DE3442243A1 - Vorrichtung zur strahlenvernetzung - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Strahlenvernetzung
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strahlenvernetzung mindestens eines aus einem vernetzbaren Material bestehenden, rohrförmigen Produktes mittels energiereicher Strahlen, insbesondere Elektronenstrahlen, die in einer Beschleunigeranlage erzeugt und in einer nachgeordneten Ablenkeinheit sektorförmig aufgefächert sind, mit Einrichtungen zum ein-oder mehrfachen Hindurchführen des zu vernetzenden Produktes durch die aus einem Fenster austretenden Strahlen und mit mindestens einem die Strahlen zumindest weitgehend reflektierenden Körper, der auf der dem Strahlaustrittsfenster abgewanaten Seite des zu vernetzenden Produktes angeordnet ist. Ein Beispiel einer derartigen Vernetzungsvorrichtung ist in der Veröffentlichung der International Atomic Energy Agency mit dem Titel ~Large Radiation Sources for Industrial Processes" (IAEA-SM-123/20), Vienna 1969, Seiten 289 bis 299 beschrieben.
• Vernetzte Strangprodukte aus Kautschuk, Polyolefinen oder anderen vernetzbaren Polymeren bzw. sonstigen Kunststoffen finden verbreitete technische Anwendung wie z.B. für Warmwasserrohre, Schrumpfrohre und -schläuche, für Isolierungen elektrischer Leitungen bzw. Kabeladern oder für Mäntel von Leitungen und Kabeln. Vernetzte Rohre aus Polyolefinen oder anderen Kunststoffen können mittels einer Wärmebehandlung aufgeweitet werden. Dieser Zustand läßt sich dann beim Erkalten einfrieren. Ein Wiedererwärmen bewirkt ein Rückschrumpfen und damit verbunden ein Anschmiegen des Rohres an ein durch dieses gestecktes Werkstück oder anderes Produkt.
• Die Vernetzung wird im allgemeinen nach der Herstellung bzw. dem Strangpressen der rohrförmigen Produkte entweder durch einen chemischen Prozeß oder insbesondere durch die Bestrahlung mittels energiereicher Strahlung wie z.B. Elektronenstrahlen erzeugt ("technica", Band 15/16, 1983, Seiten 1247 bis 1250). Entsprechende Vorrichtungen weisen außer einer die Elektronenstrahlen erzeugenden Beschleunigeranlage eine nachgeordnete Ablenkeinheit auf, mit der die Strahlen sektorförmig aufgefächert werden. Unter einem Strahlaustrittsfenster dieser Ablenkeinheit wird das zu vernetzende rohrförmige Produkt durch das Strahlenfeld hindurchgeführt.
• Bei derartigen Elektronenstrahlvernetzungsvorrichtungen stellt jedoch die gleichmäßige Rundumbestrahlung, die bei Schrumpfrohren für eine einheitliche Wanddicke nach der Aufweitung wichtig ist, ein technisch schwer befriedigend zu lösendes Problem dar. Man hat deshalb versucht, das zu vernetzende rohrförmige Produkt während der Bestrahlung in eine Rotationsbewegung zu versetzen oder mehrfach durch das Strahlenfeld zu führen, wobei das Produkt sukzessiv um einen vorbestimmten Winkel gedreht ist (vgl. z.B. Forschungsbericht T 81-124 des Bundesministeriums für Forschung und Technologie mit dem Titel "Vernetzung von Kabel- und Leitungsisolierungen aus Polyolefinen durch energiereiche Strahlung, Teil 3: Fertigungstechnik", Juli 1981).
• Beide Verfahren führen jedoch in der praktischen Ausführung zu Schwierigkeiten. So ergibt sich im ersteren Fall besonders bei großen Querschnitten ein erheblicher apparativer Aufwand. Außerdem führt eine gleichzeitige translatorische Bewegung zu Dosis - und damit zu Vernetzungsinhomogenitäten in axialer Richtung. Aufgrund der dabei verhältnismäßig geringen Ausnutzung des Strahlungsfeldes sind zudem keine hohen Fertigungsgeschwindigkeiten erreichbar. Im zweiten Falle ist eine gleichmäßige, reproduzierbare Drehung nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren. Außerdem sind entsprechende Einrichtungen verhältnismäßig störanfällig. Man hat deshalb Vorrichtungen zur Strahlenvernetzung entwickelt, mit denen eine Vierseitenbestrahlung ermöglicht wird (vgl. DE-OS 30 14 399). Der apparative Aufwand einer derartigen Vorrichtung ist jedoch ebenfalls verhältnismäßig hoch.
• Aus der eingangs genannten Veröffentlichung IAEA-SM-123/20 ist zwar bekannt, die Vernetzung eines rohrförmigen Produktes auf dessen dem Strahlaustrittsfenster einer Elektronenstrahlvernetzungsvorrichtung abgewandten Seite dadurch zu verbessern, daß man dort einen die Strahlen reflektierenden Körper z.B. aus Blei anbringt. Jedoch ist auch mit dieser Vorrichtung eine hinreichend gleichmäßige Rundum-Vernetzung ohne zusätzliche Maßnahmen wie z.B. das vorerwähnte sukzessive Verdrehen des zu vernetzenden Produktes im allgemeinen nicht zu erreichen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß mit ihr eine verhältnismäßig gleichmäßige Rundum-Vernetzung von langgestreckten rohrförmigen Produkten aus vernetzbaren Materialien mit verhältnismäßig geringem apparativen Aufwand ermöglicht wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Strahlaustrittsfenster und dem zu vernetz- enden Produkt eine Folie aus einem die Strahlen streuenden Material vorgesehen ist.
• Die mit dieser Ausgestaltung der Vernetzungsvorrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß bereits bei nur einmaligem Passieren des Strahlenfeldes einer gebräuchlichen Elektronenbestrahlungsanlage eine hinreichend gleichmäßige Rundum-Vernetzung des rohrförmigen Produktes erreichbar ist. Mehrmaliges Durchlaufen des Produktes ist zwar möglich, um beispielsweise zu einer noch besseren Strahlungsausnutzung und damit verbunden zu höheren Fertigungsgeschwindigkeiten zu gelangen, aber prinzipiell nicht erforderlich. Voraussetzung ist lediglich, daß die Reichweite der Strahlung merklich größer als die insgesamt zu durchstrahlende Materialdicke ist. Diese Forderung läßt sich bei nicht zu dicken Produkten mit gebräuchlichen Bestrahlungsanlagen erfüllen.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Strahlenvernetzungsvorrichtung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 schematisch ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strahlenvernetzungsvorrichtung veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt schematisch einen hierzu senkrechten Schnitt durch diese Vorrichtung. Aus den Diagrammen der Figuren 3 und 4 ist der Vernetzungsgrad von nicht-erfindungsgemäß bzw. erfindungsgemäß bestrahlten Produkten ersichtlich.
• Bei der in den Figuren 1 und 2 angedeuteten Strahlenvernetzungsvorrichtung nach der Erfindung wird beispielsweise von einer Vorrichtung ausgegangen, wie sie der genannten Veröffentlichung ~technica" (vgl. deren Bild 2) zu entnehmen ist. Dabei zeigen die Figuren, in denen gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, einen Längs- bzw. Querschnitt bezüglich mehrerer zu vernetzender strangförmiger Produkte wie z.B. Warmwasserrohre, Schrumpfrohre und -schläuche, aber auch Isolationen elektrischer Leitungen, elektrischer Kabelmäntel, Kabeladern oder sonstiger, ähnlich geformter Strangprodukte, die ein-oder mehrfach durch eine Elektronenbestrahlungsvorrichtung 2 hindurchgeführt werden sollen. Diese Vorrichtung umfaßt eine im allgemeinen vertikal ausgerichtete Beschleunigeranlage 3 mit einer Elektronenstrahlquelle und einer vertikalen Beschleunigerstrecke, an deren unterem Ende sich Magnetspulen als Ablenkeinheit befinden, um das von der Strahlenquelle erzeugte Elektronenstrahlbündel sektorförmig aufzufächern.
• Dieser Teil der Anlage wird auch als Scanner bezeichnet, dessen sogenanntes Scan-Horn nach unten durch ein im allgemeinen etwa rechteckiges Fenster 6 abgeschlossen ist, durch das das aufgefächerte Strahlenbündel 7 austritt. Als Strahlaustrittsfenster mit einer Breite oder Längsausdehnung 1 von z.B. 1 m und einer Tiefe s von 5 bis 10 cm kann beispielsweise eine 50 um dicke Titanfolie dienen.
• Das Bestrahlungsgut, das in der Figur allgemein mit 8 bezeichnet ist, wird normalerweise quer zu dem Strahlaustrittsfenster 6, d.h. etwa senkrecht zu dessen Längsausdehnung 1 durch das Feld 9 der aus dem Fenster 6 ausgetretenen Strahlen bewegt. Gegebenenfalls kann aber auch das Bestrahlungsgut 8 schräg bzgl. der Längsausdehnung 1 geführt werden. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei angenommen, daß dieses Bestrahlungsgut 8 aus einem Rohr besteht, welches in neun Windungen 8a bis 8i um zwei in der Figur nicht dargestellte Trommeln oder Radsätze gelegt ist, so daß diese Windungen 8a bis 8i annähernd parallel nebeneinander durch das Strahlenfeld 9 zu führen sind. Diese Windungen, die beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene liegen, können gegebenenfalls auch so durch das Strahlenfeld 9 hindurchgezogen werden, daß sie statt in einer parallelen Lage zu der durch das Strahlaustrittsfenster 6 aufgespannten Ebene einem Winkel <180O mit dieser Ebene einschließen. Unterhalb des Bestrahlungsgutes 8 sind meist gekühlte Metallplatten, sogenannte Prallplatten angebracht, mit denen die durchgehende Strahlung gestoppt werden soll. Eine derartig gestaltete Vernetzungsvorrichtung liegt dem Diagramm der Figur 3 zugrunde.
• Wie aus diesem Diagramm zu entnehmen ist, zeigt ein einmal durch das Strahlenfeld bewegtes Rohr eine starke Schwankung der Vernetzung in Umfangsrichtung. In dem Diagramm ist auf der Abszisse der Umfangswinkel ç in Grad angegeben, der zwischen dem jeweiligen Ortsradius und der Einstrahlrichtung des Elektronenstrahls gemessen wird. Auf der linken Ordinate ist als Maß für den Vernetzungsgrad der Elastizitätsmodul E in N/mm2 bei 2000C angegeben. Dieser E-Modul ist aus der Wärmedehnung W (Hot-set-Dehnung) von ringförmigen, dem Produkt entnommenen Probekörpern mit einer Zugspannung 2 von 0,2 N/mm2 ermittelt, die auf der rechten Ordinate in Prozent der Ausgangslänge aufgetragen ist (durchgezogene, treppenartige Kurve). Dem Ausführungsbeispiel ist ein Polyäthylen-Rohr mit 11 mm Durchmesser und 2 mm Wandstärke zugrundegelegt, das mit 2,5-MeV-Elektronen von der Oberseite her bestrahlt wurde. Wie aus diesem Diagramm der Kurvenverlauf für den E-Modul (gestri- chelte Linie) zeigt, treten bei einer Bestrahlung nach herkömmlicher Art erhebliche winkelabhängige Schwankungen des E-Moduls von einem Mittelwert E m auf.
• Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß, wie den Figuren 1 und 2 ferner zu entnehmen ist, zwischen dem Strahlaustrittsfenster 6 und dem Bestrahlungsgut 8 eine dünne Folie 10 aus einem die Elektronenstrahlung streuenden Material angeordnet ist. Diese Streufolie kann insbesondere aus dünnem Edelstahlblech bestehen.
• Um eine gute Streuwirkung zu gewährleisten, kann auch eine Folie vorgesehen werden, die mit einem Material hoher (spezifischer) Dichte von insbesondere mindestens 10000 kg/m3 beschichtet ist. Da die Folie bei den üblicherweise in Fertigungsanlagen angewendeten hohen Strahlleistungen in verhältnismäßig kurzer Zeit überhitzt werden würde, ist sie vorteilhaft als ein längs zum Strahlaustrittsfenster 6 und damit quer zur Bewegung des Bestrahlungsgutes 8 bewegtes Band gestaltet, das über Führungsrollen 11 bis 13 geführt wird. Außerdem ist, wie in der Figur 1 durch gepfeilte Linien 14 angedeutet sein soll, zweckmäßigerweise eine zusätzliche Kühlung des Bandes 10 vorgesehen. Es sind jedoch auch andere Anordnungen eines solchen Bandes denkbar.
• Die Dicke des Bandes richtet sich nach der Beschleunigungsspannung und den Dimensionen des Bestrahlungsgutes und liegt im allgemeinen zwischen 0,05 und 0,5 mm. Anstelle eines Bandes können auch Einzelbleche, die an einer Transportkette befestigt sind, vorgesehen werden.
• Ferner besteht auch die Möglichkeit, mit Löchern oder sonstigen Aussparungen versehene perforierte oder auch strukturierte Bänder, Drahtnetze oder sonstige Gewebe zu verwenden. Hiermit läßt sich gegebenenfalls eine Bestrahlung des Bestrahlungsgutes 8 sowohl mit gestreuten Elektronenstrahlen als auch direkt mit nicht-gestreuten Strahlen vornehmen. Dieser Effekt läßt sich bei einer Mehrfachdurchführung eines zu vernetzenden Produktes auch dadurch erreichen, daß man in dem Strahlenfeld 9 eine verhältnismäßig schmale bandförmige Streufolie 10 vorsieht, die nur einen Teil des Bestrahlungsgutes 8 abdeckt. Hierzu könnte die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Führungseinrichtung für das zu bewegende Streuband 10 so angeordnet werden, daß dieses Band nicht senkrecht, sondern schräg bzgl. der Längsausdehnung 1 des Strahlaustrittsfensters 6 durch das Strahlenfeld 9 verläuft.
• Gemäß dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner angenommen, daß die Streufolie 10 im Bereich des Strahlaustrittsfensters 6 bzw.
• des Strahlenfeldes 9 in einer Ebene verläuft, die parallel zu der durch das Strahlaustrittsfenster 6 aufgespannten Ebene und/oder parallel zu dem Bestrahlungsgut 8 liegt. Gegebenenfalls kann man aber auch die Streufolie 10 geneigt gegenüber der in den Figuren angenommenen Streufolienebene anordnen.
• Außerdem soll bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der der Einstrahlung abgewandten Seite des Bestrahlungsgutes 8 mindestens ein die Strahlung reflektierender Körper vorgesehen sein. Beispielsweise kann man hierfür eine an sich bekannte Reflektorplatte 15 verwenden, die aus einer die durchgehende Strahlung stoppenden Prallplatte besteht. Diese Platte ist mit einem die Strahlung stark reflektierenden Material, insbesondere aus einem schweren Metall wie beispielsweise Blei, Wolfram, Gold oder Tantal beschichtet. Die Dicke dieser Schicht sollte dabei mindestens 0,2 mm betragen. Mehr als 1 mm dicke Schichten sind im allge- meinen nicht erforderlich. Die Reflektorplatte 15 kann eben gestaltet oder auch mit einem derartigen Profil versehen sein, daß die reflektierte Strahlung auf das Bestrahlungsgut hin konzentriert wird. In Figur 1 ist die reflektierte Strahlung durch gepfeilte Linien 17 angedeutet.
• Wendet man nun die erfindungsgemäßen Maßnahmen bei einer Bestrahlungsanlage an, wie sie für das dem Diagramm nach Figur 3 zugrundegelegte Ausführungsbeispiel gewählt wurde, so erhält man bei einer Figur 3 entsprechenden Darstellung einen Kurvenverlauf für den E-Modul, der wesentlich geringere Schwankungen um den Mittelwert F Ems in Abhängigkeit vom Umfangswinkel zeigt. Dieser dem Diagramm der Figur 4 entnehmbare Kurvenverlauf für den E-Modul (gestrichelte Kurve) bzw.
• für die entsprechende Wärmedehnung (treppenartige, durchgezogene Kurve) ergibt sich bei Verwendung einer 0,2 mm dicken Streufolie 10 aus Edelstahl und einer Reflektorplatte 15 mit einer etwa 1 mm dicken Bleischicht. Durch einen Vergleich entsprechender Kurven der Diagramme nach den Figuren 3 und 4 ist somit ohne weiteres ersichtlich, daß mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine wesentlich gleichmäßigere Rundum-Vernetzung eines rohrförmigen Produktes zu erreichen ist.
• Diese Vergleichmäßigung läßt sich erforderlichenfalls noch verbessern, wenn bei mehrfachem Durchlauf das zu vernetzende Produkt wie Rohre, Kabel usw. jeweils axial um einen geeigneten Winkel gedreht zwischen der Streufolie und der Reflektorplatte hindurchgeführt wird.
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Claims (15)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Strahlenvernetzung mindestens eines aus einem vernetzbaren Material bestehenden, rohrförmigen Produktes mittels energiereicher Strahlen, insbesondere Elektronenstrahlen, die in einer Beschleunigeranlage erzeugt und in einer nachgeordneten Ablenkeinheit sektorförmig aufgefächert sind, mit Einrichtungen zum ein- oder mehrfachen Hindurchführen des zu vernetzenden Produktes durch die aus einem Fenster austretenden Strahlen und mit mindestens einem die Strahlen zumindest weitgehend reflektierenden Körper, der auf der dem Strahlaustrittsfenster abgewandten Seite des zu vernetzenden Produktes angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Strahlaustrittsfenster (6) und dem zu vernetzenden Produkt (8; 8a bis 8i) eine Folie (10) aus einem die Strahlen (Strahlenfeld 9) streuenden Material vorgesehen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß die Streufolie (10) so angeordnet und/oder ausgebildet ist, daß nur ein Teil des zu vernetzenden Produktes (8; 8a bis 8i) bzgl. der aus dem Strahlaustrittsfenster (6) austretenden Strahlen (Strahlenfeld 9) durch die Streufolie (10) abgedeckt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich des Strahlaustrittsfensters (6) die durch die Streufolie (10) aufgespannte Ebene parallel oder geneigt ist bzgl der durch das Strahlaustrittsfenster (6) aufgespannten Ebene und/oder bzgl. der Führungsrichtung des zu vernetzenden Produktes (8; 8a bis 8i).
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich des Strahlaustrittsfensters (6) die bandförmig gestaltete Streufolie (10) parallel oder geneigt bzgl. der Richtung der Längsausdehnung (1) des Strahlaustrittsfensters (6) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Streufolie (10) aus einem endlosen Band besteht, das über Rollen (11 bis 13) parallel zur Richtung der Längsausdehnung (1) des Strahlaustrittsfensters (6) und quer zur Führungsrichtung des zu vernetzenden Produktes (8; 8a bis 8i) zu bewegen ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein als Streufolie (10) dienendes Band aus einem Edelstahlblech besteht, dessen Dicke zwischen 0,05 und 0,5 mm liegt.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Streufolie (10) an einer Transportkette befestigte Einzelbleche vorgesehen sind.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Streufolie (10) perforiert und/oder strukturiert ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Streufolie (10) ein Netz oder Gewebe vorgesehen ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Streufolie (10) aus einem Material mit hoher Dichte besteht oder von einer Trägerfolie gebildet ist, die mit einer Schicht aus diesem Material versehen ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Kühlung (14) der Streufolie (10) vorgesehen ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich des Strahlaustrittsfensters (6) das zu vernetzende Produkt (8; 8a bis 8i) parallel oder geneigt bzgl. der durch die Streufolie (10) aufgespannten Ebene oder bzgl. der durch das Strahlaustrittsfenster (6) aufgespannten Ebene zu führen ist.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich des Strahlaustrittsfensters (6) das zu vernetzende Produkt (8; 8a bis 8i) quer oder schräg bzgl.

    der Richtung der Längsausdehnung (1) des Strahlaustrittsfensters (6) zu führen ist.
14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der reflektierende Körper (Reflektorplatte 15) mit einer 0,2 bis 1 mm dicken Schicht aus schwerem Material wie beispielsweise Blei oder Tantal oder Gold oder Wolfram beschichtet ist.
15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der reflektierende Körper (Reflektorplatte 15) derart profiliert ist, daß die reflektierte Strahlung (17) mindestens zu einem Teil auf das zu vernetzende Produkt (8; 8a bis 8i) konzentriert ist.