DE102022114434A1

DE102022114434A1 - Ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen von beschleunigten Elektronen

Info

Publication number: DE102022114434A1
Application number: DE102022114434.8A
Authority: DE
Inventors: Gösta MATTAUSCH; Burkhard Zimmermann; Jörg Kubusch; Ralf Blüthner; Lars Dincklage; Severin Dominok; Henrik Flaske; Ludwig Lorenz; Björn Meyer; Michiel TOP
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2042-06-09
Also published as: WO2023237271A1; DE102022114434B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, umfassend ein ringförmiges Gehäuse (101), welches einen ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b) begrenzt und ein ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) aufweist; mindestens ein erstes Reservoir (121), welches ein Arbeitsgas enthält; mindestens einen ersten Einlass (120) für das Zuführen des Arbeitsgases aus dem ersten Reservoir (121) in den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b); mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode, zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma (106) im ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma (106) auf die Oberfläche (110) einer ringförmigen zweiten Kathode (107) beschleunigbar sind und von der ringförmigen zweiten Kathode (107) emittierte Elektronen mittels einer, zwischen der ringförmigen zweiten Kathode (107) und einer ringförmigen zweiten Anode (108) angelegten, zweiten elektrischen Spannung in Richtung ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) beschleunigbar sind, wobei das Gehäuse (101) als erste Kathode ausgebildet ist; die erste Anode eine Anzahl von drahtförmigen Elektroden (105) umfasst, welche sich vollständig oder teilweise durch den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) hindurch erstrecken und wobei in einem zweiten Reservoir (122) eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthalten ist, welche durch den mindestens einen ersten Einlass (120) in den evakuierbaren Raum (102a; 102b) einlassbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen. Insbesondere können mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Schüttgüter, Stranggüter und Fluide mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. 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 Sterilisation und Modifikation der oberflächennahen Randschicht von Granulaten und Pulvern, z.B. auch von Futtermitteln, Kräutern und Gewürzen, die chemische Oberflächenaktivierung von Rezyklaten sowie die Durchführung anderer strahlen- und plasma-chemischer Prozesse.
Es sind verschiedene Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen zum Beaufschlagen von Schüttgütern und Stranggütern mit beschleunigten Elektronen in verschiedenen Ausführungen - angepasst an das zu behandelnde Schüttgut bzw. Stranggut - bekannt.
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.
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.
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.
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, in welchen 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.
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.
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.
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.
Eine Besonderheit der in DE 10 2013 111 650 B3 beschriebenen ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger ist es, dass die Strahlelektronen nicht durch Heizung der Kathode thermisch emittiert („Glühkathode“), sondern durch lonenimpact aus dieser herausgeschlagen werden („Kaltkathode“). Die dafür erforderlichen Ionen werden in einem, zwischen der ringförmigen Kaltkathode und dem ringförmigen Elektronenaustrittfester angeordneten, ebenfalls ringförmigen Plasmaraum durch Gasentladungen erzeugt. Diese müssen aus Gründen der Hochspannungsisolation bei besonders niedrigen Drücken brennen, wofür spezielle Entladungsanordnungen erforderlich sind.
Aus EP 3 590 125 B1 sind ferner ringförmige Elektronenstrahlerzeuger mit Kaltkathode bekannt, die eine Drahtanodenanordnung zur lonenproduktion nutzen, bei welchen der ringförmige Plasmaraum mittels Wandungen in Ringsegmente unterteilt ist und wobei sich durch jedes Ringsegment hindurch mindestens eine drahtförmige Anode für das Ausbilden eines Plasmas im Ringsegment erstreckt. In EP 3 642 861 B1 ist dieses Prinzip der Plasmaerzeugung in individuellen Segmenten genutzt, um einen Elektronenstrahlerzeuger aufzubauen, bei dem der Ring unvollständig ist, also dauerhaft einen offenen Sektor aufweist, oder aus zwei ohne Bruch des Vakuums trennbaren und wieder zusammenfügbaren Halbringen besteht.
Nachteilig wirkt sich die beschriebene Segmentierung des Plasmaraumes deshalb aus, weil die Wandungen das gleiche elektrische Spannungspotenzial wie die Kathoden der Gasentladung aufweisen (das nachvollziehbarer Weise und im Ausführungsbeispiel explizit so beschrieben mit dem des Gehäuses und des Elektronenaustrittsfensters, also dem Massepotenzial, identisch ist). Dadurch bildet sich in ihrer Nähe der Kathodenfall der Entladung und eine niedrigere Plasmadichte aus, sodass dort eine niedrigere lonenstromdichte als aus der Mitte der Ringsegmente extrahiert und zur Kaltkathode hin beschleunigt werden kann, und somit ist es auch unmöglich, eine einheitliche Elektronenstromdichte und Bestrahlungsintensität im gesamten Ringumfang bereitzustellen.
Elektronenstrahlerzeuger mit Kaltkathode weisen zahlreiche Vorteile auf, die in den oben zitierten Schriften dargelegt sind, erweisen sich jedoch im praktischen Einsatz, insbesondere im Dauerbetrieb, unter dem Gesichtspunkt der Betriebsstabilität als nicht unproblematisch.
Ein wichtiges Kriterium der Betriebsstabilität von Elektronenstrahlquellen ist die sogenannte Spannungsfestigkeit. Als Maß für die Spannungsfestigkeit von Elektronenquellen dient üblicherweise die zu konstatierende Häufigkeit von Hochspannungsüberschlägen. Diese unterbrechen nicht nur die Strahlerzeugung, sondern verschleißen auch die Einbauten der Quelle und strapazieren die Halbleiter-Elektronik der Steuerungs- und Versorgungsgeräte. Die Überschlagsrate muss daher vor Beginn des eigentlichen Strahlbetriebes durch zeitaufwändige Konditionierungsroutinen auf ein tolerables Maß abgesenkt werden. Erschwerend wirkt hierbei die hohe parasitäre Kapazität der notwendigerweise großflächigen Kaltkathoden, die im Überschlagsfall zu HF-Schwingungen und daraus resultierender AC-Belastung und destruktiven Überspannungen im Konfektionierungssystem (Hochspannungskabel, Stecker und Durchführungen) führen kann. Ferner ist zu konstatieren, dass die anfängliche Konditionierung im Strahlbetrieb nicht dauerhaft wirksam ist. Die Überschlagsrate nimmt dann wieder zu, maßgeblich befeuert durch einen weiteren Mechanismus: die Ablagerung von isolierenden Belägen am kritischen Übergang Kathode-Isolator („Tripel-Punkt“). Diese isolierenden Randschichten neben der aktiven Emissionszone entstehen durch den lonenimpact in der Mitte der Kaltkathode, Sputtern von Aluminium-Atomen sowie deren Rückstreuung und Oxidation (durch Sauerstoff im Restgas und adsorbierte Wasserfilme) zu Aluminium(hydr)oxid. Darauf können sich Ladungsträger ansammeln und Spannungsdifferenzen entlang der Oberfläche erzeugen, die sich von Zeit zu Zeit durch Gleitfunken ausgleichen. Für sich genommen sind diese harmlos, wirken aber als Zündquellen für Hochspannungsüberschläge (stromstarke Bogenentladungen) von der Kathode zur Masse. Diese bewirken eine Aufrauhung der Kathode und eine weitere Zunahme der Überschlagsneigung mit wachsender Betriebsdauer durch Feldemission aus scharfkantigen Mikrostrukturen (wie „Kraterränder“, Spitzen, verspritzte Schmelztröpfchen).
Die im Behandlungsgut applizierte Dosis wird neben der (per Beschleunigungsspannung gut kontrollierbaren) Energie der Elektronen auch von deren (mit gewisser Unsicherheit behafteten) Stromdichte bestimmt. Diese Unsicherheit rührt daher, dass die Emissionsstromdichte der vom lonenbeschuss der Kaltkathode ausgelösten Sekundärelektronen stark von der chemischen und morphologischen Beschaffenheit der Kathodenoberfläche abhängt. Je nachdem, ob diese metallisch blank oder mit einer dünnen Oxidhaut belegt ist, werden weniger oder mehr Sekundärelektronen pro Projektil-Ion ausgelöst. Das Verhältnis der beiden Spezies wird als Townsend'scher Sekundärelektronen-Koeffizient bezeichnet und in der Fachliteratur üblicherweise mit „γ“ abgekürzt. Er kann sich im Zeitverlauf ändern - wie aus der Literatur gut bekannt, aufgrund von lonenbeschuss (und daraus resultierendem Sputterabtrag von Belägen und oberflächennahen Randschichten der Kathode), Desorption von Wasser, variierendem Sauerstoff-Partialdruck (und dadurch gesteuertem Aufwachsen dielektrischer Verbindungsschichten auf der Kathodenoberfläche). Weniger ausführlich untersucht und in der Literatur dokumentiert, aber plausibel sind Einflüsse der Oberflächenrauigkeit und Kristallit-Struktur, somit der Halbzeugqualität und des Alterungszustands der Kaltkathode über die Betriebsdauer.
Von y aber hängt der Wirkungsgrad der Strahlerzeugung ab - also wieviel Elektronenstrom (aus der Kathode heraus) durch wieviel (vom Hochspannungsgerät in die Kathode geliefertem) Kathodenstrom entsteht. Dieses Verhältnis (und somit letztlich der Strahlstrom) ist messtechnisch schwierig zu bestimmen, da der (im Hochspannungsgerät leicht messbare) Kathodenstrom nicht nur die Kompensation der Ladungsmenge der emittierten negativen Elektronen, sondern ununterscheidbar auch die der absorbierten positiven Ionen leistet.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass

1) der Strahlstrom zwar monoton vom Kathodenstrom abhängt, aber sein genauer Wert bei Unkenntnis des Koeffizienten y unbekannt ist und
2) messtechnisch nicht direkt erfassbare Änderungen des Koeffizienten y trotz eines konstanten Kathodenstroms unbemerkte Änderungen des Strahlstromes nach sich ziehen und
3) örtliche Variationen des Koeffizienten y sich unmittelbar in ebenfalls nicht bestimmbare Variationen der lokalen Elektronenstromdichte übersetzen.

Dies sind fundamentale Schwäche von Kaltkathoden, die bei Aufskalierung der Kathodenfläche immer stärker durchschlagen.
Ein weiteres gravierendes Problem stellt die Lokalisierungsneigung des Drahtanodenplasmas dar, das die zur Auslösung der Sekundärelektronen aus der Kathode erforderlichen Ionen produziert. Technologieseitig angestrebt ist oftmals eine möglichst gute (rotationssymmetrische) Homogenität der Plasmadichte, um eine homogene Stromdichte der auf die Kathode treffenden Ionen und somit auch der von dieser entlang des Umfangs emittierten Sekundärelektronen zu erzielen. Bei kleinen Entladungsströmen (wie sie zur Ausregelung kleiner Elektronenströme benötigt werden) und niedrigen Drücken (die für eine stabile Isolation der Hochspannung förderlich sind) neigt eine Drahtanodenentladung aber dazu, nicht mehr gleichmäßig über den gesamten Umfang der Quelle, sondern nur noch in der Umgebung einiger weniger Drähte zu brennen. Entsprechend sind dann auch Ionen- und Elektronenstrom auf diesen Sektor konzentriert. Neben einer über den Umfang der Quelle ungleichmäßig verteilten Behandlungsdosis kann dieser Zustand auch zu einer Zerstörung des Elektronenaustrittsfensters aufgrund lokaler thermischer Überlastung der Titanfolie führen, da der Strahlstrom in seiner vollen programmierten Höhe auf eine wesentlich kleinere Fläche des Elektronenaustrittsfensters trifft.
Letztlich sind es genau diese störenden Effekte, denen durch die in den oben zitierten Schriften EP 3 590 125 B1 und EP 3 642 861 B1 durch Segmentierung des Plasmaraumes entgegengewirkt werden sollte, allerdings eben um den Preis der durch die Wandungen der Segmente hervorgerufenen, über den Umfang systematisch ungleichmäßigen Plasma-, Ionen- und Elektronenstromdichte und somit auch der Behandlungsdosis.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels derer die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung ringförmige Elektronenstrahlquellen dahingehend weiterentwickeln, dass auch Kaltkathodenquellen dauerhaft betriebsstabil bleiben, das Behandlungsgut (Schüttgutpartikel, Stranggut oder Fluide) während des Vorbeiführens an einem Elektronenaustrittsfenster mit einer zeitlich und über dessen gesamten Umfang örtlich wohldefinierten (je nach Behandlungsgut und technologischen Erfordernissen homogenen oder winkelabhängig einstellbaren) Elektronendosis beaufschlagt, Schmutzpartikel vom Elektronenaustrittsfenster ferngehalten sowie der Aufwand für die Kühlung der Anlage verringert und trotzdem ein hoher Durchsatz von Behandlungsgut zugelassen werden.
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.
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.
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 mit beschleunigten Elektronen zu behandelnde Objekte durch dieses Volumen im Inneren des Ringes hindurchgeführt werden können. 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.
Ein solcher ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger umfasst ein ringförmiges Gehäuse, welches einen ringförmigen evakuierbaren Raum begrenzt und ein ringförmiges Elektronenaustrittsfenster aufweist; ein erstes Reservoir, in welchem ein Arbeitsgas enthalten ist; mindestens einen ersten Einlass für das Zuführen des Arbeitsgases aus dem ersten Reservoir in den ringförmigen evakuierbaren Raum; mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode, zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma im ringförmigen evakuierbaren Raum erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma auf die Oberfläche einer ringförmigen zweiten Kathode beschleunigbar sind und von der ringförmigen zweiten Kathode emittierte Elektronen mittels einer, zwischen der ringförmigen zweiten Kathode und einer ringförmigen zweiten Anode, angelegten zweiten elektrischen Spannung in Richtung ringförmiges Elektronenaustrittsfenster beschleunigbar sind. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner das Gehäuse als erste Kathode ausgebildet und die erste Anode umfasst eine Anzahl von drahtförmigen Elektroden, welche sich vollständig oder teilweise durch den ringförmigen evakuierbaren Raum hindurch erstrecken. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner ein zweites Reservoir, in welchem eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthalten ist, welche durch den mindestens einen ersten Einlass in den ringförmigen evakuierbaren Raum einlassbar ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Ringachse des ringförmigen Gehäuses senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet, so dass zum Beispiel mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Schüttgut von oben nach unten durch die Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses hindurchfallen kann. Hierbei kann innerhalb der Ringöffnung ein Schutzgitter angeordnet sein, welches das Elektronenaustrittsfenster mechanisch vor den herabfallenden Schüttgutpartikeln schützt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erste Einrichtung auf, mit welcher innerhalb der Ringöffnung (also innerhalb des Volumens, welches vom Elektronenaustrittsfenster umschlossen wird) eine von unten nach oben gerichtete Strömung eines gasförmigen Mediums (wie zum Beispiel Luft) ausgebildet werden kann, welche dem freien Fall der Schüttgutpartikel entgegenwirkt und die Schüttgutpartikel in ihrem Fall abbremst. Dadurch kann die durchschnittliche Verweilzeit der Schüttgutpartikel vor dem Elektronenaustrittsfenster erhöht und infolge dessen ein Elektronenstrahlerzeuger mit geringerer Leistung verwendet werden, um ein gleiches Bestrahlungsergebnis zu erzielen wie mit Elektronenstrahlerzeugern aus dem Stand der Technik, bei denen Schüttgutpartikel im freien Fall an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden.
Eine solche aufwärts gerichtete Strömung eines gasförmigen Mediums kann zum Beispiel ausgebildet werden, wenn das gasförmige Medium mittels der ersten Einrichtung von unten in den Zwischenraum zwischen dem Elektronenaustrittsfenster und dem Schutzgitter eingeblasen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:

1 eine schematische und perspektivische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen ringförmigen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung der ringförmigen Vorrichtung aus 1 als Draufsicht;
3 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine schematische Schnittdarstellung eines alternativen Schutzgitters;
5 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine schematische Explosionsdarstellung eines rotationssymmetrischen Elements aus 5.

In 1 und 2 sind ein und dieselbe erfindungsgemäße ringförmige Vorrichtung 100 schematisch dargestellt, wobei die Vorrichtung 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.
Die ringförmige Vorrichtung 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. Der evakuierbare Raum 102a wird auch als erster evakuierbarer Raum und der evakuierbare Raum 102b als zweiter evakuierbarer Raum bezeichnet. Dieser evakuierbare Raum ist aufgrund der Gehäuseform ebenfalls ringförmig ausgebildet und weist bei einer bevorzugten Ausführungsform keine, den evakuierbaren Raum in Ringsegmente unterteilende, Wandungen auf, so dass der evakuierbare Raum über den gesamten Ringumfang betrachtet durchgehend ausgebildet ist. Alle nachfolgend beschriebenen, zur Vorrichtung 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 ersten Einlass 120 im Gehäuse 101 wird ein Arbeitsgas, welches in einem ersten Reservoir 121 enthalten ist, in den evakuierbaren Raum eingelassen und mittels mindestens einer in 1 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. In 1 ist der mindestens eine erste Einlass 120 derart dargestellt, dass dieser in den evakuierbaren Raum 102a mündet. Alternativ und auch bevorzugt mündet der mindestens eine erste Einlass in den evakuierbaren Raum 102b.
Eine ringförmige 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 erzeugbar ist. Erfindungsgemäß wurde bei der Vorrichtung 100 gemäß 1 und 2 das Gehäuse 101 als erste Kathode ausgebildet, wobei das als erste Kathode ausgebildete Gehäuse 101 beispielsweise das elektronische Massepotential der Vorrichtung 100 aufweisen kann.
Die erste Anode der Vorrichtung 100, welche nachfolgend auch als Elektronenstrahlerzeuger 100 bezeichnet wird, umfasst eine Anzahl drahtförmiger Elektroden 105, 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 Ringachse 103 herum angeordnet sind. Dabei werden die drahtförmigen Elektroden 105, 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 hindurchgeführt. Aufgrund der zwischen den drahtförmigen Elektroden 105 und der ersten Kathode angelegten elektrischen Spannung wird ein Plasma im evakuierbaren Raum 102a ausgebildet. Der evakuierbare Raum 102a wird deshalb nachfolgend auch als Plasma-Raum 102a bezeichnet.
Ein erfindungsgemäßer 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.
Die zweite Kathode stellt bei einem erfindungsgemäßen 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.
Bei dem in 1 beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger 100 weisen die zweite Anode 108 und die erste Kathode 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 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 das vom ringförmigen Gehäuse 101 umschlossene Volumen 114 vor, in dem ein höherer Druck als im evakuierbaren Raum herrschen kann und durch das 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 und Kühlung des Elektronenaustrittsfensters 104 vorteilhaft, dieses mit einem Stützgitter zu versehen, wie es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Zuvor wurde beschrieben, dass beim Auftreffen der Ionen auf den Oberflächenbereich 110 der zweiten Kathode 107 Sekundärelektronen ausgelöst werden. Zusätzlich werden dabei aber leider auch Materialpartikel der Kathode abgesputtert, aus welchen in einem reaktiven Prozess auch elektrisch nicht leitfähige Oxide gebildet werden, welche sich in den Randbereichen des Oberflächenbereichs 110 auf der zweiten Kathode 107 ablagern und dort nicht erwünschte Arcs verursachen, was wiederum zu Prozessinstabilitäten führt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfasst daher auch noch ein zweites Reservoir 122, in welchem eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthalten ist und welche ebenfalls wie das Arbeitsgas durch den mindestens einen ersten Einlass 120 in einem gasförmigen oder dampfförmigen Zustand in den evakuierbaren Raum eingelassen wird. Bevorzugt kann zum Beispiel ein Alkohol als kohlenwasserstoffhaltige Verbindung in den evakuierbaren Raum eingelassen werden. Durch das Einlassen einer kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung in den evakuierbaren Raum wird (infolge von Crackprozessen, die vom Plasma und den Strahlelektronen bewirkt werden) auch Kohlenstoff in die parasitären Ablagerungen auf der zweiten Kathode 107 mit eingebunden, was die elektrische Leitfähigkeit der Ablagerungen erhöht, Oberflächengleitentladungen unterbindet und so die Arcneigung verringert.
Da die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung gasförmig oder dampfförmig in den evakuierbaren Raum eingelassen werden soll, ist es vorteilhaft, wenn hierfür eine leicht flüchtige kohlenwasserstoffhaltige Verbindung verwendet wird. Aus der Gruppe der Alkohole sind zum Beispiel Methanol, Propanol und insbesondere Ethanol besonders als kohlenwasserstoffhaltige Verbindung geeignet.
Um die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung in den evakuierbaren Raum einzulassen, kann die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung beispielsweise in flüssiger Form im zweiten Reservoir vorliegen und das Arbeitsgas, welches ebenfalls in den evakuierbaren Raum eingelassen werden soll, durch die flüssige kohlenwasserstoffhaltige Verbindung im zweiten Reservoir hindurchgeleitet und anschießend durch den ersten Einlass 120 in den evakuierbaren Raum eingelassen werden. Bei solch einer Vorgehensweise werden dampfförmige Bestandteile der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung mit dem Arbeitsgas in den evakuierbaren Raum eingetragen. Alternativ kann die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung aber auch mittels eines separaten Mass-Flow-Controllers in den evakuierbaren Raum eingelassen werden.
Bezogen auf das durch den ersten Einlass in den evakuierbaren Raum eingetragene Volumen ist es vorteilhaft, wenn die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung einen Anteil von etwa 0,5 bis 10 Volumenprozent aufweist. Vorzugsweise weist die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung einen Anteil von etwa 2 bis 6 Volumenprozent auf.
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.
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.
Wie zuvor schon einmal dargelegt wurde, sind die drahtförmigen Elektroden 105, welche in Summe die erste Anode darstellen, elektrisch isoliert durch die Wandungen des Gehäuses 101 geführt und erstrecken sich bei einer Ausführungsform parallel zur Ringachse 103 und vollständig durch den evakuierbaren Raum 102a. Bei einer alternativen Ausführungsform durchdringen zumindest einige der drahtförmigen Elektroden 105 nur eine Wandung des Gehäuses 101 und enden innerhalb des evakuierbaren Raums 102a ohne die gegenüberliegende Wandung zu durchdringen. Derartige drahtförmige Elektroden 105 werden nachfolgend auch als Stummelanoden bezeichnet. Durch den Einsatz von Stummelanoden kann die Plasmaausbildung im evakuierbaren Raum 102a förderlich beeinflusst und dadurch der Einsatzbereich der Vorrichtung 100 vergrößert werden. Insbesondere sinkt beim Einsatz von Stummelanoden die Lokalisierungsneigung des Plasmas, und geringere Entladungsströme, somit auch geringe Strahlströme, lassen sich stabiler steuern.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist jeder drahtförmigen Elektrode 105 eine separate Stromversorgungseinrichtung zugeordnet, welche der zugeordneten drahtförmigen Elektrode 105 das Anodenpotenzial bereitstellt. Alternativ kann auch mehreren drahtförmigen Elektroden 105 eine Stromversorgungseinrichtung zugeordnet sein, welche das gleiche Anodenpotenzial für alle zugeordneten drahtförmigen Elektroden 105 bereitstellt. Die einer Stromversorgungseinrichtung zugeordneten Elektroden können zum Beispiel benachbarte drahtförmige Elektroden 105 sein. Alternativ können einer Stromversorgung auch drahtförmige Elektroden 105 zugeordnet sein, die sich aus einer Reihenfolge, wie zum Beispiel jede zweite drahtförmige Elektrode 105, jede dritte drahtförmige Elektrode 105 oder jede vierte drahtförmige Elektrode 105 usw. ergeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 eine Stromversorgungseinrichtung mit vier unabhängig voneinander steuerbaren Kanälen zum Bereitstellen des Anodenpotenzials für die erste Anode. Jeder der vier Kanäle der Stromversorgungseinrichtung ist einem anderen 90°-Ringsektor des ringförmigen Raums 102a zugeordnet, wobei alle drahtförmigen Elektroden 105 eines 90°-Ringsektors elektrisch leitfähig mit dem zugehörigen Kanal der Stromversorgungseinrichtung verbunden sind, so dass alle drahtförmigen Elektroden 105 eines 90°-Ringsektors ein und dasselbe Anodenpotenzial aufweisen. Alternativ kann die Stromversorgungseinrichtung mit vier Kanälen auch durch vier separate Stromversorgungseinrichtungen oder durch zwei Stromversorgungseinrichtungen mit jeweils zwei separat steuerbaren Kanälen ersetzt werden. Mit einer solchen Schaltungskonstellation der drahtförmigen Elektroden 105 lassen sich die vier 90°-Ringsektoren separat zum Zweck der Plasmaausbildung steuern. Der jeweilige Entladungsstrom in den einzelnen Ringsektoren und im Ergebnis dessen auch der Elektronenstrom bzw. die Behandlungsdosis in den korrespondierenden Umfangsbereichen der Kathode bzw. des atmosphärenseitigen Behandlungsraumes können dann so gesteuert werden, dass sich ein zeitlich und über den gesamten Umfang des Elektronenaustrittsfensters auch örtlich wohldefinierter (je nach Behandlungsgut und technologischen Erfordernissen homogener oder ringwinkelabhängig einstellbarer) Verlauf ergibt.
Bei einer Stromversorgungseinrichtung mit vier Kanälen können die einzelnen Kanäle der Stromversorgungseinrichtung entweder gemeinsam aber mit frei programmierbarem Stromsollwert betreibbar sein oder aber diese sind alternativ nacheinander betreibbar, wobei die Reihenfolge des Betreibens, die Dauer des Betreibens und der zeitliche Versatz der einzelnen Kanäle frei programmierbar sind.
Die vier 90°-Ringsektoren können zum Beispiel alle gleichzeitig angesteuert werden. Dabei kann die örtliche Entladungsstromstärke in den einzelnen Sektoren je nach Bedarf gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Es hat sich jedoch als problematisch erwiesen, alle vier 90°-Ringsektoren gleichzeitig mit der für das Ausbilden eines stabilen Plasmas erforderlichen Energie zu speisen. Bevorzugt ist daher die Stromversorgungseinrichtung mit den vier Kanälen derart eingestellt, dass immer nur ein Kanal oder eine Gruppe von zwei oder drei Kanälen aktiv ist und die Anodenspannung für die drahtförmigen Elektroden 105 der zugehörigen 90°-Ringsektoren bereithält und dass die 90°-Ringsektoren bzw. Gruppen nacheinander angesteuert werden. Dabei müssen benachbarte 90°-Ringsektoren nicht notwendig unmittelbar nacheinander angesteuert werden. Zweckmäßig kann auch sein, gegenüberliegende 90°-Ringsektoren nacheinander anzusteuern. Dies kann dann wieder mit wahlweise (bzw. technologiekonform) identischer oder unterschiedlicher Entladungsstromstärke erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Entladungsstromstärke in jedem 90° Ringsektor bzw. jeder Gruppe gleich einstellbar, was die Schwankung der Stromabforderung vom zugehörigen Hochspannungsgerät minimiert. Das Ausregeln einer im zeitlichen Mittelwert über den Umfang homogenen oder winkelabhängig zu variierenden Elektronstromdichte und Behandlungsdosis ist hierbei realisierbar mittels einer individuellen Einschaltdauer („Duty Cycle“) der 90°-Ringsektoren bzw. Gruppen. Für eine willige Plasmazündung und zur möglichst gleichmäßigen Stromabforderung vom Hochspannungsgerät ist es zudem vorteilhaft, einen frei programmierbaren zeitlichen Versatz zwischen Abschaltung des (der) vorhergehenden und Zuschaltung des (der) nächsten 90°-Ringsektors (bzw. Gruppe) vorzusehen.
3 zeigt die schematische Schnittdarstellung einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Als Basis der Vorrichtung 300 fungiert eine ringförmige Vorrichtung, wie sie zu den 1 und 2 beschrieben ist. Daher umfasst die Vorrichtung 300 auch ein ringförmiges Gehäuse 101, bei welchem die Ringachse 103 senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet ist, so dass zum Beispiel mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Schüttgut von oben nach unten durch die Ringöffnung des ringförmige Gehäuses 101 hindurchfallen kann. Ein zylinderförmiges Schutzgitter 330 ist innerhalb der Ringöffnung vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 angeordnet, welches das Elektronenaustrittsfenster mechanisch vor herabfallenden Schüttgutpartikeln schützt. Das Schutzgitter 330 kann zum Beispiel aus einem hitzebeständigen Gazematerial bestehen.
Mittels einer ersten Einrichtung 331 wird eine Strömung 332 eines gasförmigen Mediums ausgebildet, welche zwischen dem Elektronenaustrittsfenster 104 und dem Schutzgitter 330 von unten nach oben ausgerichtet ist. Einerseits kühlt diese Strömung 332 das Elektronenaustrittsfenster 104 und andererseits bremst das gleichzeitig auch noch durch das Schutzgitter 330 hindurchdringende gasförmige Medium den Fall der Schüttgutpartikel, was die durchschnittliche Verweilzeit der Schüttgutpartikel vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 erhöht.
Außerdem werden durch das zusätzliche Einbringen des gasförmigen Mediums im Bereich zwischen Elektronenaustrittsfenster 104 und dem Schutzgitter 330 Schmutzpartikel, welche mit den Schüttgutpartikeln nach unten fallen und welche kleiner als die Öffnungen des Schutzgitters 330 sind, vom Elektronenfenster 314 ferngehalten, wodurch dessen Verschmutzung verringert und somit dessen Lebensdauer erhöht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung 300 mindestens einen Sensor auf, mittels dessen erste Ist-Werte, welche die Fallgeschwindigkeit der Schüttgutpartikel vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 repräsentieren, erfasst werden. innerhalb einer ersten Auswerteeinrichtung werden diese Ist-Werte mit einem ersten Soll-Wert für die Fallgeschwindigkeit der Schüttgutpartikel verglichen und ein erster Vergleichswert generiert und in Abhängigkeit vom ersten Vergleichswert die Intensität der Strömung 332 des gasförmigen Mediums geregelt. Die Intensität der Strömung 332 des gasförmigen Mediums kann beispielsweise verändert werden, indem mittels einer Stelleinrichtung die Leistung der ersten Einrichtung 331 verändert wird. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Schüttgutpartikel mit einer homogenen und/oder vorgegebenen Dosis an beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden.
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 4 ist ein alternatives Schutzgitter 404 schematisch dargestellt, welches zumindest im Höhenbereich des Elektronenaustrittsfensters 104 lediglich vertikal verlaufende, metallene erste Drähte 430 umfasst, die zwischen einen oberen Anschlussring 431 und einem unteren Anschlussring 432 gespannt sind und wobei jeweils benachbarte erste Drähte 430 mit einem Maß voneinander beabstandet sind, dass kleiner ist als der Durchmesser der Schüttgutpartikel. Die zweiten Drähte 430 verlaufen somit auch parallel zur Ringachse 103 des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers. Horizontal verlaufende Drähte eines Schutzgitters vor einem Elektronenaustrittsfenster haben den Nachteil, dass am Schutzgitter von oben nach unten vorbeigleitende Schüttgutpartikel Stoßenergie in die horizontal verlaufenden Drähte eintragen, was zur Verformung bzw. Beschädigung eines Schutzgitters führen kann. Mit einem Schutzgitter 404 gemäß 4, welches nur vertikal verlaufende erste Drähte 430 aufweist, wird eine solche Fehlerquelle ausgeschlossen. Ein solches Schutzgitter 404 kann bei allen vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen eingesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform sind die metallenen ersten Drähte 430 einzeln oder in Gruppen elektrisch isoliert voneinander ausgebildet. Mittels mindestens einer Messeinrichtung ist der durch einen jeweiligen ersten Draht 430 bzw. eine erste Gruppe von ersten Drähten (430) fließende elektrische Strom bzw. ein zweiter Ist-Wert, der diesen elektrischen Strom repräsentiert, erfassbar und wird an eine zweite Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Dieser zweite Ist-Wert wird innerhalb der zweiten Auswerteeinrichtung mit einem zweiten Soll-Wert für den elektrischen Strom verglichen, infolgedessen ein zweiter Vergleichswert entsteht. In Abhängigkeit vom zweiten Vergleichswert ist dann der Kathodenstrom des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers im zugehörigen 90°-Ringsegment mittels der Entladungsstromstärke und/oder der Entladungsdauer steuerbar. Auf diese Weise kann eine Qualitätskontrolle dahingehend betrieben werden, ob das Beaufschlagen mit beschleunigten Elektronen in allen Ringsegmenten homogen bzw. nach einer vorgegebenen Winkelverteilung über den Umfang und mit der erforderlichen Bestrahlungsintensität erfolgt oder nicht. In Abhängigkeit vom zweiten Vergleichswert kann also der Kathodenstrom des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers mittels der Entladungsstromstärke und/oder der Entladungsdauer in den einzelnen 90°-Ringsegmenten bzw. Gruppen gesteuert werden.
Durch die direkte und zeitlich wie örtlich auflösende Messung der Elektronenstromdichte im Behandlungsraum können deren einleitend geschilderte Unbestimmtheit (infolge eines unbekannten oder sich lokal bzw. zeitlich ändernden Townsend'schen Sekundärelektronen-Koeffizienten y) ausgeräumt und eine technologiekonforme Behandlungsdosis gesichert werden.
In 5 ist eine zweite alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 500 schematisch im Schnitt dargestellt, welche zunächst alle Elemente und Merkmale der Vorrichtung 300 aus 3 aufweist. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 500 ein rotationssymmetrisches Element 516, dessen Rotationsachse identisch ist mit der Ringachse 103 der ringförmigen Vorrichtung 100 und der ringförmigen Vorrichtung 300. Das rotationssymmetrische Element 516 ist in 6 noch einmal etwas detaillierter in einer Explosionsdarstellung schematisch abgebildet.
Das rotationssymmetrische Element 516 weist zunächst einen Grundkörper 620 in Form eines Hohlzylinders auf, wobei die Mantelfläche des Hohlzylinders aus metallenen zweiten Drähten 621 besteht, die zwischen ein oberes Anschlusselement 622 und ein unteres Anschlusselement 623 gespannt sind und welche parallel zur Ringachse 103 des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers verlaufen. Benachbarte zweite Drähte 621 sind jeweils mit einem Maß beabstandet, welches kleiner ist als der Durchmesser der Schüttgutpartikel, welche durch die Ringöffnung fallen, so dass keine Schüttgutpartikel in das Innere des Grundkörpers 620 gelangen können. Das obere Anschlusselement 622 und das untere Anschlusselement 623 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 zweiten Drähte 621 zumindest über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters 104 erstrecken.
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 104 und dem Grundkörper 620 des rotationssymmetrischen Elements 516 geleitet, wodurch ein dünner ringförmiger Vorhang von Schüttgutpartikeln ausgebildet und am Elektronenaustrittsfenster 104 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 291702 A5 [0003]
DE 4434767 C1 [0005]
WO 9843274 A1 [0006]
DE 19942142 A1 [0008]
DE 102013111650 B3 [0009, 0010]
DE 102013113688 B3 [0009]
EP 3590125 B1 [0011, 0020]
EP 3642861 B1 [0011, 0020]

Claims

Ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, umfassend ein ringförmiges Gehäuse (101), welches einen ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b) begrenzt und ein ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) aufweist; mindestens ein erstes Reservoir (121), welches ein Arbeitsgas enthält; mindestens einen ersten Einlass (120) für das Zuführen des Arbeitsgases aus dem ersten Reservoir (121) in den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b); mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode, zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma (106) im ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma (106) auf die Oberfläche (110) einer ringförmigen zweiten Kathode (107) beschleunigbar sind und von der ringförmigen zweiten Kathode (107) emittierte Elektronen mittels einer zwischen der ringförmigen zweiten Kathode (107) und einer ringförmigen zweiten Anode (108) angelegten zweiten elektrischen Spannung in Richtung ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) beschleunigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (101) als erste Kathode ausgebildet ist; dass die erste Anode eine Anzahl von drahtförmigen Elektroden (105) umfasst, welche sich vollständig oder teilweise durch den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) hindurch erstrecken, wobei in einem zweiten Reservoir (122) eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthalten ist, welche durch den mindestens einen ersten Einlass (120) in den evakuierbaren Raum (102a; 102b) einlassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmigen Elektroden (105) innerhalb des ringförmigen evakuierbaren Raums (102a) ringförmig um die Ringachse (103) des ringförmigen Gehäuses (101) angeordnet sind und parallel zur Ringachse (103) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringachse (103) des ringförmigen Gehäuses (101) senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylinderförmiges Schutzgitter (330; 404) vor dem Elektronenaustrittsfenster (104) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Schutzgitter (404), welches zumindest im Bereich vor dem Elektronenaustrittsfenster (104) lediglich vertikal verlaufende erste Drähte (430) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikal verlaufenden ersten Drähte (430) einzeln oder in Gruppen elektrisch isoliert voneinander ausgebildet sind; mittels mindestens einer Messeinrichtung ein zweiter Ist-Wert für den durch einen der vertikal verlaufenden ersten Drähte (430) oder eine Gruppe der ersten Drähte (430) des Schutzgitters (404) fließende elektrische Strom erfassbar ist; mittels einer zweiten Auswerteeinrichtung der zweite Ist-Wert mit einem zweiten Sollwert für den elektrischen Strom vergleichbar und ein zweiter Vergleichswert generierbar sind; in Abhängigkeit vom zweiten Vergleichswert der Kathodenstrom des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers im zugehörigen 90°-Ringsegment steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (331), mittels welcher innerhalb der Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses (101) eine von unten nach oben gerichtete Strömung (332) eines gasförmigen Mediums erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens einen Sensor, mittels dessen ein erster Ist-Wert, welcher die Fallgeschwindigkeit von mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden Schüttgutpartikeln vor dem Elektronenaustrittsfenster (104) repräsentiert, erfassbar ist; eine erste Auswerteeinrichtung, mittels welcher der erste Ist-Wert mit einem ersten Soll-Wert für die Fallgeschwindigkeit der Schüttgutpartikel vergleichbar und ein erster Vergleichswert generierbar ist und eine Stelleinrichtung, mittels welcher die Leistung der ersten Einrichtung (331) in Abhängigkeit vom ersten Vergleichswert regelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch eine rotationssymmetrische Einrichtung (516), deren Rotationsachse identisch mit der Ringachse (103) ist, umfassend einen Grundkörper (620) in Form eines Hohlzylinders, wobei die Mantelfläche des Hohlzylinders aus parallel zur Ringachse (103) verlaufenden, metallenen zweiten Drähten (621) besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stromversorgungseinrichtung mit vier unabhängig voneinander steuerbaren Kanälen zum Bereitstellen des Anodenpotenzials für die erste Anode, wobei jeder der vier Kanäle der Stromversorgungseinrichtung einem anderen 90°-Ringsektor des ringförmigen Raums 102a zugeordnet ist und wobei alle drahtförmigen Elektroden (105) eines 90°-Ringsektors elektrisch leitfähig mit dem zugehörigen Kanal der Stromversorgungseinrichtung elektrisch leitfähig verbunden sind, so dass alle drahtförmigen Elektroden (105) eines 90°-Ringsektors ein und dasselbe Anodenpotenzial aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der Stromversorgungseinrichtung gemeinsam aber mit frei programmierbarem Stromsollwert betreibbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Kanäle der Stromversorgungseinrichtung nacheinander aber mit frei programmierbarer Reihenfolge, Dauer und programmierbarem zeitlichen Versatz betreibbar sind.