(57)【要約】【課題】  低エネルギーとなるにつれて電子線の照射窓での透過効率が極めて悪くなるという問題がある。照射窓での透過効率を良くして、エネルギー損失が少なく大容量照射が可能となる電子線照射装置を提供する。【解決手段】  照射窓の窓箔に、チタンやアルミニュームより密度が小さく、３μｍ〜３０μｍ程度に薄く製造出来る無機質のグラファイトなどの配向性フィルムを用いる。それが絶縁体の場合には、その表面に極薄い金属などの導電膜をつけるか、カーボンシートの上にフィルムを形成して電極の役割を得る。また、材料に炭素繊維や金属などの導電体のフィラーを混入し、このフィルムを半導電体化して、窓箔に必要な程度の導電性を確保する。こうして真空度を維持し高温にも耐え透過効率のよい照射窓を得て効率の良い電子線照射装置に適用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射窓の窓箔に、無機質の配向性フィルムを用いたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】
請求項１の無機質の配向性フィルムに、「粘土配向膜」フィルムを用いたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項３】
請求項２の「粘土配向膜」フィルムの少なくとも片側に金属などの極簿い導電体膜を着けたものを用いたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項４】
照射窓の窓箔に、炭素繊維により作られる極薄いカーボンシートの上に請求項２の「粘土配向膜」を形成したフィルムを用いたこと特徴とする電子線照射装置。
【請求項５】
照射窓の窓箔に、導電体である炭素繊維あるいは金属や炭素の微粒子をフィラーとして混入し総体として半導電体化した請求項２の「粘土配向膜」フィルムを用いたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項６】
請求項１の無機質の配向性フィルムに、「グラファイト」を用いたことを特徴とする電子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、低エネルギー電子線照射装置の透過効率を向上させた照射窓に関する。加速された電子を特定の物質に衝突させる電子線照射は、癌の治療、半導体の改質、樹脂の重合、医療器具の殺菌、食品や種子の殺菌、インクの高速硬化など今や様々な分野で使用され益々その対象領域が拡大しつつある。特に近年は薬品の使用が制限されつつある殺菌の領域で実用的な電子線照射装置の開発が急がれている。食品や種子などに付着する菌はその表面にのみ生息する場合が多く、従来は紫外線による殺菌がある程度効果的であった。しかし、紫外線では表面からの到達深度が浅すぎたり、殺菌のためのエネルギーが低く効率が悪い。電子線照射は多少装置が大がかりになるも、殺菌エネルギーは大きく、表面からの到達深度も電子の加速エネルギーに応じて十分に深くなるという利点がある。一方、食品や種子の場合には電子線の加速エネルギーが高く到達深度が深すぎると、表面殺菌のレベルを超えて食品や種子の変質を招いてしまうことになる。かくして、物質の表面をのみ改質したり殺菌したりするには電子線のエネルギーは従来の電子線照射の場合に比して低いものが妥当である。電子の加速電圧は概略３００ＫＶ以下であり、この電子線を低エネルギー電子線あるいはソフトエレクトロンという。この低エネルギー電子線の照射装置が対象技術分野となる。
【背景技術】
【０００２】  従来の低エネルギー電子線照射装置の照射窓にはチタン箔やアルミニューム箔を用いたものがある。（例えば特許文献１，２，３参照）。以下、図１で示す低エネルギー電子線照射装置の概念図により照射窓について説明する。この装置は照射空間２２にある照射対象物２３に電子線１５を照射する。この装置の電子線発生部１０の内部は真空空間１３でありそこに電子線源１２が３００ＫＶ以下の加速電源４０に接続されて配置される。電子線源１２は一般的には加熱せられたフィラメントで電子を放出する。この電子は加速電源４０により加速されて、加速電源の対極に窓枠構造体３４を介して接続された照射窓３０に向かう。真空空間１３の真空度が低いと加速する電子は内部の気体分子と衝突を繰り返すので充分な加速エネルギーが得られない。従って真空空間１３の真空度は例えば１０−４〜１０−６Ｐａ程度の高真空に維持しなくてはならない。また、照射空間２２はほぼ大気圧程度の空間にしないと照射対象物２３を自由に選定し移動することが出来ない。照射窓３０の第一の役割は真空空間１３と大気圧の照射空間２２の隔壁となることであり、その機械的強度が要求されるものである。【０００３】  真空空間１３内で電子が照射窓３０に向かって加速されるためには、照射窓３０は金属や半導電体などの導電性を有していなくてはならず、加速電源４０と接続されなくてはならない。加速された電子線１５を照射空間２２に透過させること、これが照射窓３０の第二の役割である。そのためには照射窓３０は出来るだけ薄く、かつ電子の衝突断面積を小さくするために密度の出来るだけ低い物質で作らなくてはならない。電子の透過効率は照射窓３０の厚さと密度の積に反比例的に制約されるからである。照射窓３０は電子線のエネルギーと量を低下させ、その分自らも発熱する。照射する電子線量が大きければこれに比例的に発熱量も大きくなるのでそれに見合った冷却が不可欠の要件となる。さらに、照射空間２２では酸素が存在すると照射中にオゾンや活性酸素が生成される。照射窓３０はこれらの強い酸化作用に耐えるものでなくてはならない。【０００４】  このような照射窓の役割と要件を満たすために、特許文献１の例では照射窓３０にチタンの皮膜を付けたアルミニュームを用いている。特許文献２ではこのチタン膜の上に更に硬質皮膜をつけて傷からチタンを保護している。特許文献３ではチタンに酸化皮膜をつけている。一方、照射窓３０の材料として非金属のセラミックス、あるいはカーボンナノチューブを提案しているのが、特許文献４，５である。【０００５】    一方、従来からの電子線照射装置には関係ないもので、以下のような無機質の配向性フィルム状材料が発明されている。具体的にはいずれも厚さ１０μｍ程度に製造出来るものである。第一には「粘土配向膜」のフィルムである。これは独立行政法人産業技術総合研究所で開発された。（特許文献６参照）。以下これを「粘土配向膜」フィルムと呼称して記述する。本発明ではこの「粘土配向膜」フィルムの製造過程ないしは出来上がり品に追加処置を加えて利用する。第二には「高配向性グラファイトの層状シート」「フィルム状グラファイト」と呼ばれているものである。（特許文献７，８参照）。
【特許文献１】特開平７−２０２９４号公報
【特許文献２】特開平１１−５２０９８号公報
【特許文献３】特開２００１−９９９９９号公報
【特許文献４】特開２００２−２７７６００号公報
【特許文献５】特開２００１−２３５６００号公報
【特許文献６】特開２００５−１０４１３３号公報
【特許文献７】特開２００２−３０８６１１号公報
【特許文献８】特許２９７６４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  従来の電子線照射装置はエネルギーが比較的高かったので、照射窓３０には密度が４５４ｇ／ｃｍ３で融点が１６００℃と高く厚さが１０μｍ〜２５μｍ程度の金属のチタンを用いた。照射窓３０の透過効率は電子線のエネルギーが同じなら密度と厚さの積で決まるので、密度が低い方がよく、しかも真空を維持する強度で薄く作ることが出来なくてはならない。これ考慮するとチタンが非常に良い材料であった。しかし、低エネルギー電子線の需要が高まるにつれてチタンでは次の理由により充分な役割をは果たせなくなった。電子線の加速電圧が１５０ＫＶ以下になってくるとこの照射窓の電子線透過率は飛躍的に悪化する。例えば厚さが１０μｍのチタンで加速電圧が１００ＫＶでは透過率はおよそ５０％にまで低下する。透過しない残りの５０％は照射窓３０で膨大な発熱の要因に転化する。したがって、いかにチタンの融点が高くても大きな出力を得ることは限界であった。そこで、密度が２．６９ｇ／ｃｍ３の金属のアルミニュームの採用が検討された。単純に比較すれば薄くすると強度が落ちるアルミニュームを密度比分は厚くしても透過効率は同等である。厚さ１０μｍのチタンに比較してアルミニュームなら厚さ１６．９μｍ以下なら透過率をあげることが出来る計算となる。しかし、アルミニュームの融点は６６０℃と低く、且つ薄い箔の強度は弱い。従って、密度がチタンより低くてもチタンより厚くしなくてはならず透過率の大きな改善は困難である。さらにアルミニュームはオゾンなどにより劣化するために皮膜をつけなくてはならないという問題がある。従って従来の金属を用いた照射窓３０では、電子線のエネルギーが低くなるに従って電子線の利用効率が極端に悪くなるという課題に直面している。こうして電子線１５の量を大きくして装置の処理能力を向上させることに限界があった。【０００７】  一方、特許文献４では照射窓３０の材質として「金属よりも原子番号の小さい物質」をあげ、その限りでのセラミックスを提案している。しかし、現実の照射窓の透過率を決定するのは物質の密度に関わる原子番号だけではなくその厚さも同程度に重要である。いくら密度の低い物質を選定してもその分機械的強度のために厚くなれば効率は変わらないのである。具体的に述べられていないセラミックスでは、強度を考慮すれば金属と同程度の薄さに製造することは出来ない。更に決定的なことは、セラミックスは絶縁体であるので加速電源４０と照射窓３０の全体を電気的に接続することが出来ない。すると電子線は照射窓に向かって直進しないので透過効率以前の問題が発生してしまう。仮に、絶縁体であるこのセラミックスの照射窓３０を加速された電子線がその透過効率に従って何割かが透過したとする。この時、透過しなかった電子がどうなるのかということが次の問題である。この照射窓を透過しない電子は次々とセラミックスの内部に帯電して内部電位を高め、そして内部および沿面の放電を誘発することになる。無処理のセラミックスは放電によるピンホールなどで真空隔壁としての機能は破壊されることになる。また、特許文献５では照射窓３０をカーボンナノチューブで作ることを提案している。「量子効果」により透過損失が極めて小さいことを予見しているも���の推論の域を出ていないと言わざるを得ない。さらに、カーボンナノチューブをこのように整列してフィルムにできるという製造技術的裏づけがない。従って特許文献４および特許文献５のセラミックスおよびカーボンナノチューブを用いて当業者が照射窓を製造することは出来ない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  上記課題を解決するための本発明は、（１）照射窓３０にチタンやアルミニュームより密度が低く、１０μｍ〜３０μｍ程度に薄く製造出来、ガスの透過係数が金属に近いほど低くて真空が充分に維持出来る金属以外の無機質の配向性フィルム状材料を使う。それが絶縁体である場合は、（２）照射窓３０が加速のための電極にもなるために、この無機質のフィルム材料の電位を安定にし、あるいは照射窓３０内の電流の流れをスムースにするために表面に金属などの膜を着ける。（３）同じ理由により、この無機質のフィルム材料の製造過程で炭素繊維や導電体のフィラーを混入して半導電体にしたものを用いる。炭素繊維はフィルムの強度を向上させる手段ともなる。
【発明の効果】
【０００９】  本発明よる電子線照射装置の照射窓は電子線の透過効率が高くなり、電子線源の発生電子線量が同じでもその分だけ多くの電子線が照射対象物に照射されるようになる。さらに、発熱が非常に大きい照射窓であるが、その透過効率が高くなった分だけ照射窓の発熱が減少するので、その分電子線源の発生量そのものを大きくすることが可能となる。こうして電子線照射装置の処理能力が向上することになる。一方、この電子線照射装置の入力電力は１０ＫＷ程度にもなる大掛かりなものが多いのであるが、透視効率が４０％も改善されれば、４ＫＷものエネルギーが節約出来き、その分難しい熱対策も容易となる。高電圧を出力する加速電源も容量が大きいものはそれだけ製造が難しく大規模にせざるを得ないものであるが、この照射窓一つの発明により、これも小規模な作り易いものにすることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】  以下、図１を用いて具体的に説明する。照射窓３０の第一の役割は大気圧から真空空間１３の真空度を維持する強度と気体バリアー性を有していなくてはならない。この点だけをとれば従来のチタンやアルミニュームなどの金属の方がプラスチックや絶縁体の無機質の材料に対しては有利である。しかし、本発明では照射窓３０に金属以外の無機質のフィルム状材料を用いる。それが背景技術の項で述べた「粘土配向膜」フィルムとした場合について説明する。「粘土配向膜」フィルムは特許文献６に述べられているように「優れたフレキシビリティーを有し、ピンホールの存在しない緻密な材料であり、優れたバリアー性を有し」ている。酸素などのガス透過係数は３．２×１０−１１ｃｍ２ｓ−１ｃｍＨｇ−１より小さいことまでは確認されている。このように「粘土配向膜」フィルムは照射窓３０の第一の役割は先ず達成できる。【００１１】  次に照射窓３０の第二の役割は加速された電子線１５を照射空間２２へ透過させることである。そこで、この透過効率を向上させて装置の利用効率を上げ、出力容量を向上させるという本発明の主眼について説明する。チタンの密度は４．５４ｇ／ｃｍ３と高いが「粘土配向膜」フィルムの密度は２．１ｇ／ｃｍ３である。従来の照射窓３０では仮に厚さ１２μｍのチタン箔を使用したとする。一方、「粘土配向膜」フィルムは従来の無機質材料とは異なり、製造的には特許文献６に「好適には３〜３０μｍ」と記載されてようにかなり薄いフィルムにすることが可能である。ここでは厚さ１５μｍの「粘土配向膜」フィルムを使用した場合について従来のチタンと比較する。加速された電子の透過効率は窓の密度と厚さの積にほぼ反比例するので、この積で両者を比較すると「粘土配向膜」フィルムはチタンの約５８％となり、効率は約４２％も大幅に向上する。
一方、従来技術のアルミニュームを用いた場合とも比較する。アルミニュームの密度は２．６９ｇ／ｃｍ３なので「粘土配向膜」フィルムより約１７％も大きい。しかもアルミニュームにはフレキシビリティーがないので厚さ２０μｍを用いるとする。この積で両者を比較すると「粘土配向膜」フィルムはアルミニュームの約６４％となり、効率は約３６％も向上する。照射窓の窓箔は効率だけを考えれば薄い方がよく、「粘土配向膜」フィルムは厚さ３μｍでも製作可能である。しかし、薄くすると強度に問題がでてくる。この場合、窓枠構造体３４を工夫してフィルムの支持を行うことが出来る。例えばチタンの薄板を電子線との衝突断面積を出来るだけ小さくするよう電子線と平行に例えば厚さの２０倍程の間隔で配列したものを作り、フィルムの片側或いは両側から支持する。フィルムを薄くしたことによる透過効率の向上分が、このチタンによる透過効率の減少分を上回れば良いということになる。また、この薄板チタンへの熱伝導により「粘土配向膜」フィルムの放熱効果も期待できるものである。あるいは、冷却水を通したパイプを桟構造にしてこのフィルムを支持することも出来る。【００１２】  ここで、照射窓３０の透過効率の反面の損失の面から各材料を比較検討する。例えば、加速電源４０の電圧が１５０ＫＶで電子線１５の電流総量が２０ｍＡとすると電子線の総電力は３ＫＷである。仮に照射窓３０の透過効率が６５％とすると照射窓３０では約１０５ＫＷの損失が発生する。この損失により照射窓３０は発熱し、温度は上昇する。この熱は照射窓３０からの熱輻射で放熱するとともに、窓枠構造体３４を通じて図示していない冷却系を通じて放熱する。この時、照射窓３０の温度が周囲温度に比して高いほど放熱量は増大し、従って装置の出力を増大させることが出来る。かくして、照射窓３０は透過効率の次に耐熱温度が装置の出力増大を左右する要因となる。アルミニュームの融点は６６０℃とチタンの融点１６７５℃に比してかなり低い。従って、たとえチタンより厚くして透過効率が同じになったアルミニュームでは装置の出力はチタンより低く抑えなくてはならない。一方、「粘土配向膜」フィルムの主成分の珪素の融点は１４１４℃とチタンに実用上ほぼ匹敵する。「粘土配向膜」フィルムは１０００℃でも気密性に変化がなかったという報告がなされている。こうしてここまでの説明では、「粘土配向膜」フィルムを用いることにより低エネルギー電子線照射装置の出力増大が可能となる根拠を示した。【００１３】  一方、照射窓３０の材料として金属を使わないで、従来からあるセラミックなどの絶縁体を用いた場合の弊害については既に述べた。本発明ではこれを次のような手段を用いて解決する。その一例を図２の照射窓の拡大概念図により説明する。照射窓３０は窓箔３０ａの片側に導電幕３０ｂを着けて作る。窓箔３０ａには今まで説明してきた「粘土配向膜」フィルムを用いる。そして導電幕３０ｂは図示していない窓枠構造体３４を介して加速電源４０に接続する。こうすることによって導電幕３０ｂは電子線１５を引きつけて加速する電極になることが出来る。この導電幕３０ｂは窓箔３０ａに金属などの導電体を１μｍ以下程度の厚さに真空蒸着などして形成する。��た、この導電膜３０ｂは炭素繊維を織って出来るカーボンシートなどを用いても良い。その場合は、カーボンシートの上に「粘土配向膜」フィルムを形成するのであるが、こうすることにより、導電体であるカーボンシートは導電膜３０ｂの役割を果たすだけでなく、軽量であり強度が強いので「粘土配向膜」フィルムを更に薄くすることが可能となる。【００１４】  加速された電子線１５の大部分は導電幕３０ｂと窓箔３０ａを透過する。透過電子１５ａ，１５ｂ，１５ｄはそれを図示している。一方、その他の部分は電子線の相互作用の確率により窓箔３０ａを透過しないで停止電子１５ｃのように窓箔３０ａの内部に停止する。この透過電子と停止電子の割合が透過効率であり、透過電子が多いほど透過効率は高くなる。もし窓箔３０ａが金属などの導電体であれば、停止電子１５ｃは直ちに加速電源４０に戻って行く。しかし、今は窓箔３０ａが絶縁体の場合を論じている。停止電子１５は窓箔３０ａの抵抗成分５０に行く手をさえぎられて窓箔３０ａの内部に次々と数を増して帯電する。こうして窓箔３０ａの内部の各部位の電位は高まっていく。そしてこの電位が窓箔３０ａの絶縁耐力よりも高くなると内部に放電現象５１が発生し、窓箔３０ａはピンホールなどにより破壊されるに至る。実際には加速されて電子窓３０に衝突した電子は、その物質との相互作用により二次電子を多数発生させるなど、エネルギー保存則に従いながら量子力学的なふるまいをし、透過電子も少しエネルギーを失う。しかしここでは、本発明の手段を明確にするという限りで、電子の平均的な動きで説明している。【００１５】  以上説明したように、窓箔３０ａを無機質の絶縁体材料で製作した場合、図１の電子線１５の加速電圧・電流、窓箔３０ａの密度と厚さと絶縁抵抗と絶縁耐力に規定されて、図２で示したように窓箔３０ａは内部で放電現象５１が発生し破損する場合が出てくる。せっかく無機質の密度の低い材料で透過効率を向上させても、この事態を回避する手段を合わせて実施する必要がある。その為の手段として窓箔３０ａの絶縁抵抗を下げる方法について以下説明する。本実施例で用いる「粘土配向膜」フィルムの原料は粘土微粒子であるので、これに導電体である炭素繊維あるいは金属や炭素の微粒子をフィラーとして混入して「粘土配向膜」フィルムを全体としては謂わば半導電体として造る。こうして、図２の抵抗成分５０の値は飛躍的に小さくなり停止電子１５ｃはスムースに加速電源４０に帰っていくので、放電現象５１を起こさないことが可能となるのである。
【実施例１】
【００１６】  窓箔３０ａの材料として、厚さ３μｍ〜３０μｍ程度の、特許文献６に記された「粘土配向膜」フィルムを用いる。これに金属などを蒸着して、厚さ１μｍ以下程度の薄い導電膜３０ｂを着ける。これは、真空空間１３側に取り付けると、照射空間２２に発生するオゾンガスなどから保護されて都合が良い。「粘土配向膜」フィルム自体は無機質の材料であり酸化などによる劣化の心配は無い。こうしてこの導電膜３０ｂは、絶縁体のままの「粘土配向膜」フィルムで作った窓箔３０ａには出来ない電極としての役割を担うと共に、窓箔３０ａ内部の停止電子１５ｃが流れ易くする役割も担う。この導電膜３０ｂは窓枠構造体３４と接していて電流が加速電源４０に流れるようになっている。窓枠構造体３４は電気だけでなく熱を放出する経路になるので、この接触面は出来るだけ広いほうが有利である。こうして造られた照射窓３０を用いて、照射窓３０内部で放電が発生しない程度の照射電子量が少ない低エネルギー電子線照射装置を提供する。
【実施例２】
【００１７】  実施例１で窓箔３０ａに着けた導電膜３０ｂは、膜でなく炭素繊維を織ったり配列を工夫したりしてして出来るカーボンシートを用いても良い。カーボンシートの上に「粘土配向膜」フィルムを形成し窓箔３０ａとする。こうして機械的強度も強く電極としての役割を果たす照射窓３０が得られる。この照射窓を用いた低エネルギー電子線照射装置を提供する。
【実施例３】
【００１８】  実施例１あるいは実施例２の窓箔３０ａは表面以外の内部は絶縁体のままである。照射電流を大きくしていくとこの内部で放電が発生する恐れが出てくるので、本実施例では半導電体化した「粘土配向膜」フィルムを用いる。半導電体化とは、「粘土配向膜」フィルムの製造過程において、導電体である炭素繊維あるいは金属や炭素の微粒子をフィラーとして混入することである。炭素繊維を用いた場合には「粘土配向膜」フィルムの機械的強度も向上することが出来る。炭素繊維を混入する場合に次のような手段を講じてもよい。先ず、炭素繊維や金属の微粒子などを混入して、液体中に「粘土配向膜」が一定の厚さに未だ沈殿状態で形成された後、炭素繊維を一定の密度で均一に撒く。こうして表面に炭素繊維が毛羽立つようになったフィルムを作る。炭素繊維は熱の輻射効率が良いばかりでなく、フィルムの放熱表面積を大きくするので、窓箔３０ａの冷却に寄与する。こうして、窓箔３０ａの内部で放電現象５１が発生することのない、大容量の低エネルギー電子線照射装置を提供する。
【実施例４】
【００１９】  実施例３の半導電体化した「粘土配向膜」フィルムの抵抗値が充分低ければ、わざわざ導電膜３０ｂを取り付けなくても良い。導電膜３０ｂがないと停止電子１５ｃが窓枠構造体３４まで流れていく場合の抵抗値が大きくなり放電し易くなる。しかし、この経路が長くなるより大きく抵抗値が下がるのであれば放電は発生しない。一方、導電膜３０ｂがないと照射窓３０全体の電位は均一ではなくなるが、その不均一さは非常に高い加速電圧に比較して非常に小さく、不均一さは充分に無視できる。こうして、導電膜３０ｂを付けないで、半導電体化した「粘土配向膜」フィルムのみを照射窓３０とした低エネルギー電子線照射装置を提供する。
【実施例５】
【００２０】窓箔３０ａの材料として、厚さ３μｍ〜３０μｍ程度の、特許文献７，８に記された「高配向性グラファイトの層状シート」、あるいは「フィルム状グラファイト」を用いる。この密度は１．０ｇ〜２．１ｇ／ｃｍ３と極めて低くチタンの数分の１である。その分だけ照射窓の損失は半減する。しかも、グラファイトには導電性があるので、半導電体化の処理は不要である。また、熱伝導率がチタンの約８０倍も大きいので冷却に大変有利である。また、４００℃でも真空を維持することが特許文献８に記されており、無機質なのでオゾンなどにも侵食されることはない。グラファイトを層状のシートにしたものは、しなやかさと強度が得られるが、支持構造との兼ね合いを考慮すれば層状にすることが不可欠なものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】  電子線照射装置の概念図である。
【図２】  本発明による照射窓の拡大概念図である。
【符号の説明】
【００２２】  １０    電子線発生部
１２    電子線源
１３    真空空間
１５    電子線
１５ａ  透過電子
１５ｂ  透過電子
１５ｃ  停止電子
１５ｄ  透過電子
２２    照射空間
２３    照射対象物
３０    照射窓
３０ａ  窓箔
３０ｂ  導電膜
５０    抵抗成分
５１    放電現象
【図１】
2007187640.tif 000003
【図２】
2007187640.tif 000004