JP5036376B2 - Electron beam irradiation device - Google Patents
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Description
本発明は、電界放射型の冷陰極から電界放射により電子線を発生すると共にその発生した電子線を窓箔部から外部に向けて照射する電子線照射装置に関するものである。 The present invention relates to an electron beam irradiation apparatus that generates an electron beam by field emission from a field emission type cold cathode and irradiates the generated electron beam from a window foil part to the outside.
電子線は医療用、工業用、分析用、等数多くの分野で利用される。例えば半導体デバイスの微細なパターンの検査や計測など、パターン評価の目的に用いられる他、材料の評価から細胞の形態観察に至るまで、さまざまな用途に用いられている(特許文献1,2)。また電子線は金属や蛍光物質等のX線ターゲットに衝突することによって、X線が発生する(特許文献2,3)。
Electron beams are used in many fields such as medical, industrial, and analytical purposes. For example, in addition to being used for pattern evaluation purposes such as inspection and measurement of fine patterns of semiconductor devices, it is used for various applications from material evaluation to cell morphology observation (Patent Documents 1 and 2). Further, X-rays are generated when an electron beam collides with an X-ray target such as a metal or a fluorescent material (
このような電子線を電子線照射窓箔から外部の照射対象物の殺菌、滅菌、改質、微細加工、等を行うようにした電子線照射装置は従来から多数提案されている(特許文献4等)。 Many electron beam irradiation apparatuses that perform sterilization, sterilization, modification, fine processing, and the like of an external irradiation object from an electron beam irradiation window foil have been proposed in the past (Patent Document 4). etc).
この従来の電子線照射装置の中には、例えば冷陰極をヒータで高温に加熱して冷陰極内で熱電子を発生させると共に電子引出電極で冷陰極内から熱電子を引き出して電子線となし、その電子線を環状隙間を通過させた後、環状陽極で加速した電子線を電子透過窓を透過させるようにしたものが提案されている(特許文献5)。この提案に係る電子線照射装置では冷陰極が六硼化ランタン等の電子放出素子を有しており、その内部のヒータでの加熱で熱電子を放出するものである。 In this conventional electron beam irradiation apparatus, for example, a cold cathode is heated to a high temperature with a heater to generate thermoelectrons in the cold cathode, and the electron extraction electrode draws thermoelectrons from the cold cathode to form an electron beam. There has been proposed a technique in which an electron beam accelerated by an annular anode is transmitted through an electron transmission window after passing the electron beam through an annular gap (Patent Document 5). In the electron beam irradiation apparatus according to this proposal, the cold cathode has an electron emitting element such as lanthanum hexaboride, and emits thermoelectrons by heating with a heater inside the cold cathode.
しかしながら、この特許文献5に係る電子線照射装置では、寿命が短いこと、予熱しないと電子放出タイミングが遅いこと、ヒータが必要なため構造が複雑高価かつ大型重量化すること、等の多くの課題を抱えたものとなっている。
However, the electron beam irradiation apparatus according to
また、図5で示すように陰極2を外径側、陽極3を内径側として互いに同心環状に配置し、陰極2を銅やステンレス鋼で構成すると共にこの陰極2の内周面全体にカーボンナノチューブ粉体のろうづけ層を形成し、陰極2内径側に配置した搬送管5にチタン等の金属箔からなる電子線透過窓6を設け、この搬送管5内を搬送される照射対象物に電子線を照射して殺菌等を実施可能としたものも提案されている(特許文献6)。
Further, as shown in FIG. 5, the
しかしながら、この特許文献6に係る電子線照射装置では、陰極2からの電子線照射方向を制限するためにその内周面にカーボンナノチューブをろう付けしているものの、この構成では、図5中の矢印B1で記載されているように多数のスリットを有する陽極3を介し、しかも陽極3から相当距離離れた位置の窓箔部6に電子線を高効率で照射させることはできない、と考えられる。
本発明では、長寿命、速応性、簡素、小型軽量化が可能な一方で、冷陰極からの電子線を高効率で窓箔部に照射可能として、医療用、工業用、分析用、等数多くの分野でより効率的に利用することが可能な電子線照射装置を提供するものである。 In the present invention, long life, quick response, simple, small size and light weight can be achieved, while an electron beam from a cold cathode can be irradiated to the window foil portion with high efficiency, medical, industrial, analytical, etc. It is an object of the present invention to provide an electron beam irradiation apparatus that can be used more efficiently in the field.
本発明による電子線照射装置は、内外同心の筒体で内部に周方向環状の真空封止空間を有する構成とされた二重筒体を構成し、この内側筒体に陽極を周方向環状に設けると共にこの陽極の一部に電子線透過性がある窓箔部を形成する一方、上記二重筒体内には上記窓箔部を臨む位置に電界放射用の炭素膜付きの冷陰極を周方向環状に配置したことを特徴とするものである。 An electron beam irradiation apparatus according to the present invention comprises a double cylinder having an inner and outer concentric cylinders and a circumferential annular vacuum sealing space inside, and an anode is circumferentially annular on the inner cylinder. A window foil portion having electron beam permeability is formed on a part of the anode and a cold cathode with a carbon film for electric field emission is disposed in a circumferential direction at a position facing the window foil portion in the double cylinder. It is characterized by being arranged in an annular shape.
好ましくは冷陰極の周囲には該冷陰極と略同電位で該冷陰極からの電子線を遮蔽する電子線遮蔽部材を配置することである。 Preferably, an electron beam shielding member for shielding an electron beam from the cold cathode at substantially the same potential as the cold cathode is disposed around the cold cathode.
上記本発明では、内側筒体に窓箔部を設け、この窓箔部周囲に陽極を配置したので、冷陰極から放出された電子線を窓箔にのみ集中させて高効率で照射させることが可能となる。この場合、電子線遮蔽部材により冷陰極周囲を被覆すると、この冷陰極から放出された電子線を窓箔にのみ集中させてより高効率で照射させることが可能となる。 In the present invention, since the window foil portion is provided on the inner cylindrical body and the anode is disposed around the window foil portion, the electron beam emitted from the cold cathode can be focused only on the window foil and irradiated with high efficiency. It becomes possible. In this case, if the periphery of the cold cathode is covered with the electron beam shielding member, the electron beam emitted from the cold cathode can be concentrated only on the window foil and irradiated with higher efficiency.
電子線遮蔽部材の形態は、例えば、冷陰極を軸方向前後に挟む環状板構造や、冷陰極の外径側を覆う円筒体構造等がある。 Examples of the form of the electron beam shielding member include an annular plate structure that sandwiches the cold cathode in the axial direction and a cylindrical structure that covers the outer diameter side of the cold cathode.
また、上記炭素膜には、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノファイバー、ダイヤモンドライクカーボン、アモルファスダイヤモンド、結晶性ダイヤモンド、グラファィト、フラーレン、針状炭素膜、炭素微粒子等、微細なnmオーダーの突起を有するものが好ましい。冷陰極は1つでもよいし複数でもよい。 Also, the carbon film has fine nm-order protrusions such as carbon nanotubes, carbon nanowalls, carbon nanofibers, diamond-like carbon, amorphous diamond, crystalline diamond, graphite, fullerene, acicular carbon film, carbon fine particles, etc. What has is preferable. There may be one cold cathode or a plurality of cold cathodes.
陽極は円周方向環状に連続した形態でもよいし、円周方向環状ではあるが不連続であってもよい。 The anode may be in the form of a ring in the circumferential direction, or it may be discontinuous in the ring in the circumferential direction.
陽極の一部に開口部を設け、この開口部に金属箔を設けることにより上記窓箔部を構成してもよい。 You may comprise the said window foil part by providing an opening part in a part of anode and providing metal foil in this opening part.
窓箔は電子線を透過することができる箔材で構成されているものであり、その材料は特に限定しないが、シリコン、ベリリウム、チタン、ガラス、ダイヤ等を例示することができる。 The window foil is made of a foil material that can transmit an electron beam, and the material is not particularly limited, and examples thereof include silicon, beryllium, titanium, glass, and diamond.
本発明の電子線照射装置に用いる電源としては陽極と冷陰極との間に陽極側を冷陰極側より高電位として直流、交流、あるいはパルス電圧を印加することができる電源が好ましい。 The power source used in the electron beam irradiation apparatus of the present invention is preferably a power source capable of applying a direct current, an alternating current, or a pulse voltage between the anode and the cold cathode with the anode side having a higher potential than the cold cathode side.
なお、冷陰極と陽極との間に電子加速手段を配置してもよい。 An electron acceleration means may be arranged between the cold cathode and the anode.
また、冷陰極から陽極までの距離に応じて電子加速してもよい。 Moreover, you may accelerate an electron according to the distance from a cold cathode to an anode.
なお、冷陰極は中実でも中空でもよい。 The cold cathode may be solid or hollow.
本発明によれば、内外同心の筒体で内部空間が真空封止空間とされた二重筒体を構成し、この内側筒体に陽極を周方向環状に設けると共にこの陽極の一部に電子線透過性がある窓箔部を形成する一方、上記二重筒体内には上記窓箔部を臨む位置に電界放射用の炭素膜付きの冷陰極を周方向環状に配置したことから、冷陰極からの電子線を高効率で窓箔部に照射することが可能となる。 According to the present invention, a double cylinder having an inner and outer concentric cylinders and a vacuum sealed space is formed, and an anode is provided on the inner cylinder in an annular shape in the circumferential direction, and electrons are formed in a part of the anode. While forming a window foil portion having line permeability, a cold cathode with a carbon film for electric field emission is arranged in a ring shape in the circumferential direction at a position facing the window foil portion in the double cylinder. It becomes possible to irradiate the window foil part with the electron beam from
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電子線照射装置を説明する。図1は、同電子線照射装置の断面図、図2は図1の電子線照射装置の一部切欠斜視図、図3は動作説明に供する図、図4は図3の要部を拡大して示す図である。 Hereinafter, an electron beam irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 1 is a sectional view of the electron beam irradiation apparatus, FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of the electron beam irradiation apparatus of FIG. 1, FIG. 3 is a diagram for explaining the operation, and FIG. 4 is an enlarged view of the main part of FIG. FIG.
図1、図2を参照して実施の形態の電子線照射装置10は、電子線照射用の窓箔部12を有する内側筒体14と、この内側筒体14と同心配置された外側筒体16とで内部に周方向環状で軸方向円筒形の真空封止空間18を有する構成とされた二重筒体20を構成している。
1 and 2, an electron
内側筒体14は、2分割した2つの円筒体14a,14bの間に円筒形の陽極22を挟持した構成になっている。陽極22には円周方向数箇所に窓箔部12が形成されている。上記により陽極22は二重筒体20に対して周方向環状に配置される。
The inner
上記窓箔部12は、陽極22の一部を開口し、この開口部に電子線透過性がある箔材を設けて構成されている。この箔材としては、シリコン、ベリリウム、チタン、ガラス、ダイヤ等を例示することができる。
The
二重筒体20内の周方向環状空間18には窓箔部12を臨む位置に冷陰極24が周方向環状に配置されている。
In the circumferential
冷陰極24は導電性ワイヤ24aの表面に電子線放出層としての炭素膜24bが被膜されて構成されている。
The
冷陰極24の断面は円形に限らず、矩形、楕円形等でもよい。
The cross section of the
また、炭素膜24bの成膜は導電性ワイヤ24aの内径側だけでもよい。
The
冷陰極24は、陽極22との間の電界印加による電界放射により炭素膜24bが備える微細突起先端への電界集中により電子線を発生すると共にその発生した電子線を窓箔部12を介して内側筒体14内周面で囲むダクト空間26内に照射するようになっている。
The
炭素膜24bにはカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノファイバー、ダイヤモンドライクカーボン、アモルファスダイヤモンド、結晶性ダイヤモンド、グラファィト、フラーレン、針状炭素膜、炭素微粒子等、微細なnmオーダーの突起を有するものを例示することができる。
The
冷陰極24の外径側周囲に当該冷陰極24と略同電位とされて冷陰極24から電界放出された電子線を遮蔽する電子線遮蔽部材28が配置されている。電子線遮蔽部材28は、一対の環状板部28aと、両環状板部28aを外径側で連結する円筒体部28bとから構成されている。両環状板部28aの内径側端部は冷陰極24よりも好ましくは内径側に延びており、冷陰極24から放出された電子線を窓箔部12以外に放出されないよう電子線を遮蔽することにより窓箔部12に電子線が高効率で照射することができるようにしている。
Around the outer diameter side of the
陽極22は接地されていると共に、冷陰極24と電子線遮蔽部材28は負電位が印加される。この負電位電源は直流電源でもよいし、パルス電源でもよい。パルス電源で電子線照射装置を駆動した場合は、窓箔部12の電子線照射による発熱を抑制できる一方、直流電源で連続駆動する場合では、窓箔部12に冷却機構を設けてもよい。
The
以上の構成を備えた実施の形態の電子線照射装置10においては、冷陰極24に負電位が印加されると、この冷陰極24の炭素膜24b表面からは電界放射により電子が放出され、電子線32が窓箔部12からダクト空間26内に照射される。そしてこの電子線照射装置10を照射対象物搬送経路A,B間に介装し、経路A側から電子線照射装置10内のダクト空間26内に矢印で示す一方側から他方側にかけて照射対象物30が搬入されてくると、この照射対象物30に対して上記電子線32が照射され、殺菌・滅菌、改質、微細加工等が処置が行われて、他方の経路Bへと搬出される。
In the electron
この場合、冷陰極24からは電子線遮蔽部材28により電子線照射方向が規制される結果、破線34で示す方向には電子線32は照射されず、高効率で窓箔部12に照射される。
In this case, as a result of the electron
陽極22は図4で示すように内側筒体14の一部を構成するごとく窓箔部12の周囲に沿って配置してもよい。ただし、この場合、陽極22はダクト空間26に露出するので、陽極22は接地すると共に、冷陰極24を負の高電位を印加する構成とすることが好ましい。
As shown in FIG. 4, the
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various changes or modifications within the scope described in the claims.
10 電子線照射装置
12 窓箔部
14 内側筒体
16 外側筒体
18 真空封止空間
20 二重筒体
22 陽極
24 冷陰極
24a 導電性ワイヤ
24b 炭素膜
26 ダクト空間
28 電子線遮蔽部材
30 照射対象物
32 電子線
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