SE532976C2 - 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 utföringsfonner definieras i de beroende kraven. Nedan avser termen "strålfonn" strålintensitetsproñlen (strålprofilen) i en riktning vinkelrätt mot framföringsriktningen, Kort ritningsbeskrivning F ig. 1 är en tvärsnittsvy av en anordning för elektronstrålesterilisering anordnad i en förpackning, där anordningen bestrålar förpackningen.

Fig. 2 är en schernatisk 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 utföringsform av föreliggande uppfinning.

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

Beskrivning av utföringsfornier En kort beskrivning av elektronstrålesterilisering kommer att ges nedan med hänvisning till Fig. 1. Fig. 1 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 glödtråd 10, som åstadkommer de fria elektronerna, och glödtråden är ansluten till en energikälla 12 för detta ändamål, Glödtråden är i allmänhet gjord av wolfrarn och dess huvudsakliga funktion är att när den värms 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 påföra en positiv eller negativ spänning på gallret 14 med hjälp av gallerstyrenheten 16, Eli fx? tiil H1 FT: 3 kommer de elektroner som frigjorts 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 högspäriningsfált.

Potentialskillnaden i högspänningsfältet 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. Utgångsfönstret 18 är i allmänhet en metallfolie såsom titan, med en tjocklek på 4-12 um 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 värmefälla 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 betingelserna under en produktionsprocess, varför koppar är det föredragna alternativet för den beskrivna tillämpningen, men andra alternativ är möjliga.

När elektronema 20 väl lämnat genom utgångsfcinstret 18, kommer de att ha ett optimalt arbetsavstånd (i detta fall en arbetsradie) på 5 - 50 mm, i luñ 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 ernittern i förpackningen för att åstadkomma en tillräcklig bestrålning.

Genom att förändra atmosfären i omgivningen runt emittem 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 egenskaperna 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 sterilísera förpackningar som inte har ett likformigt tvärsnitt. I 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 fëórseglas. Såsom framgår av Fig. 2 innefattar denna särskilda steriliseringsanordning tre ernittrar 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 bestrâlning.

Fig. 3 illustrerar en anordning för elektronstrålesterilisering 102 enligt en första utföringsforrn av föreliggande uppfinning. Anordningen har en konstruktion som liknar anordningen i Fig. 1, varvid huvudkomponenterna är en glödtråd 110, ett galler 1 14 och ett accelerationsutrymme som leder till ett utgångsfönster 1 18. I Fig. 3 visas också en "strålformare" 128 som kan utgöra en del av katodhöljet. Genom att påverka det elektriska fältet mellan glödtråden 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 strålformarens syfte att forma det fält som accelererar elektronerna, eller på annat sätt leda elektronerna på deras väg.

Strålfonnaren 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 faltfonnande element två ändamål: för det första utformas formen, och i syrmerhet radien, så att fáltstyrkan inte blir för stor och, för det andra, utformas formen och geometrin på de upphöjda elementen 128 så att strålprofilen blir optimal. a 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 ll4b (i det följande det inre gallret) och ett radiellt yttre galler ll4a (i det följande det yttre gallret). Gallren ll4a, ll4b är individuellt styrbara med hjälp av en spänning. Detta betyder att en variabel spänning kan påföras endera, eller båda, gallren ll4a, ll4b, för att åstadkomma en föredragen strålkonfiguration, t.ex. en föredragen strålprofil. in få! .fe u: »i en 5 Genom att styra det inre gallret ll4b och det yttre gallret ll4a är det, i den visade utföringsformen, möjligt att skapa en strålfonn med liten radie genom att förhindra att elektroner passerar genom det yttre gallret ll4a (se Fi g. 6), en ringformad strålform (en munkformad profil) genom att förhindra att elektroner passerar genom det inre gallret l l4b (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 linjerna l20. Det bör noteras att den spänning som påförs gallret l 14a, 114b inte är särskilt hög, i storleksordningen +/- l00 V. l 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 strâlformer, t.ex. har strålformen med den lilla radien en mindre tvärsnittsarea än den ringformade strålformen. 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 utföringsforrnen används rostfritt stål. Formen på gallret 114 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 l l4 har till ändamål att generera ett elektriskt fält med lämpliga egenskaper och har också det ändamålet att justera strömmen från glödtrådama 110 genom att styra den elektriska fältstyrkan på dess yta. Hålen kan vara cirkulära, ovala, slitsforrnade, hexagonala (så att det uppkommer en bikakeforrn) etc. Hål som är för stora kommer att medföra att elektronema tläktas 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 på det önskade sättet.

Fig. 7-9 illustrerar en alternativ uttöringsforrn av anordningen vari glödtråden 210 innefattar minst två individuellt styrbara delar, en radiellt inre glödtråd 2lOb och en radiellt yttre glödtråd 2l0a. F igurerna är delvyer som visar glödtrådarna 2l0a, b, .will Lai ålin* ut? a: m 6 gallret 214 och ett första område av strålvägen. Denna utföringsfonn möjliggör en styrning av strålfonnen och strålströmmen genom styrning av glödtrådarna 2lOa, 2l0b, på liknande sätt som sker med de två gallren l14a, 114b i den tidigare utföringsforrnen. Fig. 7 illustrerar hur den yttre glödtråden 2 1 Oa är aktiverad för en ringformad strålforrn, Fig. 8 hur den inre glödtråden 2lOb är aktiverad för strålforrnen med den lilla radien och Fig. 9 hur båda glödtrådarna 21 Oa, 2l0b är aktiverade för en full, cylindrisk strålform. Strålformen för elektronema illustreras av de heldragna linjema 220.

I ytterligare en annan utföringsforrn kan de två tidigare utföringsforrnerna 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 utföringsforin av uppfinningen vara utrymmeseffektiv så att en hög steriliseringskapacitet kan inrymmas på ett begränsat utrymme. Glödtrådarna kan också hållas vid en konstant optimal temperatur, med optimal emission, mellan cyklerna.

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 för 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 strålfonnen gör det möjligt att välja lämpliga strålformer för olika delar av förpackningen.

Allteftersom anordningen förs in i eller ut ur förpackningen justeras strålforrnen för att sterilisera den särskilda del av förpackningen som anordningen passerar. När anordningen Lex. 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 glödtrådama. 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. i ”I a: to in »i m 7 Övergången mellan olika strålprofiler kan genomföras mycket snabbt, varför steriliseringsanordningen kan arbeta utan att påverka flödet i produktionslinjen.

Det är också möjligt att använda alternativa utformningar för gallren och glödtrådarna, som avviker från den cirkulära symmetri som illustreras i utföringsformema. Utformningama kan lämplig varieras fór 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 utfóringsforrnen att beskrivas mera detaljerat nedan. Det givna exemplet refererar till den första utföringsfonnen.

Före steriliseringen anbringas högspänningsfáltet. En negativ spänning på ca -40 V anbringas på det yttre och det inre gallret for att förhindra att fria elektroner passerar genom gallret. En ström leds genom glödtråden för att värma den till ca 2 00O°C, varvid produktionen av fria elektroner är försumbar. Anordningen förs in i den förpackning som skall steriliseras. Ett altemativ är att hålla anordningen stationär och trä förpackningen över anordningen. Ett annat alternativ 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 innerväggama på förpackningens huvuddel. När anordningen når 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 sträle istället för en ringforrnad 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 utforrrmingen av elektronsträleanordningen, varför värdena bara utgör exempel på möjliga värden och därför inte skall anses bindande eller begränsande för uppfinningen. I en 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 hölje 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 utformningen 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, 314b anordnat mellan glödtråden 310 och ett accelerationsgaller 320, som kan vara ett galler med konstant gallerspärming eller variabel gallerspärining. Det omkopplingsbara gallret innefattar ett yttre extraktionsgaller 3 1 4a och ett inre extraktionsgaller 314b. Genom att anbringa en positiv spänning på t.ex. 30-100 V (i denna utföringsforin) 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 elektronerna 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 fáltfonnande element, exemplifierade av elementet 322, kan anordnas för att påverka fördelningen av ekvipotentiella linjer.

Funktionen för denna anordning enligt uppfinningen enligt denna tredje utföringsform antas vara självförklarande mot bakgrund av beskrivningen av de föregående utföringsforineina. 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 kupolforrn som huvudsakligen bildar en halvcirkel runt glödtråden.

I en fjärde utföringsforrn (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. Järnfört med Fig. 10 skulle detta motsvara en 1.53 i' 1 'fl ha LE! 'nl IITIi 9 situation där det ornkopplingsbara gallret 3 l 4a, b är anordnat till vänster om glödtråden 310. En fördel med denna konstruktion är att transparensen på det omkopplingsbara gallret kommer att vara oändlig, eftersom elektronema inte kommer att passera gallret ifråga utan bara påverkas av dess elektriska fält.

I ytterligare en annan utföringsforrn (ej visad) används bara ett galler. Gallret har två koncentriska sektioner som var och en täcker en glödtråd och tex. har den yttre sektionen en lägre genomsläpplighet än den inre sektionen. Följaktligen skulle båda strålarna vara på (bred stråle) om det inte fanns 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 strömkontrollfimktionerna 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. Anordníngen kan emellertid också användas för sterilisering av andra produkter såsom medicinsk utrustning.

Egenskaperna och kännetecknen för 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)

ÅF? íï* I? Ei l O Patentkrav

1. Anordning for elektronstrålesterilisering innefattande: - en elektrongenererande glödtråd, - ett galler anslutet till en spänningskälla, - en strålformare, - ett utgângsfónster, - en högspärmingskälla som kan skapa en högspänningspotential mellan den elektrongenererande glödtråden och utgångsfónstret, 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 utgångsfónstret.

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.