JP3929309B2

JP3929309B2 - 電子線照射装置及び方法

Info

Publication number: JP3929309B2
Application number: JP2001507567A
Authority: JP
Inventors: 儀彦内藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: WO2001002082A1; PL352512A1; US6696693B1; JP2003503713A; EP1200175A1; CN1358108A; RU2221636C2; AU5706600A

Description

【０００１】
技術分野
本発明は電子線照射装置及び方法に係り、特に、例えば火力発電所等から排出される燃焼排ガスに電子線を照射することにより排ガス中の有害成分を除去することに用いられる電子線照射装置及びその電子線の照射方法に関する。
【０００２】
背景技術
経済活動の発達に伴いより多くのエネルギーが必要とされるが、エネルギー需要がさらに増加するなかで、エネルギー源としては未だ石炭や石油等の化石燃料に依存している。しかしながら、化石燃料を燃焼させることにより排出される有害物質すなわち汚染物質は地球の汚染にも関係している。世界的に問題となっている大気汚染による地球の温暖化や酸性雨等は、例えば火力発電所等から排出される燃焼排ガス中に存在する、ＳＯｘ、ＮＯｘ等の成分に起因していると考えられる。これらのＳＯｘ、ＮＯｘ等の有害成分を除去する方法として、燃焼排ガスに電子線を照射することによって、脱硫・脱硝（ＳＯｘ、ＮＯｘ等の有害成分の除去）を行うことが実施されている。
【０００３】
電子線を利用することにより燃焼排ガスを処理する排ガス処理システムにおいては、例えばＴｉ等の薄板からなる照射窓から放出された電子線を、燃焼排ガス中の酸素（Ｏ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）などの分子に照射することにより、非常に酸化力の強い、ＯＨ、Ｏ、ＨＯ_２等のラジカルを形成させている。これらのラジカルが、ＳＯｘ及びＮＯｘ等の有害成分を酸化し、中間生成物として硫酸と硝酸とを生成する。これらの中間生成物は、あらかじめ排ガス中に投入しておいたアンモニアガス（ＮＨ_３）と反応し、硫安及び硝安となり、肥料の原料として回収される。従って、このような排ガス処理システムにおいては、燃焼排ガス中から有害なＳＯｘ、ＮＯｘ等の成分を除去することができると共に、その副生品として有用な硫安・硝安等の肥料の原料として回収することができる。
【０００４】
図３は、上記排ガス処理システムに用いられる電子線照射装置の一例を示す。ここで、電子線照射装置１１は、熱電子フィラメント等の熱電子発生源１２と、その熱電子発生源１２より放出された電子を加速する加速管１３と、その加速管１３にて形成された高エネルギーの電子線に磁界を印加することでその電子線のビーム径を制御するフォーカス用電磁石１６と、そのフォーカス用電磁石１６によって径が制御された電子線に磁界を印加することで電子線をｘ方向及びｙ方向に偏向する走査用電磁石１７，１８とから主に構成されている。ｘ方向は図３に示すように水平方向であり、ｙ方向はｘ方向に対して垂直かつ図３の紙面に対して垂直である。これらは、外囲器１９及び照射窓部２０内に収納され、内部は１．３３×１０^−３〜１．３３×１０^−４Ｐａ（１０^−５〜１０^−６Torr）程度の高真空雰囲気下に保持される。加速管１３により形成された高エネルギーの電子線は、走査用電磁石１７，１８により磁界を印加することで、偏向、走査され、照射窓２０より下方の排ガスの流路（図３には図示せず）の所定の範囲に放出される。
【０００５】
例えばフィラメントなどの熱電子発生源１２により発生された熱電子は、加速管１３中において例えば８００ｋＶ程度の高電圧により加速され、高速の電子線となる。そして、フォーカス用電磁石１６によりその電子線のビーム径が、図３に示す場合は略同一径の直進ビームとなるように制御され、走査用電磁石１７，１８が形成する磁界に向けて進行する。ここでフォーカス用電磁石１６は軸線周りにリング状のコイルを備えた電磁石であり、電子線の軸線方向に軸対称に磁界が形成され、この磁界の大きさ及び向きにより電子線のビーム径が制御される。つまり、電子線のフォーカスは磁界の大きさ及び向きにより制御されるといえる。このため、電磁石コイルには直流電流Ｉ_０が供給され、直流電流Ｉ_０の大小により電子線の収束または発散の程度が調整される。
【０００６】
フォーカス用電磁石１６でビーム径が制御された電子線は、次に走査用電磁石１７，１８によりｘ，ｙ方向に走査される。ここで走査用電磁石１７はｙ方向に電子線を偏向する１組の磁極を備えた電磁石であり、走査用電磁石１８はｘ方向に電子線を偏向する１組の磁極を備えた電磁石である。これらの電磁石１７，１８のコイルに供給する電流の大きさ及び向きを制御することにより、ｘ，ｙ方向の偏向角が制御される。したがって、電子線は走査され電子線の照射位置が制御される。なお、一例として走査用電磁石１７では矩形波を用いてｙ方向（短手方向）に電子線を走査し、走査用電磁石１８では正弦波を用いてｘ方向（長手方向）に電子線を走査している。
【０００７】
しかしながら、走査用電磁石１８を用いて電子線をｘ方向に走査する場合、走査の両端に相当する走査最大点Ａ，Ｂ付近において偏角が大きい場合には、電子線は電磁石により形成される磁場によって偏向され、入射角に応じて出射角が異なる。したがって、凸レンズのようなレンズ作用により、電子線が照射窓部のＡ，Ｂ部において集中してしまうという問題がある。即ち、図３の照射窓部Ａ，Ｂ，Ｃに示すように、中央点Ｃにおいて例えば約１０ｃｍφのビーム径が左右両側の走査最大点Ａ，Ｂにおいては、ビーム径が例えば約５ｃｍφ程度と、ビームの照射領域が著しく集中してしまう。ところで、照射窓部２０はチタン（Ｔｉ）等の薄膜で構成されており、このように電子線が走査の最大位置Ａ，Ｂ付近で集中すると、その部分で電子線のエネルギー密度が上がり、照射窓そのものにダメージを与えてしまうという問題が生じる。また、走査線の最大位置Ａ，Ｂ付近で電子線が照射されない領域が形成され、これにより燃焼排ガス中の有害成分を十分に除去できないという問題が生じる。
【０００８】
発明の開示
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、走査最大点で電子線が集中するという問題を防止し、電子線照射が均一に行われ、均一なエネルギー密度の照射領域が全面に安定して得られる電子線照射装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明にかかる電子線照射装置は、電子線を放出する電子線源と、電子線源より放出された電子を加速する加速管と、加速管にて形成された高エネルギーの電子線に磁界を印加することで電子線のビーム径を制御するフォーカス用電磁石と、電子線に磁界を印加することにより電子線を偏向して走査する電磁石と、電子線を外部に放出する照射窓部とを備え、電子線をフォーカス用電磁石によりフォーカス点で焦点を合わせ電子線を一旦収束させた後に発散させ、照射窓部を通過させて外部に放出させることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、電子線がフォーカス点で一旦収束した後、発散し照射窓部から外部に放出するので、照射窓部における電子線のビーム径を拡大することができる。かかる電子線のビーム径は、中央のＣ点よりも偏角が大きいＡ，Ｂ点において、より拡大する傾向がある。これにより、走査最大点（偏角の最大点）で電子線のビーム径が十分に拡大されるので、照射窓部における電子線の集中を防止することができる。従って、照射窓部における電子線の照射密度が均一となり、照射窓部にダメージを与えるという問題を防ぐことができる。さらに照射窓部から均一に電子線が放出されるため、燃焼排ガス等への電子線の照射が均一に行われ、排ガスから有害成分を十分に除去することができる。
【００１１】
また、電子線を一旦収束させた後に発散させるフォーカス点は、電子線の進行方向において、電子線を偏向・走査する磁界を通過した後に位置することが好ましい。これにより、電子線の加速エネルギーが８００ｋＶ程度と大きく電子線の速度が光速程度の高速である場合には、相対論的電子線（ＲＥＢ）となるが、本発明はこのような電子線に対しても適用が可能である。従って、偏角が大きくても照射窓部において十分な拡がりを有するビーム径を確保することができる。
【００１２】
また、電子線を一旦収束させた後に発散させるフォーカス点の調整は、フォーカス用電磁石に供給される電流値を制御することにより行うことが好ましい。これにより、フォーカス用電磁石の電流値の調整という比較的簡単な手段により、照射窓部における電子線の走査最大点付近においても照射窓部における十分な拡がりを有するビーム径を確保することができる。
【００１３】
また、本発明の電子線の照射方法は、高エネルギーの電子線にフォーカス用電磁石によって磁界を印加することで電子線のビーム径を制御し、このビーム径が制御された電子線を偏向・走査し、照射窓部より電子線を外部に放出する電子線照射方法であって、前記高エネルギーの電子線を前記フォーカス用電磁石によりフォーカス点で焦点をあわせ電子線を一旦収束させた後に発散させ、この発散した電子線を前記照射窓部を通過させて外部に放出させることを特徴とする。
【００１４】
これにより、高エネルギーの電子線を比較的大きな偏向角で走査する場合にも、電子線の集中という問題を回避することができ、広範囲の走査領域にわたって均一なエネルギー密度での電子線の照射を行うことができる。このため、排ガス処理用の電子線照射装置等の用途において、比較的広範囲な照射領域に均一なエネルギー密度の電子線を供給することが可能となる。また、偏向角を大きく取ることができるようになり、装置の小型化にもつながる。
【００１５】
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態による電子線照射装置及び方法について図１を参照しながら説明する。なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１６】
図１に示すように、電子線照射装置１１は、熱電子発生源１２と、加速管１３と、フォーカス用電磁石１６と、走査用電磁石１７，１８とを備え、これにより加速されて走査された電子線が照射窓部２０より放出される。この電子線照射装置１１の構成は、従来の技術と同様である。また、加速管１３では８００ｋＶ程度の高電圧を用いて電子線を高速に加速して、フォーカス用電磁石１６を用いてこの電子線のビーム径を制御し、更にビーム径が制御された電子線を走査用電磁石１７，１８により所定の範囲に偏向して走査する。かかる構成も従来の技術と同様である。この走査幅としては、概略長手方向（ｘ方向）の長さが３〜４ｍ程度で、短手方向（ｙ方向）の長さが概略６０〜４０ｃｍ程度である。
【００１７】
本発明の電子線照射装置においては、フォーカス用電磁石１６の直流電流Ｉ_０を、調節し電子線が照射窓部２０に到達する前に電子線をフォーカスさせ照射窓部２０に到達した時点では電子線が十分な広がりを有するように調整する。即ち、フォーカス用電磁石１６の直流電流Ｉ_０を大きくして、図１に示すように電子線が走査用電磁石１８により形成される主磁界を通過した後に、電子線Ｅがフォーカス点Ｆで最大限に収束するように、電子線の収束を調整する。即ち、電子線Ｅのビーム径はフォーカス点Ｆで最小となる。従って、電子線Ｅはフォーカス点Ｆを通過した後に、再び発散してビーム径を十分に拡大して照射窓部２０に到達する。そして、電子線Ｅは、Ｔｉ箔等からなる照射窓部２０を通過して、例えば燃焼排ガスの流路に放出され、脱硝または脱硫等の作用を果たす。
【００１８】
ここで、電子線Ｅの照射窓部２０におけるビーム径は、中央部の点Ｃにおいて、従来の図３に示す直進状の電子線のビーム径である約１０cm程度である。照射窓部２０上の走査最大点であるＡ，Ｂにおいては、電子線Ｅのビーム径は１０cm以上である。なお、フォーカス点Ｆの位置は、直流電流Ｉ_０の大きさにより調整可能であり、これにより照射窓部２０におけるビーム径を適宜調整することが可能である。
【００１９】
各種実験の結果によれば、走査用電磁石１８により形成される磁界の磁束密度が零の時に、走査用電磁石１８の磁界領域を通過した後の位置にフォーカス点を位置させるさせることが好ましい。これにより、走査用電磁石１７，１８が形成する磁界への電子線の突入角と、その磁界による円運動後に該磁界から射出される角度とが良好に制御され、フォーカス点Ｆにおける電子線の収束及び発散が良好に行われる。
【００２０】
本発明の実施の形態では、排ガス処理用電子線照射装置に必要な電子線のエネルギーは８００ｋＶ程度であり、光速に近い極めて高速の電子ビームであり、相対論的電子線といわれる。その速度は次式（１）により表される。
式（１）

ここで、ｅは１．６×１０^−１９Ｃである素電荷を表し、ｍ_０は９．１×１０^−３１ｋｇである電子質量を表し、ｃは３×１０^８ｍ／ｓである光速度を表わす。
【００２１】
このため、８００ｋＶで加速された電子は、光速（ｃ）を用いて表される次式の速度ｖを有する。
ｖ／ｃ≒０．９２
係る高速の相対論的電子線においても、上述した位置にフォーカス点Ｆを配置することで、照射窓部２０における電子線のビーム径を適切な大きさに拡大することができる。中央点Ｃにおけるよりも走査最大点Ａ，Ｂにおける電子線のビーム径の方が大きくなる傾向にあることは、相対論的電子線においても同様である。
【００２２】
これにより、走査最大点Ａ，Ｂにおける電子線の集中が防止され、照射窓部の損傷が防止され、照射領域の全面にわたって均一なエネルギー密度の電子線が供給される。
【００２３】
図２は、本発明の電子線照射装置を備えた排ガス処理システムを示し、火力発電所などの燃料を燃焼させる設備から排出された排ガスは電子線の照射により処理される。図２に示すように、燃料燃焼設備の一つである火力発電所２１から発生した硫黄酸化物を含む排ガスは、熱交換器２２で冷却された後に冷却塔２４に導入される。冷却塔２４では、ポンプ２３から供給された工水を流体ノズル２６で噴霧し、蒸発させる。冷却塔２４に導入された排ガスは所定温度まで冷却された後、反応器２５に導入される。
一方、アンモニア供給設備２９から供給されたアンモニアは、ラインミキサ３０により空気と混合され、その混合ガスと工水供給源（図示せず）から供給された工水は、二流体ノズル３１の気液混合室で混合された後、反応器２５入口で噴霧注入される。この噴霧注入された混合物に図１に示す電子線照射装置１１から電子線が照射される。
【００２４】
なお、上述した実施の形態においては、排ガス処理用の電子線照射装置について説明したが、本発明の要旨は、電子線の走査に際してその偏向角に伴う電子線の集中（収束）現象を避けることができるものである。従って、このような本発明の要旨は、電子ビーム溶接装置、走査型電子顕微鏡等の電子線を利用した各種機器にも広く応用が可能である。
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、高エネルギーの電子線を比較的大きな偏角で走査する場合にも、電子線の集中（収束）という問題を回避することができ、広範囲な走査領域にわたって均一なエネルギー密度での電子線の照射が行える。
【００２６】
産業上の利用可能性
本発明は電子線照射装置及び方法に係り、火力発電所などの燃料燃焼設備から排出される排ガスを処理するための排ガス処理システムや電子線溶接装置や走査電子顕微鏡に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電子線照射装置における電子線の収束及び発散を示す概略図である。
【図２】図１に示す電子線照射装置を備えた排ガス処理システムを示す概略図である。
【図３】従来の電子線照射装置における電子線の収束及び発散を示す概略図である。

Claims

電子線を放出する電子線源と、該電子線源より放出された電子を加速する加速管と、該加速管にて形成された高エネルギーの電子線に磁界を印加することで電子線のビーム径を制御するフォーカス用電磁石と、電子線に磁界を印加することにより電子線を偏向して走査する電磁石と、電子線を外部に放出する照射窓部とを備え、電子線を前記フォーカス用電磁石によりフォーカス点で焦点をあわせ電子線を一旦収束させた後に発散させ、前記照射窓部を通過させて外部に放出させることを特徴とする電子線照射装置。
前記フォーカス点は、前記電子線を走査する磁界を前記電子線が通過した後に位置することを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。
前記フォーカス点の位置の調整は、前記フォーカス用電磁石に供給される電流値を制御することにより行うことを特徴とする請求項２に記載の電子線照射装置。
高エネルギーの電子線にフォーカス用電磁石によって磁界を印加することで電子線のビーム径を制御し、このビーム径が制御された電子線を偏向・走査し、照射窓部より電子線を外部に放出する電子線照射方法であって、前記高エネルギーの電子線を前記フォーカス用電磁石によりフォーカス点で焦点をあわせ電子線を一旦収束させた後に発散させ、この発散した電子線を前記照射窓部を通過させて外部に放出させることを特徴とする電子線照射方法。
前記フォーカス点は、前記電子線を走査する磁界を前記電子線が通過した後に位置することを特徴とする請求項４に記載の電子線照射方法。
前記フォーカス点の位置の調整は、前記フォーカス用電磁石に供給される電流値を制御することにより行うことを特徴とする請求項５に記載の電子線照射方法。