JP2002022899A - Electron beam irradiator - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は電子線を主として大
気中に取り出し、被照射物に電子線を照射して処理加工
を行う電子線照射装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron beam irradiation apparatus for extracting an electron beam mainly to the atmosphere and irradiating an object to be irradiated with the electron beam for processing.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図２は従来のガン構造体を有する電子線
照射装置の概略断面図である。１０-1Ｐａ〜１０-6Ｐａ
の圧力に保たれた真空チャンバー２１内には、フィラメ
ント２２とガングリッド２３とを有するガン構造体２４
と、同ガン構造体２４を内蔵する高電圧ターミナル２５
とが備えられている。そしてガングリッド２３は、外部
電源によって通電加熱されるフィラメント２２から放出
される熱電子を取り出している。高電圧ターミナル２５
にはガン構造体２４から取り出された熱電子を加速空間
に取り出すためのターミナルグリッド２６が設けられて
いる。2. Description of the Related Art FIG. 2 is a schematic sectional view of a conventional electron beam irradiation apparatus having a gun structure. 10 -1 Pa to 10 -6 Pa
A gun structure 24 having a filament 22 and a gun grid 23 in a vacuum chamber 21 maintained at a pressure of
And a high-voltage terminal 25 containing the gun structure 24
And are provided. Then, the gun grid 23 extracts thermoelectrons emitted from the filament 22 which is energized and heated by an external power supply. High voltage terminal 25
Is provided with a terminal grid 26 for extracting thermoelectrons extracted from the gun structure 24 to the acceleration space.
【０００３】フィラメント２２で発生した熱電子は、ガ
ングリッド２３やターミナルグリッド２６の開口部を通
過する際に、前記ガングリッド２３やターミナルグリッ
ド２６に加えられた電圧や開口部の形状によって、電子
線の強さや均一度等が調整されて、加速空間に取り出さ
れる。加速空間２７で加速された電子２８は電子線照射
窓２９を貫通し、処理空間３０において被処理物に照射
され、所定の電子線照射処理が行われる。When the thermoelectrons generated by the filament 22 pass through the openings of the gun grid 23 and the terminal grid 26, the thermoelectrons depend on the voltage applied to the gun grid 23 and the terminal grid 26 and the shape of the opening. The strength, uniformity, etc., of the particles are adjusted and taken out to the acceleration space. The electrons 28 accelerated in the acceleration space 27 penetrate the electron beam irradiation window 29, are irradiated on the object to be processed in the processing space 30, and a predetermined electron beam irradiation process is performed.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとしている課題】前記従来のガン構
造体の電子源にはフィラメントが使用されているが、通
常、直径２０から５００μｍのタングステンの細線が使
用されている。タングステンの仕事関数は他の金属と比
して高いため、フィラメントから熱電子を取り出すため
には、フィラメント温度を一般的には１５００℃から２
５００℃程度に加熱しなければならない。このため、フ
ィラメントの発熱の影響を受けて、真空チャンバー内に
おかれた加速管の構成部品から放出ガスが発生する。こ
の放出ガスはイオン源となり、高電圧が印加される加速
管内で不要な放電を発生させる原因となるため、装置を
使用する前に予備加熱や電圧・電流をあらかじめ印加す
る、コンディショニングと呼ばれる準備運転が必要にな
っている。また、真空中で高温にするため、フィラメン
トは徐々に損耗していき、フィラメントは数千時間程度
で切れてしまう。A filament is used as the electron source of the conventional gun structure, and usually, a thin tungsten wire having a diameter of 20 to 500 μm is used. Since the work function of tungsten is higher than that of other metals, in order to extract thermoelectrons from the filament, the temperature of the filament is generally increased from 1500 ° C. to 2 ° C.
It must be heated to about 500 ° C. For this reason, under the influence of the heat generated by the filament, the released gas is generated from the components of the acceleration tube placed in the vacuum chamber. This released gas becomes an ion source and causes unnecessary discharge in the accelerating tube to which a high voltage is applied.Therefore, a preliminary operation called conditioning, in which preheating or voltage / current is applied before using the device, is performed. Is needed. Further, since the temperature is increased in a vacuum, the filament gradually wears out, and the filament breaks in about several thousand hours.
【０００５】そして、運転時には高電圧側に加熱パワー
を送らなければならず、フィラメント電源は所望の容量
以外に、加速電源の高電圧に耐えうる高絶縁性のものが
要求される上、フィラメントを加熱するための電源も必
要になるので、電源が大型になり、消費電力が大きくなる
という問題があった。During operation, heating power must be sent to the high voltage side. In addition to the desired capacity, a filament power source is required to have a high insulation property that can withstand the high voltage of the acceleration power source. Since a power supply for heating is also required, there is a problem that the power supply becomes large and power consumption increases.
【０００６】また、直線状のフィラメントは、その両端
部の温度が低く、中央部の温度が高いため、フィラメン
トの中央部分で発生する熱電子が最も多く、両端へ近づ
くにつれ発生する熱電子の量は少なくなる。したがっ
て、熱電子を加速して得られる電子線には、フィラメン
トの長手方向において空間的な不均一が生じるという問
題がある。そして図３の従来のガン構造体に示すよう
に、高温におけるフィラメント２２の熱膨張を吸収する
ため、支持機構３１が必要となるが、同支持機構３１は、
製作が困難な上、信頼性の面でも問題があった。[0006] Further, since the temperature of the both ends of the linear filament is low and the temperature of the central part is high, the most thermoelectrons are generated at the center of the filament, and the amount of thermoelectrons generated as approaching both ends is increased. Is less. Therefore, an electron beam obtained by accelerating thermoelectrons has a problem that spatial nonuniformity occurs in the longitudinal direction of the filament. Then, as shown in the conventional gun structure of FIG. 3, a support mechanism 31 is required to absorb the thermal expansion of the filament 22 at a high temperature.
It is difficult to manufacture, and there is also a problem in terms of reliability.
【０００７】本発明は、以上のような問題点を解消する
ためになされたものであり、その目的とするところは、
加速管内で不用な放電を発生させず、長寿命で、被処理物
に対して電子線をより均一に照射することができ、電源
がコンパクトで、製作の容易な電子線照射装置を提供す
ることである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object the following.
To provide an electron beam irradiation device that does not generate unnecessary discharge in an acceleration tube, has a long service life, can irradiate an electron beam more uniformly to an object to be processed, has a compact power supply, and is easy to manufacture. It is.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の発明は、電子源とガングリッドとを有
するガン構造体と、同ガン構造体を内蔵し電子を通過さ
せる高電圧ターミナルとを具備し、同高電圧ターミナル
を通過した電子を、電子線照射窓を通して照射空間に放
出させる電子線照射装置において、前記電子源に電界放
出素子を用いたことを特徴とするものである。In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is directed to a gun structure having an electron source and a gun grid, and a gun structure having the gun structure built therein for passing electrons. A voltage terminal, and an electron beam irradiation device for emitting electrons passing through the high voltage terminal to an irradiation space through an electron beam irradiation window, wherein a field emission element is used as the electron source. is there.
【０００９】そして、請求項２記載の発明は、前記電界放
出素子として、電界放出型カーボン材料のグラファイト
ナノファイバー、マルチウォールカーボンナノチューブ、
シングルウォールカーボンナノチューブを用いたことを
特徴とし、請求項３記載の発明は、前記電子源とガングリ
ッドとの間隔を５ｍｍ以下、同ガングリッドの網目の間
隔を１ｍｍ以下、前記電子源とガングリッドとの間の電
圧を数百Ｖから１０ＫＶにしたことを特徴とする請求項
１または請求項２記載の電子線照射装置である。According to a second aspect of the present invention, as the field emission device, a graphite nanofiber of a field emission type carbon material, a multi-walled carbon nanotube,
The invention according to claim 3, wherein a single-walled carbon nanotube is used, a distance between the electron source and the gun grid is 5 mm or less, a distance between meshes of the gun grid is 1 mm or less, and the electron source and the gun grid are separated. 3. The electron beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the voltage between the first and second is set to several hundred volts to 10 kV.
【００１０】請求項１、請求項２、請求項３記載の発明に
よれば、電子源にフィラメントを使用しないため、加熱電
源が不要となって電源をコンパクトにすることができ、
加速管内で不用な放電を発生させず、長寿命で、被処理物
に対して電子線をより均一に照射することができ、設
計、製作の容易な電子線照射装置が得られる。According to the first, second and third aspects of the present invention, since no filament is used for the electron source, a heating power source is not required, and the power source can be made compact.
An electron beam irradiation apparatus which does not generate unnecessary discharge in the accelerating tube, has a long service life, and can more uniformly irradiate the object with the electron beam, and which can be easily designed and manufactured.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１を参
照して詳細に説明する。図１(ａ)は、本発明に係る電子
線照射装置の一実施例を示すガン構造体の立体構成図で
ある。導電性の電子源基板１上に粉末状のカーボンナノ
チューブナノポリへドロン混合物と導電性接着剤または
導電性コーティング剤との混合物２を固着して、電子源
を形成している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to FIG. FIG. 1A is a three-dimensional configuration diagram of a gun structure showing one embodiment of an electron beam irradiation apparatus according to the present invention. A mixture 2 of a powdery carbon nanotube nanopolyhedron mixture and a conductive adhesive or a conductive coating agent is fixed on a conductive electron source substrate 1 to form an electron source.
【００１２】カーボンアーク法で作られたナノチューブ
は生成したままの状態では電子放出密度がとりづらいの
で、精製して粉末状にする。同粉末状ナノチューブを導
電性接着剤中に分散させ、電子源基板１上からガングリ
ッド３へ向けてナノチューブの先端を突出させている。
このようにして、カーボンナノチューブナノポリへドロ
ン混合物と導電性接着剤との混合物２が構成されてい
る。導電性接着剤を用いれば、任意の形状の電子源基板
１にカーボンナノチューブを付着させることができ、導
電性接着剤の変わりに導電性コーティング剤を用いれ
ば、より強固なカーボンナノチューブ分散層が形成でき
る。また、銀ロウを用いれば、金属中にカーボンナノチ
ューブが分散し、電気伝導度の非常によい結合を形成で
きる。また、特開平１１−１１９１７にあるように、電
子源基板１上に直接カーボンナノチューブを生成して電
子源としてもよい。[0012] Since the electron emission density of the nanotubes produced by the carbon arc method is difficult to maintain in the as-produced state, they are refined into powder. The powdery nanotubes are dispersed in a conductive adhesive, and the tips of the nanotubes project from the electron source substrate 1 toward the gun grid 3.
Thus, the mixture 2 of the carbon nanotube nanopolyhedron mixture and the conductive adhesive is formed. If a conductive adhesive is used, carbon nanotubes can be attached to the electron source substrate 1 of any shape, and if a conductive coating agent is used instead of the conductive adhesive, a stronger carbon nanotube dispersion layer is formed. it can. When silver brazing is used, the carbon nanotubes are dispersed in the metal, and a bond having very good electric conductivity can be formed. Further, as disclosed in JP-A-11-11917, carbon nanotubes may be directly generated on the electron source substrate 1 to serve as an electron source.
【００１３】図１(ｂ)は、本発明に係る電子線照射装置
の一実施例を示すガン構造体の断面図である。前記電子
源とガングリッド３とでガン構造体を構成し、電子源と
ガングリッド３および絶縁碍子４は、電子源と電気的に
絶縁を保つ一定の間隔で対向するように配置する。電子
源がガングリッド３に対して、負の電位になるように電
源を接続すれば、電界電子放出型電子源を構成すること
ができる。電界の大きさはガングリッド３と電子源の間
隔ｄ１によって決定される。ｄ１が大きいと必要な電圧
が増大する。ガングリッド３の網目の間隔ｄ２が大きい
と電子線の制御が難しくなる。図１(Ｃ)は、本発明に係
る電子線照射装置の一実施例を示すガン構造体のガング
リッドの正面図である。FIG. 1B is a sectional view of a gun structure showing an embodiment of the electron beam irradiation apparatus according to the present invention. The electron source and the gun grid 3 constitute a gun structure, and the electron source, the gun grid 3 and the insulator 4 are arranged so as to be opposed to each other at a certain interval to keep the electron source electrically insulated. If a power source is connected to the gun grid 3 so that the electron source has a negative potential, a field emission electron source can be configured. The magnitude of the electric field is determined by the distance d1 between the gun grid 3 and the electron source. If d1 is large, the required voltage increases. If the distance d2 between the meshes of the gun grid 3 is large, it becomes difficult to control the electron beam. FIG. 1C is a front view of a gun grid of a gun structure showing an embodiment of the electron beam irradiation apparatus according to the present invention.
【００１４】電子線照射装置の電子源とガングリッドと
の間隔ｄ１を５ｍｍ以下に設定し、ガングリッドの網目
の間隔ｄ２を１ｍｍ以下とし、電子源に印加する電圧を
数百Ｖから１０ＫＶの範囲で選ぶことにより、被処理物
に対して電子線をより均一に照射することができ、所望
の電子線電流が得られることが確認できた。電子線照射
装置の簡略化のため、ガングリッドとターミナルグリッ
ドを外し、加速電圧が直接電子源にかかるようにして、
１６０ＫＶの加速電圧で、５０ｍｍ×１５ｍｍの電子源
により実験を行ったところ、１．１ｍＡの電子線電流が
測定でき、均一な所望の電子線電流が得られた。同電子
線電流は２時間経過後も安定していた。電源は直流、交
流のどちらでも良く、パルス電源でも良い。The distance d1 between the electron source of the electron beam irradiation apparatus and the gun grid is set to 5 mm or less, the distance d2 between the meshes of the gun grid is set to 1 mm or less, and the voltage applied to the electron source ranges from several hundred V to 10 KV. As a result, it was confirmed that the object to be processed can be more uniformly irradiated with an electron beam, and a desired electron beam current can be obtained. To simplify the electron beam irradiation device, remove the gun grid and terminal grid, and apply the acceleration voltage directly to the electron source.
When an experiment was performed with an electron source of 50 mm × 15 mm at an acceleration voltage of 160 KV, an electron beam current of 1.1 mA was measured, and a uniform desired electron beam current was obtained. The electron beam current was stable after 2 hours. The power supply may be either DC or AC, and may be a pulse power supply.
【００１５】カーボンナノチューブとしては、円筒状の
グラファイトの層が多数重なったマルチウォールカーボ
ンナノチューブやグラファイトの層が１層のみのシング
ルウォールカーボンナノチューブを使用する。マルチウ
ォールナノチューブはその先端部が閉じているが、酸化
処理により、その先端を破り電子放出を増大させても良
い。また、グラファイトナノファイバーは、断面が百ナ
ノメートル程度の直方体で、平面の炭素の層が長手方向
に重なってできたものを使用する。電子源としてはこれ
らのどの種類のカーボンナノチューブを選択しても、電
子線照射装置の電子源とガングリッドとの間隔ｄ１を５
ｍｍ以下に設定し、ガングリッドの網目の間隔ｄ２を１
ｍｍ以下とし、電子源に印加する電圧を数百Ｖから１０
ＫＶの範囲で選ぶことにより、所望の電子線電流が得ら
れた。As the carbon nanotube, a multi-wall carbon nanotube in which a large number of cylindrical graphite layers are stacked or a single-wall carbon nanotube in which only one graphite layer is used. Although the tip of the multi-wall nanotube is closed, the tip may be broken by oxidation treatment to increase electron emission. The graphite nanofiber used is a rectangular parallelepiped having a cross section of about 100 nanometers and formed by a flat carbon layer overlapping in the longitudinal direction. Regardless of which type of carbon nanotube is selected as the electron source, the distance d1 between the electron source of the electron beam irradiation apparatus and the gun grid is set to 5
mm or less, and the grid distance d2 of the gun grid is 1
mm and the voltage applied to the electron source is
By selecting within the KV range, a desired electron beam current was obtained.
【００１６】前記のように電子源は、電界放出型冷陰極
電子源となるため、フィラメントの加熱電源は必要なく
なり、リード線の数が減らせるので、コンパクトな電子
線照射装置とすることができ、製造工程を簡略化でき
る。As described above, since the electron source is a field emission type cold cathode electron source, a heating power source for the filament is not required and the number of lead wires can be reduced, so that a compact electron beam irradiation apparatus can be obtained. In addition, the manufacturing process can be simplified.
【００１７】なお、上記実施の形態では、非走査性直流
電場加速の電子線照射装置について説明したが、電子の
加速方式はこれに限るものではなく、真空容器内に電子
を加速させるための手段と、これに電子を供給する電子
源とを備えた、いかなる電子線照射装置にも適用できる
ことはいうまでもない。例えば、スキャンタイプの電子
線照射装置でもよいし、パルス電場加速の電子線照射装
置でもよい。In the above embodiment, the electron beam irradiation apparatus for non-scanning DC electric field acceleration has been described. However, the method of accelerating electrons is not limited to this, but means for accelerating electrons in a vacuum vessel is used. It is needless to say that the present invention can be applied to any electron beam irradiation apparatus provided with an electron source for supplying electrons to the electron beam irradiation apparatus. For example, a scan type electron beam irradiation device or a pulsed electric field acceleration electron beam irradiation device may be used.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子線照射装置の電子発生源の寿命を大幅に伸ばすこと
が可能であり、フィラメント加熱によるガス放出がなく
なるので、予備加熱時間が不要になり、電子線装置起動
のための準備時間を極めて短くできる。さらに電子源の
構造も簡単にできるので製造工程も簡略となる。また、
フィラメント電子源のような温度部分布に基づく電子分
布の不均一がおこらないので、一様な電子ビームを種々
の形状で取り出すことができるし、フィラメントの複雑
な支持構造も不要となるので、ガン構造体の製作に熟練
した技術や技能を要することのない電子線照射装置が得
られる。As described above, according to the present invention,
The life of the electron source of the electron beam irradiation device can be greatly extended, and gas emission due to filament heating is eliminated, so that preheating time is not required and preparation time for starting the electron beam device can be extremely shortened. . Further, since the structure of the electron source can be simplified, the manufacturing process is also simplified. Also,
Non-uniformity of the electron distribution based on the temperature distribution such as the filament electron source does not occur, so that a uniform electron beam can be extracted in various shapes, and a complicated supporting structure of the filament is not required. An electron beam irradiation apparatus which does not require a skilled technique or skill in manufacturing a structure can be obtained.
【図１】 本発明の一実施例のガン構造体の構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of a gun structure according to an embodiment of the present invention.
【図２】 従来のガン構造体を有する電子線照射装置の
概略断面図。FIG. 2 is a schematic sectional view of a conventional electron beam irradiation apparatus having a gun structure.
【図３】 従来のガン構造体の構成図。FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional gun structure.
１ 電子源基板 ２ カーボンナノチューブナノポリへドロン混合物
と導電性接着剤との混合物 ３ ガングリッド ４ 絶縁碍子Reference Signs List 1 electron source substrate 2 mixture of carbon nanotube nanopolyhedron mixture and conductive adhesive 3 gun grid 4 insulator
Claims (3)
体と、同ガン構造体を内蔵し電子を通過させる高電圧タ
ーミナルとを具備し、同高電圧ターミナルを通過した電
子を、電子線照射窓を通して照射空間に放出させる電子
線照射装置において、前記電子源に電界放出素子を用い
たことを特徴とする電子線照射装置。1. A gun structure having an electron source and a gun grid, and a high-voltage terminal that incorporates the gun structure and allows electrons to pass therethrough, and irradiates the electrons passing through the high-voltage terminal with an electron beam. An electron beam irradiating apparatus for emitting light through a window into an irradiation space, wherein a field emission element is used as the electron source.
ボン材料のグラファイトナノファイバー、マルチウォー
ルカーボンナノチューブ、シングルウォールカーボンナ
ノチューブを用いたことを特徴とする請求項１記載の電
子線照射装置。2. An electron beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein said field emission element comprises a field emission type carbon material such as graphite nanofiber, multi-walled carbon nanotube, or single-walled carbon nanotube.
ｍ以下、同ガングリッドの網目の間隔を１ｍｍ以下、前記
電子源とガングリッドとの間の電圧を数百Ｖから１０Ｋ
Ｖにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載
の電子線照射装置。3. The distance between the electron source and the gun grid is 5 m.
m, the grid interval of the gun grid is 1 mm or less, and the voltage between the electron source and the gun grid is several hundred volts to 10K.
The electron beam irradiation apparatus according to claim 1 or 2, wherein V is V.
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