WO2023237271A1 - Ringförmige vorrichtung zum erzeugen von beschleunigten elektronen - Google Patents

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WO2023237271A1
WO2023237271A1 PCT/EP2023/062031 EP2023062031W WO2023237271A1 WO 2023237271 A1 WO2023237271 A1 WO 2023237271A1 EP 2023062031 W EP2023062031 W EP 2023062031W WO 2023237271 A1 WO2023237271 A1 WO 2023237271A1
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annular
ring
cathode
electron
exit window
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PCT/EP2023/062031
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French (fr)
Inventor
Gösta MATTAUSCH
Jörg KUBUSCH
Burkhard Zimmermann
Ralf Blüthner
Lars Dincklage
Severin Dominok
Henrik Flaske
Ludwig Lorenz
Björn MEYER
Michiel Top
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits
    • H05H2007/081—Sources
    • H05H2007/084—Electron sources

Definitions

  • the disadvantage is that the intensity of the irradiation by the backscattered electrons is significantly lower than the intensity of the irradiation by the electrons emerging directly from the beam exit window, which leads to uneven irradiation of the individual particles.
  • Another disadvantage is that the gas velocity required to carry the particles increases sharply as the ratio of mass to the surface of the transported particles increases. This means that for larger-grain bulk materials - such as. B. wheat or corn - very high gas flow rates are required. At these high speeds, the energy doses that can be transferred in the electron field would be limited to very small values that are far too low for numerous applications become.
  • Another disadvantage of this known solution is that, after exiting the electron accelerator, the electrons must also penetrate the aluminum foil closing the rectangular channel before they hit the particles to be treated. As a result, the electrons suffer an additional, undesirable loss of energy.
  • DE 10 2013 1 1 1 650 B3 and DE 10 2013 1 13 688 B3 disclose devices in which an electron beam source is designed in a ring shape such that electrons emitted and accelerated by a ring-shaped cathode emerge from an electron exit window in the direction of the ring axis.
  • the ring-shaped electron beam generator is arranged so that its ring axis is aligned as vertically as possible.
  • One advantage of such an annular device is that it is designed to be more compact than devices consisting of two planar beam sources.
  • a special feature of the annular electron beam generator described in DE 10 2013 1 1 1 650 B3 is that the beam electrons are not thermally emitted by heating the cathode ("hot cathode”), but are knocked out of it by ion impact ("cold cathode”).
  • the ions required for this are generated by gas discharges in a likewise annular plasma space arranged between the annular cold cathode and the annular electron exit. For reasons of high-voltage insulation, these must burn at particularly low pressures, which requires special discharge arrangements.
  • the described segmentation of the plasma space has a disadvantage because the walls have the same electrical voltage potential as the cathodes of the gas discharge (which is understandable and explicitly described in the exemplary embodiment as identical to that of the housing and the electron exit window, i.e. the ground potential).
  • the cathode fall of the discharge and a lower plasma density are formed in their vicinity, so that a lower ion current density can be extracted there than from the center of the ring segments and accelerated towards the cold cathode, and therefore it is also impossible to have a uniform electron current density and irradiation intensity throughout Provide ring circumference.
  • Electron beam generators with cold cathodes have numerous advantages, which are set out in the documents cited above, but prove to be not unproblematic in practical use, especially in continuous operation, from the point of view of operational stability.
  • dielectric strength serves as a measure of the dielectric strength of electron sources usually the frequency of high-voltage flashovers to be determined. These not only interrupt beam generation, but also wear out the source's internals and put a strain on the semiconductor electronics of the control and supply devices. The flashover rate must therefore be reduced to a tolerable level through time-consuming conditioning routines before the actual jet operation begins. What complicates this is the high parasitic capacitance of the necessarily large-area cold cathodes, which in the event of a flashover can lead to HF oscillations and the resulting AC load and destructive overvoltages in the assembly system (high-voltage cables, plugs and bushings).
  • the initial conditioning in jet operation is not permanently effective.
  • the flashover rate then increases again, largely fueled by another mechanism: the deposition of insulating deposits at the critical cathode-insulator transition ("triple point").
  • These insulating edge layers next to the active emission zone are created by the ion impact in the middle of the cold cathode, Sputtering of aluminum atoms as well as their backscattering and oxidation (by oxygen in the residual gas and adsorbed water films) to aluminum (hydr)oxide.
  • Charge carriers can accumulate on it and create voltage differences along the surface, which are equalized from time to time by sliding sparks.
  • the dose applied to the material to be treated is determined not only by the energy of the electrons (which can be easily controlled using the acceleration voltage) but also by their current density (which is subject to a certain degree of uncertainty). This uncertainty arises from the fact that the emission current density of the secondary electrons triggered by ion bombardment of the cold cathode depends heavily on the chemical and morphological properties of the cathode surface. Depending on whether it is bare metal or covered with a thin oxide skin, fewer or more secondary electrons are released per projectile ion. The ratio of the two species is called Townsend's secondary electron coefficient and is usually abbreviated as "y" in the specialist literature.
  • the efficiency of beam generation depends on y - i.e. how much electron current (out of the cathode) is created by how much cathode current (supplied into the cathode by the high-voltage device). This ratio (and thus ultimately the beam current) is difficult to determine by measurement technology, since the cathode current (which can be easily measured in a high-voltage device) not only compensates for the amount of charge of the emitted negative electrons, but also, indistinguishably, for the amount of charge of the absorbed positive ions.
  • the beam current depends monotonically on the cathode current, but its exact value is unknown if the coefficient y is not known and
  • the invention is therefore based on the technical problem of creating a device for generating accelerated electrons by means of which the disadvantages of the prior art can be overcome.
  • the device according to the invention is intended to further develop ring-shaped electron beam sources in such a way that cold cathode sources also remain operationally stable over the long term, the material to be treated (bulk particles, strands or fluids) while passing an electron exit window with a well-defined location in time and over its entire circumference (homogeneous depending on the material to be treated and technological requirements). or angle-dependently adjustable) electron dose is applied, dirt particles are kept away from the electron exit window and the effort for cooling the system is reduced and a high throughput of material to be treated is still permitted.
  • a device comprises an electron beam generator which is annular and in which the electrons emitted and accelerated by an annular cathode emerge from an annular electron exit window in the direction of the ring axis.
  • the electron exit window is therefore at least part of the annular inner wall of the annular electron beam generator and has the shape of a hollow cylinder.
  • annular in the sense of the invention is not only limited to a ring in a circular shape for all of the annular devices, components and hollow cylinders described below, but that the term “annular” in the sense of the invention only refers to a loop-shaped one refers to a self-contained object, the loop-shaped self-contained object completely enclosing a volume in its cross section and objects to be treated with accelerated electrons being able to be passed through this volume inside the ring.
  • the cross section of the volume which is completely enclosed by a ring or a hollow cylinder, is circular in a preferred embodiment of the invention, but can also have any other geometric shape in the broadest sense of the invention.
  • the housing is further designed as a first cathode and the first anode comprises a number of wire-shaped electrodes which extend completely or partially through the annular evacuable space.
  • a device according to the invention further comprises a second reservoir in which a hydrocarbon-containing compound is contained, which can be admitted into the annular evacuable space through the at least one first inlet.
  • the ring axis of the annular housing is aligned perpendicularly or at an angle of up to 10° deviating from the vertical, so that, for example, bulk material to be treated with accelerated electrons is passed from top to bottom through the ring opening of the annular housing can fall through.
  • a protective grid can be arranged within the ring opening, which mechanically protects the electron exit window from the falling bulk material particles.
  • the device according to the invention has a first device with which a bottom-up flow of a gaseous medium (such as air) can be formed within the ring opening (i.e. within the volume which is enclosed by the electron exit window), which counteracts the free fall of the bulk material particles and slows down the bulk material particles in their fall.
  • a gaseous medium such as air
  • the average residence time of the bulk material particles in front of the electron exit window can be increased and, as a result, an electron beam generator with lower power can be used in order to achieve the same irradiation result as with electron beam generators from the prior art, in which bulk material particles are guided past an electron exit window in free fall.
  • Such an upward flow of a gaseous medium can be formed, for example, when the gaseous medium is blown into the space between the electron exit window and the protective grid from below by means of the first device.
  • Fig. 1 is a schematic and perspective sectional view of an annular device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of the annular device from Fig. 1 as a top view
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a first alternative device according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of a second alternative device according to the invention.
  • Fig. 6 is a schematic exploded view of a rotationally symmetrical element from Fig. 5.
  • Fig. 1 and Fig. 2 one and the same annular device 100 according to the invention are shown schematically, the device 100 being shown in Fig. 1 as a perspective cross-sectional view and in Fig. 2 as a top view.
  • the terms “ring cylinder” and “ring disk” are defined at this point in relation to an annular object. Subtracting the inner radius of a circular ring from its outer radius results in a measurement. If this dimension is smaller than the extent of the ring in the direction of its ring axis, the ring is designed as a ring cylinder. However, if this dimension is greater than the extent of the ring in the direction of its ring axis, the ring is designed as an annular disk.
  • the housing 101 On the inside of the ring of the housing 101, the housing 101 is designed as an electron exit window 104 in the form of a ring cylinder, that is, viewed in the exit direction of the electrons, the electron exit window 104 has a surface perpendicular that is aligned with the inside of the ring and, in the case of a circular ring cylinder, as with the electron exit window 104, with the ring axis 103 is.
  • a working gas which is contained in a first reservoir 121, is admitted into the evacuable space through at least one first inlet 120 in the housing 101 and a vacuum in the evacuable space in the range of 0.1 Pa is created by means of at least one pump device (not shown in FIG. 1). to 20 Pa and preferably maintained in the range of 1 Pa to 3 Pa.
  • the at least one first inlet 120 is shown such that it opens into the evacuable space 102a.
  • the at least one first inlet opens into the evacuable space 102b.
  • An annular device further has at least one first cathode and at least one first anode, between which a glow discharge plasma can be generated in the evacuable space by means of a first applicable electrical voltage provided by a first power supply device.
  • the housing 101 was designed as the first cathode, wherein the housing 101 designed as the first cathode can have, for example, the electronic ground potential of the device 100.
  • the first anode of the device 100 which is also referred to below as the electron gun 100, comprises a number of wire-shaped electrodes 105 which extend through the evacuable space 102a and, in the case of a housing in the form of a circular ring, such as housing 101, preferably on an identical one Radius and are arranged at the same distance from one another around the ring axis 103.
  • the wire-shaped electrodes 105 which can have a slightly positive voltage potential in a range of +0.25 kV to +5.0 kV compared to the housing 101, are passed through the housing 101 in an electrically insulated manner. Due to the electrical voltage applied between the wire-shaped electrodes 105 and the first cathode, a plasma is formed in the evacuable space 102a.
  • the evacuable space 102a is therefore also referred to below as the plasma space 102a.
  • the second cathode represents the cathode for emitting secondary electrons, which are then accelerated, and for this purpose has an electrical high-voltage potential, preferably in the range from -100 kV to -300 kV.
  • the second cathode 107 is electrically insulated from the housing 101 by means of an insulator 109.
  • the second anode 108 and the first cathode have the same electrical potential, which is designed as an electrical ground potential.
  • the second anode and the first cathode can also have different electrical potentials.
  • the kinetic energy of the ions is released in a very thin edge layer of the cathode 107 in the surface area 110, which leads to the release of secondary electrons.
  • the ratio between triggered electrons and incident ions is in the order of magnitude of up to ten, which makes this type of generating accelerated electrons very efficient.
  • the resulting secondary electrons are strongly accelerated by the applied electric field and fly through the lattice-shaped anode 108, which is designed in the form of an annular cylinder, and the plasma 106 in space 102a.
  • the electrons After passing through the electron exit window 104, which can be designed, for example, as a thin metal foil, the electrons penetrate into the volume 1 14 enclosed by the annular housing 101, in which a higher pressure can prevail than in the evacuable space and through the bulk material particles to be charged with electrons can be passed through the housing ring opening.
  • All materials known from the prior art for an electron exit window such as titanium, can be used as the material for the electron exit window 104.
  • the device 100 therefore also includes a second reservoir 122, in which a hydrocarbon-containing compound is contained and which, like the working gas, is admitted into the evacuable space through the at least one first inlet 120 in a gaseous or vaporous state.
  • the hydrocarbon-containing compound can, for example, be present in liquid form in the second reservoir and the working gas, which is also to be admitted into the evacuable space, is passed through the liquid hydrocarbon-containing compound in the second reservoir and then through the first Inlet 120 can be admitted into the evacuable room.
  • the hydrocarbon-containing compound can also be admitted into the evacuable space using a separate mass flow controller.
  • the hydrocarbon-containing compound has a proportion of approximately 0.5 to 10 percent by volume.
  • the hydrocarbon-containing compound preferably has a proportion of approximately 2 to 6 percent by volume.
  • this device for cooling the electron gun 100 can include cooling channels which extend within the insulator 109 and through which a cooling medium flows.
  • the second anode 108 which in an annular electron beam generator is preferably designed as a grid-shaped annular cylinder segment and which represents the spatial boundary between the evacuable spaces 102a and 102b, fulfills three essential tasks. On the one hand, due to its voltage difference compared to the second cathode 107, it causes an acceleration of the ions extracted from the plasma in the direction of the second cathode. On the other hand, it also causes an acceleration of the secondary electrons generated by the ion bombardment in the direction of the electron exit window 104.
  • the lattice structure of the second anode 108 is formed parallel to the secondary electron-emitting surface 110 of the second cathode 107, an electric field is formed in this way that the paths of the accelerated secondary electrons also run largely radially and anti-parallel to the paths of the ions that release them. Furthermore, the second anode 108 shields the plasma from the voltage potential of the second cathode 107; thereby prevents too many electrons from drifting away from the wire-shaped electrodes 1 1 1 and thus contributes to maintaining the plasma 106 in the evacuable space 102a.
  • the wire-shaped electrodes 105 which together constitute the first anode, are electrically insulated through the walls of the housing 101 and, in one embodiment, extend parallel to the ring axis 103 and completely through the evacuable space 102a. In an alternative embodiment, at least some of the wire-shaped electrodes 105 penetrate only one wall of the housing 101 and terminate within the evacuable space 102a without penetrating the opposite wall. Such wire-shaped electrodes 105 are also referred to below as stub anodes.
  • stub anodes By using stub anodes, the plasma formation in the evacuable space 102a can be positively influenced and the area of application of the device 100 can thereby be increased. In particular, the use of stub anodes reduces the tendency to localize Plasmas and lower discharge currents, and therefore also low beam currents, can be controlled more stably.
  • each wire-shaped electrode 105 is assigned a separate power supply device, which provides the anode potential to the assigned wire-shaped electrode 105.
  • a power supply device can also be assigned to several wire-shaped electrodes 105, which provides the same anode potential for all assigned wire-shaped electrodes 105.
  • the electrodes assigned to a power supply device can be, for example, adjacent wire-shaped electrodes 105.
  • a power supply can also be assigned wire-shaped electrodes 105, which result from a sequence such as every second wire-shaped electrode 105, every third wire-shaped electrode 105 or every fourth wire-shaped electrode 105, etc.
  • Circumferential areas of the cathode or the atmosphere-side treatment space can then be controlled in such a way that a course is also well-defined in terms of time and location over the entire circumference of the electron exit window (homogeneous or adjustable depending on the ring angle depending on the material to be treated and technological requirements).
  • the individual channels of the power supply device can either be operated together but with a freely programmable current setpoint or, alternatively, they can be operated one after the other, with the order of operation, the duration of operation and the time offset of the individual channels being freely programmable.
  • the four 90° ring sectors can all be controlled at the same time.
  • the local discharge current intensity in the individual sectors can be chosen to be the same or different as required.
  • the power supply device with the four channels is therefore preferably set in such a way that only one channel or a group of two or three channels is active and provides the anode voltage for the wire-shaped electrodes 105 of the associated 90° ring sectors and that the 90° ring sectors or .Groups can be controlled one after the other. Adjacent 90° ring sectors do not necessarily have to be controlled immediately one after the other. It can also be useful to control opposite 90° ring sectors one after the other. This can then be done with either identical or different discharge current intensity (or in accordance with the technology).
  • FIG 3 shows the schematic sectional view of a first alternative device 300 according to the invention.
  • An annular device as described in FIGS. 1 and 2, acts as the basis of the device 300. Therefore, the device 300 also includes an annular housing 101, in which the ring axis 103 is aligned vertically or at an angle of up to 10 ° deviating from the vertical, so that, for example, bulk material to be treated with accelerated electrons can fall from top to bottom through the ring opening of the annular housing 101.
  • a cylindrical protective grid 330 is arranged within the ring opening in front of the electron exit window 104, which mechanically protects the electron exit window from falling bulk particles.
  • the protective grille 330 can be made of a heat-resistant gauze material, for example.
  • a flow 332 of a gaseous medium is formed, which is aligned from bottom to top between the electron exit window 104 and the protective grid 330.
  • this flow 332 cools the electron exit window 104 and on the other hand, the gaseous medium that simultaneously penetrates through the protective grid 330 slows down the fall of the bulk material particles, which increases the average residence time of the bulk material particles in front of the electron exit window 104.
  • the additional introduction of the gaseous medium in the area between the electron exit window 104 and the protective grid 330 keeps dirt particles, which fall down with the bulk material particles and which are smaller than the openings of the protective grid 330, away from the electron window 314, thereby reducing its contamination and thus its Lifespan is increased.
  • the device 300 has at least one sensor, by means of which first actual values, which represent the falling speed of the bulk material particles in front of the electron exit window 104, are recorded.
  • first actual values which represent the falling speed of the bulk material particles in front of the electron exit window 104
  • these actual values are compared with a first target value for the falling speed of the bulk material particles and a first comparison value is generated and the intensity of the flow 332 of the gaseous medium is regulated depending on the first comparison value.
  • the intensity of the flow 332 of the gaseous medium can be changed, for example, by changing the power of the first device 331 using an adjusting device. In this way it can be ensured that the bulk particles are exposed to a homogeneous and/or predetermined dose of accelerated electrons.
  • the protective grid in front of the electron exit window of a device according to the invention can consist, for example, of a heat-resistant gauze material.
  • a gauze material usually comprises horizontally and vertically running metal threads or metal wires.
  • an alternative protective grid 404 is shown schematically, which, at least in the height range of the electron exit window 104, only comprises vertically extending, metal first wires 430, which are stretched between an upper connection ring 431 and a lower connection ring 432 and with adjacent first wires 430 in each case are spaced apart to a degree that is smaller than the diameter of the bulk material particles.
  • the second wires 430 thus also run parallel to the ring axis 103 of the ring-shaped electron beam generator.
  • Horizontally running wires of a protective grid in front of an electron exit window have the disadvantage that bulk material particles sliding past the protective grid from top to bottom introduce impact energy into the horizontally running wires, which can lead to deformation or damage to a protective grid.
  • a protective grid 404 according to FIG. 4 which only has vertically running first wires 430, such a source of error is excluded.
  • Such a protective grid 404 can be used in all embodiments of devices according to the invention described above and below.
  • the metal first wires 430 are formed individually or in groups to be electrically isolated from one another.
  • the electrical current flowing through a respective first wire 430 or a first group of first wires (430) or a second actual value that represents this electrical current can be detected and is forwarded to a second evaluation device.
  • This second actual value is compared within the second evaluation device with a second target value for the electrical current, as a result of which a second comparison value is created.
  • the cathode current of the ring-shaped electron beam generator in the associated 90° ring segment can then be controlled by means of the discharge current intensity and/or the discharge duration.
  • the cathode current of the ring-shaped electron gun can be controlled by means of the discharge current intensity and/or the discharge duration in the individual 90° ring segments or groups.
  • FIG. 5 shows a second alternative device 500 according to the invention schematically in section, which initially has all the elements and features of the device 300 from FIG. 3.
  • the device 500 includes a rotationally symmetrical element 516, the axis of rotation of which is identical to the ring axis 103 of the annular device 100 and the annular device 300.
  • the rotationally symmetrical element 516 is shown schematically in more detail in an exploded view in FIG.
  • the bulk particles are placed in an annular gap between the protective grid 104 and the base body 620 of the rotationally symmetrical element 516, whereby a thin annular curtain of bulk material particles is formed and guided past the electron exit window 104, which leads to a good result in terms of the application of accelerated electrons to the bulk material particles.
  • the bulk material particles can also be acted upon from the back with the primary electrons, which from the opposite side of the electron exit window succeed in penetrating the curtain of bulk material particles and the not completely closed base body 620 of the rotationally symmetrical element 516, which accelerates the result of the loading of the bulk material particles Electrons further improved.
  • Such a rotationally symmetrical element 516 as described here only as an example for device 500, can alternatively also be used in all other embodiments of devices according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, umfassend ein ringförmiges Gehäuse (101), welches einen ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b) begrenzt und ein ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) aufweist; mindestens ein erstes Reservoir (121), welches ein Arbeitsgas enthält; mindestens einen ersten Einlass (120) für das Zuführen des Arbeitsgases aus dem ersten Reservoir (121 ) in den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b); mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode, zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma (106) im ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma (106) auf die Oberfläche (110) einer ringförmigen zweiten Kathode (107) beschleunigbar sind und von der ringförmigen zweiten Kathode (107) emittierte Elektronen mittels einer, zwischen der ringförmigen zweiten Kathode (107) und einer ringförmigen zweiten Anode (108) angelegten, zweiten elektrischen Spannung in Richtung ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) beschleunigbar sind, wobei das Gehäuse (101) als erste Kathode ausgebildet ist; die erste Anode eine Anzahl von drahtförmigen Elektroden (105) umfasst, welche sich vollständig oder teilweise durch den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) hindurch erstrecken und wobei in einem zweiten Reservoir (122) eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthalten ist, welche durch den mindestens einen ersten Einlass (120) in den evakuierbaren Raum (102a; 102b) einlassbar ist.

Description

Ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen von beschleunigten Elektronen
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen. Insbesondere können mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Schüttgüter, Stranggüter und Fluide mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Das bevorzugte Anwendungsgebiet ist die phytosanitäre Behandlung von Saatgut gegen samenbürtige Schaderreger, die überwiegend in der Samenschale der Samenkörner angesiedelt sind. Weitere Anwendungsgebiete sind die Sterilisation und Modifikation der oberflächennahen Randschicht von Granulaten und Pulvern, z.B. auch von Futtermitteln, Kräutern und Gewürzen, die chemische Oberflächenaktivierung von Rezyklaten sowie die Durchführung anderer strahlen- und plasma-chemischer Prozesse.
Es sind verschiedene Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen zum Beaufschlagen von Schüttgütern und Stranggütern mit beschleunigten Elektronen in verschiedenen Ausführungen - angepasst an das zu behandelnde Schüttgut bzw. Stranggut - bekannt.
So wird in einer evakuierten Kammer durch gegenüberliegendes Anordnen zweier Elektronenbeschleuniger ein Elektronenfeld mit entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponenten der Elektronen erzeugt, durch welches das Schüttgut im freien Fall in einem ausgedehnten transparenten Strom geführt wird (DD 291 702 A5). Zur Elektronenbehandlung wird das Schüttgut über Zellenradschleusen in die Kammer eingeschleust und nach dem Elektronenbehandlungsprozess wieder ausgeschleust. Der Nachteil solcher Vorrichtungen ist jedoch der hohe apparative Aufwand für das Erzeugen des Elektronenfeldes, da mindestens zwei Elektronenbeschleuniger mit entsprechender Flochspannungsversorgung erforderlich sind, sowie der hohe vakuumtechnische Aufwand.
Es ist außerdem bekannt, ein Elektronenfeld mit entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponenten dadurch zu erzeugen, dass der Elektronenstrahl, nachdem er den Strom der Schüttgutteilchen passiert hat, durch eine magnetische Umlenkung auf den Teilchenstrom zurückgelenkt wird. Vorrichtungen dieser Art vermeiden den Aufwand für einen zweiten Elektronenbeschleuniger. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass durch den relativ langen Weg, den der Elektronenstrahl in der Prozesskammer durchläuft, ein wesentlich besseres Vakuum benötigt wird, was bezüglich der Vakuumerzeugung einen noch höheren apparativen Aufwand erfordert.
Es sind auch Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die mit zwei einander gegenüberliegenden Elektronenbeschleunigern arbeiten, wobei die Elektronen über ein Strahlaustrittsfenster an Atmosphärendruck austreten (DE 44 34 767 C 1 ). Das Schüttgut wird dabei ebenfalls im freien Fall durch das Elektronenfeld geführt. Bei dieser Lösung entfällt der Aufwand zum sonst erforderlichen Evakuieren der Prozesskammer. Dennoch verbleibt der Nachteil des hohen apparativen Aufwandes durch den notwendigen Einsatz von mindestens zwei Elektronenbeschleunigern.
Es ist weiterhin bekannt, pulverförmige und körnige Materialien an Atmosphärendruck mit Elektronen zu beaufschlagen, wobei nur ein Elektronenbeschleuniger zum Einsatz gelangt und die zu bestrahlenden Teilchen in einem Gasstrom durch das Elektronenfeld getragen werden (WO 98/43274 A1). Der Gasstrom mit den zu bestrahlenden Teilchen wird durch einen rechteckigen Kanal geführt, der an einer Seite mit einer 25 pm dicken Aluminiumfolie verschlossen ist, in welchen die Elektronen nach ihrer Ausschleusung über eine 13 pm dicke Titanfensterfolie und Durchlaufen der Distanz bis zum Bestrahlungskanal eindringen. Der Aluminiumfolie gegenüberliegend wird der rechteckige Kanal durch eine ebene Platte aus einem Werkstoff hoher Ordnungszahl gebildet. Nach Durchdringen des Kanalquerschnitts werden die Elektronen von dieser Platte zu einem gewissen Anteil rückgestreut. Die rückgestreuten Elektronen haben eine der ursprünglichen Einfallsrichtung der Elektronen entgegengerichtete Geschwindigkeitskomponente und ermöglichen, dass auch die, bezüglich der ursprünglichen Einfallsrichtung der Elektronen, abgewandte Seite der Teilchen einem Elektronenbeschuss ausgesetzt ist.
Von Nachteil ist, dass die Intensität der Bestrahlung durch die rückgestreuten Elektronen wesentlich niedriger ist als die Intensität der Bestrahlung durch die unmittelbar aus dem Strahlaustrittsfenster austretenden Elektronen, was zu einer ungleichmäßigen Bestrahlung der einzelnen Teilchen führt. Nachteilig ist auch, dass die zum Tragen der Teilchen erforderliche Gasgeschwindigkeit mit steigendem Verhältnis von Masse zur Oberfläche der transportierten Teilchen stark ansteigt. Somit würden für größerkörnige Schüttgüter - wie z. B. Weizen oder Mais - sehr hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten erforderlich werden. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten würden die im Elektronenfeld übertragbaren Energiedosen auf sehr kleine, für zahlreiche Anwendungen wesentlich zu geringe Werte begrenzt werden. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, dass die Elektronen nach dem Austritt aus dem Elektronenbeschleuniger noch zusätzlich die den rechteckigen Kanal verschließende Aluminiumfolie durchdringen müssen, bevor sie auf die zu behandelnden Teilchen treffen. Dadurch erleiden die Elektronen einen zusätzlichen unerwünschten Energieverlust.
In DE 199 42 142 A1 ist ferner eine Vorrichtung beschrieben, bei der Schüttgut im mehrfachen freien Fall an einer Elektronenstrahleinrichtung vorbeigeführt und mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Aufgrund des Mehrfachdurchlaufs, verbunden mit einer zwischenzeitlichen Durchmischung des Schüttguts, ist die Wahrscheinlichkeit bei dieser Ausführungsform sehr hoch, dass die Partikel des Schüttgutes allseitig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses.
DE 10 2013 1 1 1 650 B3 und DE 10 2013 1 13 688 B3 offenbaren Vorrichtungen, bei welchen eine Elektronenstrahlquelle derart ringförmig ausgebildet ist, dass von einer ringförmigen Kathode emittierte und beschleunigte Elektronen aus einem Elektronenaustrittsfenster in Richtung Ringachse austreten. Dabei ist der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger so angeordnet, dass dessen Ringachse möglichst senkrecht ausgerichtet ist. Oberhalb des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers ist eine Einrichtung zum Vereinzeln von Schüttgutpartikeln angeordnet, deren Bodenwandung mindestens eine Öffnung aufweist, aus der Schüttgutpartikel heraus- und von dort durch den vom Elektronenstrahlerzeuger geformten Ring hindurchfallen. Ein Vorteil einer solchen ringförmigen Vorrichtung besteht darin, dass diese kompakter gegenüber Vorrichtungen, bestehend aus zwei planaren Strahlquellen, ausgebildet ist. Nachteilig wirkt sich hingegen nach wie vor aus, dass die Mindestgeschwindigkeit, mit welcher die Schüttgutpartikel an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden, durch die Fallbeschleunigung vorgegeben ist und nicht unterschritten werden kann. Daher sind für eine solche Vorrichtung Elektronenstrahlerzeuger mit einer relativ hohen Leistung erforderlich, welche es ermöglichen, die erforderliche Elektronendosis in der kurzen Zeit, innerhalb der die Schüttgutpartikel an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeifliegen, zu applizieren. Nachteilig wirkt sich ebenfalls aus, dass sich die Geschwindigkeit der Schüttgutpartikel während des Vorbeiflugs am Elektronenaustrittsfenster ständig erhöht, was dazu führt, dass ein Schüttgutpartikel während des Vorbeiflugs am Elektronenaustrittsfenster mit einer sich ständig verringernden Elektronendichte beaufschlagt wird. Eine Besonderheit der in DE 10 2013 1 1 1 650 B3 beschriebenen ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger ist es, dass die Strahlelektronen nicht durch Heizung der Kathode thermisch emittiert („Glühkathode"), sondern durch lonenimpact aus dieser herausgeschlagen werden („ Kaltkathode"). Die dafür erforderlichen Ionen werden in einem, zwischen der ringförmigen Kaltkathode und dem ringförmigen Elektronenaustrittfester angeordneten, ebenfalls ringförmigen Plasmaraum durch Gasentladungen erzeugt. Diese müssen aus Gründen der Hochspannungsisolation bei besonders niedrigen Drücken brennen, wofür spezielle Entladungsanordnungen erforderlich sind.
Aus EP 3 590 125 B1 sind ferner ringförmige Elektronenstrahlerzeuger mit Kaltkathode bekannt, die eine Drahtanodenanordnung zur lonenproduktion nutzen, bei welchen der ringförmige Plasmaraum mittels Wandungen in Ringsegmente unterteilt ist und wobei sich durch jedes Ringsegment hindurch mindestens eine drahtförmige Anode für das Ausbilden eines Plasmas im Ringsegment erstreckt. In EP 3 642 861 B1 ist dieses Prinzip der Plasmaerzeugung in individuellen Segmenten genutzt, um einen Elektronenstrahlerzeuger aufzubauen, bei dem der Ring unvollständig ist, also dauerhaft einen offenen Sektor aufweist, oder aus zwei ohne Bruch des Vakuums trennbaren und wieder zusammenfügbaren Halbringen besteht.
Nachteilig wirkt sich die beschriebene Segmentierung des Plasmaraumes deshalb aus, weil die Wandungen das gleiche elektrische Spannungspotenzial wie die Kathoden der Gasentladung aufweisen (das nachvollziehbarer Weise und im Ausführungsbeispiel explizit so beschrieben mit dem des Gehäuses und des Elektronenaustrittsfensters, also dem Massepotenzial, identisch ist). Dadurch bildet sich in ihrer Nähe der Kathodenfall der Entladung und eine niedrigere Plasmadichte aus, sodass dort eine niedrigere lonenstromdichte als aus der Mitte der Ringsegmente extrahiert und zur Kaltkathode hin beschleunigt werden kann, und somit ist es auch unmöglich, eine einheitliche Elektronenstromdichte und Bestrahlungsintensität im gesamten Ringumfang bereitzustellen.
Elektronenstrahlerzeuger mit Kaltkathode weisen zahlreiche Vorteile auf, die in den oben zitierten Schriften dargelegt sind, erweisen sich jedoch im praktischen Einsatz, insbesondere im Dauerbetrieb, unter dem Gesichtspunkt der Betriebsstabilität als nicht unproblematisch.
Ein wichtiges Kriterium der Betriebsstabilität von Elektronenstrahlquellen ist die sogenannte Spannungsfestigkeit. Als Maß für die Spannungsfestigkeit von Elektronenquellen dient üblicherweise die zu konstatierende Häufigkeit von Hochspannungsüberschlägen. Diese unterbrechen nicht nur die Strahlerzeugung, sondern verschleißen auch die Einbauten der Quelle und strapazieren die Halbleiter-Elektronik der Steuerungs- und Versorgungsgeräte. Die Überschlagsrate muss daher vor Beginn des eigentlichen Strahlbetriebes durch zeitaufwändige Konditionierungsroutinen auf ein tolerables Maß abgesenkt werden. Erschwerend wirkt hierbei die hohe parasitäre Kapazität der notwendigerweise großflächigen Kaltkathoden, die im Überschlagsfall zu HF-Schwingungen und daraus resultierender AC-Belastung und destruktiven Überspannungen im Konfektionierungssystem (Hochspannungskabel, Stecker und Durchführungen) führen kann. Ferner ist zu konstatieren, dass die anfängliche Konditionierung im Strahlbetrieb nicht dauerhaft wirksam ist. Die Überschlagsrate nimmt dann wieder zu, maßgeblich befeuert durch einen weiteren Mechanismus: die Ablagerung von isolierenden Belägen am kritischen Übergang Kathode- Isolator („Tripel-Punkt"). Diese isolierenden Randschichten neben der aktiven Emissionszone entstehen durch den lonenimpact in der Mitte der Kaltkathode, Sputtern von Aluminium- Atomen sowie deren Rückstreuung und Oxidation (durch Sauerstoff im Restgas und adsorbierte Wasserfilme) zu Aluminium(hydr)oxid. Darauf können sich Ladungsträger ansammeln und Spannungsdifferenzen entlang der Oberfläche erzeugen, die sich von Zeit zu Zeit durch Gleitfunken ausgleichen. Für sich genommen sind diese harmlos, wirken aber als Zündquellen für Hochspannungsüberschläge (stromstarke Bogenentladungen) von der Kathode zur Masse. Diese bewirken eine Aufrauhung der Kathode und eine weitere Zunahme der Überschlagsneigung mit wachsender Betriebsdauer durch Feldemission aus scharfkantigen Mikrostrukturen (wie „ Kraterränder", Spitzen, verspritzte Schmelztröpfchen).
Die im Behandlungsgut applizierte Dosis wird neben der (per Beschleunigungsspannung gut kontrollierbaren) Energie der Elektronen auch von deren (mit gewisser Unsicherheit behafteten) Stromdichte bestimmt. Diese Unsicherheit rührt daher, dass die Emissionsstromdichte der vom lonenbeschuss der Kaltkathode ausgelösten Sekundärelektronen stark von der chemischen und morphologischen Beschaffenheit der Kathodenoberfläche abhängt. Je nachdem, ob diese metallisch blank oder mit einer dünnen Oxidhaut belegt ist, werden weniger oder mehr Sekundärelektronen pro Projektil-Ion ausgelöst. Das Verhältnis der beiden Spezies wird als Townsend'scher Sekundärelektronen- Koeffizient bezeichnet und in der Fachliteratur üblicherweise mit „y" abgekürzt. Er kann sich im Zeitverlauf ändern - wie aus der Literatur gut bekannt, aufgrund von lonenbeschuss (und daraus resultierendem Sputterabtrag von Belägen und oberflächennahen Randschichten der Kathode), Desorption von Wasser, variierendem Sauerstoff-Partialdruck (und dadurch gesteuertem Aufwachsen dielektrischer Verbindungsschichten auf der Kathodenoberfläche). Weniger ausführlich untersucht und in der Literatur dokumentiert, aber plausibel sind Einflüsse der Oberflächenrauigkeit und Kristallit-Struktur, somit der Halbzeugqualität und des Alterungszustands der Kaltkathode über die Betriebsdauer.
Von y aber hängt der Wirkungsgrad der Strahlerzeugung ab - also wieviel Elektronenstrom (aus der Kathode heraus) durch wieviel (vom Hochspannungsgerät in die Kathode geliefertem) Kathodenstrom entsteht. Dieses Verhältnis (und somit letztlich der Strahlstrom) ist messtechnisch schwierig zu bestimmen, da der (im Hochspannungsgerät leicht messbare) Kathodenstrom nicht nur die Kompensation der Ladungsmenge der emittierten negativen Elektronen, sondern ununterscheidbar auch die der absorbierten positiven Ionen leistet.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass
1) der Strahlstrom zwar monoton vom Kathodenstrom abhängt, aber sein genauer Wert bei Unkenntnis des Koeffizienten y unbekannt ist und
2) messtechnisch nicht direkt erfassbare Änderungen des Koeffizienten y trotz eines konstanten Kathodenstroms unbemerkte Änderungen des Strahlstromes nach sich ziehen und
3) örtliche Variationen des Koeffizienten y sich unmittelbar in ebenfalls nicht bestimmbare Variationen der lokalen Elektronenstromdichte übersetzen.
Dies sind fundamentale Schwäche von Kaltkathoden, die bei Aufskalierung der Kathodenfläche immer stärker durchschlagen.
Ein weiteres gravierendes Problem stellt die Lokalisierungsneigung des Drahtanodenplasmas dar, das die zur Auslösung der Sekundärelektronen aus der Kathode erforderlichen Ionen produziert. Technologieseitig angestrebt ist oftmals eine möglichst gute (rotationssymmetrische) Homogenität der Plasmadichte, um eine homogene Stromdichte der auf die Kathode treffenden Ionen und somit auch der von dieser entlang des Umfangs emittierten Sekundärelektronen zu erzielen. Bei kleinen Entladungsströmen (wie sie zur Ausregelung kleiner Elektronenströme benötigt werden) und niedrigen Drücken (die für eine stabile Isolation der Hochspannung förderlich sind) neigt eine Drahtanodenentladung aber dazu, nicht mehr gleichmäßig über den gesamten Umfang der Quelle, sondern nur noch in der Umgebung einiger weniger Drähte zu brennen. Entsprechend sind dann auch lonen- und Elektronenstrom auf diesen Sektor konzentriert. Neben einer über den Umfang der Quelle ungleichmäßig verteilten Behandlungsdosis kann dieser Zustand auch zu einer Zerstörung des Elektronenaustrittsfensters aufgrund lokaler thermischer Überlastung der Titanfolie führen, da der Strahlstrom in seiner vollen programmierten Höhe auf eine wesentlich kleinere Fläche des Elektronenaustrittsfensters trifft.
Letztlich sind es genau diese störenden Effekte, denen durch die in den oben zitierten Schriften EP 3 590 125 B1 und EP 3 642 861 B1 durch Segmentierung des Plasmaraumes entgegengewirkt werden sollte, allerdings eben um den Preis der durch die Wandungen der Segmente hervorgerufenen, über den Umfang systematisch ungleichmäßigen Plasma-, Ionen- und Elektronenstromdichte und somit auch der Behandlungsdosis.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels derer die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung ringförmige Elektronenstrahlquellen dahingehend weiterentwickeln, dass auch Kaltkathodenquellen dauerhaft betriebsstabil bleiben, das Behandlungsgut (Schüttgutpartikel, Stranggut oder Fluide) während des Vorbeiführens an einem Elektronenaustrittsfenster mit einer zeitlich und über dessen gesamten Umfang örtlich wohldefinierten (je nach Behandlungsgut und technologischen Erfordernissen homogenen oder winkelabhängig einstellbaren) Elektronendosis beaufschlagt, Schmutzpartikel vom Elektronenaustrittsfenster ferngehalten sowie der Aufwand für die Kühlung der Anlage verringert und trotzdem ein hoher Durchsatz von Behandlungsgut zugelassen werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Elektronenstrahlerzeuger, der ringförmig ausgebildet ist und bei dem die von einer ringförmigen Kathode emittierten und beschleunigten Elektronen aus einem ringförmigen Elektronenaustrittsfenster in Richtung Ringachse austreten. Das Elektronenaustrittsfenster ist somit zumindest ein Bestandteil der ringförmigen Innenwandung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers und weist dabei die Form eines Hohlzylinders auf. An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass der Begriff „ringförmig" im Erfindungssinn bei allen nachfolgend beschriebenen ringförmigen Vorrichtungen, Bauelementen und Hohlzylindern nicht nur auf einen Ring in Kreisform begrenzt ist, sondern dass sich der Begriff „ ringförmig" im Erfindungssinn lediglich auf einen schleifenförmig in sich geschlossenen Gegenstand bezieht, wobei der schleifenförmig in sich geschlossene Gegenstand ein Volumen in seinem Querschnitt vollständig umschließt und wobei mit beschleunigten Elektronen zu behandelnde Objekte durch dieses Volumen im Inneren des Ringes hindurchgeführt werden können. Dabei ist der von einem Ring oder einem Hohlzylinder vollständig umschlossene Querschnitt des Volumens zwar bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kreisförmig ausgebildet, kann aber im weitesten Erfindungssinn auch jede andere geometrische Form aufweisen.
Ein solcher ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger umfasst ein ringförmiges Gehäuse, welches einen ringförmigen evakuierbaren Raum begrenzt und ein ringförmiges Elektronenaustrittsfenster aufweist; ein erstes Reservoir, in welchem ein Arbeitsgas enthalten ist; mindestens einen ersten Einlass für das Zuführen des Arbeitsgases aus dem ersten Reservoir in den ringförmigen evakuierbaren Raum; mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode, zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma im ringförmigen evakuierbaren Raum erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma auf die Oberfläche einer ringförmigen zweiten Kathode beschleunigbar sind und von der ringförmigen zweiten Kathode emittierte Elektronen mittels einer, zwischen der ringförmigen zweiten Kathode und einer ringförmigen zweiten Anode, angelegten zweiten elektrischen Spannung in Richtung ringförmiges Elektronenaustrittsfenster beschleunigbar sind. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner das Gehäuse als erste Kathode ausgebildet und die erste Anode umfasst eine Anzahl von drahtförmigen Elektroden, welche sich vollständig oder teilweise durch den ringförmigen evakuierbaren Raum hindurch erstrecken. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner ein zweites Reservoir, in welchem eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthalten ist, welche durch den mindestens einen ersten Einlass in den ringförmigen evakuierbaren Raum einlassbar ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Ringachse des ringförmigen Gehäuses senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet, so dass zum Beispiel mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Schüttgut von oben nach unten durch die Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses hindurchfallen kann. Hierbei kann innerhalb der Ringöffnung ein Schutzgitter angeordnet sein, welches das Elektronenaustrittsfenster mechanisch vor den herabfallenden Schüttgutpartikeln schützt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erste Einrichtung auf, mit welcher innerhalb der Ringöffnung (also innerhalb des Volumens, welches vom Elektronenaustrittsfenster umschlossen wird) eine von unten nach oben gerichtete Strömung eines gasförmigen Mediums (wie zum Beispiel Luft) ausgebildet werden kann, welche dem freien Fall der Schüttgutpartikel entgegenwirkt und die Schüttgutpartikel in ihrem Fall abbremst. Dadurch kann die durchschnittliche Verweilzeit der Schüttgutpartikel vor dem Elektronenaustrittsfenster erhöht und infolge dessen ein Elektronenstrahlerzeuger mit geringerer Leistung verwendet werden, um ein gleiches Bestrahlungsergebnis zu erzielen wie mit Elektronenstrahlerzeugern aus dem Stand der Technik, bei denen Schüttgutpartikel im freien Fall an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt werden.
Eine solche aufwärts gerichtete Strömung eines gasförmigen Mediums kann zum Beispiel ausgebildet werden, wenn das gasförmige Medium mittels der ersten Einrichtung von unten in den Zwischenraum zwischen dem Elektronenaustrittsfenster und dem Schutzgitter eingeblasen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:
Fig. 1 eine schematische und perspektivische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen ringförmigen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der ringförmigen Vorrichtung aus Fig. 1 als Draufsicht;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines alternativen Schutzgitters;
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6 eine schematische Explosionsdarstellung eines rotationssymmetrischen Elements aus Fig. 5. In Fig. 1 und Fig. 2 sind ein und dieselbe erfindungsgemäße ringförmige Vorrichtung 100 schematisch dargestellt, wobei die Vorrichtung 100 in Fig. 1 als perspektivische Querschnittsdarstellung und in Fig. 2 als Draufsicht abgebildet ist. Zum besseren Verständnis seien an dieser Stelle noch die Begriffe „Ringzylinder" und „ Ringscheibe" in Bezug auf einen ringförmigen Gegenstand definiert. Wird der Innenradius eines kreisförmigen Ringes von seinem Außenradius subtrahiert, dann ergibt sich ein Maß. Ist dieses Maß kleiner als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringzylinder ausgebildet. Ist dieses Maß hingegen größer als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringscheibe ausgebildet.
Die ringförmige Vorrichtung 100 umfasst zunächst ein ringförmiges Gehäuse 101 , welches zumindest in einem Bereich einen evakuierbaren Raum begrenzt, der in die evakuierbaren Räume 102a und 102b unterteilt ist. Der evakuierbare Raum 102a wird auch als erster evakuierbarer Raum und der evakuierbare Raum 102b als zweiter evakuierbarer Raum bezeichnet. Dieser evakuierbare Raum ist aufgrund der Gehäuseform ebenfalls ringförmig ausgebildet und weist bei einer bevorzugten Ausführungsform keine, den evakuierbaren Raum in Ringsegmente unterteilende, Wandungen auf, so dass der evakuierbare Raum über den gesamten Ringumfang betrachtet durchgehend ausgebildet ist. Alle nachfolgend beschriebenen, zur Vorrichtung 100 zugehörigen und als ringförmig bezeichneten Bauelemente sind radialsymmetrisch ausgebildet und weisen ein und dieselbe Ringachse 103 auf. An der Ringinnenseite des Gehäuses 101 ist das Gehäuse 101 als Elektronenaustrittsfenster 104 in Form eines Ringzylinders ausgebildet, d. h. in Austrittsrichtung der Elektronen betrachtet, weist das Elektronenaustrittsfenster 104 eine Oberflächensenkrechte auf, die zum Ringinneren und bei einem kreisförmigen Ringzylinder wie beim Elektronenaustrittsfenster 104 zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Durch mindestens einen ersten Einlass 120 im Gehäuse 101 wird ein Arbeitsgas, welches in einem ersten Reservoir 121 enthalten ist, in den evakuierbaren Raum eingelassen und mittels mindestens einer in Fig. 1 nicht dargestellten Pumpeinrichtung ein Vakuum im evakuierbaren Raum im Bereich von 0,1 Pa bis 20 Pa und bevorzugt im Bereich von 1 Pa bis 3 Pa aufrechterhalten. In Fig. 1 ist der mindestens eine erste Einlass 120 derart dargestellt, dass dieser in den evakuierbaren Raum 102a mündet. Alternativ und auch bevorzugt mündet der mindestens eine erste Einlass in den evakuierbaren Raum 102b. Eine ringförmige Vorrichtung weist ferner mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode auf, zwischen denen mittels einer ersten anlegbaren elektrischen Spannung, die von einer ersten Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, ein Glimmentladungsplasma im evakuierbaren Raum erzeugbar ist. Erfindungsgemäß wurde bei der Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1 und 2 das Gehäuse 101 als erste Kathode ausgebildet, wobei das als erste Kathode ausgebildete Gehäuse 101 beispielsweise das elektronische Massepotential der Vorrichtung 100 aufweisen kann.
Die erste Anode der Vorrichtung 100, welche nachfolgend auch als Elektronenstrahlerzeuger 100 bezeichnet wird, umfasst eine Anzahl drahtförmiger Elektroden 105, die sich durch den evakuierbaren Raum 102a hindurch erstrecken und bei einem Gehäuse in Form eines kreisförmigen Rings, wie Gehäuse 101 , vorzugsweise auf einem identischen Radius und mit gleichem Abstand zueinander um die Ringachse 103 herum angeordnet sind. Dabei werden die drahtförmigen Elektroden 105, die ein leicht positives Spannungspotenzial in einem Bereich von +0,25 kV bis +5,0 kV gegenüber dem Gehäuse 101 aufweisen können, elektrisch isoliert durch das Gehäuse 101 hindurchgeführt. Aufgrund der zwischen den drahtförmigen Elektroden 105 und der ersten Kathode angelegten elektrischen Spannung wird ein Plasma im evakuierbaren Raum 102a ausgebildet. Der evakuierbare Raum 102a wird deshalb nachfolgend auch als Plasma-Raum 102a bezeichnet.
Ein erfindungsgemäßer ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger umfasst des Weiteren mindestens eine zweite Kathode und mindestens eine zweite Anode, zwischen denen mittels einer zweiten Stromversorgungseinrichtung eine zweite elektrische Spannung geschaltet ist. Beim Elektronenstrahlerzeuger 100 ist eine Kathode 107 als zweite Kathode und eine gitterförmige Anode 108 als zweite Anode ausgebildet. Sowohl Kathode 107 und Anode 108 weisen die Form eines Rings auf.
Die zweite Kathode stellt bei einem erfindungsgemäßen ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger die Kathode zum Emittieren von Sekundärelektronen dar, welche anschließend beschleunigt werden, und weist hierfür ein elektrisches Hochspannungspotenzial, bevorzugt im Bereich von -100 kV bis -300 kV, auf. Mittels eines Isolators 109 ist die zweite Kathode 107 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 101 isoliert. Bei dem in Fig. 1 beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger 100 weisen die zweite Anode 108 und die erste Kathode das gleiche elektrische Potenzial auf, welches als elektrisches Massepotenzial ausgebildet ist. Alternativ können die zweite Anode und die erste Kathode auch unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen.
Aus dem Plasma 106 im evakuierbaren Raum 102a werden durch das Anlegen eines Hochspannungspotenzials im Bereich von -100 kV bis -300 kV positiv geladene Ionen durch die gitterförmige zweite Anode 108 in Richtung der zweiten Kathode 107 beschleunigt. Dort treffen die Ionen auf einen Oberflächenbereich 1 10 der zweiten Kathode 107, dessen Oberflächensenkrechte zum Ringinneren des Gehäuses, zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Beim Auftreffen der Ionen auf den Oberflächenbereich 1 10 haben die Ionen somit eine Potenzialdifferenz durchfallen, die weitgehend der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlerzeugers 100 entspricht. Bei ihrem Auftreffen wird die kinetische Energie der Ionen in einer sehr dünnen Randschicht der Kathode 107 im Oberflächenbereich 1 10 frei, was zum Auslösen von Sekundärelektronen führt. Bei den zuvor genannten elektrischen Spannungen an der zweiten Kathode 107 ist das Verhältnis zwischen ausgelösten Elektronen und auftreffenden Ionen in der Größenordnung von bis zu zehn angesiedelt, was diese Art des Erzeugens beschleunigter Elektronen sehr effizient macht. Die entstandenen Sekundärelektronen werden vom anliegenden elektrischen Feld stark beschleunigt und durchfliegen die in Form eines Ringzylinders ausgebildete gitterförmige Anode 108 und das Plasma 106 im Raum 102a. Nach dem Durchqueren des Elektronenaustrittsfensters 104, das beispielsweise als dünne Metallfolie ausgeführt sein kann, dringen die Elektronen in das vom ringförmigen Gehäuse 101 umschlossene Volumen 1 14 vor, in dem ein höherer Druck als im evakuierbaren Raum herrschen kann und durch das mit Elektronen zu beaufschlagende Schüttgutpartikel durch die Gehäuseringöffnung hindurchgeführt werden können. Als Material für das Elektronenaustrittsfenster 104 können alle aus dem Stand der Technik für ein Elektronenaustrittsfenster bekannten Materialien, wie beispielsweise Titan, verwendet werden. Außerdem ist es zum Zwecke einer höheren mechanischen Stabilität und Kühlung des Elektronenaustrittsfensters 104 vorteilhaft, dieses mit einem Stützgitter zu versehen, wie es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Zuvor wurde beschrieben, dass beim Auftreffen der Ionen auf den Oberflächenbereich 1 10 der zweiten Kathode 107 Sekundärelektronen ausgelöst werden. Zusätzlich werden dabei aber leider auch Materialpartikel der Kathode abgesputtert, aus welchen in einem reaktiven Prozess auch elektrisch nicht leitfähige Oxide gebildet werden, welche sich in den Randbereichen des Oberflächenbereichs 1 10 auf der zweiten Kathode 107 ablagern und dort nicht erwünschte Ares verursachen, was wiederum zu Prozessinstabilitäten führt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfasst daher auch noch ein zweites Reservoir 122, in welchem eine kohlenwasserstoff haltige Verbindung enthalten ist und welche ebenfalls wie das Arbeitsgas durch den mindestens einen ersten Einlass 120 in einem gasförmigen oder dampfförmigen Zustand in den evakuierbaren Raum eingelassen wird. Bevorzugt kann zum Beispiel ein Alkohol als kohlenwasserstoffhaltige Verbindung in den evakuierbaren Raum eingelassen werden. Durch das Einlassen einer kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung in den evakuierbaren Raum wird (infolge von Crackprozessen, die vom Plasma und den Strahlelektronen bewirkt werden) auch Kohlenstoff in die parasitären Ablagerungen auf der zweiten Kathode 107 mit eingebunden, was die elektrische Leitfähigkeit der Ablagerungen erhöht, Oberflächengleitentladungen unterbindet und so die Arcneigung verringert.
Da die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung gasförmig oder dampfförmig in den evakuierbaren Raum eingelassen werden soll, ist es vorteilhaft, wenn hierfür eine leicht flüchtige kohlenwasserstoffhaltige Verbindung verwendet wird. Aus der Gruppe der Alkohole sind zum Beispiel Methanol, Propanol und insbesondere Ethanol besonders als kohlenwasserstoffhaltige Verbindung geeignet.
Um die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung in den evakuierbaren Raum einzulassen, kann die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung beispielsweise in flüssiger Form im zweiten Reservoir vorliegen und das Arbeitsgas, welches ebenfalls in den evakuierbaren Raum eingelassen werden soll, durch die flüssige kohlenwasserstoffhaltige Verbindung im zweiten Reservoir hindurchgeleitet und anschießend durch den ersten Einlass 120 in den evakuierbaren Raum eingelassen werden. Bei solch einer Vorgehensweise werden dampfförmige Bestandteile der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung mit dem Arbeitsgas in den evakuierbaren Raum eingetragen. Alternativ kann die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung aber auch mittels eines separaten Mass-Flow-Controllers in den evakuierbaren Raum eingelassen werden.
Bezogen auf das durch den ersten Einlass in den evakuierbaren Raum eingetragene Volumen ist es vorteilhaft, wenn die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung einen Anteil von etwa 0,5 bis 10 Volumenprozent aufweist. Vorzugsweise weist die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung einen Anteil von etwa 2 bis 6 Volumenprozent auf. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger 100 auch eine Einrichtung zum Kühlen aufweist, wie es auch bei Vorrichtungen zum Erzeugen beschleunigter Elektronen aus dem Stand der Technik bekannt ist. So kann diese Einrichtung zum Kühlen des Elektronenstrahlerzeugers 100 beispielsweise Kühlkanäle umfassen, die sich innerhalb des Isolators 109 erstrecken und durch die ein Kühlmedium strömt.
Die zweite Anode 108, welche bei einem ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger bevorzugt als gitterförmiges Ringzylindersegment ausgebildet ist und welche die räumliche Grenze zwischen den evakuierbaren Räumen 102a und 102b darstellt, erfüllt drei wesentliche Aufgaben. Zum einen bewirkt sie aufgrund ihrer Spannungsdifferenz gegenüber der zweiten Kathode 107 eine Beschleunigung der aus dem Plasma extrahierten Ionen in Richtung der zweiten Kathode. Zum anderen bewirkt sie auch eine Beschleunigung der durch den lonenbeschuss erzeugten Sekundärelektronen in Richtung des Elektronenaustrittsfensters 104. Aufgrund des Sachverhaltes, dass die Gitterstruktur der zweiten Anode 108 parallel zur Sekundärelektronen emittierenden Oberfläche 1 10 der zweiten Kathode 107 ausgebildet ist, wird ein elektrisches Feld derart ausgebildet, dass auch die Bahnen der beschleunigten Sekundärelektronen weitgehend radial und antiparallel zu den Bahnen der sie jeweils freisetzenden Ionen verlaufen. Des Weiteren schirmt die zweite Anode 108 das Plasma vom Spannungspotenzial der zweiten Kathode 107 ab; verhindert dadurch das Abdriften zu vieler Elektronen weg von den drahtförmigen Elektroden 1 1 1 und trägt somit zum Aufrechterhalten des Plasmas 106 im evakuierbaren Raum 102a bei.
Wie zuvor schon einmal dargelegt wurde, sind die drahtförmigen Elektroden 105, welche in Summe die erste Anode darstellen, elektrisch isoliert durch die Wandungen des Gehäuses 101 geführt und erstrecken sich bei einer Ausführungsform parallel zur Ringachse 103 und vollständig durch den evakuierbaren Raum 102a. Bei einer alternativen Ausführungsform durchdringen zumindest einige der drahtförmigen Elektroden 105 nur eine Wandung des Gehäuses 101 und enden innerhalb des evakuierbaren Raums 102a ohne die gegenüberliegende Wandung zu durchdringen. Derartige drahtförmige Elektroden 105 werden nachfolgend auch als Stummelanoden bezeichnet. Durch den Einsatz von Stummelanoden kann die Plasmaausbildung im evakuierbaren Raum 102a förderlich beeinflusst und dadurch der Einsatzbereich der Vorrichtung 100 vergrößert werden. Insbesondere sinkt beim Einsatz von Stummelanoden die Lokalisierungsneigung des Plasmas, und geringere Entladungsströme, somit auch geringe Strahlströme, lassen sich stabiler steuern.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist jeder drahtförmigen Elektrode 105 eine separate Stromversorgungseinrichtung zugeordnet, welche der zugeordneten drahtförmigen Elektrode 105 das Anodenpotenzial bereitstellt. Alternativ kann auch mehreren drahtförmigen Elektroden 105 eine Stromversorgungseinrichtung zugeordnet sein, welche das gleiche Anodenpotenzial für alle zugeordneten drahtförmigen Elektroden 105 bereitstellt. Die einer Stromversorgungseinrichtung zugeordneten Elektroden können zum Beispiel benachbarte drahtförmige Elektroden 105 sein. Alternativ können einer Stromversorgung auch drahtförmige Elektroden 105 zugeordnet sein, die sich aus einer Reihenfolge, wie zum Beispiel jede zweite drahtförmige Elektrode 105, jede dritte drahtförmige Elektrode 105 oder jede vierte drahtförmige Elektrode 105 usw. ergeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 eine Stromversorgungseinrichtung mit vier unabhängig voneinander steuerbaren Kanälen zum Bereitstellen des Anodenpotenzials für die erste Anode. Jeder der vier Kanäle der Stromversorgungseinrichtung ist einem anderen 90°-Ringsektor des ringförmigen Raums 102a zugeordnet, wobei alle drahtförmigen Elektroden 105 eines 90°-Ringsektors elektrisch leitfähig mit dem zugehörigen Kanal der Stromversorgungseinrichtung verbunden sind, so dass alle drahtförmigen Elektroden 105 eines 90°-Ringsektors ein und dasselbe Anodenpotenzial aufweisen. Alternativ kann die Stromversorgungseinrichtung mit vier Kanälen auch durch vier separate Stromversorgungseinrichtungen oder durch zwei Stromversorgungseinrichtungen mit jeweils zwei separat steuerbaren Kanälen ersetzt werden. Mit einer solchen Schaltungskonstellation der drahtförmigen Elektroden 105 lassen sich die vier 90°-Ringsektoren separat zum Zweck der Plasmaausbildung steuern. Der jeweilige Entladungsstrom in den einzelnen Ringsektoren und im Ergebnis dessen auch der Elektronenstrom bzw. die Behandlungsdosis in den korrespondierenden
Umfangsbereichen der Kathode bzw. des atmosphärenseitigen Behandlungsraumes können dann so gesteuert werden, dass sich ein zeitlich und über den gesamten Umfang des Elektronenaustrittsfensters auch örtlich wohldefinierter (je nach Behandlungsgut und technologischen Erfordernissen homogener oder ringwinkelabhängig einstellbarer) Verlauf ergibt. Bei einer Stromversorgungseinrichtung mit vier Kanälen können die einzelnen Kanäle der Stromversorgungseinrichtung entweder gemeinsam aber mit frei programmierbarem Stromsollwert betreibbar sein oder aber diese sind alternativ nacheinander betreibbar, wobei die Reihenfolge des Betreibens, die Dauer des Betreibens und der zeitliche Versatz der einzelnen Kanäle frei programmierbar sind.
Die vier 90°-Ringsektoren können zum Beispiel alle gleichzeitig angesteuert werden. Dabei kann die örtliche Entladungsstromstärke in den einzelnen Sektoren je nach Bedarf gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Es hat sich jedoch als problematisch erwiesen, alle vier 90°-Ringsektoren gleichzeitig mit der für das Ausbilden eines stabilen Plasmas erforderlichen Energie zu speisen. Bevorzugt ist daher die Stromversorgungseinrichtung mit den vier Kanälen derart eingestellt, dass immer nur ein Kanal oder eine Gruppe von zwei oder drei Kanälen aktiv ist und die Anodenspannung für die drahtförmigen Elektroden 105 der zugehörigen 90°-Ringsektoren bereithält und dass die 90°-Ringsektoren bzw. Gruppen nacheinander angesteuert werden. Dabei müssen benachbarte 90°-Ringsektoren nicht notwendig unmittelbar nacheinander angesteuert werden. Zweckmäßig kann auch sein, gegenüberliegende 90°-Ringsektoren nacheinander anzusteuern. Dies kann dann wieder mit wahlweise (bzw. technologiekonform) identischer oder unterschiedlicher Entladungsstromstärke erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Entladungsstromstärke in jedem 90° Ringsektor bzw. jeder Gruppe gleich einstellbar, was die Schwankung der Stromabforderung vom zugehörigen Hochspannungsgerät minimiert. Das Ausregeln einer im zeitlichen Mittelwert über den Umfang homogenen oder winkelabhängig zu variierenden Elektronstromdichte und Behandlungsdosis ist hierbei realisierbar mittels einer individuellen Einschaltdauer („Duty Cycle") der 90°-Ringsektoren bzw. Gruppen. Für eine willige Plasmazündung und zur möglichst gleichmäßigen Stromabforderung vom Hochspannungsgerät ist es zudem vorteilhaft, einen frei programmierbaren zeitlichen Versatz zwischen Abschaltung des (der) vorhergehenden und Zuschaltung des (der) nächsten 90°-Ringsektors (bzw. Gruppe) vorzusehen.
Fig. 3 zeigt die schematische Schnittdarstellung einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Als Basis der Vorrichtung 300 fungiert eine ringförmige Vorrichtung, wie sie zu den Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Daher umfasst die Vorrichtung 300 auch ein ringförmiges Gehäuse 101 , bei welchem die Ringachse 103 senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet ist, so dass zum Beispiel mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Schüttgut von oben nach unten durch die Ringöffnung des ringförmige Gehäuses 101 hindurchfallen kann. Ein zylinderförmiges Schutzgitter 330 ist innerhalb der Ringöffnung vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 angeordnet, welches das Elektronenaustrittsfenster mechanisch vor herabfallenden Schüttgutpartikeln schützt. Das Schutzgitter 330 kann zum Beispiel aus einem hitzebeständigen Gazematerial bestehen.
Mittels einer ersten Einrichtung 331 wird eine Strömung 332 eines gasförmigen Mediums ausgebildet, welche zwischen dem Elektronenaustrittsfenster 104 und dem Schutzgitter 330 von unten nach oben ausgerichtet ist. Einerseits kühlt diese Strömung 332 das Elektronenaustrittsfenster 104 und andererseits bremst das gleichzeitig auch noch durch das Schutzgitter 330 hindurchdringende gasförmige Medium den Fall der Schüttgutpartikel, was die durchschnittliche Verweilzeit der Schüttgutpartikel vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 erhöht.
Außerdem werden durch das zusätzliche Einbringen des gasförmigen Mediums im Bereich zwischen Elektronenaustrittsfenster 104 und dem Schutzgitter 330 Schmutzpartikel, welche mit den Schüttgutpartikeln nach unten fallen und welche kleiner als die Öffnungen des Schutzgitters 330 sind, vom Elektronenfenster 314 ferngehalten, wodurch dessen Verschmutzung verringert und somit dessen Lebensdauer erhöht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung 300 mindestens einen Sensor auf, mittels dessen erste Ist-Werte, welche die Fallgeschwindigkeit der Schüttgutpartikel vor dem Elektronenaustrittsfenster 104 repräsentieren, erfasst werden. Innerhalb einer ersten Auswerteeinrichtung werden diese Ist-Werte mit einem ersten Soll- Wert für die Fallgeschwindigkeit der Schüttgutpartikel verglichen und ein erster Vergleichswert generiert und in Abhängigkeit vom ersten Vergleichswert die Intensität der Strömung 332 des gasförmigen Mediums geregelt. Die Intensität der Strömung 332 des gasförmigen Mediums kann beispielsweise verändert werden, indem mittels einer Stelleinrichtung die Leistung der ersten Einrichtung 331 verändert wird. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Schüttgutpartikel mit einer homogenen und/oder vorgegebenen Dosis an beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Zuvor wurde bereits beschrieben, dass das Schutzgitter vor dem Elektronenaustrittsfenster einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beispiel aus einem hitzebeständigen Gazematerial bestehen kann. Ein solches Gazematerial umfasst üblicherweise horizontal und vertikal verlaufende Metallfäden bzw. Metalldrähte. In Fig. 4 ist ein alternatives Schutzgitter 404 schematisch dargestellt, welches zumindest im Höhenbereich des Elektronenaustrittsfensters 104 lediglich vertikal verlaufende, metallene erste Drähte 430 umfasst, die zwischen einen oberen Anschlussring 431 und einem unteren Anschlussring 432 gespannt sind und wobei jeweils benachbarte erste Drähte 430 mit einem Maß voneinander beabstandet sind, dass kleiner ist als der Durchmesser der Schüttgutpartikel. Die zweiten Drähte 430 verlaufen somit auch parallel zur Ringachse 103 des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers. Horizontal verlaufende Drähte eines Schutzgitters vor einem Elektronenaustrittsfenster haben den Nachteil, dass am Schutzgitter von oben nach unten vorbeigleitende Schüttgutpartikel Stoßenergie in die horizontal verlaufenden Drähte eintragen, was zur Verformung bzw. Beschädigung eines Schutzgitters führen kann. Mit einem Schutzgitter 404 gemäß Fig. 4, welches nur vertikal verlaufende erste Drähte 430 aufweist, wird eine solche Fehlerquelle ausgeschlossen. Ein solches Schutzgitter 404 kann bei allen vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen eingesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform sind die metallenen ersten Drähte 430 einzeln oder in Gruppen elektrisch isoliert voneinander ausgebildet. Mittels mindestens einer Messeinrichtung ist der durch einen jeweiligen ersten Draht 430 bzw. eine erste Gruppe von ersten Drähten (430) fließende elektrische Strom bzw. ein zweiter Ist-Wert, der diesen elektrischen Strom repräsentiert, erfassbar und wird an eine zweite Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Dieser zweite Ist-Wert wird innerhalb der zweiten Auswerteeinrichtung mit einem zweiten Soll- Wert für den elektrischen Strom verglichen, infolgedessen ein zweiter Vergleichswert entsteht. In Abhängigkeit vom zweiten Vergleichswert ist dann der Kathodenstrom des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers im zugehörigen 90°-Ringsegment mittels der Entladungsstromstärke und/oder der Entladungsdauer steuerbar. Auf diese Weise kann eine Qualitätskontrolle dahingehend betrieben werden, ob das Beaufschlagen mit beschleunigten Elektronen in allen Ringsegmenten homogen bzw. nach einer vorgegebenen Winkelverteilung über den Umfang und mit der erforderlichen Bestrahlungsintensität erfolgt oder nicht. In Abhängigkeit vom zweiten Vergleichswert kann also der Kathodenstrom des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers mittels der Entladungsstromstärke und/oder der Entladungsdauer in den einzelnen 90°-Ringsegmenten bzw. Gruppen gesteuert werden. Durch die direkte und zeitlich wie örtlich auflösende Messung der Elektronenstromdichte im Behandlungsraum können deren einleitend geschilderte Unbestimmtheit (infolge eines unbekannten oder sich lokal bzw. zeitlich ändernden Townsend'schen Sekundärelektronen- Koeffizienten y) ausgeräumt und eine technologiekonforme Behandlungsdosis gesichert werden.
In Fig. 5 ist eine zweite alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 500 schematisch im Schnitt dargestellt, welche zunächst alle Elemente und Merkmale der Vorrichtung 300 aus Fig. 3 aufweist. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 500 ein rotationssymmetrisches Element 516, dessen Rotationsachse identisch ist mit der Ringachse 103 der ringförmigen Vorrichtung 100 und der ringförmigen Vorrichtung 300. Das rotationssymmetrische Element 516 ist in Fig. 6 noch einmal etwas detaillierter in einer Explosionsdarstellung schematisch abgebildet.
Das rotationssymmetrische Element 516 weist zunächst einen Grundkörper 620 in Form eines Hohlzylinders auf, wobei die Mantelfläche des Hohlzylinders aus metallenen zweiten Drähten 621 besteht, die zwischen ein oberes Anschlusselement 622 und ein unteres Anschlusselement 623 gespannt sind und welche parallel zur Ringachse 103 des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers verlaufen. Benachbarte zweite Drähte 621 sind jeweils mit einem Maß beabstandet, welches kleiner ist als der Durchmesser der Schüttgutpartikel, welche durch die Ringöffnung fallen, so dass keine Schüttgutpartikel in das Innere des Grundkörpers 620 gelangen können. Das obere Anschlusselement 622 und das untere Anschlusselement 623 können zum Beispiel scheibenförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Das rotationssymmetrische Element 516 umfasst des Weiteren ein oberes Abschlusselement 624 und ein unteres Abschlusselement 625, welche beispielsweise beide kegelförmig ausgebildet sein können und bei denen die kegelförmige Mantelfläche bevorzugt vollflächig geschlossen ist. Alternativ können die beiden Abschlusselemente 624, 625 auch eine andere, die Strömung des gasförmigen Mediums begünstigende. Form aufweisen. Das rotationssymmetrische Element 516 ist bei einer Ausführungsform derart innerhalb des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers angeordnet und derart dimensioniert, dass sich die metallenen zweiten Drähte 621 zumindest über die Flöhe des Elektronenaustrittsfensters 104 erstrecken.
Mit einem solchen rotationssymmetrischen Element 516 werden im Wesentlichen zwei positive Effekte erzielt. Zum einen werden die Schüttgutpartikel in einen ringförmigen Spalt zwischen dem Schutzgitter 104 und dem Grundkörper 620 des rotationssymmetrischen Elements 516 geleitet, wodurch ein dünner ringförmiger Vorhang von Schüttgutpartikeln ausgebildet und am Elektronenaustrittsfenster 104 vorbeigeführt wird, was zu einem guten Ergebnis hinsichtlich des Beaufschlagens der Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen führt. Andererseits können die Schüttgutpartikel auch rückseitig mit den Primärelektronen beaufschlagt werden, denen es von der gegenüberliegenden Seite des Elektronenaustrittsfensters aus gelingt, den Vorhang an Schüttgutpartikeln und den nicht vollständig geschlossenen Grundkörper 620 des rotationssymmetrischen Elements 516 zu durchdringen, was das Ergebnis des Beaufschlagens der Schüttgutpartikel mit beschleunigten Elektronen noch zusätzlich verbessert. Ein solches rotationssymmetrisches Element 516, wie hier lediglich beispielhaft zu Vorrichtung 500 beschrieben, kann alternativ aber auch bei allen anderen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen zum Einsatz gelangen.

Claims

Patentansprüche
1 . Ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, umfassend ein ringförmiges Gehäuse (101 ), welches einen ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b) begrenzt und ein ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) aufweist; mindestens ein erstes Reservoir (121 ), welches ein Arbeitsgas enthält; mindestens einen ersten Einlass (120) für das Zuführen des Arbeitsgases aus dem ersten Reservoir (121 ) in den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a; 102b); mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode, zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma (106) im ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma (106) auf die Oberfläche (1 10) einer ringförmigen zweiten Kathode (107) beschleunigbar sind und von der ringförmigen zweiten Kathode (107) emittierte Elektronen mittels einer zwischen der ringförmigen zweiten Kathode (107) und einer ringförmigen zweiten Anode (108) angelegten zweiten elektrischen Spannung in Richtung ringförmiges Elektronenaustrittsfenster (104) beschleunigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (101 ) als erste Kathode ausgebildet ist; dass die erste Anode eine Anzahl von drahtförmigen Elektroden (105) umfasst, welche sich vollständig oder teilweise durch den ringförmigen evakuierbaren Raum (102a) hindurch erstrecken, wobei in einem zweiten Reservoir (122) eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthalten ist, welche durch den mindestens einen ersten Einlass (120) in den evakuierbaren Raum (102a; 102b) einlassbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmigen Elektroden (105) innerhalb des ringförmigen evakuierbaren Raums (102a) ringförmig um die Ringachse (103) des ringförmigen Gehäuses (101) angeordnet sind und parallel zur Ringachse (103) verlaufen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringachse
(103) des ringförmigen Gehäuses (101 ) senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylinderförmiges Schutzgitter (330; 404) vor dem Elektronenaustrittsfenster
(104) angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Schutzgitter (404), welches zumindest im Bereich vor dem Elektronenaustrittsfenster (104) lediglich vertikal verlaufende erste Drähte (430) umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikal verlaufenden ersten Drähte (430) einzeln oder in Gruppen elektrisch isoliert voneinander ausgebildet sind; mittels mindestens einer Messeinrichtung ein zweiter Ist-Wert für den durch einen der vertikal verlaufenden ersten Drähte (430) oder eine Gruppe der ersten Drähte (430) des Schutzgitters (404) fließende elektrische Strom erfassbar ist; mittels einer zweiten Auswerteeinrichtung der zweite Ist-Wert mit einem zweiten Sollwert für den elektrischen Strom vergleichbar und ein zweiter Vergleichswert generierbar sind; in Abhängigkeit vom zweiten Vergleichswert der Kathodenstrom des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers im zugehörigen 90°- Ringsegment steuerbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (331), mittels welcher innerhalb der Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses (101) eine von unten nach oben gerichtete Strömung (332) eines gasförmigen Mediums erzeugbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens einen Sensor, mittels dessen ein erster Ist-Wert, welcher die Fallgeschwindigkeit von mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden Schüttgutpartikeln vor dem Elektronenaustrittsfenster (104) repräsentiert, erfassbar ist; eine erste Auswerteeinrichtung, mittels welcher der erste Ist-Wert mit einem ersten Soll-Wert für die Fallgeschwindigkeit der Schüttgutpartikel vergleichbar und ein erster Vergleichswert generierbar ist und eine Stelleinrichtung, mittels welcher die Leistung der ersten Einrichtung (331) in Abhängigkeit vom ersten Vergleichswert regelbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch eine rotationssymmetrische Einrichtung (516), deren Rotationsachse identisch mit der Ringachse (103) ist, umfassend einen Grundkörper (620) in Form eines Hohlzylinders, wobei die Mantelfläche des Hohlzylinders aus parallel zur Ringachse (103) verlaufenden, metallenen zweiten Drähten (621) besteht. 0. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stromversorgungseinrichtung mit vier unabhängig voneinander steuerbaren Kanälen zum Bereitstellen des Anodenpotenzials für die erste Anode, wobei jeder der vier Kanäle der Stromversorgungseinrichtung einem anderen 90°-Ringsektor des ringförmigen Raums 102a zugeordnet ist und wobei alle drahtförmigen Elektroden (105) eines 90°-Ringsektors elektrisch leitfähig mit dem zugehörigen Kanal der Stromversorgungseinrichtung elektrisch leitfähig verbunden sind, so dass alle drahtförmigen Elektroden (105) eines 90°-Ringsektors ein und dasselbe Anodenpotenzial aufweisen. 1 . Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der Stromversorgungseinrichtung gemeinsam aber mit frei programmierbarem Stromsollwert betreibbar sind. 2. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Kanäle der Stromversorgungseinrichtung nacheinander aber mit frei programmierbarer Reihenfolge, Dauer und programmierbarem zeitlichen Versatz betreibbar sind.
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