-
Die
Erfindung betrifft einen Strahlkopf mit einem Vakuumgehäuse, in
dem eine Elektronenquelle angeordnet ist, und mit einem Strahlfinger,
der mit dem Vakuumgehäuse
verbunden ist und an einem distalen Ende ein Austrittsfenster aufweist.
-
Die
von einem Strahlkopf emittierten Elektronen dienen z. B. zur physikalischen
Sterilisation von Verpackungsmaterialien und Behältnissen, beispielsweise von
Flaschen. Die Elektronen werden in einer Elektronenquelle erzeugt
und mittels einer angelegten Hochspannung auf eine definierte kinetische
Energie beschleunigt. Die Elektronen driften nach ihrer Beschleunigung
durch einen so genannten Strahlfinger und treffen nach dem Durchtritt
durch das Austrittsfenster auf den zu sterilisierenden Bereich.
Die Elektronenquelle ist bei dem bekannten Strahlkopf als Haarnadel-Emitter
ausgeführt.
Die Geometrie des von den Elektronen gebildeten Elektronenstrahls hängt ab von
der Güte
der Glühdrähte und
von der Montagegenauigkeit der Glühdrähte innerhalb der Elektronenquelle.
Aufgrund von Toleranzen und Abweichungen kann eine gleichbleibend
gute Qualität des
erzeugten Elektronenstrahls nicht zuverlässig gewährleistet werden, so dass gegebenenfalls
ein Austausch der Elektronenquelle erforderlich wird. Dies stellt
eine aufwändige
Wartungsmaßnahme
dar.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Strahlkopf zu schaffen,
der trotz eines verringerten Wartungsaufwands eine gleichbleibend gute
Qualität
des Elektronenstrahls liefert.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Strahlkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlkopfs sind jeweils
Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
-
Der
Strahlkopf nach Anspruch 1 umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Elektronenquelle
angeordnet ist, und einen Strahlfinger, der mit dem Vakuumgehäuse verbunden
ist und an einem distalen Ende ein Austrittsfenster aufweist. Erfindungsgemäß ist die
Elektronenquelle als Flachemitter oder als Glühwendel ausgebildet.
-
Dadurch,
dass als Elektronenquelle ein Flachemitter oder eine Glühwendel
vorgesehen ist, also als eng tolerierte Elektronenstrahlquelle ausgeführt ist,
weist der erzeugte Elektronenstrahl eine sehr geringe Toleranz auf.
Mit anderen Worten, der im erfindungsgemäßen Strahlkopf erzeugte Elektronenstrahl besitzt
nur eine sehr geringe Aufweitung durch Abstoßung der emittierten Elektronen,
ist also sehr gut fokussiert. Die Flugbahn der Elektronen streut
somit nur sehr gering, so dass der erzeugte Elektronenstrahl eine
hohe Intensität
aufweist. Im Gegensatz zu dem bekannten Strahlkopf, bei dem die
Elektronenquelle als Haarnadel-Emitter ausgeführt ist, bleibt die gewünschte enge
Toleranz der Elektronenquelle bei dem erfindungsgemäßen Strahlkopf
während
seiner gesamten Lebensdauer erhalten. Damit ist bei der erfindungsgemäßen Lösung trotz
eines verringerten Wartungsaufwands eine gleichbleibend hohe Qualität des Elektronenstrahls
gewährleistet.
Da die Elektronen emittierende Fläche bei einem Flachemitter oder
bei einer Glühwendel
deutlich größer ist
als bei einem Haarnadel-Emitter,
erhält
man auch eine höhere
Intensität
bzw. die Temperatur der Elektronenquelle kann entsprechend verringert
werden. Weiterhin kann aufgrund der engen Toleranzen des erzeugten
Elektronenstrahls auf weitere Fokussierungsmaßnahmen verzichtet werden.
-
Das
Know-how und die technischen Anforderungen für die Herstellung eines Flachemitters oder
einer Glühwendel
sind aus der Fertigung von Röntgenröhren bekannt.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Strahlkopf
liegt die Vakuumhülle,
die von dem Vakuumgehäuse
und dem Strahlfinger gebildet ist, beispielsweise auf Massepotential,
wohingegen die im Vakuum gehäuse angeordnete
Elektronenquelle (Flachemitter, Glühwendel) z. B. auf einem Potential
zwischen –50
keV und –200
keV liegt. Beim Anlegen einer entsprechenden Hochspannung werden
die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen unter Bildung
eines Elektronenstrahls somit in Richtung des ebenfalls auf Massepotential
liegenden Austrittsfensters beschleunigt. Nach dem Austritt des
Elektronenstrahls aus dem Strahlfinger (über das Austrittsfenster) treffen die
Elektronen auf der Oberfläche
des Verpackungsmaterials oder auf der Oberfläche des Behältnisses auf. Die Oberflächen, die
mit den aus dem Strahlfinger austretenden und nunmehr unfokussierten
Elektronen beschossen werden, werden dadurch sterilisiert.
-
Bei
einer Ausgestaltung des Strahlkopfs nach Anspruch 2 weist der Strahlfinger
einen Querschnitt auf, der geringer ist als der Querschnitt des Vakuumgehäuses. Vorzugsweise
ist der Querschnitt auf eine Mündung
der zu sterilisierenden Behältnisse abgestimmt.
Ein derartiger Strahlkopf kann dann mit seinem Strahlfinger jeweils
durch die Mündung
des Behältnisses
geführt
werden und die austretenden, nunmehr unfokussierten Elektronen treffen
zum weitaus größten Teil
auf eine Innenwandung dieses Behältnisses
auf.
-
Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
nach Anspruch 3 bestehen das Vakuumgehäuse und der Strahlfinger aus
Edelstahl.
-
Bei
einer Ausführungsform
des Strahlkopfs gemäß Anspruch
4 weist das Austrittsfenster eine Schichtdicke zwischen 10 μm und 20 μm auf. Damit treten
bei den aus dem Strahlfinger austretenden Elektronen nur geringe
Verluste durch Abschwächung
der Intensität
und durch Streuung auf.
-
Das
Austrittsfenster besteht nach einer in Anspruch 5 offenbarten Ausgestaltung
aus Titan (Ti), das eine Ordnungszahl (Z) von 22 besitzt. Titan
besitzt eine hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte und
bildet an Luft eine äußerst beständige oxidische
Schutzschicht aus, die es in vielen Medien korrosionsbeständig macht.
-
Gemäß Anspruch
6 sind jedoch auch Varianten realisierbar, bei denen das Austrittsfenster
aus einem Material besteht, das eine Ordnungszahl (Z) kleiner als
22 besitzt. Derartige Materialien, die für die Herstellung des Austrittsfensters
verwendet werden können,
sind beispielsweise Beryllium (Be, Z = 4), Kohlenstoff (C, Z = 6),
Aluminium (Al, Z = 13), Silizium (Si, Z = 14) oder resistente Materialverbindung aus
Kohlenstoff (C) und/oder Sauerstoff (O) und/oder Stickstoff (N).
Besteht das Austrittsfenster aus einem Material mit einer Ordnungszahl
kleiner als 22, dann wird die Streuung (Aufweitung des Elektronenstrahls) und
der Energieverlust (Abschwächung
der kinetischen Energie) der den Strahlfinger verlassenden Elektronen
entsprechend reduziert, so dass bei gleichbleibender Dicke des Austrittsfensters
eine geringere Aufheizung des Austrittsfensters auftritt.
-
Bei
einer Ausgestaltung des Strahlkopfs nach Anspruch 7 bildet das Vakuumgehäuse mit
dem Strahlfinger eine permanent hochvakuumdichte Vakuumhülle. Die
hierfür
notwendige vakuumdichte Verbindung zwischen dem Vakuumgehäuse und
dem Strahlfinger kann beispielsweise durch Schweißen oder
Hartlöten
hergestellt werden. Alternativ kann der Strahlfinger auch an dem
Vakuumgehäuse
angeformt sein. Das Know-how und die technischen Anforderungen für die Herstellung
einer permanent hochvakuumdichten Vakuumhülle sind aus der Fertigung
von Röntgenröhren bekannt.
-
Dadurch,
dass der Strahlfinger mit dem Vakuumgehäuse vakuumdicht verbunden ist,
bilden das Vakuumgehäuse
und der Strahlfinger eine gemeinsame Vakuumhülle. Diese Vakuumhülle ist
permanent hochvakuumdicht. Ein zusätzlicher Flansch, an dem zur
Aufrechterhaltung bzw. zur Wiederherstellung des Vakuums eine Abpumpeinrichtung
angeschlossen werden muss, wird somit nicht benötigt.
-
Aufgrund
des fehlenden Flansches besitzt der Strahlkopf gemäß Anspruch
7 ein geringeres Bauvolumen als ein konventioneller Strahlkopf.
Die daraus resultierende geringere Baugröße macht den Strahlkopf nach
Anspruch 7 damit besonders geeignet für einen Einsatz in Getränkeabfüllautomaten,
bei denen unmittelbar vor der Abfüllung des Getränks eine
physikalische Sterilisation der Verpackungsmaterialien oder der
Behältnisse
mittels Elektronenstrahlen vorgenommen wird.
-
Nachfolgend
wird anhand einer einzigen Figur in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert,
ohne jedoch auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt
zu sein.
-
Der
in der Zeichnung dargestellte Strahlkopf umfasst ein Vakuumgehäuse 1,
in dem eine Elektronenquelle 2 angeordnet ist, und einen
Strahlfinger 3, der mit dem Vakuumgehäuse 1 verbunden ist
und an einem distalen Ende 4 (Austrittsöffnung) ein Austrittsfenster 5 aufweist.
Bei der gezeigten Ausführungsform
des Strahlkopfs bildet das Vakuumgehäuse 1 mit dem Strahlfinger 3 eine
permanent hochvakuumdichte Vakuumhülle 6, die vorzugsweise
aus Edelstahl gefertigt ist.
-
Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt
die Vakuumhülle 6,
die von dem Vakuumgehäuse 1 und
dem Strahlfinger 2 gebildet ist, beispielsweise auf Massepotential,
wohingegen die im Vakuumgehäuse 1 angeordnete
Elektronenquelle 2 z. B. auf einem Potential zwischen –50 keV
und –200
keV liegt. Beim Anlegen einer entsprechenden Hochspannung werden
die von der Elektronenquelle 2 (Flachemitter, Glühwendel)
emittierten Elektronen 7 unter Bildung eines Elektronenstrahls
(in der Zeichnung als gestrichelte Linie 7 dargestellt)
somit in Richtung des ebenfalls auf Massepotential liegenden Austrittsfensters 5 beschleunigt.
Nach dem Austritt der Elektronen 7 aus dem Strahlfinger 3 (über das Austrittsfenster 5)
treffen diese unfokussiert auf der Oberfläche des Verpackungsmaterials
oder auf der Oberfläche
des Behältnisses
auf (in der Zeichnung nicht dargestellt). Die Oberflächen, die mit
den aus dem Austrittsfenster 5 austretenden Elektronen 7 beschossen
werden, werden dadurch sterilisiert.
-
Bei
dem in der Zeichnung dargestellten Strahlkopf ist die Elektronenquelle 2 erfindungsgemäß als Flachemitter
oder als Glühwendel
ausgeführt.
Die Elektronenquelle 2 ist über einen Hochspannungsanschluss 8 mit
einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochspannungskabel mit
einer Hochspannungsquelle (Hochspannungserzeuger, Generator) verbunden.
-
Die
Kathode 2 ist weiterhin von einem Wehnelt-Zylinder 9 (negativ
vorgespannte Steuerelektrode) zylinderförmig umgeben, die die aus der
Kathode 2 austretenden Elektronen 7 zu einem Elektronenstrahl
fokussiert.
-
Die
Kathode 2, der Hochspannungsanschluss 8 und der
Wehnelt-Zylinder 9 sind über einen Isolator 10 mechanisch
im Vakuumgehäuse 1 befestigt.
-
Der Übergang
vom Vakuumgehäuse 1 zum Strahlfinger 3,
das ist der Bereich, an dem der Elektronenstrahl 7 aus
dem Vakuumgehäuse 1 austritt und
in den Strahlfinger 3 eintritt, ist durch einen Koronaring 11 vor
Entladungseffekten und Überschlägen und
somit vor einer Verschlechterung der Qualität des Elektronenstrahls 7 geschützt. Durch
eine Einschnürung
des elektrischen Feldes wird eine Feldüberhöhung vermieden, wodurch die
Hochspannungsfestigkeit und damit die Hochspannungssicherheit gewährleistet
sind. Durch die Anordnung des Koronarings 11 wird der Krümmungsradius
im Bereich des Übergangs
vom Vakuumgehäuse 1 in
den Strahlfinger 3 deutlich vergrößert und damit ein scharfkantiger Übergang,
der zu Feldüberhöhungen führt, zuverlässig vermieden.
-
Weiterhin
wird durch den Koronaring 11 eine eventuelle Auffächerung
des Elektronenstrahls 7 auf dem Weg zum Austrittsfenster 5 vor
einem Eintritt der Elektronen 7 in den Strahlfinger 3 weitestgehend
verhindert. Der Koronaring 11 wirkt also auch als Fokussierungsring.
Eventuell nicht fokussierte Elektronen 7 werden auf einer
Anodenplatte 12 gesammelt, die auf der dem Strahlfinger 3 benachbarten
Innenseite des Vakuumgehäuses 1 angeordnet
ist.
-
Bei
dem in der einzigen Figur gezeigten Strahlkopf weist der Strahlfinger 3 einen
Querschnitt auf, der geringer ist als der Querschnitt des Vakuumgehäuses 1.
Vorzugsweise ist der Querschnitt auf eine Mündung der zu sterilisierenden
Behältnisse
abgestimmt. Ein derartiger Strahlkopf kann dann mit seinem Strahlfinger 3 jeweils
durch die Mündung
des Behältnisses
geführt
werden und die austretenden Elektronen 7 treffen bevorzugt
auf eine Innenwandung dieses Behältnisses
auf.
-
Bei
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform des Strahlkopfs
besteht das Austrittsfenster 5 aus Titan (Ti) und weist
eine Schichtdicke zwischen 10 μm
und 20 μm
auf. Damit treten bei den aus dem Strahlfinger 3 austretenden
Elektronen 7 nur geringe Verluste durch Abschwächung der
Intensität
und durch Streuung auf.