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DE102009034646A1 - Spray head for emitting electrons for physical sterilization of e.g. bottle, has transformer connected to source, where operating parameter of head is detected by monitoring device, and failure prediction value is derived from parameter - Google Patents

Spray head for emitting electrons for physical sterilization of e.g. bottle, has transformer connected to source, where operating parameter of head is detected by monitoring device, and failure prediction value is derived from parameter Download PDF

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DE102009034646A1
DE102009034646A1 DE102009034646A DE102009034646A DE102009034646A1 DE 102009034646 A1 DE102009034646 A1 DE 102009034646A1 DE 102009034646 A DE102009034646 A DE 102009034646A DE 102009034646 A DE102009034646 A DE 102009034646A DE 102009034646 A1 DE102009034646 A1 DE 102009034646A1
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DE
Germany
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electron source
head according
jet head
operating parameter
detected
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102009034646A
Other languages
German (de)
Inventor
Manfred Apel
Clemens Dr. Fiebiger
Wolfgang Hennig
Roland Dr. Schmdt
Björn ÖSTERREICHER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE102009034646A priority Critical patent/DE102009034646A1/en
Publication of DE102009034646A1 publication Critical patent/DE102009034646A1/en
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J33/00—Discharge tubes with provision for emergence of electrons or ions from the vessel; Lenard tubes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/08—Radiation
    • A61L2/087—Particle radiation, e.g. electron-beam, alpha or beta radiation
    • A61L2103/23—

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlkopf mit einem Vakuumgehäuse (1), in dem eine Elektronenquelle (2) angeordnet ist, mit einem Strahlfinger (3), der mit dem Vakuumgehäuse (1) verbunden ist und an einem distalen Ende (4) ein Austrittsfenster (5) aufweist, und mit einem Transformatorgehäuse (16), in dem ein an die Elektronenquelle (2) geschalteter Transformator (15) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist eine Überwachungseinrichtung (25) vorgesehen, durch die wenigstens ein Betriebsparameter des Strahlkopfes erfassbar und daraus durch Vergleich mit wenigstens einem Referenzwert wenigstens ein Ausfallvorhersage-Wert ableitbar ist. Dadurch ist ein Strahlkopfsystem mit geringen Stillstandszeiten realisierbar.The invention relates to a jet head with a vacuum housing (1), in which an electron source (2) is arranged, with a jet finger (3) which is connected to the vacuum housing (1) and at an distal end (4) has an exit window (5 ), and with a transformer housing (16) in which a to the electron source (2) connected to the transformer (15) is arranged. According to the invention, a monitoring device (25) is provided by which at least one operating parameter of the jet head can be detected and from which at least one failure prediction value can be derived by comparison with at least one reference value. As a result, a jet head system with low downtime can be realized.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlkopf mit einem Vakuumgehäuse, in dem eine Elektronenquelle angeordnet ist, mit einem Strahlfinger, der mit dem Vakuumgehäuse verbunden ist und an einem distalen Ende ein Austrittsfenster aufweist und mit einem Transformatorgehäuse, in dem ein an die Elektronenquelle geschalteter Transformator angeordnet ist.The The invention relates to a jet head with a vacuum housing, in an electron source is arranged, with a beam finger, the one with the vacuum housing is connected and has an exit window at a distal end and with a transformer housing, in which a transformer connected to the electron source is arranged is.

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 für die Elektronenerzeugung und für die Elektronenbeschleunigung notwendige Hochspannung wird für jeden Strahlkopf in einem separaten Transformator (so genannter ”Hochspannungserzeuger”) erzeugt, der jeweils in einem eigenen Transformatorgehäuse angeordnet ist. Mittels eines Hochspannungskabels und einer entsprechenden Hochspannungssteckverbindung wird die erzeugte Hochspannung zum betreffenden Stahlkopf geführt. Alternativ dazu kann das Transformatorgehäuse auch unmittelbar an dem Vakuumgehäuse des Strahlkopfes angeordnet sein. Sind die Strahlköpfe auf einem Karussell (Sterilisationsvorrichtung, Strahlkopfsystem) angeordnet, dann können die Elektronenquellen der Strahlköpfe jeweils über ein Hochspannungskabel und ein Schaltelement an einen gemeinsamen, auf dem Karussell angeordneten Transformator geschaltet sein. Die Betriebszeiten der Strahlköpfe betragen bis zu 20 Stunden pro Tag, so dass jeder Strahlkopf einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Durch den daraus resultierenden betriebsbedingten Verschleiß der Strahlkopf-Komponenten treten zwangsläufig Defekte auf, deren Zeitpunkt momentan nicht bestimmt wird. Dies führt, unabhängig vom Aufbau des Strahlkopfes, zu nicht vorhersehbaren ausfällen einzelner Strahlköpfe und damit zum Stillstand des gesamten Strahlkopfsystems sowie – daraus resultierend – zu einem entsprechenden Lieferungsverzug. Häufig auftretende Fehlerquellen sind beispielsweise Undichtigkeiten des Vakuumgehäuses oder des Strahlfingers, insbesondere im Bereich des Austrittsfensters. Auch übermäßiger Verschleiß der Elektronenquelle kann zu einem Ausfall des Strahlkopfes bzw. des gesamten Strahlkopfsystems führen.The emitted by a jet head electrons serve z. B. for physical Sterilization of packaging materials and containers, for example from Bottles. The electrons are generated in an electron source and by means of an applied high voltage to a defined kinetic Energy accelerates. The electrons drift after their acceleration through a so-called beam finger and hit after passing through through the exit window onto the area to be sterilized. The for the electron generation and for The electron acceleration necessary high voltage will be for everyone Beam head in a separate transformer (so-called "high voltage generator") generated, the each is arranged in a separate transformer housing. through a high voltage cable and a corresponding high voltage connector The generated high voltage is passed to the relevant steel head. alternative this may be the transformer housing also arranged directly on the vacuum housing of the jet head be. Are the jet heads on a carousel (sterilization device, jet head system) arranged, then you can the electron sources of the beam heads in each case via a High voltage cable and a switching element to a common, on be arranged connected to the carousel transformer. The operating times the jet heads amount up to 20 hours a day, making each blasting head one exposed to high thermal stress. By the resulting operational wear of the Beamhead components inevitably experience defects, their timing currently not determined. This leads, regardless of the structure of the jet head, unpredictable outages individual beam heads and thus to the standstill of the entire jet head system and - from it as a result - too a corresponding delivery delay. Common sources of error For example, leaks in the vacuum housing or the beam finger, in particular in the region of the exit window. Also excessive wear of the electron source can cause a failure of the jet head or the entire jet head system to lead.

Ein einfaches Austauschen jedes Strahlkopfes nach einer gewissen Standardlebensdauer (z. B. mittlere Lebensdauer) kann das genannte Problem ebenfalls nicht lösen. Zum einen gibt es immer wieder Fälle, in denen die Lebensdauer eines Strahlkopfes sehr viel kleiner ist als die Standardlebensdauer, so dass in solchen Fällen wiederum der vorstehend geschilderte nachteilige plötzliche Ausfall des Strahlkopfes auftritt. Zum anderen müsste, um die Anzahl dieser Fälle möglichst gering zu halten, stets ein erheblicher Abstand zur Standardlebensdauer eingehalten werden und bereits rechtzeitig vorher ein Austausch des Strahlkopfes stattfinden, was aber die Nutzungsdauer des betreffenden Strahlkopfes entsprechend verringern und die Kosten seines Einsatzes entsprechend erhöhen würde.One easy replacement of each jet head after a certain standard lifetime (eg, average life), the problem mentioned can also be not solve. For one thing, there are always cases in which the life of a jet head is much smaller as the standard life, so again in such cases the above-described adverse sudden failure of the jet head occurs. On the other hand, by the number of these cases preferably low, always a significant distance from the standard life be complied with and in good time before an exchange take the jet head, but what the useful life of the relevant Reduce beam head accordingly and the cost of its use increase accordingly would.

Wie stark die Lebensdauer, die ein Strahlkopfes tatsächlich erreicht, von der Standardlebensdauer abweicht, hängt stark von den Umständen ab, unter denen der Strahlkopf betrieben wurde, wobei der von der Elektronenquelle ausgehende Elektronenstrom (Emissionsstrom) von besonderer Bedeutung ist. Ist die Elektronenquelle als thermischer Emitter (Flachemitter, Glühwendel) ausgeführt, dann fallen Strahlköpfe häufig wegen Durchbrennens oder Bruchs des Emitters aus. Bei hohem Röhrenstrom ist die Temperatur des Emitters und damit auch die Abdampfrate, mit der Material von dem Emitter abdampft, höher als bei einem niedrigen Emissionsstrom. Dies gilt insbesondere für solche Emitter, die aus dünnem, z. B. nur 75 μm starkem Blech, z. B. aus Wolfram, bestehen, da bei solchen Emittern bereits die im Bereich der Emissionstemperatur (2.350°C für Wolfram) auftretenden thermomechanische Spannungen ausreichen, um den Emitter brechen zu lassen, wenn er durch den Abdampfprozess entsprechend dünn geworden ist.As greatly the lifetime that a jet head actually reaches from the standard life deviates, hangs strong on the circumstances from, under which the jet head was operated, wherein the of the Electron source outgoing electron current (emission current) of is of particular importance. Is the electron source as a thermal emitter (Flat emitter, incandescent filament) executed then ray heads fall often due to burnout or breakage of the emitter. At high tube current is the temperature of the emitter and thus the evaporation rate, with the material evaporating from the emitter, higher than at a low one Emission current. This is especially true for those emitters made of thin, z. B. only 75 microns strong sheet, z. As tungsten, exist as in such emitters already in the range of the emission temperature (2,350 ° C for tungsten) occurring thermo-mechanical stresses are sufficient to the emitter to break if it through the Abdampfprozess accordingly become thin is.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Strahlkopf zu schaffen, der die Realisierung eines Strahlkopfsystems mit geringen Stillstandszeiten ermöglicht.task The invention is therefore to provide a jet head, the the realization of a jet head system with low downtimes allows.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strahlkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlkopfes sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.The Task is achieved by a jet head with the features of claim 1 solved. advantageous Embodiments of the jet head according to the invention are respectively Subject of further claims.

Der erfindungsgemäße Strahlkopf umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Elektronenquelle angeordnet ist, einen Strahlfinger, der mit dem Vakuumgehäuse verbunden ist und an einem distalen Ende ein Austrittsfenster aufweist, und ein Transformatorgehäuse, in dem ein an die Elektronenquelle geschalteter Transformator angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, durch die wenigstens ein Betriebsparameter des Strahlkopfes erfassbar und daraus durch Vergleich mit wenigstens einem Referenzwert wenigstens ein Ausfallvorhersage-Wert ableitbar ist.Of the Blasting head according to the invention includes a vacuum housing, in which an electron source is arranged, a beam finger, the one with the vacuum housing is connected and has an exit window at a distal end, and a transformer housing, in which a transformer connected to the electron source is arranged is. According to the invention, a monitoring device provided by the at least one operating parameter of the jet head detectable and therefrom by comparison with at least one reference value at least one default prediction value can be derived.

Bei dem Strahlkopf gemäß Anspruch 1 kann das Transformatorgehäuse, in dem ein an die Elektronenquelle geschalteter Transformator angeordnet ist, unmittelbar an dem Vakuumgehäuse angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch auch für Strahlköpfe geeignet, die auf einem Karussell angeordnet sind (Strahlkopfsystem, Sterilisationsvorrichtung). Die Strahlköpfe weisen dann entweder jeweils ein unmittelbar an dem Vakuumgehäuse angeordnetes Transformatorgehäuse auf, oder die Elektronenquellen der Strahlköpfe sind jeweils über ein Hochspannungskabel und ein Schaltelement an einen gemeinsamen, auf dem Karussell angeordneten Transformator geschaltet.In the jet head according to claim 1, the transformer housing, in which a to the Elek Tronenquelle switched transformer is disposed directly on the vacuum housing. However, the solution according to the invention is also suitable for jet heads which are arranged on a carousel (jet head system, sterilization device). The jet heads then either each have a transformer housing arranged directly on the vacuum housing, or the electron sources of the jet heads are respectively connected via a high-voltage cable and a switching element to a common transformer arranged on the carousel.

Bei dem Strahlkopf nach Anspruch 1 ist sowohl eine Erfassung einer vorgebbaren Anzahl von Betriebsparametern in vorgebbaren Zeitabständen oder über einen vorgebbaren Zeitraum durchführbar. Eine permanente Erfassung der gewünschten Betriebsparameter ist bei dem Strahlkopf gemäß Anspruch 1 ebenfalls realisierbar. Auch eine Kombination einer permanenten Erfassung bestimmter Betriebsparameter und eine nur zeitweise Erfassung von anderen Betriebsparametern sind im Rahmen der Erfindung möglich.at The jet head according to claim 1 is both a detection of a predeterminable Number of operating parameters at predeterminable time intervals or over one definable period feasible. A permanent capture of the desired Operating parameters can also be realized in the jet head according to claim 1. Also a combination of a permanent detection of certain operating parameters and a temporary capture of other operating parameters are possible within the scope of the invention.

Durch die Erfassung wenigstens eines Betriebsparameters und dem sich daran anschließenden Vergleich mit wenigstens einem Referenzwert ist wenigstens ein Ausfallvorhersage-Wert zuverlässig ableitbar. Damit kann die Restlebensdauer eines jeden Strahlkopfes in einem Strahlkopfsystem gezielt vorherbestimmt werden, so dass eine sichere Benutzung des Strahlkopfes bis kurz vor seinem Ausfall möglich ist.By the detection of at least one operating parameter and the thereto subsequent A comparison with at least one reference value is at least one default prediction value reliable derivable. Thus, the remaining life of each jet head in a Radiation head system can be specifically predetermined, so that a safe Use of the blasting head is possible until shortly before its failure.

Die Erzeugung des Signals erfolgt also nicht auf Basis der Registrierung von Betriebsparametern des Strahlkopfes, sondern auf Grundlage einer Bewertung von erfassten Betriebsparametern, so dass eine exakte Aussage über den Alterungszustand des Strahlkopfes bzw. seiner Komponenten möglich ist und somit problemloser Betrieb des Strahlkopfes bis kurz vor dem Ende der Lebensdauer der Komponenten möglich ist.The Generation of the signal is thus not based on the registration of operating parameters of the jet head, but based on a Evaluation of recorded operating parameters, so that an exact Statement about the aging state of the jet head or its components is possible and thus trouble-free operation of the blasting head until shortly before the end the life of the components is possible.

Bei dem erfindungsgemäßen Strahlkopf liegt die Vakuumhülle, die von dem Vakuumgehäuse und dem Strahlfinger gebildet ist, beispielsweise auf Massepotential, wohingegen die im Vakuumgehäuse angeordnete Elektronenquelle z. B. auf einem Potential zwischen –50 keV und –200 keV liegt. Beim Anlegen einer entsprechenden Hochspannung werden die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen somit in Richtung des ebenfalls auf Massepotential liegenden Austrittsfensters beschleunigt. Nach dem Austritt der Elektronen aus dem Strahlfinger (über das Austrittsfenster) treffen diese auf der Oberfläche des Verpackungsmaterials oder auf der Oberfläche des Behältnisses auf. Die Oberflächen, die mit den aus dem Strahlfinger austreten den und nunmehr unfokussierten Elektronen beschossen werden, werden dadurch sterilisiert.at the blasting head according to the invention lies the vacuum envelope, that of the vacuum housing and the beam finger is formed, for example at ground potential, whereas those arranged in the vacuum housing Electron source z. B. at a potential between -50 keV and -200 keV lies. When creating a corresponding high voltage, the electrons emitted by the electron source thus in the direction accelerated also at ground potential exit window. After the exit of the electrons from the beam finger (over the Exit window) meet these on the surface of the packaging material or on the surface of the container on. The surfaces, with the exiting from the beam finger and now unfocused Be bombarded with electrons, thereby sterilized.

Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlkopfes sind die folgenden Betriebsparameter alternativ oder in Kombination erfassbar:

  • • Das Vakuum im Strahlkopf und/oder der zeitliche Verlauf einer Änderung des Vakuums im Strahlkopf,
  • • die Heizcharakteristik der Elektronenquelle, insbesondere der Temperaturverlauf in der Elektronenquelle,
  • • die Dosis der emittierten Elektronen,
  • • der die Elektronenquelle speisende Heizstrom und/oder die an der Elektronenquelle anliegende Heizspannung,
  • • eine Widerstandsänderung der Elektronenquelle,
  • • die Beschleunigungsspannung der Elektronen,
  • • der sich beim Anlegen der Heizspannung einstellende Einschaltemissionsstrom und der sich im Anschluss an den Einschaltvorgang einstellende kleinere Gleichgewichtsemissionsstrom.
According to advantageous embodiments of the jet head according to the invention, the following operating parameters can be detected alternatively or in combination:
  • The vacuum in the jet head and / or the time course of a change in the vacuum in the jet head,
  • The heating characteristic of the electron source, in particular the temperature profile in the electron source,
  • The dose of emitted electrons,
  • The heating current supplying the electron source and / or the heating voltage applied to the electron source,
  • A resistance change of the electron source,
  • The acceleration voltage of the electrons,
  • • the turn-on emission current that occurs when the heating voltage is applied, and the smaller equilibrium emission current that occurs following the switch-on process.

Die Widerstandsänderung der als Emitter ausgebildeten Elektronenquelle ist deshalb ein bevorzugter Betriebsparameter, weil während der Alterung eines thermionischen Emitters ein Teil seiner emittierenden Substanz von der Oberfläche verdampft. Hierdurch reduziert sich der Leitungsquerschnitt mit der Folge, dass der Widerstand des Emitters sich erhöht. Dieser Effekt lässt sich bei direkt geheizten Emittern durch Überwachung der Betriebsparameter Heizstrom und/oder Heizspannung des Emitters nachweisen. Aus dem Verlauf der Widerstandsänderung des Emitters als Funktion der Betriebsdauer ergeben sich zwei unterschiedliche Möglichkeiten, über auftretende Widerstandsänderungen einen bevorstehenden Ausfall des Emitters abzuleiten.The resistance change the electron source formed as an emitter is therefore more preferable Operating parameters because during the aging of a thermionic emitter is part of its emitting Substance from the surface evaporated. This reduces the cable cross-section with the consequence that the resistance of the emitter increases. This Leaves effect in directly heated emitters by monitoring the operating parameters Demonstrate heating current and / or heating voltage of the emitter. From the Course of resistance change the emitter as a function of the operating time, there are two different Possibilities over occurring Resistance changes one Derive impending failure of the emitter.

Die erste Möglichkeit beruht darauf, dass der Widerstand des Emitters, wie erwähnt, während der Betriebsdauer steigt. Ursache hierfür ist das stetige Abdampfen von Material während des Betriebs (typischerweise 10–8 g/(cm2·sec) für Wolfram bei 2.350°C). Dadurch reduziert sich der Leitungsquerschnitt und der Widerstand erhöht sich. Bei vorgegebener Heizspannung nimmt der Heizstrom proportional ab. Die Überwachungseinrichtung lässt sich somit derart ausgestalten, dass hieraus ein Ausfallvorhersage-Wert ableitbar ist, beispielsweise einer Änderung des Widerstands um etwa 10% gegenüber dem Widerstand eines neuen Emitters.The first possibility is based on the fact that the resistance of the emitter, as mentioned, increases during the operating period. This is due to the steady evaporation of material during operation (typically 10 -8 g / (cm 2. Sec) for tungsten at 2350 ° C). This reduces the cable cross-section and the resistance increases. For a given heating voltage, the heating current decreases proportionally. The monitoring device can thus be configured in such a way that a failure prediction value can be derived therefrom, for example a change of the resistance of approximately 10% in relation to the resistance of a new emitter.

Die Temperaturverteilung eines thermionischen Emitters ist niemals vollkommen homogen. Es gibt immer Stellen, die etwas heißer sind als die Umgebung und an diesen heißen Stellen dampft mehr Material ab. Der dort stärker reduzierte Leitungsquerschnitt führt über eine lokal verstärkte Aufheizung zu einer verstärkten Abdampfung und letztlich zum Schmelzen des Materials des Emitters. Diese mit dem Schmelzen verbundene Abdampfung führt bei dem betroffenen Emitter zu einem stark überproportionalen Anstieg des Widerstandes im Verhältnis zur Brenndauer gegen Ende seiner Lebensdauer.The temperature distribution of a thermionic emitter is never perfectly homogeneous. There are always places that are a little hotter than the surrounding area and steaming in these hot spots more Material off. The more strongly reduced cross-section of the duct leads via a locally increased heating to increased evaporation and ultimately to melting of the material of the emitter. This evaporation associated with melting results in the affected emitter to a strong disproportionate increase in resistance in relation to the burning time towards the end of its life.

Dieser physikalische Zusammenhang bietet eine weitere Möglichkeit einen bevorstehenden Ausfall des Emitters und damit des Strahlkopfes aufgrund eines vorgebbaren Gradienten der zeitlichen Widerstandszunahme vorherzusagen. Der vorstehend erläuterte, nochmalige starke Anstieg des Widerstandes zum Ende der Betriebsdauer (vor einem Ausfall des Emitters) um nochmals etwa 8% gegenüber der sehr langsamen Widerstandszunahme über die Gesamtlebensdauer um 10% lässt es zu, den Strahlkopf bis wenige Stunden vor dem endgültigen Ausfall des Emitters (Elektronenquelle) zu benutzen. Der starke Gradient der Widerstandsänderung in den letzten Betriebsstunden durch die unsymmetrischen Abdampfungen lässt sich messtechnisch erfassen und zur Erzeugung eines Ausfallvorhersage-Wertes ausnutzen.This physical connection provides another way an upcoming one Failure of the emitter and thus the jet head due to a predetermined Predict gradients of temporal resistance increase. Of the explained above, repeated strong increase in resistance at the end of the operating period (before a failure of the emitter) again by about 8% compared to the very slow increase in resistance over the total lifespan is around 10% Close it up to a few hours before the final failure to use the emitter (electron source). The strong gradient the resistance change in the last hours of operation due to the asymmetrical evaporations let yourself metrologically record and to generate a default prediction value exploit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlkopfes ist aus dem Einschaltemissionsstrom und aus dem Gleichgewichtsemissionsstrom ein Quotient als Funktion der Betriebsdauer der Elektronenquelle (Kathode) ermittelbar.According to one another preferred embodiment the jet head according to the invention is from the turn-on emission stream and from the equilibrium emission stream a quotient as a function of the operating time of the electron source (cathode) determined.

Bei einer zweiten Variante der Erfindung ermittelt die Überwachungseinrichtung einen Quotienten des Einschaltemissionsstroms beim Anlegen der Röhrenhochspannung zu dem sich einstellenden kleineren Gleichgewichtsemissionsstrom. Aus einer Änderung dieses Quotienten während der Emitterbetriebszeit wird ein auf den bevorstehenden Ausfall des Emitters hinweisender Ausfallvorhersage-Wert gebildet.at A second variant of the invention determines the monitoring device a quotient of the turn-on emission current when applying the tube high voltage to the resulting smaller equilibrium emission stream. From a change this quotient during The emitter operating time will be an imminent failure of the Emitter's indicative default prediction value formed.

Die Änderung des vorgenannten Quotienten eignet sich deshalb als Kriterium für die Ableitung eines Ausfallvorhersage-Wertes, weil sich dieser Quotient während der Betriebsdauer des Strahlkopfes zunächst nur in geringem Umfang ändert, jedoch kurz vor dem Ende der Lebensdauer des Emitters sehr stark ansteigt.The change of the aforementioned quotient is therefore suitable as a criterion for the derivation a failure prediction value, because this quotient is during the operating time of the jet head initially only slightly changes, however rises very high shortly before the end of the life of the emitter.

Wenn der Emitter vor dem Einschalten der Hochspannung auf eine konstante Emissionstemperatur gebracht wird, ergibt sich die charakteristische Abnahme des Emissionsstroms innerhalb von ca. 200 ms infolge eines Abkühlungseffektes, bedingt durch den Abtransport von thermischer Energie (entsprechend der Emissionstemperatur) durch die emittierten Elektronen.If the emitter before switching the high voltage to a constant Emission temperature is brought, resulting in the characteristic decrease the emission current within about 200 ms due to a cooling effect, conditioned by the removal of thermal energy (corresponding the emission temperature) by the emitted electrons.

Im Laufe der Lebensdauer des Emitters wird dieser wie beschrieben durch Abdampfen dünner. Dadurch wird die Wärmekapazität und durch die veränderte Wärmeleitung auch die Wärmeleitfähigkeit vom Inneren des Emitters zu der durch Elektronenemission gekühlten Oberfläche des Emitters kleiner, so dass sich die Oberflächentemperatur entsprechend verringert und damit der Gleichgewichtsemissionsstrom absinkt, der sich einstellt, wenn der Emitter aufgeheizt wurde und die Röhrenspannung über eine gewisse Zeit anliegt.in the Over the life of the emitter, this is as described by Evaporate thinner. Thereby is the heat capacity and through the changed one heat conduction also the thermal conductivity of Inside the emitter to the electron-cooled surface of the Emitters smaller, so that the surface temperature accordingly decreases and thus the equilibrium emission current decreases, the occurs when the emitter has been heated and the tube voltage across a certain time.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strahlkopfes ist zusätzlich zu wenigstens einem ermittelten Betriebsparameter die Störhäufigkeit erfassbar.To a further advantageous embodiment of the jet head according to the invention is additional for at least one determined operating parameter, the frequency of interference detectable.

Nachfolgend wird anhand einer einzigen Figur in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, ohne jedoch auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.following is an exemplary embodiment with reference to a single figure in the drawing closer to the invention explains but without this embodiment limited to be.

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. Erfindungsgemäß bildet das Vakuumgehäuse 1 mit dem Strahlfinger 3 eine permanent hochvakuumdichte Vakuumhülle 6, die gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung aus Edelstahl gefertigt ist.The jet head shown in the drawing comprises a vacuum housing 1 in which an electron source 2 is arranged, and a beam finger 3 that with the vacuum housing 1 is connected and at a distal end 4 (Outlet) an exit window 5 having. According to the invention, the vacuum housing forms 1 with the beam finger 3 a permanently high vacuum-tight vacuum envelope 6 , which is made according to a preferred embodiment of stainless steel.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Vakuumhülle, 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 emittierten Elektronen 7, die in der Zeichnung als gestrichelte Linie dargestellt sind, 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.In the illustrated embodiment, the vacuum envelope, that of the vacuum housing 1 and the beam finger 2 is formed, for example at ground potential, whereas in the vacuum housing 1 arranged electron source 2 z. B. is at a potential between -50 keV and -200 keV. When a corresponding high voltage is applied, that from the electron source 2 emitted electrons 7 , which are shown in the drawing as a dashed line, thus in the direction of also lying at ground potential exit window 5 accelerated. After the exit of the electrons 7 from the beam finger 3 (via the exit window 5 ) encounter these unfocused on the surface of the packaging material or on the surface of the container (not shown in the drawing). The surfaces that come out of the exit window 5 escaping electrons 7 are bombarded thereby sterilized.

Prinzipiell können bei dem erfindungsgemäßen Strahlkopf die Elektronen 7 sowohl durch Feldemission als auch durch thermische Emission (Anlegen einer elektrischen Spannung oder laserinduzierte Elektronenemission) erzeugt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Elektronenquelle 2 jedoch als Kathode ausgebildet, die als Flachemitter oder als Glühwendel ausgeführt sein kann. Die Kathode 2 ist über einen Hochspannungsanschluss 8 und einem Hochspannungskabel 13 mit einem Transformator 15 (Hochspannungsquelle, Hochspannungserzeuger) verbunden. Der Transformator 15 umfasst in bekannter Weise eine Primärwicklung 18 und eine Sekundärwicklung 19 sowie ein Stromversorgungskabel 20. Weitere Einzelheiten des Transformators 15 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.In principle, in the jet head according to the invention, the electrons 7 both by field emission and by thermal emission (application of an electrical voltage or laser-induced electron emission) are generated. In the embodiment shown, the electron source is 2 However, formed as a cathode, which as a flat with ter or can be designed as a filament. The cathode 2 is via a high voltage connection 8th and a high voltage cable 13 with a transformer 15 (High voltage source, high voltage generator) connected. The transformer 15 includes in a known manner a primary winding 18 and a secondary winding 19 and a power cable 20 , Further details of the transformer 15 are not shown for reasons of clarity.

Der Transformator 15 ist in einem Transformatorgehäuse 16 angeordnet, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar an dem Vakuumgehäuse 1 angeordnet ist.The transformer 15 is in a transformer housing 16 arranged, in the illustrated embodiment, directly to the vacuum housing 1 is arranged.

Das Vakuumgehäuse 1 und das Transformatorgehäuse 16 bilden somit ein gemeinsames Strahlkopfgehäuse. Der gezeigte Strahlkopf ist also als so genannter ”Eintank” ausgeführt.The vacuum housing 1 and the transformer housing 16 thus form a common jet head housing. The jet head shown is thus designed as a so-called "tank".

Bei dem erfindungsgemäßen Strahlkopf kann – wie in der einzigen Figur dargestellt – das Transformatorgehäuse 16, in dem ein an die Elektronenquelle 2 geschalteter Transformator 15 angeordnet ist, unmittelbar an dem Vakuumgehäuse 1 angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung muss das Transformatorgehäuse 16 jedoch nicht unmittelbar an dem Vakuumgehäuse 1 angeordnet sein. Vielmehr können das Vakuumgehäuse 1 und das Transformatorgehäuse 16 auch voneinander getrennt angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Lösung ist auch für eine Vielzahl von Strahlköpfen geeignet, die dann ein Strahlkopfsystem bilden. In diesem Fall sind die Strahlköpfe z. B. auf einem Karussell angeordnet (Strahlkopfsystem, Sterilisationsvorrichtung). Die Strahlköpfe weisen dann entweder jeweils ein unmittelbar an dem Vakuumgehäuse 1 angeordnetes Transformatorgehäuse 16 auf (”Eintank”), oder die Elektronenquellen 2 der Strahlköpfe sind jeweils über ein Hochspannungskabel und ein Schaltelement an einen gemeinsamen Transformator geschaltet, der in einem auf dem Karussell angeordneten Transformatorgehäuse angeordnet ist.In the jet head according to the invention can - as shown in the single figure - the transformer housing 16 in which one to the electron source 2 switched transformer 15 is arranged directly on the vacuum housing 1 be arranged. In the context of the invention, the transformer housing 16 but not directly on the vacuum housing 1 be arranged. Rather, the vacuum housing 1 and the transformer housing 16 also be separated from each other. The solution according to the invention is also suitable for a large number of jet heads, which then form a jet head system. In this case, the beam heads z. B. arranged on a carousel (jet head system, sterilization device). The jet heads then either each have a directly on the vacuum housing 1 arranged transformer housing 16 on ("Eintank"), or the electron sources 2 the jet heads are each connected via a high voltage cable and a switching element to a common transformer, which is arranged in a arranged on the carousel transformer housing.

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.The cathode 2 is still from a Wehnelt cylinder 9 (Negatively biased control electrode) surrounded by a cylindrical, which from the cathode 2 escaping electrons 7 focused to an electron beam.

Die Kathode 2, der Hochspannungsanschluss 8 und der Wehnelt-Zylinder 9 sind über einen Isolator 10 mechanisch an der dem Strahlfinger 3 abgewandten Seite 17 im Vakuumgehäuse 1 befestigt.The cathode 2 , the high voltage connection 8th and the Wehnelt cylinder 9 are over an insulator 10 mechanically at the beam finger 3 opposite side 17 in a vacuum housing 1 attached.

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.The transition from the vacuum housing 1 to the beam finger 3 , that is the area where the electron beam 7 from the vacuum housing 1 exit and into the beam finger 3 entering is through a coronary ring 11 before discharge effects and flashovers and thus before a deterioration of the quality of the electron beam 7 protected. A constriction of the electric field avoids a field increase, whereby the high-voltage strength and thus the high-voltage safety are guaranteed. By the arrangement of the coronary ring 11 The radius of curvature is in the region of the transition from the vacuum housing 1 in the beam finger 3 significantly increased and thus a sharp-edged transition, which leads to Feldüberhöhungen reliably avoided.

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.Furthermore, by the coronary ring 11 a possible fanning of the electron beam 7 on the way to the exit window 5 before an entry of the electrons 7 in the beam finger 3 largely prevented. The coronary ring 11 So it also acts as a focusing ring. Possibly not focused electrons 7 be on an anode plate 12 collected on the the beam finger 3 adjacent inside of the vacuum housing 1 is arranged.

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 Behält nisses geführt werden und die austretenden Elektronen 7 treffen bevorzugt auf eine Innenwandung dieses Behältnisses auf.In the jet head shown in the single figure, the beam finger points 3 a cross section which is smaller than the cross section of the vacuum housing 1 , Preferably, the cross section is matched to an orifice of the containers to be sterilized. Such a jet head can then with his beam finger 3 are each guided by the mouth of the container nes and the exiting electrons 7 preferably meet on an inner wall of this container.

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.In the embodiment of the jet head shown in the drawing, the exit window exists 5 made of titanium (Ti) and has a layer thickness between 10 .mu.m and 20 .mu.m. This occurs at the out of the beam finger 3 escaping electrons 7 only minor losses due to attenuation of intensity and due to dispersion.

Unabhängig von der Anzahl und dem Aufbau der Strahlköpfe ist erfindungsgemäß eine Überwachungseinrichtung 25 vorgesehen, durch die wenigstens ein Betriebsparameter des Strahlkopfes erfassbar und daraus durch Vergleich mit wenigstens einem Referenzwert wenigstens ein Ausfallvorhersage-Wert ableitbar ist. Die Überwachungseinrichtung 25 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit stark schematisiert dargestellt.Regardless of the number and structure of the jet heads according to the invention a monitoring device 25 provided by the at least one operating parameter of the jet head detectable and it is derivable by comparison with at least one reference value at least one default prediction value. The monitoring device 25 is shown in a highly schematic for reasons of clarity.

Die elektrische Verbindung (Verbindung zum Hochspannungsanschluss 8) und elektronische Verbindung (Verbindung zu wenigstens einem in der Zeichnung nicht dargestellten Sensor) der Überwachungseinrichtung 25 mit dem Strahlkopf ist durch einen Doppelpfeil 26 symbolisiert.The electrical connection (connection to the high voltage connection 8th ) and electronic connection (connection to at least one sensor not shown in the drawing) of the monitoring device 25 with the blasting head is by a double arrow 26 symbolizes.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst die Überwachungseinrichtung 25 eine elektronische Recheneinrichtung 27, die z. B. von einem Personal Computer gebildet ist. An die Recheneinrichtung 27 sind ein Monitor 28 (Ausgabeeinheit) und eine Tastatur 29 (Eingabeeinheit) angeschlossen. Der Monitor 28 und die Tastatur 29 sind damit ebenfalls Bestandteile der Überwachungseinrichtung 25.In the described embodiment includes the monitoring device 25 an electronic computing device 27 that z. B. is formed by a personal computer. To the computing device 27 are a monitor 28 (Output unit) and a keyboard 29 (Input unit) connected. The display 28 and the keyboard 29 are therefore also components of the monitoring device 25 ,

Durch die Überwachungseinrichtung 25 sind die folgenden Betriebsparameter alternativ oder in Kombination erfassbar:

  • • Das Vakuum im Strahlkopf und/oder der zeitliche Verlauf einer Änderung des Vakuums im Strahlkopf,
  • • die Heizcharakteristik der Elektronenquelle, insbesondere der Temperaturverlauf in der Elektronenquelle,
  • • die Dosis der emittierten Elektronen,
  • • der die Elektronenquelle speisende Heizstrom und/oder die an der Elektronenquelle anliegende Heizspannung,
  • • eine Widerstandsänderung der Elektronenquelle,
  • • die Beschleunigungsspannung der Elektronen,
  • • der sich beim Anlegen der Heizspannung einstellende Einschaltemissionsstrom und der sich im Anschluss an den Einschaltvorgang einstellende kleinere Gleichgewichtsemissionsstrom.
By the monitoring device 25 the following operating parameters can be detected alternatively or in combination:
  • The vacuum in the jet head and / or the time course of a change in the vacuum in the jet head,
  • The heating characteristic of the electron source, in particular the temperature profile in the electron source,
  • The dose of emitted electrons,
  • The heating current supplying the electron source and / or the heating voltage applied to the electron source,
  • A resistance change of the electron source,
  • The acceleration voltage of the electrons,
  • • the turn-on emission current that occurs when the heating voltage is applied, and the smaller equilibrium emission current that occurs following the switch-on process.

Durch die Erfassung wenigstens eines Betriebsparameters des Strahlkopfes und durch Vergleich zumindest eines erfassten Betriebsparameters mit wenigstens einem Referenzwert ist zumindest ein Ausfallvorhersage-Wert ableitbar.By the detection of at least one operating parameter of the jet head and by comparing at least one detected operating parameter with at least one reference value is at least one default prediction value derivable.

Claims (10)

Strahlkopf mit einem Vakuumgehäuse (1), in dem eine Elektronenquelle (2) angeordnet ist, mit einem Strahlfinger (3), der mit dem Vakuumgehäuse (1) verbunden ist und an einem distalen Ende (4) ein Austrittsfenster (5) aufweist, und mit einem Transformatorgehäuse (16), in dem ein an die Elektronenquelle (2) geschalteter Transformator (15) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinrichtung (25), durch die wenigstens ein Betriebsparameter des Strahlkopfes erfassbar und daraus durch Vergleich mit wenigstens einem Referenzwert wenigstens ein Ausfallvorhersage-Wert ableitbar ist.Blasting head with a vacuum housing ( 1 ), in which an electron source ( 2 ) is arranged with a beam finger ( 3 ) connected to the vacuum housing ( 1 ) and at a distal end ( 4 ) an exit window ( 5 ), and with a transformer housing ( 16 ), in which a to the electron source ( 2 ) switched transformer ( 15 ), characterized by a monitoring device ( 25 ), by which at least one operating parameter of the jet head can be detected and from which at least one failure prediction value can be derived by comparison with at least one reference value. Strahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter das Vakuum im Strahlkopf und/oder der zeitliche Verlauf einer Änderung des Vakuums im Strahlkopf erfassbar sind/ist.Blasting head according to claim 1, characterized that as an operating parameter, the vacuum in the jet head and / or the time course of a change the vacuum can be detected in the jet head / is. Strahlkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter eine Heizcharakteristik der Elektronenquelle (2), insbesondere der Temperaturverlauf in der Elektronenquelle (2), erfassbar ist.Beam head according to claim 1 or 2, characterized in that a heating characteristic of the electron source ( 2 ), in particular the temperature profile in the electron source ( 2 ), is detectable. Strahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter eine Dosis der emittierten Elektronen erfassbar ist.Blasting head according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a dose of the emitted Electrons can be detected. Strahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter ein die Elektronenquelle speisender Heizstrom und/oder eine an der Elektronenquelle anliegende Heizspannung erfassbar sind/ist.Blasting head according to one of the preceding claims, characterized in that the operating parameter is an electron source supplying heating current and / or a voltage applied to the electron source Heating voltage can be detected / is. Strahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter eine Widerstandsänderung der Elektronenquelle erfassbar ist.Blasting head according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the operating parameter is a resistance change the electron source is detectable. Strahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter die Beschleunigungsspannung der Elektronen erfassbar ist.Blasting head according to one of the preceding claims, characterized in that the operating voltage is the acceleration voltage the electron is detectable. Strahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter ein sich beim Anlegen der Heizspannung einstellender Einschaltemissionsstrom und ein sich im Anschluss an den Einschaltvorgang einstellender kleinerer Gleichgewichtsemissionsstrom erfassbar sind.Blasting head according to one of the preceding claims, characterized characterized in that as an operating parameter is a when creating the heating voltage adjusting Einschaltemissionsstrom and a following the turn-on adjusting smaller equilibrium emission current are detectable. Strahlkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Einschaltemissionsstrom und aus dem Gleichgewichtsemissionsstrom ein Quotient als Funktion der Betriebsdauer der Elektronenquelle ermittelbar ist.Blasting head according to claim 8, characterized in that that from the turn-on emission stream and from the equilibrium emission stream a quotient as a function of the operating time of the electron source can be determined. Strahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu wenigstens einem ermittelten Betriebsparameter die Störhäufigkeit erfassbar ist.Blasting head according to one of the preceding claims, characterized marked that in addition for at least one determined operating parameter, the frequency of interference is detectable.
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