EP4699157A1 - Vorrichtung zum beaufschlagen von schüttgut mit beschleunigten elektronen - Google Patents

Vorrichtung zum beaufschlagen von schüttgut mit beschleunigten elektronen

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Publication number
EP4699157A1
EP4699157A1 EP24700906.1A EP24700906A EP4699157A1 EP 4699157 A1 EP4699157 A1 EP 4699157A1 EP 24700906 A EP24700906 A EP 24700906A EP 4699157 A1 EP4699157 A1 EP 4699157A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylindrical
shaped
electron
exit window
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24700906.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Björn MEYER
Henrik Flaske
Ralf Blüthner
Gösta MATTAUSCH
Jörg KUBUSCH
Tobias TEICHMANN
Michiel Top
Elizabeth Von Hauff
Markus Herzog
Fred Schade
Burkhard Zimmermann
Falk Winckler
Stefan Weiss
Thomas Weicht
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 Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4699157A1 publication Critical patent/EP4699157A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J33/00—Discharge tubes with provision for emergence of electrons or ions from the vessel; Lenard tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/147—Arrangements for directing or deflecting the discharge along a desired path
    • H01J37/1472—Deflecting along given lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/16—Vessels; Containers
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/006—Details of gas supplies, e.g. in an ion source, to a beam line, to a specimen or to a workpiece
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    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/02—Details
    • H01J2237/0203—Protection arrangements

Definitions

  • the invention relates to a device for generating accelerated electrons and for applying the accelerated electrons to bulk material.
  • Electron beam technology has been used for several decades on an industrial scale for chemical modification as well as for disinfection and sterilization of a wide variety of materials and products.
  • This treatment can be carried out economically advantageously at atmospheric pressure if the electrons are first released in a vacuum, then accelerated and finally coupled out into the treatment zone through a beam exit window, usually a thin metal foil.
  • Acceleration voltages >80 kV are typically required to penetrate sufficiently robust electron exit windows that can be used on a large scale and to ensure sufficient treatment depth in the product.
  • DE 10 2006 012 666 A1 describes a solution which comprises three axial emitters with associated deflection control and three associated electron exit windows.
  • the three electron exit windows are designed in such a way arranged so that they completely enclose a triangular free space. If a substrate is guided through this free space, its cross-section can be completely exposed to accelerated electrons in one treatment pass. However, if the substrate does not have the same triangular cross-section as the free space enclosed by the three electron exit windows, the dose distribution of the exposure to accelerated electrons on the surface of the substrate will be inhomogeneous.
  • the equipment required for this embodiment is also very high, which means that this solution is also very expensive.
  • DE 4434 767 C 1 discloses a device in which a bulk material stream falls between two surface beam generators and can be subjected to accelerated electrons from both sides.
  • EP 0513 135 B1 describes such a two-sided application of the freely falling bulk material stream using two mirror-image axial beam sources with scanners. What both solutions have in common is the need to use two electron beam sources with all their supply and control components, which still means a high level of equipment complexity.
  • a ring-shaped device for generating accelerated electrons is disclosed in DE 10 2013 1 1 1 650 B3, in which all essential components, such as cathode, anode and electron exit window, are ring-shaped, so that by means of such a device an annular electron beam can be formed in which the accelerated electrons move towards the inside of the ring.
  • strand-shaped substrates that are moved through the ring opening of the device can be exposed to accelerated electrons from the outside across the entire substrate cross-section (DE 10 2017 104 509 A1).
  • the treatment of gaseous media (DE 10 2019 134 558 B3) and bulk materials (DE 10 2013 1 13 688 B3) with only one such ring source has already been described.
  • the disadvantage here is that such devices are large in their construction due to the external cathodes, insulators and vacuum containers and electron treatment of substrates can only be carried out in the relatively small volume of the ring interior.
  • DE 10 2018 1 1 1 782 A1 describes devices that can also be used to generate a ring of accelerated electrons, but here the movement of the electrons is directed radially outwards. With this arrangement, which is inverted with respect to the direction of electron propagation compared to DE 10 2013 1 1 1 650 B3, a more favorable ratio of the size of the electron source to the volume of the treatment zone is achieved.
  • this ring source also suffers from the weakness of all treatment arrangements equipped with only one electron source, namely the tendency for the energy dose to be deposited unevenly in the various surface areas of the object to be treated (facing or facing away from the electron exit window). Improvement is then to be achieved by the (time-consuming) multiple passes or electron reflectors on the back of the object to be treated, facing away from the electron exit window, as described above (the dose contribution of which is, however, several times lower than that applied by the primary beam electrons on the front). Both methods can only mitigate the problem of insufficient dose homogeneity, but cannot solve it satisfactorily.
  • An effective method for equalizing the surface dose is the imposition of a rotational movement of the bulk particles, which is also state of the art, as described for example in DE 10 2012 209 434 A1. This can increase its effectiveness However, this can only be achieved if the duration of the electron exposure is sufficiently high (adjusted to the rotation period of the bulk material particles). This in turn means that in the usual, because only this is economical, treatment of bulk material in free fall, the vertical extent of the electron exit window must be sufficiently large and its opening area must not be interrupted in this (falling) direction.
  • the invention is therefore based on the technical problem of creating a device for generating accelerated electrons, by means of which the disadvantages of the prior art can be overcome.
  • a device with a compact design is to be created with which, for example, bulk material, but also hollow bodies, can be uniformly exposed to accelerated electrons from the inside in just one pass, thereby achieving high dose values in the product and a long continuous operating time.
  • the wire-shaped, strand-shaped, rod-shaped, cylindrical or ring-shaped cathode is designed as a thermal emitter or as a hot cathode.
  • Such electron sources require significantly less space than plasma-stimulated cold cathodes. They can be heated to emission temperature directly by current passing through the cathode itself or indirectly (by means of thermal radiation or electron impact) by a heating conductor placed inside the cathode and separated there from its electrical potential.
  • a device further comprises a cylindrical protective grid which encloses the cylindrical electron exit window and delimits a first annular free space between the cylindrical electron exit window and the cylindrical protective grid; an electron reflector which in turn encloses the cylindrical protective grid and thus delimits a second annular free space between the cylindrical protective grid and the electron reflector; and a number of gas pipes which extend within the first annular free space parallel to the cylinder axis of the cylindrical electron exit window. All gas pipes are spaced by an identical first dimension from the cylinder axis of the cylindrical electron exit window and by an identical second dimension from an adjacent gas pipe.
  • the gas pipes can, for example, be designed with a round or preferably with a rectangular cross-section.
  • each gas pipe has at least one opening on two opposite wall areas through which a first gas can be introduced into the first annular free space.
  • a number of holes are formed on the two opposite wall areas, which are arranged along the longitudinal extent of the gas tubes.
  • the holes in the gas tube walls extend at least over a gas tube length area which is opposite the electron exit window.
  • a slot is formed in the wall of the gas tubes in each of the opposite wall areas, which slot extends along the longitudinal extent of the gas tubes at least over the height of the electron exit window.
  • the bulk material to be treated with accelerated electrons is passed through the second annular space between the electron reflector and the cylindrical protective grid.
  • the bulk material is then exposed to accelerated electrons within this second ring-shaped free space, which is why the second ring-shaped free space is also referred to below as the treatment zone.
  • Electrons are initially emitted from the centrally arranged rod-shaped, ring-shaped or cylindrical cathode.
  • the cathode can be designed, for example, as a hot cathode or as a discharge-stimulated cold cathode.
  • an electrical current flows through the rod-shaped, ring-shaped or cylindrical cathode, which heats it up and thus forms a thermal emitter or hot cathode.
  • the rod-shaped, ring-shaped or cylindrical cathode is electrically connected to the negative pole of a first power supply device.
  • the positive pole of the first power supply is electrically connected to the cylindrical electron exit window, so that the cylindrical electron exit window has an electrical anode potential.
  • the electron exit window has the electrical ground potential. Due to the anode potential applied to the cylindrical electron exit window, the electrons emitted by the rod-shaped, ring-shaped or cylindrical cathode are accelerated radially outwards towards the cylindrical electron exit window. After exiting the cylindrical electron exit window, the accelerated electrons pass through the first ring-shaped free space, pass through the cylindrical protective grid and hit the bulk material in the second ring-shaped free space, which is to be impacted with the accelerated electrons.
  • At least the inside of the electron reflector which delimits the second ring-shaped free space towards the outside, consists of an electron-reflecting material, at least in the area opposite the electron exit window.
  • the previously mentioned area of the electron reflector can consist entirely of an electron-reflecting material, or the electron reflector can also be coated with an electron-reflecting material on the inside in the previously mentioned area.
  • a suitable material for reflecting electrons is, for example, a temperature-resistant metal with a high atomic number, such as tungsten or a tungsten alloy. It is advantageous if at least the electron
  • the reflective area of the electron reflector is cooled so that it does not heat up the air in the treatment zone. Such cooling can be implemented as water cooling, for example.
  • the cylinder axis of the ring-shaped electron exit window is aligned vertically so that, for example, bulk material that is to be exposed to accelerated electrons can fall through in free fall within the second ring-shaped free space between the cylindrical protective grid and the electron reflector.
  • the cylindrical protective grid keeps the falling bulk material away from the electron exit window and thus protects it from mechanical damage caused by the bulk material. Since it is not always possible, particularly in the case of a mobile system, to align a system so that the cylinder axis is completely vertical, the alignment of the cylinder axis of the ring-shaped electron exit window can deviate from the vertical by an angle of approximately 10° or less, even when treating bulk material.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a horizontal section of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a vertical section of the device according to the invention from Fig. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a vertical section of a first alternative device according to the invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a vertical section of a second alternative device according to the invention comprising a vessel for receiving bulk particles;
  • Fig. 5 is a schematic representation of a top view of the vessel for receiving bulk particles from Fig. 4,
  • Fig. 6 is a schematic representation of a vertical section of a third alternative device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a horizontal section and Fig. 2 a vertical section.
  • the device 110 comprises a cylindrical housing 101, which has a evacuable space.
  • a vacuum can be maintained within the evacuable space by means of at least one vacuum pump, which is not shown in the figures for reasons of clarity but is known from the prior art.
  • a wall region of the housing 101 is designed as a cylindrical electron exit window 102.
  • the cylindrical electron exit window is designed as a cylindrical electron exit window
  • the cathode 104a is rod-shaped, extends along the cylinder axis 103 and consists of a wire through which an electric current flows.
  • the material of the cathode 104a can, for example, comprise at least one of the chemical elements tungsten or tantalum. Due to the flow of current, the cathode 104a is heated, which in turn leads to a thermal emission of electrons.
  • the cathode 104a is thus designed as a hot cathode.
  • the electrons emitted by the cathode 104a are accelerated radially outwards in the direction of the cylindrical electron exit window 102 because the cylindrical electron exit window 102 has an electrical anode potential.
  • the cylindrical electron exit window 102 is electrically connected to the positive pole of a first power supply device and the cathode 104 is connected to the negative pole of the first power supply device.
  • the first power supply device is not shown in the figures.
  • the device 100 is thus designed as a cylindrical electron beam generator, which generates a ring of accelerated electrons whose movements are directed radially outwards.
  • the high operating temperature of the wire required for thermal emission of electrons leads to recrystallization of the wire material and to changes in the length of the wire. If the wire is made of metal, an increase in temperature generally results in the wire becoming longer.
  • the lengthening of a wire that is clamped vertically leads to its compression and bending, so that it no longer runs exactly along the cylinder axis 103, which can have a negative effect on the flowability of the circumferential electron emission and ultimately the dose distribution on the material to be treated.
  • the embrittlement of a metal wire which is also associated with recrystallization, can even lead to breakage as a result of this compression, particularly in the case of alternating thermal stress.
  • a metal wire As an alternative to a metal wire, one can therefore also use Carbon fibers are used as a hot cathode, so that the hot cathode is designed in the shape of a strand. However, such carbon fibers contract when the temperature increases. If firmly clamped, high tensile stresses then form, which would lead to such a hot cathode cracking.
  • the hot cathode can also be clamped or supported firmly only at the lower end and contacted at the upper end with an axially movable clamping piece.
  • the lower end corresponds to the end closer to the direction of action of the earth's gravity vector.
  • a hot cathode If a hot cathode is heated directly by a current flow, an electrical potential gradient is created in the longitudinal direction. This leads to a change in the electrical field strength and thus in the electron emission in the longitudinal direction of the hot cathode. In order to obtain a more even distribution of the electron emission along the longitudinal extent of the hot cathode, the potential gradient must be minimized. To achieve this, a hot cathode can also be heated indirectly (for example by means of heat conduction, heat radiation or electron impact).
  • a rod, strand or wire-shaped heating element is arranged inside a cylindrical hot cathode, centrally along the cylinder axis of the cylindrical hot cathode and electrically insulated from the cylinder wall, and this is heated by means of current flow.
  • the heating element must be operated at a high temperature in order to be able to heat the hot cathode to the emission temperature and is therefore made of a material with a high melting temperature (greater than 1500 K).
  • Refractory metals such as tungsten, tantalum or molybdenum
  • carbon fibers are suitable for this.
  • a high-temperature-resistant, electrically poorly conductive material such as boron nitride or zirconium oxide
  • boron nitride or zirconium oxide is introduced between the central heating element and the cylindrical hot cathode and the heat of the central heating element is transferred to the cylindrical hot cathode by thermal conduction.
  • the heating element and hot cathode are mounted without contact and the heat of the central heating element is transferred to the cylindrical hot cathode by thermal radiation.
  • a particularly advantageous embodiment of this variant is obtained if the central heating element and the cylindrical hot cathode are each connected to one another in an electrically conductive manner at one end and the current is fed back through the heating element via the cylinder wall of the cylindrical hot cathode. This results in compensation for the magnetic field associated with the heating current, which has an undesirable effect on the electron propagation (i.e. its extinction in the external environment of the hot cathode).
  • the cylinder wall of the hot cathode is designed to be sufficiently thick so that it has a low electrical resistance and the potential gradient that arises in the longitudinal direction thus remains as low as desired. This results in a more homogeneous extraction field around the emission surface of the cylindrical hot cathode and thus a more uniform electron emission distribution along the longitudinal axis of the hot cathode.
  • the heating element and hot cathode are also mounted without contact and are completely electrically insulated from one another.
  • the hot cathode can then be connected to the positive pole and the heating element to the negative pole of an additional power supply. If the heating element is heated to emission temperature, the electrons emitted by it are drawn to the inner wall of the hot cathode and heat it up through electron impact.
  • the cylindrical hot cathode from a material with a high melting point (greater than 1,500 K) and a moderate to low work function (less than 5 eV).
  • Suitable materials for this include refractory metals (tungsten, tantalum, molybdenum, niobium), titanium, zirconium or stainless steel, all of which can be coated with compounds (such as oxides) to reduce the electron work function, as well as ceramics with high melting temperature (such as rare earth borides, with lanthanum hexaboride as their best known representative).
  • a hot cathode it is expedient for all embodiments of a hot cathode to provide radial adjustability of the upper and lower clamping and contacting points in order to achieve optimal alignment of the hot cathode along the vertically aligned cylinder axis 103 and thus a uniform field strength and a resulting uniform electron emission along the entire cathode circumference.
  • the cathode 104a is further enclosed by a cylindrical control grid 104b, which has a diameter that is smaller than the diameter of the cylindrical electron exit window 102.
  • the grid structure of the cylindrical control grid 104b is formed over the entire circumference.
  • the cylindrical control grid 104b consists of an electrically conductive material, is electron-transparent and has an electrical voltage potential that is slightly more positive than the electrical voltage potential of the cathode 104a.
  • the cylindrical control grid 104b has a voltage difference compared to the cathode 104a of approximately +20 V to approximately +2,000 V.
  • the voltage potential for the cylindrical control grid can be provided by means of a separate second power supply device or alternatively by means of a separately controllable second channel of the first power supply device.
  • the cylindrical control grid 104b as an electron-transparent gauze cylinder reduces the electric field strength inside the gauze cylinder, enables the installation of optional flares for the cathode wire along the longitudinal extension and ensures uniform, all-round electron extraction, which is tolerant to certain limits even against positional deviations of the cathode wire, independent of the acceleration voltage acting in the external space. Furthermore, the adjustability of the voltage difference between the control grid and the cathode offers, in addition to the variation of the heating current flowing through the cathode wire, a second, very dynamic possibility for Control of the emitted electron current.
  • a similar cylindrical control grid in conjunction with a cathode wire is also already known from strip radiators from the prior art.
  • base elements for clamping the cathode wire and the cylindrical control grid 104b in a device according to the invention it is therefore also possible to use design solutions that are known from strip radiators from the prior art, such as from DE 196 38 925 C2.
  • the cylindrical electron exit window 102 can optionally have a support grid known from the prior art, which gives the cylindrical electron exit window 102 the necessary mechanical stability.
  • This support grid can also include a water cooling system, as is known from the prior art. In the figures of the description of the invention, a representation of such a support grid has also been omitted for reasons of clarity.
  • the height extensions of the cylindrical protective grid 106 and the electron reflector 106 extend at least over a region which is opposite the height extension of the cylindrical electron exit window 102. Atmospheric conditions can be formed both within the first annular free space 107 and within the second annular free space 108, for example.
  • the cylindrical protective grid 105 that delimits the first annular space 107 on the outside keeps the bulk material guided through the treatment zone away from the cylindrical electron exit window 102 and thus reduces the risk of mechanical damage to the cylindrical electron exit window 102 by the bulk material to be treated with electrons.
  • the first annular free space 107 is therefore also referred to below as the protective zone.
  • the cylindrical protective grid 105 extends along the cylinder axis 103 at least over an area that is opposite the cylindrical electron window and is preferably made of an electrically conductive and heat-resistant material, such as molybdenum or stainless steel. In one embodiment, the cylindrical protective grid 105 is designed in such a way that it has a transparency of at least 75% with respect to the accelerated electrons.
  • Each gas tube 109 has holes 110 on two opposite wall areas along the longitudinal extent of the gas tubes 109, through which a first gas can be introduced into the first annular free space 107.
  • the holes which are formed in the gas tubes 109 with a preferred diameter of approximately 1 mm or smaller, extend at least over a gas tube length area which is opposite the cylindrical electron exit window 102 and which thus corresponds to the width of the cylindrical electron exit window 102.
  • the bores 1 10 are preferably introduced into the gas pipes 109 and the gas pipes 109 are aligned such that the exit direction of the first gas through a bore 1 10 runs within a horizontal plane of the device 100 and is aligned perpendicular to a straight line 1 1 1 which is drawn starting from the cylinder axis 103 of the cylindrical electron exit window 102 to the center of a horizontal cut surface of an associated tube 109.
  • the exit direction of the first gas through the holes 110 is illustrated in Fig. 1 with arrows.
  • Air or an inert gas, for example, can be used as the first gas.
  • the gas tubes 109 are connected by means of a line system to a reservoir within which the first gas is located.
  • the reservoir can also comprise the ambient air of a device according to the invention.
  • the ring width of the first annular free space 107 is selected such that the gas tubes 109 fill at least 90% of the distance between the cylindrical electron exit window 102 and the cylindrical protective grid 105.
  • rod-shaped or strip-shaped sensor elements can, for example, extend like antennas into the angle ranges that are crossed by accelerated electrons and are used to determine the circumferential and/or vertical distribution of the electron current density.
  • the actual values recorded by the sensor elements are fed to an evaluation device and compared with a target value within the evaluation device. Electrical parameters of the device can then be regulated depending on the comparison result.
  • sensors can also be attached to the inner wall of the electron reflector 106, for example in the form of metal sheets electrically insulated from ground, which record parameter values of the electrons impinging there and forward these values to the evaluation device in order to make statements about the circumferential and/or vertical distribution of the electron current density and to initiate control processes dependent thereon.
  • the electron reflector 106 is designed to be electrically insulated from the electrical ground potential.
  • an electrical voltage potential can be generated at the electron reflector 106, which is suitable for igniting and maintaining an atmospheric pressure plasma within the second annular free space 108. It is particularly advantageous to select the voltage difference such that a non-independent glow discharge supported by the beam electrons forms in the second annular free space 108. This is characterized by the fact that it is stabilized as a large-area, uniform volume discharge, i.e., its conversion into a filament or arc discharge can be prevented.
  • the bulk material to be treated with accelerated electrons is, for example, seed, in which microorganisms adhering to the seed grains are to be rendered harmless by means of the accelerated electrons
  • the formation of such a plasma within the second annular free space is particularly advantageous.
  • the all-round effect of the plasma on the seed grains close to the surface then helps to inactivate the microorganisms adhering to the seed grains or to disinfect the seed grains.
  • the device 312 for generating the flow 313 of a second gas is arranged at the inlet area of the second annular free space 108 and is designed as a blower or fan.
  • a device can also be arranged at the outlet of the second annular free space 108 and be designed there, for example, as a suction pump, so that a suction flow is generated within the second annular free space 108 by means of the suction pump and the air is sucked out of the second annular free space 108 by means of this.
  • the volume flow of the first gas into the first annular free space 107 can be dosed independently of the flow 313 of the second gas within the second annular free space 108. In this way, an aerodynamic balance of the two gas flows can be achieved and the transfer of particles, e.g. dust or grain abrasion, from the second annular space 108 into the first annular space 107.
  • particles e.g. dust or grain abrasion
  • a second alternative device 400 is shown schematically in a vertical section, by means of which bulk material particles 414 are to be subjected to accelerated electrons.
  • the device 400 can comprise all components and their functionalities as described for the devices 100 and 300 from Figs. 1, 2 and 3.
  • the cylinder axis 103 of the cylindrical electron exit window of the device 400 is aligned vertically.
  • a device for separating the bulk material particles 414 is additionally arranged above the cylindrical electron beam generator with the cylindrical housing 101.
  • the device for separating the bulk material particles 414 comprises a vessel for receiving the bulk material particles 414.
  • the vessel in turn comprises a cylindrical side wall 415 and a conical bottom wall 416, with an annular gap 417 being formed between the cylindrical side wall 415 and the conical bottom wall 416.
  • the bottom wall of the vessel can also be disk-shaped.
  • a conical bottom wall has the advantage that the bulk material particles are set in a rolling motion due to the slope of the bottom wall, which is then continued as a rotational motion in free fall.
  • the vessel is shown schematically in a top view in Fig. 5.
  • the cone tip of the conical bottom wall is directed upwards and positioned exactly on the extended cylinder axis of the cylindrical electron exit window 103.
  • An additional flow of a second gas within the second annular free space can further increase the speed of the falling bulk material particles and thus further reduce the electron dose acting during the fall of the bulk material particles.
  • a third alternative device 600 is therefore shown schematically in a vertical section.
  • Device 600 differs from the previously described devices only in that the electron reflector 606 is not as a hollow cylinder, but that it has the shape of the outer surface of a truncated cone, whereby the second annular free space 608 has a ring shape in which the outer diameter and thus the cross-sectional area become continuously larger towards the bottom.
  • This design of the second annular free space 608 counteracts a downwardly increasing flow velocity of the protective and flushing mixture within the second annular free space 608 and thus prevents additional acceleration of the bulk material particles.
  • a downwardly increasing flow velocity within the second annular free space in a device according to the invention can also be counteracted if openings are made in the wall of the electron reflector 106 or 606 through which gas can escape horizontally from the second annular free space, thereby reducing the vertical flow velocity inside the second annular free space.
  • the horizontal partial flow is to be dimensioned such that the predominantly vertical fall direction of the bulk material particles has little influence, but dust and abrasion are effectively carried away radially outwards.
  • Electron beam generators are known from the prior art which also generate a ring of accelerated electrons, but whose movements are directed radially inwards. This can also be used to apply the accelerated electrons to an annular curtain of falling bulk particles.
  • an electron beam generator according to the invention with radially outward electron propagation is significantly more compact than such an electron beam generator from the prior art.
  • all essential components (which determine the function and cost of the electron beam generator) are arranged outside the ring of falling bulk particles so that they enclose the bulk particle curtain. In a device according to the invention, however, all essential components are arranged inside the annular bulk particle curtain.
  • a device according to the invention many components can be made smaller than in the prior art, which is more cost-effective. Furthermore, a device according to the invention with radially diverging electron propagation can also be used inside hollow bodies, for example for treating the inner wall of pipes.
  • the axial alignment of the shielding gas tubes, sensor cables and cooling channels and their arrangement in the same shading angle ranges still allows a free axial Scaling of the electron beam generator and thus of the dose rate of a device according to the invention.

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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen eines Mediums, vorzugsweise Schüttgut, mit beschleunigten Elektronen, umfassend ein zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster (102) als Bestandteil eines zylinderförmigen Gehäuses (101), welches einen evakuierbaren Raum umschließt; mindestens eine drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a), welche innerhalb des evakuierbaren Raums angeordnet und vom zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster (102) umschlossen ist, wobei eine erste Stromversorgungseinrichtung elektrisch leitend zwischen die stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a) und dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster geschaltet ist, so dass von der drahtförmigen, strangförmigen, stabförmigen, ringförmigen oder zylinderförmigen Kathode (104a) Elektronen emittierbar und sich radial von der Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) entfernend in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) beschleunigbar sind. Die Vorrichtung umfasst ferner a) ein zylinderförmiges Schutzgitter (105), welches das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster (102) umschließt und einen ersten ringförmigen Freiraum (107) zwischen dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster (102) und dem zylinderförmigen Schutzgitter (105) begrenzt; b) einen Elektronenreflektor (106), welcher das zylinderförmige Schutzgitter (105) umschließt und einen zweiten ringförmigen Freiraum (108) zwischen dem zylinderförmigen Schutzgitter (105) und dem Elektronenreflektor (106) begrenzt; c) eine Anzahl von Gasrohren (109), welche sich innerhalb des ersten ringförmigen Freiraums (107) parallel zur Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) erstrecken, wobei alle Gasrohre (109) mit einem identischen ersten Maß von der Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) und mit einem identischen zweiten Maß von einem benachbarten Gasrohr (109) beabstandet sind und wobei jedes Gasrohr (109) an gegenüberliegenden Wandungsbereichen Bohrungen (110) oder mindestens einen Schlitz entlang der Längsausdehnung des Gasrohrs (109) aufweist, durch welche ein erstes Gas in den ersten ringförmigen Freiraum (107) einbringbar ist.

Description

Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen und zum Beaufschlagen von Schüttgut mit den beschleunigten Elektronen.
Elektronenstrahltechnologie wird seit etlichen Jahrzehnten im Industriemaßstab zur chemischen Modifikation sowie zur Desinfektion bzw. Sterilisierung verschiedenster Materialien und Produkte eingesetzt. Diese Behandlung kann wirtschaftlich vorteilhaft bei atmosphärischem Druck erfolgen, wenn man die Elektronen zunächst im Vakuum freigesetzt, anschließend beschleunigt und schließlich durch ein Strahlaustrittsfenster, zumeist eine dünne Metallfolie, in die Behandlungszone auskoppelt. Zum Durchdringen großtechnisch einsetzbarer, genügend robuster Elektronenaustrittsfenster sowie auch zum Sichern einer ausreichenden Behandlungstiefe im Produkt sind typischerweise Beschleunigungsspannungen >80 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, variabler Absorption von Elektronenenergie auf der Gasstrecke sowie Dosis-Inhomogenitäten wegen unterschiedlicher Projektionsverhältnisse.
Mit den bereits existierenden Quellensystemen, wie beispielsweise Axialstrahlern mit einer schnellen Ablenkeinheit oder Bandstrahlern (DE 196 38 925 C2) mit einer langgestreckten Kathode, von denen beide Ausführungsformen meist mit einer geheizten thermionischen Kathode betrieben werden, ist eine allseitige Produktbehandlung nur umständlich, unter Nutzung zusätzlicher Einrichtungen oder mit einem hohen apparativen und/oder technologischen und/oder zeitlichen Aufwand möglich.
Beispielsweise ist in DE 10 2006 012 666 A1 eine Lösung angegeben, welche drei Axialstrahler mit zugehöriger Ablenksteuerung und drei ebenfalls zugehörige Elektronenaustrittsfenster umfasst. 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. Hat das Substrat jedoch nicht den gleichen dreieckigen Querschnitt wie der von den drei Elektronenaustrittsfenstern umschlossene Freiraum, wird die Dosisverteilung der Beaufschlagung mit beschleunigten Elektronen auf der Oberfläche des Substrates inhomogen ausfallen. Der apparative Aufwand bei dieser Ausführungsform ist außerdem sehr hoch, wodurch diese Lösung auch sehr preisintensiv ist.
Aus DE 4434 767 C 1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Schüttgutstrom zwischen zwei Flächenstrahlerzeugern hindurchfällt und währenddessen von beiden Seiten mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann. In EP 0513 135 B1 wird eine derartige beidseitige Beaufschlagung des frei fallenden Schüttgutstroms mithilfe zweier spiegelbildlich angeordneter Axialstrahlquellen mit Scanner beschrieben. Gemeinsam ist beiden Lösungen die Notwendigkeit, zwei Elektronenstrahlquellen mitsamt all ihrer Versorgungs- und Steuerungskomponenten einzusetzen, was einen immer noch hohen apparativen Aufwand bedeutet.
In DE 199 42 142 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der Schüttgut im mehrfachen freien Fall an lediglich einem Flächenstrahlerzeuger vorbeigeführt und mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Aufgrund des Mehrfachdurchlaufs, verbunden mit einer zwischenzeitlichen Durchmischung des Schüttguts, ist die Wahrscheinlichkeit bei dieser Ausführungsform sehr hoch, dass die Partikel des Schüttgutes allseitig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses.
Eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen ist in DE 10 2013 1 1 1 650 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 von außen mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden (DE 10 2017 104 509 A1). Auch die Behandlung von gasförmigen Medien (DE 10 2019 134 558 B3) und Schüttgütern (DE 10 2013 1 13 688 B3) mit lediglich einer solchen Ringquelle wurde bereits beschrieben. Nachteilig hierbei ist, dass derartige Vorrichtungen wegen der außenliegenden Kathoden, Isolatoren und Vakuumbehälter in ihrer Bauweise großvolumig sind und eine Elektronenbehandlung von Substraten lediglich im relativ geringen Volumen des Ringinneren vollzogen werden kann.
In DE 10 2018 1 1 1 782 A1 sind Vorrichtungen beschrieben, mit denen ebenfalls ein Ring beschleunigter Elektronen generiert werden kann, wobei hier aber nun die Bewegung der Elektronen radial nach außen ausgerichtet ist. Mit dieser gegenüber DE 10 2013 1 1 1 650 B3 hinsichtlich der Elektronenausbreitungsrichtung invertierten Anordnung wird ein günstigeres Verhältnis von Baugröße der Elektronenquelle und Volumen der Behandlungszone erreicht.
Dies umso mehr, da die in DE 10 2018 1 1 1 782 A1 beschriebenen Kaltkathoden Elektronen nur infolge Stimulierung durch energiereiche Ionen emittieren, welche durch eine integrierte Plasmaquelle bereitgestellt werden müssen, was immer einen erhöhten Aufwand und vergrößerten Bauraum erfordert, insbesondere bei den zur Aufrechterhaltung des Isolationsvermögens des Vakuums gegenüber Gasdurchbrüchen bei der technologisch geforderten Beschleunigungsspannung notwendigen, für eine Plasmaquelle sehr niedrigen Drücken.
Außerdem ist auch diese Ringquelle von der Schwäche aller mit nur einer Elektronenquelle ausgestatteten Behandlungsanordnungen betroffen, nämlich der tendenziell ungleichmäßig deponierten Energiedosis in den verschiedenen (dem Elektronenaustrittsfenster zugewandten oder abgewandten) Oberflächenbereichen des Behandlungsguts. Besserung geschaffen werden soll dann durch die oben bereits beschriebenen (zeitaufwändigen) Mehrfachdurchläufe oder Elektronenreflektoren auf der vom Elektronenaustrittsfenster abgewandten Rückseite des Behandlungsguts (deren Dosisbeitrag allerdings um ein Mehrfaches niedriger als der von den primären Strahlelektronen auf der Vorderseite applizierte ist). Beide Methoden können das Problem mangelnder Dosishomogenität nur mildern, aber nicht befriedigend lösen.
Eine effektive Methode zur Vergleichmäßigung der Oberflächendosis ist die ebenfalls zum Stand der Technik gehörende Aufprägung einer Rotationsbewegung der Schüttgutpartikel, wie zum Beispiel in DE 10 2012 209 434 A1 beschrieben. Diese kann ihre Wirksamkeit jedoch nur entfalten, wenn die Zeitdauer der Beaufschlagung mit Elektronen hinreichend hoch (auf die Rotationsperiode der Schüttgutpartikel abgeglichen) ist. Das wiederum heißt bei der üblichen, da nur so wirtschaftlichen Behandlung von Schüttgut im freien Fall, dass die vertikale Ausdehnung des Elektronenaustrittsfensters hinreichend groß sein muss und dabei dessen Öffnungsfläche in diese (Fall-)Richtung nicht unterbrochen sein darf.
Eine zusätzliche Forderung nach vertikaler Streckung der Öffnungsfläche eines Elektronenaustrittsfensters stellen Behandlungstechnologien mit hohem Dosisbedarf, wie etwa Sterilisationsaufgaben, der Schadstoffabbau und die Vernetzung von Polymeren. Diese resultiert daraus, dass die im Inneren der Strahlquelle beschleunigten Elektronen bei der Passage des Elektronenaustrittsfensters einen Teil ihrer Energie an die Metallfolie und das Stützgitter übertragen, was zu deren Erwärmung führt. Elektronenaustrittsfenster werden daher gemeinhin gekühlt, aber um ihre thermische Schädigung zu vermeiden, muss die Stromdichte der Elektronen dennoch begrenzt werden. Das korrespondiert bei technologieseitig festgelegter Beschleunigungsspannung zu einer ebenfalls begrenzten Flächendosisleistung der Elektronenstrahlquelle. Eine Erhöhung der auf das Behandlungsgut übertragenen Dosis ist somit nur durch eine größere Einwirkungsdauer der Elektronen, also eine Verlängerung der Öffnungsfläche des Elektronenaustrittsfensters in Fallrichtung der Schüttgutpartikel, möglich.
Beides ist mit der in DE 10 2018 1 1 1 782 A1 beschriebenen Vorrichtung nicht erfüllbar, denn es steht in Konflikt mit der in den Querschnittszeichnungen implizit unterstellten horizontalen Anordnung von Kühlkanälen oberhalb und unterhalb der Öffnungsfläche des Elektronenaustrittsfensters. Es ist bekannt, dass der Abstand dieser Kaltflächen, zu denen der absorbierte Anteil der Elektronenenergie per Wärmeleitung durch das Stützgitter abgeführt werden muss, nicht zu groß (in praktisch realisierten Anordnungen beschränkt auf nur etwa 7 bis 10 cm) gewählt werden darf, da die Temperaturüberhöhung von Metallfolie und Stützgitter linear zur Wärmestromdichte und quadratisch mit dem Abstand zur Wärmesenke (d.h. dem aktiv gekühlten Rand des Öffnungsbereiches) wächst. Die dadurch limitierte vertikale Ausdehnung der unterbrechungsfreien Öffnungsfläche begrenzt nicht nur die erreichbare Gleichmäßigkeit, sondern auch die in einem Einfachdurchlauf auf dem Behandlungsgut erzielbare Dosis.
Insbesondere bei einer Schüttgutbehandlung kommt dem Schutz der Metallfolien vor den
Schüttgutpartikeln selbst, aber auch vor oft anzutreffenden Fremdkörpern, Abrieb und Staub eine hohe Bedeutung zu. Größere Partikel können die Folie unmittelbar mechanisch schädigen, die Anlagerung von Staub würde die Transmission der Elektronen beeinträchtigen (und somit die auf das Produkt übertragene Dosis senken) sowie den lokal absorbierten Anteil der Elektronenenergie erhöhen (also einer punktuellen thermischen Schädigung der Metallfolie und dadurch Vakuumlecks Vorschub leisten). Somit ist klar, dass prozessseitige Komponenten für den Schutz des Elektronenaustrittsfensters unabdingbar sind, aber hierzu offenbart DE 10 2018 1 1 1 782 A1 keine technische Lehre.
US 2008/0267354 A1 beschreibt ebenfalls ringförmige Vorrichtungen, mit denen eine hohe Dosis an Röntgenstrahlen und nebenher auch Elektronenstrahlen erzeugt werden können. Aufgrund des Erzeugens einer hohen Dosis an Röntgenstrahlen sind derartige Vorrichtungen nicht geeignet zur Elektronenbehandlung sensibler Produkte, wie etwa Saatgut, oder von Produkten, welche in die Nahrungskette von Menschen oder Nutztieren eingehen.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels derer die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll eine Vorrichtung mit kompakter Bauform geschaffen werden, mit welcher beispielsweise Schüttgut, aber auch H oh Ikörper von innen in nur einem Durchlauf allseits gleichmäßig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt und dabei hohe Dosiswerte im Produkt sowie eine lange kontinuierliche Betriebsdauer erzielt werden können.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen umfasst ein zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster als Bestandteil eines zylinderförmigen Gehäuses, welches einen evakuierbaren Raum umschließt; mindestens eine drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode, welche innerhalb des evakuierbaren Raums angeordnet und vom zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster umschlossen ist, wobei von der drahtförmigen, strangförmigen, stabförmigen, ringförmigen oder zylinderförmigen Kathode Elektronen emittierbar und sich radial von der Zylinderachse des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters entfernend in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters beschleunigbar sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, zylinderförmige oder ringförmige Kathode als thermischer Emitter bzw. als Glühkathode ausgebildet. Derartige Elektronenquellen weisen einen gegenüber plasmastimulierten Kaltkathoden signifikant kleineren Platzbedarf auf. Ihre Heizung auf Emissionstemperatur kann direkt durch Stromdurchgang durch die Kathode selbst oder indirekt (vermittels Wärmestrahlung oder Elektronenstoß) durch einen im Inneren der Kathode platzierten und dort von ihrem elektrischen Potential separierten Heizleiter erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst des Weiteren ein zylinderförmiges Schutzgitter, welches das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster umschließt und einen ersten ringförmigen Freiraum zwischen dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster und dem zylinderförmigen Schutzgitter begrenzt; einen Elektronen reflektor, welcher wiederum das zylinderförmige Schutzgitter umschließt und somit einen zweiten ringförmigen Freiraum zwischen dem zylinderförmigen Schutzgitter und dem Elektronenreflektor begrenzt; sowie eine Anzahl von Gasrohren, welche sich innerhalb des ersten ringförmigen Freiraums parallel zur Zylinderachse des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters erstrecken. Dabei sind alle Gasrohre mit einem identischen ersten Maß von der Zylinderachse des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters und mit einem identischen zweiten Maß von einem benachbarten Gasrohr beabstandet. Die Gasrohre können beispielsweise mit einem runden oder bevorzugt mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet sein. Des Weiteren weist jedes Gasrohr an zwei gegenüberliegenden Wandungsbereichen jeweils mindestens eine Öffnung auf, durch welche ein erstes Gas in den ersten ringförmigen Freiraum einbringbar ist. Bei einer Ausführungsform sind an den zwei gegenüberliegenden Wandungsbereichen eine Anzahl von Bohrungen ausgebildet, welche entlang der Längsausdehnung der Gasrohre angeordnet sind. Dabei erstrecken sich die Bohrungen in den Gasrohrwandungen zumindest über einen Gasrohrlängenbereich, welcher dem Elektronenaustrittsfenster gegenüberliegt. Bei einer anderen Ausführungsform ist an den gegenüberliegenden Wandungsbereichen jeweils ein Schlitz in der Wandung der Gasrohre ausgebildet, welcher sich entlang der Längsausdehnung der Gasrohre zumindest über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters erstreckt.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch den zweiten ringförmigen Freiraum zwischen dem Elektronenreflektor und dem zylinderförmigen Schutzgitter das Schüttgut hindurchgeführt, welches mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden soll. Das Beaufschlagen des Schüttguts mit beschleunigten Elektronen erfolgt dann auch innerhalb dieses zweiten ringförmigen Freiraums, weshalb der zweite ringförmige Freiraum nachfolgend auch als Behandlungszone bezeichnet wird. Von der zentral angeordneten stabförmigen, ringförmigen oder zylinderförmigen Kathode werden zunächst Elektronen emittiert. Dabei kann die Kathode beispielsweise als Glühkathode oder auch als entladungsstimulierte Kaltkathode ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode von einem elektrischen Strom durchflossen, wird dadurch erhitzt und ist somit als thermischer Emitter bzw. als Glühkathode ausgebildet. H ierfür ist die stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode elektrisch leitend mit dem Minuspol einer ersten Stromversorgungseinrichtung verbunden. Der Pluspol der ersten Stromversorgung ist elektrisch leitend mit dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster verbunden, so dass das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster ein elektrisches Anodenpotential aufweist. Bei einer Ausführungsform weist das Elektronenaustrittsfenster das elektrische Massepotential auf. Aufgrund des am zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster anliegenden Anodenpotentials, werden die von der stabförmigen, ringförmigen oder zylinderförmigen Kathode emittierten Elektronen in Richtung zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster radial nach außen beschleunigt. Nach dem Austritt aus dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster durchqueren die beschleunigten Elektronen den ersten ringförmigen Freiraum, treten durch das zylinderförmige Schutzgitter hindurch und treffen im zweiten ringförmigen Freiraum auf das Schüttgut, welches mit den beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden soll.
Zumindest die Innenseite des Elektronenreflektors, welcher den zweiten ringförmigen Freiraum nach außen hin begrenzt, besteht zumindest in dem Bereich, welcher dem Elektronenaustrittsfenster gegenüberliegt, aus einem Elektronen reflektierenden Material. Auf diese Weise können diejenigen Elektronen, welche bis zur Innenseite des Elektronenreflektors gelangen, vom Elektronenreflektor reflektiert werden und zum Beaufschlagen des Schüttguts mit beschleunigten Elektronen beitragen. Dabei kann der zuvor benannte Bereich des Elektronen reflektors vollständig aus einem die Elektronen reflektierenden Material bestehen oder der Elektronenreflektor kann in dem zuvor benannten Bereich auch nur auf der Innenseite mit einem die Elektronen reflektierenden Material beschichtet sein. Als Material zum Reflektieren von Elektronen ist zum Beispiel ein temperaturbeständiges Metall mit hoher Ordnungszahl, wie beispielsweise Wolfram oder eine Wolframlegierung, geeignet. Vorteilhaft ist es, wenn zumindest der Elektronen reflektierende Bereich des Elektronenreflektors gekühlt wird, damit er die Luft in der Behandlungszone nicht aufheizt. Eine solche Kühlung kann zum Beispiel als Wasserkühlung ausgebildet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zylinderachse des ringförmigen Elektronenaustrittsfensters senkrecht ausgerichtet, so dass zum Beispiel Schüttgut, welches mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden soll, innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums zwischen dem zylinderförmigen Schutzgitter und dem Elektronenreflektor im freien Fall hindurchfallen kann. Dabei hält das zylinderförmige Schutzgitter das herabfallende Schüttgut vom Elektronenaustrittsfenster fern und schützt dieses somit vor einer mechanischen Beschädigung durch das Schüttgut. Da es insbesondere bei einer mobilen Anlange nicht immer möglich ist, eine Anlage derart auszurichten, dass die Zylinderachse vollständig senkrecht verläuft, kann die Ausrichtung der Zylinderachse des ringförmigen Elektronenaustrittsfensters auch bei der Behandlung von Schüttgut mit einem Winkel von etwa 10 ° oder weniger von der Senkrechten abweichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines horizontalen Schnittes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes einer zweiten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend ein Gefäß zur Aufnahme von Schüttgutpartikeln;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Gefäß zur Aufnahme von Schüttgutpartikeln aus Fig. 4,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes einer dritten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Fig. 1 und 2 ist ein und dieselbe erfindungsgemäße Vorrichtung 100 schematisch dargestellt, wobei Fig. 1 einen horizontalen Schnitt und Fig. 2 einen vertikalen Schnitt zeigt. Die Vorrichtung 1 10 umfasst ein zylinderförmiges Gehäuse 101 , welches einen evakuierbaren Raum umschließt. Mittels mindestens einer in den Figuren aus Übersichtsgründen nicht dargestellten aber aus dem Stand der Technik bekannten Vakuumpumpe kann ein Vakuum innerhalb des evakuierbaren Raumes aufrechterhalten werden. Ein Wandungsbereich des Gehäuses 101 ist als zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster 102 ausgebildet. Das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster
102 weist einen kreisrunden Querschnitt sowie eine senkrecht ausgerichtete Zylinderachse
103 auf und umschließt eine zentral angeordnete Kathode 104a. Die Kathode 104a ist stabförmig ausgebildet, erstreckt sich entlang der Zylinderachse 103 und besteht aus einem Draht, welcher von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Das Material der Kathode 104a kann zum Beispiel mindestens eines der chemischen Elemente Wolfram bzw. Tantal aufweisen. Aufgrund des Stromdurchflusses wird die Kathode 104a erhitzt, was wiederum zu einer thermischen Emission von Elektronen führt. Die Kathode 104a ist somit als Glühkathode ausgebildet. Die von der Kathode 104a emittierten Elektronen werden in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 radial nach außen beschleunigt, weil das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 ein elektrisches Anodenpotential aufweist. Hierfür ist das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 elektrisch leitend mit dem Pluspol einer ersten Stromversorgungseinrichtung verbunden und die Kathode 104 mit dem Minuspol der ersten Stromversorgungseinrichtung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die erste Stromversorgungseinrichtung in den Figuren nicht dargestellt. Die Vorrichtung 100 ist somit als zylinderförmiger Elektronenstrahlerzeuger ausgebildet, welcher einen Ring beschleunigter Elektronen generiert, deren Bewegungen radial nach außen ausgerichtet sind.
Das Ausbilden der Kathode einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als dünner Draht, wie bei Kathode 104a, bringt jedoch auch zusätzliche Anforderungen mit sich. Die hohe, für eine thermische Emission von Elektronen erforderliche, Betriebstemperatur des Drahtes führt zu einer Umkristallisierung des Drahtmaterials, sowie zu Längenänderungen des Drahtes. Besteht dieser aus Metall, resultiert aus einer Temperaturerhöhung gemeinhin eine Verlängerung des Drahtes. Die Verlängerung eines vertikal fest eingespannten Drahtes führt jedoch zu dessen Stauchung und Verbiegung, sodass dieser nicht mehr exakt entlang der Zylinderachse 103 verläuft, was die Flomogenität der umfänglichen Elektronenemission und letztlich die Dosisverteilung auf dem Behandlungsgut negativ beeinflussen kann. Die mit der Umkristallisierung ebenfalls verbundene Versprödung eines Metalldrahtes kann sogar zum Bruch infolge dieser Stauchung führen, insbesondere bei thermischer Wechselbeanspruchung. Alternativ zu einem Metalldraht kann man deshalb auch Kohlenstoff-Fasern als Glühkathode benutzen, so dass die Glühkathode strangförmig ausgebildet ist. Derartige Kohlenstoff-Fasern ziehen sich jedoch bei Temperaturerhöhung zusammen. Bei fester Einspannung bilden sich dann hohe Zugspannungen aus, die zum Riss einer solchen Glühkathode führen würden.
Daher ist es zweckmäßig, eine drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Glühkathode zum Beispiel nur am oberen Ende fest einzuspannen, während sie unten zwar radial geführt, aber axial beweglich montiert wird. Das obere Ende entspricht bei senkrechtem Betrieb der Vorrichtung das von der Wirkungsrichtung des Erdschwerkraftvektors weiter entfernte Ende. Dabei ist es vorteilhaft, die Kontaktierung der Glühkathode am unteren Ende mit einem Klemmstück auszuführen, das vermittels seiner Gewichtskraft stets eine moderate, zur Straffung des Kathodendrahtes hinreichende, aber dessen Fließen oder dessen Riss vermeidende Zugspannung aufrechterhält. Alternativ kann die Glühkathode aber auch nur am unteren Ende fest eingespannt oder unterstützt sein und am oberen Ende mit einem axial beweglichen Klemmstück kontaktiert sein. Das untere Ende entspricht bei senkrechtem Betrieb der Vorrichtung das der Wirkungsrichtung des Erdschwerkraftvektors näher liegende Ende.
Wird eine Glühkathode durch Stromfluss direkt geheizt, stellt sich prinzipbedingt ein elektrischer Potentialgradient in Längsrichtung ein. Dieser führt zu einer Änderung der elektrischen Feldstärke und somit der Elektronenemission in Längsrichtung der Glühkathode. Um eine gleichmäßigere Verteilung der Elektronenemission entlang der Längsausdehnung der Glühkathode zu erhalten, muss der Potentialgradient minimiert werden. Um dies zu erreichen, kann eine Glühkathode auch indirekt (zum Beispiel mittels Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Elektronenstoß) geheizt werden.
Dazu wird bei einer zweckmäßigen Ausführungsform im Inneren einer zylinderförmigen Glühkathode, zentrisch entlang der Zylinderachse der zylinderförmigen Glühkathode und elektrisch isoliert von der Zylinderwandung, ein stab-, sträng- oder drahtförmiges Heizelement angeordnet und dieses mittels Stromdurchfluss geheizt. Das Heizelement muss bei hoher Temperatur betrieben werden, um die Glühkathode auf Emissionstemperatur aufheizen zu können, und besteht daher aus einem Material mit hoher Schmelztemperatur (größer 1500 K). Hierfür infrage kommen Refraktärmetalle (wie zum Beispiel Wolfram, Tantal oder Molybdän) oder auch Kohlenstofffasern. Bei einer ersten Variante dieser Ausführungsform wird zwischen dem zentralen Heizelement und der zylinderförmigen Glühkathode ein hochtemperaturbeständiges, elektrisch wenig leitfähiges Material (wie zum Beispiel Bornitrid oder Zirkonoxid) eingebracht und die Wärme des zentralen Heizelementes durch Wärmeleitung auf die zylinderförmige Glühkathode übertragen.
Bei einer zweiten Variante der oben genannten Ausführungsform werden Heizelement und Glühkathode berührungslos montiert und die Wärme des zentralen Heizelementes durch Wärmestrahlung auf die zylinderförmige Glühkathode übertragen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser Variante ergibt sich, wenn man das zentrale Heizelement und die zylinderförmige Glühkathode jeweils an einem Ende elektrisch leitfähig miteinander verbindet und den Strom durch das Heizelement über die Zylinderwand der zylinderförmigen Glühkathode zurückführt. Dadurch ergibt sich eine Kompensation des mit dem Heizstrom verbundenen, die Elektronenausbreitung unerwünscht beeinflussenden magnetischen Feldes (das heißt, seine Auslöschung in der äußeren Umgebung der Glühkathode). Die Zylinderwand der Glühkathode wird dabei hinreichend dick gestaltet, sodass sie einen kleinen elektrischen Widerstand aufweist und somit der sich in Längsrichtung einstellende Potentialgradient wie gewünscht niedrig bleibt. Dadurch wird ein homogeneres Absaugfeld um die Emissionsfläche der zylinderförmigen Glühkathode und damit eine gleichmäßigere Elektronenemissionsverteilung entlang der Längsachse der Glühkathode erreicht.
Bei einer dritten Variante der oben genannten Ausführungsform werden Heizelement und Glühkathode ebenfalls berührungslos montiert und elektrisch vollständig voneinander isoliert. Dann kann man die Glühkathode mit dem Pluspol und das Heizelement mit dem Minuspol einer zusätzlichen Stromversorgung verbinden. Erwärmt man das Heizelement auf Emissionstemperatur, werden die von ihm emittierten Elektronen zur Innenwand der Glühkathode gezogen und erwärmen diese durch Elektronenstoß.
Bei allen drei beschriebenen Varianten ist es zweckmäßig, die zylinderförmige Glühkathode aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt (größer 1 .500 K) und einer moderaten bis niedrigen Austrittsarbeit (kleiner 5 eV) auszubilden. Hierfür geeignet sind zum Beispiel Refraktärmetalle (Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob), des Weiteren Titan, Zirkon oder Edelstahl, die zum Zwecke einer Absenkung der Elektronenaustrittsarbeit allesamt auch mit Verbindungen (wie zum Beispiel Oxiden) beschichtet sein können, sowie Keramiken mit hoher Schmelztemperatur (wie beispielsweise Seltenerdboride, mit Lanthanhexaborid als deren bekanntestem Vertreter).
Auch die indirekte Erwärmung einer zylinderförmigen Glühkathode führt zu deren Längenänderung. Bei einer solchen Geometrie ist es zweckmäßig, die Glühkathode am unteren Ende einzuspannen oder zu unterstützen und den spannungsfreien Längenausgleich durch eine axial bewegliche, radial geführte obere Einspannung und Kontaktierung zu ermöglichen.
Ferner ist es für alle Ausführungsformen einer Glühkathode zweckmäßig, eine radiale Justierbarkeit der oberen und der unteren Spann- und Kontaktierungsstellen vorzusehen, um eine optimale Ausrichtung der Glühkathode entlang der senkrecht ausgerichteten Zylinderachse 103 und somit eine gleichmäßige Feldstärke sowie eine daraus resultierende gleichmäßige Elektronenemission entlang des gesamten Kathodenumfanges zu bewirken.
Bei der Vorrichtung 100 ist die Kathode 104a weiterhin noch von einem zylinderförmigen Steuergitter 104b umschlossen, welches einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102. Dabei ist die Gitterstruktur des zylinderförmigen Steuergitters 104b vollumfänglich ausgebildet. Das zylinderförmige Steuergitter 104b besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, ist elektronentransparent und weist ein elektrisches Spannungspotential auf, welches geringfügig positiver ausgebildet ist als das elektrische Spannungspotential der Kathode 104a. Bei einer Ausführungsform weist das zylinderförmige Steuergitter 104b eine Spannungsdifferenz gegenüber der Kathode 104a von etwa +20 V bis etwa +2.000 V auf. Das Spannungspotential für das zylinderförmige Steuergitter kann mittels einer separaten zweiten Stromversorgungseinrichtung oder alternativ mittels eines separat regelbaren zweiten Kanals der ersten Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt werden. Das zylinderförmige Steuergitter 104b als elektronentransparenter Gazezylinder verringert die elektrische Feldstärke im Inneren des Gazezylinders, ermöglicht den dortigen Einbau optionaler Flalterungen für den Kathodendraht entlang der Längsausdehnung und sichert eine gleichmäßige, in gewissen Grenzen auch gegen Lageabweichungen des Kathodendrahtes tolerante, allseitige Elektronenabsaugung unabhängig von der im Außenraum wirkenden Beschleunigungsspannung. Ferner bietet die Einsteilbarkeit der Spannungsdifferenz zwischen Steuergitter und Kathode neben der Variation des durch den Kathodendraht fließenden Heizstroms eine zweite, zudem sehr dynamische Möglichkeit zur Steuerung des emittierten Elektronenstroms. Ein ähnliches zylinderförmiges Steuergitter im Zusammenspiel mit einem Kathodendraht ist auch schon von Bandstrahlern aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Sockelelementen für das Einspannen des Kathodendrahtes und des zylinderförmigen Steuergitters 104b bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann deshalb auch auf konstruktive Lösungen zurückgegriffen werden, die von Bandstrahlern aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus DE 196 38 925 C2 bekannt sind.
Das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 kann optional ein aus dem Stand der Technik bekanntes Stützgitter aufweisen, welches dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 eine erforderliche mechanische Stabilität verleiht. Ebenso kann dieses Stützgitter, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine Wasserkühlung umfassen. In den Figuren der Erfindungsbeschreibung wurde ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung eines solchen Stützgitters verzichtet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfasst des Weiteren ein zylinderförmiges Schutzgitter 105, welches das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 umschließt und einen Elektronenreflektor 106, welcher wiederum das zylinderförmige Schutzgitter 105 umschließt. Dabei ist der Elektronenreflektor 106 als Hohlzylinder ausgebildet. Die Zylinderachsen des zylinderförmigen Schutzgitters 105 und des Elektronen reflektors 106 sind identisch mit der Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102, so dass das zylinderförmige Schutzgitter 105 einen ersten ringförmigen Freiraum 107 zwischen dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 und dem zylinderförmigen Schutzgitter 105 begrenzt und der Elektronenreflektor 106 einen zweiten ringförmigen Freiraum 108 zwischen dem zylinderförmigen Schutzgitter 105 und dem Elektronenreflektor 106 begrenzt. Die Höhenausdehnungen des zylinderförmigen Schutzgitters 106 und des Elektronenreflektors 106 erstrecken sich zumindest über einen Bereich, welcher der Höhenausdehnung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 gegenüberliegt. Sowohl innerhalb des ersten ringförmigen Freiraumes 107 als auch innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraumes 108 können zum Beispiel Atmosphärenbedingungen ausgebildet sein.
Das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 weist, wie zuvor schon dargelegt, ein elektrisches Anodenpotential auf, so dass die von der stromdurchflossenen Kathode 104a emittierten Elektronen zunächst in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 beschleunigt werden. Nach dem Austritt aus dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 durchqueren die beschleunigten Elektronen den ersten ringförmigen Freiraum 107, treten durch das zylinderförmige Schutzgitter 105 hindurch und treffen im zweiten ringförmigen Freiraum auf das Schüttgut, welches mit den beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden soll. Dabei bewegen sich die Schüttgutpartikel im freien Fall durch den auch als Behandlungszone bezeichneten zweiten ringförmigen Freiraum 108. Zumindest in dem Bereich des Elektronenreflektors 106, welcher dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 gegenüberliegt, besteht der Elektronenreflektor 106 zumindest auf der Innenseite aus einem die Elektronen reflektierendem Material, so dass die beschleunigten Elektronen, welche den Elektronenreflektor 106 erreichen, reflektiert und wieder den mit Elektronen zu beaufschlagenden Schüttgutpartikeln zugeführt werden können.
Aufgrund des Energieeintrages in den Elektronenreflektor 106 infolge des Auftreffens von beschleunigten Elektronen auf den Elektronenreflektor 106, umfasst der Elektronenreflektor 106 in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte wasserdurchströmte Kanäle, mittels denen die in den Elektronenreflektor eingetragene Wärmeenergie abgeleitet wird. Damit wird auch gleichzeitig die Luft in der Behandlungszone ein wenig gekühlt. Solche Kühlkanäle können zum Beispiel an der Außenseite des Elektronen reflektors 106 befestigt sein.
Das den ersten ringförmigen Raum 107 nach außen hin begrenzende zylinderförmige Schutzgitter 105 hält das durch die Behandlungszone geführte Schüttgut von dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 fern und verringert somit das Risiko einer mechanischen Beschädigung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 durch das mit Elektronen zu behandelnde Schüttgut. Der erste ringförmige Freiraum 107 wird deshalb nachfolgend auch als Schutzzone bezeichnet. Das zylinderförmige Schutzgitter 105 erstreckt sich entlang der Zylinderachse 103 zumindest über einen Bereich, welcher dem zylinderförmigen Elektronenfenster gegenüberliegt und besteht bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen und hitzebeständigen Material, wie zum Beispiel Molybdän oder Edelstahl. Bei einer Ausführungsform ist das zylinderförmige Schutzgitter 105 derart ausgebildet, dass dieses eine Transparenz bezüglich der beschleunigten Elektronen von mindestens 75 % aufweist. Damit ist sichergestellt, dass eine hinreichende Anzahl von Elektronen das mit Elektronen zu beaufschlagende Schüttgut in der Behandlungszone erreicht. Mit dem zylinderförmigen Schutzgitter 105 ist zwar sichergestellt, dass größere Partikel des mit Elektronen zu beaufschlagenden Schüttguts vom Elektronenaustrittsfenster 102 ferngehalten werden, jedoch umfassen Schüttgüter meist auch Staubpartikel, die durch das Schutzgitter 105 hindurchgelangen und sich auf dem Elektronenaustrittsfenster 102 ablagern können, wodurch es in den kontaminierten Bereichen wesentlich mehr Elektronenenergie absorbiert, thermisch überlastet und zerstört werden kann.
Dieses Beschädigungsrisiko würde sich immer stärker bemerkbar machen, je länger man die zylindrische Elektronenquelle und alle oben geschilderten Komponenten gestaltet, was jedoch der Schlüssel zu einer Erzielung höherer Dosisleistungen ist.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung 100 deshalb auch noch eine Anzahl Gasrohre 109, welche sich innerhalb des ersten ringförmigen Freiraums 107 parallel zur Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 erstrecken. Die Gasrohre 109 mit ihrer zuvor beschriebenen Ausrichtung stellen als Baugruppe diejenige Komponente dar, welche eine für höhere Dosisleistungen gewünschte freie Skalierbarkeit der axialen Länge (vertikalen Ausdehnung) der zylindrischen Elektronenquelle und ihrer funktionsbestimmenden Komponenten ermöglicht. Dabei sind bei einer bevorzugten Ausführungsform alle Gasrohre 109 mit einem identischen ersten Maß von der Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 und mit einem identischen zweiten Maß von einem jeweils benachbarten Gasrohr 109 beabstandet. Bei der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Ausführungsform sind die Gasrohre 109 mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Alternativ sind jedoch auch andere geometrische Formen für den Querschnitt der Gasrohre 109, wie zum Beispiel ein kreisförmiger Querschnitt, realisierbar. Jedes Gasrohr 109 weist an zwei gegenüberliegenden Wandungsbereichen Bohrungen 1 10 entlang der Längsausdehnung der Gasrohre 109 auf, durch welche ein erstes Gas in den ersten ringförmigen Freiraum 107 einbringbar ist. Dabei erstrecken sich die Bohrungen, die in den Gasrohren 109 mit einem bevorzugten Durchmesser etwa 1 mm oder kleiner ausgebildet sind, zumindest über einen Gasrohrlängenbereich, welcher dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 gegenüberliegt und welcher somit der Flöhe des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 entspricht. Dabei sind die Bohrungen 1 10 bevorzugt derart in die Gasrohre 109 eingebracht und die Gasrohre 109 derart ausgerichtet, dass die Austrittsrichtung des ersten Gases durch eine Bohrung 1 10 innerhalb einer horizontalen Ebene der Vorrichtung 100 verläuft und dabei senkrecht zu einer Geraden 1 1 1 ausgerichtet ist, die beginnend von der Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 hin zum Mittelpunkt einer horizontalen Schnittfläche eines zugehörigen Rohres 109 gezogen wird. Die Austrittsrichtung des ersten Gases durch die Bohrungen 1 10 ist in Fig. 1 mit Pfeilen veranschaulicht. Als erstes Gas können zum Beispiel Luft oder ein Inertgas verwendet werden. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Gasrohre 109 mittels eines Leitungssystems mit einem Reservoir verbunden sind, innerhalb dem sich das erste Gas befindet. Dabei kann das Reservoir auch die Umgebungsluft einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen.
Anstatt der einzelnen Bohrungen 1 10 kann alternativ auch an den gegenüberliegenden Wandungsbereichen der Gasrohre 109 jeweils ein vertikaler Schlitz in die Wandungen der Gasrohre 109 eingebracht sein, welcher sich über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters 102 erstreckt. Dabei weist der vertikale Schlitz eine Breite etwa 1 mm oder kleiner auf.
Das durch die Bohrungen 1 10 in die Schutzzone eingebrachte erste Gas entweicht durch das zylinderförmige Schutzgitter 105 hindurch nach außen und wird in der Behandlungszone mit dem Strom des mit beschleunigte Elektronen zu beaufschlagenden Schüttgutes abgeleitet. Dabei erfüllt das durch die Bohrungen 1 10 strömende erste Gas gleich zwei Aufgaben. Zum einen verhindert das durch das zylinderförmige Schutzgitter 105 nach außen dringende erste Gas, dass Staubpartikel durch das zylinderförmige Schutzgitter 105 nach innen in Richtung Elektronenaustrittsfenster 102 gelangen können, wodurch das Elektronenaustrittsfenster 102 vor einer parasitären Beschichtung mit Staubpartikeln geschützt wird. Das erste Gas wird deshalb nachfolgend auch als Schutzgas bezeichnet. Zum anderen wird durch das Strömen des Schutzgases innerhalb des ersten ringförmigen Freiraumes 107 gleichzeitig das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 gekühlt. Infolgedessen kann dann auch eine Wasserkühlung eines Stützgitters für das Elektronenaustrittsfenster 102 kleiner dimensioniert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Gasrohre 109 einen mechanischen Kontakt mit dem zylinderförmigen Schutzgitter 105 aufweisen bzw. wenn die Gasrohre 109 mechanisch mit dem zylinderförmigen Schutzgitter 105 verbunden sind. Dadurch wird das zylinderförmige Schutzgitter 105 mechanisch stabilisiert und in Position gehalten. Die Gasrohre 109 und das zylinderförmige Schutzgitter sind dann zum Beispiel als kompakte Baugruppe ausgebildet, welche bei Wartungsarbeiten in einem Stück entfernt werden kann. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Durchmesser des zylinderförmigen Schutzgitters 105 derart gewählt, dass dessen zylinderförmige Wandung mittig zwischen dem Elektronenreflektor 106 und dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Ringbreite des ersten ringförmigen Freiraumes 107 derart gewählt, dass die Gasrohre 109 den Abstand zwischen dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 und dem zylinderförmigen Schutzgitter 105 zumindest zu 90 % ausfüllen.
Nachteilig an der Verwendung der Gasrohre 109 bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jedoch, dass die Gasrohre 109 nicht hinreichend transparent für beschleunigte Elektronen sind. Deshalb bewirkt jedes der Gasrohre 109, dass in einem Winkelbereich mit einem Winkel w keine hinreichende Anzahl beschleunigter Elektronen, ausgehend von der Kathode 104a, auf direktem Weg in den zweiten ringförmigen Freiraum gelangen kann oder mit anderen Worten ausgedrückt, jedes der Gasrohre 109 bewirkt bezüglich der beschleunigten Elektronen eine Abschattung der Behandlungszone in dem Winkelbereich mit dem Winkel w. Diese Winkelbereiche mit dem Winkel w werden deshalb nachfolgend auch als Abschattungswinkelbereiche bezeichnet. Innerhalb der Abschattungswinkelbereiche ist es nicht möglich, Schüttgutpartikel mit einer erforderlichen Dosis beschleunigter Elektronen zu beaufschlagen. Deshalb sollte es verhindert werden, dass ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes Schüttgut in die Abschattungswinkelbereiche der Behandlungszone gelangt. An der Oberseite des zweiten ringförmigen Freiraums 108, an welcher das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende Schüttgut in die Behandlungszone eingeführt wird, kann deshalb zum Beispiel mittels mechanischer Blenden verhindert werden, dass die mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagenden Schüttgutpartikel in die Abschattungswinkelbereiche gelangen. Damit ein wirtschaftlicher Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen kann, sollten die Anzahl der Gasrohre 109 und deren Querschnittsabmaße derart gewählt werden, dass die Summe aller Abschattungswinkelbereiche des zweiten ringförmigen Freiraums 108 nicht mehr als 20 % der Querschnittsfläche des zweiten ringförmigen Freiraums 108 abdeckt.
Da diese Abschattungswinkelbereiche bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung leider nicht verhinderbar, sondern zwangsweise gegeben sind, ist es vorteilhaft, wenn andere Bauelemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche ebenfalls eine Abschattung der Behandlungszone bewirken oder welche nicht den beschleunigten Elektronen ausgesetzt werden dürfen, gleich innerhalb der Abschattungswinkelbereiche angeordnet werden. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn vertikal verlaufende elektrische Leitungen, zum Beispiel für Sensorelemente oder Messeinrichtungen, vertikal verlaufende Kühlwasserleitungen für das Stützgitter des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 oder Befestigungselemente für Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb der Abschattungswinkelbereiche angeordnet werden.
Ausgehend von den Abschattungswinkelbereichen können zum Beispiel auch stabförmige oder streifenförmige Sensorelemente antennenartig in die Winkelbereiche hineinragen, die von beschleunigten Elektronen durchquert werden und zum Ermitteln der umfänglichen und /oder vertikalen Verteilung der Elektronenstromdichte verwendet werden. Hierbei werden die von den Sensorelementen erfassten Istwerte einer Auswerteeinrichtung zugeführt und innerhalb der Auswerteeinrichtung mit einem Sollwert verglichen. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis können dann elektrische Parameter der Vorrichtung geregelt werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch an der Innenwandung des Elektronen reflektors 106 Sensoren, zum Beispiel in Form von elektrisch gegenüber Masse isolierten Blechen angebracht werden, welche Parameterwerte der dort auftreffenden Elektronen erfassen und diese Werte an die Auswerteeinrichtung weiterleiten, um Aussagen über die umfängliche und/oder vertikale Verteilung der Elektronenstromdichte zu treffen und davon abhängige Regelvorgänge einzuleiten.
Aus Gründen der energetischen Effizienz und Senkung der thermischen Belastung der Elektronenquelle ist es vorteilhaft, innerhalb der Abschattungswinkelbereiche keine Elektronen auf das Elektronenaustrittsfenster bzw. dessen vertikale Stütz- und Kühlstrukturen auftreffen zu lassen, da diese absorbiert und so zur parasitären Aufheizung des Elektronenstrahlerzeugers, nicht jedoch zu dessen technologischer Dosisleistung beitragen würden. Dazu kann das zylinderförmige Steuergitter 104b und/oder das Elektronenaustrittsfenster 102 derart gestaltet werden, dass diese nicht vollumfänglich für Elektronen transparent, sondern mit definierten Öffnungsbereichen versehen sind, die mit den Winkelbereichen des Elektronenaustrittsfensters 102 fluchten, die nicht durch Abschattungswinkelbereiche mit dem Winkel w abgedeckt sind. Elektronen, die von der Glühkathode emittiert wurden und das Steuergitter 104b im verschlossenen Abschattungswinkelbereich treffen, werden dort absorbiert und gelangen nicht zum Elektronenaustrittsfenster 102. Da sie nur eine kleine Potentialdifferenz durchlaufen und somit wenig Energie aufgenommen haben, stellt diese strahlformende Absorption am Steuergitter keinen gravierenden Verlustfaktor dar.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Elektronenreflektor 106 elektrisch isoliert gegenüber dem elektrischen Massepotential ausgebildet. Mittels einer dritten Stromversorgungseinrichtung ist ein elektrisches Spannungspotential am Elektronenreflektor 106 generierbar, welches zum Zünden und Aufrechterhalten eines Atmosphärendruck- Plasmas innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraumes 108 geeignet ist. Besonders vorteilhaft ist eine Wahl der Spannungsdifferenz derart, dass sich im zweiten ringförmigen Freiraum 108 eine nichtselbständige, von den Strahlelektronen gestützte Glimmentladung ausbildet. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass sie als großflächige, gleichmäßige Volumenentladung stabilisiert, d.h., ihr Umschlagen in eine Filament- oder Bogenentladung verhindert werden kann. Dazu ist eine Spannung von 1 kV bis 5 kV pro 1 cm radialem Abstand zwischen dem Elektronenreflektor 106 und dem Schutzgitter 105 erforderlich. Eine besonders hohe Leistungsdichte dieses Atmosphärendruckplasmas wird erreicht, wenn die Energiezufuhr durch die dritte Stromversorgungseinrichtung gepulst erfolgt. Es ist bekannt, dass Plasmen zwar nicht tiefenwirksame, aber zumindest oberflächennahe chemische und auch desinfizierende Wirkungen auf Medien ausüben, welche dem Plasma ausgesetzt sind. Dabei wirkt ein Plasma inhärent allseitig auf einen Gegenstand, wie zum Beispiel einem Schüttgutpartikel, ein. Wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende Schüttgut beispielsweise als Saatgut ausgebildet ist, bei welchem mittels der beschleunigten Elektronen an den Saatgutkörnern anhaftende Mikroorganismen unschädlich gemacht werden sollen, ist das Ausbilden eines solchen Plasmas innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums besonders vorteilhaft. Das allseitig oberflächennahe Einwirken des Plasmas auf die Saatgutkörner hilft dann dabei, die an den Sattgutkörnern anhaftenden Mikroorganismen zu inaktivieren bzw. die Saatgutkörner zu desinfizieren.
Es wurde bereits dargelegt, dass eine erfindungsgemäße Einrichtung eine Kühlreinrichtung aufweisen kann, mittels welcher der Elektronenreflektor 106 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und damit auch gleichzeitig der zweite ringförmige Freiraum 108 gekühlt werden können. Insbesondere dann, wenn Schüttgüter innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums 108 mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden sollen, ist eine Kühleinrichtung für den Elektronenreflektor 106 allein nicht ausreichend, um ein Aufheizen des zweiten ringförmigen Freiraums 108 zu verhindern. Ist das Schüttgut zum Beispiel als Saatgut ausgebildet, kann ein Aufheizen des zweiten ringförmigen Freiraums 108 zu thermischen Schäden am Saatgut führen. In Fig. 3 ist eine alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 300 schematisch als vertikaler Schnitt dargestellt. Die Vorrichtung 300 umfasst zunächst einmal alle Bauteile und deren Funktionalitäten, wie diese zur Vorrichtung 100 aus den Fig. 1 und 2 beschrieben sind. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 300 mindestens eine Einrichtung 312 zum Ausbilden einer Strömung 313 eines zweiten Gases innerhalb des zweiten Freiraums 108. Die Einrichtung 312 kann zum Beispiel als Gebläse oder Ventilator ausgebildet sein. Die Strömung 313 des zweiten Gases ist dabei derart ausgerichtet, dass diese identisch ist mit der Bewegungsrichtung des Schüttgutes, welches durch den zweiten ringförmigen Freiraum 108 geführt und dort mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Dabei erfüllt die Strömung 313 des zweiten Gases im Wesentlichen zwei Aufgaben. Zum einen werden Verstopfungen innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums 108 vermieden, wenn das mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagende Medium als Schüttgut ausgebildet ist, weil der zweite ringförmige Freiraum 108 mittels der Strömung 313 des zweiten Gases quasi permanent freigespült wird. Das zweite Gas wird deshalb nachfolgend auch als Spülgas bezeichnet. Zum anderen verhindert ein ständiger Gasaustausch innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums 108, dass sich der zweite ringförmige Freiraum 108 aufheizt. Als zweites Gas können zum Beispiel Euft oder ein Inertgas verwendet werden.
Bei Vorrichtung 300 ist die Einrichtung 312 zum Erzeugen der Strömung 313 eines zweiten Gases am Eingangsbereich des zweiten ringförmigen Freiraums 108 angeordnet und als Gebläse oder Ventilator ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine solche Einrichtung am Ausgang des zweiten ringförmigen Freiraums 108 angeordnet und dort zum Beispiel als Säugpumpe ausgebildet sein, so dass mittels der Säugpumpe eine Saugströmung innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums 108 erzeugt und mittels dieser die Luft aus dem zweiten ringförmigen Freiraum 108 abgesaugt wird.
Dabei ist es wichtig, dass der Volumenstrom des ersten Gases in den ersten ringförmigen Freiraum 107 unabhängig von der Strömung 313 des zweiten Gases innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums 108 dosierbar ist. Auf diesem Wege lässt sich ein aerodynamischer Abgleich der beiden Gasströmungen erreichen und der Übertritt von Partikeln, z.B. Staub oder Kornabrieb, aus dem zweiten ringförmigen Freiraum 108 in den ersten ringförmigen Freiraum 107 unterdrücken.
In Fig. 4 ist eine zweite alternative Vorrichtung 400 schematisch in einem vertikalen Schnitt dargestellt, mittels welcher Schüttgutpartikel 414 mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden sollen. Zunächst kann die Vorrichtung 400 alle Bauelemente und deren Funktionalitäten umfassen, wie diese zu den Vorrichtungen 100 und 300 aus den Fig. 1 , 2 und 3 beschrieben sind. Dabei ist die Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters der Vorrichtung 400 senkrecht ausgerichtet. Oberhalb des zylinderförmigen Elektronenstrahlerzeugers mit dem zylinderförmigen Gehäuse 101 ist zusätzlich eine Einrichtung zum Vereinzeln der Schüttgutpartikel 414 angeordnet. Die Vorrichtung zum Vereinzeln der Schüttgutpartikel 414 umfasst ein Gefäß zur Aufnahme der Schüttgutpartikel 414. Das Gefäß wiederum umfasst eine zylinderförmige Seitenwandung 415 und eine kegelförmige Bodenwandung 416, wobei zwischen der zylinderförmigen Seitenwandung 415 und der kegelförmigen Bodenwandung 416 ein ringförmiger Spalt 417 ausgebildet ist. Alternativ kann die Bodenwandung des Gefäßes aber auch scheibenförmig ausgebildet sein. Eine kegelförmige Bodenwandung bringt den Vorteil mit sich, dass die Schüttgutpartikel aufgrund der Schräge der Bodenwandung in eine Rollbewegung versetzt werden, welche dann im freien Fall als Rotationsbewegung fortgeführt wird. Das Gefäß ist in Fig. 5 schematisch als Draufsicht dargestellt. Die Kegelspitze der kegelförmigen Bodenwandung ist nach oben gerichtet und genau auf der verlängerten Zylinderachse des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 103 positioniert. Durch die Kegelform der Bodenwandung 416 werden die Schüttgutpartikel 414 im unteren Bereich des Zylinders 415 auf einen ringförmigen äußeren Bereich gedrängt, in dem die Schüttgutpartikel 414 durch die Öffnung in Form des Ringspaltes 417 herausfallen. Der Ringspalt 417 ist rotationssymmetrisch um die verlängerte Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters herum angeordnet und weist eine Spaltbreite derart auf, dass bezüglich der Spaltbreite lediglich ein Schüttgutpartikel 414 nach dem anderen durch den Ringspalt 417 hindurchfallen kann. Auf die Länge des Ringspaltes 417 bezogen, können selbstverständlich mehrere Schüttgutpartikel 414 gleichzeitig durch den Ringspalt 417 hindurchfallen.
Bei einer Ausführungsform bilden die zylinderförmige Wandung 415 des Gefäßes und der Elektronenreflektor 106 des Elektronenstrahlerzeugers eine durchgängige Einheit derart. dass beide Komponenten zu einem einzigen durchgehenden Hohlzylinder zusammengefast sind.
In den Winkelbereichen des Ringspaltes 417, welche identisch sind mit den Abschattungswinkelbereichen des zweiten ringförmigen Freiraums mit dem Winkel w ist der Ringspalt 417 mit Blenden 518 versehen, welche verhindern, dass in diesen Winkelbereichen Schüttgutpartikel 414 durch den Ringspalt 417 hindurchfallen können. Optional können die Blenden 518 vertikal nach untern verlaufende Seitenwandungen aufweisen, die sich nach unten durch den zweiten ringförmigen Freiraum hindurch erstrecken, womit dann vollständig sichergestellt ist, dass keine Schüttgutpartikel 414 in die Abschattungswinkelbereiche gelangen können.
Auf diese Weise wird ein dünner, ringförmiger Vorhang fallender Schüttgutpartikel erzeugt, der lediglich in den Abschattungswinkelbereichen unterbrochen ist und welcher dann innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann.
Schon aufgrund der Fallbeschleunigung der fallenden Schüttgutpartikel nimmt deren Geschwindigkeit beim Durchqueren des zweiten ringförmigen Freiraums ständig zu, wodurch die auf die Schüttgutpartikel einwirkende Elektronendosis während des freien Falls durch den zweiten ringförmigen Freiraum ständig abnimmt. Eine zusätzliche Strömung eines zweiten Gases innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums, wie zu Vorrichtung 300 aus Fig. 3 beschrieben, kann die Geschwindigkeit der fallenden Schüttgutpartikel noch zusätzlich erhöhen und somit die einwirkende Elektronendosis während des Falls der Schüttgutpartikel weiter verringern. Zusätzlich gelangt auch noch das Schutzgas durch das zylinderförmige Schutzgitter in den zweiten ringförmigen Freiraum, welches mit dem Schüttgutstrom nach unten abgeführt werden muss, wodurch nach unten hin der abzuführende Volumenstrom beider Gase und somit bei konstanter Querschnittsfläche des zweiten ringförmigen Freiraums auch die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes und dadurch die unerwünschte Beschleunigung des Schüttgutstromes innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums zunehmen.
In Fig. 6 ist deshalb eine dritte alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 600 schematisch in einem vertikalen Schnitt dargestellt. Von den vorhergehend beschriebenen Vorrichtungen unterscheidet sich Vorrichtung 600 lediglich dadurch, dass der Elektronenreflektor 606 nicht als Hohlzylinder ausgebildet ist, sondern dass dieser die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist, wodurch der zweite ringförmige Freiraum 608 eine Ringform aufweist, bei welcher der Außendurchmesser und somit die Querschnittsfläche nach unten hin kontinuierlich größer werden. Diese Gestaltungsform des zweiten ringförmigen Freiraums 608 wirkt einer nach unten hin zunehmenden Strömungsgeschwindigkeit des Schutz- und Spülgemisches innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums 608 entgegen und verhindert somit eine zusätzliche Beschleunigung der Schüttgutpartikel.
Einer nach unten hin zunehmenden Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch entgegengewirkt werden, wenn Öffnungen in die Wandung des Elektronenreflektors 106 oder 606 eingebracht werden, durch welche Gas aus dem zweiten ringförmigen Freiraum horizontal entweichen kann, wodurch die vertikale Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des zweiten ringförmigen Freiraums verringert wird. Die horizontale Teilströmung ist dabei so zu bemessen, dass die überwiegend vertikale Fallrichtung der Schüttgutpartikel wenig beeinflusst, aber Staub und Abrieb effektiv radial nach außen hin mit abgeführt werden.
Aus dem Stand der Technik sind Elektronenstrahlerzeuger bekannt, welche ebenfalls einen Ring beschleunigter Elektronen generieren, deren Bewegungen jedoch radial nach innen gerichtet sind. Auch damit kann ein ringförmiger Vorhang fallender Schüttgutpartikel mit den beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Bei gleichen Durchmessern dieses Schüttgutvorhangs ist jedoch ein erfindungsgemäßer Elektronenstrahlerzeuger mit radial nach außen gerichteter Elektronenausbreitung bedeutend kompakter als ein solcher Elektronenstrahlerzeuger aus dem Stand der Technik. Beim Elektronenstrahlerzeuger aus dem Stand der Technik sind alle wesentlichen (Funktion und Kosten des Elektronenstrahlerzeugers bestimmenden) Komponenten außerhalb des Ringes fallender Schüttgutpartikel angeordnet, so dass diese den Schüttgutpartikelvorhang umschließen. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen sind alle wesentlichen Komponenten im Inneren des ringförmigen Schüttgutpartikelvorhangs angeordnet. Daher können bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung viele Komponenten kleiner dimensioniert werden als beim Stand der Technik, was kosteneffizienter ist. Des Weiteren kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit radial divergierender Elektronenausbreitung auch im Inneren von Hohlkörpern, wie zum Beispiel zur Behandlung der Innenwand von Rohren, eingesetzt werden. Die axiale Ausrichtung der Schutzgasrohre, Sensorkabel und Kühlkanäle und deren Anordnung in denselben Abschattungswinkelbereichen gestattet weiterhin eine freie axiale Skalierung des Elektronenstrahlerzeugers und somit der Dosisleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen, umfassend ein zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster (102) als Bestandteil eines zylinderförmigen Gehäuses (101 ), welches einen evakuierbaren Raum umschließt; mindestens eine drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a), welche innerhalb des evakuierbaren Raums angeordnet und vom zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster (102) umschlossen ist, wobei eine erste Stromversorgungseinrichtung elektrisch leitend zwischen die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a) und das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster geschaltet ist, so dass von der drahtförmigen, strangförmigen, stabförmigen, ringförmigen oder zylinderförmigen Kathode (104a) Elektronen emittierbar und sich radial von der Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) entfernend in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) beschleunigbar sind, gekennzeichnet durch a) ein zylinderförmiges Schutzgitter (105), welches das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster (102) umschließt und einen ersten ringförmigen Freiraum (107) zwischen dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster (102) und dem zylinderförmigen Schutzgitter (105) begrenzt; b) einen Elektronenreflektor (106; 606), welcher das zylinderförmige Schutzgitter (105) umschließt und einen zweiten ringförmigen Freiraum (108; 608) zwischen dem zylinderförmigen Schutzgitter (105) und dem Elektronenreflektor (106) begrenzt; c) eine Anzahl von Gasrohren (109), welche sich innerhalb des ersten ringförmigen Freiraums (107) parallel zur Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) erstrecken, wobei alle Gasrohre (109) mit einem identischen ersten Maß von der Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) und mit einem identischen zweiten Maß von einem benachbarten Gasrohr (109) beabstandet sind und wobei jedes Gasrohr (109) an gegenüberliegenden Wandungsbereichen Bohrungen (1 10) oder mindestens einen Schlitz entlang der Längsausdehnung des Gasrohrs (109) aufweist, durch welche ein erstes Gas in den ersten ringförmigen Freiraum (107) einbringbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode als Kaltkathode ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a) als Glühkathode ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a) als mittels Stromdurchfluss direkt geheizte Glühkathode ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode zylinderförmig ausgebildet ist und ein sich entlang der Zylinderachse erstreckendes draht-, sträng- oder stabförmiges Heizelement aufweist, wobei die zylinderförmige Kathode mittels Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Elektronenstoß beheizbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der zylinderförmigen Kathode mit einem Ende des draht-, sträng- oder stabförmigen Heizelements elektrisch leitfähig verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zylinderförmiges Steuergitter (104b), welches die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a) umschließt und welches einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zylinderförmige Steuergitter (104b) eine Spannungsdifferenz gegenüber der stabförmigen, ringförmigen oder zylinderförmigen Kathode (104a) von etwa +20 V bis etwa +2000 V aufweist, wobei eine zweite Stromversorgungseinrichtung das elektrische Spannungspotential für das zylinderförmige Steuergitter (104b) erzeugt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zylinderförmige Steuergitter (104b) nicht vollumfänglich, sondern nur in definierten Öffnungsbereichen elektronentransparent ist, wobei diese Öffnungsbereiche zentralsymmetrisch zu denen des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasrohre (109) am zylinderförmigen Schutzgitter (105) befestigt sind.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Einrichtung (312) zum Erzeugen einer Strömung (313) eines zweiten Gases innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums (108).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Volumenstrom des ersten Gases in den ersten ringförmigen Freiraum (107) unabhängig von der Strömung (313) eines zweiten Gases innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums (108) dosierbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenreflektor (106) elektrisch isoliert gegenüber dem elektrischen Massepotential ausgebildet ist und eine dritte Stromversorgungseinrichtung ein elektrisches Spannungspotential am Elektronenreflektor (106) generiert, zum Zünden und Aufrechterhalten eines Plasmas innerhalb des zweiten ringförmigen Freiraums (108).
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) senkrecht oder mit einem Winkel von etwa 10° oder weniger abweichend von der Senkrechten ausgerichtet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vereinzeln und zur Rotationsgebung einer Mehrzahl von Schüttgutpartikeln (414), umfassend eine zylinderförmige Seitenwandung (415) und eine scheiben- oder kegelförmige Bodenwandung (416), wobei zwischen der zylinderförmigen Seitenwandung (415) und der scheiben- oder kegelförmigen Bodenwandung (416) ein ringförmiger Spalt (417) ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenreflektor (106, 606) als Hohlzylinder (106) ausgebildet ist oder dass der Elektronenreflektor (106, 606) die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes (606) aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenreflektor (106; 606) Öffnungen in der Wandung aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a) lediglich am oberen Ende fest eingespannt und am unteren Ende mit einem axial beweglichen Klemmstück kontaktiert ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige oder zylinderförmige Kathode (104a) lediglich am unteren Ende fest eingespannt oder unterstützt ist und am oberen Ende mit einem axial beweglichen Klemmstück kontaktiert ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Position der drahtförmigen, strangförmigen, stabförmigen, ringförmigen oder zylinderförmigen Kathode (104a) justierbar ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster (102) derart gestaltet ist, dass es nicht vollumfänglich für Elektronen transparent, sondern mit definierten Öffnungsbereichen versehen ist, die mit den Winkelbereichen des Elektronenaustrittsfensters (102) fluchten, die nicht durch Abschattungswinkelbereiche mit dem Winkel w abgedeckt sind.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Blenden, welche den zweiten ringförmigen Freiraum (108) an dessen Oberseite in Abschattungswinkelbereichen mit dem Winkel w abdecken.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024128457A1 (de) * 2024-10-01 2026-04-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Vorrichtung zum Beaufschlagen von Fluiden und Innenwandungen von Hohlkörpern mit beschleunigten Elektronen

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3654459A (en) * 1969-08-18 1972-04-04 Ppg Industries Inc Controlled atmosphere chamber for treating products with ionizing radiation
EP0513135B1 (de) 1990-01-31 1994-08-31 PFITZNER, Christian (als Gesellschafter der Gesellschaft für Umweltschutzberatung und -technik GbR) Verfahren une einrichtung zur behandlung von saatgut
DE4434767C1 (de) 1994-09-29 1996-02-22 Fraunhofer Ges Forschung Einrichtung zur Elektronenbehandlung von Schüttgut, vorzugsweise von Saatgut
DE19518623C2 (de) * 1995-05-24 2002-12-05 Igm Robotersysteme Ag Wiener N Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen
DE19638925C2 (de) 1996-09-23 2000-11-23 Fraunhofer Ges Forschung Elektronen-Bandstrahler
DE19942142B4 (de) 1999-09-03 2004-04-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Einrichtung zur Behandlung von Schüttgut, vorzugsweise von Saatgut, mit beschleunigten Elektronen
US20080267354A1 (en) 2003-05-22 2008-10-30 Comet Holding Ag. High-Dose X-Ray Tube
US7148613B2 (en) * 2004-04-13 2006-12-12 Valence Corporation Source for energetic electrons
WO2007107211A1 (de) 2006-03-20 2007-09-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur eigenschaftsänderung dreidimensionaler formteile mittels elektronen
DE102006012666A1 (de) 2006-03-20 2007-09-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zur Eigenschaftsänderung dreidimensionaler Formteile mittels Elektronen
DE102012209434A1 (de) 2012-06-04 2013-12-05 EVONTA - Service GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Desinfektion rieselfähiger Produkte, vorzugsweise Saatgut, mit beschleunigten Elektronen
DE102013111650B3 (de) 2013-10-23 2015-02-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen
DE102013113688B3 (de) 2013-12-09 2015-05-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen
DE102015104433B3 (de) 2015-03-24 2016-09-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Betreiben einer Kaltkathoden-Elektronenstrahlquelle
DE102017104509A1 (de) 2017-03-03 2018-09-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen
DE102017113979A1 (de) 2017-06-23 2018-12-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen
DE102018111782A1 (de) 2018-05-16 2019-11-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen
DE102019134558B3 (de) * 2019-12-16 2021-03-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zum Beaufschlagen gasförmiger Medien mit beschleunigten Elektronen
DE102021127147B3 (de) 2021-10-19 2023-03-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen
DE102021127146B3 (de) 2021-10-19 2023-02-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen

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