JP2006038516A

JP2006038516A - 電子線照射装置

Info

Publication number: JP2006038516A
Application number: JP2004215679A
Authority: JP
Inventors: Tatsunobu Sugita; 達信杉田
Original assignee: NHV Corp
Current assignee: NHV Corp
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】電子線発生のためのフィラメントは加熱のためにかなりの電力を要求する。フィラメント加熱のために大地側にモータ、高圧側に発電機、その間に絶縁棒を用いた機構が用いられる。絶縁棒の加工、設置に時間がかかりモータ、発電機は広いスペースを必要とする。電子線発生の為の電力を節減し電子線照射装置の小型化を図ること。
【解決手段】電子源として冷陰極を用い、陰極用電源として光伝送を用いる。大地側に発光素子よりなる光源と、高圧側に光電パネルを設け光によってエネルギーを伝える。冷陰極と引出電極の間に電圧を印加し、それによって電子線を引き出す。印加される電圧により発生する電子流が制御される。モータ、発電機、絶縁棒のような機械部分がないので高圧架台の必要な容積を減らすことができる。小型化が可能な電子線照射装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空中で陰極から電子を引き出し加速させ大気中に取り出して被処理物に照射し様々な処理をする電子線照射装置に関する。

電子線照射装置は、真空チャンバ、真空チャンバ内で電子線を発生するためのフィラメント、加速のための高圧電源、フィラメントを加熱するための電源、加速管、照射窓、搬送装置、筐体などを含む。加速電源は複数の整流器とコンデンサを交差接続し、倍電圧整流を重ねることによって昇圧するような電源となっている。フィラメント電力はモータ・絶縁棒・発電器の組み合わせによって供給するようになっている。

図２によって従来例にかかる電子線照射装置の構造の概略を説明する。縦長の加速管８は真空に引かれており、その壁面には等間隔にリング状の加速電極６が複数段設けられる。加速電極６は、上から第１電極６９、第２電極、…というように大地側電極６０まで等分に配置される。加速電極６９、…、６０の間には分圧抵抗９が接続される。分圧抵抗９によって加速電極６９、…、６０には等差数列的に配分された電圧が印加されている。

加速管８の下にはロート型に広がった走査管２０が設けられる。走査管２０の拡開部の始端には走査コイル２６があって交番磁界を発生する。フィラメント７から出た電子線は交番磁界によって左右に走査される。走査管２０の下端の開口部が照射窓２７であり、そこにはＴｉの窓箔２８が張ってある。照射窓２７から出た電子線は被処理物２９の上に当たり所望の処理を行う。それは電線被覆高分子架橋、プラスチックの改質、ゴム、タイヤの耐熱性、耐摩耗性の改善、塗膜の硬化、医療用機器部材の殺菌、廃ガスの脱流など様々な処理である。

被処理物２９は紙面と直交する方向に搬送される。搬送機構は例えば無端周回コンベヤである。電子線が被処理物やコンベヤに当たるとＸ線が出て、それが散乱されるしオゾンを発生することもある。そこで搬送機構の全体は重厚な金属、コンクリートの筐体で包囲される。オゾンが発生しては好ましくないという場合は窒素やＡｒなど不活性ガス雰囲気とする。

電子線を加速するための負高電圧（加速電圧Ｖａｃｃ）を発生しているのは高圧架台に設けられた直流高圧電源４０である。高圧電源４０は商用電源３２、インバータ３３、トランス３４と、襷がけに交互接続された整流器４２〜４９、コンデンサ５２〜５９などを組み合わせたものである。それらは絶縁性の高いＳＦ_６ガスを充填した容器に収容されている。その容器内の上部が高圧架台となっている。整流器、コンデンサを幾つも襷がけに組み合わせ倍電圧整流して昇圧してゆく。これはコッククロフト型の電源を図示しているが、その他にも様々の昇圧のための接続様式が知られており、いずれを用いてもよい。

電子を発生するための陰極はフィラメントとなっている。熱陰極である。フィラメント用電力の供給について述べる。大地側に設けたモータ２は商用電源２２、インバータ２３から電力を供給されることによって回転する交流モータである。モータ２の回転力は絶縁棒３を伝わって、高圧架台側の発電機４に与えられる。発電機４は交流電力を発生する。たとえば１００Ｖの交流を発生する。

それがフィラメントトランス５によって適当な電圧、電流に変換される。たとえば５Ｖの交流に落とされる。低電圧になった電力が高圧架台上で真空に保持されたフィラメント７に与えられる。フィラメント７は抵抗が小さい負荷なので電流が大きく電圧はあまり大きくない。フィラメント７は加熱されて熱電子が発生する。

加速電源４０の負電極側５０が、フィラメントトランス二次側の中間端子７２に接続され、かつ加速電極の第１番目の電極６９に接続される。電子電流が循環するループを作ることによって初めて電子が加速管を通り抜け大地へと飛翔することができる。

従来の走査型の電子線照射装置は、電子源にタングステンフィラメントを用いる。大地側にモータ、高圧電位側に発電機を設置し、モータと発電機を絶縁ロッドで接続してモータを回転させることにより高圧電位部で電力を発生させフィラメントを点灯させ熱電子を発生し加速させている。
特許文献１は本発明に特に関係はないが、モータ、絶縁棒、発電機によってフィラメント電力を伝送することが図面に示されているのでここに挙げた。非特許文献１は走査型電子線照射装置の全体をよく説明しているので挙げた。フィラメントの給電に関してはやはりモータ、絶縁棒、発電機の組み合わせを用いている。

特開２００４−７７２７１「電子線照射装置の電子流急停止機構」

水澤健一、谷口周一、上原昇平、林啓三、岡本健二、山住薫、八代嘉文、「５ＭＶ３０ｍＡ電子線照射装置」、日新電機技報Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．３，１６頁−２２頁（１９９０）

上記のように従来の電子線照射装置はフィラメントと、フィラメント電力を供給するためのモータ、発電機、絶縁ロッドなどの機器が必要であった。フィラメントは加速管の上部にあり、これはＳＦ_６ガスが充填された容器内に設置されなければならない。モータも発電機も嵩高いものであり容器を小型化できない原因の一つとなっている。モータは例えば２００Ｗ、１００Ｖ定格であるがφ３０ｃｍ程度の大きさがある。発電機は１００Ｖ程度の電圧を発生するものを使う。発電機も同じぐらいの大きさがある。トランスは１００Ｖを２〜３Ｖ程度のフィラメントにふさわしい低電圧、大電流に変換する。

モータ、発電機、トランス以外にも問題がある。それは絶縁棒の存在である。沿面電界が高いと絶縁破壊が起こり絶縁棒の表面に電流が流れる。それを遮断するため電位が高くなればなるほど長いものが必要である。１００ｋＶあたり１０ｃｍ程度は欲しい。だから１ＭＶで１００ｃｍとなる。たとえば数ＭＶの場合は数ｍもの長さの絶縁ロッド（絶縁棒）が必要であった。長く細い棒であるが縦方向にバランス良く設けられる。斜めにしたのでは横ぶれする。縦にして間に軸受を幾つか設け偏心しないようにしている。しかし低い周波数の回転をさせるから共鳴振動する可能性もある。そのように縦型軸受設置という条件があるし、絶縁ロッドの沿面での高電圧を絶縁する必要があるので設置できる場所が限定される。それが絶縁容器を大きくし、ひいては電子線照射装置全体を大きくする原因の一つであった。

本発明は、電子源としてフィラメントの代わりに冷陰極を設ける。電子流は冷陰極によって発生する。冷陰極を電子線照射装置に用いた例はない。しかし冷陰極とそれに対向する電極の間に電圧を掛けると冷陰極の表面から電子を発生させることができる。また冷陰極は発熱する必要がなく電力があまり要らないから、これまでのフィラメント加熱電力よりももっと小さい電力で済む。電子発生のための電力は、大地側に光源を、高圧側に光電パネルを設け、光源から光を空間伝送することによって光電パネルに送り、ここで光電変換して電力を得る。その電力によって冷陰極から電子を発生させるようにした。冷陰極は、フィラメントよりも小電力で電子が出る。それが光による伝送を可能にする。光源・光電パネルの組み合わせによって送る必要がある電力は少なく、光による伝送でも充分にまかなえる。

本発明は、電子源に冷陰極を用い、給電のために光エネルギーを用いる。真空中といえどもフィラメントは蒸発して次第に痩せてゆき断線する。フィラメントは寿命が短い。それに反して冷陰極は消耗する部分がない。長寿命で保守点検の手間も省ける。冷陰極は加熱する必要がなく対向電極との間に形成される電界の強さによって電子を発生する。フィラメント加熱の電力がいらないから電子発生に要する電力が節減される。供給すべき電力が節減されるから光によるエネルギー伝送が可能になる。大地側に光源、高電圧側に光電パネルを設け光源からの光を光電パネルで電流に逆変換してそれによって冷陰極から電子線を発生させる。モータ・絶縁棒・発電機が不要となる。容積の大きい機器を絶縁容器の中から排斥できる。小型化された安価な装置を作る事ができる。設計の自由度も高くなり安全性も向上する。

加速管の上部に冷陰極を設け加速電源の負高圧に接続する。第１加速電極にはそれよりも高い負電圧（絶対値では低い）を与える。その電位差δＶによって冷陰極から電子が引き出される。冷陰極というのはカーボン、タンタルなど高熱に耐える材料を加工して多数の突起を表面に造形したものである。対向する第１加速電極との間に電圧がかかっており電界分布ができている。突起の周りでは電界が大きくなって電子が引き出されやすくなる。高温にしなくても電界だけの作用で電子を引き出す。電界だけの作用で足り加熱の必要がないから、あまり電流は必要でない。消費電力が少なくなるので給電が楽になる。給電に余裕があるからモータ、発電機、絶縁棒を使った在来のものでなく小電力伝送用の機構を使う事ができる。

光による給電のため、大地側に光源を、高圧電位側に光発電パネルを設置する。光発電パネルからの電力はＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧し、発生電子流制御用の引出電極（第１加速電極）に供給される。

この場合、加速される電子電流の制御は光源により調整することができる。
それ以外にも、光発電では必要な電力を常時発電しておき、ＦＥＴなどを高圧部に追加して大地側から光信号により電圧を調整するようにすることもできる。

図１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。電子線発生のために、フィラメントの代わりに冷陰極７０を設ける。冷陰極７０は、カーボン、高融点金属で表面に突起を多数設け、電圧がかかった時にできる電界強度を表面でとくに強くしたものである。冷陰極７０と第１加速電極６９が対向する。冷陰極７０と対向する第１加速電極６９の間に適当な電圧を印加する。陰極用電源は冷陰極と第１加速電極の間に電圧を加える為に必要である。加熱しないから電力は小さくてよい。

冷陰極７０と第１加速電極６９の間に電圧を与えるための機構が陰極用電源で、大地側の光源８０、高圧側の光電パネル８２、ＤＣ−ＤＣコンバータ８４などよりなる。コンバータ８４は直流の適当な電圧を発生し、それが冷陰極７０と第１加速電極６９の間に与えられる。加速電源４０の最終端子は第１加速電極６９に接続される。第１加速電極６９は引出電極として機能し冷陰極７０近傍に高い電界を発生させ表面から電子を引き出すようになっている。引き出された電子線は加速管８で加速される。

縦長の加速管８は真空に引く事のできるチャンバである。側壁には多数のリング状の加速電極６が設けられる。第１電極６９が最上段に、最終電極６０が最下段に設けられる。段数は加速電圧Ｖａｃｃの高さによって増減される。隣接する加速電極６の間には分圧抵抗９が接続される。加速管８の下端には底広がりの走査管２０が接続されている。走査管２０の上部には走査コイル２６があって電子ビームを左右に走査するようになっている。

走査管２０の下の開口部が照射窓２７であり照射窓２７には窓箔２８が張ってある。照射窓２７の直下を被処理物２９が送られてくる。搬送機構は無端周回コンベヤなどである。搬送機構や被処理物を厚い金属の筐体で囲んでいるが、ここでは図示を省略した。

加速電源４０は、商用電源３２、インバータ回路３３、トランス３４と、コンデンサ、整流器を組み合わせた高圧電源とからなる。商用電源３２の２００Ｖ三相交流を適当な電圧、周波数の交流に変換してトランスを介して二次側に交流電圧を与える。それを整流器４２〜４９と、コンデンサ５２〜５９の組み合わせで倍電圧整流して高圧を得るようになっている。所望の加速電圧Ｖａｃｃによってコンデンサや整流器の数を増減する。加速電源４０の最終端子５０は、第１段の加速電極６９に接続される。加速電極の最終端子５０は抵抗３８を介して接地される。抵抗３８に流れる電流を電流計３６で監視しそれによって加速電圧Ｖａｃｃが分かる。そのような高圧電源の構造はありふれたものであり、これ以外にもいくつもの候補がある。

加速電極は複数段あり、それぞれの加速電極には分圧抵抗によって分圧された電圧がかかっており加速管内部に縦方向の一様な電界を生ずる。加速電極の最終電極６０は電流計３０を介して接地される。電子線の内、ビーム軌跡からそれて電極に衝突するものがあれば電流計３０によってそれが測定できる。

加速電極に当たらなかった電子線は被処理物２９か搬送機構に当たり電流を生ずる。それは加速電源の初段コンデンサ５３と大地の間に接続された電流計３９で測定できる。それが実効電子線電流である。

陰極用電源について述べる。大地側には商用電源２２を適当な電圧、周波数の交流または直流に変換するインバータ２３が設けられる。発光素子を多数並べた光源パネル８０はインバータ２３からの電力によって強く発光する。連続一定光量による発光でもよいし脈動させてもよい。パルス発光でもよい。しかし一定光量で発光させるのが最も簡単である。以後は一定パワーで発光しているものについて述べる。その光８３は高圧架台の内部を通り、高圧側の光電パネル８２に当たる。高圧架台の内部はＳＦ_６などの絶縁用ガスが満たされているが透明であるから光８３は損失なく光電パネル８２に到達する。光電パネル８２には光電変換素子が多数設けられているので、それによって光が電流に変換される。電流が集められてＤＣ−ＤＣコンバータ８４によって適当な電圧直流となる。それは冷陰極７０と引出電極（第１加速電極）６９の間に印加される。この電圧が冷陰極の周囲に電界を形成し、それが電子を引き出す作用をする。

光源はランプでもよい。多数のランプを縦横に並べレンズも並べて光源とすることができる。現在でも小型軽量のランプを容易に入手することができる。

しかしランプは電力／光変換効率が低いので好ましくないという場合もある。またランプは発熱するので、高圧架台の機器に影響するということもある。それが好ましくない場合は、発光ダイオード、半導体レーザを多数並べたものを光源とすることができる。

ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオード、半導体レーザであると７００ｎｍ〜８００ｎｍの赤〜近赤外を出す。安価であるし、かなり効率も向上している。発熱もない。発光ダイオード、半導体レーザの光はビームが広がるからレンズアレイを使って集光することができる。Ｓｉの太陽電池のアレイを光電パネルに用いる。太陽電池は単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉのものがあるが、アモルファスＳｉのものは安価であり面積も広いものがある。Ｓｉ太陽電池アレイを用いる場合はレンズアレイをその直前において集光することができる。

ＧａＮ、ＩｎＧａＮ系の発光ダイオード、半導体レーザは４００ｎｍ〜５００ｎｍの青色、緑色を出すことができる。ＧａＮ系の発光ダイオードは長寿命であり信頼性もある。Ｓｉ太陽電池ではあまり受光効率が良くないが、ＺｎＳｅ系の太陽電池で受光すれば効率が高くなる可能性がある。ＺｎＳｅ系の太陽電池というものは今はないが近い将来できるかもしれない。

図１では光８３とコンデンサ４２〜４９が混在しているように描かれているがそれは図面の面積を狭くするためにそう表記されているだけで、実際には光８３の進行領域にはコンデンサ、整流器は存在せず光は直進して殆ど遮られずに高圧側の光電パネル８２に入るようになっている。

大地側光源は接地電位に、高圧電位側光発電パネルは高圧部に、相対するように設置している。もちろん、直流高圧電源の出力電圧に充分耐えられる絶縁距離をとっているモータ、絶縁棒、発電機のような嵩高く重い装置はない。発光素子を並べた光源も光電パネルも軽量である。絶縁棒がないから振動による折れ曲がりという心配はない。モータや発電機のように振動の原因になるものもない。スペース的な制約も少ない。

電子線を発生するため冷陰極を有し、光源と光電パネルの組み合わせによって陰極へ電力を供給するようにした本発明の電子線照射装置の概略構成図。

電子線を発生するためにフィラメントを有し、モータ・絶縁棒・発電機の組み合わせによってフィラメントへ電力を供給するようにした従来例にかかる電子線照射装置の概略構成図。

符号の説明

２モータ
３絶縁棒
４発電機
５フィラメントトランス
６加速電極
７フィラメント
８加速管
９分圧抵抗
２０走査管
２２商用電源
２３インバータ
２６走査コイル
２７照射窓
２８窓箔
２９被処理物
３０電流計
３２商用電源
３３インバータ
３４トランス
３６電流計
３８抵抗
３９電流計
４０高圧電源
４２〜４９整流器
５２〜５９コンデンサ
５０加速電極の最終端子
６０加速電極の最終段
６９第１加速電極
７０冷陰極
７２フィラメントトランス二次側の中間端子
８０光源
８２光電パネル
８３光
８４コンバータ

Claims

真空中で電子線を発生し、加速して大気中へ取り出し被処理物に照射するようにした電子線照射装置において、電子線発生源として冷陰極を有し、大地側に光源、高電圧側に光電パネルを設け光によって大地側から高電圧側へエネルギーを伝送し、冷陰極と第１加速電極の間に電圧を印加し、第１加速電極に印加される電圧により発生電子流を制御するようにしたことを特徴とする電子線照射装置。