(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線加速のための高圧電源を共有し別個の電子線照射ヘッドを有する多ヘッド電子線照射装置において、個々のフィラメントトランスの一次側から二次側へ流れる電流を測定してヘッドのビーム電流を計測しビーム電流計測信号を光信号として送信するため、フィラメント電源から直流電源を得ている光テレメータを各ヘッドに設け、フィラメント電源電圧が低い時に光テレメータ電源電圧を０Ｖに維持し、フィラメント電源電圧が規定値まで上がったときに光テレメータ電源電圧を所定の値に上げるようにしたことを特徴とする多ヘッド電子線照射装置の光テレメータ電源回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高圧電源（加速電源）を共用する多ヘッド電子線照射装置の光テレメータ電源回路に関する。電子線照射装置は、真空チャンバの中でフィラメントを加熱し熱電子を発生させ加速電圧を掛けて加速し、照射窓を通して大気中へ取り出して搬送装置によって運搬されてきた被処理物へ照射する装置である。
【０００２】
電子線照射の目的は、色々あるが、電線被覆の高分子架橋反応、塗料のキュア、医療用器具の殺菌などに用いられる。これらの処理に関しては長年の実績もある。
【０００３】
電子線を加速するための高圧電源（加速電源）、フィラメント電源、真空チャンバ、フィラメント、加速管、照射窓など電子線を発生する機構と、被処理物を搬送する搬送機構と、搬送機構をスッポリと覆うＸ線遮蔽機構（筐体）を備える。
【０００４】
高圧電源の電圧は必要な電子線加速電圧によって違うが、５ＭｅＶ〜１００ｋｅＶと広い範囲に広がっている。フィラメント電源は加速電源の上に乗っており、加速電源の一部を用いることもある。フィラメントのすぐ下に引出電極があって、これに引出電圧Ｖｅｘが掛かるので電子がフィラメントから引き出される。引出電源も加速電源の上に乗っている。これらは負の高電圧である高圧架台の上に設けられる。
【０００５】
電子線を固体に当てるとＸ線が出るのでＸ線を遮蔽する必要がある。そのために鉄などの重厚な筐体によって電子線照射物や搬送機構を包囲する。被処理物が有形固形物である場合、搬送機構は無端周回コンベヤなどが用いられる。Ｘ線が外部に放射されないように搬送機構は上下変位を繰り返すような複雑な構造をとる。さらに電子線によって空気中の酸素が酸化されてオゾンになるから、これを避けるためオゾン処理装置を設置する。又は、窒素やＡｒガスなどを下流側から上流側へ流すことによって酸素を排除するようにする。
【０００６】
照射窓にはアルミやチタンの丈夫で薄い窓箔が張ってある。これは大気圧と真空を仕切る窓箔で強い圧力が掛かっている。また電子線が通過するときに窓箔を強く加熱する。窓箔が熱と圧力で破れないように、窓箔は冷却風や冷却水で冷却される。窓箔を支持する桟がある場合は桟を冷却水で冷却するような構造となっている。
【０００７】
加速電圧が大きい場合は走査型といって大型の装置を用いる。５ＭｅＶ〜５００ｋｅＶ程度の大加速電圧の場合は加速管も長くてビームは細くなる。走査型電子線照射装置は、高速のビームをコイルなどによって左右前後に操作する走査管を加速管に続けて設けている。三角形状の走査管の底部の広がった開口部が照射窓である。ここに前記の窓箔が張られている。ビーム走査によって被処理物の広い範囲へ電子線を照射できるようになっている。
【０００８】
加速電圧が低い場合はエリア型（非走査型）といって、より小型の装置を用いる。５００ｋｅＶ〜数十ｋｅＶの加速電圧のものはエリア型のものが多い。加速電圧が低いから多段の加速管が不要である。真空チャンバに設けた広い実効面積を持つフィラメントから熱電子を出し、引出電極との間で加速して照射窓を通すようになっている。
【０００９】
これらの電子線照射装置はいずれも一つの装置に一つの高圧電源を備えるものである。本発明はそのような独立の加速電源を持つ電子線照射装置を対象にしない。本発明は複数のヘッドが一つの電源を共有するような電子線照射装置を対象にする。
【００１０】
走査型電子線照射装置の場合、加速電圧が高いから高圧電源が大型になり高額のものになる。そこで電源を共通にして複数の電子線照射装置（真空チャンバ、フィラメント、加速管、走査管）を駆動するという複合構造が考案された。それを多ヘッド型電子線照射装置とここでは呼ぶことにする。
【００１１】
【従来の技術】
先述の電子線照射装置の用途の他に、火力発電所や工場での廃ガスから硫黄酸化物や窒素酸化物を除去するために電子線照射装置を用いるという新しい用途が見出された。その場合は被処理物はガスであるからこれまで述べたような搬送機構のようなものは不要である。しかしＸ線の被爆を防ぐため筐体は必要である。処理量が多いので空気中で電子線が飛行すべき距離（エアパス）が長くなり電子線加速エネルギーは高くなければならない。そのために大型の走査型の電子線照射装置が用いられる。更にガスを被処理物とする場合は量が多いからヘッドを２つあるいは３つというようにした方が処理能力が増強される。
【００１２】
或いは幅の広いプラスチックシートの上に特別な高分子被覆をして、その両面に電子線を当て塗膜硬化させるという場合も、二つのヘッドを設けて両側から被膜へ電子線を照射するようにすると処理能率が向上する。そのように廃ガス処理や広幅シートの処理のためには多ヘッド型の電子線照射装置が向いているのである。それで多ヘッド型の電子線照射装置がいくつか製造された。
【００１３】
走査型で電圧が高いから、高圧電源が大型であって高価であるから、２つあるいは３つのヘッド（真空チャンバ、フィラメント、加速管、走査管、照射窓などのこと）を共用すると有利である。複数のヘッドはフィラメント、加速管、走査管、照射窓などを独立に備える装置である。しかも高圧電源を共通にしている。
【００１４】
その場合、全ビーム電流は高圧加速電源に接続した抵抗を流れる電流を測定することによって求めることができる。しかし個別のビーム電流を求めるには、それぞれのヘッドに電流計測器を設けなればならない。ヘッド毎のビーム電流を求めるにはヘッドの内部に計測機構を設ける必要がある。それは高圧架台の上に設けられるということである。電気信号をヘッドと大地電位の間で伝送しなければならない。
【００１５】
高圧架台と大地間は絶縁されなければならないから、信号伝達は導電性のあるものを使わない方がよい。そこで高圧架台と大地間の信号の伝達は光信号を用いることが多い。発光素子としてＬＥＤを利用し、受光素子としてフォトトランジスタを用いる。信号は空間伝送とするか光ファイバ伝送とする。光信号も振幅変調の場合もあるし、周波数変調の場合もある。
【００１６】
信号の伝送は双方向であって、大地側から制御信号を高圧架台へ送信することもあり、高圧架台からは電流信号を大地側へ送信することもある。ここで光テレメータというのは高圧架台と大地の間で電流、電圧、制御信号等を伝送するためのものである。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
高圧電源を共有する複数のヘッドＨ１、Ｈ２、…において個々のヘッドのビーム電流を求めるにはヘッドにおいてフィラメントに流れる電流を測定する必要がある。ヘッドの高圧と大地を絶縁するために電流を表す信号を光信号によって伝送する必要がある。光テレメータによって信号伝送すれば絶縁性を損なうことなく電流ＩＢ１、ＩＢ２、…などのビーム電流信号を伝送することができるはずである。
【００１８】
各ヘッドにおいて、フィラメント電源と光テレメータの電源は加速電源のトランスから取ることもある（簡易型）が、別の電源から得るようにすることもある。ここでは加速電源とは別の電源からフィラメント電源、光テレメータ電源を取る場合を述べる。
【００１９】
フィラメント加熱に必要な電源は交流で５Ｖ程度で５０Ａ程度である。たとえば大地側の商用電源から電力を取る。大地と高圧架台を絶縁するために、商用電源をそのままトランスによって昇圧、降圧するという訳にはゆかない。トランスを伝わって漏れ電流が流れる可能性がある。
【００２０】
そこで大地側にモータを設け、高圧架台に発電機を設け、モータ軸を発電機を絶縁体の棒によって連結する。大地側でモータを回転させ、棒を通じて回転力を発電機に伝え高圧架台に乗せた発電機を廻すようにする。モータの回転数変化によって発電機出力電圧が変化する。モータが直流モータであれば回転数制御は電圧変化によって容易に行える。交流モータであればトライアックやＳＣＲ制御によって回転数を変化させることができる。
【００２１】
発電機の交流（例えば１１０Ｖ）をトランスによって適当な電圧に変圧してフィラメント電源とすることができる。光テレメータの電源も同様にモータと発電機によって取ることができるが、そうするともう一つモータと発電機が余分に必要となる。それはもったいないのでフィラメント電源と光テレメータの電源を発電機の交流から取るようにする。フィラメント電源は交流のままで５Ｖ程度、光テレメータの電源は直流の５Ｖ程度である。どちらも発電機の交流をそのまま使えないからトランスによって電圧を落とすとか交直変換するので、そのような共用は可能である。
【００２２】
だから光テレメータのために新たに追加する必要のある部分はわずかである。個々のヘッドのビーム電流ＩＢ１、ＩＢ２…などを測定し、それをＬＥＤによって光信号にしそれを伝送媒体を通し、大地側の受光素子へ送信している。大地側で、このヘッドのビーム電流を求める事ができるようになっている。
【００２３】
ＬＥＤは振幅変調によって電子ビーム電流信号を送信するようにしている。Ｘ線が発生し、高気圧で高電圧で、サージやノイズの多い高圧架台において使用されるのであるからＬＥＤは特に特性の優れた高価なものを使用している。
【００２４】
しかし電子ビームを引き出し始めたときにＬＥＤ出力が不安定で時に誤動作することがあるということがわかった。ＬＥＤの信号が不安定で実際のビーム電流でない値を指示することがある。例えば電子ビーム電流の定常値が１１０ｍＡだとするとき、引き出し開始時の１００ｍｓ〜２００ｍｓの短い間だけであるが、これを越える２００ｍＡとか過大なビーム電流信号をＬＥＤが出すようになる。
【００２５】
それはビーム引き出しを開始した時だけのことであるが、大地側の受信器は過大な電子ビーム電流が発生しているという信号を受け取るから、インターロックシステムが働いて高圧電源を遮断して全てのヘッドの運転が緊急停止される。すると他のヘッドの運転も停止してしまい処理ができなくなる。そのような誤動作は頻繁に起こるということではない。フィラメント電源を立ち上げたときに時々起こるといった程度の誤動作である。
【００２６】
その原因を考察したが、フィラメント電源と光テレメータの直流電源を共通の発電機交流からとっているというところに起因するという事が明らかになってきた。
【００２７】
フィラメントには定常状態で例えば５Ｖ、５０Ａの電流を流す。定常状態ではそれでよいが、金属（例えばＷ）の細い抵抗体であるから温度上昇とともに抵抗値が増加する。電流流し始めは温度が低くて抵抗も低いから、いきなり５Ｖを掛けると過大な電流が流れてしまう。それは困るから電圧は０Ｖから徐々に増加させるようにする。ジュール熱によってフィラメントが加熱されて抵抗値が上がり落ち着いたところで規定の５Ｖ交流を加えるというようにする。
【００２８】
フィラメント電源としてはそのような電圧漸増が望ましい。発電機の定常電圧は１１０Ｖであるとしているから、フィラメント用トランスはこれを５Ｖに降圧するため、巻数比が１１０：５のものを使うことになる。巻数比が固定であるから上記のようにフィラメント電圧を漸増するには発電機の電圧自体を漸増する必要がある。ということは地上側のモータ（電動機）の出力を増減する必要があるということである。
【００２９】
しかし一定直流電源を必要とする光テレメータは少し事情が異なる。光テレメータは例えば５Ｖ直流で正常に動作するというように設計される。
発電機の交流出力を整流して定電圧回路に通して光テレメータ用の５Ｖ直流電源としているが、フィラメント加熱のため発電機の電圧は徐々に立ち上がるようにしているから光テレメータ用の電圧もすぐに５Ｖ直流が得られず、０Ｖから立ち上げる。発電機の電圧が０Ｖ〜３０Ｖ程度にあるときに、光テレメータの電源電圧が０Ｖ〜３Ｖとなるのであるが、３Ｖ以下でＬＥＤが誤動作するという事が明らかになってきた。使用環境が過酷であるから、ＬＥＤはできるだけ高性能高品質のものを選ぶのであるが、それでも電圧が低いときは時に誤動作してしまうことがある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
光テレメータの電源電圧が３Ｖを切るあたりでＬＥＤが誤動作する。本発明はそこで、光テレメータの直流電源電圧が充分に上がってからＬＥＤを駆動するようにした。つまり光テレメータの電源が３Ｖ以下ではＬＥＤに電源が与えられず、３Ｖを越えてから光テレメータ電源電圧がＬＥＤに供給されるようにする。そのため光テレメータ電源にリミッタ回路を挿入している。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の多ヘッド型電子線照射装置のフィラメント電源、光テレメータ電源などの電力系統のあらましを示す概略構成図である。上方の四角で囲んだ部分１が高圧架台に搭載した加速電源部分を表している。高圧電源２は、トランス３の二次側電圧をコンデンサと整流器とを組み合わせたＣＷ（コッククロフトウオルトン）回路であって所望の高電圧（８００ｋｅＶ〜１ＭｅＶ）を生成する。トランス３の一次側ｅ、ｆは商用電源ではなくて、商用電源（２００Ｖ、６０〜５０Ｈｚ）をインバータによって交直交の変換をしてさらに電力をサイリスタ制御しリアクトルを通した交流である。周波数は例えば１ｋＨｚである。電圧は制御信号によって変えることができる。
【００３２】
左側のモータ４はインバータを経た三相交流（ａ、ｂ、ｃ）で駆動される電動機である。これはＡヘッドのフィラメント電力を供給する為のものである。絶縁体の棒５によって発電機（Ｇ）６に接続される。モータ回転が発電機６の回転になり発電機でモータ回転に比例した電圧の交流が発生する。絶縁体棒５を介在させるのは、発電機（高圧架台にある）を地上にあるモータ４から絶縁するためである。
【００３３】
右側のモータ７も同様であり、これはＢヘッドのフィラメント電力を与えるためのものである。ヘッドの数だけ電動機、棒、発電機の組み合わせが設けられる。
だから以後は一方のＡヘッドに関するものだけを説明する。Ｂヘッドも同様である。高圧電源２の二次側端子のｋは接地側であり、端子ｇがヘッドの照射窓直下において電子電流を受けるターゲットに接続される。もしもヘッド数が一つであれば、端子ｇから高圧電源２の端子ｋに流れ込む電流Ｉ０はビーム電流に等しい。だから別段ヘッド内にビーム電流測定装置を設ける必要はない。
【００３４】
多ヘッドであるから、Ｉ０だけでは個々のヘッドのビーム電流が分からなくなる。Ｉ０＝ＩＢ１＋ＩＢ２＋…となるから、合計は分かるが一つ一つのビーム電流はわからない。
【００３５】
発電機６、９の出力ｎ、ｎと、高圧電源２の出力のｍが接続される。これはフィラメントに負の高電圧を印加して電子線に加速電圧を与えるためである。高圧電源はｋが接地電位であり、ｍ、ｌが負の高圧（８００ｋＶ〜１００００ｋＶ）である。端子ｄは抵抗値の大きい電圧検出抵抗（ＲＭ）１０を通して高圧側（ｌ点）に接続される。電圧検出抵抗１０にはより小さい抵抗（図示せず）が直列に接続され、その抵抗の電圧を測定することによって、高圧電源の電圧を測定するようになっている。ＲＭはそのための分圧抵抗である。
【００３６】
発電機６の出力線１１は例えば実効振幅が１１０Ｖの交流であるが、負高電圧が重畳されている。フィラメント電源用トランス１２の一次側端子ｒ、ｓに入り、トランスによって降圧される。トランス１２の一次側１４と二次側１５の巻数比は電圧比に等しく設定する。前記のようにフィラメントの定常電圧は５Ｖ程度である。二次側端子ｕ、ｖはＡヘッド２５のフィラメント２６の端子ｗ、ｘに接続される。二点鎖線で示したヘッドは真空チャンバ、加速管、走査管、照射窓などを略示している。フィラメント２６に通電すると熱電子が出て、これが負電圧で加速され照射窓から電子線ｅ−として出てゆく。
【００３７】
発電機出力線１１がｏ、ｐ点で一部分岐して、配線１６、１７を通り光テレメータ１８へゆくようになっている。これはここでは交流１１０Ｖから直流５Ｖを生成する電源回路である。一度トランスを通して降圧してから整流して直流としトランジスタを用いて定電圧の直流とするか、トランスを通さずに整流しトランジスタで降圧して５Ｖの電圧とするか、いずれでもよい。
【００３８】
ここで重要な事は、フィラメント電圧を漸増するため発電機６の回転数を徐々に上げるということになるから、電源線１６、１７の電圧が０Ｖから１１０Ｖまでゆっくりと立ち上がるので光テレメータ電圧も３Ｖ以下の時点があるということであった。そのため従来例においては電圧が不足しＬＥＤが誤動作した。
【００３９】
光テレメータ１８から光送信器２１（ＬＥＤ）に信号が送られてビーム電流信号を大地側へ送信する。これは１０ｋＨｚの信号で振幅変調によって信号を送信する。光信号２２は空間伝送か、あるいは光ファイバ伝送となる。光信号を用いるのは絶縁のためである。地上側の光受信器２３がその信号を受けて復調しビーム電流ＩＢ１を求める。電子ビーム電流ＩＢ１をどこから得るのか？というと、フィラメントトランス１２の一次側ｒと二次側ｕを電流検出抵抗１３（Ｒｓ）を介して接続して、その電圧降下ΔＶ＝−ＲｓＩＢ１から求める。
【００４０】
フィラメントトランス１２は電圧を１１０Ｖから５Ｖに落とす作用があるが、一次側１４（ｒ、ｓ）と二次側１５（ｕ、ｖ）がもしもつながっていないとすると電子ビーム電流が流れない。ということは電子ビームが出ないということである。そこでトランスの一次側と二次側を配線で接続する必要があるが、そこに抵抗１３（Ｒｓ）を入れることによってＡヘッド２５のビーム電流を求めることができる。抵抗１３の出力側端子ｙを抵抗４４を介して光テレメータ１８に入力する。配線１７と端子ｙとの電圧差がΔＶ＝−ＲｓＩＢ１であるからＡヘッドだけのビーム電流ＩＢ１を計測できる。それによってＬＥＤを振幅変調して光信号を生成する。
【００４１】
以上の構造は従来例と同じである。抵抗１３によって個々のビーム電流検出を行っているから光テレメータが必要で、そのための電源電圧の初期揺らぎがＬＥＤの動作不安定を誘起する。
【００４２】
図２は光テレメータの電源部分の一部を示す回路図である。本発明の特徴はここに表れている。これはフィラメント電源線を分岐した点ｏ、ｐからトランスを経て整流回路（全波、半波）、定電圧回路を経た後のものである。電源＋配線２７、電源−配線２８の電位差は定常では５Ｖである。１６Ｖのツェナーダイオード２９は過電圧になるのを防ぐため電源線２７、２８間に入れてある。４．７μＦ、５μＦのコンデンサ３０、３１は電圧を安定させインピーダンスを下げるために入っている。１ｋΩの抵抗３２は保護抵抗である。
【００４３】
その後の二点鎖線で囲んだ電源リミッタ回路４０が本発明の新規な点である。電源線２７、２８の間に二つのダイオード３３、３４、リレー３５のコイルが順方向に接続されている。リレー３５のコイルには逆方向にダイオード３６が並列に接続される。さらにそのリレーの常閉接点３７と１０Ωの抵抗３８が電源線２７、２８間に接続されている。電源線２７と電源線４１の間にリレーの常開接点３９が接続されている。電源線４１、４２が光テレメータの電源（ＤＣ５Ｖ）となる。
【００４４】
新たに追加されたリレー３５は３Ｖ以上でオンになるようなリレーである。そのようなリレーは市販品で容易に入手できる。
【００４５】
フィラメント電圧を漸増させるため、発電機６の出力の電圧（ｏｐ間）が０Ｖから例えば３０Ｖまで徐々に上がるが、ｏｐ間３０Ｖ程度では、電源線２７、２８間の電圧が３Ｖ程度になる。その場合、ダイオード３３、３４で１Ｖ程度降下するからリレーのコイル３５には２Ｖしか掛からない。だからリレーはオンしない。常閉接点３７は閉じるから抵抗３８を通して電流が流れる。常開接点３９は開いているから４１、４２に電圧が現れない。光テレメータとしての電源電圧は０のままである。つまりＬＥＤはその間光らないわけである。
【００４６】
発電機の出力電圧（ｏｐ間）が３０Ｖを超えて初めて、電源線２７、２８間の電圧が４Ｖになる。これが４Ｖであると、ダイオードの電圧低下１Ｖを差し引いても、リレーコイル３５に３Ｖの電圧がかかる。リレー３５のコイルは接片を引き寄せる。常開接点３９が閉じるので、電源線４１、４２の間に４Ｖの電圧があらわれる。４Ｖあれば光テレメータの回路は正常に働きＬＥＤも正常に光るので誤動作しなくなる。
【００４７】
さらに発電機出力電圧（ｏｐ間）が上昇すると、電源線２７、２８間が５Ｖになり、リレー３５はオンのままとなる。ＬＥＤは振幅変調されて信号を発生し続けるようになる。
【００４８】
このように発電機電圧が充分な値になるまで光テレメータ電源を０とするようなリミッタ回路を設けているから、ＬＥＤの誤動作を防ぐことができる。ＬＥＤの誤動作がおこらないから、見かけの過大ビーム電流によってインターロックがかかって電子線照射装置全体が停止するというような事故を防止することができる。
【００４９】
【発明の効果】
従来の多ヘッド型電子線照射装置においては、ここのビーム電流を測定し伝送するために、フィラメント電源と電源を共通にする光テレメータを用いたが、光テレメータの光送信器に用いるＬＥＤが低電圧時に誤動作するという欠点があった。本発明は、フィラメント電源電圧が充分な電圧に確立するまで光テレメータ電源を与えず、フィラメント電源電圧が確立してから光テレメータ電源に所定の電源電圧を与えるようにしたので、ＬＥＤの不安定領域が消滅する。ＬＥＤ送信信号は正しくビーム電流値を与えている。ビーム電流値が過大にみえてインターロックがかかり高圧電源を遮断することによって全ヘッドでの電子ビーム引き出しを停止させ、装置の全体が停止するという重大な事故を防ぐことができる。
【００５０】
もしもインターロックがかかり装置全体が運転停止すると、真空チャンバを開いて内部を点検しなければならない。高圧部分は危険であるし大地側を遮断されているからそれは大変なことである。高圧部分は絶縁のためにＳＦ６ガスを満たした容器の内部にはいっており、まずＳＦ６ガスを抜いて大気と置換し、容器を開いて内部を点検するということになる。本発明はＬＥＤの誤動作を防ぐことによって、このようなわずらわしい事故の発生を防ぐ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多ヘッド電子線照射装置のフィラメント電源、光テレメータ電源などの関係を示す概略構成図。
【図２】本発明が新たに設けた回路を含む光テレメータ電源部分の一部回路図。
【符号の説明】
１  高圧架台
２  高圧電源
３  トランス
４  電動機
５  絶縁体棒
６  発電機
７  電動機
８  絶縁体棒
９  発電機
１０  電圧検出抵抗
１１  発電機出力線
１２  フィラメント電源用トランス
１３  電流検出抵抗
１４  一次側
１５  二次側
１６  電源線
１７  電源線
１８  光テレメータ
１９  信号線
２０  信号線
２１  光送信器
２２  光信号
２３  光受信器
２５  ヘッド
２６  フィラメント
２７、２８  電源線
２９  ツェナーダイオード
３０、３１コンデンサ
３２  抵抗
３３、３４  ダイオード
３５  リレーコイル
３６  ダイオード
３７  リレーの常閉接点
３８  抵抗
３９  リレーの常開接点
４０  光テレメータ電源リミッタ回路
４１、４２  電源線
４４  抵抗
【図１】
0003915449.tif 000002
【図２】
0003915449.tif 000003