DE202008013531U1

DE202008013531U1 - Elektronenstrahler mit Austrittsfenster

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Publication number: DE202008013531U1
Application number: DE202008013531U
Authority: DE
Original assignee: RTW ROENTGEN TECHNIK DR WARRIK; Rtw Rontgen-Technik Dr Warrikhoff & Co KG GmbH
Current assignee: RTW ROENTGEN TECHNIK DR WARRIK; Rtw Rontgen-Technik Dr Warrikhoff & Co KG GmbH
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2018-10-14

Abstract

Elektronenstrahler (10) zur Erzeugung ionisierender Strahlung, insbesondere von Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen, aufweisend ein insbesondere evakuiertes Gehäuse (1) mit einem durch ein, für die Elektronenstrahlen durchlässiges, Fenster (8) abgedeckten Strahlenaustrittsfenster (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (8) zum Abführen der, durch die das Fenster durchtretende und/oder auftreffende Elektronenstrahlung erzeugten Wärme aus einem hoch wärmeableitenden Material besteht, wobei das wärmeableitende Material des Fensters (8) aus einem hochorientierten pyrolytischen Grafit (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Elektronenstrahler zur Erzeugung ionisierender Strahlung, insbesondere von Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen, aufweisend ein insbesondere evakuiertes Gehäuse mit einem von einem, für die Elektronenstrahlung durchlässigen, Fenster abgedeckten Strahlenaustrittsfenster und ein Fenster für ein Strahlenaustrittsfenster eines Elektronenstrahlers. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Elektronenstrahlers.
Elektronenstrahler nennt man solche elektronischen Röhren, die einen in ihrem Inneren zwischen einer Anode und einer Kathode erzeugten Elektronenstrahl durch ein hierfür vorgesehenes Strahlenaustrittsfenster mit einem geeigneten Fenster, dem so genannten Lenard-Fenster, in die Atmosphäre gelangen lassen. Als ein Fenster wird in vorliegender Spezifikation stets eine vorzugsweise dünnwandige Abdeckung einer Fensteröffnung eines Elektronenstrahlers bezeichnet, wie es in der Elektronenstrahlen- bzw. der Röntgentechnik üblich ist.
Die Elektronenstrahler werden in steigendem Maße industriell eingesetzt. Anwendungsfelder sind beispielsweise eine schnelle Polymerisation von Lacken und Körpern aus Kunststoffen ohne Wärmezufuhr oder chemische Zusatzstoffe, Sterilisation von Lebensmitteln und deren Behältern sowie von medizinischen Artikeln und anderem.
Da die Schwächung insbesondere der Elektronen-Strahlen in Materialien mit deren chemischer Ordnungszahl zunimmt, werden für diese Fenster vorzugsweise Materialien aus Elementen niedriger chemischer Ordnungszahl wie Beryllium, Aluminium, Titan o. Ä. verwendet.
Auch die Dicke des Fensters wird so gering wie möglich gewählt, damit die Strahlenschwächung in dem Fenster geringer ausfällt. Trotzdem muss eine leckfreie Vakuum-Abdichtung gegen den äußeren Atmosphärendruck gewährleistet sein, besonders wenn man auf eine ständig einsatzbereite Vakuumpumpe verzichten will. Üblich sind Scheibendicken im Bereich um etwa 10 μm. Wegen seiner extrem hohen Dehnungsfestigkeit wird beispielsweise überwiegend Titan für Elektronenstrahlfenster verwendet. Titan weist jedoch immerhin eine chemische Ordnungszahl von 22 auf.
Andererseits verliert ein Elektronenstrahl durch die physikalisch bedingte Schwächung infolge einer Vielzahl von Stößen Elektronenabsorption im Material des Fensters einen so hohen Energiebetrag, dass diese Fenster in der Regel über eine zusätzliche, beispielsweise honigwabenartige Struktur aus Kupfer gestützt und gekühlt werden müssen, wodurch die spezifische Strahlungsleistung des Elektronenstrahlers begrenzt wird.
In dem Dokument US 2004/0125919 A1 ist ein Fenster aus HOPG-Material für die Röntgen-Strahlenerzeugung beschrieben. Hier handelt es sich um ein Fenster für Röntgen-Strahlenerzeugung, bei dem die verwendeten Fensterscheibendicken von 0,5–1,5 mm für Röntgenanwendungen auch mit „weicher” Röntgenstrahlung ausreichend dünn sind. Strahlenaustrittsfenster aus HOPG dieser Dicke lassen jedoch keine nennenswerten Elektronenstrahlen mit kinetischen Energien von einigen hundert keV oder darunter, bzw. weiche Röntgenstrahlen mit Photonen-Energien unter 1 keV (XUV = extreme Ultra-Violett-Strahlung) durch und eignen sich daher nicht, Strahlenaustrittsfenster von Elektronen- oder XUV-Strahlern abzudichten.
HOPG ist ein hochorientierter pyrolytischer Graphit bzw. Kohlenstoff (Highly Oriented Pyrolytic Graphite), dessen Streuung der C-Achsenorientierung der Atome unter etwa 1 Grad liegt. Es hat einem Metall ähnliche Eigenschaften: es ist glänzend, hat eine hohe Dehnungsfestigkeit, ist stromleitend und in der Orientierungsrichtung sehr hoch wärmeleitend. Außerdem ist es in dickeren Formstücken spröde und blättrig, während es als eine dünne Folie ausgebildet äußerst flexibel wirkt.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 038 417 A1 beschreibt die Kühlung eines Targets von Röntgenröhren. Hierbei treffen die in der elektronischen Röhre zwischen der Kathode und Anode durch die angelegte Spannung beschleunigten Elektronen auf das Target und erzeugen bei ihrer Abbremsung anteilig nur zu 1–2 Röntgenstrahlung, während der Rest ihrer kinetischen Energie mit mindestens 98 Anteil Wärme erzeugt. Die Abführung dieser Verlustwärme von dem Target ist ein allgemeines Problem bei Röntgenröhren und wird durch den Einsatz des HOPG-Materials als Wärmeableiter verbessert. Hierbei wird die hohe Wärmeleitfähigkeit des HOPG-Materials in einer Orientierungsebene in der Weise ausgenutzt, indem die Lage dieser hoch wärmeleitenden Schichten überwiegend senkrecht zur Targetebene angeordnet wird.
In US 3,916,200 ist ein Detektor für Röntgen-Gamma- und Partikel-Strahlung beschrieben, der mit einem dünnen Fenster aus HOPG von einer Dicke zwischen 2,5 und 25 μm versehen ist. Die dabei anfallende Wärmeentwicklung spielt keine nennenswerte Rolle, so dass dieses HOPG-Fenster nicht wie bei einem Elektronenstrahler große Wärmemengen bewältigen muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahler zur Erzeugung ionisierender Strahlung, insbesondere von Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen derart zu verbessern, dass der Wirkungsgrad des Elektronenstrahlers erhöht wird, d. h. anteilig weniger Energie in Verlustwärme umgewandelt wird. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, die maximal erreichbare spezifische Austrittstrahlungsleistung des Elektronenstrahlers zu erhöhen und dadurch eine kompaktere Bauweise des Elektronenstrahlers zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des jeweils kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 17 im Zusammenwirken mit den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffs gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung geht nach einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt von einem Elektronenstrahler zur Erzeugung von ionisierender Strahlung, insbesondere von Elektronen- oder Röntgenstrahlen, aus, aufweisend ein vorzugsweise evakuiertes Gehäuse mit einem durch ein, für die Elektronenstrahlung durchlässiges, Fenster abgedeckten Strahlenaustrittsfenster.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Fenster des Strahlenaustrittsfensters zum Abführen der, durch die das Fenster durchtretende und/oder auftreffende Elektronenstrahlung erzeugten Wärme aus einem hoch wärmeleitenden Material hergestellt ist. Hierdurch kann die Verlustwärme, die in dem Material des Fensters auftritt, zu dem Rand des Fensters abgeleitet werden. Hierdurch kann die in dem Fenster auftretende Wärme über den Rand der Fenster scheibe und den Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters in die Halterung des Fensters fließen. Die Halterung des Fensters kann die zu ihr geleitete Wärme vorzugsweise aufnehmen, speichern sowie an die Umgebung abstrahlen und ableiten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung resultiert daraus, dass das wärmeableitende Material des Fensters aus einem hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG, Highly Ordered Pyrolytic Graphite) ausgebildet ist. Das hochorientierte pyrolytische Graphit, das sogenannte HOPG, weist eine um Faktor 4 bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer auf, aber eine um den Faktor 60 bessere Wärmeleitfähigkeit als Titan, wodurch es möglich ist, eine um eine bis zwei Größenordnungen höhere Verlustwärmeleistung von dem Fenster des Strahlenaustrittsfensters abzuleiten. In einem Vergleichsbeispiel beträgt diese Verlustwärmeleistung bei gegebener Öffnungsgröße des Strahlenaustrittsfensters bei Verwendung konventioneller Materialien, wie etwa dem Titan, ungefähr 10 Watt, wogegen bei der Verwendung des HOPG eine Verlustwärmeleistung in der Größenordnung von mehreren 100 Watt erreichbar ist, ohne dass das Material des Fensters thermisch zerstört wird. Dementsprechend in gleichem Maße wie die Verlustwärmeleistung verhält sich der Anteil der hindurchgelassenen Teilchenstrahlung.
Es hat sich ferner überraschenderweise herausgestellt, dass selbst dünne Fenster aus HOPG in der Größenordnung von etwa 10 μm Dicke imstande sind, die durch einen Elektronenstrahl in diese dünne Schicht des Fensters abgegebene Leistung in der Größenordnung von 100 W abzuführen, sofern der Fensterrand entsprechend gekühlt wird.
Das wärmeableitende Material des Fensters, vorzugsweise HOPG, weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine derartige räumliche Ausrichtung seiner Struktur auf, dass eine für die Wärmeübertragung besonders gut wärmeleitende Strukturausrichtung mit der Hauptausbreitungsrichtung der Ebene des Fensters übereinstimmt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die anfallende Verlustwärme besonders gut zu dem Rand des Fensters und über ihn zum Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters geleitet wird. Dagegen ist eine gute Wärmeleitung in der senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung der Ebene des Fensters weisenden Richtung nicht erforderlich, weil die Innenseite des Fensters von wärmeisolierendem Vakuum umgeben und die Außenseite des Fensters von einer ebenso schlecht wärmeleitenden Atmosphäre umhüllt ist.
Die Abführung der Verlustwärme, die aus dem Fenster 5 zu ihrem Rand fließt, wird besonders bevorzugt über einen Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters realisiert, der als ein erstes wärmeableitendes Mittel zum Ableiten der an dem Rand des Fensters auftreffenden Wärme ausgebildet ist. Hierdurch kann die zum Rand des Fensters geleitete Wärme weiter in das Material und in das Volumen der Halterung des Fensters fließen. Somit dient die äußere Fläche der Halterung des Fensters als ein Wärmeabstrahler, der die Wärme an die umgebende Luft abgibt.
Um die auf diese Weise in die Halterung des Fensters fließende Verlustwärme noch effektiver abzuführen, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung an den als erstes wärmeableitendes Mittel zum Ableiten der an dem Rand des Fensters auftreffenden Wärme verwendeten Fensterrand wenigstens ein weiteres zweites wärmeableitendes Mittel angekoppelt. In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung weist dieses zweite wärmeleitende Mittel wenigstens einen Wärmeleiter auf, der aus Kupfer-, Aluminium- oder einem anderen wärmeleitenden Metall, Metall-Legierung oder einer Keramik, beispielsweise aus AlN ausgebildet ist. Solche Wärmeleiter sind massiv metallisch ausgebildet und können zweckgemäß ganz unterschiedliche Formen und Profile aufweisen.
Das zweite wärmeableitende Mittel kann besonders bevorzugt wenigstens einen Wärmeleiter aufweisen, der aus dem oben beschriebenen, hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG, Highly Ordered Pyrolytic Graphite) ausgebildet ist. Auch an dieser Stelle leistet das gleiche HOPG-Material durch seine mehrfach bessere Wärmeleitfähigkeit besonders hohe Wärmeableitungsleistung.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers weist das zweite wärmeableitende Mittel wenigstens einen Wärmeleiter auf, der als eine flüssigkeitsgefüllte Röhre (Heat Pipe) ausgebildet ist. Solche als Heat Pipes genannten flüssigkeitsgefüllten Röhren sind in der Lage, die Wärme auch bei sehr geringen Temperaturunterschieden und über eine relativ große Strecke zu übertragen, wodurch die Verlustwärme schneller und weiter weg von dem Fenster ableitbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Fortentwicklung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das zweite wärmeableitende Mittel wenigstens einen Wärmeleiter aufweist, der als ein Peltierelement ausgebildet ist. Ein Peltierelement verschafft durch eine elektrisch erzeugte Kühlung eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Fenster und dem letztlich wärmeableitenden Mittel. Hierdurch kann die Wärmeableitungsleistung weiterhin gesteigert werden.
Wenigstens das erste oder das zweite wärmeableitende Mittel ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Form wenigstens eines Kanals ausgebildet, welcher von einem Kühlmittel durchströmt ist. Dieser Kanal ist erfindungsgemäß insbesondere nahe dem Fensterrand vorgesehen, wodurch die an dem Fensterrand von dem Rand des Fensters ankommende Verlustwärme ortsnah durch ein strömendes Kühlmittel wie Wasser, Luft, Gas o. ä. aufgenommen werden kann. Der Fensterrand kann auch auf seiner Außenseite mit Kühlrippen zur Kühlung mit einem Luftstrom, sei es durch natürliche Konvektion oder mittels eines Ventilators, versehen sein.
Einen besonderen Vorteil für eine effektive Wärmeableitung erreicht man, wenn das Fenster mit dem Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung vakuumdicht und wärmeleitend zusammengefügt sind. Je nach Erfordernissen einer Anwendung beträgt die Dicke des Fensters erfindungsgemäß zwischen 1 und 100 μm. In besonders bevorzugten Ausgestaltungen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke des Fensters zwischen 1 und 30 μm und noch bevorzugter zwischen 1 und 15 μm. Insbesondere eine Dicke des Fensters im Bereich von 10 μm erfüllt die gestellten Aufgaben der Erfindung. Bei dieser Dicke weist das erfindungsgemäß bevorzugt verwendete HOPG-Material des Fensters sehr gute Durchlässigkeit für die Elektronen, eine hohe Wärmeableitungsleistung und eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit, die durch die Druckdifferenz zwischen äußerer Atmosphäre und dem inneren Vakuum gefordert ist, auf.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers ergibt sich, wenn im Strahlengang der Elektronenstrahlung außerhalb des Gehäuses des Elektronenstrahlers ein Röntgen-Target, beispielsweise eine Wolframplatte, angeordnet wird, wobei das Röntgen-Target durch die auf ihn auftreffende Elektronenstrahlung eine Röntgenstrahlung erzeugt. Die auf diese Art erzeugte Röntgenstrahlung kann zum direkten Bestrahlen von Gegenständen verwendet werden, wobei die Abstrahlung der sekundär erzeugten Röntgenstrahlen direkt in die Atmosphäre ohne irgendeinem Fenster erfolgt und folglich die Zuführung der zu bestrahlenden Gegenstände besonders einfach und preiswert gestaltet werden kann. Die Wellenlänge der so erzeugten Röntgenstrahlung hängt von der kinetischen Energie der Elektronen ab, die den Elektronenstrahl ausbilden, und kann somit über diese relativ einfach eingestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung lässt sich dadurch erreichen, dass an dem Elektronenstrahler ein weiteres evakuiertes oder gasgefülltes Teilgehäuse beziehungsweise Zusatzgehäuse derart angeordnet ist, dass die durch das Fenster aus dem Elektronenstrahler austretende Elektronenstrahlung in dieses Teilgehäuse eintritt.
Dieses Zusatzgehäuse, beziehungsweise Teilgehäuse, bildet einen Röntgenaufsatz, indem in diesem Zusatzgehäuse im Strahlengang der Elektronenstrahlung ein Röntgen-Target angeordnet wird, das durch die auf ihn auftreffende Elektronenstrahlung eine Röntgenstrahlung erzeugt. Im Gegensatz zur vorherigen Ausgestaltung erlaubt diese, die Röntgenstrahlung in einem evakuierten oder mit einem gewünschten Gas gefüllten Raum zu erzeugen, ohne das Vakuum des eigentlichen Elektronenstrahlers zu beeinflussen.
Diese bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnungen ermöglichen eine besonders wirtschaftliche modulare Bauweise von Elektronenstrahlern und Röntgenstrahlern. Am günstigsten werden hierdurch so genannte weiche Röntgenstrahlen, d. h. Röntgenstrahlen an dem langwelligen Bereichsrand der Röntgenstrahlen erzeugt. Im Gegensatz zu harter Röntgenstrahlung, die sehr gut durch Materialien hindurchtritt, wird diese weiche Röntgenstrahlung in großem Maße bereits durch Luft oder dünnes Material eines Fensters effektiv geschwächt. Bei beiden oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen treten die weichen Röntgenstrahlen nicht durch irgendein Fenster und können direkt einer Anwendung zugeführt werden.
Erfindungsgemäß wird der Rand des Fensters mit dem Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters mithilfe einer materialschmelzenden Verbindung wie dem Hartlöten oder Diffusions-Schweißen oder durch Verkleben zusammengefügt. Hierbei wird die Fügestelle erfindungsgemäß besonders bevorzugt derart ausgelegt, dass sie sowohl Zugkräfte wie auch Wärme zu übertragen vermag. Hierdurch ist die Fügestelle in der Lage, neben einer erforderlichen vorteilhaften Vakuumdichtheit und der oben beschriebenen erfindungsgemäßen hohen Wärmeleitfähigkeit auch eine Beanspruchung des dünnen Fensters aus HOPG auf Zugkraft zu gewährleisten. Das Fenster ist hierdurch mit dem Fensterrand kraftschlüssig verbunden und wölbt sich unter der durch die Druckdifferenz zwischen der äußeren Atmosphäre erzeugten Kraft und dem innenliegenden Vakuum möglichst geringfügig durch. Durch diese breite geringfügige Durchwölbung wird das Fenster gedehnt und somit auf Zug beansprucht. Die Dehnungsfestigkeit des erfindungsgemäß vorzugsweise eingesetzten Fenstermaterials HOPG ist sehr hoch und ist mit der des Titans vergleichbar, so dass eine denkbar vorteilhafte mechanische Beanspruchung vorliegt. Insbesondere hierdurch ist es möglich, die Öffnung des Strahlenaustrittsfensters beziehungsweise das Fenster größer zu gestalten und damit den Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers auszuweiten. Ferner kann die Form des Strahlenaustrittsfensters beziehungsweise des Fensters hierdurch nicht nur kreisrund ausgebildet werden, sondern eine nahezu beliebige geometrische Form aufweisen. Beispielsweise kann diese Öffnung rechteckig oder streifenförmig ausgebildet werden oder eine beliebige, durch eine Anwendung bedingte Form aufweisen.
Ganz besonders vorteilhaft lassen sich hierdurch Röntgenstrahler mit einer so genannten weichen Röntgenstrahlung produzieren. Die weiche Röntgenstrahlung ist als so genannte XUV-Strahlung beziehungsweise X-Strahlung genannte langwellige Röntgenstrahlung. Sie wird häufig als Submillimeterstrahlung bezeichnet und meistens anstatt durch Wellenlänge durch ihre zugehörige Photonenenergie beschrieben, die zwischen 10 und 1.000 Elektronenvolt liegt.
Derartige weiche Röntgenstrahlung ist nicht in der Lage, wenig geschwächt durch die verschiedensten Materialien hindurchzutreten, wie die harte Röntgenstrahlung. Dadurch bedingt ist es notwendig, zum Austreten der weichen Röntgenstrahlung möglichst durchlässige Fenster vorzusehen. Durch die vorliegende modulare Bauweise ist es hingegen möglich, die weiche Röntgenstrahlung direkt und ortsnah an einer Anwendung zu erzeugen. Hierzu kann die Anwendung beispielsweise innerhalb eines Zusatzgehäuses positioniert werden oder das Zusatzgehäuse mit einem Austrittsfenster oder einer einfachen Öffnung versehen sein, das die weiche Röntgenstrahlung gut durchlässt. Das Zusatzgehäuse kann ferner vorzugsweise auch als ein Strahlenschutzgehäuse ausgebildet sein.
Das innerhalb des Zusatzgehäuses angeordnete Röntgen-Target, beispielsweise eine Wolframplatte, kann direkt hinter dem Austrittsfenster des Elektronenstrahlers angeordnet sein oder von ihm mit einem anwendungsspezifischen Abstand beabstandet, positioniert werden. Ferner kann das beispielsweise als eine Wolframplatte ausgeführte Röntgen-Target unter einem gewählten Neigungswinkel gegenüber dem Strahlengang der Elektronen positioniert sein. Das Zusatzgehäuse kann je nach Erfordernissen einer Anwendung selbst evakuiert sein, um den weichen Röntgenstrahlen sowie den Elektronenstrahlen einen möglichst langen Weg bis zur Absorption im gewünschten Objekt zu ermöglichen.
Für andere Anwendungen kann das Zusatzgehäuse mit einer Gasmischung gefüllt sein. Schließlich kann das Zusatzgehäuse mindestens eine offene Seite aufweisen beziehungsweise praktisch gänzlich fehlen, so dass die erzeugte weiche Röntgenstrahlung beispielsweise direkt ortsnah an einer Anwendung wirkt.
Nach einem anderen vorrichtungstechnischen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die erfindungsgemäßen Aufgaben durch ein Fenster für ein Strahlenaustrittsfenster eines Elektronenstrahlers zur Erzeugung von ionisierender Strahlung gelöst. Das erfindungsgemäße Fenster ist zum Abführen der durch die sie durchtretende und/oder auftreffende Elektronenstrahlung erzeugten Wärme aus einem wärmeableitenden Material hergestellt. Das Material des Fensters ist insbesondere hoch wärmeableitend.
Vorzugsweise ist das wärmeableitende Material des Fensters aus einem hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG, Highly Ordered Pyrolytic Graphite) ausgebildet. Das Wärme ableitende Material des Fensters weist eine derartige räumliche Ausrichtung seiner Struktur auf, dass eine für die Wärmeübertragung besonders gut wärmeleitende Strukturausrichtung mit der Hauptausbreitungsrichtung der Ebene des Fensters übereinstimmt.
Die Dicke des Fensters beträgt bevorzugt zwischen 1 und 100 μ-Metern, noch bevorzugter zwischen 1 und 30 μ-Metern und noch bevorzugter zwischen 1 und 15 μ-Metern.
Der erfindungsgemäße Elektronenstrahler nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen wird nach einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt in medizinischen und/oder lebensmitteltechnischen Vorrichtungen zum Sterilisieren von Erzeugnissen und/oder Gegenständen durch Bestrahlung mit ionisierender Strahlung verwendet.
Ferner wird der erfindungsgemäße Elektronenstrahler nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen für die Polymerisation von Lacken und/oder Kunststoffen durch Bestrahlung mit ionisierende Strahlung verwendet.
Dadurch, dass das Fenster zum Abführen der, durch die das Fenster durchtretende und/oder auftreffende Elektronenstrahlen erzeugten Wärme aus einem hoch wärmeableitenden Material ausgebildet wird, wobei das wärmeableitende Material des Fensters aus einem hochorientierten pyrolytischen Grafit (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite) ausgebildet wird, werden die erfindungsgemäßen Aufgaben derart erreicht, dass eine höhere Leistungsdichte der Elektronenstrahlung durch das Fenster durchtreten kann.
Dadurch, dass die Elektronenstrahlung des Elektronenstrahlers zum Auftreffen auf ein außerhalb des Gehäuses angeordnetes Röntgen-Target gerichtet wird, wird erfindungsgemäß eine weiche Röntgenstrahlung erzeugt.
Hierbei wird das Fenster zum Abführen der, durch die es durchtretende und/oder auftreffende Elektronenstrahlung erzeugten Wärme vorzugsweise aus einem hoch wärmeableitenden Material ausgebildet, wobei das wärmeableitende Material des Fensters aus einem hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite) ausgebildet wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1: eine schematische Querschnittdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers,
2: eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers mit einem an ihn angebauten Zusatzgehäuse,
3: eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers mit abgewinkelter Ausstrahlrichtung.
Anhand der 1 wird nachstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Ein erfindungsgemäßer Elektronenstrahler 10 weist einen evakuierten Vakuumbehälter bzw. ein Gehäuse 1 auf, das beispielsweise in vorliegender Ausgestaltung aus Sicherheitsgründen elektrisch an das Erdpotential angeschlossen ist. Im Innenraum 1' des Gehäuses 1 ist an einem zwischenpositionierten, auf Hochspannung liegenden Isolator 2 mit Hochspannungsverbindung 2' eine Elektronenkanone 3 angeordnet. Die Elektronenkanone 3 weist einen Emitter 4 auf, aus dem das Elektronenstrahlbündel 20 austritt. Der Emitter 4 der Elektronenkanone 3 ist in einer Aussparung 5 der Elektronenkanone 3 angeordnet, so dass die austretenden Elektronen im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 100 des Elektronenstrahlers 10 verlaufen und durch eine (nicht dargestellte) Beschleunigungsspannung in Richtung auf das Austrittsfenster 6 beschleunigt werden.
Eine Halterung 7 verlängert das Gehäuse 1 und ist vorzugsweise in vorliegender Ausgestaltung mit einem geringeren Durchmesser als das Gehäuse 1 ausgeführt. Die Halterung 7 ist bereits als ein wärmeableitendes Mittel ausgeführt, indem sie beispielsweise aus einem wärmeleitenden Metall hergestellt oder mit innenliegenden Kühlkanälen versehen ist. Die Halterung 7 endet vorzugsweise mit einem kreisrunden Strahlenaustrittsfenster 6. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung kann das Strahlenaustrittsfenster aber auch eine schlitzförmige Form aufweisen. In dieses Strahlenaustrittsfenster 6 ist ein erfindungsgemäßes Fenster 8 vorzugsweise kraftschlüssig eingesetzt. Der Rand 11 des Strahlenaustrittsfensters 6 ist mit dem Rand des Fensters 8 vorzugsweise in einen kraftschlüssigen Eingriff gebracht, so dass eine gute wärmeleitende Ankopplung von dem Material des Fensters 8 bis zu dem Material der Halterung 7 gegeben ist. Ferner ist diese Verbindung vorzugsweise vakuumdicht ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Fenster 8 ist vorzugsweise aus einem hochwärmeleitenden Material, wie dem hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG), hergestellt. Die Orientierung des HOPG Materials des Fensters 8 ist erfindungsgemäß so gewählt, dass die hochwärmeleitende Strukturrichtung im Wesentlichen in der Ebene des Fensters 8 verläuft bzw. mit dieser übereinstimmt.
Die Dicke des Fensters 8 ist vorzugsweise im Bereich von 10 μm +/– 5 μm gewählt, wodurch einerseits die Vakuumdichtigkeit des Fensters und andererseits geringe Wärmeverluste infolge der Absorption der durch das Fenster 8 durchtretenden oder auftreffenden Elektronen gewährleistet sind. Weil die Dehnungsfestigkeit des hochorientierten Graphits HOPG an die des Titans heranreicht, ist das dünne Fenster 8 in der Lage, die Druckdifferenz zwischen einem äußeren beispielsweise einem atmosphärischen Druck und einem Ultrahochvakuumdruck innerhalb des Gehäuses 1 des Elektronenstrahlers 10 standzuhalten. Die Öffnung des Strahlenaustrittsfensters 6 ist in der vorliegenden bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers 10 als eine kreisrunde Öffnung mit einer auf der Innenseite des Fensterrandes 11 vorragenden Kante ausgeführt. Das Fenster 8 wird durch die aus der Druckdifferenz herrührenden Kraft gegen diese Kante gedrückt.
Zwecks einer besseren mechanischen und wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Fenster 8 und dem Rand 11 des Strahlenaustrittsfensters 6 sind diese mithilfe geeigneter Verbindungsmittel, wie einem Klebstoff oder einer Verlötung bzw. Verschweißung, vorzugsweise kraftschlüssig verbunden.
Da die Wärmeleitfähigkeit des hochorientierten pyrolytischen Graphits HOPG etwa das Vierfache der Leitfähigkeit des Kupfers ausmacht, ist das erfindungsgemäße Fenster 8 in der Lage, eine bis zwei Größenordnungen höhere Verlustwärmeleistung des Strahlenaustrittsfensters abzuleiten.
Damit solch ein hoher Wärmefluss von dem Fenster 8 auch effektiv abgeleitet wird, sind erfindungsgemäß weitere Kühlmittel vorgesehen. So weist die an dem Rand des Fensters 8 unmittelbar angrenzende Randregion 11 der Halterung 7 einen vorzugsweisen innenliegenden Kanal 12 auf, durch den beispielsweise eine Kühlflüssigkeit fließt. Solche Kanäle können in bevorzugten weiteren Ausgestaltungen in einer Vielzahl entlang der Halterung 7 vorgesehen werden.
Zusätzlich sind weitere Kühlmittel 13 an dem Außenumfang der Halterung 7 vorzugsweise in Längsrichtung angeordnet und mit einem wärmekoppelnden Kontakt an die Halterung 7 angebracht. Es kann eine Vielzahl solcher vorzugsweise strangförmig ausgebildeten Wärmeleiter 13, 13' an der äußeren Fläche der Halterung 7 umlaufend angeordnet sein, so dass die von dem Fenster 8 abgeleitete Wärme in entferntere und ausgedehntere Volumen- und Flächenregionen abgeleitet wird. Die Wärmeleiter 13, 13' können erfindungsgemäß aus massiven metallischen Strängen bzw. als eine durchgehende Hülse ausgebildet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Wärmeleiter 13, 13' aus dem hochorientierten pyrolytischen Graphit HOPG hergestellt. Alternativ oder in einer kombinierten Ausgestaltung können die Wärmeleiter 13, 13' oder die Kühlkanäle 9 als flüssigkeitsgefüllte wärmeableitende Röhren, so genannte Heat Pipes, ausgebildet sein. Als ein weiteres Kühlmittel 13 kann ein von der Außenseite an die Halterung 7 bzw. an die darauf angeordneten Wärmeableiter 13, 13' ein oder mehrere zusätzliche Kühlmittel 14 angebracht werden. Auch dieses Kühlmittel 14 kann als ein Kanal mit einer darin fließenden Kühlflüssigkeit ausgebildet sein. In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers 10 kann wenigstens eines der Kühlmittel 9, 13 oder 14 als ein Peltierelement ausgeführt sein, mit dem eine elektrisch bewirkte Kühlung des Fensterrandes 11 des Strahlenaustrittsfensters 6 betrieben werden kann.
Alle erfindungsgemäßen Kühlmittel können in weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung jeweils einzeln oder in einer beliebigen Kombination miteinander zum Abführen der in dem Fenster 8 durch die durchtretende und auftreffende Elektronenstrahlung aufkommende Wärme verwendet werden.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Fensters 8 ist es möglich, die Leistungsdichte der Elektronenstrahlung zu erhöhen, wodurch bei gleichen Anwendungen, beispielsweise der Sterilisation von Gegenständen, eine kürzere Bestrahlungsdauer und damit eine höhere Produktivität oder längere Lebensdauer erreichbar sind.
Soweit die Wärme nicht über die Kühlmittel 7, 13 und 14 radial nach außen abgeführt wird, sondern in Pfeilrichtung 9 zum Kühlring 18 geleitet wird, kann diese über die Anschlüsse 19 und 19' mittels eines weiteren flüssigen Kühlmittels abgeleitet werden.
2 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlers 10 mit einem an ihm angebauten Zusatzgehäuse 15.
Die weiteren Kühlmittel 13 und 14 sind der Übersichtlichkeit wegen in dieser und der nächsten Figur fortgelassen.
In dieser Ausgestaltung ist die Halterung 7 des Fensters 8 beispielsweise das einzige Kühlmittel und beispielsweise aus einem Metall ausgeführt. Da das Elektronenstrahlbündel 20 erfindungsgemäß eine erhöhte Strahlenleistungsdichte aufweisen kann, eignet sich ein solcher Elektronenstrahl u. a. auch dazu, durch Auftreffen auf ein Röntgen-Target 17 ein Röntgenstrahlbündel 21 zu erzeugen. Hierzu kann ein Röntgen-Target, beispielsweise eine Wolframplatte, einfach außerhalb, in der Nähe oder auf dem Fenster 8 des Elektronenstrahlers 10 angeordnet werden. Um die Elektronenstrahlung zum Erzeugen der Röntgenstrahlung 21 noch effektiver verwenden zu können, wird erfindungsgemäß ein zusätzliches Teilgehäuse oder Zusatzgehäuse 15 an der Halterung 7 derart angeordnet, dass die aus dem Elektronenstrahler 10 durch das Fenster 8 austretende Elektronenstrahlung in den Innenraum 16 des Zusatzgehäuses 15 eintritt.
Das Röntgen-Target 17 kann innerhalb des Innenraumes 16 des Zusatzgehäuses 15 in einer für die betreffende Anwendung geeigneten Ausrichtung und Position angeordnet werden. Der Innenraum 16 des Zusatzgehäuses 15 kann anwendungsspezifisch mit einem Gas bzw. einer Gasmischung gefüllt sein oder bis auf ein für die jeweilige Anwendung erforderliches Vakuum ausgepumpt sein. Das Zusatzgehäuse 15 ist vorzugsweise vakuumdicht an der Stirnkante des Fensterrandes 11 des Fensters 8 mithilfe geeigneter Befestigungs- und Dicht mittel kraftschlüssig befestigt. Deswegen benötigt das Zusatzgehäuse 15 kein eigenes Fenster, sondern weist lediglich eine Fensteröffnung auf, die mit dem Strahlenaustrittsfenster 6 des Elektronenstrahlers 10 fluchtend angeordnet ist.
Die durch die auf das Röntgen-Target 17 auftreffende Elektronenstrahlung erzeugte Röntgenstrahlung kann zu einer Bestrahlungsanwendung außerhalb des Zusatzgehäuses 15 gerichtet sein oder alternativ auf eine innerhalb des Innenraums 16 des Zusatzgehäuses 15 liegende Bestrahlungsanwendung gerichtet sein.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine modulare Aufbauweise der Elektronenstrahler ermöglicht ist. So kann ein baugleicher Elektronenstrahler 10 lediglich als ein Elektronenstrahler verwendet werden oder durch das erfindungsgemäße modulare Anbauen des Zusatzgehäuses 15 zu einem Röntgenstrahler ausgebildet sein. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die austretende Strahlung eine höhere Leistungsdichte aufweisen kann, so dass auch die von ihr erzeugte Röntgenstrahlung eine entsprechend höhere Strahlenleistungsdichte aufweisen kann.
In einer weiteren, nicht dargestellten, Ausgestaltung kann jedoch das Zusatzgehäuse 15 mit dem Gehäuse 1 einstückig ausgeführt sein, wenn dies für eine Anwendung von Vorteil ist.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Elektronenstrahlers. Während bei den in den vorstehenden Figuren gezeigten Ausführungsformen die Hochspannungszuführung 2', der Hochspannungsisolator 2, die Elektronenkanone 3, das Elektronenstrahlenbündel 20 und das erfindungsgemäße Fenster 8 auf einer Achse 100 lagen, ist bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Elektronenkanone 3 um 90° so gedreht, dass das Elektronenstrahlbündel 20 im Wesentlichen senkrecht zur vorgenannten Achse 100 aus dem Elektronenstrahler 10 durch das erfindungsgemäße Fenster 8 austritt. Diese Bauform ist besonders in den Fällen vorteilhaft, wo aus räumlichen Gründen ein Austritt des Elektronenstrahlbündels 20 senkrecht zur genannten Achse 100 gewünscht wird.
Alle erfindungsgemäßen Kühlmittel können in weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung jeweils einzeln oder in einer beliebigen Kombination miteinander zum Abführen der in dem Fenster 5 durch die durchtretende und auftreffende Elektronenstrahlung aufkommende Wärme verwendet werden.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Fensters 8 ist es möglich, die Leistungsdichte der Elektronenstrahlung zu erhöhen, wodurch bei gleichen Anwendungen, beispielsweise der Sterilisation von Gegenständen, eine kürzere Bestrahlungsdauer und damit eine höhere Produktivität erreichbar sind.

1: Gehäuse, Vakuumbehälter
2: Isolator
2': Hochspannungsverbindung
3: Elektronenkanone
3': Aussparung
4: Emitter
5: Aussparung
6: Strahlenaustrittsfenster
7: Halterung
8: Fenster
9: Kühlmittel
10: Elektronenstrahler
11: Fensterrand
12: Kanal
13: erstes Kühlmittel, Wärmeleiter
14: zweites Kühlmittel, Wärmeleiter
15: Zusatzgehäuse, Teilgehäuse
16: Innenraum des Zusatzgehäuses
17: Röntgen-Target
18: Ein-/Auslauf für Kühlmedium
19: Kühler
20: Elektronenstrahlbündel
21: Röntgenstrahlbündel
100: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0125919 A1 [0007]
- DE 102006038417 A1 [0009]
- US 3916200 [0010]

Claims

Elektronenstrahler (10) zur Erzeugung ionisierender Strahlung, insbesondere von Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen, aufweisend ein insbesondere evakuiertes Gehäuse (1) mit einem durch ein, für die Elektronenstrahlen durchlässiges, Fenster (8) abgedeckten Strahlenaustrittsfenster (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (8) zum Abführen der, durch die das Fenster durchtretende und/oder auftreffende Elektronenstrahlung erzeugten Wärme aus einem hoch wärmeableitenden Material besteht, wobei das wärmeableitende Material des Fensters (8) aus einem hochorientierten pyrolytischen Grafit (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite) ausgebildet ist.
Elektronenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeableitende Material des Fensters (8) eine derartige räumliche Ausrichtung seiner Struktur aufweist, dass eine für die Wärmeübertragung besonders gut wärmeleitende Strukturausrichtung mit der Hauptausbreitungsrichtung der Ebene des Fensters übereinstimmt.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters (6) als ein erstes wärmeableitendes Mittel zum Ableiten der an dem Rand des Fensters (8) auftreffenden Wärme ausgebildet ist.
Elektronenstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den als erstes wärmeableitendes Mittel zum Ableiten der an dem Rand des Fensters (8) auftreffenden Wärme verwendeten Fensterrand wenigstens ein weiteres zweites wärmeableitendes Mittel (9, 13, 14) angekoppelt ist.
Elektronenstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite wärmeableitende Mittel (14) wenigstens einen Wärmeleiter (14) aufweist, der aus Kupfer-, Aluminium- oder einer anderen wärmeleitenden Metalllegierung ausgebildet ist.
Elektronenstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite wärmeableitende Mittel (14) wenigstens einen Wärmeleiter (14) aufweist, der aus dem hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite) ausgebildet ist.
Elektronenstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite wärmeableitende Mittel (14) wenigstens einen Wärmeleiter (14) aufweist, der als eine flüssigkeitsgefüllte Röhre (Heat Pipe) ausgebildet ist.
Elektronenstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite wärmeableitende Mittel (14) wenigstens einen Wärmeleiter (14) aufweist, der als ein Peltierelement ausgebildet ist.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das erste oder das zweite wärmeableitende Mittel (13, 14) in Gestalt von wenigstens einem Kanal (12) ausgebildet ist, welches von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel durchströmt ist, wobei der Kanal insbesondere nahe dem Fensterrand vorgesehen ist.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (8) mit dem Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters (6) vakuumdicht und wärmeleitend zusammengefügt ist.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Fensters (8) zwischen 1 und 100 μm beträgt.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Fensters (8) zwischen 1 und 30 μm beträgt.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Fensters (8) zwischen 1 und 15 μm beträgt.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Elektronenstrahlung außerhalb des Gehäuses (1) des Elektronenstrahlers (10) ein Röntgen-Target (17) angeordnet ist, das durch die auf ihm auftreffende Elektronenstrahlung eine Röntgenstrahlung erzeugt.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem als ein Elektronenstrahler ausgeführten Elektronenstrahler (10) ein weiteres, evakuiertes oder gasgefülltes, Teilgehäuse (15) derart angeordnet ist, dass die durch das Fenster (8) aus dem Elektronenstrahler (10) austretende Elektronenstrahlung in dieses Teilgehäuse (15) eintritt, wobei in dem Teilgehäuse (15) im Strahlengang der Elektronenstrahlung ein Röntgen-Target (17) angeordnet ist, das durch die auf ihn auftreffende Elektronenstrahlung eine Röntgenstrahlung erzeugt.
Elektronenstrahler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Fensters (8) mit dem Fensterrand des Strahlenaustrittsfensters (6) mithilfe einer materialschmelzenden Verbindung wie Hartlöten oder Schweißen oder durch Verkleben zusammengefügt sind, wobei die Fügestelle ausgelegt ist, Zugkräfte und Wärme zu übertragen.
Fenster (8) für ein Strahlenaustrittsfenster (6) eines Elektronenstrahlers (10) zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (8) zum Abführen der durch die, das Fenster durchtretenden und/oder auftreffenden Elektronenstrahlen erzeugte Wärme aus einem Wärme ableitenden Material hergestellt ist.
Fenster (8) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeableitende Material des Fensters (8) aus einem hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite) ausgebildet ist.
Fenster nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeableitende Material des Fensters (8) eine derartige räumliche Ausrichtung seiner Struktur aufweist, dass eine für die Wärmeübertragung besonders gut wärmeleitende Strukturausrichtung mit der Hauptausbreitungsrichtung der Ebene des Fensters übereinstimmt.
Fenster nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Fensters (8) zwischen 5 und 100 μm beträgt.
Fenster nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Fensters (8) zwischen 5 und 30 μm beträgt.
Fenster nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Fensters (8) zwischen 5 und 15 μm beträgt.