JP2007528497A - 電界放出チップを用いた低エネルギー大面積電子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電界放出チップを用いて、高電流密度で広い範囲の電子ビームの照射ができる、構造の単純化及び小型化を確保できる電子ビーム照射装置の提供
【解決手段】 周りの一側に長さ方向に電子ビーム照射窓が形成された真空チャンバーと、真空チャンバーの内部中心の長さ方向に位置され、その周りの一側に電子ビーム照射窓に対応される電界放出チップが形成された陰極と、チャンバーの一端に位置され、前記陰極側に高電圧を印加させる高電圧印加部と、を含む電子ビーム照射装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は電子ビーム照射装置に関する。さらに詳しくは、電磁石を使用することなく広い幅で広い範囲の電子ビームの照射が行われるだけでなく、フィラメントのような加熱手段や別途の追加的な電源装置等がなくとも、高い電流密度の電子ビームの照射が行われるようにすることにより、構造の単純化及び小型化を確保できるようにした電子ビーム照射装置に関する。

全ての物質の物性は構成原子間の相互結合形態によって決定される。このような結合は原子に束縛された外郭電子によって行われ、もし充分のエネルギーをもつ電子ビームを用いてある物質が有する結合形態を変形させると、もともと有していた物性とは全く異なる特性が発現される。

即ち、電子ビームを照射することによって、ある物質に追加的に有用な性質を付与したり、あるいは人体に有害な性質を除去することが可能となる。

一般的に電子ビーム照射装置に使用されている陰極物質は、仕事関数が低い(low work function)様々な単結晶や酸化物質等を使用して電子ビームを発生させるようにしている。これらはその大きさが制限されており、広い幅の被照射体に対する電子ビームの照射及び処理をするためには電磁石の使用が必要である。

従来の電子ビーム照射装置は、陰極物質をフィラメントで加熱して高温の適正温度まで上昇させて電子ビームを獲得する熱電子駆動方式で構成されているため、上記フィラメントは勿論、別途の追加的な熱源装置が必須的に要求される。

このように、従来の電子ビーム照射装置は、その構造が複雑なだけでなく小面積の電子ビーム照射による照射効率の低下と経済性及び作業性の欠如を引き起こす問題点がある。

従って、上記のような問題を防止できる電子ビーム照射装置が本技術分野において要求されていた。

本発明は上記のような問題点を解消するものであり、電磁石を使用することなく、広い幅で広い範囲の電子ビームの照射を可能ならしめ、フィラメントのような加熱手段や別途の追加的な電源装置等がなくとも高い電流密度の電子ビームの照射を可能ならしめることによって、構造の単純化及び小型化を確保できる電子ビーム照射装置の提供を目的とする。

本発明は陰極に帯形態で形成された電界放出チップから電子ビームが放射形態をなしながら照射されるよう構成することによって、より広い幅の大面積照射を可能ならしめ、これにより電子ビームの照射効率をさらに向上させるようになっている電子ビーム照射装置の提供を目的とする。

本発明は照射装置の全体的な組み立て及び分解が簡単に行われるよう構成することにより、組み立ては勿論交換及び維持補修の迅速性、簡単性及び効率性を増大させることが可能な電子ビーム照射装置の提供を目的とする。

本発明は真空チャンバー内部の真空状態が電子ビーム照射窓を通じた漏れで喪失されないようにしつつ、上記電子ビーム照射窓を通じて引き出される電子ビームの加速電気場の歪曲を最小化し、また電子ビームが透過される金属膜の厚さを最小化しながら真空と大気間の圧力差に対する充分の支持力を有するよう構成することにより、金属膜を通過する電子ビームの電流損失及びエネルギー損失低減効果を有する低エネルギー電子ビームの照射窓に適するようになっている電子ビーム照射装置の提供を目的とする。

本発明は円筒形態である一つの装置に複数個の電子ビーム照射窓を形成することにより、各々の電子ビーム照射窓に対する独立的適用と高い稼働効率を確保し、特に円筒形態の被照射体の内面に対する処理効率をより上昇させることができ、照射装置と被照射体との間の距離変化による電流密度の調節を可能としている電子ビーム照射装置の提供を目的とする。

本発明は、周りの一側に長さ方向に電子ビーム照射窓が形成された真空チャンバーと、上記真空チャンバーの内部中心の長さ方向に位置され、その周りの一側に上記電子ビーム照射窓に対応される電界放出チップが形成された陰極と、上記チャンバーの一端に位置され、上記陰極側に高電圧を印加させる高電圧印加部と、を含むことを特徴とする電子ビーム照射装置を提供する。

好ましくは、上記電界放出チップが、炭素ナノチューブであることを特徴とする。

また、上記陰極が、円形断面を有する棒型構造体で形成され、その棒型構造体の外周面の長さ方向に帯形態の電界放出チップが形成されていることを特徴とする。

また本発明は、上記真空チャンバーの両端部に各々一体で形成された固定フランジと、
上記両端部の固定フランジのうち一側の固定フランジに結合され、前記高電圧印加部を具備する第１真空フランジと、上記両端部の固定フランジのうち他側の固定フランジに結合される第２真空フランジと、上記陰極の一側端にピン挿入孔を形成し、上記高電圧印加部の一側には前記高電圧印加部の接続ピンが貫通する第１絶縁体を具備して上記第１絶縁体を貫通した接続ピンが陰極のピン挿入孔に挿入されるように構成された第１支持部と、上記第２真空フランジの中心部に縦軸方向に具備された第２絶縁体に挿入溝を形成して陰極の他側端に形成される挿入突部が上記挿入溝に挿入され陰極を支持するよう構成された第２支持部と、をさらに含むことを特徴とする。

ここで、上記電子ビーム照射窓が、上記真空チャンバーの外側にやや突出され中央部に幅が狭くて長さが長い直四角形態の透視孔が形成されたベース板と、上記ベース板の透視孔外郭に沿って形成されるワイヤ挿入溝に挿入される金属ワイヤと、上記金属ワイヤが囲む面積よりやや大きい面積で金属ワイヤ上側に具備される金属膜と、上記ベース板と対応され中央部に透視孔に相応するビーム照射孔が形成されベース板と結合される蓋板と、
をさらに含むことを特徴とする。

また上記真空チャンバーが円筒形態で形成され、その外周面に多数の電子ビーム照射窓が形成され、前記真空チャンバー内部の陰極の外周面には上記電子ビーム照射窓と各々対応される電界放出チップが形成されることを特徴とする。

そして本発明は、周りの一部に長さ方向に複数の電子ビーム照射窓が形成された真空チャンバーと、上記真空チャンバーの内部に位置され、その周りの一側に少なくとも一つの直線面を形成し、前記各々の電子ビーム照射窓に各々対応される複数個の電界放出チップが形成された陰極と、上記真空チャンバーの一端に位置され、上記陰極側に高電圧を印加させる高電圧印加部と、を含む電子ビーム照射装置を提供する。

本発明による電界放出チップを用いた低エネルギー大面積電子ビーム照射装置は、電界放出チップを用いて低エネルギー大面積電子ビームの照射が行われるよう構成することによって、電磁石を使用することなく広い幅で広い範囲の電子ビームの照射が可能であるだけでなく、フィラメントのような加熱手段や別途の追加的な電源装置等がなくとも高い電流密度の電子ビームの照射が可能であり、これによって装置構成の単純化及び小型化を確保できる効果がある。

また本発明によると、陰極に帯形態で形成された電界放出チップから発生された電子ビームによって、広い範囲に塗布されたインクや塗料をより迅速に硬化させることができるだけでなく、医療用品の大量殺菌及び滅菌処理に効果的に適用させることができる効果がある。

さらに本発明は、フランジ接合によって照射装置の全体的な組み立て及び分解が簡単に行われるよう構成されることにより、組み立ては勿論交換及び維持捕集の迅速性、簡単性及び効率性を増大させることができる。

また、本発明は真空チャンバー内部の真空状態が電子ビーム照射窓を通じた漏れで喪失されないようにしながら、上記電子ビーム照射窓を通じて引き出される電子ビームの加速電気場の歪曲を最小化し、また電子ビームが透過される金属膜の厚さを最小化しつつ真空と大気との圧力差に対する充分の支持力を有する低エネルギーの電子ビーム照射窓を具備することにより、金属膜を通過する電子ビームの電流損失及びエネルギー損失低減効果を有する。

また、本発明は円筒形態をなす一つの装置に多数個の電子ビーム照射窓を形成して多重照射が行われるよう構成することにより、各々の電子ビーム照射窓に対する用途別独立的適用と高い稼働効率を確保し、特に円筒形態の被照射体内面に対する処理効率をさらに上昇させることができ、照射装置と被照射体との距離変化による電流密度の調節が可能という効果がある。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。

図１は本発明による電子ビーム照射装置の一実施例の分解図である。本発明による電子ビーム照射装置は、内部真空状態を維持し電気的に陽極に該当する真空チャンバー１と、上記真空チャンバー１の内部中央の長さ方向に具備される棒型構造体２Ａ形態の陰極２と、上記陰極２を真空チャンバー１内部の両側から支持する第１支持部３及び第２支持部４と、上記陰極２側に高電圧を印加させる高電圧印加部５と、を含むことができる。

上記真空チャンバー１は、両側開放形の円筒型構造体で形成されることができ、上記円筒型構造体のほぼ中間部の外周周りの一側には長さ方向の幅が狭くて長さが長い形態の電子ビーム照射窓１１が形成される。また上記真空チャンバー１の両端部には各々固定フランジ１２、１２Ａが一体で形成されることができる。

上記陰極２は、比較的直径が小さく、長さが長い円形棒型状で形成され、その外側周りの一側には幅が狭く、長さが長い帯形態の電界放出チップ２０が形成されている。電界放出チップ２０は真空チャンバー１に形成された電子ビーム照射窓１１に対応してこれと向かい合うように配置される。電界放出チップ２０は炭素ナノチューブ２０Ａで形成されることが好ましい。

炭素ナノチューブ２０Ａは、１９９１年日本電気会社（ＮＥＣ）付設研究所のIijima Sumio博士が電気放電法を使用して黒鉛の陰極上に形成させた炭素の塊を分析する過程で発見したものである。その形態は炭素６個からなる六角形の模様が相互連結された管状をなしており、管の直径が数〜数１０ナノメートルに過ぎないため、電界放出チップと呼ばれることとなった。ナノメートルは１０億分の１メートルで大体髪の毛の１０万分の１の大きさである。

炭素ナノチューブは電気伝導度が銅と類似し、熱伝導率は自然界で最も優れているダイヤモンドと同じであり、強度は鉄鋼より１００倍も優れている。炭素繊維は１％だけ変形させても切れる反面、炭素ナノチューブは１５％変形させても耐えられる特性を有する。本発明では炭素ナノチューブは電子ビーム供給源として使用される。

炭素ナノチューブ２０Ａは高電圧を印加すると電界放出による高い電流密度の電子ビームが放出される。

本発明は真空チャンバー１の両側開放部を気密させ、陰極２に高電圧を印加させるための高電圧印加部５を備える。

本発明は真空チャンバー１を外部と気密させるため真空チャンバー１の一側固定フランジ１２と結合される第１真空フランジ５１を具備し、真空チャンバー１の他側固定フランジ１２Ａに固定される別途の第２真空フランジ６を具備し、これらはボルト締めにより密封状態で結合される。

本発明の電子ビーム照射装置は、陰極２を真空チャンバー１内部の両側から支持する第１支持部３及び第２支持部４とを具備し、第１支持部３は図２に示すように、陰極２の一側端に形成されたピン挿入孔３１に高電圧印加部５から突出させた接続ピン５２を挿入し、これにより陰極２が正位置に支持されるようにし、かつ電気的に接続されるよう構成する。

第１支持部３は接続ピン５２を取り囲むように絶縁セラミック材質で形成された第１絶縁体３２を具備する。第１絶縁体３２には、高電圧印加部５の接続ピン５２が通過できるように、中央部にピン貫通孔３２１が形成され、その外面は高電圧印加部５の絶縁碍子5aに備えられた装着溝３３にネジ結合される。

このような絶縁体構造とすることにより、接続ピン５２を通る高電圧は陰極２以外の部分に対して完璧に絶縁される。

第２支持部４は、第２真空フランジ６の中央部に形成された結合溝４５に固定される結合突部４４を後端部に有する第２絶縁体４１を具備し、結合突部４４は結合溝４５にネジ結合される。

第１絶縁体３２及び第２絶縁体４１は、高電圧による絶縁破壊を防止するため表面に多数の凹凸を形成して表面経路を延長することが好ましい。

図２は図１の組み立て状態の断面図を示す。

本発明の電子ビーム照射装置は、真空チャンバー１の内部中心の長さ方向に陰極２が具備し、陰極２の両端は第１支持部３及び第２支持部４により各々高電圧印加部５及び第２真空フランジ６に連結され支持される。陰極２の一側部は、高電圧印加部５の接続ピン５２が第１支持部３を構成する第１絶縁体３２を貫通して陰極２のピン挿入孔３１に挿入されることによって支持され、陰極２の他側部は、陰極２の端部側挿入突部４３が第２絶縁体４１の挿入溝４２に挿入されることにより支持される。

接続ピン５２は、高電圧印加部５に連結された電源（図示せず）から高電圧が印加され、陰極２に高電圧を供給するように電気的に電源に連結される。

本発明の電子ビーム照射装置は、陰極２に高電圧が印加されると、真空チャンバー１の電子ビーム照射窓１１と対向するように配置された陰極２の電界放出チップ２０から電界放出による高い電流密度の電子ビームが放出される。陰極２は円形の断面で形成されており、円形断面の曲面に沿って電界放出チップ２０が形成されているため、電子ビームは図３に示すような放射形態をなして発生される。

発生した電子ビームは、電気的に陽極に該当する真空チャンバー１と陰極２との間で所定量のエネルギーで加速され、真空チャンバー１の電子ビーム照射窓１１を通じて加速電子ビームが引き出される。

図４及び図５は、本発明の電子ビーム照射装置に設けられた電子ビーム照射窓の構造を示す。

電子ビーム照射窓１１は、真空チャンバー１に設けられる。真空チャンバー１には幅が狭く、長さが長いほぼ直四角形状の切開部内にベース板１１１がやや突出された状態で一体で形成される。ベース板１１１の中央部にも幅が狭く、長さの長い直四角形状の透視孔１１１Ａが形成され、透視孔１１１Ａの外郭にはベース板１１１に金属ワイヤ１１２が挿入されるワイヤ挿入溝１１１Ｂがほぼ直四角形状に形成される。

金属ワイヤ１１２の上部側には、厚さの薄い薄膜形態の金属膜１１３が装着され、その上に蓋板１１４がボルト締めによりベース板１１１に結合される。蓋板１１４の中央部にはベース板１１１の透視孔１１１Ａと対応する形状のビーム照射孔１１４Ａが形成される。

ベース板１１１は加速電気場の歪曲を減らすため、最小の突出範囲で設計することが好ましい。金属ワイヤ１１２は電子ビーム照射窓１１を通じて真空チャンバー１内部の真空状態が喪失されることを遮断する気密機能を有する。

本発明の電子ビーム照射装置の電子ビーム照射窓１１は、ベース板１１１の透視孔１１１Ａの幅が狭いため、金属膜１１３は厚さが薄くても、真空と大気の圧力差を充分支持することができる。金属膜１１３を抜け出す電子ビームの電流は、厚い金属膜を抜け出すことに比べ相対的に増大され、エネルギー損失が減少し、低エネルギー電子ビームの照射窓として適しているという長所がある。

図６は本発明の他の実施例を示す。本発明の電子ビーム照射装置は、真空チャンバー１の周りに沿って多数個の電子ビーム照射窓１１を設けることができる。真空チャンバー１の内部中心の長さ方向に設置された陰極２の周りには、電子ビーム照射窓１１と各々対応する位置に多数の電界放出チップ２０を形成できる。

図７ないし図８に示すように、本発明の電子ビーム照射装置に多数個の電子ビーム照射窓１１を設け、その各々を独立的に相互異なる用途で同時に使用できるという長所がある。また、円筒形態の被照射体の内面を処理する場合に効果的であり、放射形態の電子ビームの照射により、照射装置と被照射体との距離変化により電流密度の調整も可能である。

本発明の電子ビーム照射装置は、図７に示すように、真空チャンバー１の両面に電子ビーム照射窓１１を設け、その外側で被照射体を矢印Ｓ方向線形移動させながら処理できる。図８に示すように、本発明の電子ビーム照射装置は、真空チャンバー１の３面に電子ビーム照射窓１１を設け、被照射体を矢印Ｓ方向に電子ビーム照射窓１１を取り囲むよう旋回移動させながら処理できる。

本発明の電子ビーム照射装置は、図９に示すように、真空チャンバー１の４面に電子ビーム照射窓１１を設け、これを円筒型被照射体の内部で矢印Ｓ方向に回転させながら処理できる。

真空チャンバー１を回転させる装置の構成は、当業界で通常使用される回転モーター（図示せず）と動力伝達装置（図示せず）等を用いると容易に実施できる。

図１０は本発明の異なる実施例である電子ビーム照射装置を示す。図１０に示す電子ビーム照射装置は、その周りの一側に長さ方向に複数の電子ビーム照射窓１１を設けた真空チャンバー１を備える。

真空チャンバー１は、好ましくはその外面に一つの直線面１aを有し、そこに各々の電子ビーム照射窓１１が設けられた構造からなる。

真空チャンバー１の内部には複数個の電界放出チップ２０が設けられた陰極２が備えられ、陰極２には真空チャンバー１の直線面１aに対応する平行した少なくとも一つの直線面２aが設けられ、電界放出チップ２０は各々の電子ビーム照射窓１１に対応した構造となっている。陰極２に高電圧を印加させると高電圧印加部（図示せず）を真空チャンバー１の一側に設けられる。

電界放出チップ２０は炭素ナノチューブ２０Ａで形成されることが好ましい。

本発明の電子ビーム照射装置は、真空チャンバー１の外側から被照射体を矢印Ｓ方向に直線面１aに沿って線形移動させながら処理できる。このような配列の長所は一度に多量の線量を短時間で照射できる点にある。

以上の説明は例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。本願明細書又は図面の記載内容を通じて当業者は上記実施例と異なる本発明の変形構造あるいは均等構造を多様に構成することができる。しかしなから、これらの構造は本発明の技術思想内に含まれるものである。特に、本発明の構成要素の材質変更、単純機能の追加、単純形状変更又は値数変更等が多様に例示され得るが、これらの全てが本発明の権利範囲内に含まれるのは明らかである。

本発明の一実施例を示す分解斜視図である。 図１の組み立て状態を示した断面図である。 本発明による電子ビーム照射形態を示した断面図である。 本発明の電子ビーム照射窓の構造を示した分解斜視図である。 図４の組み立て状態を示した断面図である。 本発明の他の実施例を示した斜視図である。 本発明に従って複数の照射ビーム照射窓を具備し、独立的な照射状態を示した例示図である。 本発明に従って３面の照射ビーム照射窓を具備し、曲面で移動する被照射体に対する多重照射状態を示した例示図である。 本発明に従って４面の照射ビーム照射窓を具備し、円筒形態の被照射体内面に対する放射型多重照射状態を示した例示図である。 本発明のまた異なる実施例による電子ビーム照射装置の作動状態を図示した説明図である。

符号の説明

１ 真空チャンバー
２ 陰極
３ 第１支持部
４ 第２支持部
５ 高電圧印加部
６ 第２真空フランジ
１１ 電子ビーム照射窓
１１１ ベース板
１１１Ａ 透視孔
１１１Ｂ ワイヤ挿入溝
１１２ 金属ワイヤ
１１３ 金属膜
１１４ 蓋板
１２ 固定フランジ
２０ 電界放出チップ
２０Ａ 炭素ナノチューブ
３１ ピン挿入孔
３２ 第１絶縁体
３２１ ピン貫通孔
３３ 装着溝
４１ 第２絶縁体
４３ 挿入突部
４４ 結合突部
４５ 結合溝
５１ 第１真空フランジ
５２ 接続ピン

Claims (13)

1. 周りの一側に長さ方向に電子ビーム照射窓が形成された真空チャンバーと、前記真空チャンバーの内部中心の長さ方向に位置し、その周りの一側に前記電子ビーム照射窓に対応する電界放出チップが形成された陰極と、
   前記チャンバーの一端に位置し、前記陰極側に高電圧を印加させる高電圧印加部と、からなることを特徴とする電子ビーム照射装置。
2. 前記電界放出チップが、炭素ナノチューブであることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム照射装置。
3. 前記陰極が、円形断面を有する棒型構造体で形成され、その棒型構造体の外周面の長さ方向に帯形態の電界放出チップが形成されていることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム照射装置。
4. 前記電界放出チップが、陰極の円形断面に沿って形成され放射形態の電子ビームを放出することを特徴とする請求項３記載の電子ビーム照射装置。
5. 前記真空チャンバーの両端部に各々一体で形成された固定フランジと、
   前記両端部の固定フランジのうち一側の固定フランジに結合され、前記高電圧印加部を具備する第１真空フランジと、
   前記両端部の固定フランジのうち他側の固定フランジに結合される第２真空フランジと、
   前記陰極の一側端にピン挿入孔を形成し、前記高電圧印加部の一側には前記高電圧印加部の接続ピンが貫通する第１絶縁体を具備する前記第１絶縁体を貫通した接続ピンが陰極のピン挿入孔に挿入されるように構成された第１支持部と、
   前記第２真空フランジの中心部に縦軸方向に具備された第２絶縁体に挿入溝を形成して陰極の他側端に形成される挿入突部が前記挿入溝に挿入され陰極を支持するよう構成された第２支持部と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１あるいは請求項３に記載の電子ビーム照射装置。
6. 前記第２支持部の第２絶縁体が、高電圧による絶縁破壊を防止するため表面に多数の凹凸を形成して表面経路を延長することを特徴とする請求項５記載の電子ビーム照射装置。
7. 前記電子ビーム照射窓が、前記真空チャンバーに固定され、外側にやや突出され中央部に幅が狭くて長さが長い直四角形態の透視孔が形成されたベース板と、
   前記ベース板の透視孔外郭に沿って形成されるワイヤ挿入溝に挿入される金属ワイヤと、
   前記金属ワイヤが囲む面積よりやや大きい面積で金属ワイヤ上側に具備される金属膜と、
   前記ベース板と対応され中央部に透視孔に相応するビーム照射孔が形成されベース板と結合される蓋板と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム照射装置。
8. 前記真空チャンバーが円筒形態で形成され、その外周面に多数の電子ビーム照射窓が形成され、前記真空チャンバー内部の陰極の外周面には前記電子ビーム照射窓と各々対応される電界放出チップが形成されることを特徴とする請求項１あるいは請求項３記載の電子ビーム照射装置。
9. 前記真空チャンバーが、その両面に電子ビーム照射窓を形成し、その外側で被照射体を線形移動させながら処理することを特徴とする請求項８記載の電子ビーム照射装置。
10. 前記真空チャンバーが、３面に電子ビーム照射窓を形成し、被照射体を前記電子ビーム照射窓を取り囲むよう旋回移動させながら処理することを特徴とする請求項８記載の電子ビーム照射装置。
11. 前記真空チャンバーの４面に電子ビーム照射窓を形成し、円筒型被照射体の内部で回転されながら被照射体を処理することを特徴とする請求項８記載の電子ビーム照射装置。
12. 周りの一部に長さ方向に複数の電子ビーム照射窓が形成された真空チャンバーと、
    前記真空チャンバーの内部に位置され、その周りの一側に少なくとも一つの直線面を形成し、前記各々の電子ビーム照射窓に各々対応される複数個の電界放出チップが形成された陰極と、
    前記真空チャンバーの一端に位置され、前記陰極側に高電圧を印加させる高電圧印加部と、を含む電子ビーム照射装置。
13. 前記真空チャンバーが、前記陰極の直線面に対応して平行した少なくとも一つの直線面を含んで各々の電子ビーム照射窓が形成されることを特徴とする請求項１２記載の電子ビーム照射装置。

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