電子ビーム加速器
【課題】電子ビーム装置の保守が短時間かつ容易に行える電子加速器および電子加速方法を提供する。
【解決手段】電子ビーム放射窓２４を備える真空チャンバ４６であって、細長い要素の中に形成されている真空チャンバ４６と、真空チャンバ４６内に配置され、電子を発生する電子発生器３１と、細長い要素の中に配置され、電子発生器３１に電力を供給する高電圧コネクタ１２と、高電圧コネクタ１２と真空チャンバ４６とを分離する高電圧絶縁体２８とを備え、電子発生器３１をハウジングにより囲み、ハウジングにおける電子発生器３１と電子ビーム放射窓との間に少なくとも１つの開口が形成され、前記ハウジングと電子ビーム放射窓２４間に電圧が供給されたときに、電子を電子発生器３１から電子ビームにして真空チャンバ４６に密封されている電子ビーム放射窓２４の外に加速する電子加速器。
【解決手段】電子ビーム放射窓２４を備える真空チャンバ４６であって、細長い要素の中に形成されている真空チャンバ４６と、真空チャンバ４６内に配置され、電子を発生する電子発生器３１と、細長い要素の中に配置され、電子発生器３１に電力を供給する高電圧コネクタ１２と、高電圧コネクタ１２と真空チャンバ４６とを分離する高電圧絶縁体２８とを備え、電子発生器３１をハウジングにより囲み、ハウジングにおける電子発生器３１と電子ビーム放射窓との間に少なくとも１つの開口が形成され、前記ハウジングと電子ビーム放射窓２４間に電圧が供給されたときに、電子を電子発生器３１から電子ビームにして真空チャンバ４６に密封されている電子ビーム放射窓２４の外に加速する電子加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電子ビームは、インク、接着剤、塗料、被覆材の乾燥や硬化などの多くの工業工程で使用される。また、電子ビームは、液体、気体および表面の殺菌の他に有害廃棄物の浄化にも使用される。
【背景技術】
【０００２】
工業工程で使用する従来の電子ビーム装置は、電子ビームを処理する材料へ照射する電子ビーム加速器を組み込んでいる。電子ビーム加速器は大きな鉛製の容器の真空チャンバを有し、その中にはフィラメント用電源から電力が供給される１つまたは複数の電子発生フィラメントを内蔵している。運転中は、真空チャンバは常に真空ポンプで排気されている。フィラメントは、真空チャンバの一面に設けられた金属箔の電子ビーム放射窓に面した開口格子を有するハウジングで囲まれている。高電圧電源により高電圧がフィラメントのハウジングと電子ビーム放射窓間に印加される。フィラメントから発生した電子は、電子ビームとなってフィラメントからハウジングの開口格子を通り、放射窓から外へ加速される。通常エキストラクタ電源が、フィラメントと放射窓間の領域の電界を均一にするために組み込まれている。これにより、電子ビーム中の電子が図１の曲線１に図示するようにビームの中心に集中するのを防ぎ、図１の曲線２に図示するようにビームの幅方向に均等に分散させる。
【０００３】
工業的用途に電子ビーム技術を利用する際に障害となるのは、従来の電子ビーム装置が複雑な上に、装置を保守するために真空技術および加速器技術に関して高度に訓練された人員を必要とすることである。例えば、通常的使用においては、フィラメントと電子ビーム放射窓金属箔の両方を定期的に交換する必要がある。このような保守作業は、加速器の寸法が大きくて重いため、現場で実施する必要がある（一般的には、直径２０〜３０インチ、長さ４〜６フィート、重さ数千ポンド）。フィラメントと電子ビーム放射窓の交換には、真空チャンバを開く必要があり、汚染物質が侵入する原因となる。この交換は長い休止時間を要する。何故ならフィラメントと放射窓を交換すると、加速器を排気して高電圧運転用に調整した後で、初めて加速器が運転可能になるからである。調整には、真空チャンバを開いたときに侵入した真空チャンバ内と放射窓上の汚染物質を焼却するために、時間をかけて段階的に高電圧電源からの電力を上昇することが必要となる。この処理には汚染の程度により２時間〜１０時間を要する。
【０００４】
しばしば、放射窓に漏れを生じ、それを補修するのに余分な時間を要することもある。最終的には、１〜２年毎に加速器の高電圧用絶縁体を交換し、加速器全体を分解する必要がある。この処理に要する時間は約２〜４日である。結果的に、フィラメント、放射窓金属箔および高電圧絶縁体を交換する必要のあるときは、電子ビーム放射を必要とする製造工程は長時間中断することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電子ビーム装置用の小型で簡単な上に、電子ビーム装置の保守が容易で、真空技術と加速器技術に関して高度に訓練された人員を必要としない電子加速器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による電子加速器には、電子ビーム放射窓を有する真空チャンバが組み込まれている。電子発生器は真空チャンバ内にあって電子を発生する。電子発生器を囲むハウジン
グがあり、ハウジングの電子発生器と電子ビーム放射窓の間の部分には第１の開口列が配列されており、ハウジングと電子ビーム放射窓間に電圧が印加されると、電子を電子発生器から電子ビーム放射窓の外へ電子ビームにして加速する。また前記ハウジングは電子発生器を挟んだ両対向側面に第２および第３の開口列３５を有し、電子発生器と放射窓間の電界線を平坦にして電子ビームの幅方向の電子分布を均等にする。
【０００７】
好ましい実施形態によれば、真空チャンバは、長軸線と外壁を有する円筒体内に形成される。円盤形の高電圧絶縁体は、電子発生器とハウジングに電力を供給する高電圧コネクタとから真空チャンバを分離する。２本のリード線が高電圧コネクタから延びており、絶縁体を貫通して高電圧コネクタを電子発生器とハウジングに接続している。電子発生器はフィラメントを有するのが望ましい。電子ビーム放射窓は、厚さ１２．５ミクロン以下のチタン箔で形成するのが望ましく、約６〜１２ミクロンがさらに望ましく、約８〜１０ミクロンが最も望ましい。電子ビーム放射窓は真空チャンバにろう付け、溶接または接着されている外縁部を備えており、それにより真空密封を行う。真空チャンバは気密にされ、恒久的に真空を維持できる。密封可能な排気口が真空チャンバに接続されており、そこから排気を行う。
【０００８】
支持板が真空チャンバに取り付けられ電子ビーム放射窓を支持している。電子加速器で発生する電子ビームは、実質的には集束していない。好ましい一実施形態では、電子ビーム放射窓は真空チャンバの長軸線に垂直に位置する。別の好ましい実施形態では、放射窓は真空チャンバの長軸線に平行に位置する。また、本発明は、第１の電子ビームを発生するための第１電子ビーム加速器を組み込んでいる電子ビーム装置を提供する。第２電子ビーム加速器が組み込まれており、第２の電子ビームを発生する。第２加速器は第１加速器の後方の横方向に変位してあり、装置の電子ビームの下を移動する対象物上に、横方向に連続した（隙間の無い）電子ビーム照射を行う。
【０００９】
本発明は、小型で交換可能なモジュール方式の電子ビーム加速器を提供するものである。フィラメントまたは電子ビーム放射窓を交換する必要があるときは、加速器全体をそっくり交換することにより、電子ビーム装置の休止時間を大幅に減少できる。またこれにより、電子ビーム装置の保守に関して、真空技術と加速器技術に習熟した人員を必要としなくなる。さらに、高電圧絶縁体を現場で交換する必要もなくなる。そのうえ、この独創的な電子ビーム加速器は、従来の電子ビーム加速器に比べ構成部品が少なく、低消費電力であり、低価格化、単純化、小型化、高効率化されている。加速器の小型化は、小型印刷機のような空き空間に制約のある装置内や、ライン中での織物の殺菌やステーション間での硬化の目的に使用するのに適する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電子がビームの幅方向に一様に分布している電子ビームの電子分布を示すグラフ上に、集束した電子ビームの電子分布を重ねて図示したグラフである。
【図２】本発明による電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図３】図２の加速器の電気的接続を示す図である。
【図４】電界線を示すフィラメントのハウジングの端面図である。
【図５】側面の開口３５を省いたときの電界線を示すフィラメントのハウジングの端面図である。
【図６】複数の電子ビーム加速器を組み込んだ装置の平面図である。
【図７】フィラメントのハウジングの側面断面図であり、フィラメントを電気的に接続する別の好ましい方法を示す。
【図８】図７の底面断面図である。
【図９】別の好ましいフィラメント配列を示す模式図である。
【図１０】さらに別の好ましいフィラメント配列を示す模式図である。
【図１１】別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に関する上述した目的および他の目的、特徴および利点は、好ましい実施形態図面を用いてさらに具体的に説明する。ただし、各図面を通じ同一部分には同一参照符号を用いている。図の縮尺は必ずしも正確でなく、本発明の原理を図示することに重点を置いている。
【００１２】
図２および図３において、電子ビーム加速器１０は交換可能なモジュール方式の加速器であり、電子ビーム装置ハウジング（図示せず）内に組み込まれている。加速器１０は、両端を密封した細長い円筒形の外側ケーシング（構造体）１４を備え、この外側ケーシング１４は２分割形である。外側ケーシング１４は外側ケーシング１４に溶接された基端部エンド・キャップ１６で密閉されている。外側ケーシング１４とエンド・キャップ１６は、それぞれステンレス鋼製が望ましいが、代わりに他の適切な金属製でもよい。
【００１３】
加速器１０の先端部は、ステンレス鋼製の先端部エンド・キャップ２０に外縁部２３に沿ってろう付けされているチタン箔製の電子ビーム放射窓膜２４で密閉されている。エンド・キャップ２０は、外側ケーシング１４に溶接されている。
【００１４】
通常、電子ビーム放射窓２４は厚さ約６から１２ミクロンであり、８から１０ミクロンがさらに望ましい。変形形態としては、電子ビーム放射窓２４は、マグネシウム、アルミニウム、ベリリウムのような他の適切な金属箔製でも、セラミックのような適切な非金属の低密度材料でもよい。さらに電子ビーム放射窓２４は、エンド・キャップ２０に溶接または接着してもよい。
【００１５】
四角形の支持板２２は、電子を通過させる開口２２ａを有し、エンド・キャップ２０にボルト２２ｂで固定され、電子ビーム放射窓２４を支持している。支持板２２は熱放散のためには銅製が望ましいが、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンのような他の適切な金属製でもよい。支持板２２の開口２２ａは直径約１／８インチの円形で、電子ビーム放射窓２４から電子の約８０％を通過させる。エンド・キャップ２０には冷却液通路が設けられ、冷却液がポンプで注入されてエンド・キャップ２０、支持板２２、電子ビーム放射窓２４を冷却している。冷却液は流入口２５ａから入り、流出口２５ｂから出る。流入口２５ａと流出口２５ｂは、電子ビーム装置ハウジングに設けた冷却液の供給口と戻り口に結合されている。冷却液の供給口と戻り口は、流入口２５ａと流出口２５ｂを密封する“Ｏ”リングでシールされている。加速器１０は、直径約１２インチ、長さ２０インチ、重さ約５０ポンドである。
【００１６】
高電圧電力ケーブル・コネクタ１２に接合する高電圧接続用レセプタクル１８は、基端部エンド・キャップ１６に取り付けられている。高電圧ケーブルが、高電圧電源４８とフィラメント電源５０から加速器１０に電力を供給する。高電圧電源４８は約１００ＫＶを供給するのが望ましいが、電子ビーム放射窓２４の厚みによって増減してもよい。フィラメント電源５０は約１５Ｖが望ましい。２本のリード線２６ａ／２６ｂはレセプタクル１８から下方に延びて、加速器１０を上部の絶縁チャンバ４４と下部の真空チャンバ４６に分割する円盤状の高電圧セラミック絶縁体２８を貫通する。セラミック絶縁体２８の外部ケーシング１４への接合には、まずセラミック絶縁体２８がコバール（登録商標）のようなセラミック絶縁体２８と同一の膨張係数を持つ中間リング２９にろう付けされる。次に、中間リング２９が外側ケーシング１４にろう付けされる。上部チャンバ４４には排気後にＳＦ6ガスのような絶縁媒質を充填するが、代わりにオイルや固体絶縁物を充填しても
よい。気体や液体状の絶縁媒質は、閉止弁４２を通して充填や排出が可能である。
【００１７】
電子発生器３１は真空チャンバ４６内に位置しており、電気的に並列に接続した３本の長さ８インチのタングステン製フィラメント３２（図４）から構成するのが望ましい。別の形態としては、２本のフィラメント３２を使用することができる。電子発生器３１はステンレス鋼製のフィラメント・ハウジング３０で囲まれている。フィラメント・ハウジング３０は、平板状の底部３３に空けた一連の格子状の開口３４と、ハウジング３０の４つの側面に空けた多数の開口３５とを有する。フィラメント３２は、ハウジング３０内のハウジング３０の底部と上部の中間付近に取り付けるのが望ましい。開口３５は実質的にフィラメント３２の上方までは延びていない。
【００１８】
リード線２６ａと電路５２は、フィラメント・ハウジング３０を電気的に高圧電源４８に接続する。リード線２６ｂはフィラメント・ハウジング３０の開口３０ａを貫通し、フィラメント電源５０とフィラメントを電気的に接続する。電子ビーム放射窓２４は電気的に接地され、高電圧をフィラメント・ハウジング３０と電子ビーム放射窓２４間に印加させる。
【００１９】
排気口３９を真空チャンバ４６に設け、真空チャンバ４６を排気する。排気口３９は、外側ケーシング１４に溶接したステンレス鋼製の外部パイプ３６と外部パイプ３６にろう付けされた密封可能な銅パイプ３８とを有する。真空チャンバ４６を排気したあとは、銅パイプ３８を冷間圧着してシール４０を形成して、真空チャンバ４６を密封する。
【００２０】
使用に際しては、加速器１０を電子ビーム装置に組み込み、コネクタ１２と電気的に接続する。電子ビーム装置のハウジングには、加速器１０を囲む鉛製の包囲体が組み込まれている。フィラメント３２は、フィラメント電源５０（ＡＣまたはＤＣ）から電力を供給されて約４２００°Ｆにまで加熱され、フィラメント３２に自由電子を発生させる。高圧電源４８から印加されるフィラメント・ハウジング３０と電子ビーム放射窓２４間の高電圧により、フィラメント３２上の自由電子５６を電子ビーム５８にして、フィラメント３２からハウジング３０の開口３４および電子ビーム放射窓２４を通過して加速させる（図４）。
【００２１】
側面開口３５は、その周辺に小電界を発生し、フィラメント３２と電子ビーム放射窓２４間の高電圧電界線５４を、ハウジング３０の底部３３の平面に対して平坦化（この平面と平行化）する。電界線５４を平坦にすることで、電子ビーム５８の電子５６は、図１の曲線１に示すように中心位置に集束することなく、比較的直線的に開口３４を通ってハウジング３０から放射される。この結果、電子ビーム５８は、図１の曲線２と同様のプロファイルを有する、幅が約２インチ、長さ約８インチの幅広のビームになる。図１の曲線１の細い高密度電子ビームは好ましくない。何故なら、電子ビーム放射窓２４を焼いて穴を空けるからである。
【００２２】
側面開口３５の機能をさらに図解するために、図５に側面開口３５を省いたハウジング３０を示す。図示されているように、側面開口３５を省いた状態では、電界線５４は上方へアーチ形に湾曲する。電子５６は電界線５４にほぼ垂直に進むため、電子５６は細い電子ビーム５７に集束する。対照的に、図４では、電界線５４は平坦になり、電子５６は幅広の集束しない電子ビーム５８の状態で進む。したがって、従来の加速器が電子ビームの幅方向に電子を均等に分散させるために高電圧電界線を均一にする目的で高電圧のエキストラクタ電源を必要としたのに対し、本発明では、開口３５を設けることにより同一結果を簡単かつ安価に実現している。
【００２３】
フィラメント３２または電子ビーム放射窓２４を交換するとき、加速器１０全体を電子ビーム装置ハウジングから取り外し、新しい加速器１０と交換するだけでよい。新しい加速器１０は前もって高電圧運転用に調整されているので、電子ビーム装置の休止時間は数
分だけになる。単一部分の交換のみですむため、電子ビーム装置のオペレータは真空技術や加速器技術の保守について高度に習熟する必要はない。さらに、加速器１０は小型軽量のため１人で交換できる。
【００２４】
古い加速器１０を再調整するためには、古い加速器を真空技術専門会社に送るのが望ましい。まず、電子ビーム放射窓２４と支持板２２を取り外して真空チャンバ４６を開ける。次に、ハウジング３０を真空チャンバ４６から取り外してフィラメント３２を交換する。必要なら、上部チャンバ内の絶縁媒質を、外部ケーシング１４に設けたバルブ４２から排出する。その後、ハウジング３０を真空チャンバ４６内に元通りに取り付ける。支持板２２をエンド・キャップ２０にボルトで固定し、電子ビーム放射窓２４を交換する。新しい電子ビーム放射窓２４の外縁部２３は、エンド・キャップ２０にろう付けされて密封構造を形成する。電子ビーム放射窓２４は、支持板２２、ボルト２２ｂおよびボルト穴を覆っているので、“Ｏ”リングなどがなくても漏れもなく、支持板２２の全面をシールする補助機能を果たしている。銅バイプ管３８を取り外し、新しい銅パイプ３８をパイプ３６にろう付けする。これらの調整作業は、真空チャンバ内や電子ビーム放射窓２４の汚染を防ぐために、清浄な空気環境に制御された場所で行う。
【００２５】
清浄な環境内で加速器１０を組み立てることで、電子ビーム放射窓２４は、容易に厚さ８〜１０ミクロンまたは６ミクロンにまでできる。この理由は、塵埃または汚染物質が電子ビーム放射窓２４と支持板２２間の電子ビーム放射窓２４上に堆積するのを妨げるからである。このような汚染物質は、１２．５ミクロン以下の厚さの電子ビーム放射窓２４に穴を開ける。対照的に、従来の加速器の電子ビーム放射窓は、保守作業の間は塵埃の多い場所で組み立てるため、厚さ１２．５〜１５ミクロンを必要とする。厚さ１２．５〜１５ミクロンの電子ビーム放射窓は、塵埃が電子ビーム放射窓に穴を開けるのを防ぐ。本発明による電子ビーム放射窓２４は、従来の加速器の電子ビーム放射窓より厚さが薄いため、電子を加速して電子ビーム放射窓２４を貫通させるのに要する電力が非常に小さくてすむ。例えば、従来の加速器では、厚さ１２．５〜１５ミクロンの電子ビーム放射窓を貫通するよう電子を加速するのには約１５０ＫＶが必要である。これに反し、本発明によれば、厚さ８〜１０ミクロンの電子ビーム放射窓を貫通するのに約８０〜１２５ＫＶでよい。
【００２６】
結果的に、同等の電子ビームを発生させるのに、加速器１０は従来の加速器に比べ効率が高くなる。さらに、低い電圧でよいため、加速器１０は小型にでき、従来の加速器で使用されていた円筒形または円錐形の絶縁体より小型の円盤形の絶縁体２８を使用できる。加速器１０を従来の加速器より小型にできる理由は、加速器１０に従来より低い電圧を使用するために、構成部品を近接させて組み込めるためである。真空チャンバ４６内を清浄環境に制御すれば、構成部品をさらに近接させて組み込める。従来の加速器は高電圧で動作する上、加速器内に汚染物質が多く存在するので、構成部品間のアーク放電を防止するために部品間距離を長くする必要がある。実際、従来の加速器では真空ポンプからの汚染物質が使用中に加速器中へ侵入する。
【００２７】
次に、真空チャンバ４６は排気口３９から排気され、チューブ３８が冷間圧着して密封される。真空チャンバ４６を密封すると、真空チャンバ４６は恒久的に真空状態を維持し真空ポンプを作動する必要はなくなる。これにより、本発明による加速器１０を作動させるのが簡単で安価になる。その後、加速器１０を高電圧動作に備え前調整する。加速器１０を電子ビーム装置に接続し、高電圧を徐々に上昇させて、真空チャンバ内と電子ビーム放射窓上の汚染物質を焼却する。真空チャンバ４６内のすべての分子は、高電圧および／または電子ビームによりイオン化され、ハウジング３０方向へ加速される。イオン化分子はハウジング３０に衝突してハウジング３０の表面に捕獲され、さらに真空度を増加させる。また加速器１０を高電圧動作に備えて前調整する間に、真空チャンバ４６を排気することができる。加速器１０は電子ビーム装置から取り外し、再使用のため保管する。
【００２８】
図６は、３台の加速器１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含むシステム６４を示す。これらの加速器は、電子ビーム６０を移動する製品６２の全幅に渡って隙間なく照射するように互い違いに配置されている。それぞれの加速器１０ａ、１０ｂ、１０ｃの電子ビーム６０は１台の加速器の外径よりも細いため、３台を並べて取り付けても、製品６２の全幅に渡って電子ビーム６０を照射することはできない。その代わり、加速器１０ｂを、製品６２の移動方向に沿って、加速器１０ａと１０ｃに対して少し横後方にずらせで配置する。その結果、それぞれの電子ビーム６０の側端は互いに横方向に整列することになる。結果的に、図のように移動製品６２は、階段的配置の電子ビーム６０が重なって照射される。３台の加速器が図示されているが、別の方法としては、４台以上の加速器１０を互い違いに並べて幅の広い製品を照射したり、２台の加速器１０で幅の狭い製品を照射することもできる。
【００２９】
図７と８は、リード線２６ａと２６ｂをフィラメント・ハウジング３０とフィラメント３２に電気的に接続する別の好ましい方法を図示する。リード線２６ａはフィラメント・ハウジング３０の上部に固定する。３つのフィラメント・ブラケット１０２はフィラメント・ハウジング３０の上部から下方へ延びている。フィラメント・マウント１０４はそれぞれのブラケット１０２に取り付けられている。絶縁ブロック１１０とフィラメント・マウント１０８は、フィラメント・ハウジング３０の反対側に取り付けられている。フィラメント３２はフィラメント・マウント１０４と１０８間に張り渡して取り付けられる。フレキシブルなリード線１０６でリード線２６ｂとフィラメント・マウント１０８を電気的に接続する。フィラメント・ブラケット１０２はスプリング効果を有し、使用中にフィラメント３２が膨張／収縮するのを補正する。円筒状のブラケット１１２は、リード線２６ａ／２６ｂの代わりにハウジング３０を支持する。
【００３０】
図９において、フィラメント配列９０は、電子ビームの幅を単一フィラメントの場合よりも広げるために、複数のフィラメントを電気的に接続する別の好ましい方法である。フィラメント９２は平行に配置され、リード線９４で相互に電気的に直列接続されている。図１０において、フィラメント配列９８は、平行に配置されて２本のリード線９６で電気的に並列に接続された一連のフィラメント９７を図示している。またフィラメント配列９８は、電子ビームの幅を広げるのにも使用される。
【００３１】
図１１において、加速器７０は本発明の別の好ましい実施形態である。加速器７０は、先の加速器１０で発生する電子ビームに対して９０°の角度の方向に電子ビームを発生する。加速器７０が加速器１０と異なるのは、フィラメント７８が真空チャンバ８８の長軸線Ａに対して垂直ではなく、平行になっていることである。さらに、電子ビーム放射窓８２は、真空チャンバ８８の細長い外側ケーシング７２に取り付けられており、長軸線Ａに平行になっている。電子ビーム放射窓８２は、外側ケーシング７２の側面に取り付けた支持板８０で支持されている。細長いフィラメント・ハウジング７５がフィラメント７８を囲み、ハウジング７５の一側面７６には、長軸線Ａに垂直な方向に開口した格子状開口３４を有する。フィラメント・ハウジング７５の側面開口３５は、開口３４に垂直な方向に開口している。エンド・キャップ７４は真空チャンバ８８の端面を塞いでいる。加速器７０は、複数の加速器を互い違いに配置して使用することなく、電子ビームを広い範囲に放射するのに適し、また狭い場所での使用に適する。加速器７０は長さ約３〜４フィートにでき、より広い範囲に使用するためには互い違いに配置することもできる。
【００３２】
本発明による電子加速器は、液体や気体（空気のような）殺菌や表面の殺菌のほか医療用品、食品、有害な医療廃棄物の殺菌および有害廃棄物の浄化に適する。その他の応用分野には、オゾン生成、燃料霧化（微粒化）および材料の化学的接着や融合がある。また、本発明による電子加速器は、インク、被覆加工、接着、密封剤の硬化に利用できる。さら
にポリマーのような材料を、電子ビームで交差結合(cross linked)させて構造特性を改良することができる。
【００３３】
フィラメント・ハウジングにある開口列３５は、電界線の形状を整えるための受動的電界線整形手段を形成し、特に電界線を均一にする機能を持つ。“受動的”とは電界線を形成するのに、別途のエキストラクタ電源を必要としない意味である。さらに、電界線は複数のフィラメントを使用して形成することができる。また、電界線の形状をさらに変えるのに、フィラメント間に隔壁や受動電極を配置することもできる。複数フィラメントや隔壁および受動電極は、電界線を平坦化したり、その他の形状にしたりする平坦化機能手段として使用できる。
【００３４】
均等物
本発明について、好ましい実施形態に関連して具体的に図示し説明したが、添付の請求事項に規定するように、形態や詳細についての各種の変更が、本発明の精神および範囲を逸脱しない範囲内で可能であることは、当業者に理解できよう。
【００３５】
例えば、本発明では複数フィラメントを組み込む、と述べているが、その代わりに単一フィラメントを使用することもできる。さらに、外側ケーシング、エンド・キャップ、フィラメント・ハウジングはステンレス鋼製が望ましいが、その代わりに、チタン、銅、コバールのようなその他の適切な金属を使用することもできる。通常、エンド・キャップ１６と２０は外側ケーシングに溶接されているが、ろう付けすることもできる。支持板２２の開口２２は、長孔のような非円形であってもよい。フィラメント３２の寸法と加速器１０の直径は、用途により変更してもよい。また、絶縁体２８にはガラスのようなその他の適切な材料を使用してもよい。
【００３６】
チタン製の電子ビーム放射窓の厚さは１２．５ミクロン以下（６〜１２ミクロン）が望ましいが、必要なら用途によって１２．５ミクロンより厚くすることもできる。１２．５ミクロンより厚い電子ビーム放射窓には、約１００ＫＶ〜１５０ＫＶの高電圧を供給する必要がある。もし、電子ビーム放射窓がアルミニウムのようなチタンより軽い材料からできている場合は、同一電子ビーム特性を実現するのに、電子ビーム放射窓の厚さはチタン製電子ビーム放射窓の相当厚さより厚くしてもよい。加速器１０および７０は円筒形状が望ましいが、四角形や長円形断面のようなその他の適切な形状としてもよい。本発明による加速器は、安価にするために多量に作り、使い捨て使用とすることもできる。最後に、レセプタクル１８はスペースを節約するために長軸線Ａに垂直に配置することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
２４ 電子ビーム放射窓
３０ ハウジング
３１ 電子発生器
４６ 真空チャンバ
【技術分野】
【０００１】
電子ビームは、インク、接着剤、塗料、被覆材の乾燥や硬化などの多くの工業工程で使用される。また、電子ビームは、液体、気体および表面の殺菌の他に有害廃棄物の浄化にも使用される。
【背景技術】
【０００２】
工業工程で使用する従来の電子ビーム装置は、電子ビームを処理する材料へ照射する電子ビーム加速器を組み込んでいる。電子ビーム加速器は大きな鉛製の容器の真空チャンバを有し、その中にはフィラメント用電源から電力が供給される１つまたは複数の電子発生フィラメントを内蔵している。運転中は、真空チャンバは常に真空ポンプで排気されている。フィラメントは、真空チャンバの一面に設けられた金属箔の電子ビーム放射窓に面した開口格子を有するハウジングで囲まれている。高電圧電源により高電圧がフィラメントのハウジングと電子ビーム放射窓間に印加される。フィラメントから発生した電子は、電子ビームとなってフィラメントからハウジングの開口格子を通り、放射窓から外へ加速される。通常エキストラクタ電源が、フィラメントと放射窓間の領域の電界を均一にするために組み込まれている。これにより、電子ビーム中の電子が図１の曲線１に図示するようにビームの中心に集中するのを防ぎ、図１の曲線２に図示するようにビームの幅方向に均等に分散させる。
【０００３】
工業的用途に電子ビーム技術を利用する際に障害となるのは、従来の電子ビーム装置が複雑な上に、装置を保守するために真空技術および加速器技術に関して高度に訓練された人員を必要とすることである。例えば、通常的使用においては、フィラメントと電子ビーム放射窓金属箔の両方を定期的に交換する必要がある。このような保守作業は、加速器の寸法が大きくて重いため、現場で実施する必要がある（一般的には、直径２０〜３０インチ、長さ４〜６フィート、重さ数千ポンド）。フィラメントと電子ビーム放射窓の交換には、真空チャンバを開く必要があり、汚染物質が侵入する原因となる。この交換は長い休止時間を要する。何故ならフィラメントと放射窓を交換すると、加速器を排気して高電圧運転用に調整した後で、初めて加速器が運転可能になるからである。調整には、真空チャンバを開いたときに侵入した真空チャンバ内と放射窓上の汚染物質を焼却するために、時間をかけて段階的に高電圧電源からの電力を上昇することが必要となる。この処理には汚染の程度により２時間〜１０時間を要する。
【０００４】
しばしば、放射窓に漏れを生じ、それを補修するのに余分な時間を要することもある。最終的には、１〜２年毎に加速器の高電圧用絶縁体を交換し、加速器全体を分解する必要がある。この処理に要する時間は約２〜４日である。結果的に、フィラメント、放射窓金属箔および高電圧絶縁体を交換する必要のあるときは、電子ビーム放射を必要とする製造工程は長時間中断することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電子ビーム装置用の小型で簡単な上に、電子ビーム装置の保守が容易で、真空技術と加速器技術に関して高度に訓練された人員を必要としない電子加速器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による電子加速器には、電子ビーム放射窓を有する真空チャンバが組み込まれている。電子発生器は真空チャンバ内にあって電子を発生する。電子発生器を囲むハウジン
グがあり、ハウジングの電子発生器と電子ビーム放射窓の間の部分には第１の開口列が配列されており、ハウジングと電子ビーム放射窓間に電圧が印加されると、電子を電子発生器から電子ビーム放射窓の外へ電子ビームにして加速する。また前記ハウジングは電子発生器を挟んだ両対向側面に第２および第３の開口列３５を有し、電子発生器と放射窓間の電界線を平坦にして電子ビームの幅方向の電子分布を均等にする。
【０００７】
好ましい実施形態によれば、真空チャンバは、長軸線と外壁を有する円筒体内に形成される。円盤形の高電圧絶縁体は、電子発生器とハウジングに電力を供給する高電圧コネクタとから真空チャンバを分離する。２本のリード線が高電圧コネクタから延びており、絶縁体を貫通して高電圧コネクタを電子発生器とハウジングに接続している。電子発生器はフィラメントを有するのが望ましい。電子ビーム放射窓は、厚さ１２．５ミクロン以下のチタン箔で形成するのが望ましく、約６〜１２ミクロンがさらに望ましく、約８〜１０ミクロンが最も望ましい。電子ビーム放射窓は真空チャンバにろう付け、溶接または接着されている外縁部を備えており、それにより真空密封を行う。真空チャンバは気密にされ、恒久的に真空を維持できる。密封可能な排気口が真空チャンバに接続されており、そこから排気を行う。
【０００８】
支持板が真空チャンバに取り付けられ電子ビーム放射窓を支持している。電子加速器で発生する電子ビームは、実質的には集束していない。好ましい一実施形態では、電子ビーム放射窓は真空チャンバの長軸線に垂直に位置する。別の好ましい実施形態では、放射窓は真空チャンバの長軸線に平行に位置する。また、本発明は、第１の電子ビームを発生するための第１電子ビーム加速器を組み込んでいる電子ビーム装置を提供する。第２電子ビーム加速器が組み込まれており、第２の電子ビームを発生する。第２加速器は第１加速器の後方の横方向に変位してあり、装置の電子ビームの下を移動する対象物上に、横方向に連続した（隙間の無い）電子ビーム照射を行う。
【０００９】
本発明は、小型で交換可能なモジュール方式の電子ビーム加速器を提供するものである。フィラメントまたは電子ビーム放射窓を交換する必要があるときは、加速器全体をそっくり交換することにより、電子ビーム装置の休止時間を大幅に減少できる。またこれにより、電子ビーム装置の保守に関して、真空技術と加速器技術に習熟した人員を必要としなくなる。さらに、高電圧絶縁体を現場で交換する必要もなくなる。そのうえ、この独創的な電子ビーム加速器は、従来の電子ビーム加速器に比べ構成部品が少なく、低消費電力であり、低価格化、単純化、小型化、高効率化されている。加速器の小型化は、小型印刷機のような空き空間に制約のある装置内や、ライン中での織物の殺菌やステーション間での硬化の目的に使用するのに適する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電子がビームの幅方向に一様に分布している電子ビームの電子分布を示すグラフ上に、集束した電子ビームの電子分布を重ねて図示したグラフである。
【図２】本発明による電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図３】図２の加速器の電気的接続を示す図である。
【図４】電界線を示すフィラメントのハウジングの端面図である。
【図５】側面の開口３５を省いたときの電界線を示すフィラメントのハウジングの端面図である。
【図６】複数の電子ビーム加速器を組み込んだ装置の平面図である。
【図７】フィラメントのハウジングの側面断面図であり、フィラメントを電気的に接続する別の好ましい方法を示す。
【図８】図７の底面断面図である。
【図９】別の好ましいフィラメント配列を示す模式図である。
【図１０】さらに別の好ましいフィラメント配列を示す模式図である。
【図１１】別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に関する上述した目的および他の目的、特徴および利点は、好ましい実施形態図面を用いてさらに具体的に説明する。ただし、各図面を通じ同一部分には同一参照符号を用いている。図の縮尺は必ずしも正確でなく、本発明の原理を図示することに重点を置いている。
【００１２】
図２および図３において、電子ビーム加速器１０は交換可能なモジュール方式の加速器であり、電子ビーム装置ハウジング（図示せず）内に組み込まれている。加速器１０は、両端を密封した細長い円筒形の外側ケーシング（構造体）１４を備え、この外側ケーシング１４は２分割形である。外側ケーシング１４は外側ケーシング１４に溶接された基端部エンド・キャップ１６で密閉されている。外側ケーシング１４とエンド・キャップ１６は、それぞれステンレス鋼製が望ましいが、代わりに他の適切な金属製でもよい。
【００１３】
加速器１０の先端部は、ステンレス鋼製の先端部エンド・キャップ２０に外縁部２３に沿ってろう付けされているチタン箔製の電子ビーム放射窓膜２４で密閉されている。エンド・キャップ２０は、外側ケーシング１４に溶接されている。
【００１４】
通常、電子ビーム放射窓２４は厚さ約６から１２ミクロンであり、８から１０ミクロンがさらに望ましい。変形形態としては、電子ビーム放射窓２４は、マグネシウム、アルミニウム、ベリリウムのような他の適切な金属箔製でも、セラミックのような適切な非金属の低密度材料でもよい。さらに電子ビーム放射窓２４は、エンド・キャップ２０に溶接または接着してもよい。
【００１５】
四角形の支持板２２は、電子を通過させる開口２２ａを有し、エンド・キャップ２０にボルト２２ｂで固定され、電子ビーム放射窓２４を支持している。支持板２２は熱放散のためには銅製が望ましいが、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンのような他の適切な金属製でもよい。支持板２２の開口２２ａは直径約１／８インチの円形で、電子ビーム放射窓２４から電子の約８０％を通過させる。エンド・キャップ２０には冷却液通路が設けられ、冷却液がポンプで注入されてエンド・キャップ２０、支持板２２、電子ビーム放射窓２４を冷却している。冷却液は流入口２５ａから入り、流出口２５ｂから出る。流入口２５ａと流出口２５ｂは、電子ビーム装置ハウジングに設けた冷却液の供給口と戻り口に結合されている。冷却液の供給口と戻り口は、流入口２５ａと流出口２５ｂを密封する“Ｏ”リングでシールされている。加速器１０は、直径約１２インチ、長さ２０インチ、重さ約５０ポンドである。
【００１６】
高電圧電力ケーブル・コネクタ１２に接合する高電圧接続用レセプタクル１８は、基端部エンド・キャップ１６に取り付けられている。高電圧ケーブルが、高電圧電源４８とフィラメント電源５０から加速器１０に電力を供給する。高電圧電源４８は約１００ＫＶを供給するのが望ましいが、電子ビーム放射窓２４の厚みによって増減してもよい。フィラメント電源５０は約１５Ｖが望ましい。２本のリード線２６ａ／２６ｂはレセプタクル１８から下方に延びて、加速器１０を上部の絶縁チャンバ４４と下部の真空チャンバ４６に分割する円盤状の高電圧セラミック絶縁体２８を貫通する。セラミック絶縁体２８の外部ケーシング１４への接合には、まずセラミック絶縁体２８がコバール（登録商標）のようなセラミック絶縁体２８と同一の膨張係数を持つ中間リング２９にろう付けされる。次に、中間リング２９が外側ケーシング１４にろう付けされる。上部チャンバ４４には排気後にＳＦ6ガスのような絶縁媒質を充填するが、代わりにオイルや固体絶縁物を充填しても
よい。気体や液体状の絶縁媒質は、閉止弁４２を通して充填や排出が可能である。
【００１７】
電子発生器３１は真空チャンバ４６内に位置しており、電気的に並列に接続した３本の長さ８インチのタングステン製フィラメント３２（図４）から構成するのが望ましい。別の形態としては、２本のフィラメント３２を使用することができる。電子発生器３１はステンレス鋼製のフィラメント・ハウジング３０で囲まれている。フィラメント・ハウジング３０は、平板状の底部３３に空けた一連の格子状の開口３４と、ハウジング３０の４つの側面に空けた多数の開口３５とを有する。フィラメント３２は、ハウジング３０内のハウジング３０の底部と上部の中間付近に取り付けるのが望ましい。開口３５は実質的にフィラメント３２の上方までは延びていない。
【００１８】
リード線２６ａと電路５２は、フィラメント・ハウジング３０を電気的に高圧電源４８に接続する。リード線２６ｂはフィラメント・ハウジング３０の開口３０ａを貫通し、フィラメント電源５０とフィラメントを電気的に接続する。電子ビーム放射窓２４は電気的に接地され、高電圧をフィラメント・ハウジング３０と電子ビーム放射窓２４間に印加させる。
【００１９】
排気口３９を真空チャンバ４６に設け、真空チャンバ４６を排気する。排気口３９は、外側ケーシング１４に溶接したステンレス鋼製の外部パイプ３６と外部パイプ３６にろう付けされた密封可能な銅パイプ３８とを有する。真空チャンバ４６を排気したあとは、銅パイプ３８を冷間圧着してシール４０を形成して、真空チャンバ４６を密封する。
【００２０】
使用に際しては、加速器１０を電子ビーム装置に組み込み、コネクタ１２と電気的に接続する。電子ビーム装置のハウジングには、加速器１０を囲む鉛製の包囲体が組み込まれている。フィラメント３２は、フィラメント電源５０（ＡＣまたはＤＣ）から電力を供給されて約４２００°Ｆにまで加熱され、フィラメント３２に自由電子を発生させる。高圧電源４８から印加されるフィラメント・ハウジング３０と電子ビーム放射窓２４間の高電圧により、フィラメント３２上の自由電子５６を電子ビーム５８にして、フィラメント３２からハウジング３０の開口３４および電子ビーム放射窓２４を通過して加速させる（図４）。
【００２１】
側面開口３５は、その周辺に小電界を発生し、フィラメント３２と電子ビーム放射窓２４間の高電圧電界線５４を、ハウジング３０の底部３３の平面に対して平坦化（この平面と平行化）する。電界線５４を平坦にすることで、電子ビーム５８の電子５６は、図１の曲線１に示すように中心位置に集束することなく、比較的直線的に開口３４を通ってハウジング３０から放射される。この結果、電子ビーム５８は、図１の曲線２と同様のプロファイルを有する、幅が約２インチ、長さ約８インチの幅広のビームになる。図１の曲線１の細い高密度電子ビームは好ましくない。何故なら、電子ビーム放射窓２４を焼いて穴を空けるからである。
【００２２】
側面開口３５の機能をさらに図解するために、図５に側面開口３５を省いたハウジング３０を示す。図示されているように、側面開口３５を省いた状態では、電界線５４は上方へアーチ形に湾曲する。電子５６は電界線５４にほぼ垂直に進むため、電子５６は細い電子ビーム５７に集束する。対照的に、図４では、電界線５４は平坦になり、電子５６は幅広の集束しない電子ビーム５８の状態で進む。したがって、従来の加速器が電子ビームの幅方向に電子を均等に分散させるために高電圧電界線を均一にする目的で高電圧のエキストラクタ電源を必要としたのに対し、本発明では、開口３５を設けることにより同一結果を簡単かつ安価に実現している。
【００２３】
フィラメント３２または電子ビーム放射窓２４を交換するとき、加速器１０全体を電子ビーム装置ハウジングから取り外し、新しい加速器１０と交換するだけでよい。新しい加速器１０は前もって高電圧運転用に調整されているので、電子ビーム装置の休止時間は数
分だけになる。単一部分の交換のみですむため、電子ビーム装置のオペレータは真空技術や加速器技術の保守について高度に習熟する必要はない。さらに、加速器１０は小型軽量のため１人で交換できる。
【００２４】
古い加速器１０を再調整するためには、古い加速器を真空技術専門会社に送るのが望ましい。まず、電子ビーム放射窓２４と支持板２２を取り外して真空チャンバ４６を開ける。次に、ハウジング３０を真空チャンバ４６から取り外してフィラメント３２を交換する。必要なら、上部チャンバ内の絶縁媒質を、外部ケーシング１４に設けたバルブ４２から排出する。その後、ハウジング３０を真空チャンバ４６内に元通りに取り付ける。支持板２２をエンド・キャップ２０にボルトで固定し、電子ビーム放射窓２４を交換する。新しい電子ビーム放射窓２４の外縁部２３は、エンド・キャップ２０にろう付けされて密封構造を形成する。電子ビーム放射窓２４は、支持板２２、ボルト２２ｂおよびボルト穴を覆っているので、“Ｏ”リングなどがなくても漏れもなく、支持板２２の全面をシールする補助機能を果たしている。銅バイプ管３８を取り外し、新しい銅パイプ３８をパイプ３６にろう付けする。これらの調整作業は、真空チャンバ内や電子ビーム放射窓２４の汚染を防ぐために、清浄な空気環境に制御された場所で行う。
【００２５】
清浄な環境内で加速器１０を組み立てることで、電子ビーム放射窓２４は、容易に厚さ８〜１０ミクロンまたは６ミクロンにまでできる。この理由は、塵埃または汚染物質が電子ビーム放射窓２４と支持板２２間の電子ビーム放射窓２４上に堆積するのを妨げるからである。このような汚染物質は、１２．５ミクロン以下の厚さの電子ビーム放射窓２４に穴を開ける。対照的に、従来の加速器の電子ビーム放射窓は、保守作業の間は塵埃の多い場所で組み立てるため、厚さ１２．５〜１５ミクロンを必要とする。厚さ１２．５〜１５ミクロンの電子ビーム放射窓は、塵埃が電子ビーム放射窓に穴を開けるのを防ぐ。本発明による電子ビーム放射窓２４は、従来の加速器の電子ビーム放射窓より厚さが薄いため、電子を加速して電子ビーム放射窓２４を貫通させるのに要する電力が非常に小さくてすむ。例えば、従来の加速器では、厚さ１２．５〜１５ミクロンの電子ビーム放射窓を貫通するよう電子を加速するのには約１５０ＫＶが必要である。これに反し、本発明によれば、厚さ８〜１０ミクロンの電子ビーム放射窓を貫通するのに約８０〜１２５ＫＶでよい。
【００２６】
結果的に、同等の電子ビームを発生させるのに、加速器１０は従来の加速器に比べ効率が高くなる。さらに、低い電圧でよいため、加速器１０は小型にでき、従来の加速器で使用されていた円筒形または円錐形の絶縁体より小型の円盤形の絶縁体２８を使用できる。加速器１０を従来の加速器より小型にできる理由は、加速器１０に従来より低い電圧を使用するために、構成部品を近接させて組み込めるためである。真空チャンバ４６内を清浄環境に制御すれば、構成部品をさらに近接させて組み込める。従来の加速器は高電圧で動作する上、加速器内に汚染物質が多く存在するので、構成部品間のアーク放電を防止するために部品間距離を長くする必要がある。実際、従来の加速器では真空ポンプからの汚染物質が使用中に加速器中へ侵入する。
【００２７】
次に、真空チャンバ４６は排気口３９から排気され、チューブ３８が冷間圧着して密封される。真空チャンバ４６を密封すると、真空チャンバ４６は恒久的に真空状態を維持し真空ポンプを作動する必要はなくなる。これにより、本発明による加速器１０を作動させるのが簡単で安価になる。その後、加速器１０を高電圧動作に備え前調整する。加速器１０を電子ビーム装置に接続し、高電圧を徐々に上昇させて、真空チャンバ内と電子ビーム放射窓上の汚染物質を焼却する。真空チャンバ４６内のすべての分子は、高電圧および／または電子ビームによりイオン化され、ハウジング３０方向へ加速される。イオン化分子はハウジング３０に衝突してハウジング３０の表面に捕獲され、さらに真空度を増加させる。また加速器１０を高電圧動作に備えて前調整する間に、真空チャンバ４６を排気することができる。加速器１０は電子ビーム装置から取り外し、再使用のため保管する。
【００２８】
図６は、３台の加速器１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含むシステム６４を示す。これらの加速器は、電子ビーム６０を移動する製品６２の全幅に渡って隙間なく照射するように互い違いに配置されている。それぞれの加速器１０ａ、１０ｂ、１０ｃの電子ビーム６０は１台の加速器の外径よりも細いため、３台を並べて取り付けても、製品６２の全幅に渡って電子ビーム６０を照射することはできない。その代わり、加速器１０ｂを、製品６２の移動方向に沿って、加速器１０ａと１０ｃに対して少し横後方にずらせで配置する。その結果、それぞれの電子ビーム６０の側端は互いに横方向に整列することになる。結果的に、図のように移動製品６２は、階段的配置の電子ビーム６０が重なって照射される。３台の加速器が図示されているが、別の方法としては、４台以上の加速器１０を互い違いに並べて幅の広い製品を照射したり、２台の加速器１０で幅の狭い製品を照射することもできる。
【００２９】
図７と８は、リード線２６ａと２６ｂをフィラメント・ハウジング３０とフィラメント３２に電気的に接続する別の好ましい方法を図示する。リード線２６ａはフィラメント・ハウジング３０の上部に固定する。３つのフィラメント・ブラケット１０２はフィラメント・ハウジング３０の上部から下方へ延びている。フィラメント・マウント１０４はそれぞれのブラケット１０２に取り付けられている。絶縁ブロック１１０とフィラメント・マウント１０８は、フィラメント・ハウジング３０の反対側に取り付けられている。フィラメント３２はフィラメント・マウント１０４と１０８間に張り渡して取り付けられる。フレキシブルなリード線１０６でリード線２６ｂとフィラメント・マウント１０８を電気的に接続する。フィラメント・ブラケット１０２はスプリング効果を有し、使用中にフィラメント３２が膨張／収縮するのを補正する。円筒状のブラケット１１２は、リード線２６ａ／２６ｂの代わりにハウジング３０を支持する。
【００３０】
図９において、フィラメント配列９０は、電子ビームの幅を単一フィラメントの場合よりも広げるために、複数のフィラメントを電気的に接続する別の好ましい方法である。フィラメント９２は平行に配置され、リード線９４で相互に電気的に直列接続されている。図１０において、フィラメント配列９８は、平行に配置されて２本のリード線９６で電気的に並列に接続された一連のフィラメント９７を図示している。またフィラメント配列９８は、電子ビームの幅を広げるのにも使用される。
【００３１】
図１１において、加速器７０は本発明の別の好ましい実施形態である。加速器７０は、先の加速器１０で発生する電子ビームに対して９０°の角度の方向に電子ビームを発生する。加速器７０が加速器１０と異なるのは、フィラメント７８が真空チャンバ８８の長軸線Ａに対して垂直ではなく、平行になっていることである。さらに、電子ビーム放射窓８２は、真空チャンバ８８の細長い外側ケーシング７２に取り付けられており、長軸線Ａに平行になっている。電子ビーム放射窓８２は、外側ケーシング７２の側面に取り付けた支持板８０で支持されている。細長いフィラメント・ハウジング７５がフィラメント７８を囲み、ハウジング７５の一側面７６には、長軸線Ａに垂直な方向に開口した格子状開口３４を有する。フィラメント・ハウジング７５の側面開口３５は、開口３４に垂直な方向に開口している。エンド・キャップ７４は真空チャンバ８８の端面を塞いでいる。加速器７０は、複数の加速器を互い違いに配置して使用することなく、電子ビームを広い範囲に放射するのに適し、また狭い場所での使用に適する。加速器７０は長さ約３〜４フィートにでき、より広い範囲に使用するためには互い違いに配置することもできる。
【００３２】
本発明による電子加速器は、液体や気体（空気のような）殺菌や表面の殺菌のほか医療用品、食品、有害な医療廃棄物の殺菌および有害廃棄物の浄化に適する。その他の応用分野には、オゾン生成、燃料霧化（微粒化）および材料の化学的接着や融合がある。また、本発明による電子加速器は、インク、被覆加工、接着、密封剤の硬化に利用できる。さら
にポリマーのような材料を、電子ビームで交差結合(cross linked)させて構造特性を改良することができる。
【００３３】
フィラメント・ハウジングにある開口列３５は、電界線の形状を整えるための受動的電界線整形手段を形成し、特に電界線を均一にする機能を持つ。“受動的”とは電界線を形成するのに、別途のエキストラクタ電源を必要としない意味である。さらに、電界線は複数のフィラメントを使用して形成することができる。また、電界線の形状をさらに変えるのに、フィラメント間に隔壁や受動電極を配置することもできる。複数フィラメントや隔壁および受動電極は、電界線を平坦化したり、その他の形状にしたりする平坦化機能手段として使用できる。
【００３４】
均等物
本発明について、好ましい実施形態に関連して具体的に図示し説明したが、添付の請求事項に規定するように、形態や詳細についての各種の変更が、本発明の精神および範囲を逸脱しない範囲内で可能であることは、当業者に理解できよう。
【００３５】
例えば、本発明では複数フィラメントを組み込む、と述べているが、その代わりに単一フィラメントを使用することもできる。さらに、外側ケーシング、エンド・キャップ、フィラメント・ハウジングはステンレス鋼製が望ましいが、その代わりに、チタン、銅、コバールのようなその他の適切な金属を使用することもできる。通常、エンド・キャップ１６と２０は外側ケーシングに溶接されているが、ろう付けすることもできる。支持板２２の開口２２は、長孔のような非円形であってもよい。フィラメント３２の寸法と加速器１０の直径は、用途により変更してもよい。また、絶縁体２８にはガラスのようなその他の適切な材料を使用してもよい。
【００３６】
チタン製の電子ビーム放射窓の厚さは１２．５ミクロン以下（６〜１２ミクロン）が望ましいが、必要なら用途によって１２．５ミクロンより厚くすることもできる。１２．５ミクロンより厚い電子ビーム放射窓には、約１００ＫＶ〜１５０ＫＶの高電圧を供給する必要がある。もし、電子ビーム放射窓がアルミニウムのようなチタンより軽い材料からできている場合は、同一電子ビーム特性を実現するのに、電子ビーム放射窓の厚さはチタン製電子ビーム放射窓の相当厚さより厚くしてもよい。加速器１０および７０は円筒形状が望ましいが、四角形や長円形断面のようなその他の適切な形状としてもよい。本発明による加速器は、安価にするために多量に作り、使い捨て使用とすることもできる。最後に、レセプタクル１８はスペースを節約するために長軸線Ａに垂直に配置することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
２４ 電子ビーム放射窓
３０ ハウジング
３１ 電子発生器
４６ 真空チャンバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム放射窓を有する真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置されて電子を発生する電子発生器と、
前記電子発生器を囲むハウジングであって、前記電子発生器と前記電子ビーム放射窓間のハウジング部分に設けた第１の開口列を有し、前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧が供給されたとき、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外へ加速し、さらに、電子ビームの幅方向の電子分布を均一にする受動的電界線整形手段を有するハウジングと、
を備えた電子加速器
【請求項２】
請求項１において、
前記真空チャンバが円筒体の内部に形成され、この円筒体が長軸線と外壁を有する電子加速器。
【請求項３】
請求項２において、
さらに、前記電子発生器と前記ハウジングに電力を供給する高電圧コネクタと、
前記真空チャンバを前記高圧コネクタから分離する円盤状の高電圧絶縁体と、
を備えた電子加速器。
【請求項４】
請求項３において、
さらに、前記高圧コネクタを前記電子発生器と前記ハウジングに電気的に接続するために絶縁体を貫通する２本のリード線を備えた電子加速器。
【請求項５】
請求項３において、
さらに、真空チャンバに設けられた密封可能な排気口を有する電子加速器。
【請求項６】
請求項１において、
前記電子発生器がフィラメントを有する電子加速器。
【請求項７】
請求項２において、
前記真空チャンバが密封されて持続的に真空を維持するものである電子加速器。
【請求項８】
請求項７において、
前記電子ビーム放射窓が前記真空チャンバにろう付けされて気密を維持する外縁部を有する電子加速器。
【請求項９】
請求項８において、
さらに、前記真空チャンバに取り付けられて前記電子ビーム放射窓を支持する支持板を有する電子加速器。
【請求項１０】
請求項９において、
前記電子ビーム放射窓を前記真空チャンバの接軸線に垂直な方向に配置した電子加速器。
【請求項１１】
請求項９において、
前記電子ビーム放射窓を前記真空チャンバの長軸線に平行な方向に配置した電子加速器。
【請求項１２】
請求項９において、
前記電子ビーム放射窓を金属箔で構成した電子加速器。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記電子ビーム放射窓を厚さ約６〜１２インチのチタン箔で構成した電子加速器。
【請求項１４】
請求項７において、
前記電子ビーム放射窓が、真空チャンバに溶接されて気密を維持する外縁部を有する電子加速器。
【請求項１５】
請求項７において、
前記電子ビーム放射窓が、真空チャンバに接着されて気密を維持する外縁部を有する電子加速器。
【請求項１６】
請求項１において、
前記電子ビームが実質的に集束していない電子加速器。
【請求項１７】
請求項１において、
前記電子加速器が第１電子ビームを発生する第１電子加速器であり、
さらに、第２電子ビームを発生する第２電子加速器を有し、この第２加速器は、第１加速器から横後方にずらせて配置され、これにより、電子ビームの下で移動する対象物上に横方向に隙間無く電子ビームを照射するものである電子加速器。
【請求項１８】
請求項１において、
前記受動的電界線形成器が、前記ハウジングの電子発生器を挟む両対向側面に第２と第３の開口列を有する電子加速器。
【請求項１９】
電子ビーム放射窓を有し、細長い構造体内部に形成されて密封され持続的に前記真空を維持する真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置されて電子を発生する電子発生器と、
細長い構造体内に配置されて電子加速器に電力を供給する高電圧コネクタと、
前記真空チャンバを前記高電圧コネクタから分離する高電圧絶縁体と、
前記電子発生器を囲むハウジングであって、前記電子発生器と前記電子ビーム放射窓間のハウジング部分に設けた第１の開口列を有し、前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧が供給されたとき、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外へ加速し、さらに、電子ビームの幅方向の電子分布を均一にする受動的電界線整形手段を有するハウジングと、
を備えた電子加速器。
【請求項２０】
請求項１９において、
前記電子ビーム放射窓が、厚さ１２．５ミクロン以下のチタン箔から形成されている電子加速器。
【請求項２１】
請求項２０において、
前記電子ビーム放射窓が、厚さ８〜１０ミクロンである電子加速器。
【請求項２２】
請求項２０において、
さらに、ハウジングと電子ビーム放射窓間に約１００から１５０ＫＶの電圧を供給する高圧電源を備えた電子加速器。
【請求項２３】
請求項２１において、
さらに、ハウジングと電子ビーム放射窓間に約８０から１２５ＫＶの電圧を供給する高圧電源を備えた電子加速器。
【請求項２４】
請求項２３において、
前記電子発生器が長さ約８インチのフィラメントを備えた電子加速器。
【請求項２５】
請求項２４において、
前記電子発生器が、幅約２インチ、長さ約２０インチである電子加速器。
【請求項２６】
電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを設け、
前記真空チャンバ内に配置した電子発生器で電子を発生し、
前記電子発生器と電子ビーム放射窓間に第１の開口列を有するハウジングにより前記電子発生器を囲み、
前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧を供給して、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外に加速し、
受動的電界線整形手段により前記電子発生器と前記電子ビーム放射窓間に電子ビームをその幅方向に均一に分布させる電子加速方法。
【請求項２７】
請求項２６において、
さらに、持続的に前記チャンバ内の真空を維持するために真空チャンバを密封する電子加速方法。
【請求項２８】
請求項２６において、
前記電子ビーム放射窓が外縁部を有し、さらに、前記外縁部を真空チャンバにろう付けして気密性を保つ電子加速方法。
【請求項２９】
請求項２８において、
さらに、真空チャンバに取り付けた支持板により電子ビーム放射窓を支持する電子加速方法。
【請求項３０】
請求項２９において、
さらに、電子ビーム放射窓を真空チャンバの長軸線に垂直に配置する電子加速方法。
【請求項３１】
請求項２９において、
さらに、電子ビーム放射窓を真空チャンバの長軸線に平行に配置する電子加速方法。
【請求項３２】
請求項２７において、
さらに、ハウジングの表面上の真空チャンバ内に含まれるイオン化分子を捕獲することにより、前記真空チャンバ内の真空度を上げる電子加速方法。
【請求項３３】
請求項２６において、
さらに、ハウジングの表面上の真空チャンバ内に含まれるイオン化分子を捕獲することにより、前記真空チャンバ内の真空度を上げる電子加速方法。
【請求項３４】
請求項２６において、
前記電子ビーム放射窓が外縁部を有し、さらに、前記外縁部を真空チャンバに接着して気密性を保つ電子加速方法。
【請求項３５】
請求項２６において、
前記受動的電界線整形手段を、ハウジング上の電子発生器を挟む両対向側面に第２およ
び第３の開口列を設けることにより形成する電子加速方法。
【請求項３６】
電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを設け、
前記真空チャンバ内に配置した電子発生器で電子を発生し、
前記電子発生器と電子ビーム放射窓間に第１開口列を有するハウジングにより前記電子発生器を囲み、
前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧を供給して、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外に加速し、
前記真空チャンバを密封して持続的にチャンバ内の真空を維持し、前記ハウジングの表面上の前記真空チャンバ内に含まれるイオン化分子を捕獲することにより、前記真空チャンバ内の真空度を上げる電子加速方法。
【請求項３７】
電子ビーム放射窓を有し、細長い構造体内部に形成されて密封され持続的に前記真空を維持する真空チャンバを設け、
前記真空チャンバ内に配置した電子発生器で電子を発生し、
前記電子発生器に電力を供給する高電圧コネクタを細長い構造体内に配置し、
前記真空チャンバを高電圧絶縁体により前記高電圧コネクタから分離し、
前記電子発生器をハウジングにより囲み、このハウジングは、ハウジングにおける前記電子発生器と電子ビーム放射窓間に第１の開口列が形成され、前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧が供給されたときに、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外に加速するものである電子加速方法。
【請求項１】
電子ビーム放射窓を有する真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置されて電子を発生する電子発生器と、
前記電子発生器を囲むハウジングであって、前記電子発生器と前記電子ビーム放射窓間のハウジング部分に設けた第１の開口列を有し、前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧が供給されたとき、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外へ加速し、さらに、電子ビームの幅方向の電子分布を均一にする受動的電界線整形手段を有するハウジングと、
を備えた電子加速器
【請求項２】
請求項１において、
前記真空チャンバが円筒体の内部に形成され、この円筒体が長軸線と外壁を有する電子加速器。
【請求項３】
請求項２において、
さらに、前記電子発生器と前記ハウジングに電力を供給する高電圧コネクタと、
前記真空チャンバを前記高圧コネクタから分離する円盤状の高電圧絶縁体と、
を備えた電子加速器。
【請求項４】
請求項３において、
さらに、前記高圧コネクタを前記電子発生器と前記ハウジングに電気的に接続するために絶縁体を貫通する２本のリード線を備えた電子加速器。
【請求項５】
請求項３において、
さらに、真空チャンバに設けられた密封可能な排気口を有する電子加速器。
【請求項６】
請求項１において、
前記電子発生器がフィラメントを有する電子加速器。
【請求項７】
請求項２において、
前記真空チャンバが密封されて持続的に真空を維持するものである電子加速器。
【請求項８】
請求項７において、
前記電子ビーム放射窓が前記真空チャンバにろう付けされて気密を維持する外縁部を有する電子加速器。
【請求項９】
請求項８において、
さらに、前記真空チャンバに取り付けられて前記電子ビーム放射窓を支持する支持板を有する電子加速器。
【請求項１０】
請求項９において、
前記電子ビーム放射窓を前記真空チャンバの接軸線に垂直な方向に配置した電子加速器。
【請求項１１】
請求項９において、
前記電子ビーム放射窓を前記真空チャンバの長軸線に平行な方向に配置した電子加速器。
【請求項１２】
請求項９において、
前記電子ビーム放射窓を金属箔で構成した電子加速器。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記電子ビーム放射窓を厚さ約６〜１２インチのチタン箔で構成した電子加速器。
【請求項１４】
請求項７において、
前記電子ビーム放射窓が、真空チャンバに溶接されて気密を維持する外縁部を有する電子加速器。
【請求項１５】
請求項７において、
前記電子ビーム放射窓が、真空チャンバに接着されて気密を維持する外縁部を有する電子加速器。
【請求項１６】
請求項１において、
前記電子ビームが実質的に集束していない電子加速器。
【請求項１７】
請求項１において、
前記電子加速器が第１電子ビームを発生する第１電子加速器であり、
さらに、第２電子ビームを発生する第２電子加速器を有し、この第２加速器は、第１加速器から横後方にずらせて配置され、これにより、電子ビームの下で移動する対象物上に横方向に隙間無く電子ビームを照射するものである電子加速器。
【請求項１８】
請求項１において、
前記受動的電界線形成器が、前記ハウジングの電子発生器を挟む両対向側面に第２と第３の開口列を有する電子加速器。
【請求項１９】
電子ビーム放射窓を有し、細長い構造体内部に形成されて密封され持続的に前記真空を維持する真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置されて電子を発生する電子発生器と、
細長い構造体内に配置されて電子加速器に電力を供給する高電圧コネクタと、
前記真空チャンバを前記高電圧コネクタから分離する高電圧絶縁体と、
前記電子発生器を囲むハウジングであって、前記電子発生器と前記電子ビーム放射窓間のハウジング部分に設けた第１の開口列を有し、前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧が供給されたとき、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外へ加速し、さらに、電子ビームの幅方向の電子分布を均一にする受動的電界線整形手段を有するハウジングと、
を備えた電子加速器。
【請求項２０】
請求項１９において、
前記電子ビーム放射窓が、厚さ１２．５ミクロン以下のチタン箔から形成されている電子加速器。
【請求項２１】
請求項２０において、
前記電子ビーム放射窓が、厚さ８〜１０ミクロンである電子加速器。
【請求項２２】
請求項２０において、
さらに、ハウジングと電子ビーム放射窓間に約１００から１５０ＫＶの電圧を供給する高圧電源を備えた電子加速器。
【請求項２３】
請求項２１において、
さらに、ハウジングと電子ビーム放射窓間に約８０から１２５ＫＶの電圧を供給する高圧電源を備えた電子加速器。
【請求項２４】
請求項２３において、
前記電子発生器が長さ約８インチのフィラメントを備えた電子加速器。
【請求項２５】
請求項２４において、
前記電子発生器が、幅約２インチ、長さ約２０インチである電子加速器。
【請求項２６】
電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを設け、
前記真空チャンバ内に配置した電子発生器で電子を発生し、
前記電子発生器と電子ビーム放射窓間に第１の開口列を有するハウジングにより前記電子発生器を囲み、
前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧を供給して、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外に加速し、
受動的電界線整形手段により前記電子発生器と前記電子ビーム放射窓間に電子ビームをその幅方向に均一に分布させる電子加速方法。
【請求項２７】
請求項２６において、
さらに、持続的に前記チャンバ内の真空を維持するために真空チャンバを密封する電子加速方法。
【請求項２８】
請求項２６において、
前記電子ビーム放射窓が外縁部を有し、さらに、前記外縁部を真空チャンバにろう付けして気密性を保つ電子加速方法。
【請求項２９】
請求項２８において、
さらに、真空チャンバに取り付けた支持板により電子ビーム放射窓を支持する電子加速方法。
【請求項３０】
請求項２９において、
さらに、電子ビーム放射窓を真空チャンバの長軸線に垂直に配置する電子加速方法。
【請求項３１】
請求項２９において、
さらに、電子ビーム放射窓を真空チャンバの長軸線に平行に配置する電子加速方法。
【請求項３２】
請求項２７において、
さらに、ハウジングの表面上の真空チャンバ内に含まれるイオン化分子を捕獲することにより、前記真空チャンバ内の真空度を上げる電子加速方法。
【請求項３３】
請求項２６において、
さらに、ハウジングの表面上の真空チャンバ内に含まれるイオン化分子を捕獲することにより、前記真空チャンバ内の真空度を上げる電子加速方法。
【請求項３４】
請求項２６において、
前記電子ビーム放射窓が外縁部を有し、さらに、前記外縁部を真空チャンバに接着して気密性を保つ電子加速方法。
【請求項３５】
請求項２６において、
前記受動的電界線整形手段を、ハウジング上の電子発生器を挟む両対向側面に第２およ
び第３の開口列を設けることにより形成する電子加速方法。
【請求項３６】
電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを設け、
前記真空チャンバ内に配置した電子発生器で電子を発生し、
前記電子発生器と電子ビーム放射窓間に第１開口列を有するハウジングにより前記電子発生器を囲み、
前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧を供給して、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外に加速し、
前記真空チャンバを密封して持続的にチャンバ内の真空を維持し、前記ハウジングの表面上の前記真空チャンバ内に含まれるイオン化分子を捕獲することにより、前記真空チャンバ内の真空度を上げる電子加速方法。
【請求項３７】
電子ビーム放射窓を有し、細長い構造体内部に形成されて密封され持続的に前記真空を維持する真空チャンバを設け、
前記真空チャンバ内に配置した電子発生器で電子を発生し、
前記電子発生器に電力を供給する高電圧コネクタを細長い構造体内に配置し、
前記真空チャンバを高電圧絶縁体により前記高電圧コネクタから分離し、
前記電子発生器をハウジングにより囲み、このハウジングは、ハウジングにおける前記電子発生器と電子ビーム放射窓間に第１の開口列が形成され、前記ハウジングと前記電子ビーム放射窓間に電圧が供給されたときに、電子を前記電子発生器から電子ビームにして前記電子ビーム放射窓の外に加速するものである電子加速方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１８１４１５（Ｐ２０１０−１８１４１５Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１００５３８（Ｐ２０１０−１００５３８）
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【分割の表示】特願２００９−１８３７６８（Ｐ２００９−１８３７６８）の分割
【原出願日】平成９年１２月３０日（１９９７．１２．３０）
【出願人】（５０１２３０７１９）アドバンスト・エレクトロン・ビームズ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【分割の表示】特願２００９−１８３７６８（Ｐ２００９−１８３７６８）の分割
【原出願日】平成９年１２月３０日（１９９７．１２．３０）
【出願人】（５０１２３０７１９）アドバンスト・エレクトロン・ビームズ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
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