電子ビーム照射装置、及び電子ビーム照射方法
【課題】処理対象に電子ビームを照射することによって、処理対象の洗浄や研磨、処理対象からの付着物の除去等を行う電子ビーム照射装置を提供する。
【解決手段】電子ビーム照射装置１は、負電圧を周期的に発生させる電圧生成器６と、電圧生成器６に接続され、表面が接地された処理対象２に対してインパルスである電子ビーム３を照射するカソード１と、カソード１と処理対象２とを収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能である真空チャンバ５０とを備える。
【解決手段】電子ビーム照射装置１は、負電圧を周期的に発生させる電圧生成器６と、電圧生成器６に接続され、表面が接地された処理対象２に対してインパルスである電子ビーム３を照射するカソード１と、カソード１と処理対象２とを収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能である真空チャンバ５０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理対象に対して電子ビームを照射する電子ビーム照射装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、ＹＡＧレーザー等のレーザインパルスを用いて、処理対象の表面の研磨や洗浄等が行われている。具体的には、洗浄する表面に対して、１Ｊ／ｃｍ２程度のエネルギー密度でレーザインパルスを２０ｎｍ照射する。この高密度エネルギーは、サーモショック（熱衝撃）を洗浄、研磨する物質の表面に起こす。そして、そのエネルギーは、物質の表面で爆発を起こし、音波がその表面上に広がり、膨張波が表面に付着したオイルやペンキ、酸化物、汚れ、付着微粒子などを除去することになる。なお、ＹＡＧレーザーについては、例えば、非特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】"レーザー"、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００９年１１月２８日、［２００９年１２月８日検索］、ウィキペディア、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ３％８３％ＡＣ％Ｅ３％８３％ＢＣ％Ｅ３％８２％Ｂ６％Ｅ３％８３％ＢＣ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のレーザインパルスを用いた表面の洗浄等においては、コストが高く、処理スピードも遅いという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、レーザーよりも消費電力が低く、処理スピードの速い、表面の研磨や洗浄等の処理を行う電子ビーム照射装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明による電子ビーム照射装置は、負電圧を発生させる電圧生成器と、電圧生成器に接続され、表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射するカソードと、を備えたものである。
【０００７】
このような構成により、処理対象の表面の研磨や洗浄、不純物の剥離等を行うことができる。
【０００８】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、前記電圧生成器は、負電圧を周期的に発生させ、前記カソードは、前記処理対象に対して電子ビームインパルスを照射してもよい。
【０００９】
このような構成により、電子ビームインパルスではない電子ビームを用いた場合よりも効率的に、処理対象の表面の研磨や洗浄、不純物の剥離等を行うことができる。また、例えば、精錬された金属板のカラミン（Ｃａｌａｍｉｎｅ）の除去にも用いることができる。また、例えば、原子力産業から排出される放射線に汚染された物質の放射線の洗浄にも使用することができる。また、例えば、タイヤのゴム等を分解してリサイクルするためにも用いることができる。また、例えば、ベルトコンベア等の殺菌にも用いることができる。その殺菌は、電子による物質のイオン化によるＤＮＡの変異が原因となるものである。また、レーザインパルスよりも消費電力が低いため、より低コストで洗浄等の処理を行うことができるようになる。また、レーザインパルスを用いた場合よりも、より速く洗浄等の処理を行うことができるようになる。
【００１０】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードと処理対象とを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備えてもよい。
このような構成により、真空中において、処理対象に電子ビームインパルスを照射することができる。
【００１１】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードと処理対象との間に配置された、電子ビームインパルスが通過可能な孔を有するアノードをさらに備えてもよい。
このような構成により、アノードに設けられた孔によって、電子ビームインパルスを照射する範囲をコントロールすることができる。
【００１２】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、処理対象である金属薄板が巻かれている第１のボビンと、第１のボビンから繰り出された金属薄板を巻き取るボビンであり、第１のボビンの軸と平行な軸を有する第２のボビンと、第２のボビンによる金属薄板の巻き取りのために、少なくとも第２のボビンを回転させる回転部と、をさらに備え、カソードは、第１のボビンから繰り出された後であり、第２のボビンに巻かれる前である金属薄板に対して電子ビームインパルスを照射してもよい。
このような構成により、第１のボビンから繰り出され、第２のボビンに巻き取られる前の金属薄板に対して、例えば、洗浄等の処理を行うことができる。
【００１３】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、第１のボビン及び第２のボビンと平行して回転するものであってもよい。
このような構成により、洗浄、剥離等が行われることによって処理対象から出てきた物質でカソードが汚れたとしても、新しいまだ汚れていない箇所を用いて、電子ビームインパルスの照射を行うことができるようになる。
【００１４】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備え、真空チャンバは、カソードから出射された電子ビームインパルスを外部に通過可能な、金属薄膜である窓を有し、処理対象は、真空チャンバの外部に存在し、カソードは、窓を介して電子ビームインパルスを処理対象に照射してもよい。
【００１５】
このような構成により、真空中ではない大気中の処理対象に対して、電子ビームインパルスを照射することができるようになる。そのため、真空チャンバ内に処理対象を入れなくてもよいため、処理対象に関する自由度が高くなる。また、処理対象を大気中に置くことができるため、例えば、処理対象から剥離等された物等を吸引することによって回収することも可能となる。
【００１６】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、金属薄膜は、厚さが１０から３０μｍであるチタンの薄膜であってもよい。
このような構成により、この金属薄膜の窓を通して、効率よく電子ビームインパルスを放出することができるようになる。
【００１７】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、窓に送風する送風部をさらに備えてもよい。
このような構成により、その送風によって、窓を冷却することができる。
【００１８】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、処理対象に電子ビームインパルスを集中させて照射できる形状であってもよい。
このような構成により、電子ビームインパルスを所望の位置に集中させることができる。
【００１９】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、熱カソード、酸化物カソード、またはタンクカソードであってもよい。
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、エクスプローディング（Ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ）カソード、または冷カソードであってもよい。
【００２０】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、電圧生成器は、インダクションアダー（ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＡｄｄｅｒ）タイプであり、２００ｋＶから４ＭＶの負電圧であって、２０から３００ｎｓのインパルスを生成してもよい。
【００２１】
また、本発明による電子ビーム照射方法は、電圧を発生させる電圧生成ステップと、電圧生成ステップで生成された電圧を用いて、カソードから表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射する照射ステップと、を備えたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による電子ビーム照射装置等によれば、レーザインパルスを用いた場合よりも消費電力が低く、処理スピードが速い、表面の研磨や洗浄等の処理を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１による電子ビーム照射装置の構成を示す図
【図２】同実施の形態におけるシリンダ形状のカソードについて説明するための図
【図３】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【図４】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【図５】同実施の形態における回転するカソードについて説明するための図
【図６】同実施の形態における金属薄板の両面の洗浄について説明するための図
【図７】本発明の実施の形態２による電子ビーム照射装置の構成を示す図
【図８】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【図９】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明による電子ビーム照射装置について、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素及びステップは同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による電子ビーム照射装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態による電子ビーム照射装置は、真空中の処理対象に電子ビームを照射することによって、処理対象の表面の洗浄等を行うものである。
【００２６】
図１は、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００の構成を示す図である。本実施の形態による電子ビーム照射装置１００は、カソード１と、電圧生成器６と、真空チャンバ５０とを備える。
【００２７】
電圧生成器６は、電圧を発生する。その発生された電圧は、カソード１に供給される。カソード１は、電圧生成器６に接続され、電圧生成器６から受け取った電圧によって、処理対象２に対して電子ビーム３を照射する。処理対象２は、表面が接地されている。真空チャンバ５０は、カソード１と処理対象２とを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能である。真空チャンバ５０内は真空に保たれるため、本実施の形態では、真空中で電子ビーム３が照射されることになる。
【００２８】
なお、電子ビーム３は、電子ビームインパルスであることが好適である。そのほうが、処理対象２に対する後述する洗浄等の効果が高いからである。したがって、電圧生成器６は、負電圧を周期的に発生するインパルス生成器であってもよい。また、カソード１は、その発生された負電圧が供給され、その負電圧によって、処理対象２に対して電子ビームインパルスを照射してもよい。本実施の形態及び実施の形態２では、主に、電子ビーム３が電子ビームインパルスであり、電圧生成器６がインパルス生成器である場合について説明する。なお、図１では、電圧生成器６がインパルス生成器である場合について図示しているが、電圧生成器６がインパルス以外の電圧を生成してもよいことは前述の通りである。
【００２９】
カソード１の形状、特に、カソード１が電子ビーム３を照射する面の形状は問わない。カソード１は、例えば、平面形状であってもよく、あるいは、処理対象２に電子ビーム３を集中させて照射できる形状であってもよい。後者の場合には、例えば、図２で示されるシリンダ形状であってもよく、あるいは、パラボラ形状や、球形状であってもよい。図２は、シリンダ形状のカソード１の形状を説明するための図である。図２（ａ）は、そのシリンダ形状のカソード１の側面図である。図２（ａ）において、カソード１は、図の紙面に垂直な方向にカソード１の形状が変化しないものである。すなわち、カソード１の電子ビーム３を照射する面は、円弧を、その円弧を含む円に垂直な方向に延ばした形状となる。図２（ｂ）は、そのシリンダ形状のカソード１の斜視図である。なお、そのシリンダ形状のカソード１の長さ（すなわち、そのシリンダ形状の長さ方向における長さ）は、処理対象２の大きさ等に応じて、適宜、所望の長さにすることができる。なお、そのシリンダ形状のカソード１から照射される電子ビーム３は、そのシリンダ形状の中心線（シリンダ形状が完全な円筒であった場合におけるその円筒の中心軸）に向けられることになる。したがって、処理対象２は、そのシリンダ形状の中心線の位置に配置されることが好適である。また、カソード１の電子ビーム３の照射面がパラボラ形状である場合には、そのカソード１が照射する電子ビーム３は、そのパラボラ形状の焦点に向けられることになる。したがって、処理対象２は、その焦点の位置に配置されることが好適である。また、カソード１の電子ビーム３を照射する面が球形状であるとは、その面が全球に近い形状であってもよく、半球の形状であってもよく、半球と全球の間の形状であってもよく、球に占める範囲が半球よりも狭い形状であってもよい。また、カソード１の電子ビーム３の照射面が球形状である場合には、そのカソード１が照射する電子ビーム３は、その球形状の中心に向けられることになる。したがって、処理対象２は、その中心の位置に配置されることが好適である。このカソード１は、比較的大きいものである。そのカソード１の大きさは、例えば、球状の直径以上のサイズであってもよい。
【００３０】
また、カソード１の種類は問わない。カソード１は、例えば、熱カソードであってもよく、酸化物カソードであってもよく、またはタンクカソードであってもよい。また、これらの例示した以外の種類のカソード１を用いてもよい。これらのカソードの種類については、すでに公知であり、詳細な説明を省略する。
【００３１】
電圧生成器６は、電圧を発生してカソード１に供給する。なお、本実施の形態では、電圧生成器６がインパルス生成器であり、負電圧を周期的に発生して、カソード１に供給する場合について説明する。その電圧生成器６は、例えば、インダクションアダー（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｄｄｅｒ：誘導演算回路）タイプであってもよい。その場合には、電圧生成器６は、２００ｋＶから４ＭＶの負電圧であって、２０から３００ｎｓのインパルスを生成する。誘導演算回路とは、入力信号の振幅の和に比例する出力信号振幅を発生する演算回路である。また、その電圧生成器６がインパルスを生成する周期は、例えば、１０００Ｈｚであってもよい。その周期は、通常、２００〜８０００Ｈｚである。また、電圧生成器６に供給される電力は、直流であってもよく、あるいは、交流であってもよい。なお、交流の高周波電源を使用した場合に、最も効率よく電子ビーム３を生成することができるようになる。
【００３２】
また、図１で示されるように、処理対象２の表面は、接地されている。すなわち、処理対象２の表面はアースに接続されていることになる。なお、電子ビーム照射装置１００は、処理対象２の表面を接地させるための、アースに接続されている端子を備えていてもよい。そして、そのアースに接続されている端子を処理対象２の表面に接続することによって、処理対象２の表面を接地してもよい。
【００３３】
次に、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００の使用方法について説明する。真空チャンバ５０の内部に処理対象２を配置し、その処理対象２の処理を行いたい表面を接地する。そして、真空チャンバ５０の内部雰囲気を真空にする。そのために用いられる真空ポンプを真空チャンバ５０が有してもよい。その後に、電圧生成器６を動作させて、カソード１に対して周期的に負電圧を供給する。すると、カソード１から処理対象２の表面に対して、電子ビーム３が照射される。その電子ビーム３の照射によって、処理対象２の表面を研磨したり、その表面に付着しているニスやペンキ（塗装）等を剥がしたりすることができる。また、その処理対象２が、ガラスやプラスチック、ゴム等の型である場合には、その型を用いた成型後に、その型からガラスやプラスチック、ゴム等を除去する目的で、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いることもできる。このように、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００は、例えば、処理対象２の表面における研磨や剥離、洗浄等に用いることができる。これはドライプロセスであり、汚染物質となる廃液等を出さないエコロジーな技術である。
【００３４】
従来例のように、レーザーを使用した剥離技術でも、同様な洗浄等の処理を行うことができるが、レーザーを使用した場合には、処理コストが非常に高くなり、また作業能率が悪いというデメリットがあった。それに比べて、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００では、消費電力が低いため低コストであり、また処理スピードもレーザーの場合に比べて速いものである。
【００３５】
この電子ビーム照射装置１００を用いることによって、金属表面の研磨や洗浄、油やスラグの付着したセラミックの洗浄や、その油等を剥離すること、ニスやペンキ、錆、カラマインの剥離、航空機のメンテナンス、プラスチックや金属を分解することによるリサイクル等を行うことができる。また、処理スピードが速いため、精錬されたばかりの金属に対して、表面加工の工程の前に表面洗浄研磨を行うこともできる。なお、通常、その表面洗浄研磨のために酸洗いを行うが、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いることによって、その酸洗いが必要なくなり、その酸洗いの廃液が出ないというメリットもある。このように、公害汚染物質を排出することなく、洗浄等の処理を行うことができる。また、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を、表面に付着した微粒子（ミクロ微粒子）の剥離洗浄に用いることもできる。また、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いて処理した後の表面の洗浄、研磨のレベルの高さは、他の洗浄、研磨の方法よりも遙かに高い。また、剥離や研磨によって排出された粉塵排出物を回収することによって、リサイクルを行うことも可能である。
【００３６】
また、表面のアブレーション（ａｂｒａｓｉｏｎ：剥離）では、排出される粉末状物質も、処理された表面も完全に殺菌されている。したがって、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いることによって、例えば、食品産業などで使われる金属やゴム製のベルトコンベアの完全洗浄と殺菌とを同時に行うことができることになる。
【００３７】
また、その他のアプリケーションとして、放射線汚染された機材や建物、その他の物において、放射線汚染された表面の洗浄を行うことができる。この場合にも、前述のように、廃液等が出ないため、廃棄物の減量に大きく貢献することができる。
【００３８】
図３は、アノード５をさらに備えた電子ビーム照射装置１００の一例を示す図である。図３において、電子ビーム３の照射の際に、カソード１と処理対象２との間にアノード５が配置されている。そのアノード５は、電子ビーム３が通過可能な孔を有するものとする。電子ビーム３は、アノード５の孔を通過して処理対象２に照射されるため、アノード５の孔を所望の形状にすることによって、電子ビーム３を所望の範囲に照射することが可能となる。
【００３９】
図４は、処理対象２が金属薄板である場合の電子ビーム照射装置１００の一例を示す図である。図４において、電子ビーム照射装置１００は、第１のボビン７と、第２のボビン８と、回転部５１とをさらに備えている。なお、図４では、真空チャンバ５０を省略しているが、カソード１や電圧生成器６、第１及び第２のボビン７，８、回転部５１は、真空チャンバ５０の内部に存在するものとする。第１のボビン７には、処理対象２である金属薄板が巻かれている。第２のボビン８は、第１のボビン７から繰り出された金属薄板を巻き取るボビンであり、第１のボビン７の軸と平行な軸を有する。回転部５１は、第２のボビン８による金属薄板の巻き取りのために、少なくとも第２のボビン８を回転させる。回転部５１は、例えば、モータであってもよく、その他の駆動手段であってもよい。また、その回転部５１は、第２のボビン８のみを回転させてもよく、あるいは、第１及び第２のボビン７，８を回転させてもよい。前者の場合であっても、後者の場合であっても、第１のボビン７と第２のボビン８との間で、処理対象２である金属薄板がテンションを保つようになっていることが好適である。図４では、カソード１は、第１のボビン７から繰り出された後であり、第２のボビン８に巻かれる前である金属薄板に対して電子ビーム３を照射する。そして、回転部５１が第２のボビン８を回転させることによって、金属薄板は、カソード１の長さ方向に対して直角の方向に移動することになり、カソード１は、金属薄板の新しい箇所に電子ビーム３を照射することになる。そして、表面の処理がなされた金属薄板が、第２のボビン８に巻かれていくことになる。なお、処理対象２の金属薄板を接地するために、例えば、図４で示されるように、第２のボビン８を接地してもよく、その他の金属薄板の箇所を接地してもよい。第２のボビン８を接地する場合には、第２のボビン８と、そこにロール状に巻かれている金属薄板とが同電位であることが求められる。また、カソード１は、金属薄板と同じ幅を有していることが好適である。金属薄板の全体に対して電子ビーム３を照射できるようにするためである。また、この場合のカソード１は、エクスプローディング（Ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ）カソードと呼ばれる冷カソードが有利である。
【００４０】
なお、図４では、カソード１が固定されている場合について説明したが、カソード１は、第１のボビン７及び第２のボビン８と平行して回転するものであってもよい。図５は、回転するカソード１を有する電子ビーム照射装置１００の一例を示す図である。図５（ａ）では、カソード１は、円筒形になっている。そして、回転しながら電子ビーム３を照射する。このようにすることによって、電子ビーム３の照射によって金属薄板から剥離された物質がカソード１の一部に付着したとしても、そのカソード１が回転すると、剥離物質の付着していない新しいところから電子ビーム３を照射することができるようになる。図５（ｂ）では、カソード１は、金属薄板のベルトの巻かれたベルトコンベアである。そのベルトコンベアのベルトが回転することによって、図５（ａ）の場合と同様に、剥離物質の付着していない新しいところから電子ビーム３を照射することができるようになる。
【００４１】
なお、図５（ａ）、図５（ｂ）においても、説明の便宜上、真空チャンバ５０を省略しているが、カソード１や電圧生成器６、第１及び第２のボビン７，８、真空チャンバ５０の内部に存在するものとする。また、回転部５１も存在するものとする。また、図５（ａ）、図５（ｂ）において、カソード１を回転させるための図示しない回転部を電子ビーム照射装置１００が備えているものとする。その図示しない回転部は、例えば、モータであってもよく、あるいは、その他の駆動手段であってもよい。
【００４２】
また、図５（ａ）、図５（ｂ）において、カソード１のすべての面を用いて電子ビーム３の照射を行った場合（すなわち、図５（ａ）であれば、カソード１が１回転した場合、図５（ｂ）であれば、カソード１のベルトが１回転した場合）には、そのカソード１の表面から付着物質を除去してから使用するようにしてもよい。また、その付着物質の除去を、電子ビーム３の照射と並行して行うことによって、絶えず剥離物質の付着していないクリーンな箇所から電子ビーム３の照射を行うことができるようにしてもよい。
【００４３】
なお、図４、図５で説明したように、金属薄板に電子ビーム３を照射することによる金属薄板の表面洗浄では、図６で示されるように、電子ビーム３が照射される面と、その面の裏面との表裏両面を一緒に洗浄することができる。すなわち、電子ビーム３の吸収によって起こる圧力波は、薄膜の厚みの中で広がり、表裏両面に反射し、膨張波が起こり、そのようにして両面の付着物１６，１７が除去されることになる。
【００４４】
ここで、本実施の形態の電子ビーム照射装置１００による電子ビーム３の照射について、説明する。ダイオード放射の特徴は、電子の加速は非常に短時間ｔの間にしか起こらない、と言うことである。そして、これはインパルスと呼ばれ、ある特定の反復周波Ｎを周期的に作り出す。もしカソード１にマイナス電圧をかけたなら、アースに接続された処理対象２やアノード５は、電圧Ｖに等しく、電流をＩ、電子ビーム３の平均パワー（出力）をＰとすると、そのＰの式は、
Ｐ＝Ｎ・Ｉ・Ｖ・ｔ
となる。Ｎは、２００〜８０００Ｈｚである。
【００４５】
冷カソードを使用した場合、インパルスは３００ｎｓを超すことはできず、ミニマムは２０ｎｓ程度である。熱カソードを使用した場合は、電子を数マイクロ秒の間、加速することができる。
【００４６】
また、電子ビーム３の強さは、空間チャージ現象によってコントロールされ、チャイルド・ラングミュアー（Ｃｈｉｌｄ?Ｌａｎｇｍｕｉｒ）の法則によって値が定まる。この値は、数ｋＡにも達することがある。なお、チャイルド・ラングミュアーの式は、真空中の電極間における電子・イオンの空間電荷制限電流ｉが、Ｖ３／２／ｄ２に比例することを示す式である。Ｖは電極間電圧であり、ｄは電極の距離である。
【００４７】
その電圧Ｖは、２００ｋＶから４ＭＶであり、処理する表面の厚さや、希望する処理スピード等によって異なる値に設定する。アースに接続されたアノードを持ったカソードにおいて、マイナス電極を選択する理由は、実験を通した経験から得られたものであり、一般には、アースに接続された処理表面を操作する方が容易である。
【００４８】
電圧Ｖは、電子エネルギーをコントロールするものであり、電子が処理対象２の表面に食い込む深さをｐ（ｃｍ）とすると、次の関係式が得られる。
ｐ＝０．３３Ｅ／ｄ
【００４９】
ここで、Ｅはエネルギー（ＭｅＶ）であり、ｄは処理対象２の密度（ｇ／ｃｍ３）である。物質の中に電子エネルギーが取り込まれるには圧力波が作用し、この圧力波が研磨する表面、洗浄する表面の物質を除去する作用を起こすが、そのためには、「コンスタントな温度量」という条件がある。言い換えれば、物質が膨張しない程度に、より迅速に物質を温めることが必要となる。これはこの膨張を音速のスピードで行うことで可能になる。すなわち、わりあいに遅いスピードで行うことである。これを実現するためには、
ｔ＜ｐ／２Ｃ
となる。なお、Ｃは、電子ビーム３が吸収される物質の中を通る音速である。
【００５０】
電子ビーム３のエネルギーについて考える際に、以下の２つのことが想定される。
（１）エネルギーは処理される表面の異物にだけ入る
（２）エネルギーは基本的に処理される物質の中に入る
上記（１）に関しては、自由な表面上の膨張により、処理物破裂が起こり、上記（２）に関しては、物質の中に圧力波が起こり、この圧力波が表面に反射すると膨張波に変わる。処理する表面の付着物も同様にこの膨張を起こす。一般には付着物の粘着性より、この膨張力の方が大きいので、不純物は粉砕され、表面から剥離される。そして、その粉塵は、例えば、吸引してフィルターを通して回収することができ、その場合には、大気中に廃棄されることはない。「ドライ洗浄」「ドライ処理」という呼び名は、このプロセスによるものである。
【００５１】
以上のように、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００によれば、処理対象２に対して電子ビーム３を照射することによって、処理対象２の表面の洗浄は研磨、処理対象２に付着した物質の剥離等を行うことができる。また、処理対象２の殺菌や、処理対象に付着した放射線汚染の洗浄等も行うことができる。レーザインパルスを用いた場合には、このような殺菌や放射線汚染の洗浄を行うことはできない。なお、これらの洗浄を行っても、汚染物等を含む廃液等が発生しないメリットもある。さらに、レーザインパルスを用いた場合と比べて、単位時間あたりの消費電力が約半分になり、処理速度が速く消費電力コストが大幅に削減される。したがって、消費電力コストが減少させることができる。また、電子ビーム３を用いた技術の特徴は、衝撃エネルギーを熱エネルギーに変えることでもあり、電子ビーム３が処理対象２の表面にあたると、衝撃（波）エネルギーが微小時間（ナノセコンド）で熱エネルギーに変わり、それが分子構造を不安定にする条件を作る。それに対して、レーザーなどの他の方法を用いて温度を上げると時間がかかり、また全体が温まってしまう。電子ビーム３を用いた場合には、瞬時に高温にすることができるため、速い処理が可能となる。
【００５２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による電子ビーム照射装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態による電子ビーム照射装置は、大気中に存在する処理対象に対して電子ビームを照射するものである。
【００５３】
図７は、本実施の形態による電子ビーム照射装置２００の構成を示すブロック図である。本実施の形態による電子ビーム照射装置２００は、カソード１と、電圧生成器６と、真空チャンバ５２とを備える。なお、真空チャンバ５２が、接地された窓４を備えており、その窓４を介して放出された電子ビーム３を、真空チャンバ５２の外部に存在する処理対象２に対して照射する以外は、実施の形態１と同様であり、その説明を省略することがある。
【００５４】
カソード１は、窓４を介して電子ビーム３を処理対象２に照射する。そのカソード１が、処理対象２に電子ビーム３を集中させて照射できる形状であってもよいことや、カソード１が、熱カソード、酸化物カソード、またはタンクカソードであってもよいこと、カソード１が、エクスプローディングカソード、または冷カソードであってもよいことは、実施の形態１と同様である。また、カソード１は、プラズマカソードや、酸化熱カソード、ディスペンサー（ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）タイプのカソードであってもよい。また、電圧生成器６も、実施の形態１と同様のものである。すなわち、電圧生成器６は、電圧を発生してカソード１に供給するものである。本実施の形態でも、電圧生成器６がインパルス生成器である場合について主に説明する。
【００５５】
真空チャンバ５２は、電子ビーム３が通過可能な窓４を有する以外、実施の形態１の真空チャンバ５０と同様のものである。窓４は、カソード１から出射された電子ビーム３を外部に通過可能な金属薄膜である。その金属薄膜は、例えば、チタンの薄膜であることが好適である。その金属薄膜は、例えば、アルミニウムや、チタンルテニウム（チタンとルテニウムの合金）等のチタン以外の薄膜であってもよいが、アルミニウムの場合には性能が落ちることになる。なお、金属薄膜がチタンの薄膜である場合に、その厚さは、１０〜３０μｍであることが好適である。また、その窓４によって、照射される電子ビーム３のエネルギーの分散を最小限（５〜１０％）に抑えることが可能となりうる。また、窓４は、単一素材であってもよく、複合層を有する積層素材であってもよいが、接地するための導電性の層を少なくとも有するものである。なお、図７では、真空チャンバ５２の窓４と、それ以外の部分とを区別するために、窓４を他の部分よりも厚く描いているが、これは説明の便宜上であって、通常、窓４のほうが、他の部分よりも薄くなる。後述する図８においても同様である。
【００５６】
本実施の形態では、処理対象２は、真空チャンバ５２の外部に存在することになる。したがって、実施の形態１の場合のように、処理対象２を真空チャンバ５０の中に置いてから、真空チャンバ５０の内部雰囲気を真空にする、という処理が必要なくなり、真空チャンバ５２の内部雰囲気をはじめから真空にすることができる。その結果、処理対象２に電子ビーム３を照射するまでの時間を短縮することができる。なお、処理対象２は、実施の形態１の場合と同様に、処理の行われる表面が接地されているものとする。また、窓４は、接地されている。
【００５７】
図８は、電子ビーム照射装置２００の構成の他の一例を示す図である。より高いパワー密度が要求される場合には、図８で示されるように、処理対象２にエネルギーが集中されるように、カソード１の形状を、処理対象２に電子ビーム３を集中させて照射できる形状にしてもよい。なお、そのカソード１の形状（厳密には、カソード１における電子ビーム３を出射する面の形状）に合わせて、窓４の形状も変形させてもよい。すなわち、カソード１の電子ビーム３を出射する面と、窓４の面とが相似形であってもよい。具体的には、カソード１の電子ビーム３を出射する面と、窓４との距離が均一になるように、窓４の形状を設定してもよい。
【００５８】
また、高出力になると、窓４の温度が高くなる。したがって、それを冷却するために、図８で示されるように、電子ビーム照射装置２００は、窓４に送風を行う送風部１４をさらに備えてもよい。送風部１４は、窓４に送風することによって、窓４の温度を下げるものである。送風部１４は、高速エアーを窓４に送風してもよい。送風部１４は、図８で示されるように、窓４の外側に対して送風することによって、窓４を空冷するものである。
【００５９】
図９は、電子ビーム照射装置２００の構成の他の一例を示す図である。図９の電子ビーム照射装置２００において、処理対象２の表面は、金属ブラシ１８によって、アースに接続されている。また、電子ビーム３は、窓４を介して照射される。また、送風部１４からは、超高速（例えば、２００ｍ／ｓ）のエアーインジェクション（送風）がなされ、窓４を冷却する。本実施の形態による電子ビーム照射装置２００のように、大気圧状況に処理対象２が存在する場合には、電圧生成器６としては、Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｄｄｅｒタイプのものが好適である。その電圧生成器６において、カソード１に接続された支柱１３は、金属管であり、カソード１と反対側の先端はアースに接続される。また、絶縁チューブ２０は、例えば、ガラスやセラミック製のものであり、真空チャンバ５２内の真空雰囲気の気密性を保つために用いられる。なお、真空チャンバ５２は、アースに接続されている。絶縁チューブ２０の中心軸に沿って、複数のインダクター（電磁石）１１が並べて設置されている。各インダクター１１において、積層状の磁気コア１２に銅線が巻かれている。その積層状の磁気コア１２は、例えば、アモルファス（非結晶質の薄層）が積層されたものであってもよい。各インダクター１１への給電は、インパルスジェネレータ１０から同軸ケーブル９を介して行われる。例えば、図９では、１２個のインダクター１１から構成されているため、もし１．２ＭＶの出力を望むのであれば、インパルスジェネレータ１０は、インパルスの振幅が１００ｋＶであり、電流がカソード１から照射される電流と等しいインパルスを生成する。例えば、その電流は２ｋＡであってもよい。また、同軸ケーブル９のインピーダンスは５０Ωであり、インパルスジェネレータ１０も同じく５０Ωであってもよい。
【００６０】
窓４を空冷する送風部１４は、フィルターにかけられた圧縮空気や、窒素ガス、ヘリウムガス、水素ガスなどのガス２３を、窓４に接するように超高速で循環させてもよい。また、カソード１を取り付けた支柱１３は、底の金属板２２に接続されている。また、その金属板２２と、真空チャンバ５２の筐体とをつなぐトラス棒２１を介して、戻り電流が流れることになる。カソード１は、熱カソードであり、その熱カソードを温める方法は、ヒータケーブルを、カソード１を支える支柱１３の中に通し、アースの電極と、カソード１がインパルスする高電圧で簡単に行うことができる。窓４は、前述のように、１０〜３０μｍのチタンの薄膜を使用し、２〜４ｃｍ幅の湾曲したシリンダ形状であってもよい。
【００６１】
処理対象２は、前述のように、洗浄や研磨、ペンキやニス、汚染物質等の剥離を行う対象であれば、どのようなものであってもよい。処理対象２は、例えば、ゴムタイヤであり、そのゴムタイヤである処理対象２に電子ビーム３を照射することによって、そのゴムを分解し、カーボンブラックとポリマーとに戻してもよい。
【００６２】
以上のように、本実施の形態による電子ビーム照射装置２００によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態１のように、処理対象２を真空中に置かなくてもよいため、処理を開始するまでの作業が簡易なものとなり、作業性が向上することになる。また、実施の形態１の場合であれば、真空チャンバ５０に入る大きさの処理対象２に対してのみ処理を行うことができたが、実施の形態２の場合には、そのような制限もなくなる。
【００６３】
ここで、電子ビーム３を処理対象２に照射することによって、処理対象２を分解する原理について簡単に説明する。特に、処理対象２がゴムタイヤである場合について主に説明する。物質は、原子または分子から構成されているが、その運動エネルギーの状態に応じて、気体、液体、固体に変化する。固体であっても、気体や液体よりは小さいながらも運動エネルギーを持っている。固体では、原子、分子共に整然と配列された結晶構造の状態となっているが、結晶中の分子や原子は結晶格子の位置で前後左右上下に移動（振動）することができる。この振動を熱振動、格子振動と呼ぶ。振動の振動力は熱であるが、絶対零度においても不確定性原理から格子（原子）は、零点振動をしている。
【００６４】
調和振動子で構成されている物質に、衝撃運動量が加わり、非調和相互作用の状態（調和振動子のずれ）になることは、物質が分解されることを意味する。上記各実施の形態による電子ビーム照射装置１００、２００によって電子ビーム３をゴムに照射することによって、硫黄により架橋されたゴムを瞬時に分解し、カーボンブラックとポリマーに戻すことができる。この適切な衝撃運動量（時間を含む）は、適切な値に設定されることが必要である。
【００６５】
次に、グリューナイゼン定数について説明する。格子振動の非調和相互作用（調和振動子からのずれ）の影響がディバイ温度θＤにどのように現れるかを示す物質固有の定数がグリューナイゼン定数Γであり、次式で表される。なお、Ｖは体積である。
Γ＝−ｄ（ｌｏｇθＤ）／ｄ（ｌｏｇＶ）
【００６６】
次に、ディバイ温度について説明する。ディバイ温度θＤは、
θＤ＝ｈνｍ／ｋ
で得られる温度の次元を持つ量である。ここで、ｈはプランク定数であり、ｋはボルツマン定数である。そのディバイ温度は、ディバイ比熱モデルで振動子の数が結晶内原子の運動の自由度の総数に等しいとして得られる最大の振動数νｍを用いて導かれる。
【００６７】
秒速５０００メートルの電子ビームインパルスに、１００〜３００ナノセカンドのインパルスのコントロールを行うことで、処理対象２のポリマー分子構造体の連結を切り、より小さな物質にする。最も簡単にこの結合体の腕が切られるのは、ゴム製品に含まれるカーボンやシリカの部分である。すべての連結の腕を切ってしまうと、モノマーに分解される。グリューナイゼンの法則に則ると、
ΔＰ＝Γρε
となる。ここで、ΔＰは物質中の圧力増加であり、Γはグリューナイゼン定数であり、ρは密度であり、εは衝撃可能なエネルギー（ｅＶ）である。この式は、本願の発明者によって導出されたものである。インパルスは持続時間が無限小のパルスで、数学的にはデルタ関数で表される。この結果、加硫ゴムから天然ゴム、合成ゴム、カーボンブラックなどのリサイクルに必要なエネルギーεは、１０ｋｊ／ｋｇ程度となる。この値も、本願の発明者によって発見されたものである。
【００６８】
処理対象２がゴムタイヤである場合に、例えば、電子ビーム３を超高速インパルスでタイヤ表面に照射する。その照射の直径が３３ｍｍであったとする。すると、その照射された電子ビーム３はタイヤ表面から数ｍｍ程度食い込み、その部分のゴムが破壊され、ゴムとカーボンブラックが顆粒状になって落ちてくる。そのゴム等を微弱真空ポンプ等で吸引し、ゴムとカーボンブラックとを途中で回収し、蒸発ガスを熱交換機で処理し、タイヤに含まれる添加剤、オイルを分離して、オイルは液化オイルとして回収することができる。その他の若干含まれる揮発性ガスは、プラズマ処理機で処理され、有毒な排ガスや二酸化炭素の排出はない。このように、ゴムタイヤを分解する処理は、例えば、ゴムタイヤの金属金網や布類などを取り出すまで、すなわち、タイヤのゴム等が完全に分解されて無くなるまでなされてもよい。
【００６９】
なお、前述のように、電子ビーム照射装置１００、２００によってゴムタイヤのような処理対象２を分解する場合には、その分解後の物質を回収するための図示しない吸引器を電子ビーム照射装置１００、２００が備えていてもよい。
【００７０】
また、上記各実施の形態では、真空チャンバ５０、５２の内部に電圧生成器６も含まれる場合について主に説明したが、電圧生成器６の全部または一部は、真空チャンバ５０、５２の外に存在してもよいことは言うまでもない。
【００７１】
また、上記各実施の形態において、サーモショック（熱衝撃）による表面の研磨や洗浄を行う場合には、高電子エネルギー（ＭｅＶ）や、高電流（ｋＡ）が必要となる。一方、殺菌を行う場合には、電子エネルギーは小さく（３０〜５０ｋｅＶ）、電流もそれほど高くない相応な値である。
【００７２】
また、上記各実施の形態において、電子ビーム３が、電子ビームインパルスであってもよく、あるいは、電子ビームインパルスではない電子ビームであってもよいことは前述の通りである。なお、電子ビーム３が電子ビームインパルスであるほうが、より好適な効果が得られることも前述の通りである。
【００７３】
また、上記各実施の形態において、各構成要素等で用いられる情報、例えば、電圧の値や、周波数の値等がユーザによって変更されてもよい場合には、上記説明で明記していない場合であっても、ユーザが適宜、それらの情報を変更できるようにしてもよく、あるいは、そうでなくてもよい。それらの情報をユーザが変更可能な場合には、その変更は、例えば、ユーザからの変更指示を受け付ける図示しない受付部と、その変更指示に応じて情報を変更する図示しない変更部とによって実現されてもよい。その図示しない受付部による変更指示の受け付けは、例えば、入力デバイスからの受け付けでもよく、通信回線を介して送信された情報の受信でもよく、所定の記録媒体から読み出された情報の受け付けでもよい。
【００７４】
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上より、本発明による電子ビーム照射装置等によれば、例えば、処理対象を洗浄したり研磨したりすることができ、洗浄装置や研磨装置等として有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１ カソード
２ 処理対象
３ 電子ビーム
４ 窓
５ アノード
６ 電圧生成器
７ 第１のボビン
８ 第２のボビン
９ 同軸ケーブル
１０ インパルスジェネレータ
１１ インダクター
１２ 磁気コア
１３ 支柱
１４ 送風部
１６、１７ 付着物
１８ 金属ブラシ
２０ 絶縁チューブ
２１ トラス棒
２３ ガス
５０、５２ 真空チャンバ
５１ 回転部
１００、２００ 電子ビーム照射装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理対象に対して電子ビームを照射する電子ビーム照射装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、ＹＡＧレーザー等のレーザインパルスを用いて、処理対象の表面の研磨や洗浄等が行われている。具体的には、洗浄する表面に対して、１Ｊ／ｃｍ２程度のエネルギー密度でレーザインパルスを２０ｎｍ照射する。この高密度エネルギーは、サーモショック（熱衝撃）を洗浄、研磨する物質の表面に起こす。そして、そのエネルギーは、物質の表面で爆発を起こし、音波がその表面上に広がり、膨張波が表面に付着したオイルやペンキ、酸化物、汚れ、付着微粒子などを除去することになる。なお、ＹＡＧレーザーについては、例えば、非特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】"レーザー"、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００９年１１月２８日、［２００９年１２月８日検索］、ウィキペディア、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ３％８３％ＡＣ％Ｅ３％８３％ＢＣ％Ｅ３％８２％Ｂ６％Ｅ３％８３％ＢＣ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のレーザインパルスを用いた表面の洗浄等においては、コストが高く、処理スピードも遅いという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、レーザーよりも消費電力が低く、処理スピードの速い、表面の研磨や洗浄等の処理を行う電子ビーム照射装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明による電子ビーム照射装置は、負電圧を発生させる電圧生成器と、電圧生成器に接続され、表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射するカソードと、を備えたものである。
【０００７】
このような構成により、処理対象の表面の研磨や洗浄、不純物の剥離等を行うことができる。
【０００８】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、前記電圧生成器は、負電圧を周期的に発生させ、前記カソードは、前記処理対象に対して電子ビームインパルスを照射してもよい。
【０００９】
このような構成により、電子ビームインパルスではない電子ビームを用いた場合よりも効率的に、処理対象の表面の研磨や洗浄、不純物の剥離等を行うことができる。また、例えば、精錬された金属板のカラミン（Ｃａｌａｍｉｎｅ）の除去にも用いることができる。また、例えば、原子力産業から排出される放射線に汚染された物質の放射線の洗浄にも使用することができる。また、例えば、タイヤのゴム等を分解してリサイクルするためにも用いることができる。また、例えば、ベルトコンベア等の殺菌にも用いることができる。その殺菌は、電子による物質のイオン化によるＤＮＡの変異が原因となるものである。また、レーザインパルスよりも消費電力が低いため、より低コストで洗浄等の処理を行うことができるようになる。また、レーザインパルスを用いた場合よりも、より速く洗浄等の処理を行うことができるようになる。
【００１０】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードと処理対象とを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備えてもよい。
このような構成により、真空中において、処理対象に電子ビームインパルスを照射することができる。
【００１１】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードと処理対象との間に配置された、電子ビームインパルスが通過可能な孔を有するアノードをさらに備えてもよい。
このような構成により、アノードに設けられた孔によって、電子ビームインパルスを照射する範囲をコントロールすることができる。
【００１２】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、処理対象である金属薄板が巻かれている第１のボビンと、第１のボビンから繰り出された金属薄板を巻き取るボビンであり、第１のボビンの軸と平行な軸を有する第２のボビンと、第２のボビンによる金属薄板の巻き取りのために、少なくとも第２のボビンを回転させる回転部と、をさらに備え、カソードは、第１のボビンから繰り出された後であり、第２のボビンに巻かれる前である金属薄板に対して電子ビームインパルスを照射してもよい。
このような構成により、第１のボビンから繰り出され、第２のボビンに巻き取られる前の金属薄板に対して、例えば、洗浄等の処理を行うことができる。
【００１３】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、第１のボビン及び第２のボビンと平行して回転するものであってもよい。
このような構成により、洗浄、剥離等が行われることによって処理対象から出てきた物質でカソードが汚れたとしても、新しいまだ汚れていない箇所を用いて、電子ビームインパルスの照射を行うことができるようになる。
【００１４】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備え、真空チャンバは、カソードから出射された電子ビームインパルスを外部に通過可能な、金属薄膜である窓を有し、処理対象は、真空チャンバの外部に存在し、カソードは、窓を介して電子ビームインパルスを処理対象に照射してもよい。
【００１５】
このような構成により、真空中ではない大気中の処理対象に対して、電子ビームインパルスを照射することができるようになる。そのため、真空チャンバ内に処理対象を入れなくてもよいため、処理対象に関する自由度が高くなる。また、処理対象を大気中に置くことができるため、例えば、処理対象から剥離等された物等を吸引することによって回収することも可能となる。
【００１６】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、金属薄膜は、厚さが１０から３０μｍであるチタンの薄膜であってもよい。
このような構成により、この金属薄膜の窓を通して、効率よく電子ビームインパルスを放出することができるようになる。
【００１７】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、窓に送風する送風部をさらに備えてもよい。
このような構成により、その送風によって、窓を冷却することができる。
【００１８】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、処理対象に電子ビームインパルスを集中させて照射できる形状であってもよい。
このような構成により、電子ビームインパルスを所望の位置に集中させることができる。
【００１９】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、熱カソード、酸化物カソード、またはタンクカソードであってもよい。
また、本発明による電子ビーム照射装置では、カソードは、エクスプローディング（Ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ）カソード、または冷カソードであってもよい。
【００２０】
また、本発明による電子ビーム照射装置では、電圧生成器は、インダクションアダー（ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＡｄｄｅｒ）タイプであり、２００ｋＶから４ＭＶの負電圧であって、２０から３００ｎｓのインパルスを生成してもよい。
【００２１】
また、本発明による電子ビーム照射方法は、電圧を発生させる電圧生成ステップと、電圧生成ステップで生成された電圧を用いて、カソードから表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射する照射ステップと、を備えたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による電子ビーム照射装置等によれば、レーザインパルスを用いた場合よりも消費電力が低く、処理スピードが速い、表面の研磨や洗浄等の処理を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１による電子ビーム照射装置の構成を示す図
【図２】同実施の形態におけるシリンダ形状のカソードについて説明するための図
【図３】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【図４】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【図５】同実施の形態における回転するカソードについて説明するための図
【図６】同実施の形態における金属薄板の両面の洗浄について説明するための図
【図７】本発明の実施の形態２による電子ビーム照射装置の構成を示す図
【図８】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【図９】同実施の形態による電子ビーム照射装置の構成の他の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明による電子ビーム照射装置について、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素及びステップは同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による電子ビーム照射装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態による電子ビーム照射装置は、真空中の処理対象に電子ビームを照射することによって、処理対象の表面の洗浄等を行うものである。
【００２６】
図１は、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００の構成を示す図である。本実施の形態による電子ビーム照射装置１００は、カソード１と、電圧生成器６と、真空チャンバ５０とを備える。
【００２７】
電圧生成器６は、電圧を発生する。その発生された電圧は、カソード１に供給される。カソード１は、電圧生成器６に接続され、電圧生成器６から受け取った電圧によって、処理対象２に対して電子ビーム３を照射する。処理対象２は、表面が接地されている。真空チャンバ５０は、カソード１と処理対象２とを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能である。真空チャンバ５０内は真空に保たれるため、本実施の形態では、真空中で電子ビーム３が照射されることになる。
【００２８】
なお、電子ビーム３は、電子ビームインパルスであることが好適である。そのほうが、処理対象２に対する後述する洗浄等の効果が高いからである。したがって、電圧生成器６は、負電圧を周期的に発生するインパルス生成器であってもよい。また、カソード１は、その発生された負電圧が供給され、その負電圧によって、処理対象２に対して電子ビームインパルスを照射してもよい。本実施の形態及び実施の形態２では、主に、電子ビーム３が電子ビームインパルスであり、電圧生成器６がインパルス生成器である場合について説明する。なお、図１では、電圧生成器６がインパルス生成器である場合について図示しているが、電圧生成器６がインパルス以外の電圧を生成してもよいことは前述の通りである。
【００２９】
カソード１の形状、特に、カソード１が電子ビーム３を照射する面の形状は問わない。カソード１は、例えば、平面形状であってもよく、あるいは、処理対象２に電子ビーム３を集中させて照射できる形状であってもよい。後者の場合には、例えば、図２で示されるシリンダ形状であってもよく、あるいは、パラボラ形状や、球形状であってもよい。図２は、シリンダ形状のカソード１の形状を説明するための図である。図２（ａ）は、そのシリンダ形状のカソード１の側面図である。図２（ａ）において、カソード１は、図の紙面に垂直な方向にカソード１の形状が変化しないものである。すなわち、カソード１の電子ビーム３を照射する面は、円弧を、その円弧を含む円に垂直な方向に延ばした形状となる。図２（ｂ）は、そのシリンダ形状のカソード１の斜視図である。なお、そのシリンダ形状のカソード１の長さ（すなわち、そのシリンダ形状の長さ方向における長さ）は、処理対象２の大きさ等に応じて、適宜、所望の長さにすることができる。なお、そのシリンダ形状のカソード１から照射される電子ビーム３は、そのシリンダ形状の中心線（シリンダ形状が完全な円筒であった場合におけるその円筒の中心軸）に向けられることになる。したがって、処理対象２は、そのシリンダ形状の中心線の位置に配置されることが好適である。また、カソード１の電子ビーム３の照射面がパラボラ形状である場合には、そのカソード１が照射する電子ビーム３は、そのパラボラ形状の焦点に向けられることになる。したがって、処理対象２は、その焦点の位置に配置されることが好適である。また、カソード１の電子ビーム３を照射する面が球形状であるとは、その面が全球に近い形状であってもよく、半球の形状であってもよく、半球と全球の間の形状であってもよく、球に占める範囲が半球よりも狭い形状であってもよい。また、カソード１の電子ビーム３の照射面が球形状である場合には、そのカソード１が照射する電子ビーム３は、その球形状の中心に向けられることになる。したがって、処理対象２は、その中心の位置に配置されることが好適である。このカソード１は、比較的大きいものである。そのカソード１の大きさは、例えば、球状の直径以上のサイズであってもよい。
【００３０】
また、カソード１の種類は問わない。カソード１は、例えば、熱カソードであってもよく、酸化物カソードであってもよく、またはタンクカソードであってもよい。また、これらの例示した以外の種類のカソード１を用いてもよい。これらのカソードの種類については、すでに公知であり、詳細な説明を省略する。
【００３１】
電圧生成器６は、電圧を発生してカソード１に供給する。なお、本実施の形態では、電圧生成器６がインパルス生成器であり、負電圧を周期的に発生して、カソード１に供給する場合について説明する。その電圧生成器６は、例えば、インダクションアダー（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｄｄｅｒ：誘導演算回路）タイプであってもよい。その場合には、電圧生成器６は、２００ｋＶから４ＭＶの負電圧であって、２０から３００ｎｓのインパルスを生成する。誘導演算回路とは、入力信号の振幅の和に比例する出力信号振幅を発生する演算回路である。また、その電圧生成器６がインパルスを生成する周期は、例えば、１０００Ｈｚであってもよい。その周期は、通常、２００〜８０００Ｈｚである。また、電圧生成器６に供給される電力は、直流であってもよく、あるいは、交流であってもよい。なお、交流の高周波電源を使用した場合に、最も効率よく電子ビーム３を生成することができるようになる。
【００３２】
また、図１で示されるように、処理対象２の表面は、接地されている。すなわち、処理対象２の表面はアースに接続されていることになる。なお、電子ビーム照射装置１００は、処理対象２の表面を接地させるための、アースに接続されている端子を備えていてもよい。そして、そのアースに接続されている端子を処理対象２の表面に接続することによって、処理対象２の表面を接地してもよい。
【００３３】
次に、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００の使用方法について説明する。真空チャンバ５０の内部に処理対象２を配置し、その処理対象２の処理を行いたい表面を接地する。そして、真空チャンバ５０の内部雰囲気を真空にする。そのために用いられる真空ポンプを真空チャンバ５０が有してもよい。その後に、電圧生成器６を動作させて、カソード１に対して周期的に負電圧を供給する。すると、カソード１から処理対象２の表面に対して、電子ビーム３が照射される。その電子ビーム３の照射によって、処理対象２の表面を研磨したり、その表面に付着しているニスやペンキ（塗装）等を剥がしたりすることができる。また、その処理対象２が、ガラスやプラスチック、ゴム等の型である場合には、その型を用いた成型後に、その型からガラスやプラスチック、ゴム等を除去する目的で、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いることもできる。このように、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００は、例えば、処理対象２の表面における研磨や剥離、洗浄等に用いることができる。これはドライプロセスであり、汚染物質となる廃液等を出さないエコロジーな技術である。
【００３４】
従来例のように、レーザーを使用した剥離技術でも、同様な洗浄等の処理を行うことができるが、レーザーを使用した場合には、処理コストが非常に高くなり、また作業能率が悪いというデメリットがあった。それに比べて、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００では、消費電力が低いため低コストであり、また処理スピードもレーザーの場合に比べて速いものである。
【００３５】
この電子ビーム照射装置１００を用いることによって、金属表面の研磨や洗浄、油やスラグの付着したセラミックの洗浄や、その油等を剥離すること、ニスやペンキ、錆、カラマインの剥離、航空機のメンテナンス、プラスチックや金属を分解することによるリサイクル等を行うことができる。また、処理スピードが速いため、精錬されたばかりの金属に対して、表面加工の工程の前に表面洗浄研磨を行うこともできる。なお、通常、その表面洗浄研磨のために酸洗いを行うが、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いることによって、その酸洗いが必要なくなり、その酸洗いの廃液が出ないというメリットもある。このように、公害汚染物質を排出することなく、洗浄等の処理を行うことができる。また、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を、表面に付着した微粒子（ミクロ微粒子）の剥離洗浄に用いることもできる。また、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いて処理した後の表面の洗浄、研磨のレベルの高さは、他の洗浄、研磨の方法よりも遙かに高い。また、剥離や研磨によって排出された粉塵排出物を回収することによって、リサイクルを行うことも可能である。
【００３６】
また、表面のアブレーション（ａｂｒａｓｉｏｎ：剥離）では、排出される粉末状物質も、処理された表面も完全に殺菌されている。したがって、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００を用いることによって、例えば、食品産業などで使われる金属やゴム製のベルトコンベアの完全洗浄と殺菌とを同時に行うことができることになる。
【００３７】
また、その他のアプリケーションとして、放射線汚染された機材や建物、その他の物において、放射線汚染された表面の洗浄を行うことができる。この場合にも、前述のように、廃液等が出ないため、廃棄物の減量に大きく貢献することができる。
【００３８】
図３は、アノード５をさらに備えた電子ビーム照射装置１００の一例を示す図である。図３において、電子ビーム３の照射の際に、カソード１と処理対象２との間にアノード５が配置されている。そのアノード５は、電子ビーム３が通過可能な孔を有するものとする。電子ビーム３は、アノード５の孔を通過して処理対象２に照射されるため、アノード５の孔を所望の形状にすることによって、電子ビーム３を所望の範囲に照射することが可能となる。
【００３９】
図４は、処理対象２が金属薄板である場合の電子ビーム照射装置１００の一例を示す図である。図４において、電子ビーム照射装置１００は、第１のボビン７と、第２のボビン８と、回転部５１とをさらに備えている。なお、図４では、真空チャンバ５０を省略しているが、カソード１や電圧生成器６、第１及び第２のボビン７，８、回転部５１は、真空チャンバ５０の内部に存在するものとする。第１のボビン７には、処理対象２である金属薄板が巻かれている。第２のボビン８は、第１のボビン７から繰り出された金属薄板を巻き取るボビンであり、第１のボビン７の軸と平行な軸を有する。回転部５１は、第２のボビン８による金属薄板の巻き取りのために、少なくとも第２のボビン８を回転させる。回転部５１は、例えば、モータであってもよく、その他の駆動手段であってもよい。また、その回転部５１は、第２のボビン８のみを回転させてもよく、あるいは、第１及び第２のボビン７，８を回転させてもよい。前者の場合であっても、後者の場合であっても、第１のボビン７と第２のボビン８との間で、処理対象２である金属薄板がテンションを保つようになっていることが好適である。図４では、カソード１は、第１のボビン７から繰り出された後であり、第２のボビン８に巻かれる前である金属薄板に対して電子ビーム３を照射する。そして、回転部５１が第２のボビン８を回転させることによって、金属薄板は、カソード１の長さ方向に対して直角の方向に移動することになり、カソード１は、金属薄板の新しい箇所に電子ビーム３を照射することになる。そして、表面の処理がなされた金属薄板が、第２のボビン８に巻かれていくことになる。なお、処理対象２の金属薄板を接地するために、例えば、図４で示されるように、第２のボビン８を接地してもよく、その他の金属薄板の箇所を接地してもよい。第２のボビン８を接地する場合には、第２のボビン８と、そこにロール状に巻かれている金属薄板とが同電位であることが求められる。また、カソード１は、金属薄板と同じ幅を有していることが好適である。金属薄板の全体に対して電子ビーム３を照射できるようにするためである。また、この場合のカソード１は、エクスプローディング（Ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ）カソードと呼ばれる冷カソードが有利である。
【００４０】
なお、図４では、カソード１が固定されている場合について説明したが、カソード１は、第１のボビン７及び第２のボビン８と平行して回転するものであってもよい。図５は、回転するカソード１を有する電子ビーム照射装置１００の一例を示す図である。図５（ａ）では、カソード１は、円筒形になっている。そして、回転しながら電子ビーム３を照射する。このようにすることによって、電子ビーム３の照射によって金属薄板から剥離された物質がカソード１の一部に付着したとしても、そのカソード１が回転すると、剥離物質の付着していない新しいところから電子ビーム３を照射することができるようになる。図５（ｂ）では、カソード１は、金属薄板のベルトの巻かれたベルトコンベアである。そのベルトコンベアのベルトが回転することによって、図５（ａ）の場合と同様に、剥離物質の付着していない新しいところから電子ビーム３を照射することができるようになる。
【００４１】
なお、図５（ａ）、図５（ｂ）においても、説明の便宜上、真空チャンバ５０を省略しているが、カソード１や電圧生成器６、第１及び第２のボビン７，８、真空チャンバ５０の内部に存在するものとする。また、回転部５１も存在するものとする。また、図５（ａ）、図５（ｂ）において、カソード１を回転させるための図示しない回転部を電子ビーム照射装置１００が備えているものとする。その図示しない回転部は、例えば、モータであってもよく、あるいは、その他の駆動手段であってもよい。
【００４２】
また、図５（ａ）、図５（ｂ）において、カソード１のすべての面を用いて電子ビーム３の照射を行った場合（すなわち、図５（ａ）であれば、カソード１が１回転した場合、図５（ｂ）であれば、カソード１のベルトが１回転した場合）には、そのカソード１の表面から付着物質を除去してから使用するようにしてもよい。また、その付着物質の除去を、電子ビーム３の照射と並行して行うことによって、絶えず剥離物質の付着していないクリーンな箇所から電子ビーム３の照射を行うことができるようにしてもよい。
【００４３】
なお、図４、図５で説明したように、金属薄板に電子ビーム３を照射することによる金属薄板の表面洗浄では、図６で示されるように、電子ビーム３が照射される面と、その面の裏面との表裏両面を一緒に洗浄することができる。すなわち、電子ビーム３の吸収によって起こる圧力波は、薄膜の厚みの中で広がり、表裏両面に反射し、膨張波が起こり、そのようにして両面の付着物１６，１７が除去されることになる。
【００４４】
ここで、本実施の形態の電子ビーム照射装置１００による電子ビーム３の照射について、説明する。ダイオード放射の特徴は、電子の加速は非常に短時間ｔの間にしか起こらない、と言うことである。そして、これはインパルスと呼ばれ、ある特定の反復周波Ｎを周期的に作り出す。もしカソード１にマイナス電圧をかけたなら、アースに接続された処理対象２やアノード５は、電圧Ｖに等しく、電流をＩ、電子ビーム３の平均パワー（出力）をＰとすると、そのＰの式は、
Ｐ＝Ｎ・Ｉ・Ｖ・ｔ
となる。Ｎは、２００〜８０００Ｈｚである。
【００４５】
冷カソードを使用した場合、インパルスは３００ｎｓを超すことはできず、ミニマムは２０ｎｓ程度である。熱カソードを使用した場合は、電子を数マイクロ秒の間、加速することができる。
【００４６】
また、電子ビーム３の強さは、空間チャージ現象によってコントロールされ、チャイルド・ラングミュアー（Ｃｈｉｌｄ?Ｌａｎｇｍｕｉｒ）の法則によって値が定まる。この値は、数ｋＡにも達することがある。なお、チャイルド・ラングミュアーの式は、真空中の電極間における電子・イオンの空間電荷制限電流ｉが、Ｖ３／２／ｄ２に比例することを示す式である。Ｖは電極間電圧であり、ｄは電極の距離である。
【００４７】
その電圧Ｖは、２００ｋＶから４ＭＶであり、処理する表面の厚さや、希望する処理スピード等によって異なる値に設定する。アースに接続されたアノードを持ったカソードにおいて、マイナス電極を選択する理由は、実験を通した経験から得られたものであり、一般には、アースに接続された処理表面を操作する方が容易である。
【００４８】
電圧Ｖは、電子エネルギーをコントロールするものであり、電子が処理対象２の表面に食い込む深さをｐ（ｃｍ）とすると、次の関係式が得られる。
ｐ＝０．３３Ｅ／ｄ
【００４９】
ここで、Ｅはエネルギー（ＭｅＶ）であり、ｄは処理対象２の密度（ｇ／ｃｍ３）である。物質の中に電子エネルギーが取り込まれるには圧力波が作用し、この圧力波が研磨する表面、洗浄する表面の物質を除去する作用を起こすが、そのためには、「コンスタントな温度量」という条件がある。言い換えれば、物質が膨張しない程度に、より迅速に物質を温めることが必要となる。これはこの膨張を音速のスピードで行うことで可能になる。すなわち、わりあいに遅いスピードで行うことである。これを実現するためには、
ｔ＜ｐ／２Ｃ
となる。なお、Ｃは、電子ビーム３が吸収される物質の中を通る音速である。
【００５０】
電子ビーム３のエネルギーについて考える際に、以下の２つのことが想定される。
（１）エネルギーは処理される表面の異物にだけ入る
（２）エネルギーは基本的に処理される物質の中に入る
上記（１）に関しては、自由な表面上の膨張により、処理物破裂が起こり、上記（２）に関しては、物質の中に圧力波が起こり、この圧力波が表面に反射すると膨張波に変わる。処理する表面の付着物も同様にこの膨張を起こす。一般には付着物の粘着性より、この膨張力の方が大きいので、不純物は粉砕され、表面から剥離される。そして、その粉塵は、例えば、吸引してフィルターを通して回収することができ、その場合には、大気中に廃棄されることはない。「ドライ洗浄」「ドライ処理」という呼び名は、このプロセスによるものである。
【００５１】
以上のように、本実施の形態による電子ビーム照射装置１００によれば、処理対象２に対して電子ビーム３を照射することによって、処理対象２の表面の洗浄は研磨、処理対象２に付着した物質の剥離等を行うことができる。また、処理対象２の殺菌や、処理対象に付着した放射線汚染の洗浄等も行うことができる。レーザインパルスを用いた場合には、このような殺菌や放射線汚染の洗浄を行うことはできない。なお、これらの洗浄を行っても、汚染物等を含む廃液等が発生しないメリットもある。さらに、レーザインパルスを用いた場合と比べて、単位時間あたりの消費電力が約半分になり、処理速度が速く消費電力コストが大幅に削減される。したがって、消費電力コストが減少させることができる。また、電子ビーム３を用いた技術の特徴は、衝撃エネルギーを熱エネルギーに変えることでもあり、電子ビーム３が処理対象２の表面にあたると、衝撃（波）エネルギーが微小時間（ナノセコンド）で熱エネルギーに変わり、それが分子構造を不安定にする条件を作る。それに対して、レーザーなどの他の方法を用いて温度を上げると時間がかかり、また全体が温まってしまう。電子ビーム３を用いた場合には、瞬時に高温にすることができるため、速い処理が可能となる。
【００５２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による電子ビーム照射装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態による電子ビーム照射装置は、大気中に存在する処理対象に対して電子ビームを照射するものである。
【００５３】
図７は、本実施の形態による電子ビーム照射装置２００の構成を示すブロック図である。本実施の形態による電子ビーム照射装置２００は、カソード１と、電圧生成器６と、真空チャンバ５２とを備える。なお、真空チャンバ５２が、接地された窓４を備えており、その窓４を介して放出された電子ビーム３を、真空チャンバ５２の外部に存在する処理対象２に対して照射する以外は、実施の形態１と同様であり、その説明を省略することがある。
【００５４】
カソード１は、窓４を介して電子ビーム３を処理対象２に照射する。そのカソード１が、処理対象２に電子ビーム３を集中させて照射できる形状であってもよいことや、カソード１が、熱カソード、酸化物カソード、またはタンクカソードであってもよいこと、カソード１が、エクスプローディングカソード、または冷カソードであってもよいことは、実施の形態１と同様である。また、カソード１は、プラズマカソードや、酸化熱カソード、ディスペンサー（ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）タイプのカソードであってもよい。また、電圧生成器６も、実施の形態１と同様のものである。すなわち、電圧生成器６は、電圧を発生してカソード１に供給するものである。本実施の形態でも、電圧生成器６がインパルス生成器である場合について主に説明する。
【００５５】
真空チャンバ５２は、電子ビーム３が通過可能な窓４を有する以外、実施の形態１の真空チャンバ５０と同様のものである。窓４は、カソード１から出射された電子ビーム３を外部に通過可能な金属薄膜である。その金属薄膜は、例えば、チタンの薄膜であることが好適である。その金属薄膜は、例えば、アルミニウムや、チタンルテニウム（チタンとルテニウムの合金）等のチタン以外の薄膜であってもよいが、アルミニウムの場合には性能が落ちることになる。なお、金属薄膜がチタンの薄膜である場合に、その厚さは、１０〜３０μｍであることが好適である。また、その窓４によって、照射される電子ビーム３のエネルギーの分散を最小限（５〜１０％）に抑えることが可能となりうる。また、窓４は、単一素材であってもよく、複合層を有する積層素材であってもよいが、接地するための導電性の層を少なくとも有するものである。なお、図７では、真空チャンバ５２の窓４と、それ以外の部分とを区別するために、窓４を他の部分よりも厚く描いているが、これは説明の便宜上であって、通常、窓４のほうが、他の部分よりも薄くなる。後述する図８においても同様である。
【００５６】
本実施の形態では、処理対象２は、真空チャンバ５２の外部に存在することになる。したがって、実施の形態１の場合のように、処理対象２を真空チャンバ５０の中に置いてから、真空チャンバ５０の内部雰囲気を真空にする、という処理が必要なくなり、真空チャンバ５２の内部雰囲気をはじめから真空にすることができる。その結果、処理対象２に電子ビーム３を照射するまでの時間を短縮することができる。なお、処理対象２は、実施の形態１の場合と同様に、処理の行われる表面が接地されているものとする。また、窓４は、接地されている。
【００５７】
図８は、電子ビーム照射装置２００の構成の他の一例を示す図である。より高いパワー密度が要求される場合には、図８で示されるように、処理対象２にエネルギーが集中されるように、カソード１の形状を、処理対象２に電子ビーム３を集中させて照射できる形状にしてもよい。なお、そのカソード１の形状（厳密には、カソード１における電子ビーム３を出射する面の形状）に合わせて、窓４の形状も変形させてもよい。すなわち、カソード１の電子ビーム３を出射する面と、窓４の面とが相似形であってもよい。具体的には、カソード１の電子ビーム３を出射する面と、窓４との距離が均一になるように、窓４の形状を設定してもよい。
【００５８】
また、高出力になると、窓４の温度が高くなる。したがって、それを冷却するために、図８で示されるように、電子ビーム照射装置２００は、窓４に送風を行う送風部１４をさらに備えてもよい。送風部１４は、窓４に送風することによって、窓４の温度を下げるものである。送風部１４は、高速エアーを窓４に送風してもよい。送風部１４は、図８で示されるように、窓４の外側に対して送風することによって、窓４を空冷するものである。
【００５９】
図９は、電子ビーム照射装置２００の構成の他の一例を示す図である。図９の電子ビーム照射装置２００において、処理対象２の表面は、金属ブラシ１８によって、アースに接続されている。また、電子ビーム３は、窓４を介して照射される。また、送風部１４からは、超高速（例えば、２００ｍ／ｓ）のエアーインジェクション（送風）がなされ、窓４を冷却する。本実施の形態による電子ビーム照射装置２００のように、大気圧状況に処理対象２が存在する場合には、電圧生成器６としては、Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｄｄｅｒタイプのものが好適である。その電圧生成器６において、カソード１に接続された支柱１３は、金属管であり、カソード１と反対側の先端はアースに接続される。また、絶縁チューブ２０は、例えば、ガラスやセラミック製のものであり、真空チャンバ５２内の真空雰囲気の気密性を保つために用いられる。なお、真空チャンバ５２は、アースに接続されている。絶縁チューブ２０の中心軸に沿って、複数のインダクター（電磁石）１１が並べて設置されている。各インダクター１１において、積層状の磁気コア１２に銅線が巻かれている。その積層状の磁気コア１２は、例えば、アモルファス（非結晶質の薄層）が積層されたものであってもよい。各インダクター１１への給電は、インパルスジェネレータ１０から同軸ケーブル９を介して行われる。例えば、図９では、１２個のインダクター１１から構成されているため、もし１．２ＭＶの出力を望むのであれば、インパルスジェネレータ１０は、インパルスの振幅が１００ｋＶであり、電流がカソード１から照射される電流と等しいインパルスを生成する。例えば、その電流は２ｋＡであってもよい。また、同軸ケーブル９のインピーダンスは５０Ωであり、インパルスジェネレータ１０も同じく５０Ωであってもよい。
【００６０】
窓４を空冷する送風部１４は、フィルターにかけられた圧縮空気や、窒素ガス、ヘリウムガス、水素ガスなどのガス２３を、窓４に接するように超高速で循環させてもよい。また、カソード１を取り付けた支柱１３は、底の金属板２２に接続されている。また、その金属板２２と、真空チャンバ５２の筐体とをつなぐトラス棒２１を介して、戻り電流が流れることになる。カソード１は、熱カソードであり、その熱カソードを温める方法は、ヒータケーブルを、カソード１を支える支柱１３の中に通し、アースの電極と、カソード１がインパルスする高電圧で簡単に行うことができる。窓４は、前述のように、１０〜３０μｍのチタンの薄膜を使用し、２〜４ｃｍ幅の湾曲したシリンダ形状であってもよい。
【００６１】
処理対象２は、前述のように、洗浄や研磨、ペンキやニス、汚染物質等の剥離を行う対象であれば、どのようなものであってもよい。処理対象２は、例えば、ゴムタイヤであり、そのゴムタイヤである処理対象２に電子ビーム３を照射することによって、そのゴムを分解し、カーボンブラックとポリマーとに戻してもよい。
【００６２】
以上のように、本実施の形態による電子ビーム照射装置２００によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態１のように、処理対象２を真空中に置かなくてもよいため、処理を開始するまでの作業が簡易なものとなり、作業性が向上することになる。また、実施の形態１の場合であれば、真空チャンバ５０に入る大きさの処理対象２に対してのみ処理を行うことができたが、実施の形態２の場合には、そのような制限もなくなる。
【００６３】
ここで、電子ビーム３を処理対象２に照射することによって、処理対象２を分解する原理について簡単に説明する。特に、処理対象２がゴムタイヤである場合について主に説明する。物質は、原子または分子から構成されているが、その運動エネルギーの状態に応じて、気体、液体、固体に変化する。固体であっても、気体や液体よりは小さいながらも運動エネルギーを持っている。固体では、原子、分子共に整然と配列された結晶構造の状態となっているが、結晶中の分子や原子は結晶格子の位置で前後左右上下に移動（振動）することができる。この振動を熱振動、格子振動と呼ぶ。振動の振動力は熱であるが、絶対零度においても不確定性原理から格子（原子）は、零点振動をしている。
【００６４】
調和振動子で構成されている物質に、衝撃運動量が加わり、非調和相互作用の状態（調和振動子のずれ）になることは、物質が分解されることを意味する。上記各実施の形態による電子ビーム照射装置１００、２００によって電子ビーム３をゴムに照射することによって、硫黄により架橋されたゴムを瞬時に分解し、カーボンブラックとポリマーに戻すことができる。この適切な衝撃運動量（時間を含む）は、適切な値に設定されることが必要である。
【００６５】
次に、グリューナイゼン定数について説明する。格子振動の非調和相互作用（調和振動子からのずれ）の影響がディバイ温度θＤにどのように現れるかを示す物質固有の定数がグリューナイゼン定数Γであり、次式で表される。なお、Ｖは体積である。
Γ＝−ｄ（ｌｏｇθＤ）／ｄ（ｌｏｇＶ）
【００６６】
次に、ディバイ温度について説明する。ディバイ温度θＤは、
θＤ＝ｈνｍ／ｋ
で得られる温度の次元を持つ量である。ここで、ｈはプランク定数であり、ｋはボルツマン定数である。そのディバイ温度は、ディバイ比熱モデルで振動子の数が結晶内原子の運動の自由度の総数に等しいとして得られる最大の振動数νｍを用いて導かれる。
【００６７】
秒速５０００メートルの電子ビームインパルスに、１００〜３００ナノセカンドのインパルスのコントロールを行うことで、処理対象２のポリマー分子構造体の連結を切り、より小さな物質にする。最も簡単にこの結合体の腕が切られるのは、ゴム製品に含まれるカーボンやシリカの部分である。すべての連結の腕を切ってしまうと、モノマーに分解される。グリューナイゼンの法則に則ると、
ΔＰ＝Γρε
となる。ここで、ΔＰは物質中の圧力増加であり、Γはグリューナイゼン定数であり、ρは密度であり、εは衝撃可能なエネルギー（ｅＶ）である。この式は、本願の発明者によって導出されたものである。インパルスは持続時間が無限小のパルスで、数学的にはデルタ関数で表される。この結果、加硫ゴムから天然ゴム、合成ゴム、カーボンブラックなどのリサイクルに必要なエネルギーεは、１０ｋｊ／ｋｇ程度となる。この値も、本願の発明者によって発見されたものである。
【００６８】
処理対象２がゴムタイヤである場合に、例えば、電子ビーム３を超高速インパルスでタイヤ表面に照射する。その照射の直径が３３ｍｍであったとする。すると、その照射された電子ビーム３はタイヤ表面から数ｍｍ程度食い込み、その部分のゴムが破壊され、ゴムとカーボンブラックが顆粒状になって落ちてくる。そのゴム等を微弱真空ポンプ等で吸引し、ゴムとカーボンブラックとを途中で回収し、蒸発ガスを熱交換機で処理し、タイヤに含まれる添加剤、オイルを分離して、オイルは液化オイルとして回収することができる。その他の若干含まれる揮発性ガスは、プラズマ処理機で処理され、有毒な排ガスや二酸化炭素の排出はない。このように、ゴムタイヤを分解する処理は、例えば、ゴムタイヤの金属金網や布類などを取り出すまで、すなわち、タイヤのゴム等が完全に分解されて無くなるまでなされてもよい。
【００６９】
なお、前述のように、電子ビーム照射装置１００、２００によってゴムタイヤのような処理対象２を分解する場合には、その分解後の物質を回収するための図示しない吸引器を電子ビーム照射装置１００、２００が備えていてもよい。
【００７０】
また、上記各実施の形態では、真空チャンバ５０、５２の内部に電圧生成器６も含まれる場合について主に説明したが、電圧生成器６の全部または一部は、真空チャンバ５０、５２の外に存在してもよいことは言うまでもない。
【００７１】
また、上記各実施の形態において、サーモショック（熱衝撃）による表面の研磨や洗浄を行う場合には、高電子エネルギー（ＭｅＶ）や、高電流（ｋＡ）が必要となる。一方、殺菌を行う場合には、電子エネルギーは小さく（３０〜５０ｋｅＶ）、電流もそれほど高くない相応な値である。
【００７２】
また、上記各実施の形態において、電子ビーム３が、電子ビームインパルスであってもよく、あるいは、電子ビームインパルスではない電子ビームであってもよいことは前述の通りである。なお、電子ビーム３が電子ビームインパルスであるほうが、より好適な効果が得られることも前述の通りである。
【００７３】
また、上記各実施の形態において、各構成要素等で用いられる情報、例えば、電圧の値や、周波数の値等がユーザによって変更されてもよい場合には、上記説明で明記していない場合であっても、ユーザが適宜、それらの情報を変更できるようにしてもよく、あるいは、そうでなくてもよい。それらの情報をユーザが変更可能な場合には、その変更は、例えば、ユーザからの変更指示を受け付ける図示しない受付部と、その変更指示に応じて情報を変更する図示しない変更部とによって実現されてもよい。その図示しない受付部による変更指示の受け付けは、例えば、入力デバイスからの受け付けでもよく、通信回線を介して送信された情報の受信でもよく、所定の記録媒体から読み出された情報の受け付けでもよい。
【００７４】
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上より、本発明による電子ビーム照射装置等によれば、例えば、処理対象を洗浄したり研磨したりすることができ、洗浄装置や研磨装置等として有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１ カソード
２ 処理対象
３ 電子ビーム
４ 窓
５ アノード
６ 電圧生成器
７ 第１のボビン
８ 第２のボビン
９ 同軸ケーブル
１０ インパルスジェネレータ
１１ インダクター
１２ 磁気コア
１３ 支柱
１４ 送風部
１６、１７ 付着物
１８ 金属ブラシ
２０ 絶縁チューブ
２１ トラス棒
２３ ガス
５０、５２ 真空チャンバ
５１ 回転部
１００、２００ 電子ビーム照射装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を発生させる電圧生成器と、
前記電圧生成器に接続され、表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射するカソードと、を備えた電子ビーム照射装置。
【請求項２】
前記電圧生成器は、負電圧を周期的に発生させ、
前記カソードは、前記処理対象に対して電子ビームインパルスを照射する、請求項１記載の電子ビーム照射装置。
【請求項３】
前記カソードと前記処理対象とを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備えた、請求項２記載の電子ビーム照射装置。
【請求項４】
前記カソードと前記処理対象との間に配置された、前記電子ビームインパルスが通過可能な孔を有するアノードをさらに備えた、請求項３記載の電子ビーム照射装置。
【請求項５】
前記処理対象である金属薄板が巻かれている第１のボビンと、
前記第１のボビンから繰り出された金属薄板を巻き取るボビンであり、前記第１のボビンの軸と平行な軸を有する第２のボビンと、
前記第２のボビンによる金属薄板の巻き取りのために、少なくとも前記第２のボビンを回転させる回転部と、をさらに備え、
前記カソードは、前記第１のボビンから繰り出された後であり、前記第２のボビンに巻かれる前である金属薄板に対して電子ビームインパルスを照射する、請求項３または請求項４記載の電子ビーム照射装置。
【請求項６】
前記カソードは、前記第１のボビン及び前記第２のボビンと平行して回転するものである、請求項５記載の電子ビーム照射装置。
【請求項７】
前記カソードを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備え、
前記真空チャンバは、前記カソードから出射された電子ビームインパルスを外部に通過可能な、金属薄膜である窓を有し、
前記処理対象は、前記真空チャンバの外部に存在し、
前記カソードは、前記窓を介して電子ビームインパルスを前記処理対象に照射する、請求項２記載の電子ビーム照射装置。
【請求項８】
前記金属薄膜は、厚さが１０から３０μｍであるチタンの薄膜である、請求項７記載の電子ビーム照射装置。
【請求項９】
前記窓に送風する送風部をさらに備えた、請求項７または請求項８記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１０】
前記カソードは、前記処理対象に電子ビームインパルスを集中させて照射できる形状である、請求項２から請求項９のいずれか記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１１】
前記カソードは、熱カソード、酸化物カソード、またはタンクカソードである、請求項１から請求項１０のいずれか記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１２】
前記カソードは、エクスプローディング（Ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ）カソード、または冷カソードである、請求項２から請求項１０のいずれか記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１３】
前記電圧生成器は、インダクションアダー（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｄｄｅｒ）タイプであり、２００ｋＶから４ＭＶの負電圧であって、２０から３００ｎｓのインパルスを生成する、請求項１２記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１４】
電圧を発生させる電圧生成ステップと、
前記電圧生成ステップで生成された電圧を用いて、カソードから表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射する照射ステップと、を備えた電子ビーム照射方法。
【請求項１】
電圧を発生させる電圧生成器と、
前記電圧生成器に接続され、表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射するカソードと、を備えた電子ビーム照射装置。
【請求項２】
前記電圧生成器は、負電圧を周期的に発生させ、
前記カソードは、前記処理対象に対して電子ビームインパルスを照射する、請求項１記載の電子ビーム照射装置。
【請求項３】
前記カソードと前記処理対象とを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備えた、請求項２記載の電子ビーム照射装置。
【請求項４】
前記カソードと前記処理対象との間に配置された、前記電子ビームインパルスが通過可能な孔を有するアノードをさらに備えた、請求項３記載の電子ビーム照射装置。
【請求項５】
前記処理対象である金属薄板が巻かれている第１のボビンと、
前記第１のボビンから繰り出された金属薄板を巻き取るボビンであり、前記第１のボビンの軸と平行な軸を有する第２のボビンと、
前記第２のボビンによる金属薄板の巻き取りのために、少なくとも前記第２のボビンを回転させる回転部と、をさらに備え、
前記カソードは、前記第１のボビンから繰り出された後であり、前記第２のボビンに巻かれる前である金属薄板に対して電子ビームインパルスを照射する、請求項３または請求項４記載の電子ビーム照射装置。
【請求項６】
前記カソードは、前記第１のボビン及び前記第２のボビンと平行して回転するものである、請求項５記載の電子ビーム照射装置。
【請求項７】
前記カソードを内部に収容可能であり、内部雰囲気を真空に保持可能な真空チャンバをさらに備え、
前記真空チャンバは、前記カソードから出射された電子ビームインパルスを外部に通過可能な、金属薄膜である窓を有し、
前記処理対象は、前記真空チャンバの外部に存在し、
前記カソードは、前記窓を介して電子ビームインパルスを前記処理対象に照射する、請求項２記載の電子ビーム照射装置。
【請求項８】
前記金属薄膜は、厚さが１０から３０μｍであるチタンの薄膜である、請求項７記載の電子ビーム照射装置。
【請求項９】
前記窓に送風する送風部をさらに備えた、請求項７または請求項８記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１０】
前記カソードは、前記処理対象に電子ビームインパルスを集中させて照射できる形状である、請求項２から請求項９のいずれか記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１１】
前記カソードは、熱カソード、酸化物カソード、またはタンクカソードである、請求項１から請求項１０のいずれか記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１２】
前記カソードは、エクスプローディング（Ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ）カソード、または冷カソードである、請求項２から請求項１０のいずれか記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１３】
前記電圧生成器は、インダクションアダー（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｄｄｅｒ）タイプであり、２００ｋＶから４ＭＶの負電圧であって、２０から３００ｎｓのインパルスを生成する、請求項１２記載の電子ビーム照射装置。
【請求項１４】
電圧を発生させる電圧生成ステップと、
前記電圧生成ステップで生成された電圧を用いて、カソードから表面が接地された処理対象に対して電子ビームを照射する照射ステップと、を備えた電子ビーム照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１４５２５９（Ｐ２０１１−１４５２５９Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８３０９（Ｐ２０１０−８３０９）
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（５１００１６９１１）有限会社日本テクノバロー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（５１００１６９１１）有限会社日本テクノバロー (1)
【Ｆターム（参考）】
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