JP2004239819A

JP2004239819A - 電子線照射装置

Info

Publication number: JP2004239819A
Application number: JP2003030778A
Authority: JP
Inventors: Chieko Tokunaga; 千恵子徳永; Akiyoshi Yamamoto; 顕義山本; Namio Kaneko; 七三雄金子; Tamiro Nakashizu; 民郎中静
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】照射対象物の略全面に電子線を照射でき、しかも電子線の照射面積を拡大できる長寿命の電子線照射装置を提供することにある。
【解決手段】カソード２とアノード３間に電圧を印加し、照射対象物Ｘ１にその発生した電子線Ｂ１を照射する電子線照射装置１において、カソード２をカーボンナノチューブを用いて所定形状に形成したものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照射対象物に電子線を照射する電子線照射装置に係り、特に、カーボンナノチューブを用いたカソードを備えた電子線照射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子線照射装置は、カソードとアノード間に電圧を印加し、照射対象物にその発生した電子線を照射するものである。図３に示されるような電子線照射装置３１は、装置３１の下方に位置する照射対象物Ｘの上面から電子線を照射することにより、照射対象物Ｘの殺菌・滅菌、改質、微細加工を行うものである。
【０００３】
この装置３１は、カソードとアノードとが備えられて電子線を発生する最上部の電子銃３２と、電子銃３２からの電子線を水平面内で走査するスキャニング電磁石３３と、走査された電子線を下方の照射対象物Ｘに照射するためのスキャンホーン３４と、スキャンホーン３４からの電子線を下方に取り出すための取り出し窓３５とを備えた多数の部材から構成されている。
【０００４】
また、電子銃３２から発生した電子線のエネルギーをさらに高くする場合には、図４に示されるような電子線照射装置４１が使用される。この装置４１は、装置３１の構成に加え、電子銃３２とスキャニング電磁石３３間に電子を加速するための加速管４２を設けたものである。装置４１としては、図５により詳細な一例を示すように、加速管４２の外周に設けられて加速管４２内の電子線を収束する収束電磁石４３などを備えたものがある。この収束電磁石４３は、備えられていなくてもよい場合もある。
【０００５】
電子銃３２には、図６に示すような円盤状のカソード６１と、その近傍に設けられるヒータ６２とが備えられている。一般に円盤状のカソード６１としては、Ｂａ含浸型などが使用され、その外径φは８〜１０ｍｍ程度と細径であり、その表面積も小さい。この電子銃３２では、ヒータ６２によってカソード６１を１０００〜１３００℃の高温に加熱することで、カソード６１から熱電子ｅ６が放出される。
【０００６】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２４８９００号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電子線照射装置３１あるいは電子線照射装置４１は、電子銃３２からの電子線あるいは加速管４２からの電子線が線状なので、電子線を照射対象物Ｘの上面にまんべんなく照射するために、スキャニング電磁石３３を用いて電子線を走査する必要がある。これに伴ってスキャンホーン３４も必要である。このように、装置３１，４１は多数の構成部材（スキャニング電磁石３３、スキャンホーン３４など）が必要になるという問題がある。
【０００９】
また、装置３１，４１ではヒータ６２を使用しているので、ヒータ６２によってその近傍の部品が高温に加熱され、これら部品に大きな熱負荷がかかり、装置３１，４１の寿命低下を招くという問題もある。
【００１０】
装置３１，４１は、その構成上、照射対象物Ｘの上面のみに電子線を照射するものなので、照射対象物Ｘの略全面に電子線を照射することができない。そこで、上述したような多数の構成部材を用いることなく、照射対象物Ｘへの多方向からの電子線の照射を目的に、カソードを断面略円状などの複雑な形状に加工することが考えられる。しかしこの場合、カソードの加工が技術的に難しく、コストパフォーマンスが悪いという問題がある。
【００１１】
一方、上述したような多数の構成部材を用いることなく、照射対象物Ｘへの照射面積を拡大することを目的に、カソードの表面積を増大することも考えられる。しかしこの場合には、ヒータの大型化や多段化が必要となり、ヒータからカソードへの熱伝達が均一にならないので、カソードからの熱電子の発生を均一に行うことが技術的に難しく、やはりコストパフォーマンスが悪いという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、照射対象物の略全面に電子線を照射でき、しかも電子線の照射面積を拡大できる長寿命の電子線照射装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、カソードとアノード間に電圧を印加し、照射対象物にその発生した電子線を照射する電子線照射装置において、上記カソードをカーボンナノチューブを用いて所定形状に形成した電子線照射装置である。
【００１４】
請求項２の発明は、上記カソードは、上記照射対象物を覆うように断面略円状に形成される請求項１記載の電子線照射装置である。
【００１５】
請求項３の発明は、上記カソードは、上記照射対象物の大きさに合わせて平板状に形成される請求項１記載の電子線照射装置である。
【００１６】
請求項４の発明は、真空容器に、上記照射対象物が通る大気開放された搬送管を挿通して設けると共に、その真空容器内に位置する搬送管の外周に電子線透過窓を形成し、上記真空容器内に、上記搬送管を包囲するように断面略円状のアノードと断面略円状のカソードとを配置した請求項１または２記載の電子線照射装置である。
【００１７】
請求項５の発明は、真空容器の下面に平板状の電子線透過窓を形成し、その真空容器内に、上記電子線透過窓と平行になるように平板状のアノードと平板状のカソードとを配置した請求項１または３記載の電子線照射装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１９】
炭素系電子放出材の一つであるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、線径が数ｎｍと非常に細いことから、電界中にＣＮＴをその軸方向が電界方向と一致するように配置した場合、その端部において電界集中が生じやすい。その結果、ＣＮＴの端部から電子が大量に放出される。このため、近年ＣＮＴは、電子源、特に電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）のカソードとして応用されている。一般にＣＮＴは、ＣＮＴ粉体あるいはＣＮＴ膜の状態で使用されている。
【００２０】
本発明者らは、このＣＮＴを電子線照射装置のカソードに利用すれば、上述した課題を解決できると考え、本発明を創案するに至った。
【００２１】
さて、図１は、本発明の好適実施の形態である電子線照射装置を示す断面図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明に係る電子線照射装置１は、主としてエネルギーが１０ＭｅＶ以下の電子線Ｂ１を、医薬品、食品、飲料水などの容器、医療用具、金属、ゴムなどの照射対象物Ｘ１の下面を除く略全面に照射することにより、容器や医療用具の殺菌・滅菌、金属の改質・溶解・微細加工、ゴムの加硫などの架橋に使用されるものである。
【００２３】
この電子線照射装置１は、カソード２とアノード３間に電圧を印加し、照射対象物Ｘ１にその発生した電子線Ｂ１を照射するものであり、カソード２をＣＮＴを用いて所定形状に、例えば、照射対象物Ｘ１を覆うように断面略円状（あるいは断面略馬蹄状）に形成したものである。
【００２４】
断面略円状のカソード２は、例えば、断面略円状のカソード本体２ａの内周面の全面に、ＣＮＴ粉体を含むＣＮＴろう付け層２ｂを形成したものである。ＣＮＴろう付け層２ｂは、金属ろう材中に、ランダムに配向したＣＮＴ粉体（例えば、長さ数μｍ）を、所定の割合でかつ均一に分散したものである。このＣＮＴろう付け層２ｂでは、図示していないが、エッチングにより、一部のＣＮＴ粉体の端部がカソード本体２ａ（金属ろう材）の内周面の法線方向あるいは略法線方向に露出している。カソード本体２ａとＣＮＴろう付け層２ｂとは（厳密にはカソード本体２ａと金属ろう材とは）、ろう付けにより強固に接合されている。
【００２５】
このＣＮＴろう付け層２ｂでは、ＣＮＴ粉体の配向がランダムであることから、当然カソード本体２ａの内周面から露出しているＣＮＴ粉体の向きもランダムである。このため、カソード本体２ａの内周面の法線方向に露出しているＣＮＴ粉体（法線露出ＣＮＴ）の量（本数）は非常に少ない。しかし、一本のＣＮＴから電流換算で１ＭＡ／ｃｍ^２に相当する大量の電子が放出されるため、この法線露出ＣＮＴの量はＣＮＴ粉体全体の数％もあれば十分であり、例えば、金属ろう材中に０．１〜１ｍｇ／ｃｍ^３程度の割合のＣＮＴ粉体が分散されていればよい。
【００２６】
しかも、ＣＮＴろう付け層２ｂ中には、ＣＮＴ粉体が均一に分散していることから、法線露出ＣＮＴも均一に分散しているので、カソード２から放出される電子の品質は良好かつ均一である。したがって、装置１で発生する電子線Ｂ１は高出力で、その品質も良好かつ均一である。
【００２７】
ＣＮＴ粉体としては、特に限定するものではなく、市販のＣＮＴ粉体がそのまま適用可能である。
【００２８】
このようにＣＮＴ粉体を用いると、粉状なので加工がしやすく、カソード本体２ａの内周面に所定厚さのＣＮＴろう付け層２ｂを容易に形成でき、ひいては断面略円状のカソード２のような複雑形状のカソードを容易にかつ低コストで製造できる利点がある。
【００２９】
カソード本体２ａの構成材としては、真空下での電気特性が良好なものであれば特に限定するものではなく、例えば、銅やステンレス鋼などが挙げられ、その他にも電子線照射装置用のカソードに慣用的に用いられている全ての金属または合金が適用可能である。
【００３０】
金属ろう材としては、例えばＡｇろうなどが挙げられるが、特にこれに限定するものではなく、カソード本体２ａとＣＮＴ粉体とを電気的および機械的に良好に接合できるろう材であればよい。
【００３１】
本実施の形態では、ＣＮＴ粉体を用いた場合について説明したが、特にこれに限定するものではなく、電界集中が生じやすい形状であり、電子を大量に放出するという特性を有している炭素系電子放出材、例えばグラファイトナノファイバー等であれば全て適用可能である。
【００３２】
ここで、電子線照射装置１の構成をより詳細に説明する。
【００３３】
電子線照射装置１は、運転中に内部を所定圧力以下の真空状態に保つための真空容器４と、その真空容器４に挿通して設けられ、照射対象物Ｘ１が通る大気開放された搬送管５と、真空容器４内に位置する搬送管５の外周に形成される略円筒状の電子線透過窓６と、搬送管５の外周面を所定距離隔てて包囲するように真空容器４内に配置される断面略円形状のアノード３と、そのアノード３の外周面を所定距離隔てて包囲するように真空容器４内に配置される断面略円形状のカソード２とを備えている。
【００３４】
カソード２は、全体が略円筒状に形成されている。アノード３は、全体が略円筒状かつ格子状に形成されている。カソード２とアノード３および電子線透過窓６の長さ（図１では紙面に垂直方向の長さ）は、照射対象物Ｘ１の長さとほぼ同じにしている。
【００３５】
カソード２とアノード３間には、カソード２が負極かつアノード３が正極となるように直流電圧源７が接続されている。この直流電圧源７は、照射対象物Ｘ１の種類に応じて電子線Ｂ１のエネルギー（透過力）を調整するものである。
【００３６】
装置１は、上述したカソード２と、アノード３と、真空容器４と、直流電圧源７とで、図３〜５で説明した従来の電子銃３２に相当する部分を構成している。
【００３７】
搬送管５は、真空容器２の近傍および内部において、その長さ方向（図１では紙面に垂直方向）がカソード２とアノード３双方の横断面に対して垂直となるように、真空容器４に挿通して設けられている。
【００３８】
電子線透過窓６は、真空容器４内に位置する搬送管５の外周の略全周に穴を形成し、その穴に電子線Ｂ１を透過する部材、例えば、Ｔｉなどの金属箔を取り付けたものである。
【００３９】
搬送管５内には、複数個の照射対象物Ｘ１を上流側から下流側に順次搬送する搬送装置８が設けられている。搬送装置８としては、例えば、ベルトコンベヤやローラコンベヤなどを使用できる。
【００４０】
本実施の形態では、真空容器４に搬送管５を挿通して設けた例で説明したが、搬送管５の代わりに、例えば真空容器に照射対象物Ｘ１が通る搬送用の挿通穴を形成してもよい。この場合、挿通穴の外周に電子線透過窓を形成する。
【００４１】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４２】
装置１の運転中は、搬送装置８により、複数個の照射対象物Ｘ１が、搬送管５内を上流側から下流側に順次搬送され、真空容器４内に位置する搬送管５の電子線透過窓６内を順次通過しているものとする。
【００４３】
真空容器４内を真空状態に保ち、直流電圧源７によってカソード２とアノード３間に電圧を印加すると、カソード２とアノード３間に電界が発生する。このとき、ＣＮＴろう付け層２ｂ中のＣＮＴ粉体のうち、カソード本体２ａの内周面の法線方向あるいは略法線方向から露出したＣＮＴ粉体の先端に電界集中が生じ、そのＣＮＴ粉体の先端から電子が大量に放出される。放出された電子は、カソード２とアノード３間に発生した電界によって加速され、カソード２およびアノード３の法線方向に平行な電子線Ｂ１になる。
【００４４】
装置１では、カソード２がＣＮＴを用いて形成されているので、発生する電子線Ｂ１は高出力であり、その品質も良好かつ均一である。しかも断面円状に形成したカソード２を使用しているので、カソード２およびアノード３の内周面の全面近傍から電子線Ｂ１が発生する。この電子線Ｂ１は、搬送管５の電子線透過窓６を透過した後、搬送管５内を順次搬送される各照射対象物Ｘ１の下面を除く略全面に一括照射される。これにより、照射対象物Ｘ１の略全面にわたる殺菌・滅菌、改質・溶解・微細加工、架橋を一括して行うことができる。
【００４５】
このように本発明に係る電子線照射装置１は、カソード２を、照射対象物Ｘ１を覆うようにＣＮＴを用いて断面略円状に形成しているので、電子線Ｂ１が多方向から発生し、照射対象物Ｘ１の略全面に電子線Ｂ１を一括照射することが可能となる。
【００４６】
特に、装置１のカソード２は、ＣＮＴ粉体を用いて形成されているので、カソード２の加工がしやすく、カソード２を容易かつ低コストで所定形状、例えば、断面略円状のような複雑形状に形成できる。
【００４７】
また、装置１は、従来のようにヒータを使用しておらず、カソード２とアノード３間に電圧を印加すれば、カソード２から大量の電子が放出され、高出力で、品質が良好かつ均一な電子線Ｂ１を発生させることができる。
【００４８】
したがって、装置１は、従来のようにヒータの大型化や多段化の必要がなく、しかもスキャニング電磁石やスキャンホーンなどの多数の構成部材も必要ないので、従来の電子銃３２に相当する部分と搬送管５のみで構成でき、電子線Ｂ１の照射面積を容易かつ低コストで拡大できる。
【００４９】
さらに、カソード２は、従来のようなヒータを使用するカソードに比べると部品への熱負荷が少なく、装置１への負担が減るので、装置１の寿命が長い。
【００５０】
次に、本発明の第二の実施の形態を説明する。第二の実施の形態は、照射対象物の面積が比較的大きい場合に使用されるものである。
【００５１】
図２は、本発明の第二の実施の形態である電子線照射装置を示す断面図である。
【００５２】
図２に示すように、電子線照射装置２１は、カソード２２を、ＣＮＴを用いて、比較的大きな面積を有する照射対象物Ｘ２の大きさに合わせて平板状に形成したものである。平板状のカソード２２は、カソード本体２２ａと、その下面に形成されたＣＮＴろう付け層２２ｂとからなっている。
【００５３】
カソード２２は、図１で説明したカソード２と同様にして形成できる。カソード本体２２ａとカソード本体２ａの材質は同じであり、ＣＮＴろう付け層２２ｂとＣＮＴろう付け層２ｂの材質も同じである。
【００５４】
この装置２１は、図１で説明した真空容器４と同様の真空容器２３と、その真空容器２３の下面に形成される平板状の電子線透過窓２４と、その電子線透過窓２４と平行になるように、電子線透過窓２４から所定距離隔てた真空容器２３内の上方に配置される平板状のアノード２５と、そのアノード２５と平行になるように、アノード２５から所定距離隔てた真空容器２３内の上方に配置されるカソード２２とを備えたものである。
【００５５】
装置１と同様、カソード２２とアノード２５および電子線透過窓２４の長さ（図２では紙面に垂直方向の長さ）は、照射対象物Ｘ２の長さとほぼ同じにしている。カソード２２とアノード２５間には、カソード２２が負極かつアノード２５が正極となるように、照射対象物Ｘ２の種類に応じて電子線Ｂ２のエネルギーを調整する直流電圧源７が接続されている。
【００５６】
また、真空容器２３の電子線透過窓２４から所定距離隔てた下方には、複数個の照射対象物Ｘ２を上流側から下流側（図１では紙面に垂直方向）に順次搬送する搬送装置２６が設けられている。
【００５７】
装置２１は、上述したカソード２２と、アノード２５と、真空容器２３と、直流電圧源７とで、図３〜５で説明した従来の電子銃３２に相当する部分を構成している。
【００５８】
装置２１では、直流電圧源７によってカソード２２とアノード２５間に電圧を印加すると、カソード２２の下面（ＣＮＴろう付け層２２ｂ）から大量に電子が放出される。放出された電子は、カソード２２とアノード２５間に発生した電界によって加速され、カソード２２およびアノード２５の上下面に垂直な電子線Ｂ２になる。
【００５９】
装置２１では、ＣＮＴを用いて平板状に形成したカソード２２を使用しているので、高出力で、品質が良好かつ均一な電子線Ｂ２が、カソード２２およびアノード２５の下面の全面近傍から発生する。この電子線Ｂ２は、電子線透過窓２４を透過した後、その下方を順次搬送される各照射対象物Ｘ２の上面の全面に一括照射される。これにより、照射対象物Ｘ２の上面の全面にわたる殺菌・滅菌、改質、微細加工を一括して行うことができる。
【００６０】
特に、装置２１のカソード２２は、ＣＮＴ粉体を用いて形成されているので、カソード２２の加工がしやすく、カソード２２を容易かつ低コストで比較的大きな面積の平板状に形成できる。
【００６１】
また、装置２１は、従来のようにヒータを使用しておらず、カソード２２とアノード２５間に電圧を印加すれば、カソード２２から大量の電子が放出され、高出力で、品質が良好かつ均一な電子線Ｂ２を発生させることができる。
【００６２】
したがって、装置２１は、従来の電子銃３２に相当する部分のみで構成でき、電子線Ｂ２の照射面積を容易かつ低コストで拡大できる。装置２１のその他の作用効果は装置１と同様である。
【００６３】
上記実施の形態では、図４および図５で説明した加速管４２を使用しないタイプの電子線照射装置１，２１の例で説明したが、電子線Ｂ１，Ｂ２のエネルギーをさらに高くする場合には、アノード３と電子線透過窓６間、あるいはアノード２５と電子線透過窓２４間に、加速管４２と同様の加速手段をそれぞれ設ければよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
（１）照射対象物の略全面に電子線を照射できる。
（２）カソードの形状を容易かつ低コストで複雑化できる。
（３）電子線の照射面積を容易かつ低コストで拡大できる。
（４）長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態を示す概略図である。
【図３】従来の電子線照射装置の一例を示す概略図である。
【図４】従来の電子線照射装置の一例を示す概略図である。
【図５】図４に示した電子線照射装置のより詳細な一例を示す全体図である。
【図６】従来の電子線照射装置におけるカソードを示す概略図である。
【符号の説明】
１電子線照射装置
２カソード
２ａカソード本体
２ｂＣＮＴろう付け層
３アノード
４真空容器
５搬送管
６電子線透過窓
Ｂ１電子線
Ｘ１照射対象物

Claims

カソードとアノード間に電圧を印加し、照射対象物にその発生した電子線を照射する電子線照射装置において、上記カソードをカーボンナノチューブを用いて所定形状に形成したことを特徴とする電子線照射装置。
上記カソードは、上記照射対象物を覆うように断面略円状に形成される請求項１記載の電子線照射装置。
上記カソードは、上記照射対象物の大きさに合わせて平板状に形成される請求項１記載の電子線照射装置。
真空容器に、上記照射対象物が通る大気開放された搬送管を挿通して設けると共に、その真空容器内に位置する搬送管の外周に電子線透過窓を形成し、上記真空容器内に、上記搬送管を包囲するように断面略円状のアノードと断面略円状のカソードとを配置した請求項１または２記載の電子線照射装置。
真空容器の下面に平板状の電子線透過窓を形成し、その真空容器内に、上記電子線透過窓と平行になるように平板状のアノードと平板状のカソードとを配置した請求項１または３記載の電子線照射装置。