DE2919529A1

DE2919529A1 - Verfahren und vorrichtung zum abschirmen einer inertzonen-elektronenbestrahlung von sich bewegenden bahnmaterialien

Info

Publication number: DE2919529A1
Application number: DE19792919529
Authority: DE
Inventors: Samuel Victor Nablo
Original assignee: Energy Sciences Inc
Current assignee: Energy Sciences Inc
Priority date: 1978-10-05
Filing date: 1979-05-11
Publication date: 1980-05-22
Also published as: JPS5585300A; SG59083G; GB2031700A; HK2884A; SE7901856L; SE445713B; FR2438322B1; US4252413A; GB2031700B; FR2438322A1; JPS638440B2; CA1128463A

Description

PATENTANWÄLTE

fer körner & Qt^ey

D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE :9.19b29

D-8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 48

Energy Sciences Ine.

BERLIN: DIPL.-IN6. R. MÜLLER-BÖRNER

MÜNCHEN: DIPL.-INa. HANS-HEINRICH WEY DIPL.-ING. EKKEHARD KÖRNER

Berlin, den 11. Mai 1979

Verfahren und Vorrichtung zum Abschirmen einer Inertzonen-Elektronenbestrahlung von sich bewegenden Bahnmaterialien

(Priorität: USA, Nr. 948,999 vom 05. Oktober 1978)

25 Seiten Beschreibung mit
2O Patentansprüchen
4 Blatt Zeichnungen

MP - 27 466

BERLIN: TELEFON (OSO) 8312O88 KABEL: PROPINDUS · TELEXOI 84O57 030021/05^9

NCHEN: TELEFON (O89) 225δθβ KABEL: PROPINDUS · TELEX O524244

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Abschirmen einer Inertzonen-Elektronenbestrahlung von sich bewegenden Bahnmaterialien einschließlich von zu bestrahlenden Flachmaterialien selbst oder von Überzügen auf denselben oder von zu behandelnden dadurch getragenen Materialien, die vorliegend ausnahmslos allgemein mit als zu bestrahlende Bahnen oder Oberflächen bezeichnet sind.

Eines der Haupthindernisse für die weitverbreitete industrielle Anwendung der verlockenden Vorteile der Anwendung von energiereichen Elektronen (Energien "7 20 keV) zum Abschluß einer Polymerisation in ausgehärteten Freiradikalsystemen, zum Querverknüpfen oder Abbauen von verschiedenen natürlichen und synthetischen Polymeren und zum Oberflächen- und Massensterilisieren von Materialien lag bis jetzt in der Tat in der Schwierigkeit der Einführung des Produkts in den Elektronenprozessor oder -irradiator auf ununterbrochene Weise, und zwar gewöhnlich mit hohen Fertigungsstraßengeschwindigkeiten (z.B. mit 30 m/min bis 500 m/min).

Dieses Problem ergibt sich aus der Art der Energiequelle. Wenn energiereiche Elektronen im Material stoppen, verbraucht das verhältnismäßig nicht durchdringende Teilchen (Elektron), während es sich verlangsamt, etwas von seiner Energie in Form von durchdringenden Photonen (Bremsstrahlung), und zwar auch durch die Erregung von arteigenen X-Strahlen aus den Atomen des Materials, mit dem es zusammenwirkt. Es ist schwierig, die sich ergebene Quelle von durchdringender X- oder Photonenstrahlung aufgrund ihrer starken Durchdringbarkeit in Feststoffen zu begrenzen. Dies hatte zur Folge, daß eine fortgesetzte On-Line-Anwendung der Elektronenaushärtung bisher

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undurchführbar schien. Die bis heute entwickelten Verfahren für Draht- und Kabel-, Polyäthylenquerverknüpfungs- und Oberflächenbeschichtungsaushärtungsanwendungen wurden mit einer Gewölbe- oder Raumabschirmung des gesamten Systems ausgeführt - eine Methode, die sich mit den meisten Erfordernissen einer Hochgeschwindigkeits-Fertigungsaushärtung ganz und gar nicht verträgt» Auch ist eine troggespeiste, selbst abgeschirmte Ausrüstung für starre Produkte, wie sie beispielsweise in "Shielding and Safety Requirements", Rad. Phys. and Chem., 2, S. 131-145 (1977), von Carl Hoffman beschrieben ist, für die Probleme der vorliegenden Erfindung hinsichtlich einer nachgiebigen Bahn und die dabei erforderlichen Herstellungstechniken völlig ungeeignet.

Die Techniken der vorliegenden Erfindung sind jedoch für die ununterbrochene, risikofreie Einführung von Material von der Außenumgebung in die Behandlungszone eines solchen Elektronenprozessors und die anschließende Rückverbringung desselben in die Außenumgebung entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Da ein solches System gleichzeitig den Erfordernissen eines Strahlungsschutzes für die Außenumgebung, einer Überwachung der Prozeßzone von außen und des außerhalb des Prozessors liegenden Bereichs während des fortgesetzten Betriebes, einer sicheren Handhabung des Produktes während seines Eintritts in den, Durchgangs durch den und Austritts aus dem Prozessor und einer leichten Wartbarkeit Genüge tun muß, müssen all diese Faktoren bei der Auslegung und Konstruktion dieses kritischen Teils des Gesamtsystems mit berücksichtigt werden. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Techniken sind insbesondere für die fortlaufende Behandlung eines Produkts bei Umgebungsdrücken entwickelt worden, und zwar entweder in Luft oder in einer sauerstoffverarmten Umgebung, wo eine derartige

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Inaktivierung das Portspülen von freien Radikalen in der Nähe oder an der Oberfläche des auszuhärtenden Überzugs oder Polymers einschränken soll. Dementsprechend beschäftigt die Erfindung sich auch mit der Notwendigkeit einer Sauerstoffbegrenzung im Behandlungs- oder Bestrahlungsbereich, -station oder -zone, so daß vernachlässigbares Ozon durch Sekundärreflektionen und -streuung erzeugt werden kann, und zwar abgesehen davon, daß es möglich ist, das Entweichen von X-Strahlen und anderer Strahlung, die sich aus Reflektionen und einer Streuung im System insbesondere dort ergibt, wo sich bewegende Bahnen durch die Behandlungs- oder Bestrahlungszone laufen müssen, zu verhindern.

Wo die Elektronen als geradliniger Streifen wie mit Hilfe der bevorzugten Vorrichtung zum Erzeugen von verhältnismäßig niedrigen Elektronenstrahlspannungen (beispielsweise von 5O bis 250 KV) erzeugt werden, wie sie in den US-PS'en 3 702 412, 3 745 396, und 3 769 600 beschrieben ist, sind diese Probleme zusammengesetzter Natur, weil Strahlungslappen in der Ebene der Produktoberfläche erzeugt werden, da die durch den gestoppten Strahl mit diesen Energien erzeugte Br emsstrahlung in etwa isotropisch ist. Folglich sind verhältnismäßig starke Photonenpegel vorhanden, die in Längsrichtung vor und hinter der Bahn beim vorbeilaufen derselben an dem quergerichteten elektronendurchlässigen Fenster des Elektronenstrahlgenerators oder -prozessors erzeugt werden. Die Erfindung ist in erster Linie eben insbesondere auf die Lösung der im Zusammenhang mit solchen und ähnlichen Konstruktionen auftretenden Probleme gerichtet, obwohl die neuartigen Techniken, die vorliegend aufgezeigt werden, auch bei anderen Systemen mit energiereichem Elektronenstrahl der abgetasteten oder nicht abgetasteten Arten, der gepulsten oder Gleichstromtypen nützlich sind, wie sie z.B. in den US-PS'en 3 440 566, 3 588 565 und 3 749 967 beschrieben werden.

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Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren und eine die gleichen Eigenschaften aufweisende Vorrichtung zum Abschirmen von Inertzonen-Elektronenirradiatoren von sich bewegenden Bahnen u. dgl. zu schaffen, und zwar insbesondere, obwohl nicht ausschließlich, dort, wo bedeutende längsgerichtete Streuungslappen wie bei linearen Elektronenstrahlen erzeugt werden, und eine derartige Abschirmung bei Konstruktionen vorzunehmen, die die Verwendung eines Behandlungsbereichs von minimalem Raumumfang und Größe ermöglichen, in der Inertmedien vorhanden sein sollen oder das Entweichen von Ozon verhindert werden soll. Dabei sollen neuartige Abschirmungskonstruktionen geschaffen werden, die für eine Fertigungsstraßenbehandlung von Flachmaterial u. dgl. geeignet und darüberhinaus von allgemeinerer Anwendbarkeit sind.

Diese Aufgabe wird mit der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Einzelheiten, Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden nunmehr anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielendes Erfindungsgegenstandes näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das von dem ihr zugrundeliegenden neuen Verfahren Gebrauch macht;

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Fig. 2a und 2b schematische Schaubildervon Anwendungen der Vorrichtung in Fig. 1 und

Fig. 3 und 4 der Fig. 1 ähnliche Ansichten von Abwandlungen.

Zusammenfassend sei gesagt, daß die Erfindung von einem ihrer wichtigen Gesichtspunkte aus gesehen eine Vorrichtung zum Durchführen einer Bahn durch eine sauerstoffbegrenzte Elektronenbestrahlungszone und zur Abschirmung gegen Streustrahlung umfaßt, die ein sich in Längsrichtung erstreckendes Abschirmgehäuse, das mit Einlaß- und Auslaßbereichen versehen ist, die durch eine Zwischenzone verbunden sind, auf die die Elektronenbestrahlung konzentriert werden soll; eine Einrichtung zum Erzeugen einer Elektronenstrahl-Strahlung und zum Leiten derselben durch ein elektronendurchlässiges Fenster, das entlang der Zwischenzone angeordnet ist und als eine Wand der Zone dient, und eine eine gegenüberliegende Wand entlang der Zwischenzone bildende Einrichtung aufweist, die eine mit einer Kühleinrichtung versehene Strahlungsfalle in Form eines abgeschirmten Kastens umfaßt, wobei jeder der Einlaß- und Auslaßbereiche aus parallelen abgeschirmten Wandflächen besteht, die sich in Längsrichtung erstreckende Schlitze bilden, die diejenige Strahlung kollimieren, welche von der Bestrahlungszwischenzone nach außen hin entlang derselben gestreut wurde; wobei an den Einlaß- und Auslaßbereichen FaIleneinrichtungen in Form eines abgeschirmten Hohlraums zur Aufnahme der Strahlung angeordnet sind, die nach außen hin entlang der Kollimierschlitze von der Zwischenzone aus gestreut worden ist? wobei eine Einrichtung zum Zuführen einer Bahn an den Kollimierschlitz des Einlaßbereichs und zum Vorschieben derselben in Längsrichtung durch den Einlaßbereich sowie von dort in Längsrichtung zwischen dem Fenster und dem abgeschirmten Kasten durch die Zwischenzone und dann entlang des Kollimierschlitzes

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des Auslaßbereichs zum Austraten aus demselben und wobei eine Einrichtung zum Schaffen einer ozonbeschränkten Atmosphäre innerhalb der Zone vorgesehen ist. Weitere Einzelheiten werden nachstehend erläutert.

Ein gemeinsames dem Maschinenaufbau der Erfindung zugrundeliegendes und für die Behandlung von zweidimensionalen oder Bahnoberflächen geeignetes Merkmal besteht darin, daß die energiereichen Elektronen sämtlich in einer Ebene stoppen, wie sie entweder von dem Produkt, wenn es gehandhabt wird, oder von einem gekühlten Abstrahlblech für jene Elektronen bestimmt wird, die im Produkt selbst nicht gestoppt wurden. Wenn diese Teilchen gestoppt werden, werden eine durchdringende Bremsstrahlung oder X-Strahlen hervorgerufen, die unter gleichzeitiger Erhöhung der Atomzahl des Mediums, in dem sich die Elektronen verlangsamen, quadratisch zunehmen. Was die verhältnismäßig niedrigen Energien anbelangt, die vorliegend für die meisten Elektronenbehandlungsvorgänge ( < 300 keV) insbesondere dort mit einbezogen werden, wo eine nachgiebige Bahn betroffen ist, so ist dieser Energieverlust direkt von der Elektronenenergie abhängig, und das Strahlungsmuster ist angemessen isotropisch. Die vorerwähnten starken Strahlungslappen, die entlang der Ebene des Produkts oder des Wärmeverbrauchers auftreten, welcher die Bremsstrahlung der Photonquelle bestimmt hat, dürfen den Bereich außerhalb des Prozessors nicht erreichen.

Bei einem Elektronenverlust in solchen Systemen muß außerdem berücksichtigt werden, daß innerhalb desselben mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Elektronenrückstreuung stattfindet, so daß aufgrund dieser gestreuten Primären eine Bremsstrahlung in anderen Teilen der Abschirmkonfiguration erzeugt wird. In diesem Energiebereich ist gezeigt worden (z.B. K.A. WRIGHT und J.G. TRUMP , "Back Scattering of Electrons from THICK TARGETS",

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J.A.P. y^L, S. 687, 1962,) daß die Rückstreuung von der Primärenergie zwar verhältnismäßig unabhängig ist, aber sehr empfindlich von der Atomzahl des Streuers abhängt. Die primären oder gestreuten primären Elektronen haben einen begrenzten Bereich in der Luft und können deshalb normalerweise niemals den Bereich außerhalb des Prozessors erreichen. Nichtsdestoweniger kann eine Mehrfachstreuung zu einer Fernerzeugung von Bremsstrahlung führen, die berücksichtigt werden muß, und ebenso muß die Abhängigkeit der Mehrfachstreuung von Elektronen von der Atomzahl des Streumediuras in Betracht gezogen werden.

Schließlich muß, und das ist am wichtigsten, bei der Abschirmung des Systems die Compton-Streuung der durchdringenden Photonen (Brerasstrahlung) in Rechnung gestellt werden, die beim Stoppen der direkten oder gestreuten primären erzeugt wird. Dieser Vorgang ist recht genau durch die Klein-Nishina-Theorie der Compton-Streuung beschrieben (vgl. beispielsweise CM. Davisson und R.D. Evans "Rev.Mod. Phys." 2Λ, 1952).

Basierend auf diesen Überlegungen hinsichtlich der Strahlungs-/ Elektronenabsorption und der Streuung, schließen die allgemeinen Merkmale einer produkthandhabenden Abschirmgeometrie, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung entworfen wurde, die nachstehend aufgeführten Überlegungen ein:

(1) Elektronenenergie muß so niedrig wie möglich gehalten werden, um den Betrag an Bremsstrahlung zu verringern, der pro Einheit aus dem Prozessor abgegebener Elektronenladung erzeugt wird.

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(2) Der Elektronenstrora muß in einem Absorber von niedriger Atomzahl innerhalb der Abschirmung stoppen? falls es nicht der organische Überzug

o. dgl. ist, der ausgehärtet werden soll, dann eine Oberfläche von niedriger Atomzahl, die auch als Abstrahlblech für Abwärme dienen kann.

(3) Der Elektronenstrom muß in einer Falle gestoppt werden, so daß die erzeugte isotropische Bremsstrahlung nur durch Mehrfachstreuung entweichen kann.

(4) Die Ausströmschlitze für die Primärphotonen des Bremsstrahlungsspektrums müssen einen festen Winkel einschließen, der an der Ebene des Stoppens der Elektronen so klein wie möglich gehalten ist. Außerdem haben die Produktführungsschlitze den weiteren Vorteil, daß die Verarbeitungs-, Bestrahlungs- oder Behandlungszone isoliert werden kann, so daß sie eine verhältnismäßig niedrige Gaskonduktanz auf die Außenumgebung zu aufweist und dadurch eine wirksame Neutralisierung der Behandlungszone mit verhältnismäßig geringen Gasdurchflußmengen selbst bei hohen Produktgeschwindigkeiten gestattet.

(5) Die Bremsstrahlung, die aus dem primär-Prozeßraum entweicht, muß in Labyrinthen gefangen werden, um zu verhindern, daß weitere nach Compton gestreute Photonen die Außenumgebung erreichen.

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(6) Die Streuflächen müssen aus einem Material von niedriger Atomzahl bestehen, um Streuung, arteigene Erzeugung von X-Strahlen und Erzeugung von Photoelektronen zu vermindern.

(7) Die Bahn oder das Folienprodukt muß sich einer geringfügigen Winkelveränderung in der Bewegungsrichtung (g) unterziehen, die es der nach vorn gestreuten starken Compton-Komponente unmöglich macht, die äußere Arbeitsumgebung zu erreichen, und einen In-Line-Labyrinth- und Hohlraumabsorber zuläßt.

(8) Die Produktzugangsöffnung muß an den Primäröffnungen einen Winkel einschließen, der so klein wie möglich gehalten ist, so daß die Streustrahlung nicht in der Lage sein wird, die Außenumgebung zu erreichen.

(9) Es werden dünne Absorber von niedriger Atomzahl zum Vermindern des Flusses von gestreuten Elektronen von den primären Streu- und Absorbierflächen in dem Abschirmungsaufbau aus verwendet.

Ein bevorzugter diese Merkmale enthaltender Abschirmungsaufbau ist in Fig. 1 dargestellt, der als solcher insbesondere zur Verwendung mit einem prozessor für einen Strahl in Form eines Linear-Streifens mit einer Energie""von 50 mA - 15O kV der in der US-PS 3 702 412 beschriebenen Art geeignet ist.

In Fig. 1 ist eine nachgiebige Bahn oder Oberfläche aus zu bestrahlendem Material bei 1 gezeigt, die an einer Produktzugangs- oder Einlaßöffnung D^ eingeführt wird, welche einen

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kleinen Winkel zur Vertikalen (Punkt (8), oben) in einem als Strahlungsabschirmung ausgebildeten Gehäuse E, des Einlaßbereichs einschließt und als Einlaßschlitz dargestellt ist, der in einem Winkel von ungefähr 60° zur Horizontalen ausgerichtet ist. Das Bahnprodukt 1 wird einer Winkelveränderung in der Bewegungsrichtung θ (Punkt (7)) unterzogen, während es über eine Leerlaufwalze R, und entlang eines sich in Längsrichtung erstreckenden Parallelplattenschlitzes A-, (waagerecht) in die dazwischenliegende Behandlungs- oder Bestrahlungszone, -bereich oder -raum V am (den Bereich V an der oberen Wand begrenzenden) elektronendurchlässigen Fenster 2 des einen Elektronenstrahl in Form eines Linear-Streifens mit niedriger Energie hervorbringenden Generators oder Prozessors PR (Punkt (1)), wie er vorstehend beschrieben und in der zuerst genannten US-PS dargestellt ist, weiterläuft, von wo es die Elektronenstrahl-Strahlung als quergerichteten Streifenstrahl empfängt, wie dies durch die nach unten gerichteten Pfeile B schematisch dargestellt ist. Der Prozessor PR ist als innerhalb eines grundlegenden Hauptabschirmungsgehäuses oder -aufbaus H angebracht dargestellt, das bzw. der in einer U-förmigen Strahlungsfalle 7 lösbar befestigt ist, die das die Bestrahlungszone V enthaltende Abschirmungsgehäuse von außen in Quer- und Längsrichtung umgibt. Dann läuft die bestrahlte Bahn oder das auf die gleiche Weise behandelte Material in waagerechter Richtung durch einen ähnlichen sich in Längsrichtung erstreckenden Parallelplattenschlitz A- und anschließend über eine Leerlaufwalze R_ weiter, bis sie bzw. es schließlich in einem dem Eintrittswinkel ähnlichen Winkel über eine Auslaßöffnung D₇ im Gehäuse E- des rechten Auslaßbereichs austritt.

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In der dazwischenliegenden Behandlungs-, Bestrahlungs- oder Bearbeitungszone, -bereich oder -raum V begrenzt der U-förmige Strahlungsfallenkasten T-T den unteren Abschnitt der Bestrahlungszone oder -raums und erfüllt dadurch das Kriterium des Fangens von (3),oben. Eine platte P von niedriger Atomzahl (wie aus Aluminium) dient als gegenüberliegende Bodenwand der Falle T-T und bedeckt oder liegt einer darunterliegenden wärmeaufnehmenden oder gekühlten Platte S wie Wasserkühlungsröhren gegenüber (Punkt (2)). Da die Schlitze A-, und A- so ausgebildet sind, daß sie parallel zur Ebene der Bahn beim Laufen derselben durch den prozessor PR liegen, schließen sie einen sehr kleinen festen Winkel an der Ebene des Stoppens der Elektronen an der Bahn und an der Platte P ein (Punkt (4)) und dienen dadurch zum Kollimieren von entlang derselben gestreuter Strahlung. Diese Ausbildung ermöglicht des weiteren eine Isolierung des Behandlungsbereichs oder -raums V, wodurch eine verhältnismäßig niedrige Gaskonduktanz auf "die Außenumgebung außerhalb von D-, und D₂ zu geschaffen wird, was wiederum zur Folge hat, daß eine wirksame Neutralisierung der Zone V mit verhältnismäßig geringen Gasdurchflußmengen (wie Stickstoff) selbst bei hohen Fertigungsdurchgangsgeschwindigkeiten der Bahn 1 ermöglicht wird. Die Kollimierschlitze A, und A- an den jeweiligen Einlaß- und Auslaßbereichen können aus aluminiumbeschichtetera Blei hergestellt sein und vermindern wie vorstehend dargelegt, die nach außen strömende Strahlung seitlich auf die Einlafi- und Auslaßbereiche von der Bestrahlungszwischenzone V aus zu.

Die Wege, die eine solche nach Compton gestreute Photonstrahlung durch die Kollimierschlitze A-, und A- einschlagen kann, enden in Labyrinthen L, und L-, die mit dünnen Absorbern F-, bzw. F2 von niedriger Atomzahl wie aus überzogenem oder gegenüberliegendem Blei abgedeckt sind, wobei die Hohlräume W,und W-an dieser Stelle als Strahlungsfallenhohlräume dienen (Punkt (5)

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und (9)) . Außerdem bestehen die den Schlitzen A, , A„ usw. zugeordneten Streuflächen bei K, und K~ ebenfalls aus einem Material von niedriger Atomzahl, damit auf diese Weise die Streuung und die Erzeugung von X-Strahlen und Photoelektronen (Punkt (6)) sowie insbesondere diejenige Strahlungserzeugung verringert wird, die auf durch die Falle T-T, das Fenster 2 und/ oder das Bahnprodukt 1 seitlich gestreuten Elektronen zurückzuführen ist. Das Hohlraumfallenlabyrinth L-, -F, usw. des Einlaßbereichs, das im Außenabstand vom Kollimierschlitz A-, angeordnet ist, kann mit einer Fensterabdeckung 5 aus Aluminium zum Abschließen desselben und Stoppen von Reflektionen im Hohlraum versehen sein, obwohl der Eintritt von Streustrahlung gestattet wird.

In der Praxis sind die Eintritts- und Austrittswinkel der Bahn (die größer als ein paar Grad sind und bei einer bevorzugten Anwendung in der Größenordnung von 60° liegen) deshalb derart eingestellt, daß sie genauso wenig Streustrahlung aus den Kollimierschlitzen A, und A₂ und den stirnseitig angeordneten und Fallen darstellenden Hohlräumen "sehen", wobei die Erfindung für einen minimalen Strahlungsbearbeitungsraum und einen minimalen Raum sorgt, der zur Inaktivierung oder Ozonbeseitigung erforderlich ist. Das Inertgas kann beispielsweise über eine Rohrverzweigung Io und eine darunterliegende Verteilerleitplatte 11 an der Oberseite des linken Endgehäuses E,-W, zugeführt werden. In der Nähe der Einlaßführung D^ kann eine Luftschneide wie eine Stickstoff unter hohem Druck abgebende Düse N angeordnet sein, um die von der Bahn 1 getragene Luftgrenzschicht abzustreifen.

Es ist gefunden worden, daß der Aufbau in Fig. 1 den Pegel der prxmären Bremsstrahlung in dem Bearbeitungshohlraum V von lo Rad/sec auf einen Sekundärbremsstrahlungspegel von ■** lo Rad/h

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in den Sekundär-Produkthandhabungshohlräumen W, und W₀, auf

einen Tertiärbremsstrahlungspegel von λ/ lo" Rad/Τι in der Außenumgebung jenseits der Produktzugangs- und -austrittsschlitze D, und D» herabsetzt.

Weitere Varianten dieser Auslegungsgeometrie sind mehr auf schematische Weise (und in umrissener und nicht ins Einzelne gehender Form) in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2a umreißt die Anordnung in Fig. 1, die hier beispielsweise als auf die Aushärtung von Überzügen auf Flachmaterial Anwendung findend dargestellt ist. Die sich in Querrichtung erstreckende Kathode C und das sich in gleicher Richtung erstreckende Gitter E des Prozessors PR sind mit dem Fenster 2 ausgerichtet schematisch dargestellt. Die Variante in Fig. 2b ist jedoch am besten für eine Bahnhandhabung mit hoher Geschwindigkeit auf einer einzigen gekühlten Walze R wie zum Aushärten von Druckfarben u. dgl. und mit einem etwas steilwinkligen Bahneintritt und -austritt geeignet. Ein solcher Aufbau umfaßt zwar viele der Merkmale in Fig. 1, auf die schematisch verwiesen wurde, verrin-

gert jedoch den Fluß in der Primärzone V von Io Rad/h auf

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lO Rad/h an der Außenfläche der Austrittsschlxtze D, und D- und an der äußeren Arbeitsumgebung.

Diese Gedanken sind bei einer Maschinerie mit einem streifenförmiges in Querrichtung in einer Breite von 30 cm, 1,25 m und 1,70 m verlaufenden Elektronenstrahl in die Praxis überführt worden. Sämtliche Systeme machten von den vorliegend offenbarten Techniken Gebrauch, um eine selbstabgeschirmte Maschinerie mit Strahlungspegelverringerungen von Io Rad/sec im Bereich V unmittelbar unter dem Prozessorfenster 2 auf 3 χ Io Rad/sec im Bereich unmittelbar neben dem Produktzugangsschlitz D-, oder D- zu schaffen. Dieser Pegel liegt

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etwas unterhalb der Zahl von 2,5 mr/h (oder 7 χ 1O~ Rad/sec), wie sie von OSHA für einen Handzugriffsbereich in einem "unbeschränkten" Flächenbereich bestimmt wurde (vgl. hierzuι OSHA 1910.96, S. 10518, FR 36, Nr. 105, 29. Mai 1971).

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird daher ein System geschaffen, das die fortlaufende Einführung einer nachgiebigen Bahn direkt in die und das fortgesetzte Entfernen derselben aus der Primärprozeßzone eines Elektronenprozessors gestattet, der im Energiebereich von beispielsweise lOO bis 500 Kilovolt und mit durchschnittlichen Dosis-

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leistungen von lO bis lo Rad/sec arbeitet, und das diese Prozeßzone von der Außenumgebung derart isoliert, daß die Strahlungspegel in Größenordnungen von 14 bis 16 im Bereich unmittelbar neben dem Elektronenprozessor oder seinem zugeordneten Produkthandhabungssystem verringert werden. Dieses selbstabgeschirmte Produkthandhabungssystem sorgt für die fortlaufende Einführung von nachgiebigen oder starren Proben in den und die Entfernung derselben aus dem Elektronenprozessor, während eine inerte oder gesteuerte Umgebung in der Prozeßzone mit einer niedrigen Gaskonduktanz auf die Außenumgebung zu geschaffen wird, und für die fortwährende Benutzung unter Äußenumgebungsbedingungen. Während sie bei Anwendungen, die von einem streifenförmigen Elektronenstrahl im Gleichstrombereich von lOO bis 5OO Kilovolt Gebrauch machen, den größten Nutzen zeigt, ist die Erfindung auch bei wiederholt gepulsten Bedingungen mit momentanen Elektronendosisleistungen bei

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10 Rad/sec in der Prozeßzone (wie in Kaltkathodensystemen) geeignet, und bei Bedingungen des abgetasteten Strahls mit momentanen Elektronendosisleistungen bis zu lO Rad/sec in der Prozeßzone und bei einer fortwährenden Strahlilluminierung mit durchschnittlichen Elektronendosisleistungen bis auf 10 Rad/sec in der Prozeßzone verwendbar. Außerdem ist die

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Konstruktion symmetrisch und modular und trennbar, so daß das die Endbereiche E,-W, usw., ^E ₂~^W2 ^usw· ^un& ^d^^e dazwischenliegende abgeschirmte Kastenfalle T-T usw. umfassende System vom Elektronenprozessor PR (H) zum Zugänglichmachen jederzeit getrennt und mit diesem mit zwischengeschichteten Abschirmungsabschnitten 7 (Fig. 1 und 2) leicht in Eingriff gebracht werden kann, um eine Strahlungsdichte Schnittstelle zu schaffen, die den Benutzungserfordernissen eines derartigen Systems in einem unbeschränkten Flächenbereich entspricht.

Die selbstabgeschirmten Bahnhandhabungssysterne der Erfindung sind insbesondere zur Verwendung bei nachgiebigen Produkten (Papier, Film und Folie, Laminaten derselben oder ungeschlitzten Packungskonstruktionen) bis zu einer Dicke von 5 mm und mit Elektronenenergien von 50 bis 250 kev und mit Produktgeschwindigkeiten von 5 bis 5.000 m/min geeignet. Die durchschnittlichen Elektronenleistungsflüsse in der Aushärtungszone

2 bewegen sich zwischen Io und 2OO Watt/ cm . Die Selbstabschirmung wird unter Verwendung von Blei oder eines anderen Materials von hoher Atomzahl ohne weiteres erreicht, das dauerhaft typischerweise mit einer Dicke von 6 mm bei 175 kev und von bis zu 1 cm bei 250 keV mit einzusteckenden, der Abschirmung dienenden Montageteilen an dem Prozessorkopf und einer eingeschobenen Ausnehmung oder Aufnahmemontageteil 7 auf dem Produkthandhabungsaufbau an dem Prozessorkopf und dem Bahnhandhabungssystem in Form einer Ummantelung befestigt ist, wie vorstehend erwähnt.

Die vorerwähnte Verringerung der Strahlungspegel in der Größenordnung von ungefähr 15 oder mehr in dem selbstabgeschirmten Bahnhandhabungsaufbau wird somit mittels der Kollimation der eaergiereichen Primärbremsstrahlung und ihres Fangens in einem

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abgeschirmten Labyrinth oder Ausnehmung mit einem sekundären, nicht in gleicher Ebene liegenden ProduktZugangsschlitz für die fortwährende Einführung des Produktes in den und die Entfernung desselben aus dem Prozessor erreicht.

Während der waagerechte Durchlauf durch die Elektronenstrahlzone beschrieben worden ist, ist auch ein schräger, nicht waagerechter Durchlauf möglich, wobei die Primärstrahlungskollimatoren die Strahlung in schräge Kollektoren leiten, wodurch ein waagerechter Eintritt des Produktes in den Bahnhandhabungsaufbau gestattet wird, wenn dies erwünscht ist. Dies ist in Fig. 3 mit einem von rechts erfolgenden Eintritt und einem schrägen oder geneigten Durchlauf durch die Bestrahlung szone V und einem im spitzen Winkel erfolgenden Austritt bei D₂ dargestellt. Des weiteren ist ein der Hohlraum-Strahlungsfalle W, · im rechten Endabschnitt oder Gehäuse E,' zugewandtes elektronendurchlässiges Fenster 5 aus Aluminium od. dgl. dargestellt, und es sind Ablenkstufen 12 zur Verhinderung einer Mehrfachstreuung entlang der Bahn vorgesehen.

Eine bevorzugte Geometrie ist in Fig. 4 gezeigt, die den weiteren Vorteil aufweist, daß die Kanal- oder Öffnungslängen, die an den Eintritts- und Austrittsseiten erforderlich sind, verringert werden können, und die von einer Doppelwinkelveränderung bei der Produktbewegung Gebrauch macht, während die waagerechte Darbietung an den Strahl in der Prozeßzone unter dem Fenster 2 bewahrt bleibt. Die Eintritts- und Austrittskollirnatoren D, durch die das Produkt läuft, enden an der Primärwalze C, während dadurch eine kleine Winkelveränderung (typischerweise um 5°) in Richtung der Produktbewegung eingebracht wird. Der Eintrittskollimator D ist mit

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ausgesparten Strahlungsfallen D₁ ¹ und D₃ ¹ versehen, die das Strömen der Streustrahlung zu den Eintritts- oder Austrittsschlitzen S' neben der Bestrahlungszone V verhindern. Nachdem sie über die Walze C gelaufen ist, läuft die Bahn 1 durch die Strahlungsfalle E und die Kollimatoren F'-F" zur Walze B¹, wo die zweite geringfügige Winkelveränderung stattfindet. Dann läuft die Bahn 1 über den erweiterten Kollimator A zur Prozeßzone V weiter. Diese (bogenförmige) Doppelwinkeländerung erlaubt eine spannende Verringerung der Strahlungspegel, die

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bei S¹ ermittelt werden können, auf Pegel von lO bis 10 Rad/sec in V, und zwar mit einem sehr kurzen Eintritt (d.h. Fensterabstand S'-V).

Die Walzen C und B¹ können durch starre Stäbe ersetzt oder gar für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit ( ^ 91,44 m/ min) entfernt werden. Eine weitere Verkörperung dieser Geometrie für eine Bahn würde eine sanft gekrümmte bogenförmige Schlitzausbildung (lieber als die roh bogenförmige Art der Doppelwinkeländerung) einbeziehen, wobei weder von Walzen oder Stäben noch von eingefügten Kollimatoren (A) und Fallen (D) entlang der Länge der Eintritts- oder Austrittsbogen Gebrauch gemacht wird.

Wie aus dieser Geometrie in Fig. 4 hervorgeht, kann eine Stickstoffschneide K oberhalb (oder unterhalb) der Bahn im Hohlraum K¹ zum Abstreifen der Luftgrenzschicht von der Bahn bei hohen Geschwindigkeiten verwendet werden. Abgesehen davon, kann zusätzlich noch eine Verteiler- oder Leitplatte M zum Fluten der Produktoberfläche vor dem Eintritt in V verwendet werden, indem von einem solchen Rohrverzweigungsaufbau im Hohlraum M¹ Gebrauch gemacht wird. Eine weitaus wirksamere Inaktivierung wird durch Verwendung einer Blechverblendung

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über den Strahlungsfallen D und E erreicht, so daß das Inertgas mit einer höheren Geschwindigkeit turbulenzfrei über die Länge der Bahn strömt, während diese in die Behandlungszone V eintritt.

Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel für die Inaktivierung (Neutralisierung) ist ebenfalls dargestellt, bei dem das Inertgas über die Rohrverzweigung N in den Schlitz S" in der Niederhalteplatte des Fensters 2 gelassen wird. Diese Technik gestattet die Anwendung einer Gas- oder einer konvektiven Kühlung des Fensters 2 mit einer wirksamen "Unterdrucksetzung" der Prozeßzone V mit dem Inertgas, und zwar aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Konduktanz der Eintritts- und Austrittsöffnungen.

Bei Anwendungen, die keine Inaktivierung erfordern, wie einer Querverknüpfung oder dem Aushärten eines Verbundhaftmittels, kann der Produkthandhabungsaufbau erschöpft sein, so daß ein ununterbrochener Luftstrom in den Aufbau strömt, der die Ozonerzeugung innerhalb desselben beschränkt und das Entweichen von Ozon in die Arbeitsumgebung verhindert. Dies bezieht typischerweise die Verwendung eines Strahlungsleitkanals in den Aufbau mit ein, der über einen nicht dargestellten biegsamen Schlauch mit einem externen Absauggebläse verbunden ist. Ein Gebläse mit 56,6 m /h und Kanäle, die beispielsweise in die Oberseite und den Boden von Kanalerweiterungen eingeschnitten sind, die an dem abgeschirmten Bahnhandhabungsaufbau der Zeichnung angebracht sind, können die Ozonpegel der Umgebung bei weniger als 0,1 ppm halten, welches die OSHA-Grenze für belegte Flächenbereiche ist (Abschnitt 191O.93 "Air Contamination") . Die Erfindung ist daher auch dort von Nutzen, wo keine Inaktivierung notwendig ist, sondern der umgekehrte Prozeß ange-

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wendet wird, d.h. das Gas-Schlitzsystem mit niedriger Konduktanz wird bei einem negativen Druck in der Behandlungsoder Bestrahlungszone verwendet, um das durch Elektronen erzeugte Ozon auf den Bahnhandhabungsaufbau und seinen Fluß auf die Außenumgebung zu beschränken.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Durchführen einer Bahn durch eine sauerstoffbegrenzte Elektronenbestrahlungszone und zur Abschirmung gegen Streustrahlung, die ein sich in Längsrichtung erstreckendes Abschirmgehäuse, das mit Einlaß- und Auslaßbereichen versehen ist, die durch eine Zwischenzone verbunden sind, auf die die Elektronenbestrahlung konzentriert werden soll; eine Einrichtung zum Erzeugen einer Elektronenstrahl-Strahlung und zum Leiten derselben durch ein elektronendurchlässiges Fenster, das entlang der Zwischenzone angeordnet ist und als eine Wand der Zone dient, und eine eine gegenüberliegende Wand entlang der Zwischenzone bildende Einrichtung aufweist, die eine mit einer Kühleinrichtung versehene Strahlungsfalle in Form eines abgeschirmten Kastens umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Einlaß- und Auslaßbereiche aus parallelen abgeschirmten Wandflächen besteht, die sich in Längsrichtung erstreckende Schlitze bilden, die diejenige Strahlung kollimieren, welche von der Bestrahlungszwischenzone nach außen hin entlang derselben gestreut wurde; daß an den Einlaß- und Auslaßbereichen Falleneinrichtungen in Form eines abgeschirmten Hohlraums zur Aufnahme der Strahlung angeordnet sind, die nach außen hin entlang der Kollimierschlitze von der Zwischenzone aus gestreut worden ist; daß eine Einrichtung zum Zuführen einer Bahn an den Kollimierschlitz des Einlaßbereichs und zum Vorschieben derselben in Längsrichtung durch den Einlaßbereich sowie von dort in Längsrichtung zwischen

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dem Fenster und dem abgeschirmten Kasten durch die Zwischenzone und dann entlang des Kollimierschlitzes des Auslaßbereichs zum Austreten aus demselben und eine Einrichtung zum Schaffen einer sauerstoffbeschränkten oder ozonbegrenzenden Atmosphäre innerhalb der Zone vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl sich in Querrichtung über die Bahn erstreckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung der Fallen und Wandflächen aus Blei besteht, das mit einer Fläche von niedriger Atomzahl wie Aluminium verkleidet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Falleneinrichtung in Form eines Hohlraums durch die Abschirmung begrenzt ist und ein Labyrinth aufweist, das mit einem elektronendurchlässigen Fenster zum Abschließen desselben verblendet ist, durch das jedoch entlang der Kollimierschlitze nach außen hin gestreute Strahlung in das Hohlraumlabyrinth eintreten kann.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Falleneinrxchtungen in Form eines Hohlraums im Abstand vom Ende ihres angrenzenden Kollimierschlitzes angeordnet ist.
6. vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Falleneinrichtungen in Form eines Hohlraums in abgeschirmten Endabschnitten angeordnet sind, die geneigte Führungen enthalten, um die Bahn in spitzen Winkeln in das und aus dem Gehäuse zu leiten.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Falleneinrichtungen in Form eines Hohlraums in einem abgeschirmten Endabschnitt angeordnet ist, der eine Führung zum im wesentlichen waagerechten Leiten der Bahn enthält, wobei die Bahn geneigt durch die Zone läuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Abschnitte eine Einrichtung zum Hineindiffundieren eines Inertmediums in den Kanal enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luftschneideneinrichtung auf die in die Führung des Einlaß-Endabschnitts eintretende Bahn gerichtet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Leiten des Elektronenstrahls im Inneren eines sich in Querrichtung erstreckenden Abschirmgehäuses enthalten ist, das auf dem Gehäuse auf jeder Seite der Bestrahlungszone angebracht ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau ein Gehäuse aufweist, dessen freie Ränder von einer sich in Querrichtung erstreckenden U-förmigen Strahlungsfalle aufgenommen werden, die außerhalb der Seiten der Bestrahlungszone von der Einschließung getragen wird.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen der Endabschnitte und die Bahnzuführexnrichtung und die Falle in Form eines abgeschirmten Kastens als eine Einheit angeordnet sind, die eine Wand der abgeschirmten Einschließung bildet und mit der gegenüberliegenden, die elektronenerzeugene Einrichtung tragenden Wand sowie mit einem peripheren Flansch zum Fangen der Strahlung, der dasselbe abschließt, in Nebeneinanderstellung bewegbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine wassergekühlte Einrichtung ist, die mit einer Fläche von niedriger Atomzahl wie aus Aluminium bedeckt und am Boden der Kastenfalle angeordnet ist.
14. Verfahren zum Reduzieren der durch Elektronen erzeugten Reflektion und der Streustrahlung auf ein Minimum bei gleichzeitiger Schaffung einer minimalen Raumzone für die Elektronenbestrahlung einer durchlaufenden Bahn u. dgl., gekennzeichnet durch:

(a) Führen der Bahn zwischen einem Einlaß und einem Auslaß und in Längsrichtung über eine dazwischenliegende Bearbeitungszone hinweg?

(b) Leiten einer quergerichteten Elektronenreihe auf die Bahn beim Laufen derselben entlang dieses Bereichs in Längsrichtung;

(c) Einfangen und Unterdrücken von auf der anderen Seite der Bahn innerhalb der Bearbeitungszone austretenden Elektronen;

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(d) Kollimieren der durch Elektronen erzeugten Streuung in entgegengesetzten Richtungen von der Zone aus in Längsrichtung nach außen hin auf den Einlaß und den Auslaß zu;

(e) Einfangen de°r kolliraierten Streustrahlung in einem Hohlraum;

(f) Einführen der Bahn in einem Winkel zur Richtung der Einlaßkollimation und Austretenlassen derselben in einem Winkel zur Richtung der Auslaßkollimation, wobei diese Winkel eingestellt sind, um das Entweichen einer derartigen Streuung zu blockieren, und

(g) Inaktivieren oder Schaffen einer Ozonbegrenzung innerhalb dieser Zone.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas auf die Bahn beim Durch-

- laufen derselben zwischen Einlaß und Bearbeitungszone geblasen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Einführens und des Austretenlassens jeweils aufeinanderfolgende Winkeländerungen umfassen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasdecke auf der Bahn im Anschluß an die Winkeländerungen vorgesehen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Einführens und des Austretenlassens entlang im wesentlichen bogenförmiger Bahnen erfolgen.

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19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitze aufeinanderfolgende Winkeländerungen haben.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitze bogenförmig ausgebildet sind.

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