УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H05H5/00 

Область техники
Обработка электронным пучком или электронно-лучевая обработка используется во многих производственных процессах, таких как сушка или отверждение паст, клеев, красок и покрытий. Обработку электронным пучком используют также для стерилизации жидкостей, газов и поверхностей и для очистки загрязненных отходов.

Уровень техники
Обычные известные производственные машины для электронно-лучевой обработки содержат ускоритель электронного пучка, направляющий электронный пучок на обрабатываемый материал. Ускоритель включает большую вакуумную камеру в свинцовой оболочке, в которой помещен катод или катоды прямого накала с питанием от источника энергии (питания). В ходе процесса вакуум в камере постоянно поддерживается вакуумными насосами. Катоды окружены корпусом с сеткой отверстий, обращенной к выполненной из металлической пленки выходной диафрагме для электронного пучка, расположенной на одной стороне вакуумной камеры. С помощью высоковольтного источника питания между корпусом катодов и выходной диафрагмой создается высоковольтное напряжение. Генерируемые катодами электроны ускоряются при движении от катодов и формируются сеткой отверстий в электронный пучок, выходящий через выходную диафрагму. Для выравнивания линий электрического поля в области между катодами и выходной диафрагмой применяют также экстракторный источник питания, известный, например, из европейской заявки ЕР-А-0549113. Это предотвращает концентрацию электронов в центре пучка, как это показано на диаграмме 1 по фиг.1, и обеспечивает равномерное распределение электронов по ширине пучка, как показано на диаграмме 2 фиг.1.

Трудность применения электронно-лучевой технологии в производственных условиях заключается в том, что обычные машины для электронно-лучевой обработки сложны, и для их технического обслуживания требуется персонал высокой квалификации как в вакуумной технологии, так и в технологии ускорителей. Так, например, при обычной эксплуатации требуется периодическая замена как катодов, так и пленки выходной диафрагмы. Такое обслуживание должно производиться на месте, так как ускоритель имеет большие размеры и вес (в типовом случае диаметр от 508 до 762 мм, длина от 1,22 до 1,83 м и вес несколько сот килограммов).

Для замены катодов и выходной диафрагмы нужно открыть вакуумную камеру, что вызывает попадание в нее загрязнений. Это ведет к длительным простоям, так как после замены катодов и выходной диафрагмы в ускорителе должен быть создан вакуум и проведена настройка на работу с высоким напряжением. Настройка требует, чтобы напряжение от высоковольтного источника питания поднималось постепенно с выдержкой времени на сжигание попавших внутрь загрязнений в вакуумной камере и на поверхности выходной диафрагмы. Эта процедура может занимать от двух до десяти часов в зависимости от степени загрязнения. В половине случаев в выходной диафрагме появляются утечки, которые необходимо устранять, что еще более затягивает процедуру. И наконец, каждый год или два заменяется высоковольтная изоляция в ускорителе, что требует его полной разборки. На это требуется от 2 до 4 дней. В результате необходимость замены катодов, пленки выходной диафрагмы и изоляции вызывает перебои в производственном процессе, требующем обработки электронным пучком.

Сущность изобретения
Изобретение предусматривает создание компактного и менее сложного ускорителя электронов для машины для электронно-лучевой обработки, который облегчает техническое обслуживание машины и не требует обслуживающего персонала высокой квалификации в области вакуумной технологии и технологии ускорителей. Ускоритель электронов в соответствии с изобретением включает вакуумную камеру с выходной диафрагмой для электронного пучка. Источник электронов помещен внутри вакуумной камеры для генерирования электронов. Источник электронов заключен в корпус, который имеет первую систему отверстий, выполненных в корпусе между источником электронов и выходной диафрагмой для того, чтобы допускать ускорение электронов и их выход из выходной диафрагмы в виде электронного пучка при создании напряжения между корпусом и выходной диафрагмой. Корпус имеет также вторую и третью системы отверстий, выполненных в корпусе на противоположных сторонах от источника электронов для равномерного распределения электронов по сечению пучка посредством выпрямления линий электрического поля между источником электронов и выходной диафрагмой.

В предпочтительных вариантах исполнения вакуумная камера образована в цилиндрическом корпусе с продольной осью и боковой обечайкой. Высоковольтный изолятор дисковой формы отделяет вакуумную камеру от высоковольтного коннектора, который подает питание к источнику электронов и корпусу катодов. Только два провода отходят от высоковольтного коннектора к источнику электронов и корпусу катодов. Источник электронов предпочтительно включает катод прямого накала. Выходная диафрагма предпочтительно выполнена из титановой фольги толщиной меньше 12,5 мкм с предпочтительным диапазоном от 6 до 12 мкм и наиболее предпочтительным диапазоном примерно от 8 до 10 мкм. Выходная диафрагма имеет наружную кромку, которая припаяна, приварена или приклеена к вакуумной камере для создания между ними газонепроницаемого герметичного шва. Вакуумная камера герметично изолирована для самостоятельного сохранения в ней постоянного вакуума. К вакуумной камере для создания в ней вакуума подсоединен герметично закрываемый отвод. К вакуумной камере также прикреплена опорная пластина для опоры выходной диафрагмы. Генерируемый источником электронов электронный пучок по существу не сфокусирован. В одном из предпочтительных исполнений выходная диафрагма расположена перпендикулярно продольной оси вакуумной камеры. В другом предпочтительном исполнении выходная диафрагма расположена параллельно продольной оси вакуумной камеры.

Изобретение предусматривает также создание системы обработки электронным пучком, которая включает первый ускоритель электронного пучка, выдающий первый электронный пучок. Второй ускоритель в системе выдает второй электронный пучок. Второй ускоритель смещен относительно первого назад и вбок для полного поперечного перекрытия ширины движущегося обрабатываемого изделия.

Благодаря изобретению обеспечивается создание компактного сменного модульного ускорителя электронного пучка. Ускоритель заменяется полностью, когда требуется замена электродов или выходной диафрагмы, что резко снижает время простоя машины для обработки электронным пучком. Это также устраняет необходимость в персонале высокой квалификации в области вакуумной техники и техники ускорителей для технического обслуживания машины. Кроме того, в обычном случае нет необходимости в замене на месте высоковольтного изолятора. Далее, ускоритель электронного пучка в соответствии с изобретением имеет меньше составных частей и требует меньшей мощности по сравнению с обычными ускорителями, что делает его более дешевым, компактным и более эффективным. Габариты ускорителя дают возможность использовать его в машинах с ограниченным конструктивным пространством, таких как небольшие печатные станки, или в технологических линиях стерилизации тканей или отверждения соединений между операциями обработки.

Изобретение предусматривает также решение технической задачи создания простого, надежного и не требующего обслуживающего персонала высокой квалификации в области вакуумной технологии способа ускорения электронов в электронном ускорителе, содержащем вакуумную камеру, имеющую выходную диафрагму для электронного пучка, расположенный внутри вакуумной камеры источник электронов для генерирования электронов и корпус, окружающий источник электронов и имеющий отверстие или систему отверстий, выполненное (выполненных) в корпусе между источником электронов и выходной диафрагмой.

Для решения указанной задачи способ по изобретению включает в себя операцию ускорения электронов от источника электронов с их выходом через выходную диафрагму в виде электронного пучка посредством создания разности потенциалов между корпусом и выходной диафрагмой. Дополнительно в способ по изобретению могут входить также операции герметичного изолирования вакуумной камеры для самостоятельного сохранения в ней вакуума и повышения вакуума в вакуумной камере путем осаждения ионизированных молекул, содержащихся внутри вакуумной камеры, на поверхностях корпуса.

В первом варианте способа по изобретению, предназначенном для осуществления на ускорителе с указанной системой отверстий, предусматривается также операция равномерного распределения электронов в поперечном сечении электронного пучка между источником электронов и выходной диафрагмой с помощью пассивного формирователя линий электрического поля. При этом пассивный формирователь линий электрического поля предпочтительно образуют посредством выполнения второй и третьей систем отверстий в корпусе на противоположных боковых сторонах от источника электронов.

Указанные выше и другие задачи, особенности и преимущества изобретения будут ясны из дальнейшего описания предпочтительных примеров осуществления со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает диаграмму, которая представляет распределение электронов в фокусированном пучке электронов и наложена на диаграмму, которая представляет распределение электронов в пучке электронов с равномерным распределением электронов по ширине пучка;
фиг. 2 схематично изображает ускоритель электронного пучка согласно изобретению на виде сбоку в разрезе;
фиг. 3 представляет схему силового электрического подсоединения ускорителя по фиг.2;
фиг. 4 представляет корпус катодов в поперечном разрезе с изображением линий электрического поля;
фиг. 5 представляет корпус катодов в поперечном разрезе с изображением линий электрического поля в том случае, если отсутствуют боковые отверстия 35;
фиг.6 представляет на виде сверху систему, включающую более одного ускорителя электронного пучка;
фиг. 7 представляет схематично в продольном разрезе корпус катодов с другим предпочтительным способом электрического подсоединения катодов;
фиг.8 представляет вид снизу в разрезе исполнения по фиг.7;
фиг.9 представляет еще одну предпочтительную схему расположения катодов;
фиг. 10 представляет следующий предпочтительный вариант схемы расположения катодов;
фиг. 11 представляет на виде сбоку в разрезе дальнейшее предпочтительное исполнение ускорителя электронного пучка.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Представленный на фиг. 2 и 3 ускоритель 10 электронного пучка является сменным модулем для установки в корпусе машины для электронно-лучевой обработки (не показана).

Ускоритель 10 включает удлиненный корпус 14, который имеет обычно цилиндрическую форму и образован двумя обечайками 14 с герметично закрытыми торцами. Ближний (к источнику питания) конец обечайки 14 закрыт ближней торцевой крышкой 16, приваренной к обечайке 14. Обечайка 14 и торцевая крышка 16 изготовлены предпочтительно из нержавеющей стали, но могут быть выполнены и из другого подходящего металла.

Дальний конец ускорителя 10 закрыт мембраной выходной диафрагмы 24 из титановой фольги, которая припаяна вдоль кромки 23 к дальней торцевой крышке 20 из нержавеющей стали. Торцевая крышка 20 приварена к обечайке 14. Выходная диафрагма имеет в обычном случае толщину от 6 до 12 мкм с предпочтительным диапазоном от 8 до 12 мкм. В качестве альтернативных вариантов выходная диафрагма может быть выполнена из другой подходящей металлической фольги, такой как магниевой, алюминиевой бериллиевой, или из неметаллического материала низкой плотности, такого как керамика Кроме того, выходная диафрагма 24 может быть приварена или приклеена к торцевой крышке 20. Прямоугольная опорная пластина 22 со сквозными отверстиями 22а для прохода электронов прикреплена к торцевой крышке 20 болтами 22b и служит опорой выходной диафрагмы 24. Опорная пластина 22 предпочтительно изготовлена из меди для рассеяния тепла, но может быть выполнена также из другого подходящего металла, такого как нержавеющая сталь, алюминий или титан. Отверстия 22а пластины 22 имеют диаметр около 3,18 мм и образуют около 80% сквозной поверхности для прохода электронов через выходную диафрагму 24. Торцевая крышка 20 включает канал 27 охлаждения, через который прокачивается охлаждающая жидкость для охлаждения торцевой крышки 20, опорной пластины 22 и выходной диафрагмы 24. Охлаждающая жидкость поступает во впускное окно 25а и выходит через выпускное окно 25b. Впускное и выпускное окна 25а и 25b сопряжены с соответствующими окнами подачи и отвода охлаждающей жидкости в корпусе машины для электронно-лучевой обработки. Окна подачи и отвода включают уплотнительные кольца для уплотнения сопряжения с окнами 25а и 25b. Ускоритель 10 имеет диаметр около 305 мм, длину около 508 мм и вес примерно 22,7 кг.

На торцевой крышке 16 укреплена высоковольтная соединительная розетка 18 для приема штепселя 12 высоковольтного кабеля. Высоковольтный кабель снабжает ускоритель 10 электрической энергией от высоковольтного источника питания 48 и источника 50 питания катодов. Высоковольтный источник питания 48 предпочтительно обеспечивает напряжение около 100 кВ, но напряжение может быть и более высоким или более низким в зависимости от толщины выходной диафрагмы. Источник 50 питания катодов предпочтительно подает напряжение около 15 В. Два электрических провода 26а и 26b проходят вниз от розетки 18 через дисковый высоковольтный керамический изолятор 28, который разделяет ускоритель 10 на верхнюю изолирующую камеру 44 и нижнюю вакуумную камеру 46. Изолятор 28 прикреплен к обечайке 14 с помощью промежуточного кольца 29 из материала типа KOVAR^®, который имеет коэффициент теплового расширения, сходный с материалом изолятора 28. Вначале изолятор 28 припаивают к промежуточному кольцу 29, а затем кольцо 29 припаивают к обечайке 14. Из верхней камеры 44 откачивают воздух и заполняют ее изолирующей средой, такой как газ SF₆, но она может быть заполнена также маслом или твердой изолирующей средой. Газообразная и жидкая изолирующая среда может подаваться и выпускаться через запорный клапан 42.

Источник электронов 31 расположен в вакуумной камере 46 и предпочтительно состоит из трех катодов 32 прямого накала длиной около 203 мм, которые выполнены из вольфрама и имеют параллельное электрическое подсоединение. В другом исполнении могут быть использованы два катода 32. Источник электронов 31 окружен корпусом 30 катодов, выполненным из нержавеющей стали. Корпус 30 катодов имеет систему образующих сетку отверстий 34 в плоском днище 33 и систему отверстий 35 на четырех боковых сторонах. Катоды расположены в корпусе предпочтительно посредине между днищем 33 и верхом корпуса. Верхний уровень отверстий 35 ненамного превышает уровень катодов 32.

Электрический провод 26а и линия 52 электрически подсоединяют корпус 30 катодов к высоковольтному источнику питания 48. Электрический провод 26b проходит через отверстие 30а в корпусе 30 катодов для электрического подсоединения катодов 32 к источнику питания 50 катодов. Выходная диафрагма 24 заземлена для создания высокой разности потенциалов между корпусом 30 катодов и выходной диафрагмой 24.

Для камеры 46 предусмотрен отвод 39 для создания в ней вакуума. Отвод 39 включает приваренную к обечайке 14 наружную трубку 36 из нержавеющей стали и припаянную к ней медную трубку 38, которая может быть герметично закрыта. После создания вакуума в камере 46 трубку 38 подвергают холодной сварке под давлением для образования шва 40 и герметичной изоляции камеры 46.

Для обеспечения рабочего процесса ускоритель 10 монтируют на машине для электронно-лучевой обработки и электрически подсоединяют к штепселю 12. Корпус машины для электронно-лучевой обработки включает отделение со свинцовыми стенками, окружающее ускоритель 10. Катоды 32 прямого накала нагреваются до примерно 2315^oС электрической энергией от источника питания 50 катодов (постоянного или переменного тока), что вызывает появление свободных электронов на катодах 32. Высоковольтная разность потенциалов между корпусом 30 катодов и выходной диафрагмой 24, создаваемая высоковольтным источником питания 48, обеспечивает ускорение электронов с формированием электронного пучка 58, идущего от катодов 32 наружу через отверстия 34 в корпусе 30 и выходную диафрагму 24 (фиг.4).

Боковые отверстия 35 создают малые электрические поля вокруг отверстий 35, выравнивающие линии 54 высоковольтного электрического поля между катодами 32 и выходной диафрагмой 24 относительно плоскости днища 33 корпуса 30. За счет выравнивания линий 54 электрического поля электроны 56 электронного пучка 58 выходят через отверстия 34 корпуса 30 в относительно прямом направлении, а не фокусируются к центру пучка, как это показано на диаграмме 1 фиг.1. В результате формируется широкий пучок 58 электронов шириной примерно 51 мм и длиной около 203 мм с профилем, подобным показанному на диаграмме 2 фиг.1. Более узкий и плотный пучок электронов по диаграмме 1 на фиг.1 нежелателен, так как он прожжет отверстие в выходной диафрагме 24. Для дальнейшего пояснения функции боковых отверстий 35 на фиг.5 показан корпус 30 катодов без боковых отверстий. Как видно на чертеже, отсутствие боковых отверстий 35 ведет к выгибанию вверх линий 54 электрического поля. Поскольку электроны 58 движутся примерно перпендикулярно линиям 54 электрического поля, они фокусируются в узкий пучок 57. В отличие от этого в исполнении по фиг. 4 линии 54 электрического поля плоские и позволяют электронам 58 двигаться с образованием более широкого, несфокусированного пучка 58. Таким образом, в то время как известные ускорители при работе на высоком напряжении требуют применения экстракторного источника энергии для выравнивания линий высоковольтного электрического поля для равномерного распределения электронов по ширине пучка, данное изобретение позволяет получить тот же результат простым и дешевым путем с помощью отверстий 35.

Когда необходимо заменить катоды 32 или выходную диафрагму 24, весь ускоритель 10 просто демонтируют с корпуса машины для электронно-лучевой обработки и заменяют новым ускорителем. Новый ускоритель уже настроен на работу на высоком напряжении, так что время простоя машины составляет всего несколько минут. Поскольку только один узел нуждается в замене, от оператора машины для электронно-лучевой обработки не требуется знаний в области обслуживания вакуумной техники и ускорителей. Кроме того, ускоритель 10 имеет небольшие размеры и вес, так что замену может производить один человек.

Для настройки старого ускорителя 10 его предпочтительно доставляют в другое место, например, в фирму, специализирующуюся по вакуумной технике. Вначале вакуумную камеру 46 открывают путем снятия выходной диафрагмы 24 и опорной пластины 22. Далее из вакуумной камеры 46 вынимают корпус 30 и заменяют катоды 32. Если необходимо, изолирующую среду выпускают из верхней камеры 44 через запорный клапан 42. Затем корпус 30 снова устанавливают в вакуумной камере 46. Опорную пластину 22 закрепляют болтами на торцевой крышке 20 и заменяют выходную диафрагму 24. Кромку 23 новой выходной диафрагмы 24 припаивают к торцевой крышке 20 для образования между ними герметичного соединения. Поскольку выходная диафрагма 24 закрывает опорную пластину 22, болты 22b и отверстия под болты, оно выполняет вспомогательную функцию герметизации без утечек и без уплотнительных колец или т.п. Медную трубку 38 удаляют и к трубке 36 припаивают новую медную трубку 38. Эти операции производят в соответствующей кондиционированной чистой среде по существу без попадания загрязнений в вакуумную камеру и на выходную диафрагму 24.

При сборке ускорителя 10 в кондиционированной чистой среде толщина выходной диафрагмы 24 может быть легко снижена до 8-10 мкм или даже до 6 мкм на том основании, что предотвращается осаждение пыли и других загрязнений между выходной диафрагмой 24 и опорной пластиной 22. Такие загрязнения могут пробивать дыры в выходной диафрагме 24 толщиной менее 12,5 мкм, поэтому в известных ускорителях выходная диафрагма должна иметь толщину от 12,5 до 15 мкм, так как сборка ускорителей производится в загрязненных условиях при техническом обслуживании на месте производства. Толщина 12,5-15 мкм достаточна, чтобы предотвратить пробивание выходной диафрагмы. За счет того, что выходная диафрагма 24 в устройстве по изобретению имеет меньшую толщину, требуется значительно меньшая мощность для ускорения электронов и их прохода через выходную диафрагму 24. Так, например, в обычных ускорителях для выхода электронов через выходную диафрагму толщиной от 12,5 до 15 мкм требуется примерно 150 кВ, в то время как в ускорителе по изобретению для выходной диафрагмы толщиной примерно 8-10 мкм требуется от 80 до 125 кВ.

Таким образом, ускоритель 10 имеет более высокую эффективность в формировании эквивалентного электронного пучка. Кроме того, более низкое напряжение позволяет сделать ускоритель 10 более компактным по размеру и позволяет использовать дисковый изолятор 28, который меньше чем цилиндрические или конические изоляторы в известных ускорителях. Компактность ускорителя 10 обусловлена тем, что благодаря более низкому напряжению его компоненты могут быть расположены ближе друг к другу. Обеспечение кондиционированной чистой среды в вакуумной камере 46 дает возможность еще большего сближения компонентов. Обычные ускорители, которые работают на более высоком напряжении и имеют более загрязненную внутреннюю среду, требуют больших расстояний между компонентами для предотвращения дугового электрического замыкания между ними. На практике в обычных ускорителях загрязнения проникают внутрь ускорителя от вакуумных насосов в процессе создания вакуума.

Далее из вакуумной камеры отсасывается воздух через отвод 39, и трубку 38 герметично закрывают холодной сваркой. После того, как вакуумная камера 46 герметично закрыта, она остается под постоянным вакуумом без необходимости использования вакуумного насоса. Это снижает сложность ускорителя и эксплуатационные затраты при его работе. Затем ускоритель 10 предварительно настраивают на работу на высоком напряжении путем подсоединения ускорителя к машине для электронно-лучевой обработки и постепенного повышения напряжения для сжигания любых загрязнений внутри вакуумной камеры 46 и на выходной диафрагме 24. Любые молекулы, оставшиеся в вакуумной камере 46, ионизируются высоким напряжением и/или электронным пучком и направляются к корпусу 30 катодов. Ионизированные молекулы наталкиваются на корпус 30 катодов и оседают на его поверхностях, что улучшает вакуум. Вакуум в вакуумной камере 46 может быть создан также в процессе предварительной настройки на работу на высоком напряжении. Ускоритель 10 демонтируют с машины для электронно-лучевой обработки и сохраняют для последующего использования.

На фиг. 6 представлена система 64, включающая три ускорителя 10а, 10b и 10с, которые установлены со смещением по отношению друг к другу для обработки электронными пучками 60 движущегося изделия 62 по всей его ширине. Поскольку пучок 60 каждого ускорителя 10а, 10b, 10с уже наружного диаметра ускорителя, они не могут быть установлены в ряд. Поэтому ускоритель 10b немного смещен назад и вбок относительно ускорителей 10а, 10с вдоль линии движения изделия 62, так что кромки электронных пучков 60 смыкаются в поперечном направлении. В результате движущееся изделие 62 суммарно обрабатывается пучками 60 по ступенчатому профилю. На чертеже показаны три ускорителя, однако их может быть большее число с установкой в шахматном порядке для обработки более широких изделий или же для обработки более узких изделий могут применяться два ускорителя, установленные со смещением.

На фиг.7 и 8 показан другой предпочтительный способ электрического подсоединения проводов 26а и 26b к корпусу 30 катодов и катодам 32. Провод 26а жестко прикреплен к верху корпуса 30 катодов. Три кронштейна 102 для установки катодов отходят вниз от верхней стенки корпуса 30 катодов. На каждом кронштейне 102 имеется монтажный блок 104 катода. Изоляционный блок 110 и монтажный блок 108 катодов установлены на противоположной стороне корпуса 30 катодов. Катоды 32 монтируются таким образом, что проходят между монтажными блоками 104 и 108 катодов. Гибкий провод 106 электрически подсоединяет провод 26b к монтажному блоку 108 катодов. Кронштейны 102 обладают пружинными свойствами для компенсации расширения и сжатия катодов 32 в процессе работы. Цилиндрическая опора 112 поддерживает корпус 30 катодов, охватывая провода 26а и 26b.

Фиг. 9 представляет еще одну предпочтительную схему 90 расположения и электрического соединения катодов для увеличения ширины электронного пучка по сравнению с одним катодом. Катоды 92 расположены параллельно и последовательно подсоединены друг к другу электрическими проводами 94.

В схеме по фиг. 10 схема 98 расположения катодов включает ряд параллельных катодов 97, подсоединенных параллельно с помощью двух электрических проводов 96. Схема 97 также предназначена для увеличения ширины электронного пучка.

На фиг.11 ускоритель 70 показан в другом предпочтительном примере исполнения. Ускоритель 70 создает электронный пучок, направленный под углом 90^o, по сравнению с электронным пучком от ускорителя 10. Ускоритель 70 отличается от ускорителя 10 тем, что катоды 78 проходят параллельно продольной оси А вакуумной камеры 88, а не перпендикулярно ей. Кроме того, выходная диафрагма 82 расположена на боковой обечайке 72 вакуумной камеры 88 и параллельна продольной оси А. Выходная диафрагма 82 опирается на опорную пластину 80, укрепленную на боковой обечайке 72. Удлиненный корпус 75 катодов охватывает катоды 78 и имеет боковую сторону 76 с системой образующих сетку отверстий 34, ориентированных перпендикулярно продольной оси А. Боковые отверстия 35 в корпусе 75 катодов перпендикулярны отверстиям 34. Торцевая крышка 74 закрывает торец вакуумной камеры 88. Ускоритель 70 предназначен для обработки электронным пучком широких площадей без необходимости установки множества ускорителей в шахматном порядке и может использоваться в узких пространствах для установки. Ускоритель 70 может иметь длину от 0,91 до 1,22 м и может быть установлен в системе ускорителей для обработки еще более широких площадей.

Ускоритель электронов в соответствии с изобретением может использоваться для стерилизации жидкости, газа (такого как воздух) или поверхностей, а также для стерилизации медицинских препаратов, пищевых продуктов, опасных медицинских отходов и для очистки опасных отходов. Другие области применения включают производство озона, распыление топлива и химическое соединение материалов. Кроме того, ускоритель по изобретению может применяться для отверждения паст, покрытий, клеев и уплотнений. Далее, воздействием электронного пучка может выполняться сшивание таких материалов, как полимеры, с целью улучшения их структурных свойств.

Системы отверстий 35 в корпусах катодов создают пассивные формирователи линий электрического поля, в частности, для их выпрямления. Термин "пассивные" означает, что линии электрического поля придается форма без дополнительного экстракторного источника энергии. Кроме того, линии электрического поля могут формироваться с применением множества катодов. Далее, перегородки или пассивные электроды могут быть помещены между катодами для дальнейшего придания формы линиям электрического поля. Катоды из множества нитей, перегородки или пассивные электроды могут использоваться как выпрямители для выпрямления линий электрического поля или придания им других форм.

Эквивалентные решения
Хотя данное изобретение иллюстрировано и описано на примерах предпочтительного исполнения, специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия изобретения, которая определяется пунктами формулы изобретения, возможны различные варианты и модификации.

Так, например, хотя здесь описано применение нескольких катодов, может использоваться только один катод. Далее, хотя обечайки, торцевые крышки и корпус катодов предпочтительно выполняются из нержавеющей стали, в альтернативных вариантах могут применяться другие материалы, такие как титан, медь или KOVAR^®. Торцевые крышки 16 и 20 обычно приваривают к обечайке 14, но они могут быть и припаяны. Отверстия 22а в опорной пластине 22 могут быть не круглыми, а щелевыми. Размеры катодов 32 и наружный диаметр ускорителя 10 могут быть другими в зависимости от конкретного применения. Другие материалы могут использоваться для изолятора 28, такие как стекло. Хотя толщина выходной диафрагмы из титана составляет предпочтительно меньше 12,5 мкм (от 6 до 12 мкм), она может превышать 12,5 мкм, если это желательно для определенных случаев применения. Для выходных диафрагм толщиной больше 12,5 мкм высоковольтный источник 48 энергии должен обеспечивать напряжение примерно от 100 до 150 кВ. Если выходные диафрагмы выполняются из материала легче титана, такого как алюминий, толщина выходной диафрагмы должна быть больше для получения электронного пучка с теми же характеристиками. Ускорители 10 и 70 имеют предпочтительно цилиндрическую форму, но могут также иметь прямоугольное или овальное поперечное сечение. При крупносерийном выпуске ускорителей по изобретению они получаются дешевыми и могут использоваться как сменные модули однократного использования. И наконец, розетка 18 может быть расположена перпендикулярно продольной оси А для уменьшения габарита устройства.

Изобретение относится к электронно-лучевой технике. Ускоритель электронов включает вакуумную камеру с выходной диафрагмой для электронного пучка. Источник электронов помещен внутри вакуумной камеры. Корпус охватывает источник электронов и имеет первую систему отверстий, расположенных на пути между источником электронов и выходной диафрагмой с тем, чтобы обеспечивать ускорение электронов и их формирование в пучок при движении от источника электронов через выходную диафрагму при создании разности потенциалов между корпусом и выходной диафрагмой. Корпус имеет также вторую и третью системы отверстий, выполненных в корпусе по обеим сторонам от источника электронов для обеспечения равномерного распределения электронов по сечению пучка за счет выпрямления линий электрического поля между источником электронов и выходной диафрагмой. Технический результат - создание компактного сменного модуля ускорителя электронного пучка. 5 с. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Ускоритель электронов, включающий вакуумную камеру, снабженную выходной диафрагмой для электронного пучка, и источник электронов для генерирования электронного пучка, расположенный внутри вакуумной камеры, отличающийся тем, что он содержит корпус, окружающий источник электронов, причем корпус имеет систему отверстий, выполненных в корпусе между источником электронов и выходной диафрагмой, обеспечивающую ускорение электронов и их выход через выходную диафрагму в виде электронного пучка при создании разности потенциалов между корпусом и выходной диафрагмой, при этом корпус снабжен также пассивным формирователем линий электрического поля для обеспечения равномерного распределения электронов в поперечном направлении электронного пучка. 2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что вакуумная камера образована внутри цилиндрического элемента, имеющего продольную ось и боковую наружную стенку. 3. Ускоритель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно снабжен высоковольтным разъемом для подачи энергии к источнику электронов и корпусу, при этом высоковольтный изолятор дисковой формы отделяет вакуумную камеру от высоковольтного разъема. 4. Ускоритель по п. 3, отличающийся тем, что снабжен только двумя проводами, проходящими через изолятор для электрического подсоединения высоковольтного разъема к источнику электронов и корпусу. 5. Ускоритель по п. 3 или 4, отличающийся тем, что снабжен герметично закрываемым отводом, подсоединенным к вакуумной камере. 6. Ускоритель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что источник электронов включает катод прямого накала. 7. Ускоритель по любому из пп. 2-6, отличающийся тем, что вакуумная камера герметично закрыта для самостоятельного сохранения в ней вакуума. 8. Ускоритель по п. 7, отличающийся тем, что выходная диафрагма имеет наружную кромку, которая припаяна к вакуумной камере для создания между ними газонепроницаемого герметичного шва. 9. Ускоритель по п. 8, отличающийся тем, что снабжен опорной пластиной, прикрепленной к вакуумной камере для поддерживания выходной диафрагмы. 10. Ускоритель по п. 9, отличающийся тем, что выходная диафрагма расположена перпендикулярно продольной оси вакуумной камеры. 11. Ускоритель по п. 9, отличающийся тем, что выходная диафрагма расположена параллельно продольной оси вакуумной камеры. 12. Ускоритель по п. 9, отличающийся тем, что выходная диафрагма выполнена из металлической фольги. 13. Ускоритель по п. 12, отличающийся тем, что выходная диафрагма выполнена из титановой фольги толщиной от 6 до 12 мкм. 14. Ускоритель по п. 7, отличающийся тем, что выходная диафрагма имеет наружную кромку, которая приварена или приклеена к вакуумной камере для создания между ними газонепроницаемого герметичного шва. 15. Ускоритель по любому из пп. 6-14, отличающийся тем, что указанный катод расположен параллельно продольной оси вакуумной камеры. 16. Ускоритель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пассивный формирователь линий электрического поля включает вторую и третью систему отверстий, выполненных в корпусе на противоположных боковых сторонах от источника электронов. 17. Ускоритель электронов, включающий вакуумную камеру, снабженную выходной диафрагмой для электронного пучка, причем вакуумная камера образована внутри удлиненного элемента и герметично закрыта для самостоятельного сохранения в ней вакуума, источник электронов для генерирования электронов, расположенный внутри вакуумной камеры, высоковольтный разъем для подачи питания к ускорителю, высоковольтный изолятор, отделяющий вакуумную камеру от высоковольтного разъема, и корпус, окружающий источник электронов, причем корпус имеет систему отверстий, выполненных в корпусе между источником электронов и выходной диафрагмой и обеспечивающую ускорение электронов и их выход через выходную диафрагму в виде электронного пучка при создании разности потенциалов между корпусом и выходной диафрагмой, при этом корпус снабжен также пассивным формирователем линий электрического поля для обеспечения равномерного распределения электронов в поперечном направлении электронного пучка. 18. Ускоритель по п. 17, отличающийся тем, что выходная диафрагма выполнена из титановой фольги толщиной менее 12,5 мкм, предпочтительно от 8 до 10 мкм. 19. Ускоритель по n. 18, отличающийся тем, что снабжен высоковольтным источником питания для создания разности потенциалов между корпусом и выходной диафрагмой, причем источник питания подает напряжение от 100 до 150 кВ, предпочтительно от 80 до 125 кВ. 20. Система обработки электронным пучком движущегося объекта, содержащая первый ускоритель электронов для получения первого электронного пучка и второй ускоритель электронов для получения второго электронного пучка, отличающаяся тем, что каждый из указанных первого и второго ускорителей электронов представляет собой ускоритель электронов, выполненный в соответствии с любым из пп. 1-19, причем второй ускоритель смещен относительно первого ускорителя назад и поперечно в сторону для обеспечения сплошного поперечного покрытия электронным пучком указанного движущегося объекта. 21. Способ ускорения электронов в электронном ускорителе, содержащем вакуумную камеру, имеющую выходную диафрагму для электронного пучка, расположенный внутри вакуумной камеры источник электронов для генерирования электронов и корпус, окружающий источник электронов, причем корпус имеет систему отверстий, выполненных в корпусе между источником электронов и выходной диафрагмой, отличающийся тем, что включает в себя операцию ускорения электронов от источника электронов с их выходом через выходную диафрагму в виде электронного пучка посредством создания разности потенциалов между корпусом и выходной диафрагмой и операцию равномерного распределения электронов в поперечном сечении электронного пучка между источником электронов и выходной диафрагмой с помощью пассивного формирователя линий электрического поля. 22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что дополнительно включает операцию герметичного изолирования вакуумной камеры для самостоятельного сохранения в ней вакуума. 23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что дополнительно включает операцию повышения вакуума в вакуумной камере путем осаждения ионизированных молекул, содержащихся внутри вакуумной камеры, на поверхностях корпуса. 24. Способ по п. 21, отличающийся тем, что пассивный формирователь линий электрического поля образуют посредством выполнения второй и третьей систем отверстий в корпусе на противоположных боковых сторонах от источника электронов. 25. Способ ускорения электронов в электронном ускорителе, содержащем вакуумную камеру, имеющую выходную диафрагму для электронного пучка, расположенный внутри вакуумной камеры источник электронов для генерирования электронов и корпус, окружающий источник электронов, причем корпус имеет отверстие, выполненное в корпусе между источником электронов и выходной диафрагмой, отличающийся тем, что включает в себя операцию ускорения электронов от источника электронов с их выходом через выходную диафрагму в виде электронного пучка посредством создания разности потенциалов между корпусом и выходной диафрагмой, операцию герметичного изолирования вакуумной камеры для самостоятельного сохранения в ней вакуума и операцию повышения вакуума в вакуумной камере путем осаждения ионизированных молекул, содержащихся внутри вакуумной камеры, на поверхностях корпуса.