JP7231001B1 - 電子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールドリングの周囲の電界の影響を抑えることを可能とした電子線照射装置を提供する。
【解決手段】電子線照射装置は、電子線を加速させる電界を生じさせるための複数の加速電極を軸Ｌ１方向に並設してなる加速管１３と、加速管１３の径方向外側において加速電極と対をなすように軸Ｌ１方向に複数並設され、対をなす加速電極とそれぞれ電気的に接続されてなるシールドリング４０と、を備える。また、電子線照射装置は、複数のシールドリング４０からなるリング群４０Ｇの径方向外側を囲う導電性のシールド部材５０を備える。シールド部材５０は、リング群４０Ｇにおける軸Ｌ１方向の少なくとも一部分を囲っている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子線照射装置に関するものである。

電子線照射装置は、生成した電子線を被照射物に照射する装置である。電子線照射装置は、被照射物の例えば素材の性質改善や機能付加、殺菌・滅菌を図る目的等で用いられている。電子線照射装置の中でも走査型の電子線照射装置は、真空中でフィラメントから生じた熱電子を収束及び加速させて電子線とする加速管を備えている（例えば特許文献１参照）。加速管の軸方向の一端部には、フィラメントが設けられている。また、加速管には、複数の加速電極が軸方向等間隔に並設されている。複数の加速電極には、フィラメントから離間する加速電極ほど次第に高い電圧が印加される。これにより、加速管内において、電子線を加速させるための電界が生じる。

また、特許文献１の電子線照射装置は、加速管の周囲に電界緩和用のシールドリングを有している。シールドリングは、複数の加速電極にそれぞれ対応して複数設けられている。各シールドリングは、対応する加速電極に対し同電位となるように電気的に接続されている。

実開平２－１１９３９９号公報

上記のような電子線照射装置において、加速管ならびにシールドリングの周囲には、例えば前記フィラメント及び加速電極に電圧を供給する昇圧回路が発する不安定な電界が生じるおそれがある。すると、その不安定な電界が、加速管内における電子線を加速させるための電界に影響を及ぼし、その結果、所望する電子線の特性が得られなくなるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、シールドリングの周囲の電界の影響を抑えることを可能とした電子線照射装置を提供することにある。

上記課題を解決する電子線照射装置は、電子線を加速させる電界を生じさせるための複数の加速電極を軸方向に並設してなる加速管と、前記加速管の径方向外側において前記加速電極と対をなすように前記軸方向に複数並設され、対をなす前記加速電極とそれぞれ電気的に接続されてなるシールドリングと、を備える電子線照射装置であって、前記複数のシールドリングからなるリング群の径方向外側を囲う導電性のシールド部材を備え、前記シールド部材は、前記リング群における前記軸方向の少なくとも一部分を囲っている。

この構成によれば、シールドリングの周囲の不安定な電界が加速管に与える影響を、シールド部材によって抑制することが可能となる。これにより、加速管にて加速される電子線の所望する特性を得やすくなり、その結果、例えば、電子線照射装置の性能の安定化に寄与できる。

上記電子線照射装置は、前記加速管に電力を供給する電源装置と、前記加速管、前記リング群、前記シールド部材及び前記電源装置を収容する圧力タンクと、を備える。
この構成によれば、圧力タンク内において、電源装置から不安定な電界が発せられ、その不安定な電界が加速管の周囲に影響を及ぼす場合がある。その点、上記構成によれば、電源装置で生じる不安定な電界が加速管に与える影響を、シールド部材によって好適に抑制することが可能となる。

上記電子線照射装置において、前記シールド部材は、前記圧力タンクに電気的に接続されて該圧力タンクと同電位とされている。
この構成によれば、シールド部材を圧力タンクと同電位とすることで、シールド部材の内側における加速管の周囲の電界を好適に安定させることが可能となる。

上記電子線照射装置において、前記加速管は、前記加速管の軸方向の一端部に熱電子を放出する熱電子放出部を備え、前記加速管の軸方向において、前記熱電子放出部が設けられる端部側を上段側とし、その反対側を下段側として、前記加速管は、加速した電子線を前記下段側の端部から放出し、前記圧力タンクは、前記加速管の前記下段側の端部から放出される電子線を前記圧力タンクの外部に出射するための出射口を有している。この構成によれば、加速管から放出される電子線を、出射口を通じて圧力タンクの外部に出射させることが可能となる。

上記電子線照射装置において、前記シールド部材は、前記リング群の前記軸方向の一部分を囲っており、前記シールド部材は、前記リング群における少なくとも最下段の前記シールドリングの径方向外側を囲っている。

この構成によれば、シールド部材とシールドリングとの電位差は上段側ほど大きい。したがって、シールド部材がリング群における下段側の一部分を囲う構成とすることで、シールドリングとシールド部材との間における、放電によるショートの発生を抑制することが可能となる。

上記電子線照射装置において、前記シールド部材は、前記リング群における前記軸方向の全体を囲っている。
この構成によれば、シールドリングの周囲の不安定な電界が加速管に与える影響を、シールド部材によってより効果的に抑制することが可能となる。

上記電子線照射装置において、前記シールド部材は、前記シールド部材の内周側から外周側にかけて貫通する熱放出孔を有している。
この構成によれば、例えば加速電極で生じる熱を効率的にシールド部材の外側に排出することが可能となる。

本発明の電子線照射装置は、シールドリングの周囲の電界の影響を抑える効果を発揮する。

実施形態における電子線照射装置の概略構成図である。 同形態における電子線照射装置の概略構成を示す模式平面図である。 同形態における加速管ユニットを示す模式側面図である。 同形態における加速管ユニットを示す模式平面図である。 変更例における加速管ユニットを示す模式平面図である。 変更例における加速管ユニットを示す模式平面図である。

以下、電子線照射装置の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率についても、実際と異なる場合がある。

［電子線照射装置の全体構成］
図１に示す本実施形態の電子線照射装置１０は、走査型の電子線照射装置である。電子線照射装置１０は、熱電子の放出を行う例えばタングステン製のフィラメント１１を備えている。フィラメント１１は、電源装置３０に含まれるフィラメント用電源１２からの電源供給に基づく自身の加熱により電子を放出する。フィラメント１１は、加速管１３の一端部に設けられている。加速管１３は、例えば、自身の軸Ｌ１方向が水平となる姿勢で配置される。なお、以下では、加速管１３の軸Ｌ１方向において、フィラメント１１が設けられる端部側を上段側とし、その反対側を下段側として説明する。

加速管１３は、フィラメント１１が配置される上端部が閉塞された筒状をなしている。加速管１３は、自身の軸Ｌ１方向に並設される複数の加速電極１４を有している。加速電極１４は、電源装置３０に含まれる加速電極用電源１５からの電源供給に基づき、フィラメント１１から放出された電子を収束させつつ、軸Ｌ１方向の他端部側である下方に向けて加速させるような電界を生じさせる。つまり、加速管１３では、加速電極１４にて生じる電界にて、下方に向く電子流、すなわち電子線ｅが生じるようになっている。各加速電極１４は、例えば、上段側の加速電極１４ほど高電位とされ、下段側の加速電極１４ほど低電位とされる。

加速管１３は、下端部に走査管１６が接続されている。加速管１３と走査管１６とは互いに内部空間１７が連通し、その内部空間１７において電子線ｅが加速管１３から走査管１６側に進む。走査管１６は、上端部が幅狭で、下方に向かうほど拡開する形状をなしている。走査管１６は、その幅狭の上端部に走査コイル１８が設けられている。走査コイル１８は、自身への通電に基づき、加速管１３にて生成された電子線ｅの向きを偏向、すなわち電子線ｅの走査を行う。

走査管１６の下端部には、例えば略長方形状の開口窓部１９が設けられている。開口窓部１９には、略長方形状の窓箔２０が取り付けられている。窓箔２０は、非常に薄い金属箔であり、例えばチタン系の金属材料から作製されている。窓箔２０は、電子線ｅを透過させつつ開口窓部１９を密閉させる機能を有している。つまり、加速管１３と走査管１６とに跨がる内部空間１７は、密閉空間として構成されている。内部空間１７は、例えば走査管１６に接続された真空ポンプ２１の駆動にて、少なくとも電子線ｅを生じさせる期間は真空状態とされる。

上記したフィラメント用電源１２、加速電極用電源１５、走査コイル１８及び真空ポンプ２１は、制御装置２２にて制御される。制御装置２２は、フィラメント用電源１２及び加速電極用電源１５を通じた電子線ｅの出力調整、走査コイル１８を通じた電子線ｅの走査制御、及び真空ポンプ２１を通じた加速管１３及び走査管１６の内部空間１７の真空調整等を行う。

そして、開口窓部１９に装着の窓箔２０を介して出射される電子線ｅは、例えば搬送装置２３により搬送方向ｘに搬送される被照射物２４に対して照射される。なおこの場合、電子線照射装置１０は、略長方形状の開口窓部１９の長手方向が搬送装置２３の搬送直交方向ｙに向く配置である。搬送方向ｘ及び搬送直交方向ｙを含めた電子線ｅの所定走査が行われて、開口窓部１９に対応した略長方形状の照射エリアＡの照射が行われる。電子線ｅの被照射物２４への照射効果としては、例えば素材の性質改善や機能付加、殺菌・滅菌等が期待できる。

［圧力タンク３２の構成］
図２に示すように、電源装置３０及び加速管ユニット３１は、圧力タンク３２の内部に収容されている。加速管ユニット３１は、フィラメント１１、各加速電極１４を含む加速管１３、後述するシールドリング４０、及び後述するシールド部材５０を含む。圧力タンク３２の内部には、例えばＳＦ６ガスなどの絶縁ガスが充填される。圧力タンク３２の内部の気圧は例えば０．５ＭＰａ程度の高気圧に設定される。圧力タンク３２は、例えば、金属などの導体からなる。なお、圧力タンク３２は、例えば、電気的に接地されている。圧力タンク３２は、加速管１３から放出される電子線ｅを圧力タンク３２の外部に出射するための出射口３３を有している。

［加速管ユニット３１の構成］
図３及び図４に示すように、加速管１３は、例えば、軸Ｌ１方向に長い円筒状をなしている。加速管１３は、例えば、ガラス等の絶縁体にて形成されている。加速管１３には、複数の加速電極１４が一体的に組み込まれている。

加速管ユニット３１は、加速管１３の周囲にシールドリング４０を有している。シールドリング４０は、例えば、加速管１３の軸Ｌ１を中心とする環状をなしている。シールドリング４０は、複数の加速電極１４にそれぞれ対応して複数設けられている。複数のシールドリング４０は、軸Ｌ１方向に並設されている。各シールドリング４０は、対応する加速電極１４に対し同電位となるように電気的に接続されている。なお、シールドリング４０は、例えば金属などの導電材料から作製されており、加速電極１４と一体又は別体の接続導体４１を通じて互いに電気的に接続されている。シールドリング４０は、加速管１３周りの電界緩和のために設けられている。なお、各シールドリング４０は、支持部４２によって加速管１３側に対して支持されている。以下の説明では、複数のシールドリング４０をまとめた総称として、リング群４０Ｇと言う場合がある。

加速管ユニット３１は、導電性のシールド部材５０を備える。シールド部材５０は、例えば、加速管１３の軸Ｌ１を中心とする略円筒状をなす。シールド部材５０は、例えば、金属板を円筒に成形したものである。シールド部材５０は、リング群４０Ｇの径方向外側を囲う。

図４に示すように、シールド部材５０における下段側の端部５１は、圧力タンク３２に接続されている。これにより、シールド部材５０は、圧力タンク３２に支持されている。また、シールド部材５０は、圧力タンク３２に電気的に接続されて該圧力タンク３２と同電位とされている。また、シールド部材５０は、圧力タンク３２に対して着脱可能に構成されている。これにより、加速管１３などのメンテナンス時にシールド部材５０を取り外すことができ、作業性が良い。

シールド部材５０は、例えば、リング群４０Ｇにおける軸Ｌ１方向の一部分を囲っている。軸Ｌ１方向において、シールド部材５０がリング群４０Ｇを囲う範囲は、下段側のおよそ半分の範囲である。これにより、シールド部材５０は、リング群４０Ｇにおける最下段のシールドリング４０ｘの径方向外側を囲っている。

シールド部材５０は、シールド部材５０の内周側から外周側にかけて貫通する熱放出孔５２を有している。熱放出孔５２は、例えば複数設けられている。加速電極１４にて生じる熱は、各熱放出孔５２から効率的にシールド部材５０の外部に放出される。

また、シールド部材５０は、上段側の端部から径方向外側に延びるフランジ部５３を有している。フランジ部５３は、例えば、シールド部材５０の上段側の端部の全周に亘って設けられている。フランジ部５３が設けられることで、シールド部材５０の上段側の端部が切断されたエッジのある端部とならない。

本実施形態の作用について説明する。
圧力タンク３２内において、例えば電源装置３０から不安定な電界が発せられ、その不安定な電界が加速管ユニット３１の周囲に影響を及ぼす場合がある。本実施形態では、シールド部材５０が圧力タンク３２を通じて接地電位とされている。このため、シールド部材５０の内側において、加速管１３の周囲の電界が略同一円筒状な電位で安定する。したがって、各加速電極１４の電圧が安定し、その結果、加速管１３にて加速される電子線ｅの所望する特性を得やすくなる。

また、シールド部材５０は接地電位とされるため、加速電極１４及びシールドリング４０との電位差が上段側ほど大きくなる。この点、本実施形態のシールド部材５０は、リング群４０Ｇにおける下段側の一部分の範囲を囲っており、リング群４０Ｇの上段側の範囲は囲っていない。このため、シールドリング４０とシールド部材５０との間における、放電によるショートの発生が抑制されている。

また、シールド部材５０の上段側の端部にフランジ部５３が設けられることで、当該上段側の端部が切断されたエッジのある端部とならない。これにより、シールド部材５０の上段側の端部とシールドリング４０との間における、放電によるショートの発生が抑制されている。

本実施形態の効果について説明する。
（１）シールドリング４０は、加速管１３の径方向外側において加速電極１４と対をなすように軸Ｌ１方向に複数並設され、対をなす加速電極１４とそれぞれ電気的に接続されている。導電性のシールド部材５０は、複数のシールドリング４０からなるリング群４０Ｇの径方向外側を囲う。また、シールド部材５０は、リング群４０Ｇにおける軸Ｌ１方向の少なくとも一部分を囲っている。

この構成によれば、シールドリング４０の周囲の不安定な電界が加速管１３に与える影響を、シールド部材５０によって抑制することが可能となる。これにより、加速管１３にて加速される電子線ｅの所望する特性を得やすくなり、その結果、例えば、電子線照射装置１０の性能の安定化に寄与できる。また、シールドリング４０の周囲の不安定な電界の影響が軽減されることにより、加速管１３内の電界に依存する電子線ｅのビーム軌道が安定する。これにより、加速管１３や走査管１６や窓箔２０などの部品の長寿命化も期待できる。

（２）電子線照射装置１０は、加速管１３に電力を供給する電源装置３０と、加速管１３、リング群４０Ｇ、シールド部材５０及び電源装置３０を収容する圧力タンク３２と、を備える。この構成によれば、圧力タンク３２内において、電源装置３０から不安定な電界が発せられ、その不安定な電界が加速管１３の周囲に影響を及ぼす場合がある。圧力タンク３２の内部は、絶縁ガスが充填される密閉空間であり、その内部に収容された電源装置３０が発する電界が加速管ユニット３１に与える影響がより顕著となる。その点、電子線照射装置１０がシールド部材５０を備えることで、電源装置３０で生じる不安定な電界が加速管１３に与える影響を、シールド部材５０によって好適に抑制することが可能となる。

（３）シールド部材５０は、圧力タンク３２に電気的に接続されて該圧力タンク３２と同電位とされている。この構成によれば、シールド部材５０を圧力タンク３２と同電位とすることで、シールド部材５０の内側における加速管１３の周囲の電界を好適に安定させることが可能となる。

（４）加速管１３は、加速管１３の軸Ｌ１方向の一端部に熱電子を放出する熱電子放出部としてのフィラメント１１を備える。加速管１３の軸Ｌ１方向において、フィラメント１１が設けられる端部側を上段側とし、その反対側を下段側として、加速管１３は、加速した電子線ｅを下段側の端部から放出する。そして、圧力タンク３２は、加速管１３の下段側の端部から放出される電子線ｅを圧力タンク３２の外部に出射するための出射口３３を有している。この構成によれば、加速管１３から放出される電子線ｅを、出射口３３を通じて圧力タンク３２の外部に出射させることが可能となる。

（５）シールド部材５０は、リング群４０Ｇの軸Ｌ１方向の一部分を囲っている。そして、シールド部材５０は、リング群４０Ｇにおける最下段のシールドリング４０ｘの径方向外側を囲っている。この構成によれば、シールド部材５０とシールドリング４０との電位差は上段側ほど大きい。したがって、シールド部材５０がリング群４０Ｇにおける下段側の一部分を囲う構成とすることで、シールドリング４０とシールド部材５０との間における、放電によるショートの発生を抑制することが可能となる。また、シールドリング４０とシールド部材５０との間における、放電によるショートの発生が抑制されることで、径方向におけるシールド部材５０とシールドリング４０との間隔をより短く構成することが可能となる。その結果、シールド部材５０を径方向に小型化することが可能となる。

（６）シールド部材５０は、シールド部材５０の内周側から外周側にかけて貫通する熱放出孔５２を有している。
この構成によれば、例えば、加速電極１４で生じる熱を効率的にシールド部材５０の外側に排出することが可能となる。本実施形態の電子線照射装置１０は、加速管１３の軸Ｌ１方向が水平方向を向く水平照射型である。水平照射型の電子線照射装置１０において、例えば、加速電極１４が加速管１３に接着される場合、シールド部材５０の内側が高温になって加速電極１４を接着する接着剤が溶融した場合、加速電極１４が自重で加速管１３から外れるおそれがある。その点、シールド部材５０に熱放出孔５２を設けることにより、シールド部材５０の内側の温度上昇を抑えることで、加速電極１４が加速管１３から外れることを抑制できる。

（７）シールド部材５０は、上段側の端部から径方向外側に延びるフランジ部５３を有している。これにより、シールド部材５０の上段側の端部が切断されたエッジのある端部とならない。その結果、シールド部材５０の上段側の端部とシールドリング４０との間における、放電によるショートの発生を抑制することが可能となる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図５に示すように、シールド部材５０がリング群４０Ｇにおける上段側の一部分を囲う構成としてもよい。この場合、シールド部材５０は、圧力タンク３２と同電位ではなく、上段側（電源装置３０側）の高電位と同電位とされることが好ましい。なお、図５に示す構成では、シールド部材５０は、リング群４０Ｇにおける最上段のシールドリング４０ｙの径方向外側を囲っている。また、同構成では、フランジ部５３は、シールド部材５０の下段側の端部に設けられている。

・図６に示すように、シールド部材５０がリング群４０Ｇにおける軸Ｌ１方向の全体を囲う構成としてもよい。この構成によれば、シールドリング４０の周囲の不安定な電界が加速管１３に与える影響を、シールド部材５０によってより効果的に抑制することが可能となる。

・シールド部材５０が必ずしも最下段のシールドリング４０ｘ、または、最上段のシールドリング４０ｙの径方向外側を囲う必要はない。すなわち、シールド部材５０が、リング群４０Ｇにおける軸Ｌ１方向の中間部にあたるシールドリング４０のみを囲う構成としてもよい。

・上記実施形態では、加速管１３の軸Ｌ１方向が水平方向を向く水平照射型としているが、これに限らず、例えば、加速管１３の軸Ｌ１方向が鉛直方向を向く垂直照射型としてもよい。また、加速管１３の軸Ｌ１方向が水平方向及び鉛直方向のいずれでもない方向を向くように構成してもよい。

・シールド部材５０において、熱放出孔５２を省略してもよい。電子線照射装置１０が前記垂直照射型の場合には、加速管１３の向きにより加速電極１４が外れるおそれが軽減されるため、シールド部材５０の内側の温度上昇の問題が水平照射型に比べて発生しにくい。

・上記実施形態のシールド部材５０は、金属板などの板状の素材から形成されるが、これに特に限定されるものではない。例えば、シールド部材５０を、例えば金属素線が編み込まれてなるメッシュ部材としてもよい。シールド部材５０をメッシュ部材とすることで、放熱性が高いシールド部材５０を構成でき、その結果、シールド部材５０の内側の温度上昇を抑制することが可能となる。

・上記実施形態では、圧力タンク３２が接地電位とされるが、これに特に限定されるものではなく、圧力タンク３２の電位は構成に応じて適宜変更可能である。
・今回開示された実施形態及び変更例はすべての点で例示であって、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。すなわち、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…電子線照射装置
１１…フィラメント（熱電子放出部）
１３…加速管
１４…加速電極
３０…電源装置
３２…圧力タンク
３３…出射口
４０…シールドリング
４０Ｇ…リング群
４０ｘ…最下段のシールドリング
５０…シールド部材
５２…熱放出孔
ｅ…電子線
Ｌ１…軸

Claims (6)

1. 電子線を加速させる電界を生じさせるための複数の加速電極を軸方向に並設してなる加速管と、
   前記加速管の径方向外側において前記加速電極と対をなすように前記軸方向に複数並設され、対をなす前記加速電極とそれぞれ電気的に接続されてなるシールドリングと、
   前記複数のシールドリングからなるリング群の径方向外側を囲う導電性のシールド部材と、
   前記加速管に電力を供給する電源装置と、
   前記加速管、前記リング群、前記シールド部材及び前記電源装置を収容する圧力タンクと、を備える電子線照射装置であって、
   前記シールド部材は、前記リング群と前記電源装置との間に設けられているとともに、前記リング群における前記軸方向の少なくとも一部分を囲っていて、
   前記シールド部材は、前記圧力タンクに着脱可能に構成されている、
   電子線照射装置。
2. 前記シールド部材は、前記圧力タンクに電気的に接続されて該圧力タンクと同電位とされている、
   請求項１に記載の電子線照射装置。
3. 前記加速管は、前記加速管の軸方向の一端部に熱電子を放出する熱電子放出部を備え、
   前記加速管の軸方向において、前記熱電子放出部が設けられる端部側を上段側とし、その反対側を下段側として、
   前記加速管は、加速した電子線を前記下段側の端部から放出し、
   前記圧力タンクは、前記加速管の前記下段側の端部から放出される電子線を前記圧力タンクの外部に出射するための出射口を有している、
   請求項２に記載の電子線照射装置。
4. 前記シールド部材は、前記リング群の前記軸方向の一部分を囲っており、
   前記シールド部材は、前記リング群における少なくとも最下段の前記シールドリングの径方向外側を囲っている、
   請求項３に記載の電子線照射装置。
5. 前記シールド部材は、前記リング群における前記軸方向の全体を囲っている、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電子線照射装置。
6. 前記シールド部材は、前記シールド部材の内周側から外周側にかけて貫通する熱放出孔を有している、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電子線照射装置。

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