DE1046789B - Verfahren zur Behandlung fester Materialien mit Stark-bzw. Hochenergieelektronen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Behandlung fester Materialien durch Bestrahlung mit Elektronen mit Energiegehalten der Größenordnung von 0,5 MeV und höher, um die chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Materialien umzuwandeln.

Der Zweck des vorliegenden Verfahrens besteht darin, eine bessere Verteilung der Strahlungseinwirkung im zu behandelnden Körper zu erzielen.

Während der Behandlung kann der Körper im Hinblick auf die Ausgangsquelle der Teilchen sich im Ruhezustand befinden, oder er kann vor der Austrittsöffnung der Teilchen gleichmäßig weiterbewegt werden, und zwar quer zur Bewegungsrichtung der Teilchen, die aus der Elektronenquelle austreten und auf den Körper hin gerichtet sind.

Der Elektronenstrom bzw. -strahl kann schwingend auf bekannte Art und Weise durch magnetische oder elektrostatische Ablenkmittel zur Einwirkung gebracht werden, um den zu behandelnden Körper abzutasten, und zwar entweder quer zum Körper oder längs des Körpers oder in beiden Richtungen.

Der Strahl kann im allgemeinen, wenn der Körper in bezug auf die Elektronenquelle feststeht, sowohl quer als auch längs in der Weise schwingen, daß der ganze Körper bestrahlt wird, und wenn der Körper gleichmäßig an der Elektronenquelle vorbeibewegt wird, kann der Strahl quer zur Bewegungsrichtung des Körpers sowohl nur quer oder längs als auch in beiden Richtungen schwingen.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet des vorliegenden Verfahrens ist die Bestrahlung von Körpern, die sich ununterbrochen durch einen Elektronenstrom hindurcbbewegen und weiche solche Abmessungen, oder auch Formen haben, daß eine genügend gleichmäßige Durchdringung mit den Elektronen, um die gewünschte chemische oder pyhsikalische Änderung über den ganzen Querschnitt des Körpers bei nur einem Durchlauf durch den Teilchenstrom zu bewirken, nicht erreicht werden kann. Ein solcher Körper ist beispielsweise ein isoliiertes elektrisches Kabel, bei dem durch den oder die Leiter oder Adern verhindert wird, daß die Elektronen ein Teilstück odler Teilstücke der Isolierung völlig durchdringen. Auch kann ein Kabel, welches in. Richtung der Strahlenachse keine gleichmäßige Dickenabmessung aufweist, nicht gleichmäßig bei einem einzigen Durchlaufen durch einen Strahl hindurch bestrahlt werden.

Bei dem vorlegenden Verfahren zur Behandlung eines festen Körpers mit Elektronen, welche eine Energie in der Größenordnung von 0,5 MeV oder höher aufweisen, bei dem der Körper in einem Elektronenstrahl angeordnet oder durch ihn hindurchbewegt wird, wird erfHidiungsgemäß eine gleichmäßige Bestrahlung des Körpers dadurch erreicht, daß der Verfahren zur Behandlung
fester Materialien mit Starkbzw. Hochenergieelektronen

Anmelder:

British Insulated Callender's Cables
Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 14. November 1955

Robert Monro Black, HerneBay, Kent (Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

Strahl auf eine oder mehrere metallische Flächen auftrifft, welche in bezug auf den Körper so angeordnet sind, daß die Hoch^ oder Starkenergieteilchen, welche von der Fläche bzw. den Flächen zerstreut oder abgelenkt werden, den Körper durchdringen. Die Gleichmäßigkeit der Bestrahlung des Körpers kann weiterhin zweckmäßig durch teilweise oder vollständige Abschirmung des ganzen Körpers oder eines Teiles desselben gegen die Hochenergieteilchen, welche unmittelbar von der Ausstrahlungsquelle ausgestrahlt werden, eine Verbesserung oder Steigerung erfahren. Wenn derartige Abschirmungen verwendet werden, muß jedoch die Wirkung der durch die Abschirmung ausgestrahlten Gammastrahlen in Rechnung gezogen werden, da diese Gammastrahlen selbst im allgemeinen ähnliche Wirkungen auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials haben.

Obgleich jedes Metall, das sich entsprechend

formen läßt, verwendet werden kann» um die Flächen, von denen die Teilchen zerstreut bzw. abgelenkt werden, zu bilden, ist es besonders vorteilhaft, ein Schwermetall, wie beispielsweise Blei oder Thorium, zu verwenden. Wenn Flächen aus Blei, benutzt werden, können die 'Bleibarren, welche die Flächen bilden, zweckmäßigerweise außerdem als ein Teil des Scbutzschiirmes der Vorrichtung wirken. Die Flächen können flach oder gekrümmt, beispielsweise zylindrisch, parabolisch oder sphärisch, ausgebildet sein.

In gleicher Weise können, wenn der ganze Körper oder ein Teil desselben gegen die unmittelbare

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Wirkung des Strahles oder gegen die zerstreuten oder abgelenkten Elektronen abgeschirmt werden soll, Bleioder andere Metallabschirmungen verwendet werden. Die Abschirmungen und/oder Metallbauteile, welche die Streu- bzw. Ablenkungsfläche bilden, können mit Leitungen zwecks Aufnahme des Kühlmittels versehen sein, oder sie können, falls erforderlich, auch auf andere Art und Weise gekühlt werden.

Wenn auch das vorliegende Verfahren für die Bestrahlung eines beliebigen Körpers verwendbar ist, der eine Dickenabmessung bzw. Wandstärke bat, welche parallel zur Strahlenachse ungleichmäßig ist, oder der ungleichmäßige Strahlenundurcblässigkeit aufweist, so eignet sie sich besonders gut für die Bestrahlung langer Körper, wie beispielsweise elekirischer Kabel, welche gleichmäßig bzw. fortlaufend durch den Strahl von Hochenergieteilchen hindurch fortbewegt werden. Der Zweck der Behandlung besteht in diesem Falle darin, die physikalischen Eigenschaften des Isolierungsmaterials zu verbessern, das z. B. aus einem ein hohes Molekulargewicht aufweisenden thermoplasischen linearen Polymer oder aus natürlichem oder synthetischem Elastomer bestehen kann.

Eine bevorzugte Anordnung für die Behandlung des Kabels ist folgende: Das Kabel wird gleichmäßig bzw. fortlaufend in einer horizontalen Ebene durch einen Elektronenstrahl weiterbewegt, dabei ist der Strahl lotrecht nach unten auf das Kabel gerichtet. Der Elektronenstrahl kann feststehend sein, oder er kann sowohl nur quer als auch quer und längs zugleich in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kabels schwingen. Die Strahlenteile, welche nicht unmittelbar auf die obere Fläche des Kabels einwirken, fallen auf zwei Reflektorflächen, welche auf einer Linie senkrecht unter der Kabelachse zusammentreffen, und diese Reflektorflächen sind so geformt und angeordnet, daß an jedem Punkt einer der beiden Flächen diese Fläche einen spitzen Winkel mit der horizontalen Ebene bildet, durch welche das Kabel hindurchgeführt wird. Die einfachste Ausführungsform ist die, bei welcher die Flächen plan bzw. eben sind und einen rechten Winkel zueinander bilden (d. h., sie liegen in einem Winkel von 45° zur horizontalen Ebene).

Bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens ist es zwar häufig unnötig, das Kabel um seine Achse zu drehen', wenn es an der Elektronenquelle einmal vorbei weiterbewegt wird bzw. zwei- oder mehrmals, wenn dabei jeweils die entgegengesetzten Seiten aufeinanderfolgend der Elektronenquelle ausgesetzt sind Doch kann die Verwendung der Streu- bzw. Ablenkungsfläche als Ergänzung einer jeden dieser beiden Behandtangs- oder Verfahrensweisen in Betracht kommen, um dadurch ihren Wirkungsgrad zu erhöhen. Wenn das Kabel sich um seine .Achse dreht, ist es im allgemeinen vorzuziehen, den Strahl sowohl quer als auch längs schwingen zu lassen, und zwar derart, daß die gesamte Oberfläche des Kabels durch den Strahl abgetastet wird.

Wenn sich das Kabel nicht dreht, ist es, falls eine angemessene Gleichmäßigkeit in der Änderung der Eigenschaften des Isolierungsmaterials bei einem einzigen Durchgang durch den Strahl hindurch erreicht werden soll, wichtig, die obere Fläche des Kabels gegen eine unmittelbare Bestrahlung abzuschirmen, z. B. mittels einer flachen Metallabschirmung, welche über dem Kabel angeordnet ist und eins Breite hat, die dem Kabeldurchmesser entspricht bzw. gleich ist, oder durch einen Stab oder ein Rohr, welcher bzw. welches den gleichen Durchmesser wie das Kabel hat und parallel zu diesem verläuft. Wenn ein Rohr verwendet wird, kann es mittels einer durchlaufenden Flüssigkeit gekühlt werden.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt

Fig. 1 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Teiles einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 2 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht des gleichen Teiles der Vorrichtung in einem verkleinerten Maßstab, während

Fig. 3 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer zweiten möglichen Ausführungsform der Vorrichtung wiedergibt.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist die Elektronenquelle für die Behandlung der Isolierung eines Kabels von der Gattung eines Van de Graafschen elektrostatischen Beschleunigers, welcher so eingerichtet ist, daß er einen Strahlenstrom von 200 Mikroampere bei 2 MeV liefert. Der Teil des Strahles, der die höchste Intensität aufweist, wird durch die Fläche 1 wiedergegeben. Dieser Strahl tritt durch das dünne Aluminiumfenster 2 der Abtastkammer des Beschleunigers aus. Ein Teil der unteren Wand der Kammer ist bei 3 dargestellt. An der Kammer ist ein kastenähnldchea: Aufbau befestigt, der aus Kupfer hergestellt ist und die beiden Seitenwände 4 und 5 und einen unteren Teil aufweist, der aus zwei flachen Kupferplatten 6 und 7 besteht. Die Platten 6 und 7 sind an ihren unteren Kanten zusammengefügt, um einen Karaal zu bilden, der im Querschnitt V-förmig ist, und sie sind nahe ihrer Oberkante mittels Winkelträger 8 und 9 an den Seitenwänden 4 und 5 auswechselbar befestigt. Die Seitenwände 4 und 5 wiederum sind durch Schraubenbolzen 10 und 11 mit der unteren Wand 3 der Abtastungskammer verbunden, wobei die Bolzen mit isolierten Unterlegscheiben und Muffen (nicht dargestellt) derart versehen sind, daß die Seitenwände und somit der gesamte Kastenaufbau gegen, die AbtaBtungskammer und gegen ein zweites Fenster 12, welches das Fenster 2 schützt, isoliert sind. Der gesamte Kastenaufbau ist über ein Mikroamperemeter, welches als Meßgerät für den Strahlenstrom dient, geerdet.

Die Platten 6 und 7, welche den unteren Teil des Kaetenaufbaues bilden, sind mit polierter Bleifolie 13 überzogen, und sie tragen an ihrer unteren Fläche Kupferrohre 14, durch die Kühlwasser geleitet wird.

Das Kabel 15, welches in diesem Falle aus einem litzenfÖrmigen Leiter aus sieben 0,029 Zoll (0,75 mm) starken verzinnten Kupferadern besteht und welches mit Polyäthylen isoliert ist, das eine Wandstärke von 0,1 Zoll (2,54 mm) hat, wird horizontal durch den unteren Teil des Kastenaufbaues über die Leitrollen 16, 17 geführt. Die obere Fläche der Kabelisolierung wird gegen den direkten Strahl mittels eines mit Streifen versehenen Kupferrohres 18 abgeschirmt, das durch einen Kühlwasserkreislauf gekühlt wird.

Der Elektronenstrahl wird in eine Richtung, die parallel zur Kabelachse liegt, abgelenkt, und zwar in einem -solchen Ausmaß, daß der Teil des Strahles, der die höchste Intensität hat, einen Abstand bzw. Zwischenraum in der Größenordnung von 5 Zoll (127 mm), gemessen entlang der Kabelachse, bedeckt. Die Breite des Strahles quer zur Kabekchse ist derart bemesseni, daß die Elektronen an der Einfassung des Teiles 1, die dann die höchste Intensität haben, wenn sie optisch von den die Platten 6 und 7 verkleidenden Bleifolien zurückgeworfen werden, gerade noch mit

Claims (12)

der oberen Fläche der Kabelisolierung in Berührung kommen, was schematisch durch die in Fig. 1 eingezeichneten strichpunktierten Linien 19, 20 dargestellt ist. Das Kabel ist ebenfalls so angeordnet, daß die Elektronen, welche soeben noch an den Streifen des Kupferrohres 18 vorbeigehen., falls sie optisch reflektiert werden, genau mit der unteren Fläche der Kabelisolierung in Berührung kommen, was durch die strichpunktierten Linien 21, 22 angedeutet wird. Es ist festgestellt worden, daß bei einem einmaligen Durchführen des Kabels durch die Vorrichtung hindurch mit einer Geschwindigkeit von 2 Zoll (50,8 mm) je Sekunde, ohne es um seine Achse zu drehen, der Isolierung eine Strahlendosis in der Größenordnung von. 30 Mrep. (Mega-Röntgen) gegeben wird, was eine ausreichende Gleichmäßigkeit durch die Isolierung hinduroh für praktische Zwecke ist. Die gleiche Vorrichtung kann ohne das Kupferabschirmrohr 18 für die Bestrahlung eines Kabels verwendet werden, das dabei um seine Achse gedreht wird. Zum Beispiel wird ein Kabel, welches einen Leiter aufweist, der aus neunzehn 0,084 Zoll (2,1336 mm) dicken verzinnten Kupferaderlitzen besteht, die durch eine Schicht von Polyäthylen der gleichen Qualität, das eine Wandstärke von 0,1 Zoll (2,54 mm) hat, isoliert sind, einmal· durch die Vorrichtung geführt bei der Verwendung des gleichen Strahles, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 1 Fuß (30,48 cm) je Minute, während das Kabel mit 2,4 U/min um seine Achse gedreht wird. Dabei wird wieder eine Dosis in der Größenordnung von 30 Mrep. (Mega-Röntgen) für praktische Zwecke genügender Gleichmäßigkeit an die Isolierung gegeben. Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, bei welcher die verwendete Elektronenquelle wieder ein Van de Graaffseher Beschleuniger ist, der aber in diesem Falle so eingerichtet ist, daß er einen Strahl von 250 Mikroampere bei 1 MeV liefert. Der Teil des Strahles, der die höchste Intensität hat, ist unter 24, aus dem Fenster 25 austretend, dargestellt. Das zu bestrahlende Kabel 26 ist eine einzelne verzinnte Kupferader mit einem Durchmesser von 0,024 Zoll (0,6096 mm), welches mit einer Isolierungsschicht von Polyäthylen versehen ist, das eine Wandstärke von 0,015 Zoll (0,381 mm) hat. Das Kabel 26 läuft von einer Kabeltrommel (nicht dargestellt) über eine mit einer Laufrille versehenen Rolle 27 und eine glatte Leitrolle 28 rund um eine zweite, mit einer Laufrille versehenen Rolle 29 und über eine zweite glatte Leitrolle 30 auf die Rolle 27 zurück. Es läuft dann rund um die Rolle 27 in einer Laufrille, die neben der Rille liegt, durch die es zuerst gelaufen ist, und es folgt einem gleichartigen, parallel zu dem ersten liegenden Weg rund um die Rolle 29. Das Kabel läuft so lange um die mit Laufrillen versehenen Rollen 27 und 29 und über die Leitrollen 28 und 30, bis es einundfünfzigmal durch den Strahl hindurchgelaufen ist, dann endlich läuft es von der Rolle 29 nach einer Aufspultrommel. Die Laufrillen auf den Rollen 27 und 29 sind mit Abständen voneinander angeordnet, die etwas kleiner als das Zweifache des gesamten Durchmessers des Kabels sind, so daß die Kabellängen, welche zwischen den beiden mit Laufrollen versehenen Rollen liegen, einen Abstand zueinander einhalten, der etwas kleiner ist als der gesamte Durchmesser des Kabels. Alle Rollen sind frei beweglich auf Spindeln bzw. Achsen befestigt, die zwischen zwei parallelen Platten 31 gehalten werden, wobei die Platten vermittels einer horizontalen Platte 32 und des Abstandhalters in Abstand zueinander gehalten werden. Eine flache, polierte Bleiplatte 34, die Vs Zoll (3,175 mm) dick ist, wird auf der Platte 32 festgehalten. Während jedes Kabeldurchgangs von der Rolle 27 nach der Rolle 29 wird eine Seite des Kabels bestrahlt, und bei jedem Rücklauf des Kabels von der Rolle 29 nach der Rolle 27 wird die andere Seite des Kabels bestrahlt. Die Breite des Teiles des Strahles, bei welchem er die höchste Intensität hat, gemessen in der Ebene des Kabels und der Bewegungsrichtung des Kabels, beträgt etwa 1 Zoll (25,4 mm). Der Strahl wird quer zur Bewegungsrichtung des Kabels über eine Entfernung von annähernd 5 Zoll (127 mm) abgetastet bzw. abgelenkt, um die einundfünfzig parallelen Kabellängen zu bedecken, die über die Streu- bzw. Ablenkungsplatten 34 kufen, zu der sie einen Abstand von Ve Zoll (3,175 mm) einhalten. Kühlluft oder -gas wird auf die Teile des Kabels, die sich im Strahl befinden, auf die Streu- bzw. Ablenkungsplatte gerichtet. Es wurde festgestellt, daß, wenn die Aufspulgesohwindigkeit des Kabels 9 Fuß (2,7432 mm) je Minute beträgt, der Isolierung eine im wesentlichen gleichmäßige Dosis von 80 Mrep. (Mega-Röntgen) gegeben wird. Die unter den gleichen Verhältnissen, aber ohne die Streu- bzw. Ablenkplatte erhaltene Dosis beträgt Mrep. (Mega-Röntgen). Die Wandstärke des Metalls, welche für die Streubzw. Ablenkungsflächen verwendet wird, ist nicht kritisch, da anscheinend der größte Teil der Streuung bzw. Ablenkung durch die obersten molekularen Schichten bewirkt wird. Es ist vorteilhaft, wenigstens zweimal die halbe Wandstärke desjenigen Metalls zu nehmen, welches für die durch die Ausgangsquelle ausgestrahlte Strahlenenergie errechnet wird. P A T E N T Λ N S P R Ü C H E:

1. Verfahren zur Behandlung eines festen Körpers, mit Elektronen, welche eine Energie in der Größenordnung von 0,5 MeV oder höher aufweisen, bei dem der Körper in einem Elektronenstrahl angeordnet oder durch ihn hindurchbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichmäßigere Bestrahlung des Körpers dadurch erreicht wird, daß der Strahl auf eine oder mehrere metallische Flächen auftrifft, welche in bezug auf den Körper so angeordnet ist bzw. sind, daß die Hoch- oder Starkenergieteilchen, die von der oder den Flächen zerstreut oder abgelenkt werden, den Körper durchdringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Steigerung in der Gleichmäßigkeit der Bestrahlung des Körpers durch Abschirmung des ganzen Körpers oder nur eines Teiles desselben gegen die Hoch- bzw. Starkenergieteilchen erhalten wird.

3: Verfahren nach Anspruch 1 zur Behandlung der Isolierung eines elektrischen Kabels, bei welchem das Kabel in Richtung seiner Achse durch einen Elektronenstrahl bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl auf eine metallische Fläche bzw. Flächen auftrifft, welche in bezug auf das Kabel so angeordnet ist bzw. sind, daß Hochenergieteilchen, welche von der Fläche bzw. den Flächen zerstreut oder abgelenkt werden, die Isolierung durchdringen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ganze Isolierung oder ein Teil derselben gegen Hochenergieteilchen abgeschirmt

ist, welche unmittelbar von der Ausgangsquelle ausgestrahlt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel in einer Ebene, im rechten Winkel zur Hauptrichtung des Strahles, bewegt wird und die Teile des Strahles, welche nicht unmittelbar auf die obere Fläche des Kabels einwirken, auf zwei metallische Reflektorflächen fallen, die in einer Linie parallel mit der Kabelachse und lotrecht unter ihr zusammentreffen und so geformt und angeordnet sind, daß an jedem beliebigen Punkt die Fläche einen spitzen Winkel mit der besagten Ebene bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel ein oder mehrmals um seine Achse gedreht wird, wenn es durch den Strahl hindurchbewegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel wenigstens zweimal durch den Strahl hindurchbewegt wird und daß ein oder mehrmals die eine Seite der strahlenliefernden Quelle ausgesetzt wird und ein oder mehrmals die entgegengesetzte Seite der strahlenliefernden Quelle ausgesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel in einer Ebene im rechten Winkel zur Hauptrichtung des Kabele bewegt wird, jedoch durch eine metallische Abschirmung gegen den Strahl abgeschirmt ist, und daß die Abschirmung eine Breite hat, die im wesentlichen gleich dem Kabeldurchmesser ist, und daß die Teile des Strahles, weiche nicht unmittelbar auf die Oberfläche der Abschirmung einwirken, auf zwei metallische Reflektorflächen fallen, welche in einer Linie, welche parallel zur Kabelachse und lotrecht unter ihr liegt, zusammentreffen, und die so geformt und angeordnet sind, daß an jedem Punkt der Flächen die Fläche einen spitzen Winkel mit der besagten Ebene bildet.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Isolierung gegen die Elektronenquelle abgeschirmt ist und daß das Kabel nur einmal durch den Strahl hindurchbewegt und während seines Durchlaufes durch den Strahl nacht um seine Achse gedreht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Flächen ebene Flächen sind, welche im wesentlichen im rechten Winkel zueinander stehen.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelisolierung aus Polyäthylen besteht.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Fläche bzw. die metallischen Flächen, von welcher bzw. welchen die Elektronen zerstreut oder abgelenkt werden, polierte Schwermetallflächen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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