(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開放端を有する連続したセラミック材料の環状壁部と電子ビーム放射窓とを有する細長いセラミック部材を備える真空チャンバであって、
前記セラミック環状壁部の開放端に、この開放端を覆う金属製のエンドキャップが取り付けられ、前記エンドキャップに金属箔からなる前記放射窓が両者間を気密に密封するよう金属接触して接合され、厚さ１２．５μｍ未満の前記放射窓が、前記エンドキャップの支持板で保持され、内部を恒久自己保持真空に維持するように気密に密封されている真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置されて電子を発生させる電子発生器と、
前記電子発生器を囲むハウジングであって、前記電子発生器と放射窓との間に形成される電子透過領域を有し、電圧が前記ハウジングと放射窓の間に印加されたときに、電子を前記電子発生器から前記放射窓の外部へ向けて電子ビームとして加速するハウジングと、
を備えている電子加速器。
【請求項２】
請求項１において、前記細長いセラミック部材が波形になっている電子加速器。
【請求項３】
請求項２において、さらに、前記放射窓とセラミック部材との間に係合された環状のバネ部材を備えている電子加速器。
【請求項４】
請求項１において、さらに、前記真空チャンバが前記セラミック部材を囲む金属シェルを備えている電子加速器。
【請求項５】
請求項４において、前記セラミック部材が円錐台形孔を含み、前記電子加速器が、さらに、前記円錐台形孔を通って延びて、前記電子発生器に電力を供給する電気リード線と、
前記電気リード線を囲み、前記円錐台形孔を密封する円錐台形表面を持つ柔軟な絶縁プラグと、
前記シェルに固定されて前記円錐台形孔内に前記プラグを保持する保持キャップと、
を備えている電子加速器。
【請求項６】
請求項１において、前記電子透過領域が前記ハウジングに一連の開口を備えている電子加速器。
【請求項７】
請求項１において、前記放射窓が８〜１０μｍの厚さのチタン箔で形成されている電子加速器。
【請求項８】
請求項１において、電子を通過させるための一連の貫通孔を有する支持板を備え、前記一連の孔が、可変密度プロファイルを持つ前記電子ビームを形成するために前記支持板を横切る電子透過性を変化させ得るように配置されている電子加速器。
【請求項９】
開放端を有する連続したセラミック材料の環状壁部と電子ビーム放射窓を有する細長いセラミック部材を備える真空チャンバであって、
前記セラミック環状壁部の開放端に、この開放端を覆う金属製のエンドキャップが取り付けられ、前記エンドキャップに金属箔からなる前記放射窓が両者間を気密に密封するよう金属接触して接合され、厚さ１２．５μｍ未満の前記放射窓が、前記エンドキャップの支持板で保持され、内部を恒久自己保持真空に維持するように気密に密封されている真空チャンバを設けるステップと、
前記真空チャンバ内に配置された電子発生器を用いて電子を発生させるステップと、
前記電子発生器をハウジングで囲み、前記ハウジングが前記電子発生器と放射窓との間に形成される電子透過領域を有しており、電圧が前記ハウジングと放射窓の間に印加されたときに、電子を前記電子発生器から前記放射窓の外部へ向けて電子ビームとして加速するステップと、
を含む電子を加速する方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記真空チャンバを設けるステップに、前記細長いセラミック部材に波形を設けるステップをさらに含む方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記真空チャンバを設けるステップに、前記放射窓とセラミック部材の間に環状バネ部材を係合するステップをさらに含む方法。
【請求項１２】
請求項９において、前記真空チャンバを設けるステップに、前記セラミック部材を金属シェルで囲むステップをさらに含む方法。
【請求項１３】
請求項１２において、前記真空チャンバを設けるステップに、前記セラミック部材が円錐台形孔を含むステップと、
前記電子を発生させるステップに、前記電子発生器に電力を供給するために、電気リード線を前記円錐台形孔を通して延ばすステップと、
前記円錐台形孔を密封する円錐台形表面を備えた柔軟な絶縁プラグを用いて前記電気リード線を囲むステップと、
前記プラグを、前記シェルに固定された保持キャップを用いて前記円錐台形孔に保持するステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
請求項９において、前記真空チャンバを設けるステップに、さらに、前記支持板が前記電子ビームを通過させるためのプレートを貫通する一連の孔を有し、前記一連の孔が、可変密度プロファイルを持つ前記電子ビームを形成するために前記支持板を横切る電子透過性を変化させ得るように配置するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
電子ビームはインク、塗料および塗装の乾燥や硬化のような、多くの工業プロセスにおいて使用されている。電子ビームは液体、気体および表面の滅菌のほか、有害廃棄物の浄化にも使用されている。
【０００２】
工業用の従来の電子ビーム装置は、処理される材料上に電子ビームを照射する電子ビーム加速器を備えている。加速器は鉛で囲んだ大型の真空チャンバを有し、内部に電子発生フィラメントまたはフィラメント電源から電力（パワー）供給されるフィラメントを含む。作動中は、真空チャンバは真空ポンプにより連続的に排気される。フィラメントはハウジングで囲まれており、ハウジングは、真空チャンバの1つの側面に配置された金属箔の電子放射窓に向いている格子状の開口を有する。高電圧が、高電圧電源によってフィラメント・ハウジングと放射窓の間に印加される。フィラメントから発生した電子は加速され、電子ビームとしてフィラメントからハウジングの開口格子を通過し、放射窓から外部に放出される。放射装置の電源は一般に、フィラメントと放射窓との間の領域内の電界線を平坦化するために備えられる。これにより、図１のグラフ１に示すように、電子ビーム内の電子がビームの中心に集中するのを防止し、図１のグラフ２に示すようにビームの幅全体に電子を均一に分散させる。
【０００３】
工業分野において電子ビーム技術を使用することの欠点は、従来の電子ビーム装置は複雑で、その上、装置を維持するためには、真空技術と加速器技術に関し高度に訓練された要員を必要とすることである。例えば、通常動作の間、フィラメントと電子ビーム放射窓の金属箔との両方を定期的に交換する必要がある。加速器は非常に大きくて重いため（一般に、直径２０〜３０インチ（５０８〜７６２ｍｍ）、長さ４〜６フィート（１２２０〜１８３０ｍｍ）、重さ数千ポンド（約千〜数千ｋｇ））、このような保守作業は現場で実施する必要がある。
【０００４】
フィラメントおよび電子ビーム放射窓の交換には、真空チャンバを開く必要があり、汚染物質が真空チャンバ内へ侵入する原因となる。この交換は長い休止時間を要する。なぜなら、フィラメントと放射窓の金属箔を交換すると、加速器を排気して高電圧運転用に調整した後で初めて加速器が運転可能になるからである。この調整には高電圧電源からの電力を必要とし、その電圧を、チャンバを開いたときに侵入する真空チャンバ内および放射窓の表面上の汚染物質を焼却するために、時間をかけて除々に上昇させる。この処理には、汚染の程度により２〜１０時間を要する。途中で、放射窓の漏れが発生すると、それを補修しなければならず、この処理の時間がさらに延びる。最終的には、毎年または２年毎に、加速器の高電圧絶縁体を交換し、加速器全体を分解する必要がある。この処理に要する時間は約２〜４日である。その結果、フィラメント、電子ビーム放射窓金属箔、高電圧絶縁体を交換する必要があるとき、電子ビーム放射を必要とする製造工程は長期間中断することになる。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は電子ビーム装置用の小型で、簡単な電子加速器を提供するものであり、それにより電子ビーム装置の保守作業を容易にし、真空技術と加速器技術に関し高度に訓練された要員による保守作業の必要を無くすることである。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態では、電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを備える電子加速器を提供する。放射窓は、真空チャンバに金属接触して接合された金属箔から形成され、両者の間を気密に密封している。放射窓の厚さは約１２．５μｍ未満である。真空チャンバは気密に密封され、内部を恒久的な自己保持真空に維持している。電子発生器は真空チャンバ内に置かれ、電子を発生する。ハウジングが電子発生器を取り囲んでいる。ハウジングは、その壁に、電子発生器と放射窓との間に形成された電子透過領域を有しており、ハウジングと放射窓の間に電圧が印加されると、電子を電子発生器から放射窓の外へ電子ビームとして加速する。
【０００７】
好ましい実施形態では、ハウジングの一連の開口は電子透過領域を形成する。好ましくは、放射窓は、約８〜１０μｍの厚さのチタン箔で形成され、電子が通過できる一連の孔を有する支持板で保持されている。支持板の孔の構成は配列を変更でき、それにより支持板を横切る電子の透過性を変化させて、所望の可変密度プロファイルを持つ電子ビームを発生できる。一般に、放射窓の外縁は真空チャンバにろう付け、溶接、または接合されて、真空チャンバとの間が気密に密封される。
【０００８】
好ましくは、真空チャンバは細長いセラミック部材を含む。1つの好ましい実施形態では、細長いセラミック部材は波形であり、それにより高電圧を使用できる。リング状のバネ部材が放射窓と波形のセラミック部材との間に結合され、膨張係数の差を補償する。
【０００９】
別の好ましい実施形態では、前記細長いセラミック部材は平滑な表面を有し、金属シェルがそのセラミック部材を囲んでいる。セミック部材は円錐台形の孔を備え、その孔を通り電気リード線が延びて、電子発生器に電力を供給する。柔軟な、つまり可撓性のある絶縁プラグが電気リード線を囲み、そのプラグは、前記円錐台形の孔の内面に密着して孔を密封する円錐台形の表面を備えている。保持キャップがシェルに固定され、前記プラグを円錐台形の孔の中に保持する。
【００１０】
また本発明は、電子ビーム放射窓を有する真空チャンバを備える電子加速器を提供する。電子発生器が真空チャンバ内に配置され、電子を発生する。ハウジングが電子発生器を取り囲んでおり、そのハウジング内に、電子発生器と放射窓との間に形成された電子透過領域を有している。この電子透過領域は、ハウジングと放射窓との間に電圧が印加されると、電子を電子発生器から放射窓の外部に電子ビームとして加速する。ハウジングは受動的電界線シェーパ（整形手段）を備え、電子発生器と放射窓との間の電界線を平坦にすることにより、電子ビームの横方向の電子分布を均一にする。
【００１１】
好ましくは、電子透過領域は、電子発生器と放射窓との間のハウジングに第１の一連の開口を備える、一方、受動的電気線シェーパ（整形手段）が、電子発生器ハウジングにおける相対向する側部に形成された第２と第３の一連の開口を備える。
【００１２】
本発明は小型の交換可能なモジュール式の電子ビーム加速器を提供する。フィラメントまたは電子ビーム放射窓を交換する必要があるときは加速器全体が交換されるため、電子ビーム装置の休止時間が著しく減少する。これはまた、装置を維持するための真空技術と加速器技術に関して熟練した要員を必要としない。また、高電圧絶縁体を現場で交換する必要がなくなる。さらに、本発明の電子ビーム加速器は構成部品が少なく、かつ従来の電子ビーム加速器に比べて少ない電力しか必要とせず、したがって、廉価・簡単・高効率を実現する。加速器の小型化により、小型印刷機のような、スペースが制限されている装置、またはライン・ウェブ（line web）滅菌およびステーション間での硬化のための装置などでの使用に適する。
【００１３】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【００１４】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
図２および図３において、電子ビーム加速器１０は交換可能なモジュール式加速器であり、電子ビーム装置ハウジング（図示なし）内に組み込まれている。加速器１０は、両端が密閉された細長い、一般には円筒状の２分割された外側シェル１４を備えている。外側シェル１４の基端部は、外側シェルに溶接された基端エンド・キャップ１６で閉じられている。好ましくは、外側シェル１４とエンド・キャップ１６は各々ステンレス鋼で製作されるが、代替方法では他の適切な金属で製作してもよい。
【００１５】
加速器の先端部は、チタン箔で製作された電子ビーム放射窓膜で閉じられており、チタン箔は外縁２３に沿ってステンレス鋼の先端エンド・キャップ２０に対しろう付けされている。前記エンド・キャプ２０は外側シェル１４に溶接されている。放射窓２４は一般に、約６〜１２μｍ厚さであり、さらに好ましくは約８〜１０μｍである。代替方法では、放射窓２４は他の適切な金属箔、例えばマグネシウム、アルミニウム、またはセラミックのような適切な非金属の低密度材料で製作できる。さらに、放射窓２４はエンド・キャップ２０に溶接または接合することも可能である。電子が通過する孔または開口２２ａを有する矩形の支持板２２は、ボルト２２ｂを使用してエンド・キャップ２０にボルト止めされ、放射窓２４の保持を助ける。支持板２２は熱放散のためには銅で製作するのが好ましいが、代替方法では、ステンレス鋼、アルミニウム、またはチタンなどの他の適切な金属で製作してもよい。支持板２２内の孔２２ａは、直径約１／８インチ（３．２ｍｍ）であり、電子が放射窓２４を通過するように、約８０％の開口を提供する。
【００１６】
エンド・キャップ２０は冷却通路２７を備えており、その通路を冷却液がポンプで注入され、エンド・キャップ２０、支持板、および放射窓２４を冷却する。冷却液はインレット（流入口）２５ａから入り、アウトレット（流出口）２５ｂから出る。インレット２５ａとアウトレット２５ｂは、電子ビーム装置ハウジングの電子ビーム冷媒供給口および戻り口に連結されている。冷媒供給口および戻り口は、インレット２５ａおよびアウトレット２５ｂを密封するための“Ｏ"リング・シールを備えている。加速器１０は、直径約１２インチ（３０５ｍｍ）、長さ２０インチ（５０８ｍｍ）、重さ約５０ポンド（２３ｋｇ）である。
【００１７】
高電圧電力ケーブルのコネクタ１２に連結される高電圧電気接続レセプタクル１８は基端エンド・キャプ１６に取り付けられている。高電圧ケーブルが、図３の高電圧電源４８とフィラメント電源５０からの電力を加速器１０に供給する。高電圧電源４８は約１００ｋＶを供給するのが好ましいが、代替方法では、放射窓２４の厚さによって増減してもよい。フィラメント電源５０は約１５Ｖを供給するのが好ましい。図２に示す２本の電気リード線２６ａ／２６ｂは、レセプタクル１８から下方に延びて、加速器１０を上部の絶縁チャンバ４４と下部の真空チャンバ４６に分割する円盤形の高電圧セラミック絶縁体２８を貫通している。セラミック絶縁体２８の外側シェルへの接合には、まず、絶縁体２８がＫＯＶＡＲ（登録商標）のような絶縁体２８と同一の膨張係数を持つ金属製の中間リング２９にろう付けされる。次に、中間リング２９が外側シェル１４にろう付けされる。上部チャンバ４４には排気後にＳＦ6ガスのような絶縁媒体を充填するが、代わりに、オイルまたは固体絶縁媒物を充填してもよい。気体状および液体状の絶縁媒体は、閉止弁４２を通して充填および排出が可能である。
【００１８】
電子発生器３１は真空チャンバ４６内に位置しており、電気的に並列に接続した３本の長さ８インチ（２０３ｍｍ）のタングステン製のフィラメント３２（図４）から構成するのが望ましい。別の形態としては、２本のフィラメント３２を使用することもできる。電子発生器３１はステンレス鋼製のハウジング３０で囲まれている。フィラメント・ハウジング３０は、平坦な底壁３３に設けた一連の格子状の開口３４と、ハウジング３０の４つの側壁に設けた一連の開口３５とを有し、これら開口３４，３５が電子通過領域を形成している。フィラメント３２は、ハウジング３０内でハウジング３０の底壁３３と上壁のほぼ中間に配置するのが望ましい。開口３５は実質的にフィラメント３２よりも上方までは延びていない。
【００１９】
図３に示す電気リード線２６ａと配線５２はフィラメント・ハウジング３０を電気的に高電圧電源４８に接続する。電気リード線２６ｂはフィラメント・ハウジング３０の孔３０ａを通り、フィラメント３２をフィラメント電源５０に電気的に接続する。放射窓２４は電気的に接地され、高電圧をフィラメント・ハウジング３０と放射窓２４との間に印加させる。
【００２０】
真空チャンバ４６には、真空チャンバ４６を排気するための、図２に示すインレット（排気口）３９が設けられている。インレット３９は、外側シェル１４に溶接したステンレス鋼製の外部パイプ３６と、外部パイプ３９にろう付けされた密封可能な銅管３８とを有する。真空チャンバを排気した後、パイプ３８は圧力を加えて冷間圧着され、シール４０を形成して、真空チャンバ４６を気密に密封する。
【００２１】
使用に際しては、加速器１０を電子ビーム装置に組み込み、コネクタ１２に電気的に接続する。電子ビーム装置のハウジングいは加速器１０を囲む鉛製の包囲体が組み込まれている。フィラメント３２は、フィラメント電源５０（ＡＣまたはＤＣ）から電力が供給されて、最高で約４２００°Ｆまで加熱され、フィラメント３２に自由電子を発生させる。図３の高電圧電源４８から印加されるフィラメント・ハウジング３０と放射窓２４間の高電圧により、図４に示すフィラメント３２上の自由電子５６をフィラメント３２から電子ビーム５８の形にして加速し、ハウジング３０の開口３４および放射窓２４（図３）を通過して外部へ放射する。
【００２２】
側面開口３５は、その周辺に弱い電界を発生させ、この電界が、フィラメント３２と放射窓２４との間の高電圧電界線５４を、ハウジング３０の底壁３３の平面に対して平坦化（この平面と平行化）する。高電圧電界線５４を平坦にすることで、電子ビーム５８の電子５６は、図１のグラフ１に示すように中心位置に集束することなく、比較的直線的に開口３４を通ってハウジング３０から放射される。この結果、電子ビーム５８は、図１のグラフ２のプロファイルと同様のプロファイルを有する、幅が約２インチ（５０．８ｍｍ）、長さが約８インチ（２０３ｍｍ）の幅広いビームになる。図１のグラフ１の細い高密度電子ビームは、放射窓２４を貫通する孔を焼き抜くため、好ましくない。
【００２３】
側面開口３５の機能をさらに図解するために、図５に側面開口を省いたハウジング３０を示す。図５から分かるように、側面開口３５を省いた状態では、電界線５４は上方にアーチ形に湾曲する。電子５６は電界線５４にほぼ直交するように進むため、電子５６は細い電子ビーム５７に集束する。対照的に、図４では、電界線５４は平坦になり、電子５６は幅広の実質的に集束しない電子ビーム５８の状態で進む。したがって、従来の加速器では、高電圧のエキストラクタ（抽出器）の電源を使用して高電圧電界力線を平坦化し、電子を電子ビームの横方向に均一に分散させる必要があったのに対し、本発明では、開口３５を設けることにより、簡単かつ安価な方法で同一結果を得ることができる。
【００２４】
図２のフィラメント３２または放射窓２４を交換するとき、加速器１０の全体を電子ビーム装置ハウジングから取り外し、新しい加速器１０と交換するだけでよい。新しい加速器１０は前もって高電圧運転用に調整されているので、電子ビーム装置の休止時間は数分間だけになる。単一部分の交換のみで済むため、電子ビーム装置のオペレータは真空技術や加速器技術の保守について高度に習熟する必要はない。さらに、加速器１０は小型軽量なので、１人で交換できる。
【００２５】
古い加速器１０を再調整するためには、古い加速器を、例えば真空技術を専門とする会社のような別の場所に送るのが望ましい。まず、放射窓２４と支持板２２を取り外して真空チャンバ４６を開ける。次に、ハウジング３０を真空チャンバ４６から取り外してフィラメント３２を交換する。必要なら、上部チャンバ４４内の絶縁媒体を、外側シェル１４に設けたバルブ４２から排出する。その後、ハウジング３０を真空チャンバ内に元通りに取り付ける。支持板２２をエンド・キャップ２０にボルトで固定し、放射窓２４を新しい物と交換する。新しい放射窓２４の外縁２３はエンド・キャップ２０にろう付けされて、密封構造を形成する。放射窓２４は、支持板２２、ボルト２２ｂ、およびボルト孔を覆っているので、“Ｏ"リングなどがなくても漏れがなく、この窓２４が支持板２２の前面を密封する補助機能を果している。銅管３８を取り外し、新しい銅管をパイプ３６にろう付けする。これらの調整作業は、真空チャンバ内および放射窓の汚染を防ぐために、制御された清浄な空気環境内で行う。
【００２６】
清浄な環境内で加速器１０を組み立てることで、放射窓２４は、容易に８〜１０μｍの厚さ、または６μｍの厚さにまでできる。その理由は、塵埃または他の汚染物質が、放射窓２４と支持板２２との間の放射窓２４上に堆積するのが防止されるからである。このような汚染物質は１２．５μｍ未満の厚さの放射窓２４に孔を開ける。対照的に、従来の加速器の電子ビーム放射窓は、保守作業の際に塵埃の多い現場で組立てられるため、１２．５〜１５μｍの厚さを必要とする。放射窓の１２．５〜１５μｍの厚さは、塵埃が放射窓に孔を空けるのを防ぐには十分な厚さである。
【００２７】
本発明の放射窓２４は、一般に従来の加速器の放射窓よりも薄いため、電子を加速して放射窓２４を通過させるのみ要する電力が著しく小さくで済む。例えば、従来の加速器では、厚さ１２．５〜１５μｍの放射窓を貫通するよう電子を加速するのに、約１５０ｋＶが必要である。これに対し、本発明では、厚さ８〜１０μｍの放射窓を貫通するのに、約８０〜１２５ｋＶで済む。
【００２８】
その結果、同等の電子ビームを発生させるのに、加速器１０は従来の加速器に比べ効率が高くなる。さらに、低い電圧でよいため、加速器１０は小型にでき、従来の加速器で使用される円筒形または円錐形の絶縁体よりも小型の円盤形の絶縁体２８を使用できる。加速器１０を従来の加速器よりも小型にできる理由は、電圧が低いために加速器１０の構成部品同士をさらに近接させて組み込めるからである。真空チャンバ内を清浄環境に制御すれば、構成部品をさらに近接させて組み込める。従来の加速器は高電圧で動作するうえに、加速器内に汚染物質が多く存在するので、構成部品間の間隔を空けてそれらの間のアーク放電を防止する必要がある。実際、従来の加速器では、真空ポンプからの汚染物質が使用中に加速器内へ進入する。
【００２９】
次に、真空チャンバ４６がインレット３９から排気され、チューブ３８が冷間圧着して密封される。真空チャンバ４６が密封されると、真空チャンバ４６は恒久的に真空状態を維持し、真空ポンプを作動させる必要はなくなる。これにより本発明の加速器１０を作動させるのが簡単で安価になる。その後、加速器１０を高電圧動作に備えて前調整する。この調整では、加速器１０を電子ビーム装置に接続し、電圧を徐々に上昇させて、真空チャンバ４６内と放射窓２４上の汚染物質をすべて焼却する。真空チャンバ４６内に残存するすべての分子は、高電圧および／または電子ビームによりイオン化され、ハウジング３０方向へ加速される。イオン化された分子はハウジング３０に衝突して、ハウジング３０の表面に捕獲され、その結果、一層真空度を上昇させる。また、加速器１０を高電圧動作に備えて前調整する間に、真空チャンバ４６排気することもできる。加速器１０は電子ビーム装置から外されて、再使用のために保管される。
【００３０】
図６は３台の加速器１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含むシステムを示す。これらの加速器は、電子ビームを移動製品６２の全幅に渡って隙間なく照射するように、相互にジグザグに配置されている。電子ビーム６０で照射する。それぞれの加速器１０ａ、１０ｂ、１０ｃの電子ビームは、１台の加速器の外径よりも細いため、３台を横に並べても製品６２の全幅に渡って電子ビーム６０を照射することはできない。その代わりに、加速器１０ｂを、製品６２の移動方向に沿って、加速器１０ａと１０ｃに対して若干横後方にずれせて配置する。その結果、それぞれの電子ビーム６０の側端が相互に横方向に隙間なく整列することになる。結果的に、図のように、移動製品６２は、電子ビーム６０により階段状に全面が照射される。３台の加速器を示しているが、別の方法として、４台以上の加速器１０をジグザグに配置してさらに幅広の製品を照射したり、２台の加速器１０をジグザグ配置して狭い幅の製品を照射することもできる。
【００３１】
図７および８は、リード線２６ａと２６ｂをフィラメント・ハウジング３０とフィラメント３２に電気的に接続する別の好ましい方法を示す。リード線２６ａはフィラメント・ハウジング３０の上壁に固定される。３つのフィラメント・ブラケット１０２はフィラメント・ハウジング３０の上壁から下方に延びている。フィラメント・マウント１０４が各ブラケット１０２に取り付けられている。絶縁ブロック１１０とフィラメント・マウント１０８がフィラメント・ハウジング３０におけるフィラメント・マウント１０４と反対側の壁に取り付けられている。フィラメント３２は、フィラメント・マウント１０４と１０８との間に張り渡して取り付けられている。。フレキシブルな（可撓性のある）リード線１０６で、リード線２６ｂとフィラメント・マウント１０８を電気的に接続する。フィラメント・ブラケット１０２は、ばね作用を有し、使用中にフィラメント３２の膨張と収縮を補償する。円筒状のブラケット１１２は、リード線２６ａ／２６ｂの代わりにハウジング３０を支持する。
【００３２】
図９に示したフィラメント配置９０は、複数のフィラメントを電気的に接続して、電子ビームの幅を単一フィラメントにより提供される幅よりも広げる別の好ましい方法である。フィラメント９２は平行に配置され、電気リード線９４により相互に電気的に直列接続されている。
【００３３】
図１０に示したフィラメント配置９８は、一連のフィラメント９７を示しており、これらフィラメント９７は平行に配置され、２本の電気リード線９６により電気的に並列に接続されている。このフィラメント配置９８も、電子ビームの幅を広げる作用がある。
【００３４】
図１１に示した、加速器７０は本発明の別の好ましい実施形態である。加速器７０は、図２の加速器１０で発生する電子ビームに対して９０度の角度の方向に電子ビームを発生する。加速器７０は、加速器１０と異なり、フィラメント７８が真空チャンバ８８の長軸Ａに対して垂直ではなく、平行になっている。さらに、放射窓８２が、真空チャンバのエンドキャップ７４ではなく、外側シェル７２に配置され、長軸Ａに平行に延びている。放射窓８２は、外側シェル７２の側壁に取り付けた支持板８０で保持されている。細長いフィラメント・ハウジング７５が、フィラメント７８を囲み、ハウジング７５の一側壁７６には、長軸Ａに直交する方向に開口した格子状開口３４を有する。フィラメント・ハウジング７５の側部開口３５は開口３４に垂直な方向に開口している。エンド・キャップ７４は真空チャンバの端面を閉鎖する。加速器７０は、複数のジグザグ配置された加速器（図６）を使用することなく電子ビームを広い領域に照射するのに適し、また狭い場所での使用に適する。加速器７０は、長さ約３〜４フィート（９００〜１２００ｍｍ）にでき、またジグザグに配置してさらに広い照射範囲を実現できる。
【００３５】
図１２に示す加速器１００は本発明のさらに別の実施形態を示す。加速器１００は、内部に真空チャンバ１０４を有する、セラミック材料で形成されたほぼ円筒形の外側シェル１０２を備える。外側シェル１０２は閉じた基端部１０６と、それの反対側にある開いた先端部１１８を有する。外部シェル１０２の外部表面は一連の波形１０２ａを備えており、それにより、外側シェル１０２が円滑面である場合に比べ、加速器１００を高電圧で動作できる。開放端１１８は円滑な外側表面を持つ部分を有する。金属製のエンド・キャップ１１０は、外側シェル１０２の円滑な開放された先端部１１８を囲み、それをカバーして、真空チャンバ１０４を封止する。
【００３６】
放射窓２４を有するエンド・キャップ１１０は中間の環状の金属ばね１０８にろう付けされ、そのばねは外側シェル１０２にろう付けされている。こうして、セラミック部材であるエンド・キャップ１１０と放射窓２４との間に環状のばね１０８が係合されて、このばね１０８が真空チャンバ１０４を密封する。ばね１０８により、セラミックの外側シェル１０２とエンド・キャップ１１０が、半径方向および軸方向に異なる膨張率と収縮率を有することを許容しながら、その間の気密な密封を維持することが可能になる。ばね１０８は、エンド・キャップ１１０を外側シェル１０２からわずかに離して間隔を空け、さらに弾性材料で構成されることにより、これを達成する。ばね１０８は環状の内側Ｖ形隆起部１０８ａを有し、その内側の脚が外側シェル１０２にろう付けされている。環状の外側フランジ１０８ｂは、Ｖ形隆起部分１０８ａから径方向外方に突出し、エンド・キャップ１１０にろう付けされている。
【００３７】
エンド・キャップ１１０は外側環状壁１１２と内側環状壁１１４とを備え、両者の間に環状ギャップ１１６を形成し、そのギャップ内に外側シェル１０２の開いた先端部１１８が進入している。ギャップ１１６は先端部１１８の壁厚よりも広く、それにより先端部１１８がギャップ１１６の側面と底面から間隔を空け、ギャップ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃで示されたように、先端部１１８まわりに、真空チャンバ１０４をインレット３９に接続するための空間、すなわち通路を形成する。この通路により、真空チャンバ１０４はインレット３９を介して排気される。インレット３９は、エンド・キャップ１１０の外側の環状壁１１２にろう付けまたは溶接され、その壁を貫通して延びている。
【００３８】
また、エンド・キャップ１１０は、貫通孔２２ａを持つ支持板２２を備える。放射窓２４は支持板２２上で、一般に加熱および加圧により、またはろう付けもしくは溶接により、エンド・キャップに接合される。中心開口１２０ａを有するカバー・プレート１２０は、放射窓２４を覆って、それを保護する。エンド・キャップ１１０は、図２に示した通路と同様の冷却通路２７を有する。エンド・キャップ１１０は単一物で示されているが、代替方法では、複数の部分から形成することも可能である。例えば、支持板２２と環状壁１１４は別個の構成部品であってもよい。さらに、必要に応じ、環状壁１１４を無くすることもできる。
【００３９】
フィラメント・ハウジング３０は真空チャンバ１０４内の、外側シェル１０２の閉じた基端部１０６の直下に配置される。電気リード線２６ａ／２６ｂは、外側シェル１０２の基端部１０６を貫通して延び、それに対し密封されている。フィラメント３０と電子発生器３１は図２に示したものと同様である。開口３５がフィラメント・ハウジング３０内に示されているが、代替方法ではこの開口を削除できる。
【００４０】
図１３に示す加速器１３０はさらに別の好ましい加速器である。加速器１３０は金属の外側シェル１２２を備え、そのシェルが円滑な外部表面を有するセラミックの内側シェル１２４を囲んでいる。好ましくは、内側シェル１２４の開いた先端部１１８は支持板２２まで延び、それにより真空チャンバ１３４と外側シェルとの間にセラミック材料の環状壁（セラミック部材）１３６を形成する。代替方法では、支持板２２に達する前に、先端部１１８を終端させてもよい。内側シェル１２４は、先端部１１８の反対側の基端部１１９を貫通して延びる円錐台形開口１２４ａを有する。コネクタ１３８を有する電気リード線１２８は、円錐台形開口１２４ａを通って延び、電気リード線２６ａ／２６ｂを介してフィラメント・ハウジング３０と電子発生器３１に電力を供給する。
【００４１】
フィラメント・ハウジング３０と電子発生器３１は加速器１００（図１２）のものと同様である。電気リード線１２８は高分子材料製の柔軟な（可撓性を持つ）絶縁プラグ１２６の中心開口１２６ａを貫通して延びる。絶縁プラグ１２６は、円錐台形孔１２４ａに密着して孔１２４ａを密封するための、嵌め合わせ円錐台形外面１２６ｂを備える。外側シェル１２２に固定された保持キャップ１４０は、プラグ１２６に軸方向圧縮力を付加し、プラグ１２６を円錐台形孔１２４ａの収束形表面に押し付けて、プラグ１２６を電気リード線１２８の外周に圧迫し、電気リード線１２８とプラグ１２６の間を密封する。好ましくは、プラグ１２６は、１０14〜１０15Ω−ｃｍの電気抵抗を持つエチレン・プロピレン・ゴムから製作される。また、内側シェル１２４は１０14Ω−ｃｍの電気抵抗を有するのが望ましい。
【００４２】
図１４は、加速器１００および１３０（図１２および１３）に使用される電子発生器用の好ましいフィラメント３２を示す。フィラメント３２は一連の曲線により、ほぼＷ字形に形成される。これにより、フィラメント３２は、動作中、弾性部材またはばね力が負荷された部材による支持を必要とせずに、膨張および収縮が可能になる。フィラメント３２の端部は、図１４に示されるようにヘアピン状に曲げることで、その端部を電気リード線２６ａ，２６ｂ内の開口またはスロットに挿入できる。必要に応じて、複数のフィラメント３２を使用できる。
【００４３】
図１５に示すように、必要に応じて、加速器１００および１３０（図１２および１３）内の支持板２２の孔２２ａを、充填または詰めることにより、得られる放射電子ビームがビームを横切る方向に沿って可変な密度プロファイルを有するようにできる。他の方法として、孔２２ａを充填または詰める代わりに、製造の際に所望の孔分布のパターンを形成するよう、孔２２ａを支持板２２内に配置できる。図１５には特定の形状１４２を示したが、任意の所望の形状を形成することも可能である。
【００４４】
図１６に示すように、必要に応じて、延長ノズル１４４を加速器１００および１３０（図１２および１３）に固定できる。この場合、放射窓２４はノズルの先端部に配置できる。ノズル１４４はカップおよびボトルなどの狭い開口内に挿入して、内部を滅菌するのに使用できる。
【００４５】
本発明の電子加速器は、液体、気体（空気などの）または表面の滅菌のほか、医用製品、食品、有害医用廃棄物および有害廃棄物の浄化に適する。他の用途には、オゾン生成、燃料噴霧、および材料の化学的接合を含む。さらに、本発明の電子加速器は、インク、コーティング、接着剤および密封剤の硬化に使用できる。さらに、ポリマーのような材料を、電子ビームを照射しながら架橋させて、構造特性を改良できる。
【００４６】
フィラメント・ハウジング３０の一連の開口３５は、電界線の形状を変更する受動的電界線シェーパ、特に、電界線を平坦にするフラットナを形成する。用語の“受動的"は、電界線が別個のエキストラクタ（抽出器）電源を必要とせずに形成されることを意味する。また、電界線は、複数のフィラメントを使用して形成できる。さらに、隔壁または受動的電極をフィラメント間に配置して、電界線を別の形に形成できる。複数のフィラメント、隔壁または受動的電極は、電界線を平坦およびその他の形状にするフラットナとして使用できる。
【００４７】
本発明を好ましい実施形態により図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形状または細部の各種の変更が実行可能であることは理解されるであろう。
【００４８】
例えば、本発明の特定の実施形態では、複数のフィラメントを備えることを説明してきたが、代替方法では、1つのフィラメントだけを使用できる。さらに、外側シェル（セラミックの外側シェル１０２を除く）、エンド・キャップ、およびフィラメント・ハウジングは、ステンレス鋼から製作されるのが望ましいが、代替方法では、他の適切な金属、例えばチタン、銅、またはＫＯＶＡＲ（登録商標）などを使用できる。エンド・キャップ１６，２０は、通常、外側シェル１４に溶接されるが、代わりにろう付けも可能である。支持板２２の孔２２ａは、スロットのような非円形形状にできる。フィラメント３２の寸法と加速器１０の外径は、用途に依存して変更できる。また、ガラスのような他の適切な材料を絶縁体２８として使用できる。
【００４９】
好ましくは、チタンの放射窓の厚さは１２．５μｍ未満（６〜１２μｍ）であるが、必要に応じて、特定の用途用に１２．５μｍよりも厚くできる。１２．５μｍよりも厚い放射窓に対しては、高電圧電源は約１００ｋＶ〜１５０ｋＶを供給する必要がある。放射窓がチタンより軽い（アルミニウムを使用する場合のような）材料から製作されている場合、放射窓の厚さを対応するチタンの放射窓よりも厚くしながら、同一電子ビーム特性を得ることができる。好ましくは、加速器は円筒形状の横断面を持つが、他の適切な形状、例えば矩形または楕円形の横断面を有することもできる。本発明の加速器を大量に製作してコストを下げると、使い捨てユニットとして使用できる。加速器１０，７０のレセプタクル１８を長軸Ａに垂直に配置して、スペースを節約することもできる。最後に、本発明の異なる実施形態の各種の構造は、組合せまたは割愛可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  絞られた電子ビーム内の電子の分布を示すグラフと、電子が電子ビームの幅全体に均一に分布している状態を示すグラフとを重ねた特性図である。
【図２】  本発明の電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図３】  図２の加速器の電力接続を示す概略図である。
【図４】  フィラメント・ハウジングの端面断面図であり、電界線を示している。
【図５】  フィラメント・ハウジングの端面断面図であり、側面開口３５が無い場合の電界線を示している。
【図６】  複数の電子ビーム加速器を組み込んだシステムの平面図である。
【図７】  フィラメント・ハウジングの概略の端面断面図であり、フィラメントを電気接続する別の好ましい方法を示す。
【図８】  図７の概略の底面断面図である。
【図９】  別の好ましいフィラメント配置の概略図である。
【図１０】  さらに別の好ましいフィラメント配置の概略図である。
【図１１】  別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図１２】  さらに別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図１３】  さらに別の好ましい電子ビーム加速器の側面断面図である。
【図１４】  別の好ましいフィラメント配置の底面図である。
【図１５】  ビームの横方向の可変密度プロファイルを持つ電子ビームを生成するために、充填された孔のパターンを持つサポート・プレートを示す平面図である。
【図１６】  延長ノズルの側面図である。
【符号の説明】
２２…支持板、２６ａ，２６ｂ…電気リード線、２４…放射窓、３０…ハウジング、３１…電子発生器、３４，３５…開口（電子透過領域）、３５…電界線シェーパ、５６…電子、５８…電子ビーム、１００，１３０…電子加速器、１０２，１２４，１３６…セラミック部材、１０４，１３４…真空チャンバ、１２２…外側シェル、１２４ａ…円錐台形孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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