JP3962949B2 - 電子ビーム照射窓冷却機構 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は主として高エネルギーの電子を発生し、これを利用するための電子ビーム照射装置、特に比較的加速電圧が低い電子ビーム放出管に使用される照射窓冷却機構に関するものである。
【０００２】
電子ビーム照射装置は加速電圧１５０ｋＶ以上で電子照射窓の面積が８０ｃｍ２以上のものが一般的である。図７にその代表的な構成を示す。図７は電子ビーム照射装置の概略断面図である。７４はチャンバーであって稼動中には高真空ポンプ８９により排気されている。円筒形のチャンバー７４の中央部にカソード８４とグリッド８５が配置されている。このカソード８４とグリッド８５は保守を容易にするため通常カソードユニット８６に収められ、電子発生部７３を構成している。一方チャンバー外壁の一部（図７においては下部）に照射窓７１が設けられている。照射窓７１は電子を透過する薄い窓箔からなり、これを支えるサポート板８８と窓箔押さえ板８７とによって保持され、ヘッド部７２を構成している。装置の運転中、カソード８４とグリッド８５は高電圧電源（図示せず）によってそれぞれ負の高電圧電位がかけられ、アースに接続されたチャンバー７４及び照射窓７１との間に高電圧の電界が生じる。これによりカソード８４で発生しグリッド８５に集められた電子が照射窓７１に向けて加速され、電子の一部は照射窓７１を突き抜けてチャンバー７４の外部へ取り出される。
【０００３】
この場合、照射窓の冷却は、薄膜からなる照射窓７１を支持するサポート板８８に冷却流体を通してサポート板８８を冷却するとともに照射窓付近に冷却ガスノズル８２を設けて照射窓７１に吹き付ける方法が取られていた。冷却ガスノズル８２にはその開口部を照射窓へ向けるために角度が付けられており、図７に示す照射窓からの突出寸法Ｌ３として１５−３０ｍｍの寸法を必要としていた。
【０００４】
また、特開２００１−３２３３６９の図１及び図３に示すように電子放出管の照射窓付近に冷却ブロック７(図１)を接触させるとともに冷却ブロック７内に設けた冷却ガス配管７２(図３)から透過部４１（(図３)本発明の照射窓に相当）に冷却ガスを吹き付ける方法も報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の照射装置では冷却装置が電子照射窓から１５−３０ｍｍ程度突出しているため照射窓と被照射物との距離をそれ以上に離す必要があるが、加速電圧１５０ｋＶ以上の電子ビーム照射装置では通常大きな問題にはなっていない。ところが比較的低加速電圧の電子ビーム放出管を使用する場合、例えば１気圧の窒素雰囲気において加速電圧５０ｋＶで使用すると、照射面と被照射物との距離を実用上１０ｍｍ以下にする必要がある。
【０００６】
小形の電子ビーム放出管に従来技術を適用すると図８のようになり、照射窓９１からの突出寸法Ｌ４として１５−３０ｍｍの寸法を必要とする。冷却ガスノズル９２には、その開口部を照射窓９１へ向けるために角度が付けられており、照射窓９１からの突出距離を小さくするためにこの角度を小さくすると照射窓９１の冷却効果が小さくなる。
【０００７】
また、前述した特開２００１−３２３３６９の図１及び図３に示すように、冷却ブロックまたはヘッド部周囲に冷却管を設けて冷却ガスを照射窓に吹き付ける手段を追加した実施例では、冷却ガス配管の寸法を大きく取る事が困難で、圧力損失が大きい。また被冷却面付近にガスを流すことのみが考慮されていて電子照射面上における冷却ガスの流速を大きくするための配慮がない。この方式では吹き出し口から吹き出された冷却ガスは拡散し、電子照射面上における冷却ガスの流速が大きくできない。その結果照射窓の冷却能力が小さいため電子ビーム出力を大きく取る事が困難であり、使用できる分野が限られる。
【０００８】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、電子ビーム照射窓の冷却において被冷却面上を流れる気体の流量が供給量以上に増大し、効率良く被冷却面を冷却することができる電子ビーム照射窓冷却機構を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電子ビームを通過する材質からなる照射窓を有するヘッド部と、電子発生部とを持つ電子ビーム照射装置の照射窓を冷却するための機構であって、薄肉小径のステンレスパイプを前記照射窓の被冷却面に接触させるように複数一列に並べ被冷却面と平行に冷却風が吹き出すように構成した冷却風吹出部を照射窓外周部の一部に設け、さらに冷却風吹出部の近傍に、吹出口から遠ざかるにつれて照射窓の中心を通り照射窓の被冷却面に垂直な仮想面との距離が大きくなるように傾斜した傾斜面を有して構成し、冷却風吹出部から送り出される冷却風が冷却風吹出部周辺の気体を傾斜面から照射窓の被冷却面に向けて引き込むように構成してある。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電子ビーム照射窓冷却機構において、照射窓及び周辺の構造として、冷却風吹出部と反対側のヘッド部を構成する照射窓外周部は、照射窓の中心を通り照射窓の平面に垂直な仮想面に対して対称な傾斜面を有するように構成してある。
【００１４】
上記した請求項１または請求項２に記載の電子ビーム照射窓冷却機構によると、被冷却面上を流れる気体の流量が供給量以上に増大し、効率良く被冷却面を冷却することができる。また電子ビームの照射窓から突出した部分を薄く構成することができ、ワークを照射窓に近づけることによって電子ビームを効率よくワークに照射することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図１から図８までについて説明する。図１は本発明を電子ビーム放出管に適用した実施例の概略正面図である。図１において、１１は照射窓であり、電子ビーム放出管１０の電子照射窓であるとともに、外側の面が本発明の冷却機構に対する被冷却面１６となる。１２はヘッド部であり、照射窓１１を通して電子を外部に放出する部分である。１３は電子発生部である。１４は胴部であり、電子ビーム放出管内部を高真空に保っている。１５は本発明の冷却機構であり、電子ビーム放出管のヘッド部１２の被冷却面１６またはその周辺部分に接するように配置されている。
【００１６】
図２、図３、図４は図１の実施例から本発明の冷却機構部分を抜き出した概略正面図、概略側面図、概略平面図であり、図５は本発明における照射窓冷却機構の原理を示す説明図である。
【００１７】
図２において、１１は照射窓であり、図１に示すものと同一である。図２の冷却機構１５において照射窓１１に接する面は、照射窓１１（被冷却面１６）と平行に構成されている。１７は冷却風吹出部であり、１９はその吹出口を示している。２２は冷却ノズルであって図２乃至図４に示すように被冷却面１６の近傍にあり、冷却ガス配管２３を通って送られた冷却ガスを被冷却面１６と平行に吹き出すように構成されている。２０は傾斜面であって冷却風吹出部１７の近傍に、吹出口１９から被冷却面１６に垂直な壁面を外方に拡径するように形成されている。
【００１８】
図２乃至図４に示す第１の実施例は、本発明を実施するための最も簡単な方法であって、注射針などに使用する薄肉小径のステンレスパイプを冷却面に接触させるように並べ、外側にテーパの付いたカバーを被せたものである。このような構成でも前述した作用により本発明の効果を確認することができる。冷却ノズル２２を構成するパイプを変形させてパイプ断面を偏平にするとさらに冷却効率が上がる。
【００２１】
図６は従来型の電子ビーム照射装置に本発明の冷却機構を適用した実施例について、照射装置のヘッド部のみを図示したものである。５２はヘッド部であり、従来例である図７のヘッド部７２に相当する。６６はサポート板であって従来と同じもので良い。５１は照射窓であり、照射窓５１の装置外側面が本発明の冷却機構による被冷却面５６となる。６７は窓箔押さえ板であり、図７の窓箔押さえ板８７と互換性があるが、その中に冷却ガス配管６３、冷却風吹出部５７、傾斜面６０を有して構成されている。
【００２２】
次に上記した電子ビーム照射窓冷却機構による作用について図５を参照しながら説明する。
▲１▼外部配管(図示しない)から導入された冷却ガスは図面左側から矢印に示した経路を通って照射窓付近の冷却風吹出部１７へ進み、傾斜面２０にあけられた吹出口１９から２点鎖線の矢印のように照射窓１１と平行な方向に吹き出す。
▲２▼この時圧縮されていた冷却ガスの圧力が運動エネルギーに変換され、冷却ガスが高速で照射面上を移動するため、照射窓１１付近の圧力が低下し、電子ビーム放出管の照射部周辺に存在する大気または雰囲気ガスを点線の矢印のように照射窓１１に向けて引き込む。
▲３▼その結果、冷却ガス流量以上のガスが照射窓１１と接触しながら流れ、冷却ノズル１２と反対のテーパ部から放出されて雰囲気中へ拡散する。
【００２５】
照射窓及び周辺の構造として、冷却風吹出部と反対側のヘッド部を構成する照射窓外周部を、照射窓と面一に構成することで、照射窓通過後の冷却風を効率よく排出することができる。しかし冷却機構取付方法等、装置仕様上の都合により冷却風吹出部と反対側のヘッド部を構成する照射窓外周部を照射窓と面一に構成できない条件も存在する。そのような場合には冷却風吹出部と反対側のヘッド部を構成する照射窓外周部を、照射窓の中心を通り照射窓の平面に垂直な仮想面に対して対称な傾斜面を有するように構成すれば、照射窓外周部を照射窓と面一に構成した場合とほぼ同等に近い効果が得られる。この時に冷却風吹出部と反対側のヘッド部を構成する照射窓外周部の傾斜面と照射窓の成す角度は最大値と考えて良い。この角度より小さい傾斜面を構成する場合には特に問題は無い。
【００２６】
以上の説明は比較的小形の電子ビーム放出管に適用したものだが、従来の電子ビーム照射装置に適用しても良い。図６に示す実施例では、図７に示す窓箔押さえ板８７を電子照射幅全体にわたってテーパ部とノズルを加工した新規の窓箔押さえ板６７と交換することにより、８２の冷却ノズルが不要となるため冷却部の突出を小さくでき、なおかつ電子照射幅が１００ｍｍ以上の窓でも効率のよい冷却を実現することができる。
【００２７】
【発明の効果】
上記のように請求項１の本発明によれば、電子ビームを通過する材質からなる照射窓を有するヘッド部と、電子発生部とを持つ電子ビーム照射装置の照射窓を冷却するための機構であって、薄肉小径のステンレスパイプを前記照射窓の被冷却面に接触させるように複数一列に並べ被冷却面と平行に冷却風が吹き出すように構成した冷却風吹出部を照射窓外周部の一部に設け、さらに冷却風吹出部の近傍に、吹出口から遠ざかるにつれて照射窓の中心を通り照射窓の被冷却面に垂直な仮想面との距離が大きくなるように傾斜した傾斜面を有して構成し、冷却風吹出部から送り出される冷却風が冷却風吹出部周辺の気体を傾斜面から照射窓の被冷却面に向けて引き込むように構成することによって、被冷却面上を流れる冷却風の流量が冷却ガス配管からの送風量よりも増大する。このため窓からの突出寸法を抑えながら効率的な冷却を可能にする電子ビーム照射窓冷却機構を実現することができる。
【００３１】
請求項２の本発明によれば、装置仕様上の都合で冷却風吹出部と反対側のヘッド部を構成する照射窓外周部を照射窓と面一に構成できない条件であっても照射窓通過後の冷却風を効率よく排出することが可能な電子ビーム照射窓冷却機構を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を使用した電子ビーム放出管冷却実施例の概略正面図
【図２】本発明における実施例の概略正面図
【図３】本発明における実施例の概略側面図
【図４】本発明における実施例の概略平面図
【図５】本発明における照射窓冷却機構の原理を示す説明図
【図６】従来の電子ビーム照射装置への本発明適用概略図
【図７】従来の電子ビーム照射装置概略図
【図８】従来の冷却法による電子ビーム放出管冷却実施例の概略正面図
（元の図６、図７、図８を削除）
【符号の説明】
１１ 照射窓
１２ ヘッド部
１３ 電子発生部
１５ 冷却機構
１６ 被冷却面
１７ 冷却風吹出部
１８ 照射窓外周部
１９ 吹出口
２０ 傾斜面
２１ 冷却風
２２ 冷却ノズル
５１ 照射窓
５２ ヘッド部
５５ 冷却機構
５６ 被冷却面
５７ 冷却風吹出部
６０ 傾斜面
６７ 窓箔押さえ板
（元の符号３１から４２までを削除）
Claims (2)
- 電子ビームを通過する材質からなる照射窓を有するヘッド部と、電子発生部とを持つ電子ビーム照射装置の照射窓を冷却するための機構であって、薄肉小径のステンレスパイプを前記照射窓の被冷却面に接触させるように複数一列に並べ被冷却面と平行に冷却風が吹き出すように構成した冷却風吹出部を照射窓外周部の一部に設け、さらに冷却風吹出部の近傍に、吹出口から遠ざかるにつれて照射窓の中心を通り照射窓の被冷却面に垂直な仮想面との距離が大きくなるように傾斜した傾斜面を有して構成し、冷却風吹出部から送り出される冷却風が冷却風吹出部周辺の気体を傾斜面から照射窓の被冷却面に向けて引き込むように構成したことを特徴とする電子ビーム照射窓冷却機構。
- 照射窓及び周辺の構造として、冷却風吹出部と反対側のヘッド部を構成する照射窓外周部は、照射窓の中心を通り照射窓の平面に垂直な仮想面に対して対称な傾斜面を有するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射窓冷却機構。
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