EP4078645A1 - Vorrichtung und verfahren zum beaufschlagen gasförmiger medien mit beschleunigten elektronen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum beaufschlagen gasförmiger medien mit beschleunigten elektronen

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EP4078645A1
EP4078645A1 EP20829833.1A EP20829833A EP4078645A1 EP 4078645 A1 EP4078645 A1 EP 4078645A1 EP 20829833 A EP20829833 A EP 20829833A EP 4078645 A1 EP4078645 A1 EP 4078645A1
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EP
European Patent Office
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hollow cylinder
electron
gaseous medium
ring
exit window
Prior art date
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Pending
Application number
EP20829833.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gösta MATTAUSCH
André Weidauer
Ralf Blüthner
Jörg KUBUSCH
Frank-Holm Rögner
Volker Kirchhoff
Rainer Labitzke
Burkhard Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Pending legal-status Critical Current

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    • B01D2259/818—Employing electrical discharges or the generation of a plasma

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for applying accelerated electrons to gaseous media, whereby a chemical conversion of the gaseous medium or a gas synthesis is effected.
  • a gaseous medium is understood to mean gases, gas mixtures, vapors and aerosols, all of which can also contain solid particles, as is the case, for example, with exhaust gases from internal combustion engines, industrial plants or thermal power plants.
  • Electron beam technology has been used on an industrial scale for the chemical modification of materials and for the disinfection or sterilization of surfaces for several decades.
  • the treatment of products can be carried out economically at atmospheric pressure, for which the electrons first have to be released in a vacuum, then accelerated and finally decoupled into the treatment zone through a beam exit window, usually a thin metal foil.
  • Acceleration voltages> 100 kV are typically required to penetrate sufficiently robust electron exit windows that can be used on an industrial scale and also to ensure sufficient treatment depth in the product.
  • Electron beam sources based on thermionic emitters are also mechanically complex, difficult to scale and require complex Eloch voltage supplies and Eloch vacuum systems. In the event of damage to the beam exit window with the resulting breakdown of the vacuum, irreversible damage to the cathode system occurs and therefore high repair costs.
  • DE 199 42 142 A1 discloses a device in which bulk material is guided past an electron beam device in multiple free falls and charged with accelerated electrons. Due to the multiple passage, combined with intermixing of the bulk material, the probability in this embodiment is very high that the particles of the bulk material are subjected to accelerated electrons on all sides. If, instead of the bulk material, a fluid was passed through the treatment zone, the multiple passage would also make the integrally transferred energy dose more uniform. The multiple run, however, requires a lot of time to carry out the treatment process.
  • WO 01/97954 A2 a plurality of planar electron beam generators along one side and symmetrically to be arranged opposite on the other side of a rectangular treatment chamber.
  • This superposition improves the dose homogeneity in the volume, but again at the price of high equipment expenditure.
  • fluids are usually guided in pipes with a circular cross-section.
  • the transition to the rectangular cross-section of the treatment chamber is associated with the formation of eddies which, on the one hand, increase the flow resistance and, on the other hand, cause the dose homogeneity due to locally varying flow speeds or stationary vortex structures.
  • a ring-shaped device for generating accelerated electrons is disclosed in DE 10 2013 111 650 B3, in which all essential components, such as
  • Cathode, anode and electron exit window are ring-shaped, so that a ring-shaped electron beam can be formed by means of such a device, in which the accelerated electrons move towards the inside of the ring.
  • a ring-shaped electron beam can be formed by means of such a device, in which the accelerated electrons move towards the inside of the ring.
  • strand-like substrates that are moved through the ring opening of the device can be fully exposed to accelerated electrons with respect to the substrate cross-section.
  • a device known from DE 10 2013 111 650 B3 usually has a circular ring shape, but can also be designed with any other ring shape.
  • accelerated electrons can be applied not only to rod-shaped substrates, but also, for example, bulk material which is guided through the ring opening, for example, in free fall, or gases which flow through the ring opening.
  • a device is not suitable for treating hot gases, such as exhaust gases from internal combustion engines or chemical synthesis gases, because the electron exit window, which comes into contact with the hot gas when a hot gas flows through the ring opening, is the thermal or cannot withstand corrosive loads.
  • the invention is therefore based on the technical problem of creating a device and a method for applying and chemically converting gaseous media with the aid of accelerated electrons, by means of which the disadvantages of the prior art can be overcome.
  • the device according to the invention and the method according to the invention it should be possible with the device according to the invention and the method according to the invention to apply accelerated electrons and chemically convert them to hot gaseous media, such as exhaust gases from internal combustion engines or chemical synthesis gases, with little technical effort.
  • a device according to the invention can first of all have all the features of a ring-shaped electron beam source, as are known from DE 10 2013 11 650 B3 and DE 10 2013 113 668 B3.
  • Exposure of gases, gas mixtures, vapors and aerosols (which are summarized under the term "gaseous media") with accelerated electrons (possibly contaminated with solid particles) at least one electron gun which has at least one cathode for emitting electrons and at least one electron exit window, the At least one cathode is ring-shaped and the at least one electron exit window is designed as a ring-shaped first hollow cylinder.
  • the ring-shaped electron exit window designed as a first hollow cylinder, forms an inner wall of a ring-shaped housing of the electron gun, the electrons emitted by the cathode being acceleratable to the ring axis of the ring-shaped housing within the as First hollow cylinder formed electron exit window an annular second hollow cylinder is arranged, which delimits an annular space between the first hollow cylinder and the second hollow cylinder.
  • a cooling gas flows through the annular space between the first hollow cylinder and the second hollow cylinder and the gaseous medium to which accelerated electrons are to be applied flows through the second hollow cylinder.
  • ring-shaped in the sense of the invention in all ring-shaped devices and components described below is not limited to a ring in circular shape.
  • the cross-section of ring-shaped elements of a device according to the invention is circular in a preferred embodiment of the invention formed, but can also have any other geometric shape in the broadest sense of the invention.
  • an electron gun which has at least one cathode for emitting electrons and at least The at least one cathode (107) is annular and the at least one electron exit window is designed as an annular first hollow cylinder, the annular as The electron exit window formed by the first hollow cylinder forms an inner wall of an annular housing of the electron gun and the electrons emitted by the cathode are accelerated to the ring axis of the annular housing.
  • annular second hollow cylinder is arranged within the electron exit window, which is designed as a first hollow cylinder, and delimits an annular space between the first hollow cylinder and the second hollow cylinder. Furthermore, a cooling gas is passed through the annular space between the first hollow cylinder and the second hollow cylinder, and the gas or gas mixture to be charged with accelerated electrons is passed through the second hollow cylinder.
  • FIG. 1 shows a schematic and perspective sectional illustration of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a plan view of the ring-shaped elements of the device according to the invention from FIG. 1;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a plan view of the ring-shaped elements of the device according to the invention from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration of a further alternative device according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of a device according to the invention with an electron reflector
  • FIG. 6 shows a schematic sectional illustration of a device according to the invention with an alternative, aerodynamically shaped electron reflector and devices for injecting chemical agents into the fluid flow and for realizing an additional gas discharge;
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration of a device according to the invention with alternative devices for injecting chemical agents into the gas flow of a gaseous medium to which accelerated electrons are to be applied and for realizing an additional gas discharge.
  • ring cylinder and "ring disk” are defined in relation to an annular object. If the inner radius of a circular ring is subtracted from its outer radius, then a measure results. If this dimension is smaller than the expansion of the ring in the direction of its ring axis, the ring is designed as a ring cylinder. If, however, this dimension is greater than the extension of the ring in the direction of its ring axis, the ring is formed as an annular disk.
  • FIG. 1 and Fig. 2 one and the same device 100 according to the invention is shown schematically, in Fig. 1 as a perspective sectional illustration and in Fig. 2 as a plan view of the annular elements.
  • a device according to the invention initially comprises a annular housing 101 which delimits an evacuable space 102 at least in one area, which is subdivided into evacuable spaces 102a and 102b. Due to the shape of the housing, this evacuable space 102 is also designed in an annular manner.
  • the housing 101 is designed as a radially symmetrical ring which has a ring axis 103. All of the components described below, belonging to device 100 and designated as ring-shaped, are also designed as radially symmetrical rings and have one and the same ring axis 103.
  • the housing 101 On the inside of the ring of the housing 101, the housing 101 is designed as an electron exit window 104 in the form of a first hollow cylinder, i. H.
  • the electron exit window 104 When viewed in the exit direction of the electrons, the electron exit window 104 has a surface perpendicular which is aligned to the ring interior and, in the case of a circular Hoh Izyl Indian, as with the electron exit window 104, to the ring axis 103.
  • a working gas is admitted into the evacuable space 102 through at least one inlet in the housing 101, not shown in FIG. 1, and a vacuum in the evacuable space 102 in the range from 0.1 Pa to 20 Pa by means of at least one pump device, also not shown in FIG. 1 and preferably maintained in the range of 1 Pa to 3 Pa.
  • a device also has at least one first cathode and at least one first anode, between which a glow discharge plasma can be generated in the evacuable space 102a by means of a first electrical voltage that can be applied and is provided by a first power supply device.
  • two wall areas of the housing 101 which are formed as annular disk segments, are designed as first cathodes 105a and 105b, which delimit the space 102a opposite one another.
  • the housing 101 and the first cathodes 105a, 105b thus have the same electrical potential, which is at the same time the electrical ground potential of the device 100.
  • the first anode of a device comprises a number of wire-shaped electrodes which extend through the space 102a and, in the case of a housing in the form of a circular ring, such as housing 101, are preferably arranged on an identical radius and at the same distance from one another around the axis 103 are.
  • the wire-shaped electrodes 11 which can have a slightly positive voltage potential in a range of +0.25 kV to +5.0 kV with respect to the housing 101, are passed through the housing 101 and the first cathodes 105a, 105b in an electrically insulated manner.
  • a device according to the invention further comprises at least one second cathode and at least one second anode, between which a second electrical voltage is connected by means of a second power supply device.
  • a cathode 107 is designed as a second cathode and a grid-shaped anode 108 is designed as a second anode. Both cathode 107 and anode 108 are annular.
  • the second cathode represents the cathode for emitting secondary electrons, which are then accelerated, and for this purpose has an electrical high voltage potential, preferably in the range from -80 kV to -300 kV.
  • the second cathode 107 is electrically insulated from the housing 101 by means of an insulator 109.
  • the second anode 108 and the first cathodes 105a, 105b have the same electrical potential, which is designed as electrical ground potential.
  • the second anode and the first cathode can also have different electrical potentials.
  • ions from the plasma 106 in the space 102a are accelerated through the grid-shaped second anode 108 in the direction of the second cathode 107. There the ions hit a surface area 1 10 of the second cathode 107, its
  • the ions strike the surface region 110, the ions have a potential difference that largely corresponds to the acceleration voltage of the device 100.
  • the energy of the ions is released in a very thin edge layer of the cathode 107 in the surface area 110, which leads to the release of secondary electrons.
  • the ratio between released electrons and impinging ions is of the order of 10, which makes this type of generation of accelerated electrons very efficient.
  • the resulting secondary electrons are strongly accelerated by the applied electric field and fly through them in the form of a Ring cylinder formed lattice-shaped anode 108 and the plasma 106 in space 102a.
  • the electron exit window 104 which can be designed as a thin metal foil, for example, the electrons penetrate into the free space enclosed by the ring-shaped housing 101, in which a higher pressure than in the space 102 can prevail.
  • All materials known from the prior art for an electron exit window such as titanium, for example, can be used as the material for the electron exit window 104.
  • a curtain of accelerated electrons is generated with this in the form of a ring, the direction of movement of the accelerated electrons being aligned with the free space enclosed by the housing ring.
  • the direction of movement of the accelerated electrons is preferably aligned with the ring axis 103.
  • a device according to the invention also has a device for cooling the device, as is also known from the prior art in devices for generating accelerated electrons.
  • this device for cooling a device according to the invention can comprise cooling channels which extend within the insulator 109 and through which a cooling medium flows.
  • the second anode 108 which is preferably designed as a grid-shaped ring cylinder in a device according to the invention and which represents the spatial boundary between the evacuable spaces 102a and 102b, fulfills three essential tasks.
  • due to its voltage difference with respect to the second cathode 107 it causes the ions extracted from the plasma to be accelerated in the direction of the second cathode.
  • the second anode 108 also causes the secondary electrons generated by the ion bombardment to be accelerated in the direction of the electron exit window 104. Due to the fact that the lattice structure of the second anode 108 is formed parallel to the secondary electron-emitting surface 110 of the second cathode 107, an electric field is formed in such a way that that the orbits of the accelerated secondary electrons also run largely parallel.
  • the second anode also shields 108 removes the plasma from the voltage potential of the second cathode 107, thereby preventing too many ions from drifting off in the direction of the second cathode 107 and thus contributes to maintaining the plasma 106 in the space 102a.
  • the interior is designed as the first hollow cylinder
  • Electron exit window 104 a second hollow cylinder 112 is arranged, the second hollow cylinder 112 having a smaller diameter than the annular electron exit window 104, so that the second hollow cylinder 1 12 delimits an annular space 113 between the second hollow cylinder 112 and the electron exit window 104 designed as a first hollow cylinder .
  • the second hollow cylinder 112 delimits a free space 114 inside the hollow cylinder 112.
  • a gaseous medium to which accelerated electrons are applied flows through the free space 114 enclosed by the second hollow cylinder 112 and which can also contain solid particles, as is the case, for example, with exhaust gases from internal combustion engines is.
  • the electron exit window of an electron gun receives a heat input from the bombardment with charged particles inside the electron gun. If a hot gas is then additionally treated with an electron beam generator 100 described above, which gas flows through the free space 114 delimited by the second hollow cylinder 112, the electron exit window 104 experiences an additional thermal load, which can damage the
  • Electron exit window 104 can lead. According to the invention, therefore, a cooling gas flows through the annular space 113, which dissipates thermal energy and that
  • Electron exit window 104 thus protects against thermal damage.
  • the cylinder wall of the second hollow cylinder 112 has a multiplicity of openings.
  • the accelerated electrons can penetrate unhindered through the openings into the treatment space in front of the electron exit window 104.
  • the cylinder wall of the second hollow cylinder 112 can have a lattice structure or consist of a gauze.
  • the lattice structure or the gauze of the second hollow cylinder 112 can, for example, consist of a temperature-resistant material with a melting point greater than 1,250 ° C.
  • Such a temperature-resistant material can consist, for example, of at least one metal or a metal compound such as, for example, yttrium-stabilized zirconium oxide or of a stainless steel or a refractory metal.
  • the second hollow cylinder can consist entirely of one material or alternatively comprise a base body, for example made of a metal or a metal compound, on the inner wall of which at least one layer made of a temperature-resistant material with a melting point greater than 1,250 ° C. is deposited.
  • accelerated electrons can also be applied to gaseous media at a high temperature, such as exhaust gases from internal combustion engines or chemical synthesis gases, and chemically converted.
  • the gaseous medium to be treated flowing through the free space 114 within the second hollow cylinder 112 and the gas flowing through the annular space 113 each have the same flow direction. If the two gas streams have opposite flow directions, this could lead to greater turbulence of the two gas streams at the openings in the cylinder wall of the second Hoh I cylinder 112, which can result in an Elitz congestion due to poorer gas flow.
  • a device can therefore have a first control loop with which the pressure within the annular space 11 can be adjusted.
  • a first control loop can, for example, have a first sensor for detecting a first actual value for the pressure within the hollow cylinder 112, a second sensor for detecting a second actual value for the pressure within the annular space 113, an evaluation device and a fan or a pump device for Generate the cooling gas flow through the annular space 1 13 include.
  • the evaluation device compares the first actual value with the second actual value and, depending on the comparison result, the electrical power of the fan, for example or the pump device for generating the cooling gas flow is set.
  • the electrical power of the fan or the pump device can be increased, for example, until the pressure in the annular space 113 is exactly as high as the pressure inside the second hollow cylinder 1 12. Conversely, the electrical power of the fan or the pump device can be reduced if the evaluation device determines a higher pressure in the annular space 113 than in the interior of the second hollow cylinder 112.
  • the pressure within the second hollow cylinder 112 can alternatively be adapted to the pressure in the annular space 113 if the control loop comprises means for setting the pressure within the second hollow cylinder 112, such as a fan or a pump device , by means of which the gas flow of the gas or gas mixture to be treated is generated through the second hollow cylinder, and this fan or this pump device is controlled depending on the determined values for the pressure in the annular space 113 and within the second hollow cylinder.
  • the control loop comprises means for setting the pressure within the second hollow cylinder 112, such as a fan or a pump device , by means of which the gas flow of the gas or gas mixture to be treated is generated through the second hollow cylinder, and this fan or this pump device is controlled depending on the determined values for the pressure in the annular space 113 and within the second hollow cylinder.
  • the amount of energy transferred to the gas particles can additionally or alternatively by means of a second Control loop can be guaranteed.
  • the acceleration voltage applied between the second cathode 107 and the second anode 108 is set as a function of the composition and temperature of the gaseous medium flowing through the second hollow cylinder 112 and the pressure and flow profile prevailing therein. This makes use of the fact that the electron range in the relevant
  • Energy range ( ⁇ 1 MeV) depends approximately quadratically on the acceleration voltage and inversely proportional on the mass density of the energy-absorbing medium.
  • the composition especially the correlating mean mass of the gas particles, the pressure and the temperature of the gaseous medium flowing in the second hollow cylinder 112 determine its effective mass density. The higher the mean particle mass and the pressure and the lower the temperature of the gaseous medium, the higher its mass density and the higher the required acceleration voltage.
  • the flow profile i.e. the radial velocity distribution of the gas particles, is also relevant for determining a beneficial acceleration voltage. This is minimal on the inner wall of the second hollow cylinder 112 and maximal in the center of the free space 114.
  • the acceleration voltage In order to ensure that the absorbed dose is transferred as uniformly as possible to the gas particles, the acceleration voltage must be set so high that the resulting electron range and electron scattering lead to a maximum power density distribution in the center of the free space 114 that drops radially outwards.
  • An upper limit for the acceleration voltage is set in that the electron range must not be selected to be greater than the diameter of the second hollow cylinder 112 in order to avoid thermal loading of the diametrically opposite regions of the electron exit window 104. If in the further course of the process the one for an operating point (characterized by the prevailing
  • Gas composition or mean particle mass m, pressure p, temperature T and gas throughput D) are maintained by choosing a favorable acceleration voltage established power density profile, the acceleration voltage must be readjusted depending on the changed state variables of the gaseous medium.
  • actual values for the gas composition, the pressure, the temperature and the flow velocity in the free space 114 are continuously recorded by means of corresponding sensors, but in each case at uniform points in time, and processed in an evaluation device. Higher gas throughputs generally cause an increase in the ratio between the minimum and maximum flow velocity, which tends to be accompanied by an increase in the Accelerating voltage can be compensated.
  • the stable operation of a device according to the invention can also be implemented by means of a third control circuit through which the beam current I B to be emitted by the second cathode 107 is implemented
  • the device according to the invention is regulated as a function of the composition, pressure, temperature and flow rate of the gaseous medium within the second hollow cylinder 112.
  • the effective mass density of the gaseous medium and the beneficial acceleration voltage U B for the initial operating point can be determined from the gas composition, pressure, temperature and flow rate.
  • the product of the effective mass density and the mean flow velocity within the second hollow cylinder 112 quantifies the integral mass flow F of the gaseous medium.
  • a certain energy dose E is required, which is commonly specified as a technology parameter.
  • the functional dependence of the leakage current l v on the various device and process parameters can in principle be grasped in a sufficiently precise manner analytically or, alternatively, by means of calibration measurements. If a constant energy dose E is to be applied to the gaseous medium within the second hollow cylinder 112 regardless of the gas throughput, a beneficial acceleration voltage must first be determined and continuously tracked according to the criteria and algorithms described for the second control loop, then the jet current also depending on the gas composition and pressure , Temperature and flow rate within the second hollow cylinder 112 can be regulated.
  • this third control loop therefore, by means of appropriately assigned sensors, actual values for the gas composition, pressure, temperature and flow rate within the second hollow cylinder 112 are continuously recorded and processed within an evaluation device, especially the instantaneous mass flow of the gaseous medium calculated according to the relationships set out above. If this increases with increasing time, the beam power P G of the device according to the invention entered into the gaseous medium is also increased proportionally, and vice versa, by increasing the beam current l B taking into account the instantaneous acceleration voltage U B set by the second control loop and the (calculated or tabulated) Loss current l v is set.
  • Simplified embodiments of this third control loop are obtained by using the sensors of the second control loop and the measured values supplied by them to calculate the manipulated variables of the third control loop, as well as keeping one or more process parameters constant, analogous to the explanations for the design of the second control loop.
  • the third control loop can be designed in such a way that sensors for the gas composition are installed after passing through an energy transfer zone in front of the electron exit window 104 and / or, if the gaseous medium converted after the electron treatment passes through further chemical or physical processing devices, after passing through all of them arranges combined devices in the respective process module and regulates the jet flow in such a way that a specified composition of the gaseous medium is achieved.
  • at least one sensor for detecting actual values for the composition of the gaseous medium is arranged within a zone of the gas flow of the gaseous medium in which the gas flow has passed the electron exit window 104 and the beam flow is controlled as a function of the actual values of this sensor.
  • This embodiment of the third control loop is of course of great importance not only for exhaust gas treatment, but also especially for chemical synthesis processes of gaseous media to be treated with accelerated electrons.
  • the acceleration voltage of the electron gun and / or the beam current of the electron gun can thus be determined as a function of the gas composition and / or the pressure and / or the temperature and / or the flow profile within the second hollow cylinder 112 and / or after passing downstream processing devices regulate.
  • An alternative embodiment of a device 300 according to the invention is shown schematically as a section in FIG. 3.
  • Device 300 can include, for example, all of the components described for device 100 from FIGS. 1 and 2.
  • Device 300 also has: an annular housing 301; an annular electron exit window 304 designed as a first hollow cylinder; a second hollow cylinder 312 made of stainless steel gauze, which encloses a free space 314 and through which a gaseous medium to be treated with accelerated electrons flows from bottom to top. Furthermore, the electron exit window 304 and the second hollow cylinder 312 delimit an annular space 313 through which a cooling gas likewise flows from below to above. All ring-shaped or cylindrical elements of the device 300 are designed to be rotationally symmetrical about an axis 303.
  • Wall elements 315 extend the annular space 313 in the direction of the axis 303 until the annular space opens into a supply air duct 316 at the lower end and into an exhaust air duct 317 at the upper end.
  • the second hollow cylinder can be connected to pipelines by means of which the gaseous medium to be treated with the device 300 is conducted to the device 300 or, after passing through the device 300, is conducted away from the device 300 again.
  • a further alternative device 400 is shown schematically in section, in which a cooling gas no longer flows through the annular space 313 in only one direction, but in which the cooling gas under pressure both at the lower end of the annular space 313 through the supply air duct 316 and at the upper end of the annular space 313 through a supply air duct 416 into the annular space 313.
  • the cooling gas is pressed through the openings of the second hollow cylinder 312 into the interior of the second hollow cylinder 312 and discharged there with the flow of the gaseous medium to be treated.
  • the device 400 according to the invention described here can preferably also be used for chemical syntheses of gaseous media.
  • a gas which has at least one chemical element that enters into the chemical conversion of the gaseous medium as a reactant, and / or at least removes the second hollow cylinder 312 to produce a catalytically active material (such as nickel, yttrium-stabilized zirconium oxide or lanthanoid compounds) that promotes the desired chemical reaction or at least coat it with it on the inner wall.
  • a catalytically active material such as nickel, yttrium-stabilized zirconium oxide or lanthanoid compounds
  • a device 500 according to the invention is shown schematically in section, which device can have the features of the devices according to the invention described in FIGS. 1 to 4.
  • the device 500 has an electron reflector 519 which is arranged inside the second hollow cylinder 312.
  • the electron reflector 519 can be designed, for example, as a hollow cylinder or, alternatively, made of a solid material, in the shape of a rod.
  • the electron reflector 519 can consist of a homogeneous material or also of a combination of materials, for example of a metal as the base body and another metal or a compound that completely or partially covers its surface.
  • On the outer wall of the electron reflector 519 high-energy electrons are partially elastically scattered back into the free space 314, which increase the absorbed dose applied into the gaseous medium to be treated, but above all make their radial distribution more uniform.
  • the percentage (related to the beam current) of the electrons scattered back into the free space 314 can be increased.
  • Refractory metals for example, have significantly higher electron backscattering than light metals.
  • the surface material of the electron reflector 519 comprises a refractory metal or a light metal.
  • the yield of secondary electrons can be increased.
  • secondary electrons are knocked out of the near-surface edge layer of the electron reflector 519 and released into the free space 314. They are low-energy (typically ⁇ 50 eV), so they have a high interaction cross-section with atoms or molecules and are therefore particularly capable of stimulating chemical transformations.
  • the electron reflector 519 can be expedient to convey the electron reflector 519 from a temperature-resistant and / or the desired chemical reaction. to produce catalytically active material (such as nickel, yttrium-stabilized zirconium oxide or lanthanoid compounds) or to coat it with it, so that at least the surface of the electron reflector has these materials.
  • catalytically active material such as nickel, yttrium-stabilized zirconium oxide or lanthanoid compounds
  • it can be expedient to adjust or even regulate the heat dissipation from its surface in such a way that it has a desired temperature. Because of the energy input by the beam electrons, this will generally be higher than the temperature of the supplied gaseous medium. This increased temperature increases the effectiveness of any implemented catalysts, and keeping them clean is promoted by avoiding condensation or burning of contaminants.
  • the general advantage of this arrangement is that the energy transfer from the accelerated electrons to the gaseous medium is no longer over the full diameter of the circle formed by the second hollow cylinder 312, but only along the path between the second hollow cylinder 312 and the electron reflector 519 can be done. Assuming moderate flow speeds ("speed of sound") in the annular space 314 and thus negligible differences in density of the gaseous medium when flowing around the electron reflector, this results in a significant reduction in the required electron range and thus the acceleration voltage to be used. This lowers both the costs for the radiation source and its supply units as well as the effort required to shield the parasitic X-ray radiation.
  • the device 500 can optionally include a power supply device 520, by means of which an electrical voltage is provided and connected between the second hollow cylinder 312 and the electron reflector 519.
  • the electrical voltage provided by means of the power supply device 520 can be a direct voltage or an alternating voltage.
  • a direct voltage or an alternating voltage.
  • Embodiment with the power supply device 520 voltage pulses are generated, the energy content of which can be increased by passive electrical storage devices (coils or capacitors) that can be recharged during the pulse pauses.
  • the second hollow cylinder 312 has the electrical ground potential of the device 500. 5 shows that one pole of the power supply device 520 is electrically connected to a wall element 315. However, since the wall element 315 is connected to the second hollow cylinder 312 in an electrically conductive manner, this pole of the power supply device is also connected to the second
  • Hollow cylinder 312 connected in an electrically conductive manner.
  • the beam electrons that have penetrated into the free space 314, as well as the secondary electrons released there in ionizing impacts when they are decelerated experience an additional acceleration which, with suitable geometrical and electrical dimensions, leads to further electron multiplication In the sense of a non-independent gas discharge.
  • the energy absorbed by the total amount of electrons can subsequently also be transferred to the gaseous medium and the total effective energy dose can be increased in an inexpensive manner.
  • the reduced electrical field strength (defined as the quotient of the electrical field strength E and the particle density n in the discharge space) is used for the energy efficiency (defined by the ratio between the theoretical enthalpy of reaction and the energy expenditure practically required for the practical realization of the desired chemical conversion) of a chemical conversion process stimulated by a gas discharge ) really important.
  • the interaction between high-energy electrons and the gaseous medium leads, among other things, to ionization, dissociation, electronic excitation states and intramolecular vibrations of its atoms or molecules.
  • the expression and presence of the respective interaction effects depends in a characteristic and material-specific manner on the electron energy, which in turn depends on the reduced electric field strength.
  • molecular reactions can be stimulated by stimulating intramolecular vibrational degrees of freedom.
  • the energy supplied by the discharge device to the vibration excitation primarily causes the energy barrier that inhibits the chemical conversion processes to be overcome and, in the case of endothermic reactions, effectively feeds the energy uptake into the reaction products, while this increases the gas temperature only slightly and thus improves the energy efficiency of the conversion process.
  • the efficiency of a desired chemical conversion process (not only with regard to the energy used, but also with regard to the degree of conversion that can be achieved) can thus be improved by selectively applying the energy to the desired
  • Mainly conveying reaction mechanism promoting mechanism This can be achieved by choosing the reduced electric field strength of the gas discharge so that it corresponds to its maximum of the interaction cross-section, while other interaction processes are not or only slightly excited at this value.
  • a desired reduced electrical field strength E / n S0LL can be set by a suitable choice of the supply voltage U D of the discharge.
  • U D nd E / h 50 i ⁇
  • the absorbed dose transferred to the gaseous medium can be adjusted or varied by a suitable choice of the discharge current, for which in turn control loops can be integrated to ensure the desired composition of the gaseous medium after processing .
  • the duration of the energy transfer to the starting materials is also decisive.
  • the variation of the energy transfer time thus offers the possibility of suppressing undesired recombination or secondary reactions of the reaction products formed.
  • a pulsed energy transfer is particularly useful and allows a very defined influence.
  • the pulse voltage establishes a beneficial reduced electrical field strength, the pulse duration determines the duration of the energy transfer and the pulse current ultimately determines the absorbed dose transferred.
  • all of the parameters mentioned can be incorporated individually or in combination as manipulated variables in control loops.
  • the pulse sequence of the power supply device 520 can be designed in such a way that the integrally required energy dose is transmitted as the sum of several pulses.
  • the sequence can also be correlated with the flow speed of the gaseous medium in such a way that a new pulse is only generated when the previously acted upon gas volume has completely crossed the energy transfer zone in front of the electron exit window 304 and left it again.
  • the cost efficiency of the power supply device 520 feeding the gas discharge can be improved by implementing passive electrical storage devices (coils or capacitors), the energy content of which is discharged into the pulses and which are then recharged with moderate power during the pulse pauses.
  • an electron beam formed from the accelerated electrons is generated in the form of a pulse.
  • the pulses of the electron beam can be synchronized with the voltage pulses of the electrical voltage generated by the power supply device 520.
  • a device 600 according to the invention is shown schematically in a section, which, in contrast to the device 500 from FIG. 5, has an electron reflector 619 of aerodynamically advantageous shape.
  • the electron reflector 619 has the shape of a drop and offers a gaseous medium flowing from bottom to top and to be treated with accelerated electrons less flow resistance and less vortex formation compared to a rod-shaped electron reflector 519 from FIG. 5.
  • the electron reflector 519 or 619 has at least one opening in the lower area through which (gaseous or liquid) chemical agents 621 can be sprayed axially downward into the free space 314, which mix with the gaseous medium and then with the Gas flow can be passed up through the irradiation zone.
  • FIG. 7 a device 700 according to the invention is shown schematically in a section, which has alternative device features to device 600 from FIG. 6 and in which a gaseous medium to be charged with accelerated electrons also with the main flow direction from bottom to top through the free space 314 to be led.
  • Device 700 as well as device 600 from FIG. 6, comprises an aerodynamically shaped electron reflector 719, which, however, has at least one opening in the upper area through which (gaseous or liquid) chemical agents 721 can be sprayed up into the free space 314, which can thereby be sprayed mix with the gaseous medium and then be discharged upwards with the gas flow of the gaseous medium.
  • This embodiment has the advantage that the risk of contamination of the electron exit window 304 - for example with aerosol droplets or condensates - is excluded.
  • a physical activation and subsequent chemical reaction of the sprayed agents 721 with the gaseous medium is brought about in this embodiment by a non-independent gas discharge between the electron reflector 719 and an additional electrode 722 electrically isolated from the ground potential and especially from the potential of the second hollow cylinder 312.
  • the additional electrode 722 is within the gas flow of the gaseous medium to which accelerated electrons are to be applied, arranged above the electron exit window 304 and formed in a ring shape.
  • the electrical voltage for this non-independent gas discharge is provided by a power supply device 720. Executing the non-independent gas discharge above the electron exit window 304 has the advantage that no additional thermal load associated with the gas discharge acts on the second hollow cylinder 312 or the electron exit window 304.
  • a device according to the invention and a method according to the invention can be used, for example, to apply accelerated electrons to exhaust gases originating from internal combustion engines, from industrial plants or from thermal power plants, in order to break down environmentally harmful compounds that may be contained in the exhaust gases, and optionally by adding to transfer chemical agents into more harmless compounds or compounds that can be easily retained in downstream dust filters or wet chemical gas scrubbers.
  • hot exhaust gases or synthesis gases can also be passed through a ring source according to the invention. It is also advantageous that only one electron beam source and also only once the peripherally associated devices such as vacuum pump, Eloch voltage supply and control devices are required for the process parameters to be set.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen mittels eines Elektronenstrahlerzeugers, welcher mindestens eine Kathode (107) zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (104; 304) aufweist, wobei a) die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster (104; 304) als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet wird, wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster (104; 304) eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses (101;301) des Elektronenstrahlerzeugers bildet, wobei die von der Kathode (107) emittierten Elektronen zur Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses (101; 301) beschleunigt werden; b) innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters (104; 304) ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder (112; 312) angeordnet wird, welcher einen ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) begrenzt; c) ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) geführt wird und d) das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium durch den zweiten Hohlzylinder (112; 312) geführt wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Beaufschlagen gasförmiger Medien mit beschleunigten Elektronen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen gasförmiger Medien mit beschleunigten Elektronen, wodurch eine chemische Umwandlung des gasförmigen Mediums bzw. eine Gassynthese bewirkt wird. Unter einem gasförmigen Medium im Erfindungssinn sind Gase, Gasgemische, Dämpfe und Aerosole zu verstehen, die allesamt auch Feststoffpartikel enthalten können, wie dies beispielsweise bei Abgasen von Verbrennungsmotoren, Industrieanlagen oder Wärmekraftanlagen der Fall ist.
Elektronenstrahltechnologie wird seit etlichen Jahrzehnten im Industriemaßstab zur chemischen Materialmodifikation sowie zur Desinfektion bzw. Sterilisierung von Ober- flächen eingesetzt. Die Behandlung von Produkten kann wirtschaftlich vorteilhaft bei atmosphärischem Druck erfolgen, wozu die Elektronen zunächst im Vakuum freigesetzt, anschließend beschleunigt und schließlich durch ein Strahlaustrittsfenster, zumeist eine dünne Metallfolie, in die Behandlungszone ausgekoppelt werden müssen. Zum Durch dringen großtechnisch einsetzbarer, genügend robuster Elektronenaustrittsfenster sowie auch zum Sichern einer ausreichenden Behandlungstiefe im Produkt sind typischerweise Beschleunigungsspannungen >100 kV erforderlich.
Verschiedene Verfahren und Strahlquellen sind für eine Randschichtbehandlung flacher Produkte, wie Platten und Bänder, wohletabliert, während das allseitige Behandeln von Formkörpern, Schüttgütern und Fluiden nach wie vor Probleme bereitet. So ist ein allseitiges gleichmäßiges Beaufschlagen gekrümmter Oberflächen mit Elektronen geometrisch problematisch aufgrund von Abschattungseffekten sowie lokal unterschiedlichen Projektionsverhältnissen. Die entlang der Wegstrecke örtlich variierende Energieübertragung bei Ausbreitung von Elektronen in einem absorbierenden Medium stellt eine weitere Quelle von Dosis-Inhomogenität dar, welche auch die Behandlung von Fluiden - gasförmigen und flüssigen Medien - beeinträchtigt.
Mit den bereits existierenden Quellensystemen, wie beispielsweise Axialstrahlern mit einer schnellen Ablenkeinheit oder Bandstrahlern mit einer langgestreckten Kathode, von denen beide Ausführungsformen mit einer geheizten thermionischen Kathode betrieben werden. ist eine allseitige Produktbehandlung von Formkörpern oder die Applizierung gleichmäßiger Energiedosen in strömende Fluide nur umständlich, unter Nutzung zusätzlicher Ein richtungen oder mit einem hohen apparativen und/oder technologischen Aufwand möglich. Elektronenstrahlquellen auf Basis thermionischer Emitter sind außerdem mechanisch kompliziert, schwierig zu skalieren und erfordern aufwändige Elochspannungsversorgungen und Elochvakuumsysteme. Bei einer Beschädigung des Strahlaustrittsfensters mit daraus resultierendem Zusammenbruch des Vakuums kommt es zur irreversiblen Schädigung des Kathodensystems und somit zu einem hohen Reparaturaufwand.
In DE 199 42 142 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der Schüttgut im mehrfachen freien Fall an einer Elektronenstrahleinrichtung vorbeigeführt und mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Aufgrund des Mehrfachdurchlaufs, verbunden mit einer zwischen zeitlichen Durchmischung des Schüttguts, ist die Wahrscheinlichkeit bei dieser Ausführungs form sehr hoch, dass die Partikel des Schüttgutes allseitig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Führte man statt des Schüttguts ein Fluid durch die Behandlungszone, ließe sich durch den Mehrfachdurchlauf ebenfalls eine Vergleichmäßigung der integral übertragenen Energiedosis erreichen. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses.
Eine andere Lösung ist in DE 10 2006 012 666 A1 angegeben, welche drei Axialstrahler mit zugehöriger Ablenksteuerung und drei ebenfalls zugehörige Elektronenaustrittsfenster um fasst. Die drei Elektronenaustrittsfenster sind derart angeordnet, dass sie einen dreieckigen Freiraum vollumfänglich umschließen. Wird ein Substrat durch diesen Freiraum geführt, kann dieses in einem Behandlungsdurchgang in seinem Querschnitt vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Der apparative Aufwand ist bei dieser Ausführungsform allerdings sehr hoch, wodurch diese Lösung auch sehr preisintensiv ist. Trotzdem wird die Dosisverteilung der Beaufschlagung mit beschleunigten Elektronen auf der Oberfläche des Substrates inhomogen ausfallen, sobald das Substrat keinen zu dem von den drei Elektronenaustrittsfenstern umschlossenen Freiraum kongruenten dreieckigen Querschnitt aufweist. Eine gleichmäßige Dosisübertragung in das Volumen von Fluiden ist aufgrund der über den Querschnitt der Behandlungszone stark unterschiedlichen Abstände zu den Elektronenaustrittsfenstern im Einfachdurchlauf ausgeschlossen.
Zur Lösung dieses Problems wurde in WO 01/97954 A2 vorgeschlagen, eine Vielzahl von planaren Elektronenstrahlgeneratoren entlang einer Seite und symmetrisch gegenüberliegend auf der anderen Seite einer rechteckigen Behandlungskammer anzuordnen. Diese Superposition verbessert die Dosis-Homogenität im Volumen, allerdings wiederum um den Preis hohen apparativen Aufwandes. Fluide werden zudem meist in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt geführt. Der Übergang zum rechteckigen Querschnitt der Behandlungskammer ist mit der Bildung von Wirbeln verbunden, die einerseits den Strömungswiderstand erhöhen und andererseits die Dosishomogenität aufgrund lokal variierender Strömungsgeschwindigkeit oder stationärer Wirbelstrukturen verursachen.
Eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen ist in DE 10 2013 111 650 B3 offenbart, bei welcher alle wesentlichen Komponenten, wie beispielsweise
Kathode, Anode und Elektronenaustrittsfenster, ringförmig ausgebildet sind, so dass mittels einer solchen Vorrichtung ein ringförmiger Elektronenstrahl ausgebildet werden kann, bei welchem sich die beschleunigten Elektronen zum Ringinneren hin bewegen. Mittels einer solchen Vorrichtung können beispielsweise strangförmige Substrate, die durch die Ringöffnung der Vorrichtung hindurchbewegt werden, bezüglich des Substratquerschnittes vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Eine aus DE 10 2013 111 650 B3 bekannte Vorrichtung weist üblicherweise eine kreisrunde Ringform auf, kann jedoch auch mit einer beliebig anderen Ringform ausgebildet werden. Mittels einer solchen ringförmigen Vorrichtung können nicht nur stabförmige Substrate mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden, sondern zum Beispiel auch Schüttgut, welches beispielsweise im freien Fall durch die Ringöffnung geführt wird oder Gase, welche durch die Ringöffnung strömen. Eine solche Vorrichtung ist jedoch nicht geeignet, heiße Gase, wie zum Beispiel Abgase von Verbrennungsmotoren oder chemische Synthesegase, zu behandeln, weil das Elektronenaustrittsfenster, welches beim Strömen eines heißen Gases durch die Ringöffnung hindurch mit dem heißen Gas in Kontakt gelangt, der dabei auftretenden thermischen oder korrosiven Belastung nicht standhält.
Aus J.M. Connelly et al., Application of radio-frequency electron gun to waste treatment, Radiation Physics and Chemistry, 2019, Ref.: 108440, ist schließlich eine sternförmige Elektronenstrahlquelle bekannt, bei welcher mehrere hochenergetische Axialstrahler derart gleichmäßig um ein zu behandelndes flüssiges oder gasförmiges Medium herum angeordnet werden, dass sich die Strahlrichtung aller Axialstrahler in einem Punkt kreuzt. Mittels einer solchen Vorrichtung können auch Gase behandelt werden, wobei die Temperatur der Gase nach oben hin begrenzt ist, weil die Elektronenaustrittsfenster der Axialstrahler den zu behandelnden Gasen direkt ausgesetzt sind. Des Weiteren erfordert eine solche Vorrichtung die Peripherie zum Ansteuern und Betreiben von mindestens fünf Elektronenstrahlern und somit einen hohen technischen Aufwand. Dieser wird weiter gesteigert durch das Erfordernis, zur Durchdringung und gleichmäßigen Beaufschlagung großer Querschnitte mit hoher Elektronenenergie zu arbeiten, was insbesondere auch den Aufwand zur Abschirmung der als unabwendbarer Störeffekt erzeugten Röntgenstrahlung hochtreibt.
Aufgabenstellung Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen und chemischen Umwandeln gasförmiger Medien unter Zuhilfenahme beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich sein, auch heiße gasförmige Medien, wie zum Beispiel Abgase von Verbrennungsmotoren oder chemische Synthesegase mit geringem technischen Aufwand mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagen und chemisch umzuwandeln.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen der Patenansprüche 1 und 17. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann zunächst einmal alle Merkmale einer ringförmigen Elektronenstrahlquelle aufweisen, wie sie aus DE 10 2013 11 650 B3 und DE 10 2013 113 668 B3 bekannt sind. Somit umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Beaufschlagen von (gegebenenfalls mit Feststoffpartikeln belasteten) Gasen, Gasgemischen, Dämpfen und Aerosolen (welche unter dem Begriff „gasförmige Medien" zusammengefasst sind) mit beschleunigten Elektronen mindestens einen Elektronenstrahlerzeuger, welcher mindestens eine Kathode zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster aufweist, wobei die mindestens eine Kathode ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet sind. Dabei bildet das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses des Elektronenstrahlerzeugers, wobei die von der Kathode emittierten Elektronen zur Ringachse des ringförmigen Gehäuses beschleunigbar sind. Erfindungsgemäß ist innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder angeordnet, welcher einen ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder begrenzt. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung strömt ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder und das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium strömt durch den zweiten Hohlzylinder. Infolge des Kühlgasflusses durch den ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder können eine Überhitzung und eine Kontamination des Elektronenaustrittsfensters mit Kondensaten und Feststoffpartikeln und seine daraus resultierende Zerstörung vermieden werden, so dass auch partikelbelastete heiße gasförmige Medien mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelt werden können.
An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass der Begriff „ringförmig" im Erfindungssinn bei allen nachfolgend beschriebenen ringförmigen Vorrichtungen und Bauelementen nicht nur auf einen Ring in Kreisform begrenzt ist. Der Querschnitt ringförmiger Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwar bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kreisförmig ausgebildet, kann aber im weitesten Erfindungssinn auch jede andere geometrische Form aufweisen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen und das dadurch bewirkte chemische Umwandeln des gasförmigen Mediums wird ein Elektronenstrahlerzeuger verwendet, welcher mindestens eine Kathode zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster aufweist. Dabei wird die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet, wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses des Elektronenstrahlerzeugers bildet und wobei die von der Kathode emittierten Elektronen zur Ringachse des ringförmigen Gehäuses beschleunigt werden. Des Weiteren wird innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder angeordnet, welcher einen ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder begrenzt. Weiterhin wird ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder geführt und das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende Gas oder Gasgemisch durch den zweiten Hohlzylinder geführt. Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
Fig. 1 eine schematische und perspektivische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die ringförmigen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Elektronenreflektor;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem alternativen, aerodynamisch geformten Elektronenreflektor sowie Vorrichtungen zur Injektion chemischer Agenzien in den Fluidstrom und zum Realisieren einer zusätzlichen Gasentladung;
Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit alternativen Einrichtungen zur Injektion chemischer Agenzien in den Gasstrom eines mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagenden gasförmigen Mediums und zum Realisieren einer zusätzlichen Gasentladung. Zum besseren Verständnis der Erfindung seien an dieser Stelle noch die Begriffe „Ring zylinder" und „Ringscheibe" in Bezug auf einen ringförmigen Gegenstand definiert. Wird der Innenradius eines kreisförmigen Ringes von seinem Außenradius subtrahiert, dann ergibt sich ein Maß. Ist dieses Maß kleiner als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ring achse, so ist der Ring als Ringzylinder ausgebildet. Ist dieses Maß hingegen größer als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringscheibe aus gebildet.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein und dieselbe erfindungsgemäße Vorrichtung 100 schematisch dargestellt, in Fig. 1 als perspektivische Schnittdarstellung und in Fig. 2 als Draufsicht auf die ringförmigen Elemente. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zunächst ein ringförmiges Gehäuse 101 , welches zumindest in einem Bereich einen evakuierbaren Raum 102 begrenzt, der in die evakuierbaren Räume 102a und 102b unterteilt ist. Dieser evakuierbare Raum 102 ist aufgrund der Gehäuseform ebenfalls ringförmig ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 und Fig. 2 ist das Gehäuse 101 als radialsymmetrischer Ring ausgebildet, welcher eine Ringachse 103 aufweist. Alle nachfolgend beschriebenen, zu Vorrichtung 100 zugehörigen und als ringförmig bezeichneten Bauelemente sind ebenfalls als radialsymmetrische Ringe ausgebildet und weisen ein und dieselbe Ringachse 103 auf.
An der Ringinnenseite des Gehäuses 101 ist das Gehäuse 101 als Elektronenaustrittsfenster 104 in Form eines ersten Hohlzylinders ausgebildet, d. h. in Austrittsrichtung der Elektronen betrachtet weist das Elektronenaustrittsfenster 104 eine Oberflächensenkrechte auf, die zum Ringinneren und bei einem kreisförmigen Hoh Izyl inder wie beim Elektronenaustrittsfenster 104 zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Durch mindestens einen in Fig. 1 nicht dargestellten Einlass im Gehäuse 101 wird ein Arbeitsgas in den evakuierbaren Raum 102 eingelassen und mittels mindestens einer in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten Pumpeinrichtung ein Vakuum im evakuierbaren Raum 102 im Bereich von 0,1 Pa bis 20 Pa und bevorzugt im Bereich von 1 Pa bis 3 Pa aufrechterhalten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner mindestens eine erste Kathode und min destens eine erste Anode auf, zwischen denen mittels einer ersten anlegbaren elektrischen Spannung, die von einer ersten Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, ein Glimm entladungsplasma im evakuierbaren Raum 102a erzeugbar ist. Im Ausführungsbeispiel wurden zwei als Ringscheibensegmente geformte Wandungsbereiche des Gehäuses 101 als erste Kathoden 105a und 105b ausgebildet, die den Raum 102a gegenüberliegend begrenzen. Bei der Vorrichtung 100 weisen somit das Gehäuse 101 und die ersten Kathoden 105a, 105b das gleiche elektrische Potenzial auf, welches gleichzeitig das elektrische Massepotenzial der Vorrichtung 100 ist.
Die erste Anode einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Anzahl drahtförmiger Elektroden, die sich durch den Raum 102a hindurch erstrecken und bei einem Gehäuse in Form eines kreisförmigen Rings, wie Gehäuse 101 , vorzugsweise auf einem identischen Radius und mit gleichem Abstand zueinander um die Achse 103 herum angeordnet sind. Dabei werden die drahtförmigen Elektroden 11 1, die ein leicht positives Spannungspotenzial in einem Bereich von +0,25 kV bis +5,0 kV gegenüber dem Gehäuse 101 aufweisen können, elektrisch isoliert durch das Gehäuse 101 und die ersten Kathoden 105a, 105b hindurchgeführt. Aufgrund der zwischen den drahtförmigen Elektroden 1 11 und den ersten Kathoden 105a und 105b angelegten elektrischen Spannung wird ein Plasma im Raum 102a ausgebildet. Der Raum 102a wird deshalb nachfolgend auch als Plasma-Raum 102a bezeichnet. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst des Weiteren mindestens eine zweite Kathode und mindestens eine zweite Anode, zwischen denen mittels einer zweiten Strom versorgungseinrichtung eine zweite elektrische Spannung geschaltet ist. Bei Vorrichtung 100 ist eine Kathode 107 als zweite Kathode und eine gitterförmige Anode 108 als zweite Anode ausgebildet. Sowohl Kathode 107 und Anode 108 sind ringförmig ausgebildet.
Die zweite Kathode stellt bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kathode zum Emittieren von Sekundärelektronen dar, welche anschließend beschleunigt werden, und weist hierfür ein elektrisches Hochspannungspotenzial, bevorzugt im Bereich von -80 kV bis -300 kV, auf. Mittels eines Isolators 109 ist die zweite Kathode 107 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 101 isoliert.
Bei der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung weisen die zweite Anode 108 und die ersten Kathoden 105a, 105b das gleiche elektrische Potenzial auf, welches als elektrisches Massepotenzial ausgebildet ist. Alternativ können die zweite Anode und die erste Kathode auch unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen.
Aus dem Plasma 106 im Raum 102a werden durch das Anlegen eines Hochspannungspotenzials im Bereich von -80 kV bis -300 kV Ionen durch die gitterförmige zweite Anode 108 in Richtung der zweiten Kathode 107 beschleunigt. Dort treffen die Ionen auf einen Oberflächenbereich 1 10 der zweiten Kathode 107, dessen
Oberflächensenkrechte zum Ringinneren des Gehäuses, zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Beim Auftreffen der Ionen auf den Oberflächenbereich 1 10 haben die Ionen somit eine Potenzialdifferenz durchfallen, die weitgehend der Beschleunigungsspannung der Vorrichtung 100 entspricht. Bei ihrem Auftreffen wird die Energie der Ionen in einer sehr dünnen Randschicht der Kathode 107 im Oberflächenbereich 1 10 frei, was zur Auslösung von Sekundärelektronen führt. Bei den zuvor genannten elektrischen Spannungen an der zweiten Kathode 107 ist das Verhältnis zwischen ausgelösten Elektronen und auftreffenden Ionen in der Größenordnung 10 angesiedelt, was diese Art des Erzeugens beschleunigter Elektronen sehr effizient macht. Die entstandenen Sekundärelektronen werden vom anliegenden elektrischen Feld stark beschleunigt und durchfliegen die in Form eines Ringzylinders ausgebildete gitterförmige Anode 108 und das Plasma 106 im Raum 102a. Nach dem Durchqueren des Elektronenaustrittsfensters 104, das beispielsweise als dünne Metallfolie ausgeführt sein kann, dringen die Elektronen in den vom ringförmigen Gehäuse 101 umschlossenen Freiraum vor, in dem ein höherer Druck als im Raum 102 herrschen kann. Als Material für das Elektronenaustrittsfenster 104 können alle aus dem Stand der Technik für ein Elektronenaustrittsfenster bekannten Materialien, wie beispielsweise Titan, verwendet werden. Außerdem ist es zum Zwecke einer höheren mechanischen Stabilität des Elektronenaustrittsfensters 104 vorteilhaft, dieses mit einem Stützgitter zu versehen, wie es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Aufgrund der Ringform zuvor genannter Bauteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit dieser ein Vorhang beschleunigter Elektronen in Form eines Ringes erzeugt, wobei die Bewegungsrichtung der beschleunigten Elektronen auf den vom Gehäusering eingeschlossenen Freiraum ausgerichtet ist. Bei einer radialsymmetrischen erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie Vorrichtung 100, ist die Bewegungsrichtung der beschleunigten Elektronen vorzugsweise auf die Ringachse 103 ausgerichtet.
Der Vollständigkeit halber sein an dieser Stelle erwähnt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Kühlen der Vorrichtung aufweist, wie es auch bei Vorrichtungen zum Erzeugen beschleunigter Elektronen aus dem Stand der Technik bekannt ist. So kann diese Einrichtung zum Kühlen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispiels weise Kühlkanäle umfassen, die sich innerhalb des Isolators 109 erstrecken und durch die ein Kühlmedium strömt. Die zweite Anode 108, welche bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt als gitterförmiger Ringzylinder ausgebildet ist und welche die räumliche Grenze zwischen den evakuierbaren Räumen 102a und 102b darstellt, erfüllt drei wesentliche Aufgaben. Zum einen bewirkt sie aufgrund ihrer Spannungsdifferenz gegenüber der zweiten Kathode 107 eine Beschleunigung der aus dem Plasma extrahierten Ionen in Richtung der zweiten Kathode. Zum anderen bewirkt sie auch eine Beschleunigung der durch den lonenbeschuss erzeugten Sekundärelektronen in Richtung des Elektronenaustrittsfensters 104. Aufgrund des Sachverhaltes, dass die Gitterstruktur der zweiten Anode 108 parallel zur Sekundärelektronen emittierenden Oberfläche 110 der zweiten Kathode 107 ausgebildet ist, wird ein elektrisches Feld derart ausgebildet, dass auch die Bahnen der beschleunigten Sekundärelektronen weitgehend parallel verlaufen. Des Weiteren schirmt die zweite Anode 108 das Plasma vom Spannungspotenzial der zweiten Kathode 107 ab, verhindert dadurch das Abdriften zu vieler Ionen in Richtung zweiter Kathode 107 und trägt somit zum Aufrechterhalten des Plasmas 106 im Raum 102a bei. Erfindungsgemäß ist im Inneren des als erster Hohlzylinder ausgebildeten
Elektronenaustrittsfensters 104 ein zweiter Hohlzylinder 112 angeordnet, wobei der zweite Hohlzylinder 1 12 einen kleineren Durchmesser aufweist als das ringförmige Elektronenaustrittsfenster 104, so dass der zweite Hohlzylinder 1 12 einen ringförmigen Raum 1 13 zwischen dem zweiten Hohlzylinder 112 und dem als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfenster 104 begrenzt.
Der zweite Hohlzylinder 1 12 begrenzt im Inneren des Hohlzylinders 1 12 einen Freiraum 114. Durch den vom zweiten Hohlzylinder 112 eingeschlossenen Freiraum 114 strömt ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes gasförmiges Medium, welches auch Feststoffpartikel aufweisen kann, wie es beispielsweise bei Abgasen von Verbrennungsmotoren der Fall ist.
Das Elektronenaustrittsfenster eines Elektronenstrahlerzeugers erhält allein schon durch das Bombardement mit geladenen Teilchen im Inneren des Elektronenstrahlerzeugers einen Wärmeeintrag. Wird dann zusätzlich auch noch ein heißes Gas mit einem zuvor beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger 100 behandelt, welches durch den vom zweiten Hohlzylinder 1 12 begrenzten Freiraum 114 strömt, erfährt das Elektronenaustrittsfenster 104 eine zusätzliche Wärmebelastung, was zur Beschädigung des
Elektronenaustrittsfensters 104 führen kann. Erfindungsgemäß strömt deshalb ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum 113, welches Wärmeenergie abführt und das
Elektronenaustrittsfenster 104 somit vor einer thermisch bedingten Beschädigung schützt.
Bei einer Ausführungsform weist die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 eine Vielzahl von Öffnungen auf. Durch die Öffnungen hindurch können die beschleunigten Elektronen ungehindert in den Behandlungsraum vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 eindringen. So kann die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 1 12 beispielsweise eine Gitterstruktur aufweisen oder aus einer Gaze bestehen. Die Gitterstruktur oder die Gaze des zweiten Hohlzylinders 1 12 kann zum Beispiel aus einem temperaturbeständigem Material mit einem Schmelzpunkt größer 1 .250 °C bestehen. Mittels einer derart ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch heiße gasförmige Medien behandelt werden. Ein solches temperaturbeständiges Material kann beispielsweise aus mindestens einem Metall oder einer Metallverbindung wie zum Beispiel Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid oder aus einem Edelstahl oder einem Refraktärmetall bestehen. Der zweite Hohlzylinder kann durchgängig aus einem Material bestehen oder alternativ einen Basiskörper zum Beispiel aus einem Metall oder einer Metallverbindung umfassen, auf dessen Innenwandung mindestens eine Schicht aus einem temperaturbeständigen Material mit einem Schmelzpunkt größer 1 .250 °C abgeschieden ist.
Mit einem solchen zweiten Hohlzylinder können auch gasförmige Medien mit einer hohen Temperatur, wie zum Beispiel Abgase von Verbrennungsmotoren oder chemische Synthesegase, mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt und chemisch umgewandelt werden.
Weist die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 eine Vielzahl von Öffnungen auf, ist es vorteilhaft, wenn das durch den Freiraum 114 innerhalb des zweiten Hohlzylinder 1 12 strömende, zu behandelnde gasförmige Medium und das durch den ringförmigen Raum 113 strömende Gas jeweils die gleiche Strömungsrichtung aufweisen. Weisen beide Gasströme entgegengesetzte Strömungsrichtungen auf, könnte das zu stärkeren Verwirbelungen der beiden Gasströme an den Öffnungen der Zylinderwandung des zweiten Hoh Izylinders 112 führen, was einen Elitzestau aufgrund schlechterer Gasströmung mit sich bringen kann. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn innerhalb des ringförmigen Raumes 113 die gleichen Druckverhältnisse eingestellt werden, wie innerhalb des zweiten Hohlzylinders 1 12, damit es an den Öffnungen der Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders 112 zu keiner Vermischung der beiden Gasströme oder Partikeleintrag in den ringförmigen Raum 113 kommt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher einen ersten Regelkreis aufweisen, mit welchem der Druck innerhalb des ringförmigen Raumes 1 13 eingestellt werden kann. Ein solcher erster Regelkreis kann zum Beispiel einen ersten Sensor zum Erfassen eines ersten Istwertes für den Druck innerhalb des Hohlzylinders 1 12, einen zweiten Sensor zum Erfassen eines zweiten Istwertes für den Druck innerhalb des ringförmigen Raumes 113, eine Auswerteeinrichtung und ein Gebläse oder eine Pumpeneinrichtung zum Erzeugen des Kühlgasstromes durch den ringförmigen Raum 1 13 umfassen. H ierbei wird mittels der Auswerteeinrichtung der erste Istwert mit dem zweiten Istwert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis zum Beispiel die elektrische Leistung des Gebläses bzw. der Pumpeneinrichtung zum Erzeugen des Kühlgasstromes eingestellt. Wird von der Auswerteeinrichtung ein zu geringer Druck im ringförmigen Raum 113 ermittelt, so kann zum Beispiel die elektrische Leistung des Gebläses bzw. der Pumpeneinrichtung erhöht werden, bis der Druck im ringförmigen Raum 113 genau so groß ist, wie der Druck innerhalb des zweiten Hohlzylinders 1 12. Umgekehrt kann die elektrische Leistung des Gebläses bzw. der Pumpeneinrichtung verringert werden, wenn die Auswerteeinrichtung im ringförmigen Raum 1 13 einen höheren Druck ermittelt als im Inneren des zweiten Hohlzylinders 112.
Mittels eines solchen ersten Regelkreises kann alternativ auch der Druck innerhalb des zweiten Hohlzylinders 1 12 an den Druck im ringförmigen Raum 113 angepasst werden, wenn der Regelkreis Mittel zum Einstellen des Drucks innerhalb des zweiten Hohlzylinders 1 12 umfasst, wie zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpeneinrichtung, mittels denen der Gasstrom des zu behandelnden Gases oder Gasgemischs durch den zweiten Hohlzylinder erzeugt wird, und dieses Gebläse bzw. diese Pumpeneinrichtung in Abhängigkeit von den ermittelten Werten für den Druck im ringförmigen Raum 113 und innerhalb des zweiten Hohlzylinders angesteuert wird.
Zuvor wurde beschrieben, dass mittels des ersten Regelkreises die Drücke im ringförmigen Raum 1 13 und innerhalb des zweiten Hohlzylinders 1 12 identisch eingestellt werden.
Mittels eines solchen ersten Regelkreises ist es aber auch möglich, den Druck innerhalb des ringförmigen Raumes 1 13 geringfügig höher einzustellen als den innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 vorherrschenden Druck, so dass das Kühlgas in geringen Mengen in den Lreiraum 114 innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 Übertritt. Bei einer solchen Vorgehensweise wird auf jeden Lall vermieden, dass das den zweiten Hohlzylinder durchströmende, gegebenenfalls heiße und partikelbeladene gasförmige Medium in den ringförmigen Raum 113 gelangt und dadurch das Elektronenaustrittsfenster 104 zusätzlich thermisch belastet oder kontaminiert.
Ein Schutz des Elektronenaustrittsfensters 104 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor Überhitzung und ein zuverlässiger Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, vor allem aber die Einstellung einer an hydrodynamische und thermodynamische Kenngrößen des gasförmigen Mediums angepassten lokalen Leistungsdichteverteilung, d.h., die an einem gegebenen Ort pro Zeit- und Volumeneinheit von den Elektronen auf die Gasteilchen übertragenen Energiemenge, können zusätzlich oder alternativ mittels eines zweiten Regelkreises gewährleistet werden. Dazu wird die zwischen der zweiten Kathode 107 und der zweiten Anode 108 anliegende Beschleunigungsspannung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Temperatur des den zweiten Hohlzylinder 1 12 durchströmenden gasförmigen Mediums sowie des darin vorherrschenden Drucks und Strömungsprofiles eingestellt. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Elektronenreichweite im relevanten
Energiebereich (< 1 MeV) annähernd quadratisch von der Beschleunigungsspannung und umgekehrt proportional von der Massendichte des energieabsorbierenden Mediums abhängt. Die Zusammensetzung, speziell die dazu korrelierende mittlere Masse der Gasteilchen, der Druck und die Temperatur des im zweiten Hohlzylinder 1 12 strömenden gasförmigen Mediums bestimmen dessen effektive Massendichte. Je höher die mittlere Teilchenmasse und der Druck und je geringer die Temperatur des gasförmigen Mediums sind, umso höher ist dessen Massendichte und umso höher ist auch die erforderliche Beschleunigungsspannung. Für die Festlegung einer förderlichen Beschleunigungsspannung ist weiterhin das Strömungsprofil, d.h., die radiale Geschwindigkeitsverteilung der Gasteilchen relevant. Diese ist an der inneren Wandung des zweiten Hohlzylinders 112 minimal und im Zentrum des Freiraums 1 14 maximal. Zur Sicherung einer möglichst gleichmäßig auf die Gasteilchen übertragenen Energiedosis muss die Beschleunigungsspannung also so hoch eingestellt werden, dass die resultierende Elektronenreichweite und Elektronenstreuung zu einer im Zentrum des Freiraums 1 14 maximalen, radial nach außen hin abfallenden Leistungsdichteverteilung führt. Eine Obergrenze für die Beschleunigungsspannung ist dadurch gesetzt, dass die Elektronenreichweite nicht größer als der Durchmesser des zweiten Hohlzylinders 112 gewählt werden darf, um eine thermische Belastung der diametral gegenüberliegenden Bereiche des Elektronenaustrittsfensters 104 zu vermeiden. Soll im weiteren Prozessverlauf das für einen Arbeitspunkt (charakterisiert durch dabei vorherrschende
Gaszusammensetzung respektive mittlere Teilchenmasse m, Druck p, Temperatur T und Gasdurchsatz D) durch Wahl einer förderlichen Beschleunigungsspannung eingerichtete Leistungsdichteprofil aufrechterhalten werden, muss die Beschleunigungsspannung in Abhängigkeit von den geänderten Zustandsgrößen des gasförmigen Mediums nachgeregelt werden. Bei einer Ausführungsform dieses zweiten Regelkreises werden daher mittels entsprechender Sensoren fortlaufend, aber jeweils zu einheitlichen Zeitpunkten Istwerte für die Gaszusammensetzung, den Druck, die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit im Freiraum 114 erfasst und in einer Auswerteeinrichtung verarbeitet. Höhere Gasdurchsätze bewirken allgemein ein Anwachsen des Verhältnisses zwischen minimaler und maximaler Strömungsgeschwindigkeit, was tendenziell mit einer Erhöhung der Beschleunigungsspannung ausgeglichen werden kann. Aus der Gaszusammensetzung kann die mittlere Teilchenmasse m bestimmt, die dann mit dem Quotienten aus Druck-Istwert p und Temperatur-Istwert T multipliziert wird. Fällt dieses Produkt im Laufe der Zeit, wird auch die Beschleunigungsspannung UB nach einem vordefinierten funktionalen Zusammenhang UB = UB(m, p, T, D) verringert, und umgekehrt wird die Beschleunigungsspannung nach demselben funktionalen Zusammenhang erhöht, wenn sich das Produkt mit fortschreitender Zeit erhöht. Vereinfachte Ausführungsformen dieses zweiten Regelkreises ergeben sich, wenn eine oder mehrere der Zustandsgrößen (m, p, T, D) als zeitunabhängig vorausgesetzt werden können. Ändern sich zum Beispiel in einem konkreten technologischen Prozess Gaszusammensetzung, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit bekanntermaßen nicht, reduziert sich der funktionale Zusammenhang zur Steuerung der Beschleunigungsspannung auf UB = UB(p), wobei die Beschleunigungsspannung dann annähernd proportional mit dem Druck zu erhöhen oder abzusenken ist.
Der stabile Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, vor allem das Sicherstellen der technologisch vorgegebenen, mit möglichst geringer Schwankungsbreite auf das gasförmige Medium zu übertragenden Energiedosis E kann auch mittels eines dritten Regelkreises umgesetzt werden, durch den der von der zweiten Kathode 107 zu emittierende Strahlstrom lB einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 geregelt wird. Aus Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit lassen sich, wie in der Beschreibung des zweiten Regelkreises dargestellt, zunächst die effektive Massendichte des gasförmigen Mediums und die förderliche Beschleunigungsspannung UB für den initialen Arbeitspunkt bestimmen. Das Produkt aus effektiver Massendichte und mittlerer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders 1 12 quantifiziert den integralen Massestrom F des gasförmigen Mediums. Zum Erzielen einer gewünschten physikalischen Aktivierung und einer nachfolgenden chemischen Umwandlung des gasförmigen Mediums ist eine gewisse Energiedosis E erforderlich, die gemeinhin als Technologieparameter vorgegeben wird. Daraus kann die im gasförmigen Medium umzusetzende, von den beschleunigten Elektronen in den Freiraum 1 14 einzutragende Leistung gemäß PG = E · F berechnet werden. Bei der vom zweiten Regelkreis gestellten Beschleunigungsspannung UB wird diese mit einem ins gasförmige Medium eingestrahlten Elektronenstrom von lG = PG / UB erzielt. Der von der zweiten Kathode 107 zu emittierende Strahlstrom lB muss dafür um den Betrag der auf der Wegstrecke von der Oberfläche der zweiten Kathode 107 bis zur Innenwand des zweiten Hohlzylinders 1 12 hinzunehmenden, als Verluststrom lv subsummierbaren Elektronenverluste erhöht werden: lB = lG + M Diese Verluste treten durch elastische und unelastische Streuung der beschleunigten Elektronen bei der Passage der evakuierbaren Räume 102a und 102b, des Plasmas 106, der zweiten Anode 108, des Elektronenaustrittsfensters 104, des ringförmigen Freiraums 1 13 sowie des zweiten Hohlzylinders 1 12 auf. Die funktionale Abhängigkeit des Verluststroms lv von den diversen Einrichtungs- und Verfahrensparametern lässt sich prinzipiell in hinreichend genauer Weise analytisch oder alternativ durch Kalibrierungsmessungen fassen. Soll unabhängig vom Gasdurchsatz eine gleichbleibende Energiedosis E auf das gasförmige Medium innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 appliziert werden, muss zunächst eine förderliche Beschleunigungsspannung gemäß den für den zweiten Regelkreis beschriebenen Kriterien und Algorithmen bestimmt und laufend nachgeführt, dann der Strahlstrom ebenfalls in Abhängigkeit von Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 geregelt werden. Bei einer Ausführungsform dieses dritten Regelkreises werden daher mittels entsprechend zugeordneter Sensoren fortlaufend, aber jeweils zu einheitlichen Zeitpunkten Istwerte für die Gaszusammensetzung, den Druck, die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders 1 12 erfasst und innerhalb einer Auswerteeinrichtung verarbeitet, speziell der momentane Massestrom des gasförmigen Mediums nach den oben dargelegten Beziehungen berechnet. Steigt dieser mit zunehmender Zeit an, wird proportional dazu auch die in das gasförmige Medium eingetragene Strahlleistung PG der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht und umgekehrt, indem der Strahlstrom lB unter Berücksichtigung der vom zweiten Regelkreis eingestellten momentanen Beschleunigungsspannung UB und des (berechneten oder tabellierten) Verluststromes lv eingestellt wird. Vereinfachte Ausführungsformen dieses dritten Regelkreises ergeben sich, indem man die Sensoren des zweiten Regelkreises und die von Ihnen gelieferten Messwerte auch zur Berechnung der Stellgrößen des dritten Regelkreises benutzt, sowie bei Konstanthaltung eines oder mehrerer Prozessparameter, analog zu den Darlegungen für die Gestaltung des zweiten Regelkreises.
Es kann anwendungsspezifisch alternativ zweckmäßig sein, die auf das gasförmige Medium übertragene Energiedosis nicht konstant zu halten, sondern in Abhängigkeit von einer im Ergebnis der chemischen Umwandlung angestrebten Zusammensetzung des zu behandelnden gasförmigen Mediums zu regeln. Dies ist zum Beispiel für die Reinigung von Motorabgasen von SOx, NOx und teilverbrannten Kohlenwasserstoffen relevant. Der Schadstoffgehalt im Abgas variiert nämlich nicht streng proportional zum Gasfluss sondern nach einer eigenen, für die jeweiligen Schadstoffspezies individuellen Charakteristik und in Abhängigkeit von der momentanen Motorlast. Zusätzlich bewirkt ein sich änderndes Verhältnis der genannten Schadstoffe untereinander auch die Änderung der zu ihrer Neutralisierung erforderlichen Energiedosis. Ziel der Abgasreinigung, die bekanntermaßen durch Elektronenbehandlung erreicht werden kann, ist es, nach der Prozessierung unkritische Grenzwerte aller Schadstoffe zu unterschreiten. Dafür ist eine gewisse Energiedosis erforderlich. Überschreitet man diese, wird der Energieverbrauch der Elektronenquelle weiter erhöht, aber kein nennenswerter Zugewinn an Reinigungseffekt mehr erzielt. Das heißt, die Energieeffizienz leidet unter diesen Bedingungen.
Um das zu vermeiden, kann man den dritten Regelkreis derart auslegen, dass man Sensoren für die Gaszusammensetzung nach Durchlaufen einer Energieübertragungszone vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 und/oder, falls das nach der Elektronenbehandlung umgewandelte gasförmige Medium weitere chemische oder physikalische Aufbereitungseinrichtungen durchläuft, nach dem Passieren aller im jeweiligen Prozessmodul kombinierten Einrichtungen anordnet und den Strahlstrom so regelt, dass eine vorgegebene Zusammensetzung des gasförmigen Mediums erreicht wird. Bei einer Ausführungsform wird daher mindestens ein Sensor zum Erfassen von Istwerten für die Zusammensetzung des gasförmigen Mediums innerhalb einer Zone des Gasstromes des gasförmigen Mediums angeordnet, in welcher der Gasstrom das Elektronenaustrittsfenster 104 passiert hat und der Strahlstrom in Abhängigkeit von den Istwerten dieses Sensors gesteuert.
Diese Ausgestaltung des dritten Regelkreises ist natürlich nicht nur für die Abgasbehandlung, sondern besonders auch für chemische Syntheseprozesse von mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden gasförmigen Medien von großer Bedeutung.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man somit die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlerzeugers und/oder den Strahlstrom des Elektronenstrahlerzeugers in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung und/oder dem Druck und/oder der Temperatur und/oder dem Strömungsprofil innerhalb des zweiten Hohlzylinders 112 und/oder nach Passieren nachgelagerter Prozessierungseinrichtungen regeln. Eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 ist in Fig. 3 schematisch als Schnitt dargestellt. Vorrichtung 300 kann beispielsweise alle zu Vorrichtung 100 aus Fig. 1 und 2 beschriebenen Bauelemente umfassen. So weist auch Vorrichtung 300 auf: ein ringförmiges Gehäuse 301; ein ringförmiges als erster Hohlzylinder ausgebildetes Elektronenaustrittsfenster 304; einen zweiten Hohlzylinder 312 aus einer Edelstahlgaze, welcher einen Freiraum 314 umschließt und durch den ein mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes gasförmiges Medium von unten nach oben strömt. Des Weiteren begrenzen das Elektronenaustrittsfenster 304 und der zweite Hohlzylinder 312 einen ringförmigen Raum 313, durch welchen ein Kühlgas ebenfalls von unten nach oben strömt. Alle ringförmigen oder zylinderförmigen Elemente der Vorrichtung 300 sind rotationssymmetrisch um eine Achse 303 ausgebildet.
Wandungselemente 315 verlängern den ringförmigen Raum 313 in Richtung der Achse 303 bis der ringförmige Raum am unteren Ende in eine Zuluftführung 316 und am oberen Ende in eine Abluftführung 317 mündet. Beispielsweise mittels Flanschelementen 318 kann der zweite Hohlzylinder an Rohrleitungen angeschlossen werden, mittels denen das mit der Vorrichtung 300 zu behandelnde gasförmige Medium zur Vorrichtung 300 geleitet bzw. nach dem Durchqueren der Vorrichtung 300 wieder von der Vorrichtung 300 weggeleitet wird.
In Fig. 4 ist eine weitere alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 400 schematisch im Schnitt dargestellt, bei welcher ein Kühlgas den ringförmigen Raum 313 nicht mehr nur in eine Richtung durchströmt, sondern bei welcher das Kühlgas unter Druck sowohl am unteren Ende des ringförmigen Raumes 313 durch die Zuluftführung 316 als auch am oberen Ende des ringförmigen Raumes 313 durch eine Zuluftführung 416 in den ringförmigen Raum 313 geführt wird. Das Kühlgas wird hierbei durch die Öffnungen des zweiten Hoh Izyl inders 312 in das Innere des zweiten Hohlzylinders 312 gedrückt und dort mit dem Strom des zu behandelnden gasförmigen Mediums abgeleitet.
Die hier beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung 400 kann vorzugsweise auch für chemische Synthesen von gasförmigen Medien verwendet werden. H ierbei ist es zweckmäßig, als Kühlgas ein solches Gas zu verwenden, welches mindestens ein chemisches Element aufweist, das als Reaktionspartner in die chemische Umwandlung des gasförmigen Mediums eingeht, und/oder den zweiten Hohlzylinder 312 zumindest aus einem die angestrebte chemische Reaktion befördernden, katalytisch wirksamen Material (wie beispielsweise Nickel, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder Lanthanoidverbindungen) herzustellen oder ihn damit zumindest an der Innenwandung zu beschichten.
In Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 500 schematisch im Schnitt dargestellt, welche die Merkmale der in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen aufweisen kann. Zusätzlich weist die Vorrichtung 500 einen Elektronenreflektor 519 auf, welcher innerhalb des zweiten Hohlzylinders 312 angeordnet ist. Der Elektronenreflektor 519 kann beispielsweise als Hohlzylinder oder alternativ aus einem massiven Material bestehend, stabförmig ausgebildet sein. Der Elektronenreflektor 519 kann aus einem homogenen Material oder auch aus einer Kombination von Materialien bestehen, beispielsweise aus einem Metall als Grundkörper und einem dessen Oberfläche vollständig oder partiell bedeckenden anderen Metall oder einer Verbindung. An der Außenwandung des Elektronen reflektors 519 werden energiereiche Elektronen teilelastisch in den Freiraum 314 zurückgestreut, welche die applizierte Energiedosis in das zu behandelnde gasförmige Medium erhöhen, vor allem jedoch deren radiale Verteilung vergleichmäßigen.
Durch geeignete Materialwahl, insbesondere für die Oberfläche des Elektronenreflektors 519, lässt sich der (auf den Strahlstrom bezogene) prozentuale Anteil der in den Freiraum 314 zurückgestreuten Elektronen erhöhen. So weisen beispielsweise Refraktärmetalle eine wesentlich höhere Elektronenrückstreuung auf als Leichtmetalle. Bei einer Ausführungsform umfasst das Oberflächenmaterial des Elektronenreflektors 519 ein Refraktärmetall oder ein Leichtmetall.
Ferner kann durch geeignete Materialwahl, insbesondere für die Oberfläche des Elektronenreflektors 519, die Ausbeute an Sekundärelektronen erhöht werden. Sekundärelektronen werden bei Auftreffen der hochenergetischen Strahlelektronen aus der oberflächennahen Randschicht des Elektronenreflektors 519 herausgeschlagen und in den Freiraum 314 freigesetzt. Sie sind niederenergetisch (typischerweise < 50 eV), weisen daher einen hohen Wechselwirkungsquerschnitt mit Atomen oder Molekülen auf und sind somit in besonderem Maße in der Lage, chemische Umwandlungen zu stimulieren.
Ferner kann es zweckmäßig sein, den Elektronenreflektor 519 aus einem temperaturbeständigen und/oder die angestrebte chemische Reaktion befördernden. katalytisch wirksamen Material (wie beispielsweise Nickel, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder Lanthanoid-Verbindungen) herzustellen oder ihn damit zu beschichten, so dass zumindest die Oberfläche des Elektronen reflektors diese Materialien aufweist. Je nach angestrebter Anwendung kann es zweckmäßig sein, den Elektronenreflektor 519 vollständig oder partiell zu kühlen. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, die Wärmeabführung von seiner Oberfläche so einzustellen oder sogar zu regeln, dass diese eine angestrebte Temperatur aufweist. Diese wird wegen des Energieeintrages durch die Strahlelektronen im Allgemeinen über der Temperatur des zugeführten gasförmigen Mediums liegen. Durch diese erhöhte Temperatur steigt die Wirksamkeit eventuell implementierter Katalysatoren, und ihre Reinhaltung wird durch Vermeidung der Kondensation oder Verbrennung von Kontaminationen befördert.
Der generelle Vorteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass die Energieübertragung von den beschleunigten Elektronen auf das gasförmige Medium nun nicht mehr über den vollen Durchmesser des von dem zweiten Hohlzylinder 312 gebildeten Kreises, sondern nur noch auf der Wegstrecke zwischen dem zweiten Hohlzylinder 312 und dem Elektronenreflektor 519 erfolgen kann. Moderate Strömungsgeschwindigkeiten (« Schallgeschwindigkeit) im ringförmigen Raum 314 und somit vernachlässigbare Dichteunterschiede des gasförmigen Mediums bei der Umströmung des Elektronen reflektors vorausgesetzt, ergibt sich hieraus eine signifikante Reduzierung der erforderlichen Elektronenreichweite und somit der anzuwendenden Beschleunigungsspannung. Dies senkt sowohl die Kosten für die Strahlquelle und ihre Versorgungseinheiten wie auch den zur Abschirmung der parasitären Röntgenstrahlung notwendigen Aufwand.
Zur Vorrichtung 500 kann optional eine Stromversorgungseinrichtung 520 gehören, mittels welcher eine elektrische Spannung bereitgestellt und zwischen dem zweiten Hohlzylinder 312 und dem Elektronenreflektor 519 geschaltet wird. Die mittels der Stromversorgungseinrichtung 520 bereitgestellt elektrische Spannung kann eine Gleichspannung oder Wechselspannung sein. Insbesondere können bei einer
Ausführungsform mit der Stromversorgungseinrichtung 520 Spannungspulse erzeugt werden, deren Energieinhalt durch passive, während der Pulspausen nachladbare elektrische Speicher (Spulen oder Kondensatoren) erhöht sein kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Hohlzylinder 312 das elektrische Massepotenzial der Vorrichtung 500 auf. In Fig. 5 ist zwar dargestellt, dass ein Pol der Stromversorgungseinrichtung 520 mit einem Wandungselement 315 elektrisch verbunden ist. Da aber das Wandungselement 315 elektrisch leitfähig mit dem zweiten Hohlzylinder 312 verbunden ist, ist dieser Pol der Stromversorgungseinrichtung auch mit dem zweiten
Hohlzylinder 312 elektrisch leitfähig verbunden. Mittels einer solchen elektrischen Spannung zwischen dem zweiten Hohlzylinder 312 und dem Elektronenreflektor 519 erfahren die in den Freiraum 314 eingedrungenen Strahlelektronen wie auch die dort bei ihrer Abbremsung in ionisierenden Stößen freigesetzten sekundären Elektronen eine zusätzliche Beschleunigung, die bei geeigneter geometrischer und elektrischer Dimensionierung zu weiterer Elektronenvervielfachung im Sinne einer nichtselbständigen Gasentladung führen kann. Die von der Gesamtmenge der Elektronen aufgenommene Energie kann nachfolgend ebenfalls auf das gasförmige Medium übertragen und die insgesamt wirksame Energiedosis in preiswerter Weise gesteigert werden.
Für die Energieeffizienz (definiert durch das Verhältnis zwischen theoretischer Reaktionsenthalpie und dem zur praktischen Realisierung der angestrebten chemischen Umwandlung praktisch erforderlichem Energieaufwand) eines durch eine Gasentladung stimulierten chemischen Umwandlungsprozesses ist die reduzierte elektrische Feldstärke (definiert als Quotient der elektrischen Feldstärke E und der Teilchendichte n im Entladungsraum) von besonderer Bedeutung.
Die Wechselwirkung zwischen energiereichen Elektronen und dem gasförmigen Medium führt u.a. zur Ionisierung, Dissoziation, elektronischen Anregungszuständen und intramolekularen Schwingungen seiner Atome bzw. Moleküle. Die Ausprägung und Präsenz der jeweiligen Wechselwirkungseffekte, fachsprachlich als Wechselwirkungsquerschnitt bezeichnet, hängt in charakteristischer und materialspezifischer Weise von der Elektronenenergie und diese wiederum von der reduzierten elektrischen Feldstärke ab. Insbesondere (abbauende oder synthetisierende) Molekülreaktionen lassen sich durch Anregung von intramolekularen Schwingungsfreiheitsgraden stimulieren. Die von der Entladungseinrichtung in die Schwingungsanregung gelieferte Energie bewirkt primär eine Überwindung der die chemischen Umwandlungsprozesse hemmenden Energiebarriere und speist bei endothermen Reaktionen effektiv die Energieaufnahme in die Reaktionsprodukte, während sich die Gastemperatur dadurch nur wenig erhöht und die Energieeffizienz des Umwandlungsprozesses sich somit verbessert.
Für den Schadstoffabbau in Abgasen sind hingegen die durch die Beaufschlagung mit energiereichen Elektronen gebildeten Ionen, Radikale und elektronisch angeregten Spezies von besonderer Bedeutung.
Die Effizienz eines angestrebten chemischen Umwandlungsprozesses (nicht nur hinsichtlich der aufgewandten Energie, sondern auch bezüglich des erzielbaren Umwandlungsgrades) lässt sich somit verbessern, indem man Energie selektiv an den die jeweils angestrebte
Reaktion hauptsächlich befördernden Mechanismus überträgt. Dies kann realisiert werden, indem man die reduzierte elektrische Feldstärke der Gasentladung so wählt, dass sie zu dessen Maximum des Wechselwirkungsquerschnittes korrespondiert, während andere Wechselwirkungsprozesse bei diesem Wert nicht oder nur wenig angeregt werden.
Bei gegebener Teilchendichte n und gegebenem geometrischen Abstand d der die Gasentladung treibenden Elektroden lässt sich eine angestrebte reduzierte elektrische Feldstärke E/nS0LL durch geeignete Wahl der Versorgungsspannung UD der Entladung einstellen. Für den hier zur Illustration des Dimensionierungsprinzips gewählten einfachen Modellfall eines Plattenkondensators ergäbe sich diese zu UD = n-d E/h50i±
Während die Spannung der zusätzlichen Gasentladung zweckmäßiger Weise dem obigem Optimierungskriterium festgelegt ist, lässt sich die an das gasförmige Medium übertragene Energiedosis durch geeignete Wahl des Entladungsstromes einstellen bzw. variieren, wofür wiederum Regelkreise zur Sicherstellung einer gewünschten Zusammensetzung des gasförmigen Mediums nach der Prozessierung eingebunden werden können.
Für viele chemische Umwandlungen ist zudem die Dauer des Energieübertrages an die Ausgangsstoffe ausschlaggebend. Die Variation der Energieübertragungsdauer bietet somit eine Möglichkeit, unerwünschte Rekombination oder Sekundärreaktionen der gebildeten Reaktionsprodukte zu unterdrücken.
Hierfür ist ein gepulster Energieübertrag besonders zweckmäßig und erlaubt eine sehr definierte Einflussnahme. Die Pulsspannung etabliert eine förderliche reduzierte elektrische Feldstärke, die Pulsdauer bestimmt die Dauer der Energieübertragung und der Pulsstrom bestimmt schließlich die übertragene Energiedosis. Alle genannten Parameter können zur Sicherung einer angestrebten Zusammensetzung des gasförmigen Mediums nach der Prozessierung einzeln oder in Kombination als Stellgrößen in Regelkreisen eingebunden sein.
Die Pulssequenz der Stromversorgungseinrichtung 520 kann so gestaltet werden, dass die integral erforderliche Energiedosis als Summe mehrerer Pulse übertragen wird. Alternativ kann die Sequenz auch mit der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums so korreliert werden, dass ein neuer Puls erst dann generiert wird, wenn das zuvor beaufschlagte Gasvolumen die Energieübertragungszone vor dem Elektronenaustrittsfenster 304 vollständig durchquert und wieder verlassen hat.
Die Kosteneffizienz der die Gasentladung speisenden Stromversorgungseinrichtung 520 lässt sich verbessern, indem man passive elektrische Speicher (Spulen oder Kondensatoren) implementiert, deren Energieinhalt sich in die Pulse entlädt und die danach, während der Pulspausen, mit moderater Leistung nachgeladen werden.
Zur weiteren Effizienzsteigerung ist es zweckmäßig, den die Gasentladung unterhaltenden und stabilisierenden Elektronenstrahl, bestehend aus den erzeugten beschleunigten Elektronen, nur kurz vor und während der beabsichtigten Pulsdauer der Pulse der Stromversorgungseinrichtung 520 freizugeben, also ebenfalls zu pulsen und diese Pulsung mit der Pulssequenz der Gasentladung zu synchronisieren. Bei einer Ausführungsform wird daher ein aus den beschleunigten Elektronen geformter Elektronenstrahl pulsförmig erzeugt. Optional können die Pulse des Elektronenstrahls mit den Spannungspulsen der von Stromversorgungseinrichtung 520 erzeugten elektrischen Spannung synchronisiert werden.
In Fig. 6 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 600 schematisch in einem Schnitt dargestellt, welche im Unterschied zur Vorrichtung 500 aus Fig. 5 einen aerodynamisch vorteilhaft geformten Elektronenreflektor 619 aufweist. Der Elektronenreflektor 619 weist eine Tropfenform auf und bietet einem von unten nach oben strömenden und mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden gasförmigen Medium weniger Strömungswiderstand und geringere Wirbelausbildung gegenüber einem stabförmigen Elektronenreflektor 519 aus Fig. 5. Bei einer Ausführungsform weist der Elektronenreflektor 519 oder 619 im unteren Bereich mindestens eine Öffnung auf, durch welche (gasförmige oder flüssige) chemische Agenzien 621 axial nach unten in den Freiraum 314 gesprüht werden können, welche sich dabei mit dem gasförmigen Medium mischen und dann mit dem Gasstrom nach oben durch die Bestrahlungszone geführt werden.
Alternativ ist es auch möglich, mittels mindestens einer vom Elektronenreflektor 519 oder 619 separaten Zuführung chemische Agenzien überwiegend radial nach innen gerichtet in den Freiraum 314 zu sprühen, wobei die Mündungsöffnung der Zuführung vorteilhaft derart zu platzieren und auszurichten ist, dass die in den Freiraum 314 gesprühten chemischen Agenzien dem Gasstrom des mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden gasförmigen Mediums zugeführt werden, bevor der Gasstrom den Behandlungsraum vor dem Elektronenaustrittsfenster 304 passiert. Auf diese Weise können die mit beschleunigten Elektronen beaufschlagten und dadurch aktivierten, ionisierten oder aufgespaltenen chemischen Verbindungen neue chemische Verbindungen mit den eingesprühten chemischen Agenzien eingehen.
In Fig. 7 ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung 700 schematisch in einem Schnitt dargestellt, welche alternative Vorrichtungsmerkmale zu Vorrichtung 600 aus Fig. 6 aufweist und bei welcher ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes gasförmiges Medium ebenfalls mit der Elauptströmungsrichtung von unten nach oben durch den Freiraum 314 geführt wird. Vorrichtung 700 umfasst wie auch Vorrichtung 600 aus Fig. 6 einen aerodynamisch geformten Elektronenreflektor 719, welcher jedoch im oberen Bereich mindestens eine Öffnung aufweist, durch welche (gasförmige oder flüssige) chemische Agenzien 721 nach oben in den Freiraum 314 gesprüht werden können, welche sich dadurch mit dem gasförmigen Medium mischen und dann mit dem Gasstrom des gasförmigen Mediums nach oben abgeführt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Risiko einer Kontamination des Elektronenaustrittsfensters 304 - z.B. mit Aerosoltröpfchen oder Kondensaten - ausgeschlossen wird.
Eine physikalische Aktivierung und nachfolgende chemische Reaktion der eingesprühten Agenzien 721 mit dem gasförmigen Medium wird in dieser Ausführungsform durch eine nichtselbständige Gasentladung zwischen dem Elektronenreflektor 719 und einer zusätzlichen, vom Massepotential und speziell vom Potential des zweiten Hohlzylinders 312 elektrisch isolierten Elektrode 722 bewirkt. Die zusätzliche Elektrode 722 ist innerhalb des mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagenden Gasstromes des gasförmigen Mediums, oberhalb des Elektronenaustrittsfensters 304 angeordnet sowie ringförmig ausgebildet. Die elektrische Spannung für diese nichtselbständige Gasentladung wird von einer Stromversorgungseinrichtung 720 bereitgestellt. Das Ausführen der nichtselbständigen Gasentladung oberhalb des Elektronenaustrittsfensters 304 hat den Vorteil, dass keine mit der Gasentladung verbundene zusätzliche thermische Belastung auf den zweiten Hohlzylinder 312 oder das Elektronenaustrittsfenster 304 wirkt. Es ist vorteilhaft, die zusätzliche Elektrode 722 zu kühlen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren können zum Beispiel verwendet werden, um Abgase, herrührend aus Verbrennungsmotoren, aus Industrieanlagen oder aus Wärmekraftanlagen, mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagen, um umweltschädigende Verbindungen, welche in den Abgasen enthalten sein können, aufzuspalten und optional durch Elinzufügen von chemischen Agenzien in unschädlichere oder in nachgeschalteten Staubfiltern oder nasschemischen Gaswäschern leicht zurückhaltbare Verbindungen zu überführen.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht im Gebiet der Molekülchemie und plasmachemischen Synthese von Gasen und Flüssigkeiten.
Aufgrund des Kühlgases zwischen Elektronenaustrittsfenster und mit beschleunigten Elektronen zu behandelndem gasförmigen Medium können auch heiße Abgase oder Synthesegase durch eine erfindungsgemäße Ringquelle geführt werden. Vorteilhaft ist dabei ebenfalls, dass nur eine Elektronenstrahlquelle und auch nur einmal die peripher zugehörigen Einrichtungen, wie Vakuumpumpe, Elochspannungsversorgung und Steuergeräte für die einzustellenden Prozessparameter benötigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen, umfassend mindestens einen Elektronenstrahlerzeuger, welcher mindestens eine Kathode (107) zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (104; 304) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (104; 304) als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet sind, wobei das ringförmige, als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster (104; 304) eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses (101; 301) des Elektronenstrahlerzeugers bildet, wobei die von der Kathode (107) emittierten Elektronen zur Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses (101; 301) beschleunigbar sind; b) innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters (104; 304) ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder (112; 312) angeordnet ist, weicher einen ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) begrenzt; c) ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum (1 13; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (112; 312) strömt und d) das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium durch den zweiten Hohlzylinder (1 12; 312) strömt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium das Abgas eines
Verbrennungsmotors, einer Industrieanlage oder einer Wärmekraftanlage ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium ein Ausgangsstoff für eine chemische Synthese ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders (1 12; 312) eine Vielzahl von Öffnungen aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders (112; 312) eine Gitterstruktur aufweist oder als Gaze ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung des zweiten Hohlzylinders (1 12; 312) aus mindestens einem Material mit einem Schmelzpunkt > 1250°C besteht.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hohlzylinders 312 zumindest an dessen Innenwandung ein Material umfasst, welches katalytisch bei einer chemischen Reaktion des gasförmigen Mediums wirkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirksame Material Nickel, Yttriu m-stabi lisiertes Zirkonoxid oder eine
Lanthanoidverbindung ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas und das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium die gleiche Strömungsrichtung aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas durch die Vielzahl von Öffnungen des zweiten Hohlzylinders (112, 312) aus dem ringförmigen Raum (1 13; 313) in den Freiraum (114, 314) strömt.
11 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Regelkreis zum Einstellen des Drucks innerhalb des ringförmigen Raumes (113; 313), umfassend einen ersten Sensor zum Erfassen eines ersten Istwertes für den Druck innerhalb des Hohlzylinders (1 12; 312), einen zweiten Sensor zum Erfassen eines zweiten Istwertes für den Druck innerhalb des ringförmigen Raumes (1 13; 313), eine Auswerteeinrichtung und ein Gebläse oder eine Pumpeneinrichtung zum Erzeugen des Kühlgasstromes durch den ringförmigen Raum (113; 313).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Elektronenreflektor (519; 619; 719), welcher im Freiraum (314) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenmaterial des Elektronenreflektors ein Refraktärmetall oder ein Leichtmetall umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Elektronenreflektors Nickel, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder eine Lanthanoid-Verbindungen aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine
Stromversorgungseinrichtung (520), bei welcher ein Pol elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des Freiraums (314) angeordneten Elektronenreflektor (519, 619) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit dem zweiten Hohlzylinder (312) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Stromversorgungseinrichtung (720), bei welcher ein Pol elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des Freiraums (314) angeordneten Elektronenreflektor (719) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit einer im gasförmigen Medium angeordneten, aber vom zweiten Hohlzylinders (312) elektrisch isolierten Elektrode (722) verbunden ist.
17. Verfahren zum Beaufschlagen von einem gasförmigen Medium mit beschleunigten Elektronen mittels eines Elektronenstrahlerzeugers, welcher mindestens eine Kathode (107) zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (104; 304) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Kathode (107) ringförmig und das mindestens eine Elektronenaustrittsfenster (104; 304) als ringförmiger erster Hohlzylinder ausgebildet wird, wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster (104; 304) eine Innenwandung eines ringförmigen Gehäuses (101 ;301 ) des Elektronenstrahlerzeugers bildet, wobei die von der Kathode (107) emittierten Elektronen zur Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses (101 ; 301 ) beschleunigt werden; b) innerhalb des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters (104; 304) ein ringförmiger zweiter Hohlzylinder (112; 312) angeordnet wird, welcher einen ringförmigen Raum (1 13; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (1 12; 312) begrenzt; c) ein Kühlgas durch den ringförmigen Raum (113; 313) zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zweiten Hohlzylinder (1 12; 312) geführt wird und d) das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende gasförmige Medium durch den zweiten Hohlzylinder (1 12; 312) geführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlerzeugers in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung und/oder dem Druck und/oder der Temperatur und/oder dem Strömungsprofil innerhalb des zweiten Hohlzylinders (1 12; 312) geregelt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlstrom des Elektronenstrahlerzeugers in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung und/oder dem Druck, und/oder der Temperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Hohlzylinders (1 12; 312) geregelt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlgas ein Gas verwendet wird, welches mindestens ein chemisches Element aufweist, das als Reaktionspartner in eine chemische Umwandlung des gasförmigen Mediums eingeht.
21 . Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass einen Elektronenreflektor (519; 619; 719) im Freiraum (314) angeordnet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Pol einer Stromversorgungeinrichtung (520) elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des Freiraums (314) angeordneten Elektronenreflektor (519, 619) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit dem zweiten Hohlzylinder (312) verbunden wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Pol einer Stromversorgungseinrichtung (720) elektrisch leitfähig mit dem innerhalb des zweiten Hohlzylinders (312) angeordneten Elektronenreflektor (719) und der andere Pol elektrisch leitfähig mit einer im gasförmigen Medium angeordneten, aber vom zweiten Hohlzylinders (312) elektrisch isolierten, Elektrode (722) verbunden wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die beschleunigten Elektronen geformter Elektronenstrahl pulsförmig erzeugt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Stromversorgungseinrichtung (520; 720) eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder Spannungspulse erzeugt werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass Pulse des
Elektronenstrahls mit den Spannungspulsen der Stromversorgungseinrichtung (520; 720) synchronisiert werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor zum Erfassen von Istwerten für die Zusammensetzung des gasförmigen Mediums innerhalb einer Zone des Gasstromes des gasförmigen Mediums angeordnet wird, in welcher der Gasstrom das Elektronenaustrittsfenster (304) passiert hat und der Strahlstrom in Abhängigkeit von den Istwerten dieses Sensors gesteuert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenreflektor (519; 619; 719) gekühlt wird.
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