SE0802101A1 - Omkopplingsbar anordning för elektronstrålesterilisering - Google Patents

Description

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att eliminera eller minska ovanstående problem genom att erbjuda en förbättrad anordning för elektronstrålesterilisering enligt de oberoende kraven. Föredragna utföringsformer definieras i de beroende kraven. Nedan avser termen "strålforrn" strålintensitetsprofilen (strålprofilen) i en riktning vinkelrätt mot framtöringsriktningen.

Kort ritningsbeskrivning Fig. 1 är en tvärsnittsvy av en anordning för elektronstrålesterilisering anordnad i en förpackning, där anordningen bestrålar förpackningen.

Fig. 2 är en schematisk vy av en steriliseringsanordning av föreliggande sökande.

Fig. 3 är en schematisk tvärsnittsvy av en steriliseringsanordning enligt en första utföringsforrn av föreliggande uppfinning.

Fig. 4-6 är delvyer av Fig. 3 som visar olika arbetssätt.

Fig. 7-9 är delvyer liknande dem i Fig. 4-6 och visar olika arbetssätt för en steriliseringsanordning enligt en andra utföringsforin av föreliggande uppfinning.

Fig. 10 är en delvy liknande dem i Fig. 7-9 av en steriliseringsanordning enligt en tredje utföringsforrn av föreliggande uppfinning.

Beskrivning av utföringsformer En kort beskrivning av elektronstrålesterilisering kommer att ges nedan med hänvisning till Fig. l. Fig. l visar en anordning 2 för elektronstrålesterilisering, eller emitter, anordnad i en förpackning 4. Den arbetar i princip som en elektronkanon och innefattar i allmänhet en elektronstrålegenerator 6, som är kopplad till en högspänningskälla 8. Generatorn 6 har en glödträd 10, som åstadkommer de fria elektronerna, och glödtråden är ansluten till en energikälla 12 för detta ändamål. Glödtråden är i allmänhet gjord av wolfram och dess huvudsakliga funktion är att när den värrns upp till en förhöjd temperatur, såsom i storleksordningen 2 000°C, emittera ett moln av elektroner e'.

Det finns ett galler 14 intill glödtråden 10 och genom att påföra eller inte päföra en positiv eller negativ spänning på gallret 14 med hjälp av gallerstyrenheten 16, 3 kommer de elektroner som fiigjorts vid glödtråden 10 att komma ut genom gallret 14, eller inte. De nämnda komponenterna är belägna i en vakuumkammare 15.

Vid utgångsänden på anordningen 2 är ett utgångsfönster 18 anordnat och på deras väg till utgångsfönstret accelereras elektronerna i ett högspärmingsfált.

Potentialskillnaden i högspänningsfáltet är i allmänhet under 300 kV och för ändamålen enligt uppfinningen kommer den att vara i storleksordningen 70-120 kV, vilket ger upphov till en kinetisk energi på 70-120 keV för varje elektron i elektronstrålen 20, innan de passerar utgångsfönstret 18. Utgängsfönstret 18 är i allmänhet en metallfolie såsom titan, med en tjocklek på 4-12 pm som stöds av ett stödnät (ej visat) gjort av aluminium eller koppar eller något annat lämpligt material. Stödnätet förhindrar att folien kollapsar som en följd av vakuumet inuti anordningen. Dessutom tjänstgör stödnätet som en värmefálla eller ett kylelement, på så sätt att det transporterar bort värme från folien, i allmänhet genom att det ansluts till en kylvätska såsom ett kylvätskesystem. Aluminium har en tendens att brytas ner när det utsätts för betingelsema under en produktionsprocess, varför koppar är det föredragna alternativet för den beskrivna tillämpningen, men andra alternativ är möjliga.

När elektronerna 20 väl lämnat genom utgångstönstret 18, kommer de att ha ett optimalt arbetsavstånd (i detta fall en arbetsradie) på 5 - 50 mm, i luft vid normalt tryck och temperatur och rör sig med en Brownsk rörelse inom det nämnda energiområdet. Några specifika exempel innefattar 5 mm för en spänning på 76 kV och 17 mm för en spänning på 80-82 kV, med ett steriliseringsdjup på ca 10 um i polyetylen. Detta betyder att när man skall sterilisera en förpackning måste man sänka ner ernittem i förpackningen för att åstadkomma en tillräcklig bestrålning.

Genom att förändra atmosfären i omgivningen runt emittern kan arbetsavståndet förändras. Att minska trycket med 50 % kommer i princip att fördubbla arbetsavståndet och att byta ut gasen i atmosfären från luft till kväve eller helium kommer också att påverka arbetsavståndet på ett förutsägbart sätt.

I ovanstående och nedanstående beskrivning delar liknande komponenter samma sista två siffror i referensnumren och om egenskapema är liknande kommer dessa inte att upprepas.

Fig. 2 illustrerar en lösning beskriven i en patentansökan av föreliggande sökande.

Det fundamentala problemet liknar det som är fallet för föreliggande ansökan, problemet med att sterilisera förpackningar som inte har ett likformigt tvärsnitt. I 4 anordningen i Fig. 2 är de förpackningar som skall steriliseras så kallade fyllningsklara (eng. ready to fill (RTF)) förpackningar. RTF -förpackningar är i allmänhet steriliserade efter det att skulderpartiet 32, innefattande locket 34 (eller öppningsanordningen) har förbundits med huvuddelen 36. Efter steriliseringen fylls förpackningama 30 genom botten (som vetter uppåt), varefter botten förseglas. Såsom framgår av Fig. 2 innefattar denna särskilda steriliseringsanordning tre emittrar 38, 40, 42. Varje emitter är utformad för att bestråla en särskild del av förpackningen 30. Den 38 till vänster bestrålar huvuddelen 36, den 40 i mitten skulderpartiet 32 och den 42 till höger öppningsanordningen 34. På detta sätt kommer förpackningen 30 att bli exponerad för en tillräcklig stråldos, samtidigt som ingen yta kommer att bli exponerad för alltför mycket bestrålning.

Fig. 3 illustrerar en anordning för elektronstrålesterilisering 102 enligt en första utföringsforin av föreliggande uppfinning. Anordningen har en konstruktion som liknar anordningen i Fig. 1, varvid huvudkomponentema är en glödtråd 110, ett galler 114 och ett accelerationsutrymme som leder till ett utgångsfönster 118. I Fi g. 3 visas också en "strålforrnare" 128 som kan utgöra en del av katodhölj et. Genom att påverka det elektriska fältet mellan glödträden och fönstret med strålformaren 128, kan elektronstrålen kollimateras (eller fokuseras/defokuseras) på lämpligt sätt.

Funktionen för strålformaren 128 är välkänd gammal teknik och flera olika varianter är möjliga. Sammanfattningsvis är strälformarens syfte att forma det fält som accelererar elektronema, eller på annat sätt leda elektronema på deras väg.

Strålformaren kan innehålla flera komponenter anordnade före och utefter elektronernas väg, vilket är orsaken till att samma referensnummer har givits flera komponenter. I princip har katodhöljet och dess fältfonnande element två ändamål: för det första utformas formen, och i syrmerhet radien, så att faltstyrkan inte blir för stor och, för det andra, utformas forrnen och geometrin på de upphöjda elementen 128 så att strålprofilen blir optimal.

Den huvudsakliga skillnaden mellan anordningen enligt Fig. 3 och en anordning enligt känd teknik är att gallret 114 innefattar minst två operationella delar. I den visade utföringsformen finns det ett radiellt inre galler 114b (i det följ ande det inre gallret) och ett radiellt yttre galler 114a (i det följ ande det yttre gallret). Gallren 1l4a, 114b är individuellt styrbara med hjälp av en spänning. Detta betyder att en variabel spänning kan påföras endera, eller båda, gallren 1l4a, 114b, för att åstadkomma en föredragen strålkonfiguration, t.ex. en föredragen strålprofil. 5 Genom att styra det inre gallret ll4b och det yttre gallret 114a är det, i den visade utföringsformen, möjligt att skapa en strålforrn med liten radie genom att förhindra att elektroner passerar genom det yttre gallret ll4a (se Fi g. 6), en ringforrnad strålfoim (en munkforrnad profil) genom att förhindra att elektroner passerar genom det inre gallret ll4b (se Fig. 5), eller en cylindrisk strålform (huvudsakligen homogen), genom att tillåta passage genom båda gallren (se Fi g. 4). Strålvägama för elektronema visas med de heldragna linj ema 120. Det bör noteras att den spärming som påförs gallret 114a, l 14b inte är särskilt hög, i storleksordningen +/- 100 V. I den visade utföringsforrnen används en spänning på -30 till -40 V för att effektivt blockera passagen av elektroner. Detta betyder att en omkoppling mellan olika lägen på strålformen kan ske snabbt, i princip lika snabbt som spänningen kan förändras, vilket gör anordningen mycket mångsidig.

Det bör noteras att om man önskar uppnå en specifik steriliseringsgrad, så kan det krävas att man ändrar trådströmmen för att uppnå en tillfredsställande strålström (eller anodström) allteftersom elektronstråleanordningen övergår mellan olika drittslägen. Ett uppenbart skäl för detta är att arean på den emitterade strålprofilen kan variera mellan olika strålformer, t.ex. har strålfomien med den lilla radien en mindre tvärsnittsarea än den ringfonnade strålforrnen. Ett praktiskt exempel för en elektronstråleanordning är en anodström på 0,3 mA för den radiellt inre strålen och en anodström på 4 mA för den radiellt yttre strålen.

Gallret 114 är gjort av vilket lämpligt elektriskt ledande och bearbetningsbart material som helst, i allmänhet en metall. I den visade utföringsformen används rostfiitt stål. Formen på gallret l 14 anpassas till den önskade formen på den erhållna strålen och i allmänhet är gallret en metallplatta försedd med hål, eller ett metalltrådsnät genom vilken elektronema kan passera. Den fasta delen av gallret 114 har till ändamål att generera ett elektriskt fält med lämpliga egenskaper och har också det ändamålet att justera strömmen från glödtrådama l 10 genom att styra den elektriska fältstyrkan på dess yta. Hålen kan vara cirkulära, ovala, slitsformade, hexagonala (så att det uppkommer en bikakeform) etc. Hål som är för stora kommer att medföra att elektronema fläktas ut och följaktligen missar utgångsfönstret eller förstör fördelningen. Om hålen är för små kommer inte högspärmingsfältet att "nå in" genom hålen för att samla upp elektronema pä det önskade sättet.

Fig. 7-9 illustrerar en alternativ utföringsforrn av anordningen vari glödtråden 210 innefattar minst två individuellt styrbara delar, en radiellt inre glödtråd 2lOb och en radiellt yttre glödtråd 210a. Figurerna är delvyer som visar glödtrådama 2l0a, b, 6 gallret 214 och ett första område av strålvägen. Denna utföringsform möjliggör en styrning av strålformen och strålströmmen genom styrning av glödtrådama 210a, 210b, på liknande sätt som sker med de två gallren 114a, 114bi den tidigare utföringsformen. Fig. 7 illustrerar hur den yttre glödtråden 210a är aktiverad för en ringformad strålform, Fig. 8 hur den inre glödtråden 210b år aktiverad för strålforrnen med den lilla radien och Fig. 9 hur båda glödtrådama 21 Oa, 210b är aktiverade för en full, cylindrisk strålform. Strålforrnen för elektronerna illustreras av de heldragna linj erna 220.

I ytterligare en annan utföringsform kan de två tidigare utföringsformerna kombineras så att anordningen innefattar två eller flera galler och två eller flera glödtrådar för att åstadkomma en ännu bättre styrbarhet. På så sätt kan en anordning utformad enligt en utföringsform av uppfinningen vara utrymmeseffektiv så att en hög steriliseringskapacitet kan inrymmas på ett begränsat utrymme. Glödtrådama kan också hållas vid en konstant optimal temperatur, med optimal emission, mellan cyklema.

Det bör återigen påpekas att uppfinningen inte är begränsad till två glödtrådar och/eller galler. Antalet individuellt operationella glödtrådar och/eller galler kan varieras inom anordningens fysiska begränsningar fór att uppnå adekvata egenskaper för den erhållna elektronstrålen. Ett särskilt exempel är att en gradvis skiftning från yttre galler/ glödtrådar till inre galler/glödtrådar skulle kunna ge upphov till en mer homogen bestrålning av en sluttande innervägg i en förpackning, såsom i ett skulderparti. Ju större den sluttande väggen är, desto större antal galler/ glödtrådar.

Vid användning kommer dessa utföringsformer att användas för samma ändamål och i princip på samma sätt. Möjligheten att snabbt variera strålforrnen gör det möjligt att välja lämpliga strålforrner för olika delar av förpackningen.

Allteflersom anordningen förs in i eller ut ur förpackningen justeras strålforrnen för att sterilisera den särskilda del av förpackningen som anordningen passerar. När anordningen t.ex. passerar huvuddelen hos förpackningen kan en ringformad strålform användas genom aktivering av det yttre gallret och/eller den yttre glödtråden. När anordningen når skulderpartiet kopplas strålforrnen om till en homogen profil genom aktivering av båda gallren och/eller glödtrådarna. För sterilisering av halsen och öppningsanordningen används det inre gallret och/eller den inre glödtråden. På detta sätt kan man uppnå en adekvat sterilisering i alla positioner utan någon överexponering. 7 Övergången mellan olika strålprofiler kan genomföras mycket snabbt, varför steriliseringsanordningen kan arbeta utan att påverka flödet i produktionslinj en.

Det är också möjligt att använda alternativa utforrnningar för gallren och glödtrådama, som avviker från den cirkulära symmetri som illustreras i utföringsfonnerna. Utforrrmingama kan lärnplig varieras för att överensstämma med den önskade strålforrnen och sålunda variera med formen på den förpackning som skall steriliseras. Även om den tekniska funktionen för anordningar för elektronstrålesterilisering i princip kan anses vara känd, kommer funktionen för en anordning enligt den första utföringsfonnen att beskrivas mera detaljerat nedan. Det givna exemplet refererar till den första utföringsformen.

Före steriliseiingen anbringas högspänningsfältet. En negativ spänning på ca -40 V anbringas på det yttre och det inre gallret för att förhindra att fria elektroner passerar genom gallret. En ström leds genom glödtråden för att värma den till ca 2 OOO°C, varvid produktionen av fria elektroner är försumbar. Anordningen förs in i den förpackning som skall steriliseras. Ett alternativ är att hålla anordningen stationär och trä förpackningen över anordningen. Ett annat altemativ är att förflytta både anordningen och förpackningen.

När anordningen förs in i förpackningen, sätts det yttre gallrets potential till ett högre värde (vilket fortfarande kan vara, och i allmänhet är, O V eller lägre), vilket möjliggör för en ringformad elektronstråle att emitteras från utgångsfönstret och på så sätt sterilisera innerväggarna på förpackningens huvuddel. När anordningen när skulderpartiet på förpackningen, sätts det inre gallrets potential till ett högre värde (vilket, såsom nämnts tidigare, fortfarande kan vara negativt) och det yttre gallrets potential sätts tillbaka till det lägre värdet -40 V, vilket ger en stråle med liten radie för sterilisering av lockdelen. Det bör noteras att det kan finnas en överlappning så att båda gallren eventuellt har en högre potential under en viss tidsperiod för att sterilisera den avsmalnande skulderpartiet av flaskan. Båda gallren kan ha den högre potentialen under införingen av anordningen, vilket ger upphov till en full cylindrisk stråle istället för en ringformad stråle. När anordningen dras ut, reverseras ovanstående process. I en alternativ steriliseringsprocess är anordningen bara aktiv under antingen införingen eller utdragningen. Det bör noteras att de värden som anges är starkt beroende på utformningen av elektronstråleanordningen, varför värdena bara utgör exempel på möjliga värden och därför inte skall anses bindande eller begränsande för uppfinningen. I en 8 utformning av elektronstråleanordningen är motsvarande värden för den lägre och den högre potentialen -150 V resp. -80 V.

Vid användning kommer anordningen enligt uppfinningen att vara anordnad i en bestrålningskammare, d.v.s. ett hölj e som skyddar omgivningen från bestrålning.

De förpackningar som skall steriliseras förs in i bestrålningskammaren på ett sådant sätt att ett läckage av strålning förhindras i enlighet med praxis vid utformning av strålningsutrustningar. Detta kan uppnås med hjälp av en sluss, den inre utfonnningen av bestrålningskammaren och funktionen däri, eller genom att bara tillåta att förpackningar kommer in när anordningen inuti bestrålningskammaren inte emitterar elektroner.

En tredje utföringsform av anordningen enligt uppfinningen beskrivs nu med hänvisning till Fig. 10. I denna utföringsform är det omkopplingsbara gallret 314a, 3 l4b anordnat mellan glödtråden 310 och ett accelerationsgaller 320, som kan vara ett galler med konstant gallerspärming eller variabel gallerspänning. Det omkopplingsbara gallret innefattar ett yttre extraktionsgaller 314a och ett inre extraktionsgaller 3 l4b. Genom att anbringa en positiv spänning på t.ex. 30-100 V (i denna utföringsfonn) på något av dessa, eller båda, i förhållande till glödtråden, kommer sådana elektroner som emitterats från glödtråden 310 att attraheras till den delen av det omkopplingsbara gallret, medan delar satta till ett vanligt värde inte kommer att attrahera några elektroner. Ändamålet med ett extraktionsgaller är att fördela de emitterade elektronema i ett specifikt utrymme. När väl elektronema har passerat extraktionsgallret kommer de att utsättas för det elektriska fältet från accelerationsgallret 320, vilket medför att de accelereras i rät vinkel mot accelerationsgallret 320. Ett eller flera fältformande element, exemplifierade av elementet 322, kan anordnas för att påverka fördelningen av ekvipotentiella linjer.

Funktionen för denna anordning enligt uppfinningen enligt denna tredje utföringsforrn antas vara självförklarande mot bakgrund av beskrivningen av de föregående utföringsformema. Genom att variera den elektriska potentialen för glödtrådens galler är det möjligt att styra elektronemissionen. Det bör noteras att för detta ändamål kan gallret till glödtråden bestå av fler än två individuellt styrda sektioner. Formen på det omkopplingsbara gallret kan också skilja sig från vad som har beskrivits. Till exempel kan det omkopplingsbara gallret ha en kupolfonn som huvudsakligen bildar en halvcirkel runt glödtråden.

I en fjärde utföringsfonn (ej visad) är gallret till glödtråden anordnat på den bortre sidan av glödtråden, så att det omkopplingsbara gallret skjuter bort, snarare än drar, elektronema mot accelerationsgallret. Jämfört med Fig. 10 skulle detta motsvara en 9 situation där det omkopplingsbara gallret 314a, b är anordnat till vänster om glödtråden 310. En fördel med denna konstruktion år att transparensen på det ornkopplingsbara gallret kommer att vara oändlig, eftersom elektronema inte kommer att passera gallret ifråga utan bara påverkas av dess elektriska fält.

I ytterligare en annan utföringsform (ej visad) används bara ett galler. Gallret har två koncentriska sektioner som var och en täcker en glödtråd och t.ex. har den yttre sektionen en lägre genomsläpplighet än den inre sektionen. Följaktligen skulle båda strålarna vara på (bred stråle) om det inte farms någon gallerspänning. Med ökande negativ gallerspänning skulle den yttre strålen blockeras först, medan den inre fortfarande skulle vara aktiv (smal stråle). Senare skulle också den inre strålen blockeras (stråle off). Med ett sådant arrangemang skulle omkopplings- och strömkontrollfunktionerna utföras med endast en enhet för styrning av energitillförseln till gallret.

Typen av förpackning kan väljas valfritt, men anordningen är särskilt lämplig för sterilisering av förpackningar med en produktkontaktyta (inre yta) innehållande en polymer. En RTF-förpackning innefattar i allmänhet en huvuddel gjord av en papperslaminathylsa försedd med en plasttopp. Anordningen kan emellertid också användas för sterilisering av andra produkter såsom medicinsk utrustning.

Egenskapema och kännetecknen fór steriliseringsanordningen enligt uppfinningen gör den mycket anpassningsbar, varför skräddarsydda lösningar för förpackningar med olika former förenklas så att varje yta av förpackningen kan bli föremål för en lämplig stråldos.

Claims (8)

lO Patentkrav

1. l. Anordning för elektronstrålesterilisering innefattande: en elektrongenererande glödtråd, ett galler anslutet till en spänningskälla, - en strålforrnare, - ett utgångsfönster, - en högspänningskälla som kan skapa en högspänningspotential mellan den elektrongenererande glödtråden och utgångsfönstret, för accelerering av elektroner, k ä n n e t e c k n a d av att den elektrongenererande glödtråden och/eller gallerelektroden innefattar minst två individuellt operationella delar för förändring av strömmen och/eller profilen på en utgående elektronstråle.

2. Steriliseringsanordning enligt krav 1, varvid glödtråden och/eller gallret innehåller två operationella delar: en radiellt inre del och en radiellt yttre del.

3. Steriliseringsanordning enligt något av de föregående kraven, varvid den perifera formen på glödtråden och/eller gallret är huvudsakligen cirkulär; racerbaneforrnad; kvadratisk eller rektangulär, med eller utan rundade höm.

4. Steriliseringsanordning enligt något av de föregående kraven, varvid gallret som innefattar två operationella delar är anordnat mellan glödtråden och ytterligare ett accelerationsgaller.

5. Steriliseringsanordning enligt något av kraven 1-3, varvid glödtråden är anordnad mellan det galler som innefattar två operationella delar och utgångsfónstret.

6. Steriliseringsanordning enligt krav 5, som dessutom innehåller ett accelerationsgaller mellan glödtråden och utgångsfönstret.

7. Steriliseringsanordning enligt något av de föregående kraven, varvid anordningen är utformad för att sterilisera en förpackning.

8. Steriliseringsanordning enligt krav 5, varvid förpackningen har en produktkontaktyta innehållande en polymer.