JP2007187640A

JP2007187640A - Electron beam irradiation apparatus

Info

Publication number: JP2007187640A
Application number: JP2006030271A
Authority: JP
Inventors: Toyonari Harada; 豊成原田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2007-07-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron beam irradiation apparatus which reduces energy loss and can attain a large irradiation capacity by enhancing transmission efficiency of an irradiation window. <P>SOLUTION: An orientation film of an inorganic substance such as graphite having a density lower than those of titanium and aluminum and capable of being made into a thin film having a thickness of 3-30 μm is used for a window foil of the irradiation window. When it is insulator, a conductive film such as a very thin metal film is attached on the surface or a film is formed on a carbon sheet to obtain a function of an electrode, or a filler of a conductor such as carbon fiber and metal is added to the material to turn the film into a semiconductive film to attain conductance required by the window foil. Thus, the irradiation window capable of keeping the degree of vacuum, having a sufficient resistance to high temperature and having an excellent transmission efficiency is obtained, and is applied to the electron beam irradiation equipment excellent in efficiency. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、低エネルギー電子線照射装置の透過効率を向上させた照射窓に関する。加速された電子を特定の物質に衝突させる電子線照射は、癌の治療、半導体の改質、樹脂の重合、医療器具の殺菌、食品や種子の殺菌、インクの高速硬化など今や様々な分野で使用され益々その対象領域が拡大しつつある。特に近年は薬品の使用が制限されつつある殺菌の領域で実用的な電子線照射装置の開発が急がれている。食品や種子などに付着する菌はその表面にのみ生息する場合が多く、従来は紫外線による殺菌がある程度効果的であった。しかし、紫外線では表面からの到達深度が浅すぎたり、殺菌のためのエネルギーが低く効率が悪い。電子線照射は多少装置が大がかりになるも、殺菌エネルギーは大きく、表面からの到達深度も電子の加速エネルギーに応じて十分に深くなるという利点がある。一方、食品や種子の場合には電子線の加速エネルギーが高く到達深度が深すぎると、表面殺菌のレベルを超えて食品や種子の変質を招いてしまうことになる。かくして、物質の表面をのみ改質したり殺菌したりするには電子線のエネルギーは従来の電子線照射の場合に比して低いものが妥当である。電子の加速電圧は概略３００ＫＶ以下であり、この電子線を低エネルギー電子線あるいはソフトエレクトロンという。この低エネルギー電子線の照射装置が対象技術分野となる。 The present invention relates to an irradiation window with improved transmission efficiency of a low energy electron beam irradiation apparatus. Electron beam irradiation that causes accelerated electrons to collide with specific substances is now used in various fields such as cancer treatment, semiconductor modification, resin polymerization, medical instrument sterilization, food and seed sterilization, and ink fast curing. As it is being used, the area of interest is expanding. In particular, in recent years, the development of a practical electron beam irradiation apparatus is urgently required in the sterilization area where the use of chemicals is being restricted. Bacteria attached to foods and seeds often live only on the surface, and conventionally, sterilization with ultraviolet rays has been effective to some extent. However, ultraviolet rays are too shallow from the surface or have low energy for sterilization and are inefficient. Electron beam irradiation has the advantage that the device is somewhat large, but the bactericidal energy is large and the depth reached from the surface is sufficiently deep according to the acceleration energy of the electrons. On the other hand, in the case of foods and seeds, if the acceleration energy of the electron beam is high and the reaching depth is too deep, the quality of the food and seeds will be changed beyond the level of surface sterilization. Thus, in order to modify or sterilize only the surface of the substance, it is appropriate that the energy of the electron beam is lower than that in the case of conventional electron beam irradiation. The acceleration voltage of electrons is approximately 300 KV or less, and this electron beam is referred to as a low energy electron beam or soft electron. This low energy electron beam irradiation apparatus is a target technical field.

従来の低エネルギー電子線照射装置の照射窓にはチタン箔やアルミニューム箔を用いたものがある。（例えば特許文献１，２，３参照）。以下、図１で示す低エネルギー電子線照射装置の概念図により照射窓について説明する。この装置は照射空間２２にある照射対象物２３に電子線１５を照射する。この装置の電子線発生部１０の内部は真空空間１３でありそこに電子線源１２が３００ＫＶ以下の加速電源４０に接続されて配置される。電子線源１２は一般的には加熱せられたフィラメントで電子を放出する。この電子は加速電源４０により加速されて、加速電源の対極に窓枠構造体３４を介して接続された照射窓３０に向かう。真空空間１３の真空度が低いと加速する電子は内部の気体分子と衝突を繰り返すので充分な加速エネルギーが得られない。従って真空空間１３の真空度は例えば１０^−４〜１０^−６Ｐａ程度の高真空に維持しなくてはならない。また、照射空間２２はほぼ大気圧程度の空間にしないと照射対象物２３を自由に選定し移動することが出来ない。照射窓３０の第一の役割は真空空間１３と大気圧の照射空間２２の隔壁となることであり、その機械的強度が要求されるものである。Some irradiation windows of conventional low-energy electron beam irradiation apparatuses use titanium foil or aluminum foil. (For example, refer to Patent Documents 1, 2, and 3). Hereinafter, the irradiation window will be described with reference to the conceptual diagram of the low energy electron beam irradiation apparatus shown in FIG. This apparatus irradiates an irradiation object 23 in an irradiation space 22 with an electron beam 15. The inside of the electron beam generator 10 of this apparatus is a vacuum space 13 in which the electron beam source 12 is connected to an acceleration power source 40 of 300 KV or less. The electron beam source 12 generally emits electrons with a heated filament. The electrons are accelerated by the acceleration power source 40 and travel toward the irradiation window 30 connected to the counter electrode of the acceleration power source via the window frame structure 34. When the degree of vacuum in the vacuum space 13 is low, the accelerating electrons repeatedly collide with the internal gas molecules, so that sufficient acceleration energy cannot be obtained. Therefore, the vacuum degree of the vacuum space 13 must be maintained at a high vacuum of about 10 ⁻⁴ to 10 ⁻⁶ Pa, for example. Moreover, the irradiation object 23 cannot be freely selected and moved unless the irradiation space 22 is set to a space of about atmospheric pressure. The first role of the irradiation window 30 is to form a partition wall between the vacuum space 13 and the atmospheric pressure irradiation space 22, and its mechanical strength is required.

真空空間１３内で電子が照射窓３０に向かって加速されるためには、照射窓３０は金属や半導電体などの導電性を有していなくてはならず、加速電源４０と接続されなくてはならない。加速された電子線１５を照射空間２２に透過させること、これが照射窓３０の第二の役割である。そのためには照射窓３０は出来るだけ薄く、かつ電子の衝突断面積を小さくするために密度の出来るだけ低い物質で作らなくてはならない。電子の透過効率は照射窓３０の厚さと密度の積に反比例的に制約されるからである。照射窓３０は電子線のエネルギーと量を低下させ、その分自らも発熱する。照射する電子線量が大きければこれに比例的に発熱量も大きくなるのでそれに見合った冷却が不可欠の要件となる。さらに、照射空間２２では酸素が存在すると照射中にオゾンや活性酸素が生成される。照射窓３０はこれらの強い酸化作用に耐えるものでなくてはならない。 In order for electrons to be accelerated toward the irradiation window 30 in the vacuum space 13, the irradiation window 30 must have conductivity such as a metal or a semiconductor, and is not connected to the acceleration power source 40. must not. The second role of the irradiation window 30 is to transmit the accelerated electron beam 15 to the irradiation space 22. For this purpose, the irradiation window 30 must be made as thin as possible and made of a material with a density as low as possible in order to reduce the electron cross-sectional area. This is because the electron transmission efficiency is restricted in inverse proportion to the product of the thickness and density of the irradiation window 30. The irradiation window 30 reduces the energy and amount of the electron beam and generates heat correspondingly. If the electron dose to irradiate is large, the calorific value increases in proportion to this, so cooling corresponding to it is an indispensable requirement. Furthermore, if oxygen is present in the irradiation space 22, ozone and active oxygen are generated during irradiation. The irradiation window 30 must withstand these strong oxidizing effects.

このような照射窓の役割と要件を満たすために、特許文献１の例では照射窓３０にチタンの皮膜を付けたアルミニュームを用いている。特許文献２ではこのチタン膜の上に更に硬質皮膜をつけて傷からチタンを保護している。特許文献３ではチタンに酸化皮膜をつけている。一方、照射窓３０の材料として非金属のセラミックス、あるいはカーボンナノチューブを提案しているのが、特許文献４，５である。 In order to satisfy the role and requirements of such an irradiation window, in the example of Patent Document 1, an aluminum having a titanium film attached to the irradiation window 30 is used. In Patent Document 2, a hard film is further formed on the titanium film to protect the titanium from scratches. In Patent Document 3, titanium is provided with an oxide film. On the other hand, Patent Documents 4 and 5 propose non-metallic ceramics or carbon nanotubes as the material of the irradiation window 30.

一方、従来からの電子線照射装置には関係ないもので、以下のような無機質の配向性フィルム状材料が発明されている。具体的にはいずれも厚さ１０μｍ程度に製造出来るものである。第一には「粘土配向膜」のフィルムである。これは独立行政法人産業技術総合研究所で開発された。（特許文献６参照）。以下これを「粘土配向膜」フィルムと呼称して記述する。本発明ではこの「粘土配向膜」フィルムの製造過程ないしは出来上がり品に追加処置を加えて利用する。第二には「高配向性グラファイトの層状シート」「フィルム状グラファイト」と呼ばれているものである。（特許文献７，８参照）。
特開平７−２０２９４号公報特開平１１−５２０９８号公報特開２００１−９９９９９号公報特開２００２−２７７６００号公報特開２００１−２３５６００号公報特開２００５−１０４１３３号公報特開２００２−３０８６１１号公報特許２９７６４８１号公報 On the other hand, the following inorganic oriented film-like materials have been invented, which are not related to conventional electron beam irradiation apparatuses. Specifically, all can be manufactured to a thickness of about 10 μm. The first is a “clay alignment film” film. This was developed by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. (See Patent Document 6). Hereinafter, this is referred to as a “clay alignment film” film. In the present invention, the “clay alignment film” film is used in the production process or the finished product with additional treatment. The second is called a “layered sheet of highly oriented graphite” or “film graphite”. (See Patent Documents 7 and 8).
Japanese Patent Laid-Open No. 7-20294 Japanese Patent Laid-Open No. 11-52098 JP 2001-99999 A JP 2002-277600 A JP 2001-235600 A JP 2005-104133 A JP 2002-308611 A Japanese Patent No. 2976482

従来の電子線照射装置はエネルギーが比較的高かったので、照射窓３０には密度が４５４ｇ／ｃｍ^３で融点が１６００℃と高く厚さが１０μｍ〜２５μｍ程度の金属のチタンを用いた。照射窓３０の透過効率は電子線のエネルギーが同じなら密度と厚さの積で決まるので、密度が低い方がよく、しかも真空を維持する強度で薄く作ることが出来なくてはならない。これ考慮するとチタンが非常に良い材料であった。しかし、低エネルギー電子線の需要が高まるにつれてチタンでは次の理由により充分な役割をは果たせなくなった。電子線の加速電圧が１５０ＫＶ以下になってくるとこの照射窓の電子線透過率は飛躍的に悪化する。例えば厚さが１０μｍのチタンで加速電圧が１００ＫＶでは透過率はおよそ５０％にまで低下する。透過しない残りの５０％は照射窓３０で膨大な発熱の要因に転化する。したがって、いかにチタンの融点が高くても大きな出力を得ることは限界であった。そこで、密度が２．６９ｇ／ｃｍ^３の金属のアルミニュームの採用が検討された。単純に比較すれば薄くすると強度が落ちるアルミニュームを密度比分は厚くしても透過効率は同等である。厚さ１０μｍのチタンに比較してアルミニュームなら厚さ１６．９μｍ以下なら透過率をあげることが出来る計算となる。しかし、アルミニュームの融点は６６０℃と低く、且つ薄い箔の強度は弱い。従って、密度がチタンより低くてもチタンより厚くしなくてはならず透過率の大きな改善は困難である。さらにアルミニュームはオゾンなどにより劣化するために皮膜をつけなくてはならないという問題がある。従って従来の金属を用いた照射窓３０では、電子線のエネルギーが低くなるに従って電子線の利用効率が極端に悪くなるという課題に直面している。こうして電子線１５の量を大きくして装置の処理能力を向上させることに限界があった。Since the conventional electron beam irradiation apparatus has relatively high energy, metal titanium having a density of 454 g / cm ³ , a melting point of 1600 ° C. and a thickness of about 10 μm to 25 μm is used for the irradiation window 30. Since the transmission efficiency of the irradiation window 30 is determined by the product of the density and thickness when the energy of the electron beam is the same, the density should be low, and it must be made thin with the strength to maintain the vacuum. Considering this, titanium was a very good material. However, as the demand for low-energy electron beams increases, titanium can no longer play a sufficient role for the following reasons. When the acceleration voltage of the electron beam becomes 150 KV or less, the electron beam transmittance of the irradiation window is drastically deteriorated. For example, when the thickness is 10 μm and the acceleration voltage is 100 KV, the transmittance decreases to about 50%. The remaining 50% that does not transmit is converted into a cause of enormous heat generation in the irradiation window 30. Therefore, it was a limit to obtain a large output no matter how high the melting point of titanium. Then, adoption of the metal aluminum whose density is 2.69 g / cm ³ was examined. In simple comparison, the transmission efficiency is the same even if the density ratio of the aluminum, whose strength decreases when it is thinned, is increased. In comparison with titanium having a thickness of 10 μm, if aluminum is used, the transmittance can be increased if the thickness is 16.9 μm or less. However, the melting point of aluminum is as low as 660 ° C., and the strength of the thin foil is weak. Therefore, even if the density is lower than that of titanium, it must be thicker than titanium, and it is difficult to greatly improve the transmittance. Furthermore, aluminum has a problem that a film must be attached because it deteriorates due to ozone. Therefore, the conventional irradiation window 30 using a metal faces a problem that the use efficiency of the electron beam becomes extremely worse as the energy of the electron beam becomes lower. Thus, there is a limit in increasing the amount of the electron beam 15 and improving the processing capability of the apparatus.

一方、特許文献４では照射窓３０の材質として「金属よりも原子番号の小さい物質」をあげ、その限りでのセラミックスを提案している。しかし、現実の照射窓の透過率を決定するのは物質の密度に関わる原子番号だけではなくその厚さも同程度に重要である。いくら密度の低い物質を選定してもその分機械的強度のために厚くなれば効率は変わらないのである。具体的に述べられていないセラミックスでは、強度を考慮すれば金属と同程度の薄さに製造することは出来ない。更に決定的なことは、セラミックスは絶縁体であるので加速電源４０と照射窓３０の全体を電気的に接続することが出来ない。すると電子線は照射窓に向かって直進しないので透過効率以前の問題が発生してしまう。仮に、絶縁体であるこのセラミックスの照射窓３０を加速された電子線がその透過効率に従って何割かが透過したとする。この時、透過しなかった電子がどうなるのかということが次の問題である。この照射窓を透過しない電子は次々とセラミックスの内部に帯電して内部電位を高め、そして内部および沿面の放電を誘発することになる。無処理のセラミックスは放電によるピンホールなどで真空隔壁としての機能は破壊されることになる。また、特許文献５では照射窓３０をカーボンナノチューブで作ることを提案している。「量子効果」により透過損失が極めて小さいことを予見しているものの推論の域を出ていないと言わざるを得ない。さらに、カーボンナノチューブをこのように整列してフィルムにできるという製造技術的裏づけがない。従って特許文献４および特許文献５のセラミックスおよびカーボンナノチューブを用いて当業者が照射窓を製造することは出来ない。 On the other hand, Patent Document 4 mentions “substances having an atomic number smaller than that of metal” as the material of the irradiation window 30, and proposes ceramics to that extent. However, not only the atomic number related to the density of the material but also its thickness is equally important in determining the transmittance of the actual irradiation window. Even if a low density material is selected, the efficiency will not change if the material becomes thicker due to its mechanical strength. Ceramics that are not specifically described cannot be manufactured as thin as metal considering strength. More importantly, since the ceramic is an insulator, the entire acceleration power source 40 and the irradiation window 30 cannot be electrically connected. Then, since the electron beam does not go straight toward the irradiation window, a problem before the transmission efficiency occurs. Suppose that some 10% of the accelerated electron beam passes through the ceramic irradiation window 30 as an insulator according to its transmission efficiency. At this time, what happens to the electrons that are not transmitted is the next problem. Electrons that do not pass through the irradiation window are successively charged inside the ceramic to increase the internal potential, and induce internal and creeping discharges. Untreated ceramics have a function as a vacuum barrier due to pinholes caused by discharge. Patent Document 5 proposes that the irradiation window 30 be made of carbon nanotubes. Although we foresee that the transmission loss is very small due to the "quantum effect", we have to say that it is not out of the scope of inference. Furthermore, there is no production technical support that carbon nanotubes can be aligned in this way into a film. Therefore, those skilled in the art cannot manufacture an irradiation window using the ceramics and carbon nanotubes of Patent Documents 4 and 5.

上記課題を解決するための本発明は、（１）照射窓３０にチタンやアルミニュームより密度が低く、１０μｍ〜３０μｍ程度に薄く製造出来、ガスの透過係数が金属に近いほど低くて真空が充分に維持出来る金属以外の無機質の配向性フィルム状材料を使う。それが絶縁体である場合は、（２）照射窓３０が加速のための電極にもなるために、この無機質のフィルム材料の電位を安定にし、あるいは照射窓３０内の電流の流れをスムースにするために表面に金属などの膜を着ける。（３）同じ理由により、この無機質のフィルム材料の製造過程で炭素繊維や導電体のフィラーを混入して半導電体にしたものを用いる。炭素繊維はフィルムの強度を向上させる手段ともなる。 The present invention for solving the above-mentioned problems is as follows. (1) The irradiation window 30 has a lower density than titanium or aluminum and can be manufactured as thin as 10 μm to 30 μm. An inorganic oriented film-like material other than a metal that can be maintained at a high temperature is used. When it is an insulator, (2) since the irradiation window 30 also serves as an electrode for acceleration, the potential of the inorganic film material is stabilized, or the current flow in the irradiation window 30 is made smooth. In order to do so, a film of metal or the like is put on the surface. (3) For the same reason, carbon fiber or a filler made of a conductor is mixed in the process of manufacturing the inorganic film material to make a semiconductor. Carbon fiber also serves as a means for improving the strength of the film.

本発明よる電子線照射装置の照射窓は電子線の透過効率が高くなり、電子線源の発生電子線量が同じでもその分だけ多くの電子線が照射対象物に照射されるようになる。さらに、発熱が非常に大きい照射窓であるが、その透過効率が高くなった分だけ照射窓の発熱が減少するので、その分電子線源の発生量そのものを大きくすることが可能となる。こうして電子線照射装置の処理能力が向上することになる。一方、この電子線照射装置の入力電力は１０ＫＷ程度にもなる大掛かりなものが多いのであるが、透視効率が４０％も改善されれば、４ＫＷものエネルギーが節約出来き、その分難しい熱対策も容易となる。高電圧を出力する加速電源も容量が大きいものはそれだけ製造が難しく大規模にせざるを得ないものであるが、この照射窓一つの発明により、これも小規模な作り易いものにすることが出来る。 The irradiation window of the electron beam irradiation apparatus according to the present invention increases the transmission efficiency of the electron beam, and even if the generated electron dose of the electron beam source is the same, the irradiation object is irradiated by that much. Furthermore, although the irradiation window generates a very large amount of heat, the generation amount of the electron beam source itself can be increased correspondingly because the heat generation of the irradiation window is reduced by the increase in the transmission efficiency. Thus, the processing capability of the electron beam irradiation apparatus is improved. On the other hand, the input power of this electron beam irradiation device is often large, which can be as high as 10 kW, but if the fluoroscopy efficiency is improved by 40%, energy of 4 kW can be saved, and difficult heat countermeasures can be taken. It becomes easy. An acceleration power source that outputs a high voltage has a large capacity, which is difficult to manufacture and must be made on a large scale. However, the invention of this single irradiation window can make it easy to make on a small scale. .

以下、図１を用いて具体的に説明する。照射窓３０の第一の役割は大気圧から真空空間１３の真空度を維持する強度と気体バリアー性を有していなくてはならない。この点だけをとれば従来のチタンやアルミニュームなどの金属の方がプラスチックや絶縁体の無機質の材料に対しては有利である。しかし、本発明では照射窓３０に金属以外の無機質のフィルム状材料を用いる。それが背景技術の項で述べた「粘土配向膜」フィルムとした場合について説明する。「粘土配向膜」フィルムは特許文献６に述べられているように「優れたフレキシビリティーを有し、ピンホールの存在しない緻密な材料であり、優れたバリアー性を有し」ている。酸素などのガス透過係数は３．２×１０^−１１ｃｍ^２ｓ^−１ｃｍＨｇ^−１より小さいことまでは確認されている。このように「粘土配向膜」フィルムは照射窓３０の第一の役割は先ず達成できる。This will be specifically described below with reference to FIG. The first role of the irradiation window 30 must have strength and gas barrier properties to maintain the vacuum degree of the vacuum space 13 from atmospheric pressure. If only this point is taken, the conventional metals such as titanium and aluminum are more advantageous for inorganic materials such as plastics and insulators. However, in the present invention, an inorganic film-like material other than metal is used for the irradiation window 30. The case where it is the “clay alignment film” film described in the background section will be described. As described in Patent Document 6, the “clay alignment film” film has “excellent flexibility, a dense material without pinholes, and excellent barrier properties”. It has been confirmed that the gas permeability coefficient of oxygen or the like is smaller than 3.2 × 10 ⁻¹¹ cm ² s ⁻¹ cmHg ⁻¹ . Thus, the “clay alignment film” film can first achieve the first role of the irradiation window 30.

次に照射窓３０の第二の役割は加速された電子線１５を照射空間２２へ透過させることである。そこで、この透過効率を向上させて装置の利用効率を上げ、出力容量を向上させるという本発明の主眼について説明する。チタンの密度は４．５４ｇ／ｃｍ^３と高いが「粘土配向膜」フィルムの密度は２．１ｇ／ｃｍ^３である。従来の照射窓３０では仮に厚さ１２μｍのチタン箔を使用したとする。一方、「粘土配向膜」フィルムは従来の無機質材料とは異なり、製造的には特許文献６に「好適には３〜３０μｍ」と記載されてようにかなり薄いフィルムにすることが可能である。ここでは厚さ１５μｍの「粘土配向膜」フィルムを使用した場合について従来のチタンと比較する。加速された電子の透過効率は窓の密度と厚さの積にほぼ反比例するので、この積で両者を比較すると「粘土配向膜」フィルムはチタンの約５８％となり、効率は約４２％も大幅に向上する。
一方、従来技術のアルミニュームを用いた場合とも比較する。アルミニュームの密度は２．６９ｇ／ｃｍ^３なので「粘土配向膜」フィルムより約１７％も大きい。しかもアルミニュームにはフレキシビリティーがないので厚さ２０μｍを用いるとする。この積で両者を比較すると「粘土配向膜」フィルムはアルミニュームの約６４％となり、効率は約３６％も向上する。照射窓の窓箔は効率だけを考えれば薄い方がよく、「粘土配向膜」フィルムは厚さ３μｍでも製作可能である。しかし、薄くすると強度に問題がでてくる。この場合、窓枠構造体３４を工夫してフィルムの支持を行うことが出来る。例えばチタンの薄板を電子線との衝突断面積を出来るだけ小さくするよう電子線と平行に例えば厚さの２０倍程の間隔で配列したものを作り、フィルムの片側或いは両側から支持する。フィルムを薄くしたことによる透過効率の向上分が、このチタンによる透過効率の減少分を上回れば良いということになる。また、この薄板チタンへの熱伝導により「粘土配向膜」フィルムの放熱効果も期待できるものである。あるいは、冷却水を通したパイプを桟構造にしてこのフィルムを支持することも出来る。Next, the second role of the irradiation window 30 is to transmit the accelerated electron beam 15 to the irradiation space 22. Therefore, the main point of the present invention to improve the transmission efficiency, increase the utilization efficiency of the apparatus, and improve the output capacity will be described. The density of titanium density of as high as 4.54 g / cm ³ but "Clay alignment film" film is 2.1 g / cm ^3. In the conventional irradiation window 30, it is assumed that a titanium foil having a thickness of 12 μm is used. On the other hand, the “clay alignment film” film is different from the conventional inorganic material, and can be made into a very thin film as described in “preferably 3 to 30 μm” in Patent Document 6. Here, the case of using a “clay alignment film” film having a thickness of 15 μm is compared with conventional titanium. The accelerated electron transmission efficiency is almost inversely proportional to the product of the window density and thickness, so when comparing the two, the “clay alignment film” film is about 58% of titanium, and the efficiency is about 42%. To improve.
On the other hand, the case of using a conventional aluminum is also compared. Since the density of aluminum is 2.69 g / cm ^3, it is about 17% larger than the “clay alignment film” film. Moreover, since aluminum does not have flexibility, a thickness of 20 μm is used. Comparing the two in this product, the “clay alignment film” film is about 64% of aluminum, and the efficiency is improved by about 36%. The window foil of the irradiation window is preferably thin considering only the efficiency, and the “clay alignment film” film can be manufactured even with a thickness of 3 μm. However, if it is made thinner, there will be a problem with strength. In this case, the window frame structure 34 can be devised to support the film. For example, a thin titanium plate is arranged in parallel with the electron beam at an interval of, for example, about 20 times the thickness so as to make the cross sectional area of the collision with the electron beam as small as possible, and is supported from one side or both sides of the film. This means that the improvement in the transmission efficiency due to the thin film needs to exceed the decrease in the transmission efficiency due to this titanium. Moreover, the heat dissipation effect of the “clay alignment film” film can also be expected by heat conduction to the thin titanium plate. Alternatively, the film can be supported by forming a pipe structure through which cooling water is passed.

ここで、照射窓３０の透過効率の反面の損失の面から各材料を比較検討する。例えば、加速電源４０の電圧が１５０ＫＶで電子線１５の電流総量が２０ｍＡとすると電子線の総電力は３ＫＷである。仮に照射窓３０の透過効率が６５％とすると照射窓３０では約１０５ＫＷの損失が発生する。この損失により照射窓３０は発熱し、温度は上昇する。この熱は照射窓３０からの熱輻射で放熱するとともに、窓枠構造体３４を通じて図示していない冷却系を通じて放熱する。この時、照射窓３０の温度が周囲温度に比して高いほど放熱量は増大し、従って装置の出力を増大させることが出来る。かくして、照射窓３０は透過効率の次に耐熱温度が装置の出力増大を左右する要因となる。アルミニュームの融点は６６０℃とチタンの融点１６７５℃に比してかなり低い。従って、たとえチタンより厚くして透過効率が同じになったアルミニュームでは装置の出力はチタンより低く抑えなくてはならない。一方、「粘土配向膜」フィルムの主成分の珪素の融点は１４１４℃とチタンに実用上ほぼ匹敵する。「粘土配向膜」フィルムは１０００℃でも気密性に変化がなかったという報告がなされている。こうしてここまでの説明では、「粘土配向膜」フィルムを用いることにより低エネルギー電子線照射装置の出力増大が可能となる根拠を示した。 Here, each material is compared and examined from the aspect of loss of the transmission efficiency of the irradiation window 30. For example, if the voltage of the acceleration power supply 40 is 150 KV and the total current of the electron beam 15 is 20 mA, the total power of the electron beam is 3 KW. If the transmission efficiency of the irradiation window 30 is 65%, a loss of about 105 kW occurs in the irradiation window 30. Due to this loss, the irradiation window 30 generates heat and the temperature rises. This heat is dissipated by heat radiation from the irradiation window 30 and is also dissipated through a cooling system (not shown) through the window frame structure 34. At this time, the heat radiation amount increases as the temperature of the irradiation window 30 is higher than the ambient temperature, and therefore the output of the apparatus can be increased. Thus, the irradiation window 30 is a factor in which the heat resistance temperature next to the transmission efficiency affects the output increase of the apparatus. The melting point of aluminum is 660 ° C., which is considerably lower than the melting point of titanium, 1675 ° C. Therefore, for aluminum that is thicker than titanium and has the same transmission efficiency, the output of the device must be kept lower than titanium. On the other hand, the melting point of silicon as the main component of the “clay alignment film” film is 1414 ° C., which is practically comparable to titanium. It has been reported that the “clay alignment film” film had no change in hermeticity even at 1000 ° C. Thus, the explanation so far has shown the grounds that the output of the low energy electron beam irradiation apparatus can be increased by using the “clay alignment film” film.

一方、照射窓３０の材料として金属を使わないで、従来からあるセラミックなどの絶縁体を用いた場合の弊害については既に述べた。本発明ではこれを次のような手段を用いて解決する。その一例を図２の照射窓の拡大概念図により説明する。照射窓３０は窓箔３０ａの片側に導電幕３０ｂを着けて作る。窓箔３０ａには今まで説明してきた「粘土配向膜」フィルムを用いる。そして導電幕３０ｂは図示していない窓枠構造体３４を介して加速電源４０に接続する。こうすることによって導電幕３０ｂは電子線１５を引きつけて加速する電極になることが出来る。この導電幕３０ｂは窓箔３０ａに金属などの導電体を１μｍ以下程度の厚さに真空蒸着などして形成する。また、この導電膜３０ｂは炭素繊維を織って出来るカーボンシートなどを用いても良い。その場合は、カーボンシートの上に「粘土配向膜」フィルムを形成するのであるが、こうすることにより、導電体であるカーボンシートは導電膜３０ｂの役割を果たすだけでなく、軽量であり強度が強いので「粘土配向膜」フィルムを更に薄くすることが可能となる。 On the other hand, the adverse effects of using a conventional insulator such as ceramic without using metal as the material of the irradiation window 30 have already been described. The present invention solves this by using the following means. One example will be described with reference to an enlarged conceptual view of the irradiation window in FIG. The irradiation window 30 is made by attaching a conductive curtain 30b to one side of the window foil 30a. As the window foil 30a, the “clay alignment film” film described so far is used. The conductive curtain 30b is connected to the acceleration power source 40 through a window frame structure 34 (not shown). By doing so, the conductive curtain 30b can be an electrode that attracts and accelerates the electron beam 15. The conductive curtain 30b is formed by vacuum-depositing a conductive material such as metal on the window foil 30a to a thickness of about 1 μm or less. The conductive film 30b may be a carbon sheet made of woven carbon fiber. In that case, a “clay alignment film” film is formed on the carbon sheet. By doing this, the carbon sheet as a conductor not only plays the role of the conductive film 30b, but is lightweight and strong. Since it is strong, the “clay alignment film” film can be made thinner.

加速された電子線１５の大部分は導電幕３０ｂと窓箔３０ａを透過する。透過電子１５ａ，１５ｂ，１５ｄはそれを図示している。一方、その他の部分は電子線の相互作用の確率により窓箔３０ａを透過しないで停止電子１５ｃのように窓箔３０ａの内部に停止する。この透過電子と停止電子の割合が透過効率であり、透過電子が多いほど透過効率は高くなる。もし窓箔３０ａが金属などの導電体であれば、停止電子１５ｃは直ちに加速電源４０に戻って行く。しかし、今は窓箔３０ａが絶縁体の場合を論じている。停止電子１５は窓箔３０ａの抵抗成分５０に行く手をさえぎられて窓箔３０ａの内部に次々と数を増して帯電する。こうして窓箔３０ａの内部の各部位の電位は高まっていく。そしてこの電位が窓箔３０ａの絶縁耐力よりも高くなると内部に放電現象５１が発生し、窓箔３０ａはピンホールなどにより破壊されるに至る。実際には加速されて電子窓３０に衝突した電子は、その物質との相互作用により二次電子を多数発生させるなど、エネルギー保存則に従いながら量子力学的なふるまいをし、透過電子も少しエネルギーを失う。しかしここでは、本発明の手段を明確にするという限りで、電子の平均的な動きで説明している。 Most of the accelerated electron beam 15 passes through the conductive curtain 30b and the window foil 30a. The transmitted electrons 15a, 15b and 15d are illustrated. On the other hand, other parts do not pass through the window foil 30a due to the probability of the interaction of the electron beams and stop inside the window foil 30a like the stop electrons 15c. The ratio of the transmitted electrons to the stop electrons is the transmission efficiency, and the transmission efficiency increases as the number of transmitted electrons increases. If the window foil 30a is a conductor such as metal, the stop electrons 15c immediately return to the acceleration power source 40. However, the case where the window foil 30a is an insulator is now discussed. The stop electrons 15 are blocked from reaching the resistance component 50 of the window foil 30a, and are charged one after another in the window foil 30a. In this way, the potential of each part inside the window foil 30a increases. When this potential becomes higher than the dielectric strength of the window foil 30a, a discharge phenomenon 51 occurs inside, and the window foil 30a is broken by a pinhole or the like. In fact, the electrons that have accelerated and collided with the electron window 30 behave quantum-mechanically in accordance with the law of conservation of energy, such as generating many secondary electrons by interacting with the substance, and the transmitted electrons also have a little energy. lose. However, here, as long as the means of the present invention are clarified, the explanation is based on the average movement of electrons.

以上説明したように、窓箔３０ａを無機質の絶縁体材料で製作した場合、図１の電子線１５の加速電圧・電流、窓箔３０ａの密度と厚さと絶縁抵抗と絶縁耐力に規定されて、図２で示したように窓箔３０ａは内部で放電現象５１が発生し破損する場合が出てくる。せっかく無機質の密度の低い材料で透過効率を向上させても、この事態を回避する手段を合わせて実施する必要がある。その為の手段として窓箔３０ａの絶縁抵抗を下げる方法について以下説明する。本実施例で用いる「粘土配向膜」フィルムの原料は粘土微粒子であるので、これに導電体である炭素繊維あるいは金属や炭素の微粒子をフィラーとして混入して「粘土配向膜」フィルムを全体としては謂わば半導電体として造る。こうして、図２の抵抗成分５０の値は飛躍的に小さくなり停止電子１５ｃはスムースに加速電源４０に帰っていくので、放電現象５１を起こさないことが可能となるのである。 As described above, when the window foil 30a is made of an inorganic insulator material, the acceleration voltage and current of the electron beam 15 in FIG. 1, the density and thickness, the insulation resistance, and the dielectric strength of the window foil 30a are defined. As shown in FIG. 2, the window foil 30a may be damaged due to the discharge phenomenon 51 inside. Even if the transmission efficiency is improved with a material having a low inorganic density, it is necessary to implement means for avoiding this situation. A method for lowering the insulation resistance of the window foil 30a as means for that will be described below. Since the raw material of the “clay alignment film” film used in this example is clay fine particles, carbon fiber or metal or carbon fine particles, which are conductors, are mixed as fillers into the “clay alignment film” film as a whole. So-called semi-conductor. In this way, the value of the resistance component 50 in FIG. 2 is drastically reduced, and the stop electrons 15c smoothly return to the acceleration power supply 40, so that the discharge phenomenon 51 can be prevented.

窓箔３０ａの材料として、厚さ３μｍ〜３０μｍ程度の、特許文献６に記された「粘土配向膜」フィルムを用いる。これに金属などを蒸着して、厚さ１μｍ以下程度の薄い導電膜３０ｂを着ける。これは、真空空間１３側に取り付けると、照射空間２２に発生するオゾンガスなどから保護されて都合が良い。「粘土配向膜」フィルム自体は無機質の材料であり酸化などによる劣化の心配は無い。こうしてこの導電膜３０ｂは、絶縁体のままの「粘土配向膜」フィルムで作った窓箔３０ａには出来ない電極としての役割を担うと共に、窓箔３０ａ内部の停止電子１５ｃが流れ易くする役割も担う。この導電膜３０ｂは窓枠構造体３４と接していて電流が加速電源４０に流れるようになっている。窓枠構造体３４は電気だけでなく熱を放出する経路になるので、この接触面は出来るだけ広いほうが有利である。こうして造られた照射窓３０を用いて、照射窓３０内部で放電が発生しない程度の照射電子量が少ない低エネルギー電子線照射装置を提供する。 As the material of the window foil 30a, a “clay alignment film” film described in Patent Document 6 having a thickness of about 3 μm to 30 μm is used. A metal or the like is vapor-deposited thereon, and a thin conductive film 30b having a thickness of about 1 μm or less is attached. If this is attached to the vacuum space 13 side, it is conveniently protected from ozone gas generated in the irradiation space 22 or the like. The “clay alignment film” film itself is an inorganic material and there is no fear of deterioration due to oxidation or the like. Thus, the conductive film 30b serves as an electrode that cannot be formed on the window foil 30a made of the “clay alignment film” film as an insulator, and also serves to facilitate the flow of stop electrons 15c inside the window foil 30a. Bear. The conductive film 30 b is in contact with the window frame structure 34 so that a current flows to the acceleration power supply 40. Since the window frame structure 34 becomes a path for releasing not only electricity but also heat, it is advantageous that this contact surface is as wide as possible. A low-energy electron beam irradiation apparatus with a small amount of irradiation electrons that does not generate discharge inside the irradiation window 30 is provided by using the irradiation window 30 thus manufactured.

実施例１で窓箔３０ａに着けた導電膜３０ｂは、膜でなく炭素繊維を織ったり配列を工夫したりしてして出来るカーボンシートを用いても良い。カーボンシートの上に「粘土配向膜」フィルムを形成し窓箔３０ａとする。こうして機械的強度も強く電極としての役割を果たす照射窓３０が得られる。この照射窓を用いた低エネルギー電子線照射装置を提供する。 The conductive film 30b attached to the window foil 30a in the first embodiment may use a carbon sheet formed by weaving carbon fibers or devising an arrangement instead of a film. A “clay alignment film” film is formed on the carbon sheet to form a window foil 30a. Thus, the irradiation window 30 having a high mechanical strength and serving as an electrode is obtained. A low energy electron beam irradiation apparatus using this irradiation window is provided.

実施例１あるいは実施例２の窓箔３０ａは表面以外の内部は絶縁体のままである。照射電流を大きくしていくとこの内部で放電が発生する恐れが出てくるので、本実施例では半導電体化した「粘土配向膜」フィルムを用いる。半導電体化とは、「粘土配向膜」フィルムの製造過程において、導電体である炭素繊維あるいは金属や炭素の微粒子をフィラーとして混入することである。炭素繊維を用いた場合には「粘土配向膜」フィルムの機械的強度も向上することが出来る。炭素繊維を混入する場合に次のような手段を講じてもよい。先ず、炭素繊維や金属の微粒子などを混入して、液体中に「粘土配向膜」が一定の厚さに未だ沈殿状態で形成された後、炭素繊維を一定の密度で均一に撒く。こうして表面に炭素繊維が毛羽立つようになったフィルムを作る。炭素繊維は熱の輻射効率が良いばかりでなく、フィルムの放熱表面積を大きくするので、窓箔３０ａの冷却に寄与する。こうして、窓箔３０ａの内部で放電現象５１が発生することのない、大容量の低エネルギー電子線照射装置を提供する。 The window foil 30a of Example 1 or Example 2 remains an insulator other than the surface. As the irradiation current is increased, there is a risk that electric discharge will occur in the interior. Therefore, in this example, a “clay alignment film” film made into a semiconductor is used. The semi-conducting means that carbon fiber, which is a conductor, or metal or carbon fine particles are mixed as a filler in the production process of the “clay alignment film” film. When carbon fibers are used, the mechanical strength of the “clay alignment film” film can also be improved. The following measures may be taken when carbon fibers are mixed. First, carbon fibers, metal fine particles, and the like are mixed, and after a “clay alignment film” is formed in a liquid with a constant thickness, the carbon fibers are uniformly spread at a constant density. In this way, a film with carbon fibers fluffing on the surface is made. Carbon fiber not only has good heat radiation efficiency, but also increases the heat dissipation surface area of the film, contributing to cooling of the window foil 30a. Thus, a large-capacity low-energy electron beam irradiation apparatus is provided in which the discharge phenomenon 51 does not occur inside the window foil 30a.

実施例３の半導電体化した「粘土配向膜」フィルムの抵抗値が充分低ければ、わざわざ導電膜３０ｂを取り付けなくても良い。導電膜３０ｂがないと停止電子１５ｃが窓枠構造体３４まで流れていく場合の抵抗値が大きくなり放電し易くなる。しかし、この経路が長くなるより大きく抵抗値が下がるのであれば放電は発生しない。一方、導電膜３０ｂがないと照射窓３０全体の電位は均一ではなくなるが、その不均一さは非常に高い加速電圧に比較して非常に小さく、不均一さは充分に無視できる。こうして、導電膜３０ｂを付けないで、半導電体化した「粘土配向膜」フィルムのみを照射窓３０とした低エネルギー電子線照射装置を提供する。 If the resistance value of the semi-conductive “clay alignment film” film of Example 3 is sufficiently low, the conductive film 30b need not be attached. Without the conductive film 30b, the resistance value in the case where the stop electrons 15c flow to the window frame structure 34 becomes large, and it becomes easy to discharge. However, if the resistance value decreases more than this path becomes longer, no discharge occurs. On the other hand, the potential of the irradiation window 30 as a whole is not uniform without the conductive film 30b, but the non-uniformity is very small compared to a very high acceleration voltage, and the non-uniformity can be sufficiently ignored. Thus, there is provided a low energy electron beam irradiation apparatus using only the “clay alignment film” film made semiconductive without the conductive film 30b as the irradiation window 30.

窓箔３０ａの材料として、厚さ３μｍ〜３０μｍ程度の、特許文献７，８に記された「高配向性グラファイトの層状シート」、あるいは「フィルム状グラファイト」を用いる。この密度は１．０ｇ〜２．１ｇ／ｃｍ^３と極めて低くチタンの数分の１である。その分だけ照射窓の損失は半減する。しかも、グラファイトには導電性があるので、半導電体化の処理は不要である。また、熱伝導率がチタンの約８０倍も大きいので冷却に大変有利である。また、４００℃でも真空を維持することが特許文献８に記されており、無機質なのでオゾンなどにも侵食されることはない。グラファイトを層状のシートにしたものは、しなやかさと強度が得られるが、支持構造との兼ね合いを考慮すれば層状にすることが不可欠なものではない。As the material of the window foil 30a, a “layered sheet of highly oriented graphite” or “film graphite” described in Patent Documents 7 and 8 having a thickness of about 3 μm to 30 μm is used. This density is extremely low at 1.0 to 2.1 g / cm ³ , which is a fraction of that of titanium. Therefore, the loss of the irradiation window is halved. Moreover, since graphite has conductivity, it is not necessary to make a semi-conductor. Moreover, since the thermal conductivity is about 80 times larger than that of titanium, it is very advantageous for cooling. Further, Patent Document 8 describes that a vacuum is maintained even at 400 ° C., and since it is inorganic, it is not eroded by ozone or the like. A layered sheet of graphite can provide flexibility and strength, but considering the balance with the support structure, it is not indispensable.

電子線照射装置の概念図である。 It is a conceptual diagram of an electron beam irradiation apparatus. 本発明による照射窓の拡大概念図である。 It is an expansion conceptual diagram of the irradiation window by this invention.

Explanation of symbols

１０電子線発生部
１２電子線源
１３真空空間
１５電子線
１５ａ透過電子
１５ｂ透過電子
１５ｃ停止電子
１５ｄ透過電子
２２照射空間
２３照射対象物
３０照射窓
３０ａ窓箔
３０ｂ導電膜
５０抵抗成分
５１放電現象DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electron beam generation part 12 Electron beam source 13 Vacuum space 15 Electron beam 15a Transmission electron 15b Transmission electron 15c Stopping electron 15d Transmission electron 22 Irradiation space 23 Irradiation object 30 Irradiation window 30a Window foil 30b Conductive film 50 Resistance component 51 Discharge phenomenon

Claims

An electron beam irradiation apparatus characterized by using an inorganic oriented film for the window foil of the irradiation window.

An electron beam irradiation apparatus using a “clay alignment film” film as the inorganic alignment film according to claim 1.

3. An electron beam irradiation apparatus using the “clay alignment film” film according to claim 2 having a conductive film made of a metal or the like on at least one side.

An electron beam irradiation apparatus, wherein a film in which the “clay alignment film” of claim 2 is formed on an extremely thin carbon sheet made of carbon fiber is used for the window foil of the irradiation window.

Electrons characterized by using the “clay alignment film” film according to claim 2, wherein carbon foil or metal or carbon fine particles as a conductor are mixed as fillers into the window foil of the irradiation window to make a semi-conductor as a whole. X-ray irradiation device.

2. An electron beam irradiation apparatus, wherein "graphite" is used for the inorganic oriented film according to claim 1.