電子線照射装置

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【発明の名称】	電子線照射装置
【発明者】	【氏名】梶山雅章【氏名】林丈英
【要約】	【課題】フィラメントに供給する電流を安定に且つ精密に制御可能とし、これにより常に安定に大きなビーム電流を照射することができる電子線照射装置を提供する。【解決手段】真空中に配置された熱フィラメント１により電子を発生する電子銃７と、電子銃及び電子銃から発生した電子に負電位を与えると共にフィラメントに電流を供給する高電圧電源１０と、電子を加速する複数の加速電極２と、加速された電子線を磁気力により偏向走査する電磁石１６，１７と、真空中の該電子線を大気雰囲気に取り出す薄膜１５とを有する電子線照射装置において、フィラメント１に供給する電流を調整する高電位側に配置された回転式電圧調整器２７と、該電圧調整器の出力電圧を調整する該調整器の回転部分に接続した大地側から操作可能な電気的絶縁棒とを備えた。

【特許請求の範囲】
【請求項１】真空中に配置された熱フィラメントにより電子を発生する電子銃と、前記電子銃及び前記電子銃から発生した電子に不電位を与えると共に前記フィラメントに電流を供給する高電圧電源ｔ、前記電子を加速する複数の加速電極と、加速された電子線を磁気力により偏向走査する電磁石と、真空中の該電子線を大気雰囲気に取り出す薄膜とを有する電子線照射装置において、前記フィラメントに供給する電流を調整する高電位側に配置された回転式電圧調整器と、該電圧調整器の出力電圧を調整する該調整器の回転部分に接続した大地側から操作可能な電気的絶縁棒とを備えたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】前記電圧調整器がスライダックであることを特徴とする請求項１記載の電子線照射装置。
【請求項３】大地側において、前記絶縁棒にステッピングモータの回転軸を接続し、前記回転式電圧調整器の回転軸を大地側に配置した前記ステッピングモータにより回動させることを特徴とする請求項１記載の電子線照射装置。
【請求項４】前記高電位側に配置されたフィラメントの電圧又は電流に関する信号を、光信号に変換して光ファイバを介して大地側に伝達し、該光ファイバをその沿面距離が長くなるように配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子線照射装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電子線照射装置に係り、例えば樹脂の架橋に用いる、或いは火力発電所等から排出される排ガスの処理等に使用される、物質の改質に用いて好適な大電流電子線照射用の電子線照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、世界的に問題となっている大気汚染による地球温暖化や酸性雨等は、例えば火力発電所等から排出される燃焼排ガス中に存在するＳＯｘ、ＮＯｘ等の成分に起因していると考えられる。これらのＳＯｘ、ＮＯｘ等の有害成分を除去する方法として、燃焼排ガスに電子線を照射することによって、脱硫・脱硝（ＳＯｘ、ＮＯｘ等の有害成分の除去）を行うことが実施されている。
【０００３】図１は、係る用途に用いられる電子線照射装置を用いた燃焼排ガスの処理装置の一例を示す。この燃焼排ガスの処理装置は、直流高電圧を発生する電源装置１０と、電子線を燃焼排ガスに照射する電子線照射装置１１と、その装置１１の電子線の照射出口である窓箔１５に沿って設けられた燃焼排ガスの流路１９から主として構成されている。例えばＴｉ等の薄板からなる窓箔１５から外部に放出された電子線は、燃焼排ガス中の酸素（Ｏ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等の分子を照射することにより、これらは非常に酸化力の強いＯＨ、Ｏ、ＨＯ_２等のラジカルとなる。そしてこれらのラジカルが、ＳＯｘ及びＮＯｘ等の有害物質を酸化し、中間生成物である硫酸と硝酸とを生成する。これらの中間生成物はあらかじめ投入しておいたアンモニアガス（ＮＨ_３）と反応し、硫安及び硝安となり、肥料原料として回収される。従ってこのような排ガス処理システムにおいては、燃焼排ガス中から有害なＳＯｘ、ＮＯｘ等の成分を除去することができると共に、その副生品として有用な硫安・硝安等の肥料の原料として回収することができる。
【０００４】図２は、電子線照射装置の電子線の発生及び加速部の一構成例を示す。ここで電子線の発生加速部は、熱電子フィラメント等の電子源１と、その電子源１より発生した電子を略ビーム状にする電子銃７と、電子銃７で所定のエネルギー・形状を有するビームとなった電子線を更に加速する多数の加速電極２から構成される加速管５と、その加速管５にて形成された高エネルギーの電子線に磁界を印加することでそのビーム径を制御するとともに長手方向及び短手方向に該ビームを偏向・走査する１つ以上の電磁石とから主に構成されている。これらの内、電子銃及び加速電極当の電子線の生成及び加速部は真空容器内に配置され、その内部は１０^－６Ｐａ程度の高真空に保持される。形成された高エネルギー電子線は、図１に示すように偏向用コイル１６および走査用コイル１７に電流を供給して電磁石により磁界を形成することで、偏向、走査されつつ照射窓（窓箔）１５より排ガス流路１９の所定の範囲に出射される（図１参照）。
【０００５】近年、被処理物（例えば燃焼排ガス）の電子線照射装置１台あたりに要求される電子線照射量が多くなっている。更に処理施設での電子線照射装置の照射電流値当たりの設置面積を減ずる必要性が増加してきた。これに伴い電子線照射装置１台あたりの発生ビーム電流が従来は１００～３００ｍＡ程度であったが、近年１台あたりの発生ビーム電流として５００ｍＡ程度の大電流が要求されることとなった。
【０００６】電子銃７は、電流が流れることで熱電子を発生するフィラメント（電子源）１と、フィラメントと略同電位であるウェネルト電極と呼ばれ、前記電子源を略取り囲む形状であり前記電子を放出する経路を有する電極３と、電極３よりフィラメントから放出された電子進行方向側に配置された引き出し電極と呼ばれる電極４と、フィラメントを保持するフィラメントフランジ８と、フィラメントフランジ８の熱を逃がし電子線源を冷却するフィン６等から構成されている。尚、符号Ｓは加速管内部の電子線を加速・収束させつつ通過させる加速電極２の穴部である。
【０００７】電子銃における電子ビームの形成は以下のように行われる。電流が流れるフィラメント１は約２０００～３０００℃の高温となり、フィラメントの材質によりリチャードソン・ダッシュマンの式として知られる熱電子放出係数に従い熱電子を放出する。フィラメント１及びウェネルト電極３は高電圧電源１０に接続され、負の静電圧５００～１５００ｋＶが印加されている。通常フィラメント１の材質はタングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、及びランタン（Ｌａ）化合物が熱電子を放出しやすい、つまり仕事関数の低い材料として知られている。フィラメント１の電位は通常ウェネルト電極３の電位から数Ｖ～数１０Ｖのバイアス電位を有しており、フィラメント１から放出した電子はウェネルト電極３に開いた穴９付近に浮遊する。引き出し電極４はウェネルト電極３より電子照射方向に配置され、その電位はフィラメント１よりも接地（アース）電位に近く、その電位差は１０～３０ｋＶに通常設定されている。凹面曲率を有するウェネルト電極３と引き出し電極４間の電界による電子レンズによりウェネルト電極３の穴９から電子が引き出され、更に収束され電子ビームとなり、電子は加速管５内に進行し、各々複数の加速電極２のレンズ効果によって収束・加速を繰り返し所定のビーム形状となり、最終的に窓箔１５を通過して電子線照射装置から大気側の被照射体に照射される。
【０００８】上述した電子線照射装置において、フィラメントに電流が供給され、フィラメントが高温となることにより、フィラメントの温度と材質により決まってくるリチャードソン・ダッシュマンの式に従い、熱電子が放出されるので、所要のビーム電流を供給するためには、フィラメントの材質および抵抗値に対応した所要の電圧をその両端に供給することが必要である。しかしながら、フィラメントは消耗品であり、使用時間の経過とともに徐々に細くなる傾向がある。このため、フィラメントに電流を供給して所要温度に維持するためには、フィラメントの両端に印加する電圧を適宜調整する必要がある。
【０００９】ところで、電子銃７は上述したように負の高電位側に配置され、照射窓１５が大地電位側に配置される。そして、フィラメントに所要電流を供給するためには、数十乃至百Ｖ程度の電圧をその両端に供給する必要がある。このため、フィラメントには高電圧の交流を低電圧の交流にトランスを介して変換し、その交流出力を高電位側に配置した電圧調整器を介してフィラメントに供給している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ビーム電流の制御は、従来から各種の方法が存在するが、その一例として、フィラメントに供給する電流を誤差増幅器を用いて目標値にフィードバック制御する方法がある。これは、実際の電流値を検出して所要の目標電流値と比較し、実際の電流値が所要の目標電流値と一致するように誤差増幅器を用いてフィラメント電流を制御する方法である。しかしながら、このような誤差増幅器を用いた方式では、常時、電流のフィードバック制御を行うものであるが、フィラメントから生ずる電子電流はミクロ的に見ると変動があり、このため乱調をきたし制御が不安定となる問題があった。即ち、従来の制御方法では、大きな電子電流をフィラメントから常に安定して得ることが困難であった。
【００１１】本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、フィラメントに供給する電流を安定に且つ精密に制御可能とし、これにより常に安定に大きなビーム電流を照射することができる電子線照射装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は、真空中に配置された熱フィラメントにより電子を発生する電子銃と、前記電子銃及び前記電子銃から発生した電子に不電位を与えると共に前記フィラメントに電流を供給する高電圧電源ｔ、前記電子を加速する複数の加速電極と、加速された電子線を磁気力により偏向走査する電磁石と、真空中の該電子線を大気雰囲気に取り出す薄膜とを有する電子線照射装置において、前記フィラメントに供給する電流を調整する高電位側に配置された回転式電圧調整器と、該電圧調整器の出力電圧を調整する該調整器の回転部分に接続した大地側から操作可能な電気的絶縁棒とを備えたことを特徴とする電子線照射装置である。
【００１３】請求項２に記載の発明は、前記電圧調整器がスライダックであることを特徴とする請求項１記載の電子線照射装置である。
【００１４】請求項３に記載の発明は、大地側において、前記絶縁棒にステッピングモータの回転軸を接続し、前記回転式電圧調整器の回転軸を大地側に配置した前記ステッピングモータにより回動させることを特徴とする請求項１記載の電子線照射装置である。
【００１５】請求項４に記載の発明は、前記高電位側に配置されたフィラメントの電圧又は電流に関する信号を、光信号に変換して光ファイバを介して大地側に伝達し、該光ファイバをその沿面距離が長くなるように配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子線照射装置である。
【００１６】総じて本発明によれば、高電位側に配置された電圧調整器の出力電圧を調整する回転軸を大地側から操作可能な絶縁棒を用いて操作することで、例えば８００ｋＶ程度の高電位側にある電圧調整器の回転軸を直接的に回動させることができる。従って、大地側から、直接フィラメントに供給する電圧を制御することが可能となる。そして、大地側にパルスモータを備え、そのパルスモータの回転軸を上記絶縁棒と接続して制御することで、１パルスステップ毎の精密な制御が可能となる。又、高電位側に配置されたフィラメントの電圧又は電流に関する信号を、光ファイバを介して光信号により伝達することで、実際の電流値又は電圧値とを精密に把握することが可能となる。そして、光ファイバを例えばらせん状に巻回することで、その沿面距離が長くなるので、大地側への放電等の危険を避けることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について図３乃至図５を参照しながら説明する。
【００１８】図３は、本発明の実施形態の高電圧電源の構成を示す。商用交流電源のＲ，Ｓ，Ｔ相は、直流電源部２１に導入される。直流電源部２１ではΔ配線及びＹ配線を併用して高調波対策を行っている。そしてこれらのΔ配線及びＹ配線のコイルに対向するように２次側のコイルが配置され、ダイオードブリッジからなる整流回路に接続されている。ここで整流回路は、ダイオード、抵抗器、コンデンサ等により構成され、１次側の交流電圧を昇圧した２次側の交流電圧を整流して直流に変換する。そして、ここでは複数段、例えば２５段の整流回路を備え、各段の整流回路はそれぞれ直列に接続され、各段の直流電圧出力が例えば２５段加算され、高電位の直流電圧が得られる。直流電源部の最上段には変圧器２３が設置され、この変圧器２３は高電位を有した状態でフィラメントに交流電流を供給する。直流電源は、例えば８００ｋＶ～１５０００ｋＶの電位を有している。形成された直流高電圧は、図示は省略するが、分圧抵抗により分圧され、加速管内の各電極及び電子銃部に供給される。
【００１９】変圧器２３の２次側には、例えば約６００００Ｖ程度の高い交流電圧が形成される。尚、図示しないが出力抑制抵抗が配置され、この抵抗は電子線照射装置の負荷短絡が生じた時に、その影響が直接高圧部に及ばないようにするための保護抵抗である。更に、高電位側回路には抵抗器及びコイルで構成したサージ吸収装置を配して、高電位電源部の保護を行っている。又、昇圧トランスの偏励磁防止のための交流配線の一方に直列にコンデンサを配置することが行われている。
【００２０】変圧器２３の２次側は、降圧トランス２５に接続され、６００００Ｖ程度の高圧から１００Ｖ程度の低圧に変換される。高電位の直流電圧に重畳した約１００Ｖの交流電圧は図示しないＡＶＲ（自動電圧調整器）等の交流電圧安定装置を通過して、スライダック式電圧調整器２７に導入される。スライダック式電圧調整器２７は、実際にフィラメントに印加する電圧を調整するための回転式電圧調整装置である。この電圧調整器２７は、その中央に回転軸を備え、その回転軸を回動することで、その出力電圧を調整する。具体的には、入力電圧が約１００Ｖであり、出力電圧がその回転角度に対応して０～１００Ｖの間で変化する。この実施形態においては、電圧調整器２７により電圧調整された交流は、更にフィラメントトランス２９によって電圧の変換を受けて低電圧（数Ｖ～数十Ｖ）とされ、フィラメント１に大電流（数十Ａ）を供給する。これにより、フィラメントが２０００～３０００Ｋの高温となり熱電子を放出する。
【００２１】図４は、本発明の実施形態の電圧調整器を回動する絶縁棒について示す。絶縁棒３１は、長さが例えば約１ｍ程度であり、その直径が３０ｍｍφ程度であり、高絶縁性の樹脂材を用いたものである。この絶縁棒は、電圧調整器２７が例えば８００ｋＶ程度の高電位にあり、これを回動操作する大地側はアース電位であるので、その間に約８００ｋＶ程度の電圧が印加される。このため、この絶縁棒３１には所定箇所に電位決定用の金属部材３２を固定している。
【００２２】スライダック式電圧調整器２７は、高電位側の金属支持板４１に搭載され、この金属支持板は支柱４５により大地側の金属支持板４３に支持されている。支柱４５においても、所定箇所に電位決定用の金属部材３２を備え、この金属部材３２は分圧抵抗４６に接続され、高電圧電源２１より供給された直流高電圧に基づいて所定の電位分布が与えられる。
【００２３】この電子線照射装置においては、絶縁棒３１は大地側に配置されたパルスモータ３３により回転駆動される。このパルスモータ３３は、一例として５００パルスで１回転（３６０゜）する。従って、１パルスあたりの回転角度は０．７２゜となる。従って、この間で０～１００Ｖの電圧出力が可能とすると、１パルスあたり０．２Ｖの電圧制御精度が得られる。従って、電圧調整器２７をパルスモータ３３で回動制御することで、フィラメントに供給する電圧調整器２７の出力電圧を０．２Ｖのピッチで精密に制御することが可能となる。
【００２４】図５は、フィラメントに供給する電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す。フィラメントに供給する電圧Ｖと、フィラメントに流れる電流Ｉとの関係は、電流Ｉが大きくなるとフィラメントがより高温となり、その温度係数から電圧と電流との関係は直線関係とならず、図示するように曲線的な関係となる。即ち、出力電圧を上げていきフィラメントが高温となると、その電圧の変化に対する電流の変化量が大きくなり電流値の精密な制御が難しくなる。しかしながら、パルスモータを用いて高精度に電圧調整器２７の回転角度を制御することで、極めて高精度の出力電圧が得られる。これによりフィラメント電流を所要値に制御することが可能となり、結果として放出される電子線電流を安定化することができる。
【００２５】実際のフィラメント電流をモニタするために、フィラメントに直列に電流検出用抵抗器を接続し、その両端から電圧を取り出し電流検出器３７に接続する。同様にフィラメントの両端から電圧を取り出しこれを電圧検出器３８に接続する。電流検出器３７及び電圧検出器３８では、これらの値からフィラメント電圧及びフィラメント電流を算定する。そして、このデータは光信号変換器３９にて光信号に変換され、光ファイバ５１を介して大地側に配置されたモニタ装置兼コントローラ４０に導入される。大地側のモニタ装置兼コントローラ４０ではこの光信号を再び電気信号に変換しフィラメント電流及びフィラメント電圧を表示装置に表示する。ここで、光ファイバ５１は、図４に示すように、絶縁棒５０に形成された溝に沿ってらせん状に配置されている。これにより光ファイバの長さは、絶縁棒の長さが１ｍ程度であるのに対して、実際の長さが３ｍ程度と長くなり、沿面距離を増大することにより、光ファイバ５１に沿った放電を防止している。
【００２６】このように大地側で高電位側のフィラメント電流及びフィラメント電圧を直接的に且つ正確に把握することができるので、モニタ装置兼コントローラ４０によりパルスモータ３３のパルス数を調整することで正確に所要のフィラメント電圧及びフィラメント電流を制御することが可能となる。尚、フィラメント電圧に異常が生じた時には、電源回路に配置された遮断機構を利用してフィラメントに供給される電流を遮断することができるようにもなっている。
【００２７】次に、この電子線照射装置における電子線電流の調整動作について説明する。まず、真空容器内を真空ポンプにより高真空（約１０^－６～１０^－７Ｐａ）に排気する。そして、各種の電源スイッチ類をオン状態とすることで、例えば約８００ｋＶの直流電圧を電子銃部及び加速管に供給する。そして、上述したモニタ装置兼コントローラ４０によりフィラメント電圧及びフィラメント電流を検出しつつ、電圧調整器２７の出力電圧が徐々に増大するようにパルスモータ３３を回転させる。パルスモータに所要のパルス数を与えることで、絶縁棒３１が回転し、これにより電圧調整器２７の回転軸が回転し、その出力側にフィラメント電圧が徐々に増大していき、これによりフィラメント１に流れる電流が増大し、フィラメントが徐々に高温になる。そして、所要の電流値、例えばビーム電流として５００ｍＡ程度の電流値となるまでフィラメント電圧及びフィラメント電流を地上側のパルスモータ３３を回転制御することにより与える。これにより、所望の電子線電流が得られる。
【００２８】又、時間の経過と共に電子線電流が減少又は増大するような場合には、パルスモータにパルスを制御装置４０から送ることにより、電子線電流が所望値となるようにフィラメント電圧及びフィラメント電流を調整する。係るフィラメント電圧及びフィラメント電流の制御によれば、パルスモータにより極めて高精度にフィラメント電圧及び電流値を調整することが可能となるので、これによりフィラメントの動作状態を安定な状態に保持することができる。従って、電子線電流の安定した運転制御が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電子線照射装置における電子線発生源であるフィラメントに供給する電圧及び電流を正確に制御することができるので、安定した電子線照射装置の運転が可能となる。

【出願人】	【識別番号】００００００２３９【氏名又は名称】株式会社荏原製作所
【出願日】	平成１２年６月２２日（２０００．６．２２）
【代理人】	【識別番号】１０００９１４９８【弁理士】【氏名又は名称】渡邉勇（外１名）
【公開番号】	特開２００２－６０９４（Ｐ２００２－６０９４Ａ）
【公開日】	平成１４年１月９日（２００２．１．９）
【出願番号】	特願２０００－１８８０３３（Ｐ２０００－１８８０３３）