УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СЫПУЧИЙ МАТЕРИАЛ УСКОРЕННЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ Российский патент 2018 года по МПК B01J8/12 B01J19/08 H01J37/06 A01C1/08 A61L2/08 

Изобретение касается устройства для обработки сыпучего материала, предпочтительно посевного материала, ускоренными электронами. Предпочтительной областью применения является фитосанитарная обработка посевного материала от передающихся через семена возбудителей болезней, которые преимущественно поселены в семенной кожуре семенных зерен. Другими областями применения являются стерилизация поверхности гранулятов и порошков, химическая активация поверхности, а также выполнение других радиохимических процессов на сыпучем материале.

Известны разные способы и соответствующие устройства для воздействия на сыпучий материал ускоренными электронами в разных вариантах осуществления, адаптированных к обрабатываемому сыпучему материалу.

Так, в вакуумированной камере путем противоположного расположения двух ускорителей электронов создается электронное поле, имеющее встречно направленные компоненты скорости электронов, через которое сыпучий материал направляется в свободном падении растянутым прозрачным потоком (DD 291 702 A5). Для электронной обработки сыпучий материал вводится в камеру через ячейковые шлюзы барабанного типа и снова выводится после электроннолучевого процесса. Однако недостатком таких устройств является высокие аппаратные издержки на создание электронного поля, так как требуются по меньшей мере два ускорителя электронов и высокие издержки вакуумной технологии.

Кроме того, известно создание электронного поля, имеющего встречно направленные компоненты скорости таким образом, что электронный луч, после того как он прошел через поток частичек сыпучего материала, путем магнитного отклонения отклоняется обратно на поток частичек. Устройства этого рода устраняют издержки на второй ускоритель электронов. Однако недостаток этого способа заключается в том, что из-за относительно длинного пути, который проходит электронный луч в технологической камере, необходим существенно более качественный вакуум, что требует еще более высоких аппаратных издержек, связанных с созданием вакуума.

Известны также способы и устройства, которые работают с двумя находящимися напротив друг друга ускорителями электронов, причем эти электроны выходят через окно для выхода луча под атмосферным давлением (DE 4434767 C1). При этом сыпучий материал тоже направляется через электронное поле в свободном падении. При этом решении отсутствуют издержки на необходимое в ином случае вакуумирование технологической камеры. Тем не менее, остается недостаток высоких аппаратных издержек из-за необходимого применения по меньшей мере двух ускорителей электронов.

Кроме того, известно воздействие на порошкообразные и зернистые материалы электронами при атмосферном давлении, при этом применяется только один ускоритель электронов, и облучаемые частички несутся в потоке газа через электронное поле (WO 98/43274 A1). Поток газа, содержащий облучаемые частички, направляется через прямоугольный канал, закрытый с одной стороны алюминиевой фольгой толщиной 25 мкм, через которую электроны проникают после их вывода через фольгу титанового окна толщиной 13 мкм и прохождение дистанции до облучательного канала. Находящийся напротив алюминиевой фольги прямоугольный канал образуется плоской пластиной из материала с высоким порядковым номером элемента. После пронизывания поперечного сечения канала электроны от этой пластины в определенной доле рассеиваются обратно. Обратно рассеянные электроны имеют компоненту скорости, направленную встречно первоначальному направлению вхождения электронов, и обеспечивают возможность того, чтобы сторона частичек, отвернутая от первоначального направления вхождения электронов, также подвергалась обстрелу электронами.

Недостатком является то, что интенсивность облучения обратно рассеянными электронами существенно ниже, чем интенсивность облучения электронами, непосредственно выходящими из окна для выхода луча, что ведет к неравномерному облучению отдельных частичек. Недостатком является также то, что скорость, необходимая для переноса частичек, с возрастающим отношением массы к поверхности транспортируемых частичек сильно возрастает. Таким образом, для крупнозернистых сыпучих материалов, таких как, например, пшеница или кукуруза, были бы необходимы очень высокие скорости течения газа. При этих высоких скоростях дозы энергии, переносимые в электронном поле, ограничивались бы очень малыми, для многочисленных случаев применения, по существу, слишком низкими значениями. Другой недостаток этого известного решения заключается в том, что электроны после выхода из ускорителя электронов еще дополнительно должны пронизывать алюминиевую фольгу, закрывающую прямоугольный канал, прежде чем они попадут на обрабатываемые частички. Из-за этого электроны испытывают дополнительную нежелательную потерю энергии.

Наконец, в DE 199142 A1 раскрыто устройство, у которого сыпучий материал в многократном свободном падении проводится мимо электроннолучевого устройства и подвергается воздействию ускоренных электронов. Вследствие многократного прохождения, сочетаемого с промежуточным перемешиванием сыпучего материала, при этом варианте осуществления очень высока вероятность того, что частицы сыпучего материала со всех сторон подвергаются воздействию ускоренных электронов. Однако многократное прохождение требует большой затраты времени при выполнении обрабатывающего процесса.

Поэтому в основе изобретения лежит техническая проблема, создать устройство для воздействия на сыпучий материал ускоренными электронами, посредством которого могут преодолеваться недостатки уровня техники. В частности, это устройство должно предполагать более компактные габаритные размеры по сравнению с уровнем техники, и, несмотря на это, допускать высокую пропускную способность обрабатываемого сыпучего материала.

Решение этой технической проблемы получается с помощью предметов с признаками п. 1 формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Один из существенных признаков предлагаемого изобретением устройства заключается в том, что оно выполнено кольцеобразно, при этом электроны могут ускоряться в направлении внутренней области кольца. Таким образом, субстрат, который направляется через внутреннюю область устройства, может, проходя облучение, подвергаться воздействию ускоренных электронов по всему объему в поперечном сечении субстрата. В этом месте следует однозначно сослаться на то, что термин «кольцеобразно» в контексте изобретения у всех описанных ниже кольцевых устройств и конструктивных элементов не ограничен только кольцом круглой формы, а что термин «кольцеобразно» в контексте изобретения относится только к петлеобразно замкнутому предмету, причем этот петлеобразно замкнутый предмет полностью охватывает некоторое свободное пространство в своем поперечном сечении, и при этом сыпучий материал может пропускаться через это свободное пространство во внутренней области кольца. Хотя при этом в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения это полностью охваченное кольцом поперечное сечение свободного пространства выполнено круглым, но в самом широком контексте изобретения может также иметь любую другую геометрическую форму.

Кольцевой электронно-лучевой генератор предлагаемого изобретением устройства в одном из вариантов осуществления расположен таким образом, что ось кольца кольцевого электронно-лучевого генератора ориентирована вертикально. Альтернативно возможны также варианты осуществления, в которых ось кольца отклоняется от вертикали до 45°. Предпочтительно ось кольца кольцевого электронно-лучевого генератора отклоняется от вертикали не больше чем на 45°. У электронно-лучевого генератора, расположенного таким образом, можно заставить сыпучий материал в свободном падении проваливаться через внутреннюю область кольцевого электронно-лучевого генератора и во время свободного падения через внутреннюю область воздействовать на сыпучий материал ускоренными электронами.

Если необходимо обеспечить, чтобы частицы сыпучего материала подвергались воздействию ускоренных электронов по возможности по всему объему, поток сыпучего материала, падающий через внутреннюю область кольцевого электронно-лучевого генератора, предпочтительно выполнен таким образом, что частицы сыпучего материала проваливаются через внутреннюю область кольца разрозненно. Поэтому предлагаемое изобретением устройство, наряду с кольцевым электронно-лучевым генератором, включает в себя также и расположенное над кольцевым электронно-лучевым генератором устройство для разделения частиц сыпучего материала, нижнее ограничение которого имеет по меньшей мере одно отверстие, из которого частицы сыпучего материала выпадают и оттуда проваливаются через кольцо, образованное кольцевым электронно-лучевым генератором. Устройство для разделения частиц сыпучего материала может, например, включать в себя емкость для помещения частиц сыпучего материала, причем дно этой емкости имеет по меньшей мере одно отверстие, из которого могут выпадать частицы сыпучего материала. Предпочтительно это отверстие выполняется такого размера, что через отверстие в дне емкости всегда может проваливаться только одна частица сыпучего материала за другой. Если частицы сыпучего материала имеют приблизительно одинаковый размер, размер отверстия в дне емкости может быть выполнен таким образом, чтобы его диаметр был меньше двукратного среднего диаметра частиц сыпучего материала. При применении круглого кольцевого электронно-лучевого генератора, ось кольца которого ориентирована вертикально, устройство для разделения частиц сыпучего материала предпочтительно располагается над кольцевым электронно-лучевым генератором таким образом, чтобы отверстие в дне емкости для помещения частиц сыпучего материала находилось на продленной оси кольца электронно-лучевого генератора. Таким образом, частицы сыпучего материала посередине падают через электронно-лучевой генератор и по всему объему подвергаются воздействию по меньшей мере приблизительно одинаковой дозы энергии.

У такого устройства, у которого через внутреннюю область кольцевого электронно-лучевого генератора всегда проваливается только одна частица сыпучего материала за другой, может обеспечиваться, чтобы частицы сыпучего материала подвергались воздействию ускоренных электронов по всему объему. Однако пропускная способность частиц сыпучего материала, подвергающихся воздействию электронов, все же является низкой.

В альтернативном варианте осуществления донные стенки емкости для помещения и разделения частиц сыпучего материала имеют одно или несколько отверстий, которые расположены не в месте продленной оси кольца электронно-лучевого генератора. Другой признак этих донных стенок заключается в том, что они расположены с возможностью вращения или с возможностью движения в горизонтальной плоскости.

В другом альтернативном варианте осуществления предлагаемое изобретением устройство включает в себя круглый кольцевой электронно-лучевой генератор, ось кольца которого ориентирована вертикально, а также расположенное над кольцевым электронно-лучевым генератором устройство для разделения частиц сыпучего материала, которое имеет несколько отверстий в донных стенках. Эти отверстия в донных стенках предпочтительно радиально-симметрично, каждое на одинаковом расстоянии расположены на круглой траектории вокруг продленной оси электронно-лучевого генератора. При этом радиус круглой траектории, на которой выполнены отверстия в донных стенках, меньше внутреннего радиуса кольцевого электронно-лучевого генератора, так что также все падающие из отверстий донных стенок частицы сыпучего материала проваливаются через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора. Предпочтительно отверстия в донных стенках устройства для разделения частиц сыпучего материала выполнено такого размера, что через отверстие всегда может проваливаться только одна частица сыпучего материала за другой.

Таким образом создается прозрачный кольцевой поток сыпучего материала, состоящий из падающих частиц сыпучего материала, который проваливается через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора и при этом подвергается воздействию ускоренных электронов. «Прозрачный» в отношении кольцевого потока падающих частиц сыпучего материала означает, что соседние падающие частицы сыпучего материала всегда в некоторой степени удалены друг от друга, так что также всегда между падающими частицами сыпучего материала могут проходить некоторые электроны, ускоренные кольцевым электронно-лучевым генератором, которые затем на противоположной стороне кольцевого падающего потока сыпучего материала попадают на заднюю сторону частиц сыпучего материала, ориентированную к оси кольца, благодаря чему также у такого устройства падающие частицы подвергаются воздействию ускоренных электронов по всему объему.

Альтернативно прозрачный кольцевой поток сыпучего материала, состоящий из падающих, разрозненных частиц сыпучего материала, может создаваться таким образом, что в донных стенках устройства для разделения частиц сыпучего материала, расположенного над кольцевым электронно-лучевым генератором, выполняется кольцеобразное отверстие. При этом кольцевое отверстие предпочтительно выполнено радиально-симметрично вокруг продолженной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора. При этом ширина зазора кольцеобразного отверстия предпочтительно выполняется такого размера, что по ширине зазора проходит насквозь только одна частица сыпучего материала. Таким образом тоже создается прозрачный кольцевой поток сыпучего материала, состоящий из падающих частиц сыпучего материала, имеющий ширину кольца в одну частицу сыпучего материала.

Предпочтительно также, если во всех приведенных выше примерах осуществления по меньшей мере один конструктивный элемент устройства для разделения частиц сыпучего материала подвергается воздействию вибрации, чтобы указанное по меньшей мере одно отверстие в донных стенках устройства не засорялось частицами сыпучего материала. Так, например, донные стенки устройства для разделения частиц сыпучего материала или его боковые стенки могут подвергаться воздействию колебания и таким образом приводиться в вибрации. Применяемые для этого генераторы колебаний, которые приводятся в механический контакт с каким-либо конструктивным элементом устройства для разделения частиц сыпучего материала, известны.

Ниже изобретение поясняется подробнее на примерах осуществления. На чертежах показано:

фиг. 1: схематичное изображение в перспективе сечения кольцевого электронно-лучевого генератора, имеющего полоидальные катушки;

фиг. 2: схематичное изображение в перспективе сечения альтернативного кольцевого электронно-лучевого генератора, имеющего анодные проволочные электроды;

фиг. 3: схематичное изображение сечения предлагаемого изобретением устройства в поперечном сечении;

фиг. 4a: схематичное изображение сечения альтернативного предлагаемого изобретением устройства в поперечном сечении;

фиг. 4b: схематичное изображение емкости для помещения частиц сыпучего материала устройства с фиг. 4a на виде сверху;

фиг. 5a: схематичное изображение сечения другого альтернативного предлагаемого изобретением устройства в поперечном сечении;

фиг. 5b: схематичное изображение емкости для помещения частиц сыпучего материала устройства с фиг. 5a на виде сверху;

фиг. 6: схематичное изображение сечения предлагаемого изобретением устройства, имеющего электронное зеркало;

фиг. 7: схематичное изображение сечения альтернативной емкости для помещения частиц сыпучего материала.

На фиг. 1 и 2, прежде всего, схематично изображены кольцевые электронно-лучевые генераторы, которые могут применяться в предлагаемом изобретением устройстве. Для лучшего понимания этого места следует также дать определение терминам «кольцевой цилиндр» и «кольцевой диск» в отношении кольцевого предмета. Когда внутренний радиус круглого кольца вычитается из его наружного радиуса, то получается некоторый размер. Если этот размер меньше протяженности кольца в направлении оси этого кольца, то это кольцо выполнено в виде кольцевого цилиндра. Если этот размер больше протяженности кольца в направлении оси этого кольца, то это кольцо выполнено в виде кольцевого диска.

На фиг. 1 показан кольцевой электронно-лучевой генератор 100 на схематичном изображении сечения в перспективе. Такой электронно-лучевой генератор включает в себя, прежде всего, кольцевой корпус 101, который, по меньшей мере, в одной области ограничивает вакуумируемую камеру 102, разделенную на вакуумируемые камеры 102a и 102b. Эта вакуумируемая камера 102 вследствие формы корпуса тоже является кольцевой. В примере осуществления фиг. 1 корпус 101 выполнен радиально-симметрично вокруг оси 103 кольца. Все описанные ниже, относящиеся к электронно-лучевому генератору 100 и называемые кольцевыми конструктивные элементы тоже радиально-симмеричны и имеют ту же самую ось 103 кольца. На внутренней стороне кольца корпуса 101 корпус 101, в качестве окна 104 для выхода электронов, выполнен в виде кольцевого цилиндра, т.е. если смотреть в направлении выхода электронов, окно 104 для выхода электронов имеет перпендикуляр к поверхности, который ориентирован к внутренней области кольца и у круглого кольцевого цилиндра, как и у электронно-лучевого генератора, к оси 103 кольца. Через по меньшей мере один не изображенный на фиг. 1 впуск в корпусе 101 рабочий газ впускается в вакуумируемую камеру 102, и посредством по меньшей мере одного, тоже не изображенного на фиг. 1, насосного устройства в вакуумируемой камере 102 поддерживается вакуум в пределах от 0,5 до 1,5 Па и предпочтительно в пределах от 0,9 до 1,1 Па.

Кольцевой электронно-лучевой генератор имеет также по меньшей мере один первый катод и по меньшей мере один первый анод, между которыми посредством первого подаваемого электрического напряжения, которое предоставляется первым устройством электроснабжения, в вакуумируемой камере 102 может создаваться плазма тлеющего разряда. В этом примере осуществления применялись два выполненных в виде кольцевого диска первых катода 105a и 105b, которые расположены в камере 102a друг напротив друга вблизи боковых внутренних стенок корпуса 101. Также у электронно-лучевого генератора 100 корпус 101 включался в качестве первого анода, при этом корпус 101 одновременно имеет электрический потенциал массы электронно-лучевого генератора 100. Но альтернативно в качестве первого анода может также включаться по меньшей мере один отдельный электрод, который электрически изолирован от корпуса 101. Кольцевые первые катоды 105a и 105b удалены от соответственно примыкающих стенок корпуса 101 в такой малой степени, что вследствие экранирования методом темного поля между катодами 105 и непосредственно примыкающими стенками корпуса 101, включенного в качестве первого анода, не образуется электрический разряд. Таким образом, первое электрическое напряжение, подаваемое между корпусом 101, включенным в качестве первого анода, и первым катодом 105, приводит к тому, что образуется тлеющий разряд между первым катодом 105a, 105b и соответственно противолежащими стенками корпуса 101. Созданная таким образом плазма 106 наполняет при этом камеру 102a между двумя первыми катодами 105a и 105b.

Кольцевой электронно-лучевой генератор включает в себя также по меньшей мере один второй катод и по меньшей мере один второй анод, между которыми посредством второго устройства электроснабжения включается второе электрическое напряжение. У электронно-лучевого генератора 100 кольцевой катод 107 выполнен в качестве второго катода, а кольцевой и одновременно решетчатый анод 108 – в качестве второго анода.

Второй катод у кольцевого электронно-лучевого генератора представляет собой катод для эмиссии вторичных электронов, которые затем ускоряются, и имеет для этого электрический потенциал высокого напряжения по меньшей мере -50 кВ. предпочтительно в пределах от -100 до -300 кВ. Посредством изолятора 109 второй катод 107 электрически изолирован относительно корпуса 101.

В описанном на фиг. 1 варианте осуществления кольцевого электронно-лучевого генератора второй анод 108 и первые катоды 105a и 105b имеют одинаковый электрический потенциал, который составляет только несколько процентов от потенциала напряжения второго катода 107 и предпочтительно выбран в пределах от -0,5 до -5 Кв. Альтернативно второй анод и первый катод могут также иметь различные электрические потенциалы, при этом, однако, эти два потенциала напряжения существенно меньше отличаются по напряжению от первого анода, чем от второго катода.

Из плазмы 106 в камере 102a ионы дрейфуют через решетчатый второй анод 108 в направлении второго катода 107. Там ионы попадают на область 110 поверхности второго катода 107, перпендикуляр к поверхности которого ориентирован к внутренней области кольца корпуса, и у радиально-симметричного корпуса, такого как корпус 101, к оси 103 кольца. При попадании ионов на область 110 поверхности ионы, таким образом, прошли разность потенциала, которая практически соответствует напряжению ускорения электронно-лучевого генератора 100. При их попадании высвобождается энергия ионов в очень тонком краевом слое катода 107 в области 110 поверхности, что ведет к выделению вторичных электронов. При вышеназванных электрических напряжениях на втором катоде 107 отношение между выделяющимися электронами и попадающими ионами имеет величину порядка 10, что делает этот вид генерации ускоренных электронов очень эффективным. Образовавшиеся вторичные электроны сильно ускоряются подаваемым электрическим полем и пролетают через выполненный в виде кольцевого цилиндра анод 108 и плазму 106 в камере 102a. После пересечения окна 104 для выхода электронов, которое, например, может быть выполнено в виде тонкой металлической фольги, электроны продвигаются в свободное пространство, охваченное кольцевым корпусом 101, в котором может действовать более высокое давление, чем в камере 102, и через которое может проваливаться сыпучий материал, подвергающийся воздействию электронов. В качестве материала для окна 104 для выхода электронов могут применяться все известные из уровня техники материалы для окон для выхода электронов, такие как, например, титан. Кроме того, с целью более высокой механической прочности окна 104 для выхода электронов предпочтительно снабдить его опорной решеткой, как это тоже известно из уровня техники. Вследствие кольцевой конфигурации всех вышеназванных конструктивных элементов кольцевого электронно-лучевого генератора с его помощью создается замкнутая, кольцевая траектория ускоренных электронов, при этом направление движения ускоренных электронов ориентировано на свободное пространство, заключенное в кольце корпуса. Свободное пространство, которое охватывается кольцом корпуса, и через которое проваливается обрабатываемый сыпучий материал, ниже называется также обрабатывающей камерой. У радиально-симметричного кольцевого электронно-лучевого генератора, такого как электронно-лучевой генератор 100, направление движения ускоренных электронов предпочтительно ориентировано на ось 103 кольца. Разрозненный сыпучий материал, который падает через внутреннюю область корпуса такого кольцевого электронно-лучевого генератора, может таким образом за один проход по всему объему подвергаться воздействию ускоренных электронов.

Полноты ради в этом месте следует упомянуть, что кольцевой электронно-лучевой генератор имеет также устройство для охлаждения, как это известно также у других устройств для генерации ускоренных электродов из уровня техники. Так, это устройство для охлаждения кольцевого электронно-лучевого генератора может включать в себя, например, каналы охлаждения, которые проходят внутри изолятора 109 и по которым течет охлаждающая среда.

Второй анод 108, который у кольцевого электронно-лучевого генератора предпочтительно выполнен в виде решетчатого кольцевого цилиндра, и который представляет собой пространственную границу между вакуумируемыми камерами 102a и 102b, выполняет две существенные задачи. Во-первых, вследствие своей разности напряжений относительно второго катода 107 он вызывает ускорение эмитированных вторичных электронов. Вследствие того факта, что кольцевая решетчатая структура второго анода 108 выполнена параллельно поверхности 100 второго катода 107, эмитирующей вторичные электроны, электрическое поле образуется таким образом, что также траектории ускоренных вторичных электронов проходят практически параллельно. Во-вторых, второй анод 108 экранирует плазму от потенциала напряжения второго катода 107, препятствует тем самым дрейфу слишком большого количества ионов в направлении второго катода 107 и способствует, таким образом, поддержанию плазмы 106 в камере 102a.

Однако, для поддержания плазмы 106 необходимы и другие меры. Относительно низкое давление, равное примерно 1 Па, в камере 102a позволяет генерировать только относительно малое количество низкоэнергетических электронов вследствие тлеющего разряда между первым катодом 105 и включенным в качестве первого анода корпусом 101. Дрейф этих низкоэнергетических электронов по прямому пути между первым катодом 105 и первым анодом приводил бы к только недостаточному количеству реакций соударений с частицами инертного газа и таким образом к получению ионов, которые не были бы достаточны для поддержания плазмы 106. Таким образом, необходимы меры, которые продлят путь низкоэнергетических электронов в камере 102a и таким образом повысят вероятность и частоту их соударений.

Такая мера изображена на фиг. 1 в виде кольцевых магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b, которые создают каждая магнитное поле с полоидально проходящими линиями магнитного поля. Поэтому такие магнитные катушки называются также полоидальными катушками. Магнитные катушки 111a, 111b, 112a, 112b расположены двумя парами друг напротив друга и вне корпуса 101 на высоте первого катода 105 таким образом, что их магнитное поле пронизывает камеру 102a. При этом магнитные катушки 111a и 111b имеют идентичные радиусы кольца, которые больше идентичных радиусов кольца магнитных катушек 112a и 112b. Полоидально проходящие линии магнитного поля в камере 102a заставляют низкоэнергетические электроны двигаться по криволинейным траекториям, имеющим энергозависимый радиус вращения, что увеличивает участок дрейфа и вместе с тем продолжительность пребывания низкоэнергетических электронов в камере 102 и таким образом количество событий соударения, создающих ионы.

Однако магнитные поля магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b влияют не только на траектории низкоэнергетических электронов, но и на траектории высокоэнергетических электронов, эмитируемых из второго катода 107 и затем ускоряемых, а также пролетающих через камеру 102a. Без магнитных полей магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b большинство ускоренных высокоэнергетических электронов проходили бы через окно 104 для выхода электронов под перпендикулярным углом или соответственно под углом, близким к перпендикулярному. Однако магнитные поля магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b изменяют этот угол прохождения, что в зависимости от случая применения может быть предпочтительным или нежелательным. Предпочтительным это является, например, при гомогенизации ввода энергии в субстраты, имеющие криволинейные области поверхности, или для воздействия на области поверхности субстрата, которые при радиальном направлении распространения ускоренных электронов находились бы в затененных областях поверхности.

Однако, во многих случаях применения предпочтительно, если прохождение ускоренных электронов через окно 104 для выхода электронов осуществляется под прямым углом к поверхности окна 104 для выхода электронов или, соответственно, под углом, близким к прямому углу. Кроме того, каждое отклонение от нормального вхождения приводит к более высокой абсорбции электронов в фольге окна 104 для выхода электронов и, в частности, также в решетчатой структуре окна 104 для выхода электронов, обычно поддерживающей и охлаждающей фольгу. Поэтому в тех случаях применения, в которых ускоренные электроны должны проходить через окно 104 для выхода электронов по возможности перпендикулярно, при использовании магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b требуется корректировка траектории полета ускоренных электронов.

Отклонение траекторий полета ускоренных электронов вследствие магнитных полей магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b может, например, компенсироваться посредством по меньшей мере одной дополнительной пары расположенных друг напротив друга полоидальных катушек, причем эта дополнительная пара полоидальных катушек имеет наружный радиус, который еще меньше, чем внутренний радиус магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b. Однако, при этом предпочтительно внутренние радиусы всех трех пар кольцевых магнитных катушек больше, чем наружный радиус цилиндрического окна 104 для выхода электронов, а наружные радиусы всех пар кольцевых магнитных катушек меньше, чем внутренний радиус решетчатого второго анода 108. Таким образом обеспечивается, что магнитные поля кольцевых магнитных катушек внутри предлагаемого изобретением устройства проходят в основном в камере 102a и способствуют там поддержанию плазмы или соответственно корректировке траектории полета ускоренных электронов.

Но альтернативно, в зависимости от случая применения, возможно и другое расположение магнитных катушек. Нужные значения количества, положения и возбуждения магнитных катушек для данного случая применения могут находиться, например, посредством имитационных расчетов.

Другое решение для продления траекторий дрейфа низкоэнергетических электронов между первым катодом и первым анодом указано на фиг. 2. На фиг. 2 показан альтернативный кольцевой электронно-лучевой генератор 200 на схематичном изображении сечения в перспективе, который, прежде всего, включает в себя идентичные конструктивные элементы и признаки электронно-лучевого генератора 100 с фиг. 1, за исключением магнитных катушек 111a, 111b, 112a, 112b. Вместо магнитных катушек электронно-лучевой генератор 200 имеет некоторое количество проволочных электродов 213, которые проходят через камеру 102a и при корпусе в виде круглого кольца, таком как корпус 101, расположены на идентичном радиусе и на одинаковом расстоянии друг от друга вокруг оси 103. При этом проволочные электроды 213, которые могут иметь легкий положительный потенциал напряжения в пределах от +0,5 кВ до +5 кВ относительно корпуса 101, проведены, будучи электрически изолированы, через корпус 101 и первые катоды 105a, 105b. Благодаря проволочным электродам 213 низкоэнергетические электроны в камере 102a тоже уводятся на спиралеобразные и таким образом продленные траектории и при этом поддерживают плазму 106.

Для минимизации возникновения озона и оксидов азота рекомендуется продувка обрабатывающей камеры благородным газом, благодаря чему одновременно также возникает эффект охлаждения обрабатываемого сыпучего материала и окна для выхода электронов. В этой связи можно также дополнительно влиять на ввод энергии в сыпучий материал, подвергающийся воздействию ускоренных электронов, который падает через обрабатывающую камеру, путем надлежащего выбора или смешивания различных газов в обрабатывающей камере, так как абсорбция энергии и рассеяние электронов на участке пути газа между окном для выхода электронов и подвергающейся воздействию поверхностью сыпучего материала зависят от массовой плотности локальной атмосферы.

Регулирование вспомогательного разряда между первым катодом и первым анодом, посредством интенсивности которого может регулироваться мощность электронного луча кольцевого электронно-лучевого генератора, может осуществляться разными путями. Наряду с течением газа в электронно-лучевой генератор, в качестве регулирующей величиной для этого могут быть также напряжение вспомогательного разряда между первым катодом, а также ток через кольцевые магнитные катушки. В одном из вариантов осуществления, включающем в себя проволочные электроды 213, в качестве комплементарных регулирующих величин могут быть выбраны давление в камере 102 и электрическое напряжение проволочных электродов 213. При этом следует заметить, что электрические установочные величины обычно имеют более короткие постоянные времени и поэтому могут служить, с одной стороны, для быстрого регулирования, а также, с другой стороны, обеспечивают возможность импульсного рабочего режима.

На фиг. 3 показано схематичное изображение сечения предлагаемого изобретением устройства 300. Устройство 300 включает в себя кольцевой электронно-лучевой генератор 301, ось кольца которого ориентирована вертикально. Ось кольца лежит в плоскости сечения, изображенной на фиг. 3. Над электронно-лучевым генератором 301 расположено устройство для разделения частиц сыпучего материала. Устройство для разделения частиц сыпучего материала включает в себя цилиндрическую емкость 302, в которой находятся частицы 303 сыпучего материала. Донные стенки 304 емкости 302 выполнены коническими, имеющими направленную вниз вершину конуса. Вершина конуса размещена точно на продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 301. На вершине конуса донные стенки 304 емкости 302 имеют отверстие такого размера, чтобы из емкости 392 всегда могла выпадать только одна частица 303 сыпучего материала за другой и оттуда посередине проваливаться через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 301. Во время проваливания через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 301 частицы 303 сыпучего материала по всему объему подвергаются воздействию ускоренных электронов из электронно-лучевого генератора 301. Устройство для разделения частиц 303 сыпучего материала включает в себя также не изображенные на фиг. 3 средства, с помощью которых пополняются частицы 303 сыпучего материала в емкости 302. Кроме того, устройство для разделения частиц сыпучего материала может включать в себя по меньшей мере один, тоже не изображенный на фиг. 3, генератор колебаний, который имеет механический контакт с емкостью 302, вследствие чего емкость 302 вибрирует.

Выше указывалось, что размер отверстия в донных стенках емкости 302 предпочтительно выбран так, что по возможности через отверстие может проваливаться только одна частица сыпучего материала за другой. Такой вариант осуществления подходит, в частности, тогда, когда только поверхности частиц сыпучего материала подвергаются воздействию ускоренных электронов, но вся частицы сыпучего материала не должна полностью пронизываться электронами, как это, например, происходит при обработке семенного материала.

Однако если выполняемая задача заключается в том, чтобы полностью пронизывать частицы сыпучего материала электронами, как, например, при модификации частиц полимерного материала, отверстие в емкости 302 может также выполняться большего размера, так чтобы через отверстие одновременно могли падать несколько частиц 303 сыпучего материала. Это суждение относительно размера отверстия в донных стенках емкости для помещения частиц сыпучего материала, относящееся к данному случаю применения, применимо также ко всем вариантам осуществления, описанным ниже.

На фиг. 4a схематично изображено альтернативное предлагаемое изобретением устройство 400 в сечении. Устройство 400 включает в себя кольцевой электронно-лучевой генератор 401, ось кольца которого ориентирована вертикально. Ось кольца лежит в изображенной на фиг. 4a плоскости сечения. Над электронно-лучевым генератором 401 расположено устройство для разделения частиц сыпучего материала. Устройство для разделения частиц сыпучего материала включает в себя цилиндрическую емкость 402, в которой находятся частицы 403 сыпучего материала. Емкость 402 на фиг. 4b схематично изображена на виде сверху. Донные стенки 404 емкости 402 в центральной области выполнены коническими, имеющими направленную вниз вершину конуса. Вершина конуса размещена точно на продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 401. Благодаря конической форме центральной области донных стенок 404 частицы 403 сыпучего материала вытесняются в нижней области емкости 402 на кольцевую наружную область донных стенок 404, которая имеет множество отверстий 405. Отверстия 405 вращательно-симметрично расположены вокруг продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 401 и удалены каждое в одинаковой степени от соседнего отверстия 405. Каждое из отверстий 405 имеет такой размер, что через отверстие 405 может проваливаться только одна частица 403 сыпучего материала за другой.

Посредством этого устройства для разделения частиц сыпучего материала создается прозрачный, кольцевой и вращательно-симметрично расположенный вокруг оси кольца электронно-лучевого генератора 401 поток сыпучего материала, состоящий из падающих частиц 403 сыпучего материала, который падает через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 401 и по время свободного падения подвергается воздействию ускоренных электронов.

Последовательно такому устройству, у которого создается кольцевой прозрачный поток сыпучего материала, который подвергается воздействию ускоренных электронов кольцевого электронно-лучевого генератора, могут реализовываться более компактные габаритные размеры оборудования, чем с помощью устройства из уровня техники, у которого имеющий такую же длину, прозрачный, линейный поток сыпучего материала подвергается воздействию ускоренных электронов из линейных излучателей. Другое преимущество предлагаемых изобретением устройств перед уровнем техники, в котором применятся два расположенных друг напротив друга линейных излучателя, заключается в том, что применяется только один электронно-лучевой генератор. Таким образом, у предлагаемого изобретением устройства также имеется потребность только в одном комплекте периферийных устройств (таких как, например, вакуумные насосы и устройства электроснабжения), в отличие от чего в уровне техники имеется потребность в двух комплектах периферийных устройств.

Устройство для разделения частиц 403 сыпучего материала включает в себя также не изображенные на фиг. 4 средства, с помощью которых пополняются частицы 403 сыпучего материала в емкости 402. Кроме того, устройство для разделения частиц сыпучего материала может включать в себя по меньшей мере один, тоже не изображенный на фиг. 4 генератор колебаний, который имеет механический контакт с емкостью 402, вследствие чего емкость 402 вибрирует.

На фиг. 5a схематично изображено в сечении другое альтернативное предлагаемое изобретением устройство 500. Устройство 500 включает в себя кольцевой электронно-лучевой генератор 501, ось кольца которого ориентирована вертикально. Ось кольца лежит в изображенной на фиг. 5a плоскости сечения. Над электронно-лучевым генератором 501 расположено устройство для разделения частиц сыпучего материала. Устройство для разделения частиц сыпучего материала включает в себя емкость для помещения частиц 503 сыпучего материала. Емкость состоит из цилиндрических боковых стенок 502 и конических донных стенок 504, при этом между боковыми стенками 502 и коническими донными стенками 504 выполнен кольцевой зазор 505. Емкость схематично изображена на фиг. 5b на виде сверху. Вершина конуса донных стенок направлена вверх и размещена точно на продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 501. Благодаря конической форме донных стенок 504 частицы 503 сыпучего материала вытесняются в нижней области цилиндра 502 на кольцевую наружную область, в которой частицы сыпучего материала выпадают через отверстие в виде кольцевого зазора 505. Кольцевой зазор 405 вращательно-симметрично расположен вокруг продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 401 и имеет такую ширину зазора, что по ширине зазора через кольцевой зазор 505 может выпадать только одна частица сыпучего материала за другой. Если смотреть по длине кольцевого зазора 505, через кольцевой зазор 505 могут, разумеется, одновременно проваливаться несколько частиц 503 сыпучего материала.

Посредством этого устройства для разделения частиц сыпучего материала создается прозрачный, кольцевой и вращательно-симметрично расположенный вокруг оси кольца электронно-лучевого генератора 501 поток сыпучего материала, состоящий из падающих частиц 503 сыпучего материала, состоящий из падающих частиц 403 сыпучего материала, который падает через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 501 и во время свободного падения подвергается воздействию ускоренных электронов. По сравнению с устройством 400 с фиг. 4a кольцевой поток сыпучего материала, создаваемый с помощью устройства 500, может образовываться с более высокой плотностью частиц в угловой протяженности своего кольца и при этом позволяет получить более высокую пропускную способность.

Также применяемое при этом устройство для разделения частиц 503 сыпучего материала включает в себя не изображенные на фиг. 5a средства, с помощью которых могут пополняться частицы 503 сыпучего материала в цилиндре 502. Кроме того, это устройство для разделения частиц сыпучего материала может включать в себя по меньшей мере один, тоже не изображенный на фиг. 5a, генератор колебаний, который имеет механический контакт с цилиндром 502 и/или донными стенками 504, благодаря чему эти конструктивные элементы вибрируют и тем самым могут обеспечивать непрерывный, падающий поток сыпучего материала.

На фиг. 6 схематично в сечении изображено другое предлагаемое изобретением устройство 600, которое, прежде всего, имеет все признаки устройства 500 с фиг. 5a. Дополнительно устройство 600 имеет цилиндрическое электронное зеркало 506, которое проходит через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 506. При этом цилиндрическое электронное зеркало 506 выполнено вращательно-симметрично вокруг оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора 501 и имеет радиус, который меньше радиуса прозрачного кольцевого потока сыпучего материала, состоящего из падающих частиц 503 сыпучего материала. Посредством цилиндрического электронного зеркала 506 ускоренные электроны, которые пронизывают прозрачный кольцевой поток сыпучего материала, могут отражаться, и при этом падающие частицы 503 сыпучего материала подвергаются воздействию ускоренных электронов на своей задней стороне, ориентированной к оси кольца.

В другом варианте осуществления цилиндрическое электронное зеркало 506 в угловой протяженности своего кольца разделено на сегменты, при этом каждый сегмент электрически законтактирован и посредством электрических соединительных элементов соединен с устройством аналитической обработки. Таким образом для каждого сегмента регистрируется некоторое значение, которое соответствует количеству электронов, попадающих на сегмент. Так, например, для каждого сегмента может регистрироваться значение электрического тока. Такой вариант осуществления может, например, применяться для обеспечения качества, потому что при этом может делаться качественное суждение о том, подвергались ли разные угловые сегменты кольца прозрачного кольцевого потока сыпучего материала воздействию по меньшей мере приблизительно одинаковой дозы энергии. Если при такой конфигурации устройства применяется также и кольцевой электронно-лучевой генератор, второй катод которого выполнен сегментированным, или электронно-лучевой генератор, который имеет проволочные электроды 213, то кольцевой электронный луч кольцевого электронно-лучевого генератора может регулироваться по сегментам таким образом, чтобы компенсировались возможные различия в потоке электронов, который регистрируется на разных сегментах цилиндрического электронного зеркала. При этом может обеспечиваться равномерное воздействие на кольцевой поток сыпучего материала по всему периметру кольца.

Такое цилиндрическое электронное зеркало 506, сегментированное или несегментированное, может применяться во всех вариантах осуществления изобретения, в котором создается кольцевой падающий поток сыпучего материала, как, например, также в варианте осуществления в соответствии с фиг. 4a.

На фиг. 7 схематично в сечении изображен один из альтернативных вариантов осуществления емкости для помещения частиц 703 сыпучего материала. Емкость состоит из цилиндрических боковых стенок 702 и конических донных стенок 704, при этом между боковыми стенками 702 и донными стенками 704 выполнен кольцевой зазор 705. Вершина конуса донных стенок 704 направлена вверх и размещена точно на продленной оси кольца надлежащего кольцевого электронно-лучевого генератора. Благодаря конической форме донных стенок 704 частицы 703 сыпучего материала вытесняются в нижней области цилиндра 702 на кольцевую наружную область, в которой частицы сыпучего материала выпадают через отверстие в виде кольцевого зазора. Донные стенки 704 и/или цилиндрические боковые стенки 702 выполнены с возможностью регулировки по высоте. Благодаря этому может устанавливаться ширина кольцевого зазора между боковыми стенками 702 и донными стенками 704 и адаптироваться к данному размеру частиц 703 сыпучего материала.

Изобретение относится к устройству для обработки сыпучего материала ускоренными электронами. Устройство включает электронно-лучевой генератор для генерации ускоренных электронов, воздействию которых подвергаются частицы сыпучего материала во время свободного падения, при этом электронно-лучевой генератор выполнен кольцеобразным и имеет первый катод и первый анод, между которыми посредством первого подаваемого электрического напряжения, которое предоставляется первым устройством электроснабжения, в вакуумируемой камере создается плазма тлеющего разряда, а также второй катод и второй анод, между которыми посредством второго устройства электроснабжения включается второе электрическое напряжение, причем эмитированные кольцевым вторым катодом и ускоренные электроны выходят из окна для выхода электронов в направлении оси кольца. При этом кольцевой электронно-лучевой генератор расположен таким образом, что ось его кольца ориентирована вертикально или отклоняясь от вертикали на угол до 45°. Над кольцевым электронно-лучевым генератором расположено устройство для разделения частиц сыпучего материала, донные стенки которого имеют отверстие, из которого выпадают частицы сыпучего материала и оттуда проваливаются через образованное электронно-лучевым генератором кольцо. Изобретение обеспечивает высокую пропускную способность обрабатываемого сыпучего материала, а также компактные габаритные размеры устройства. 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство, включающее в себя по меньшей мере один электронно-лучевой генератор (100; 301) для генерации ускоренных электронов, воздействию которых подвергаются частицы (303) сыпучего материала во время свободного падения, отличающееся тем, что

a) электронно-лучевой генератор (100; 301) выполнен кольцеобразным, причем электронно-лучевой генератор (100) имеет по меньшей мере один первый катод (105a; 105b) и по меньшей мере один первый анод, между которыми посредством первого подаваемого электрического напряжения, которое предоставляется первым устройством электроснабжения, в вакуумируемой камере (102) создается плазма тлеющего разряда, и причем электронно-лучевой генератор (100) имеет по меньшей мере один второй катод (107) и по меньшей мере один второй анод (108), между которыми посредством второго устройства электроснабжения включается второе электрическое напряжение, причем эмитированные кольцевым вторым катодом (107) и ускоренные электроны выходят из окна для выхода электронов в направлении оси кольца;

b) кольцевой электронно-лучевой генератор (301) расположен таким образом, что ось его кольца ориентирована вертикально или отклоняясь от вертикали на угол до 45°;

c) над кольцевым электронно-лучевым генератором расположено устройство для разделения частиц сыпучего материала, донные стенки (304) которого имеют по меньшей мере одно отверстие, из которого выпадают частицы (303) сыпучего материала и оттуда проваливаются через образованное электронно-лучевым генератором (301) кольцо.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отверстие имеет такой размер, что через отверстие всегда проваливается только одна частица (303) сыпучего материала за другой.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отверстие расположено в месте продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора (301).

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что нижние донные стенки (404) имеют несколько отверстий (405), которые расположены концентрически вокруг продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора (401).

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отверстие (505) выполнено кольцеобразно вокруг продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора (501).

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что отверстие (505) имеет такую ширину кольца, что относительно ширины кольца проходит только одна частица сыпучего материала.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что донные стенки (504) включают в себя конический элемент, вершина конуса которого расположена в месте продленной оси кольца кольцевого электронно-лучевого генератора (501).

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одним генератором колебаний, который имеет механический контакт по меньшей мере с одним конструктивным элементом устройства для разделения частиц сыпучего материала.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один конструктивный элемент устройства для разделения частиц сыпучего материала выполнен с возможностью регулировки по высоте.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одним цилиндрическим электронным зеркалом (506), которое проходит через отверстие кольца кольцевого электронно-лучевого генератора (501).

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один первый катод (105a; 105b) выполнен в виде кольцевого диска.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус (101) электронно-лучевого генератора (100) подключен в качестве первого анода.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй анод (108) выполнен кольцевым и решетчатым.