(57)【要約】【課題】電子線の線量分布の平坦化を図る。【解決手段】電子線照射装置１００の電子銃１１０は、電子線ＥＢを放出し、加速器１１８は、電子銃から放出された電子線を加速し、スキャンホーン１２０は、加速器で加速された電子線の照射方向を制御する。また、スキャンホーンは、被照射物Ｗに対して少なくとも一方向の走査処理を実行し、走査処理の折り返しにおいて、電子線の照射を所定時間滞留させる。こうして、被照射物の幅方向端部における線量不足を補い、被照射物に満遍なく電子線を照射して電子線の線量分布の平坦化を図ることが可能となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を放出する電子銃と、
前記電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、
前記加速器で加速された電子線の照射方向を制御するスキャンホーンと、
を備え、
前記スキャンホーンは、被照射物に対して少なくとも一方向の走査処理を実行し、
前記走査処理の折り返しにおいて、前記電子線の照射を所定時間滞留させることを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】
前記スキャンホーンにおけるスキャン電磁石に印加する時間対電流波形は台形形状であることを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。
【請求項３】
前記スキャンホーンは、前記被照射物の高さおよび前記一方向の幅の少なくとも一方に基づいて電子線の滞留時間を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の電子線照射装置。
【請求項４】
電子線を放出する電子銃と、該電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、該加速器で加速された電子線の照射方向を制御し、被照射物に対して少なくとも一方向の走査処理を実行するスキャンホーンとを有する電子線照射装置と、
前記被照射物を前記一方向と垂直な方向に搬送する搬送装置と、
を備え、
前記スキャンホーンは、前記走査処理の折り返しにおいて、前記電子線の照射を所定時間滞留させ、
前記搬送装置は、前記被照射物の高さおよび前記一方向の幅の少なくとも一方に基づいて該被照射物の搬送速度を制御することを特徴とする電子線照射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被照射物に電子線を照射する電子線照射装置および電子線照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療器具や食品等の滅菌、樹脂の架橋や硬化、悪性腫瘍等の病巣の除去等、様々な分野で利用されている電子線照射装置（例えば、特許文献１、２）が知られている。このような電子線照射装置は、電子銃と加速器を備えており、電子銃中のカソード電極を高温に熱することで熱電子を生成し、その熱電子を加速器で加速して被照射物に照射する。
【０００３】
被照射物は、例えば、コンベア等の搬送装置によって搬送され、電子線照射装置の照射領域において電子線の照射を受ける。電子線照射装置は、被照射物が照射領域を通過している間に、スキャンホーン中のスキャン電磁石によってコンベアの幅方向に電子線を走査することで、被照射物に満遍なく電子線を照射する。
【０００４】
かかる電子線の走査は、コンベア幅方向の単純な往復運動（三角波電流）によって為される。また、三角波電流の振幅および繰り返し周期を変化させて被照射物に照射する電子線線量の総量を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４９９９８号公報
【特許文献２】特開２００３−１３９８９８号公報
【特許文献３】特開２００３−１５６６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述したような三角波の波形に基づく走査では、被照射物の幅方向（コンベア幅方向）端部における線量が不足し、平坦な線量分布を得ることができなかった。
【０００７】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で被照射物に満遍なく電子線を照射し、電子線の線量分布の平坦化を図ることが可能な電子線照射装置および電子線照射システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の電子線照射装置は、電子線を放出する電子銃と、電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、加速器で加速された電子線の照射方向を制御するスキャンホーンと、を備え、スキャンホーンは、被照射物に対して少なくとも一方向の走査処理を実行し、走査処理の折り返しにおいて、電子線の照射を所定時間滞留させることを特徴とする。
【０００９】
スキャンホーンにおけるスキャン電磁石に印加する時間対電流波形は台形形状であってもよい。
【００１０】
スキャンホーンは、被照射物の高さおよび一方向の幅の少なくとも一方に基づいて滞留時間を決定してもよい。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の電子線照射システムは、電子線を放出する電子銃と、電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、加速器で加速された電子線の照射方向を制御し、被照射物に対して少なくとも一方向の走査処理を実行するスキャンホーンとを有する電子線照射装置と、被照射物を一方向と垂直な方向に搬送する搬送装置と、を備え、スキャンホーンは、走査処理の折り返しにおいて、電子線の照射を所定時間滞留させ、搬送装置は、被照射物の高さおよび一方向の幅の少なくとも一方に基づいて被照射物の搬送速度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、走査処理の折り返しにおいて電子線の照射を所定時間滞留させることで、被照射物の幅方向端部における線量不足を補い、被照射物に満遍なく電子線を照射して電子線の線量分布の平坦化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電子線照射システムの外観斜視図である。
【図２】図１におけるＹ軸方向から電子線照射装置を観察した図である。
【図３】加速器の動作原理を説明するための説明図である。
【図４】スキャンホーンの走査処理を説明するための説明図である。
【図５】スキャンホーンの走査処理を説明するための説明図である。
【図６】スキャンホーンの走査処理を説明するための説明図である。
【図７】スキャンホーンの走査処理の他の例を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１５】
（電子線照射システム１）
図１は、電子線照射システム１の外観斜視図であり、図２は、図１におけるＹ軸方向から電子線照射システム１を観察した図である。
【００１６】
本実施形態における電子線照射システム１は、電子線を照射する電子線照射装置１００と、当該電子線照射装置１００に被照射物を搬送する搬送装置２００とを含んで構成される。電子線照射システム１では、被照射物に対する電子線の照射態様を工夫することで、被照射物に対する電子線の線量分布の歪みを改善することを目的としている。ここでは、まず、前提となる電子線照射システム１の電子線照射装置１００および搬送装置２００の具体的な構成を簡単に述べ、その後、上記電子線の線量分布の歪み改善を実現する詳細な構成を説明する。
【００１７】
（電子線照射装置１００）
図１および図２に示すように、電子線照射装置１００は、電子銃１１０と、高周波電源１１２と、導波管１１４と、プリバンチャ１１６と、加速器１１８と、スキャンホーン１２０とを備えて構成されている。なお、電子銃１１０、プリバンチャ１１６、加速器１１８、スキャンホーン１２０は、内部空間（真空室）が連続しており、この内部空間は、イオンポンプ等の真空ポンプ１０２で高真空状態から超高真空状態（例えば、１０Ｅ−５Ｐａ以下）に維持される。電子線照射装置１００において、電子銃１１０から放出された熱電子は、プリバンチャ１１６、加速器１１８で加速され、スキャンホーン１２０を通過して、搬送装置２００上の被照射物Ｗに向かって図１中Ｚ軸方向に照射される。なお、図１では、理解を容易にするために電子線照射装置１００を支持する支持機構を省略している。以下、電子線照射装置１００の各機能部について詳述する。
【００１８】
（電子銃１１０）
電子銃１１０は、例えば、三極管電子銃で構成され、交流電源１０４から供給された電力により、カソード電極を加熱して熱電子を生成し、グリッドパルス電圧によって間欠的に電子を引き出すと共に、カソード電極とアノード電極との間に高電圧のパルス電圧を印加して、引き出した電子をプリバンチャ１１６方向に加速する。
【００１９】
（高周波電源１１２）
高周波電源１１２は、クライストロン等で構成される高周波増幅器１１２ａと、高周波増幅器１１２ａに電力を供給する高周波電源（電力供給部）１１２ｂと、パルストランス１１２ｃとを含んで構成され、導波管１１４を通じてプリバンチャ１１６および加速器１１８に、例えばＳバンドに相当する３ＧＨｚのパルス状の高周波電力を供給する。
【００２０】
（導波管１１４）
導波管１１４は、高周波電源１１２から供給される高周波の電圧を加速器１１８に供給する。導波管１１４には、六フッ化硫黄（ＳＦ６）等の絶縁ガスが充填されており、高周波電源１１２から出力された電圧によって導波管１１４が放電してしまう事態を回避する。なお、導波管１１４の端部には、ＳＦ６と真空とを隔て、ＳＦ６を密閉するためのＲＦ窓１１４ａ、１１４ｂが設けられている。
【００２１】
（プリバンチャ１１６）
プリバンチャ１１６は、電子銃１１０と加速器１１８の間に設けられ、導波管１１４を通じて高周波電源１１２に接続されている。プリバンチャ１１６は、電子銃１１０から入射された電子線をバンチング（密度圧縮（速度変調））して、加速器１１８に送出する。具体的に説明すると、プリバンチャ１１６内は、高周波電源１１２から供給された高周波の電圧によって高周波電界が形成されており、プリバンチャ１１６を通過した電子線は、その高周波電界にバンチングされる。プリバンチャ１１６で電子線をバンチングすることにより、加速器１１８で加速された電子線のエネルギーの分散を小さくすることができ、電子線のエネルギーの均一性を向上させることが可能となる。
【００２２】
ここで、プリバンチャ１１６によって圧縮された電子線の加速器１１８への入射タイミングと、加速器１１８における高周波の正位相とが同期すると、電子線は加速器１１８で効率よく加速される。したがって、プリバンチャ１１６から加速器１１８への電子線の入射タイミングを調整するために、プリバンチャ１１６の高周波導入部１１６ａには、不図示の位相調整手段が設けられている。なお、電子線の圧縮率（バンチングされた電子線の長さ／バンチング前の電子線の長さ）も加速器１１８による加速効率に影響し、電子線の長さが短い程、加速化効率が向上する。したがって、供給する高周波の強度を調整して電子線の長さを調整するために、プリバンチャ１１６の高周波導入部１１６ａには、不図示の減衰（アッテネータ）手段が設けられている。
【００２３】
（加速器１１８）
図３は、加速器１１８の動作原理を説明するための説明図である。本実施形態では、加速器１１８として、定在波型の線形（リニアック）加速器を採用しているが、電子を加速できればよく、進行波型の線形加速器や、シンクロトロン、サイクロトロン等の円形加速器を採用することもできる。
【００２４】
図３に示すように、電子銃１１０は、図３中、黒い塗りつぶしで示すように、電子線をＺ軸方向に伸長した状態でプリバンチャ１１６の内部空間に放出する。そして、プリバンチャ１１６によるバンチング機能により、電子線は、Ｚ軸方向に圧縮されて加速器１１８に入射される。
【００２５】
加速器１１８は、内部に複数の加速空間１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ（以下、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを纏めて１３０で示す場合もある。）を有している。図３では理解を容易にするために、加速空間１３０として３つしか挙げていないが、本実施形態の加速器１１８は３０程度の加速空間１３０を有する。なお、電子銃１１０から所定数の加速空間１３０の距離Ｌ（加速空間１３０における電子線の進行方向（図３中Ｚ軸方向）の距離）は、電子銃１１０から遠ざかるに従って徐々に長くなるように構成され、所定の加速空間１３０以降の加速空間１３０の距離Ｌは、所定の長さに維持されるように構成される。
【００２６】
高周波電源１１２から加速器１１８に高周波の電圧（例えば、３ＧＨｚ）が供給されると、図３（ａ）に示すように、複数の加速空間１３０が空間共振器として機能し、空間共振器内に時間に伴って変化する電界が生じる。そして、このような時間に伴って変化する電界を通じて時限的に電子線を加速する。
【００２７】
具体的に説明すると、加速器１１８の加速空間１３０は、高周波電源１１２から導入される高周波の電圧によって、例えば、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向に隣接する加速空間１３０に交互に正位相（進行方向に正（＋）の空間電荷）と負位相（進行方向に負（−）の空間電荷）とが生じる。プリバンチャ１１６から放出された負の電荷を帯びている電子線は、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ０に加速空間１３０ａに位置し、正（＋）の空間電荷によってＺ軸方向に加速される。そして、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において、隣接する加速空間１３０ｂに位置し、同様に正（＋）の空間電荷によってＺ軸方向に加速される。このように電子線の移動タイミングに、正（＋）の空間電荷と負（−）の空間電荷との切換タイミングを同期させることで、電子線は加速器１１８内で徐々に加速され、最終的には、例えば１０ＭｅＶ程度まで加速されて、スキャンホーン１２０に入射される。
【００２８】
（スキャンホーン１２０）
スキャンホーン１２０は、その内部空間が加速器１１８と連結され、加速器１１８の出口に対応した位置に設けられたスキャン電磁石１２０ａと、加速器１１８と連結する端部と対向する端部に設けられた電子線取出部１２０ｂとを含んで構成され、電子線の照射方向を制御する（図１、図２参照）。
【００２９】
スキャン電磁石１２０ａは、ヨークとヨークに巻回したコイル（図示せず）で構成され、コイルに流れる電流値を調整することで交番磁界を発生し、加速器１１８からヨークギャップに入射された電子線を水平方向（図１中Ｘ軸方向）に走査（スキャン）する。電子線の進行方向は大凡鉛直方向（図１中Ｚ軸方向）であるため、スキャン電磁石１２０ａが鉛直方向に進行する電子線を水平面内の一方向（Ｘ軸方向）に走査することにより、被照射物Ｗの一方向に連続して電子線を照射することができる。電子線取出部１２０ｂは、例えば、５０μｍ程度の厚みのＴｉ箔で構成され、内部空間と大気とを隔てつつ、加速された電子線を大気中に通過させる。
【００３０】
こうして、電子銃１１０で放出された電子線は、加速器１１８で加速されて、被照射物Ｗに照射される。
【００３１】
（搬送装置２００）
搬送装置２００は、被照射物ＷをＹ軸方向に搬送するコンベア２００ａと、コンベア２００ａを移動自在に支持する支持体２００ｂとを含んで構成される。ここでは、コンベア２００ａによって被照射物Ｗが照射領域Ｒを通過している間に、スキャンホーン１２０がコンベアの幅方向（Ｘ軸方向）に電子線を走査することで、被照射物Ｗに満遍なく電子線が照射されることとなる。
【００３２】
（スキャンホーン１２０おける走査処理）
続いて、図４および図５を用いて、スキャンホーン１２０の走査処理を説明する。図４（ａ）および図５（ａ）において白抜き矢印で示すように、スキャンホーン１２０は、スキャン電磁石１２０ａの電流値を制御して、電子線を搬送装置２００の搬送方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）に走査し、被照射物Ｗに満遍なく電子線を照射する。
【００３３】
このとき、スキャン電磁石１２０ａに図４（ｂ）のような三角波電流を印加すると、電子線ＥＢは被照射物ＷのＸ軸方向を往復することとなる。したがって、三角波電流の傾きが一定であれば、図４（ｃ）に破線で示したように、被照射物Ｗに照射される電子線ＥＢの線量は均一化され、その線量分布は平坦になるはずである。しかし、実際は、照射方向や被照射物Ｗまでの距離に応じてエネルギーの減衰量が異なるため、図４（ｃ）の実線のように、被照射物ＷのＸ軸方向端部における線量が不足し、平坦な線量分布を得ることができない。
【００３４】
そこで、本実施形態において、スキャンホーン１２０は、図５（ｂ）の実線の如く、被照射物Ｗに対しＸ軸方向の走査処理を実行する際、走査処理の折り返し位置Ｋにおいて、電子線ＥＢを所定時間滞留させる。ここでは、折り返し位置Ｋにおいて電流値を上限値または下限値でクリッピング（飽和）させているので、結果的に、スキャン電磁石１２０ａに印加する時間対電流波形が台形形状となる（台形波）。ただし、ここでは、説明の便宜上、滞留時間が長いかのように表現しているが、実際は繰り返し周期に対して数％の長さほどしかない。
【００３５】
このように、走査処理の折り返し位置Ｋにおいて走査自体を一時的に滞留（停止）することで、被照射物Ｗの両端部において電子線ＥＢが比較的長時間照射され、三角波では、図５（ｃ）中、一点鎖線で示したように被照射物Ｗの幅方向の端部において線量が不足していたところ、台形波では、図５（ｃ）に実線で示したように、端部において線量が盛り上がるので、結果的に平坦（フラット）な線量分布を実現することが可能となる。
【００３６】
ここでは、線量の平坦性に言及しているが、被照射物Ｗに電子線ＥＢの線量を必要量以上満遍なく供給できれば足り、例えば、完全な平坦に対して±５％の線量が保証されればよい。
【００３７】
ただし、図４（ｂ）と図５（ｂ）とを比較して理解できるように、本実施形態の走査処理において用いられる波形は三角波（図４（ｂ）参照）と台形波（図５（ｂ）参照）とで異なるものの、その周波数（繰り返し周期）やエネルギーは、図４（ｂ）および図５（ｂ）共に、例えば、１９．１Ｈｚ、１０ＭｅＶといったように所定の値が維持されている。これは周波数が高くなることによりインダクタンスが増大するのを回避すると共に、ある程度高い照射線エネルギーを確保するためである。
【００３８】
（被照射物Ｗの高さおよび幅に応じた走査処理）
また、上述した三角波を通じた被照射物Ｗの幅方向端部における線量の不足は、電子線ＥＢの照射元から被照射物Ｗとの相対距離によってその態様が異なる。すなわち、電子線ＥＢの照射元から被照射物Ｗ表面までの距離が遠いほど（被照射物Ｗの高さが低いほど、または、被照射物Ｗの走査方向の幅が広いほど）、幅方向端部における線量の不足が大きい。これは相対距離が大きいほどエネルギーの減衰量が大きくなり、かつ、電子線ＥＢが周辺に広がりやすく、線量もそのぶん分散されるからである。
【００３９】
例えば、図６（ａ）のように、被照射物ＷのＺ軸方向の高さｈが、実線の如く図５の例より低い場合を検討する。この場合、電子線ＥＢの照射元から被照射物Ｗとの相対距離が遠くなるので、走査処理を三角波で行った場合、図６（ｂ）の実線のように、被照射物Ｗの幅方向端部における線量の不足が大きくなり、その平坦性がさらに損なわれることとなる。ここでは、図６（ｃ）のように、時間対電流値の波形を台形形状とするのみならず、走査処理の折り返し位置Ｋにおいて、図５の例（図６（ｃ）中、破線で示す。）と比較して、実線で示したように電子線ＥＢの滞留時間を長くする。換言すれば、繰り返し周期（周波数）を維持するので台形形状の側辺の傾きが大きくなり、走査処理における電子線ＥＢの移動速度が高くなる。こうすることで、図５（ｃ）同様、平坦な線量分布を実現することが可能となる（図６（ｄ）参照）。
【００４０】
また、被照射物Ｗの走査方向（Ｘ軸方向）の幅に関しても、広いほど幅方向端部における線量の不足が大きいので、その分、走査処理の折り返し位置Ｋにおいて、電子線ＥＢの滞留時間を長くとるとよい。したがって、電子線ＥＢの滞留時間は、被照射物Ｗの高さおよび被照射物Ｗの走査方向の幅の関数（例えば一次関数）で表すことができ、被照射物Ｗの高さおよび被照射物Ｗの走査方向の幅の少なくとも一方が決定すれば、それに応じて走査処理の波形が決定される。こうして、被照射物Ｗの形状に拘わらず、被照射物Ｗの幅方向端部における線量不足を補い、被照射物Ｗに満遍なく電子線ＥＢを照射して電子線ＥＢの線量分布の平坦化を図ることが可能となる。
【００４１】
また、通常、被照射物Ｗはロット毎にその高さや幅が決定されるので、電子線ＥＢの滞留時間もロット毎に決定することができる。しかし、かかる場合に限らず、被照射物Ｗの高さや幅が逐次変化する場合、照射領域Ｒの前段において被照射物Ｗの高さや幅を、不図示の検出装置を介して検出し、それに応じてリアルタイムに電子線ＥＢの滞留時間を変化させるとしてもよい。検出装置としては、レーザレーダ測距装置等、既知の様々な距離測定装置を用いることができる。例えば、レーザレーダ測距装置を被照射物ＷのＸ軸方向に２つおよびＺ軸方向上方に１つ準備し、被照射物Ｗにレーザビームを投射し、このレーザビームが被照射物Ｗに当たって反射してくる光を受光し、この所要時間から被照射物Ｗまでの距離を測定して最終的に被照射物Ｗの高さおよび幅を導出する。
【００４２】
（搬送装置２００の制御）
しかし、上述したように、走査処理の折り返し位置Ｋにおいて、電子線ＥＢの滞留時間を長くした場合であっても、周波数（繰り返し周期）およびエネルギーを固定としているので、走査処理における電子線ＥＢの移動速度は高くなり、線量分布が全体的に低下する。そこで、搬送装置２００は、被照射物Ｗの高さおよび一方向（Ｘ軸方向）の幅の少なくともいずれか一方に基づいて、または、電子線ＥＢの滞留時間に基づいて、コンベア２００ａの速度を変化させ、必要な線量を確保する。具体的に、電子線ＥＢの滞留時間が長くなるほど、コンベア２００ａの搬送速度を下げる漸減関数を用いる。
【００４３】
かかる構成により、周波数（繰り返し周期）やエネルギーを維持しつつ、被照射物Ｗに満遍なく電子線ＥＢを照射して、電子線ＥＢの線量分布の全体量を確保すると共に線量分布の平坦化を図ることが可能となる。
【００４４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４５】
例えば、上述した実施形態においては、被照射物Ｗの搬送方向と垂直な方向に電子線ＥＢを照射する機能をスキャンホーン１２０が担い、搬送装置２００が搬送方向に被照射物Ｗを移動することで、被照射物Ｗの搬送方向にも電子線ＥＢを満遍なく照射させていた。しかし、被照射物Ｗへの電子線ＥＢの照射態様は、かかる場合に限らず、既存の様々な照射方法を採用することができる。例えば、スキャンホーン１２０におけるスキャン電磁石１２０ａをさらにＹ軸方向にも傾けることで、電子線ＥＢをＹ軸方向に移動させ、固定した被照射物Ｗに対して幅および長さ方向に走査するとしてもよい。
【００４６】
また、上述した実施形態では、折り返し位置Ｋにおいて電流をクリッピングさせる例を挙げているが、かかる場合に限らず、走査処理における電子線ＥＢの移動速度より低い変位の移動であれば足りる。例えば、図７（ａ）のように、折り返し位置Ｋの折り返し速度差Δｖが小さくなるような波形であったり、図７（ｂ）のように、折り返し速度の変化を一次曲線にして、緩やかに折り返す波形とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、被照射物に電子線を照射する電子線照射装置および電子線照射システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
ＥＢ   …電子線
Ｗ     …被照射物
１     …電子線照射システム
１００  …電子線照射装置
１１０  …電子銃
１１２  …高周波電源
１１４  …導波管
１１６  …プリバンチャ
１１８  …加速器
１２０  …スキャンホーン
２００  …搬送装置
【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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