JP5294293B2

JP5294293B2 - 電子線照射装置

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Publication number: JP5294293B2
Application number: JP2007175584A
Authority: JP
Inventors: 明博大島; 方一鷲尾
Original assignee: 株式会社エックスネット; 株式会社コンセック
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: JP2008039766A

Description

本発明は、ＵＶ（紫外線）光源を光電子発生のエネルギー源として用いたフォトカソード方式の光電子銃を利用した電子線照射装置に関するものである。

図１５に、従来の熱電子銃１００の構成を示す。この熱電子銃１００は、真空容器１０１内において、タングステン製のフィラメントあるいはワイヤ等からなるカソード１０２に電源１０３から電流を流し、そのカソード１０２の上面から熱電子１０４を発生させ、その熱電子１０４を整流電極１０５により整流して、電子取出窓１０６から取り出すものである。電子取出窓１０６を含む真空容器１０１は感電防止のために接地され、カソード１０２と真空容器１０１の間に、カソード１０２が相対的に負側、真空容器１０１側が相対的に正側となる高電圧が、高電圧源１０７により印加されるが、カソード１０２を電子取出窓１０６に近づけ、整流電源１０８によって、整流電極１０５がカソード１０２に対して相対的に正側となる電圧を印加することにより、発生した熱電子１０４は電子取出窓１０６方向に整流される。なお、高圧電源１０７による静電場に代えて、高周波電場が印加される場合もある。しかし、いずれの場合も、カソード１０２は、通電が必須であるので劣化し易く、１年から２年で破損してしまう。このため、そのカソード１０２を定期的に交換するメンテナンス作業が必要であった。

また、熱電子発生用のカソード１０２のフィラメントは、加熱のためにかなりの電力を必要とする。例えば、電子線照射装置（例えば、特許文献１の図２参照）では、フィラメント加熱のために、接地側にモータを設置するとともに高圧電位側に発電機を設置し、モータと発電機の間を絶縁性のロッド（回転軸）で接続してモータを回転させることにより発電機で１００Ｖ程度の交流電力を発生させ、トランスでこれを５Ｖ程度に低下させてフィラメントに印加し、そのフィラメントで熱電子を発生させている。しかし、この手法は、フィラメントを絶縁ガス（ＳＦ_６）が充填された容器内に設置する必要があり、また絶縁性のロッドの加工や設置に時間がかかるとともに、モータ、発電機、トランス等の設置に広いスペースを必要とし、嵩高となる問題がある。

一方、電子発生源として冷陰極を用い、冷陰極用電源供給路として光伝送を利用する方法もある（例えば、特許文献１の図１参照）。この方法は、接地側に発光素子よりなる光源を設けるとともに冷陰極側に光電パネルを設け、光源素子で発生した光を空間伝送することによって光電パネルに送り、ここで光電変換して得た電力を冷陰極と加速電極に印加することで、冷陰極の周囲に電界を形成して光電子を引き出す方法である。しかしながら、この方法は、放射線プロセスなどの実用に供する程度の電子流密度を得るには、未だ十分とは言えず、しかも冷陰極には、表面に無数の突起を設けたカーボンや高融点金属を用いる必要があるため、その加工精度技術の向上が必要であった。

図１６に、レーザーフォトカソードを用いた高周波光電子銃（レーザーフォトカソードＲＦガン）２００の構成を示す（例えば、特許文献２の図６参照）。この高周波光電子銃２００は、空胴２０１を画定する導電性の容器２０２、空胴２０１内に光電子を放出するフォトカソード２０３、空胴２０１内に高周波電場を発生させるマイクロ波を導入する導波路２０４、光入射窓２０５、発生した光電子の電子取出窓２０６を含んで、空胴２０１内が真空となるよう構成される。フォトカソード２０３に光入射窓２０５より、周期的にレーザー光２０７を照射すると、レーザー光２０７の径に依存した数ｍｍサイズの光電子群が、空胴２０１内にパルス的に放出される。その光電子は、空胴２０１内に発生した高周波電場によって集束、加速され、電子取出窓２０６から取り出される。

この高周波光電子銃２００では、空胴２０１内の高周波電場は、フォトカソード２０３へのレーザー光照射に同期して印加される。このため、発生する光電子のクオリティはレーザー光源に依存し、レーザーフォトカソード方式では、数ｍｍサイズのパルス状の光電子群は、高周波電場による以外での加速器は、実用化されていなかった。また、フォトカソード２０３の量子効率とレーザーパワーの関係から、熱電子銃ほどの光電子を発生させることができなかった。

ところで、地震や台風などの被災地における衛生面の管理が必要とされる状況、ならびに、衛生管理が不徹底な途上国などにおける衛生面の改善をはかるためには、小型かつ可搬性、堅牢性に優れた殺菌装置が望まれている。また、電力事情の悪い途上国での衛生問題を解決するため、さらには、石油資源の保全、地球環境の保護をはかるためには、産業上、低電力の低環境負荷な殺菌装置が望まれている。

従来から、殺菌装置として、上記した熱電子銃を用いた電子加速器を利用したものがあるが、この電子加速器は上記したように嵩高くなり、小型化が困難であった。また、ＵＶランプを利用した殺菌装置も提案されている。これは、前記した熱電子銃を用いた電子加速器を利用した殺菌装置に比べ、小型化が容易であるが、ＵＶは透過能力が低いため、被処理物のごく表面の殺菌処理しか果たせなかった。
特開２００６−０３８５１６号公報特開平１１−０４５６７６号公報

以上のように、図１５に示した熱電子銃１００は、そこに用いられるカソード１０２の交換頻度が高く、メンテナンス作業が煩雑であった。また、そのカソード１０２のフィラメントは、これを動作させるための消費電力大きいという問題があった。また、この熱電子銃１００を利用した電子加速器は、加工や設置に時間がかかるとともに、嵩高となる問題もあった。

また、カソードを冷陰極としてそこへの給電に光伝送を使用する手法は、放射線プロセスなどの実用に供する程度の電子流密度を得るには、未だ十分とは言えず、しかも冷陰極の加工精度技術の向上が必要であった。

さらに、図１６の光電子銃２００は、発生する電子線の径が数ｍｍと小さく光電子数が十分ではなかった。また、この光電子銃２００は、高周波電場以外では光電子の集束や加速が不可能であった。

さらに、従来の殺菌装置は、熱電子型の電子加速器を利用するものでは、当該電子加速器の上記した問題が発生し、また、ＵＶランプを用いるものでは、大きな殺菌効果を得ることが困難であった。

本発明の目的は、カソードの交換頻度を低減あるいは皆無にしてメンテナンス作業を低減可能とするとともに、多量の光電子数が発生可能で、カソードの加工精度が要求されず、小型化が可能な光電子銃を利用して、小型かつ可搬性、堅牢性に優れ、しかも低電力の低環境負荷な電子線照射装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の電子線照射装置は、カソードが内部に配置され且つ該カソードで発生した光電子を取り出す電子取出窓が設けられた真空容器、該真空容器の外からＵＶ光を前記カソードに照射して前記カソードから前記光電子を放出させるランプ光源、および該放出された光電子を前記真空容器の前記電子取出窓から外に引き出すように前記光電子に高圧直流電界を印加する高圧電源を有する光電子銃と、該光電子銃の前記電子取出窓から引き出された前記光電子を加速して試料に照射する電子加速器とを含み、前記光電子銃の前記ランプ光源がＵＶ光の他に可視光も発生し、該発生した光の一部を前記試料に照射させるようにしたことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１記載の電子線照射装置において、前記試料に照射される光は、前記ランプ光源から第１の光ガイドによって導かれることを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の電子線照射装置において、前記光電子銃の前記真空容器は、前記ＵＶ光を前記カソードに対して入射させる光入射窓あるいは前記真空容器内に先端が挿入された第２の光ガイドを有する真空容器、又はＵＶ透過型の真空容器であることを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電子線照射装置において、前記光電子銃の前記高圧電源は、前記カソード側が相対的に負側、前記電子取出窓側が相対的に正側となる高電圧を印加することを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電子線照射装置において、前記光電子銃の前記高圧電源は、前記カソード側が相対的に負側、前記電子取出窓側の外側に設けた電極が相対的に正側となる高電圧を印加することを特徴とする。
請求項６にかかる発明は、請求項４又は５に記載の電子線照射装置において、前記真空容器内に整流電極を配置し、該整流電極と前記カソードとの間に前記整流電極が相対的に正側、前記カソードが相対的に負側となる数Ｖ〜数十Ｖの整流電圧を印加する整流電源を備えたことを特徴とする。

本発明の電子線照射装置によれば、光電子銃で発生され電子加速器で加速された光電子が試料に照射されるとき、真空容器外のランプ光源で発生した光もその試料に照射されるので、その試料の加熱効率が高くなる。また、小型化が可能であると共に可搬性、堅牢性、省電力性を有する。また、ランプ光源で発生した光に可視光が含まれ、それも試料に照射されるので、その加熱効率がより高くなる。このとき、光ファイバや光導管等の光ガイドを使用して試料に光を照射するようにすれば、さらに加熱効率が高くなる。

また、電子線照射装置を構成する光電子銃は、カソードの加熱が必須ではないので、カソードの交換頻度を低減あるいは皆無にして、メンテナンス作業を削減可能である。また、ＵＶ光を照射するのでその照射面積が大きくなり、さらにＵＶ光に可視光が含まれるときはカソードが若干加熱されることで、発生する光電子数が増大可能である。また、カソードについて特別な加工精度は要求されない。また、フィラメントに電力を供給する機構が必須ではないので、小型化が可能であり、堅牢性も有する。

＜光電子銃の原理説明＞
図１は本発明の光電子銃の光電子発生部の原理構成を示す図である。図１において、１１はカソード、１２はカソード１１への相対的な負電位の印加部、１３はカソード１１を照射するＵＶ光源、１４はそのＵＶ光源１３から照射されるＵＶ光、１５はカソード１１から発生した光電子である。このように、本発明では、ＵＶ光源１３で発生したＵＶ光１４をカソード１１に広範囲にわたって照射することで、光電子１５をカソード１１の面全体で発生させるものである。発生した光電子１５は、静電場、高周波電場あるいは誘導電場によって加速することが可能である。このため、光電子の加速空間が制約されることはなく、装置設計が容易となる。

ＵＶ光源１３としては、光電効果を発生できるある一定以上の高い振動数のＵＶ光を発生させる光源であれば良く、１００ｎｍ〜４００ｎｍの波長、好ましくは、１００ｎｍ〜３００ｎｍの波長の光を発生する光源がよい。このようなＵＶ光源１３には、水銀ランプ、キセノン、クリプトンなどのハロゲンランプ方式のほか、ＬＥＤ方式、フラッシュランプ方式、半導体レーザー方式などの各種光源を使用できる。

ＵＶ光源１３からカソード１１へ照射するＵＶ光１４は、定常的な一定光のほか、周期的、非周期的なパルス状の光であってもよい。また、そのＵＶ光１４の光照射方法は、直接照射する方法の他、ＵＶ光源１３からのＵＶ光１４をリフレクタで反射させることで入射させるような間接照射方法、あるいは、光ファイバー等の光ガイドを用いて光伝送した上で照射しても良い。なお、リフレクタには、反射面に銀コートや金コートを施した基材の他、高純度アルミニウムを用いるのが好ましい。

また、カソード１１に用いる材料は、光電効果により光電子を放出する導電性材料、例えば金属などの他、金属酸化物、ＧａＡｓ−ＧａＡｓＰなどの超格子半導体などであれば良く、特に、無酸素銅（Ｃｕ）、セシウムテルライド（Ｃｓ−Ｔｅ／Ｃｓ_２Ｔｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ランタンバリウム（ＬａＢ_６）等が好ましい。

カソード１１から発生する光電子数は、カソード１１に用いた材料の量子効率に依存するが、照射するＵＶ光１４の光量により制御することができる。また、ＵＶ光源１３は単数に限られるものではなく、複数のＵＶ光源１３を用いてカソード１１に照射を行っても良い。

カソード１１から光電効果により発生した光電子１５は、上記のように静電場、高周波電場、あるいは、誘導電圧による誘導加速によって加速されるが、ここでいう静電場とは、コッククロフト回路等の高圧電源によって昇圧された相対的に正電位と負電位で囲まれた電場を示す。当該高電圧を形成する方法は、トランス型、ヴァンデグラーフ型、コッククロフトウォルトン型、共振変圧器型、ダイナミトロン型など、昇圧回路に関して熟知した、その道の専門家により容易に選択できる昇圧方法であればよい。

さらに、高周波電場は、導電性の容器（透明容器の場合は、その内面又は外面に高周波の通過を遮断する金属製メッシュを設けた容器でも良い。）により画定された空胴内に高周波を入射することで、その空胴内に形成される。また、この空胴の構造は、共振空胴をもつものも含む。高周波としては、マイクロ波、ＶＨＦ波等を指し、その帯域は３０ＭＨｚ〜１２ＧＨｚのものを使用する。特に、マイクロ波の波長は、０．５ＧＨｚ〜１２ＧＨｚ域のＬバンド帯域からＸバンド帯域を示し、Ｓバンド（２．８６ＧＨｚ）帯域やＬバンド（１．２７ＧＨｚ）帯域が好ましい。

この高周波電場による加速の場合、前記空胴内を真空にして、そこに前記カソード１１を配置し、そのカソード１１にパルス的にＵＶ光１４を照射することで、当該ＵＶ光１４の照射に同期したパルス状の光電子線が取り出される。この時、マイクロ波は、ＵＶ光１４の照射に同期して断続的に空胴内に入射される。

なお、本発明の方法による副次的な効果として、ＵＶ光源１３を特にランプタイプの光源とした場合は、その光源からの光には、光電効果を誘起する１００ｎｍ〜４００ｎｍに含まれる波長の光の他に、４００ｎｍ以上の波長、即ち、可視光成分の波長帯域の光も含まれる。この可視光成分の波長帯域の光はカソード１１への輻射加熱効果があるので、カソード１１の仕事関数が低下し、より光電子が発生し易くなる。

カソード１１は、図２に示すように、電源１６によって通電を行い直接加熱してよい。さらに、図３に示すように、光電子１５の発生面と反対側（あるいは側面）にヒータ１７を設けて、このヒータ１７に電源１６により通電することで、カソード１１を間接加熱してもよい。これらのようにカソード１１を加熱することで、ＵＶ光１４による光電効果のための仕事関数を積極的に低下させることができるので、ＵＶ光１４に上記した可視光成分の波長帯域の光が含まれる場合と同様に、より光電子が発生し易くなる。

＜実施例１＞
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。図４は本発明の実施例１の光電子銃１０Ａの構成を示す図である。ここでは、ＵＶ光源１３を、感電防止のために全体が接地される真空容器１８内に配置し、さらに電極１９を整流電極としてカソード１１と対向させて配置する。カソード１１と真空容器１８の間に、カソード１１が相対的に負側、真空容器１８側が相対的に正側となる高圧の静電場をコッククロフト回路等の高電圧源２０により印加すると、カソード１１を、接地させた電子取出窓２１に対面させて近づけることにより、カソード１１の上面から発生した光電子１５が、真空容器１８の内壁よりも、電子取出窓２１方向に引き付けられる。このとき、整流電源２２によって、整流電極１９がカソード１１に対して相対的に正側となる電圧（例えば数Ｖ〜数十Ｖ）を印加することにより、発生した光電子１５は制御電極１９によって電子取出窓１０６方向に整流される。そして、電子取出窓２１の外側に、静電場、高周波電場、あるいは、誘導電圧による電子加速器を設けることによって、電子取出窓２１からの光電子１５の外部に取り出すことができる。

図４に示したように、真空容器１８内にＵＶ光源１３を配置する場合は、カソード１１の光電子放出面と対向する位置に複数のＵＶ光源１３を配置する他、図５（真空容器等は図示を省略した）に示すように、それら複数のＵＶ光源１３から照射されるＵＶ光１４を、個々のリフレクタ２３によってカソード１１の方向に反射させるようにすることもできる。

なお、ＵＶ光源１３にランプタイプのものを使用したとき、発生する光に含まれる輻射加熱源となる可視光成分の波長帯域の光によって、カソード１１以外の真空容器１８等が輻射加熱によって変形され歪むことを防ぐために、冷却装置を設けることも有効である。特に、取り出した光電子１５を高周波電場により加速する場合は、高周波電場空間を構成する空胴が温度変化により変形すると、加速のための共振周波数が変化するため、これを避けるために、空胴に冷却装置を設けた方が良い。

＜実施例２＞
図６は本発明の実施例２の光電子銃１０Ｂの構成を示す図である。ここでは、真空容器１８に光入射窓２４を設け、その外側にＵＶ光源１３を設置し、外側から真空容器１８内のカソード１１にＵＶ光１４を入射させるようにしている。この場合、光入射窓２４の材質は、ＵＶ透過性の高い材質であることが望ましく、例えば石英ガラスが好ましい。また、ＵＶ光１４を効率よくカソード１１へ入射させるため、光学ガイド２５を用いて導入するのが望ましい。この光学ガイド２５には、内側に銀コートや金コートを施した基材や、高純度アルミニウムを用いるのが好ましい。また、この光学ガイド２５として、光ファイバを用いることもできる。

本実施例でも、電子取出窓２１から取り出した光電子１５は、電子取出窓２１の外側に取り付けた静電場、高周波電場、あるいは誘導電圧による電子加速器によって加速できる。また、ＵＶ光１４に含まれる可視光成分の波長帯域の光によって、カソード１１以外の真空容器１８や光学ガイド２５等が輻射加熱され変形して歪むことを防ぐために、冷却装置を設けることも有効である。なお、光学ガイド２５として光ファイバを使用する場合は、その先端を真空容器１８内部にまで挿入させることが望ましい。

＜実施例３＞
図７は本発明の実施例３の光電子銃１０Ｃの構成を示す図である。ここでは、真空容器として石英ガラス製のＵＶ透過型の真空容器２６を使用し、これを感電防止のため接地する。また、コッククロフト回路等の高電圧源２７により、カソード１１と真空容器２６の外側に配置した電極２８との間に、カソード１１が相対的に負側、電極２８が相対的に正側となる高圧を印加する。なお、電子取出窓２１には、厚さ数ミクロンの高分子膜あるいは、半導体膜を用いる。

この光電子銃１０Ｃは、外部のＵＶ光源１３から、ＵＶ透過型の真空容器２６を通してカソード１１にＵＶ光１４を照射することで、光電子１５を発生させる。光電子は、ＵＶ透過型の真空容器２６の電子取出窓２１の外側の電極２８により整流、加速されて外部に取り出される。

本実施例でも、電子取出窓２１から取り出した光電子１５は、電極２８による静電場に加えて、追加構成の静電場、高周波電場、あるいは誘導電圧による電子加速器によって加速できる。静電場加速では、電極２８のよりも更に高い正側電位の電極を、電極２８の更に外側に配置することにより、電極２８で加速された光電子１５が更に加速される。なお、このように電子取出窓２１の外側に電極２８を設けて、そこで光電子１５を整流、加速させる構成は、図４および図６で説明した電子銃についても、その変形例として適用できる。

＜実施例４＞
図８は本発明の実施例４の光電子銃１０Ｄの構成を示す図である。ここでも、真空容器として石英ガラス製のＵＶ透過型の真空容器２６を使用し、これを感電防止のため接地する。また、コッククロフト回路等の高電圧源２７により、カソード１１と真空容器２６の電子取出窓２９との間に、カソード１１が相対的に負側、電子取出窓２９が相対的に正側となる高圧を印加する。なお、電子取出窓２９には、厚さ数ミクロンの導電性金属箔、例えば、チタン箔、アルミ箔などを用いる。

この光電子銃１０Ｄは、外部のＵＶ光源１３から、ＵＶ透過型の真空容器２６を通してカソード１１にＵＶ光１４を照射することで、光電子１５を発生させる。光電子は、ＵＶ透過型の真空容器２６の電子取出窓２９で整流、加速されて外部に取り出される。

本実施例でも、電子取出窓２９から取り出した光電子１５は、静電場、高周波電場、あるいは、誘導電圧による誘導加速によって加速される。静電場加速では、電子取出窓２９の相対的な正電位よりも更に高い正電位の電極を、電子取出窓２９の更に外側に配置することにより、電子取出窓２９で加速された光電子１５が更に加速される。なお、このように電子取出窓２９に電極を兼用させ、そこで光電子１５を整流、加速させる構成は、図４および図６で説明した電子銃についても、その変形例として適用できる。

＜実施例５＞
図９に、上記した実施例１〜４で説明した光電子銃１０Ａ〜１０Ｄを光電子銃１０として使用した静電場による電子加速器３０の構成を示す。光電子銃１０に静電場加速管３１と走査管３２と高圧直流電源３３を組み合わせることで、電子加速器３０が構成される。静電場加速管３１には、高圧直流電源３３で発生した高電圧を分圧する複数の分圧抵抗３４、その分圧抵抗３４で分圧された電圧が印加される多段の電極３５が備えられる。また、走査管３２には走査コイル３６、真空ポンプ３７、電子取出窓３８が備えられる。高圧直流電源３３は、光電子銃１０の図４，図６〜図８に示した高圧電源１９も兼ねるようにすることができる。

光電子銃１０のカソード１１で発生した光電子１５は、当該電子銃１０の電極で引き出されて電子取出窓２１（又は２９）から静電場加速管３１に取り出され、多段の電極３５による電場勾配によってさらに加速されて電子線４０となり、走査管３２において走査コイル３６により走査され、電子取出窓３８から大気中に取り出され、プロセス処理等に供される。

＜実施例６＞
図１０に、上記した実施例１〜４で説明した光電子銃１０Ａ〜１０Ｄを光電子銃１０として使用した高周波電場による電子加速器５０の構成を示す。５１は導電性金属からなる高周波電場加速管である。５２は高周波入力口、５３は高周波出力口、５４は空胴、５５は電子通過材質からなる電子取出窓である。高周波としてＳバンドやＬバンドなどの電波を入力して空胴５４内に高周波電場を発生させ、ここに光電子銃１０で発生した光電子１５を投入すると、その光電子１５が集束、加速されて電子線４０となり、電子取出窓５５から取り出される。なお、図９における電子加速器３０と同様に、走査管を設けて、電子線４０を走査させることもできる。

＜実施例７＞
図１１に、図９に示した電子銃１０と電子加速器３０との組み合わせにより構成され、あるいは図１０に示した電子銃１０と電子加速器５０（但し、走査管付き）との組み合わせにより構成される電子線照射装置６１を使用した殺菌装置６０の構成を示す。なお、ここでは、電子銃１０としては、図６〜図８に示したように、真空容器１８（又は２６）の外側にＵＶ光源１３を備えた光電子銃１０Ｂ〜１０Ｄのいずれかを使用する。また、図１１では、ＵＶ光源１３が電子線照射装置６１の外部に配置された表示となっているが、これは表示の便宜上からであり、実際には電子線照射装置６１の内部に配置される。

この電子線照射装置６１は、ＵＶ光源１３を真空容器１８（又は２６）の外側に備えているので、そのＵＶ光源１３で発生するＵＶ光を、電子線照射装置６１内の光電子銃のカソード１１に照射させると同時に、殺菌処理を行う試料７０にも照射する。これによって、その試料７０には、電子線照射装置６１からの電子線４０と同時にＵＶ光１４が照射されることになり、電子線４０による殺菌に加えてＵＶ光１４による殺菌も行われ、殺菌効果が大きくなる。なお、試料７０はベルトコンベア等の搬送装置８０による搬送途中で殺菌処理される。試料７０に照射するＵＶ光は、ファイバや光導管等の光ガイドを使用すれば、ＵＶ照射効率が高くなる。

本実施例の殺菌装置は、電子線照射装置６１の光電子銃１０の部分を前記したように小型、省電力、堅牢に構成できることから、可搬型とすることができ、メンテナンス作業も低減できるので、使用場所の制約が少なくなる。このため、衛生管理が不十分で電力事情の悪い途上国、あるいは地震／台風の被害を受けた被災地での衛生用品の殺菌処理用、病院での医療器具の殺菌処理用等として使用することが可能であり、また、屋外での使用も可能となる。

＜実施例８＞
図１２に、図１１の殺菌装置６０の変形例の構成を示す。ここでは、ＵＶ光源１３として、ＵＶ光の他に熱線を含む可視光も発生するランプ光源を使用する。そして、ＵＶ光源１３から、光電子銃のカソード１１と試料７０に、ＵＶ光１４および可視光９０を照射させる。可視光９０は試料７０を加熱する効果を持つので、殺菌効果を高めることができる。なお、光電子銃のカソード１１にＵＶ光１４のみを照射させるために、可視光を反射させるリフレクタを使用すれば、このリフレクタで反射した可視光も試料７０に照射させることができ、結局、ＵＶ光源１３で発生する可視光の全てを試料７０に照射させることができ、加熱効果がより大きくなる。また、試料７０に照射するＵＶ光と可視光は、ファイバや光導管等の光ガイドを使用すれば、より照射効率が高くなる。

＜実施例９＞
図１３に図１１の殺菌装置６０の別の変形例の構成を示す。ここでは、試料７０に対して、ＵＶ光源１３によるＵＶ光１４を上流側で照射してから、電子線照射装置６１によって電子線４０を照射させるようにした。このように、試料７０に対して、ＵＶ光１４の照射と電子線４０の照射を時間差をもって行うようにしても、殺菌効果は高くなる。なお、試料７０に対するＵＶ光１４の照射は、電子線４０を照射した後に行うよう、電子線照射装置６１の下流側で行っても良い。

＜実施例１０＞
図１４に図１１の殺菌装置６０の別の変形例の構成を示す。ここでは、ＵＶ光源１３としてランプ光源を用い、試料７０に対して、ＵＶ光源１３によってＵＶ光１４および可視光９０を上流側で照射してから、電子線照射装置６１によって電子線４０を照射させるようにした。このように、試料７０に対して、ＵＶ光１４および可視光９０の照射と電子線４０の照射を時間差をもって行うようにしても、殺菌効果は高くなる。なお、試料７０に対するＵＶ光１４および可視光９０の照射は、電子線４０を照射した後に行うよう、電子線照射装置６１の下流側で行っても良い。

＜実験例１＞
図６に示した光電子銃１０Ｂにおいて、カソード１１として大きさ３×３ｃｍ^２の無酸素銅を用い、またＵＶ光源１３として、水銀の共鳴線である１８４．９ｎｍと２５３．７ｎｍの光が強力に放射される線スペクトル光源である低圧水銀ランプ（ウシオ電機製、ウシオ低圧ＵＶランプＵＬ１−３ＤＱ、出力３０Ｗ×１５本）を４個用い、さらに光学ガイド２４として、ＵＶ光に対する反射効率の高い高純度アルミニウムを用い、電子取出窓２１として厚さ１２．７μｍで直径１０ｃｍのチタン箔を用いた。電子取出窓２１とカソード１１との離間距離は１０ｃｍとし、真空容器１８の真空度は１０^−６ｔｏｒｒとした。そして、ＳＵＳ３０４製のフランジで固定された石英製の光入射窓２３を通して、カソード１１の全面に４方向からＵＶ光１４を入射させ、光電効果によりカソード１１の面全体より光電子１５を発生させた。

なお、光学ガイド２４の外側および光入射窓２３の固定フランジには、冷却水を流し、長波長の可視光成分の光による発熱を除去するとともに、光入射窓２３とＵＶ光源１３の距離は、大気中の酸素による１８５ｎｍの光吸収をさけるため、１０ｍｍとした。

本実験例においては、高圧電源２０をコッククロフト回路とし、これによって１００ｋＶに昇圧することで形成した静電場を、カソード１１と電子取出窓２１との間に印加することで、カソード１１で発生した光電子１５を加速し、カソード１１に対して相対的に正側の５０Ｖの電圧を印加した整流電極１９によって整流して、電子取出窓２１から真空下から大気中に取り出した。

電子線発生を確認するため、電子取出窓２１の直後の１０ｍｍの距離にガフクロミックフィルムを置き、電子線の照射を５分間行った。なお、電子線照射による本フィルムの着色効果により、照射野の評価が可能である。

照射後、フィルムの照射野は、均一な着色を示し、その領域をノギスで測定した結果、ほぼ３ｃｍ×３ｃｍ四方の矩形の照射が行われていることがわかった。この結果から、図６の光電子銃１０Ｂから光電子が発生し、加速されていることが確認できた。

＜実験例２＞
実験例１と同じ条件の光電子銃１０Ｂにおいて、高圧電源１９で発生した１００ｋＶの静電場で加速を行った光電子の飛程を、ターゲット試料の照射後の吸光度分布から評価した。ターゲット試料には、厚さ２５μｍ、比重１．７４のＥＴＦＥフィルムを２０枚積層して厚さ５００μｍとして用い、電子取出窓２１の直後の１０ｍｍの距離において、電子線を３０分間照射した。本方法は、特開２００４−１０８９９９に記載の方法である。

照射後、可視分光光度計（日本分光製Ｖ５５０）により、２００ｎｍ〜９００ｎｍまでの範囲で、積層されたフィルムについて、各一枚ごとの吸光度測定を行い、ＥＴＦＥフィルム中に生成した共役二重結合による吸光度変化を、厚さ２５μｍごとの分布として求めた結果、厚さ１０ｍｍの空気層と厚さ１２．７μｍのチタン箔によるエネルギーロスを補正した際の光電子線の深度エネルギー付与分布計算プログラム（ＥＴＲＡＮエドマルト）を用いた計算結果とほぼ一致した。

＜実験例３＞］
図４に示した光電子銃１０Ａにおいて、カソード１１に大きさ５×１ｃｍ^２のマグネシウムを用い、真空容器１８内に、ＵＶ光源１３として波長２００〜３５０ｎｍの範囲で強い紫外線を放射するＤｅｅｐ−ＵＶランプ（ウシオ電機製、ＵＸＭ−５０１ＭＤ、５００Ｗ×４本）を２個設置し、２方向からカソード１１全面に光を入射させた。なお、図４では図示しなかったが、ＵＶ光源１３からのＵＶ光１４を、表面を銀コートしたアルミニウムの光学ガイドを用いてカソード１１に照射させるとともに、カソード１１以外の機器へ可視光成分によるの輻射加熱を防いだ。

本実験例においては、実験例１と同じように高圧電源２０によって１００ｋＶの静電場をカソード１１と電子取出窓２１の間に印加することで、発生した光電子１５を加速した。電子取出窓２１に厚さ１２．７μｍで直径１０ｃｍのチタン箔を使用し、カソード１１に対し相対的に正側の５０Ｖが印加された整流電極１９の方向に向かって加速された光電子１５を、その電子取出窓２１により、真空下から大気中に取り出した。電子取出窓２１とカソード１１との離間距離は１５ｃｍとし、真空容器１８の真空度は１０^−５ｔｏｒｒとした。

電子線発生を確認するため、電子取出窓２１の直後の１０ｍｍの距離にガフクロミックフィルムを置き、電子線の照射を５分間行った。

照射後、フィルムの照射野は、均一な着色を示し、その領域をノギスで測定した結果、ほぼ５ｃｍ×１ｃｍ四方の矩形の照射が行われていることがわかった。この結果から、図４の光電子銃１０Ａから光電子が発生し、加速されていることが確認できた。

＜実験例４＞
実験例３と同じ条件の図４の光電子銃１０Ａにおいて、高圧電源１９で発生した１００ｋＶの静電場で加速を行った光電子１５の飛程を、ターゲット試料の照射後の吸光度分布から評価した。ターゲット試料には、実験例２と同じく、厚さ２５μｍ、比重１．７４のＥＴＦＥフィルムを２０枚積層して厚さ５００μｍとして用い、電子取出窓２１の直後の１０ｍｍの距離において、光電子線を３０分間照射した。

＜実験例５＞
図４に示した光電子銃１０Ａにおいて、カソード１１に大きさ３×３ｃｍ^２の無酸素銅を用いた他は実験例３と同じ条件として、高圧電源２０によって１５０ｋＶの静電場を印加することで、発生した光電子１５を加速した。電子取出窓２１に厚さ１２．７μｍ、直径１０ｃｍのチタン箔を使用し、電極１９の方向に向かって加速された光電子１５をその電子取出窓２１により、真空下から大気中に取り出した。

１５０ｋＶの静電場で加速を行った光電子発生個数（電流値）をファラデーカップにより測定した。なお、ファラデーカップは、電子取出窓２１の外側に設置した。光電子線照射時の電流値として、２．９ｍＡ（２．９ｍＣ）を観測した。この結果、発生光電子数は、光電子の電荷が１．６×１０^−１９Ｃ／個であることから、（２．９×１０^−３Ｃ）／（１．６×１０^−１９Ｃ）＝１．８×１０^＋１６個の光電子が発生したことが確認できた。

＜実験例６＞
実験例５における発生光電子数１．８×１０^＋１６個を、ＵＶ光源１３の出力から発生可能な光電子数と比較した。光電子発生のために用いたＵＶ光源１３の総出力は４ｋＷであり、４ｋＪのエネルギーとして換算でき、１ｅＶは１．６×１０^−１９Ｊである。

全ての光子が、カソード１１に入射され光電子１５に変換するために用いられると仮定した場合、１光子あたり、６．４×１０^−１９Ｊのエネルギーとなる。その結果、４ｋＪの光での発生光子は、４０００／（６．４×１０^−１９）＝６．２５×１０^＋２１個となる。用いた無酸素銅のカソードの量子効率は約１×１０^−５であることから、最大６．２５×１０^＋１６の光電子が発生することになる。

この実験例６においては、全エネルギーが光電変換されたと仮定しているが、実際には、７割程度のエネルギーが変換ロスしていると考えられることから、実施例５における発生光電子数は、計算結果と比較的良い一致をみていると考えられる。

本発明の光電子銃の光電子発生部の原理説明図である。本発明の光電子銃の別の例の光電子発生部の原理説明図である。本発明の光電子銃の更なる別の例の光電子発生部の原理説明図である。本発明の実施例１の光電子銃の構成図である。図４の光電子銃において複数のＵＶ光源を配置する場合の構成図である。本発明の実施例２の光電子銃の構成図である。本発明の実施例３の光電子銃の構成図である。本発明の実施例４の光電子銃の構成図である。本発明の実施例５の電子加速器の構成図である。本発明の実施例６の電子加速器の構成図である。本発明の実施例７の殺菌装置の構成図である。本発明の実施例８の殺菌装置の構成図である。本発明の実施例９の殺菌装置の構成図である。本発明の実施例１０の殺菌装置の構成図である。従来の熱電子銃の構成図である。従来の高周波光電子銃の構成図である。

符号の説明

１０：１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ：光電子銃、１１：カソード、１２：相対的負電位印加部、１３：ＵＶ光源、１４：ＵＶ光、１５：光電子、１６：電源、１７：ヒータ、１８：真空容器、１９：電極、２０：高圧電源、２１：電子取出窓、２２：整流電源、２３：リフレクタ、２４：光入射窓、２５：光学ガイド、２６：ＵＶ透過型の真空容器、２７：高圧電源、２８：電極、２９：電子取出窓
３０：電子加速器、３１：静電場加速管、３２：走査管、３３：高圧直流電源、３４：分圧抵抗、３５：電極、３６：走査コイル、３７：真空ポンプ、３８：電子取出窓
４０：電子線
５０：電子加速器、５１：高周波電場加速管、５２：高周波入力口、５３：高周波出力口、５４：空胴、５５：電子取出窓
６０：殺菌装置、６１：電子線照射装置
７０：試料
８０：搬送装置
９０：可視光
１００：熱電子銃、１０１：真空容器、１０２：カソード、１０３：電源、１０４：熱電子、１０５：電極、１０６：電子取出窓、１０７：高圧電源、１０８：整流電源
２００：高周波光電子銃、２０１：空胴、２０２：導電性容器、２０３：フォトカソード、２０４：導波路、２０５：光入射窓、２０６：電子取出窓、２０７：レーザー光

Claims

カソードが内部に配置され且つ該カソードで発生した光電子を取り出す電子取出窓が設けられた真空容器、該真空容器の外からＵＶ光を前記カソードに照射して前記カソードから前記光電子を放出させるランプ光源、および該放出された光電子を前記真空容器の前記電子取出窓から外に引き出すように前記光電子に高圧直流電界を印加する高圧電源を有する光電子銃と、
該光電子銃の前記電子取出窓から引き出された前記光電子を加速して試料に照射する電子加速器とを含み、
前記光電子銃の前記ランプ光源がＵＶ光の他に可視光も発生し、該発生した光の一部を前記試料に照射させるようにしたことを特徴とする電子線照射装置。
請求項１記載の電子線照射装置において、
前記試料に照射される光は、前記ランプ光源から第１の光ガイドによって導かれることを特徴とする電子線照射装置。
請求項１又は２に記載の電子線照射装置において、
前記光電子銃の前記真空容器は、前記ＵＶ光を前記カソードに対して入射させる光入射窓あるいは前記真空容器内に先端が挿入された第２の光ガイドを有する真空容器、又はＵＶ透過型の真空容器であることを特徴とする電子線照射装置。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電子線照射装置において、
前記光電子銃の前記高圧電源は、前記カソード側が相対的に負側、前記電子取出窓側が相対的に正側となる高電圧を印加することを特徴とする電子線照射装置。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電子線照射装置において、
前記光電子銃の前記高圧電源は、前記カソード側が相対的に負側、前記電子取出窓側の外側に設けた電極が相対的に正側となる高電圧を印加することを特徴とする電子線照射装置。
請求項４又は５に記載の電子線照射装置において、
前記真空容器内に整流電極を配置し、該整流電極と前記カソードとの間に前記整流電極が相対的に正側、前記カソードが相対的に負側となる数Ｖ〜数十Ｖの整流電圧を印加する整流電源を備えたことを特徴とする電子線照射装置。