JP6897355B2 - 電子線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、エリア状に形成された低エネルギー電子線を被照射物（照射対象物）に対して照射するエリアビーム型の電子線照射装置に関する。

電子線照射は様々な目的に用いられているが、コーティング剤、印刷インキ、接着剤などの硬化、あるいは食品用ないし医薬品用の包装材料や容器の滅菌のような、表面ないし表層の処理には３００ｋｅＶ以下の低エネルギー電子線が照射されることが多い。低エネルギー電子線であれば、Ｘ線管に用いられる程度の小型電源を使用することができ、また、プローブ状の電子線で被照射物の照射エリアを二次元的に走査する走査型の装置を用いる代わりに、エリア状に形成された電子線シャワーの下をくぐるように被照射物を搬送するタイプの所謂「エリアビーム型」の装置が利用できることから、大面積の照射エリアに対する電子線照射処理を簡便に効率よく行うことができる。近年、エリアビーム型の電子線照射装置に対し、小型軽量化や保守の簡素化を狙った改良がさかんに行われている。

例えば特許文献１は、エリアビーム型の電子線照射装置に用いられる電子ビーム加速器を記載している。特許文献１には、電子ビーム加速器が、真空チャンバ内に電子発生器を有し、該電子発生器を構成するフィラメントに電流を流すと該フィラメントが加熱されて熱電子を発生し、発生した熱電子は、該フィラメントを包囲するハウジングの一方の側に該フィラメントと平行して設けられた開口列から、該真空チャンバの該開口列に対向する位置に設けられた電子ビーム放射窓に向かって加速され、加速された熱電子（電子ビーム）が該電子ビーム放射窓をシールする窓箔を透過して外部へ放射されるように構成されている。特許文献１は、電子ビーム加速器全体を小型化したモジュールとして一体的に構成することにより、電子ビーム加速器全体を簡便に交換できるようにして、電子線照射装置の保守の簡素化を図っている。

一方、エリアビーム型の電子線照射装置には、上に述べたように小型電源を用いて簡便に効率よく電子線照射処理を行うことができるというメリットがあり、このメリットを生かすには電力消費量に対する照射電子線量すなわち電子線生成効率を高めることが好ましいことから、従前より、フィラメントやターミナル（ハウジング）に印加する電圧を制御することによりフィラメントが発生した電子の取出し効率を高める工夫がなされている。例えば特許文献２は、ターミナルを構成するシールド電極とグリッドとを電気的に絶縁し、グリッドにはフィラメントより高い電圧を印加し、シールド電極にはフィラメントより低い電圧を印加することにより、フィラメントから発生した電子の大部分をグリッドから取り出すようにして、ターミナルからの電子の取出し効率を高める手法を開示している。

また、特許文献３は、電子線シャワーの幅方向（Ｘ方向、被照射物の搬送方向）に延びるフィラメントを長さ方向（Ｙ方向、照射幅方向）に複数並設してＹ方向に延びる筒状のシールド電極で包囲し、該シールド電極の該フィラメント列に対向する側に設けたグリッド（引出し電極）を通して引き出された電子が真空容器の開口部（照射窓）に向けて加速されるように構成された電子線発生部において、個々のフィラメントの中央部から放出されグリッドを通して引き出された電子が加速されて電子線取出窓（照射窓）を透過する際に、窓箔を支える長手桟に衝突して消費されるロスを低減するために、引出し電極を湾曲させて電子線を長手桟を避けるように偏向させる手法を開示している。

特開２０１０−１６４５８２号公報 特開平３−２６００号公報 特開２００６−２０１０４６号公報

特許文献２や特許文献３に開示される手法は、フィラメントが発生（放出）した電子のうち真空チャンバの電子線取出窓（照射窓）から電子線として照射されるものの割合、すなわち発生した電子の利用効率を高めようとするものである。

これに対し、本発明の発明者らは、電子線照射装置を連続して使用していると、フィラメントから発生する電子の量が次第に低下してくる場合があることを見出した。そして、その原因を調べたところ、フィラメント電流がフィラメントと直列に接続されているグリッドにも流れるとき、グリッドの温度上昇により抵抗値が上がり、同じ電流を流そうとして電圧を上げようとするが、フィラメント電源の能力が不足しているため、フィラメントに流れる電流が不足し、フィラメントの加熱不足が起こる。もちろん、電圧と共に電流を上昇させることのできる電源を用いれば、上に述べたような問題は回避できるが、それでは電源回路の構成を新たに構築しなくてはいけなくなり小型の電源を簡便に用いるメリットがなくなる。

そこで、本発明の目的は、エリアビーム型電子線照射装置を連続して使用した場合に、フィラメントから発生する電子の量が次第に低下することを簡単な構成で防止することである。

本発明は、
電子線を発生する電子線発生部と、該電子線発生部で発生した電子線を被照射物に照射する電子線照射部とを含んでなる電子線照射装置であって、
前記電子線発生部は、減圧可能な内部空間を包含する真空チャンバと、該内部空間内に配置されて電子を放出することができる電子銃とを有し、該真空チャンバは、該電子銃が該内部空間に放出した電子を電子線として外部へ取り出すための電子線取出窓を有し、
前記電子線照射部は、前記電子線取出窓に隣接する照射空間を形成し、被照射物を搬送する搬送手段を該照射空間内に有し、
前記電子銃は、電流を流して加熱すると電子を発生する線状のフィラメントと、良導体からなり該フィラメントと導通した背面プレートと、導体からなり該フィラメント及び該背面プレートを包囲するターミナルとを有し、該ターミナルは、該フィラメントが発生した電子を前記電子線取出窓に対向する側に引き出すグリッドを有し、該グリッドは、該フィラメントに沿って設けられ、該背面プレートは、該グリッドから見て該フィラメントの背面側に設けられ、
前記電子線発生部は、前記電子銃が前記内部空間に放出した電子を前記電子線取出窓に向けて加速するための加速電圧を、該電子銃と該電子線取出窓との間に印加することができるように構成され、
前記フィラメントを流れる電流の経路が、該フィラメントと直列に接続された前記背面プレートを含むことを特徴とする電子線照射装置、を提供し、
それにより前記課題を解決するものである。

本発明によれば、所謂エリアビーム型の電子線照射装置を連続的に使用したときのフィラメントに流れる電流量の経時的低下が抑制され、大面積の照射エリアに対する電子線照射処理を簡便に効率よく安定して行うことができる。

本発明の電子線照射装置の内部構造を例示する模式的正面図である。 図１に示す装置を同図のＡ−Ａ断面で見た模式的側面図である。 図１に示す装置の背面プレートの一例を示す。 図１に示す装置のグリッドの一例を示す。 図１に示す装置のグリッドの別の例を示す。 図１に示す装置のコネクタと電源プラグを示す斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電子線照射装置の内部構造を例示する模式的正面図であり、図２は、図１に示す装置を同図のＡ−Ａ断面で見た模式的側面図である。図１及び図２に示す電子線照射装置は、電子線を発生する電子線発生部１と該電子線発生部で発生した電子線ＥＢを被照射物Ｘに照射する電子線照射部２を含む。

電子線発生部１は、真空排気システム３により減圧可能な内部空間１０を包含する真空チャンバ１１と、該内部空間内に配置されて電子を放出する電子銃１２とを有する。真空チャンバ１１は、中心軸が略水平になるように配置された円筒形状の筒状筐体１１ａと、その筒状筐体の両端の開口をそれぞれ閉封するエンドキャップ１１ｂ、１１ｃからなる。電子銃１２は、基本構成要素として、線状に延びる発熱抵抗体であるフィラメント１３とその周りを筒状に包囲する導電体であるターミナル１４とを有する。

真空チャンバ１１の底部には、電子銃１２が放出した電子（熱電子）を加速して外部（照射空間２０）へ電子線ＥＢとして導入するための電子線取出窓１５が設けられている。電子線取出窓１５は、真空チャンバ１１の筒状筐体１１ａの中心軸に平行な方向を長手方向とする矩形状をなし、その長手方向の長さを長さ、それに直交する方向の長さを幅とする断面矩形状の電子流（電子線シャワー）を形成する。

電子線取出窓１５は、真空チャンバ１１の底部に取り付けられた窓枠体１５ａと、該電子線取出窓の開口１６を塞ぐことで密閉された内部空間１０を形成する金属箔１５ｂとを備える。金属箔１５ｂは、チタン、マグネシウム、アルミニウム、ベリリウム等からなり、電子線ＥＢを透過させる一方、内部空間１０を真空排気したときの真空チャンバの内外圧力差に耐える必要がある。用いる材料にもよるが一般的には３〜２０μｍ程度の厚さを有する。このとき、金属箔１５ｂを内側から支える支持体１５ｃを設けることにより、所望の耐圧性をもたせながら金属箔１５ｂの厚さを抑えることができる。

電子銃１２の基本構成要素の一つであるフィラメント１３は、通常、タングステンのような高温に耐える金属からなる発熱抵抗線であり、これに電流を流して高温に加熱すると熱電子が放出される。フィラメントが細いと切れやすくなり寿命が短くなるが、一方、太すぎると長さ方向に均一に加熱されなくなり熱電子の発生バランスが悪くなる。タングステン製のフィラメントの場合、フィラメントの線径は０．１５〜０．５ｍｍ程度が好ましい範囲である。フィラメント１３は、電子線取出窓１５に対向して該電子線取出窓の長手方向（すなわち電子線シャワーの長さ方向）に略平行して延びるように設けられることが好ましい。

電子銃１２の基本構成要素の他の一つであるターミナル１４は、フィラメント１３の周りを囲んで該フィラメントを電磁的にシールドする役割を果たすとともに、フィラメントから放出された熱電子を電子線取出窓に向けて送り出す役割を果たす。このため、ターミナル１４の底部（フィラメント１３と電子線取出窓１５とがターミナル１４の当該部位を挟んで対向する領域）には、電子を引き出す複数の開口部が配列して設けられたグリッド１７を形成する。

また、フィラメント１３の上方（グリッド１７から見てフィラメント１３の背面側）には背面プレート（リペラともいう）１８が設けられ、フィラメント１３から上方に放出された熱電子がグリッド１７の方に向けて撥ね返されるように構成される。背面プレート１８は、図３に示すように、最も高温になるフィラメント中央部の上方に位置する部分をくり抜いた形状にすると、背面プレート自体が加熱されて抵抗が増大するのを回避することができ、また、グリッドが加熱されるのを抑制する効果もあるので好ましい。

フィラメントに沿って設けられたグリッド１７を構成する複数の開口部は、フィラメント１３が延びる方向に配列されていることが好ましい。図４及び図５は、本実施形態の電子線照射装置に好ましく用いられるグリッドの開口部の配列を示すものである。図４は円形の開口部が３列に配列されたものを示し、図５は円形の開口部が５列に配列されたものを示す。円形の開口部の場合、その直径は２．０〜８．０ｍｍ程度とすることが好ましい。ただし、グリッドを構成する個々の開口部の形状は円形に限られるわけではなく、矩形、六角形、長円形など任意の形状であってよい。また、複数の開口部は必ずしも３列または５列に配列されていなくてもよく、更にいえば規則的に配列されていなくてもよい。図４及び図５に示されるグリッド１７では、その長手方向（フィラメント１３が延びる方向と平行な方向）に関してグリッドの中程に位置する領域（以下「中央部領域」という）における開口率（当該領域の面積に対してその領域内の開口部の面積の総和が占める割合）が、該中央領域を両端側から挟む領域（以下「端部側領域」という）における開口率よりも小さくなっていて、フィラメントから放出される熱電子の分布の不均一性（中央部領域からの熱電子放出量が多い）が是正されるように構成されている。ただし、本実施形態のグリッド１７は、必ずしも図４又は図５に示されるように構成されていなくてもよい。

フィラメント１３が発生した電子は、グリッド１７からターミナル１４の外側（電子線取出窓と対向する位置）に引き出される。このとき、ターミナル１４に電子線取出窓１５に対して負の電圧が印加されていると、引き出された電子が電子線取出窓１５に向かって加速されて電子線ＥＢとなり、電子線取出窓１５を塞いでいる金属箔１５ｂを透過し電子線シャワーとなって、電子線照射部２の照射空間２０内に導入され、照射空間２０内を当該電子線シャワーと交差する方向に搬送されている（あるいは当該電子線シャワーが照射する位置に支持されている）被照射物Ｘに照射されることになる。

通常、フィラメント１３とターミナル１４（及びその一部を構成するグリッド１７）とは電気的に導通しており、このため、フィラメントを電流が流れる際の電圧降下（フィラメント両端間の電位差）を無視すれば、これらは略同じ電位にある。このため、電子銃１２で発生した電子を電子線取出窓に向けて加速するためにターミナル１４に印加される負の加速電圧（電子線取出窓１５側は接地される）は、電子がグリッド１７からターミナル１４の外側に引き出されるまでは当該電子の移動に殆ど寄与しない。ただし、特許文献２に記載されるように、グリッド１７の方がフィラメント１３よりも高い電位になるように構成したり、ターミナル１４や背面プレート１８の方がフィラメント１３よりも低い電位になるように構成してもよい。そのような場合には、ターミナル１４の内部でもフィラメント１３から放出された熱電子をグリッド１７に向けて誘導する力がはたらくため、それにより電子銃１２の電子線発生効率が向上することもある。

電子線照射部２は、電子線取出窓１５に隣接して照射空間２０を形成し、該照射空間内に被照射物Ｘを搬送あるいは単に支持するための不図示の搬送手段を有する。被照射物を照射空間内で搬送する場合、断面矩形状の電子線シャワーの長さ方向と交差する方向に被照射物を搬送すれば、一度の搬送動作で当該長さ（の当該搬送方向に垂直な成分）に相当する幅で電子線シャワーによる照射が行われるため、効率よく広い面積に対して電子線照射処理を行うことができる。そして、本発明によれば、当該装置を連続的に使用したときのフィラメントに流れる電流量の経時的変化（低下）が抑制されるため、大面積の照射エリアに対する電子線照射処理を安定して行うことができる。

なお、上でいう照射空間２０とは、電子線取出窓１５を通過した電子線ＥＢが十分な強度で到達する範囲を意味し、照射空間が大気圧下にあり電子線取出窓を透過した時点で１００ｋｅＶの電子線を照射する場合では、電子線取出窓１３から最大１４ｃｍ程度離れた距離までの空間がここでいう照射空間２０ということになる。照射空間２０自体は必ずしも筐体２１で囲われていなくてもよいが、被照射物Ｘに電子線を照射する際に制動Ｘ線が発生するため、電子線照射部２全体を鉛等の遮蔽壁で覆ってＸ線被曝を防止することが好ましい。なお、深い凹凸のある表面形態をもった被照射物の滅菌処理を行う場合のように、電子線の到達距離を大きくしたい場合には照射空間を減圧することが好ましく、その場合には照射空間を封止するために筐体で囲う必要があるのは当然である。

本実施形態の電子線照射装置の電子線発生部１における真空チャンバ１１の一方のエンドキャップ１１ｂには、真空チャンバ１１の中心軸と同心的に貫通孔が設けられ、そこに挿入された電力供給用のコネクタ４０が電子銃１２に接続している。フィラメント１３に流す電流やターミナル１４に印加する負の加速電圧（小型電源を用いる場合は最大１００ｋＶ程度）は、高電圧ケーブル４の先端に設けられた電源プラグ４２をコネクタ４０に設けられたレセプタクル４１に挿入することで、高電圧電源から電子銃１２に供給される。

図６は、コネクタ４０と電源プラグ４２の構成を示す斜視図である。真空チャンバ１１に挿入されたコネクタ４０の外側に露出した表面の中央部には、レセプタクル４１が窪み状に形成されている。コネクタ４０は、一体に形成された樹脂性であり、大径部４３と小径部４４とを備えている。コネクタ４０が真空チャンバ１１に挿入されたとき、小径部４４は該真空チャンバの内側に位置し、大径部４３は該真空チャンバの外側に位置する。また、大径部４３と小径部４４の間にはフランジ部４５が備えられ、これら全体が一体に形成されている。フランジ部４５は、真空チャンバ１１の一方のエンドキャップ１１ｂの外面に締結されて固定され、真空チャンバ１１を密閉するように構成されている。レセプタクル４１はコネクタ４０の大径部４３の端から小径部４４の途中まで延びており、レセプタクル４１の底面（図では右側の面）からは小径部４４を構成する樹脂の内部を通して電源線４６ａ、４６ｂが延びている。

フィラメント１３を流れる電流は一対の電源線４６ａ、４６ｂを介して供給される。すなわち、電源線４６ａ、４６ｂの一方（例えば４６ｂ）はフィラメント１３の一端に接続しており、他方（例えば４６ａ）はフィラメント１３の他端に接続している。そして、フィラメント１３は筒状のターミナル１４の内部を線状に延びているため、フィラメント１３の一端はコネクタ４０に隣接し、他端はコネクタ４０から離れた位置にくる。従って、コネクタ４０から離れている端（ここでは「他端」の方）とコネクタ４０とをつなぐ配線部材が必要になる。このとき、ターミナル１４の内部にはフィラメント１３に沿ってグリッド１７と背面プレート１８とが存在するため、これらを上記配線部材として利用すれば、別途、配線部材を設ける必要がないので有利である。

グリッド１７も背面プレート１８も通常は導体である金属で作られているので、フィラメント１３の上記他端をいずれかの部材の当該他端側（コネクタと離れた側）に接続し、その部材の反対側（コネクタ側）を電源線４６ａに接続すれば、フィラメント１３を流れる電流の（電源線４６ｂからフィラメント１３を経て電源線４６ａに至る）経路が構成される。ここで、グリッド１７はフィラメント１３に近接して設けられているため、フィラメント１３からの輻射熱を受けて温度が上昇しやすい。グリッド１７の温度が上昇するとその部分の抵抗が増大するため、フィラメント１３の上記他端から電源線４６ａまでの経路におけるフィラメントを加熱するための電流量が低下することになる。

このため、本実施形態においては、フィラメント１３の上記他端を背面プレート１８の当該他端側（コネクタと離れた側）に接続し、背面プレート１８の反対側（コネクタ側）を電源線４６ａに接続しており、フィラメント１３を流れる電流の経路が、該フィラメントと直列に接続された背面プレート１８を含むように構成されている。背面プレート１８はグリッド１７よりフィラメント１３の輻射熱を受けにくく温度が上昇しにくいので、そこを流れる電流に対する抵抗が増大しにくい。また、背面プレート１８自体が良導体からなる、すなわち少なくとも加熱されて温度が上昇したときのグリッドより抵抗が小さくなるように構成されている。そのため、フィラメント１３を流れる電流の経路が背面プレート１８及びグリッド１７の両者をともに（並列的に）含むように構成されたとしても、グリッド１７の温度が上昇して抵抗が増大したときには、電流は背面プレートを優先的に流れることになるので、グリッド１７の温度上昇によるフィラメント１３の上記他端と電源線４６ａまでの経路の電流量の低下は大幅に低減される。

背面プレート１８を構成する「良導体」としては、抵抗率が小さい金、銀、銅などの金属やこれらを含む合金が好ましく、コストを考慮すれば銅が特に好ましい。ニッケルの抵抗率は銅の４〜６倍程度であるから多くの場合に使用可能であるが、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の抵抗率は銅の２０〜４０倍にもなるので一般に使用可能であるとはいえない。もっとも、材料としての抵抗率が大きくても背面プレートの厚みを大きくすれば、電流経路としての抵抗値は下がるので、必ずしも全く使用できないわけではない。

以上、図１〜図６に示す本発明の実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本願の各請求項の記載に基づいてその範囲が規定されるものであることはいうまでもない。

図１及び図２に示す電子線照射装置の電子線発生部１に相当する実験装置を製作し、電子線発生実験を行った。フィラメント１３としては長さ１５０ｍｍ、線径０．２ｍｍのタングステン線を用いた。また、グリッド１７としては、図４に示すものと同様の、フィラメントが延びる方向に沿って円形の開口部を３列に設けたＳＵＳ３０４製のものを用いた。このときのグリッドとフィラメントの間の距離は１０ｍｍである。また、フィラメントの上方に４０ｍｍ離してフィラメントに平行に銅製又はＳＵＳ３０４製の背面プレート（幅４０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を設け、フィラメントのコネクタから離れた側の端とグリッド及び背面プレートとを接続して、フィラメントに対して直列に接続されたグリッド及び背面プレート（グリッドと背面プレートとは互いに並列）に含むフィラメント電流の経路を構成した。背面プレートは、開口を有しないものと図３に示すような開口（２８ｍｍ×１１０ｍｍ）を有するものを用意し、開口の効果を調べた。

（実験１）
１００ｋＶタイプの小型電源を用い、加速電圧を５０ｋＶ、フィラメント電流を３．２Ａ（初期値）とした。背面プレートとしては、ＳＵＳ３０４製のもの（開口無し）を設けた。フィラメントの電力供給はグリッド側から供給した。実験開始直後のビーム電流は１．６５ｍＡ、連続して３時間照射を行った時点での電子線出力は０．９３ｍＡであった。

（実験２）
背面プレートを開口を設けたＳＵＳ３０４製のもの（開口２８×１１０ｍｍ）にした以外は実験１と同じ条件で実験を行った。実験開始直後のビーム電流は２．７１ｍＡ、連続して３時間照射を行った時点での電子線出力は１．７６ｍＡであった。

（実験３）
背面プレートを銅製のもの（開口２８×１１０ｍｍ）にし、かつフィラメントの電力供給を背面プレート側から供給した以外は実験１と同じ条件で実験を行った。実験開始直後の電子線出力は３．４２ｍＡ、連続して３時間照射を行った時点での電子線出力は２．２４ｍＡであった。

本発明の電子線照射装置は、大面積の照射エリアに対して均一に電子線照射を行う必要がある、コーティング剤の硬化処理や包装材料の滅菌処理等を簡便に効率よく行う用途に好適に用いることができる。

１ 電子線発生部
２ 電子線照射部
３ 真空排気システム
４ 高電圧ケーブル
１０ 内部空間
１１ 真空チャンバ
１１ａ 筒状筐体
１１ｂ エンドキャップ
１１ｃ エンドキャップ
１２ 電子銃
１３ フィラメント
１４ ターミナル
１５ 電子線取出窓
１５ａ 窓枠体
１５ｂ 金属箔
１５ｃ 支持体
１６ 電子線取出窓の開口
１７ グリッド
１８ 背面プレート
２０ 照射空間
２１ 照射空間の筐体
４０ コネクタ
４１ レセプタクル
４２ 電源プラグ
４３ 大径部
４４ 小径部
４５ フランジ部
４６ａ 電源線
４６ｂ 電源線

Claims (3)

1. 電子線を発生する電子線発生部と、該電子線発生部で発生した電子線を被照射物に照射する電子線照射部とを含んでなる電子線照射装置であって、
   前記電子線発生部は、減圧可能な内部空間を包含する真空チャンバと、該内部空間内に配置されて電子を放出することができる電子銃とを有し、該真空チャンバは、該電子銃が該内部空間に放出した電子を電子線として外部へ取り出すための電子線取出窓を有し、
   前記電子線照射部は、前記電子線取出窓に隣接する照射空間を形成し、被照射物を搬送する搬送手段を該照射空間内に有し、
   前記電子銃は、電流を流して加熱すると電子を発生する線状のフィラメントと、良導体からなり該フィラメントと導通した背面プレートと、導体からなり該フィラメント及び該背面プレートを包囲するターミナルとを有し、該ターミナルは、該フィラメントが発生した電子を前記電子線取出窓に対向する側に引き出すグリッドを有し、該グリッドは、該フィラメントに沿って設けられ、該背面プレートは、該グリッドから見て該フィラメントの背面側に設けられ、
   前記電子線発生部は、前記電子銃が前記内部空間に放出した電子を前記電子線取出窓に向けて加速するための加速電圧を、該電子銃と該電子線取出窓との間に印加することができるように構成され、
   前記フィラメントを流れる電流の経路が、該フィラメントと直列に接続された前記背面プレートを含むことを特徴とする電子線照射装置。
2. 前記グリッドがステンレス鋼からなり、前記背面プレートが銅からなる請求項１に記載の電子線照射装置。
3. 前記背面プレートが開口を有する請求項１または２に記載の電子線照射装置。

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