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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln von Schüttgut, vorzugsweise von Saatgut, mit beschleunigten Elektronen. Das bevorzugte Anwendungsgebiet ist die phytosanitäre Behandlung von Saatgut gegen samenbürtige Schaderreger, die überwiegend in der Samenschale der Samenkörner angesiedelt sind. Weitere Anwendungsgebiete sind die Oberflächensterilisation von Granulaten und Pulvern, die chemische Oberflächenaktivierung sowie die Durchführung anderer strahlenchemischer Prozesse an Schüttgut.
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Es sind verschiedene Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen in verschiedenen Ausführungen - angepasst an das zu behandelnde Schüttgut - bekannt.
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So wird in einer evakuierten Kammer durch gegenüberliegendes Anordnen zweier Elektronenbeschleuniger ein Elektronenfeld mit entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponenten der Elektronen erzeugt, durch welches das Schüttgut im freien Fall in einem ausgedehnten transparenten Strom geführt wird (
DD 291 702 A5 ). Zur Elektronenbehandlung wird das Schüttgut über Zellenradschleusen in die Kammer eingeschleust und nach dem Elektronenbehandlungsprozess wieder ausgeschleust. Der Nachteil solcher Vorrichtungen ist jedoch der hohe apparative Aufwand für das Erzeugen des Elektronenfeldes, da mindestens zwei Elektronenbeschleuniger mit entsprechender Hochspannungsversorgung erforderlich sind, sowie der hohe vakuumtechnische Aufwand.
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Es ist außerdem bekannt, ein Elektronenfeld mit entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponenten dadurch zu erzeugen, dass der Elektronenstrahl, nachdem er den Strom der Schüttgutteilchen passiert hat, durch eine magnetische Umlenkung auf den Teilchenstrom zurückgelenkt wird. Vorrichtungen dieser Art vermeiden den Aufwand für einen zweiten Elektronenbeschleuniger. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass durch den relativ langen Weg, den der Elektronenstrahl in der Prozesskammer durchläuft, ein wesentlich besseres Vakuum benötigt wird, was bezüglich der Vakuumerzeugung einen noch höheren apparativen Aufwand erfordert.
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Es sind auch Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die mit zwei einander gegenüberliegenden Elektronenbeschleunigern arbeiten, wobei die Elektronen über ein Strahlaustrittsfenster an Atmosphärendruck austreten (
DE 44 34 767 C1 ). Das Schüttgut wird dabei ebenfalls im freien Fall durch das Elektronenfeld geführt. Bei dieser Lösung entfällt der Aufwand zum sonst erforderlichen Evakuieren der Prozesskammer. Dennoch verbleibt der Nachteil des hohen apparativen Aufwandes durch den notwendigen Einsatz von mindestens zwei Elektronenbeschleunigern.
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Es ist weiterhin bekannt, pulverförmige und körnige Materialien an Atmosphärendruck mit Elektronen zu beaufschlagen, wobei nur ein Elektronenbeschleuniger zum Einsatz gelangt und die zu bestrahlenden Teilchen in einem Gasstrom durch das Elektronenfeld getragen werden (
WO 98/43274 A1 ). Der Gasstrom mit den zu bestrahlenden Teilchen wird durch einen rechteckigen Kanal geführt, der an einer Seite mit einer 25 µm dicken Aluminiumfolie verschlossen ist, durch welche die Elektronen nach ihrer Ausschleusung über eine 13 µm dicke Titanfensterfolie und Durchlaufen der Distanz bis zum Bestrahlungskanal eindringen. Der Aluminiumfolie gegenüberliegend wird der rechteckige Kanal durch eine ebene Platte aus einem Werkstoff hoher Ordnungszahl gebildet. Nach Durchdringen des Kanalquerschnitts werden die Elektronen von dieser Platte zu einem gewissen Anteil rückgestreut. Die rückgestreuten Elektronen haben eine der ursprünglichen Einfallsrichtung der Elektronen entgegengerichtete Geschwindigkeitskomponente und ermöglichen, dass auch die bezüglich der ursprünglichen Einfallsrichtung der Elektronen abgewandte Seite der Teilchen einem Elektronenbeschuss ausgesetzt ist.
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Von Nachteil ist, dass die Intensität der Bestrahlung durch die rückgestreuten Elektronen wesentlich niedriger ist als die Intensität der Bestrahlung durch die unmittelbar aus dem Strahlaustrittsfenster austretenden Elektronen, was zu einer ungleichmäßigen Bestrahlung der einzelnen Teilchen führt. Nachteilig ist auch, dass die zum Tragen der Teilchen erforderliche Gasgeschwindigkeit mit steigendem Verhältnis von Masse zur Oberfläche der transportierten Teilchen stark ansteigt. Somit würden für größerkörnige Schüttgüter - wie z. B. Weizen oder Mais - sehr hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten erforderlich werden. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten würden die im Elektronenfeld übertragbaren Energiedosen auf sehr kleine, für zahlreiche Anwendungen wesentlich zu geringe Werte begrenzt werden. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, dass die Elektronen nach dem Austritt aus dem Elektronenbeschleuniger noch zusätzlich die den rechteckigen Kanal verschließende Aluminiumfolie durchdringen müssen, bevor sie auf die zu behandelnden Teilchen treffen. Dadurch erleiden die Elektronen einen zusätzlichen unerwünschten Energieverlust.
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In
DE 199 42 142 A1 ist ferner eine Vorrichtung beschrieben, 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. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses.
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Eine aus
DE 10 2012 209 434 A1 bekannte Vorrichtung erfordert keinen Mehrfachdurchlauf von Schüttgutpartikeln zwischen zwei gegenüberliegend angeordneten Linearstrahlen. Hierbei formen eine rotierende Bürstenwalze und ein Segment einen Spalt, durch welchen Schüttgutpartikel zu einem dünnen Schüttgutpartikelvorhang vereinzelt werden, bevor die Schüttgutpartikel in den freien Fall übergehen. Mittels der rotierenden Bürstenwalze erhalten die Schüttgutpartikel gleichzeitig einen Rotationsimpuls, so dass während des freien Falls ein sich verändernder Oberflächenbereich der Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann.
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Aus
US 2009/0184262 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der zwei Flächenstrahlerzeuger benötigt werden, zwischen denen ein Formteil zum Zwecke des Sterilisierens seiner Oberfläche hindurch bewegt und währenddessen mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann. Diese Vorrichtung weist außerdem mehrere Reflektoren aus Gold auf, mit denen von den Flächenstrahlerzeugern abgegebene Randstrahlen auf Oberflächenbereiche des Formteils reflektiert werden, die nicht im unmittelbaren Einwirkbereich der Flächenstrahlerzeuger liegen. Da die aus dieser Schrift bekannten Reflektoren aus reinem Gold bestehen, sind derartige Vorrichtungen sehr preisintensiv und beeinträchtigen somit deren Wirtschaftlichkeit. Weil reflektierte Elektronen eine geringere Energie aufweisen als nicht reflektierte Elektronen, ist auch mit solch einer Vorrichtung nur ein inhomogener Energieeintrag in ein Substrat möglich.
DE 10 2013 111 650 B3 und
DE 10 2013 113 688 B3 offenbaren Vorrichtungen, bei welchen eine Elektronenstrahlquelle derart ringförmig ausgebildet ist, dass von einer ringförmigen Kathode emittierte und beschleunigte Elektronen aus einem Elektronenaustrittsfenster in Richtung Ringachse austreten. Dabei ist der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger so angeordnet, dass dessen Ringachse möglichst senkrecht ausgerichtet ist. Oberhalb des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers ist eine Einrichtung zum Vereinzeln von Schüttgutpartikeln angeordnet, deren Bodenwandung mindestens eine Öffnung aufweist, aus der Schüttgutpartikel heraus- und von dort durch den vom Elektronenstrahlerzeuger geformten Ring hindurchfallen. Ein Vorteil einer solchen ringförmigen Vorrichtung besteht darin, dass diese kompakter gegenüber Vorrichtungen, bestehend aus zwei planaren Strahlquellen, ausgebildet ist. Nachteilig wirkt sich hingegen nach wie vor aus, dass die Mindestgeschwindigkeit, mit welcher die Schüttgutpartikel an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden, durch die Fallbeschleunigung vorgegeben ist und nicht unterschritten werden kann. Daher sind für eine solche Vorrichtung Elektronenstrahlerzeuger mit einer relativ hohen Leistung erforderlich, welche es ermöglichen, die erforderliche Elektronendosis in der kurzen Zeit, innerhalb der die Schüttgutpartikel an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeifliegen, zu applizieren. Nachteilig wirkt sich ebenfalls aus, dass sich die Geschwindigkeit der Schüttgutpartikel während des Vorbeiflugs am Elektronenaustrittsfenster ständig erhöht, was dazu führt, dass ein Schüttgutpartikel während des Vorbeiflugs am Elektronenaustrittsfenster mit einer sich ständig verringernden Elektronendichte beaufschlagt wird.
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Ringförmige Elektronenstrahlerzeuger mit senkrecht ausgerichteter Ringachse sind schließlich auch aus
DE 10 2019 134 558 B3 bekannt, bei welchem ein gasförmiges Medium durch das Ringinnere geführt und dort mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann. Ob die aus
DE 10 2019 134 558 B3 bekannten Vorrichtungen auch zum Beaufschlagen von Schüttgutpartikeln mit beschleunigten Elektronen geeignet sind, geht aus der Schrift nicht hervor.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung ringförmige Elektronenstrahlquellen dahingehend weiterentwickeln, dass Schüttgutpartikel während des Vorbeiführens an einem Elektronenaustrittsfenster mit einer homogenen Elektronendosis beaufschlagt werden, sowie der Aufwand für die Kühlung der Anlage verringert und trotzdem ein hoher Durchsatz von zu behandelndem Schüttgut zugelassen wird.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Elektronenstrahlerzeuger, der ringförmig ausgebildet ist und bei dem die von einer ringförmigen Kathode emittierten und beschleunigten Elektronen aus einem ringförmigen Elektronenaustrittsfenster in Richtung Ringachse austreten. Das Elektronenaustrittsfenster ist somit zumindest ein Bestandteil der ringförmigen Innenwandung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers und weist dabei die Form eines Hohlzylinders auf. Derartige ringförmige Elektronenstrahlerzeuger sind beispielsweise aus
DE 10 2013 111 650 B3 und
DE 10 2013 113 688 B3 bekannt.
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An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass der Begriff „ringförmig“ im Erfindungssinn bei allen nachfolgend beschriebenen ringförmigen Vorrichtungen, Bauelementen und Hohlzylindern nicht nur auf einen Ring in Kreisform begrenzt ist, sondern dass sich der Begriff „ringförmig“ im Erfindungssinn lediglich auf einen schleifenförmig in sich geschlossenen Gegenstand bezieht, wobei der schleifenförmig in sich geschlossene Gegenstand ein Volumen in seinem Querschnitt vollständig umschließt und wobei Schüttgut durch dieses Volumen im Inneren des Ringes hindurchgeführt werden kann. Dabei ist der von einem Ring oder einem Hohlzylinder vollständig umschlossene Querschnitt des Volumens zwar bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kreisförmig ausgebildet, kann aber im weitesten Erfindungssinn auch jede andere geometrische Form aufweisen.
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Ein solcher ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger umfasst ein ringförmiges Gehäuse; mindestens eine ringförmige Kathode zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein ringförmiges als erster Hohlzylinder ausgebildetes Elektronenaustrittsfenster; wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster eine Innenwandung des ringförmigen Gehäuses des Elektronenstrahlerzeugers bildet; wobei die von der ringförmigen Kathode emittierten Elektronen zur Ringachse des ringförmigen Gehäuses beschleunigbar sind. Erfindungsgemäß ist die Ringachse des ringförmigen Gehäuses senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet, so dass das ringförmige Gehäuse eine obere Ringöffnung und eine untere Ringöffnung aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass eine untere Rohrleitung an die untere Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers angrenzt und eine obere Rohrleitung an die obere Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses angrenzt. Mittels mindestens einer ersten Einrichtung ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine innerhalb der unteren Rohrleitung von unten nach oben gerichtete Strömung (also eine der Schwerkraft entgegen gerichtete Strömung) eines gasförmigen Mediums erzeugbar und mittels mindestens eines ersten Einlasses in der unteren Rohrleitung das Schüttgut in die von unten nach oben gerichtete Strömung des gasförmigen Mediums einbringbar.
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Die von unten nach oben führende Strömung des gasförmigen Mediums ist dabei so stark ausgebildet, dass die Schüttgutpartikel innerhalb der unteren Rohrleitung mit dem Gasstrom nach oben mitgerissen, am Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden, den ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger durch die obere Ringöffnung verlassen und innerhalb der oberen Rohrleitung vom ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger fortgeführt werden.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung treten somit die Schüttgutpartikel durch die untere Ringöffnung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers in das vom ringförmigen Elektronenaustrittsfenster umschlossene Volumen ein und die mit beschleunigten Elektronen beaufschlagten Schüttgutpartikel verlassen dieses Volumen durch die obere Ringöffnung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers.
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Gegenüber Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, bei denen Schüttgutpartikel im freien Fall an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden, werden die Schüttgutpartikel bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit über die gesamte Höhe des Elektronenaustrittsfensters vorbeigeführt, was zu einem homogeneren Beaufschlagen der Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen führt. In Abhängigkeit von der Leistung der ersten Einrichtung und somit der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums können die Schüttgutpartikel bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mit einer geringeren Geschwindigkeit am Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden gegenüber Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, bei denen die Geschwindigkeit der Schüttgutpartikel durch die Fallbeschleunigung vorgegeben ist. Dadurch können auch Elektronenstrahlerzeuger mit einer geringeren Leistung gegenüber dem Stand der Technik verwendet werden.
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Des Weiteren wird mit dem am Elektronenaustrittsfenster vorbeiströmenden gasförmigen Medium gleichzeitig auch noch das Elektronenaustrittsfenster gekühlt, weshalb bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die aus dem Stand der Technik bekannten Kühleinrichtungen bei einem ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger kleiner dimensioniert werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:
- 1 eine schematische und perspektivische Schnittdarstellung eines ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers;
- 2 eine schematische Darstellung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers aus 1 als Draufsicht;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 5 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 6 eine schematische Explosionsdarstellung eines rotationssymmetrischen Elements aus 5
- 7 eine schematische Schnittdarstellung eines alternativen Schutzgitters;
- 8 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 und 2 ist ein und derselbe Elektronenstrahlerzeuger 100, welcher bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann, schematisch dargestellt, wobei der Elektronenstrahlerzeuger 100 in 1 als perspektivische Querschnittsdarstellung und in 2 als Draufsicht abgebildet ist. Zum besseren Verständnis 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.
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Elektronenstrahlerzeuger 100 umfasst zunächst ein ringförmiges Gehäuse 101, welches zumindest in einem Bereich einen evakuierbaren Raum begrenzt, der in die evakuierbaren Räume 102a und 102b unterteilt ist. Dieser evakuierbare Raum ist aufgrund der Gehäuseform ebenfalls ringförmig ausgebildet. Alle nachfolgend beschriebenen, zum Elektronenstrahlerzeuger 100 zugehörigen und als ringförmig bezeichneten Bauelemente sind radialsymmetrisch 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 Ringzylinders ausgebildet, d. h. in Austrittsrichtung der Elektronen betrachtet, weist das Elektronenaustrittsfenster 104 eine Oberflächensenkrechte auf, die zum Ringinneren und bei einem kreisförmigen Ringzylinder 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 eingelassen und mittels mindestens einer in 1 ebenfalls nicht dargestellten Pumpeinrichtung ein Vakuum im evakuierbaren Raum im Bereich von 0,1 Pa bis 20 Pa und bevorzugt im Bereich von 1 Pa bis 3 Pa aufrechterhalten.
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Ein ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger 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 erzeugbar ist. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 wurden zwei als Ringscheiben geformte Wandungsbereiche des Gehäuses 101 als erste Kathoden 105a und 105b ausgebildet, die den evakuierbaren 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 des Elektronenstrahlerzeugers 100 ist.
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Die erste Anode des Elektronenstrahlerzeugers 100 umfasst eine Anzahl drahtförmiger Elektroden, die sich durch den evakuierbaren 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 evakuierbaren Raum 102a ausgebildet. Der evakuierbare Raum 102a wird deshalb nachfolgend auch als Plasma-Raum 102a bezeichnet.
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Ein ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger umfasst des Weiteren mindestens eine zweite Kathode und mindestens eine zweite Anode, zwischen denen mittels einer zweiten Stromversorgungseinrichtung eine zweite elektrische Spannung geschaltet ist. Beim Elektronenstrahlerzeuger 100 ist eine Kathode 107 als zweite Kathode und eine gitterförmige Anode 108 als zweite Anode ausgebildet. Sowohl Kathode 107 und Anode 108 weisen die Form eines Rings auf.
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Die zweite Kathode stellt bei einem ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger die Kathode zum Emittieren von Sekundärelektronen dar, welche anschließend beschleunigt werden, und weist hierfür ein elektrisches Hochspannungspotenzial, bevorzugt im Bereich von -100 kV bis -300 kV, auf. Mittels eines Isolators 109 ist die zweite Kathode 107 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 101 isoliert.
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Bei dem in 1 beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger 100 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.
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Aus dem Plasma 106 im evakuierbaren Raum 102a werden durch das Anlegen eines Hochspannungspotenzials im Bereich von -100 kV bis -300 kV positiv geladene 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 des Elektronenstrahlerzeugers 100 entspricht. Bei ihrem Auftreffen wird die kinetische Energie der Ionen in einer sehr dünnen Randschicht der Kathode 107 im Oberflächenbereich 110 frei, was zum Auslösen 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 von bis zu zehn 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 Volumen 114 vor, in dem ein höherer Druck als im evakuierbaren Raum 102 herrschen kann und durch den mit Elektronen zu beaufschlagende Schüttgutpartikel durch die Gehäuseringöffnung hindurchgeführt werden können. 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.
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Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger 100 auch eine Einrichtung zum Kühlen aufweist, wie es auch bei Vorrichtungen zum Erzeugen beschleunigter Elektronen aus dem Stand der Technik bekannt ist. So kann diese Einrichtung zum Kühlen des Elektronenstrahlerzeugers 100 beispielsweise Kühlkanäle umfassen, die sich innerhalb des Isolators 109 erstrecken und durch die ein Kühlmedium strömt.
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Die zweite Anode 108, welche bei einem ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger bevorzugt als gitterförmiges Ringzylindersegment 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 radial und antiparallel zu den Bahnen der sie jeweils freisetzenden Ionen verlaufen. Des Weiteren schirmt die zweite Anode 108 das Plasma vom Spannungspotenzial der zweiten Kathode 107 ab; verhindert dadurch das Abdriften zu vieler Elektronen weg von den drahtförmigen Elektroden 111 und trägt somit zum Aufrechterhalten des Plasmas 106 im evakuierbaren Raum 102a bei.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Als Basis der Vorrichtung 300 fungiert ein ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger, wie er zum Beispiel zu den 1 und 2 beschrieben wurde. Daher kann der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger, der für eine Vorrichtung 100 verwendet wird, beispielsweise auch die zu Vorrichtung 100 aus 1 und 2 beschriebenen Bauelemente umfassen. Der für Vorrichtung 300 verwendete Elektronenstrahlerzeuger weist somit ein ringförmiges Gehäuse 301 auf, dessen Ringachse 303 bevorzugt senkrecht ausgerichtet ist. Ein ringförmiges Elektronenaustrittsfenster 304 ist Bestandteil der Innenwandung des ringförmigen Gehäuses 301. Dabei umschließt die Innenwandung des ringförmigen Gehäuses 301 ein Volumen, in welches die von der Vorrichtung 300 erzeugten beschleunigten Elektronen durch das Elektronenaustrittsfenster 304 hindurch austreten.
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Wie bereits zuvor dargestellt wurde, ist die Ringachse 303 des ringförmigen Gehäuses 301 bevorzugt senkrecht ausgerichtet. Das ringförmige Gehäuse 301 weist somit eine obere Ringöffnung und eine untere Ringöffnung auf.
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An die untere Ringöffnung grenzt eine untere Rohrleitung 305 und an die obere Ringöffnung eine obere Rohrleitung 306. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 300 umfasst ferner eine erste Einrichtung 307, mit welcher innerhalb der unteren Rohrleitung eine von unten nach oben gerichtete Strömung 308 eines gasförmigen Mediums erzeugbar ist. Als erste Einrichtung 307 kann beispielsweise ein Gebläse, ein Ventilator oder eine Pumpeinrichtung und als gasförmiges Medium zum Beispiel Luft verwendet werden.
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Die Vorrichtung 300 umfasst des Weiteren noch mindestens einen ersten Einlass 309 in der unteren Rohrleitung 305, mittels dessen ein mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Schüttgut in die von unten nach oben gerichtete Strömung 308 des gasförmigen Mediums einbringbar ist. Die von unten nach oben führende Strömung 308 des gasförmigen Mediums ist dabei so stark ausgebildet, dass die Schüttgutpartikel innerhalb der unteren Rohrleitung 305 mit dem Gasstrom nach oben mitgerissen, am Elektronenaustrittsfenster 304 vorbeigeführt, den ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger durch die obere Ringöffnung verlassen und innerhalb der oberen Rohrleitung 306 vom ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger fortgeführt werden. Während der Zeitspanne, innerhalb der die Schüttgutpartikel mittels der Strömung 308 des gasförmigen Mediums am Elektronenaustrittsfenster 304 vorbeigeführt werden, werden die Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers beaufschlagt. Damit das Elektronenaustrittsfenster 304 keinen direkten Kontakt mit den Schüttgutpartikeln erfährt, wodurch es zerstört werden könnte, ist vor dem Elektronenaustrittsfenster 304 ein Schutzgitter 310 angeordnet, wobei die Gitteröffnungen kleiner sind als die Schüttgutpartikel. Das Schutzgitter 310 kann dabei ebenfalls wie das Elektronenaustrittsfenster 304 zylinderförmig ausgebildet sein und zum Beispiel aus einem hitzebeständigen Gazematerial bestehen.
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Gegenüber Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, bei denen Schüttgutpartikel im freien Fall an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden, werden die Schüttgutpartikel bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit am Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt, was zu einem homogeneren Beaufschlagen der Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen führt.
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Ein Wandungsabschnitt der oberen Rohrleitung 306 ist als gitterförmiger Auslass 311 ausgebildet, wobei die Gitteröffnungen kleiner dimensioniert sind als die Schüttgutpartikel. Mittels einer zweiten Einrichtung 312 ist eine Teilmenge 313 des gasförmigen Mediums durch den gitterförmigen Auslass 311 hindurch absaugbar. Die zweite Einrichtung 312 kann zum Beispiel als Gebläse, Ventilator oder Saugpumpe ausgebildet sein. Mit der Teilmenge 313 des gasförmigen Mediums werden gleichzeitig Staub- und Schmutzpartikel aus dem Inneren der oberen Rohleitung 306 abgesaugt, wodurch verhindert wird, dass diese Staubund Schmutzpartikel in den ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger zurückfallen und dabei das Elektronenaustrittsfenster 304 verkleben bzw. verschmutzen. Lediglich beispielhaft ist der gitterförmige Auslass 313 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 in einem waagerechten Wandungsabschnitt platziert. Alternativ kann der gitterförmige Auslass aber auch in jedem anderen Wandungsabschnitt, wie zum Beispiel einen senkrechten Wandungsabschnitt angeordnet sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung 300 mindestens einen Sensor auf, mittels dessen Ist-Werte, welche die Geschwindigkeit der Schüttgutpartikel vor dem Elektronenaustrittsfenster 304 repräsentieren, erfasst werden. Innerhalb einer Auswerteeinrichtung werden diese Ist-Werte mit einem Soll-Wert für die Geschwindigkeit der Schüttgutpartikel verglichen und ein Vergleichswert generiert und in Abhängigkeit vom Vergleichswert die Intensität der Strömung 308 des gasförmigen Mediums geregelt. Die Intensität der Strömung 308 des gasförmigen Mediums kann beispielsweise verändert werden, indem mittels einer Stelleinrichtung die Leistung der ersten Einrichtung 307 verändert wird. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Schüttgutpartikel mit einer homogenen und/oder vorgegebenen Dosis an beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine dritte Einrichtung, mittels welcher das gasförmige Medium zusätzlich auch noch in den Bereich zwischen dem Elektronenaustrittsfenster und dem vor dem Elektronenaustrittsfenster angeordneten Schutzgitter einbringbar ist.
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In 4 ist eine solche alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 400 schematisch als Schnitt dargestellt. Vorrichtung 400 umfasst zunächst alle Vorrichtungsbestandteile und kann auch alle Vorrichtungsfunktionen ausführen, wie sie zu Vorrichtung 300 aus 3 beschrieben wurden. Zusätzlich umfasst Vorrichtung 400 zwei dritte Einrichtungen 414a und 414b, mittels welchen das gasförmige Medium zusätzlich in den Bereich zwischen dem Elektronenaustrittsfenster 304 und dem vor dem Elektronenaustrittsfenster 304 angeordneten Schutzgitter 310 einbringbar ist. Dabei wird mittels der dritten Einrichtung 414a das gasförmige Medium von oben in den Bereich zwischen Elektronenaustrittsfenster 304 und dem Schutzgitter 310 und mittels der dritten Einrichtung 414b das gasförmige Medium von unten in den Bereich zwischen Elektronenaustrittsfenster 304 und dem Schutzgitter 310 eingebracht. Die dritten Einrichtungen 414a und 414b können zum Beispiel als Gebläse, Ventilator oder Druckpumpe ausgebildet sein. Die Menge des gasförmigen Mediums, welche mittels der dritten Einrichtungen 414a und 414b in den Bereich zwischen Elektronenaustrittsfenster 304 und dem Schutzgitter 310 eingebracht wird, ist geringer als die Menge des gasförmigen Mediums, die in der gleichen Zeit mittels der ersten Einrichtung 307 in die untere Rohrleitung 305 eingebracht wird.
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Das in den Bereich zwischen Elektronenaustrittsfenster 304 und dem Schutzgitter 310 eingebrachte gasförmige Medium wird durch das Schutzgitter 310 gedrückt, was in 4 durch die waagerechten Pfeile veranschaulicht ist, und dann mit der Strömung 308 des gasförmigen Mediums nach oben abgeleitet. Auf diese Weise kann Stauwärme zwischen dem Elektronenaustrittsfenster 304 und dem Schutzgitter 310 verhindert und somit das Elektronenfenster 304 besser gekühlt werden. Gleichzeitig werden durch das zusätzliche Einbringen des gasförmigen Mediums im Bereich zwischen Elektronenaustrittsfenster 304 und dem Schutzgitter 310 Schmutzpartikel, welche mit den Schüttgutpartikeln nach oben befördert werden und welche kleiner als die Öffnungen des Schutzgitters 310 sind, vom Elektronenfenster 304 ferngehalten, wodurch dessen Verschmutzung verringert und somit dessen Lebensdauer erhöht wird.
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In 5 ist eine zweite alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 500 schematisch im Schnitt dargestellt, welche zunächst alle Elemente und Merkmale der Vorrichtung 400 aus 4 aufweist. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 500 ein rotationssymmetrisches Element 516, dessen Rotationsachse identisch ist mit der Ringachse 303 des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers. Das rotationssymmetrische Element 516 ist in 6 noch einmal etwas detaillierter in einer Explosionsdarstellung schematisch abgebildet.
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Das rotationssymmetrische Element 516 weist zunächst einen Grundkörper 620 in Form eines Hohlzylinders auf, wobei die Mantelfläche des Hohlzylinders aus metallenen ersten Drähten 621 besteht, die zwischen ein oberes Anschlusselement 622 und ein unteres Anschlusselement 623 gespannt sind und welche parallel zur Ringachse 303 des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers verlaufen. Benachbarte erste Drähte 621 sind jeweils mit einem Maß beabstandet, welches kleiner ist als der Durchmesser der Schüttgutpartikel, so dass keine Schüttgutpartikel in das Innere des Grundkörpers 620 gelangen können. Das obere Anschlusselement 622 und das untere Anschlusselement können zum Beispiel scheibenförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Das rotationssymmetrische Element 516 umfasst des Weiteren ein oberes Abschlusselement 624 und ein unteres Abschlusselement 625, welche beispielsweise beide kegelförmig ausgebildet sein können und bei denen die kegelförmige Mantelfläche bevorzugt vollflächig geschlossen ist. Alternativ können die beiden Abschlusselemente 624, 625 auch eine andere, die Strömung des gasförmigen Mediums begünstigende, Form aufweisen. Das rotationssymmetrische Element 516 ist bei einer Ausführungsform derart innerhalb des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers angeordnet und derart dimensioniert, dass sich die metallenen Drähte 621 zumindest über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters 304 erstrecken.
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Mit einem solchen rotationssymmetrischen Element 516 werden im Wesentlichen zwei positive Effekte erzielt. Zum einen werden die Schüttgutpartikel in einen ringförmigen Spalt zwischen dem Schutzgitter 310 und dem Grundkörper 620 des rotationssymmetrischen Elements 516 geleitet, wodurch ein dünner ringförmiger Vorhang von Schüttgutpartikeln ausgebildet und am Elektronenaustrittsfenster 304 vorbeigeführt wird, was zu einem guten Ergebnis hinsichtlich des Beaufschlagens der Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen führt. Andererseits können die Schüttgutpartikel auch rückseitig mit den Primärelektronen beaufschlagt werden, denen es von der gegenüberliegenden Seite des Elektronenaustrittsfensters aus gelingt, den Vorhang an Schüttgutpartikeln und den nicht vollständig geschlossenen Grundkörper 620 des rotationssymmetrischen Elements 516 zu durchdringen, was das Ergebnis des Beaufschlagens der Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen noch zusätzlich verbessert. Ein solches rotationssymmetrisches Element 516, wie hier lediglich beispielhaft zu Vorrichtung 500 beschrieben, kann alternativ aber auch bei allen anderen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen zum Einsatz gelangen.
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Zuvor wurde bereits beschrieben, dass das Schutzgitter vor dem Elektronenaustrittsfenster einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beispiel aus einem hitzebeständigen Gazematerial bestehen kann. Ein solches Gazematerial umfasst üblicherweise horizontal und vertikal verlaufende Metallfäden bzw. Metalldrähte. In 7 ist ein alternatives Schutzgitter 710 schematisch dargestellt, welches zumindest im Höhenbereich des Elektronenaustrittsfensters 304 lediglich vertikal verlaufende, metallene zweite Drähte 730 umfasst, die zwischen einen oberen Anschlussring 731 und einem unteren Anschlussring 732 gespannt sind und wobei jeweils benachbarte zweite Drähte 730 mit einem Maß voneinander beabstandet sind, dass kleiner ist als der Durchmesser der Schüttgutpartikel. Die zweiten Drähte 730 verlaufen somit auch parallel zur Ringachse 303 des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers. Horizontal verlaufende Drähte eines Schutzgitters vor einem Elektronenaustrittsfenster haben den Nachteil, dass am Schutzgitter von unten nach oben vorbeigleitende Schüttgutpartikel Stoßenergie in die horizontal verlaufenden Drähte eintragen, was zur Verformung bzw. Beschädigung eines Schutzgitters führen kann. Mit einem Schutzgitter 710 gemäß 7, welches nur vertikal verlaufende zweite Drähte 730 aufweist, wird eine solche Fehlerquelle ausgeschlossen. Ein solches Schutzgitter 710 kann bei allen vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen eingesetzt werden.
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Bei einer Ausführungsform werden die metallenen zweiten Drähte 730 elektrisch isoliert voneinander ausgebildet, mittels mindestens einer Messeinrichtung der durch einen jeweiligen zweiten Draht 730 fließende elektrische Strom erfasst und an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Auf diese Weise kann eine Qualitätskontrolle dahingehend betrieben werden, ob das Beaufschlagen mit beschleunigten Elektronen in allen Ringsegmenten homogen erfolgt oder nicht. In Abhängigkeit vom Auswerteergebnis kann dann der Betrieb des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers in einzelnen Ringsegmenten gesteuert werden.
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8 zeigt eine dritte alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 800, welche schematisch im Schnitt dargestellt ist. Vorrichtung 800 umfasst zunächst alle Elemente und Merkmale der Vorrichtung 300 aus 3. Zusätzlich weist die Vorrichtung 800 ein Reservoir 850 auf, in welchem ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas oder eine einen kohlenwasserstoffhaltigen Dampf abgebende Flüssigkeit gespeichert ist. Das Reservoir 850 ist mit einem zweiten Einlass 851 verbunden, durch welchen das kohlenwasserstoffhaltige Gas bzw. der kohlenwasserstoffhaltige Dampf in die von unten nach oben führende Strömung 308 des gasförmigen Mediums eingebracht wird. Dabei wird das kohlenwasserstoffhaltige Gas bzw. der kohlenwasserstoffhaltige Dampf mit einer Menge in die Strömung 308 eingebracht, welche die untere Explosionsgrenze unterschreitet. Bei einer Ausführungsform wird das kohlenwasserstoffhaltige Gas bzw. der kohlenwasserstoffhaltige Dampf mit einer Menge in die Strömung 308 eingebracht, die maximal 1 Vol.-% der Menge des gasförmigen Mediums entspricht, welche mittels der ersten Einrichtung 307 pro Zeiteinheit durch die untere Rohrleitung befördert wird. Das kohlenwasserstoffhaltige Gas bzw. der kohlenwasserstoffhaltige Dampf bindet das beim Betrieb einer Elektronenstrahlquelle entstehende Ozon, wodurch der Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik umweltschonender gestaltet werden kann. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der zweite Einlass 851 in unmittelbarer Nähe zum Elektronenaustrittfenster 304 angeordnet wird.
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Bei einer Ausführungsform, wie zum Beispiel der in 4 dargestellten Vorrichtung 400, kann der zweite Einlass beispielsweise in den Gasführungskanal eingearbeitet werden, bei welchem mittels der dritten Einrichtung 414a und/oder 414b das gasförmige Medium in das Ringinnere des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers eingebracht wird.
