СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА
METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING ELECTRON BEAM INTENSITY

Изобретение относится к способу контроля интенсивности электронного луча.
Также изобретение относится к устройству для контроля интенсивности электронного луча.
Подобные электронные лучи образуются, например, в электронных устройствах, выполненных аналогично рентгеновским трубкам, внутри которых установлен тлеющий металлический эмиссионный элемент. При этом электроны образуются тлеющей эмиссией и ускоряются внутри трубки до критических значений энергии. Соответственно ускоренные электроны выходят в конце ускорительного участка через выходное окно из электронного устройства. Обычно выходное окно выполняется тонким или узким и электрически подключено к потенциалу земли. Такие устройства именуются также электронными пушками.
После своего выхода через выходное окно электроны попадают в атмосферу окружающей среды и распространяются в ней. Максимальное расстояние распространения определяется кинетической энергией электронов.
Согласно типичному варианту выполнения создается поток электронов, интенсивность которого находится в диапазоне от 100 мкА до 200 мА. Также обычно предусматривается непрерывный режим эксплуатации трубок с целью обеспечения эмиссии постоянного количества электронов. Кроме того, обычно используется постоянное ускоряющее напряжение для образования непрерывного во времени потока электронов.
Однако из-за конструкции, применяемых трубок иногда возникают посадки напряжения, которые могут вызываться, например, искрением на поверхности керамических изоляторов. Такие посадки напряжения действуют в электрическом отношении подобно коротким замыканиям и приводят к тому, что кинетическая энергия электронов в их потоке снижается, вследствие чего также может снижаться интенсивность луча и/или дальность действия электронов.
Нельзя также с уверенностью исключить, что при таких воздействиях не произойдет кратковременного полного выхода из строя электронного луча. По соответствующим причинам такой выход из строя может занимать интервал времени от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Продолжительность неисправности, составляющая более 1 миллисекунды, может определяться в результате контроля обслуживающего трубку сетевого прибора по характеристикам напряжения и тока. Однако сбои более короткой продолжительности не могут или, по меньшей мере, надежно не могут определяться из-за постоянных времени при фильтрации сетевого элемента и вследствие реализуемой частоты сканирования при контроле за характеристиками напряжения и тока.
Такие электронные лучи могут применяться, например, при стерилизации поверхности упаковочных материалов. При этом применении по поверхности упаковочного материала перемещается электронный луч в результате его соответствующей развертки и/или в результате движения упаковочного материала относительно источника электронов, по меньшей мере, полностью на заданных участках для обеспечения надежной стерилизации. При провалах интенсивности электронного луча, его кратковременном выходе из строя или нарушении его электропитания, если при этом не приняты соответствующие контрмеры, происходит неполная стерилизация, что является неприемлемым.
В техническом отношении чрезвычайно сложно надежно избежать провалов интенсивности и энергопитания или же кратковременных выходов из строя электронного луча при соблюдении экономичных краевых условий. Поэтому стремятся быстро и надежно распознать соответствующие колебания интенсивности с тем, чтобы можно было оказать влияние на развертку электронного луча или на характер совершаемых движений так, чтобы каждый участок стерилизуемой поверхности упаковочного материала подвергался достаточно длительному воздействию довольно интенсивного электронного луча.
В рамках настоящего изобретения под понятием «упаковочный материал» понимается любой материал, пригодный для упаковки или образования тары под быстропортящиеся продукты. При этом применяются как эластичные материалы, например пленки, так и жесткие материалы, например, изготовленные из жести банки или стеклянные бутылки или банки и полужесткие материалы, например, пластмассовые бутылки, пластмассовые стаканчики и прочее.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание способа упомянутого выше типа, при котором обеспечивается надежный контроль интенсивности электронного луча.
Эта задача решается согласно изобретению в результате того, что для распознавания изменений интенсивности электронного луча обнаруживается и анализируется электронное или электромагнитное излучение, созданное электронным лучом непосредственно или косвенно.
Используемое в рамках настоящего изобретения выражение «электронное или электромагнитное излучение, создаваемое электронным лучом непосредственно или косвенно» следует понимать таким образом, что объект изобретения относится к обнаружению (электромагнитных) излучений, способных возникать разным способом. Во-первых, речь идет об электронном излучении, создаваемом непосредственно электронным лучом, например, в результате того, что электрон вылетает из оболочки атома или молекулы и попадает непосредственно на или в чувствительный к облучению элемент, используемый для обнаружения. Для обнаружения такого электронного облучения могут применяться, например, резисторы, например, РТ 100, РТС, NTC, которые известны специалисту. При этом предпочтительно применяются такие элементы, которые очень быстро реагируют на изменения температуры и, следовательно, способны регистрировать малейшие изменения электронного излучения.
Во-вторых, речь идет об электромагнитном излучении, которое может быть вызвано электронным лучом только косвенно, например, в результате подробнее описываемых ниже рекомбинаций электронно-ионных пар и возникающих при этом электромагнитных излучений.
Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства охарактеризованного выше типа, позволяющего быстро и надежно контролировать интенсивность электронного луча.
Эта задача решается согласно изобретению в результате того, что выполнен детектор для измерительной регистрации электромагнитного излучения, непосредственно или косвенно производимого электронным лучом, и что детектор соединен с аналитическим устройством для распознавания изменений интенсивности существующего электромагнитного излучения.
Ниже изобретение описывается с помощью примера его выполнения. При этом изображено:
фиг.1 - диаграмма известных специалисту условий потери энергии электронами при прохождении через воздух,
фиг.2 - устройство согласно изобретению в упрощенном виде.
Техническое устройство для контроля за образуемым электронным лучом электромагнитным излучением может быть выполнено с небольшими габаритами и недорогим. Соответствующий детектор, обнаруживающий излучение электронного луча, обладает очень низкой погрешностью, благодаря чему для фильтрации сигнала, т.е. для распознавания изменения электронного луча, достаточными оказываются при измерении и наблюдении доли миллисекунды (постоянная времени).
Детектор может располагаться вне электронного луча, вследствие чего термическая нагрузка остается малой, что чрезвычайно положительно сказывается на сроке службы такого детектора. Интенсивность электромагнитного излучения коррелирует непосредственно с интенсивностью электронного луча и измерительная регистрация электромагнитного излучения может проводиться с чрезвычайно высокой, абсолютной точностью.
Измерительная регистрация в характерном диапазоне частот происходит в результате того, что оценивается ультрафиолетовое излучение.
Также во внимание принято, чтобы оценивалось и световое излучение.
Особенно простое конструктивно-техническое решение достигается в том случае, когда электромагнитное излучение анализируется при распространении электронного луча в условиях атмосферного воздуха.
Согласно предпочтительному варианту выполнения предусмотрено, чтобы электронный луч применялся для уменьшения количества микроорганизмов на участке поверхности упаковочного материала.
В частности, предусмотрено, чтобы было уменьшено количество микроорганизмов на участке поверхности емкости.
Компактность конструкции достигается за счет того, что электромагнитное излучение обнаруживается полупроводниковым датчиком.
Для удешевления конструкции может применяться вместо полупроводникового датчика светочувствительный диод, называемый также фотодиодом.
Другой вариант выполнения состоит в том, что в качестве полупроводникового датчика используется ПЗС-кристалл, светочувствительный КМОП-компонент или фототранзистор. Также возможен вариант выполнения с применением светочувствительного резистора.
2
На фиг.1 представлены типичные кривые специфической ионизации и потери энергии через энергию электронов. При этом кривая специфической ионизации указывает на количество ионных пар, образованных электроном с энергией от 1 кэВ до 3 МэВ во время просвечивания через столб воздуха размером 1 мг/см. Под отдельной ионной парой следует понимать в данном случае ансамбль из одного электрона и одного иона, что ниже будет называться электронно-ионной парой.
2
Кривая, обозначенная как кривая потери энергии, описывает потерю энергии электронами в воздушной среде при просвечивании воздушного столба при весе, отнесенном к единице площади, 1 мг/см. Обычно эффекты, возникающие при взаимодействии электронов с материалом, соотносятся скорее с весом, отнесенным к единице поверхности, так как, независимо от вида материала, т.е. независимо от так называемого материала абсорбера, одинаковые весовые показатели, отнесенные к единице поверхности разных абсорберов, приводят к приблизительно одинаковым эффектам. Так при просвечивании столба аргона или азота с одинаковым весом σ, отнесенным к единице поверхности, следует ожидать приблизительно одинаковую потерю ∆Е энергии электронного луча, что и при просвечивании воздушного столба с одинаковым весом, отнесенным к единице поверхности.
Также и количество образованных электронно-ионных пар следует приблизительно этой закономерности. Под словом «приблизительно» здесь следует понимать, что ожидаемые зависимости могут варьироваться только на ±15% с учетом материала при составах абсорбера, выражаемых порядковыми числами Z от 6 до 20. Для всех других абсорберов отклонения между отдельными видами материала являются большими. Эффекты потери энергии электронами в абсорберах описываются уравнением Бета-Блоха, которое поясняется в работе "Dosimetrie ionisierter Strahlung" (Дозиметрия ионизированного излучения), Reich B.G., г.Штутгарт, 1990 г., стр.69.
Предпочтительно способ и устройство согласно изобретению применяются в связи с контролем интенсивности электронного луча, используемого при стерилизации поверхности материала упаковки. Для этого облучения электроны ускоряются внутри трубки для образования электронного луча настолько, чтобы энергия электронов составляла от 60 кэВ до 2 МэВ. Электронное излучение выходит из трубки на участке выходного окна и попадает в воздушную атмосферу или в окружающее пространство, состоящее из постороннего газа, например, аргона или азота, и предназначенное для замены окружающей атмосферной среды для попадания на участок упаковочного материала при отсутствии кислорода.
На участке выходного окна энергия электронов снижается, при этом величина снижения зависит от толщины выходного окна, материала этого окна и кинетической энергии электронов.
После выхода из выходного окна электроны теряют при прохождении через атмосферу окружающей среды энергию на дополнительную постоянную величину. Эта потеря энергии проистекает по существу вследствие передачи импульсов, причем в результате выхода электронов, например, электронно-ионных пар, образуются возбужденные ионы, возбужденные молекулы, части молекул и радикалы. В целом выходящие электроны создают в окружающей атмосфере плазму. Как правило, участок, на котором затормаживается электронный луч электронной пушки, может быть также заполнен другими, чем воздух газами, например, аргоном, азотом, гелием и пр. Это относится и к последующим описаниям.
2
На фиг.1 показана в качестве примера скорость образования электронно-ионных пар в качестве специфической ионизации. Также показана потеря энергии электронами в энергетическом диапазоне от 1 кэВ до 3 МэВ на участке поглощения 1 мг/см воздуха, что при температуре 293 по Кельвину и давлении 1013,25 мбара соответствует воздушному столбу размером ок. 8,3 мм. Соответствующие потери энергии приводят к тому, что электронный луч, например, в 130 кэВ распространяется в атмосфере на расстояние ок. 20 см. Поверхности упаковочных материалов, удаленные относительно выходного окна на расстояние более 20 см, являются, следовательно, недосягаемыми для электронного луча с такой энергией.
Для решения этой задачи в изобретении используется эффект, заключающийся в том, что, по меньшей мере, значительная часть первоначальной кинетической энергии электронов расходуется на то, чтобы распространяющиеся от выходного окна электроны передали свою кинетическую энергию посредством импульсов атмосфере, через которую они прошли. При этом в направлении движения электронов в результате столкновений с компонентами окружающей электроны атмосферы постоянно будут выбиваться электроны из оболочек атомов или молекул этих компонентов, в результате чего будут снова образовываться пары из свободных электронов и ионов. Следовательно, электронный луч будет постоянно образовывать плазму при своем прохождении.
Из специальной литературы, например, Н.Kuchling, "Taschenbuch der Physik", Carl Hanser Verlag (X.Кухлинг, «Справочник по физике», из-во Карл Ханзер, 16-е изд., стр.572), известно, что средняя константа ионизации составляет для воздуха 33,85 эВ, вследствие чего при известности потери энергии электроном может быть рассчитана при образовании электронно-ионной пары в абсорбере количество пар, образованных в целом электроном электронного луча на своем пути движения.
В том случае когда из выходного окна вылетает электрон с энергией 130 эВ, то такой электрон, как показано на фиг.1, имеет потерю энергии на первом участке длиной 8,3 мм в абсорбере, равную 3,3 кэВ. Вследствие столкновений, обуславливающих такую потерю энергии, образуются 97 электронно-ионных пар. На всех других проходимых участках абсорбера количество образующихся электронно-ионных пар увеличивается, так как потеря энергии возрастает с падением энергии электрона. Поэтому применение показателя, равного 100 образованных электронно-ионных пар на участке абсорбера 8,3 мм, считается консервативным для последующей оценки.
То, что обнаружение электронного луча или контроль за его интенсивностью должен проводиться с необходимой точностью, может быть проиллюстрировано на следующем показательном расчете.
Электрон с энергией 130 кэВ образует:
2
2
24 мг/см*100 электронно-ионных пар (на 1 мг/см) = 2400 электронно-ионных пар.
Для стерилизации упаковочных материалов электронными лучами, распространяющимися в воздухе, применяются, например, токи в луче от 100 мкА до 200 мА.
Следующий показательный расчет касается тока в луче 1 мА, с помощью которого при стерилизации упаковочных материалов достигаются очень хорошие результаты.
15
15
19
Ток в 1 мА соответствует количеству электронов 6,25*10 в секунду. Ток в луче 1 мА производит, следовательно, на воздухе, по меньшей мере, 6,25*10*2400 электронно-ионных пар в секунду. Это соответствует 1,5*10 электронно-ионным парам в секунду.
Почти все эти электронно-ионные пары немедленно снова рекомбинируются, причем большая часть выделившейся в ходе рекомбинации энергии в виде излучения УФ-света или видимого спектра света, «светового излучения», излучается.
Точную долю квантов светового излучения от количества квантов на других участках или на не облучаемых переходах указать не возможно, однако доля составляет, как это специалисту хорошо известно, скорее 50%, чем 1%.
19
17
Поэтому доля рекомбинации на участке светового излучения может считаться чрезвычайно консервативной оценкой. Из 1,5*10 электронно-ионных пар в секунду, по меньшей мере, 1,5*10 фотонов излучаются в диапазоне светового излучения.
Ультрафиолетовое или световое излучение происходит посредством выходного окна, предназначенного для электронного луча, из баллонообразного участка, при этом баллонообразный участок определяется радиусом действия электронного излучения и многократным рассеиванием электронов. Световое излучение распространяется в пространстве изотропно.
2
Для решения задачи настоящего изобретения достаточно контролировать только очень малый элемент поверхности баллонообразного участка. Например, достаточен контроль за элементом поверхности размером 0,2 см через круговое наблюдательное окно диаметром 5 мм.
2
2
17
Если принять во внимание детектор с чувствительной поверхностью 0,2 см (при диаметре 5 мм), который расположен на расстоянии 30 см от центра рекомбинированного участка и ориентирован на него, то детектор видит на основании соотношения между обоими телесными углами, а именно между полным телесным углом 4 πr, под которым производится световое излучение, при этом r означает расстояние от центра участка рекомбинации до места нахождения детектора, и телесным углом, образованным поверхностью детектора относительно центра объема эмиссионного излучения, только 57600-ю часть 1,5*10 фотонов, испускаемых в секунду в виде светового излучения.
12
Светочувствительные диоды существуют при очень широком диапазоне чувствительности, который начинается уже с длины волны ок. 200 нм и кончается видимым диапазоном. Вероятность срабатывания таких чувствительных к излучению конструктивных элементов или компонентов (светочувствительных диодов, чувствительных к излучению диодов, ПЗС-кристаллов, КМОП-кристаллов, фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов) составляет обычно заметно более 50%, т.е., по меньшей мере, каждый второй квант также обнаруживается, вследствие чего детектором обнаруживаются в данном примере 1,3*10 световых квантов в секунду.
4
0
Эффективный контроль за потоком электронов требует контрольного сигнала с точностью ок. 0,001 при частоте сканирования 10 в секунду. Это означает, что требуется наличие монитора для потока электронов, который сравнивал бы через каждые 100 мкс фактический показатель с заданным, при этом фактический показатель должен иметь точность в 1%.
8
Поскольку световые кванты испускаются статистически и в большом количестве, а именно 1,3*10 световых квантов за 100 мкс, которые затем преобразуются в детекторе в поток, то легко может быть рассчитана погрешность ∆I для сигнала I потока.
Из математики общеизвестно, что точность ∆I статистически вероятных событий, в данном случае это - точность замеренной или выявленной величины интенсивности электронного луча, равна «корню событий», соотнесенному с «общим количеством событий». Следовательно справедливо:
,
где: n - количество событий.
8
-5
Поэтому при таком большом количестве событий (1,3*10) относительная погрешность сигнала потока составляет 8,8*10 при времени сканирования 100 мкс. Такая величина считается превосходной и вероятно не достигается ни одним из других способов обнаружения.
При описанной оценке необходимо, чтобы на контролируемый участок не попадал дневной свет с тем, чтобы контролируемый сигнал не налагался на фоновый сигнал. Для этого контролируемый участок выполняют таким образом, чтобы на нем не создавались помехи, например, дневной свет или свет осветительных приборов.
6
-4
В следующем варианте выполнения детектора использована оптика, посредством которой ограничивается регистрируемая часть телесного угла и которая ослабляет при необходимости имеющееся рассеянное излучение дневного света. И хотя при этом из-за ограничения поля зрения детектора количество падающих световых квантов на чувствительный диод сокращается, однако даже при падающем на детектор потоке фотонов в количестве только 1,3*10 квантов в интервал времени 100 мкс достигаемая статистическая точность по-прежнему составляет 8,8*10.
В другом техническом варианте выполнения детектора перед детектором устанавливается цветной фильтр, через который пропускается к детектору небольшая спектральная область. В результате этого спектральная область может быть ограничена настолько, что в детектор попадают только характерные линии эмиссионного спектра призмы для преобразования потока. Такой вариант выполнения представляет собой особый интерес, так как участок, на котором электронный луч воздействует на материал упаковки, омывается чистым газом. Например, участок омывается азотом или аргоном для предупреждения модификации упаковочного материала под действие кислорода воздуха.
В другом варианте выполнения этого примера предусмотрено выполнять цветной фильтр таким образом, чтобы в целях контроля за интенсивностью электронного излучения чувствительность обеспечивалась только по отношению к линиям в эмиссионном спектре азота или аргона.
В еще одном варианте выполнения данного примера предусмотрено выполнять цветной фильтр таким, чтобы чувствительность обеспечивалась исключительно по отношению к линиям в эмиссионном спектре кислорода для контроля за прониканием кислорода на обрабатываемый участок.
Кроме того, детектор может быть оснащен электронной схемой, например, схемой для контроля за электронным лучом или потоком электронов, причем может регистрироваться предпочтительно интенсивность потока электронов.
Особое преимущество достигается в том случае, когда электронная схема позволяет задавать предпочтительно произвольно выбираемые предельные значения или точки переключения, причем в том случае, когда фактическая интенсивность потока электронов достигает, превосходит или не достигает упомянутые точки переключения, то создаются определенные действия.
Например, может быть предусмотрена первая точка переключения в сочетании с сигналом «Поток электронов прервался». При этом сигнал «Поток электронов прервался» может быть также выдан уже с момента, когда поток электронов снизился на некоторое время.
Кроме того, может быть предусмотрена вторая точка переключения, при этом она будет находиться выше первой. Вторая точка переключения будет сравниваться с первой таким образом, чтобы сигнал «Поток электронов прервался» выдавался только тогда, когда вторая точка переключения не будет превышена по истечении определенного заданного времени.
Детектор для измерительной регистрации такого излучения может иметь площадь поверхности, например, ок. 0,2 см. При наличии круговой поверхности детектора это соответствует диаметру ок. 5 мм. Типичное расстояние до центра рекомбинационного участка и, следовательно, до средней линии электронного луча составляет ок. 30 см. Правда могут применяться датчики и с другими поперечными сечениями и другие расстояния до рекомбинационного участка.
Обычно такой детектор выполнен в виде светочувствительных полупроводниковых диодов. Подобные диоды обладают диапазоном чувствительности, в котором длина волн лежит в диапазоне от ок. 200 нм до видимого света. Также возможно применять в качестве детекторов ПЗС-кристаллы.
Согласно предпочтительному варианту конструктивного выполнения детектор располагается так, чтобы регистрировалось по существу, по меньшей мере, исключительно создаваемое электронным лучом электромагнитное излучение. Для этого датчик затеняют таким образом, чтобы дневной свет или свет от осветительных приборов мог попадать в зону детектора только в максимально малом объеме.
Согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения детектор может располагаться так, чтобы он был ориентирован через стенку из прозрачного или просвечивающего упаковочного материала в сторону плазмы. Например, для стабилизации или дезинфекции внутренней поверхности бутылки из полиэтилентерефталата или какой-либо другой полой тары может использоваться электронный луч, и в полости тары может быть создана необходимая для дезинфекции или стерилизации плазма. При этом детектор следует предпочтительно устанавливать так, чтобы он был ориентирован через стенку на создаваемую в полом изделии плазму и таким образом контролировал излучение находящейся в этом изделии плазмы. Также при таком варианте выполнения детектор может быть оснащен оптикой и/или цветным фильтром.
При этом упаковочный материал может быть пластмассой или стеклом или же состоять из какого-либо другого материала, при этом необходимо, чтобы упаковочный материал являлся для излучения, образующегося при рекомбинации электронно-ионных пар, по меньшей мере, для части этого излучения, прозрачным, проходным или просвечивающим.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения применяется эффект, состоящий в том, что не все электронно-ионные пары снова рекомбинируются сразу после их образования и/или что во время этого процесса электроны движутся в другом направлении относительно первоначального направления электронного луча, вследствие чего эти электроны могут обнаруживаться без необходимости поиска самого электронного луча. Как уже отмечалось выше, также и эти электроны могут распознаваться соответствующими конструктивными элементами, в результате чего может быть создано чрезвычайно оптимальное устройство для контроля интенсивности электронного луча.
Перечень позиций
1 электронный эмиттер
2 выходное окно
3 граница баллонообразного участка УФ- или светового освещения
4 квант света или УФ-излучения
5 баллонообразный участок УФ- или светового излучения
6 фильтр
7 оптика
8 светочувствительный элемент