DE1050459B - Method and device for irradiating an object with electrons of high energy - Google Patents
Method and device for irradiating an object with electrons of high energyInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
INTERNAT. KL.INTERNAT. KL.
PATENTAMTPATENT OFFICE
H 05 gH 05 g
H31206VIIIC/21,H31206VIIIC / 21,
A 2 31 3/005 ANMELDETAG: 25. SEPTEMBER 1957A 2 31 3/005 REGISTRATION DATE: SEPTEMBER 25, 1957
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 1 2. FE B R UAR 1 959NOTICE
THE REGISTRATION
AND ISSUE OF THE
EDITORIAL: 1 2. FE BR UAR 1 959
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchstrahlen von Gegenstanden mit Elektronen hoher Energie und insbesondere auf die Durchstrahlung mit Elektronen hoher Energie von einem einzigen Elektronenstrahlerzeuger derart, daß die Ionisierungsenergie der Elektronen hoher Energie in wirksamerer Art ausgenutzt wird.The invention relates to a method and a device for irradiating objects with electrons of high energy and in particular on irradiation with electrons high energy from a single electron gun such that the ionization energy of the electrons high energy is used in a more effective way.
Man stellt zunehmend fest, daß alle Arten lebender Organismen von Gammastrahlen und Elektronen hoher Energie nachteilig beeinflußt werden und daß tödliche Wirkungen auf nicht gewellte Organismen durch Dosierungen hervorgerufen werden können, welche die Temperatur von Wasser nur um einige Grad Celsius erhöhen. Die wachsende Verfügbarkeit von Elektronenströmen hoher Energie ermöglicht die praktische Anwendung dieses Wissens auf die Sterilisation vieler wichtiger Produkte, wie z. B. Pharmazeutika, chirurgische Instrumente, tierische Gewebe für Transplantationen sowie für die Konservierung bestimmter Nahriing[srtxittgl. Einzig die Elektronenquellen hoher Energie scheinen in deutlicher Unterscheidung von den Gammastrahlenquellen genügend Gesamtausgangsleistung zu haben, um die beträchtlichen Materialmengen wirtschaftlich zu bewältigen, die Sterilisation oder Konservierung erfordern.It is increasingly recognized that all types of living organisms are adversely affected by gamma rays and high energy electrons and that lethal effects on non-corrugated organisms can be produced by dosages which increase the temperature of water by only a few degrees Celsius. The growing availability of high energy electron streams enables the practical application of this knowledge to the sterilization of many important products, such as: B. pharmaceuticals, surgical instruments, animal tissue for transplants and for the preservation of certain nutrients [srtxittgl. Only the high-energy electron sources, clearly differentiated from the gamma-ray sources, seem to have sufficient overall output power to economically handle the considerable amounts of material that require sterilization or preservation.
Außerdem ist die Möglichkeit, verschiedene Formen der Ionisierungsdurchstrahlung zu benutzen, um chemische Reaktionen zu fördern, kürzlich erforscht worden, einschließlich chemischer Reaktionen, die in hohem Maße endotherm sind und beträchtliche Energiemengen in konzentrierter Form erfordern, un'd exothermer chemischer Reaktionen, die durch die anfängliche Anwendung konzentrierter Energie ausgelöst werden. Unter verfügbaren Quellen von Ionisierungsstrahlung scheinen Elektronen hoher Energie das beste Mittel zu sein für die Abgabe von Ionisierungsenergie in wirksamer Weise und gesteuert auf eine Substanz oder Substanzen zum Zwecke der Förderung chemischer Reaktionen.There is also the possibility of using different forms of ionization irradiation Promoting chemical reactions has recently been explored, including chemical reactions that occur in are highly endothermic and require considerable amounts of energy in concentrated form, un'd exothermic chemical reactions triggered by the initial application of concentrated energy will. Among available sources of ionizing radiation, electrons of high energy appear to be the best means of delivering ionization energy in an effective and controlled manner a substance or substances for the purpose of promoting chemical reactions.
Messungen der Eigenschaften von Elektronen hoher Energie haben gezeigt, daß ihr Bereich in typischen Materialien klein ist, verglichen mit dem von Gammastrahlen. Ein 2-Millionen-Volt-Elektron hat einen maximalen Bereich im Wasser von 1 cm. Jenseits dieses Grenzbereiches gibt es keinen Ionisierungseffekt, weil der maximale Ionisierungseffekt bei einem Drittel dieses Bereiches auftritt. Obgleich praktische Elektronenquellen hoher Energie für viele Millionen Volt geschaffen werden können, wird eine solche Vorrichtung höherer Energie progressiv teurer und besitzt oft auch eine niedrigere Ausgangselektronenstromkapazität. Measurements of the properties of high energy electrons have shown that their range is in typical Materials is small compared to that of gamma rays. A 2 million volt electron has one maximum area in the water of 1 cm. Beyond this limit there is no ionization effect, because the maximum ionization effect in one Third of this area occurs. Although practical sources of high energy electrons for many millions Volts can be created, such a higher energy device becomes progressively more expensive and possesses often also a lower output electron current capacity.
Eine übliche Methode, um den Durohdringungs-Verfahren und VorrichtungA common way to do the penetration procedure and device
zum Durchstrahlen eines Gegenstandesfor irradiating an object
mit Elektronen hoher Energiewith high energy electrons
Anmelder:Applicant:
High Voltage Engineering Corporation,
Burlington, Mass. (V. St. A.)High Voltage Engineering Corporation,
Burlington, Mass. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. H. Gortz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27Representative: Dipl.-Ing. H. Gortz, patent attorney,
Frankfurt / M., Schneckenhofstr. 27
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. September und 8. Oktober 1956Claimed priority:
V. St. v. America September 28th and October 8th, 1956
John Clarence Nygard, Lexington, Mass.,
Roy Melvin Emanuelson, Reading, Mass.,John Clarence Nygard, Lexington, Mass.,
Roy Melvin Emanuelson, Reading, Mass.,
Davis Rieh Dewey, Lincoln, Mass.,Davis Rieh Dewey, Lincoln, Mass.,
und John George Trump, Winchester, Mass. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt wordenand John George Trump, Winchester, Mass. (V. St. A.) have been named as inventors
30 bereich eines verfügbaren Elektronenstromes zu verdoppeln,
besteht darin, den Gegenstand nacheinander von beiden Seiten zu durchstrahlen, wie durch Umkehren
des Gegenstandes und erneutes Durchstrahlen oder mittels Durchstrahlen des Gegenstandes gleichzeitig
von zwei Elektronenquellen aus. Das erstere ist jedoch auf die Durchstrahlung von Material in fester
Form begrenzt, während das letztere die zusätzlichen Kosten und den Raum für eine zweite Elektronenquelle
erfordert. Weiter würde eine Unterbrechung oder Modulation der Elektronenintensitat nicht beide
Erscheinungen gleichzeitig nachteilig beeinflussen, es sei denn, daß der Gegenstand gleichzeitig von zwei
Elektronenquellen durchstrahlt wird, bei denen eine besondere elektronische Kupplung eingefügt ist. Infolgedessen
würde es schwierig sein, das teilweise durchstrahlte Material erneut zu durchstrahlen, um
seine Dosierung auf die richtige Höhe zu bringen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zum Durchstrahlen eines Gegenstandes mit Elektronen hoher Energie
wird erfindungsgemäß der Elektronenstrahl in einer einzigen Elektronenquelle erzeugt und gleichzeitig
auf mindestens zwei Seiten des zu durchstrahlenden Gegenstandes ausgerichtet.To double the range of an available electron flow consists in irradiating the object one after the other from both sides, such as by reversing the object and irradiating it again or by irradiating the object simultaneously from two electron sources. However, the former is limited to irradiation of material in solid form, while the latter requires the additional cost and space for a second electron source. Furthermore, an interruption or modulation of the electron intensity would not adversely affect both phenomena at the same time, unless the object is irradiated simultaneously by two electron sources in which a special electronic coupling is inserted. As a result, it would be difficult to re-irradiate the partially irradiated material to bring its dosage to the correct level.
In the present method for irradiating an object with electrons of high energy, according to the invention, the electron beam is generated in a single electron source and simultaneously aligned on at least two sides of the object to be irradiated.
1-· 809 749/3151- · 809 749/315
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigt Further features, advantages and possible applications of the present invention result from the drawings and from the description below. It shows
Fig. 1 eine etwas schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Elektronenstrahlerzeuger und Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes,1 shows a somewhat schematic side view of a first embodiment of the device according to FIG Invention with an electron gun and means for generating a magnetic field,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teiles der Vorrichtung nach Fig. 1, und zwar rechtwinklig zu der Darstellung nach Fig. 1,FIG. 2 is a side view of part of the device according to FIG. 1, at right angles to the illustration according to Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht ähnlich einem Teil nach Fig. 1 mit Darstellung einer Abwandlung eines Teiles der Vorrichtung gemäß Fig. 1,3 shows a side view similar to a part according to FIG. 1, showing a modification of a part the device according to FIG. 1,
Fig. 4 eine etwas schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,FIG. 4 shows a somewhat schematic side view of a further embodiment of the device according to FIG the invention,
Fig. 5 eine Ansicht längs der Linie 5-5 nach Fig. 4,FIG. 5 is a view taken along line 5-5 of FIG. 4;
Fig. 6 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 4, und zwar rechtwinklig zu der Darstellung nach Fig. 4,6 shows a side view of the device according to FIG. 4, specifically at right angles to the representation according to FIG Fig. 4,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Teiles der Vorrichtung gemäß Fig. 4,7 shows a schematic representation of part of the device according to FIG. 4,
Fig. 8 eine etwas schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,FIG. 8 shows a somewhat schematic side view of a further embodiment of the device according to FIG the invention,
Fig. 9 eine Aufsicht der Mittel zur Erzeugung einer Kombination von Magnetfeldern nach Fig. 8 und9 shows a plan view of the means for generating a combination of magnetic fields according to FIGS. 8 and
Fig. 10 ein Schema der Elektronenbahnen in der Vorrichtung nach Fig. 8.FIG. 10 shows a diagram of the electron trajectories in the device according to FIG. 8.
Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen einen Elektronenstrahlerzeuger 1 mit elektrostatischem Beschleuniger für die Beschleunigung von Elektronen auf hohe Energie, wie insgesamt mit 1 angezeigt. Der Elektronenbeschleuniger 1 kann einen elektrostatischen Generator gemäß USA.-Patentschrift 2 252 668 in Verbindung mit einer Beschleunigerröhre gemäß USA.-Patent 2 517 260 aufweisen. Wahlweise kann der Elektronenbeschleuniger 1 einen linearen Mikrowellenbeschleuniger enthalten,, wie er in »The Proceedings of the Physical Society« (1948) von WaI-kinshaw in Bd.61, S.246 bis 254, von R. Shersby-Harvie in Bd. 61, S. 255 bis 270, und von Mullett und Leach in Bd. 61, S. 271 bis 283, beschrieben wird, oder irgendein anderer Elektronen'beschleuniger, beispielsweise ein Resonanztransformator.1 and 2 illustrate an electron gun 1 with an electrostatic accelerator for the acceleration of electrons to high energy, as indicated overall by 1. The electron accelerator 1 may use an electrostatic generator in accordance with U.S. Patent 2,252,668 in conjunction with an accelerator tube in accordance with U.S. Patent 2,517,260. Optionally, the electron accelerator 1 can be a linear microwave accelerator included, as in "The Proceedings of the Physical Society" (1948) by WaI-kinshaw in Vol. 61, pp. 246 to 254, by R. Shersby-Harvie in Vol. 61, pp. 255-270, and by Mullett and Leach in Vol. 61, pp. 271-283 or any other electron accelerator for example a resonance transformer.
Die Elektronen treten aus dem Elektronenstrahlerzeuger 1 als Elektronenstrahl hoher Energie in ein evakuiertes Anschlußrohr 2 ein. Dieses Rohr 2 endet in einem sich erweiternden Teil 3, dessen Ende durch ein Lenardfenster 4 gegen die Atmosphäre abgeschlossen ist. Eine Strählenabtastvorrichtung 5 gibt dem Elektronenstrahl eine Abtastbewegung in der Ebene des Objekts entsprechend denUSA.-Patenten2 602 751 und 2 729 748.The electrons enter from the electron gun 1 as a high-energy electron beam evacuated connecting pipe 2. This tube 2 ends in a widening part 3, the end of which goes through a Lenard window 4 is closed against the atmosphere. A beam scanner 5 gives this Electron beam scanning motion in the plane of the object according to U.S. Patents 2,602,751 and 2,729,748.
Ein Objekt 6, das durchstrahlt werden soll, wird in die Bahn des Elektronenstrahles 7 gebracht, welcher aus dem Lenardfenster 4 austritt, und zwar mittels eines Trägers 8, der beweglich oder stationär sein kann und in den Fig. 1 und 2 als Transportband gezeigt ist. Dieser Träger 8 muli so ausgeführt sein, daß die Absorption der Energie von den hindurchgehenden Elektronen auf einem Mindestmaß gehalten wird. Die Fläche des Objekts 6 ist geringer als die Fläche, die den Elektronenstrahl 7 in der Objektebene abtastet, wie in Fig. 1 veranschaulicht, so daß ein wesentlicher Teil des Elektronenstrahles 7 an dem Objekt 6 vorbeigeht, ohne dieses zu treffen.An object 6 that is to be irradiated is brought into the path of the electron beam 7, which emerges from the lenard window 4 by means of a carrier 8 which can be movable or stationary can and shown in Figs. 1 and 2 as a conveyor belt is. This carrier 8 muli be designed so that the absorption of energy from the passing through Electrons is kept to a minimum. The area of the object 6 is less than the area that the electron beam 7 scanned in the object plane, as illustrated in Fig. 1, so that a substantial Part of the electron beam 7 passes the object 6 without hitting it.
Mit Hilfe des Magnets 9 werden alle Elektronen des Elektronenstrahles 7, welche am Objekt 6 vorbeilaufen, derart abgelenkt werden, daß sie auf das Objekt 6 zurückgeleitet werden. Alle in das Magnetfeld eintretenden Elektronen werden in gekrümmte Bahnen abgelenkt, weiche den gleichen konstanten Kriimmungsradius haben, vorausgesetzt, daß das Magnetfeld homogen ist und der Elektronenstrahl einen vernachlässigbaren Energiestreuungsbereich hat.With the help of the magnet 9, all electrons of the electron beam 7, which pass the object 6, are deflected in such a way that they are returned to the object 6. All in the magnetic field Entering electrons are deflected into curved paths, giving way to the same constant radius of curvature provided that the magnetic field is homogeneous and the electron beam is negligible Has energy spreading area.
Die Stärke des erforderlichen Magnetfeldes kannThe strength of the required magnetic field can
en, daß das Objekt Krümmungsradius η en durchlaufenen al der Energie der inenvolt ist. Somit isten that the object's radius of curvature η en traversed al the energy of inenvolt is. So is
annähernd daraus errecrapproximately from it excitatory
ίο des Magnetfeldes in Ga
in Zentimeter der von
Kreisbahn annähernd gle1
Elektronen in Millionen
für 2-MeV-Elektronen und für einen Krümmungsradius von 15 cm ein Magnetfeld von etwa 400 Gauß
erforderlich.ίο of the magnetic field in Ga
in centimeters that of
Circular path approximately equal to 1
Electrons in millions
for 2 MeV electrons and for a radius of curvature of 15 cm a magnetic field of about 400 Gauss is required.
Das in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte System weist eine Magnetstrahlenrückführung in Luft auf, so daß keine Vakuumkammer dafür erforderlich ist. Der Luftspalt zwischen den Polflächen 10 des Magnets 9 sollte bezüglich des Durchmessers des Elektronenstrahles breit sein, wie in Fig. 2 gezeigt wird, um die Strahlenverluste auf Grund von Inhomogenitäten, Raumladung und Streuung herabzusetzen. Beispielsweise kann der Luftspalt etwa 75 mm breit sein.The system illustrated in Figures 1 and 2 has magnetic beam return in air, see above that no vacuum chamber is required for it. The air gap between the pole faces 10 of the magnet 9 should be wide in terms of the diameter of the electron beam as shown in FIG Reduce radiation losses due to inhomogeneities, space charge and scattering. For example the air gap can be about 75 mm wide.
Verluste auf Grund von Ionisation und Streuung in atmosphärischer Luft lassen sich auf ein Mindestmaß herabsetzen, wenn der zurückgeführte Teil des Elektronenstrahles 7 entweder in einem evakuierten Bereich wandert oder durch ein Gas geringer Dichte, wie Helium. Der Druck in dem evakuierten Bereich braucht nicht so niedrig zu sein wie der Druck, der in der Beschleunigerröhre und der Röhre 2 vorherrscht und der mittels einer mechanischen Pumpe erreicht werden kann. Wird Helium verwendet, läßt es sich bei atmosphärischem Druck halten, da die niedrige Dichte von Helium schon selbst eine wesentliche Herabsetzung von Ionisations- und Streuungsverlusten schafft. Ein Beispiel dafür gibt die Fig. 3 wieder. Ein Ende des Hohlraumes 11, welches so geformt ist, daß der zurückgeführte Teil des Elektronenstrahles 7 hindurchgehen kann, ist an dem erweiterten Teil 3 der Röhre 2, der durch das Lenardfenster 4 abgeschlossen ist, befestigt, während das andere Ende des Hohlraumes 11 in einem zweiten Lenardfenster 12 endet. Das Innere des Hohlraumes 11 ist auf diese Weise gegen die Atmosphäre durch das zweite Fenster 12 und gegen den evakuierten Bereich des Elektronenstrahlerzeugers 1 durch das erste Lenardfenster 4 getrennt. Das Innere des Hohlraumes 11 kann mittels einer Vakuumpumpe 13 evakuiert werden, oder es kann ein Gas niedriger Dichte, wie Helium, eingeführt werden. Natürlich läßt sich auch eine öffnung in dem Teil des Lenardfensters 4 vorsehen, an den sich der Raum 11 anschließt, so daß das Innere des Raumes 11 mit dem Inneren der Röhre 2 in Verbindung steht; in diesem Fall muß das gleiche hohe Vakuum in dem Raumi 11 wie in der Röhre 2 aufrechterhalten werden.Losses due to ionization and scattering in atmospheric air can be minimized decrease when the returned part of the electron beam 7 is either in an evacuated area migrates or through a low density gas such as helium. The pressure in the evacuated area need not be as low as the pressure prevailing in the accelerator tube and tube 2 and which can be achieved by means of a mechanical pump. If helium is used, it can keep at atmospheric pressure, since the low density of helium is itself a substantial decrease of ionization and scattering losses. An example of this is shown in FIG. 3. A End of the cavity 11, which is shaped so that the returned part of the electron beam 7 pass through can is on the enlarged part 3 of the tube 2, which is closed by the Lenard window 4 is attached, while the other end of the cavity 11 ends in a second Lenard window 12. The interior of the cavity 11 is in this way against the atmosphere through the second window 12 and separated from the evacuated area of the electron gun 1 by the first Lenard window 4. The interior of the cavity 11 can be evacuated by means of a vacuum pump 13, or it a low density gas such as helium can be introduced. Of course, an opening can also be made Provide in the part of the Lenard window 4 to which the space 11 adjoins, so that the interior of the Space 11 communicates with the interior of the tube 2; in this case must be the same high vacuum in the Raumi 11 as in the tube 2 are maintained.
öo In der in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Ausführungsform sind der Elektronenstrahlerzeuger und -beschleuniger 1 und die Abtastvorrichtung 5 ähnlich wie l>ei der Ausführungsform nach Fig. 1.öo In the embodiment shown in FIGS the electron gun and accelerator 1 and scanning device 5 are similar to l> ei of the embodiment according to FIG. 1.
Die beschleunigten Elektronen treten in die evakuierte Röhre 2 ein, die in den Teil 3 übergeht, an dessen unterem Ende sich zwei Hohlräume 4', 5' anschließen, die durch je ein Lenardfenster 6', T abgeschlossen sind. Die Röhre 2, der erweiterte Teil 3 und die beiden Hohlräume 4', 5' bilden alle zusammen einen Teil des evakuierten Bereiches des Elektronen<strahlerzeugers 1,The accelerated electrons enter the evacuated tube 2, which merges into part 3, at the lower end of which there are two cavities 4 ', 5' which are each closed by a Lenard window 6 ', T. The tube 2, the widened part 3 and the two cavities 4 ', 5' all together form part of the evacuated area of the electron beam generator 1,
Claims (12)
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