DE3709462A1

DE3709462A1 - Ein- oder mehrstufiger elektronenbeschleuniger mit sprungstrahl

Info

Publication number: DE3709462A1
Application number: DE19873709462
Authority: DE
Inventors: Alexander Van Raaij; Eberhard Foell; Peter Dr Holl
Original assignee: Polymer-Physik GmbH and Co KG; Polymer Physik GmbH and Co KG
Current assignee: Polymer-Physik GmbH and Co KG; Polymer Physik GmbH and Co KG
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1988-10-06

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ein- oder mehr stufigen Elektronenbeschleuniger, der im wesentlichen aus Emissionsquelle, Beschleunigungsstrecke, Fokussierung, elektromagnetischer Ablenkeinheit und einem gestützten Elektronenaustrittsfenster für den Elektronenstrahl besteht.

lndustrielle Elektronenstrahlquellen werden heute vielfältig zur Induzierung chemischer Reaktionen auf den Gebieten der Lacktrocknung, Klebstoffvulkanisation und Oxidation von Rauchgasen (SO₂ und NO_x) zur Entsorgung dieser Umwelt belastungen eingesetzt.

Hierzu werden Elektronen im Vakuum aus einer Glühkathode emittiert - sie durchlaufen eine 1-stufige Beschleunigungs strecke, je nach Anwendungsfall von 150-300 kV - werden im feldfreien Raum fokussiert und dann, entsprechend der Arbeitsbreite, noch im Vakuum großflächig abgelenkt. Der so erzeugte flächig aufgeweitete Elektronenstrahl tritt durch eine dünne Metallfolie aus dem Vakuum an Atmosphärendruck aus und kann jetzt chemische Reaktionen induzieren.

Der etwa einige Millimeter im Durchmesser starke Elektronen strahl wird mit einer Ablenkfrequenz von ca. 1 kHz linear über dieses Fenster in 2 zueinander senkrechte Richtungen magnetisch abgelenkt. Die Ablenkung erfolgt mit einem magnetischen X/Y-Ablenksystem durch Ansteuerung der Magnet spulen mit absolut linearen Strömen.

Den Bereich des Elektronenstrahlers, wo die Elektronen durch die dünne Metallfolie an Atmosphärendruck austreten, nennt man Elektronenaustrittsfenster (Lenardfenster).

Die Wirtschaftlichkeit eines Elektronenbeschleunigers hängt wesentlich von der Konstruktion dieses Fensters ab.

Die dünne Metallfolie absorbiert einen Teil des Elektronen strahls, was sich in einer Erwärmung der Folie äußert. Diese Wärme muß entweder durch Anblasen der Folie mit einem Gas von der Atmosphärenseite her oder aber durch Wärmetransport in der Folie zum Rand ihrer Einspann vorrichtung hin erfolgen.

Bei großflächigen Elektronenaustrittsfenstern ist zudem für die Abstützung der Folie gegenüber dem Atmosphärendruck eine Stütz- und gleichzeitig Kühlkonstruktion, wie sie z. B. in der DE-PS 26 06 169 dargestellt ist, notwendig.

Solche Stützkonstruktionen können in Doppelkammausführung oder aber in Form von Bohrungen in Kombination mit Kühl kanälen ausgebildet sein.

Die sogenannten Fensterverluste dieser Anlagen setzen sich aus dem Leistungsverlust des Elektronenstrahls in der Titanfolie und dem Leistungsverlust durch die Stützkon struktion zusammen.

Die Verluste in der dünnen Metallfolie hängen von der Beschleunigungsspannung ab und betragen zwischen 9% bei 300 kV und 20% bei 150 kV.

Die Verluste durch die Stützkonstruktion für die Metallfolie sind direkt proportional zu der geometrisch optischen Schattenbildung durch die Stützkonstruktion und liegen -je nach Ausbildung der Fensterkonstruktion - zwischen 20 und 30%. Diese Leistung muß direkt als Wärme abgeführt werden. Sie tritt an zwei Stellen auf:

- In der Fensterkonstruktion
- Als von der Fensterkonstruktion rückgestreute Elektronen.

Letztere treffen auf die Scannerwand auf; diese erwärmt sich so stark, daß sie gekühlt werden muß.

Diese Leistungsverluste aus Folie und Stützkonstruktion werden bei Anlagen mit 3-40 kW Gesamtleistung, wie sie für die Lacktrocknung und Klebstoffvulkanisation eingesetzt werden, in Kauf genommen, da die Kosten der Elektronenstrahl- Gesamtleistung im Verhältnis zur Wertschöpfung in Form eines vernetzten Produktes vernachlässigbar sind.

Dies ist jedoch im Fall der Bestrahlung von Rauchgasen nicht der Fall. Hier werden zur Entsorgung von kleineren und mittleren Kraftwerken effektive Strahlleistungen benötigt, die in der Größenordnung von 2% der Kraftwerks leistung liegen. Dies sind immerhin 200 kW bis 2000 kW effektive Elektronenstrahlleistung. An dieser Stelle machen sich Transmissionserhöhungen im Elektronenaustrittsfenster um 20-30% der Gesamtstrahlleistung in der Wirtschaftlich keitsberechnung des Entsorgungsprozesses deutlich bemerkbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vor stehend genannte Absorption und Rückstreuung der beschleu nigten Elektronen aus der Stützkonstruktion des Elektronen austrittfensters zu vermeiden.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung, dadurch, daß der Elektronenstrahl von der elektromagnetischen Ablenkeinheit so abgelenkt wird, daß er

a) auf die Stützkonstruktion gar nicht auftrifft,
b) die Stützkonstruktion sehr schnell überläuft und
c) sich im Folienbereich wieder langsamer bewegt.

Bei der praktischen Durchführung dieser Lösungswege bietet sich die Einführung einer Ablenkelektronik an, die unter Beibehaltung der bekannten Strahlerbauelemente einen Springstrahl erzeugt, d. h. der Elektronenstrahl springt von einer Durchlaßstelle im Elektronenaustrittsfenster zur anderen (Fig. 1). Diese Springablenkung ist der linearen Ablenkung des Elektronenstrahls überlagert. Die Darstellung einer solchen Treppenfunktion, abgestimmt auf die Lochanzahl oder die Anzahl der Schlitze im Elektronenaustrittsfenster, ist einfach. Für den Dauerbetrieb und die Justierung sowie zur Kompensation unkontrollierbarer Magnetfelder ist jedoch ein automatisches Auffinden der Stelle im Fenster mit maxi malem Elektronendurchlaß unentbehrlich.

Hierzu bietet sich die aus der Elektronenstrahlschweißtechnik bekannte Strahl-Stoß-Positionierung mittels Sekundärelektronen, rückgestreuten Elektronen, der Emission charakteristischer Röntgenstrahlen, oder die Röntgenstrahlemission an. Dies wird z. B. beschrieben in Koch, D.; Mayer, R.; Koeppe, A.: Automatische Strahlnachführung - ein weiterer Schritt auf dem Wege zur Automatisierung der Arbeit an der Elektronenstrahl schweißmaschine. Strahltechnik 6, DVS-Berichte 26, Düsseldorf: Dtsch. Verlag f. Schweißtechnik GmbH. 1973, S. 23-26.

Auch ist es möglich, mit diesen Signalen direkt ein Bild der Fenster-Stützkonstruktion herzustellen, was die Justierung des Elektronenstrahls in das Elektronenaustrittsfenster bei Kathodenwechsel oder Erstinbetriebnahme erleichtern würde.

Außerdem ist eine Optimierung der Fokuslage des Elektronen strahls mit dieser Methode möglich.

Der Auffänger für das zu verarbeitende Signal muß sich, um ein verzerrungsfreies Bild zu ergeben, als Ringblende im Bereich der Ablenkspule für den Elektronenstrahl befinden (Signalaufnehmer für Synchronimpulse).

Anforderungen an die Ablenkung:

1. Die Ablenkung muß so erfolgen, daß alle Öffnungen in der Stützgitterkonstruktion mit derselben Intensität bestrahlt werden.
2. Eine maximale Verweildauer des Elektronenstrahls auf einen Punkt des Austrittfensters darf nicht überschritten werden, damit keine zu großen Temperaturdifferenzen in der Folie auftreten. Dies ist gleichbedeutend wie die Forderung nach einer unteren Grenzfrequenz für die Ablenkung.
3. Hochfrequente Anteile im Fourier-Spektrum der Ablenk funktionen müssen vermieden werden, da diese vom Strom verstärker nicht genügend linear übertragen werden.
4. Die Austastung der Lücken im Stützgitter muß so erfolgen, daß das Verhältnis Verweildauer des Strahles auf der Lücke zur Verweildauer des Strahles auf dem Stützgitter möglichst groß ist.
5. Die Erzeugung des Springstrahles muß so erfolgen, daß das Intensitätsmuster des Elektronenstrahls auf dem Austrittsfenster jeder beliebigen Stützgitterkonstruktion angepaßt werden kann.

Diese Anforderungen sind in einigen Bereichen gegenläufig. Es müssen daher gangbare Kompromisse gefunden werden.

Eine gute Möglichkeit, die besten Kompromisse zu finden, bietet die digitale Speicherung der Ablenkspannungen.

Praktische Erfahrungen setzen momentan folgende Grenzwerte:

- Die "Bildfolge"-Frequenz darf 500 Hz nicht unterschreiten, um auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten des Bestrah lungsgutes eine gleichmässige laterale Dosisverteilung zu gewährleisten.
- Die höchsten bei der Ablenkung auftretenden Frequenzen sollten unter 50 kHz liegen.
- Bedingt durch die hochfrequenten Anteile im Fourier-Spek trum einer Treppenfunktion muß die Speichertiefe mindestens 11 Bit betragen.

Gegenüber bisherigen Strahlführungssystemen bringt die Springstrahlablenkung folgende Vorteile:

Der energetische Wirkungsgrad der Anlagen steigt - bedingt durch die erhöhte Transmission - um 20-30%.

- Die Stützgitterkonstruktion wird konstruktiv einfacher und daher billiger, da weniger Wärme aus dem Stützgitter abgeführt werden muß.
- Die Lebensdauer der Verschleißteile (Kathode und Isolator) wird erhöht, da für dieselbe Dosisleistung der Strahlstrom um 20-30% abgesenkt werden kann.
- Die bei Anlagen größerer Strahlleistung notwendige Kühlung der Wände der Vakuumkammer kann entfallen, da die Aufhei zung dieser Wände vorwiegend durch vom Stützgitter reflektierte Elektronen geschieht.

Die Erfindung wird nachfolgend weiterhin anhand der Fig. 1 und 2 und der beiden Ausführungsbeispiele erläutert, ohne sie jedoch darauf einzuschränken.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ausschnittsweise die Ablenkeinrichtung und das Elektronenaustritts fenster mit verschiedenen Durchlaßöffnungen eines Elektronenbeschleunigers.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung, wie die durch die Sekundärelektronen, die rückgestreuten Elektronen und/oder die Röntgenstrahlen mit unterschiedlicher Intensität und Energie erzeugten Signale aufgenommen und zur Justierung des Elektronenstrahls benützt werden.

Beispiel 1

Anhand dieses Beispiels wird die mittels der in Fig. 2 dargestellten Anordnung herbeigeführte Strahlablenkung erläutert.

Die Adressen von 2 Speichern werden mit 12 Bit-Zählern angesteuert.

(Als Speicher wurden hier jeweils 2 EPROMs vom Typ 2732 verwendet).

Die beiden Zähler (2) werden vom selben Taktgenerator (3) gespeist, wobei sich zwischen dem einen der beiden Zähler (2) und dem Taktgenerator (3) ein variabler Vorteiler (4) befindet. Dadurch wird eine größere Flexibilität in der Wahl der Frequenzverhältnisse erreicht.

Die in den Speichern (1) abgelegten Ablenkspannungen gelangen (sie müssen, um Nadelimpulse zu vermeiden, vorher entsprechend aufbereitet werden) auf einen 12 Bit-Digital-Analog-Wandler (5) und von dort zum Stromverstärker (6).

Zur Unterstützung einer rechnergestützten Justierung werden von der Ablenkeinheit Synchronimpulse (7) ausgegeben, die die momentane Position des Ablenkwertes im Adressraum der Speicher anzeigen.

Sind im Elektronenaustrittsfenster an geeigneter Stelle Elektronenauffänger angebracht, so erfolgt diese rechner gestützte Justierung dadurch, daß der Rechner durch Über lagerung von Gleichstromanteilen in den Ablenkspulen (8) die Synchronimpulse mit den Auffängersignalen zur zeit lichen Deckung bringt.

Beispiel 2

Dieses Beispiel stellt ein Anwendungsbeispiel dar, bei dem Rauchgas durch Elektronenbestrahlung mittels der erfin dungsgemäßen Elektronenbeschleuniger entsorgungsfähig gemacht wird.

Es sollen 30 000 Nm³ Rauchgas, entsprechend einer Kraftwerksleistung von 10 MW_el, an einem Rauchgaskanal mit 20 kGy Dosis behandelt werden.

Eine Rauchgasmenge von 30 000 N,³/h entspricht, bei einer Dichte von ρ = 1,3 kg/Nm³, 39 000 kg/h = 10,83 kg/s.

Dosisformel: 10 kW = 1 kg · 10 kGy/s

Das heißt, mit einer effektiven Strahlleistung von 10 kW kann pro Sekunde 1 kg Rauchgas mit einer Dosis von 10 kGy bestrahlt werden.

Strahlerdaten mit Punktkathode:
Beschleunigungsspannung300 kV Elektronenstrom200 mA Bruttostrahlleistung 60 kW Nettostrahlleistung mit Sprungstrahl
entsprechend einem Leistungsverlust in
der Titanfolie des Elektronenaustrittfensters von 10% 54 kW Nettostrahlleistung ohne Sprungstrahl
entsprechend einem Leistungsverlust in
der Titanfolie und der Stützkonstruktion
des Elektronenaustrittfensters von 40% 36 kW

Bei einer Strahlerbauweise ohne Sprungstrahl beträgt die Bruttostrahlleistung für vorhergehendes Beispiel der Rauchgasentsorgung 360 kW.

Bei einer Strahlerbauweise mit Sprungstrahl beträgt die Bruttostrahlleistung 240 kW, entsprechend einer Einsparung von 120 kW oder 30%.

Dies äußert sich nicht nur in einer Reduktion der Betriebs kosten, sondern auch in geringeren Investitionskosten, wie am nachfolgenden Beispiel gezeigt wird:

lm Falle der Verwendung von Elektronenbeschleunigern mit Sprungstrahl sind zur Entsorgung eines 10 MW_el-Kraftwerkes 4 Elektronenstrahler, ohne Anwendung des Sprungstrahles 6 Elektronenstrahler, notwendig.

Zusätzlich zu der Einsparung an Elektronenstrahlern kommt auch noch eine Einsparung an Rückkühlleistung, die im Falle der Nichtanwendung des Sprungstrahls für die Fensterkühlung in Höhe von 30% aufgebracht werden müßte.

Claims

1. Ein- oder mehrstufiger Elektronenbeschleuniger, bestehend im wesentlichen aus Emissionsquelle, Beschleunigungsstrecke, Fokussierung, elektro magnetischer Ablenkeinheit für den Elektronenstrahl im Vakuum und gestütztem Elektronenaustrittsfenster für den Durchtritt des Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahl führung über das Elektronenaustrittsfenster mittels der elektromagnetischen Ablenkeinheit sprungförmig geschieht, indem der Elektronenstrahl bei seiner Bewegung auf den elektronendurchlässigen Stellen der Stützkonstruktion länger verweilt, als auf der Stützkonstruktion selbst.

2. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl durch eine punktförmige Emissionsquelle als runder Fleck ausge bildet ist und im Durchmesser weitgehend den Durch laßöffnungen der Stützkonstruktion angepaßt ist.

3. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl durch eine elektromagnetische Ablenkeinrichtung als Linienstrahl ausgebildet ist und damit weitgehend den Schlitzen der Stützkonstruktion angepaßt ist.

4. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Elektronenstrahl auf der Stützkonstruktion und dem Elektronenaustrittsfenster Sekundärelektronen, rückgestreute Elektronen oder Röntgenstrahlen unterschiedlicher Intensität und Energie ausgelöst werden und mittels dieser Sekundär elektronen, rückgestreuten Elektronen oder Röntgenstrahlen in einer entsprechenden Empfangseinheit Signale erzeugt werden, die den Elektronenstrahl automatisch durch die Durchlaßöffnungen der Stützkonstruktion des Fensters leiten.

5. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale aus Anspruch 4 zur Abbildung der Stützkonstruktion des Elektronenaustritt fensters verwendet werden können und somit eine elektro magnetische Strahljustierung des Elektronenbeschleunigers über die gesamte Elektronenaustrittsfläche vorgenommen werden kann.

6. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung des Elektronenaustritt fensters mit Hilfe des Elektronenstrahls aus Anspruch 5 zur Optimierung der Fokuslage (engster Strahlquerschnitt) in der Fensterebene herangezogen wird, wodurch die Ein stellung der Fokuslage des Elektronenstrahls durch die Fokussierlinse auf maximalen Kontrast gewährleistet ist.

7. Verwendung der Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1 bis 6 zur Bestrahlung von Rauchgas, um dieses entsorgungs fähig zu machen.