ДАТЧИК И СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА
SENSOR AND SYSTEM FOR MEASURING ELECTRON BEAM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к датчику и системе для измерения электронного луча.
Предшествующий уровень техники
В индустрии, производящей пищевую упаковку, долгое время использовались упаковки, выполненные из листа или заготовки упаковочного материала, содержащего различные слои бумаги или картона, жидкостные защитные слои, например, из полимеров и защитные слои от газов, например, из тонких алюминиевых пленок. Известно, что для увеличения срока годности упакованных продуктов необходима стерилизация листа перед операциями формования и заполнения, а также стерилизация частично сформированных упаковок (упаковки, готовые к заполнению, или RTF упаковки) перед операцией заполнения. В зависимости от того, какой желательно иметь срок годности, и от того, как будет осуществляться распространение и хранение продукта, т.е. при пониженной температуре или при температуре окружающей среды, могут быть выбраны различные уровни стерилизации. Одним из способов стерилизации листа является химическая стерилизация с использованием, например, ванны с перекисью водорода. Аналогичным образом с помощью перекиси водорода (предпочтительно в газовой фазе) можно стерилизовать упаковку, готовую к заполнению.
Другим способом стерилизации упаковочного материала является его облучение электронами, излучаемыми устройством излучения электронного луча, например, генератором электронного луча. Указанная стерилизация листа упаковочного материала раскрыта, например, в международных патентных публикациях WO 2004/110868 и WO 2004/110869. Аналогичное облучение готовых к заполнению упаковок раскрыто в международной патентной публикации WO 2005/002973.
Для обеспечения управления интенсивностью электронного луча и контроля за изменениями его однородности в реальном времени используют электронные датчики для измерения дозы облучения. Сигнал от датчика анализируют и направляют обратно в систему управления электронным лучом в качестве сигнала обратной связи. При стерилизации упаковочного материала такую обратную связь через датчик можно использовать для обеспечения достаточного уровня стерилизации.
В одном из видов существующих датчиков для измерения интенсивности электронного луча на основе прямых методов измерения используется проводник, помещенный в вакуумную камеру. Вакуумную камеру используют для обеспечения изоляции от окружающей среды. Поскольку датчики на вакуумной основе могут иметь относительно большие размеры, их помещают в местах, находящихся вне прямолинейной траектории электронного луча во избежание затенения мишеней. Затенение может, например, препятствовать правильному облучению (а значит, надлежащей стерилизации) упаковочного материала. Таким образом, в этих датчиках для обеспечения измерения используются вторичная информация от периферии луча или информация из вторичного излучения.
В процессе функционирования электроны из электронного пучка, имеющие достаточную энергию, будут проникать через окно, например титановое (Ti) окно вакуумной камеры, и поглощаться проводником. Поглощенные электроны образуют ток в проводнике. Величина этого тока является мерой количества электронов, проникших через окно вакуумной камеры. Этот ток представляет меру интенсивности электронного луча в месте расположения датчика.
Известный датчик электронного луча, имеющий вакуумную камеру с защитным покрытием и электрод, представляющий сигнальный провод внутри камеры, описан в опубликованной патентной заявке США №2004/0119024. Стенки камеры служат для поддержания вакуума в объеме вокруг электрода. Вакуумная камера имеет окно, точно совмещенное с электродом для измерения интенсивности электронного луча. Конфигурация датчика для измерения вторичного излучения обеспечивает возможность его размещения относительно движущегося изделия, подвергающегося облучению, напротив генератора электронного луча.
Аналогичный датчик электронного луча описан в международной патентной публикации WO 2004/0611890. В одном варианте этого датчика вакуумная камера отсутствует, а электрод снабжен изолирующим слоем или пленкой. Этот изолирующий слой предусмотрен для того, чтобы избежать воздействия электростатических полей и электронов плазмы, создаваемых электронным лучом из-за существенного воздействия выходного сигнала электрода.
В патенте США 6657212 описано устройство обработки параметров излучения электронного луча, в котором изолирующая пленка предусмотрена на проводнике (например, на проводнике из нержавеющей стали) блока обнаружения тока, размещенного вне окна электроннолучевой трубки. Блок измерения тока содержит измеритель тока, который измеряет обнаруженный ток. В этом патенте описываются преимущества детектора с керамическим покрытием.
Другой тип датчика описан в патентной заявке США 11/258212, поданной правопреемником настоящего изобретения. Датчик содержит проводящую проволоку и изолирующий экран, защищающий по меньшей мере часть проводящей проволоки от воздействия плазмы. Плазменный экран содержит также внешний проводящий слой, подсоединенный к потенциалу земли, для поглощения плазмы. Детектор имеет небольшие размеры и может быть помещен вне выходного окна электронов перед электронным пучком. Если использовать несколько детекторов и распределить их по выходному окну электронов, можно обеспечить множество точек измерения и получить в результате отображение дозы электронного луча.
В патентной заявке США №11/258215, также поданной правопреемником настоящего изобретения, описан многослойный детектор, который можно использовать для измерения электронного луча. Детектор содержит проводящую проволоку, которая изолирована от окружающей среды тонким изоляционным материалом. По верху изоляционного материала расположен слой проводящего материала, который подсоединен к потенциалу земли. Через внешние слои способны проникать только электроны из электронного пучка, которые поглощаются проводящим проводом. Внешний проводящий слой поглощает плазму. Детектор имеет небольшие размеры и может быть помещен вне выходного окна электронов перед электронным пучком. Если использовать несколько детекторов и распределить их по выходному окну электронов, можно обеспечить множество точек измерения и получить в результате отображение дозы электронного луча.
В патентной заявке Швеции №0502384-1, описан еще один датчик. Этот датчик содержит проводник и изолирующий корпус. Корпус прикреплен к выходному окну электронов генератора электронного луча и образует закрытую камеру вместе с указанным окном. Проводник находится в камере и поэтому защищен от плазмы.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание датчика для измерения электронного луча, для которого не требуется дополнительного пространства и который может являться интегрированной частью (т.е. выполненной за одно целое) выходного окна электрона.
Поставленная задача решена путем создания датчика, содержащего по меньшей мере одну область по меньшей мере одного проводящего слоя, размещенного на траектории и подсоединенного к детектору тока, причем указанные области по меньшей мере одного проводящего слоя по существу экранированы друг от друга, от окружающей среды и от выходного окна экраном, при этом указанный экран сформирован на защитном окне и по меньшей мере часть указанного экрана, находящегося в контакте с каждой областью, выполнена из изолирующего материала. Таким образом обеспечивается датчик, являющийся интегрированной частью выходного окна, причем для него требуется незначительное дополнительное пространство. Электроны могут проникать через тонкую структуру датчика, и часть (примерно несколько процентов) энергии электронов будет поглощаться проводящим материалом датчика. Поглощенная энергия вызывает появление токов, которые обеспечивают меру интенсивности электронного луча через датчик.
Датчик дополнительно определяется независимыми пунктами 2-13 формулы изобретения.
Изобретение также относится к системе для измерения электронного луча, которая содержит вышеописанный датчик. Указанная система дополнительно содержит генератор электронного луча, для формирования электронного луча вдоль траектории, направленной к мишени в области мишени, причем электронный луч возбуждается указанным генератором через выходное окно. Датчик формируется на выходном окне для обнаружения и измерения интенсивности электронного луча. Система дополнительно содержит опору для поддержки мишени в области мишени.
Система дополнительно определяется независимыми пунктами 15-19 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее более подробно описываются предпочтительные в настоящее время варианты изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему системы для облучения электронным лучом мишени в виде листа согласно изобретению;
Фиг.2 - схему поперечного сечения первого варианта датчика согласно изобретению;
Фиг.3 - схему вида сверху датчика на фиг.2, где способом осаждения получены полосы проводящего материала, но не на внешнем изолирующем слое согласно изобретению;
Фиг.4 - схему поперечного сечения второго варианта датчика согласно изобретению;
Фиг.5 - диаграммы выходной энергии генератора электронного луча и энергии, поглощаемой в каждом проводящем слое, согласно изобретению;
Фиг.6 - схему системы, аналогичной системе на фиг.1, но для облучения мишени в виде упаковки, готовой к заполнению, согласно изобретению;
Фиг.7 - схему поперечных сечений частей альтернативного варианта датчика на фиг.2 и альтернативного варианта для датчика на фиг.4 согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1 показана примерная система 2 для облучения в области 4 мишени электронным лучом 6, излучаемым вдоль траектории. Система 2 содержит средство для облучения, такое как генератор 8 электронного луча для излучения электронного луча 6 вдоль траектории. Система 2 также содержит средство, такое как датчик 100, для обнаружения электронных лучей 6. Таким образом, система 2 содержит как генератор 8 электронного луча, так и датчик 10. Датчик 10 предусмотрен для измерения интенсивности электронного луча 6, формируемого генератором 8 электронного луча вдоль траектории, который облучает область 4 мишени. Генератор 8 электронного луча включает в себя вакуумную камеру 12. Датчик 10 электронного луча сформирован и размещен таким образом, чтобы можно было обнаружить и измерить интенсивность электронного луча, выходящего из вакуумной камеры 12.
Опора 14 предусмотрена для поддержки мишени 16 в области 4 мишени. В варианте на фиг.1 мишень представляет собой лист упаковочного материала 16, а опора 14 для мишени может представлять собой, например, роликовый конвейер для транспортировки листового материла либо другое подходящее устройство упаковочной машины. Кроме того, опора 14 может быть использована для удержания мишени 16 в области 4 мишени в требуемом для измерения положении относительно датчика 10 и генератора 8.
Генератор 8 электронного луча содержит высоковольтный источник 18 питания, подходящий для обеспечения напряжения достаточного уровня для возбуждения генератора 8 электронного луча для требуемого применения. Генератор 8 электронного луча также содержит источник 20 питания нити накала, который преобразует мощность от высоковольтного источника питания до подходящего входного напряжения для нити 22 накала генератора 8. Кроме того, высоковольтный источник 18 питания содержит блок 19 управления сеткой 21, используемой для рассеяния электронного луча 6 в более однородный луч и для фокусировки электронного луча в направлении области 4 мишени.
-
Нить 22 накала может быть размещена в вакуумной камере 12. В одном варианте вакуумная камера 12 может быть герметизирована. При работе системы электроны e излучаются из нити 22 накала по траектории 6 электронного луча в направлении области 4 мишени.
Кроме того, в генераторе 8 электронного луча предусмотрено выходное окно 24 электронов, через которое электроны выходят из вакуумной камеры. Окно 24 может быть выполнено из металлической фольги 25 (фиг.2), например, из титана, и может иметь толщину около 4-12 мкм. Поддерживающая сетка 27, выполненная из алюминия или меди, поддерживает фольгу 25 изнутри генератора 8 электронного луча.
Датчик 10 сформирован на выходном окне 24 и таким образом является интегрированной частью указанного окна. Он содержит по меньшей мере одну область 26 по меньшей мере одного проводящего слоя 28, расположенного на траектории 6 электронного луча. В первом предпочтительном варианте датчик 10 содержит один проводящий слой 28.
Проводящий слой 28 выполнен из нескольких областей 26 проводящего материала. Каждая область 26 сформирована в виде полосы, проходящей через выходное окно 24 (фиг.3). Для изоляции полос 26 друг от друга между ними имеется зазор 30. В данном примере ширина полос 26 находится в диапазоне 10-30 мм, а полосы расположены примерно в 1 мм друг от друга. Кроме того, каждая полоса 26 имеет практически одинаковую площадь.
Для экранирования полос 26 в проводящем слое 28 друг от друга, от окружающей среды и от фольги окна 24 для выхода электронов предусмотрен экран 32 из изолирующего материала. Назначением экрана 32 является защита полос 26 от плазмы, содержащейся в окружающей среде вокруг выходного окна 24, и обеспечении отсутствия прямого контакта полос 26 с любым другим проводящим материалом, например с титановой фольгой выходного окна 24 или другими полосами 26.
Согласно первому варианту экран 32 содержит по меньшей мере первый и второй изолирующие слои 32а и 32b. Первый изолирующий слой 32а покрывает практически всю фольгу выходного окна 24. Поверх изолирующего слоя 32а сформированы полосы 26 проводящего слоя 28. Поверх полос 26 и поверх частично незащищенного первого изолирующего слоя 32а сформирован второй изолирующий слой 32b. Тем самым полосы 26 проводящего слоя 28 оказываются герметизированными изолирующим материалом.
Датчик 10 сформирован на фольге 25 выходного окна 24. Это означает, что датчик 10 находится вне вакуумной камеры 12 и обращен к среде, окружающей генератор 8 электронного луча.
Как изолирующие слои 32а, 32b, так и проводящий слой 28 очень тонкие, и их можно сформировать с использованием технологии осаждения. Например, можно использовать способ плазменного осаждения из паровой фазы или способ химического осаждения из паровой фазы. Конечно, также возможно использование других способов формирования тонких слоев материала.
Предпочтительно для всех слоев датчика 10 использовать одинаковый способ формирования. Области, то есть полосы 26 проводящего слоя 28, могут быть получены способом осаждения с использованием маски для первого изолирующего слоя 32а, чтобы закрыть те части, где нежелательно иметь проводящую область 26.
Толщина, выбираемая для слоев, может иметь любое подходящее значение. Например, могут быть использованы тонкие слои. В одном варианте толщина слоев может находиться в диапазоне от 0,1 до 1 микрометра (мкм), либо быть меньшей или большей, если это необходимо. Предпочтительно, чтобы толщина была одинаковой или практически одинаковой для всех слоев в датчике 10.
2
3
Изолирующие слои 32а, 32b могут быть выполнены из любого изолирующего материала, устойчивого к температурам порядка нескольких сот градусов Цельсия (вплоть до 400°С). Предпочтительно, чтобы изолирующий материал был оксидом. Одним из оксидов, который можно использовать, является оксид алюминия (AlO). Разумеется, также можно использовать другие изолирующие материалы, например керамические материалы различных типов. Термин «изолирующий» означает, что материал в изолирующем слое является электрическим изолятором, т.е., не проводит электрический ток.
Предпочтительно, чтобы проводящий слой 28 был выполнен из металла. Одним из металлов, который можно использовать, является алюминий. Конечно, также можно использовать другие проводящие материалы, например алмаз, алмазоподобный углерод (DLC) и легированные материалы.
Для обеспечения возможности измерения интенсивности электронного луча каждая полоса 26 соединяется с детектором 34 тока. Соединители (не показаны) между полосами 26 и детектором 34 тока предпочтительно размещать у внешней рамки окна 24.
Электроны электронного луча 6 будут проходить через выходное окно 24 и, в отличие от известных датчиков, также будут проникать в тонкую структуру датчика. Таким образом, электроны не будут целиком поглощаться проводящим материалом, а проводящий материал датчика будет поглощать только часть энергии электронов (в диапазоне порядка нескольких процентов). Поглощенная энергия приведет к появлению тока в полосе 26, и в каждой проводящей полосе 26 по отдельности будет обнаруживаться сигнал, который обрабатывается детектором 34 тока и определяет меру интенсивности электронного луча через данную полосу. Детектор 34 тока может содержать усилитель и вольтметр в сочетании с резистором, амперметр или любое другое подходящее устройство.
Следует заметить, что по сравнению с известными датчиками датчиком 10 может быть закрыта большая часть выходного окна 24, но обнаруженный сигнал будет гораздо меньше в расчете на единицу площади.
Выходной сигнал детектора 34 тока сравнивается с заранее установленным значением или подается в контроллер 36, который, в свою очередь, может служить в качестве средства регулирования интенсивности электронного луча в соответствии с выходным сигналом датчика 10. В приведенных в качестве примера вариантах электронный луч может излучаться с энергией, меньшей 100 кэВ, например, в пределах от 60 до 80 кэВ.
На фиг.4 показан датчик 10' согласно второму предпочтительному варианту воплощения.
Датчик 10' может иметь слоистую структуру и содержать первый и второй проводящие слои 28', 38, каждый из которых содержит по меньшей мере одну область 26' для измерения интенсивности электронного луча. В данном случае первый и второй слои 28', 38 содержат несколько областей 26' в виде полос, аналогичных полосам 26 в ранее описанном первом варианте изобретения. Первый и второй слои 28', 38 размещены друг над другом, но необходимо предусмотреть изоляцию для экранирования их друг от друга, от фольги 25' выходного окна и от окружающей среды.
Для герметизации проводящих слоев 28', 38 экран 32' содержит первый, второй и третий изолирующие слои 32а', 32b', 32c'. Первый слой 32а' в этом случае закрывает практически всю фольгу 25' выходного окна 24' и несет на себе первый проводящий слой 28', то есть полосы 26' первого проводящего слоя 28' созданы способом осаждения на первом изолирующем слое 32а'. Поверх частично незащищенного первого изолирующего слоя 32а' и поверх полос 26' первого проводящего слоя 28' способом осаждения нанесен второй изолирующий слой 32b'. В результате полосы 26' первого проводящего слоя 28' оказываются герметизированными изолирующим материалом. Второй изолирующий слой 32b' несет на себе второй проводящий слой 38, т.е. упомянутые области. В данном случае полосы 26' проводящего материала сформированы способом осаждения на втором изолирующем слое 32b'. Поверх частично незащищенного второго изолирующего слоя 32b' и полос 26' второго проводящего слоя 38 способом осаждения сформирован третий изолирующий слой 32с'. В результате полосы 26' второго проводящего слоя 38 герметизированы изолирующим материалом.
Еще один предпочтительный вариант датчика 10 может содержать любое количество дополнительных слоев проводящего материала. В этом случае проводящие слои проложены между изолирующими слоями. По аналогии с первым и вторым вариантом эта слоистая структура начинается с первого изолирующего слоя, сформированного на выходном окне, и заканчивается последним изолирующим слоем, закрывающим по меньшей мере последний проводящий слой для защиты его от окружающей среды.
Датчик с несколькими слоями проводящего материала в слоистой структуре можно использовать для контроля напряжения ускорения, то есть энергии на выходе генератора электронного луча. Указанная информация может составить один параметр, используемый для контроля правильности работы генератора. Кроме того, комбинированное измерение энергии выхода и интенсивности электронного луча можно использовать для дополнительной гарантии того, что упаковочный материал обработан с достаточной степенью стерилизации.
В датчике, имеющем, например, три проводящих слоя, первый проводящий слой, ближайший к нити 21 накала, будет поглощать больше энергии, чем второй слой, который в свою очередь будет поглощать больше энергии, чем третий слой. На фиг.5 по вертикальной оси представлена энергия ΔЕ, поглощенная в слое. Горизонтальная ось представляет проводящие слои (обозначенные как 1-й, 2-й и 3-й) структуры датчика. Отложив в системе координат энергию, поглощенную в каждом слое, для генератора с энергией выхода, например порядка 80 кэВ, можно сформировать по существу вполне определенную функцию. На фиг.5 для простоты показаны функции в виде практически прямых линий. Если отложить энергию, поглощенную в каждом слое, для генератора с энергией выхода порядка 100 кэВ, можно также сформировать по существу вполне определенную функцию, но она будет отличаться от упомянутой ранее. Еще одну по существу вполне определенную функцию можно сформировать, отложив энергию для генератора с энергией выхода, например, порядка 60 кэВ. Различия в графиках этих функций можно использовать для определения того, соответствует ли действительная энергия на выходе генератора ожидаемой, то есть находится ли действительный выход в определенном допустимом диапазоне. Кроме того, если нельзя сформировать практически прямую линию, то есть если одно или несколько значений энергии ΔЕ отклоняется от ожидаемых, то можно предположить, что генератор работает неправильно.
Для упрощения измерения толщины проводящих слоев и изолирующих слоев предпочтительно использовать аналогичный подход.
-
Как упоминалось, одной из функций экрана является защита проводящего слоя или слоев от плазмы и вторичных электронов. Далее раскрывается термин или концепция плазмы. Когда электрон e, излученный нитью 22 (фиг.1), движется к области 4 мишени, он сталкивается на своем пути с молекулами воздуха. Излучаемые электроны могут иметь достаточную энергию для ионизации газа вдоль своей траектории, в результате чего образуется плазма, содержащая ионы и электроны. Электроны плазмы являются вторичными электронами или тепловыми электронами, имеющими низкую энергию по сравнению с электронами электронного луча 6. Электроны плазмы имеют рандомизированный вектор скорости и могут покрывать лишь расстояние, длина которого составляет малую часть средней длины свободного пробега для электронов луча.
Возможно, что в окружающей среде, то есть вне выходного окна генератора 8 электронного луча, будет плазма из-за присутствия воздуха. Однако поскольку эта плазма не имеет достаточной энергии для проникновения во внешний изолирующий слой, который закрывает внешний проводящий слой, она будет выполнять функцию экрана от плазмы.
Другой ранее упомянутой функцией экрана 32, 32' является изоляция полос 26, 26' проводящего слоя друг от друга и, когда это потребуется, изоляция проводящих слоев 28', 38 друг от друга. Таким образом будет иметь место отдельный сигнал, который можно обнаружить в каждой полосе 26, 26' и которые вместе могут дать ясную картину или карту доз облучения материала 16, подлежащего стерилизации. Информацию от каждой полосы (например, амплитуды сигналов, разности/отношения сигналов, позиции полос и т.д.) можно использовать для формирования диаграммы интенсивности излучения с помощью процессора.
Датчик, подобный вышеописанным, можно также использовать в сочетании с облучением мишеней в виде частично сформированных упаковок. Частично сформированные упаковки обычно открыты с одного конца и герметизированы для формирования дна или верхушки на другом конце, их обычно называют упаковками, готовыми к заполнению (RTF упаковки). На фиг.6 схематически показана система 2”, содержащая генератор 8” электронного луча для облучения готовой к заполнению упаковки 16”. Упаковка 16” открыта в ее нижней части 40, а на другом конце расположена верхняя часть 42, снабженная устройством 44 для открывания и закрывания. Во время стерилизации упаковку 16” размещают «вверх ногами» (то есть верхняя часть размещается внизу) в опоре (не показана). Опора может иметь форму несущей части роликового конвейера, который транспортирует упаковку 16" через камеру стерилизации. Система содержит средство (не показано), обеспечивающее относительное перемещение (смотри стрелку) упаковки 16” по отношению к генератору 8” электронного луча для приведения их в положение, в котором генератор 8” оказывается по меньшей мере частично в упаковке 16” для ее обработки. При этом либо генератор 8” опускается в упаковку 16”, либо упаковка 16” поднимается, чтобы охватить генератор 8”, либо они оба движутся в направлении друг к другу. Датчик 10 (фиг.2) расположен на выходном окне 24” генератора 8”.
Хотя настоящее изобретение было описано применительно к предпочтительным на сегодняшний день вариантам, должно быть ясно, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации в рамках задачи и объема изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения.
В описанных здесь вариантах первый изолирующий слой 32а, 32а' закрывает по существу всю фольгу 25, 25' выходного окна, а лежащий сверху изолирующий слой закрывает по существу весь лежащий снизу изолирующий слой. Однако должно быть ясно, что изолирующие слои на практике не должны закрывать друг друга и фольгу 25, 25' окна больше, чем это необходимо для герметизации каждой области 26, 26' проводящих слоев, имеющихся в структуре датчика. На фиг.7 показаны два различных альтернативных варианта.
Области в вышеописанных вариантах представлены в виде полос 26, 26'. Однако нетрудно понять, что эти области могут иметь любую форму, такую как круги, круговые сегменты, эллипсы, дуги, проволоки, прямоугольники и полоски, подходящие для получения необходимой карты доз облучения.
Также было показано, что датчик формируется вне выходного окна электронов. Следует понимать, что можно сформировать датчик внутри этого окна, то есть на поверхности, обращенной к вакуумной камере 12.
Наконец, описанный вариант содержит экран из изоляционного материала. Этот экран может также содержать дополнительные слои или участки для физической защиты (иногда являющимися хрупкими) проводящих и изолирующих слоев. Указанные слои или части могут быть размещены между первым изолирующим слоем и фольгой окна и могут быть выполнены из любого материала, подходящего для использования вместе с материалом в указанной фольге. Также может быть предусмотрен дополнительный защитный слой поверх внешнего изолирующего слоя для защиты от окружающей среды.