JP2013185830A - 電離性放射線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で金属箔を充分に冷却することができる電離性放射線照射装置を提供することができる。
【解決手段】側面もしくは上面に電離性放射線照射用の照射窓が設けられた筒状の耐熱炉と、耐熱炉の外側に配置された電離性放射線照射器とを備え、耐熱炉の照射部における雰囲気温度が１００℃以上の温度条件下で使用される電離性放射線照射装置であって、電離性放射線照射器が耐熱炉の照射窓から離間して配置され、耐熱炉の照射窓に金属箔が設けられると共に、電離性放射線照射器の電離性放射線出射用の出射窓に金属箔が設けられ、照射窓の金属箔と出射窓の金属箔とが対向して所定の間隔を設けて配置されており、さらに、照射窓を耐熱炉の外部より冷却するための冷却手段が備えられている電離性放射線照射装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、高温に保たれる筒状の耐熱炉内に向けて金属箔が設けられた照射窓を通じて電離性放射線を照射する電離性放射線照射装置に関する。

筒状の耐熱炉内のワークに電離性放射線を照射する技術については従来から種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

かかる電離性放射線照射装置は、電離性放射線照射器から照射される電離性放射線が、筒状の耐熱炉の側面に設けられた照射窓を通して炉内のワークに照射される構造となっている。

そして、電離性放射線照射器は、耐熱炉の照射窓に直接取り付けられており、耐熱炉の照射窓に金属箔が設けられて、耐熱炉および電離性放射線照射器の気密性が維持されている。

特許第３３１７４５２号公報 特許第３７３６３５１号公報

しかし、耐熱炉内が１００℃以上の高温下で使用されるような場合、例えばフッ素樹脂の架橋を行うために、フッ素樹脂の融点である３２７℃以上に炉内が保たれて連続的に使用されるような場合には、電離性放射線の照射による金属箔の発熱に加えて、炉内の高い温度の影響が金属箔に加わることにより、金属箔の機械的強度が劣化するという問題があった。

例えば、金属箔として好ましく用いられるチタン箔の場合、機械的強度が維持できる温度は５００℃以下であるが、耐熱炉内が１００℃以上の高温下で使用される場合、電離性放射線の照射中は照射条件により金属箔が５００℃を越える場合がある。

これは、電離性放射線照射器の内部は真空に保たれており、さらに電離性放射線器が耐熱炉に直接取り付けられており、適切な冷却ができない構造になっているためである。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、簡単な構造で金属箔を充分に冷却することができ、耐熱炉内が１００℃以上の高温下で使用されるような場合でも金属箔の機械的強度を充分に維持することができる電離性放射線照射装置を提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に記載する発明により、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。以下、各請求項毎に説明する。

請求項１に記載の発明は、
側面もしくは上面に電離性放射線照射用の照射窓が設けられた筒状の耐熱炉と、前記耐熱炉の外側に配置された電離性放射線照射器とを備え、前記耐熱炉の照射部における雰囲気温度が１００℃以上の温度条件下で使用される電離性放射線照射装置であって、
前記電離性放射線照射器が前記耐熱炉の照射窓から離間して配置され、
前記耐熱炉の照射窓に金属箔が設けられると共に、前記電離性放射線照射器の電離性放射線出射用の出射窓に金属箔が設けられ、
前記照射窓の金属箔と前記出射窓の金属箔とが対向して所定の間隔を設けて配置されており、
さらに、前記照射窓を前記耐熱炉の外部より冷却するための冷却手段が備えられている
ことを特徴とする電離性放射線照射装置である。

本請求項の発明においては、電離性放射線照射器が耐熱炉の照射窓から離間して配置され、耐熱炉の照射窓に設けられた金属箔と電離性放射線照射器の出射窓に設けられた金属箔が所定の間隔を設けて配置されているため、耐熱炉の照射窓の金属箔が外部空間に開放されることになる。

そして、本請求項の発明に係る電離性放射線照射装置においては、さらに、耐熱炉の外部より照射窓を冷却するための冷却手段が備えられている。このため、耐熱炉内の温度が１００℃以上の高温に保たれた状況で電離性放射線を照射する場合であっても、金属箔の熱が外部空間に効果的に放熱され、照射窓に設けられた金属箔の昇温が抑制されて機械的強度を維持することができる。

また、照射窓に設けられた金属箔も、外部空間に開放され、しかも照射窓から離されて炉内温度の影響が及び難いため、出射窓に設けられた金属箔の昇温が抑制されて機械的強度の劣化を防ぐことができる。

また、複雑な構造ではないため、コスト面でも有利になる。

請求項２に記載の発明は、
前記冷却手段が、前記照射窓に設けられた前記金属箔に向けて冷却用ガスを吹き付ける冷却手段であることを特徴とする請求項１に記載の電離性放射線照射装置である。

本請求項の発明においては、照射窓に設けられた金属箔に冷却用ガスを吹き付ける冷却手段が採用されているため、簡易な手段で効率的に金属箔を冷却することができる。

請求項３に記載の発明は、
前記照射窓に対向する前記耐熱炉の底面領域を冷却する耐熱炉底面冷却手段が備えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電離性放射線照射装置である。

電離性放射線照射器より照射される電離性放射線による発熱量は、耐熱炉の材料として好ましく用いられるステンレス鋼さえも溶融させる大きさである。

しかし、本請求項の発明においては、ワークを透過した電離性放射線が耐熱炉底面に達しても耐熱炉底面冷却手段により耐熱炉底面が溶融、損傷することを防ぐことができる。なお、具体的な耐熱炉底面冷却手段としては、例えば、水冷式のビームキャッチャーが用いられる。

請求項４に記載の発明は、
前記筒状の耐熱炉内の照射部における酸素濃度が１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電離性放射線照射装置である。

照射部における酸素濃度を１０００ｐｐｍ以下とすることにより、金属箔の酸化が充分に制御されて、機械的強度を充分に維持することができる。

請求項５に記載の発明は、
前記金属箔が、チタン箔、ベリリウム箔、アルミニウム箔のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電離性放射線照射装置である。

チタン、ベリリウム、アルミニウムは、比重が小さいため、電離性放射線の透過性に優れており、機械的強度も高い。これらの中でもチタンが展延性に極めて優れており、容易に薄い金属箔を作製できるため好ましい。

本発明によれば、簡単な構造で金属箔を充分に冷却することができ、耐熱炉内が１００℃以上の高温下で使用されるような場合でも金属箔の機械的強度を充分に維持することができる電離性放射線照射装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る電離性放射線照射装置の概要を模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態に係る電離性放射線照射装置の電離性放射線照射器を模式的に示す図である。 本発明の一実施例の電離性放射線照射装置の照射部の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例の電離性放射線照射装置の２次側窓箔における熱収支の解析モデルを説明する図である。 本発明の一実施例の電離性放射線照射装置の解析条件を説明する図である。 本発明の一実施例の電離性放射線照射装置の解析結果を示す図である。 本発明の一実施例の電離性放射線照射装置の解析結果を示す図である。 本発明の一実施例の電離性放射線照射装置の解析条件を説明する図である。 本発明の一実施例の電離性放射線照射装置の解析結果を示す図である。

以下、本発明を実施の形態に基づき、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電離性放射線照射装置の概要を模式的に示す図である。図１に示すように、電離性放射線照射装置１は、ステンレス製の筒状で水平に配置されるマッフル１１（耐熱炉の一例）と、電離性放射線照射器１４と、搬送装置１２とを備えており、マッフル１１にはヒーター１１ｃと冷却装置１１ｅが設けられている。以下、各構成手段について説明する。

（１）マッフル
マッフル１１の両端には、搬入口１１ａおよび搬出口１１ｂが設けられ、搬入口１１ａ側から搬出口１１ｂ側に向かって、加熱ゾーン、照射ゾーンおよび冷却ゾーンの順に区分けされている。

加熱ゾーンにはヒーター１１ｃが設けられている。また、照射ゾーンには照射部１５が設けられ、照射部１５の上方には電離性放射線照射器１４が配置されている。また、冷却ゾーンには冷却装置１１ｅが設けられている。

また、電離性放射線照射装置１には、不活性ガス供給口１３ａ、１３ｂを有する不活性ガス供給手段が備えられており、不活性ガス供給口１３ａ、１３ｂからマッフル１１内に向けて不活性ガスが供給される。

（２）搬送装置
搬送装置１２は、マッフル１１内に挿通させて設けられており、ワーク、例えばフッ素樹脂を途切れることなく搬入口１１ａから搬入し、マッフル１１内を所定のスピードで搬送後、搬出口４１ｂから搬出する。

（３）電離性放射線照射器
搬入口１１ａから搬入されたワークは、加熱ゾーンにおいて不活性ガス雰囲気下で１００℃以上に加熱され後、照射ゾーンにおいて電離性放射線照射器１４により電離性放射線が照射される。図２は本実施の形態に係る電離性放射線照射装置の電離性放射線照射器を模式的に示す図である。

電離性放射線照射器１４としては、例えば加速電圧が１００ｋｅＶ〜１０ＭｅＶの一般的な商用電子線照射器が好ましく用いられ、加速電圧に対応して適宜選択される。

マッフル１１の側面には照射窓１５ａが形成されており、照射窓１５ａには金属箔１５ｂが設けられている。電離性放射線照射器１４には電離性放射線出射用の出射窓１４ａが形成されており、出射窓１４ａには金属箔１４ｂが設けられている。

金属箔１４ａ、１５ｂとしては、電離性放射線を通過させるために好適な金属箔、具体的にはチタンやベリリウムあるいはアルミニウムの箔（厚み：５〜５０μｍ）が張られている。

そして、本実施の形態においては、電離性放射線照射器１４が、マッフル１１の照射窓１５ａから離間して配置されており、照射窓１５ａの金属箔１５ｂと出射窓１４ａの金属箔１４ｂとが対向して所定の間隔を設けて配置されている。このため、金属箔１５ｂと金属箔１４ｂとの間には外部空間１６が形成され、金属箔１５ｂおよび金属箔１４ｂが外部空気と接触して効率的に放熱され、高い放熱効果が発揮される。

この結果、マッフル１１内の温度が１００℃以上の高温に保たれた状況で電離性放射線を照射する場合であっても、照射窓に設けられた金属箔１５ｂの昇温が充分に抑制され、金属箔１５ｂの機械的強度を維持することができる。

出射窓１４ａと照射窓１５ａの間隔の設定については、間隔が広過ぎると、空気により電子線が減衰するため、ワークに照射される電離性放射線の放射線量が不足し、間隔が狭過ぎると、金属箔の放熱効果が充分に得られない。これらを考慮すると、１０〜１００ｍｍが好ましい。

照射部１５近傍には、照射窓１５ａの金属箔１５ｂに向けてマッフル１１の外部より冷却用ガスを吹き付けるための図外の冷却手段が備えられている。冷却用ガスとしては、大気でもよいが、オゾン発生の観点からＮ_２等の不活性ガスが好ましく用いられ、吹き付け量は、金属箔１５ｂの昇温が充分に抑制されるよう、電離性放射線照射器１４からの照射量や照射ゾーンの温度などに応じて適宜設定される。

このような冷却手段を設けることにより、金属箔の放熱効果がより一層高くなり、電離性放射線量や照射ゾーンにおける炉内温度の自由度が大きくなる。

また、照射窓１５ａに対向するマッフル１１の底面領域には水冷式のビームキャッチャー１１ｄ（マッフル底面冷却手段の一例）が備えられている。このため、ワークを透過した電離性放射線によるマッフル１１底面の溶融、損傷を効率的に防ぐことができる。

本実施例においては、照射窓に配置された金属箔に冷却用ガスを流した場合と流さない場合、それぞれの場合における照射窓の温度をシミュレーションにより求め、冷却用ガスによる金属箔の温度上昇抑制の効果を検証した。

１．前提条件
（１）照射部の構成
はじめに、照射部の構成について説明する。図３はシミュレーションに用いた照射部の構成を模式的に示す図である。図３において、２１は出射窓に配置された金属箔（１次側窓箔：厚み１２μｍ×幅８０ｍｍ×長さ５００ｍｍのＴｉ箔）、２５は照射窓に配置された金属箔（２次側窓箔：厚み約１３μｍ×幅２００ｍｍ×長さ５００ｍｍのＴｉ箔）である。

そして、２２はフランジ内冷水導入孔であり、クーリングタワーから供給される温度１５〜３０℃の冷却水（ＣＴ−冷却水）がフランジ３１に導入されることにより、１次側窓箔２１および２次側窓箔２５が冷却される。

そして、２３は金糸シール、２４は１次−２次窓間シールド、２６は加熱炉（マッフル：設備容量ｍａｘ４５０℃）内を進行するワーク（φ４２０のＡｌ処理品）、２７はワーク２６を搬送するメッシュベルト（ＳＵＳ）、２８はマッフル底板（ＳＵＳ）、２９は水冷ジャケット３０内を循環する冷却循環水である。

電子線は、電子線発生装置である加速器から発せられ、１次側窓箔２１、２次側窓箔２５を透過してワーク２６に照射される。なお、加熱炉内の温度は３５０±５℃とし、雰囲気は純度９９．９９５％以上のＮ_２ガスを供給することにより、残存Ｏ_２濃度５ｐｐｍ以下のＮ_２ガス雰囲気とした。

（２）解析モデル
次に、上記照射部における熱収支の解析モデルについて説明する。図４は解析モデルを説明する図であり、Ｑ１は加速器からの電子線による２次側窓箔２５への入熱、Ｑ２は熱伝導による２次側窓箔２５（Ｔｉ箔）からの伝熱、Ｑ３は輻射による２次側窓箔２５からの放熱、Ｑ４、Ｑ５はそれぞれ冷却用ガスの供給と排気による入熱と出熱である。

なお、解析に当たっては、まず、炉側からの入熱は炉内Ｍａｘ温度３５５℃の発熱体のみとし、窓部周辺およびマッフルからの放熱分を壁面からの放熱７Ｗ／ｍ^２Ｋとした。そして、炉の設備容量の４５０℃はＴｉ箔の耐熱温度の制約から使用しないこととした。また、加速器からの入熱は電子線による入熱Ｑ１のみとし、さらに、シールド外部は断熱とし、熱の入出はシールド内部のみとした。

２．解析
（１）解析条件
解析は、図５に示す解析条件の下、電子線照射の影響を受ける２次側窓箔（Ｔｉ：耐熱温度５００℃）の温度分布につき、２次元計算、１／２モデルで解析を行った。

まず、強制冷却対流の影響は無視して、輻射伝熱、自然対流熱伝達、および固体内熱伝導を考慮した。そして、Ｔｉ箔、Ａｌ処理品、その他の輻射率を、それぞれ、０．３５、０．２、０．３と見積もった。なお、Ａｌ処理品の温度は３５０℃とした。

次に、２次側窓箔（Ｔｉ）の総発熱量は、加速器の最大熱量（３００ｋｅｖ×５０ｍＡ＝１５ｋＷ）の２３．２％（３．４８ｋＷ）とした。そして、２次側窓箔については、厚みを１００倍（１．２７ｍｍ）にモデル化することにより、密度を１／１００、熱伝導率を厚み方向で１００倍、面方向で１／１００倍にした。

２次側窓箔（Ｔｉ）の発熱条件については、発熱密度が分布している場合と均一な場合の２ケースを想定した。

次に、環境温度およびフランジの温度をそれぞれ３０℃とし、ウオータージャケット壁面の温度を３０℃とした。なお、このときの壁面から外部への放熱は７Ｗ／ｍ^２Ｋと見積もった。

（２）解析結果
発熱密度が分布している場合における解析結果を図６に、均一な場合における解析結果を図７に示す。なお、図６、図７において、上段は２次側窓箔の温度分布を示している。また、下段は発熱密度の分布および２次側窓箔の温度分布を示している。

図６より、発熱密度が分布している場合には、２次側窓箔の温度が発熱密度が大きな中心部分においては１０００℃近くまで上昇することが分かる。また、図７より、発熱密度が均一である場合でも、８００℃近くまで上昇することが分かる。これらの温度は、Ｔｉ箔の耐熱温度５００℃と比べて遙かに高い温度である。

３．冷却ガスの導入
次に、シールド内にＮ_２ガス（３０℃）を冷却ガスとして導入した場合について、図８に示す解析条件の下、冷却ガス導入流量を変えて、同様に解析を行った。なお、上記により、発熱密度が分布している場合の方がより高温となることが分かっているので、今回は、発熱密度が分布している場合についてのみ解析を行った。

解析の結果、冷却ガス導入流量を８２．８ｍ^３／ｍｉｎ以上にすれば、２次側窓箔の最大温度をＴｉ箔の耐熱温度である５００℃以下に抑制できることが分かった。

冷却ガス導入流量を８２．８ｍ^３／ｍｉｎとした場合の解析結果を図９に示す。なお、図９において、上段はシールド内における冷却ガスの速度分布を示している。そして、中段は２次側窓箔の温度分布を、下段は発熱密度の分布および２次側窓箔の温度分布を示している。

図９より、温度上昇が最大となる２次側窓箔の中心部に、冷却ガスが大きな速度で流入されており、２次側窓箔の温度上昇を５００℃以下に抑制できていることが分かる。

上記の結果より、適切な量の冷却ガスをシールド内に導入することにより、照射窓に配置された金属箔の温度上昇を耐熱温度以下に抑制することができ、金属箔の機械的強度を維持できることが検証された。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。

１ 電離性放射線照射装置
１１ マッフル
１１ａ 搬入口
１１ｂ 搬出口
１１ｃ ヒーター
１１ｄ ビームキャッチャー
１１ｅ 冷却装置
１２ 搬送装置
１３ａ、１３ｂ 不活性ガス供給口
１４ 電離放射線照射器
１４ａ 出射窓
１５ 照射部
１５ａ 照射窓
１６ 外部空間
１４ｂ、１５ｂ 金属箔
２１ １次側窓箔
２２ フランジ内冷水導入孔
２３ 金糸シール
２４ １次−２次窓間シールド
２５ ２次側窓箔
２６ ワーク
２７ メッシュベルト
２８ マッフル底板
２９ 冷却循環水
３０ 水冷ジャケット
３１ フランジ

Claims (5)

1. 側面もしくは上面に電離性放射線照射用の照射窓が設けられた筒状の耐熱炉と、前記耐熱炉の外側に配置された電離性放射線照射器とを備え、前記耐熱炉の照射部における雰囲気温度が１００℃以上の温度条件下で使用される電離性放射線照射装置であって、
   前記電離性放射線照射器が前記耐熱炉の照射窓から離間して配置され、
   前記耐熱炉の照射窓に金属箔が設けられると共に、前記電離性放射線照射器の電離性放射線出射用の出射窓に金属箔が設けられ、
   前記照射窓の金属箔と前記出射窓の金属箔とが対向して所定の間隔を設けて配置されており、
   さらに、前記照射窓を前記耐熱炉の外部より冷却するための冷却手段が備えられている
   ことを特徴とする電離性放射線照射装置。
2. 前記冷却手段が、前記照射窓に設けられた前記金属箔に向けて冷却用ガスを吹き付ける冷却手段であることを特徴とする請求項１に記載の電離性放射線照射装置。
3. 前記照射窓に対向する前記耐熱炉の底面領域を冷却する耐熱炉底面冷却手段が備えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電離性放射線照射装置。
4. 前記筒状の耐熱炉内の照射部における酸素濃度が１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電離性放射線照射装置。
5. 前記金属箔が、チタン箔、ベリリウム箔、アルミニウム箔のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電離性放射線照射装置。