УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1998 года по МПК H05H5/00 H05H5/02 B29C71/04 

Изобретение относится к ускорительной технике и радиационной технологии, а более конкретно к технологическому оборудованию, предназначенному для радиационной модификации органических материалов, и может использоваться при создании технологических линий по производству радиационно модифицируемых полимерных пленок.

В настоящее время известны ускорители электронов, предназначенные для облучения полимерных пленок при осуществлении процесса радиационной модификации органического материала пленки.

Так, например, известен ускоритель электронов, служащий для удаления остаточного мономера из полимерных пленок электронным облучением (DE, N 3602865, кл. B 29 C 71/04, 1987). В известном ускорителе для вывода пучка электронов низкой энергии (ускоряющее напряжение 150 - 300 кВ) используется одно широкое фольговое окно для выхода электронов.

Существуют также технологические процессы радиационной модификации материалов, требующие одновременное использование двух пучков ускоренных электронов. Для этого применяются либо два ускорителя электронов (SU, N 727087, кл. H 05 H 5/00, 1983), либо один ускоритель электронов, снабженный двумя фольговыми окнами для вывода электронных пучков, импульсным электромагнитом для отклонения электронов между фольговыми окнами и электромагнитами развертки электронных пучков (SU, N 1195885, кл. H 05 H 5/00, 1995).

Наиболее близким аналогом заявленного устройства является ускоритель электронов, содержащий источник электронов, ускоряющую систему, вакуумную камеру, два фольговых окна для вывода пучка электронов, размещенных параллельно друг другу в одной плоскости, и систему отклонения и развертки электронного пучка с блоками электромагнитов и генераторами частот электрических сигналов (US, N 3679930, кл. H 01 J 29/76, 1972).

С помощью известного ускорителя исключается перегрев конструкции выводного фольгового окна за счет попеременной развертки электронного пучка в двух выводных окнах. Однако при использовании этого известного ускорителя для двухстадийного облучения движущейся полимерной пленки невозможно обеспечить заданную для технологического процесса производства полимерной пленки скорость ее непрерывного перемещения (до 10 м/мин), поскольку расстояние между выводными окнами ускорителя выбрано не из условия обеспечения определенного интервала времени между стадиями облучения пленки, а из условия крепления соседних фольговых окон на минимальном расстоянии, обеспечивающем снижение теплонапряженности узла вывода пучка электронов.

При применении известного ускорителя для осуществления двухстадийного процесса облучения, который позволяет эффективно использовать энергию облучающих полимерную пленку электронов для модификации ее свойств, данное условие снижает производительность технологического процесса обработки полимерной пленки в целом.

В основу изобретения положена задача, заключающаяся в осуществлении с высокой производительностью процесса двухстадийного облучения электронами движущейся полимерной пленки, применяемого для улучшения физико-механических свойств полимерных пленок при их радиационном модифицировании за счет более эффективного использования энергии облучающих электронов.

Данный технический результат достигается тем, что в ускорителе электронов, содержащем источник электронов, ускоряющую систему, вакуумную камеру, два фольговых окна для вывода пучка электронов из вакуумной камеры, размещенных параллельно друг другу в одной плоскости, и систему отклонения и развертки электронного пучка с блоками электромагнитов и генераторами частот электрических сигналов, согласно изобретению расстояние между ближайшими кромками окон вдоль направления движения облучаемой электронами полимерной пленки составляет не менее 0,1 м.

Для более полного заполнения фольговых окон пучком электронов ускоритель электронов может содержать частотно-фазовый детектор и преобразователь управляющего сигнала, при этом входы частотно-фазового детектора соединены соответственно с генераторами частот электрических сигналов продольной и поперечной развертки электронного пучка, а его выход - с входом преобразователя управляющего сигнала, выход которого подключен к входу по меньшей мере одного из указанных генераторов частоты.

На фиг.1 изображена общая схема ускорителя электронов (стрелкой V показано направление движения облучаемой электронами полимерной пленки); на фиг.2 дан поперечный разрез вакуумной камеры ускорителя электронов с видом на облучаемую полимерную пленку; на фиг.3 показана функциональная схема электропитания ускорителя электронов; на фиг.4 - схема пространственного состояния молекулярной структуры полиэтилена при первичном облучении электронами (атомы углерода изображены точками); на фиг.5 - схема пространственного состояния молекулярной структуры полиэтилена через 1 мс после начала облучения (атомы углерода изображены точками); на фиг.6 - схема пространственного состояния молекулярной структуры полиэтилена через 500 мс после начала облучения (атомы углерода изображены точками); на фиг.7 - графическая временная зависимость изменения свободной энергии ΔF(t) полимерной системы (в относительных единицах) от дозы облучения D(t) (в кГр), набираемой полиэтиленовой пленкой при одностадийном облучении; на фиг.8 - графическая временная зависимость изменения свободной энергии ΔF(t) полимерной системы (в относительных единицах) от дозы облучения D(t) (в кГр), набираемой полиэтиленовой пленкой при двухстадийном облучении.

Патентуемый ускоритель электронов относится к типу ускорителей прямого действия и содержит (см. фиг.1, 2 и 3) источник электронов 1 и ускоряющую систему 2, установленные в камере 3, заполненной элегазом для повышения электрической прочности, вакуумную камеру 4, в которой осуществляется отклонение электронного пучка, два фольговых окна 5 для вывода пучка электронов из вакуумной камеры 4, размещенных параллельно друг другу в одной плоскости, систему отклонения и развертки электронного пучка с блоками электромагнитов 6 и генераторами 7,8 и 9 частот электрических сигналов, частотно-фазовый детектор 10 и преобразователь 11 управляющего сигнала.

Фольговые окна 5 для вывода пучка электронов, служащие для отделения вакуумной части ускорителя от атмосферы, выполняются из тонкой титановой фольги и размещаются над поверхностью облучаемой электронами 12 полимерной пленки 13 (см. фиг.2). Размер каждого окна составляет 1000 мм•50 мм. Расстояние между ближайшими (внутренними) кромками фольговых окон 5 вдоль направления движения облучаемой электронами 12 полимерной пленки 13 составляет 250 мм.

Блоки электромагнитов 6 кольцеобразной формы, входящие в состав системы отклонения и развертки электронного пучка, размещены на поверхности вакуумной камеры 4, соединенной с одной стороны с вакуумной частью ускорительной трубки, а с другой с вакуумной частью узла вывода пучка электронов.

Генератор 7 электрического сигнала поперечной развертки электронного пучка (вдоль направления оси X, см. фиг.2), генератор 8 электрического сигнала продольной развертки электронного пучка (вдоль направления оси Y, см. фиг.2) и генератор 9 электрического сигнала периодического отклонения электронного пучка (между окнами 5) соединены с соответствующими блоками электромагнитов 6.

Входы частотно-фазового детектора 10 соединены соответственно с генераторами 7 и 8 частот электрических сигналов поперечной и продольной развертки электронного пучка. Выход частотно-фазового детектора 10 подключен к входу преобразователя 11 управляющего сигнала, выход которого подключен к входу по меньшей мере одного из генераторов частоты, а именно к входу генератора 8 продольной развертки электронного пучка.

Ускоряющая система 2 представляет собой ускорительную трубку (см. фиг.3) с эквипотенциальными кольцами 14, соединенными с выпрямительным устройством 15 через сопротивления высоковольтного делителя напряжения 16, обеспечивающие равномерное распределение потенциала по длине ускорительной трубки.

Генераторы частот 7, 8 и 9 электрических сигналов, частотно-фазовый детектор 10 и преобразователь 11 управляющего сигнала входят в состав аппаратуры управления ускорителем, которая соединена с блоком 17 измерения полного тока выпрямителя для измерения тока пучка и с делителем напряжения 18 для измерения ускоряющего напряжения (см. фиг.3).

Работает ускоритель электронов следующим образом.

Электроны, эмиттируемые катодом источника электронов 1 (в другой терминологии - инжектор электронов), ускоряются в ускоряющей системе 2 путем приложения разности потенциалов от 400 до 600 кВ к эквипотенциальным кольцам 14. Электронный пучок, сформированный в ускоряющей системе, попадает в вакуумную камеру 4, окруженную блоками электромагнитов 6, которые сканируют пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и Y.

Питание электромагнитов 6 осуществляется от двух генераторов 7 и 8 пилообразного тока и генератора 9 прямоугольных биполярных импульсов. Для того, чтобы частоты f₁ и f₂ генераторов 7 и 8 находились в заданном соотношении (f₁/f₂ - иррациональное число), определяющем случайные значения фазы пилообразной линии развертки электронного пучка на фольговых окнах 5, что необходимо для более полного заполнения окон пучком, сигналы с выходов генераторов подаются в частотно-фазовый детектор 10. На выходе детектора 10 в случае отклонения частот f₁ и f₂ от заданного соотношения появляется управляющий сигнал, который поступает в преобразователь 11 управляющего сигнала. Преобразованный сигнал поступает затем на модуляторный вход генератора 8 для подстройки заданного соотношения частот f₁ и f₂.

После развертки электронного пучка в одном из фольговых окон 5 пучок отклоняется при изменении полярности импульса, вырабатываемого генератором 9, на второе фольговое окно 5, на котором аналогичным образом осуществляется развертка электронного пучка. Частота продольного сканирования электронного пучка в направлении Y выбирается равной 300 Гц, а частота поперечного сканирования в направлении X - 3 кГц. Частота отклонения (переключения) электронного пучка между окнами изменяется в диапазоне от 25 до 50 Гц.

Облучение полимерных пленок при работе ускорителя электронов происходит следующим образом.

Облучаемая полимерная пленка 13 перемещается со скоростью V в заданном направлении X с помощью привода любой известной конструкции. Минимальное значение скорости перемещения пленки определяется исходя из заданных условий технологического процесса производства полимерной пленки и составляет примерно 10 м/мин.

На участок пленки 13, находящейся под первым по направлению ее движения фольговым окном, осуществляется первоначальное воздействие (первая стадия облучения) пучком ускоренных электронов 12 в течение времени τ₁ до набора дозы облучения, величина которой достаточна для перехода полимерного материала пленки из свободномолекулярного состояния в частично сшитое состояние, характеризуемое формированием трехмерных молекулярных структур с более высокой молекулярной массой. Длина первоначально облученного участка пленки 13 составляет соответственно Vτ₁ .

После перемещении пленки 13 к второму фольговому окну 5 производится повторное воздействие (вторая стадия облучения) пучком ускоренных электронов 12 на каждый первоначально облученный участок полимерной пленки в течение времени τ₂ до набора полной заданной дозы облучения. Длина облучаемого участка пленки составляет Vτ₂ (для рассматриваемого примера τ₁= τ₂).

Интервал времени Δt между окончанием первой и началом второй стадии облучения должен быть не менее 500 м/с, что необходимо для обеспечения двухстадийной обработки полимерной пленки, определяющей повышение физико-механических свойств полимерного материала.

Указанный интервал времени соответствует при заданной технологическим процессом скорости перемещения полимерной пленки (V_min= 10 м/мин) минимальному расстоянию между соседними кромками фольговых окон ускорителя электронов VΔt = 0,1 м (в рассматриваемом примере расстояние между фольговыми окнами составляет 0,25 м). Таким образом, при перемещении полимерной пленки с заданной скоростью между двумя фольговыми окнами 5 ускорителя электронов автоматически осуществляется двухстадийное облучение полимерного материала пленки, повышая тем самым производительность технологического процесса радиационной модификации полимерной пленки.

В конкретном примере осуществления изобретения при радиационной модификации полиэтиленовой пленки доза, набираемая участком пленки на первой стадии облучения, выбирается в диапазоне от 20 до 30 кГр.

В качестве полимерного материала, из которого выполняется пленка, подвергаемая радиационной модификации, может использоваться широкий класс сшивающихся полимерных систем типа полиолефинов, полиакрилатов и других линейно молекулярных сшивающихся структур.

Патентуемое изобретение основано на следующих экспериментальных и теоретических предпосылках.

Исследования по изучению структурных изменений и свойств облученных полимерных пленок на примере полиэтилена позволили выделить отчетливо выраженные стадии, через которые проходит полимер по мере увеличения дозы облучения.

На начальной стадии облучения, примерно до 20 - 30 кГр, происходит образование поперечных ковалентных связей между отдельными атомами углерода линейных молекул и создание трехмерных пространственных полимеров с более высокой молекулярной массой. Приобретаемые на этой стадии свойства полимера обуславливаются не столько вновь возникающими жесткими связями, формирующими разветвленные молекулярные системы, сколько межмолекулярными взаимодействиями между этими системами, допускающими возможность их взаимных смещений и деформаций при внешних механических воздействиях. В таких условиях полиэтилен по своим свойствам становится близким к каучукоподобным материалам.

При дальнейшем увеличении дозы плотность поперечных связей возрастает и структура полиэтилена превращается в единую пространственную сетку. Благодаря этому материал приобретает новые полезные свойства : увеличивается модуль упругости, возрастает предел прочности на разрыв, возникает стойкость к химическим и температурным воздействиям.

На третьей стадии, начиная примерно с 300 кГр и выше, полиэтилен начинает превращаться в твердый стеклообразный материал, не представляющий интереса для процесса модификации пленок.

Наличие указанных стадий в процессе набора дозы дает основания для рассмотрения кинетики возникающих превращений на отдельных стадиях. Полимерный материал может быть представлен как сложная система, состоящая из двух взаимодействующих подсистем - электронно-химической и ядерно-молекулярной, образующих определенную структуру вещества. При этом именно безинерционная электронно-химическая подсистема воспринимает подводимую энергию облучения и мгновенно видоизменяется в соответствии с набираемой дозой путем пространственного перераспределения электронных связей, а инерционная ядерная подсистема воспринимает эти изменения и подстраивается под них с существенным запозданием.

В упрощенном виде отклик полимерной системы является следствием следующих двух процессов.

Смещение атомов углерода (см. фиг.4), между которыми возникли поперечные связи, к новым равновесным параметрам, соответствующим минимуму энергии в области локализации этих связанных состояний. Характерное время релаксации данного процесса практически не зависит от набранной дозы, слабо зависит от структуры материала и составляет примерно 1 мс.

Изменение конфигурации молекулярных цепей (см. фиг.5), связанное с минимизацией энергии в общем конформационном пространстве. Этот процесс инициируется вслед за процессом локальных смещений атомов углерода и включает часть структурной перестройки системы, которая вызвана образованием и выделением за пределы матрицы свободных продуктов радиолиза, например молекулярного водорода при облучении полиэтилена.

Данная часть структурной перестройки протекает лишь на первой стадии облучения, когда полимерная система еще не сшита окончательно и представляет собой структуру подвижных разветвленных полимерных молекул (см. фиг.5).

Анализ экспериментальных данных для сшивающихся полимерных материалов показывает, что структурная перестройка системы, связанная с эффектом конформационной подстройки, длится в зависимости от внешних условий (температуры, механических нагрузок и т.д.) от 500 мс до 2 с.

Таким образом, минимальное время от начала облучения полимерной пленки до окончания конформационной подстройки полимерной системы составляет 500 мс.

При дальнейшем увеличении дозы облучения, до образования полностью сшитой структуры полимерного материала (см. фиг.6), процессы, связанные с конформационной подстройкой, практически не протекают, а вновь возникающие поперечные связи фиксируют и укрепляют ранее сформированную структуру.

При одностадийном облучении полимерной пленки полная доза облучения D₀ набирается намного быстрее, чем необходимо для достижения системой оптимальной конфигурации с минимальной величиной свободной энергии F.

Так, например, при одностадийном облучении полиэтиленовой пленки, движущейся со скоростью 10 м/мин, через фольговое окно ускорителя для вывода ускоренных электронов шириной 0,05 м время экспозиции полной дозы облучения D₀ составит 300 мс. За это время при выбранном значении тока электронного пучка набирается заданная доза облучения пленки - 50 кГр (см. фиг.7, кривая 1).

Процесс облучения можно интенсифицировать за счет увеличения тока электронного пучка, например, в три раза. В этом случае заданная доза (50 кГр) будет набрана за 100 мс (см. фиг.7, кривая 2). В рассмотренном примере (см. фиг. 7) одностадийного облучения пленки величина дозы (D_мол) 20 кГр соответствует границе перехода полиэтилена из свободномолекулярного состояния в сшитое состояние, характеризуемое формированием трехмерных молекулярных структур с более высокой молекулярной массой. После набора указанной дозы облучения (соответственно через 120 мс для кривой 1 и через 30 мс для кривой 2, см. фиг.7) процесс релаксации свободной энергии F прекращается и полиэтилен сшивается в пространственную структуру с остаточной свободной энергией F, которая тем больше, чем более интенсивнее проходил процесс облучения (см. фиг.7 - кривая 1 зависимости F(t) соответствует кривой 1 зависимости D(t), а кривая 2 F(t) - кривой 2 D(t).

При осуществлении работы патентуемого ускорителя электронов используется более адаптированная к внутренней кинетике процессов двухстадийная схема облучения сшивающихся полимерных систем (см. фиг.8).

Первая стадия облучения заканчивается образованием разветвленной молекулярной структуры (см. фиг.5) при дозе облучения, набираемой в течение времени τ₁ . Дозу D_мол, набираемую каждым участком пленки на первой стадии облучения, подбирают достаточной для перехода полимерного материала пленки из свободномолекулярного состояния в частично сшитое состояние, характеризуемое формированием трехмерных молекулярных структур с более высокой молекулярной массой. В рассматриваемом примере доза D_мол равна 20 кГр.

По истечении интервала времени Δt (после окончания первой стадии), необходимого для релаксации свободной энергии F системы, возникающей при первой дозе облучения - D_мол, осуществляется вторая стадия облучения в течение времени τ₂ до набора суммарной дозы облучения D₀, достаточной для полной сшивки полимерной структуры в единую пространственную сетку.

При работе ускорителя электронов, применяемого для осуществления двухстадийного облучения, должны быть реализованы следующие условия, обеспечивающие оптимальное использование энергии облучения для получения заданных свойств полимерной пленки:

где P₀ - мощность дозы облучения (Гр/с).

Из представленной графической зависимости (см. фиг.8) видно, что к моменту второй завершающей стадии облучения полимерная система успевает сбросить свободную энергию F и за счет этого сшивается в более оптимальную пространственную конфигурацию. Данное явление обеспечивает в целом повышение эффективности использования энергии облучающих электронов и улучшение физико-механических свойств облучаемых полимерных пленок.

Таким образом, размещая фольговые окна ускорителя над движущейся пленкой на расстоянии L ≥ VΔt = 0,1 м друг от друга, возможно осуществить последовательное двухстадийное облучение пленки через заданный интервал времени Δt ≥ 500 мс , что обеспечивает повышение производительности процесса радиационной модификации полимерной пленки, повышение эффективности использования энергии пучка электронов и улучшение физико-механических свойств полимерного материала.

Патентуемый ускоритель электронов предназначен для использования в радиационной технологии и может использоваться для радиационной модификации органических материалов, в частности полимерных пленок.

Изобретение может быть использовано при создании высокопроизводительных технологических линий по производству радиационно модифицируемых полимерных пленок.

В качестве подвергаемых облучению пленок может применяться широкий класс сшивающихся полимерных материалов типа полиолефинов, полиакрилатов и других линейно молекулярных сшивающихся структур.

Изобретение относится к ускорительной технике и радиационной технологии, а более конкретно к технологическому оборудованию, предназначенному для радиационной модификации органических материалов, и может использоваться при создании технологических линий по производству радиационно модифицируемых полимерных пленок. Ускоритель электронов содержит источник электронов, ускоряющую систему, вакуумную камеру, два фольговых окна для вывода пучка электронов из вакуумной камеры, размещенных параллельно друг другу в одной плоскости, и систему отклонения и развертки электронного пучка с блоками электромагнитов и генераторами частот электрических сигналов. Расстояние между ближайшими кромками окон вдоль направления движения облучаемой электронами полимерной пленки составляет не менее 0,1 м. Ускоритель электронов может содержать также частотно-фазовый детектор и преобразователь управляющего сигнала. Патентуемый ускоритель электронов позволяет улучшить физико-механические свойства полимерных пленок при их радиационном модифицировании за счет более эффективного использования энергии облучающих электронов и повысить производительность технологического процесса в целом. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ускоритель электронов, содержащий источник электронов, ускоряющую систему, вакуумную камеру, два фольговых окна для вывода пучка электронов из вакуумной камеры, размещенных параллельно друг другу в одной плоскости, и систему отклонения и развертки электронного пучка с блоками электромагнитов и генераторами частот электрических сигналов, отличающийся тем, что расстояние между ближайшими кромками окон вдоль направления движения облучаемой электронами полимерной пленки составляет не менее 0,1 м. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что содержит частотно-фазовый детектор и преобразователь управляющего сигнала, при этом входы частотно-фазового детектора соединены соответственно с генераторами частот электрических сигналов продольной и поперечной развертки электронного пучка, а его выход - с входом преобразователя управляющего сигнала, выход которого подключен к входу по меньшей мере одного из указанных генераторов частоты.