СЕНСОР И СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДАННЫХ ОТ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
SENSOR AND SYSTEM FOR GENERATION OF DATA FROM ELECTRON BEAM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сенсору и системе для получения данных от электронного пучка.
Уровень техники
В промышленности упаковки пищевых продуктов в течение длительного времени используются упаковки, сформированные из ткани или листа упаковочного материала, содержащего различные слои бумаги или картона, барьеры для жидкости, например, из полимеров и барьеры для газа, например, из тонких пленок алюминия. Для продления срока годности в упакованном состоянии упаковываемых продуктов известна стерилизация ткани перед операциями формирования и заполнения и стерилизация частично сформированных упаковок (готовые для наполнения упаковки, упаковки RTF) перед операцией заполнения. В зависимости от того, насколько длительное время хранения в упакованном состоянии является желательным, и от того, осуществляется ли розничная продажа и хранение при пониженной температуре или при температуре окружающей среды, могут выбираться различные уровни стерилизации. Один из путей стерилизации ткани представляет собой химическую стерилизацию, например, с использованием ванны с перекисью водорода. Подобным же образом готовая для заполнения упаковка может стерилизоваться посредством перекиси водорода, предпочтительно, в газовой фазе.
Другой путь стерилизации упаковочного материала заключается в облучении его посредством электронов, испускаемых из устройства, испускающего электронный пучок, такого, например, как генератор электронных пучков. Такая стерилизация ткани упаковочного материала описывается, например, в публикациях Международных патентов WO 2004/110868 и WO 2004/110869. Сходное облучение готовых для заполнения упаковок описывается в публикации Международного патента WO 2005/002973. Указанные выше публикации включаются в качестве ссылок.
Для обеспечения оперативного контроля (on-line) интенсивности электронного пучка и для отслеживания разброса однородности используются электронные сенсоры для измерения дозы облучения. Сигнал от сенсора анализируется и вводится обратно в систему контроля электронного пучка в виде управляющего сигнала обратной связи. При стерилизации упаковочного материала такая сенсорная обратная связь может использоваться для обеспечения достаточного уровня стерилизации.
Один из видов существующих сенсоров для измерения интенсивности электронного пучка, основанных на прямых способах измерения, использует проводник, помещенный внутри вакуумной камеры. Вакуумная камера используется для обеспечения изоляции окружающей среды. Поскольку вакуумные сенсоры могут быть относительно большими, они располагаются в положения вне траектории прямого электронного пучка, чтобы избежать затенения целевых мишеней. Затенение может, например, помешать правильному облучению (и таким образом, правильной стерилизации) упаковочного материала. По этой причине эти сенсоры основываются на вторичной информации из периферии пучка или на информации от вторичного облучения для обеспечения измерения.
При работе электроны из электронного пучка, которые имеют достаточную энергию, будут проникать через окно, такое как титановое (Ti) окно вакуумной камеры, и могут поглощаться проводником. Поглощенные электроны генерируют ток в проводнике. Величина этого тока является мерой количества электронов, проникающих через окно вакуумной камеры. Этот ток обеспечивает меру интенсивности электронного пучка в положении сенсора.
Известный сенсор электронного пучка имеет вакуумную камеру с защитным покрытием, и электрод представляет собой сигнальную проволоку внутри камеры, он описан в опубликованной заявке на патент США №US 2004/0119024. Стены камеры используются для поддержания вакуумированного объема вокруг электрода. Вакуумная камера имеет окно, точно совмещенное с электродом, для получения данных об интенсивности электронного пучка. Сенсор конфигурируется для размещения в положении по отношению к движущемуся изделию, которое облучается, противоположном к генератору электронных пучков, для получения данных о вторичном облучении.
Сходный сенсор электронного пучка описывается в публикации Международного патента WO 2004/061890. В одном из вариантов осуществления этого сенсора вакуумная камера убирается и электрод снабжается изолирующим слоем или пленкой. Изолирующий слой предусматривается для предотвращения влияния электростатических полей и плазменных электронов, создаваемых электронным пучком, чтобы они по существу не влияли на выходной сигнал электрода.
Патент США №6657212 описывает устройство для работы с облучением электронными пучками, где на проводнике, таком как проводник из нержавеющей стали, узла детектирования тока, расположенного вне окна электронно-лучевой трубки, предусматривается изолирующая пленка. Узел измерения тока включает в себя измеритель тока, который измеряет детектируемый ток. Этот патент описывает преимущества детектора, покрытого керамикой.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание сенсора для получения данных об электронном пучке, этот сенсор является малым и надежным.
Цель достигается с помощью сенсора для получения данных об интенсивности электронного пучка, генерируемого с помощью генератора электронных пучков, расположенного вдоль траектории в направлении мишени, в пределах площади мишени. Электронный пучок выходит из генератора через выходное окно. Сенсор отличается тем, что он содержит проводник и изолирующий корпус. Кроме того, проводник располагается в пределах траектории и экспонируется для выходного окна. Изолирующий корпус представляет собой экранировку проводника, и указанный корпус находится в зацеплении с выходным окном, образуя камеру вместе с указанным выходным окном. Кроме того, проводник позиционируется внутри указанной камеры. Таким путем получается сенсор, который может быть сделан очень малым. С помощью малого сенсора предотвращается затенение мишени. Кроме того, сенсор является также очень надежным, поскольку проводник непосредственно экспонируется для электронного пучка, и влияние плазмы предотвращается посредством изолирующего корпуса. Только пренебрежимо малое и контролируемое количество плазмы присутствует внутри камеры.
Сенсор дополнительно определяется посредством прилагаемых зависимых пунктов формулы изобретения 2-11.
Настоящее изобретение также относится к системе для получения данных об электронном пучке, эта система содержит сенсор, описанный выше. Указанная система дополнительно содержит генератор электронных пучков, адаптированный для генерирования электронного пучка вдоль траектории в направлении к мишени в области мишени, электронный пучок выходит из генератора через выходное окно. Сенсор находится в зацеплении с указанным выходным окном для детектирования и измерения интенсивности электронного пучка. Система дополнительно содержит опору для поддержки мишени в пределах области мишени.
Система дополнительно определяется посредством прилагаемых зависимых пунктов формулы изобретения 13-19.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем предпочтительный в настоящее время вариант осуществления настоящего изобретения будет описываться более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, где сходные ссылочные номера используются для обозначения сходных элементов, среди которых:
фиг.1 схематически показывает примерную систему для облучения мишени в форме ткани с помощью электронного пучка,
фиг.2 схематически показывает поперечное сечение одного из вариантов осуществления сенсора в соответствии с настоящим изобретением,
фиг.3 схематически показывает многосенсорную конфигурацию по настоящему изобретению,
фиг.4A-4B схематически показывают другие многосенсорные конфигурации, и
фиг.5 схематически показывает примерную систему, сходную с системой на фиг.1, но для облучения мишени в форме готовой для заполнения упаковки.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1 показывает примерную систему 2 для облучения области мишени 4 в пределах электронного пучка 6, испускаемого вдоль некоторой траектории. Примерная система 2 содержит средства для испускания, такие как генератор электронных пучков 8, для испускания электронного пучка 6 вдоль некоторой траектории. Система 2 также содержит средства, такие как сенсор 10, для детектирования электронных пучков 6. Таким образом, система 2 содержит как генератор электронных пучков 8, так и сенсор 10. Сенсор 10 предусматривается для получения данных об интенсивности электронного пучка 6, генерируемого генератором электронных пучков 8 вдоль некоторой траектории, который облучает область мишени 4. Генератор электронных пучков 8 содержит вакуумную камеру 12. Сенсор электронного пучка 10 формируется и располагается таким образом, чтобы он мог детектировать и измерять интенсивность электронного пучка 6, выходящего из вакуумной камеры 12.
Опора 14 предусматривается для поддержки мишени 16 в пределах области мишени 4. В одном из вариантов осуществления, показанном на фиг.1, мишень представляет собой ткань из упаковочного материала 16 и опора 14 для мишени может, например, представлять собой транспортный валик для материала ткани или любое другое пригодное для использования устройство упаковочной машины. Кроме того, может использоваться опора 14 для удерживания мишени 16 в области мишени 4, в желательном положении для измерения по отношению к сенсору 10 и генератору 8.
Генератор электронных пучков 8, как показано на фиг.1, содержит высоковольтный источник питания 18, пригодный для создания достаточного напряжения, для приведения в действие генератора электрических пучков 8 для желаемого применения. Генератор электронных пучков 8 также содержит нитеобразный источник питания 20, который преобразует мощность от высоковольтного источника питания 18 в соответствующее входное напряжение для нити 22 генератора 8. В дополнение к этому, высоковольтный источник питания включает управляющую сетку 19 для контроля ткани 21.
-
Нить 22 может располагаться внутри вакуумной камеры 12. В примерном варианте осуществления вакуумная камера 12 может герметично изолироваться. При работе электроны (e) из нити 22 испускаются вдоль траектории электронного пучка 6 в направлении по направлению к области мишени 4.
Кроме того, генератор электронных пучков 8 снабжен выходным окном для электронов 24. Выходное окно 24 используется для рассеяния электронного пучка 6 в виде более однородного пучка и для фокусирования электронного пучка в направлении области мишени 4. Окно 24 может изготавливаться из металлической фольги, такой, например, как титановая фольга, и может иметь толщину порядка 4-12 мкм. Опорная сетка, сформированная из алюминия или меди, поддерживает фольгу изнутри генератора электронных пучков.
Сенсор 10, примерный вариант осуществления которого показан на фиг.2, содержит проводник 26, сформированный как зонд просто из проволоки или как композит из сердцевины и наружного проводящего слоя. В одном из вариантов осуществления проводник 26 может представлять собой сигнальную проволоку из меди или нержавеющей стали или любой другой пригодный для использования проводник 26. Например, наружный проводящий слой может представлять собой инертный проводящий материал, такой как золото или золотая пластинка. Толщина, выбранная для проводника 26, может быть любого соответствующего размера. Например, может использоваться относительно малый проводник 26. В одном из примерных вариантов осуществления диаметр проводника 26 может быть порядка 0,3 миллиметра (мм), или меньше или больше, по желанию. Если он имеет соответствующие малые размеры, сенсор 10 может располагаться в пределах прямой траектории электронного пучка 6 между нитью 22 и областью мишени 4.
Кроме того, сенсор 10 содержит изолирующий корпус 28, который может изготавливаться из любого изолирующего материала, который может выдержать температуры порядка нескольких сотен градусов Цельсия (примерно до 400°С). Примеры таких материалов представляют собой керамику, окись титана и стекло. Функцией изолирующего корпуса 28 является экранирование проводника 26 от плазмы и вторичных электронов. Под термином "изолирующий" подразумевается, что корпус 28 является электрически изолирующим, то есть непроводящим.
Указанный корпус 28 находится в зацеплении с выходным окном 24 для формирования камеры 30 вместе с указанным выходным окном 24. Выходное окно 24 образует одну из стенок камеры 30, а изолирующий корпус 28 образует остальные стенки. В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления корпус 28 имеет U-образую форму, и ноги U-формы находятся в зацеплении с окном 24. Здесь термин "находиться в зацеплении" включает в себя любой способ, которым могут быть связаны корпус и выходное окно. Они могут соединяться или скрепляться друг с другом различными путями или они могут удерживаться или уплотняться друг с другом вместе. Корпус 28 находится в зацеплении с окном таким образом, что он находится в зацеплении непосредственно с поверхностью окна, то есть он находится в зацеплении с фольгой.
Проводник 26 располагается в указанной камере 30. Предпочтительно, проводник 26 не находится в контакте с выходным окном 24 или не присоединяется к нему, но подвешен или закреплен в изолирующем корпусе 28. Разумеется, было бы возможным поддерживать проводник 26 таким образом, что он может быть отделен некоторым расстоянием от изолирующего корпуса 28. Однако он по-прежнему должен быть отделен некоторым расстоянием от выходного окна 24, если поверхность окна изготовлена из проводящего материала.
Корпус 28 может уплотняться или соединяться с поверхностью выходного окна 24 посредством адгезивного связывания, с использованием, например, адгезива или клея, используемого при высокотемпературных применениях, то есть такого, который может выдержать температуру вблизи выходного окна 24 во время работы генератора электронных пучков 8. Температура является высокой, как правило, порядка 300-400°С. Примером адгезива, который может использоваться, является органический клей.
Поверхность в контакте с поверхностью выходного окна не должна приклеиваться полностью. Может быть возможным приклеивание в определенных изолированных точках на контактных поверхностях.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения корпус удерживается рядом с поверхностью выходного окна и уплотняется с использованием опор на краю корпуса.
В этой конструкции проводник 26 будет экспонироваться для электронного пучка 6. Когда он вводится в электронный пучок 6, проводник 26 может захватывать электроны, которые могут регистрироваться как электрический ток, представляющий собой мгновенную меру интенсивности электронного пучка. Проводник 26 может конфигурироваться с относительно малыми размерами, чтобы соответствовать любой геометрии. Как правило, проводник имеет диаметр порядка 0,1-0,5 мм или даже меньше. Диаметр сенсора может составлять порядка 0,5-1,5 мм.
-
В дальнейшем, будет описываться термин или концепция плазмы или вторичных электронов. Когда электрон (e), испускаемый из нити 22 на фиг.1, перемещается в направлении области мишени 4, он будет соударяться с молекулами воздуха вдоль этой траектории. Испускаемые электроны могут иметь достаточное количество энергии для ионизации газа вдоль этой траектории, тем самым создавая плазму, которая содержит ионы и электроны. Электроны плазмы представляют собой вторичные электроны или термические электроны с низкой энергией по сравнению с электронами из электронного пучка. Электроны плазмы имеют случайный вектор скорости и могут перемещаться только на расстояние с длиной, которая представляет собой малую долю среднего свободного траектории электронов пучка.
Внутри камеры 30 будет присутствовать плазма из-за присутствия воздуха в камере 30. Однако область плазмы там будет иметь контролируемый малый размер. Таким образом, ее можно компенсировать при измерениях и вычислениях.
Камера 30 является замкнутой и полностью инкапсулирует проводник 26, по меньшей мере, в пределах траектории электронного пучка. Сенсор 10 будет простираться вдоль или поперек выходного окна 24 и на краях корпуса 30 он может быть открытым для окружающей среды. Однако вдоль части сенсора 10, которая экспонируется для электронного пучка 6, он должен предпочтительно быть закрытым, чтобы действовать в качестве соответствующего экрана для плазмы.
Как уже рассматривалось, электроны, которые достигают сенсора 10, могут детектироваться и измеряться. Например, может предусматриваться детектор тока 32 для детектирования электрического тока в проводнике 26 сенсора 10, как мера интенсивности электронного пучка. Выходной сигнал от детектора тока 32 может подаваться на контроллер 34, который, в свою очередь, может служить в качестве средства для регулировки интенсивности электронного пучка 6 в ответ на выходной сигнал сенсора 10. В примерных вариантах осуществления электронный пучок 6 может испускаться с энергией, например, меньшей, чем 100 кэВ, например 60-80 кэВ.
Детектор тока 32 может представлять собой любое устройство, пригодное для измерения интенсивности электронного пучка 6, либо прямо, либо косвенно. Например, детектор тока 32 может представлять собой вольтметр в сочетании с резистором или амперметр, или любое другое соответствующее устройство.
В одном из вариантов осуществления сенсор 10 содержит ряд проводников 26 с изолирующим корпусом 28 для детектирования интенсивности электронного пучка в каждом из множества положений в пределах траектории электронного пучка 6. Сенсор 10, можно сказать, содержит ряд сенсоров 10, расположенных в виде решетки или сетки из сенсоров, приклеенной к выходному окну 24, смотри Фигуру 3. Информация от каждого проводника 26 (например, амплитуды сигналов, разности/отношения сигналов, положения проводников, и так далее) могут использоваться для построения графика интенсивности испускания посредством процессора 36. Расположение в виде решетки также функционирует как защита для выходного окна 24, которое является хрупким.
В дополнение к этому, в примерном варианте осуществления на Фигуре 3, сенсоры 10 с их проводниками 26 могут располагаться под углами друг к другу и/или под углами по отношению к направлению желаемого переноса мишени 16, в области мишени 4, и в плоскости, перпендикулярной к траектории электронного пучка 6. Такая конфигурация может приводить к минимальному затенению мишени 16, проходящей за решеткой. Например, когда объект мишени, такой как сетка упаковочного материала 16, проходит из нижней части схемы на фигуре 3 к верхней части схемы, все части упаковочного материала 16 будут облучаться электронным пучком 6 по мере прохождения материала. Наклонные сенсоры 10 будут получать данные об электронном пучке во множестве положений по его двухмерному поперечному сечению, тем самым, обеспечивая точный график интенсивности электронного пучка и не влияя на процесс стерилизации.
Фигуры 4A и 4B показывают примерные варианты осуществления выходного окна 24 для электронного пучка. Выходное окно 24 может формироваться с использованием фольги, поддерживаемой прозрачной для электронов структурой. Отверстия 38 (из которых показано только несколько) опорной структуры позволяют электронному пучку 6 проходить из вакуумной камеры в направлении сенсора 10 на фигуре 4A. На фигуре 4B предусматривается множество сенсоров на выходном окне 24 при симметричном расположении. Разумеется, может использоваться любое количество таких сенсоров 10.
Сенсор 10, подобный тем, что описаны выше, может также использоваться в сочетании с облучением мишеней 16 в форме частично сформированных упаковок. Частично сформированные упаковки обычно являются открытыми на одном краю и герметизируются с формированием верха или низа на другом краю, и обычно обозначаются как готовые для заполнения упаковки (RTF упаковки). На фигуре 5 схематически описывается система 2', содержащая генератор электронных пучков 8' для облучения готовой для заполнения упаковки 16'. Упаковка 16' открыта в ее нижней части 40 и снабжается на другом краю верхом 42 и устройством для открывания 44. Во время стерилизации, упаковка 16' располагается в перевернутом виде (то есть верх 42 располагается внизу) на опоре (не показана). Опора может находиться в форме носителя конвейера, который транспортирует упаковку 16' через стерилизационную камеру. Система 2' содержит средства (не показаны) для обеспечения относительного движения (смотри стрелку) между упаковкой 16' и генератором электронных пучков 8' для приведения их в положение, в котором указанный генератор 8' располагается, по меньшей мере, частично, в упаковке 16' для ее обработки. Либо генератор 8' опускается в упаковку 16', либо упаковка 16' поднимается, окружая собой генератор 8', либо каждый из них движется по направлению к другому. Сенсор 10', например, такой как сенсор, описанный на фиг.2, приклеивается к выходному окну 24' генератора 8'.
Хотя настоящее изобретение описывается по отношению к вариантам осуществления, предпочтительным в настоящее время, необходимо понять, что различные модификации и изменения могут быть проделаны без отклонения от цели и рамок настоящего изобретения, как определяется в прилагаемой формуле изобретения.
Например, описывается, что корпус 28 приклеивается к выходному окну 24 с использованием адгезива. Необходимо понять, что корпус может прикрепляться к выходному окну альтернативными способами, например посредством зажимов или сварки.
Описываются U-образный корпус 28 с проводящей проволокой 26. И другие конструкции, разумеется, также являются возможными. Например, корпус может формироваться как полусфера. Проводник может иметь любое другое поперечное сечение, такое как прямоугольное, квадратное или овальное.