JP2007232609A - 電子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度の電子線を広範囲に走査させて、ワーク表面の広い領域に均一に電子線を照射することができる電子線照射装置を提供する。
【解決手段】電子線照射装置１を、複数の真空チャンバー３と、真空チャンバー３のうちの最終チャンバー３ｃ内に電子線ＥＢを射出する電子線発生装置２と、最終チャンバー３ｃに設けられて最終チャンバー３ｃから外部への電子線ＥＢの通過を許容する電子線射出口９と、電子線ＥＢを最終チャンバー３ｃ内でビーム軸線に直交する一方向に走査させる走査磁石１６とを有する構成とする。電子線射出口９を、走査磁石１６による電子線ＥＢの走査方向に沿って設けられたスリットによって構成する。走査磁石１６の鉄心１７を、磁極をなす一対の端部が対向させられたＣ字形状とし、各端部を、最終チャンバー３ａ内に挿入して、互いの間に前記電子線の軌道を挟み込むように近接配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属表面の焼き入れ処理等、ワーク表面の広範囲にわたって高強度の電子線を照射する処理に用いられる電子線照射装置に関するものである。

電子線照射装置は、電子銃等の電子線発生装置によって発生させた電子線をワークに照射することにより、ワーク表面の改質や殺菌、焼入れや溶接等の各種処理を施すものである。
このような電子線照射装置としては、例えば後記の特許文献１に記載の電子線照射装置が知られている。この電子線照射装置は、電子線を発生させる電子銃と、電子線を走査する磁場を発生させるステアリング磁石と、電子線を収束させる磁場を発生させる集束磁石と、磁場によって電子線を左右に走査させるスキャンホーンとを有している。

電子線は、大気中を進行すると、大気中の気体分子による散乱を受けるため、次第にビーム形状が崩れる。このため、電子線のビーム形状を適正に維持することができるよう、電子線照射装置内、特に電子線発生装置近傍部分は、真空状態に保たれる。
また、磁場による電子線の加速や整形、及び軌道の修正は、大気中で行うよりも、電子線の散乱が生じない真空中で行う方が効率がよい。
このことは、特許文献１に記載の電子線照射装置においても同様であって、前記のスキャンホーンは、扁平扇型の真空容器によって構成されている。
ここで、スキャンホーンの出口は、チタン膜等、気体の通過を規制しつつ電子線の通過を許容する膜によって封止されている。これにより、スキャンホーン内部を真空に保った状態で、膜を通じてスキャンホーン外へ電子線を射出することができるようになっている。

電子線の径方向における強度分布は、ビーム軸線を中心としたガウシアン分布となっている。すなわち、電子線においてビーム中心近傍の領域とビーム中心から離間した領域とでは、ワークに与えるエネルギーの大きさが大きく異なる。このため、ワークにおいてビーム中心が当たる部分とビーム中心から外れた部分との間に温度差が生じてしまい、均一な熱処理が困難となる。

そこで、特許文献１に記載の電子線照射装置では、スキャンホーンによって電子線を左右に走査しながらワークに電子線を照射し、この状態で、コンベアを用いてワークを電子線の走査方向に直交する方向に適切な速度で移動させる構成を採用している。この構成により、ワークにおいて電子線の照射量の少ない領域に電子線が重複して照射されることになるので、処理対象領域全体の電子線照射量を均一にすることができる。

特開２００３−１５６６００号公報（段落［００１６］〜［００１８］）

スキャンホーンの出口を覆う膜は、ワーク表面の改質処理や殺菌処理、高分子の重合処理等に用いる低強度の電子線（１０ｋＧｙから２００ｇＧｙ程度）には長期間耐えることができる。しかし、この膜は、焼き入れ処理等に用いる高強度の電子線（１×１０^４ｋＧｙ程度）には耐えられない。このため、スキャンホーンを用いた電子線照射装置は、高強度の電子線によるワークの処理に用いることができない。

そこで、高強度の電子線を利用する場合には、電子線照射装置に外部に通じる小径の電子線射出口を設けて、この電子線射出口を通じて外部に直接電子線を射出する構成が採用される。
この構成では、電子線照射装置内を高真空状態に保つために、電子線射出口を通じた電子線照射装置内への外気の流入量が電子線照射装置内の排気に用いられる真空ポンプの排気能力以下となるよう、電子線射出口の開口径を約３ｍｍかそれ以下の大きさにする必要がある。
このため、電子線の走査範囲は電子線射出口の開口径以下に制限される。このため、この電子線照射装置では、電子線を広範囲に走査させることはできない。

ここで、電子線を走査させるには、走査磁石が用いられる。走査磁石は、自身が発生させた磁場によって電子線を構成する電子にローレンツ力を作用させることで、電子線の軌道を曲げるものである。しかし、走査磁石からは、電子線を曲げるのに用いられる磁場（電子線の走査方向に直交する向きの磁場）以外にも、電子線の軌道やビーム径に悪影響を与える漏れ磁場（電子線の走査方向に対して傾斜する向きの磁場）が発生する。このため、小径の電子線射出口に電子線を正確に通過させるためには、漏れ磁場による電子線への影響を抑える必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高強度の電子線を広範囲に走査させて、ワーク表面の広い領域に均一に電子線を照射することができる電子線照射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、隣接配置される複数の真空チャンバーと、該真空チャンバーのうちの先頭チャンバーから前記真空チャンバーのうちの最終チャンバーに向けて電子線を射出する電子線発生装置と、前記各真空チャンバー間を接続して前記先頭チャンバーから前記最終チャンバーまでの前記電子線の通過を許容する連通部と、前記最終チャンバーに設けられて該最終チャンバーから外部への前記電子線の通過を許容する電子線射出口と、前記各真空チャンバーの内圧を前記最終チャンバー側の真空チャンバーほど高くなるように調整する圧力制御装置と、前記電子線を前記最終チャンバー内でビーム軸線に直交する一方向に沿って走査させる走査磁石とを有しており、前記電子線射出口は、前記走査磁石による前記電子線の走査方向に沿って設けられたスリットによって構成されている電子線照射装置を提供する。

このように構成される電子線照射装置では、電子線発生装置が発生させた電子線は、各連通部を通じて、先頭チャンバーから最終チャンバーまで到達し、最終チャンバーに設けられた電子線射出口を通じて装置外に射出される。
最終チャンバーに到達した電子線は、走査磁石によってビーム軸線に直交する一方向に沿って走査される。
最終チャンバーには、スリット状の電子線射出口が設けられている。この電子線射出口は、走査磁石による電子線の走査方向に長い長穴形状をなしているので、電子線の走査範囲を十分確保しながら、電子線射出口の開口面積を最小限にすることができる。
これにより、真空チャンバー内を真空状態に保ったままで、高強度の電子線を広範囲に走査させることができる。

また、各真空チャンバーは、先頭チャンバーから最終チャンバーに向うにつれて徐々に内圧が高められており、最終チャンバーと装置外との気圧差が低減されている。
これにより、装置外から電子線射出口を通じて真空チャンバー内に流入する外気の量が少なくなるので、電子線射出口の開口面積をより大きくすることができる。

ここで、前記走査磁石は、前記最終チャンバー外に設けられる鉄心と、該鉄心に巻き回されるコイルとを有する電磁石とされており、前記鉄心は、磁極をなす一対の端部が対向させられたＣ字形状をなしており、前記各端部は、前記最終チャンバー内に挿入されていて、互いの間に前記電子線の軌道を挟み込むように近接配置されていてもよい。

この場合には、鉄心の端部同士が近接しているので、端部間に生じる磁力線のほとんどが、一方の端部から他方の端部に向う直線状となる。すなわち、鉄心の端部間に発生する磁場のほとんどが、電子線の走査方向に略直交する向きとなるので、電子線の軌道やビーム径に悪影響が生じにくい。

さらに、走査磁石は、鉄心の端部のみが最終チャンバー内に挿入されているので、最終チャンバーの容積を小さくすることができる。これにより、圧力制御装置による最終チャンバー内の減圧が容易となるので、最終チャンバー内の真空度を向上させることができる。
これにより、最終チャンバー内での電子線の散乱が抑えられるので、電子線の制御を良好に行うことができる。

また、この電子線照射装置は、前記電子線を前記最終チャンバー内で収束させる収束磁石を有し、前記走査磁石は、前記集束磁石による前記電子線の収束部に走査磁場を作用させる構成とされていてもよい。
電子線の収束部では、電子線を構成する各電子の向きがほぼ揃っているので、上記の構成を採用することで、走査磁場によって電子線を容易に走査させることができる。

このように構成される電子線照射装置によれば、高強度の電子線を広範囲に走査させて、ワーク表面の広い領域に均一に電子線を照射することができる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る電子線照射装置１は、電子線発生装置２と、複数の真空チャンバー３とを有している。
本実施形態では、電子線発生装置２は、真空チャンバー３内に収納されるフィラメント等の陰極部材と、この陰極部材に対向配置される陽極とを有している。この電子線発生装置２は、陰極部材が放出した電子を陰極部材と陽極との間に形成した電場を用いて加速することによって真空チャンバー３内に電子線を形成するものである。

また、本実施形態では、電子線照射装置１は、列状に隣接配置される三つの真空チャンバー３を有している。以下、これら真空チャンバー３のうち、列の一端側から順に、先頭チャンバー３ａ、中間チャンバー３ｂ、最終チャンバー３ｃとする。
先頭チャンバー３ａ内には、電子線発生装置２が、電子線ＥＢの射出方向を最終チャンバー３ｃ側に向けた状態にして収納されている。
先頭チャンバー３ａと中間チャンバー３ｂとは、連通部６を介して接続されており、電子線発生装置２が発生させた電子線ＥＢは、この連通部６を通じて中間チャンバー３ｂ内に入射するようになっている。連通部６の内径は、電子線ＥＢの通過に最小限必要な内径とされている。これにより、先頭チャンバー３ａと中間チャンバー３ｂとの間での気体の流通が最小限に抑えられている。

中間チャンバー３ｂ内には、電子線発生装置２が発する電子線ＥＢを加速する加速用電極や、電子線ＥＢを所定性状に整形する磁気レンズ７（収束磁石）等、電子線ＥＢを調整するための装置が設けられている。本実施形態では、磁気レンズ７は、電子線ＥＢを最終チャンバー３ｃ内の、後述する電子線射出口９の直前（具体的には５〜１０ｍｍ手前の位置）で収束させる構成とされている。
中間チャンバー３ｂと最終チャンバー３ｃとは、連通部８を介して接続されており、中間チャンバー３ｂ内に入射した電子線ＥＢは、この連通部８を通じて最終チャンバー３ｃ内に入射するようになっている。連通部８の内径は、電子線ＥＢの通過に最小限必要な内径とされている。これにより、中間チャンバー３ｂと最終チャンバー３ｃとの間での気体の流通が最小限に抑えられている。
最終チャンバー３ｃには、連通部８に対向する部位に、外部に連通する電子線射出口９が設けられており、最終チャンバー３ｃ内に入射した電子線ＥＢが、電子線射出口９を通じて外部に射出されるようになっている。

この電子線照射装置１には、各真空チャンバー３の内圧を最終チャンバー３ｃ側の真空チャンバー３ほど高くなるように調整する圧力制御装置１１が設けられている。本実施形態では、圧力制御装置１１として、真空ポンプを有する真空排気系統１２が設けられている。この真空排気系統１２は、先頭チャンバー３ａ、中間チャンバー３ｂ、及び最終チャンバー３ｃのそれぞれに接続されている。これによって、各真空チャンバー３内がそれぞれ真空引きされるとともに、各真空チャンバー３の内圧が、最終チャンバー３ｃ側の真空チャンバー３ほど高くなるように調整される。すなわち、本実施形態では、真空チャンバー３は、三段の多段差動排気システムを有している。

また、この電子線照射装置１には、電子線ＥＢを最終チャンバー３ｃ内でビーム軸線に直交する一方向に沿って走査させる走査磁石１６が設けられている。この走査磁石１６は、磁気レンズ７による電子線ＥＢの収束部Ｐに走査磁場を作用させる構成とされている。
図２に示すように、走査磁石１６は、最終チャンバー３ｃ外に設けられる鉄心１７と、鉄心１７に巻き回されるコイル１８とを有する電磁石とされている。
鉄心１７は、磁極をなす一対の端部が対向させられたＣ字形状をなしている。各端部１７ａ，１７ｂは、最終チャンバー３ｃ内に挿入されていて、互いの間に電子線ＥＢの軌道を挟み込むように近接配置されている。
また、鉄心１７において最終チャンバー３ｃ外に位置する部分は、磁気シールド１９によって覆われており、鉄心１７において最終チャンバー３ｃ外に位置する部分が発する磁場が最終チャンバー３ｃ内に侵入しないようになっている。
また、コイル１８には、交流電流を引加する電源装置（図示せず）が接続されている。

ここで、最終チャンバー３ｃの電子線射出口９は、走査磁石１６による電子線ＥＢの走査方向に沿って設けられたスリットによって構成されている。
本実施形態では、図２に示すように、電子線射出口９は、長さＬ１が３．５ｍｍ、幅Ｗ１が１．５ｍｍとされている。
また、最終チャンバー３ｃは、電子線射出口９の幅方向における寸法Ｗ２が、電子線射出口９の長手方向における寸法Ｌ２よりも小さく設定されている。
最終チャンバー３ｃの圧力制御装置１１との接続口２１は、最終チャンバー３ｃの短辺側の壁面２２に設けられている。

また、図１に示すように、この電子線照射装置１には、最終チャンバー３ｃにおいてワークＷと対向する部位（すなわちワークＷに電子線ＥＢを照射した際にワークＷからの輻射熱を受ける部分）を冷却するための冷却装置２３が設けられている。
本実施形態では、冷却装置２３は、短辺側の壁面２２を通じて最終チャンバー３ｃ内に挿入される冷却用配管２４と、最終チャンバー３ｃ該に設けられてこの冷却用配管２４に冷却水等の冷媒を循環させる循環装置２５とを有する構成とされている。冷却用配管２４は、最終チャンバー３ｃの底部上面に沿って設けられている。図２に示すように、冷却用配管２４は、電子線射出口９の長手方向に沿って、電子線射出口９の周囲を囲むように設けられている。
また、最終チャンバー３ｃは、熱伝導性が高く、また非磁性体である銅や銅合金によって構成されている。

このように構成される電子線照射装置１では、図１に示すように、電子線発生装置２が発生させた電子線ＥＢは、各連通部６，８を通じて、先頭チャンバー２ａから最終チャンバー３ｃまで到達し、最終チャンバー３ｃに設けられた電子線射出口９を通じて装置外に射出される。
最終チャンバー３ｃに到達した電子線ＥＢは、走査磁石１６によってビーム軸線に直交する一方向（図１及び図２における左右方向）に沿って走査される。
具体的には、走査磁石１６は、コイル１８に所定周波数の交流電流を引加されることで、電子線ＥＢの軌道を挟んで対向配置される端部１７ａ，１７ｂ間に交番磁場を発生させる。これにより、電子線ＥＢを構成する電子にローレンツ力が作用して、電子線ＥＢが磁場の向きに直交する方向に、所定周期で走査させられる。

ここで、前記のように、鉄心１７は、磁極をなす一対の端部１７ａ，１７ｂが最終チャンバー３ｃ内に挿入されていて、これら端部１７ａ，１７ｂが電子線ＥＢの軌道を挟み込むようにして近接配置されている。
このように、鉄心１７の端部１７ａ，１７ｂ同士が近接しているので、端部１７ａ，１７ｂ間に生じる磁力線のほとんどが、図２に破線で示すように、一方の端部から他方の端部に向う直線状となる。すなわち、鉄心１７の端部１７ａ，１７ｂ間に発生する磁場のほとんどが、電子線ＥＢの走査方向に略直交する向きとなるので、電子線ＥＢの軌道やビーム径に悪影響が生じにくい。
また、本実施形態では、圧力制御装置１１との接続口２１と冷却用配管２４とが、走査磁石１６の鉄心１７と干渉しない位置に配置されているので、鉄心１７の端部１７ａ，１７ｂ同士をより近接させることができる。これにより、鉄心１７からの漏れ磁場を最小限に抑えて、漏れ磁場による電子線ＥＢの軌道やビーム径への悪影響を最小限にすることができる。

さらに、走査磁石１７は、鉄心１７の端部のみが最終チャンバー３ｃ内に挿入されているので、最終チャンバー３ｃの容積を小さくすることができる。
また、最終チャンバー３ｃは、電子線射出口９の幅方向における寸法Ｗ２が電子線射出口９の長手方向における寸法Ｌ２よりも小さく設定されている。これにより、最終チャンバー３ｃの容積をさらに小さくすることができる。
このように最終チャンバー３ｃの容積を小さくすることにより、圧力制御装置１１による最終チャンバー３ｃ内の減圧が容易となるので、最終チャンバー３ｃ内の真空度を向上させることができる。そして、このように最終チャンバー３ｃ内の真空度を向上させることで、最終チャンバー３ｃ内での電子線ＥＢの散乱が抑えられるので、電子線ＥＢの制御を良好に行うことができる。

ここで、最終チャンバー３ｃは非磁性体によって構成されているので、内部で走査磁石１６が磁場を発生させても、この磁場を乱すことがない。
さらに、鉄心１７において最終チャンバー３ｃ外に位置する部分と最終チャンバー３ｃとの間には、磁気シールド１９が設けられているので、鉄心１７において最終チャンバー３ｃ外に位置する部分が発する磁場によって最終チャンバー３ｃ内の磁場が乱されない。
このため、この電子線照射装置１では、走査磁石１６による電子線ＥＢの方向制御を精度よく行うことができる。

最終チャンバー３ｃには、スリット状の電子線射出口９が設けられている。この電子線射出口９は、走査磁石１６による電子線ＥＢの走査方向に長い長穴形状をなしているので、図３に示すように電子線ＥＢの走査範囲を電子線ＥＢのビーム径に比べて十分確保しながら、電子線射出口９の開口面積を最小限にすることができる。
これにより、この電子線照射装置１では、各真空チャンバー３内を真空状態に保ったままで、高強度の電子線ＥＢを広範囲に走査させることができる。

この電子線照射装置１を用いてワークの焼き入れ処理を行う場合には、上記のように電子線ＥＢを一方向に沿って走査させた状態で、図１及び図４に示すように、電子線射出口９にワークＷを対向させ、図示せぬ移動装置によってワークＷを電子線ＥＢの走査方向に略直交する方向に所定速度で移動させる。これにより、ワークＷにおいて電子線ＥＢの照射量の少ない領域に電子線ＥＢが重複して照射されることになるので、ワークＷの処理対象領域全体の電子線照射量を均一にすることができ、処理対象領域全体に均一な焼き入れを施すことができる。

ここで、この電子線照射装置１では、磁気レンズ７によって電子線が最終チャンバー３ｃ内で収束させられており、走査磁石１６は、磁気レンズ７による電子線ＥＢの収束部Ｐに走査磁場を作用させる構成とされている。
電子線ＥＢの収束部Ｐでは、電子線ＥＢを構成する各電子の向きがほぼ揃っているので、走査磁石１６の走査磁場によって電子線ＥＢを容易に走査させることができる。
そして、このように走査磁石１６による電子線ＥＢの走査が容易であるので、走査磁石１６が小型で済み、電子線照射装置１を小型化することができる。
また、本実施形態では、電子線ＥＢの収束部Ｐは、電子線射出口９の直前に設定されている。これにより、電子線ＥＢは、走査範囲がまだ小さいうちに電子線射出口９を通過することになるので、電子線ＥＢの走査範囲を狭めることなく、電子線射出口９の幅Ｗをより小さくして、最終チャンバー３ｃの真空度を高めることが可能である。

また、各真空チャンバー３は、先頭チャンバー３ａから最終チャンバー３ｃに向うにつれて徐々に内圧が高められており、最終チャンバー３ｃと装置外との気圧差が低減されている。
これにより、装置外から電子線射出口９を通じて真空チャンバー３内に流入する外気の量が少なくなる。このため、電子線射出口９の開口面積をより大きくすることができ、電子線ＥＢの走査可能範囲をより大きく確保することができる。

本発明の一実施形態に係る電子線照射装置の構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に示す電子線照射装置の最終チャンバー内の構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る電子線照射装置による電子線の照射の様子を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る電子線照射装置による電子線の照射の様子を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電子線照射装置
２ 電子線発生装置
３ａ 先頭チャンバー（真空チャンバー）
３ｃ 最終チャンバー（真空チャンバー）
６，８ 連通部
７ 磁気レンズ（収束磁石）
９ 電子線射出口
１１ 圧力制御装置
１６ 走査磁石
１７ 鉄心
１７ａ，１７ｂ 端部
１８ コイル
２１ 接続口
２２ 短辺側の壁面
２４ 冷却用配管
ＥＢ 電子線

Claims (3)

1. 隣接配置される複数の真空チャンバーと、
   該真空チャンバーのうちの先頭チャンバーから前記真空チャンバーのうちの最終チャンバーに向けて電子線を射出する電子線発生装置と、
   前記各真空チャンバー間を接続して前記先頭チャンバーから前記最終チャンバーまでの前記電子線の通過を許容する連通部と、
   前記最終チャンバーに設けられて該最終チャンバーから外部への前記電子線の通過を許容する電子線射出口と、
   前記各真空チャンバーの内圧を前記最終チャンバー側の真空チャンバーほど高くなるように調整する圧力制御装置と、
   前記電子線を前記最終チャンバー内でビーム軸線に直交する一方向に沿って走査させる走査磁石とを有しており、
   前記電子線射出口は、前記走査磁石による前記電子線の走査方向に沿って設けられたスリットによって構成されている電子線照射装置。
2. 前記走査磁石は、前記最終チャンバー外に設けられる鉄心と、該鉄心に巻き回されるコイルとを有する電磁石とされており、
   前記鉄心は、磁極をなす一対の端部が対向させられたＣ字形状をなしており、
   前記各端部は、前記最終チャンバー内に挿入されていて、互いの間に前記電子線の軌道を挟み込むように近接配置されている請求項１記載の電子線照射装置。
3. 前記電子線を前記最終チャンバー内で収束させる収束磁石を有し、
   前記走査磁石は、前記集束磁石による前記電子線の収束部に走査磁場を作用させる構成とされている請求項１または２に記載の電子線照射装置。

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