JP6068461B2 - 電子ビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム装置の分野に関し、詳細には、表面の殺菌に利用される電子ビーム装置に関する。

電子ビーム装置(以下、EBDと表す)は、多くの異なる分野で利用することができる。EBDは、放出された電子のエネルギーにおいて特徴づけられ、そのエネルギーは、塗料の硬化や表面の殺菌に使用されるものなど、所期の使用に結び付けられる。本発明は、放出される電子のエネルギーが約50〜300keVの範囲にある、殺菌の目的に使用され得るEBDに主に関する。しかしながら、これは、上記の範囲外における本発明の適切な用途もあり得るため、限定的に解釈されるべきではない。殺菌に使用されるEBDの分野では、所期の使用に応じて、大きさおよび形状の違ういくつかの異なるタイプがある。本発明は、表面、正しくは材料のウェブの殺菌に使用され得るEBDを主な対象としており、そのため、細長い本体部と、その細長い本体部の内部に同じく細長いカソードハウジングとを備え得る。なお、本発明は、他のEBDにも適用可能であるため、本明細書で言及された正にその形状だけに限定されるべきではない。

前述の特徴を取り入れた電子銃が、Farrellらによる米国特許第3863163号において開示されている。EBDの個々の構成部品はこの特許文献によく説明されており、当業者なら、本出願を読めば、本発明を実施する際にほとんど、またはまったく問題ないはずである。

米国特許第3863163号

本発明は、出口窓を備える細長い本体部と、近位端および遠位端が細長い本体部の内部に配置された細長いカソードハウジングとを備える密封された電子ビーム装置に関する。1つまたは複数のフィラメントがカソードハウジングの内部に配置され、カソードハウジングは、近位端から遠位端へと延び、出口窓の方を向く1つまたは複数の開口をさらに備える。1つまたは複数の開口は、フィラメントによって発生された電子を出口窓へと通過させるように構成される。電子ビーム装置は、少なくとも遠位端が、遠位端に配置された構成部品を覆うための、かつ大きい電界強度を最小限に抑えるための半球形状の蓋を備えることを特徴とする。

フィラメントの構成は、カソードハウジングの遠位端がフィラメントの電気的接続および機械的懸架のための接続構成部品を備えることを必然的に伴ってもよい。この構成部品およびカソードハウジングの他の構成部品を半球形状の蓋で覆うことで、滑らかな表面がもたらされることになり、大きな電界強度(ひいてはアーク)が形成される傾向を小さくする。カソードハウジング自体がその両端の一方において懸架されない実施形態において、半球形状の蓋がカソードハウジングの両端に配置されてもよい。

半球形状の蓋は回転対称であるのが好ましく、また、自由縁が好ましくは径方向内向きに曲げられて滑らかな外側の輪郭を形成し、何らかの異常が発生させられる危険性をさらに低くする。別の実施形態では、自由縁には、中実または中空の膨出部または玉状部が設けられる。

1つまたは複数の実施形態では、カソードハウジングは、近位端から遠位端へと延びる半円環状の外殻を備えてもよく、その半円環状の外殻の自由縁が径方向内向きに曲げられることで、湾曲した形状を形成する。近位端と遠位端との間で半円環状の外殻を延ばすことで、詳細な説明と本明細書で参照される図面とに関連して示されるように、カソードハウジングには全体として半円筒状の形が与えられる。自由縁のこの形状は、縁に沿って発生される大きな電界強度の傾向を小さくもし、その結果、制御可能かつ予測可能なビームプロファイルの生成にとって有益である。

カソードハウジングは、少なくともその遠位端が対応する半球形状の蓋の開口に挿入できるような寸法とされるのが好ましい。1つまたは複数の実施形態では、カソードハウジングの曲率が、半球形状の蓋の開口する端部における開口の半径と同じくらい、または、その半径よりも若干小さい半径に従う。

1つまたは複数の実施形態では、カソードハウジングの1つまたは複数の開口は制御格子によって設けられてもよく、その制御格子は、出口窓を通過する電子の放出を制御するために、変化可能な電位を前提とするように構成されてもよい。制御格子は、他の構成部品によって覆われていない、カソードハウジングの自由縁同士の間の領域を基本的に覆う。1つまたは複数の実施形態では、カソードハウジングの(長手方向の)自由縁によってもたらされるような、上記で説明した湾曲した形状が、制御格子の長手自由縁によって代わりに提供される。両方の実施形態が、詳細な説明において説明されることになる。

1つまたは複数の実施形態では、1つまたは複数のフィラメントはカソードハウジングの長手方向において延びており、遠位端に配置された構成部品が、電気的なフィラメントの接続部と、フィラメントの懸架部とを備える。

1つまたは複数の実施形態では、カソードハウジングの遠位端および近位端の両方は、半球形状の蓋を備える自由端であり、他の実施形態では、遠位端のみが自由であり、近位端は、適切な懸架構成を用いて細長い本体部の一方の端部に連結される。後者の構成を含む実施形態では、近位端は、回転対称の湾曲した形状を有する蓋を備えてもよいが、半球形状の蓋の遠位端(細長い本体部の遠位端の方を向く端)は滑らかに湾曲され、近位蓋の近位端(細長い本体部の近位端の方を向く端)は、懸架構成の要素に嵌まり合うように構成された円筒構成を必然的に有する。懸架構成のこの要素は、近位蓋と嵌まり合う端において必然的に円筒形状を有し、一方、離れている方の端は、直径が徐々に小さくなり、好ましくは滑らかな曲面となっていてもよい。この滑らかな曲面は、この要素の一部を形成する円筒構造またはステムと一致することで、細長い本体部においてカソードの全体構成を効果的に懸架する。

本発明の一実施形態による電子ビーム装置の斜視図である。 図1の電子ビーム装置で用いることができるカソードハウジングの斜視図である。 図2のカソードハウジングの長手方向における断面図である。 図2のカソードハウジングの概略的な断面図である。

図1は、本発明の第1の実施形態による電子ビーム装置の斜視図であり、その外観のみを示している。EBDの主要構成部品は、本質的に管状である細長い本体部102である。出口窓部構成104は、細長い本体部102の内部の真空からの電子に出口を提供する。出口窓部104は、本発明に関係していないが円筒体102の内部の真空を保ちつつ電子に出口窓を提供する特徴を有する部分組立品をさらに備える。細長い本体部102の近位端は、電気接続部106とセラミック円板108とを備える組立体を具備し、セラミック円板108は組立体と細長い本体部102の内周部とを封止する。本実施形態では、セラミック円板108は、実際には、細長い本体部に溶接される円筒部材110の内周部を封止する。本発明に関係していないため、この構成は、EBDの組立、分解、再組立を単純化している。

細長い本体部102の内部には、図2に示されている構成部品のうちの1つであるカソードハウジング112が配置されている。図2を見ると、一部の詳細は図1で示した詳細と同一であり、理解を容易とするはずである。円筒部材110およびセラミック円板108ははっきりと見ることができ、当業者は、図1の組立体を形成するために、図示した構成がどのように細長い本体部102に挿入され得るかは理解できる。実際のカソードハウジング112は半円環状の外殻113を備え、その開いている側は制御格子114によって覆われている。半円環状の外殻の内部には、カソードハウジング112の近位端から遠位端へと延びる1つまたは複数のフィラメント(図3参照)が配置されている。フィラメントによって発生された電子は、出口窓104に向かって加速させることができ、これはほとんどのEBDにおいて一般的に実施される。制御格子114に電位を印加することで、電子の放出をさらに制御することができる。制御格子114、すなわち、カソードハウジング112の開いている側は、明白な理由のため、出口窓部104を向いているべきである。制御格子114は、電子が通過するためのいくつかの開口または貫通孔を備えている。

カソードハウジング112の半円環状の外殻113の自由縁116は、滑らかな膨出部または玉状部を形成するために、好ましくは、内向きに曲げられている、または、「巻かれている」。半円環状の外殻の自由縁が巻かれる代わりに、別の部品として提供された、もしくは、外殻の他の部分と一体的に形成された、中実または中空の膨出部が設けられてもよい。

カソードハウジング112の遠位端ならびに近位端は、電気接続部とともに、フィラメント120用の物理的な懸架部を備える。遠位端では、この構成が半球形状の蓋118内に収容される、または覆われている。半球形状の蓋を用いることは、効果的な方法で蓋の内部の構成部品を蓋の外部の電界から遮蔽することになり、また反対に、例えば、蓋の内部の構成部品の形状が電界に弊害をもたらすように影響することはないことを示唆している。

蓋118は、図3に示すように、断面において一部が半球を若干超えるような球形の外殻の形態を有する。本実施形態の蓋118は軸対称であり、自由端には中実の膨出部126が設けられ、膨出部126は自由縁に滑らかな外観ももたらす。膨出部126の内周縁によって定められる蓋118の開口する開口119は、カソードハウジング112の一部を内部に挿入できるように、カソードハウジング112の半円環状の外殻113に嵌まり合うように寸法が定められている。蓋118の開口は、半円環状の外殻113の曲率となるような直径を有しており、開口の下半分を効果的に塞いでいる。この関係から、蓋118の外径は、半円環状の外殻の対応する寸法よりも大きく、そのため、半円環状の外殻は、蓋118の外径より小さい直径を有する開口に挿入可能となっていることが明らかである。開口の上半分は板128によって覆うことができ、電界が蓋118に入るのを防ぎ、蓋118に対してカソードハウジング112を位置決めする。蓋118は、一体に形成された、開放された端部(自由縁と玉状部とが設けられている)と半球体とを備えるように示されてもよい。

蓋118は、いくつかの方法で、いくつかの材料から製作することができる。例は、ステンレス鋼またはニッケルから作られた蓋118を備えており、その蓋118は、旋盤で機械加工された材料の塊から成形されている。代わりに、2つのシート状の材料を深絞りして溶接でつなぎ合わせてもよい。

近位端において、カソードハウジング112は細長い本体部に懸架されている。この懸架の方法は1つの方法だけで提供されなくてもよく、図3で最もよく理解できる懸架は、以前には示されていない一選択肢である。カソードハウジングは、本明細書では詳細に説明しないいくつかの中間部品によって、円板108の中心の開口に効率よく懸架されている。近位端での電界の歪みを回避するために、以下において「近位蓋」122と称されることになる、近位端にも蓋が設けられている。近位蓋122の開放された端部における自由縁には、玉状部130が設けられ、開放された端部自体は、蓋118の対応する端部と実質的に同等である。しかしながら、蓋118は開放された端部と半球体とを備えるように示されたが、近位蓋122は、円筒体の近位端で懸架構成部に嵌め合わされるように、開放された端部と円筒形の外殻とを備える。開放された端部から離れた所で、近位蓋122は、円筒形の外殻を円筒状の円板107に接続する、直径が徐々に小さくなる接続部124を備えている。マッシュルーム状の接続部124は、電気接続部106も備えている。接続部124の設計では、鋭い角ができないように注意がはらわれている。

一般的なレベルでは、形状は、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内にありつつ、「半円環状」、「球状」、または「半球状」から異なってもよいことに留意されたい。「上半分」および「下半分」も、示された実施形態については量的な表現に近いが、量的な表現というよりも質的な表現と解釈されるべきである。

一実施形態(図示せず)では、カソードハウジングの両端が自由となっている。このような実施形態では、半球形状の蓋118は、好ましくは、カソードハウジングの両端に配置されてもよい。

さらに別の実施形態では、カソードハウジングの長手自由縁116が、カソードハウジング112の対称面に向かって内向きに曲げられており、また、制御格子114は、カソードハウジングと制御格子との間に電位差があるかどうかに応じて、電気絶縁体として機能することができる連結点115において長手自由縁に連結される。そして、制御格子114の長手自由縁117は、膨出部として曲げられている、または、それ自体の上に、具体的には、カソードハウジング112と制御格子114との間の(1つまたは複数の)連結点の上に巻かれている。これは、図4の部分断面図にある程度詳細に示されている。図4の構成は図2および図3の装置に適用可能であるため、両方の参照符号(116および117)は「同じ」構成部品を特定するのに使用されており、膨出部は、カソードハウジング112の自由縁または制御格子114の自由縁のいずれかによって提供される。膨出形状116、117は、予測可能な滑らかな電界の発生における助けとなって、EBDの性能の利益となる。

102 本体部
104 出口窓
106 電気接続部
108 セラミック円板
110 円筒部材
112 カソードハウジング
113 半円環状の外殻
114 制御格子
115 連結点
116 長手自由縁
117 長手自由縁
118 半球形状の蓋
119 開口
120 フィラメント
122 近位蓋
124 接続部
126 膨出部
128 板
130 玉状部

Claims (7)

1. 出口窓(104)を備える棒状本体部(102)と、長手方向両端が前記棒状本体部(102)の内部に配置された棒状カソードハウジング(112)と、前記カソードハウジングの内部に配置された1つまたは複数のフィラメント(120)とを備え、前記カソードハウジング(112)は、その一端から他端へと延びると共に前記出口窓の方に開放された半円環状の外殻をさらに備え、前記半円環状の外殻の開放側は、前記出口窓の方を向く1つまたは複数の開口(114)を提供する制御格子で覆われており、前記1つまたは複数の開口(114)が、前記フィラメントによって発生された電子を前記出口窓(104)へと通過させるように構成されており、前記制御格子に電位を印加することで電子の放出を制御することができる、密封された電子ビーム装置であって、
   前記カソードハウジング(112)の少なくとも前記一端は、半球形状の蓋(118)の開口(119)に挿入されており、前記カソードハウジング(112)の前記半円環状の外殻及び前記制御格子のうち少なくとも一方の長手両自由縁が、前記カソードハウジング(112)の内側を向くように湾曲されることにより、膨出部が形成されていることを特徴とする密封された電子ビーム装置。
2. 前記半球形状の蓋は半球形部と端部とを備え、前記端部は前記開口(119)を定める自由縁を備える、請求項1に記載の密封された電子ビーム装置。
3. 前記自由縁は膨出部を備える、請求項2に記載の密封された電子ビーム装置。
4. 前記開口(119)の上半分が板によって覆われる、請求項1から3のいずれか一項に記載の密封された電子ビーム装置。
5. 前記棒状本体部(102)の長手方向に垂直な断面において、前記半球形状の蓋の最大寸法が、前記棒状カソードハウジングの最大寸法より大きい、請求項1から4のいずれか一項に記載の密封された電子ビーム装置。
6. 前記カソードハウジングの前記他端に、開口を定める自由縁を備える端部と円筒部とを含む近位蓋を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の密封された電子ビーム装置。
7. 前記カソードハウジングの前記他端は、前記近位蓋の前記開口内へと延び入る、請求項6に記載の密封された電子ビーム装置。

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