DE102019134558B3

DE102019134558B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Beaufschlagen gasförmiger Medien mit beschleunigten Elektronen

Info

Publication number: DE102019134558B3
Application number: DE102019134558.8A
Authority: DE
Inventors: Gösta MATTAUSCH; André Weidauer; Ralf Blüthner; Jörg Kubusch; Frank-Holm Rögner; Volker Kirchhoff; Rainer Labitzke; Burkhard Zimmermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: CN114830283A; EP4078645A1; WO2021122404A1; US20230010204A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen mittels eines Elektronenstrahlerzeugers, welcher mindestens eine Kathode (107) zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (104; 304) aufweist, wobeia) die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster (104; 304) als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet wird, wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster (104; 304) eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses (101;301) des Elektronenstrahlerzeugers bildet, wobei die von der Kathode (107) emittierten Elektronen zur Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses (101; 301) beschleunigt werden;b) innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters (104; 304) ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder (112; 312) angeordnet wird, welcher einen ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) begrenzt;c) ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) geführt wirdundd) das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium durch den zweiten Hohlzylinder (112; 312) geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen gasförmiger Medien mit beschleunigten Elektronen, wodurch eine chemische Umwandlung des gasförmigen Mediums bzw. eine Gassynthese bewirkt wird. Unter einem gasförmigen Medium im Erfindungssinn sind Gase, Gasgemische, Dämpfe und Aerosole zu verstehen, die allesamt auch Feststoffpartikel enthalten können, wie dies beispielsweise bei Abgasen von Verbrennungsmotoren, Industrieanlagen oder Wärmekraftanlagen der Fall ist.
Elektronenstrahltechnologie wird seit etlichen Jahrzehnten im Industriemaßstab zur chemischen Materialmodifikation sowie zur Desinfektion bzw. Sterilisierung von Oberflächen eingesetzt. Die Behandlung von Produkten kann wirtschaftlich vorteilhaft bei atmosphärischem Druck erfolgen, wozu die Elektronen zunächst im Vakuum freigesetzt, anschließend beschleunigt und schließlich durch ein Strahlaustrittsfenster, zumeist eine dünne Metallfolie, in die Behandlungszone ausgekoppelt werden müssen. Zum Durchdringen großtechnisch einsetzbarer, genügend robuster Elektronenaustrittsfenster sowie auch zum Sichern einer ausreichenden Behandlungstiefe im Produkt sind typischerweise Beschleunigungsspannungen >100 kV erforderlich.
Verschiedene Verfahren und Strahlquellen sind für eine Randschichtbehandlung flacher Produkte, wie Platten und Bänder, wohletabliert, während das allseitige Behandeln von Formkörpern, Schüttgütern und Fluiden nach wie vor Probleme bereitet. So ist ein allseitiges gleichmäßiges Beaufschlagen gekrümmter Oberflächen mit Elektronen geometrisch problematisch aufgrund von Abschattungseffekten sowie lokal unterschiedlichen Projektionsverhältnissen. Die entlang der Wegstrecke örtlich variierende Energieübertragung bei Ausbreitung von Elektronen in einem absorbierenden Medium stellt eine weitere Quelle von Dosis-Inhomogenität dar, welche auch die Behandlung von Fluiden - gasförmigen und flüssigen Medien - beeinträchtigt.
Mit den bereits existierenden Quellensystemen, wie beispielsweise Axialstrahlern mit einer schnellen Ablenkeinheit oder Bandstrahlern mit einer langgestreckten Kathode, von denen beide Ausführungsformen mit einer geheizten thermionischen Kathode betrieben werden, ist eine allseitige Produktbehandlung von Formkörpern oder die Applizierung gleichmäßiger Energiedosen in strömende Fluide nur umständlich, unter Nutzung zusätzlicher Einrichtungen oder mit einem hohen apparativen und/oder technologischen Aufwand möglich. Elektronenstrahlquellen auf Basis thermionischer Emitter sind außerdem mechanisch kompliziert, schwierig zu skalieren und erfordern aufwändige Hochspannungsversorgungen und Hochvakuumsysteme. Bei einer Beschädigung des Strahlaustrittsfensters mit daraus resultierendem Zusammenbruch des Vakuums kommt es zur irreversiblen Schädigung des Kathodensystems und somit zu einem hohen Reparaturaufwand.
In DE 199 42 142 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der Schüttgut im mehrfachen freien Fall an einer Elektronenstrahleinrichtung vorbeigeführt und mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Aufgrund des Mehrfachdurchlaufs, verbunden mit einer zwischenzeitlichen Durchmischung des Schüttguts, ist die Wahrscheinlichkeit bei dieser Ausführungsform sehr hoch, dass die Partikel des Schüttgutes allseitig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Führte man statt des Schüttguts ein Fluid durch die Behandlungszone, ließe sich durch den Mehrfachdurchlauf ebenfalls eine Vergleichmäßigung der integral übertragenen Energiedosis erreichen. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses.
Eine andere Lösung ist in DE 10 2006 012 666 A1 angegeben, welche drei Axialstrahler mit zugehöriger Ablenksteuerung und drei ebenfalls zugehörige Elektronenaustrittsfenster umfasst. Die drei Elektronenaustrittsfenster sind derart angeordnet, dass sie einen dreieckigen Freiraum vollumfänglich umschließen. Wird ein Substrat durch diesen Freiraum geführt, kann dieses in einem Behandlungsdurchgang in seinem Querschnitt vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Der apparative Aufwand ist bei dieser Ausführungsform allerdings sehr hoch, wodurch diese Lösung auch sehr preisintensiv ist. Trotzdem wird die Dosisverteilung der Beaufschlagung mit beschleunigten Elektronen auf der Oberfläche des Substrates inhomogen ausfallen, sobald das Substrat keinen zu dem von den drei Elektronenaustrittsfenstern umschlossenen Freiraum kongruenten dreieckigen Querschnitt aufweist. Eine gleichmäßige Dosisübertragung in das Volumen von Fluiden ist aufgrund der über den Querschnitt der Behandlungszone stark unterschiedlichen Abstände zu den Elektronenaustrittsfenstern im Einfachdurchlauf ausgeschlossen.
Zur Lösung dieses Problems wurde in WO 01/97954 A2 vorgeschlagen, eine Vielzahl von planaren Elektronenstrahlgeneratoren entlang einer Seite und symmetrisch gegenüberliegend auf der anderen Seite einer rechteckigen Behandlungskammer anzuordnen. Diese Superposition verbessert die Dosis-Homogenität im Volumen, allerdings wiederum um den Preis hohen apparativen Aufwandes. Fluide werden zudem meist in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt geführt. Der Übergang zum rechteckigen Querschnitt der Behandlungskammer ist mit der Bildung von Wirbeln verbunden, die einerseits den Strömungswiderstand erhöhen und andererseits die Dosishomogenität aufgrund lokal variierender Strömungsgeschwindigkeit oder stationärer Wirbelstrukturen verursachen.
Eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen ist in DE 10 2013 111 650 B3 und DE 10 2017 104 509 A1 offenbart, bei welcher alle wesentlichen Komponenten, wie beispielsweise Kathode, Anode und Elektronenaustrittsfenster, ringförmig ausgebildet sind, so dass mittels einer solchen Vorrichtung ein ringförmiger Elektronenstrahl ausgebildet werden kann, bei welchem sich die beschleunigten Elektronen zum Ringinneren hin bewegen. Mittels einer solchen Vorrichtung können beispielsweise strangförmige Substrate, die durch die Ringöffnung der Vorrichtung hindurchbewegt werden, bezüglich des Substratquerschnittes vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Eine aus DE 10 2013 111 650 B3 und DE 10 2017 104 509 A1 bekannte Vorrichtung weist üblicherweise eine kreisrunde Ringform auf, kann jedoch auch mit einer beliebig anderen Ringform ausgebildet werden. Mittels einer solchen ringförmigen Vorrichtung können nicht nur stabförmige Substrate mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden, sondern zum Beispiel auch Schüttgut, welches beispielsweise im freien Fall durch die Ringöffnung geführt wird oder Gase, welche durch die Ringöffnung strömen. Eine solche Vorrichtung ist jedoch nicht geeignet, heiße Gase, wie zum Beispiel Abgase von Verbrennungsmotoren oder chemische Synthesegase, zu behandeln, weil das Elektronenaustrittsfenster, welches beim Strömen eines heißen Gases durch die Ringöffnung hindurch mit dem heißen Gas in Kontakt gelangt, der dabei auftretenden thermischen oder korrosiven Belastung nicht standhält.
In US 4 782 267 A sind ebenfalls Vorrichtungen mit ringförmiger Kathode beschrieben, bei welchen Sekundärelektronen einen ringförmigen Elektronenstrahl ausbilden, der zur Ringachse der ringförmigen Kathode hin ausgerichtet ist. Nachteilig hierbei ist einerseits, dass keine großen Gasmengen durch das Ringinnere der ringförmigen Kathode geführt werden können, weil im Ringinneren Vakuumbedingungen aufrechterhalten werden müssen und andererseits ist auch eine solche Vorrichtung ungeeignet dafür, heiße Gase mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagen, weil dadurch Beschädigungen an Vorrichtungsbestandteilen verursacht werden können.
Aus J.M. Connelly et al., Application of radio-frequency electron gun to waste treatment, Radiation Physics and Chemistry, 2019, Ref.: 108440, ist schließlich eine sternförmige Elektronenstrahlquelle bekannt, bei welcher mehrere hochenergetische Axialstrahler derart gleichmäßig um ein zu behandelndes flüssiges oder gasförmiges Medium herum angeordnet werden, dass sich die Strahlrichtung aller Axialstrahler in einem Punkt kreuzt. Mittels einer solchen Vorrichtung können auch Gase behandelt werden, wobei die Temperatur der Gase nach oben hin begrenzt ist, weil die Elektronenaustrittsfenster der Axialstrahler den zu behandelnden Gasen direkt ausgesetzt sind. Des Weiteren erfordert eine solche Vorrichtung die Peripherie zum Ansteuern und Betreiben von mindestens fünf Elektronenstrahlern und somit einen hohen technischen Aufwand. Dieser wird weiter gesteigert durch das Erfordernis, zur Durchdringung und gleichmäßigen Beaufschlagung großer Querschnitte mit hoher Elektronenenergie zu arbeiten, was insbesondere auch den Aufwand zur Abschirmung der als unabwendbarer Störeffekt erzeugten Röntgenstrahlung hochtreibt.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen und chemischen Umwandeln gasförmiger Medien unter Zuhilfenahme beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich sein, auch heiße gasförmige Medien, wie zum Beispiel Abgase von Verbrennungsmotoren oder chemische Synthesegase mit geringem technischen Aufwand mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagen und chemisch umzuwandeln.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen der Patenansprüche 1 und 17. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann zunächst einmal alle Merkmale einer ringförmigen Elektronenstrahlquelle aufweisen, wie sie aus DE 10 2013 11 650 B3 und DE 10 2013 113 668 B3 bekannt sind. Somit umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beaufschlagen von (gegebenenfalls mit Feststoffpartikeln belasteten) Gasen, Gasgemischen, Dämpfen und Aerosolen (welche unter dem Begriff „gasförmige Medien“ zusammengefasst sind) mit beschleunigten Elektronen mindestens einen Elektronenstrahlerzeuger, welcher mindestens eine Kathode zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster aufweist, wobei die mindestens eine Kathode ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet sind. Dabei bildet das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses des Elektronenstrahlerzeugers, wobei die von der Kathode emittierten Elektronen zur Ringachse des ringförmigen Gehäuses beschleunigbar sind. Erfindungsgemäß ist innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder angeordnet, welcher einen ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder begrenzt. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung strömt ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder und das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium strömt durch den zweiten Hohlzylinder. Infolge des Kühlgasflusses durch den ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder können eine Überhitzung und eine Kontamination des Elektronenaustrittsfensters mit Kondensaten und Feststoffpartikeln und seine daraus resultierende Zerstörung vermieden werden, so dass auch partikelbelastete heiße gasförmige Medien mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelt werden können.
An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass der Begriff „ringförmig“ im Erfindungssinn bei allen nachfolgend beschriebenen ringförmigen Vorrichtungen und Bauelementen nicht nur auf einen Ring in Kreisform begrenzt ist. Der Querschnitt ringförmiger Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwar bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kreisförmig ausgebildet, kann aber im weitesten Erfindungssinn auch jede andere geometrische Form aufweisen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen und das dadurch bewirkte chemische Umwandeln des gasförmigen Mediums wird ein Elektronenstrahlerzeuger verwendet, welcher mindestens eine Kathode zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster aufweist. Dabei wird die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet, wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses des Elektronenstrahlerzeugers bildet und wobei die von der Kathode emittierten Elektronen zur Ringachse des ringförmigen Gehäuses beschleunigt werden. Des Weiteren wird innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder angeordnet, welcher einen ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder begrenzt. Weiterhin wird ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder geführt und das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende Gas oder Gasgemisch durch den zweiten Hohlzylinder geführt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:

1 eine schematische und perspektivische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die ringförmigen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1;
3 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Elektronenreflektor;
6 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem alternativen, aerodynamisch geformten Elektronenreflektor sowie Vorrichtungen zur Injektion chemischer Agenzien in den Fluidstrom und zum Realisieren einer zusätzlichen Gasentladung;
7 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit alternativen Einrichtungen zur Injektion chemischer Agenzien in den Gasstrom eines mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagenden gasförmigen Mediums und zum Realisieren einer zusätzlichen Gasentladung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung seien an dieser Stelle noch die Begriffe „Ringzylinder“ und „Ringscheibe“ in Bezug auf einen ringförmigen Gegenstand definiert. Wird der Innenradius eines kreisförmigen Ringes von seinem Außenradius subtrahiert, dann ergibt sich ein Maß. Ist dieses Maß kleiner als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringzylinder ausgebildet. Ist dieses Maß hingegen größer als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringscheibe ausgebildet.
In 1 und 2 ist ein und dieselbe erfindungsgemäße Vorrichtung 100 schematisch dargestellt, in 1 als perspektivische Schnittdarstellung und in 2 als Draufsicht auf die ringförmigen Elemente. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zunächst ein ringförmiges Gehäuse 101, welches zumindest in einem Bereich einen evakuierbaren Raum 102 begrenzt, der in die evakuierbaren Räume 102a und 102b unterteilt ist. Dieser evakuierbare Raum 102 ist aufgrund der Gehäuseform ebenfalls ringförmig ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel von 1 und 2 ist das Gehäuse 101 als radialsymmetrischer Ring ausgebildet, welcher eine Ringachse 103 aufweist. Alle nachfolgend beschriebenen, zu Vorrichtung 100 zugehörigen und als ringförmig bezeichneten Bauelemente sind ebenfalls als radialsymmetrische Ringe ausgebildet und weisen ein und dieselbe Ringachse 103 auf. An der Ringinnenseite des Gehäuses 101 ist das Gehäuse 101 als Elektronenaustrittsfenster 104 in Form eines ersten Hohlzylinders ausgebildet, d. h. in Austrittsrichtung der Elektronen betrachtet weist das Elektronenaustrittsfenster 104 eine Oberflächensenkrechte auf, die zum Ringinneren und bei einem kreisförmigen Hohlzylinder wie beim Elektronenaustrittsfenster 104 zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Durch mindestens einen in 1 nicht dargestellten Einlass im Gehäuse 101 wird ein Arbeitsgas in den evakuierbaren Raum 102 eingelassen und mittels mindestens einer in 1 ebenfalls nicht dargestellten Pumpeinrichtung ein Vakuum im evakuierbaren Raum 102 im Bereich von 0,1 Pa bis 20 Pa und bevorzugt im Bereich von 1 Pa bis 3 Pa aufrechterhalten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode auf, zwischen denen mittels einer ersten anlegbaren elektrischen Spannung, die von einer ersten Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, ein Glimmentladungsplasma im evakuierbaren Raum 102a erzeugbar ist. Im Ausführungsbeispiel wurden zwei als Ringscheibensegmente geformte Wandungsbereiche des Gehäuses 101 als erste Kathoden 105a und 105b ausgebildet, die den Raum 102a gegenüberliegend begrenzen. Bei der Vorrichtung 100 weisen somit das Gehäuse 101 und die ersten Kathoden 105a, 105b das gleiche elektrische Potenzial auf, welches gleichzeitig das elektrische Massepotenzial der Vorrichtung 100 ist.
Die erste Anode einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Anzahl drahtförmiger Elektroden, die sich durch den Raum 102a hindurch erstrecken und bei einem Gehäuse in Form eines kreisförmigen Rings, wie Gehäuse 101, vorzugsweise auf einem identischen Radius und mit gleichem Abstand zueinander um die Achse 103 herum angeordnet sind. Dabei werden die drahtförmigen Elektroden 111, die ein leicht positives Spannungspotenzial in einem Bereich von +0,25 kV bis +5,0 kV gegenüber dem Gehäuse 101 aufweisen können, elektrisch isoliert durch das Gehäuse 101 und die ersten Kathoden 105a, 105b hindurchgeführt. Aufgrund der zwischen den drahtförmigen Elektroden 111 und den ersten Kathoden 105a und 105b angelegten elektrischen Spannung wird ein Plasma im Raum 102a ausgebildet. Der Raum 102a wird deshalb nachfolgend auch als Plasma-Raum 102a bezeichnet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst des Weiteren mindestens eine zweite Kathode und mindestens eine zweite Anode, zwischen denen mittels einer zweiten Stromversorgungseinrichtung eine zweite elektrische Spannung geschaltet ist. Bei Vorrichtung 100 ist eine Kathode 107 als zweite Kathode und eine gitterförmige Anode 108 als zweite Anode ausgebildet. Sowohl Kathode 107 und Anode 108 sind ringförmig ausgebildet.
Die zweite Kathode stellt bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kathode zum Emittieren von Sekundärelektronen dar, welche anschließend beschleunigt werden, und weist hierfür ein elektrisches Hochspannungspotenzial, bevorzugt im Bereich von -80 kV bis -300 kV, auf. Mittels eines Isolators 109 ist die zweite Kathode 107 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 101 isoliert.
Bei der in 1 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung weisen die zweite Anode 108 und die ersten Kathoden 105a, 105b das gleiche elektrische Potenzial auf, welches als elektrisches Massepotenzial ausgebildet ist. Alternativ können die zweite Anode und die erste Kathode auch unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen.
Aus dem Plasma 106 im Raum 102a werden durch das Anlegen eines Hochspannungspotenzials im Bereich von -80 kV bis -300 kV Ionen durch die gitterförmige zweite Anode 108 in Richtung der zweiten Kathode 107 beschleunigt. Dort treffen die Ionen auf einen Oberflächenbereich 110 der zweiten Kathode 107, dessen Oberflächensenkrechte zum Ringinneren des Gehäuses, zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Beim Auftreffen der Ionen auf den Oberflächenbereich 110 haben die Ionen somit eine Potenzialdifferenz durchfallen, die weitgehend der Beschleunigungsspannung der Vorrichtung 100 entspricht. Bei ihrem Auftreffen wird die Energie der Ionen in einer sehr dünnen Randschicht der Kathode 107 im Oberflächenbereich 110 frei, was zur Auslösung von Sekundärelektronen führt. Bei den zuvor genannten elektrischen Spannungen an der zweiten Kathode 107 ist das Verhältnis zwischen ausgelösten Elektronen und auftreffenden Ionen in der Größenordnung 10 angesiedelt, was diese Art des Erzeugens beschleunigter Elektronen sehr effizient macht. Die entstandenen Sekundärelektronen werden vom anliegenden elektrischen Feld stark beschleunigt und durchfliegen die in Form eines Ringzylinders ausgebildete gitterförmige Anode 108 und das Plasma 106 im Raum 102a. Nach dem Durchqueren des Elektronenaustrittsfensters 104, das beispielsweise als dünne Metallfolie ausgeführt sein kann, dringen die Elektronen in den vom ringförmigen Gehäuse 101 umschlossenen Freiraum vor, in dem ein höherer Druck als im Raum 102 herrschen kann. Als Material für das Elektronenaustrittsfenster 104 können alle aus dem Stand der Technik für ein Elektronenaustrittsfenster bekannten Materialien, wie beispielsweise Titan, verwendet werden. Außerdem ist es zum Zwecke einer höheren mechanischen Stabilität des Elektronenaustrittsfensters 104 vorteilhaft, dieses mit einem Stützgitter zu versehen, wie es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Aufgrund der Ringform zuvor genannter Bauteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit dieser ein Vorhang beschleunigter Elektronen in Form eines Ringes erzeugt, wobei die Bewegungsrichtung der beschleunigten Elektronen auf den vom Gehäusering eingeschlossenen Freiraum ausgerichtet ist. Bei einer radialsymmetrischen erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie Vorrichtung 100, ist die Bewegungsrichtung der beschleunigten Elektronen vorzugsweise auf die Ringachse 103 ausgerichtet.
Der Vollständigkeit halber sein an dieser Stelle erwähnt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Kühlen der Vorrichtung aufweist, wie es auch bei Vorrichtungen zum Erzeugen beschleunigter Elektronen aus dem Stand der Technik bekannt ist. So kann diese Einrichtung zum Kühlen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise Kühlkanäle umfassen, die sich innerhalb des Isolators 109 erstrecken und durch die ein Kühlmedium strömt.
Die zweite Anode 108, welche bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt als gitterförmiger Ringzylinder ausgebildet ist und welche die räumliche Grenze zwischen den evakuierbaren Räumen 102a und 102b darstellt, erfüllt drei wesentliche Aufgaben. Zum einen bewirkt sie aufgrund ihrer Spannungsdifferenz gegenüber der zweiten Kathode 107 eine Beschleunigung der aus dem Plasma extrahierten Ionen in Richtung der zweiten Kathode. Zum anderen bewirkt sie auch eine Beschleunigung der durch den lonenbeschuss erzeugten Sekundärelektronen in Richtung des Elektronenaustrittsfensters 104. Aufgrund des Sachverhaltes, dass die Gitterstruktur der zweiten Anode 108 parallel zur Sekundärelektronen emittierenden Oberfläche 110 der zweiten Kathode 107 ausgebildet ist, wird ein elektrisches Feld derart ausgebildet, dass auch die Bahnen der beschleunigten Sekundärelektronen weitgehend parallel verlaufen. Des Weiteren schirmt die zweite Anode 108 das Plasma vom Spannungspotenzial der zweiten Kathode 107 ab, verhindert dadurch das Abdriften zu vieler Ionen in Richtung zweiter Kathode 107 und trägt somit zum Aufrechterhalten des Plasmas 106 im Raum 102a bei.
Erfindungsgemäß ist im Inneren des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters 104 ein zweiter Hohlzylinder 112 angeordnet, wobei der zweite Hohlzylinder 112 einen kleineren Durchmesser aufweist als das ringförmige Elektronenaustrittsfenster 104, so dass der zweite Hohlzylinder 112 einen ringförmigen Raum 113 zwischen dem zweiten Hohlzylinder 112 und dem als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfenster 104 begrenzt.
Der zweite Hohlzylinder 112 begrenzt im Inneren des Hohlzylinders 112 einen Freiraum 114. Durch den vom zweiten Hohlzylinder 112 eingeschlossenen Freiraum 114 strömt ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes gasförmiges Medium, welches auch Feststoffpartikel aufweisen kann, wie es beispielsweise bei Abgasen von Verbrennungsmotoren der Fall ist.
Das Elektronenaustrittsfenster eines Elektronenstrahlerzeugers erhält allein schon durch das Bombardement mit geladenen Teilchen im Inneren des Elektronenstrahlerzeugers einen Wärmeeintrag. Wird dann zusätzlich auch noch ein heißes Gas mit einem zuvor beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger 100 behandelt, welches durch den vom zweiten Hohlzylinder 112 begrenzten Freiraum 114 strömt, erfährt das Elektronenaustrittsfenster 104 eine zusätzliche Wärmebelastung, was zur Beschädigung des Elektronenaustrittsfensters 104 führen kann. Erfindungsgemäß strömt deshalb ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum 113, welches Wärmeenergie abführt und das Elektronenaustrittsfenster 104 somit vor einer thermisch bedingten Beschädigung schützt.
Bei einer Ausführungsform weist die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 eine Vielzahl von Öffnungen auf. Durch die Öffnungen hindurch können die beschleunigten Elektronen ungehindert in den Behandlungsraum vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 eindringen. So kann die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 beispielsweise eine Gitterstruktur aufweisen oder aus einer Gaze bestehen. Die Gitterstruktur oder die Gaze des zweiten Hohlzylinders 112 kann zum Beispiel aus einem temperaturbeständigem Material mit einem Schmelzpunkt größer 1.250 °C bestehen. Mittels einer derart ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch heiße gasförmige Medien behandelt werden.
Ein solches temperaturbeständiges Material kann beispielsweise aus mindestens einem Metall oder einer Metallverbindung wie zum Beispiel Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid oder aus einem Edelstahl oder einem Refraktärmetall bestehen. Der zweite Hohlzylinder kann durchgängig aus einem Material bestehen oder alternativ einen Basiskörper zum Beispiel aus einem Metall oder einer Metallverbindung umfassen, auf dessen Innenwandung mindestens eine Schicht aus einem temperaturbeständigen Material mit einem Schmelzpunkt größer 1.250 °C abgeschieden ist.
Mit einem solchen zweiten Hohlzylinder können auch gasförmige Medien mit einer hohen Temperatur, wie zum Beispiel Abgase von Verbrennungsmotoren oder chemische Synthesegase, mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt und chemisch umgewandelt werden.
Weist die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 eine Vielzahl von Öffnungen auf, ist es vorteilhaft, wenn das durch den Freiraum 114 innerhalb des zweiten Hohlzylinder 112 strömende, zu behandelnde gasförmige Medium und das durch den ringförmigen Raum 113 strömende Gas jeweils die gleiche Strömungsrichtung aufweisen. Weisen beide Gasströme entgegengesetzte Strömungsrichtungen auf, könnte das zu stärkeren Verwirbelungen der beiden Gasströme an den Öffnungen der Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 führen, was einen Hitzestau aufgrund schlechterer Gasströmung mit sich bringen kann. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn innerhalb des ringförmigen Raumes 113 die gleichen Druckverhältnisse eingestellt werden, wie innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112, damit es an den Öffnungen der Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 zu keiner Vermischung der beiden Gasströme oder Partikeleintrag in den ringförmigen Raum 113 kommt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher einen ersten Regelkreis aufweisen, mit welchem der Druck innerhalb des ringförmigen Raumes 113 eingestellt werden kann. Ein solcher erster Regelkreis kann zum Beispiel einen ersten Sensor zum Erfassen eines ersten Istwertes für den Druck innerhalb des Hohlzylinders 112, einen zweiten Sensor zum Erfassen eines zweiten Istwertes für den Druck innerhalb des ringförmigen Raumes 113, eine Auswerteeinrichtung und ein Gebläse oder eine Pumpeneinrichtung zum Erzeugen des Kühlgasstromes durch den ringförmigen Raum 113 umfassen. Hierbei wird mittels der Auswerteeinrichtung der erste Istwert mit dem zweiten Istwert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis zum Beispiel die elektrische Leistung des Gebläses bzw. der Pumpeneinrichtung zum Erzeugen des Kühlgasstromes eingestellt. Wird von der Auswerteeinrichtung ein zu geringer Druck im ringförmigen Raum 113 ermittelt, so kann zum Beispiel die elektrische Leistung des Gebläses bzw. der Pumpeneinrichtung erhöht werden, bis der Druck im ringförmigen Raum 113 genau so groß ist, wie der Druck innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112. Umgekehrt kann die elektrische Leistung des Gebläses bzw. der Pumpeneinrichtung verringert werden, wenn die Auswerteeinrichtung im ringförmigen Raum 113 einen höheren Druck ermittelt als im Inneren des zweiten Hohlzylinders 112.
Mittels eines solchen ersten Regelkreises kann alternativ auch der Druck innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 an den Druck im ringförmigen Raum 113 angepasst werden, wenn der Regelkreis Mittel zum Einstellen des Drucks innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 umfasst, wie zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpeneinrichtung, mittels denen der Gasstrom des zu behandelnden Gases oder Gasgemischs durch den zweiten Hohlzylinder erzeugt wird, und dieses Gebläse bzw. diese Pumpeneinrichtung in Abhängigkeit von den ermittelten Werten für den Druck im ringförmigen Raum 113 und innerhalb des zweiten Hohlzylinders angesteuert wird.
Zuvor wurde beschrieben, dass mittels des ersten Regelkreises die Drücke im ringförmigen Raum 113 und innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 identisch eingestellt werden. Mittels eines solchen ersten Regelkreises ist es aber auch möglich, den Druck innerhalb des ringförmigen Raumes 113 geringfügig höher einzustellen als den innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 vorherrschenden Druck, so dass das Kühlgas in geringen Mengen in den Freiraum 114 innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 übertritt. Bei einer solchen Vorgehensweise wird auf jeden Fall vermieden, dass das den zweiten Hohlzylinder durchströmende, gegebenenfalls heiße und partikelbeladene gasförmige Medium in den ringförmigen Raum 113 gelangt und dadurch das Elektronenaustrittsfenster 104 zusätzlich thermisch belastet oder kontaminiert.
Ein Schutz des Elektronenaustrittsfensters 104 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor Überhitzung und ein zuverlässiger Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, vor allem aber die Einstellung einer an hydrodynamische und thermodynamische Kenngrößen des gasförmigen Mediums angepassten lokalen Leistungsdichteverteilung, d.h., die an einem gegebenen Ort pro Zeit- und Volumeneinheit von den Elektronen auf die Gasteilchen übertragenen Energiemenge, können zusätzlich oder alternativ mittels eines zweiten Regelkreises gewährleistet werden. Dazu wird die zwischen der zweiten Kathode 107 und der zweiten Anode 108 anliegende Beschleunigungsspannung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Temperatur des den zweiten Hohlzylinder 112 durchströmenden gasförmigen Mediums sowie des darin vorherrschenden Drucks und Strömungsprofiles eingestellt. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Elektronenreichweite im relevanten Energiebereich (< 1 MeV) annähernd quadratisch von der Beschleunigungsspannung und umgekehrt proportional von der Massendichte des energieabsorbierenden Mediums abhängt. Die Zusammensetzung, speziell die dazu korrelierende mittlere Masse der Gasteilchen, der Druck und die Temperatur des im zweiten Hohlzylinder 112 strömenden gasförmigen Mediums bestimmen dessen effektive Massendichte. Je höher die mittlere Teilchenmasse und der Druck und je geringer die Temperatur des gasförmigen Mediums sind, umso höher ist dessen Massendichte und umso höher ist auch die erforderliche Beschleunigungsspannung. Für die Festlegung einer förderlichen Beschleunigungsspannung ist weiterhin das Strömungsprofil, d.h., die radiale Geschwindigkeitsverteilung der Gasteilchen relevant. Diese ist an der inneren Wandung des zweiten Hohlzylinders 112 minimal und im Zentrum des Freiraums 114 maximal. Zur Sicherung einer möglichst gleichmäßig auf die Gasteilchen übertragenen Energiedosis muss die Beschleunigungsspannung also so hoch eingestellt werden, dass die resultierende Elektronenreichweite und Elektronenstreuung zu einer im Zentrum des Freiraums 114 maximalen, radial nach außen hin abfallenden Leistungsdichteverteilung führt. Eine Obergrenze für die Beschleunigungsspannung ist dadurch gesetzt, dass die Elektronenreichweite nicht größer als der Durchmesser des zweiten Hohlzylinders 112 gewählt werden darf, um eine thermische Belastung der diametral gegenüberliegenden Bereiche des Elektronenaustrittsfensters 104 zu vermeiden. Soll im weiteren Prozessverlauf das für einen Arbeitspunkt (charakterisiert durch dabei vorherrschende Gaszusammensetzung respektive mittlere Teilchenmasse m, Druck p, Temperatur T und Gasdurchsatz D) durch Wahl einer förderlichen Beschleunigungsspannung eingerichtete Leistungsdichteprofil aufrechterhalten werden, muss die Beschleunigungsspannung in Abhängigkeit von den geänderten Zustandsgrößen des gasförmigen Mediums nachgeregelt werden. Bei einer Ausführungsform dieses zweiten Regelkreises werden daher mittels entsprechender Sensoren fortlaufend, aber jeweils zu einheitlichen Zeitpunkten Istwerte für die Gaszusammensetzung, den Druck, die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit im Freiraum 114 erfasst und in einer Auswerteeinrichtung verarbeitet. Höhere Gasdurchsätze bewirken allgemein ein Anwachsen des Verhältnisses zwischen minimaler und maximaler Strömungsgeschwindigkeit, was tendenziell mit einer Erhöhung der Beschleunigungsspannung ausgeglichen werden kann. Aus der Gaszusammensetzung kann die mittlere Teilchenmasse m bestimmt, die dann mit dem Quotienten aus Druck-Istwert p und Temperatur-Istwert T multipliziert wird. Fällt dieses Produkt im Laufe der Zeit, wird auch die Beschleunigungsspannung U_B nach einem vordefinierten funktionalen Zusammenhang U_B = U_B (m, p, T, D) verringert, und umgekehrt wird die Beschleunigungsspannung nach demselben funktionalen Zusammenhang erhöht, wenn sich das Produkt mit fortschreitender Zeit erhöht. Vereinfachte Ausführungsformen dieses zweiten Regelkreises ergeben sich, wenn eine oder mehrere der Zustandsgrößen (m, p, T, D) als zeitunabhängig vorausgesetzt werden können. Ändern sich zum Beispiel in einem konkreten technologischen Prozess Gaszusammensetzung, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit bekanntermaßen nicht, reduziert sich der funktionale Zusammenhang zur Steuerung der Beschleunigungsspannung auf U_B = U_B(p), wobei die Beschleunigungsspannung dann annähernd proportional mit dem Druck zu erhöhen oder abzusenken ist.
Der stabile Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, vor allem das Sicherstellen der technologisch vorgegebenen, mit möglichst geringer Schwankungsbreite auf das gasförmige Medium zu übertragenden Energiedosis E kann auch mittels eines dritten Regelkreises umgesetzt werden, durch den der von der zweiten Kathode 107 zu emittierende Strahlstrom I_B einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 geregelt wird. Aus Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit lassen sich, wie in der Beschreibung des zweiten Regelkreises dargestellt, zunächst die effektive Massendichte des gasförmigen Mediums und die förderliche Beschleunigungsspannung U_B für den initialen Arbeitspunkt bestimmen. Das Produkt aus effektiver Massendichte und mittlerer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 quantifiziert den integralen Massestrom F des gasförmigen Mediums. Zum Erzielen einer gewünschten physikalischen Aktivierung und einer nachfolgenden chemischen Umwandlung des gasförmigen Mediums ist eine gewisse Energiedosis E erforderlich, die gemeinhin als Technologieparameter vorgegeben wird. Daraus kann die im gasförmigen Medium umzusetzende, von den beschleunigten Elektronen in den Freiraum 114 einzutragende Leistung gemäß P_G = E · F berechnet werden. Bei der vom zweiten Regelkreis gestellten Beschleunigungsspannung U_B wird diese mit einem ins gasförmige Medium eingestrahlten Elektronenstrom von I_G = P_G / U_B erzielt. Der von der zweiten Kathode 107 zu emittierende Strahlstrom I_B muss dafür um den Betrag der auf der Wegstrecke von der Oberfläche der zweiten Kathode 107 bis zur Innenwand des zweiten Hohlzylinders 112 hinzunehmenden, als Verluststrom I_V subsummierbaren Elektronenverluste erhöht werden: I_B = I_G + I_V. Diese Verluste treten durch elastische und unelastische Streuung der beschleunigten Elektronen bei der Passage der evakuierbaren Räume 102a und 102b, des Plasmas 106, der zweiten Anode 108, des Elektronenaustrittsfensters 104, des ringförmigen Freiraums 113 sowie des zweiten Hohlzylinders 112 auf. Die funktionale Abhängigkeit des Verluststroms I_V von den diversen Einrichtungs- und Verfahrensparametern lässt sich prinzipiell in hinreichend genauer Weise analytisch oder alternativ durch Kalibrierungsmessungen fassen.
Soll unabhängig vom Gasdurchsatz eine gleichbleibende Energiedosis E auf das gasförmige Medium innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 appliziert werden, muss zunächst eine förderliche Beschleunigungsspannung gemäß den für den zweiten Regelkreis beschriebenen Kriterien und Algorithmen bestimmt und laufend nachgeführt, dann der Strahlstrom ebenfalls in Abhängigkeit von Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 geregelt werden. Bei einer Ausführungsform dieses dritten Regelkreises werden daher mittels entsprechend zugeordneter Sensoren fortlaufend, aber jeweils zu einheitlichen Zeitpunkten Istwerte für die Gaszusammensetzung, den Druck, die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 erfasst und innerhalb einer Auswerteeinrichtung verarbeitet, speziell der momentane Massestrom des gasförmigen Mediums nach den oben dargelegten Beziehungen berechnet. Steigt dieser mit zunehmender Zeit an, wird proportional dazu auch die in das gasförmige Medium eingetragene Strahlleistung P_G der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht und umgekehrt, indem der Strahlstrom I_B unter Berücksichtigung der vom zweiten Regelkreis eingestellten momentanen Beschleunigungsspannung U_B und des (berechneten oder tabellierten) Verluststromes I_V eingestellt wird. Vereinfachte Ausführungsformen dieses dritten Regelkreises ergeben sich, indem man die Sensoren des zweiten Regelkreises und die von Ihnen gelieferten Messwerte auch zur Berechnung der Stellgrößen des dritten Regelkreises benutzt, sowie bei Konstanthaltung eines oder mehrerer Prozessparameter, analog zu den Darlegungen für die Gestaltung des zweiten Regelkreises.
Es kann anwendungsspezifisch alternativ zweckmäßig sein, die auf das gasförmige Medium übertragene Energiedosis nicht konstant zu halten, sondern in Abhängigkeit von einer im Ergebnis der chemischen Umwandlung angestrebten Zusammensetzung des zu behandelnden gasförmigen Mediums zu regeln.
Dies ist zum Beispiel für die Reinigung von Motorabgasen von SO_X, NO_X und teilverbrannten Kohlenwasserstoffen relevant. Der Schadstoffgehalt im Abgas variiert nämlich nicht streng proportional zum Gasfluss sondern nach einer eigenen, für die jeweiligen Schadstoffspezies individuellen Charakteristik und in Abhängigkeit von der momentanen Motorlast. Zusätzlich bewirkt ein sich änderndes Verhältnis der genannten Schadstoffe untereinander auch die Änderung der zu ihrer Neutralisierung erforderlichen Energiedosis. Ziel der Abgasreinigung, die bekanntermaßen durch Elektronenbehandlung erreicht werden kann, ist es, nach der Prozessierung unkritische Grenzwerte aller Schadstoffe zu unterschreiten. Dafür ist eine gewisse Energiedosis erforderlich. Überschreitet man diese, wird der Energieverbrauch der Elektronenquelle weiter erhöht, aber kein nennenswerter Zugewinn an Reinigungseffekt mehr erzielt. Das heißt, die Energieeffizienz leidet unter diesen Bedingungen.
Um das zu vermeiden, kann man den dritten Regelkreis derart auslegen, dass man Sensoren für die Gaszusammensetzung nach Durchlaufen einer Energieübertragungszone vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 und/oder, falls das nach der Elektronenbehandlung umgewandelte gasförmige Medium weitere chemische oder physikalische Aufbereitungseinrichtungen durchläuft, nach dem Passieren aller im jeweiligen Prozessmodul kombinierten Einrichtungen anordnet und den Strahlstrom so regelt, dass eine vorgegebene Zusammensetzung des gasförmigen Mediums erreicht wird. Bei einer Ausführungsform wird daher mindestens ein Sensor zum Erfassen von Istwerten für die Zusammensetzung des gasförmigen Mediums innerhalb einer Zone des Gasstromes des gasförmigen Mediums angeordnet, in welcher der Gasstrom das Elektronenaustrittsfenster 104 passiert hat und der Strahlstrom in Abhängigkeit von den Istwerten dieses Sensors gesteuert.
Diese Ausgestaltung des dritten Regelkreises ist natürlich nicht nur für die Abgasbehandlung, sondern besonders auch für chemische Syntheseprozesse von mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden gasförmigen Medien von großer Bedeutung.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man somit die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlerzeugers und/oder den Strahlstrom des Elektronenstrahlerzeugers in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung und/oder dem Druck und/oder der Temperatur und/oder dem Strömungsprofil innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 und/oder nach Passieren nachgelagerter Prozessierungseinrichtungen regeln.
Eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 ist in 3 schematisch als Schnitt dargestellt. Vorrichtung 300 kann beispielsweise alle zu Vorrichtung 100 aus 1 und 2 beschriebenen Bauelemente umfassen. So weist auch Vorrichtung 300 auf: ein ringförmiges Gehäuse 301; ein ringförmiges als erster Hohlzylinder ausgebildetes Elektronenaustrittsfenster 304; einen zweiten Hohlzylinder 312 aus einer Edelstahlgaze, welcher einen Freiraum 314 umschließt und durch den ein mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes gasförmiges Medium von unten nach oben strömt. Des Weiteren begrenzen das Elektronenaustrittsfenster 304 und der zweite Hohlzylinder 312 einen ringförmigen Raum 313, durch welchen ein Kühlgas ebenfalls von unten nach oben strömt. Alle ringförmigen oder zylinderförmigen Elemente der Vorrichtung 300 sind rotationssymmetrisch um eine Achse 303 ausgebildet.
Wandungselemente 315 verlängern den ringförmigen Raum 313 in Richtung der Achse 303 bis der ringförmige Raum am unteren Ende in eine Zuluftführung 316 und am oberen Ende in eine Abluftführung 317 mündet. Beispielsweise mittels Flanschelementen 318 kann der zweite Hohlzylinder an Rohrleitungen angeschlossen werden, mittels denen das mit der Vorrichtung 300 zu behandelnde gasförmige Medium zur Vorrichtung 300 geleitet bzw. nach dem Durchqueren der Vorrichtung 300 wieder von der Vorrichtung 300 weggeleitet wird.
In 4 ist eine weitere alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 400 schematisch im Schnitt dargestellt, bei welcher ein Kühlgas den ringförmigen Raum 313 nicht mehr nur in eine Richtung durchströmt, sondern bei welcher das Kühlgas unter Druck sowohl am unteren Ende des ringförmigen Raumes 313 durch die Zuluftführung 316 als auch am oberen Ende des ringförmigen Raumes 313 durch eine Zuluftführung 416 in den ringförmigen Raum 313 geführt wird. Das Kühlgas wird hierbei durch die Öffnungen des zweiten Hohlzylinders 312 in das Innere des zweiten Hohlzylinders 312 gedrückt und dort mit dem Strom des zu behandelnden gasförmigen Mediums abgeleitet.
Die hier beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung 400 kann vorzugsweise auch für chemische Synthesen von gasförmigen Medien verwendet werden. Hierbei ist es zweckmäßig, als Kühlgas ein solches Gas zu verwenden, welches mindestens ein chemisches Element aufweist, das als Reaktionspartner in die chemische Umwandlung des gasförmigen Mediums eingeht, und/oder den zweiten Hohlzylinder 312 zumindest aus einem die angestrebte chemische Reaktion befördernden, katalytisch wirksamen Material (wie beispielsweise Nickel, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder Lanthanoidverbindungen) herzustellen oder ihn damit zumindest an der Innenwandung zu beschichten.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 500 schematisch im Schnitt dargestellt, welche die Merkmale der in den 1 bis 4 beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen aufweisen kann. Zusätzlich weist die Vorrichtung 500 einen Elektronenreflektor 519 auf, welcher innerhalb des zweiten Hohlzylinders 312 angeordnet ist. Der Elektronenreflektor 519 kann beispielsweise als Hohlzylinder oder alternativ aus einem massiven Material bestehend, stabförmig ausgebildet sein. Der Elektronenreflektor 519 kann aus einem homogenen Material oder auch aus einer Kombination von Materialien bestehen, beispielsweise aus einem Metall als Grundkörper und einem dessen Oberfläche vollständig oder partiell bedeckenden anderen Metall oder einer Verbindung. An der Außenwandung des Elektronenreflektors 519 werden energiereiche Elektronen teilelastisch in den Freiraum 314 zurückgestreut, welche die applizierte Energiedosis in das zu behandelnde gasförmige Medium erhöhen, vor allem jedoch deren radiale Verteilung vergleichmäßigen.
Durch geeignete Materialwahl, insbesondere für die Oberfläche des Elektronenreflektors 519, lässt sich der (auf den Strahlstrom bezogene) prozentuale Anteil der in den Freiraum 314 zurückgestreuten Elektronen erhöhen. So weisen beispielsweise Refraktärmetalle eine wesentlich höhere Elektronenrückstreuung auf als Leichtmetalle. Bei einer Ausführungsform umfasst das Oberflächenmaterial des Elektronenreflektors 519 ein Refraktärmetall oder ein Leichtmetall.
Ferner kann durch geeignete Materialwahl, insbesondere für die Oberfläche des Elektronenreflektors 519, die Ausbeute an Sekundärelektronen erhöht werden. Sekundärelektronen werden bei Auftreffen der hochenergetischen Strahlelektronen aus der oberflächennahen Randschicht des Elektronenreflektors 519 herausgeschlagen und in den Freiraum 314 freigesetzt. Sie sind niederenergetisch (typischerweise < 50 eV), weisen daher einen hohen Wechselwirkungsquerschnitt mit Atomen oder Molekülen auf und sind somit in besonderem Maße in der Lage, chemische Umwandlungen zu stimulieren.
Ferner kann es zweckmäßig sein, den Elektronenreflektor 519 aus einem temperaturbeständigen und/oder die angestrebte chemische Reaktion befördernden, katalytisch wirksamen Material (wie beispielsweise Nickel, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder Lanthanoid-Verbindungen) herzustellen oder ihn damit zu beschichten, so dass zumindest die Oberfläche des Elektronenreflektors diese Materialien aufweist.
Je nach angestrebter Anwendung kann es zweckmäßig sein, den Elektronenreflektor 519 vollständig oder partiell zu kühlen. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, die Wärmeabführung von seiner Oberfläche so einzustellen oder sogar zu regeln, dass diese eine angestrebte Temperatur aufweist. Diese wird wegen des Energieeintrages durch die Strahlelektronen im Allgemeinen über der Temperatur des zugeführten gasförmigen Mediums liegen. Durch diese erhöhte Temperatur steigt die Wirksamkeit eventuell implementierter Katalysatoren, und ihre Reinhaltung wird durch Vermeidung der Kondensation oder Verbrennung von Kontaminationen befördert.
Der generelle Vorteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass die Energieübertragung von den beschleunigten Elektronen auf das gasförmige Medium nun nicht mehr über den vollen Durchmesser des von dem zweiten Hohlzylinder 312 gebildeten Kreises, sondern nur noch auf der Wegstrecke zwischen dem zweiten Hohlzylinder 312 und dem Elektronenreflektor 519 erfolgen kann. Moderate Strömungsgeschwindigkeiten (<< Schallgeschwindigkeit) im ringförmigen Raum 314 und somit vernachlässigbare Dichteunterschiede des gasförmigen Mediums bei der Umströmung des Elektronenreflektors vorausgesetzt, ergibt sich hieraus eine signifikante Reduzierung der erforderlichen Elektronenreichweite und somit der anzuwendenden Beschleunigungsspannung. Dies senkt sowohl die Kosten für die Strahlquelle und ihre Versorgungseinheiten wie auch den zur Abschirmung der parasitären Röntgenstrahlung notwendigen Aufwand.
Zur Vorrichtung 500 kann optional eine Stromversorgungseinrichtung 520 gehören, mittels welcher eine elektrische Spannung bereitgestellt und zwischen dem zweiten Hohlzylinder 312 und dem Elektronenreflektor 519 geschaltet wird. Die mittels der Stromversorgungseinrichtung 520 bereitgestellt elektrische Spannung kann eine Gleichspannung oder Wechselspannung sein. Insbesondere können bei einer Ausführungsform mit der Stromversorgungseinrichtung 520 Spannungspulse erzeugt werden, deren Energieinhalt durch passive, während der Pulspausen nachladbare elektrische Speicher (Spulen oder Kondensatoren) erhöht sein kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Hohlzylinder 312 das elektrische Massepotenzial der Vorrichtung 500 auf. In 5 ist zwar dargestellt, dass ein Pol der Stromversorgungseinrichtung 520 mit einem Wandungselement 315 elektrisch verbunden ist. Da aber das Wandungselement 315 elektrisch leitfähig mit dem zweiten Hohlzylinder 312 verbunden ist, ist dieser Pol der Stromversorgungseinrichtung auch mit dem zweiten Hohlzylinder 312 elektrisch leitfähig verbunden. Mittels einer solchen elektrischen Spannung zwischen dem zweiten Hohlzylinder 312 und dem Elektronenreflektor 519 erfahren die in den Freiraum 314 eingedrungenen Strahlelektronen wie auch die dort bei ihrer Abbremsung in ionisierenden Stößen freigesetzten sekundären Elektronen eine zusätzliche Beschleunigung, die bei geeigneter geometrischer und elektrischer Dimensionierung zu weiterer Elektronenvervielfachung im Sinne einer nichtselbständigen Gasentladung führen kann. Die von der Gesamtmenge der Elektronen aufgenommene Energie kann nachfolgend ebenfalls auf das gasförmige Medium übertragen und die insgesamt wirksame Energiedosis in preiswerter Weise gesteigert werden.
Für die Energieeffizienz (definiert durch das Verhältnis zwischen theoretischer Reaktionsenthalpie und dem zur praktischen Realisierung der angestrebten chemischen Umwandlung praktisch erforderlichem Energieaufwand) eines durch eine Gasentladung stimulierten chemischen Umwandlungsprozesses ist die reduzierte elektrische Feldstärke (definiert als Quotient der elektrischen Feldstärke E und der Teilchendichte n im Entladungsraum) von besonderer Bedeutung.
Die Wechselwirkung zwischen energiereichen Elektronen und dem gasförmigen Medium führt u.a. zur Ionisierung, Dissoziation, elektronischen Anregungszuständen und intramolekularen Schwingungen seiner Atome bzw. Moleküle. Die Ausprägung und Präsenz der jeweiligen Wechselwirkungseffekte, fachsprachlich als Wechselwirkungsquerschnitt bezeichnet, hängt in charakteristischer und materialspezifischer Weise von der Elektronenenergie und diese wiederum von der reduzierten elektrischen Feldstärke ab.
Insbesondere (abbauende oder synthetisierende) Molekülreaktionen lassen sich durch Anregung von intramolekularen Schwingungsfreiheitsgraden stimulieren. Die von der Entladungseinrichtung in die Schwingungsanregung gelieferte Energie bewirkt primär eine Überwindung der die chemischen Umwandlungsprozesse hemmenden Energiebarriere und speist bei endothermen Reaktionen effektiv die Energieaufnahme in die Reaktionsprodukte, während sich die Gastemperatur dadurch nur wenig erhöht und die Energieeffizienz des Umwandlungsprozesses sich somit verbessert.
Für den Schadstoffabbau in Abgasen sind hingegen die durch die Beaufschlagung mit energiereichen Elektronen gebildeten Ionen, Radikale und elektronisch angeregten Spezies von besonderer Bedeutung.
Die Effizienz eines angestrebten chemischen Umwandlungsprozesses (nicht nur hinsichtlich der aufgewandten Energie, sondern auch bezüglich des erzielbaren Umwandlungsgrades) lässt sich somit verbessern, indem man Energie selektiv an den die jeweils angestrebte Reaktion hauptsächlich befördernden Mechanismus überträgt. Dies kann realisiert werden, indem man die reduzierte elektrische Feldstärke der Gasentladung so wählt, dass sie zu dessen Maximum des Wechselwirkungsquerschnittes korrespondiert, während andere Wechselwirkungsprozesse bei diesem Wert nicht oder nur wenig angeregt werden.
Bei gegebener Teilchendichte n und gegebenem geometrischen Abstand d der die Gasentladung treibenden Elektroden lässt sich eine angestrebte reduzierte elektrische Feldstärke E/n_SOLL durch geeignete Wahl der Versorgungsspannung U_D der Entladung einstellen. Für den hier zur Illustration des Dimensionierungsprinzips gewählten einfachen Modellfall eines Plattenkondensators ergäbe sich diese zu U_D = n·d E/n_SOLL
Während die Spannung der zusätzlichen Gasentladung zweckmäßiger Weise dem obigem Optimierungskriterium festgelegt ist, lässt sich die an das gasförmige Medium übertragene Energiedosis durch geeignete Wahl des Entladungsstromes einstellen bzw. variieren, wofür wiederum Regelkreise zur Sicherstellung einer gewünschten Zusammensetzung des gasförmigen Mediums nach der Prozessierung eingebunden werden können.
Für viele chemische Umwandlungen ist zudem die Dauer des Energieübertrages an die Ausgangsstoffe ausschlaggebend. Die Variation der Energieübertragungsdauer bietet somit eine Möglichkeit, unerwünschte Rekombination oder Sekundärreaktionen der gebildeten Reaktionsprodukte zu unterdrücken.
Hierfür ist ein gepulster Energieübertrag besonders zweckmäßig und erlaubt eine sehr definierte Einflussnahme. Die Pulsspannung etabliert eine förderliche reduzierte elektrische Feldstärke, die Pulsdauer bestimmt die Dauer der Energieübertragung und der Pulsstrom bestimmt schließlich die übertragene Energiedosis. Alle genannten Parameter können zur Sicherung einer angestrebten Zusammensetzung des gasförmigen Mediums nach der Prozessierung einzeln oder in Kombination als Stellgrößen in Regelkreisen eingebunden sein.
Die Pulssequenz der Stromversorgungseinrichtung 520 kann so gestaltet werden, dass die integral erforderliche Energiedosis als Summe mehrerer Pulse übertragen wird. Alternativ kann die Sequenz auch mit der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums so korreliert werden, dass ein neuer Puls erst dann generiert wird, wenn das zuvor beaufschlagte Gasvolumen die Energieübertragungszone vor dem Elektronenaustrittsfenster 304 vollständig durchquert und wieder verlassen hat.
Die Kosteneffizienz der die Gasentladung speisenden Stromversorgungseinrichtung 520 lässt sich verbessern, indem man passive elektrische Speicher (Spulen oder Kondensatoren) implementiert, deren Energieinhalt sich in die Pulse entlädt und die danach, während der Pulspausen, mit moderater Leistung nachgeladen werden.
Zur weiteren Effizienzsteigerung ist es zweckmäßig, den die Gasentladung unterhaltenden und stabilisierenden Elektronenstrahl, bestehend aus den erzeugten beschleunigten Elektronen, nur kurz vor und während der beabsichtigten Pulsdauer der Pulse der Stromversorgungseinrichtung 520 freizugeben, also ebenfalls zu pulsen und diese Pulsung mit der Pulssequenz der Gasentladung zu synchronisieren. Bei einer Ausführungsform wird daher ein aus den beschleunigten Elektronen geformter Elektronenstrahl pulsförmig erzeugt. Optional können die Pulse des Elektronenstrahls mit den Spannungspulsen der von Stromversorgungseinrichtung 520 erzeugten elektrischen Spannung synchronisiert werden.
In 6 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 600 schematisch in einem Schnitt dargestellt, welche im Unterschied zur Vorrichtung 500 aus 5 einen aerodynamisch vorteilhaft geformten Elektronenreflektor 619 aufweist. Der Elektronenreflektor 619 weist eine Tropfenform auf und bietet einem von unten nach oben strömenden und mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden gasförmigen Medium weniger Strömungswiderstand und geringere Wirbelausbildung gegenüber einem stabförmigen Elektronenreflektor 519 aus 5.
Bei einer Ausführungsform weist der Elektronenreflektor 519 oder 619 im unteren Bereich mindestens eine Öffnung auf, durch welche (gasförmige oder flüssige) chemische Agenzien 621 axial nach unten in den Freiraum 314 gesprüht werden können, welche sich dabei mit dem gasförmigen Medium mischen und dann mit dem Gasstrom nach oben durch die Bestrahlungszone geführt werden.
Alternativ ist es auch möglich, mittels mindestens einer vom Elektronenreflektor 519 oder 619 separaten Zuführung chemische Agenzien überwiegend radial nach innen gerichtet in den Freiraum 314 zu sprühen, wobei die Mündungsöffnung der Zuführung vorteilhaft derart zu platzieren und auszurichten ist, dass die in den Freiraum 314 gesprühten chemischen Agenzien dem Gasstrom des mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden gasförmigen Mediums zugeführt werden, bevor der Gasstrom den Behandlungsraum vor dem Elektronenaustrittsfenster 304 passiert. Auf diese Weise können die mit beschleunigten Elektronen beaufschlagten und dadurch aktivierten, ionisierten oder aufgespaltenen chemischen Verbindungen neue chemische Verbindungen mit den eingesprühten chemischen Agenzien eingehen.
In 7 ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung 700 schematisch in einem Schnitt dargestellt, welche alternative Vorrichtungsmerkmale zu Vorrichtung 600 aus 6 aufweist und bei welcher ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes gasförmiges Medium ebenfalls mit der Hauptströmungsrichtung von unten nach oben durch den Freiraum 314 geführt wird. Vorrichtung 700 umfasst wie auch Vorrichtung 600 aus 6 einen aerodynamisch geformten Elektronenreflektor 719, welcher jedoch im oberen Bereich mindestens eine Öffnung aufweist, durch welche (gasförmige oder flüssige) chemische Agenzien 721 nach oben in den Freiraum 314 gesprüht werden können, welche sich dadurch mit dem gasförmigen Medium mischen und dann mit dem Gasstrom des gasförmigen Mediums nach oben abgeführt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Risiko einer Kontamination des Elektronenaustrittsfensters 304 - z.B. mit Aerosoltröpfchen oder Kondensaten - ausgeschlossen wird.
Eine physikalische Aktivierung und nachfolgende chemische Reaktion der eingesprühten Agenzien 721 mit dem gasförmigen Medium wird in dieser Ausführungsform durch eine nichtselbständige Gasentladung zwischen dem Elektronenreflektor 719 und einer zusätzlichen, vom Massepotential und speziell vom Potential des zweiten Hohlzylinders 312 elektrisch isolierten Elektrode 722 bewirkt. Die zusätzliche Elektrode 722 ist innerhalb des mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagenden Gasstromes des gasförmigen Mediums, oberhalb des Elektronenaustrittsfensters 304 angeordnet sowie ringförmig ausgebildet. Die elektrische Spannung für diese nichtselbständige Gasentladung wird von einer Stromversorgungseinrichtung 720 bereitgestellt. Das Ausführen der nichtselbständigen Gasentladung oberhalb des Elektronenaustrittsfensters 304 hat den Vorteil, dass keine mit der Gasentladung verbundene zusätzliche thermische Belastung auf den zweiten Hohlzylinder 312 oder das Elektronenaustrittsfenster 304 wirkt. Es ist vorteilhaft, die zusätzliche Elektrode 722 zu kühlen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren können zum Beispiel verwendet werden, um Abgase, herrührend aus Verbrennungsmotoren, aus Industrieanlagen oder aus Wärmekraftanlagen, mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagen, um umweltschädigende Verbindungen, welche in den Abgasen enthalten sein können, aufzuspalten und optional durch Hinzufügen von chemischen Agenzien in unschädlichere oder in nachgeschalteten Staubfiltern oder nasschemischen Gaswäschern leicht zurückhaltbare Verbindungen zu überführen.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht im Gebiet der Molekülchemie und plasmachemischen Synthese von Gasen und Flüssigkeiten.
Aufgrund des Kühlgases zwischen Elektronenaustrittsfenster und mit beschleunigten Elektronen zu behandelndem gasförmigen Medium können auch heiße Abgase oder Synthesegase durch eine erfindungsgemäße Ringquelle geführt werden. Vorteilhaft ist dabei ebenfalls, dass nur eine Elektronenstrahlquelle und auch nur einmal die peripher zugehörigen Einrichtungen, wie Vakuumpumpe, Hochspannungsversorgung und Steuergeräte für die einzustellenden Prozessparameter benötigt werden.

Claims

Vorrichtung zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen, umfassend mindestens einen Elektronenstrahlerzeuger, welcher mindestens eine Kathode (107) zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (104; 304) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster (104; 304) als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet sind, wobei das ringförmige, als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster (104; 304) eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses (101; 301) des Elektronenstrahlerzeugers bildet, wobei die von der Kathode (107) emittierten Elektronen zur Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses (101; 301) beschleunigbar sind; b) innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters (104; 304) ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder (112; 312) angeordnet ist, welcher einen ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) begrenzt; c) ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) strömt und d) das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium durch den zweiten Hohlzylinder (112; 312) strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium das Abgas eines Verbrennungsmotors, einer Industrieanlage oder einer Wärmekraftanlage ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium ein Ausgangsstoff für eine chemische Synthese ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders (112; 312) eine Vielzahl von Öffnungen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders (112; 312) eine Gitterstruktur aufweist oder als Gaze ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders (112; 312) aus mindestens einem Material mit einem Schmelzpunkt > 1250°C besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hohlzylinders (312) zumindest an dessen Innenwandung ein Material umfasst, welches katalytisch bei einer chemischen Reaktion des gasförmigen Mediums wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirksame Material Nickel, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder eine Lanthanoidverbindung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas und das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium die gleiche Strömungsrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas durch die Vielzahl von Öffnungen des zweiten Hohlzylinders (112, 312) aus dem ringförmigen Raum (113; 313) in den Freiraum (114, 314) strömt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Regelkreis zum Einstellen des Drucks innerhalb des ringförmigen Raumes (113; 313), umfassend einen ersten Sensor zum Erfassen eines ersten Istwertes für den Druck innerhalb des Hohlzylinders (112; 312), einen zweiten Sensor zum Erfassen eines zweiten Istwertes für den Druck innerhalb des ringförmigen Raumes (113; 313), eine Auswerteeinrichtung und ein Gebläse oder eine Pumpeneinrichtung zum Erzeugen des Kühlgasstromes durch den ringförmigen Raum (113; 313).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Elektronenreflektor (519; 619; 719), welcher im Freiraum (314) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenmaterial des Elektronenreflektors ein Refraktärmetall oder ein Leichtmetall umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Elektronenreflektors Nickel, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder eine Lanthanoid-Verbindungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Stromversorgungseinrichtung (520), bei welcher ein Pol elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des Freiraums (314) angeordneten Elektronenreflektor (519, 619) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit dem zweiten Hohlzylinder (312) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Stromversorgungseinrichtung (720), bei welcher ein Pol elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des Freiraums (314) angeordneten Elektronenreflektor (719) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit einer im gasförmigen Medium angeordneten, aber vom zweiten Hohlzylinders (312) elektrisch isolierten Elektrode (722) verbunden ist.
Verfahren zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen mittels eines Elektronenstrahlerzeugers, welcher mindestens eine Kathode (107) zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (104; 304) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster (104; 304) als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet wird, wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster (104; 304) eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses (101;301) des Elektronenstrahlerzeugers bildet, wobei die von der Kathode (107) emittierten Elektronen zur Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses (101; 301) beschleunigt werden; b) innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters (104; 304) ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder (112; 312) angeordnet wird, welcher einen ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) begrenzt; c) ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) geführt wird und d) das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium durch den zweiten Hohlzylinder (112; 312) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlerzeugers in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung und/oder dem Druck und/oder der Temperatur und/oder dem Strömungsprofil innerhalb des zweiten Hohlzylinders (112; 312) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlstrom des Elektronenstrahlerzeugers in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung und/oder dem Druck, und/oder der Temperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders (112; 312) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlgas ein Gas verwendet wird, welches mindestens ein chemisches Element aufweist, das als Reaktionspartner in eine chemische Umwandlung des gasförmigen Mediums eingeht,
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenreflektor (519; 619; 719) im Freiraum (314) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pol einer Stromversorgungeinrichtung (520) elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des Freiraums (314) angeordneten Elektronenreflektor (519, 619) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit dem zweiten Hohlzylinder (312) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pol einer Stromversorgungseinrichtung (720) elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des zweiten Hohlzylinders (312) angeordneten Elektronenreflektor (719) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit einer im gasförmigen Medium angeordneten, aber vom zweiten Hohlzylinders (312) elektrisch isolierten, Elektrode (722) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die beschleunigten Elektronen geformter Elektronenstrahl pulsförmig erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Stromversorgungseinrichtung (520; 720) eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder Spannungspulse erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass Pulse des Elektronenstrahls mit den Spannungspulsen der Stromversorgungseinrichtung (520; 720) synchronisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor zum Erfassen von Istwerten für die Zusammensetzung des gasförmigen Mediums innerhalb einer Zone des Gasstromes des gasförmigen Mediums angeordnet wird, in welcher der Gasstrom das Elektronenaustrittsfenster (304) passiert hat und der Strahlstrom in Abhängigkeit von den Istwerten dieses Sensors gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenreflektor (519; 619; 719) gekühlt wird.