JP7186130B2 - 電子線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズル式の電子線照射装置に関するものである。

電子線照射装置は、電子線を照射する装置であるから、工業的に広い用途がある。特に、容器などに電子線を照射して滅菌する用途は、化学薬品を使用しないことから、化学薬品の残留を懸念することがなく、安全性が重視される先進諸国で注目を浴びている。

電子線照射装置の中でも、先端から電子線を出射するノズルを備えるものは、ペットボトルなどの小さな開口を有する容器などの内部の滅菌に適する。開口が小さくても、当該開口にノズルを先端から挿入し、当該ノズルの先端から電子線を出射することで、前記ノズルが挿入された容器などの内部を適切に滅菌できるからである。このようなノズルは内部が高真空にされて、電子線を透過させる透過窓が当該ノズルの先端に配置される（例えば、特許文献１参照）。

特許第６１３９７７１号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の電子線照射装置では、その図２に示すように、透過窓（電子線出射窓１１）の電子線を透過させる部分が、内径の小さいノズル（ガイド部１０）の内部における横断面となるので、非常に小さくなる。このような小さな透過窓を透過する電子線は、その横断面の小ささから電子密度が高くなることにより、当該透過窓を透過する際に損傷させるおそれがある。したがって、前記特許文献１の電子線照射装置では、透過窓を損傷させないためにも、電子線の出力を大きくすることができないという問題があった。

そこで、本発明は、電子線の出力を大きくし得る電子線照射装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、第１の発明に係る電子線照射装置は、内部に電子線発生器が配置された真空チャンバと、
前記電子線発生器からの電子線を真空チャンバの外部まで透過させる透過窓と、
前記透過窓からの電子線を成形して導く電子線成形部材と、
前記電子線成形部材で成形された電子線を導くノズルと、
前記電子線成形部材およびノズルの内部を、低真空または空気よりも密度の小さい気体雰囲気にする気体雰囲気調整部とを備え、
前記透過窓の電子線を透過させる部分が、前記ノズルの内部における横断面よりも大きいものである。

また、第２の発明に係る電子線照射装置は、第１の発明に係る電子線照射装置における電子線成形部材が、透過窓からの電子線を収束させる第１磁石と、第１磁石で収束されて反転により発散した電子線をコリメートする第２磁石とを有するものである。

さらに、第３の発明に係る電子線照射装置は、第１または第２の発明に係る電子線照射装置において、真空チャンバに設けられて透過窓を冷却する透過窓冷却機構を備えるものである。

加えて、第４の発明に係る電子線照射装置は、第１乃至第３のいずれかの発明に係る電子線照射装置において、透過窓を着脱自在に保持する保持具を備えるものである。

前記電子線照射装置によると、透過窓を透過する電子線の電子密度が低くなるので、電子線の出力を高くすることができる。

本発明の実施の形態に係る電子線照射装置の概略を示す縦断面図である。 同電子線照射装置が透過窓冷却機構を備える場合の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施例に係る電子線照射装置の全体を示す斜視図である。 同電子線照射装置の概略を示す縦断面図である。 同電子線照射装置の電子線案内ユニットを示す分解斜視図である。 同電子線案内ユニットの透過窓冷却ブロックを示す分解斜視図である。 同透過窓冷却ブロックの中央横断面図である。 図７のＡ－Ａ断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電子線照射装置について、図面に基づき説明する。

前記電子線照射装置は、概略的に、ノズルの先端から電子線を照射する装置である。図１に示すように、この電子線照射装置１は、内部に電子線発生器３が配置された真空チャンバ２と、前記電子線発生器３からの電子線Ｅを真空チャンバ２の外部まで透過させる透過窓４と、この透過窓４からの電子線Ｅを成形して導く電子線成形部材５とを備える。また、前記電子線照射装置１は、前記電子線成形部材５で成形された電子線Ｅを導くノズル７と、前記電子線成形部材５およびノズル７の内部を、低真空（気圧が１０^２Ｐａ以上１０^５Ｐａ未満）または空気よりも密度の小さい気体雰囲気にする気体雰囲気調整部８とをさらに備える。前記透過窓４の電子線Ｅを透過させる部分Ｄは、前記ノズル７の内部における横断面ｄよりも大きい。

前記透過窓４は、前記電子線発生器３からの電子線Ｅを真空チャンバ２の外部まで透過させるものであれば特に限定されないが、例えば、チタン箔などの金属箔である。前記透過窓４の電子線Ｅを透過させる部分Ｄが平面視円形で、且つ、前記ノズル７の内部における横断面ｄが円形の場合、前記部分Ｄは、前記横断面ｄよりも大径である。また、前記透過窓４は、当該透過窓４にノズル７の内部を電子線Ｅの逆行方向で投影した場合、投影されたノズル７の内部が透過窓４の電子線Ｅを透過させる部分Ｄに完全に包含される大きさであることが好ましい。さらに、前記透過窓４は、後述する実施例で詳細に説明するが、保持具（図１では省略する）で着脱自在に保持されることが好ましい。

前記電子線成形部材５は、前記透過窓４からの電子線Ｅを成形して導くものであれば特に限定されないが、例えば、電子線Ｅを磁力により成形するために、複数の磁石を有するものが好ましい。この場合、当該複数の磁石のうち、１つは透過窓４からの電子線Ｅを収束させる第１磁石５１であり、他の１つは収束されて反転により発散した電子線Ｅをコリメートする第２磁石５２である。ここで、コリメートとは、完全な平行状態のみを意味するのではなく、電子線Ｅを磁石で平行状態にしようとした際の実質的な誤差まで含めた意味である。なお、前記第１磁石５１および第２磁石５２は、電磁石でもよいが、永久磁石であることが好ましい。

前記気体雰囲気調整部８は、前記電子線成形部材５およびノズル７の内部を低真空にするものである場合、例えば真空ポンプである。この真空ポンプは、低真空の真空引きが可能であれば足り、中真空以上の真空引きまでは要求されない。また、前記ノズル７は、その内部における横断面ｄが前記透過窓４の電子線Ｅを透過させる部分Ｄよりも小さい（つまり細長い）ので、コンダクタンスが小さく、これにより、前記真空ポンプは排気速度の小さいものでも足りる。このため、前記真空ポンプは、故障しにくく安価なものとして、アスピレータであることが好ましい。低真空であっても真空の雰囲気であれば、電子線Ｅの散乱および吸収が極めて抑制されるので、電子線Ｅの飛距離が大きくなる。

前記気体雰囲気調整部８は、前記電子線成形部材５およびノズル７の内部を密度の小さい気体（以下、軽量ガスという）雰囲気にするものである場合、例えば電子線成形部材５に軽量ガスを供給する軽量ガス供給部である。軽量ガス雰囲気であれば、電子線Ｅの散乱および吸収が抑制されるので、電子線Ｅの飛距離が小さくなりにくい。前記軽量ガスは、ヘリウムガスであることが好ましい。ヘリウムガスは、不活性ガスとして安定しているだけでなく、同じ条件で大気よりも熱伝達係数が高いので、前述した大きな透過窓４から大きな接触面積で熱を奪うことにより、当該透過窓４を冷却するからである。

前記ノズル７は、その内部における横断面ｄが透過窓４の電子線Ｅを透過させる部分Ｄよりも小さく、前記電子線成形部材５で成形された電子線Ｅを導くものであれば特に限定されないが、例えば、前記電子線成形部材５に着脱式であることが好ましい。また、前記ノズル７は、前記気体雰囲気調整部８が軽量ガス供給部である場合、基端（電子線成形部材５側）よりも先端（電子線Ｅの出射側）が下になる配置であることが好ましい。この配置により、気体の放出口でもあるノズル７の先端が基端よりも下に位置するので、前記軽量ガス（大気よりも軽い）が電子線成形部材５およびノズル７の内部に滞留しやすくなり、その結果、前記軽量ガス供給部から供給する軽量ガスの流量を低減可能だからである。

以下、前記電子線照射装置１の作用について説明する。

図１に示すように、電子線発生器３からの電子線Ｅは、真空雰囲気である真空チャンバ２の内部から、透過窓４を透過して真空チャンバ２の外部である電子線成形部材５に導かれる。この電子線Ｅは、電子線成形部材５で成形されてノズル７に導かれる。ノズル７では、成形された電子線Ｅが基端から先端まで導かれて、当該先端から電子線Ｅが出射される。電子線成形部材５およびノズル７の内部では、低真空および／または軽量ガス雰囲気であるから、電子線Ｅの散乱および吸収が抑制される。

透過窓４は、ノズル７の内部における横断面ｄよりも大きな部分Ｄで電子線Ｅを透過させるので、従来のようなノズル７の内部に設けられたものよりも、透過させる電子線Ｅの電子密度が低くなる。

このように、前記電子線照射装置１によると、透過窓４を透過する電子線Ｅの電子密度が低くなるので、電子線Ｅの出力を高くすることができる。

ところで、図１では、透過窓４を冷却する機構について説明しなかったが、前記電子線照射装置１は、例えば図２に示すように、真空チャンバ２に設けられて透過窓４を冷却する透過窓冷却機構９を備えてもよい。

前記透過窓冷却機構９は、前記透過窓４の近傍に形成された冷媒通路９３と、この冷媒通路９３に冷媒を供給する冷媒供給部９１と、前記冷媒通路９３から冷媒を回収する冷媒回収部９５とを有する。前記透過窓４と冷媒通路９３との距離は、電子線Ｅを透過させることで温度が上昇した透過窓４を冷媒により冷却可能な程度に設計される。

このように、前記電子線照射装置１は、前記透過窓冷却機構９を備えることにより透過窓４が冷却されるので、電子線Ｅの出力を一層高くすることができる。

また、ノズルの先端に透過窓が配置された従来の電子線照射装置とは異なり、前記電子線照射装置１は、ノズル７の先端まで冷媒を供給および回収する必要が無いので、当然ながら、ノズル７の先端およびその近傍を冷媒通路としての二重管構造にする必要が無い。このため、前記電子線照射装置１は、前記ノズル７の構造を簡素にすることができる。

以下、前記実施の形態をより具体的に示した実施例に係る電子線照射装置１について、図面に基づき説明する。本実施例では、前記実施の形態とは異なる構成に着目して説明するとともに、前記実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図３に示すように、本実施例に係る電子線照射装置１は、内部が高真空（気圧が１０^－５Ｐａ以上１０^－１Ｐａ未満）またはそれより高い真空度（気圧が１０^－５Ｐａ未満）である真空雰囲気の真空チャンバ２と、この真空チャンバ２が固定される固定フランジ２１と、この固定フランジ２１に真空チャンバ２とは反対側に固定された電子線案内ユニット６０とを備える。

図４に示すように、前記真空チャンバ２は、その内部における一端側に電子線発生器３が固定治具３１により固定される。この電子線発生器３は、大量の電子を発生させる電子発生部（図示省略）と、発生した大量の電子を成形して前記真空チャンバ２の他端側に向かわせる電子線Ｅにする静電レンズ（図示省略）とを有する。ここで、本実施例に係る透過窓４の電子線Ｅを透過させる部分Ｄが従来の透過窓（ノズルの内部に設けられる）よりも大きいことから、前記静電レンズは、電子線Ｅを従来ほど収束させる必要が無い。このため、前記静電レンズは、従来ほど性能が要求されないので、従来のような２個ではなく、例えば１個であってもよい。

前記固定フランジ２１は、その内部が真空チャンバ２の内部に連通するとともにＬ字管２２を介してイオンポンプ２３に接続される。すなわち、前記固定フランジ２１は、イオンポンプ２３により真空チャンバ２の内部を高真空雰囲気にし得る構成である。

前記電子線案内ユニット６０は、図５に示すように、透過窓４が配置されるとともに当該透過窓４を冷却する透過窓冷却ブロック９０と、ノズル７が接続されてなるノズルブロック６，７とを有する。前記実施の形態での電子線成形部材５に相当するのは、前記電子線案内ユニット６０からノズル７を除く部分、すなわち、透過窓冷却ブロック９０およびノズルブロック６（ノズル７を除く）である。

前記透過窓冷却ブロック９０は、図６に示すように、透過窓４が配置される架体になるブロック本体４１と、配置された透過窓４の周囲で気密を確保するメタルシール４２と、配置された透過窓４をブロック本体４１との挟み込みにより保持する保持具４３とを有する。これらブロック本体４１、メタルシール４２、透過窓４、および、保持具４３は、ボルトによる締結で一体にされる。

前記ブロック本体４１には、図７および図８に示すように、配置された透過窓４を冷却するための冷媒が通過する冷媒通路９３が形成されている。この冷媒通路９３には、冷媒供給部９１および冷媒回収部９５がそれぞれ配管９２，９４を介して接続されている。前記透過窓冷却ブロック９０（少なくともブロック本体４１の一部）は、透過窓４を効果的に冷却するために、熱伝導率が銅以上の材質で構成されることが好ましい。図８では、矢印で冷媒供給部９１から冷媒回収部９５までの冷媒の流れを示す。前記実施の形態での透過窓冷却機構９に相当するのは、前記冷媒供給部９１、冷媒を冷媒通路９３に供給する配管９２、冷媒通路９３が形成された透過窓冷却ブロック９０のブロック本体４１、冷媒通路９３から冷媒を回収する配管９４、および、冷媒回収部９５である。

図５に示すように、前記ノズルブロック６，７は、透過窓冷却ブロック９０とボルトによる締結で一体にされる円盤部８０と、この円盤部８０から突出して設けられた円筒部５０と、この円筒部５０に接続された前記ノズル７とを有する。図４に示すように、前記円盤部８０には、気体雰囲気調整部８に接続されて気体を通過させる気体通路８１が形成されている。この気体通路８１は、円盤部８０の内部における電子線Ｅを導く空間に連通している。前記円筒部５０には、電子線Ｅを円盤部８０からノズル７まで導く空間が形成されている。このノズル７は、前記円筒部５０に接続された基端が鉛直上方、電子線Ｅを出射する先端が鉛直下方になるように配置される。なお、前記気体雰囲気調整部８は、軽量ガス（ヘリウムガス）供給部であり、前記ノズルブロック６，７の内部における電子線Ｅを導く空間にヘリウムガスを供給するものである。

前記ノズルブロック６（ノズル７を除く）には、前記円盤部８０の内部における電子線Ｅを導く空間の外周囲に第１磁石５１が配置され、前記円筒部５０の内部における電子線Ｅを導く空間の外周囲に第２磁石５２が配置される。

以下、前記電子線照射装置１の作用について説明する。

まず、図４に示すように、イオンポンプ２３により固定フランジ２１の内部を介して真空チャンバ２の内部が高真空雰囲気にされる。一方で、前記気体雰囲気調整部８は、ノズルブロック６，７の内部における電子線Ｅを導く空間にヘリウムガスを供給する。ノズルブロック６，７の内部では、ヘリウムガスが供給されることで、既存の気体がノズル７の下端である先端から放出されて、上方置換によりヘリウムガスで満たされる。

その後、電子線発生器３から電子線Ｅを発生させる。この電子線Ｅは、高真空雰囲気である真空チャンバ２および固定フランジ２１の内部を介して、透過窓冷却ブロック９０に配置された透過窓４を透過する。透過窓４を透過した電子線Ｅは、円盤部８０および円筒部５０の内部で、第１磁石５１および第２磁石５２により成形されてノズル７に導かれる。この成形は、透過窓４からの電子線Ｅの第１磁石５１による収束と、この収束の後に反転して発散した電子線Ｅの第２磁石５２によるコリメートとである。ノズル７では、コリメートされた電子線Ｅが基端から先端まで導かれて、当該先端から電子線Ｅが出射される。電子線案内ユニット６０の内部では、ヘリウムガス雰囲気であるから、電子線Ｅの散乱および吸収が抑制される。

透過窓４は、ノズル７の内部における横断面ｄよりも大きな部分Ｄで電子線Ｅを透過させるので、従来のようなノズル７の内部に設けられたものよりも、透過させる電子線Ｅの電子密度が低くなる。

このように、本実施例に係る電子線照射装置１によると、透過窓４を透過する電子線Ｅの電子密度が低くなるので、電子線Ｅの出力を高くすることができる。

また、第１磁石５１および第２磁石５２により電子線Ｅがコリメートされてからノズル７に導かれるので、電子線Ｅがノズル７に遮られにくくなることにより、電子線Ｅの出力を一層高くすることができる。

さらに、透過窓冷却機構９およびヘリウムガスにより透過窓４が冷却されるので、電子線Ｅの出力を一層高くすることができる。

加えて、図６に示すように、透過窓４を保持する保持具４３が着脱自在であることにより、透過窓４のみの取替えが可能になるので、透過窓４が劣化または破損した際の補修費用を低減することができる。

ところで、前記実施の形態および実施例では、透過窓冷却機構９として、冷媒の供給および回収により透過窓４を冷却する機構について説明したが、これに限定されるものではなく、真空チャンバ２に設けられて透過窓４を冷却するものであればよい。

また、前記実施の形態および実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。前記実施の形態および実施例で説明した構成のうち「課題を解決するための手段」での第１の発明として記載した構成以外については、任意の構成であり、適宜削除および変更することが可能である。

Ｅ 電子線
Ｄ 透過窓の電子線を透過させる部分
ｄ ノズルの内部における横断面
１ 電子線照射装置
２ 真空チャンバ
３ 電子線発生器
４ 透過窓
５ 電子線成形部材
７ ノズル
８ 気体雰囲気調整部
９ 透過窓冷却機構
４１ ブロック本体
４３ 保持具
５０ 円筒部
５１ 第１磁石
５２ 第２磁石
６０ 電子線案内ユニット
８０ 円盤部
８１ 気体通路
９０ 透過窓冷却ブロック
９１ 冷媒供給部
９３ 冷媒通路
９５ 冷媒回収部

Claims (4)

1. 内部に電子線発生器が配置された真空チャンバと、
   前記電子線発生器からの電子線を真空チャンバの外部まで透過させる透過窓と、
   前記透過窓からの電子線を成形して導く電子線成形部材と、
   前記電子線成形部材で成形された電子線を導くノズルと、
   前記電子線成形部材およびノズルの内部を、低真空または空気よりも密度の小さい気体雰囲気にする気体雰囲気調整部とを備え、
   前記透過窓の電子線を透過させる部分が、前記ノズルの内部における横断面よりも大きいことを特徴とする電子線照射装置。
2. 電子線成形部材が、透過窓からの電子線を収束させる第１磁石と、第１磁石で収束されて反転により発散した電子線をコリメートする第２磁石とを有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。
3. 真空チャンバに設けられて透過窓を冷却する透過窓冷却機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電子線照射装置。
4. 透過窓を着脱自在に保持する保持具を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子線照射装置。

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