit des Gitters über das Gitter hinweg variieren, um dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. In 5 ist eine Ausführungsform eines derartigen Gitters 500 gezeigt, bei dem die Elektronendurchlässigkeit über das Gitter hinweg variiert. Die horizontalen Stege 501A–501C sind in konstantem Abstand zueinander angeordnet und weisen eine gleichbleibende Dicke auf. Bei den vertikalen Stegen 502A–502F dagegen nehmen die Abstände zwischen den Stegen von links nach rechts zu, während sich die Dicke der Stege von links nach rechts verringert. Daher nimmt die Größe der Durchbrüche 503A–503F von links nach rechts zu, und dadurch ergibt sich für das Gitter 500 eine in Richtung von links nach rechts ansteigende Elektronendurchlässigkeit. Mittels des in 5 gezeigten Gitters 500 ist es möglich, einem Bestrahlungsfeld einen von links nach rechts ansteigenden Intensitätsgradienten aufzuprägen und auf diese Weise eine über das Bestrahlungsfeld hinweg variierende Elektronendichte zu erzielen. Ein Gitter der in 5 gezeigten Art kann beispielsweise unter Verwendung eines Ätzprozesses oder mittels eines Lasers hergestellt werden.
In 6A ist ein weiteres rundes Gitter 600 gezeigt, das in eine runde Aussparung eingesetzt werden kann. Das Gitter 600 umfasst strahlenförmig angeordnete Stege 601, die vom Mittelpunkt aus radial nach außen verlaufen, sowie eine Mehrzahl von kreisförmigen Stegen 602, die konzentrisch um den Mittelpunkt angeordnet sind. Dabei nimmt der Abstand zwischen benachbarten kreisförmigen Stegen 602 von innen nach außen zu, so dass sich eine über das Gitter 600 hinweg variierende Elektronendurchlässigkeit des Gitters 600 ergibt. Die Elektronendurchlässigkeit ist in der Mitte des Gitters 600 am geringsten und nimmt in Richtung zum Rand hin zu. Am Rand des Gitters 600 ist die Elektronendurchlässigkeit am höchsten. Durch das Gitter 600 wird einem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufgeprägt, bei dem die Elektronendichte im Zentrum am geringsten ist und in Richtung zum Rand hin gleichmäßig ansteigt.
Ein Bestrahlungsfeld mit einem derartigen Intensitätsprofil kann beispielsweise sinnvoll sein, um ein Formteil mit einer konvex gewölbten Oberfläche gleichmäßig mit Elektronen bestrahlen zu können. In 6B ist ein derartiges Formteil 603 gezeigt, das eine gewölbte Oberfläche aufweist. Im zentralen Bereich 604 ist die Neigung der Formteiloberfläche relativ gering, wohingegen die Oberfläche in den Randbereichen 605 stärker geneigt ist. Je stärker eine Fläche geneigt ist, desto höher ist die für eine gleichmäßige Bestrahlung der Formteiloberfläche erforderliche Bestrahlungsdosis. Um eine gleichmäßige Elektronenbestrahlung pro Flächeneinheit zu erzielen, ist daher im zentralen Bereich 604 nur eine relativ geringe Bestrahlungsdosis erforderlich, wohingegen in den stärker geneigten Randbereichen 605 eine höhere Bestrahlungsdosis erforderlich ist. Aus diesem Grund ist das durch das Gitter 600 verursachte Intensitätsprofil gut geeignet, eine gleichmäßige Bestrahlung der Oberfläche des Formteils 603 zu erzielen, denn durch das Gitter 600 wird eine hohe Bestrahlungsintensität in den Randbereichen 605 und eine geringere Bestrahlungsintensität im zentralen Bereich 604 bereitgestellt.
Auch für anders geformte Formteile kann ein geeignetes Intensitätsprofil bestimmt werden, um eine an die jeweiligen Neigungen der Formteiloberfläche angepasste Bestrahlungsdosis zur Verfügung zu stellen. Das gewünschte Intensitätsprofil kann dann mit Hilfe eines Gitters erzeugt werden, bei dem die Abstände zwischen benachbarten Stegen entsprechend dem gewünschten Intensitätsprofil variiert werden.
In den 7A und 7B sind zwei weitere Ausführungsformen gezeigt, bei denen einem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufgeprägt wird. Bei der in 7A gezeigten Ausführungsform ist das primäre Gitterelement 700 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgelegt, während das sekundäre Gitterelement 701 dazu ausgelegt ist, dem Strahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Hierzu umfasst das sekundäre Gitterelement 701 eine Aussparung 702, in der ein Gitter angeordnet ist, sowie weitere Durchbrüche 703, die um die Aussparung 702 herum so angeordnet sind, dass die Elektronendurchlässigkeit in Richtung radial nach außen kontinuierlich abfällt. Das Elektronenaustrittsfenster 704 ist als durchgehend elektronendurchlässiges Elektronenaustrittsfenster ausgebildet. Insofern wird den Elektronen, die von den Heizkathoden 705 abgezogen und in Richtung zum Elektronenaustrittsfenster 704 beschleunigt werden, lediglich durch das sekundäre Gitterelement 701 ein kontinuierlich verlaufendes Intensitätsprofil aufgeprägt. Auf diese Weise erhält man ein Bestrahlungsfeld 706 mit der gewünschten Intensitätsverteilung.
Bei der in 7B gezeigten Ausführungsform ist das primäre Gitterelement 707 wieder als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet. Das sekundäre Gitterelement 708 umfasst eine zentrale Aussparung 709, in der ein Gitter angeordnet ist, sowie eine Vielzahl von Durchbrüchen 710, die um die zentrale Aussparung 709 herum so angeordnet sind, dass sich eine nach außen hin stetig abfallende Elektronendurchlässigkeit ergibt. Im Unterschied zu der in 7A gezeigten Ausführungsform trägt bei der in 7B gezeigten Ausführungsform auch das Elektronenaustrittsfenster 711 dazu bei, dass dem Bestrahlungsfeld eine gewünschte Intensitätsverteilung aufgeprägt wird. Bei dem Elektronenaustrittsfenster 711 sind die zentrale Aussparung 712 und die ringsum angeordneten Durchbrüche 713 als elektronendurchlässige Bereiche ausgebildet, während der Außenbereich 714 elektronenundurchlässig ist. Wenn die Elektronen von den Heizkathoden 715 abgezogen und zum Elektronenaustrittsfenster 711 hin beschleunigt werden, dann erzeugt der in 7B gezeigte Elektronenstrahler ein Bestrahlungsfeld 716 mit einer nach außen hin kontinuierlich abfallenden Intensität. Alternativ zu den in 7A und 7B gezeigten Ausführungsformen wäre es auch denkbar, dass ausschließlich das Elektronenaustrittsfenster dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein gewünschtes Intensitätsprofil aufzuprägen, während die beiden Gitterelemente durchgehend elektronendurchlässig sind.
In 8A ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Geometrie eines Strahlungsfeldes an eine Transportbahn der zu bestrahlenden Produkte angepasst ist. Die Produkte werden in Pfeilrichtung entlang einer gestrichelt eingezeichneten Linie 800 transportiert, und es ist erwünscht, das Bestrahlungsfeld auf die Transportbahn zu beschränken. Zu diesem Zweck weist das sekundäre Gitterelement 801 eine Aussparung 802 auf, deren Form und Ausdehnung das gewünschte Bestrahlungsfeld 803 festlegt. Vorzugsweise ist innerhalb der Aussparung 802 ein Gitter mit homogener Elektronendurchlässigkeit angebracht. Das primäre Gitterelement 804 ist durchgehend elektronendurchlässig und dient nicht zur Strahlfeldbegrenzung, und das Elektronenaustrittsfenster 805 dient auch nicht zur Strahlfeldbegrenzung. Wenn die von den Heizkathoden 806 erzeugten Elektronen durch die Gitterelemente 804 und 801 hindurch zum Elektronenaustrittsfenster 805 beschleunigt werden, dann entsteht das Bestrahlungsfeld 803 in der gewünschten Form. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass Bereiche außerhalb der vorgesehenen Transportbahn 800 nicht in signifikantem Ausmaß mit Elektronen bestrahlt werden, was weitere Abschirmungen und Schutzmaßnahmen erforderlich machen würde.
Wie oben beschrieben, kann die Aussparung 802 mit einem Gitter versehen sein, das eine homogene Elektronendurchlässigkeit aufweist. Alternativ dazu kann die Aussparung 802 mit einem Gitter versehen sein, das eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit aufweist und dem Bestrahlungsfeld eine örtlich variierende Bestrahlungsintensität aufprägt. Ein derartiges Gitter 807 ist in 8B gezeigt. Am linken Ende 808 des Gitters 807 ist die Elektronendurchlässigkeit vergleichsweise gering und steigt dann zum rechten Ende 809 hin kontinuierlich an. Am rechten Ende 809 des Gitters 807 ist die Elektronendurchlässigkeit vergleichsweise hoch. Mit Hilfe des Gitters 807 lässt sich ein Bestrahlungsfeld erzeugen, dessen Intensität von links nach rechts zunimmt. Wenn die zu bestrahlenden Produkte die Transportbahn 800 in Pfeilrichtung durchlaufen, nimmt die Bestrahlungsintensität beim Durchlaufen des Bestrahlungsfeldes 803 kontinuierlich zu, und die Produkte sind einer kontinuierlich stärker werdenden Bestrahlung ausgesetzt. Mit Hilfe geeignet strukturierter Gitter lassen sich beliebig vorgebbare Bestrahlungsverläufe realisieren.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die erfindungsgemäße Strahlfeldbegrenzung dazu verwendet wird, einen Strahlfinger mit Elektronen zu beschicken. Derartige Strahlfinger können beispielsweise zur Sterilisierung von Behältnissen eingesetzt werden, insbesondere zur Sterilisierung von Behältnissen im Lebensmittelbereich oder im pharmazeutischen Bereich. Strahlfinger zur Elektronenbestrahlung werden insbesondere auch zur Sterilisierung von PET-Formlingen und PET-Vorformlingen zur Herstellung von PET-Flaschen eingesetzt.
Die in 9 gezeigte Elektronenstrahleinheit umfasst eine oder mehrere Heizkathoden 900, aus denen Elektronen austreten und durch die Gitterspannung in Richtung zum primären Gitterelement 901 und zum sekundären Gitterelement 902 hin beschleunigt werden. Bei dem primären Gitterelement 901 handelt es sich um ein Gitterelement von gleichmäßiger Elektronendurchlässigkeit. Das sekundäre Gitterelement 902 dagegen ist als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet. Das sekundäre Gitterelement 902 umfasst eine Aussparung 903 mit einem Gitter, die dazu ausgelegt ist, aus den vorbeschleunigten Elektronen einen Strahl von kreisrundem Querschnitt auszublenden. Nach dem Durchtritt durch die Aussparung 903 werden die Elektronen durch eine Beschleunigungsspannung, die beispielsweise zwischen 60 und 300 kV betragen kann, zur Lochanode 904 hin beschleunigt. Die Lochanode 904 umfasst eine kreisrunde Öffnung 905, die einen etwas größeren Durchmesser als die Aussparung 903 besitzt. An die kreisrunde Öffnung 905 ist ein zylindrischer Strahlfinger 906 angeformt. Die untere Öffnung des Strahlfingers 906 ist durch ein Elektronenaustrittsfenster 907 verschlossen, durch das die beschleunigten Elektronen hindurchtreten können. Die aus dem Strahlfinger 906 austretenden beschleunigten Elektronen können dann beispielsweise dazu eingesetzt werden, einen PET-Vorformling oder einen PET-Formling zu sterilisieren. Wenn der Strahlfinger zur Sterilisierung von PET-Formlingen eingesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn der Strahlfinger 906 einen Durchmesser von ca. 18 mm und eine Länge von ca. 400 mm aufweist.
Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform wird durch das sekundäre Gitterelement 902 eine Strahlfeldbegrenzung bewirkt. Durch diese Strahlfeldbegrenzung wird vermieden, dass ein nennenswerter Strom von stark beschleunigten Elektronen auf der Lochanode 904 auftrifft und so eine hohe Verlustleistung hervorruft.

Claims

Elektronenstrahleinheit zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes, welche aufweist – mindestens eine Heizkathode (201) zur Erzeugung von Elektronen, – eine Gitteranordnung mit einem oder mehreren Gitterelementen (200, 202), die dazu vorgesehen sind, die Elektronen von der Heizkathode (201) abzuziehen, zu verteilen und zu beschleunigen, – ein Elektronenaustrittsfenster (206), aus dem die Elektronen nach der Beschleunigung austreten, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Gitterelement (202) einen elektronenundurchlässigen Außenbereich (203) sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204, 205) aufweist, – wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204, 205) eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist, und – wobei mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen.
Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinheit dazu ausgebildet ist, Gegenstände zu bestrahlen, die entlang einer Transportbahn an der Elektronenstrahleinheit vorbeigeführt werden, wobei die Form von mindestens einer der elektronendurchlässigen Aussparungen entsprechend der Transportbahn gewählt ist.
Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: – mindestens eines der Gitterelemente weist eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitterelemente umfasst Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitterelemente umfasst elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitterelement hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen.
Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung jeweils Gitter angebracht sind.
Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: – mindestens eines der Gitter weist eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf; – mindestens eines der Gitter weist eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitter weist Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitter umfasst elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitter hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen.
Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinheit zur Bestrahlung von Formteilen ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches an eine Formgebung des Formteils angepasst ist.
Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches so gewählt ist, dass verschiedene unterschiedlich geformte und geneigte Oberflächen des Formteils im Wesentlichen homogen mit Elektronen beaufschlagt werden.
Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinheit eine Strahlblende mit einer Öffnung umfasst, an die ein Strahlfinger angeformt ist, dessen Röhrenquerschnitt gleich oder etwas größer ist als die Öffnung der Strahlblende, wobei das der Strahlblende entgegengesetzte Ende des Strahlfingers als Elektronenaustrittsfenster ausgebildet ist.
Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitterelemente als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet ist und eine Aussparung aufweist, die bezüglich Form und Größe im Wesentlichen mit der Öffnung der Strahlblende übereinstimmt.
Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes mittels eines Elektronenstrahlers, welches umfasst: – Erzeugen von Elektronen mittels mindestens einer Heizkathode (201), – Abziehen der Elektronen von der Heizkathode (201) und Verteilen der Elektronen mittels einer Gitteranordnung, die mindestens ein Gitterelement (200, 202) umfasst, – Beschleunigen der Elektronen zu einem Elektronenaustrittsfenster (206) des Elektronenstrahlers hin, – Begrenzen des Bestrahlungsfeldes mittels mindestens einem der Gitterelemente (200, 202), welches einen elektronenundurchlässigen Außenbereich (203) sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204, 205) aufweist, wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204, 205) eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist, und – wobei mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen.