JP2005209424A - Beam stopping mechanism of scanning type electron beam irradiation device - Google Patents
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Description
この発明は走査型電子線照射装置において電子ビームを急停止するための機構に関する。電子線照射装置というのは、真空中でフィラメントを加熱し熱電子を発生させ加速して窓箔を通じて大気中へ取り出し被処理物に当て高分子架橋、殺菌、塗膜硬化、廃ガス処理など様々な作用をする装置である。被処理物の種類や目的によって加速電圧や搬送の形態は様々である。 The present invention relates to a mechanism for suddenly stopping an electron beam in a scanning electron beam irradiation apparatus. An electron beam irradiation device is a variety of devices such as polymer heating, sterilization, coating film curing, waste gas treatment, etc. by heating filaments in vacuum, generating thermoelectrons and accelerating them through the window foil and taking them out to the atmosphere. It is a device that performs the function. The acceleration voltage and the form of conveyance vary depending on the type and purpose of the workpiece.
電子線照射装置は、電子線を発生させ加速するための真空部分と、被処理物を通す大気圧部分をもつ。電子線を発生させる部分は高電圧架台に載せられている。被処理物を搬送する部分は大地電圧(アース電位)である。搬送部分は重い金属壁で仕切られた筐体によって囲まれている。搬送機構は被処理物が形状の定まった固体である場合は無端周回コンベヤなどである。形態の定まらないものが被処理物の場合は振動コンベヤなどが用いられる。電子線がコンベヤや被処理物に当たるとX線が出る。X線が外部に漏れないように搬送機構は金属筐体で重厚に囲まれる。X線が空気を酸化してオゾンを発生するので、筐体内部は、空気を窒素ガスやアルゴンガスで置換した雰囲気を用いることもある。 The electron beam irradiation apparatus has a vacuum part for generating and accelerating an electron beam and an atmospheric pressure part through which an object is processed. The part that generates the electron beam is mounted on a high-voltage mount. The part that conveys the workpiece is ground voltage (ground potential). The transport portion is surrounded by a casing partitioned by heavy metal walls. The conveyance mechanism is an endless circular conveyor or the like when the object to be processed is a solid having a fixed shape. A vibration conveyor or the like is used when an object whose form is not determined is a workpiece. X-rays are emitted when an electron beam hits a conveyor or workpiece. The transport mechanism is heavily surrounded by a metal casing so that X-rays do not leak outside. Since X-rays oxidize air to generate ozone, an atmosphere in which air is replaced with nitrogen gas or argon gas may be used inside the housing.
電子線照射装置はビームを走査するかしないかによって走査型と非走査型(エリア型)に分けられる。5MeV〜500keVの高い加速電圧の場合はビームを走査するようにした走査型が用いられる。それより低い場合は非走査型のものが用いられることが多い。もちろん電子エネルギーによって被処理物や照射の目的が異なる。 Electron beam irradiation apparatuses are classified into a scanning type and a non-scanning type (area type) depending on whether or not the beam is scanned. In the case of a high acceleration voltage of 5 MeV to 500 keV, a scanning type that scans the beam is used. If it is lower, a non-scanning type is often used. Of course, the object to be processed and the purpose of irradiation differ depending on the electron energy.
走査型電子線照射装置は、高圧電源部、真空排気装置、熱電子発生室、フィラメント、フィラメント電源、加速管、走査管、照射窓、搬送機構、筐体などを含む。高圧電源は、整流器とコンデンサを組み合わせ商用電源を倍電圧整流し倍電圧整流を繰り返すことによって負の高い電圧を得るようにしたコッククロフト型の電源回路を用いることが多い。高圧電源や熱電子発生室は大地とは絶縁された高圧架台の上に搭載される。高圧電源は先述のように5MeV〜500keVといった高い負電圧であり電子加速エネルギーを与える。 The scanning electron beam irradiation apparatus includes a high-voltage power supply unit, a vacuum exhaust device, a thermoelectron generation chamber, a filament, a filament power supply, an acceleration tube, a scanning tube, an irradiation window, a transport mechanism, a housing, and the like. The high-voltage power supply often uses a cockcroft-type power supply circuit in which a rectifier and a capacitor are combined to double voltage rectify a commercial power supply and repeat double voltage rectification to obtain a negative high voltage. The high-voltage power supply and the thermoelectron generation chamber are mounted on a high-voltage stand that is insulated from the ground. As described above, the high-voltage power source has a high negative voltage of 5 MeV to 500 keV and gives electron acceleration energy.
フィラメント電源はそれとは違う。電圧自体は低く電流値が大きい。フィラメントは高圧架台の上にあるし大地側と絶縁しなければならない。絶縁トランスを使っても、そのような高圧を完全に絶縁できない。そこで大地側にモータを設け、高圧架台側に発電器を設けて、モータ軸と発電器軸を絶縁棒で直結するような機構を用いる。 The filament power supply is different. The voltage itself is low and the current value is large. The filament must be on the high-voltage gantry and insulated from the ground side. Even with an isolation transformer, such high voltage cannot be completely isolated. Therefore, a mechanism is used in which a motor is provided on the ground side, a generator is provided on the high-voltage gantry side, and the motor shaft and the generator shaft are directly connected by an insulating rod.
絶縁棒は大地側と高圧側に渡って設けられる。大地側で商用電源によってモータを廻す。それが絶縁棒で高圧架台側の発電器に伝わり発電器を廻す。それによって低電圧交流を発生しフィラメントに印加するようにしている。そのように電気エネルギーを機械エネルギーに変え、さらに電気エネルギーに変換する二重の変換機構を用いる。発電器によって得られた交流は絶縁トランスを介してフィラメントの両端につながれる。フィラメントの電位を決めるために先ほどの加速用の高圧電源の負極電位が絶縁トランスの二次コイル中間端子に与えられる。それによってフィラメントの平均電位は加速電源の負極の電位になる。 The insulating rod is provided across the ground side and the high pressure side. Rotate the motor with commercial power on the ground side. It is an insulating rod that is transmitted to the generator on the high-voltage gantry side and turns the generator. Thereby, a low voltage alternating current is generated and applied to the filament. In this way, a double conversion mechanism that converts electrical energy into mechanical energy and further converts into electrical energy is used. The alternating current obtained by the generator is connected to both ends of the filament through an insulating transformer. In order to determine the potential of the filament, the negative electrode potential of the acceleration high-voltage power source is applied to the intermediate terminal of the secondary coil of the insulation transformer. Thereby, the average potential of the filament becomes the potential of the negative electrode of the acceleration power source.
フィラメントに低電圧交流を流すとフィラメントは発熱する。真空中であり負の高電圧が掛かっているからフィラメントから熱電子が飛び出してくる。
加速管は熱電子発生室に続く縦に長い真空の管であり多数のリング状の加速電極と絶縁リングを重ね合わせたものである。加速電極はたとえば2cm〜3cmの間隔で縦に並べられ一段あたり30keV〜50keVの電圧が配分される。一番フィラメントに近い第1電極から大地側の第m電極まで電圧を等分配するために分圧抵抗が加速電極に接続されている。
When a low voltage alternating current is passed through the filament, the filament generates heat. Thermoelectrons jump out of the filament because it is in a vacuum and a negative high voltage is applied.
The accelerating tube is a vertically long vacuum tube following the thermoelectron generation chamber, and is formed by superposing a large number of ring-shaped accelerating electrodes and insulating rings. For example, the acceleration electrodes are vertically arranged at intervals of 2 cm to 3 cm, and a voltage of 30 keV to 50 keV is distributed per stage. A voltage dividing resistor is connected to the accelerating electrode in order to equally distribute the voltage from the first electrode closest to the filament to the m-th electrode on the ground side.
加速管の直下にあるのは三角形筒状の走査管である。走査管の上部には走査コイルがあり交番電流が流れている。それによって交番磁界が形成されるので電子ビームを左右に走査することができる。走査管の下部は開口部になっている。それを照射窓という。照射窓の開口部はTi、Alの窓箔によって覆われる。窓箔は上方の真空と下方の大気圧を分離するためのものである。電子ビームが窓箔を突き抜けるときにエネルギー損失が起こり窓箔は加熱される。窓箔は水冷、空冷機構によって冷却されている。窓箔の直下の大気圧の空間を被処理物が搬送機構によって運ばれている。搬送方向(x方向)に直交する方向(y方向)にビームを走査することによって被処理物の全面に電子線を照射できる。 Directly below the acceleration tube is a triangular tube-shaped scanning tube. There is a scanning coil in the upper part of the scanning tube, and an alternating current flows. As a result, an alternating magnetic field is formed, and the electron beam can be scanned left and right. The lower part of the scanning tube is an opening. This is called an irradiation window. The opening of the irradiation window is covered with a window foil of Ti and Al. The window foil is for separating the upper vacuum and the lower atmospheric pressure. When the electron beam penetrates the window foil, energy loss occurs and the window foil is heated. The window foil is cooled by a water cooling and air cooling mechanism. The object to be processed is carried by the transport mechanism in the atmospheric pressure space immediately below the window foil. By scanning the beam in a direction (y direction) orthogonal to the transport direction (x direction), the entire surface of the workpiece can be irradiated with an electron beam.
走査型電子線照射装置において、電子線を加速するための加速電圧を維持したまま、被照射物への電子線照射を速やかに遮断するため、ビームシャッターを用いていた。 In a scanning electron beam irradiation apparatus, a beam shutter is used to quickly block electron beam irradiation on an irradiated object while maintaining an acceleration voltage for accelerating the electron beam.
ビームシャッターは水平移動できる可動水冷板である。ビームシャッターの駆動はエア圧力を用いている。照射窓と被照射物の間を移動する。照射作業時にはシャッターは照射窓から横へそれている。遮断時にはビームシャッターは水平移動して照射窓の直下へ移動する。ビームシャッターは直接にビームを遮る事によって照射を停止するものである。 The beam shutter is a movable water cooling plate that can move horizontally. Air pressure is used to drive the beam shutter. Move between the irradiation window and the object to be irradiated. During the irradiation work, the shutter is shifted to the side from the irradiation window. At the time of interruption, the beam shutter moves horizontally and moves directly below the irradiation window. The beam shutter stops irradiation by directly blocking the beam.
図1は従来例を示すための、ビームシャッターを備えた電子線照射装置の概略構成図である。これはコッククロフト電源を加速電源としている。フィラメント電源は地上側のモータと、高圧側の発電器によって与えられる。フィラメント2は加速管3の上方の熱電子発生部に設けられる。フィラメント2は負の高電圧が掛かっている。フィラメント2が加熱されると熱電子が出る。熱電子は高電圧のかかった加速管3の加速電極によって加速される。加速電極は分圧抵抗によって接続されている。加速管3の下にある走査コイル4によってビームは左右に走査される。走査管5の下面には照射窓6があり窓箔がはってある。照射窓6の下に筐体に囲まれた搬送機構があり、その上に被処理物7が乗っている。電子線は加速管で加速され照射窓から大気中へ出て、被処理物7に当たる。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electron beam irradiation apparatus having a beam shutter for showing a conventional example. This uses a cockcroft power supply as an acceleration power supply. Filament power is supplied by a ground-side motor and a high-voltage generator. The
ビームシャッター8は照射窓6と被処理物7の中間に水平に進退可能に設けられる。ビームシャッターは水平の金属板で冷却水が内部を通過し板の全体を冷却するようになっている。ローラやレールで支持されているが支持機構の図示は略している。ビームシャッター8はロッドを介してエアシリンダ9につながっている。エアシリンダ9は電磁弁22を介してポンプにつながっている。ポンプから圧縮空気23が電磁弁を通してエアシリンダ9に導入される。制御盤のシーケンサ20が電磁弁22を開閉する。通常はビームシャッターは後退しており電子ビームは被処理物7に当たっている。
The beam shutter 8 is provided between the
緊急にビームを停止する必要がある場合は、シーケンサ20からの信号によって電磁弁22を開きエアーを導入しエアシリンダ9を伸長しビームシャッター8を閉じる。図1はビームシャッターが閉じた状態を示す。照射窓の直下で電子ビームを遮断し被処理物に電子ビームが当たらないようにする。
When it is necessary to stop the beam urgently, the
ビームシャッター8は直接に電子ビームを遮断する。熱電子は放出が続き電子ビームは出たままであっても電子ビームは被処理物に当たらない。これは加速電源、フィラメント電源を停止させなくてもよい。ビーム照射再開が容易だという利点がある。 The beam shutter 8 directly blocks the electron beam. Even when thermionic electrons continue to be emitted and the electron beam remains emitted, the electron beam does not strike the object to be processed. This does not require stopping the acceleration power source and the filament power source. There is an advantage that it is easy to resume beam irradiation.
電子線照射装置のビーム緊急停止装置に最も普通に使用されているのはビームシャッター8である。しかしビームシャッターの動作時間は約3秒を要する。重たい金属の板を動かすのだから、それは仕方のないことである。そのぐらいの遅れは差し支えないというものもある。しかしビーム停止の遅れが被処理物に致命的なダメージを与えるから、もっと敏速に停止させなければならないというようなこともある。 The beam shutter 8 is most commonly used for a beam emergency stop device of an electron beam irradiation device. However, the operation time of the beam shutter requires about 3 seconds. Because it moves heavy metal plates, it can't be helped. In some cases, such a delay is acceptable. However, delaying the beam stop may cause fatal damage to the workpiece, so it may be necessary to stop it more quickly.
またビームシャッター8は電子線量と冷却水量により照射遮断持続時間に制限がある。ビームシャッターに電子線が当たると運動エネルギーが全部熱に変わるからビームシャッターが加熱される。冷却水が内部を通っているが、なお不十分であり長く電子ビームを遮断しているとビームシャッターが劣化してしまう。 In addition, the beam shutter 8 has a limited irradiation interruption duration depending on the electron dose and the cooling water amount. When an electron beam hits the beam shutter, all the kinetic energy is changed to heat, so the beam shutter is heated. Although the cooling water passes through the inside, it is still insufficient and if the electron beam is blocked for a long time, the beam shutter is deteriorated.
特許文献1は本出願人の手になるものである。ビームシャッターでは遅いので地上側のモータと高圧架台側の発電器によってフィラメント電力が与えられるのに着目し、地上側のモータを電磁ブレーキ付きのものにして電磁ブレーキで緊急にモータを停止させ発電器も停止させフィラメント電力を瞬時に0にする機構を提案している。モータ、発電器回転子の慣性がありフィラメントの電源電圧が0になっても熱電子がすぐ止まらないから、やはり3秒程度の遅延時間がある。被処理物の種類や照射の目的によっては、やはり遅すぎるということもある。 Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 is for the present applicant. Focusing on the fact that the beam shutter is slow, so the filament power is given by the ground-side motor and the generator on the high-voltage gantry. Has been proposed, and a mechanism for instantaneously reducing the filament power to zero is proposed. Since there is inertia of the motor and generator rotor and the thermoelectrons do not stop immediately even when the filament power supply voltage becomes zero, there is also a delay time of about 3 seconds. Depending on the type of object to be processed and the purpose of irradiation, it may be too slow.
電子線照射装置において、従来用いていたビームシャッターは、大きい重量の水冷板を移動させるので、移動に時間を要する。移動時間の分だけビーム遮断までに時間遅れが生ずる。そのため電子流遮断までの遅延時間は約3秒である。 In the electron beam irradiation apparatus, a conventionally used beam shutter moves a water-cooled plate having a large weight, and thus requires a long time to move. There is a time delay until the beam is cut off by the moving time. Therefore, the delay time until the electron current is cut off is about 3 seconds.
電子線を遮断する方法として、電力供給元である主電源を遮断するというのもある。つまり負の高電圧を0に落とし高電圧がフィラメントに掛からないようにし熱電子の引き出しを停止するものである。この方法では高電圧を0Vに落とすのだから放電時間が必要で遅延時間が長い。また加速電圧も同時に遮断されることになる。コッククロフト電源のコンデンサが全て放電される。再びこれを全て充電するには時間がかかる。そのため次回の照射を速やかに行うことができない。そのような欠点がある。 As a method of cutting off the electron beam, there is also a method of cutting off the main power source that is a power supply source. That is, the negative high voltage is reduced to 0 so that the high voltage is not applied to the filament, and the extraction of thermoelectrons is stopped. In this method, since the high voltage is lowered to 0 V, a discharge time is required and a delay time is long. The acceleration voltage is also cut off at the same time. All capacitors of cockcroft power supply are discharged. It takes time to charge all this again. Therefore, the next irradiation cannot be performed promptly. There are such drawbacks.
またフィラメントへの電力供給用のモータを止めてフィラメント電力を遮断することも可能である。しかし慣性力のあるモータと発電器の回転を即時に止めることができないので電子流遮断が遅れてしまう。フィラメント電流遮断と電子線停止の間に約3秒程度の遅延がある。 It is also possible to shut off the filament power by stopping the motor for supplying power to the filament. However, since the rotation of the motor having a force of inertia and the generator cannot be stopped immediately, the electron current interruption is delayed. There is a delay of about 3 seconds between filament current interruption and electron beam stop.
より迅速に電子流を止めるための手段が望まれる。迅速にビームを止めたり通したりするのだから重い物体を移動させるというようなことはしたくない。それに加速電源を0Vにすると再度の立ち上げに時間が掛かり過ぎる。フィラメント電力も0Vにしてしまうと再度の立ち上げに時間を喰う。 A means to stop the electron flow more quickly is desired. I don't want to move heavy objects because they stop and pass the beam quickly. In addition, if the acceleration power supply is set to 0 V, it takes too much time to start up again. If the filament power is also reduced to 0V, it takes time to start up again.
通常の電子線照射装置においては、高圧電源の負極Nはフィラメント電源トランスの中間端子Mと第1加速電極Kに接続されている(VN=VM=VK)。本発明は高圧電源の負極Nを第1加速電極Kに繋ぐが、それをフィラメント電源トランスの中間端子Mに直接に繋がず高い値をもつ抵抗Rとスイッチ素子を並列接続してつなぐ(VN=VK≠VM)。 In a normal electron beam irradiation apparatus, the negative electrode N of the high-voltage power supply is connected to the intermediate terminal M of the filament power supply transformer and the first acceleration electrode K (V N = V M = V K ). In the present invention, the negative electrode N of the high-voltage power source is connected to the first acceleration electrode K, but it is not directly connected to the intermediate terminal M of the filament power transformer, and the resistor R having a high value and the switch element are connected in parallel (V N = V K ≠ V M ).
電子ビーム照射時はスイッチ素子を閉じて、フィラメント電源トランス中間電位Mと第1加速電極Kの電位、電源電圧Nを同一とする(VN=VM=VK)。が、緊急にビームを停止する必要があるときは、スイッチ素子をオフにして抵抗Rを通じて電流がフィラメント側Mから第1電極Kへ流れるようにし、第1加速電極Kをフィラメント電源M電圧よりも低い電圧(VK<VM=VN))にしてフィラメントから出た電子が第1加速電極Kによって押し返されるようにする。 At the time of electron beam irradiation, the switch element is closed, and the filament power transformer intermediate potential M, the potential of the first acceleration electrode K, and the power supply voltage N are made the same (V N = V M = V K ). However, when it is necessary to stop the beam urgently, the switch element is turned off so that the current flows from the filament side M to the first electrode K through the resistor R, and the first acceleration electrode K is set to be higher than the filament power supply M voltage. A low voltage (V K <V M = V N ) is set so that electrons emitted from the filament are pushed back by the first acceleration electrode K.
信号電線を大地側と高圧架台に渡って引く事ができないので信号の送信受信は光信号によって行う。スイッチ素子は高圧架台に設けた受光素子によって開閉し、受光素子に対向するように発光素子を設けておき地上側から発光素子の発光を制御して受光素子へ信号を送るようにする。発光素子(LED;LD)と受光素子(PD)の組み合わせは、大地側と高圧側の絶縁を破ることはない。 Since the signal wire cannot be drawn across the ground side and the high-voltage mount, transmission and reception of signals are performed by optical signals. The switch element is opened and closed by a light receiving element provided on the high voltage gantry, and a light emitting element is provided so as to face the light receiving element, and the light emission of the light emitting element is controlled from the ground side to send a signal to the light receiving element. The combination of the light emitting element (LED; LD) and the light receiving element (PD) does not break the insulation between the ground side and the high voltage side.
モータ・ジェネレータ方式でフィラメント電力を供給しているタイプの電子線照射装置において本発明は加速管の第1加速電極の電位VKをフィラメント電位VMより上げる事によって電子を排斥し電子ビームが加速管へ出て行かないようにする。スイッチ素子のオンオフだけで行えるから、その動作は迅速である。3秒もかからず、1秒以下でビームを遮断できる。 The present invention is an electron beam repels electrons by raising the potential V K of the first accelerating electrode of the accelerating tube from the filament voltage V M is accelerated in the electron beam irradiation apparatus of the type supplying filament power in motor generator system Do not go out to the tube. Since the switch element can be turned on and off only, the operation is quick. It takes less than 3 seconds and can cut off the beam in less than 1 second.
高圧電源(コッククロフト電源)をオフにするのではない。だから加速電圧を維持したまま速やかに電子線を停止し、被照射物に対する照射を瞬時に停止できる。
フィラメント電力を遮断するのでもない。モータ・発電器は回転したままである。フィラメントは点灯し続ける。
The high voltage power supply (cockcroft power supply) is not turned off. Therefore, the electron beam can be stopped quickly while maintaining the acceleration voltage, and irradiation to the irradiated object can be stopped instantaneously.
It does not cut off the filament power. The motor / generator remains rotating. The filament continues to light up.
加速電圧を発生した状態でフィラメントも点灯し続けているから、その後の電子ビーム照射を速やかに再開することができる。その点で加速電源(コッククロフト電源)をオフにするものに比べてビーム再開が容易である。フィラメント電力を遮断するものに比べてもなお敏速にビーム再開できる。 Since the filament continues to be lit while the acceleration voltage is generated, the subsequent electron beam irradiation can be resumed promptly. In that respect, the beam can be restarted more easily than when the acceleration power supply (cockcroft power supply) is turned off. The beam can be resumed more quickly than when the filament power is cut off.
さらにビームシャッターに比べて機械部分が少ないため耐久性に優れる。ビームシャッターは重い金属板を水平移動させるから、レール、ローラ、歯車などが摩耗してくる。またビームシャッターで電子線を遮るとビームシャッターが電子線で加熱されるから大量の冷却水が必要である。 Furthermore, it has excellent durability because it has fewer mechanical parts than a beam shutter. Since the beam shutter moves a heavy metal plate horizontally, rails, rollers, gears, etc. are worn out. Further, if the electron beam is blocked by the beam shutter, the beam shutter is heated by the electron beam, so a large amount of cooling water is required.
本発明は板で電子線を遮るのではないから冷却は不要である。そのため無駄な電力が不要になる。電力消費が軽減される。ビームシャッターに比べてビーム遮断が迅速である。 Since the present invention does not block the electron beam with a plate, cooling is unnecessary. Therefore, useless power is unnecessary. Power consumption is reduced. Compared with the beam shutter, the beam is cut off quickly.
ただし漏れビームの存在によってビームを遮断するので本発明のビーム遮断は完全でない。しかし特別な被処理物でない限り漏れビームは被処理物に悪影響を与えないので不完全遮断であっても充分である。それについては後に述べる。 However, since the beam is blocked by the presence of the leaking beam, the beam blocking of the present invention is not perfect. However, the leakage beam does not adversely affect the object to be processed unless it is a special object to be processed. More on that later.
図2によって本発明の実施例にかかる電子線照射装置を説明する。
フィラメント2が、加速管3の上頂部にあり、ここから熱電子が出る。縦長加速管3の下方に三角形の広がりをもつ走査管5が続いている。加速管3の終端部に走査コイル4があり、電子ビームを左右に走査する。走査された電子ビームは走査管5の直下の照射窓6の窓箔を通過して被処理物7に照射される。被処理物7は搬送機構(図示しない)によって走査方向(y方向)と直交する方向(x方向)に送られる。
An electron beam irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The
加速電源25は整流器とコンデンサを直列に接続したコッククロフト型のものが用いられる。主電源(商用電源:E1)から、主電力調整器24を経て交流電力がトランス26の一次巻線に与えられる。トランス26の二次巻線の一方の端子Sは大地に接続してある。二次巻線側にはコンデンサ27、28、29の直列体、コンデンサ30、31、32の直列体がつながれる。
The acceleration power source 25 is a cockcroft type in which a rectifier and a capacitor are connected in series. AC power is supplied from the main power source (commercial power source: E 1 ) to the primary winding of the
ここでは3対しか描いていないが、もっと多い事もある。コンデンサの容量、耐圧、個数は、必要な加速電圧、ビーム電流によって適当に決める。両側のコンデンサ間には、千鳥状に整流器33、34、35、36、37、38が接続してある。直列コンデンサの始端と終端の間のSN間に負の高電圧VN(加速電圧:VN<0)が発生する。これは交流の半波ごとにコンデンサを順に蓄電してゆくコッククロフト型のもので直列全波整流回路としてはありふれたものである。もちろん、その他の回路を使ってもよい。
Only 3 pairs are drawn here, but there are many more. The capacity, breakdown voltage, and number of capacitors are appropriately determined according to the required acceleration voltage and beam current.
これが電子ビームに運動エネルギーを与える。走査型であるから500keV以上であることが多い。加速電圧VNは、負電源の極から大地側へと直列に接続された抵抗体40、42、43、44と電流計45によって測定できる。抵抗体の全抵抗をRmとし、電流計45に流れる電流をIaとすると、電源電圧はVN=−RmIaによって与えられる。だから電源電圧は常に監視されている。その信号は制御ユニット48に入力される。
This gives kinetic energy to the electron beam. Since it is a scanning type, it is often 500 keV or more. The acceleration voltage V N can be measured by
フィラメント2を加熱するための電源は、加速電源25とは全く別異である。外部電源E2から、大地側に設けられたモータインバータ49に電力が与えられる。モータインバータ49は外部電力を直流に一旦変換し任意の周波数fの交流に逆変換する。モータインバータ49は大地側の交流モータ(D)50を廻すものである。交流モータDは周波数を変えることによって回転数を変化させるのでモータインバータ49が必要である。モータ50の出力軸は絶縁棒52によって高圧架台側の発電器(G)53の入力軸に直結されている。
The power source for heating the
絶縁棒52が大地側と高圧側にさし渡されているが、これは絶縁体であるから、大地・高圧側間の絶縁を維持できる。高圧側では発電器(G)53が廻るので交流電力が得られる。発電器の電力は回転数に比例するので回転数を制御すれば発電器出力を自在に調節することができる。
The insulating
発電器53の出力54、55はトランス59によってフィラメント2を駆動するのに適した低い電圧で大きい電流に変換される。トランス59は発電器53とフィラメント2を絶縁する目的もある。トランス59の二次側線60、62はフィラメント2の両端に接続される。トランスの中間端子をMとする。
The
加速管3には多数のリング状の加速電極72、73、…、79が上下に等間隔で設けられる。電極数が8という意味ではない。電極の数は任意である。電圧の大きさによって電極数は適宜増減する。一番フィラメントに近い電極から第1電極、第2電極、…というように呼ぶ。リング状加速電極72、73、…、79の間にはガラスの絶縁リングが設けられる。加速電極間には分圧抵抗82、83、…、89が接続される。最後の電極79は電流計90を介して接地される。電流計90によって測定される電流Icは加速電極に衝突した電子ビーム電流である。
The
フィラメント2から出た電子ビームは被処理物7に当たる。一部は窓箔で損失になる。一部は被処理物に当たらず搬送機構に当たる。それらの電子ビーム電流は加速電源25の接地側端子Sに接続された電流計46で測定できる。その電流Ibは電子ビーム電流である。Ic+Ibがフィラメントから出た全電子電流に等しい。
The electron beam emitted from the
加速電源25の電極N(電位VN<0)は、第1電極72(K)と接続される。分圧抵抗があるから加速電極72、73、…、79にはVNが等分配された電圧が掛かることになる。
The electrode N (potential V N <0) of the acceleration power supply 25 is connected to the first electrode 72 (K). Since there is a voltage dividing resistance, a voltage in which V N is equally distributed is applied to the
そのような構造は従来例と同様である。
従来の構造では、高圧電源25の電極Nと第1電極Kと、フィラメント電源の中間端子Mが一つに接続されていた。そのようにしないとフィラメント2の電位が浮いてしまい、フィラメントから電子が出ても加速されない。つまりK−N−Mという接続関係(VK=VN=VM)があってフィラメントから出た電子の電位がVNであり、それだから大地との間で加速されるのである。
Such a structure is the same as the conventional example.
In the conventional structure, the electrode N and the first electrode K of the high-voltage power supply 25 and the intermediate terminal M of the filament power supply are connected together. Otherwise, the potential of the
しかし本発明は、高圧電源Nと第1加速電極Kとは繋ぐが、フィラメント電位Mとは直結しない。NKとMの間に、高い抵抗値をもつ抵抗64と、スイッチ素子63を並列に接続する。スイッチ素子63はトランジスタ、FETなど任意の高速半導体素子である。
However, in the present invention, the high voltage power supply N and the first acceleration electrode K are connected, but the filament potential M is not directly connected. A
スイッチ素子63のために新たな電源回路が必要である。それは発電器53(G)から取ることができる。フィラメント電力の一部をスイッチ素子のために利用するのである。電源回路56は発電器の出力54、55から交流電力を取り適当な電圧の直流に直す。それは受光素子(PD、APD、フォトトランジスタPTR)57の電源ともなる。電源回路56は駆動回路58に電力を与える。受光素子57に対向するように発光素子67が対向して設置される。発光素子67は大地電位側にあり、シーケンサにつながる発光素子駆動回路66によって駆動される。光信号を用いるのは大地側と高電圧架台の間の絶縁性を維持するためである。
A new power supply circuit is required for the switch element 63. It can be taken from the generator 53 (G). Part of the filament power is used for the switch element. The power supply circuit 56 takes AC power from the generator outputs 54 and 55 and converts it to a DC voltage of an appropriate voltage. It also serves as a power source for the light receiving element (PD, APD, phototransistor PTR) 57. The power supply circuit 56 supplies power to the drive circuit 58. A
受光素子57は、発光素子67の信号を受ける。受光素子57の出力を増幅する駆動回路58がスイッチ素子63をオンオフする。通常は発光素子信号は存在しないで、受光素子は信号を受けず、スイッチ素子63が導通している。電源端子Nとフィラメント中間端子Mはスイッチ素子で接続され同一電位になる。ビームを緊急停止するには、発光素子67を光らせて受光素子57へ光信号を送り、スイッチ素子63をオフにし、フィラメント電位Mを電源Nよりも高い電位(絶対値は下がる)としビームを止める。
The light receiving element 57 receives a signal from the
発光素子67と受光素子57の関係は単純なオン、オフの信号伝達とは限らず、周波数や振幅や波形を変えて、スイッチ素子63のオン、オフを切り換えるようにしてもよい。外部のノイズによって誤動作しないような工夫をすべきである。
The relationship between the light emitting
ビーム引き出し時にはスイッチ素子63はオンとする。高圧電源N、第1加速電極K、フィラメントMは同一の電位となる(VK=VN=VM)。同一電位だから第1加速電極Kは電子運動を妨げない。第2加速電極以下はより高電位(負で絶対値が低い)になるから電子を引き付けることができる。そのためフィラメントから熱電子が引き出されて加速管へと導かれる。 At the time of beam extraction, the switch element 63 is turned on. The high-voltage power supply N, the first acceleration electrode K, and the filament M are at the same potential (V K = V N = V M ). Since the potential is the same, the first accelerating electrode K does not disturb the electron motion. Since the second accelerating electrode and lower electrodes have a higher potential (negative and lower absolute value), electrons can be attracted. Therefore, thermoelectrons are extracted from the filament and guided to the acceleration tube.
ビームを緊急遮断したいという場合、スイッチ素子63をオフにする。すると、高圧電源N、第1加速電極Kと、フィラメントMの電位が異なってくる。抵抗64の中をフィラメント電位Mから電源電位Nに向かって電流が流れる。その電流Ixは僅かであるが抵抗64の抵抗値Rが大きいから電位差RIx(正)はかなり大きくなる。VM=RIx+VNとなる。フィラメント電源電位が上がる(VK=VN<VM<0)ので、フィラメントの電子から見ると、第1加速電極Kの電位が下がる。電子は電位の高い方へ加速されるのであるから、第1加速電極Kによって減速される。つまり第1加速電極Kを乗り越えることができない。それで電子ビームが停止するということになる。
When it is desired to urgently cut off the beam, the switch element 63 is turned off. Then, the potentials of the high voltage power supply N, the first acceleration electrode K, and the filament M are different. A current flows through the
但し本発明のビーム遮断の方法は、ビームシャッター閉や、加速電源オフ、フィラメント電力オフのようにビーム遮断が完全ではない。幾分の漏れ電子ビームが発生する。それはやむを得ないことである。 However, the beam blocking method of the present invention is not perfect for beam blocking such as beam shutter closing, acceleration power off, and filament power off. Some leakage electron beam is generated. It is unavoidable.
この点は少し分かりにくいことであるが、次のような事である。スイッチ素子が導通しており電子ビームがフィラメントから加速管3、走査管5を経て被処理物7に照射されているとする。ここでスイッチ素子63をオフにしたとする。その瞬間からフィラメント電位が上がり始める。
This point is a little difficult to understand, but it is as follows. It is assumed that the switch element is conductive and the
それでビーム引き出し電流Ib(正にとる)が減少する。抵抗64にそれと同じ電流が流れるから、NM間(KM間)の電圧降下は、Vf=RIbである。それがフィラメント平均電位Mと第1加速電極Kの電位の差になる。フィラメント電位と第1加速電極の間の電位差が100V程度になるとビームは殆ど引き出されなくなる。ビーム電流Ibが減少して、100V=RIbとなるとビーム電流はそれ以上減らなくなる。それより減ると第1加速電極の抑止力が消失するからビームは増勢に転ずる。それより増えると第1加速電極電圧が上がり電子が追い帰されるようになる。
As a result, the beam extraction current I b (taken positive) decreases. Since the same current flows through the
だから抵抗64の抵抗値を100MΩ程度にすると、臨界のイオンビームは1μA程度になる。その程度の漏れイオンビームがあって、第1電極Kとフィラメント電位Mとの電位差を100V程度に維持できる。漏れビームの値は抵抗64の値Rで決めることができる。
Therefore, when the resistance value of the
1μA程度の微細な漏れビームであれば被処理物に悪影響を及ぼすことはない。そのように本発明の方法は漏れビームによって第1加速電極の電圧を上げているから完全にビームを遮断できないという欠点はある。しかし、それは殆ど差し支えないことである。 A minute leak beam of about 1 μA will not adversely affect the workpiece. As described above, the method of the present invention has a drawback that the beam cannot be completely blocked because the voltage of the first accelerating electrode is increased by the leakage beam. However, it is almost safe.
スイッチ素子63をオンからオフへと変化させるだけで第1加速電極Kが電子ビームを遮断する。重いビームシャッターを動かすとか、慣性のあるモータ・発電器の回転子を停止させるとかいうことは不要である。半導体素子のオンオフだけでが行われるから、その動作は迅速である。遅延時間を1msの程度に縮めることができる。 The first acceleration electrode K blocks the electron beam only by changing the switch element 63 from on to off. There is no need to move a heavy beam shutter or to stop the rotor of an inertial motor / generator. Since only the semiconductor element is turned on and off, the operation is quick. The delay time can be reduced to about 1 ms.
さらに好都合な点は、加速電源25を遮断する必要がなく、電極Nの電位は負の高電圧に維持されるから、ビーム再開のために、高電圧をチャージするための時間遅れがない、ということである。またフィラメント電源も消す必要がない。フィラメントは点灯したままであるが第1加速電極Kがフィラメントより負電位になっており電子ビームとして引き出されない。そのように加速電源フィラメント電源が点灯したままビームを緊急停止できるので、ビーム照射再開に時間がかからない。 A further advantage is that the acceleration power supply 25 does not need to be cut off, and the potential of the electrode N is maintained at a negative high voltage, so that there is no time delay for charging the high voltage for beam resumption. That is. There is no need to turn off the filament power supply. Although the filament remains lit, the first accelerating electrode K is at a negative potential from the filament and is not extracted as an electron beam. In this way, the beam can be stopped urgently while the acceleration power supply filament power is on, so that it does not take time to resume the beam irradiation.
2 フィラメント
3 加速管
4 走査コイル
5 走査管
6 照射窓
7 被処理物
8 ビームシャッター
9 エアシリンダ
20 シーケンサ
22 電磁弁
23 圧縮空気
24 主電力調整器
25 コッククロフト高圧電源(加速電源)
26 トランス
27〜32 コンデンサ
33〜38 整流器
40〜44 抵抗
45 電源電圧測定用電流計
46 電子ビーム電流測定電流計
47 シーケンサ
48 制御ユニット
49 モータインバータ
50 モータ
52 絶縁棒
53 発電器
54、55 発電器の出力
56 電源回路
57 受光素子
58 駆動回路(増幅回路)
59 トランス
60、62 フィラメント電源線
63 スイッチ素子
64 抵抗
66 (シーケンサによる)発光素子制御系
67 発光素子
72〜79 加速電極
82〜89 分圧抵抗
90 加速電極漏れ電流測定用電流計
2 Filament
3 Accelerating tube
4 Scanning coil
5 Scan tube
6 Irradiation window
7 Workpiece
8 Beam shutter
9 Air cylinder
20 Sequencer
22 Solenoid valve
23
25 Cockcroft high-voltage power supply (acceleration power supply)
26 transformer
27-32 capacitors
33-38 Rectifier
40-44 resistance
45 Ammeter for power supply voltage measurement
46 Electron Beam Current Measurement Ammeter
47 Sequencer
48 Control unit
49 Motor inverter
50 motor
52 Insulating rod
53 Generator
54, 55 Generator output 56 Power circuit
57 Light receiving element
58 Drive circuit (amplifier circuit)
59 Trans
60, 62 Filament power line
63 Switch element
64 resistance
66 Light emitting element control system (by sequencer)
67 Light Emitting Element
72-79 Accelerating electrode
82-89 Partial resistance
90 Ammeter for accelerating electrode leakage current measurement
Claims (1)
Accelerating power source that generates negative high voltage provided in the high voltage part, filament that generates thermoelectrons in vacuum in the high voltage part, and rotating the high voltage generator with the ground side motor A filament power supply in a high voltage section for generating a voltage, an accelerating tube having a plurality of accelerating electrodes for accelerating electrons in vacuum to form an electron beam, a scanning tube for scanning the accelerated electron beam, and a lower portion of the scanning tube In a scanning electron beam irradiation apparatus having an irradiation window having a window foil, a transfer device that conveys an object to be processed so as to pass directly under the irradiation window, and a casing surrounding the transfer device, a filament power supply potential at a high voltage portion M is connected directly to the high voltage negative electrode N of the acceleration power source and the first acceleration electrode K of the acceleration tube, and the filament power source potential M is connected to the negative electrode N and the acceleration electrode K by a resistor and a switch element arranged in parallel. Elementary Is driven to be opened and closed by a light receiving element provided on the high voltage side, and from the light emitting element provided on the ground side to send a close signal to the light receiving element, and the filament voltage V M by closing the switching element, the potential of the first electrode V K, equal the acceleration power supply potential V N draws heat electrons from the filament, the filament voltage V M by opening the switch, withdrawal of the electron beam is higher than the first accelerating electrode potential V K, and acceleration power supply potential V N The beam stop mechanism of the scanning electron beam irradiation apparatus is characterized in that the beam is almost stopped.
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- 2004-01-21 JP JP2004012710A patent/JP2005209424A/en active Pending
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