JP4808879B2 - Electron accelerator and method for accelerating electrons - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の背景】
電子ビームはインク、塗料および塗装の乾燥や硬化のような、多くの工業プロセスにおいて使用されている。電子ビームは液体、気体および表面の滅菌のほか、有害廃棄物の浄化にも使用されている。
【0002】
工業用の従来の電子ビーム装置は、処理される材料上に電子ビームを照射する電子ビーム加速器を備えている。加速器は鉛で囲んだ大型の真空チャンバを有し、内部に電子発生フィラメントまたはフィラメント電源から電力(パワー)供給されるフィラメントを含む。作動中は、真空チャンバは真空ポンプにより連続的に排気される。フィラメントはハウジングで囲まれており、ハウジングは、真空チャンバの1つの側面に配置された金属箔の電子放射窓に向いている格子状の開口を有する。高電圧が、高電圧電源によってフィラメント・ハウジングと放射窓の間に印加される。フィラメントから発生した電子は加速され、電子ビームとしてフィラメントからハウジングの開口格子を通過し、放射窓から外部に放出される。放射装置の電源は一般に、フィラメントと放射窓との間の領域内の電界線を平坦化するために備えられる。これにより、図1のグラフ1に示すように、電子ビーム内の電子がビームの中心に集中するのを防止し、図1のグラフ2に示すようにビームの幅全体に電子を均一に分散させる。
【0003】
工業分野において電子ビーム技術を使用することの欠点は、従来の電子ビーム装置は複雑で、その上、装置を維持するためには、真空技術と加速器技術に関し高度に訓練された要員を必要とすることである。例えば、通常動作の間、フィラメントと電子ビーム放射窓の金属箔との両方を定期的に交換する必要がある。加速器は非常に大きくて重いため(一般に、直径20〜30インチ(508〜762mm)、長さ4〜6フィート(1220〜1830mm)、重さ数千ポンド(約千〜数千kg))、このような保守作業は現場で実施する必要がある。
【0004】
フィラメントおよび電子ビーム放射窓の交換には、真空チャンバを開く必要があり、汚染物質が真空チャンバ内へ侵入する原因となる。この交換は長い休止時間を要する。なぜなら、フィラメントと放射窓の金属箔を交換すると、加速器を排気して高電圧運転用に調整した後で初めて加速器が運転可能になるからである。この調整には高電圧電源からの電力を必要とし、その電圧を、チャンバを開いたときに侵入する真空チャンバ内および放射窓の表面上の汚染物質を焼却するために、時間をかけて除々に上昇させる。この処理には、汚染の程度により2〜10時間を要する。途中で、放射窓の漏れが発生すると、それを補修しなければならず、この処理の時間がさらに延びる。最終的には、毎年または2年毎に、加速器の高電圧絶縁体を交換し、加速器全体を分解する必要がある。この処理に要する時間は約2〜4日である。その結果、フィラメント、電子ビーム放射窓金属箔、高電圧絶縁体を交換する必要があるとき、電子ビーム放射を必要とする製造工程は長期間中断することになる。
【0005】
【発明の概要】
本発明は電子ビーム装置用の小型で、簡単な電子加速器を提供するものであり、それにより電子ビーム装置の保守作業を容易にし、真空技術と加速器技術に関し高度に訓練された要員による保守作業の必要を無くすることである。
【0006】
本発明の好ましい実施形態では、電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを備える電子加速器を提供する。放射窓は、真空チャンバに金属接触して接合された金属箔から形成され、両者の間を気密に密封している。放射窓の厚さは約12.5μm未満である。真空チャンバは気密に密封され、内部を恒久的な自己保持真空に維持している。電子発生器は真空チャンバ内に置かれ、電子を発生する。ハウジングが電子発生器を取り囲んでいる。ハウジングは、その壁に、電子発生器と放射窓との間に形成された電子透過領域を有しており、ハウジングと放射窓の間に電圧が印加されると、電子を電子発生器から放射窓の外へ電子ビームとして加速する。
【0007】
好ましい実施形態では、ハウジングの一連の開口は電子透過領域を形成する。好ましくは、放射窓は、約8〜10μmの厚さのチタン箔で形成され、電子が通過できる一連の孔を有する支持板で保持されている。支持板の孔の構成は配列を変更でき、それにより支持板を横切る電子の透過性を変化させて、所望の可変密度プロファイルを持つ電子ビームを発生できる。一般に、放射窓の外縁は真空チャンバにろう付け、溶接、または接合されて、真空チャンバとの間が気密に密封される。
【0008】
好ましくは、真空チャンバは細長いセラミック部材を含む。1つの好ましい実施形態では、細長いセラミック部材は波形であり、それにより高電圧を使用できる。リング状のバネ部材が放射窓と波形のセラミック部材との間に結合され、膨張係数の差を補償する。
【0009】
別の好ましい実施形態では、前記細長いセラミック部材は平滑な表面を有し、金属シェルがそのセラミック部材を囲んでいる。セミック部材は円錐台形の孔を備え、その孔を通り電気リード線が延びて、電子発生器に電力を供給する。柔軟な、つまり可撓性のある絶縁プラグが電気リード線を囲み、そのプラグは、前記円錐台形の孔の内面に密着して孔を密封する円錐台形の表面を備えている。保持キャップがシェルに固定され、前記プラグを円錐台形の孔の中に保持する。
【0010】
また本発明は、電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを備える電子加速器を提供する。電子発生器が真空チャンバ内に配置され、電子を発生する。ハウジングが電子発生器を取り囲んでおり、そのハウジング内に、電子発生器と放射窓との間に形成された電子透過領域を有している。この電子透過領域は、ハウジングと放射窓との間に電圧が印加されると、電子を電子発生器から放射窓の外部に電子ビームとして加速する。ハウジングは受動的電界線シェーパ(整形手段)を備え、電子発生器と放射窓との間の電界線を平坦にすることにより、電子ビームの横方向の電子分布を均一にする。
【0011】
好ましくは、電子透過領域は、電子発生器と放射窓との間のハウジングに第1の一連の開口を備える、一方、受動的電気線シェーパ(整形手段)が、電子発生器ハウジングにおける相対向する側部に形成された第2と第3の一連の開口を備える。
【0012】
本発明は小型の交換可能なモジュール式の電子ビーム加速器を提供する。フィラメントまたは電子ビーム放射窓を交換する必要があるときは加速器全体が交換されるため、電子ビーム装置の休止時間が著しく減少する。これはまた、装置を維持するための真空技術と加速器技術に関して熟練した要員を必要としない。また、高電圧絶縁体を現場で交換する必要がなくなる。さらに、本発明の電子ビーム加速器は構成部品が少なく、かつ従来の電子ビーム加速器に比べて少ない電力しか必要とせず、したがって、廉価・簡単・高効率を実現する。加速器の小型化により、小型印刷機のような、スペースが制限されている装置、またはライン・ウェブ(line web)滅菌およびステーション間での硬化のための装置などでの使用に適する。
【0013】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【0014】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
図2および図3において、電子ビーム加速器10は交換可能なモジュール式加速器であり、電子ビーム装置ハウジング(図示なし)内に組み込まれている。加速器10は、両端が密閉された細長い、一般には円筒状の2分割された外側シェル14を備えている。外側シェル14の基端部は、外側シェルに溶接された基端エンド・キャップ16で閉じられている。好ましくは、外側シェル14とエンド・キャップ16は各々ステンレス鋼で製作されるが、代替方法では他の適切な金属で製作してもよい。
【0015】
加速器の先端部は、チタン箔で製作された電子ビーム放射窓膜で閉じられており、チタン箔は外縁23に沿ってステンレス鋼の先端エンド・キャップ20に対しろう付けされている。前記エンド・キャプ20は外側シェル14に溶接されている。放射窓24は一般に、約6〜12μm厚さであり、さらに好ましくは約8〜10μmである。代替方法では、放射窓24は他の適切な金属箔、例えばマグネシウム、アルミニウム、またはセラミックのような適切な非金属の低密度材料で製作できる。さらに、放射窓24はエンド・キャップ20に溶接または接合することも可能である。電子が通過する孔または開口22aを有する矩形の支持板22は、ボルト22bを使用してエンド・キャップ20にボルト止めされ、放射窓24の保持を助ける。支持板22は熱放散のためには銅で製作するのが好ましいが、代替方法では、ステンレス鋼、アルミニウム、またはチタンなどの他の適切な金属で製作してもよい。支持板22内の孔22aは、直径約1/8インチ(3.2mm)であり、電子が放射窓24を通過するように、約80%の開口を提供する。
【0016】
エンド・キャップ20は冷却通路27を備えており、その通路を冷却液がポンプで注入され、エンド・キャップ20、支持板、および放射窓24を冷却する。冷却液はインレット(流入口)25aから入り、アウトレット(流出口)25bから出る。インレット25aとアウトレット25bは、電子ビーム装置ハウジングの電子ビーム冷媒供給口および戻り口に連結されている。冷媒供給口および戻り口は、インレット25aおよびアウトレット25bを密封するための“O"リング・シールを備えている。加速器10は、直径約12インチ(305mm)、長さ20インチ(508mm)、重さ約50ポンド(23kg)である。
【0017】
高電圧電力ケーブルのコネクタ12に連結される高電圧電気接続レセプタクル18は基端エンド・キャプ16に取り付けられている。高電圧ケーブルが、図3の高電圧電源48とフィラメント電源50からの電力を加速器10に供給する。高電圧電源48は約100kVを供給するのが好ましいが、代替方法では、放射窓24の厚さによって増減してもよい。フィラメント電源50は約15Vを供給するのが好ましい。図2に示す2本の電気リード線26a/26bは、レセプタクル18から下方に延びて、加速器10を上部の絶縁チャンバ44と下部の真空チャンバ46に分割する円盤形の高電圧セラミック絶縁体28を貫通している。セラミック絶縁体28の外側シェルへの接合には、まず、絶縁体28がKOVAR(登録商標)のような絶縁体28と同一の膨張係数を持つ金属製の中間リング29にろう付けされる。次に、中間リング29が外側シェル14にろう付けされる。上部チャンバ44には排気後にSF6ガスのような絶縁媒体を充填するが、代わりに、オイルまたは固体絶縁媒物を充填してもよい。気体状および液体状の絶縁媒体は、閉止弁42を通して充填および排出が可能である。
【0018】
電子発生器31は真空チャンバ46内に位置しており、電気的に並列に接続した3本の長さ8インチ(203mm)のタングステン製のフィラメント32(図4)から構成するのが望ましい。別の形態としては、2本のフィラメント32を使用することもできる。電子発生器31はステンレス鋼製のハウジング30で囲まれている。フィラメント・ハウジング30は、平坦な底壁33に設けた一連の格子状の開口34と、ハウジング30の4つの側壁に設けた一連の開口35とを有し、これら開口34,35が電子通過領域を形成している。フィラメント32は、ハウジング30内でハウジング30の底壁33と上壁のほぼ中間に配置するのが望ましい。開口35は実質的にフィラメント32よりも上方までは延びていない。
【0019】
図3に示す電気リード線26aと配線52はフィラメント・ハウジング30を電気的に高電圧電源48に接続する。電気リード線26bはフィラメント・ハウジング30の孔30aを通り、フィラメント32をフィラメント電源50に電気的に接続する。放射窓24は電気的に接地され、高電圧をフィラメント・ハウジング30と放射窓24との間に印加させる。
【0020】
真空チャンバ46には、真空チャンバ46を排気するための、図2に示すインレット(排気口)39が設けられている。インレット39は、外側シェル14に溶接したステンレス鋼製の外部パイプ36と、外部パイプ39にろう付けされた密封可能な銅管38とを有する。真空チャンバを排気した後、パイプ38は圧力を加えて冷間圧着され、シール40を形成して、真空チャンバ46を気密に密封する。
【0021】
使用に際しては、加速器10を電子ビーム装置に組み込み、コネクタ12に電気的に接続する。電子ビーム装置のハウジングいは加速器10を囲む鉛製の包囲体が組み込まれている。フィラメント32は、フィラメント電源50(ACまたはDC)から電力が供給されて、最高で約4200°Fまで加熱され、フィラメント32に自由電子を発生させる。図3の高電圧電源48から印加されるフィラメント・ハウジング30と放射窓24間の高電圧により、図4に示すフィラメント32上の自由電子56をフィラメント32から電子ビーム58の形にして加速し、ハウジング30の開口34および放射窓24(図3)を通過して外部へ放射する。
【0022】
側面開口35は、その周辺に弱い電界を発生させ、この電界が、フィラメント32と放射窓24との間の高電圧電界線54を、ハウジング30の底壁33の平面に対して平坦化(この平面と平行化)する。高電圧電界線54を平坦にすることで、電子ビーム58の電子56は、図1のグラフ1に示すように中心位置に集束することなく、比較的直線的に開口34を通ってハウジング30から放射される。この結果、電子ビーム58は、図1のグラフ2のプロファイルと同様のプロファイルを有する、幅が約2インチ(50.8mm)、長さが約8インチ(203mm)の幅広いビームになる。図1のグラフ1の細い高密度電子ビームは、放射窓24を貫通する孔を焼き抜くため、好ましくない。
【0023】
側面開口35の機能をさらに図解するために、図5に側面開口を省いたハウジング30を示す。図5から分かるように、側面開口35を省いた状態では、電界線54は上方にアーチ形に湾曲する。電子56は電界線54にほぼ直交するように進むため、電子56は細い電子ビーム57に集束する。対照的に、図4では、電界線54は平坦になり、電子56は幅広の実質的に集束しない電子ビーム58の状態で進む。したがって、従来の加速器では、高電圧のエキストラクタ(抽出器)の電源を使用して高電圧電界力線を平坦化し、電子を電子ビームの横方向に均一に分散させる必要があったのに対し、本発明では、開口35を設けることにより、簡単かつ安価な方法で同一結果を得ることができる。
【0024】
図2のフィラメント32または放射窓24を交換するとき、加速器10の全体を電子ビーム装置ハウジングから取り外し、新しい加速器10と交換するだけでよい。新しい加速器10は前もって高電圧運転用に調整されているので、電子ビーム装置の休止時間は数分間だけになる。単一部分の交換のみで済むため、電子ビーム装置のオペレータは真空技術や加速器技術の保守について高度に習熟する必要はない。さらに、加速器10は小型軽量なので、1人で交換できる。
【0025】
古い加速器10を再調整するためには、古い加速器を、例えば真空技術を専門とする会社のような別の場所に送るのが望ましい。まず、放射窓24と支持板22を取り外して真空チャンバ46を開ける。次に、ハウジング30を真空チャンバ46から取り外してフィラメント32を交換する。必要なら、上部チャンバ44内の絶縁媒体を、外側シェル14に設けたバルブ42から排出する。その後、ハウジング30を真空チャンバ内に元通りに取り付ける。支持板22をエンド・キャップ20にボルトで固定し、放射窓24を新しい物と交換する。新しい放射窓24の外縁23はエンド・キャップ20にろう付けされて、密封構造を形成する。放射窓24は、支持板22、ボルト22b、およびボルト孔を覆っているので、“O"リングなどがなくても漏れがなく、この窓24が支持板22の前面を密封する補助機能を果している。銅管38を取り外し、新しい銅管をパイプ36にろう付けする。これらの調整作業は、真空チャンバ内および放射窓の汚染を防ぐために、制御された清浄な空気環境内で行う。
【0026】
清浄な環境内で加速器10を組み立てることで、放射窓24は、容易に8〜10μmの厚さ、または6μmの厚さにまでできる。その理由は、塵埃または他の汚染物質が、放射窓24と支持板22との間の放射窓24上に堆積するのが防止されるからである。このような汚染物質は12.5μm未満の厚さの放射窓24に孔を開ける。対照的に、従来の加速器の電子ビーム放射窓は、保守作業の際に塵埃の多い現場で組立てられるため、12.5〜15μmの厚さを必要とする。放射窓の12.5〜15μmの厚さは、塵埃が放射窓に孔を空けるのを防ぐには十分な厚さである。
【0027】
本発明の放射窓24は、一般に従来の加速器の放射窓よりも薄いため、電子を加速して放射窓24を通過させるのみ要する電力が著しく小さくで済む。例えば、従来の加速器では、厚さ12.5〜15μmの放射窓を貫通するよう電子を加速するのに、約150kVが必要である。これに対し、本発明では、厚さ8〜10μmの放射窓を貫通するのに、約80〜125kVで済む。
【0028】
その結果、同等の電子ビームを発生させるのに、加速器10は従来の加速器に比べ効率が高くなる。さらに、低い電圧でよいため、加速器10は小型にでき、従来の加速器で使用される円筒形または円錐形の絶縁体よりも小型の円盤形の絶縁体28を使用できる。加速器10を従来の加速器よりも小型にできる理由は、電圧が低いために加速器10の構成部品同士をさらに近接させて組み込めるからである。真空チャンバ内を清浄環境に制御すれば、構成部品をさらに近接させて組み込める。従来の加速器は高電圧で動作するうえに、加速器内に汚染物質が多く存在するので、構成部品間の間隔を空けてそれらの間のアーク放電を防止する必要がある。実際、従来の加速器では、真空ポンプからの汚染物質が使用中に加速器内へ進入する。
【0029】
次に、真空チャンバ46がインレット39から排気され、チューブ38が冷間圧着して密封される。真空チャンバ46が密封されると、真空チャンバ46は恒久的に真空状態を維持し、真空ポンプを作動させる必要はなくなる。これにより本発明の加速器10を作動させるのが簡単で安価になる。その後、加速器10を高電圧動作に備えて前調整する。この調整では、加速器10を電子ビーム装置に接続し、電圧を徐々に上昇させて、真空チャンバ46内と放射窓24上の汚染物質をすべて焼却する。真空チャンバ46内に残存するすべての分子は、高電圧および/または電子ビームによりイオン化され、ハウジング30方向へ加速される。イオン化された分子はハウジング30に衝突して、ハウジング30の表面に捕獲され、その結果、一層真空度を上昇させる。また、加速器10を高電圧動作に備えて前調整する間に、真空チャンバ46排気することもできる。加速器10は電子ビーム装置から外されて、再使用のために保管される。
【0030】
図6は3台の加速器10a、10b、10cを含むシステムを示す。これらの加速器は、電子ビームを移動製品62の全幅に渡って隙間なく照射するように、相互にジグザグに配置されている。電子ビーム60で照射する。それぞれの加速器10a、10b、10cの電子ビームは、1台の加速器の外径よりも細いため、3台を横に並べても製品62の全幅に渡って電子ビーム60を照射することはできない。その代わりに、加速器10bを、製品62の移動方向に沿って、加速器10aと10cに対して若干横後方にずれせて配置する。その結果、それぞれの電子ビーム60の側端が相互に横方向に隙間なく整列することになる。結果的に、図のように、移動製品62は、電子ビーム60により階段状に全面が照射される。3台の加速器を示しているが、別の方法として、4台以上の加速器10をジグザグに配置してさらに幅広の製品を照射したり、2台の加速器10をジグザグ配置して狭い幅の製品を照射することもできる。
【0031】
図7および8は、リード線26aと26bをフィラメント・ハウジング30とフィラメント32に電気的に接続する別の好ましい方法を示す。リード線26aはフィラメント・ハウジング30の上壁に固定される。3つのフィラメント・ブラケット102はフィラメント・ハウジング30の上壁から下方に延びている。フィラメント・マウント104が各ブラケット102に取り付けられている。絶縁ブロック110とフィラメント・マウント108がフィラメント・ハウジング30におけるフィラメント・マウント104と反対側の壁に取り付けられている。フィラメント32は、フィラメント・マウント104と108との間に張り渡して取り付けられている。。フレキシブルな(可撓性のある)リード線106で、リード線26bとフィラメント・マウント108を電気的に接続する。フィラメント・ブラケット102は、ばね作用を有し、使用中にフィラメント32の膨張と収縮を補償する。円筒状のブラケット112は、リード線26a/26bの代わりにハウジング30を支持する。
【0032】
図9に示したフィラメント配置90は、複数のフィラメントを電気的に接続して、電子ビームの幅を単一フィラメントにより提供される幅よりも広げる別の好ましい方法である。フィラメント92は平行に配置され、電気リード線94により相互に電気的に直列接続されている。
【0033】
図10に示したフィラメント配置98は、一連のフィラメント97を示しており、これらフィラメント97は平行に配置され、2本の電気リード線96により電気的に並列に接続されている。このフィラメント配置98も、電子ビームの幅を広げる作用がある。
【0034】
図11に示した、加速器70は本発明の別の好ましい実施形態である。加速器70は、図2の加速器10で発生する電子ビームに対して90度の角度の方向に電子ビームを発生する。加速器70は、加速器10と異なり、フィラメント78が真空チャンバ88の長軸Aに対して垂直ではなく、平行になっている。さらに、放射窓82が、真空チャンバのエンドキャップ74ではなく、外側シェル72に配置され、長軸Aに平行に延びている。放射窓82は、外側シェル72の側壁に取り付けた支持板80で保持されている。細長いフィラメント・ハウジング75が、フィラメント78を囲み、ハウジング75の一側壁76には、長軸Aに直交する方向に開口した格子状開口34を有する。フィラメント・ハウジング75の側部開口35は開口34に垂直な方向に開口している。エンド・キャップ74は真空チャンバの端面を閉鎖する。加速器70は、複数のジグザグ配置された加速器(図6)を使用することなく電子ビームを広い領域に照射するのに適し、また狭い場所での使用に適する。加速器70は、長さ約3〜4フィート(900〜1200mm)にでき、またジグザグに配置してさらに広い照射範囲を実現できる。
【0035】
図12に示す加速器100は本発明のさらに別の実施形態を示す。加速器100は、内部に真空チャンバ104を有する、セラミック材料で形成されたほぼ円筒形の外側シェル102を備える。外側シェル102は閉じた基端部106と、それの反対側にある開いた先端部118を有する。外部シェル102の外部表面は一連の波形102aを備えており、それにより、外側シェル102が円滑面である場合に比べ、加速器100を高電圧で動作できる。開放端118は円滑な外側表面を持つ部分を有する。金属製のエンド・キャップ110は、外側シェル102の円滑な開放された先端部118を囲み、それをカバーして、真空チャンバ104を封止する。
【0036】
放射窓24を有するエンド・キャップ110は中間の環状の金属ばね108にろう付けされ、そのばねは外側シェル102にろう付けされている。こうして、セラミック部材であるエンド・キャップ110と放射窓24との間に環状のばね108が係合されて、このばね108が真空チャンバ104を密封する。ばね108により、セラミックの外側シェル102とエンド・キャップ110が、半径方向および軸方向に異なる膨張率と収縮率を有することを許容しながら、その間の気密な密封を維持することが可能になる。ばね108は、エンド・キャップ110を外側シェル102からわずかに離して間隔を空け、さらに弾性材料で構成されることにより、これを達成する。ばね108は環状の内側V形隆起部108aを有し、その内側の脚が外側シェル102にろう付けされている。環状の外側フランジ108bは、V形隆起部分108aから径方向外方に突出し、エンド・キャップ110にろう付けされている。
【0037】
エンド・キャップ110は外側環状壁112と内側環状壁114とを備え、両者の間に環状ギャップ116を形成し、そのギャップ内に外側シェル102の開いた先端部118が進入している。ギャップ116は先端部118の壁厚よりも広く、それにより先端部118がギャップ116の側面と底面から間隔を空け、ギャップ116a、116b、116cで示されたように、先端部118まわりに、真空チャンバ104をインレット39に接続するための空間、すなわち通路を形成する。この通路により、真空チャンバ104はインレット39を介して排気される。インレット39は、エンド・キャップ110の外側の環状壁112にろう付けまたは溶接され、その壁を貫通して延びている。
【0038】
また、エンド・キャップ110は、貫通孔22aを持つ支持板22を備える。放射窓24は支持板22上で、一般に加熱および加圧により、またはろう付けもしくは溶接により、エンド・キャップに接合される。中心開口120aを有するカバー・プレート120は、放射窓24を覆って、それを保護する。エンド・キャップ110は、図2に示した通路と同様の冷却通路27を有する。エンド・キャップ110は単一物で示されているが、代替方法では、複数の部分から形成することも可能である。例えば、支持板22と環状壁114は別個の構成部品であってもよい。さらに、必要に応じ、環状壁114を無くすることもできる。
【0039】
フィラメント・ハウジング30は真空チャンバ104内の、外側シェル102の閉じた基端部106の直下に配置される。電気リード線26a/26bは、外側シェル102の基端部106を貫通して延び、それに対し密封されている。フィラメント30と電子発生器31は図2に示したものと同様である。開口35がフィラメント・ハウジング30内に示されているが、代替方法ではこの開口を削除できる。
【0040】
図13に示す加速器130はさらに別の好ましい加速器である。加速器130は金属の外側シェル122を備え、そのシェルが円滑な外部表面を有するセラミックの内側シェル124を囲んでいる。好ましくは、内側シェル124の開いた先端部118は支持板22まで延び、それにより真空チャンバ134と外側シェルとの間にセラミック材料の環状壁(セラミック部材)136を形成する。代替方法では、支持板22に達する前に、先端部118を終端させてもよい。内側シェル124は、先端部118の反対側の基端部119を貫通して延びる円錐台形開口124aを有する。コネクタ138を有する電気リード線128は、円錐台形開口124aを通って延び、電気リード線26a/26bを介してフィラメント・ハウジング30と電子発生器31に電力を供給する。
【0041】
フィラメント・ハウジング30と電子発生器31は加速器100(図12)のものと同様である。電気リード線128は高分子材料製の柔軟な(可撓性を持つ)絶縁プラグ126の中心開口126aを貫通して延びる。絶縁プラグ126は、円錐台形孔124aに密着して孔124aを密封するための、嵌め合わせ円錐台形外面126bを備える。外側シェル122に固定された保持キャップ140は、プラグ126に軸方向圧縮力を付加し、プラグ126を円錐台形孔124aの収束形表面に押し付けて、プラグ126を電気リード線128の外周に圧迫し、電気リード線128とプラグ126の間を密封する。好ましくは、プラグ126は、1014〜1015Ω−cmの電気抵抗を持つエチレン・プロピレン・ゴムから製作される。また、内側シェル124は1014Ω−cmの電気抵抗を有するのが望ましい。
【0042】
図14は、加速器100および130(図12および13)に使用される電子発生器用の好ましいフィラメント32を示す。フィラメント32は一連の曲線により、ほぼW字形に形成される。これにより、フィラメント32は、動作中、弾性部材またはばね力が負荷された部材による支持を必要とせずに、膨張および収縮が可能になる。フィラメント32の端部は、図14に示されるようにヘアピン状に曲げることで、その端部を電気リード線26a,26b内の開口またはスロットに挿入できる。必要に応じて、複数のフィラメント32を使用できる。
【0043】
図15に示すように、必要に応じて、加速器100および130(図12および13)内の支持板22の孔22aを、充填または詰めることにより、得られる放射電子ビームがビームを横切る方向に沿って可変な密度プロファイルを有するようにできる。他の方法として、孔22aを充填または詰める代わりに、製造の際に所望の孔分布のパターンを形成するよう、孔22aを支持板22内に配置できる。図15には特定の形状142を示したが、任意の所望の形状を形成することも可能である。
【0044】
図16に示すように、必要に応じて、延長ノズル144を加速器100および130(図12および13)に固定できる。この場合、放射窓24はノズルの先端部に配置できる。ノズル144はカップおよびボトルなどの狭い開口内に挿入して、内部を滅菌するのに使用できる。
【0045】
本発明の電子加速器は、液体、気体(空気などの)または表面の滅菌のほか、医用製品、食品、有害医用廃棄物および有害廃棄物の浄化に適する。他の用途には、オゾン生成、燃料噴霧、および材料の化学的接合を含む。さらに、本発明の電子加速器は、インク、コーティング、接着剤および密封剤の硬化に使用できる。さらに、ポリマーのような材料を、電子ビームを照射しながら架橋させて、構造特性を改良できる。
【0046】
フィラメント・ハウジング30の一連の開口35は、電界線の形状を変更する受動的電界線シェーパ、特に、電界線を平坦にするフラットナを形成する。用語の“受動的"は、電界線が別個のエキストラクタ(抽出器)電源を必要とせずに形成されることを意味する。また、電界線は、複数のフィラメントを使用して形成できる。さらに、隔壁または受動的電極をフィラメント間に配置して、電界線を別の形に形成できる。複数のフィラメント、隔壁または受動的電極は、電界線を平坦およびその他の形状にするフラットナとして使用できる。
【0047】
本発明を好ましい実施形態により図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形状または細部の各種の変更が実行可能であることは理解されるであろう。
【0048】
例えば、本発明の特定の実施形態では、複数のフィラメントを備えることを説明してきたが、代替方法では、1つのフィラメントだけを使用できる。さらに、外側シェル(セラミックの外側シェル102を除く)、エンド・キャップ、およびフィラメント・ハウジングは、ステンレス鋼から製作されるのが望ましいが、代替方法では、他の適切な金属、例えばチタン、銅、またはKOVAR(登録商標)などを使用できる。エンド・キャップ16,20は、通常、外側シェル14に溶接されるが、代わりにろう付けも可能である。支持板22の孔22aは、スロットのような非円形形状にできる。フィラメント32の寸法と加速器10の外径は、用途に依存して変更できる。また、ガラスのような他の適切な材料を絶縁体28として使用できる。
【0049】
好ましくは、チタンの放射窓の厚さは12.5μm未満(6〜12μm)であるが、必要に応じて、特定の用途用に12.5μmよりも厚くできる。12.5μmよりも厚い放射窓に対しては、高電圧電源は約100kV〜150kVを供給する必要がある。放射窓がチタンより軽い(アルミニウムを使用する場合のような)材料から製作されている場合、放射窓の厚さを対応するチタンの放射窓よりも厚くしながら、同一電子ビーム特性を得ることができる。好ましくは、加速器は円筒形状の横断面を持つが、他の適切な形状、例えば矩形または楕円形の横断面を有することもできる。本発明の加速器を大量に製作してコストを下げると、使い捨てユニットとして使用できる。加速器10,70のレセプタクル18を長軸Aに垂直に配置して、スペースを節約することもできる。最後に、本発明の異なる実施形態の各種の構造は、組合せまたは割愛可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 絞られた電子ビーム内の電子の分布を示すグラフと、電子が電子ビームの幅全体に均一に分布している状態を示すグラフとを重ねた特性図である。
【図2】 本発明の電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図3】 図2の加速器の電力接続を示す概略図である。
【図4】 フィラメント・ハウジングの端面断面図であり、電界線を示している。
【図5】 フィラメント・ハウジングの端面断面図であり、側面開口35が無い場合の電界線を示している。
【図6】 複数の電子ビーム加速器を組み込んだシステムの平面図である。
【図7】 フィラメント・ハウジングの概略の端面断面図であり、フィラメントを電気接続する別の好ましい方法を示す。
【図8】 図7の概略の底面断面図である。
【図9】 別の好ましいフィラメント配置の概略図である。
【図10】 さらに別の好ましいフィラメント配置の概略図である。
【図11】 別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図12】 さらに別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図13】 さらに別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図14】 別の好ましいフィラメント配置の底面図である。
【図15】 ビームの横方向の可変密度プロファイルを持つ電子ビームを生成するために、充填された孔のパターンを持つサポート・プレートを示す平面図である。
【図16】 延長ノズルの側面図である。
【符号の説明】
22…支持板、26a,26b…電気リード線、24…放射窓、30…ハウジング、31…電子発生器、34,35…開口(電子透過領域)、35…電界線シェーパ、56…電子、58…電子ビーム、100,130…電子加速器、102,124,136…セラミック部材、104,134…真空チャンバ、122…外側シェル、124a…円錐台形孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Electron beams are used in many industrial processes, such as drying and curing inks, paints and paints. In addition to sterilizing liquids, gases and surfaces, electron beams are used to clean hazardous waste.
[0002]
A conventional industrial electron beam apparatus includes an electron beam accelerator that irradiates an electron beam onto a material to be processed. The accelerator has a large vacuum chamber surrounded by lead and contains an electron generating filament or a filament powered from a filament power source. During operation, the vacuum chamber is continuously evacuated by a vacuum pump. The filament is surrounded by a housing, which has a grid-like opening facing a metal foil electron emission window located on one side of the vacuum chamber. A high voltage is applied between the filament housing and the radiation window by a high voltage power source. The electrons generated from the filament are accelerated, pass through the opening lattice of the housing from the filament as an electron beam, and are emitted to the outside from the radiation window. A power supply for the radiating device is generally provided to planarize the electric field lines in the region between the filament and the radiating window. This prevents the electrons in the electron beam from concentrating at the center of the beam as shown in
[0003]
The disadvantage of using electron beam technology in the industrial field is that conventional electron beam equipment is complex and furthermore, maintaining the equipment requires highly trained personnel in vacuum technology and accelerator technology That is. For example, during normal operation, both the filament and the metal foil of the electron beam radiation window need to be replaced periodically. Accelerators are very large and heavy (generally 20-30 inches (508-762 mm) in diameter, 4-6 feet in length (1220-1830 mm), and thousands of pounds in weight) Such maintenance work must be performed on site.
[0004]
Replacing the filament and the electron beam radiation window requires opening the vacuum chamber, which causes contaminants to enter the vacuum chamber. This exchange requires a long downtime. This is because if the filament and the metal foil of the radiation window are exchanged, the accelerator can be operated only after the accelerator is exhausted and adjusted for high voltage operation. This adjustment requires power from a high-voltage power supply, which is gradually applied over time to incinerate contaminants in the vacuum chamber and the surface of the radiant window that enter when the chamber is opened. Raise. This process takes 2 to 10 hours depending on the degree of contamination. If a radiant window leaks along the way, it must be repaired, further extending the time of this process. Finally, every year or every two years, it is necessary to replace the high voltage insulator of the accelerator and disassemble the entire accelerator. This process takes about 2 to 4 days. As a result, when it is necessary to replace the filament, the electron beam radiation window metal foil, and the high voltage insulator, the manufacturing process requiring electron beam radiation will be interrupted for a long time.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION
The present invention provides a small and simple electron accelerator for an electron beam device, thereby facilitating maintenance work of the electron beam device, and maintenance work by highly trained personnel in vacuum technology and accelerator technology. It is to eliminate the need.
[0006]
In a preferred embodiment of the present invention, an electron accelerator comprising a vacuum chamber having an electron beam emission window is provided. The radiation window is formed from a metal foil joined in metal contact with the vacuum chamber and hermetically seals between the two. The thickness of the radiation window is less than about 12.5 μm. The vacuum chamber is hermetically sealed and maintains a permanent self-holding vacuum inside. The electron generator is placed in a vacuum chamber and generates electrons. A housing surrounds the electron generator. The housing has an electron transmission region formed between the electron generator and the emission window on the wall, and emits electrons from the electron generator when a voltage is applied between the housing and the emission window. It accelerates as an electron beam out of the window.
[0007]
In a preferred embodiment, the series of openings in the housing form an electron transmission region. Preferably, the radiation window is formed of a titanium foil having a thickness of about 8 to 10 μm and is held by a support plate having a series of holes through which electrons can pass. The configuration of the holes in the support plate can be changed, thereby changing the transmission of electrons across the support plate to generate an electron beam with a desired variable density profile. In general, the outer edge of the radiation window is brazed, welded, or joined to a vacuum chamber so as to hermetically seal with the vacuum chamber.
[0008]
Preferably, the vacuum chamber includes an elongated ceramic member. In one preferred embodiment, the elongated ceramic member is corrugated so that high voltages can be used. A ring-shaped spring member is coupled between the radiation window and the corrugated ceramic member to compensate for the difference in expansion coefficient.
[0009]
In another preferred embodiment, the elongated ceramic member has a smooth surface and a metal shell surrounds the ceramic member. The semimic member has a frustoconical hole through which an electrical lead extends to supply power to the electron generator. A flexible or flexible insulating plug surrounds the electrical lead, and the plug has a frustoconical surface that seals against the inner surface of the frustoconical hole. A retaining cap is secured to the shell and retains the plug in the frustoconical hole.
[0010]
The present invention also provides an electron accelerator comprising a vacuum chamber having an electron beam emission window. An electron generator is placed in the vacuum chamber and generates electrons. A housing surrounds the electron generator and has an electron transmission region formed between the electron generator and the emission window in the housing. The electron transmission region accelerates electrons from the electron generator to the outside of the emission window as an electron beam when a voltage is applied between the housing and the emission window. The housing is provided with a passive electric field shaper (shaping means), and makes the electric field lines between the electron generator and the emission window flat to make the electron distribution in the lateral direction of the electron beam uniform.
[0011]
Preferably, the electron transmission region comprises a first series of openings in the housing between the electron generator and the emission window, while passive electrical line shapers (shaping means) oppose each other in the electron generator housing. A second and third series of openings formed in the sides are provided.
[0012]
The present invention provides a small replaceable modular electron beam accelerator. When the filament or electron beam emission window needs to be replaced, the entire accelerator is replaced, which significantly reduces the downtime of the electron beam device. This also does not require skilled personnel in terms of vacuum technology and accelerator technology to maintain the device. Also, there is no need to replace the high voltage insulator on site. Furthermore, the electron beam accelerator of the present invention has fewer components and requires less power than conventional electron beam accelerators, thus realizing low cost, simplicity and high efficiency. Due to the miniaturization of the accelerator, it is suitable for use in devices with limited space, such as small printing presses, or devices for line web sterilization and curing between stations.
[0013]
The foregoing and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the invention as illustrated in the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numeral refers to the same part in the different drawings. The drawings are not necessarily to scale, emphasis being placed on illustrating the principles of the invention.
[0014]
Detailed Description of Preferred Embodiments
2 and 3, the
[0015]
The tip of the accelerator is closed with an electron beam radiation window membrane made of titanium foil, which is brazed to the stainless steel
[0016]
The
[0017]
A high voltage
[0018]
The
[0019]
Electrical leads 26a and
[0020]
The
[0021]
In use, the
[0022]
The
[0023]
To further illustrate the function of the
[0024]
When replacing the
[0025]
In order to recondition the
[0026]
By assembling the
[0027]
Since the
[0028]
As a result, the
[0029]
The
[0030]
FIG. 6 shows a system including three
[0031]
7 and 8 illustrate another preferred method of electrically connecting
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
The
[0036]
An
[0037]
The
[0038]
Further, the
[0039]
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
FIG. 14 shows a
[0043]
As shown in FIG. 15, if necessary, the
[0044]
As shown in FIG. 16, the
[0045]
The electronic accelerator of the present invention is suitable for liquid, gas (such as air) or surface sterilization, as well as medical products, food, hazardous medical waste and hazardous waste purification. Other applications include ozone generation, fuel spraying, and chemical bonding of materials. Furthermore, the electron accelerator of the present invention can be used for curing inks, coatings, adhesives and sealants. In addition, materials such as polymers can be cross-linked while irradiated with an electron beam to improve structural properties.
[0046]
The series of
[0047]
While the invention has been illustrated and described in terms of preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that various changes in shape or detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that it is feasible.
[0048]
For example, while certain embodiments of the present invention have been described with multiple filaments, in an alternative method, only one filament can be used. In addition, the outer shell (except for the ceramic outer shell 102), end cap, and filament housing are preferably made from stainless steel, but alternative methods include other suitable metals such as titanium, copper, Alternatively, KOVAR (registered trademark) or the like can be used. The end caps 16, 20 are typically welded to the
[0049]
Preferably, the thickness of the titanium radiation window is less than 12.5 μm (6-12 μm), but can be thicker than 12.5 μm for specific applications, if desired. For radiation windows thicker than 12.5 μm, the high voltage power supply needs to supply approximately 100 kV to 150 kV. If the radiation window is made of a material that is lighter than titanium (such as when using aluminum), the same electron beam characteristics can be obtained while making the radiation window thicker than the corresponding titanium radiation window. it can. Preferably, the accelerator has a cylindrical cross section, but may have other suitable shapes, such as a rectangular or elliptical cross section. If the accelerator of the present invention is manufactured in large quantities to reduce the cost, it can be used as a disposable unit. The
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a characteristic diagram in which a graph showing the distribution of electrons in a focused electron beam and a graph showing a state in which electrons are uniformly distributed over the entire width of the electron beam are superimposed.
FIG. 2 is a side sectional view of an electron beam accelerator according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing power connections of the accelerator of FIG. 2;
FIG. 4 is a cross-sectional end view of the filament housing showing electric field lines.
FIG. 5 is a cross-sectional end view of the filament housing, showing electric field lines when there is no
FIG. 6 is a plan view of a system incorporating a plurality of electron beam accelerators.
FIG. 7 is a schematic end cross-sectional view of a filament housing showing another preferred method of electrically connecting the filaments.
FIG. 8 is a schematic bottom sectional view of FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic diagram of another preferred filament arrangement.
FIG. 10 is a schematic diagram of yet another preferred filament arrangement.
FIG. 11 is a side cross-sectional view of another preferred electron beam accelerator.
FIG. 12 is a side cross-sectional view of yet another preferred electron beam accelerator.
FIG. 13 is a side cross-sectional view of yet another preferred electron beam accelerator.
FIG. 14 is a bottom view of another preferred filament arrangement.
FIG. 15 is a plan view showing a support plate with a pattern of filled holes to produce an electron beam with a variable density profile in the transverse direction of the beam.
FIG. 16 is a side view of the extension nozzle.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記セラミック環状壁部の開放端に、この開放端を覆う金属製のエンドキャップが取り付けられ、前記エンドキャップに金属箔からなる前記放射窓が両者間を気密に密封するよう金属接触して接合され、厚さ12.5μm未満の前記放射窓が、前記エンドキャップの支持板で保持され、内部を恒久自己保持真空に維持するように気密に密封されている真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置されて電子を発生させる電子発生器と、
前記電子発生器を囲むハウジングであって、前記電子発生器と放射窓との間に形成される電子透過領域を有し、電圧が前記ハウジングと放射窓の間に印加されたときに、電子を前記電子発生器から前記放射窓の外部へ向けて電子ビームとして加速するハウジングと、
を備えている電子加速器。A vacuum chamber comprising an elongate ceramic member having an annular wall portion and the electron beam emission window continuous ceramic material having an open end,
A metal end cap covering the open end is attached to the open end of the ceramic annular wall, and the radiation window made of metal foil is joined to the end cap in a metal contact so as to hermetically seal between the two. A vacuum chamber in which the radiation window less than 12.5 μm thick is held by the support plate of the end cap and hermetically sealed to maintain a permanent self-holding vacuum inside;
An electron generator disposed in the vacuum chamber for generating electrons;
A housing surrounding the electron generator, having an electron transmission region formed between the electron generator and a radiation window, wherein electrons are applied when a voltage is applied between the housing and the radiation window. A housing that accelerates as an electron beam from the electron generator to the outside of the radiation window;
Electronic accelerator equipped with.
前記電気リード線を囲み、前記円錐台形孔を密封する円錐台形表面を持つ柔軟な絶縁プラグと、
前記シェルに固定されて前記円錐台形孔内に前記プラグを保持する保持キャップと、
を備えている電子加速器。5. The electrical lead of claim 4, wherein the ceramic member includes a frustoconical hole, and the electron accelerator further extends through the frustoconical hole to provide power to the electron generator;
A flexible insulating plug having a frustoconical surface surrounding the electrical lead and sealing the frustoconical hole;
A retaining cap secured to the shell and retaining the plug within the frustoconical hole;
Electronic accelerator equipped with.
前記セラミック環状壁部の開放端に、この開放端を覆う金属製のエンドキャップが取り付けられ、前記エンドキャップに金属箔からなる前記放射窓が両者間を気密に密封するよう金属接触して接合され、厚さ12.5μm未満の前記放射窓が、前記エンドキャップの支持板で保持され、内部を恒久自己保持真空に維持するように気密に密封されている真空チャンバを設けるステップと、
前記真空チャンバ内に配置された電子発生器を用いて電子を発生させるステップと、
前記電子発生器をハウジングで囲み、前記ハウジングが前記電子発生器と放射窓との間に形成される電子透過領域を有しており、電圧が前記ハウジングと放射窓の間に印加されたときに、電子を前記電子発生器から前記放射窓の外部へ向けて電子ビームとして加速するステップと、
を含む電子を加速する方法。 A vacuum chamber comprising an elongate ceramic member having an annular wall of continuous ceramic material having an open end and an electron beam radiation window;
A metal end cap covering the open end is attached to the open end of the ceramic annular wall, and the radiation window made of metal foil is joined to the end cap in a metal contact so as to hermetically seal between the two. Providing a vacuum chamber in which the radiation window less than 12.5 μm thick is held by the end cap support plate and hermetically sealed to maintain a permanent self-holding vacuum inside;
Generating electrons using an electron generator disposed in the vacuum chamber;
The electron generator is surrounded by a housing, the housing has an electron transmission region formed between the electron generator and the emission window, and when a voltage is applied between the housing and the emission window Accelerating electrons from the electron generator to the outside of the radiation window as an electron beam;
Accelerating electrons containing.
前記電子を発生させるステップに、前記電子発生器に電力を供給するために、電気リード線を前記円錐台形孔を通して延ばすステップと、
前記円錐台形孔を密封する円錐台形表面を備えた柔軟な絶縁プラグを用いて前記電気リード線を囲むステップと、
前記プラグを、前記シェルに固定された保持キャップを用いて前記円錐台形孔に保持するステップと、
を含む方法。In claim 12, the step of providing the vacuum chamber, wherein the ceramic member and the including step the frustoconical hole,
Generating the electrons by extending an electrical lead through the frustoconical hole to provide power to the electron generator;
Enclosing the electrical lead with a flexible insulating plug with a frustoconical surface that seals the frustoconical hole;
Holding the plug in the frustoconical hole using a holding cap secured to the shell;
Including methods.
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