JP2001343500A

JP2001343500A - 電子線発生装置及び電子線照射装置

Info

Publication number: JP2001343500A
Application number: JP2000161920A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yoshioka; 毅吉岡; Masaaki Kajiyama; 雅章梶山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】電子線照射装置の電子銃の大電流化に伴い、
安定した電子ビームを発生することができる電子線発生
装置を提供する。【解決手段】電子線発生器内の加速電極２のビーム通
過穴径を４０ｍｍφ以上３００ｍｍφ以下とすることに
より、電子銃７近傍の放電にともなう電位不安定性が生
じてもビーム電子の加速電極２への衝突を無くすること
で電子発生器の運転の安定化を図った。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は物質の改質に用いら
れる大電流照射用の電子線発生装置に係り、例えば樹脂
の架橋に用いる電子線発生装置および火力発電所から排
出される排ガスの処理等に使用される電子線照射装置等
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、世界的に問題となっている大気汚
染による地球温暖化や酸性雨等は、例えば火力発電所等
から排出される燃焼排ガス中に存在するＳＯｘ、ＮＯｘ
等の成分に起因していると考えられる。これらのＳＯ
ｘ、ＮＯｘ等の有害成分を除去する方法として、燃焼排
ガスに電子線を照射することによって、脱硫・脱硝（
ＳＯｘ、ＮＯｘ等の有害成分の除去）を行うことが実施
されている。

【０００３】図１は係る用途に用いられる電子線照射装
置の一例を示す。この燃焼排ガスの処理装置は、直流高
電圧を発生する電源装置１０と、電子線を燃焼排ガスに
照査する電子線照射装置１１と、その装置１１の電子線
の照射出口である窓箔１５に沿って設けられた燃焼排ガ
スの流路１９から主として構成されている。例えばＴｉ
等の薄板からなる窓箔１５から外部に放出された電子線
は、燃焼排ガス中の酸素（Ｏ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等
の分子を照射することにより、これらは非常に酸化力の
強いＯＨ、Ｏ、ＨＯ_２等のラジカルとなる。そしてこれ
らのラジカルが、ＳＯｘ及びＮＯｘ等の有害物質を酸
化し、中間生成物である硫酸と硝酸とを生成する。これ
らの中間生成物はあらかじめ投入しておいたアンモニア
ガス（ＮＨ_３）と反応し、硫安及び硝安となり、肥料原
料として回収される。従ってこのような排ガス処理シス
テムにおいては、燃焼排ガス中から有害なＳＯｘ、ＮＯ
ｘ等の成分を除去することができると共に、その副生品
として有用な硫安・硝安等の肥料の原料として回収する
ことができる。

【０００４】図２は、従来の電子線照射装置の電子線の
発生及び加速部の構成を示す。ここで電子線の発生加速
部は、熱電子フィラメント等の電子源１と、その電子源
１より発生した電子を略ビーム状にする電子銃７と、電
子銃７で所定のエネルギー・形状を有するビームとなっ
た電子線を更に加速する多数の加速電極２から構成され
る加速管５と、その加速管５にて形成された高エネルギ
ーの電子線に磁界を印加することでそのビーム径を制御
するとともに長手方向及び短手方向に該ビームを偏向・
走査する１つ以上のコイルとから主に構成されている。
これらは真空容器内に配置され、その内部は１０^−６Ｐ
ａ程度の高真空に保持される。形成された高エネルギー
電子線は、図１に示すように偏向用コイル１６および走
査用コイル１７に電流を供給して電磁石により磁界を形
成することで、偏向、走査されつつ照射窓（窓箔）１５
より排ガス流路１９の所定の範囲に出射される（図１参
照）。

【０００５】近年、被処理物（例えば燃焼排ガス）の電
子線照射装置１台あたりに要求される電子線照射量が多
くなっている。更に処理施設での電子線照射装置の照射
電流値当たりの設置面積を減ずる必要性が増加してき
た。これに伴い電子線照射装置１台あたりの発生ビーム
電流が従来は１００〜３００ｍＡ程度であったが、近年
１台あたりの発生ビーム電流として５００ｍＡ程度が要
求されることとなった。

【０００６】図３は、電子銃の構成例を示す図である。
電子銃７は、電流が流れることで熱電子を発生するフィ
ラメント（電子源）１と、フィラメントと略同電位であ
るウェネルト電極と呼ばれ、前記電子源を略取り囲む形
状であり前記電子を放出する経路を有する電極３と、電
極３よりフィラメントから放出された電子進行方向側に
配置された引き出し電極と呼ばれる電極４と、フィラメ
ントを保持するフィラメントフランジ８と、フィラメン
トフランジ８の熱を逃がし電子線源を冷却するフィン６
等から構成されている。上述したようにフィラメントフ
ランジ、チャンバー、加速管は高真空を維持する容器内
に収容されている。

【０００７】電子銃における電子ビームの形成は以下の
ように行われる。電流が流れるフィラメント１は約２０
００〜３０００℃の高温となり、フィラメントの材質に
よりリチャードソン・ダッシュマンの式として知られる
熱電子放出係数に従い熱電子を放出する。フィラメント
１及びウェネルト電極３は図示しない高電圧電源に接続
され、負の静電圧５００〜１５００ｋＶが印加されてい
る。通常フィラメント１の材質はタングステン（Ｗ）、
タンタル（Ｔａ）、及びランタン（Ｌａ）化合物が熱電
子を放出しやすい、つまり仕事関数の低い材料として知
られている。フィラメント１の電位は通常ウェネルト電
極３の電位から数Ｖ〜数１０Ｖのバイアス電位を有して
おり、フィラメント１から放出した電子はウェネルト電
極３に開いた穴９付近に浮遊する。引き出し電極４はウ
ェネルト電極３より電子照射方向に配置され、その電位
はフィラメント１よりも接地電位に近く、その電位差は
１０〜３０ｋＶに通常設定されている。図２にＲで示す
凹面曲率を有するウェネルト電極３と引き出し電極４間
の電界による電子レンズによりウェネルト電極３の穴９
から電子が引き出され、更に収束され電子ビームとな
り、電子は加速管５内に進行し、各々複数の加速電極２
のレンズ効果によって収束・加速を繰り返し所定のビー
ム形状となり、最終的に電子線照射装置から大気側の被
照射体に照射される。

【０００８】図２に示す、従来の加速電極２の電子が通
過する穴径Ｓはビーム電流値が１００〜３００ｍＡと少
ないために約２０〜２７ｍｍφの寸法であった。

【０００９】電子加速電圧が５００ｋＶ〜１５００ｋ
Ｖ、電子電流値が５００ｍＡ級の加速管になると電子銃
部分の前記ウェネルト電極、前記引き出し電極部分で放
電しビームが広がり加速電極２に衝突し、熱応力による
加速電極２の変形、または電極の発熱に伴い電極を支持
する絶縁物の破損を発生することがある。前記ウェネル
ト電極、前記引き出し電極部分の放電は真空度の悪い状
態、特にビームを大気またはガス中に取り出すための前
記窓箔を交換する際、加速管内部を大気雰囲気から高真
空状態にしビームを所定の電流値まで安定して発生する
ようにする、いわゆるビルトアップ過程（ビームコンデ
ィショニング中）に前記放電が発生することが多い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】フィラメント１から放
出される電子は、フィラメント１から放出された当初ラ
ンダム方向の運動成分を有しているが、上述したウェネ
ルト電極３と引き出し電極４が形成する電界によって電
子が引き出され、引き出し電極４を通過した後、初期の
ビームとなる。しかし、熱電子は当初ランダム方向運動
成分を有すること、及びビームは空間電荷効果と呼ばれ
る同種電荷を有する粒子の電気的反発力（クーロン力）
の作用によって初期のビーム電子は加速電極２の収束作
用が充分で無い場合には発散する。つまりビーム径が増
大する。その結果、加速されつつあるビーム電子は引き
出し電極４を通過後、電子進行方向に存在する複数の加
速電極２に衝突することがある。上述したように昨今の
電子線照射装置に必要とされる照射電流値は増大してい
る。照射電流値が増大すると、空間電荷効果は顕著とな
り、ビーム電子が加速電極２に衝突する場合が頻繁とな
る。その衝突の結果、ビームが衝突した加速電極２付近
の真空度および該電界の不安定、及び加速電極２に加速
電圧を分配するブリーダ抵抗と称する抵抗の破損が生じ
ることとなる。更に電子銃近傍で生じた放電による電極
間の短絡状態によってビームが一層不安定になり、加速
電極２にビーム電子が衝突する大きな原因となってい
る。この傾向は、従来の加速電極形状では、ビーム電流
値が３００ｍＡを超える辺りから顕著になっていた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、真空中に配置された電子源と、内部に前記電子源を
有し電界により電子を放出する電子銃と、前記電子銃及
び前記電子銃から発生した電子に負電位及び電流を供給
する高電圧電源と、前記電子が通過経路を自身の内部に
有する前記電子を加速する複数の加速電極２と、前記加
速電極２と交互に積層・固定されて加速管を形成する前
記加速電極２と略同数の絶縁物を有し、前記電子線のエ
ネルギーが５００ｋｅＶから１５００ｋｅＶであり且つ
前記電子線の電流値が略５００ｍＡの電子線発生装置に
おいて、前記加速電極２の前記通過経路の内径が４０ｍ
ｍφ以上３００ｍｍφ以下とした形状であることを特徴
とする電子線発生装置である。加速電極２の内部穴径を
従来より大きくしたことにより、ビーム電子の加速電極
２への衝突が殆ど無くなるので、安定した電子線発生装
置の運転が達成できる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、前記加速電極２
間の距離が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴
とする請求項１記載の電子線発生装置である。これによ
り、加速電極２間の距離を適切に決定することで加速電
極２間の放電発生を減少することができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、前記加速電極間
電位が１０ｋＶ以上５０ｋＶ以下であることを特徴とす
る請求項２記載の電子線発生装置である。これにより、
加速電極間の電位を適切に決定することで加速電極間の
放電発生を減少することができる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、真空中に配置さ
れた電子源と、内部に前記電子源を有し電界により電子
を放出する電子銃と、前記電子銃及び前記電子銃から発
生した電子に負電位及び電流を供給する高電圧電源と、
前記電子が通過経路を自身の内部に有する前記電子を加
速する複数の加速電極と、前記加速電極と交互に積層・
固定されて加速管を形成する前記加速電極と略同数の絶
縁物を有し、加速された電子線を磁気力により走査する
磁気コイルと、真空中の該電子を大気雰囲気に取り出
し、照射するための薄膜とを有し、前記電子線のエネル
ギーが５００ｋｅＶから１５００ｋｅＶであり且つ前記
電子線の電流値が略５００ｍＡの電子線照射装置におい
て、前記加速電極の前記通過経路の内径が４０ｍｍφ以
上３００ｍｍφ以下とした形状であることを特徴とする
電子線照射装置である。加速電極の内部穴径を従来より
大きくしたことにより、ビーム電子の加速電極への衝突
が殆ど無くなり、安定した電子線照射装置の運転が達成
できる。

【００１５】総じて本発明によれば、前記加速電極の形
状、加速電極間の距離、加速電極間の電位をそれぞれ、
前記所定の値とすることで電子ビーム電流値の増大に伴
う、加速管内部へのビーム衝突を大幅に減少すること
で、加速管の電位不安定性及び真空度の不安定性の減少
を達成でき、よって電子線照射量の増大を達成できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図４乃至図１１を参照しながら説明する。

【００１７】図４は、本発明の実施形態の加速電極２を
示す図である。図２は従来の実施形態の電子線の発生・
加速部図である。この実施形態での電子銃側の加速電極
２のビーム電流が通過する内部穴径Ｓａは、図２で示す
従来の電子銃側の加速電極２の内部穴径Ｓに比べて大き
い。また本発明の加速電極２はビーム進行方向に向かっ
て全て穴径は５０ｍｍφの寸法である。尚、従来の加速
電極２の内部穴径は、上述したように電子銃の直近の２
７ｍｍφからビーム進行方向に向かってテーパー状に順
次大きくなり、最終段の加速電極２の穴径は５０ｍｍφ
であった。

【００１８】本発明の電子線の発生・加速部によれば、
頂部Ａの電界は頂部Ｂの電界より緩やかであり、更に形
成される電界形状によって、電子ビームに形成されなか
った電子が引き出し電極４に衝突する数が少なくなる。
余分な電子が引き出し電極４に衝突しないため、引き出
し電極４の周囲の真空度が悪化せず、真空雰囲気の放電
を開始せず、電子銃の真空度、電位が安定化する。この
ため電子銃は従来の電子銃に比して大電流を発生でき
る。

【００１９】真空雰囲気内での破壊放電電圧・沿面放電
電圧については電極構成材質、形状および印加電圧種類
（交流もしくは直流）に依存する（図１０を参照）。ま
た電子銃周りの空間の真空度が悪化し、ガス等が存在す
ると放電開始電圧は低下、即ち放電が生じやすくなる
（パッシェンの法則、図１１を参照）。つまり前述した
ようにビーム電子が加速電極２その他に衝突しなければ
加速管内部放電は電極構成材質、形状及び加速電極間電
圧を所定範囲に収めて加速管を製作・運転をして、ビー
ム電子が加速管等に衝突するなどの事態が生じない限
り、加速管放電は生じないのである。

【００２０】図５及び図６は、従来の加速管でのビーム
のシミュレーション結果である。この結果はビームエネ
ルギー８００ｋｅＶ、ビーム電流５００ｍＡで電子銃側
の加速電極２の穴径２７ｍｍφからテーパ状に穴径が広
がる形状の加速電極２を有している。最終段の加速電極
穴径は５０ｍｍφである。ここでの加速電極２の数は２
３段である。図では左側から右側にビームが発生して進
行している。正常な場合には、加速電極穴径が２７ｍｍ
φと小径であってもビームは加速電極２に衝突すること
なく加速管部分を通過して電子走査部へと入射してい
る。

【００２１】図５に示す結果では、条件は電子銃側２段
の加速電極２ａ，２ｂを短絡させた条件（前記２段の加
速電極２ａ，２ｂ間で内部放電及び外部放電により短絡
に近い状態になった条件のシミュレーション）である。
このシミュレーションの結果、ビーム電子は引き出し電
極から一つ下流側の加速電極２ａを始め、加速電極２ｂ
に衝突する状態を表している。加速電極２ａ，２ｂにビ
ームが衝突した場合、発熱をするが加速電極２ａ，２ｂ
には高電圧が印加されているため、加速管の破壊防止を
するための冷却は通常困難である。

【００２２】図６も同様に、従来の加速管でのビームの
シミュレーション結果である。ここでは電子銃側の６段
の加速電極２ｃを短絡に近い状態でのシミュレーション
結果を表している。この場合、電子銃側の加速電極５段
にビームが衝突している。

【００２３】図７は、本発明による加速管でのビームシ
ミュレーション結果である。図７の条件は、従来の加速
管に対して、加速電極２の穴径Ｓａを全て５０ｍｍφと
したこと以外の条件は同一である。この結果、穴径Ｓａ
を５０ｍｍφとした加速管においても、ビーム電子は正
常に加速管を通過し、ビームを問題無く発生させること
ができる。

【００２４】図８は、本発明の加速管の電子銃側２段の
加速電極２ａ，２ｂを図５と同様に短絡に近い状態にし
た条件のシミュレーション結果である。この結果によれ
ば加速電極２ａ，２ｂの２段を短絡させたにも関わら
ず、ビームはすべての加速電極２に衝突しない。衝突し
ているのは加速管と連通しているが大地電圧である、加
速管出口部分Ｄのみである。加速管出口部分Ｄは大地電
圧であるため、ビーム衝突が発生して発熱をしても容易
に冷却ができる。

【００２５】図９も本発明の加速管の電子銃側６段の加
速電極２ｃを図６と同様に短絡に近い状態にした条件の
シミュレーション結果である。この結果は加速電極６段
を短絡に近い状態にしたにも関わらず、ビームは殆ど加
速電極２に衝突していない。この程度の加速電極２への
ビーム衝突であれば、運転中行っているブリーダ抵抗に
流れる電流値の異常を検知した後に、高電圧印加停止、
高電圧電源の停止およびフィラメント印加電流の停止等
の対策をとることで加速管の完全破壊を免れることが出
来る。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子線発生器内の加速電極のビーム通過穴径を５０ｍｍ
φ以上３００ｍｍφ以下とすることにより、電子銃近傍
の放電にともなう電位不安定性が生じてもビーム電子の
加速電極２への衝突を無くすことができる。これによ
り、電子線発生器の運転の安定化を図れ、産業上の効果
が絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子線照射装置の一例を示す図である。

【図２】従来の電子線の発生・加速管を示す図である。

【図３】電子銃の構成例を示す図である。

【図４】本発明の実施形態の電子線の発生・加速管を示
す図である。

【図５】従来の加速管（穴径２７ｍｍφから５０ｍｍφ
へのテーパ状加速電極）でのビームシミュレーション結
果を示す図である。

【図６】従来の加速管（穴径２７ｍｍφから５０ｍｍφ
へのテーパ状加速電極）でのビームシミュレーション結
果を示す図である

【図７】本発明の加速管（穴径５０ｍｍφで統一した加
速電極）でのビームシミュレーション結果を示す図であ
る。

【図８】本発明の加速管（穴径５０ｍｍφで統一した加
速電極）でのビームシミュレーション結果を示す図であ
る。

【図９】本発明の加速管（穴径５０ｍｍφで統一した加
速電極）でのビームシミュレーション結果を示す図であ
る。

【図１０】放電特性の説明図である。

【図１１】パッシェンの法則の説明図である。

【符号の説明】

１フィラメント２加速電極３ウェネルト電極４引き出し電極５加速管６冷却フィン７電子銃８フィラメントフランジ９穴１１電子線照射装置１５窓箔１６偏向コイル（電磁石）１７走査コイル（電磁石）１９流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｊ 37/04 Ｆターム(参考） 4D002 AA02 AA12 AC01 BA09 CA20 4G075 AA03 AA37 BA05 BA06 CA05 CA39 CA61 DA01 DA18 EA06 EB43 EC21 FA01 FC15 5C030 BB09 BB17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中に配置された電子源と、内部に前
記電子源を有し電界により電子を放出する電子銃と、前
記電子銃及び前記電子銃から発生した電子に負電位を与
え電子銃に電子を供給する高電圧電源と、前記電子が通
過経路を自身の内部に有する前記電子を加速する複数の
加速電極と、前記加速電極と交互に積層・固定されて加
速管を形成する前記加速電極と略同数の絶縁物を有し、
前記電子線のエネルギーが５００ｋｅＶから１５００ｋ
ｅＶであり、且つ前記電子線の電流値が略５００ｍＡの
電子線発生装置において、前記加速電極の前記通過経路
の内径が４０ｍｍφ以上３００ｍｍφ以下とした形状で
あることを特徴とする電子線発生装置。
【請求項２】前記加速電極間の距離が１０ｍｍ以上５
０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の電子
線発生装置。
【請求項３】前記加速電極間電位が１０ｋＶ以上５０
ｋＶ以下であることを特徴とする請求項２記載の電子線
発生装置。
【請求項４】真空中に配置された電子源と、内部に前
記電子源を有し電界により電子を放出する電子銃と、前
記電子銃及び前記電子銃から発生した電子に負電位を与
え電子銃に電子を供給する高電圧電源と、前記電子が通
過経路を自身の内部に有する前記電子を加速する複数の
加速電極と、前記加速電極と交互に積層・固定されて加
速管を形成する前記加速電極と略同数の絶縁物を有し、
加速された電子線を磁気力により走査する磁気コイル
と、真空中の該電子を大気雰囲気に取り出し、照射する
ための薄膜とを有し、前記電子線のエネルギーが５００
ｋｅＶから１５００ｋｅＶであり、且つ前記電子線の電
流値が略５００ｍＡの電子線照射装置において、前記加
速電極の前記通過経路の内径が４０ｍｍφ以上３００ｍ
ｍφ以下とした形状であることを特徴とする電子線照射
装置。