JP2017509868A

JP2017509868A - 照射窓の冷却効率を向上させた電子線照射装置

Info

Publication number: JP2017509868A
Application number: JP2016549536A
Authority: JP
Inventors: カーヴェバクタリ
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2017-04-06
Also published as: WO2015125414A1

Abstract

【課題】照射窓の冷却効率を向上させ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を冷却気体３３により冷却する空冷手段とを備える電子線照射装置１であって、照射窓５は、電子ｅ−を透過させる薄膜部５０と、この薄膜部５０よりも真空チャンバー３の外側に突出した厚膜部５１とを有し、厚膜部５１に、空冷手段からの冷却気体３３を薄膜部５１に導く通気路５７が形成され、照射窓５を冷却液体３２により冷却する液冷手段を備え、厚膜部５１は、液冷手段に接続される。【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。

従来から、電子線照射装置は、電子を発生させ得る電子発生源と、この電子発生源が内部に配置され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、容積発生熱のために熱流束を伝達するだけでなく箔の強度部材として作用するグリッドとからなる。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（正確には箔）を透過させて、上記真空チャンバーの外部に電子を電子線として照射するものである。このような電子線照射装置として、下記特許文献１のＦｉｇ．４に示すように、グリッド１６，１８を二重にするとともに、当該グリッド１６，１８の両方または一方を冷却機構（cooling structure）４６の冷却液体（cooling fluid）により冷却する構成が開示されている。

米国特許第８３３９０２４号明細書

ところで、図８および図９に示すように、２つの共通する従来の照射窓がある。図８に示すケースでは、照射窓１０５が箔１５０およびグリッド１５１を有し、これらは照射窓１０５を介した熱流束の伝導により冷却されるとともに、その構造物の周辺の典型的な対流を介した流束の除去により冷却される。水のような液体の対流係数は、空気のような気体の対流係数よりも著しく高いので、冷却のための流体の一般的な選択は液体１３２である。グリッド１５１は十分な厚みを有するので熱伝導が高く、そのような方法により十分に冷却されるが、箔１５０は薄いので熱伝導が低く、この設計では冷却液体１３２により十分に冷却されない。他方のケースは、図９に示すように、箔１５０の表面からの対流によって直接的に熱を奪うために、その表面の上にあるノズルｎからの流れている冷却気体により、照射窓１０５が冷却されるだろう。このケースでは、箔１５０を介してその周辺に熱流束を伝達させる必要はない。

第一のケースの従来の構成では、箔の小さな断面の表面領域は、低い熱伝導を供給するので、伝導に適した形状ではない。第二のケースの従来の構成では、気体の対流係数が相当に低く、効率的な熱の除去における課題が生ずる。さらに、第二のケースでは、構造的な構成のないグリッドではじめて可能となり、したがって、大気と真空との圧力差による窓１０５の崩壊を避けるために、小さな幅の窓１０５にしか適用できない。ゆえに、現存する照射窓の冷却効率が十分ではない。

そこで、本発明は、照射窓の冷却効率を向上させ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、この照射窓を気体により冷却する空冷手段とを備える電子線照射装置であって、
上記照射窓は、上記電子を透過させる薄膜部と、この薄膜部よりも上記真空室の外側に突出した厚膜部とを有し、
上記厚膜部に、上記空冷手段からの気体を上記薄膜部に導く通気路が形成されているものである。

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、厚膜部に、通気路に導かれた気体の流れを薄膜部に向ける気体流向手段が設けられるものである。

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、照射窓を液体により冷却する液冷手段を備え、
厚膜部は、上記液冷手段に接続されるものである。

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または２に記載の電子線照射装置において、照射窓よりも電子発生源側に配置される遮蔽窓と、この遮蔽窓を液体により冷却する液冷手段とを備え、
上記遮蔽窓は、薄膜部に到達しようとする電子を通過させる通過部と、厚膜部に到達しようとする電子を遮蔽する遮蔽部とを有し、
上記遮蔽窓は、上記液冷手段に接続されるものである。

また、本発明の請求項５に係る電子線照射装置は、請求項４に記載の電子線照射装置において、真空室、照射窓および遮蔽窓の材質が、ステンレスであるものである。
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に記載の電子線照射装置において、薄膜部の底から照射窓の底までの空間である凹部を有し、
上記凹部は、外方に向けて傾斜しているものである。

上記電子線照射装置によると、照射窓の冷却効率を向上させることができる。

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。同電子線照射装置における照射窓の底面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施例２に係る電子線照射装置の概略断面図である。本発明の他の実施例に係る電子線照射装置における照射窓の底面図である。本発明の実施例に係る電子線照射装置における照射窓に設けられた気体流向突起を示す図であり、同照射窓の通気路に沿った断面図である。本発明のさらに他の実施例に係る電子線照射装置における照射窓の通気路に沿った断面図である。従来の電子線照射装置における照射窓付近の拡大概略断面図である。図８に示す従来の電子線照射装置に空冷を併用した拡大概略断面図である。

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３重殻構造、つまり内殻３１ｉ、中間殻３１ｍおよび外殻３１ｏからなるようにされている。これらのうち、内殻３１ｉおよび中間殻３１ｍが照射窓５の上面（電子発生源２側の面）における周縁部に接続され、外殻３１ｏが照射窓５の側面における下端に接続される。そして、内殻３１ｉと中間殻３１ｍとの間が、冷却液体３２を循環させる空間となる。また、中間殻３１ｍと外殻３１ｏとの間が、冷却気体３３を循環させる空間となる。これら内殻３１ｉ、中間殻３１ｍおよび外殻３１ｏと照射窓５とは、これに限定されないが例えばロウ付け３５により接続される。なお、上記内殻３１ｉおよび中間殻３１ｍと冷却液体３２とは液冷手段の一例であり、上記中間殻３１ｍおよび外殻３１ｏと冷却気体３３とは空冷手段の一例である。

次に、上記照射窓５について説明する。
上記照射窓５は、図１に示すように、上記電子ｅ⁻を透過させる薄膜部５０（所謂、箔である）と、この薄膜部５０よりも厚い厚膜部５１（所謂、グリッドである）とを有する。この厚膜部５１は、上記薄膜部５０よりも下側（真空チャンバー３の外側）に突出したものである。すなわち、上記薄膜部５０は、照射窓５の下側ではなく、照射窓５の上側（電子発生源２側）に位置する。また、上記薄膜部５０は、上記照射窓５の底面図である図２に示すように、上記照射窓５の周縁部以外に複数且つ規則的に（図２では一例として２行４列）配置される。上記厚膜部５１は、上記照射窓５の周縁部に位置するもの（外側厚膜部５２という）と、上記薄膜部５０同士の間に位置するもの（内側厚膜部５３という）とからなる。

続いて、照射窓５を冷却する構成、つまり本発明の要旨について説明する。
図１に示すように、上記外側厚膜部５２は、上面で液冷手段に接続され、外側で空冷手段に接続されることになる。まず、上記液冷手段による厚膜部５１の冷却について説明する。

上記外側厚膜部５２は、液冷手段で直接冷却される構成である。上記内側厚膜部５３は、図２に示すように、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、上記内側厚膜部５３は、外側厚膜部５２から一筆書き状に形成されるので、液冷手段で直接冷却された外側厚膜部５２により効率的に冷却される構成である。

次に、上記空冷手段による薄膜部５０の冷却について説明する。なお、以下では、上記薄膜部５０の下面から照射窓５の下面までの空間、つまり薄膜部５０が厚膜部５１より薄いことで形成される空間を凹部５６という。

上記厚膜部５１には、図１〜図３に示すように、上記空冷手段に接続される部分から上記凹部５６まで、当該空冷手段からの冷却気体３３を上記薄膜部５０に導くための通気路５７が形成される。具体的に説明すると、上記通気路５７は、上記空冷手段から冷却気体３３を凹部５６まで案内して薄膜部５０に導くものである。言い換えれば、上記照射窓５は、薄膜部５０に衝突噴流冷却を行う構成である。衝突噴流冷却は、十分でより高い対流係数のために、より好ましくは表面の上での平行な流れである。また、上記通気路５７は、案内する冷却気体３３に上記厚膜部５１の熱を吸収させないためにも短い方が好ましいが、製作性も考慮する必要がある。これらを満たす通気路５７は、例えば図２に示すように、上行の薄膜部５０群と下行の薄膜部５０群との間を直線状に横切る幹路５８と、この幹路５８から垂直に分かれて各凹部５６に達する枝路５９とからなるものである。なお、上記凹部５６は真空チャンバー３の外側に開口しているので、薄膜部５０に衝突した冷却気体３３は、電子線照射装置１の外に放出される。

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と中間殻３１ｍとの間に冷却液体３２を循環させるとともに、中間殻３１ｍと外殻３１ｏとの間に冷却気体３３を送り込み、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、薄膜部５０を透過して照射用の電子線を構成する多数部と、吸収されて熱を発生させる少数部とを有する。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、冷却液体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により効率的に冷却される。一方で、薄膜部５０は、空冷手段から通気路５７を介して凹部５６まで案内された冷却気体３３が吹き付けられて、冷却される。すなわち、薄膜部５０に衝突噴流冷却が行われる。

このように、上記電子線照射装置１によると、高い熱伝導の厚膜部５１が液冷手段により冷却されるとともに、厚膜部５１より低い熱伝導だが面を介して対流抵抗の低い薄膜部５０がその代わりに空冷手段により冷却されるので、照射窓５の冷却効率を十分に向上させることができる。

また、照射窓５の冷却効率を十分に向上させることは、照射窓５が高温にならないので、照射窓５にピンホールのような熱破損が発生しにくく、結果として照射窓５の交換頻度を低減することができる。

さらに、照射窓５の冷却効率を十分に向上させることは、多量の電子ｅ⁻を照射窓５に透過させることが可能となり、結果として真空チャンバー３の外部に高電流密度の電子線を照射し、滅菌や素材の硬化のような電子線を適用するプロセスのために、より大きな線量を放出することができる。

本実施例２に係る電子線照射装置１は、上記実施例１に係る電子線照射装置１に別途の遮蔽窓６を設けることで、電子ｅ⁻の吸収による熱の負荷を遮蔽窓６にも分担させたものである。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に係る電子線照射装置１は、図４に示すように、上記実施例１に係る電子線照射装置１における照射窓５の上側（電子発生源２側）に遮蔽窓６を配置し、この遮蔽窓６（照射窓５ではなく）の上面における周縁部に液冷手段を接続したものである。なお、上記照射窓５は、上記遮蔽窓６から熱が伝達されない（断熱状態を維持する）ために、上記遮蔽窓６との間に空間（断熱材でもよい）が確保される。

上記遮蔽窓６は、電子ｅ⁻を遮蔽する厚さを有するとともに、薄膜部５０の上方位置に開口部が形成されたものである。すなわち、上記遮蔽窓６は、薄膜部５０に到達しようとする電子ｅ⁻を通過させる上記開口部（以下では通過部６０という）と、厚膜部５１に到達しようとする電子ｅ⁻を遮蔽する部分（以下では遮蔽部６１という）とを有する。

このため、上記遮蔽部６１は、厚膜部５１に到達しようとする電子ｅ⁻を吸収するので、厚膜部５１による電子ｅ⁻の吸収を抑えられる。したがって、照射窓５は、薄膜部５０でのみ電子ｅ⁻を吸収し、また、遮蔽窓６から熱が伝達されないので、上記実施例１のように高温とならない。

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、電子ｅ⁻の吸収による熱の負荷を遮蔽窓６と照射窓５とに分担させるので、照射窓５の冷却効率を一層向上させることができる。

ところで、上記実施例２では、真空チャンバー３、照射窓５および遮蔽窓６の材質について説明しなかったが、これらは高温とならないので熱伝導性の高い金属に限定されることなく、ステンレスを使用することが可能である。これらにステンレスを使用することで、耐食性を向上させることができる。さらに、これらにステンレスを使用することで、各部材の接合に同種金属用の溶接が採用可能なので、製作性も向上させることができる。

また、上記実施例１および２では、照射窓５および凹部５６がそれぞれ矩形状のものを図示したが、この形状に限定されるものではなく、図５に示すように、それぞれ円形状のものなどであってもよい。

さらに、上記実施例１および２では、通気路５７の詳細について説明しなかったが、図６に示すように、凹部５６における通気路５７の端部に、冷却気体３３の流れを薄膜部５０の適切な部分に導くための気体流向突起（気体流向手段の一例）７を設けてもよい。これにより、冷却気体３３の流れと薄膜部５０の表面との角度が大きくなることで、薄膜部５０がより効率的に冷却されるので、照射窓５の冷却効率を極めて向上させることができる。

また、上記実施例１および２では、厚膜部５１の下面について詳細に説明しなかったが、照射窓５の材質によっては、厚膜部５１の下面に耐食用のコーティングを施してもよい。これにより、照射窓５の耐食性を向上させることができる。

また、上記実施例１および２では、厚膜部５１および凹部５６の形状について詳細に説明しなかったが、図７に示すように、厚膜部５１は下側（真空チャンバー３の外側）ほど幅狭（つまり凹部５６は下側ほど幅広）に形成されたものでもよい。言い換えれば、凹部５６は外方に向けて傾斜している。これにより、大気側への電子ｅ⁻の散乱による窓５への電子ｅ⁻の損失を減少させる。

Claims

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、この照射窓を気体により冷却する空冷手段とを備える電子線照射装置であって、
上記照射窓は、上記電子を透過させる薄膜部と、この薄膜部よりも上記真空室の外側に突出した厚膜部とを有し、
上記厚膜部に、上記空冷手段からの気体を上記薄膜部に導く通気路が形成されることを特徴とする電子線照射装置。
厚膜部に、通気路に導かれた気体の流れを薄膜部に向ける気体流向手段が設けられることを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。
照射窓を液体により冷却する液冷手段を備え、
厚膜部は、上記液冷手段に接続され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。
照射窓よりも電子発生源側に配置される遮蔽窓と、この遮蔽窓を液体により冷却する液冷手段とを備え、
上記遮蔽窓は、薄膜部に到達しようとする電子を通過させる通過部と、厚膜部に到達しようとする電子を遮蔽する遮蔽部とを有し、
上記遮蔽窓は、上記液冷手段に接続され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。
真空室、照射窓および遮蔽窓の材質が、ステンレスであることを特徴とする請求項４に記載の電子線照射装置。
薄膜部の底から照射窓の底までの空間である凹部を有し、
上記凹部は、外方に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。