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Die
Erfindung betrifft einen Strahlkopf mit einem Vakuumgehäuse, in
dem eine Elektronenquelle angeordnet ist, und mit einem Strahlfinger,
der mit dem Vakuumgehäuse
verbunden ist und an einem distalen Ende ein Austrittsfenster aufweist.
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Die
von einem Strahlkopf emittierten Elektronen dienen z. B. zur physikalischen
Sterilisation von Verpackungsmaterialien und Behältnissen, beispielsweise von
Flaschen. Die Elektronen werden in einer Elektronenquelle erzeugt
und mittels einer angelegten Hochspannung auf eine definierte kinetische
Energie beschleunigt. Die Elektronen driften nach ihrer Beschleunigung
durch einen so genannten Strahlfinger und treffen nach dem Durchtritt
durch das Austrittsfenster auf den zu sterilisierenden Bereich.
Im Austrittsfenster, das aus Titan (Ti, Ordnungszahl Z = 22) besteht,
erleiden die Elektronen einen Energieverlust, der zu einer merklichen
Erhitzung des Austrittsfensters führt. Das Austrittsfenster muss
deshalb z. B. mit Luft gekühlt
werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, einen Strahlkopf zu schaffen, der
ein verbessertes Wärmeverhalten
aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Strahlkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlkopfs sind jeweils
Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Der
Strahlkopf nach Anspruch 1 umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Elektronenquelle
angeordnet ist, und einen Strahlfinger, der mit dem Vakuumgehäuse verbunden
ist und an einem distalen Ende ein Austrittsfenster aufweist. Erfindungsgemäß besteht
das Austrittsfenster aus einem Material, das eine Ordnungszahl (Z)
kleiner als 22 besitzt.
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Dadurch,
dass das Austrittsfenster aus einem Material mit einer Ordnungszahl
kleiner als 22 besteht, wird eine Streuung der Elektronen im Austrittsfenster
(Aufweitung des Elektronenstrahls) deutlich verringert. Die Qualität des Elektronenstrahls
ist damit entsprechend höher.
Darüber
hinaus ist der Energieverlust (Abschwächung der kinetischen Energie)
der Elektronen bei ihrem Durchtritt durch das Austrittsfenster entsprechend
geringer. Einerseits ist damit die kinetische Energie der Elektronen,
die den Strahlfinger verlassen haben, entsprechend höher als
bei einem Strahlkopf gemäß dem Stand
der Technik. Andererseits heizt sich das Austrittsfenster bei einer
vergleichbaren Dicke weniger auf. Bei dem erfindungsgemäßen Strahlkopf
kann also entweder eine größere Wärmemenge
abgeführt
werden oder bei unveränderter
Wärmeabfuhr
die Dicke des Austrittsfensters erhöht werden. Bei einer geeigneten
Wahl der Parameter (Material, geometrische Form) für das Austrittsfenster
kann auf eine Kühlung,
z. B. durch Luft, verzichtet werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Strahlkopf
liegt die Vakuumhülle,
die von dem Vakuumgehäuse
und dem Strahlfinger gebildet ist, beispielsweise auf Massepotential,
wohingegen die im Vakuumgehäuse angeordnete
Elektronenquelle (Flachemitter, Glühwendel) z. B. auf einem Potential
zwischen –50
keV und –200
keV liegt. Beim Anlegen einer entsprechenden Hochspannung werden
die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen unter Bildung
eines Elektronenstrahls somit in Richtung des ebenfalls auf Massepotential
liegenden Austrittsfensters beschleunigt. Nach dem Austritt des
Elektronenstrahls aus dem Strahlfinger (über das Austrittsfenster) treffen die
Elektronen auf der Oberfläche
des Verpackungsmaterials oder auf der Oberfläche des Behältnisses auf. Die Oberflächen, die
mit den aus dem Strahlfinger austretenden und nunmehr unfokussierten
Elektronen beschossen werden, werden dadurch sterilisiert.
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Bevorzugte
Materialien für
das Austrittsfenster, jeweils mit einer Ordnungszahl (Z) kleiner
als 22, sind in den Ansprüchen
2 bis 6 genannt. Derartige Materialien, die für die Herstel lung des Austrittsfensters
des Strahlkopfs verwendet werden können, sind beispielsweise Beryllium
(Be, Z = 4), Kohlenstoff (C, Z = 6), Aluminium (Al, Z = 13), Silizium
(Si, Z = 14) oder eine resistente Materialverbindung aus Kohlenstoff
(C) und/oder Sauerstoff (O) und/oder Stickstoff (N).
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Bei
einer Ausgestaltung des Strahlkopfs nach Anspruch 7 weist der Strahlfinger
einen Querschnitt auf, der geringer ist als der Querschnitt des Vakuumgehäuses. Vorzugsweise
ist der Querschnitt auf eine Mündung
der zu sterilisierenden Behältnisse abgestimmt.
Ein derartiger Strahlkopf kann dann mit seinem Strahlfinger jeweils
durch die Mündung
des Behältnisses
geführt
werden und die austretenden, nunmehr unfokussierten Elektronen treffen
zum weitaus größten Teil
auf eine Innenwandung dieses Behältnisses
auf.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
nach Anspruch 8 bestehen das Vakuumgehäuse und der Strahlfinger aus
Edelstahl.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 9 ist als Elektronenquelle
ein Flachemitter oder eine Glühwendel
vorgesehen, also als eng tolerierte Elektronenstrahlquelle ausgeführt, so
dass der erzeugte Elektronenstrahl eine sehr geringe Toleranz aufweist.
Mit anderen Worten, der im Strahlkopf gemäß Anspruch 9 erzeugte Elektronenstrahl
besitzt nur eine sehr geringe Aufweitung durch Abstoßung der
emittierten Elektronen, ist also sehr gut fokussiert. Die Flugbahn
der Elektronen streut somit nur sehr gering, so dass der erzeugte
Elektronenstrahl eine hohe Intensität aufweist. Im Gegensatz zu
dem bekannten Strahlkopf, bei dem die Elektronenquelle als Haarnadel-Emitter
ausgeführt
ist, bleibt die gewünschte
enge Toleranz der Elektronenquelle bei dem Strahlkopf gemäß Anspruch
9 in vorteilhafter Weise während
seiner gesamten Lebensdauer erhalten. Damit ist bei der Variante
nach Anspruch 9 trotz eines verringerten Wartungsaufwands eine gleichbleibend
hohe Qualität
des Elektronenstrahls gewährleistet.
Da die Elektronen emittierende Fläche bei einem Flachemitter
o der bei einer Glühwendel deutlich
größer ist
als bei einem Haarnadel-Emitter, erhält man auch eine höhere Intensität bzw. die
Temperatur der Elektronenquelle kann entsprechend verringert werden.
Weiterhin kann aufgrund der engen Toleranzen des erzeugten Elektronenstrahls
auf weitere Fokussierungsmaßnahmen
verzichtet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
des Strahlkopfs gemäß Anspruch
10 weist das Austrittsfenster eine Schichtdicke zwischen 10 μm und 20 μm auf. Damit werden
die Verluste bei den aus dem Strahlfinger austretenden Elektronen
durch Abschwächung
der Intensität
und durch Streuung nochmals verringert.
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Bei
einer Ausgestaltung des Strahlkopfs nach Anspruch 11 bildet das
Vakuumgehäuse
mit dem Strahlfinger eine permanent hochvakuumdichte Vakuumhülle. Die
hierfür
notwendige vakuumdichte Verbindung zwischen dem Vakuumgehäuse und
dem Strahlfinger kann beispielsweise durch Schweißen oder
Hartlöten
hergestellt werden. Alternativ kann der Strahlfinger auch an dem
Vakuumgehäuse
angeformt sein. Das Know-how und die technischen Anforderungen für die Herstellung
einer permanent hochvakuumdichten Vakuumhülle sind aus der Fertigung
von Röntgenröhren bekannt.
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Dadurch,
dass der Strahlfinger mit dem Vakuumgehäuse vakuumdicht verbunden ist,
bilden das Vakuumgehäuse
und der Strahlfinger eine gemeinsame Vakuumhülle. Diese Vakuumhülle ist
permanent hochvakuumdicht. Ein zusätzlicher Flansch, an dem zur
Aufrechterhaltung bzw. zur Wiederherstellung des Vakuums eine Abpumpeinrichtung
angeschlossen werden muss, wird somit nicht benötigt.
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Aufgrund
des fehlenden Flansches besitzt der Strahlkopf gemäß Anspruch
11 ein geringeres Bauvolumen als ein konventioneller Strahlkopf.
Die daraus resultierende geringere Baugröße macht den Strahlkopf nach
Anspruch 11, insbesondere auch in Verbindung mit der erfindungsgemäß nicht
notwendigen Kühlung,
besonders geeignet für
einen Einsatz in Getränkeabfüllautoma ten,
bei denen unmittelbar vor der Abfüllung des Getränks eine
physikalische Sterilisation der Verpackungsmaterialien oder der
Behältnisse
mittels Elektronenstrahlen vorgenommen wird.
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Nachfolgend
wird anhand einer einzigen Figur in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert,
ohne jedoch auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt
zu sein.
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Der
in der Zeichnung dargestellte Strahlkopf umfasst ein Vakuumgehäuse 1,
in dem eine Elektronenquelle 2 angeordnet ist, und einen
Strahlfinger 3, der mit dem Vakuumgehäuse 1 verbunden ist.
Der Strahlfinger 3 besitzt an einem distalen Ende 4 (Austrittsöffnung)
ein Austrittsfenster 5 für von der Elektronenquelle 2 erzeugte
Elektronen 7. Bei der gezeigten Ausführungsform des Strahlkopfs
bildet das Vakuumgehäuse 1 mit
dem Strahlfinger 3 eine permanent hochvakuumdichte Vakuumhülle 6,
die vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt ist.
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Bei
dem in der Zeichnung dargestellten Strahlkopf besteht das Austrittsfenster 5 erfindungsgemäß aus einem
Material, das eine Ordnungszahl (Z) kleiner als 22 besitzt.
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Dadurch,
dass das Austrittsfenster 5 aus einem Material mit einer
Ordnungszahl kleiner als 22 besteht, wird eine Streuung der Elektronen 7 im
Austrittsfenster 5 (Aufweitung des Elektronenstrahls 7) deutlich
verringert. Die Qualität
des Elektronenstrahls 7 ist damit entsprechend höher. Darüber hinaus
ist der Energieverlust (Abschwächung
der kinetischen Energie) der Elektronen 7 bei ihrem Durchtritt durch
das Austrittsfenster 5 entsprechend geringer. Einerseits
ist damit die kinetische Energie der Elektronen 7, die
den Strahlfinger 3 verlassen haben, entsprechend höher als
bei einem Strahlkopf gemäß dem Stand
der Technik. Andererseits heizt sich das Austrittsfenster 5 bei
einer vergleichbaren Dicke weniger auf. Bei dem erfindungsgemäßen Strahlkopf kann
also entweder eine größere Wärmemenge
abgeführt
werden oder bei unveränderter
Wärmeabfuhr die
Dicke des Austrittsfensters 5 erhöht werden.
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Bei
einer geeigneten Wahl der Parameter (Material, geometrische Form)
für das
Austrittsfenster 5 kann auf eine Kühlung, z. B. durch Luft, verzichtet
werden.
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Austrittsfenster 5 weist
im gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Schichtdicke zwischen 10 μm
und 20 μm
auf. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Wahl eines Materials mit
einer Ordnungszahl (Z) kleiner als 22 für das Austrittsfenster 5 verringern
sich bei den aus dem Strahlfinger 3 austretenden Elektronen 7 nochmals
die Verluste durch Abschwächung der
Intensität
und durch Streuung.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt
die Vakuumhülle 6,
die von dem Vakuumgehäuse 1 und
dem Strahlfinger 2 gebildet ist, beispielsweise auf Massepotential,
wohingegen die im Vakuumgehäuse 1 angeordnete
Elektronenquelle 2 z. B. auf einem Potential zwischen –50 keV
und –200
keV liegt. Beim Anlegen einer entsprechenden Hochspannung werden
die von der Elektronenquelle 2 (Flachemitter, Glühwendel)
emittierten Elektronen 7 unter Bildung eines Elektronenstrahls
(in der Zeichnung als gestrichelte Linie 7 dargestellt)
somit in Richtung des ebenfalls auf Massepotential liegenden Austrittsfensters 5 beschleunigt.
Nach dem Austritt der Elektronen 7 aus dem Strahlfinger 3 (über das Austrittsfenster 5)
treffen diese unfokussiert auf der Oberfläche des Verpackungsmaterials
oder auf der Oberfläche
des Behältnisses
auf (in der Zeichnung nicht dargestellt). Die Oberflächen, die
mit den aus dem Austrittsfenster 5 austretenden Elektronen 7 beschossen
werden, werden dadurch sterilisiert.
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Bei
dem in der Zeichnung dargestellten Strahlkopf ist die Elektronenquelle 2 beispielsweise als
Flachemitter oder als Glühwendel
ausgeführt.
Die Elektronenquelle 2 ist über einen Hochspannungsanschluss 8 mit
einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochspannungskabel mit
einer Hochspannungsquelle (Hochspannungserzeuger, Generator) verbunden.
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Die
Elektronenquelle 2 (Kathode) ist weiterhin von einem Wehnelt-Zylinder 9 (negativ
vorgespannte Steuerelektrode) zylinderförmig umgeben, die die aus der
Kathode 2 austretenden Elektronen 7 zu einem Elektronenstrahl
fokussiert.
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Die
Kathode 2, der Hochspannungsanschluss 8 und der
Wehnelt-Zylinder 9 sind über einen Isolator 10 mechanisch
im Vakuumgehäuse 1 befestigt.
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Der Übergang
vom Vakuumgehäuse 1 zum Strahlfinger 3,
das ist der Bereich, an dem der Elektronenstrahl 7 aus
dem Vakuumgehäuse 1 austritt und
in den Strahlfinger 3 eintritt, ist durch einen Koronaring 11 vor
Entladungseffekten und Überschlägen und
somit vor einer Verschlechterung der Qualität des Elektronenstrahls 7 geschützt. Durch
eine Einschnürung
des elektrischen Feldes wird eine Feldüberhöhung vermieden, wodurch die
Hochspannungsfestigkeit und damit die Hochspannungssicherheit gewährleistet
sind. Durch die Anordnung des Koronarings 11 wird der Krümmungsradius
im Bereich des Übergangs
vom Vakuumgehäuse 1 in
den Strahlfinger 3 deutlich vergrößert und damit ein scharfkantiger Übergang,
der zu Feldüberhöhungen führt, zuverlässig vermieden.
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Weiterhin
wird durch den Koronaring 11 eine eventuelle Auffächerung
des Elektronenstrahls 7 auf dem Weg zum Austrittsfenster 5 vor
einem Eintritt der Elektronen 7 in den Strahlfinger 3 weitestgehend
verhindert. Der Koronaring 11 wirkt also auch als Fokussierungsring.
Eventuell nicht fokussierte Elektronen 7 werden auf einer
Anodenplatte 12 gesammelt, die auf der dem Strahlfinger 3 benachbarten
Innenseite des Vakuumgehäuses 1 angeordnet
ist.
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Bei
dem in der einzigen Figur gezeigten Strahlkopf weist der Strahlfinger 3 einen
Querschnitt auf, der geringer ist als der Querschnitt des Vakuumgehäuses 1.
Vorzugsweise ist der Querschnitt auf eine Mündung der zu sterilisierenden
Behältnisse
abgestimmt. Ein derartiger Strahlkopf kann dann mit seinem Strahlfinger 3 jeweils
durch die Mündung
des Behält nisses
geführt
werden und die austretenden Elektronen 7 treffen bevorzugt
auf eine Innenwandung dieses Behältnisses
auf.