JP2016211850A - 電子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射窓に欠陥や腐食が生じにくく、照射窓の交換頻度を低減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ｅ−を発生させ得る電子発生源２と、この電子発生源２を内部３０に配置する真空チャンバー３と、この真空チャンバー３の気密を保つとともに上記電子発生源２からの電子ｅ−が透過し得る照射窓５と、この照射窓５を冷却する冷却手段３２，３１ｏ，３１ｉとを備える電子線照射装置１であって、上記照射窓５は、炭化珪素（ＳｉＣ）のような耐食性熱伝導材料の無垢材（単一の塊）から形成されて、上記電子ｅ−を透過させる薄膜部５０と、この薄膜部５０よりも厚くて厚さが連続的な厚膜部５１とを有し、上記厚膜部５１は、上記照射窓５の周縁部に位置する外側厚膜部を有し、この外側厚膜部は、上記真空チャンバー３を構成する壁３１に支持されるとともに、上記冷却手段３２，３１ｏ，３１ｉに接続されるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、電子線照射装置に関するものである。

飲料ボトルなどの容器を電子線で滅菌するような電子線滅菌設備には、電子線を照射するための電子線照射装置が具備される。このような電子線照射装置は、電子を発生させ得る電子発生源と、この電子発生源を内部に配置する真空チャンバーとを備える。また、この真空チャンバーには、電子を透過させ得る照射窓が設けられる。この照射窓は、電子を透過させる箔と、この箔の強度部材として作用するとともに熱伝導により冷却するグリッドとからなる。なお、照射窓は、そのサイズが小さければ、グリッドを要しない。すなわち、上記電子線照射装置は、上記電子発生源で発生させた電子を上記真空チャンバーの内部で加速させ、加速させた電子に上記照射窓を透過させて、上記真空チャンバーの外部に電子線を照射するものである。このような電子線照射装置のための照射窓として、製造が簡単になる構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

上記電子線照射装置では、照射窓に到達した電子の全てが照射窓を透過するのではなく、一部が照射窓に吸収されて、照射窓が高温になる。このため、通常は、照射窓を冷却する冷却手段が電子線照射装置に設けられている。

また、上記電子線照射装置は、上述した電子線滅菌設備や、オゾン発生設備など、大気中に配置されることが多い。この場合、電子線照射装置からの電子が大気中で腐食性の高い因子（窒素酸化物、オゾンまたは硝酸など）を副産物として生成するので、電子線照射装置が腐食性の高い環境に配置されることになる。

特許３６４９７４３号公報

ところで、上述した特許文献１に記載の電子線照射装置は、その照射窓として、複数の層からなるものを採用している。これらの層は、少なくとも第一の層４４（または第二の層４６）と腐食停止層４８とで熱膨張率が異なるので、熱応力が生じ、層４４，４８の接合界面で欠陥が生じやすい。一方で、熱応力が生じないよう腐食停止層４８を用いなければ、照射窓が腐食しやすくなってしまう。

このため、従来の電子線照射装置では、照射窓に欠陥や腐食が生じやすいので、照射窓の交換頻度が高いという問題があった。
そこで、本発明は、照射窓に欠陥や腐食が生じにくく、照射窓の交換頻度を低減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、本発明の請求項１に係る電子線照射装置は、電子を発生させ得る電子発生源と、この電子発生源を内部に配置する真空室と、この真空室の気密を保つとともに上記電子発生源からの電子が透過し得る照射窓と、この照射窓を冷却する冷却手段とを備える電子線照射装置であって、
上記照射窓は、耐食性熱伝導材料の無垢材から形成されて、上記電子を透過させる薄膜部と、この薄膜部よりも厚くて厚さが連続的な厚膜部とを有し、
上記厚膜部は、上記照射窓の少なくとも周縁部に位置し、
上記照射窓の周縁部に位置する厚膜部は、上記真空室を構成する壁に支持されるとともに、上記冷却手段に接続されるものである。

また、本発明の請求項２に係る電子線照射装置は、請求項１に記載の電子線照射装置において、耐食性熱伝導材料は、炭化珪素、窒化珪素、珪素、サファイア、酸化アルミニウム、二酸化珪素、ダイヤモンド、および窒化アルミニウムからなる一群から選択される少なくとも１つであるものである。

さらに、本発明の請求項３に係る電子線照射装置は、請求項１または２に記載の電子線照射装置において、照射窓は、真空室の外部側が面一にされているものである。
また、本発明の請求項４に係る電子線照射装置は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子線照射装置において、厚膜部と冷却手段との接続は、ロウ付けによりされているものである。

また、本発明の請求項５に係る電子線照射装置は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子線照射装置において、厚膜部は、ハニカム構造に配置されているものである。
また、本発明の請求項６に係る電子線照射装置は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子線照射装置において、厚膜部は、照射窓の中心部から周縁部まで放射状に配置されているものである。

上記電子線照射装置によると、照射窓に欠陥や腐食が生じにくく、照射窓の交換頻度を低減することができる。

本発明の実施例１に係る電子線照射装置の概略断面図である。 同電子線照射装置を示す図であり、（ａ）は断面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図（同電子線照射装置における照射窓の平面図）である。 同電子線照射装置に冷却液を循環させない場合での照射窓における拡大断面の等温線図である。 冷却液による冷却の厚膜部における伝達を示す拡大断面図であり、（ａ）は厚さが連続的な厚膜部（本発明）の等温線図、（ｂ）は厚さが不連続的な厚膜部の等温線図である。 同照射窓の製造方法を示す断面図であり、（ａ）は照射窓の元となる無垢材の図、（ｂ）は無垢材のレーザーパターニングによる加工を示す図、（ｃ）は製造された照射窓を示す図である。 本発明の実施例２に係る電子線照射装置における照射窓の図２（ｂ）に対応する図（同照射窓の平面図）である。 本発明の実施例３に係る電子線照射装置における照射窓の図２（ｂ）に対応する図（同照射窓の平面図）である。

以下、本発明の実施例１に係る電子線照射装置について図面に基づき説明する。
図１に示すように、この電子線照射装置１は、電子ｅ⁻を発生させ得る電子発生源２と、この電子発生源２を内部３０に配置する真空チャンバー（真空室である）３とを備える。この真空チャンバー３は、その内部３０を真空にするための真空ポンプ（着脱式のものでもよい）４が接続される。また、上記真空チャンバー３には、上記電子発生源２からの電子ｅ⁻を透過させ得る照射窓５が設けられる。この照射窓５は、上記真空チャンバー３を構成する壁３１とともに、真空チャンバー３の気密を保つものでもある。上記真空チャンバー３は、上記照射窓５と接続される部分の壁３１が２重殻構造、つまり外殻３１ｏおよび内殻３１ｉからなるようにされている。そして、この外殻３１ｏと内殻３１ｉとの間が、冷却液３２を循環させる空間となる。また、上記外殻３１ｏおよび内殻３１ｉと照射窓５とは、ロウ付け３５により接続される。なお、上記外殻３１ｏおよび内殻３１ｉと冷却液３２とは、冷却手段の一例である。

次に、上記照射窓５について説明する。
上記照射窓５は、耐食性熱伝導材料からなり、図１に示すように、上記電子ｅ⁻を透過させる薄膜部５０と、この薄膜部５０よりも厚い厚膜部５１とを有する。この厚膜部５１は、照射窓５における強度部材として作用する。このため、上記照射窓５は、厚さが均一である従来の照射窓に比べて、電子ｅ⁻の透過する部分をより薄くすることが可能である。したがって、上記照射窓５は、より薄い部分（つまり薄膜部５０）で電子ｅ⁻を透過させるので、透過する電子ｅ⁻から奪うエネルギーを低く抑えるような構成といえる。

上記耐食性熱伝導材料は、炭化珪素、炭化窒素、珪素、サファイア、酸化アルミニウム、二酸化珪素、ダイヤモンド、および窒化アルミニウムからなる一群から選択される少なくとも１つである。なお、上記耐熱性熱伝導材料は、高耐食性、高熱伝導性および高強度の点など総合的な観点から、炭化珪素が最も好ましい。

上記厚膜部５１は、図２に示すように、上記照射窓５の周縁部に位置する外側厚膜部５２と、この外側厚膜部５２の内側に位置する内側厚膜部５３とからなる。詳しくは後述するが、上記外側厚膜部５２は冷却液３２により直接冷却される部分であり、上記内側厚膜部５３は外側厚膜部５２からの冷却の伝達を受ける部分である。また、上記照射窓５は、薄膜部５０と厚膜部５１との厚さの差による凸凹を電子発生源２側に向けて配置され、この凸凹の反対面５５（真空チャンバー３の外部側）が面一にされる。なお、上記照射窓５は、この反対面５５が面一にされることからも、透過する電子ｅ⁻から奪うエネルギーを低く抑えるような構成といえる。

上記外側厚膜部５２は、図３に詳しく示すように、電子発生源２側で上記内殻３１ｉとロウ付け３５ｉにより接続され、外周側で上記外殻３１ｏとロウ付け３５ｏにより接続される。すなわち、上記外側厚膜部５２は、上記冷却液３２で直接冷却されるように接続される。ここで、上記厚膜部５１は、上記薄膜部５０と比べて、より厚いことから、より多くの電子ｅ⁻を吸収して高温になる。このため、図３に示すように、仮に冷却液３２を循環させない場合、外側厚膜部５２において、上記内殻３１ｉよりも内側の部分（等値線におけるＨ１）が高温となり、上記部分Ｈ１に隣接する部分（等値線におけるＨ２）が上記部分Ｈ１に次いで高温となり、上記部分Ｈ２に隣接する部分（等値線におけるＨ３）が上記部分Ｈ２に次いで高温となる。すなわち、外側厚膜部５２が冷却液３２で直接冷却されるように接続されることで、高温となる部分Ｈ１〜Ｈ３が効率的に冷却される。

上記内側厚膜部５３は、図２に示すように、平面視で外側厚膜部５２に連続しており、内側厚膜部５３自身も連続している。すなわち、内側厚膜部５３は、外側厚膜部５２から一筆書き状に形成される。このため、上記厚膜部５１は、図４（ａ）に示す縦断面からも明らかなように、厚さが連続的［図４（ａ）では一例として厚さが均一］である。これは、図４（ｂ）に示すような厚さが不連続的な厚膜部よりも、以下の理由により、効率的に冷却される構成である。

図４（ａ）および（ｂ）は、厚膜部がいずれも所定の部分（冷却液３２に接する部分を想定）で冷却されるとともに、その冷却の厚膜部における伝達を示す図である。この図４において、厚膜部が直接冷却されるＣ１は最も低温の部分であり、次いでＣ２，Ｃ３，・・・，Ｃ９の順に低温の部分である。図４（ａ）に示す本実施例１に係る厚膜部５１の場合、厚さが連続的なので、上記所定の部分での冷却は、順にＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃ８と阻害されることなく伝達する。そして、最も温度が高い部分でＣ８となる。これに対して、図４（ｂ）に示す厚膜部の場合、厚さが不連続的なので、上記所定の部分での冷却は、順にＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃ９と不連続の部分を迂回するように伝達する。そして、最も温度が高い部分でＣ９（Ｃ８よりも高温）となる。したがって、図４（ａ）に示す本実施例１に係る厚膜部５１の場合の方が、図４（ｂ）に示す厚膜部の場合よりも、冷却が効率的に伝達し全体的に低温となるので、効率的に冷却される構成といえる。なお、本実施例１に係る照射窓５は、耐食性熱伝導材料、つまり高熱伝導材料からなるので、一層効率的に冷却される構成となる。

上記内側厚膜部５３は、図２に示すように、例えばハニカム構造に配置される。これにより、上記照射窓５は、強度的に有利であるから、外側厚膜部５２および内側厚膜部５３をより薄くすることが可能である。このため、上記照射窓５は、電子ｅ⁻を吸収しにくく、極端な高温になりにくい構成といえる。

以下、上記電子線照射装置１における照射窓５の製造方法について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、厚さが均一で上記耐食性熱伝導材料からなる無垢材（つまり単一の塊）５ｐを準備する。

次に、図５（ｂ）に示すように、上記無垢材５ｐに対して、厚膜部５１とする部分のみをマスクＭで覆ってから、レーザーパターニングを行う。
このレーザーパターニングにより、図５（ｃ）に示すように、加工された部分が薄膜部５０となり、またマスクＭで覆われて加工されなかった部分が厚膜部５１となって、照射窓５が完成する。なお、マスクＭは、膜厚部５１の形状によっては必ずしも必要でない。この照射窓５は、ロウ付け３５により、真空チャンバー３の内殻３１ｉおよび外殻３１ｏに接続される。

以下、上記電子線照射装置１の作用について説明する。
まず、真空ポンプ４により真空チャンバー３の内部３０を真空にする。そして、内殻３１ｉと外殻３１ｏとの間に冷却液３２を循環させるとともに、電子発生源２により電子ｅ⁻を発生させる。すると、電子発生源２からの電子ｅ⁻は、真空チャンバー３の内部３０で加速されて、照射窓５に到達する。照射窓５の薄膜部５０に到達した電子ｅ⁻は、大半が薄膜部５０を透過し、照射用の電子線を構成する。一方、照射窓５の厚膜部５１に到達した電子ｅ⁻は、厚膜部５１に吸収されて、厚膜部５１を高温にする。しかし、高温の外側厚膜部５２は、冷却液３２により直接冷却される。また、高温の内側厚膜部５３は、外側厚膜部５２と連続的であり、内側厚膜部５３自身も連続的なので、外側厚膜部５２の冷却が効率的に伝達される。さらに、外側厚膜部５２および内側厚膜部５３は、いずれも高熱伝導材料（耐食性熱伝導材料）からなるので、一層効率的に冷却される。このため、上記電子線照射装置１は、照射窓５から電子線を照射しながら、照射窓５が一層効率的に冷却される。

このように、上記電子線照射装置１によると、照射窓５が極端な高温にならず一層効率的に冷却されるので、熱膨張による欠陥が生じにくい。また、照射窓５は、無垢材５ｐの加工から形成されるので、複数の材料層からなるものと異なり、熱膨張が生じても欠陥が生じにくい。さらに、上記照射窓５は、耐食性を有する材料（耐食性熱伝導材料）からなるので、腐食が生じにくい。したがって、上記電子線照射装置１は、上記照射窓５に欠陥および腐食が生じにくいので、照射窓５の交換頻度を低減することができる。

また、上記照射窓５に腐食が生じにくいので、腐食により発生する微粒子が原因となる汚染を防止することができる。

上記実施例１に係る電子線照射装置１では、内側厚膜部５３がハニカム構造に配置されるのに対し、本実施例２に係る電子線照射装置１では、平面視で、内側厚膜部５３が照射窓５の中心部から外側厚膜部５２まで放射状に配置されるものである。以下、本実施例２に係る電子線照射装置１について説明するが、上記実施例１と異なる構成について説明するとともに、上記実施例１と同一の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施例２に係る内側厚膜部５３は、図６に示すように、平面視で、上記照射窓５の中心部Ｃ近傍から外側厚膜部５２まで放射状に形成された放射主桁６８と、この放射主桁６８に平行で当該放射主桁６８より短い平行補助桁６９とからなる。

このため、本実施例２に係る電子線照射装置１は、その放射主桁６８が外側厚膜部５２から照射窓５の中心部Ｃ近傍まで直線状にされているので、照射窓５の最も冷却しにくい部分である中心部Ｃまで効率的に冷却される。すなわち、本実施例２に係る電子線照射装置１は、照射窓５から電子線を照射しながら、照射窓５がさらに一層効率的に冷却される。

このように、本実施例２に係る電子線照射装置１によると、上記本実施例１に係る電子線照射装置１よりも照射窓５がさらに一層効率的に冷却されるので、照射窓５の交換頻度をさらに低減することができる。

上記実施例１および２に係る電子線照射装置１では、平面視で、照射窓５が円形状であるのに対し、本実施例３に係る電子線照射装置１では、平面視で、照射窓５が長方形状であるものである。以下、本実施例３に係る電子線照射装置１について説明するが、上記実施例１および２と異なる構成について説明するとともに、上記実施例１および２と同一の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施例３に係る内側厚膜部５３は、図７に示すように、平面視で、照射窓５の中心部Ｃを通る長手方向に形成された横主桁７８と、この横主桁７８から短手方向に多数形成された縦補助桁７９とからなる。

このため、本実施例３に係る電子線照射装置１は、その横主桁７８が外側厚膜部５２から照射窓５の中心部Ｃまで直線状にされているので、照射窓５の最も冷却しにくい部分である中心部Ｃまで効率的に冷却される。すなわち、本実施例３に係る電子線照射装置１は、照射窓５から電子線を照射しながら、照射窓５をより一層効率的に冷却する。また、本実施例３に係る電子線照射装置１は、平面視で、照射窓５が長方形状であるから、照射する電子線の横断面も長方形状になる。

このように、本実施例３に係る電子線照射装置１によると、上記本実施例２に係る電子線照射装置１と同様の効果を奏する上に、照射する電子線の横断面が長方形状になるので、横断面が長方形状の電子線を照射するのに適した用途（例えば、容器の外面滅菌など）に対応することができる。

ところで、上記実施例１〜３では、外側厚膜部５２および内側厚膜部５３の厚さが均一として説明したが、少なくとも連続的であればよい。
また、上記実施例１〜３では、冷却手段の一例として、上記外殻３１ｏおよび内殻３１ｉと冷却液３２とについて説明したが、これに限定されるものではなく、外側厚膜部５２を冷却するものであればよい。

さらに、上記実施例１〜３では、照射窓５の面一の面５５について詳しく説明しなかったが、この面５５にカバーを配置してもよい。このカバーは、強度部材として作用するもの（蒸着膜、グラファイト、カーボンナノチューブ、原子層堆積）や、耐食性のもの（二酸化珪素）などが挙げられ、いずれもミクロンオーダーの厚さである。

また、上記実施の形態１〜３では、無垢材５ｐを加工する方法としてレーザーパターニングについて説明したが、プラズマエッチングなど他の方法を用いてもよい。

ｅ 電子
１ 電子線照射装置
２ 電子発生源
３ 真空チャンバー
５ 照射窓
３１ 壁
３１ｏ 外殻
３１ｉ 内殻
３２ 冷却液
３５ ロウ付け
５０ 薄膜部
５１ 厚膜部
５２ 外側厚膜部
５３ 内側厚膜部

Claims (6)

1. 電子を発生させ得る電子発生源と、この電子発生源を内部に配置する真空室と、この真空室の気密を保つとともに上記電子発生源からの電子が透過し得る照射窓と、この照射窓を冷却する冷却手段とを備える電子線照射装置であって、
   上記照射窓は、耐食性熱伝導材料の無垢材から形成されて、上記電子を透過させる薄膜部と、この薄膜部よりも厚くて厚さが連続的な厚膜部とを有し、
   上記厚膜部は、上記照射窓の少なくとも周縁部に位置し、
   上記照射窓の周縁部に位置する厚膜部は、上記真空室を構成する壁に支持されるとともに、上記冷却手段に接続されるものであることを特徴とする電子線照射装置。
2. 耐食性熱伝導材料は、炭化珪素、窒化珪素、珪素、サファイア、酸化アルミニウム、二酸化珪素、ダイヤモンド、および窒化アルミニウムからなる一群から選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。
3. 照射窓は、真空室の外部側が面一にされていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子線照射装置。
4. 厚膜部と冷却手段との接続は、ロウ付けによりされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子線照射装置。
5. 厚膜部は、ハニカム構造に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子線照射装置。
6. 厚膜部は、照射窓の中心部から周縁部まで放射状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子線照射装置。

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