DE1050459B - Verfahren und Vorrichtung zum Durchstrahlen eines Gegenstandes mit Elektronen hoher Energie - Google Patents

Description

DEUTSCHES

INTERNAT. KL.

PATENTAMT

H 05 g

H31206VIIIC/21,

A 2 31 3/005 ANMELDETAG: 25. SEPTEMBER 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 1 2. FE B R UAR 1 959

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchstrahlen von Gegenstanden mit Elektronen hoher Energie und insbesondere auf die Durchstrahlung mit Elektronen hoher Energie von einem einzigen Elektronenstrahlerzeuger derart, daß die Ionisierungsenergie der Elektronen hoher Energie in wirksamerer Art ausgenutzt wird.

Man stellt zunehmend fest, daß alle Arten lebender Organismen von Gammastrahlen und Elektronen hoher Energie nachteilig beeinflußt werden und daß tödliche Wirkungen auf nicht gewellte Organismen durch Dosierungen hervorgerufen werden können, welche die Temperatur von Wasser nur um einige Grad Celsius erhöhen. Die wachsende Verfügbarkeit von Elektronenströmen hoher Energie ermöglicht die praktische Anwendung dieses Wissens auf die Sterilisation vieler wichtiger Produkte, wie z. B. Pharmazeutika, chirurgische Instrumente, tierische Gewebe für Transplantationen sowie für die Konservierung bestimmter Nahriing[srtxittgl. Einzig die Elektronenquellen hoher Energie scheinen in deutlicher Unterscheidung von den Gammastrahlenquellen genügend Gesamtausgangsleistung zu haben, um die beträchtlichen Materialmengen wirtschaftlich zu bewältigen, die Sterilisation oder Konservierung erfordern.

Außerdem ist die Möglichkeit, verschiedene Formen der Ionisierungsdurchstrahlung zu benutzen, um chemische Reaktionen zu fördern, kürzlich erforscht worden, einschließlich chemischer Reaktionen, die in hohem Maße endotherm sind und beträchtliche Energiemengen in konzentrierter Form erfordern, un'd exothermer chemischer Reaktionen, die durch die anfängliche Anwendung konzentrierter Energie ausgelöst werden. Unter verfügbaren Quellen von Ionisierungsstrahlung scheinen Elektronen hoher Energie das beste Mittel zu sein für die Abgabe von Ionisierungsenergie in wirksamer Weise und gesteuert auf eine Substanz oder Substanzen zum Zwecke der Förderung chemischer Reaktionen.

Messungen der Eigenschaften von Elektronen hoher Energie haben gezeigt, daß ihr Bereich in typischen Materialien klein ist, verglichen mit dem von Gammastrahlen. Ein 2-Millionen-Volt-Elektron hat einen maximalen Bereich im Wasser von 1 cm. Jenseits dieses Grenzbereiches gibt es keinen Ionisierungseffekt, weil der maximale Ionisierungseffekt bei einem Drittel dieses Bereiches auftritt. Obgleich praktische Elektronenquellen hoher Energie für viele Millionen Volt geschaffen werden können, wird eine solche Vorrichtung höherer Energie progressiv teurer und besitzt oft auch eine niedrigere Ausgangselektronenstromkapazität.

Eine übliche Methode, um den Durohdringungs-Verfahren und Vorrichtung

zum Durchstrahlen eines Gegenstandes

mit Elektronen hoher Energie

Anmelder:

High Voltage Engineering Corporation,
Burlington, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Gortz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. September und 8. Oktober 1956

John Clarence Nygard, Lexington, Mass.,
Roy Melvin Emanuelson, Reading, Mass.,

Davis Rieh Dewey, Lincoln, Mass.,

und John George Trump, Winchester, Mass. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

30 bereich eines verfügbaren Elektronenstromes zu verdoppeln, besteht darin, den Gegenstand nacheinander von beiden Seiten zu durchstrahlen, wie durch Umkehren des Gegenstandes und erneutes Durchstrahlen oder mittels Durchstrahlen des Gegenstandes gleichzeitig von zwei Elektronenquellen aus. Das erstere ist jedoch auf die Durchstrahlung von Material in fester Form begrenzt, während das letztere die zusätzlichen Kosten und den Raum für eine zweite Elektronenquelle erfordert. Weiter würde eine Unterbrechung oder Modulation der Elektronenintensitat nicht beide Erscheinungen gleichzeitig nachteilig beeinflussen, es sei denn, daß der Gegenstand gleichzeitig von zwei Elektronenquellen durchstrahlt wird, bei denen eine besondere elektronische Kupplung eingefügt ist. Infolgedessen würde es schwierig sein, das teilweise durchstrahlte Material erneut zu durchstrahlen, um seine Dosierung auf die richtige Höhe zu bringen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zum Durchstrahlen eines Gegenstandes mit Elektronen hoher Energie wird erfindungsgemäß der Elektronenstrahl in einer einzigen Elektronenquelle erzeugt und gleichzeitig auf mindestens zwei Seiten des zu durchstrahlenden Gegenstandes ausgerichtet.

1-· 809 749/315

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigt

Fig. 1 eine etwas schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Elektronenstrahlerzeuger und Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teiles der Vorrichtung nach Fig. 1, und zwar rechtwinklig zu der Darstellung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht ähnlich einem Teil nach Fig. 1 mit Darstellung einer Abwandlung eines Teiles der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine etwas schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine Ansicht längs der Linie 5-5 nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 4, und zwar rechtwinklig zu der Darstellung nach Fig. 4,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Teiles der Vorrichtung gemäß Fig. 4,

Fig. 8 eine etwas schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 9 eine Aufsicht der Mittel zur Erzeugung einer Kombination von Magnetfeldern nach Fig. 8 und

Fig. 10 ein Schema der Elektronenbahnen in der Vorrichtung nach Fig. 8.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen einen Elektronenstrahlerzeuger 1 mit elektrostatischem Beschleuniger für die Beschleunigung von Elektronen auf hohe Energie, wie insgesamt mit 1 angezeigt. Der Elektronenbeschleuniger 1 kann einen elektrostatischen Generator gemäß USA.-Patentschrift 2 252 668 in Verbindung mit einer Beschleunigerröhre gemäß USA.-Patent 2 517 260 aufweisen. Wahlweise kann der Elektronenbeschleuniger 1 einen linearen Mikrowellenbeschleuniger enthalten,, wie er in »The Proceedings of the Physical Society« (1948) von WaI-kinshaw in Bd.61, S.246 bis 254, von R. Shersby-Harvie in Bd. 61, S. 255 bis 270, und von Mullett und Leach in Bd. 61, S. 271 bis 283, beschrieben wird, oder irgendein anderer Elektronen'beschleuniger, beispielsweise ein Resonanztransformator.

Die Elektronen treten aus dem Elektronenstrahlerzeuger 1 als Elektronenstrahl hoher Energie in ein evakuiertes Anschlußrohr 2 ein. Dieses Rohr 2 endet in einem sich erweiternden Teil 3, dessen Ende durch ein Lenardfenster 4 gegen die Atmosphäre abgeschlossen ist. Eine Strählenabtastvorrichtung 5 gibt dem Elektronenstrahl eine Abtastbewegung in der Ebene des Objekts entsprechend denUSA.-Patenten2 602 751 und 2 729 748.

Ein Objekt 6, das durchstrahlt werden soll, wird in die Bahn des Elektronenstrahles 7 gebracht, welcher aus dem Lenardfenster 4 austritt, und zwar mittels eines Trägers 8, der beweglich oder stationär sein kann und in den Fig. 1 und 2 als Transportband gezeigt ist. Dieser Träger 8 muli so ausgeführt sein, daß die Absorption der Energie von den hindurchgehenden Elektronen auf einem Mindestmaß gehalten wird. Die Fläche des Objekts 6 ist geringer als die Fläche, die den Elektronenstrahl 7 in der Objektebene abtastet, wie in Fig. 1 veranschaulicht, so daß ein wesentlicher Teil des Elektronenstrahles 7 an dem Objekt 6 vorbeigeht, ohne dieses zu treffen.

Mit Hilfe des Magnets 9 werden alle Elektronen des Elektronenstrahles 7, welche am Objekt 6 vorbeilaufen, derart abgelenkt werden, daß sie auf das Objekt 6 zurückgeleitet werden. Alle in das Magnetfeld eintretenden Elektronen werden in gekrümmte Bahnen abgelenkt, weiche den gleichen konstanten Kriimmungsradius haben, vorausgesetzt, daß das Magnetfeld homogen ist und der Elektronenstrahl einen vernachlässigbaren Energiestreuungsbereich hat.

Die Stärke des erforderlichen Magnetfeldes kann

en, daß das Objekt Krümmungsradius η en durchlaufenen al der Energie der inenvolt ist. Somit ist

annähernd daraus errecr

ίο des Magnetfeldes in Ga
in Zentimeter der von
Kreisbahn annähernd gle¹
Elektronen in Millionen
für 2-MeV-Elektronen und für einen Krümmungsradius von 15 cm ein Magnetfeld von etwa 400 Gauß erforderlich.

Das in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte System weist eine Magnetstrahlenrückführung in Luft auf, so daß keine Vakuumkammer dafür erforderlich ist. Der Luftspalt zwischen den Polflächen 10 des Magnets 9 sollte bezüglich des Durchmessers des Elektronenstrahles breit sein, wie in Fig. 2 gezeigt wird, um die Strahlenverluste auf Grund von Inhomogenitäten, Raumladung und Streuung herabzusetzen. Beispielsweise kann der Luftspalt etwa 75 mm breit sein.

Verluste auf Grund von Ionisation und Streuung in atmosphärischer Luft lassen sich auf ein Mindestmaß herabsetzen, wenn der zurückgeführte Teil des Elektronenstrahles 7 entweder in einem evakuierten Bereich wandert oder durch ein Gas geringer Dichte, wie Helium. Der Druck in dem evakuierten Bereich braucht nicht so niedrig zu sein wie der Druck, der in der Beschleunigerröhre und der Röhre 2 vorherrscht und der mittels einer mechanischen Pumpe erreicht werden kann. Wird Helium verwendet, läßt es sich bei atmosphärischem Druck halten, da die niedrige Dichte von Helium schon selbst eine wesentliche Herabsetzung von Ionisations- und Streuungsverlusten schafft. Ein Beispiel dafür gibt die Fig. 3 wieder. Ein Ende des Hohlraumes 11, welches so geformt ist, daß der zurückgeführte Teil des Elektronenstrahles 7 hindurchgehen kann, ist an dem erweiterten Teil 3 der Röhre 2, der durch das Lenardfenster 4 abgeschlossen ist, befestigt, während das andere Ende des Hohlraumes 11 in einem zweiten Lenardfenster 12 endet. Das Innere des Hohlraumes 11 ist auf diese Weise gegen die Atmosphäre durch das zweite Fenster 12 und gegen den evakuierten Bereich des Elektronenstrahlerzeugers 1 durch das erste Lenardfenster 4 getrennt. Das Innere des Hohlraumes 11 kann mittels einer Vakuumpumpe 13 evakuiert werden, oder es kann ein Gas niedriger Dichte, wie Helium, eingeführt werden. Natürlich läßt sich auch eine öffnung in dem Teil des Lenardfensters 4 vorsehen, an den sich der Raum 11 anschließt, so daß das Innere des Raumes 11 mit dem Inneren der Röhre 2 in Verbindung steht; in diesem Fall muß das gleiche hohe Vakuum in dem Raumi 11 wie in der Röhre 2 aufrechterhalten werden.

öo In der in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Ausführungsform sind der Elektronenstrahlerzeuger und -beschleuniger 1 und die Abtastvorrichtung 5 ähnlich wie l>ei der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die beschleunigten Elektronen treten in die evakuierte Röhre 2 ein, die in den Teil 3 übergeht, an dessen unterem Ende sich zwei Hohlräume 4', 5' anschließen, die durch je ein Lenardfenster 6', T abgeschlossen sind. Die Röhre 2, der erweiterte Teil 3 und die beiden Hohlräume 4', 5' bilden alle zusammen einen Teil des evakuierten Bereiches des Elektronen<strahlerzeugers 1,

Claims (12)

so daß die durch den Elektronenbeschleuniger beschleunigten Elektronen im Vakuum bleiben, bis sie durch die Elektronenfenster 6', 7' austreten. Das zu durchstrahlende Objekt 6 wird zwischen den Elektronenfenstern 6', 7' mittels eines Trägers 8 angeordnet, der beweglich oder stationär sein kann und als Transportband veranschaulicht ist. Die Elektronen werden mittels zweier Magnete 11', 12' so geführt, daß sie durch die Fenster 6', 7' auf den Gegenstand 6 in entgegengesetzten seitlichen Richtungen treffen, d.h. in einer Richtung, die im allgemeinen quer zu der Richtung ist, in welcher der primäre Elektronenstrahl beschleunigt wird. Die Polarität der Magnete 11' und 12' ist so gewählt, daß, wie in den Fig. 4 und 7 veranschaulicht, zwischen den Polflächen 13', 14 des linken Magnets 11' hindurchgehende Elektronen nach rechts und zwischen den Polflächen 15, 16 des rechten Magnets 12' hindurchgehende Elektronen nach links abgelenkt werden. Die Polflächen 13', 14 und 15, 16 haben an ihren äußeren Enden größere Abstände als an ihren inneren Enden, wie in Fig. 5 veranschaulicht, und zwar deshalb, daß die Intensität des dazwischen befindlichen Magnetfeldes mit zunehmendem Abstand von den Fenstern 6', 7' abnimmt. Die Form der Polflächen 13', 14, 15, 16 ist so gewählt, daß die Elektronenbahnen die in Fig. 7 durch gestrichelte Linien 17 gezeigte Form annehmen, während die Elektronen durch die Fenster 6', T in einer Richtung hindurchgehen, die praktisch senkrecht zu den Fenstern 6', 7' ist, und zwar mit einer Intensität, die praktisch gleichmäßig über die durchstrahlten Flächen des Gegenstandes 9 verteilt sind. Durch Vermeidung von Störungen auf Grund der durch zurückstrahlende Elektronen erzeugten Strahlung verlängert die vorliegende Anordnung die Zeit, während welcher ein Elektronenstrahlerzeuger bzw. -beschleuniger arbeitet, ohne daß er überholt zu werden braucht. Auf diese Weise würde z.B. eine lOVoige Herabsetzung der Strahlungsenergie, die in empfindlichen Teilen des Elektronenstrahlerzeugers bzw. -beschleunigers verstreut ist, die Lebensdauer von angenommen 1000 Stunden auf 10 000 Stunden erhöhen. Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach den Fig. 8 und 9 schließt sich ebenfalls an den Elektronenstrahlerzeuger 1 ein evakuiertes Ansatzrohr 2 an, das in einem erweiterten Teil 3 endet, der seinerseits durch das Lenardfenster 4 abgeschlossen ist; die Strahlenabtastvorrichtungen 5 sind den in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten ähnlich. Das zu durchstrahlende Objekt — hier im allgemeinen mit Kreisquerschnitt gezeigt, wie ein hohles plastisches Rohr, Kabel oder isolierter Draht 6 a — wird mittels Träger in die Bahn des Elektronenstrahles 7 gebracht, der aus dem Lenardfenster 4 als ein Strahl austritt, dessen Querschnitt in der Ebene der Zeichnung der Fig. 8 verhältnismäßig groß ist. Alle üblichen Mittel (nicht veranschaulicht) lassen sich anwenden, um demiKabelöa eine Längs wanderbewegung zu erteilen. Die Breite des Kabels 6 a ist kleiner als die Breite des Elektronenstrahles 7 (Fig. 8), so daß einige der Elektronen direkt auf die Oberseite des Kabels 6a treffen, während andere von ihnen links und rechts an dem Kabel vorbeigehen. Die beiden Magnete 9a, 10a sind so ausgeführt, daß sie Magnetfelder erzeugen, die senkrecht in der Zeichenebene gemäß Fig. 8 ausgerichtet sind, und zwar zwischen den linken Polflächen 11a, 12 a aus der Ebene heraus und zwischen den rechten Polflächen 13», 14β in die Ebene hinein. Daher werden Elektronen, die zum Kabel 6a links hin wandern, im Uhrzeigergegendrehsinn längs einer praktisch kreisförmigen Bahn und Elektronen, die zum Kabel 6 a rechts hin wandern, im Uhrzeigerdrehsinn (Fig. 10) längs einer praktisch kreisförmigen Bahn abgelenkt. Als Ergebnis werden die Elektronen in dem Strahl 7 auf das Kabel 6a von praktisch allen Seiten in der Ebene hin gerichtet. Die Polflächen 11a, 12 a, 13 a, 14 a nach Fig. 10 müssen so ausgebildet sein, daß sie jedem Teil des ίο Elektronenstrahles 7 die gewünschte Ablenkung geben. Maximale Ablenkung wird den äußersten Enden des Elektronenstrahles 7 erteilt, welcher das Kabel 6 a von der hinteren Seite aus bombardiert, während dem mittleren Teil des Elektronenstrahles 7 keine Ablenkung erteilt wird, welcher das Kabel 6 a von der vorderen Seite her bombardiert. Werden Randeffekte ausgenommen, die sich leicht kompensieren lassen, und werden Streuungen vernachlässigt, so sind alle Elektronenbahnen kreisförmig und haben denselben Krümmungsradius in den Magnetfeldern; überall sonst sind die Elektronenbahnen geradlinig. Randeffekte treten prinzipiell in der Umgebung des Spalts zwischen den Polflächen 11a und 13a und zwischen den Polflächen 12a und 14a auf. Der Streueffekt führt dazu, den Elektronenstrahl derart zu zerstreuen, daß die Gleichförmigkeit der Durchstrahlung verstärkt wird. Diese Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens ist besonders gut für die Durchstrahlung von kontinuierlichen Längen eines Produktes oder von Produkten geeignet, die einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt haben, wie z. B. eine Plastikröhre, Kabel oder isolierter Draht oder eine axial ausgerichtete Folge von Flaschen, Ampullen, Phiolen, zerlegbaren und zusammenlegbaren Behältern oder ähnlichen Gegenständen. Der Ausdruck »im allgemeinen kreisförmiger Querschnitt«, wie er vorliegend verwendet worden ist, bedeutet einen kreisförmigen, elliptischen, ovalen, polygonalen oder ähnlichen Querschnitt. PtTENTANSHHCCHE:

1. A^erfahren zum Durchstrahlen eines Gegenstandes mit Elektronen hoher Energie, gekennr zeichnet durch das Erzeugen eines Elektronenstrahles in einer einzigen Elektronenquelle und durch Ausrichten dieses Strahles gleichzeitig auf mindestens zwei Seiten des zu durchstrahlenden Gegenstandes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen des Elektronenstrahles in bezug auf den Gegenstand derart sind, daß ein wesentlicher Teil des Strahles an dem Gegenstand vorbeiläuft, ohne ihn zu treffen, und daß dieser Teil des Strahles, beispielsweise durch die Wirkung eines Magnetfeldes, auf eine andere Seite des Gegenstandes fällt als der direkt gerichtete Strahl.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Abtastbewegung des Strahles, daß der Strahl während eines wesentlichen Teiles des Abtastzyklus an dem Gegenstand vorbeiläuft und durch Umlenkung dieses am Gegenstand vorbeifallenden Strahles durch die Wirkung eines Magnetfeldes auf eine andere Seite als die direkt getroffene Seite des Gegenstands fä|lt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Erzeugen eines solchen Elektronenstrahles, dessen Querschnitt mindestens in der Objektebene verhältnismäßig groß ist und der durch eine Kombination von Magnetfeldern so be-

einflußt wird, daß die Elektronen den Gegenstand praktisch von allen Richtungen treffen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl der Wirkung solcher Magnetfelder unterworfen wird, daß der Gegenstand durch die Elektronenstrahlen annähernd gleichmäßig auf allen Seiten beaufschlagt wird.

6. Vorrichtung zum Durchstrahlen eines Gegenstandes mittels des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen Elektronenstrahlerzeuger (1) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls von hoher Energie, ferner durch Halterung und Führung (8) des zu durchstrahlenden Gegenstandes in der Bahn des Strahles derart, daß ein wesentlicher Teil des Strahles an dem Gegenstand vorbeiläuft, und weiterhin durch einen Magnet (9) mit einem Luftspalt zwecks Um'-lenkung eines Teiles des am Gegenstand vorbeigelaufenen Strahles zurück auf den Gegenstand.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (1) durch ein Lenardfenster (4), an das sich ein Hohlraum (11) anschließt, abgeschlossen ist, der wiederum am anderen Ende durch ein Lenardfenster abgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Pumpen (13) zum Evakuieren des Hohlraumes (11).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas niedriger Dichte, wie Helium, in diesen Hohlraum (11) eingeführt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Elektronenstrahlerzeuger (1) ein hohlkegelförmig ausgebildeter Teil 3 und an diesen ohne Lenardfenster zwei Hohlräume (4', 5') anschließen, die durch zwei Lenardfenster (6', 7') abgeschlossen sind, zwischen denen der zu bestrahlende Gegenstand angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Ablenkung der in die Hohlräume (4', 5') eintretenden Strahlen mittels magnetischer Mittel (13', 14, 15, 16) seitlich auf entgegengesetzte Seiten des Gegenstandes (6).

12. Vorrichtung zum Durchstrahlen eines Gegenstandes mittels des Verfahrens nachAnspruch4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Elektronenstrahlerzeuger (1) zum Erzeugen eines solchen Elektronenstrahles, dessen Querschnitt mindestens in der Objektebene verhältnismäßig groß ist, und ferner durch zwei Paar gegenüberliegender Magnetpolflächen (9a, 10a), zwischen denen der zu durchstrahlende Gegenstand liegt und bei denen die Polarität derart ist, daß die zwischen den Polflächen jedes Paares hindurchlaufenden Elektronen zum Gegenstand hin abgelenkt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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