電子銃のための窓を形成する集束アノードを有する電子銃、ならびに照射および滅菌への該銃の応用
本発明は、電子銃のための窓を形成する集束アノードを有する電子銃、ならびに照射および滅菌への該銃の応用に関する。前記銃は、電子放出面８を有するカソード６と、チャンバ壁の１つに形成された電子に対して透過性があるアノード４とを含む真空チャンバ２を含む。アノードは、チャンバの内部と外部の間の圧力差に耐えるために、湾曲している。また、放出面も、湾曲しており、アノードと協調して、チャンバの外部で電子を集束させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードが、電子に対して透過性があり、電子銃の窓を形成する、電子銃に関する。
【０００２】
本発明は、以下に特に応用可能である。すなわち、
例えば、塗料、ワニス、接着剤などの製品の重合、
表面の照射、
物体、特に、蓋、キャップ、びん、プリフォーム、ポット、熱成形フィルム、密閉フィルム（何らかの容器を密閉するのに使用されるフィルム）などの包装コンポーネント、ならびに、例えば、個々の柔軟性のある袋、または一続きの柔軟性のある袋の滅菌、
電子衝撃による溶接、
食品汚染除去処理、および
例えば、急冷やアモルファス化などの熱処理である。
【０００３】
より一般的には、本発明は、レーザによって行われることが可能なタイプのイオン化である、集束された形態の低エネルギー入力を使用するすべてのイオン化アプリケーションのために使用することができる。
【背景技術】
【０００４】
以下の文献を参照されたい。すなわち、
［１］Ｒｉｃｈａｒｄ Ｎ．Ｃｈｅｅｖｅｒの発明である、カナダ特許公開第１ １１８ １８０号明細書、「Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｃｏｌｄ−ｃａｔｈｏｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｓｉｍｉｌａｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、
［２］Ｍｉｃｈｅｌ Ｒｏｃｈｅの発明である米国特許第４ ７２１ ９６７号明細書、「ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇｕｎ ｐｒｉｎｔｅｒ ｈａｖｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ ｓｅａｌｉｎｇ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｌａｔｅｓ」である。
【０００５】
文献［１］は、冷陰極電子銃について説明する。この銃は、銃のアノードを形成し、そこを電子が通過して、物体の表面を照射する、またはその物体を滅菌する導電性の窓を含む。
【０００６】
文献［２］は、電子銃と、電子に対して透明な曲面金属プレートによって形成された、いくつかの窓とを含むプリンタについて説明する。
【０００７】
したがって、電子ビームを生じさせる電子銃のチャンバの外の、大気中で電子ビームをどのようにつくり出すかが知られている。そのチャンバの内部は、真空状態にあるので、電子ビームが通過する窓は、大気圧に耐えなければならない。
【０００８】
この問題は、特に、チャンバから低エネルギーの電子（５００ｋｅＶ以下の）を取り出すことが要求される場合に生じる。というのは、その場合、窓は、非常に薄くなければならないからである。そのケースでは、窓は、曲面に、例えば、柱面形に、ただし、好ましくは、球面形にされなければならない。
【０００９】
しかし、別の問題が生じる。すなわち、電子ビームによる一部の照射に関して、電子ビームが集束させられることが有用である。
【００１０】
これは、ビームの形状が、物体、例えば、ミルクのびんのキャップを適切に照射するのに、またはビームのエネルギーをある箇所に集中させて、溶接、切削、または表面処理のために要求される非常に高い出力密度が達せられるようにするのに重要である一部のケースでは、不可欠でさえある。
【００１１】
しかし、従来の電子銃における集束要素群、ならびに偏向要素群および電子ビーム伝達要素群は、しばしば、非常に複雑であり、すべてのケースで、大きいことがよく知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、前述した欠点を修正することである。
【００１３】
本発明の目的は、電子銃であり、特に、低エネルギー電子ビーム（５００ｋｅＶ以下の）を出力することができる銃であり、この銃は、電子に対して透明であり、大気圧に耐える、アノードとしても、集束電極としても作用する曲面窓を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、集束を行うために、曲面の光学特性を利用する。すなわち、本発明は、窓を形成するアノードに適用された曲率を、（大気圧に耐えるように）やはり湾曲しているカソードと協調させて使用する。
【００１５】
具体的には、本発明の目的は、
真空（排気された）状態にあるように設計された、密封されたチャンバと、
チャンバ内部に配置され、電子を放出することができる放出面を含むカソードと、
チャンバの壁の１つに、その放出面に向かって形成され、その放出面によって放出された電子を、通過させることができる、密封された窓を形成するアノードと、
それらの電子をアノードに向かって加速させることができ、そのように加速された電子が、アノードを通過するビームを形成する、アノードとカソードの間の電圧をセットアップするバイアス手段とを含む電子銃であり、この電子銃は、アノードと放出面がそれぞれ、曲率を有し、アノードの曲率は、アノードが、チャンバの内部と外部の間の圧力差に耐えることができるようにし、放出面の曲率と協調して、電子ビームをチャンバの外部で集束させるように設計されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明による電子銃の１つの好ましい実施形態によれば、アノードとカソードの間にセットアップされた電圧は、５００ｋｅＶ以下のエネルギーを電子に印加することができる。
【００１７】
好ましくは、カソードの放出面は、加熱されると、電子を放出することができる放出層を含み、電子銃は、カソードを加熱する、したがって、この放出層を加熱する手段も含む。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、これらの加熱手段は、加熱されると、電子を放出し、それらの電子でカソードを衝撃することができるフィラメントを含み、カソードが、したがって、放出層がこのように、電子衝撃によって加熱される。
【００１９】
本発明の１つの特定の実施形態によれば、アノードと、カソードの放出面は、同心球面の部分、または同軸の回転柱面の部分を形成する。
【００２０】
アノードは、好ましくは、厚さが５０マイクロメートル未満であることが可能な薄い金属シートを含む。
【００２１】
本発明による電子銃の１つの好ましい実施形態によれば、バイアス手段は、パルスモードで電子を加速させるために、アノードとカソードの間でパルス電圧をセットアップするように設計される。
【００２２】
そのケースでは、加熱手段がフィラメントを含むケースに相当する１つの特定の実施形態によれば、カソードを、アノードに対して、負のパルス高電圧にまで上昇させるバイアス手段が提供され、アノードは、接地され、これらのバイアス手段は、
負のパルス電圧を出力することができる補助手段と、
その負のパルス電圧を変圧して、負のパルス高電圧にすることができる変圧器とを含み、
この変圧器は、補助手段に接続された１次巻線と、３つの導線を含む２次巻線とを含み、これらの導線の２つは、フィラメントを加熱し、カソードに対して、そのフィラメントにバイアスをかけて、フィラメントによって放出された電子が、そのカソードに到達するようにするために備えられ、第３の導線は、カソードを負のパルス高電圧まで上昇させるように備えられる。
【００２３】
アノードは、好ましくは、冷却手段を備える。
【００２４】
それらの冷却手段は、好ましくは、アノードの周辺部の少なくとも一部分の上にガスを噴射する手段を含む。
【００２５】
また、本発明は、少なくとも１つの物体の電子照射のための設備にも関し、この設備は、集束された電子ビームによって、その物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段が、本発明による電子銃を含む。
【００２６】
また、本発明は、物体の、特に、包装コンポーネントの電子滅菌のための設備にも関し、この設備は、集束された電子ビームによって、それらの物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段が、本発明による電子銃を含む。
【００２７】
本発明は、添付の図面を参照して、純粋に手引きのために、全く制限するものとしてではなく、以下に与えられる、以下の例示的な諸実施形態を読んだ後、よりよく理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１に断面が図示された本発明による電子銃は、真空状態にある密封されたチャンバ２、ならびにアノード４とカソード６を含む。カソード６は、チャンバ２内部に配置され、電子を放出することができる放出面８を含む。
【００２９】
アノード４は、その放出面８に向かって、チャンバの壁の１つに形成され、電子に対して透明な密封された窓を形成する。このため、放出面によって放出された電子は、この窓を通過することができる。
【００３０】
また、電子銃は、アノード４とカソード６の間で加速電圧Ｖａをセットアップして、カソードによって放出された電子をアノードに向かって加速させることができる電力供給手段１０も含む。図１に示した実施例では、アノード４は、接地され、電圧Ｖａは、カソードに印加された負のパルス高電圧である。
【００３１】
このように加速された電子は、アノード４を通過し、チャンバ２の外部にある、つまり、空気中のビーム１２を形成する。
【００３２】
本発明によれば、アノード４と放出面８はそれぞれ、湾曲している。アノードの曲率は、アノードが、真空状態にあるチャンバの内部と、大気圧にある、そのチャンバの外部との間の圧力差に耐えることを可能にする。さらに、アノードの曲率は、放出面の曲率と協調して、チャンバの外部で電子ビーム１２を集束させる。
【００３３】
図１の実施例では、後段でさらに説明する集束ゾーン１４は、点または直線である。
【００３４】
チャンバ２は、密封を真空状態に、より正確には、この実施例では、準真空状態に維持し、接地され、アノード４を支持する、例えば、ステンレス鋼でできた、第１のほぼ円筒形の金属部品１６と、カソード６に接続され、したがって、負のパルス高電圧Ｖａに接続された第２のほぼ環状の金属部品２０とを含む。
【００３５】
図示した実施例では、アノード４は、後段でより詳細に説明する、金属シートから作られている。このシートの端部は、金属部品１６とほぼ環状の部品１７の間に固定されている。
【００３６】
この部品１７は、ねじ１８によって金属部品１６と接触して締め付けられる。この部品１６と部品１７の側で、チャンバは、図１で見て取ることができるとおり、金属シートと金属部品１６の間で、金属シートと一緒に締め付けられる、例えば、インジウムでできた、金属シール１９を使用して密封される。
【００３７】
金属部品２０は、チャンバ２の後壁を形成するフランジ２１によって閉じられる。フランジ２１は、アノード４を支持する壁、すなわち、前壁と向かい合わせである。ねじ２２が、フランジ２１を金属部品２０と接触して締め付けるのに使用される。
【００３８】
この部品２０の側で、チャンバは、図１で見て取ることができるとおり、金属部品２０とフランジ２１の間で締め付けられる、例えば、インジウムでできた、別の金属シール２３によって密封される。
【００３９】
図１の銃は、５００ｋｅＶを超えない、低エネルギーのパルス電子ビームを出力するように設計される。例えば、５ｋＷの電力を有する２５０ｋｅＶのビームが生じさせられることが可能であるが、これは、全く限定するものではない。
【００４０】
カソード６は、アノードに向かう面が、電子を放出する面８を形成する、例えば、ニッケルでできた、金属部品２４を含む。これを実現するため、加熱されると、電子を放出し、例えば、ニッケル粉末と、焼結された炭酸バリウムの混合から成ることが可能な、数十ミリメートルの薄い層２６が、その面８の上に付着させられる。
【００４１】
例えば、水素雰囲気中で、１０００℃で焼結された５％ないし１０％の量のＢａＣＯ３が、使用されることが可能であるが、これは、全く限定するものではない。
【００４２】
部品２４を加熱する、したがって、層２６を加熱する手段２８が提供される。この実施例では、手段２８は、加熱されると、電子を放出する、例えば、タングステンでできたフィラメント３０を含む、電子衝撃による加熱手段から成る。
【００４３】
セラミックス金属タイプの２つのシールクロッシング３４および３５が、フランジ２１上に溶接され、図１で見て取ることができるとおり、それぞれ金属ロッド３６および３８を介したフィラメント３０の電力供給のために使用される。
【００４４】
部品２４に面したフィラメント３０は、ねじ４０および４２などのセラミックねじによって支持されて、カソードからフィラメントを電気的に絶縁する。当然、このフィラメントは、連続的であるが、図１では、フィラメントの２つの終端部だけを見ることができ、残りの部分は、図の平面の「背後」に留まっている。
【００４５】
見て取ることができるとおり、カソードは、通気穴４６を備え、例えば、ＴＩＧ溶接などのスポット溶接４５によって、部品２４にまず、固定され、他方の終端部でフランジ２１に固定された、ステンレス鋼でできた別の部品４４を含む。
【００４６】
部品４４は、ねじ４０および４２のようなセラミックねじで取り付けられ、中空である。つまり、図１で見て取ることができるとおり、ロッド３６および３８が、部品４４を貫通し、セラミックリング４８によって部品４４から電気的に絶縁されている。
【００４７】
カソード６からの、したがって、ニッケル部品２４からのフィラメント３０の電気絶縁は、この部品とフィラメントの間に適切なバイアス電圧をかけて、フィラメントによって放出された電子で部品２４を衝撃することを可能にし、したがって、この部品を加熱することを可能にする。
【００４８】
この実施例では、フィラメントには、カソードに対して、−５００Ｖに負のバイアスがかけられる。
【００４９】
チャンバ２は、高い電圧に耐える電気絶縁体を形成し、チャンバの部品１６と部品２０を互いに固定されて保持する、ほぼスリーブの形態の、第３の部品５０を含む。例えば、アルミナでできたセラミック絶縁体を使用することが好ましい。
【００５０】
この絶縁体の２つの終端部におけるセラミックス金属タイプのろう付け５２が、絶縁体５０と金属部品１６および２０の間の接続を封止する。
【００５１】
この実施例では、アノード４と、部品２４の面８が、同心球面の部分を形成することが可能であり、その場合、電子ビーム１２の集束ゾーン１４は、点であり、あるいは、アノード４と面８は、同軸の回転柱面の部分を形成することが可能であり、その場合、このゾーンは、直線（柱面の共通の軸に平行であり、その場合、この軸は、図１の平面に垂直である）である。
【００５２】
図１で見て取ることができるとおり、電子放出層２６は、部品２４の端部よりわずかに前で止まり、電圧Ｖａの印加によって加速器空間（つまり、アノードとカソードの間の空間）内で生じさせられた電界が、エッジ効果によって影響されないゾーン内でだけ、電子ビーム１２を加速するようにしている。
【００５３】
電子ビーム１２は、基本的に、界が、好ましくは、１６０ｋＶ／ｃｍを超えることがほとんどない、この加速器空間内における電界線の集束によって集束させられる。参考として、全く限定するものとしてではなく、アノード４とカソード６の間で１．５ｃｍの距離を設けることにより、２５０ｋｅＶのビームが生じさせられ、上述の条件を満たす電界がもたらされる。
【００５４】
アノード４は、薄い金属シートから成り、好ましくは、チタンまたはアルミニウムでできている。このシートの厚さは、電子ビームに要求されるエネルギーが低くなるにつれ、低下しなければならない。
【００５５】
５００ｋｅＶを超えないビームの場合、５０マイクロメートル未満の厚さを有するシートを使用することが好ましい。
【００５６】
例えば、図１の電子銃は、３５ｍｍに相当する曲率半径を有し、有利には、１０μｍから１５μｍまでの厚さを有する、球面形のチタンシートを使用することが可能である。
【００５７】
図１の銃の窓を形成するアノード４は、この窓の周辺部の少なくとも一部分の上に、例えば、この周辺部の半分の上に、または場合により全部の上に、空気をはねかける手段５４を備えて、窓を冷却するようにしている。
【００５８】
見て取ることができるとおり、これらの手段５４は、要求される周辺部分の上に圧縮空気吸気口５６を含み、この吸気口５６には、矢印５８によって表される手段によって圧縮空気が供給される。
【００５９】
アノードの周辺部に向けられる空気を極めて徹底的に濾過して、空気が、ダストを含むことを完全に防止することが好ましい。このダストは、アノードに付着する可能性があり、アノードにおいて、ダストが、電子ビームによって加熱され、すると、アノードへの浸入が生じさせられる可能性がある。
【００６０】
また、図１の電子銃には、実用的に制御された雰囲気（例えば、窒素雰囲気）でアノードを冷却して、電子銃の動作中にオゾン（危険なガス）の形成を防止するための吸込手段（図示せず）も取り付けられることが可能である。
【００６１】
さらに、図１の銃が動作するようにされる前に、チャンバ２内で真空が生じさせられる。すなわち、チャンバ２内で準真空が、つまり、１０−５Ｐａ以下の圧力が生じさせられる。
【００６２】
この真空は、「超真空（ｕｌｔｒａ−ｖｉｄｅ）」技術だけが使用されるという条件付きで、かつ、チャンバ内で準真空を生じさせる際に、高い温度、例えば、３００℃で長時間の脱ガス処理が行われるという条件付きで、かつ、その後、ゲッタ（図示せず）が、チャンバ内でそのように得られた準真空を維持するのにチャンバ内で使用されるという条件付きで、チャンバ内で「静的に」維持されることが可能である。
【００６３】
変種として、この準真空は、チャンバ２内で生じさせられ、次に、例えば、イオンポンプ６０を使用して、「動的」に維持されることも可能である。
【００６４】
例えば、図１の電子銃は、長さおよそ４００ｍｍ、直径およそ５０ｍｍの円柱の形態であることが可能であり、ただし、これは、全く限定するものではない。
【００６５】
本発明による電子銃の１つの好ましい実施形態は、２つの原理に、すなわち、パルスモードにおける加速、および「ダイオード」モードにおける加速に基づく。図１の電子銃は、この好ましい実施形態の実施例である。
【００６６】
パルスモードにおける加速に関して、銃に常時の電子加速電圧を印加して、低い電子流、例えば、１０ｍＡを出力する代わりに、電子加速電圧は、銃が使用される時間のうち、ほんの少しの間だけ、好ましくは、その時間の１／１０００の間だけ、印加される。例えば、この電圧は、５００Ｈｚの繰返し率で、２マイクロ秒にわたって印加されるが、当然、電流は、１０００倍高くなければならず、したがって、１０Ａに相当しなければならない。
【００６７】
パルスモードにおける加速は、電気絶縁制約が小さくなるという利点を有し、電気絶縁制約は、短いパルスに関して、はるかに厳しくない（降伏の確率は、電圧印加時間の平方根とともに変化する）。結果は、高電圧発生機および電子銃のサイズおよび費用が低減されることである。
【００６８】
さらに、この銃が小型であることは、多くの補足的な利点、特に、遮蔽ボリュームが小さくなるという利点を有する。
【００６９】
図２は、本発明による電子銃の、例えば、図１の銃のカソードに印加されて、そのカソードによって放出される電子を加速させることが可能な負のパルス高電圧Ｖａの、時刻ｔにつれての変化を示す。
【００７０】
この電圧Ｖａの最小（負の）値は、Ｖｍで表される。したがって、Ｖｍは、銃使用時間のうち、ほんの少しの間だけにわたって、カソードに定期的に印加される電圧の値である。
【００７１】
「ダイオード」モードにおける加速は、電子を加速させる可能な最も単純な方法である。すなわち、電子は、図３に図示する（さらに、図１に示された実施例におけるカソード６およびアノード３にそれぞれ対応する）熱陰極６２とアノード６４の間で加速される。
【００７２】
また、電圧Ｖａをカソード６２に印加するための手段６６も示されており、アノード６４は、接地されている。
【００７３】
得られる電子銃の単純さは、この加速モードでは、アノードが、ほとんどの使用ケースに適合した、よく制御されたビーム幅で、大気中に電子が出るための必要な窓としても作用することを考慮すると、明白となる。
【００７４】
従来の電子加速器において使用される電子ビーム集束要素、偏向要素、および伝達要素は、すべて無くされ、それらの要素は、しばしば、非常に複雑であり、いずれにしても、大きい。
【００７５】
既に述べたとおり、アノードは、このアノードの薄さにもかかわらず、大気圧に耐えるのに必要であり、また、電子ビーム６８（図３）を加速器空間内で直接に集束させて、集束領域７０が、電子銃の外部にあるようにする曲率（大気側の観察者に対して凹面の向きの）を有する。
【００７６】
図４は、図１の電子ビームのための電力供給手段１０の実施例を図示する。
【００７７】
これらの手段１０は、負のパルス高電圧Ｖａをカソード６に印加すること、このカソード６に対して、フィラメント３０にバイアスをかけること、およびこのフィラメントを加熱することができ、アノード４は、接地されている。
【００７８】
これらの手段１０は、負のパルス高電圧を得るのに使用される変圧器７２を含む。この変圧器７２は、有利には、油によって行われることが可能な非常に良好な電気絶縁、および低い漏れインダクタンスを基本的に特徴とする。
【００７９】
この低い漏れインダクタンスは、出力パルスに関して、十分に急勾配の立ち上がりを得るのに必要であり、これらの立ち上がりの時間は、例えば、１マイクロ秒に相当し、したがって、実際の高電圧が、電子銃に印加される時間が、最小限に抑えられる、例えば、数マイクロ秒に抑えられることが可能であるようにする。
【００８０】
この変圧器７２の２次巻線７４は、３つの導線を有するケーブル７６を使用して巻かれて、高い電圧が、カソードに印加されることが可能であるようにするが、また、大地電位から、フィラメント３０を加熱し、このフィラメントとカソード６の間で負の電圧Ｖｆを印加して、カソードに対して、フィラメントに負のバイアスをかけるようにし、例えば、８００℃程度の高い温度まで、電子衝撃によってカソードを加熱するようにもする。
【００８１】
このため、電圧Ｖｆは、カソード６の温度を制御する。この温度自体は、カソードの放射率を制御する。
【００８２】
これらすべての制御、すなわち、カソードにパルス高電圧を印加するための制御、フィラメントを加熱するための制御、およびカソードに対して、フィラメントにバイアス電圧を印加するための制御は、非常に高い電圧パルスの存在にもかかわらず、接地電位から非常に簡単に行われることに留意されたい。
【００８３】
変圧器７２は、この変圧器の１次巻線７８に接続され、変圧器により変圧されて、負のパルス高電圧にされる負のパルス電圧を変圧器に供給するように設計された非対称ブリッジ８０を介して制御される。
【００８４】
この非対称ブリッジ８０は、２つのスイッチングトランジスタ８２および８４、ならびに２つのダイオード８６および８８を含み、これらのダイオードおよびトランジスタは、図４で見ることができるとおり、配置される。２つのダイオード８６および８８は、変圧器７２を減磁することを可能にする。２つのトランジスタ８２および８４は、好ましくはＩＧＢＴトランジスタ、つまり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。
【００８５】
さらに、トランジスタ８２および８４は、電圧に必要とされるパルス繰返し数を得るための、図示されていない手段によって制御される。
【００８６】
例えば、それらの手段は、光結合された「ドライバ」タイプの集積回路であることが可能である。
【００８７】
非対称ブリッジ８０は、長方形９４によって図示されるグレーツブリッジを使用する３相主電源９２の整流によって得られる電力供給電圧がかかっているキャパシタ９０によって電力を供給される。
【００８８】
例えば、非対称ブリッジ８０は、グレーツブリッジを使用する３相主電源の整流によって得られる５００Ｖ程度の電圧で、数百マイクロファラドのキャパシタンスを有するキャパシタによって電力を供給される。
【００８９】
また、電力供給手段１０は、１次巻線が、単相主電源９８（２２０Ｖ、５０Ｈｚ）に接続された別の変圧器９６も含む。この変圧器９６は、例えば、５０Ｈｚに相当する周波数を有し、５Ａの強さの、交流によって、例えば、６Ｖに相当する電圧をかけて、フィラメント３０を加熱することを可能にする。
【００９０】
また、電力供給手段１０は、カソード６の温度を制御する直流電圧を出力するように設計された発電機１００も含む。このＤＣ電圧は、例えば、１００Ｖと５００Ｖの間で可変であることが可能である。
【００９１】
カソード６は、好ましくは、飽和モードで使用される。そのケースでは、加速器空間（カソードとアノードの間の空間）から取り出されることが可能な電流の密度は、そのカソードの温度だけに依存する。このため、電子銃によって出力される電流は、もっぱら、このＤＣ電圧によって制御される。
【００９２】
この電圧は、場合により、カソードに出力される負の高電圧パルス出力において出力された電流Ｉを読み取ることから、スレーブループ（図示せず）によって制御されることが可能である。
【００９３】
次に、変圧器７２の２次巻線のより詳細な説明を与える。この巻線が形成されるケーブル７６は、互いに電気的に絶縁されている３つの導線１０２、１０４、および１０６を含む。
【００９４】
導線１０２および１０４は、フィラメント３０の２つの端子を、変圧器９６の２次巻線の、対応する２つの端子に接続する。さらに、発電機１００が、アースと、変圧器９６側に位置する導線１０２の終端部の間に設置される。また、導線１０６の終端部も、カソード６およびアースにそれぞれ接続される。
【００９５】
パルスモードにおける動作が、本発明の好ましい実施形態であるが、本発明は、この動作に限定されない。つまり、カソードに、ＤＣ電圧によって、本発明による電子銃のアノードに対して、バイアスがかけられて、連続モードの動作が得られることが可能である。
【００９６】
同様に、熱陰極の使用が、本発明の好ましい実施形態に対応するが、本発明は、そのような使用に限定されない。つまり、他のタイプのカソード、例えば、電界効果によって電子を放出することができる冷陰極も、本発明による電子銃において使用することができる。
【００９７】
さらに、本発明は、５００ｋｅＶを超えない電子ビームの供給に限定されない。すなわち、本発明による電子銃のアノードに対する、カソードのバイアスを適合させることにより、より高いエネルギーが、本発明で可能である。
【００９８】
さらに、本発明は、空気中に電子ビームを供給するように設計されているが、本発明による電子銃は、そのようなビームを真空中に出力するのにも使用されることが可能であることが明らかである。
【００９９】
本発明による電子銃の様々な応用例は、既に前述した。電子銃は、小型で、安価であるように製造されることが可能であり、高い浸入能力を有する低エネルギーの電子ビームを生じさせるのに使用することができるため、それらの応用例に特に適合している。
【０１００】
以下は、図５および図６に関連する、本発明の２つの例示的な応用例を含む。
【０１０１】
図５は、ラッピングフィルム１０８、例えば、熱成形フィルムまたは密閉フィルムの滅菌への本発明の応用例を図示する。
【０１０２】
このフィルム１０８は、フィルム１０８が巻かれているコイル１１２から、図示していない手段によって、ローラ１１０上に張られ、移動させられている（矢印Ｆ１の方向に沿って、図で左から右に）。図で見て取ることができるとおり、フィルム１０８は、コイルから解かれた後、図示していない手段によって加圧された無菌チャンバ１１４に浸入し、中に進む。
【０１０３】
吸排気手段１１８とバイアス手段１２０とを備えた本発明による電子銃１１６が、無菌チャンバ１１４の入口に備えられて、フィルムがチャンバに浸入する前に、銃１１６によって出力された電子ビーム１２２によってフィルム１０８を滅菌する。
【０１０４】
銃は、ビームをフィルム１０８上に集束させるように配置される。矢印Ｆ２によって表される手段が、フィルム１０８の幅に沿って、銃に前進の動き／復帰の動きを加えて、集束されたビームが、フィルムの幅に沿ってフィルムを走査するように、したがって、矢印Ｆ２に垂直な矢印Ｆ１の方向に沿ったフィルムの移動により、フィルム全体を走査するように提供される。
【０１０５】
また、柱面集束を有する電子銃を使用して、銃を移動させる必要性を回避することもできる。そのケースでは、焦点は、処理されているフィルムの幅よりも長い長さを有する線である。
【０１０６】
図６は、包装コンポーネント１２４の、例えば、キャップまたは蓋などの滅菌への本発明の別の応用例を図示する。
【０１０７】
それらのコンポーネント１２４は、無菌のエアジェット（矢印Ｆ３によって図示する）によって押され、図示していない手段から始まり、コンポーネントが重力によって落ちる垂直ダクト１２６の中に入る。このダクト１２６は、図示していない手段によって加圧された無菌チャンバ１２８につながっている。
【０１０８】
コンポーネント１２４は、このチャンバの中に到着すると、長方形１３０によって表される機械的手段によって把持され、それらの手段によって、チャンバ内におけるコンポーネントの使用のために設計された、図示していない他の手段まで運ばれる。
【０１０９】
次に、本発明による電子銃１１６がチャンバ１２８の前に備えられて、コンポーネント１２４が、そのチャンバに入る前に、この銃によって出力された、集束された電子ビーム１２２を使用して、コンポーネント１２４を滅菌する。
【０１１０】
本発明によるいくつかの電子銃が、一緒に結合されて、全く浸入なしに、複雑な形状である可能性がある物体の表面を処理することも可能である。これが、図７および図８に図示されている。
【０１１１】
図７は、互いに１２０°で配置された、本発明による３つの電子銃１３２ａ、１３２ｂ、および１３２ｃを示す。これらの銃によって放出される電子ビームの交差が、表面が電子照射によって処理されるべき、複雑な形状を有する物体１３６が置かれた領域１３４をカバーする。
【０１１２】
図７で見て取ることができるとおり、電子銃１３２ａ、１３２ｂ、または１３２ｃのそれぞれが、対応する焦点領域からの発散が過度でないビーム１３８ａ、１３８ｂ、または１３８ｃを放出して、その他の２つの銃を放射しないようにする。
【０１１３】
電子銃１３２ａ、１３２ｂ、および１３２ｃは、ポンピング手段１４０を備える。また、電子銃１３２ａ、１３２ｂ、および１３２ｃは、銃が、パルス電子ビームを同時に放出することを可能にする制御手段１４２も備える。
【０１１４】
図８は、互いに向き合って配置されて、それら２つの銃の間の領域が、放射されることが可能であるようにしている、本発明による２つの電子銃１４４ａおよび１４４ｂを示す。物体１４６が、その領域内で、２つの銃からほぼ等距離に置かれて、銃によって放出された２つの電子ビーム１４８ａおよび１４８ｂによって、物体の２つの側面を処理することができるようにする。
【０１１５】
電子銃１４４ａおよび１４４ｂは、吸排気手段１５０を備える。また、電子銃１４４ａおよび１４４ｂは、銃が、パルス電子ビームを同時に放出するのに使用することができる制御手段１５２も備える。
【０１１６】
これらの手段１５２は、物体１４６が、２つの銃の間に挿入された場合にだけアクティブにされて、銃の１つが、他方の銃によって放出されたビームによって損傷されず、その逆も同様であるようにする。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明による電子銃の特定の実施形態を示す縦方向の概略断面図である。
【図２】図１の電子銃のカソードに印加されて、そのカソードによって放出される電子を加速させることができるパルス高電圧Ｖａの変化を、時刻ｔの関数として示す図である。
【図３】図１のこの電子銃で可能なダイオードモードの加速を示す図である。
【図４】図１の電子銃の電力供給手段を示す図である。
【図５】本発明による電子銃の、ラッピングフィルムの滅菌への応用例を示す図である。
【図６】本発明による電子銃の、キャップまたは蓋などの包装コンポーネントの滅菌への応用例を示す図である。
【図７】形状が複雑である可能性がある物体の処理のための、本発明の他の応用例を示す図である。
【図８】形状が複雑である可能性がある物体の処理のための、本発明の他の応用例を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードが、電子に対して透過性があり、電子銃の窓を形成する、電子銃に関する。
【０００２】
本発明は、以下に特に応用可能である。すなわち、
例えば、塗料、ワニス、接着剤などの製品の重合、
表面の照射、
物体、特に、蓋、キャップ、びん、プリフォーム、ポット、熱成形フィルム、密閉フィルム（何らかの容器を密閉するのに使用されるフィルム）などの包装コンポーネント、ならびに、例えば、個々の柔軟性のある袋、または一続きの柔軟性のある袋の滅菌、
電子衝撃による溶接、
食品汚染除去処理、および
例えば、急冷やアモルファス化などの熱処理である。
【０００３】
より一般的には、本発明は、レーザによって行われることが可能なタイプのイオン化である、集束された形態の低エネルギー入力を使用するすべてのイオン化アプリケーションのために使用することができる。
【背景技術】
【０００４】
以下の文献を参照されたい。すなわち、
［１］Ｒｉｃｈａｒｄ Ｎ．Ｃｈｅｅｖｅｒの発明である、カナダ特許公開第１ １１８ １８０号明細書、「Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｃｏｌｄ−ｃａｔｈｏｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｓｉｍｉｌａｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、
［２］Ｍｉｃｈｅｌ Ｒｏｃｈｅの発明である米国特許第４ ７２１ ９６７号明細書、「ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇｕｎ ｐｒｉｎｔｅｒ ｈａｖｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ ｓｅａｌｉｎｇ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｌａｔｅｓ」である。
【０００５】
文献［１］は、冷陰極電子銃について説明する。この銃は、銃のアノードを形成し、そこを電子が通過して、物体の表面を照射する、またはその物体を滅菌する導電性の窓を含む。
【０００６】
文献［２］は、電子銃と、電子に対して透明な曲面金属プレートによって形成された、いくつかの窓とを含むプリンタについて説明する。
【０００７】
したがって、電子ビームを生じさせる電子銃のチャンバの外の、大気中で電子ビームをどのようにつくり出すかが知られている。そのチャンバの内部は、真空状態にあるので、電子ビームが通過する窓は、大気圧に耐えなければならない。
【０００８】
この問題は、特に、チャンバから低エネルギーの電子（５００ｋｅＶ以下の）を取り出すことが要求される場合に生じる。というのは、その場合、窓は、非常に薄くなければならないからである。そのケースでは、窓は、曲面に、例えば、柱面形に、ただし、好ましくは、球面形にされなければならない。
【０００９】
しかし、別の問題が生じる。すなわち、電子ビームによる一部の照射に関して、電子ビームが集束させられることが有用である。
【００１０】
これは、ビームの形状が、物体、例えば、ミルクのびんのキャップを適切に照射するのに、またはビームのエネルギーをある箇所に集中させて、溶接、切削、または表面処理のために要求される非常に高い出力密度が達せられるようにするのに重要である一部のケースでは、不可欠でさえある。
【００１１】
しかし、従来の電子銃における集束要素群、ならびに偏向要素群および電子ビーム伝達要素群は、しばしば、非常に複雑であり、すべてのケースで、大きいことがよく知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、前述した欠点を修正することである。
【００１３】
本発明の目的は、電子銃であり、特に、低エネルギー電子ビーム（５００ｋｅＶ以下の）を出力することができる銃であり、この銃は、電子に対して透明であり、大気圧に耐える、アノードとしても、集束電極としても作用する曲面窓を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、集束を行うために、曲面の光学特性を利用する。すなわち、本発明は、窓を形成するアノードに適用された曲率を、（大気圧に耐えるように）やはり湾曲しているカソードと協調させて使用する。
【００１５】
具体的には、本発明の目的は、
真空（排気された）状態にあるように設計された、密封されたチャンバと、
チャンバ内部に配置され、電子を放出することができる放出面を含むカソードと、
チャンバの壁の１つに、その放出面に向かって形成され、その放出面によって放出された電子を、通過させることができる、密封された窓を形成するアノードと、
それらの電子をアノードに向かって加速させることができ、そのように加速された電子が、アノードを通過するビームを形成する、アノードとカソードの間の電圧をセットアップするバイアス手段とを含む電子銃であり、この電子銃は、アノードと放出面がそれぞれ、曲率を有し、アノードの曲率は、アノードが、チャンバの内部と外部の間の圧力差に耐えることができるようにし、放出面の曲率と協調して、電子ビームをチャンバの外部で集束させるように設計されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明による電子銃の１つの好ましい実施形態によれば、アノードとカソードの間にセットアップされた電圧は、５００ｋｅＶ以下のエネルギーを電子に印加することができる。
【００１７】
好ましくは、カソードの放出面は、加熱されると、電子を放出することができる放出層を含み、電子銃は、カソードを加熱する、したがって、この放出層を加熱する手段も含む。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、これらの加熱手段は、加熱されると、電子を放出し、それらの電子でカソードを衝撃することができるフィラメントを含み、カソードが、したがって、放出層がこのように、電子衝撃によって加熱される。
【００１９】
本発明の１つの特定の実施形態によれば、アノードと、カソードの放出面は、同心球面の部分、または同軸の回転柱面の部分を形成する。
【００２０】
アノードは、好ましくは、厚さが５０マイクロメートル未満であることが可能な薄い金属シートを含む。
【００２１】
本発明による電子銃の１つの好ましい実施形態によれば、バイアス手段は、パルスモードで電子を加速させるために、アノードとカソードの間でパルス電圧をセットアップするように設計される。
【００２２】
そのケースでは、加熱手段がフィラメントを含むケースに相当する１つの特定の実施形態によれば、カソードを、アノードに対して、負のパルス高電圧にまで上昇させるバイアス手段が提供され、アノードは、接地され、これらのバイアス手段は、
負のパルス電圧を出力することができる補助手段と、
その負のパルス電圧を変圧して、負のパルス高電圧にすることができる変圧器とを含み、
この変圧器は、補助手段に接続された１次巻線と、３つの導線を含む２次巻線とを含み、これらの導線の２つは、フィラメントを加熱し、カソードに対して、そのフィラメントにバイアスをかけて、フィラメントによって放出された電子が、そのカソードに到達するようにするために備えられ、第３の導線は、カソードを負のパルス高電圧まで上昇させるように備えられる。
【００２３】
アノードは、好ましくは、冷却手段を備える。
【００２４】
それらの冷却手段は、好ましくは、アノードの周辺部の少なくとも一部分の上にガスを噴射する手段を含む。
【００２５】
また、本発明は、少なくとも１つの物体の電子照射のための設備にも関し、この設備は、集束された電子ビームによって、その物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段が、本発明による電子銃を含む。
【００２６】
また、本発明は、物体の、特に、包装コンポーネントの電子滅菌のための設備にも関し、この設備は、集束された電子ビームによって、それらの物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段が、本発明による電子銃を含む。
【００２７】
本発明は、添付の図面を参照して、純粋に手引きのために、全く制限するものとしてではなく、以下に与えられる、以下の例示的な諸実施形態を読んだ後、よりよく理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１に断面が図示された本発明による電子銃は、真空状態にある密封されたチャンバ２、ならびにアノード４とカソード６を含む。カソード６は、チャンバ２内部に配置され、電子を放出することができる放出面８を含む。
【００２９】
アノード４は、その放出面８に向かって、チャンバの壁の１つに形成され、電子に対して透明な密封された窓を形成する。このため、放出面によって放出された電子は、この窓を通過することができる。
【００３０】
また、電子銃は、アノード４とカソード６の間で加速電圧Ｖａをセットアップして、カソードによって放出された電子をアノードに向かって加速させることができる電力供給手段１０も含む。図１に示した実施例では、アノード４は、接地され、電圧Ｖａは、カソードに印加された負のパルス高電圧である。
【００３１】
このように加速された電子は、アノード４を通過し、チャンバ２の外部にある、つまり、空気中のビーム１２を形成する。
【００３２】
本発明によれば、アノード４と放出面８はそれぞれ、湾曲している。アノードの曲率は、アノードが、真空状態にあるチャンバの内部と、大気圧にある、そのチャンバの外部との間の圧力差に耐えることを可能にする。さらに、アノードの曲率は、放出面の曲率と協調して、チャンバの外部で電子ビーム１２を集束させる。
【００３３】
図１の実施例では、後段でさらに説明する集束ゾーン１４は、点または直線である。
【００３４】
チャンバ２は、密封を真空状態に、より正確には、この実施例では、準真空状態に維持し、接地され、アノード４を支持する、例えば、ステンレス鋼でできた、第１のほぼ円筒形の金属部品１６と、カソード６に接続され、したがって、負のパルス高電圧Ｖａに接続された第２のほぼ環状の金属部品２０とを含む。
【００３５】
図示した実施例では、アノード４は、後段でより詳細に説明する、金属シートから作られている。このシートの端部は、金属部品１６とほぼ環状の部品１７の間に固定されている。
【００３６】
この部品１７は、ねじ１８によって金属部品１６と接触して締め付けられる。この部品１６と部品１７の側で、チャンバは、図１で見て取ることができるとおり、金属シートと金属部品１６の間で、金属シートと一緒に締め付けられる、例えば、インジウムでできた、金属シール１９を使用して密封される。
【００３７】
金属部品２０は、チャンバ２の後壁を形成するフランジ２１によって閉じられる。フランジ２１は、アノード４を支持する壁、すなわち、前壁と向かい合わせである。ねじ２２が、フランジ２１を金属部品２０と接触して締め付けるのに使用される。
【００３８】
この部品２０の側で、チャンバは、図１で見て取ることができるとおり、金属部品２０とフランジ２１の間で締め付けられる、例えば、インジウムでできた、別の金属シール２３によって密封される。
【００３９】
図１の銃は、５００ｋｅＶを超えない、低エネルギーのパルス電子ビームを出力するように設計される。例えば、５ｋＷの電力を有する２５０ｋｅＶのビームが生じさせられることが可能であるが、これは、全く限定するものではない。
【００４０】
カソード６は、アノードに向かう面が、電子を放出する面８を形成する、例えば、ニッケルでできた、金属部品２４を含む。これを実現するため、加熱されると、電子を放出し、例えば、ニッケル粉末と、焼結された炭酸バリウムの混合から成ることが可能な、数十ミリメートルの薄い層２６が、その面８の上に付着させられる。
【００４１】
例えば、水素雰囲気中で、１０００℃で焼結された５％ないし１０％の量のＢａＣＯ３が、使用されることが可能であるが、これは、全く限定するものではない。
【００４２】
部品２４を加熱する、したがって、層２６を加熱する手段２８が提供される。この実施例では、手段２８は、加熱されると、電子を放出する、例えば、タングステンでできたフィラメント３０を含む、電子衝撃による加熱手段から成る。
【００４３】
セラミックス金属タイプの２つのシールクロッシング３４および３５が、フランジ２１上に溶接され、図１で見て取ることができるとおり、それぞれ金属ロッド３６および３８を介したフィラメント３０の電力供給のために使用される。
【００４４】
部品２４に面したフィラメント３０は、ねじ４０および４２などのセラミックねじによって支持されて、カソードからフィラメントを電気的に絶縁する。当然、このフィラメントは、連続的であるが、図１では、フィラメントの２つの終端部だけを見ることができ、残りの部分は、図の平面の「背後」に留まっている。
【００４５】
見て取ることができるとおり、カソードは、通気穴４６を備え、例えば、ＴＩＧ溶接などのスポット溶接４５によって、部品２４にまず、固定され、他方の終端部でフランジ２１に固定された、ステンレス鋼でできた別の部品４４を含む。
【００４６】
部品４４は、ねじ４０および４２のようなセラミックねじで取り付けられ、中空である。つまり、図１で見て取ることができるとおり、ロッド３６および３８が、部品４４を貫通し、セラミックリング４８によって部品４４から電気的に絶縁されている。
【００４７】
カソード６からの、したがって、ニッケル部品２４からのフィラメント３０の電気絶縁は、この部品とフィラメントの間に適切なバイアス電圧をかけて、フィラメントによって放出された電子で部品２４を衝撃することを可能にし、したがって、この部品を加熱することを可能にする。
【００４８】
この実施例では、フィラメントには、カソードに対して、−５００Ｖに負のバイアスがかけられる。
【００４９】
チャンバ２は、高い電圧に耐える電気絶縁体を形成し、チャンバの部品１６と部品２０を互いに固定されて保持する、ほぼスリーブの形態の、第３の部品５０を含む。例えば、アルミナでできたセラミック絶縁体を使用することが好ましい。
【００５０】
この絶縁体の２つの終端部におけるセラミックス金属タイプのろう付け５２が、絶縁体５０と金属部品１６および２０の間の接続を封止する。
【００５１】
この実施例では、アノード４と、部品２４の面８が、同心球面の部分を形成することが可能であり、その場合、電子ビーム１２の集束ゾーン１４は、点であり、あるいは、アノード４と面８は、同軸の回転柱面の部分を形成することが可能であり、その場合、このゾーンは、直線（柱面の共通の軸に平行であり、その場合、この軸は、図１の平面に垂直である）である。
【００５２】
図１で見て取ることができるとおり、電子放出層２６は、部品２４の端部よりわずかに前で止まり、電圧Ｖａの印加によって加速器空間（つまり、アノードとカソードの間の空間）内で生じさせられた電界が、エッジ効果によって影響されないゾーン内でだけ、電子ビーム１２を加速するようにしている。
【００５３】
電子ビーム１２は、基本的に、界が、好ましくは、１６０ｋＶ／ｃｍを超えることがほとんどない、この加速器空間内における電界線の集束によって集束させられる。参考として、全く限定するものとしてではなく、アノード４とカソード６の間で１．５ｃｍの距離を設けることにより、２５０ｋｅＶのビームが生じさせられ、上述の条件を満たす電界がもたらされる。
【００５４】
アノード４は、薄い金属シートから成り、好ましくは、チタンまたはアルミニウムでできている。このシートの厚さは、電子ビームに要求されるエネルギーが低くなるにつれ、低下しなければならない。
【００５５】
５００ｋｅＶを超えないビームの場合、５０マイクロメートル未満の厚さを有するシートを使用することが好ましい。
【００５６】
例えば、図１の電子銃は、３５ｍｍに相当する曲率半径を有し、有利には、１０μｍから１５μｍまでの厚さを有する、球面形のチタンシートを使用することが可能である。
【００５７】
図１の銃の窓を形成するアノード４は、この窓の周辺部の少なくとも一部分の上に、例えば、この周辺部の半分の上に、または場合により全部の上に、空気をはねかける手段５４を備えて、窓を冷却するようにしている。
【００５８】
見て取ることができるとおり、これらの手段５４は、要求される周辺部分の上に圧縮空気吸気口５６を含み、この吸気口５６には、矢印５８によって表される手段によって圧縮空気が供給される。
【００５９】
アノードの周辺部に向けられる空気を極めて徹底的に濾過して、空気が、ダストを含むことを完全に防止することが好ましい。このダストは、アノードに付着する可能性があり、アノードにおいて、ダストが、電子ビームによって加熱され、すると、アノードへの浸入が生じさせられる可能性がある。
【００６０】
また、図１の電子銃には、実用的に制御された雰囲気（例えば、窒素雰囲気）でアノードを冷却して、電子銃の動作中にオゾン（危険なガス）の形成を防止するための吸込手段（図示せず）も取り付けられることが可能である。
【００６１】
さらに、図１の銃が動作するようにされる前に、チャンバ２内で真空が生じさせられる。すなわち、チャンバ２内で準真空が、つまり、１０−５Ｐａ以下の圧力が生じさせられる。
【００６２】
この真空は、「超真空（ｕｌｔｒａ−ｖｉｄｅ）」技術だけが使用されるという条件付きで、かつ、チャンバ内で準真空を生じさせる際に、高い温度、例えば、３００℃で長時間の脱ガス処理が行われるという条件付きで、かつ、その後、ゲッタ（図示せず）が、チャンバ内でそのように得られた準真空を維持するのにチャンバ内で使用されるという条件付きで、チャンバ内で「静的に」維持されることが可能である。
【００６３】
変種として、この準真空は、チャンバ２内で生じさせられ、次に、例えば、イオンポンプ６０を使用して、「動的」に維持されることも可能である。
【００６４】
例えば、図１の電子銃は、長さおよそ４００ｍｍ、直径およそ５０ｍｍの円柱の形態であることが可能であり、ただし、これは、全く限定するものではない。
【００６５】
本発明による電子銃の１つの好ましい実施形態は、２つの原理に、すなわち、パルスモードにおける加速、および「ダイオード」モードにおける加速に基づく。図１の電子銃は、この好ましい実施形態の実施例である。
【００６６】
パルスモードにおける加速に関して、銃に常時の電子加速電圧を印加して、低い電子流、例えば、１０ｍＡを出力する代わりに、電子加速電圧は、銃が使用される時間のうち、ほんの少しの間だけ、好ましくは、その時間の１／１０００の間だけ、印加される。例えば、この電圧は、５００Ｈｚの繰返し率で、２マイクロ秒にわたって印加されるが、当然、電流は、１０００倍高くなければならず、したがって、１０Ａに相当しなければならない。
【００６７】
パルスモードにおける加速は、電気絶縁制約が小さくなるという利点を有し、電気絶縁制約は、短いパルスに関して、はるかに厳しくない（降伏の確率は、電圧印加時間の平方根とともに変化する）。結果は、高電圧発生機および電子銃のサイズおよび費用が低減されることである。
【００６８】
さらに、この銃が小型であることは、多くの補足的な利点、特に、遮蔽ボリュームが小さくなるという利点を有する。
【００６９】
図２は、本発明による電子銃の、例えば、図１の銃のカソードに印加されて、そのカソードによって放出される電子を加速させることが可能な負のパルス高電圧Ｖａの、時刻ｔにつれての変化を示す。
【００７０】
この電圧Ｖａの最小（負の）値は、Ｖｍで表される。したがって、Ｖｍは、銃使用時間のうち、ほんの少しの間だけにわたって、カソードに定期的に印加される電圧の値である。
【００７１】
「ダイオード」モードにおける加速は、電子を加速させる可能な最も単純な方法である。すなわち、電子は、図３に図示する（さらに、図１に示された実施例におけるカソード６およびアノード３にそれぞれ対応する）熱陰極６２とアノード６４の間で加速される。
【００７２】
また、電圧Ｖａをカソード６２に印加するための手段６６も示されており、アノード６４は、接地されている。
【００７３】
得られる電子銃の単純さは、この加速モードでは、アノードが、ほとんどの使用ケースに適合した、よく制御されたビーム幅で、大気中に電子が出るための必要な窓としても作用することを考慮すると、明白となる。
【００７４】
従来の電子加速器において使用される電子ビーム集束要素、偏向要素、および伝達要素は、すべて無くされ、それらの要素は、しばしば、非常に複雑であり、いずれにしても、大きい。
【００７５】
既に述べたとおり、アノードは、このアノードの薄さにもかかわらず、大気圧に耐えるのに必要であり、また、電子ビーム６８（図３）を加速器空間内で直接に集束させて、集束領域７０が、電子銃の外部にあるようにする曲率（大気側の観察者に対して凹面の向きの）を有する。
【００７６】
図４は、図１の電子ビームのための電力供給手段１０の実施例を図示する。
【００７７】
これらの手段１０は、負のパルス高電圧Ｖａをカソード６に印加すること、このカソード６に対して、フィラメント３０にバイアスをかけること、およびこのフィラメントを加熱することができ、アノード４は、接地されている。
【００７８】
これらの手段１０は、負のパルス高電圧を得るのに使用される変圧器７２を含む。この変圧器７２は、有利には、油によって行われることが可能な非常に良好な電気絶縁、および低い漏れインダクタンスを基本的に特徴とする。
【００７９】
この低い漏れインダクタンスは、出力パルスに関して、十分に急勾配の立ち上がりを得るのに必要であり、これらの立ち上がりの時間は、例えば、１マイクロ秒に相当し、したがって、実際の高電圧が、電子銃に印加される時間が、最小限に抑えられる、例えば、数マイクロ秒に抑えられることが可能であるようにする。
【００８０】
この変圧器７２の２次巻線７４は、３つの導線を有するケーブル７６を使用して巻かれて、高い電圧が、カソードに印加されることが可能であるようにするが、また、大地電位から、フィラメント３０を加熱し、このフィラメントとカソード６の間で負の電圧Ｖｆを印加して、カソードに対して、フィラメントに負のバイアスをかけるようにし、例えば、８００℃程度の高い温度まで、電子衝撃によってカソードを加熱するようにもする。
【００８１】
このため、電圧Ｖｆは、カソード６の温度を制御する。この温度自体は、カソードの放射率を制御する。
【００８２】
これらすべての制御、すなわち、カソードにパルス高電圧を印加するための制御、フィラメントを加熱するための制御、およびカソードに対して、フィラメントにバイアス電圧を印加するための制御は、非常に高い電圧パルスの存在にもかかわらず、接地電位から非常に簡単に行われることに留意されたい。
【００８３】
変圧器７２は、この変圧器の１次巻線７８に接続され、変圧器により変圧されて、負のパルス高電圧にされる負のパルス電圧を変圧器に供給するように設計された非対称ブリッジ８０を介して制御される。
【００８４】
この非対称ブリッジ８０は、２つのスイッチングトランジスタ８２および８４、ならびに２つのダイオード８６および８８を含み、これらのダイオードおよびトランジスタは、図４で見ることができるとおり、配置される。２つのダイオード８６および８８は、変圧器７２を減磁することを可能にする。２つのトランジスタ８２および８４は、好ましくはＩＧＢＴトランジスタ、つまり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。
【００８５】
さらに、トランジスタ８２および８４は、電圧に必要とされるパルス繰返し数を得るための、図示されていない手段によって制御される。
【００８６】
例えば、それらの手段は、光結合された「ドライバ」タイプの集積回路であることが可能である。
【００８７】
非対称ブリッジ８０は、長方形９４によって図示されるグレーツブリッジを使用する３相主電源９２の整流によって得られる電力供給電圧がかかっているキャパシタ９０によって電力を供給される。
【００８８】
例えば、非対称ブリッジ８０は、グレーツブリッジを使用する３相主電源の整流によって得られる５００Ｖ程度の電圧で、数百マイクロファラドのキャパシタンスを有するキャパシタによって電力を供給される。
【００８９】
また、電力供給手段１０は、１次巻線が、単相主電源９８（２２０Ｖ、５０Ｈｚ）に接続された別の変圧器９６も含む。この変圧器９６は、例えば、５０Ｈｚに相当する周波数を有し、５Ａの強さの、交流によって、例えば、６Ｖに相当する電圧をかけて、フィラメント３０を加熱することを可能にする。
【００９０】
また、電力供給手段１０は、カソード６の温度を制御する直流電圧を出力するように設計された発電機１００も含む。このＤＣ電圧は、例えば、１００Ｖと５００Ｖの間で可変であることが可能である。
【００９１】
カソード６は、好ましくは、飽和モードで使用される。そのケースでは、加速器空間（カソードとアノードの間の空間）から取り出されることが可能な電流の密度は、そのカソードの温度だけに依存する。このため、電子銃によって出力される電流は、もっぱら、このＤＣ電圧によって制御される。
【００９２】
この電圧は、場合により、カソードに出力される負の高電圧パルス出力において出力された電流Ｉを読み取ることから、スレーブループ（図示せず）によって制御されることが可能である。
【００９３】
次に、変圧器７２の２次巻線のより詳細な説明を与える。この巻線が形成されるケーブル７６は、互いに電気的に絶縁されている３つの導線１０２、１０４、および１０６を含む。
【００９４】
導線１０２および１０４は、フィラメント３０の２つの端子を、変圧器９６の２次巻線の、対応する２つの端子に接続する。さらに、発電機１００が、アースと、変圧器９６側に位置する導線１０２の終端部の間に設置される。また、導線１０６の終端部も、カソード６およびアースにそれぞれ接続される。
【００９５】
パルスモードにおける動作が、本発明の好ましい実施形態であるが、本発明は、この動作に限定されない。つまり、カソードに、ＤＣ電圧によって、本発明による電子銃のアノードに対して、バイアスがかけられて、連続モードの動作が得られることが可能である。
【００９６】
同様に、熱陰極の使用が、本発明の好ましい実施形態に対応するが、本発明は、そのような使用に限定されない。つまり、他のタイプのカソード、例えば、電界効果によって電子を放出することができる冷陰極も、本発明による電子銃において使用することができる。
【００９７】
さらに、本発明は、５００ｋｅＶを超えない電子ビームの供給に限定されない。すなわち、本発明による電子銃のアノードに対する、カソードのバイアスを適合させることにより、より高いエネルギーが、本発明で可能である。
【００９８】
さらに、本発明は、空気中に電子ビームを供給するように設計されているが、本発明による電子銃は、そのようなビームを真空中に出力するのにも使用されることが可能であることが明らかである。
【００９９】
本発明による電子銃の様々な応用例は、既に前述した。電子銃は、小型で、安価であるように製造されることが可能であり、高い浸入能力を有する低エネルギーの電子ビームを生じさせるのに使用することができるため、それらの応用例に特に適合している。
【０１００】
以下は、図５および図６に関連する、本発明の２つの例示的な応用例を含む。
【０１０１】
図５は、ラッピングフィルム１０８、例えば、熱成形フィルムまたは密閉フィルムの滅菌への本発明の応用例を図示する。
【０１０２】
このフィルム１０８は、フィルム１０８が巻かれているコイル１１２から、図示していない手段によって、ローラ１１０上に張られ、移動させられている（矢印Ｆ１の方向に沿って、図で左から右に）。図で見て取ることができるとおり、フィルム１０８は、コイルから解かれた後、図示していない手段によって加圧された無菌チャンバ１１４に浸入し、中に進む。
【０１０３】
吸排気手段１１８とバイアス手段１２０とを備えた本発明による電子銃１１６が、無菌チャンバ１１４の入口に備えられて、フィルムがチャンバに浸入する前に、銃１１６によって出力された電子ビーム１２２によってフィルム１０８を滅菌する。
【０１０４】
銃は、ビームをフィルム１０８上に集束させるように配置される。矢印Ｆ２によって表される手段が、フィルム１０８の幅に沿って、銃に前進の動き／復帰の動きを加えて、集束されたビームが、フィルムの幅に沿ってフィルムを走査するように、したがって、矢印Ｆ２に垂直な矢印Ｆ１の方向に沿ったフィルムの移動により、フィルム全体を走査するように提供される。
【０１０５】
また、柱面集束を有する電子銃を使用して、銃を移動させる必要性を回避することもできる。そのケースでは、焦点は、処理されているフィルムの幅よりも長い長さを有する線である。
【０１０６】
図６は、包装コンポーネント１２４の、例えば、キャップまたは蓋などの滅菌への本発明の別の応用例を図示する。
【０１０７】
それらのコンポーネント１２４は、無菌のエアジェット（矢印Ｆ３によって図示する）によって押され、図示していない手段から始まり、コンポーネントが重力によって落ちる垂直ダクト１２６の中に入る。このダクト１２６は、図示していない手段によって加圧された無菌チャンバ１２８につながっている。
【０１０８】
コンポーネント１２４は、このチャンバの中に到着すると、長方形１３０によって表される機械的手段によって把持され、それらの手段によって、チャンバ内におけるコンポーネントの使用のために設計された、図示していない他の手段まで運ばれる。
【０１０９】
次に、本発明による電子銃１１６がチャンバ１２８の前に備えられて、コンポーネント１２４が、そのチャンバに入る前に、この銃によって出力された、集束された電子ビーム１２２を使用して、コンポーネント１２４を滅菌する。
【０１１０】
本発明によるいくつかの電子銃が、一緒に結合されて、全く浸入なしに、複雑な形状である可能性がある物体の表面を処理することも可能である。これが、図７および図８に図示されている。
【０１１１】
図７は、互いに１２０°で配置された、本発明による３つの電子銃１３２ａ、１３２ｂ、および１３２ｃを示す。これらの銃によって放出される電子ビームの交差が、表面が電子照射によって処理されるべき、複雑な形状を有する物体１３６が置かれた領域１３４をカバーする。
【０１１２】
図７で見て取ることができるとおり、電子銃１３２ａ、１３２ｂ、または１３２ｃのそれぞれが、対応する焦点領域からの発散が過度でないビーム１３８ａ、１３８ｂ、または１３８ｃを放出して、その他の２つの銃を放射しないようにする。
【０１１３】
電子銃１３２ａ、１３２ｂ、および１３２ｃは、ポンピング手段１４０を備える。また、電子銃１３２ａ、１３２ｂ、および１３２ｃは、銃が、パルス電子ビームを同時に放出することを可能にする制御手段１４２も備える。
【０１１４】
図８は、互いに向き合って配置されて、それら２つの銃の間の領域が、放射されることが可能であるようにしている、本発明による２つの電子銃１４４ａおよび１４４ｂを示す。物体１４６が、その領域内で、２つの銃からほぼ等距離に置かれて、銃によって放出された２つの電子ビーム１４８ａおよび１４８ｂによって、物体の２つの側面を処理することができるようにする。
【０１１５】
電子銃１４４ａおよび１４４ｂは、吸排気手段１５０を備える。また、電子銃１４４ａおよび１４４ｂは、銃が、パルス電子ビームを同時に放出するのに使用することができる制御手段１５２も備える。
【０１１６】
これらの手段１５２は、物体１４６が、２つの銃の間に挿入された場合にだけアクティブにされて、銃の１つが、他方の銃によって放出されたビームによって損傷されず、その逆も同様であるようにする。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明による電子銃の特定の実施形態を示す縦方向の概略断面図である。
【図２】図１の電子銃のカソードに印加されて、そのカソードによって放出される電子を加速させることができるパルス高電圧Ｖａの変化を、時刻ｔの関数として示す図である。
【図３】図１のこの電子銃で可能なダイオードモードの加速を示す図である。
【図４】図１の電子銃の電力供給手段を示す図である。
【図５】本発明による電子銃の、ラッピングフィルムの滅菌への応用例を示す図である。
【図６】本発明による電子銃の、キャップまたは蓋などの包装コンポーネントの滅菌への応用例を示す図である。
【図７】形状が複雑である可能性がある物体の処理のための、本発明の他の応用例を示す図である。
【図８】形状が複雑である可能性がある物体の処理のための、本発明の他の応用例を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空状態にあるように設計された、密封されたチャンバ（２）と、
チャンバ内部に配置され、電子を放出することができる放出面（８）を含むカソード（６）と、
チャンバの壁の１つに、該放出面に向かって形成され、該放出面によって放出された電子を、通過させることができる、密封された窓を形成するアノード（４）と、
該電子をアノードに向かって加速させることができ、加速された電子が、アノードを通過するビーム（１２）を形成する、アノードとカソードの間の電圧をセットアップするバイアス手段（１０）とを含む電子銃であって、
アノード（４）と放出面（８）がそれぞれ、曲率を有し、アノードの曲率は、アノードが、チャンバの内部と外部の間の圧力差に耐えることができるようにし、放出面の曲率と協調して、電子ビーム（１２）をチャンバの外部で集束させるように設計されていることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
アノード（４）とカソード（６）の間にセットアップされた電圧は、５００ｋｅＶ以下のエネルギーを電子に印加することができる請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
カソード（６）の放出面（８）は、加熱されると電子を放出することができる放出層（２６）を含み、電子銃は、カソードを加熱するための、したがって、該放出層を加熱するための手段（２８）も含む請求項１または２のいずれかに記載の電子銃。
【請求項４】
該加熱手段（２８）は、加熱されると電子を放出し、該電子でカソードを衝撃することができるフィラメント（３０）を含み、カソードが、したがって、放出層が電子衝撃によって加熱される請求項３に記載の電子銃。
【請求項５】
アノード（４）と、カソードの放出面（８）とは、同心球面の部分、または同軸の回転柱面の部分を形成する請求項１から４のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項６】
アノード（４）は、厚さが５０マイクロメートル未満である薄い金属シートを含む請求項１から５のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項７】
バイアス手段（１０）は、パルスモードで電子を加速させるために、アノード（４）とカソード（６）の間でパルス電圧をセットアップするように設計される請求項１から６のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項８】
バイアス手段（１０）は、カソード（６）を、アノード（４）に対して、負のパルス高電圧にまで至らせるように設計され、アノードは、接地され、これらのバイアス手段は、
負のパルス電圧を出力することができる補助手段（８０）と、
該負のパルス電圧を変圧して、負のパルス高電圧にすることができる変圧器（７２）とを含み、
この変圧器は、補助手段（８０）に接続された１次巻線（７８）と、３つの導線（１０２、１０４、１０６）を含む２次巻線（７４）とを含み、これらの導線の２つは、フィラメント（３０）を加熱し、カソード（６）に対して、該フィラメントにバイアスをかけて、フィラメントによって放出された電子が、該カソードに到達するようにするために構成され、第３の導線（１０６）は、カソードを負のパルス高電圧まで至らせるように構成される請求項４および７に記載の電子銃。
【請求項９】
アノード（４）は、冷却手段（５４）を備える請求項１から８のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項１０】
該冷却手段は、アノード（４）の周辺部の少なくとも一部分の上にガスを噴射する手段（５６）を含む請求項９に記載の電子銃。
【請求項１１】
少なくとも１つの物体の電子照射のための設備であって、集束された電子ビームによって、該物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電子銃（１１６）を含む設備。
【請求項１２】
物体の、特に、包装コンポーネントの電子滅菌のための設備であって、集束された電子ビームによって、該物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電子銃（１１６）を含む設備。
【請求項１】
真空状態にあるように設計された、密封されたチャンバ（２）と、
チャンバ内部に配置され、電子を放出することができる放出面（８）を含むカソード（６）と、
チャンバの壁の１つに、該放出面に向かって形成され、該放出面によって放出された電子を、通過させることができる、密封された窓を形成するアノード（４）と、
該電子をアノードに向かって加速させることができ、加速された電子が、アノードを通過するビーム（１２）を形成する、アノードとカソードの間の電圧をセットアップするバイアス手段（１０）とを含む電子銃であって、
アノード（４）と放出面（８）がそれぞれ、曲率を有し、アノードの曲率は、アノードが、チャンバの内部と外部の間の圧力差に耐えることができるようにし、放出面の曲率と協調して、電子ビーム（１２）をチャンバの外部で集束させるように設計されていることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
アノード（４）とカソード（６）の間にセットアップされた電圧は、５００ｋｅＶ以下のエネルギーを電子に印加することができる請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
カソード（６）の放出面（８）は、加熱されると電子を放出することができる放出層（２６）を含み、電子銃は、カソードを加熱するための、したがって、該放出層を加熱するための手段（２８）も含む請求項１または２のいずれかに記載の電子銃。
【請求項４】
該加熱手段（２８）は、加熱されると電子を放出し、該電子でカソードを衝撃することができるフィラメント（３０）を含み、カソードが、したがって、放出層が電子衝撃によって加熱される請求項３に記載の電子銃。
【請求項５】
アノード（４）と、カソードの放出面（８）とは、同心球面の部分、または同軸の回転柱面の部分を形成する請求項１から４のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項６】
アノード（４）は、厚さが５０マイクロメートル未満である薄い金属シートを含む請求項１から５のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項７】
バイアス手段（１０）は、パルスモードで電子を加速させるために、アノード（４）とカソード（６）の間でパルス電圧をセットアップするように設計される請求項１から６のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項８】
バイアス手段（１０）は、カソード（６）を、アノード（４）に対して、負のパルス高電圧にまで至らせるように設計され、アノードは、接地され、これらのバイアス手段は、
負のパルス電圧を出力することができる補助手段（８０）と、
該負のパルス電圧を変圧して、負のパルス高電圧にすることができる変圧器（７２）とを含み、
この変圧器は、補助手段（８０）に接続された１次巻線（７８）と、３つの導線（１０２、１０４、１０６）を含む２次巻線（７４）とを含み、これらの導線の２つは、フィラメント（３０）を加熱し、カソード（６）に対して、該フィラメントにバイアスをかけて、フィラメントによって放出された電子が、該カソードに到達するようにするために構成され、第３の導線（１０６）は、カソードを負のパルス高電圧まで至らせるように構成される請求項４および７に記載の電子銃。
【請求項９】
アノード（４）は、冷却手段（５４）を備える請求項１から８のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項１０】
該冷却手段は、アノード（４）の周辺部の少なくとも一部分の上にガスを噴射する手段（５６）を含む請求項９に記載の電子銃。
【請求項１１】
少なくとも１つの物体の電子照射のための設備であって、集束された電子ビームによって、該物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電子銃（１１６）を含む設備。
【請求項１２】
物体の、特に、包装コンポーネントの電子滅菌のための設備であって、集束された電子ビームによって、該物体を照射する手段を含み、設備内部で、照射手段は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電子銃（１１６）を含む設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００７−５１１０３９（Ｐ２００７−５１１０３９Ａ）
【公表日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３４８０４（Ｐ２００６−５３４８０４）
【出願日】平成１６年１０月１９日（２００４．１０．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２００４／００２６６９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４１２４１
【国際公開日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（５０６１２４１３６）
【出願人】（５０６１２４６６４）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１９日（２００４．１０．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２００４／００２６６９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４１２４１
【国際公開日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（５０６１２４１３６）
【出願人】（５０６１２４６６４）
【Ｆターム（参考）】
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