DE102021127145A1

DE102021127145A1 - Device for charging bulk material with accelerated electrons

Info

Publication number: DE102021127145A1
Application number: DE102021127145.2A
Authority: DE
Inventors: André Weidauer; Christian Süss; Gösta MATTAUSCH; Jörg Kubusch; Ralf Blüthner; Henrik Flaske; Sebastian Eyßler; Hannes Stefan Hannenheim
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen, umfassend mindestens einen Elektronenstrahlerzeuger mit einem ringförmigen Gehäuse (101; 301), welcher mindestens eine ringförmige Kathode (107) zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein ringförmiges als erster Hohlzylinder ausgebildetes Elektronenaustrittsfenster (104; 304) aufweist; wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster (104; 304) eine Innenwandung des ringförmigen Gehäuses (101; 301) des Elektronenstrahlerzeugers bildet; wobei die von der ringförmigen Kathode (107) emittierten Elektronen zur Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses (101; 301) beschleunigbar sind und wobei die Ringachse (103; 303) des ringförmigen Gehäuses senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet ist, so dass das ringförmige Gehäuse (101; 301) eine obere Ringöffnung und eine untere Ringöffnung aufweist, wobeia) die obere Ringöffnung mittels mindestens einer ersten Wandung (305; 405) verschlossen ist;b) sich von unten ein zweiter Hohlzylinder (306) in die untere Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses (301) hinein erstreckt, welcher einen ringförmigen Freiraum (307) zwischen dem als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfenster (304) und dem zweiten Hohlzylinder (306) begrenzt;c) das obere Ende des zweiten Hohlzylinders (306) mit einem Maß von der mindestens einen ersten Wandung (305; 405) beabstandet ist;d) mittels mindestens einer Einrichtung (308) eine innerhalb des zweiten Hohlzylinders (306) von unten nach oben gerichtete Strömung (309) eines gasförmigen Mediums erzeugbar ist;e) mittels mindestens eines Einlasses (310) im zweiten Hohlzylinder (306) das Schüttgut in die von unten nach oben gerichtete Strömung (309) des gasförmigen Mediums einbringbar ist.The invention relates to a device for impinging bulk material with accelerated electrons, comprising at least one electron beam generator with an annular housing (101; 301), which has at least one annular cathode (107) for emitting electrons and at least one annular electron exit window (104 ;304); wherein the ring-shaped electron exit window (104; 304) designed as a first hollow cylinder forms an inner wall of the ring-shaped housing (101; 301) of the electron beam generator; wherein the electrons emitted by the ring-shaped cathode (107) can be accelerated to the ring axis (103; 303) of the ring-shaped housing (101; 301) and wherein the ring axis (103; 303) of the ring-shaped housing is perpendicular or at an angle of up to 10° deviating from the vertical, so that the ring-shaped housing (101; 301) has an upper ring opening and a lower ring opening, whereina) the upper ring opening is closed by means of at least one first wall (305; 405); b) from below second hollow cylinder (306) extends into the lower annular opening of the annular housing (301), which delimits an annular free space (307) between the electron exit window (304) designed as the first hollow cylinder and the second hollow cylinder (306);c) the upper end of the second hollow cylinder (306) at a certain distance from the at least one first wall (305; 405);d) by means of at least one device (308) a flow (309) of a gaseous medium can be generated;e) by means of at least one inlet (310) in the second hollow cylinder (306), the bulk material can be introduced into the bottom-up flow (309) of the gaseous medium.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln von Schüttgut, vorzugsweise von Saatgut, mit beschleunigten Elektronen. Das bevorzugte Anwendungsgebiet ist die phytosanitäre Behandlung von Saatgut gegen samenbürtige Schaderreger, die überwiegend in der Samenschale der Samenkörner angesiedelt sind. Weitere Anwendungsgebiete sind die Oberflächensterilisation von Granulaten und Pulvern, die chemische Oberflächenaktivierung sowie die Durchführung anderer strahlenchemischer Prozesse an Schüttgut.The invention relates to a device for treating bulk material, preferably seed, with accelerated electrons. The preferred area of application is the phytosanitary treatment of seeds against seed-borne pathogens, which are predominantly settled in the seed coat of the seeds. Other areas of application are the surface sterilization of granules and powders, chemical surface activation and the implementation of other radiation chemical processes on bulk goods.

Es sind verschiedene Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen in verschiedenen Ausführungen - angepasst an das zu behandelnde Schüttgut - bekannt.Various methods and the corresponding devices for impinging bulk material with accelerated electrons are known in various designs--adapted to the bulk material to be treated.

So wird in einer evakuierten Kammer durch gegenüberliegendes Anordnen zweier Elektronenbeschleuniger ein Elektronenfeld mit entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponenten der Elektronen erzeugt, durch welches das Schüttgut im freien Fall in einem ausgedehnten transparenten Strom geführt wird ( DD 291 702 A5 ). Zur Elektronenbehandlung wird das Schüttgut über Zellenradschleusen in die Kammer eingeschleust und nach dem Elektronenbehandlungsprozess wieder ausgeschleust. Der Nachteil solcher Vorrichtungen ist jedoch der hohe apparative Aufwand für das Erzeugen des Elektronenfeldes, da mindestens zwei Elektronenbeschleuniger mit entsprechender Hochspannungsversorgung erforderlich sind, sowie der hohe vakuumtechnische Aufwand.In an evacuated chamber, by arranging two electron accelerators opposite one another, an electron field with opposite velocity components of the electrons is generated, through which the bulk material is guided in free fall in an extended transparent stream ( DD 291 702 A5 ). For the electron treatment, the bulk material is introduced into the chamber via star feeders and discharged again after the electron treatment process. The disadvantage of such devices, however, is the high outlay in terms of equipment for generating the electron field, since at least two electron accelerators with a corresponding high-voltage supply are required, and the high outlay in terms of vacuum technology.

Es ist außerdem bekannt, ein Elektronenfeld mit entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponenten dadurch zu erzeugen, dass der Elektronenstrahl, nachdem er den Strom der Schüttgutteilchen passiert hat, durch eine magnetische Umlenkung auf den Teilchenstrom zurückgelenkt wird. Vorrichtungen dieser Art vermeiden den Aufwand für einen zweiten Elektronenbeschleuniger. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass durch den relativ langen Weg, den der Elektronenstrahl in der Prozesskammer durchläuft, ein wesentlich besseres Vakuum benötigt wird, was bezüglich der Vakuumerzeugung einen noch höheren apparativen Aufwand erfordert.It is also known to generate an electron field with opposite velocity components in that the electron beam, after it has passed the stream of bulk material particles, is deflected back onto the particle stream by a magnetic deflection. Devices of this type avoid the expense of a second electron accelerator. The disadvantage of this method, however, is that due to the relatively long path that the electron beam travels in the process chamber, a much better vacuum is required, which requires even more equipment with regard to vacuum generation.

Es sind auch Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die mit zwei einander gegenüberliegenden Elektronenbeschleunigern arbeiten, wobei die Elektronen über ein Strahlaustrittsfenster an Atmosphärendruck austreten ( DE 44 34 767 C1 ). Das Schüttgut wird dabei ebenfalls im freien Fall durch das Elektronenfeld geführt. Bei dieser Lösung entfällt der Aufwand zum sonst erforderlichen Evakuieren der Prozesskammer. Dennoch verbleibt der Nachteil des hohen apparativen Aufwandes durch den notwendigen Einsatz von mindestens zwei Elektronenbeschleunigern.Methods and devices are also known that work with two opposing electron accelerators, with the electrons exiting through a beam exit window at atmospheric pressure ( DE 44 34 767 C1 ). The bulk material is also guided through the electron field in free fall. With this solution, there is no need for the otherwise necessary evacuation of the process chamber. Nevertheless, the disadvantage of the high expenditure on equipment due to the necessary use of at least two electron accelerators remains.

Es ist weiterhin bekannt, pulverförmige und körnige Materialien an Atmosphärendruck mit Elektronen zu beaufschlagen, wobei nur ein Elektronenbeschleuniger zum Einsatz gelangt und die zu bestrahlenden Teilchen in einem Gasstrom durch das Elektronenfeld getragen werden ( WO 98/43274 A1 ). Der Gasstrom mit den zu bestrahlenden Teilchen wird durch einen rechteckigen Kanal geführt, der an einer Seite mit einer 25 µm dicken Aluminiumfolie verschlossen ist, durch welche die Elektronen nach ihrer Ausschleusung über eine 13 µm dicke Titanfensterfolie und Durchlaufen der Distanz bis zum Bestrahlungskanal eindringen. Der Aluminiumfolie gegenüberliegend wird der rechteckige Kanal durch eine ebene Platte aus einem Werkstoff hoher Ordnungszahl gebildet. Nach Durchdringen des Kanalquerschnitts werden die Elektronen von dieser Platte zu einem gewissen Anteil rückgestreut. Die rückgestreuten Elektronen haben eine der ursprünglichen Einfallsrichtung der Elektronen entgegengerichtete Geschwindigkeitskomponente und ermöglichen, dass auch die bezüglich der ursprünglichen Einfallsrichtung der Elektronen abgewandte Seite der Teilchen einem Elektronenbeschuss ausgesetzt ist.It is also known to apply electrons to powdery and granular materials at atmospheric pressure, with only one electron accelerator being used and the particles to be irradiated being carried in a gas stream through the electron field ( WO 98/43274 A1 ). The gas flow with the particles to be irradiated is guided through a rectangular channel, which is closed on one side with a 25 µm thick aluminum foil, through which the electrons penetrate after being ejected via a 13 µm thick titanium window foil and passing the distance to the irradiation channel. Opposite the aluminum foil, the rectangular channel is formed by a flat plate made of a material with a high atomic number. After penetrating the channel cross-section, the electrons are backscattered by this plate to a certain extent. The backscattered electrons have a velocity component opposite to the original direction of incidence of the electrons and allow the side of the particles that is remote from the original direction of incidence of the electrons to also be exposed to electron bombardment.

Von Nachteil ist, dass die Intensität der Bestrahlung durch die rückgestreuten Elektronen wesentlich niedriger ist als die Intensität der Bestrahlung durch die unmittelbar aus dem Strahlaustrittsfenster austretenden Elektronen, was zu einer ungleichmäßigen Bestrahlung der einzelnen Teilchen führt. Nachteilig ist auch, dass die zum Tragen der Teilchen erforderliche Gasgeschwindigkeit mit steigendem Verhältnis von Masse zur Oberfläche der transportierten Teilchen stark ansteigt. Somit würden für größerkörnige Schüttgüter - wie z. B. Weizen oder Mais - sehr hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten erforderlich werden. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten würden die im Elektronenfeld übertragbaren Energiedosen auf sehr kleine, für zahlreiche Anwendungen wesentlich zu geringe Werte begrenzt werden. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, dass die Elektronen nach dem Austritt aus dem Elektronenbeschleuniger noch zusätzlich die den rechteckigen Kanal verschließende Aluminiumfolie durchdringen müssen, bevor sie auf die zu behandelnden Teilchen treffen. Dadurch erleiden die Elektronen einen zusätzlichen unerwünschten Energieverlust.The disadvantage is that the intensity of the irradiation by the backscattered electrons is significantly lower than the intensity of the irradiation by the electrons exiting directly from the beam exit window, which leads to non-uniform irradiation of the individual particles. Another disadvantage is that the gas velocity required to carry the particles increases sharply as the ratio of mass to surface area of the transported particles increases. Thus, for larger-grained bulk materials - such. B. wheat or corn - very high gas flow rates are required. At these high speeds, the energy doses that can be transferred in the electron field would be limited to very small values, which are far too low for numerous applications. A further disadvantage of this known solution is that, after exiting the electron accelerator, the electrons also have to penetrate the aluminum foil closing the rectangular channel before they hit the particles to be treated. As a result, the electrons suffer an additional undesired loss of energy.

In DE 199 42 142 A1 ist ferner eine Vorrichtung beschrieben, bei der Schüttgut im mehrfachen freien Fall an einer Elektronenstrahleinrichtung vorbeigeführt und mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Aufgrund des Mehrfachdurchlaufs, verbunden mit einer zwischenzeitlichen Durchmischung des Schüttguts, ist die Wahrscheinlichkeit bei dieser Ausführungsform sehr hoch, dass die Partikel des Schüttgutes allseitig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses.In DE 199 42 142 A1 a device is also described in which bulk material is guided past an electron beam device in multiple free falls and charged with accelerated electrons is beaten. Due to the multiple passage, combined with an interim mixing of the bulk material, the probability in this embodiment is very high that the particles of the bulk material are impacted on all sides by accelerated electrons. However, the multiple pass requires a lot of time when carrying out the treatment process.

DE 10 2013 111 650 B3 und DE 10 2013 113 688 B3 offenbaren Vorrichtungen, bei welchen eine Elektronenstrahlquelle derart ringförmig ausgebildet ist, dass von einer ringförmigen Kathode emittierte und beschleunigte Elektronen aus einem Elektronenaustrittsfenster in Richtung Ringachse austreten. Dabei ist der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger so angeordnet, dass dessen Ringachse möglichst senkrecht ausgerichtet ist. Oberhalb des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers ist eine Einrichtung zum Vereinzeln von Schüttgutpartikeln angeordnet, deren Bodenwandung mindestens eine Öffnung aufweist, aus der Schüttgutpartikel heraus- und von dort durch den vom Elektronenstrahlerzeuger geformten Ring hindurchfallen. Ein Vorteil einer solchen ringförmigen Vorrichtung besteht darin, dass diese kompakter gegenüber Vorrichtungen, bestehend aus zwei planaren Strahlquellen, ausgebildet ist. Nachteilig wirkt sich hingegen nach wie vor aus, dass die Schüttgutzuführung oberhalb der ringförmigen Strahlquelle und die Schüttgutabführung unterhalb der ringförmigen Strahlquelle relativ platzaufwendig sind und sowohl die obere und auch die untere Ringöffnung der ringförmigen Strahlquelle Einrichtungen aufweisen müssen, welche die Anforderungen des Strahlenschutzes erfüllen. DE 10 2013 111 650 B3 and DE 10 2013 113 688 B3 disclose devices in which an electron beam source is ring-shaped in such a way that electrons emitted and accelerated by a ring-shaped cathode emerge from an electron exit window in the direction of the ring axis. The ring-shaped electron beam generator is arranged in such a way that its ring axis is aligned as vertically as possible. A device for separating bulk material particles is arranged above the ring-shaped electron beam generator, the bottom wall of which has at least one opening from which bulk material particles fall out and from there through the ring formed by the electron beam generator. One advantage of such a ring-shaped device is that it is more compact than devices consisting of two planar beam sources. On the other hand, it is still disadvantageous that the bulk material feed above the ring-shaped jet source and the bulk material discharge below the ring-shaped jet source are relatively space-consuming and both the upper and the lower ring opening of the ring-shaped jet source must have devices that meet the requirements of radiation protection.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen zu schaffen, mittels denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ringförmige Elektronenstrahlquellen dahingehend weiterentwickeln, dass bei denen noch kompaktere Anlagenabmaße ermöglicht werden, sowie der Aufwand für den Strahlenschutz und die Kühlung der Anlage verringert und trotzdem ein hoher Durchsatz von zu behandelndem Schüttgut zugelassen wird.The invention is therefore based on the technical problem of creating a device and a method for impinging bulk material with accelerated electrons, by means of which the disadvantages of the prior art can be overcome. In particular, the device according to the invention and the method according to the invention should further develop ring-shaped electron beam sources in such a way that even more compact system dimensions are made possible, and the expenditure for radiation protection and cooling of the system is reduced and a high throughput of bulk material to be treated is nevertheless permitted.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.The solution to the technical problem results from objects with the features of patent claims 1. Further advantageous refinements of the invention result from the dependent patent claims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Elektronenstrahlerzeuger, der ringförmig ausgebildet ist und bei dem die von einer ringförmigen Kathode emittierten und beschleunigten Elektronen aus einem ringförmigen Elektronenaustrittsfenster in Richtung Ringachse austreten. Das Elektronenaustrittsfenster ist somit zumindest ein Bestandteil der ringförmigen Innenwandung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers und weist dabei die Form eines Hohlzylinders auf. Das Elektronenaustrittsfenster einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird deshalb nachfolgend auch als erster Hohlzylinder bezeichnet. Derartige ringförmige Elektronenstrahlerzeuger sind beispielsweise aus DE 10 2013 111 650 B3 und DE 10 2013 113 688 B3 bekannt.A device according to the invention comprises an electron beam generator which is ring-shaped and in which the electrons emitted and accelerated by a ring-shaped cathode emerge from a ring-shaped electron exit window in the direction of the ring axis. The electron exit window is thus at least a component of the ring-shaped inner wall of the ring-shaped electron beam generator and has the shape of a hollow cylinder. The electron exit window of a device according to the invention is therefore also referred to below as the first hollow cylinder. Ring-shaped electron guns of this type are made, for example DE 10 2013 111 650 B3 and DE 10 2013 113 688 B3 known.

An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass der Begriff „ringförmig“ im Erfindungssinn bei allen nachfolgend beschriebenen ringförmigen Vorrichtungen, Bauelementen und Hohlzylindern nicht nur auf einen Ring in Kreisform begrenzt ist, sondern dass sich der Begriff „ringförmig“ im Erfindungssinn lediglich auf einen schleifenförmig in sich geschlossenen Gegenstand bezieht, wobei der schleifenförmig in sich geschlossene Gegenstand ein Volumen in seinem Querschnitt vollständig umschließt und wobei Schüttgut durch dieses Volumen im Inneren des Ringes hindurchgeführt werden kann. Dabei ist der von einem Ring oder einem Hohlzylinder vollständig umschlossene Querschnitt des Volumens zwar bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kreisförmig ausgebildet, kann aber im weitesten Erfindungssinn auch jede andere geometrische Form aufweisen.At this point it should be expressly pointed out that the term “annular” in the sense of the invention is not limited to a ring in circular form for all ring-shaped devices, components and hollow cylinders described below, but that the term “annular” in the sense of the invention only refers to a loop-shaped relates to a self-contained object, the loop-shaped self-contained object completely enclosing a volume in its cross-section and bulk material being able to be passed through this volume inside the ring. The cross section of the volume completely enclosed by a ring or a hollow cylinder is circular in a preferred embodiment of the invention, but can also have any other geometric shape in the broadest sense of the invention.

Ein solcher ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger umfasst ein ringförmiges Gehäuse; mindestens eine ringförmige Kathode zum Emittieren von Elektronen und mindestens ein ringförmiges als erster Hohlzylinder ausgebildetes Elektronenaustrittsfenster; wobei das ringförmige als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster eine Innenwandung des ringförmigen Gehäuses des Elektronenstrahlerzeugers bildet; wobei die von der ringförmigen Kathode emittierten Elektronen zur Ringachse des ringförmigen Gehäuses beschleunigbar sind. Erfindungsgemäß ist die Ringachse des ringförmigen Gehäuses senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 10° abweichend von der Senkrechten ausgerichtet, so dass das ringförmige Gehäuse eine obere Ringöffnung und eine untere Ringöffnung aufweist.Such a ring-shaped electron gun comprises a ring-shaped housing; at least one ring-shaped cathode for emitting electrons and at least one ring-shaped electron exit window designed as a first hollow cylinder; wherein the ring-shaped electron exit window designed as a first hollow cylinder forms an inner wall of the ring-shaped housing of the electron beam generator; wherein the electrons emitted by the ring-shaped cathode can be accelerated to the ring axis of the ring-shaped housing. According to the invention, the ring axis of the ring-shaped housing is aligned vertically or at an angle of up to 10° deviating from the vertical, so that the ring-shaped housing has an upper ring opening and a lower ring opening.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die obere Ringöffnung mittels mindestens einer ersten Wandung verschlossen ist; sich von unten ein zweiter Hohlzylinder in die Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses hinein erstreckt, welcher einen ringförmigen Freiraum zwischen dem als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfenster und dem zweiten Hohlzylinder begrenzt; das obere Ende des zweiten Hohlzylinders mit einem Maß von der mindestens einen ersten Wandung beabstandet ist;
mittels mindestens einer Einrichtung eine innerhalb des zweiten Hohlzylinders von unten nach oben gerichtete Strömung eines gasförmigen Mediums erzeugbar ist; mittels mindestens eines Einlasses im zweiten Hohlzylinder das Schüttgut in die von unten nach oben gerichtete Strömung des gasförmigen Mediums einbringbar ist.A device according to the invention is further characterized in that the upper ring opening is closed by means of at least one first wall; a second hollow cylinder extends from below into the annular opening of the annular housing, which creates an annular free space between the electron exit window designed as the first hollow cylinder and the second hollow cylinder linder limited; the upper end of the second hollow cylinder is spaced a distance from the at least one first wall;
a flow of a gaseous medium directed from bottom to top within the second hollow cylinder can be generated by means of at least one device; by means of at least one inlet in the second hollow cylinder, the bulk material can be introduced into the flow of the gaseous medium directed from bottom to top.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:

1 eine schematische und perspektivische Schnittdarstellung eines ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers;
2 eine schematische Darstellung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers aus 1 als Draufsicht;
3 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
7 eine schematische Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnitts der dritten alternativen Vorrichtung aus 6.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments. The figures show:

1 a schematic and perspective sectional view of an annular electron gun;
2 a schematic representation of the ring-shaped electron gun 1 as top view;
3 a schematic sectional view of a device according to the invention;
4 a schematic sectional view of a first alternative device according to the invention;
5 a schematic sectional view of a second alternative device according to the invention;
6 a schematic sectional view of a third alternative device according to the invention;
7 a schematic sectional view of an enlarged section of the third alternative device 6 .

In 1 und 2 ist ein und derselbe Elektronenstrahlerzeuger 100, welcher bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann, schematisch dargestellt, wobei der Elektronenstrahlerzeuger 100 in 1 als perspektivische Querschnittsdarstellung und in 2 als Draufsicht abgebildet ist. Zum besseren Verständnis seien an dieser Stelle noch die Begriffe „Ringzylinder“ und „Ringscheibe“ in Bezug auf einen ringförmigen Gegenstand definiert. Wird der Innenradius eines kreisförmigen Ringes von seinem Außenradius subtrahiert, dann ergibt sich ein Maß. Ist dieses Maß kleiner als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringzylinder ausgebildet. Ist dieses Maß hingegen größer als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringscheibe ausgebildet.In 1 and 2 one and the same electron beam generator 100, which can be used in a device according to the invention, is shown schematically, the electron beam generator 100 in 1 as a perspective cross-sectional view and in 2 shown as a plan view. For a better understanding, the terms “annular cylinder” and “annular disk” are defined here in relation to a ring-shaped object. Subtracting the inner radius of a circular ring from its outer radius gives a measure. If this dimension is smaller than the extent of the ring in the direction of its ring axis, then the ring is designed as a ring cylinder. If, on the other hand, this dimension is greater than the expansion of the ring in the direction of its ring axis, the ring is designed as an annular disk.

Elektronenstrahlerzeuger 100 umfasst zunächst ein ringförmiges Gehäuse 101, welches zumindest in einem Bereich einen evakuierbaren Raum begrenzt, der in die evakuierbaren Räume 102a und 102b unterteilt ist. Dieser evakuierbare Raum ist aufgrund der Gehäuseform ebenfalls ringförmig ausgebildet. Alle nachfolgend beschriebenen, zum Elektronenstrahlerzeuger 100 zugehörigen und als ringförmig bezeichneten Bauelemente sind radialsymmetrisch ausgebildet und weisen ein und dieselbe Ringachse 103 auf. An der Ringinnenseite des Gehäuses 101 ist das Gehäuse 101 als Elektronenaustrittsfenster 104 in Form eines Ringzylinders ausgebildet, d. h. in Austrittsrichtung der Elektronen betrachtet, weist das Elektronenaustrittsfenster 104 eine Oberflächensenkrechte auf, die zum Ringinneren und bei einem kreisförmigen Ringzylinder wie beim Elektronenaustrittsfenster 104 zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Durch mindestens einen in 1 nicht dargestellten Einlass im Gehäuse 101 wird ein Arbeitsgas in den evakuierbaren Raum eingelassen und mittels mindestens einer in 1 ebenfalls nicht dargestellten Pumpeinrichtung ein Vakuum im evakuierbaren Raum im Bereich von 0,1 Pa bis 20 Pa und bevorzugt im Bereich von 1 Pa bis 3 Pa aufrechterhalten.Electron beam generator 100 initially comprises an annular housing 101, which delimits an evacuatable space, at least in one area, which is divided into evacuatable spaces 102a and 102b. Because of the shape of the housing, this space that can be evacuated is also ring-shaped. All of the components described below that belong to the electron gun 100 and are referred to as ring-shaped are radially symmetrical and have one and the same ring axis 103 . On the inside of the ring of the housing 101, the housing 101 is designed as an electron exit window 104 in the form of a ring cylinder, i.e. viewed in the exit direction of the electrons, the electron exit window 104 has a surface perpendicular to the ring interior and, in the case of a circular ring cylinder as in the case of the electron exit window 104, to the ring axis 103 is. Through at least one in 1 not shown inlet in the housing 101, a working gas is admitted into the evacuatable space and by means of at least one in 1 A vacuum in the evacuatable space in the range from 0.1 Pa to 20 Pa and preferably in the range from 1 Pa to 3 Pa is maintained by the pumping device, which is also not shown.

Ein ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger weist ferner mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode auf, zwischen denen mittels einer ersten anlegbaren elektrischen Spannung, die von einer ersten Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, ein Glimmentladungsplasma im evakuierbaren Raum erzeugbar ist. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 wurden zwei als Ringscheiben geformte Wandungsbereiche des Gehäuses 101 als erste Kathoden 105a und 105b ausgebildet, die den evakuierbaren Raum 102a gegenüberliegend begrenzen. Bei der Vorrichtung 100 weisen somit das Gehäuse 101 und die ersten Kathoden 105a, 105b das gleiche elektrische Potenzial auf, welches gleichzeitig das elektrische Massepotenzial des Elektronenstrahlerzeugers 100 ist.A ring-shaped electron beam generator also has at least one first cathode and at least one first anode, between which a glow discharge plasma can be generated in the evacuatable space by means of a first electrical voltage that can be applied and is provided by a first power supply device. In the embodiment of 1 and 2 two wall regions of the housing 101 shaped as ring disks were formed as first cathodes 105a and 105b, which delimit the evacuatable space 102a on the opposite side. In the case of the device 100, the housing 101 and the first cathodes 105a, 105b therefore have the same electrical potential, which is the electrical ground potential of the electron gun 100 at the same time.

Die erste Anode des Elektronenstrahlerzeugers 100 umfasst eine Anzahl drahtförmiger Elektroden, die sich durch den evakuierbaren Raum 102a hindurch erstrecken und bei einem Gehäuse in Form eines kreisförmigen Rings, wie Gehäuse 101, vorzugsweise auf einem identischen Radius und mit gleichem Abstand zueinander um die Achse 103 herum angeordnet sind. Dabei werden die drahtförmigen Elektroden 111, die ein leicht positives Spannungspotenzial in einem Bereich von +0,25 kV bis +5,0 kV gegenüber dem Gehäuse 101 aufweisen können, elektrisch isoliert durch das Gehäuse 101 und die ersten Kathoden 105a, 105b hindurchgeführt. Aufgrund der zwischen den drahtförmigen Elektroden 111 und den ersten Kathoden 105a und 105b angelegten elektrischen Spannung wird ein Plasma im evakuierbaren Raum 102a ausgebildet. Der evakuierbare Raum 102a wird deshalb nachfolgend auch als Plasma-Raum 102a bezeichnet.The first anode of the electron gun 100 comprises a number of wire-shaped electrodes which extend through the evacuatable space 102a and, in the case of a housing in the form of a circular ring, such as housing 101, preferably on an identical radius and with the same distance from one another around the axis 103 are arranged. The wire-like electrodes 111, which can have a slightly positive voltage potential in a range from +0.25 kV to +5.0 kV compared to the housing 101, are passed through the housing 101 and the first cathodes 105a, 105b in an electrically insulated manner. Because of the electrical voltage applied between the wire-like electrodes 111 and the first cathodes 105a and 105b, a plasma is formed in the evacuatable space 102a. The space 102a that can be evacuated is therefore also referred to below as the plasma space 102a.

Ein ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger umfasst des Weiteren mindestens eine zweite Kathode und mindestens eine zweite Anode, zwischen denen mittels einer zweiten Stromversorgungseinrichtung eine zweite elektrische Spannung geschaltet ist. Beim Elektronenstrahlerzeuger 100 ist eine Kathode 107 als zweite Kathode und eine gitterförmige Anode 108 als zweite Anode ausgebildet. Sowohl Kathode 107 und Anode 108 weisen die Form eines Rings auf.A ring-shaped electron beam generator also includes at least one second cathode and at least one second anode, between which a second electrical voltage is connected by means of a second power supply device. In the case of the electron gun 100, a cathode 107 is designed as the second cathode and a latticed anode 108 is designed as the second anode. Both cathode 107 and anode 108 have the shape of a ring.

Die zweite Kathode stellt bei einem ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger die Kathode zum Emittieren von Sekundärelektronen dar, welche anschließend beschleunigt werden, und weist hierfür ein elektrisches Hochspannungspotenzial, bevorzugt im Bereich von -100 kV bis -300 kV, auf. Mittels eines Isolators 109 ist die zweite Kathode 107 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 101 isoliert.In the case of a ring-shaped electron beam generator, the second cathode represents the cathode for emitting secondary electrons, which are then accelerated, and for this purpose has an electrical high-voltage potential, preferably in the range from -100 kV to -300 kV. The second cathode 107 is electrically insulated from the housing 101 by means of an insulator 109 .

Bei dem in 1 beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger 100 weisen die zweite Anode 108 und die ersten Kathoden 105a, 105b das gleiche elektrische Potenzial auf, welches als elektrisches Massepotenzial ausgebildet ist. Alternativ können die zweite Anode und die erste Kathode auch unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen.At the in 1 Electron beam generator 100 described, the second anode 108 and the first cathodes 105a, 105b have the same electrical potential, which is in the form of an electrical ground potential. Alternatively, the second anode and the first cathode can also have different electrical potentials.

Aus dem Plasma 106 im evakuierbaren Raum 102a werden durch das Anlegen eines Hochspannungspotenzials im Bereich von -100 kV bis -300 kV positiv geladene Ionen durch die gitterförmige zweite Anode 108 in Richtung der zweiten Kathode 107 beschleunigt. Dort treffen die Ionen auf einen Oberflächenbereich 110 der zweiten Kathode 107, dessen Oberflächensenkrechte zum Ringinneren des Gehäuses, zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Positively charged ions are accelerated from the plasma 106 in the evacuatable space 102a through the grid-like second anode 108 in the direction of the second cathode 107 by applying a high-voltage potential in the range from −100 kV to −300 kV. There, the ions impinge on a surface area 110 of the second cathode 107, whose surface perpendicular to the ring interior of the housing is aligned with the ring axis 103.

Beim Auftreffen der Ionen auf den Oberflächenbereich 110 haben die Ionen somit eine Potenzialdifferenz durchfallen, die weitgehend der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlerzeugers 100 entspricht. Bei ihrem Auftreffen wird die kinetische Energie der Ionen in einer sehr dünnen Randschicht der Kathode 107 im Oberflächenbereich 110 frei, was zum Auslösen von Sekundärelektronen führt. Bei den zuvor genannten elektrischen Spannungen an der zweiten Kathode 107 ist das Verhältnis zwischen ausgelösten Elektronen und auftreffenden Ionen in der Größenordnung von bis zu zehn angesiedelt, was diese Art des Erzeugens beschleunigter Elektronen sehr effizient macht. Die entstandenen Sekundärelektronen werden vom anliegenden elektrischen Feld stark beschleunigt und durchfliegen die in Form eines Ringzylinders ausgebildete gitterförmige Anode 108 und das Plasma 106 im Raum 102a. Nach dem Durchqueren des Elektronenaustrittsfensters 104, das beispielsweise als dünne Metallfolie ausgeführt sein kann, dringen die Elektronen in den vom ringförmigen Gehäuse 101 umschlossenen Volumen 114 vor, in dem ein höherer Druck als im evakuierbaren Raum 102 herrschen kann und durch den mit Elektronen zu beaufschlagende Schüttgutpartikel durch die Gehäuseringöffnung hindurchgeführt werden können. Als Material für das Elektronenaustrittsfenster 104 können alle aus dem Stand der Technik für ein Elektronenaustrittsfenster bekannten Materialien, wie beispielsweise Titan, verwendet werden. Außerdem ist es zum Zwecke einer höheren mechanischen Stabilität des Elektronenaustrittsfensters 104 vorteilhaft, dieses mit einem Stützgitter zu versehen, wie es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist.When the ions hit the surface area 110, the ions have thus fallen through a potential difference that largely corresponds to the acceleration voltage of the electron gun 100. When they hit, the kinetic energy of the ions is released in a very thin surface layer of the cathode 107 in the surface area 110, which leads to the release of secondary electrons. With the aforementioned electrical voltages at the second cathode 107, the ratio between released electrons and impinging ions is in the order of up to ten, which makes this type of generating accelerated electrons very efficient. The resulting secondary electrons are greatly accelerated by the applied electrical field and fly through the latticed anode 108, which is designed in the form of a ring cylinder, and the plasma 106 in the space 102a. After passing through the electron exit window 104, which can be designed as a thin metal foil, for example, the electrons penetrate into the volume 114 enclosed by the annular housing 101, in which a higher pressure than in the evacuatable space 102 can prevail and through the bulk material particles to be charged with electrons can be passed through the housing ring opening. All materials known from the prior art for an electron exit window, such as titanium, can be used as the material for the electron exit window 104 . In addition, for the purpose of greater mechanical stability of the electron exit window 104, it is advantageous to provide it with a supporting grid, as is also known from the prior art.

Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger 100 auch eine Einrichtung zum Kühlen aufweist, wie es auch bei Vorrichtungen zum Erzeugen beschleunigter Elektronen aus dem Stand der Technik bekannt ist. So kann diese Einrichtung zum Kühlen des Elektronenstrahlerzeugers 100 beispielsweise Kühlkanäle umfassen, die sich innerhalb des Isolators 109 erstrecken und durch die ein Kühlmedium strömt.For the sake of completeness, it should be mentioned at this point that the ring-shaped electron beam generator 100 also has a cooling device, as is also known from the prior art in devices for generating accelerated electrons. For example, this device for cooling the electron gun 100 can comprise cooling channels which extend inside the insulator 109 and through which a cooling medium flows.

Die zweite Anode 108, welche bei einem ringförmigen Elektronenstrahlerzeuger bevorzugt als gitterförmiges Ringzylindersegment ausgebildet ist und welche die räumliche Grenze zwischen den evakuierbaren Räumen 102a und 102b darstellt, erfüllt drei wesentliche Aufgaben. Zum einen bewirkt sie aufgrund ihrer Spannungsdifferenz gegenüber der zweiten Kathode 107 eine Beschleunigung der aus dem Plasma extrahierten Ionen in Richtung der zweiten Kathode. Zum anderen bewirkt sie auch eine Beschleunigung der durch den lonenbeschuss erzeugten Sekundärelektronen in Richtung des Elektronenaustrittsfensters 104. Aufgrund des Sachverhaltes, dass die Gitterstruktur der zweiten Anode 108 parallel zur Sekundärelektronen emittierenden Oberfläche 110 der zweiten Kathode 107 ausgebildet ist, wird ein elektrisches Feld derart ausgebildet, dass auch die Bahnen der beschleunigten Sekundärelektronen weitgehend radial und antiparallel zu den Bahnen der sie jeweils freisetzenden Ionen verlaufen. Des Weiteren schirmt die zweite Anode 108 das Plasma vom Spannungspotenzial der zweiten Kathode 107 ab; verhindert dadurch das Abdriften zu vieler Elektronen weg von den drahtförmigen Elektroden 111 und trägt somit zum Aufrechterhalten des Plasmas 106 im evakuierbaren Raum 102a bei.The second anode 108, which in the case of a ring-shaped electron beam generator is preferably designed as a lattice-shaped ring cylinder segment and which represents the spatial boundary between the evacuatable spaces 102a and 102b, fulfills three essential tasks. On the one hand, due to its voltage difference compared to the second cathode 107, it causes the ions extracted from the plasma to be accelerated in the direction of the second cathode. On the other hand, it also causes an acceleration of the secondary electrons generated by the ion bombardment in the direction of the electron exit window 104. Due to the fact that the lattice structure of the second anode 108 is formed parallel to the secondary electron-emitting surface 110 of the second cathode 107, an electric field is formed such that that the paths of the accelerated secondary electrons also run largely radially and antiparallel to the paths of the ions that release them. Furthermore, the second anode 108 shields the plasma from the voltage potential of the second cathode 107; thereby prevents too many electrons from drifting away from the wire-shaped electrodes 111 and thus contributes to maintaining the plasma 106 in the evacuatable space 102a.

3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Als Basis der Vorrichtung 300 fungiert ein ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger, wie er zum Beispiel zu den 1 und 2 beschrieben wurde. Daher kann der ringförmige Elektronenstrahlerzeuger, der für eine Vorrichtung 100 verwendet wird, beispielsweise alle zu Vorrichtung 100 aus 1 und 2 beschriebenen Bauelemente umfassen. Der für Vorrichtung 300 verwendete Elektronenstrahlerzeuger weist daher auch ein ringförmiges Gehäuse 301 auf, dessen Ringachse 303 senkrecht ausgerichtet ist. Ein ringförmiges, als erster Hohlzylinder ausgebildetes, Elektronenaustrittsfenster 304 ist Bestandteil der Innenwandung des ringförmigen Gehäuses 301. Dabei umschließt die Innenwandung des ringförmigen Gehäuses 301 ein Volumen, in welches die von der Vorrichtung 300 erzeugten beschleunigten Elektronen durch das Elektronenaustrittsfenster 304 hindurch austreten. 3 shows a schematic sectional view of a device 300 according to the invention 1 and 2 was described. Therefore, the annular electron gun used for an apparatus 100, for example assign all to device 100 1 and 2 include components described. The electron beam generator used for device 300 therefore also has a ring-shaped housing 301, the ring axis 303 of which is aligned vertically. An annular electron exit window 304 designed as a first hollow cylinder is part of the inner wall of annular housing 301. The inner wall of annular housing 301 encloses a volume into which the accelerated electrons generated by device 300 exit through electron exit window 304.

Wie bereits zuvor dargestellt wurde, ist die Ringachse 303 des ringförmigen Gehäuses 301 senkrecht ausgerichtet. Das ringförmige Gehäuse 301 weist somit eine obere Ringöffnung und eine untere Ringöffnung auf. Erfindungsgemäß ist die obere Ringöffnung mittels mindestens einer ersten Wandung 305, welche oberhalb des Elektronenaustrittsfensters 304 angeordnet ist, vollständig verschlossen.As already explained above, the ring axis 303 of the ring-shaped housing 301 is aligned vertically. The annular housing 301 thus has an upper ring opening and a lower ring opening. According to the invention, the upper ring opening is completely closed by means of at least one first wall 305, which is arranged above the electron exit window 304.

Durch die untere Ringöffnung des ringförmigen Gehäuses 301 erstreckt sich ein zweiter Hohlzylinder 306 in das von der Innenwandung des ringförmigen Gehäuses 301 umschlossene Volumen. Der zweite Hohlzylinder 306 weist einen kleineren Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des ringförmigen Elektronenaustrittsfenster 304 auf, so dass das ringförmige Elektronenaustrittsfenster 304 und der ringförmige zweite Hohlzylinder 306 einen ringförmigen Freiraum 307 begrenzen. Das als erster Hohlzylinder ausgebildete Elektronenaustrittsfenster 304 und der zweite Hohlzylinder 306 weisen dabei die gleiche Zylinderachse 303 auf. Des Weiteren ist das obere Ende des zweiten Hohlzylinders 306 mit einem Maß von der mindestens einen ersten Wandung 305 beabstandet. Ferner umfasst die Vorrichtung 300 erfindungsgemäß eine Einrichtung 308, mit welcher innerhalb des zweiten Hohlzylinders 306 eine von unten nach oben gerichtete Strömung 309 eines gasförmigen Mediums erzeugbar ist. Als Einrichtung 308 kann beispielsweise ein Gebläse und als gasförmiges Medium zum Beispiel Luft verwendet werden.A second hollow cylinder 306 extends through the lower annular opening of the annular housing 301 into the volume enclosed by the inner wall of the annular housing 301 . The second hollow cylinder 306 has a smaller diameter than the diameter of the annular electron exit window 304, so that the annular electron exit window 304 and the annular second hollow cylinder 306 delimit an annular free space 307. The electron exit window 304 embodied as the first hollow cylinder and the second hollow cylinder 306 have the same cylinder axis 303 in this case. Furthermore, the upper end of the second hollow cylinder 306 is spaced apart from the at least one first wall 305 by a certain amount. Furthermore, the device 300 according to the invention comprises a device 308 with which a bottom-up flow 309 of a gaseous medium can be generated inside the second hollow cylinder 306 . A blower, for example, can be used as the device 308 and air, for example, can be used as the gaseous medium.

Abschießend umfasst die Vorrichtung 300 noch mindestens einen Einlass 310 im zweiten Hohlzylinder 306, mittels dessen ein mit beschleunigte Elektronen zu behandelndes Schüttgut in die von unten nach oben gerichtete Strömung 309 des gasförmigen Mediums einbringbar ist.Finally, the device 300 also includes at least one inlet 310 in the second hollow cylinder 306, by means of which a bulk material to be treated with accelerated electrons can be introduced into the flow 309 of the gaseous medium directed from the bottom upwards.

Die von unten nach oben führende Strömung 309 des gasförmigen Mediums ist dabei so stark ausgebildet, dass die Schüttgutpartikel innerhalb des zweiten Hohlzylinders 306 mit dem Gasstrom nach oben mitgerissen und nach dem Austritt aus dem oberen Ende des zweiten Hohlzylinders 306 in den ringförmigen Freiraum 307 gepresst werden. Innerhalb des ringförmigen Freiraumes 307 werden die Schüttgutpartikel zum einen durch die dort umgekehrte und nach unten gerichtete Strömung des gasförmigen Mediums und zum anderen verstärkt durch die Erdanziehungskraft ebenfalls nach unten gerichtet, am ringförmigen Elektronenaustrittsfenster 304 vorbeigeführt und mit den aus dem Elektronenaustrittsfenster 304 austretenden beschleunigten Elektronen beaufschlagt.The flow 309 of the gaseous medium from bottom to top is so strong that the bulk material particles within the second hollow cylinder 306 are entrained upwards with the gas flow and, after exiting the upper end of the second hollow cylinder 306, are pressed into the annular free space 307 . Within the ring-shaped free space 307, the bulk material particles are also directed downwards, on the one hand by the reverse and downward flow of the gaseous medium and on the other hand, reinforced by the force of gravity, are guided past the ring-shaped electron exit window 304 and are acted upon by the accelerated electrons exiting the electron exit window 304 .

Bei einer Ausführungsform ist zumindest der Oberflächenbereich des zweiten Hohlzylinders 306, welcher dem Elektronenaustrittsfenster 304 gegenüberliegt, als Elektronenreflektor ausgebildet. Hierdurch können die am Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführten Schüttgutpartikel auch noch mit den vom Elektronreflektor rückgestreuten Elektronen beaufschlagt werden.In one embodiment, at least the surface area of the second hollow cylinder 306 that is opposite the electron exit window 304 is designed as an electron reflector. As a result, the bulk material particles guided past the electron exit window can also be impacted by the electrons backscattered by the electron reflector.

In 4 ist eine erste alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 400 schematisch als Schnitt dargestellt. Vorrichtung 400 ist bis auf ein Merkmal identisch mit der Vorrichtung 300 aus 3. Gegenüber der Vorrichtung 300 aus 3 umfasst die Vorrichtung 400 zusätzlich einen dritten Hohlzylinder 411. Der Durchmesser des dritten Hohlzylinders 411 ist kleiner als der Durchmesser des als erster Hohlzylinder ausgebildeten Elektronenaustrittsfensters 304 und größer als der Durchmesser des zweiten Hohlzylinders 306. Die Länge des dritten Hohlzylinders 411 erstreckt sich zumindest über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters 304. Die Zylinderachse des dritten Hohlzylinders 411 ist identisch mit der Zylinderachse 303 des ersten und zweiten Hohlzylinders, so dass der dritte Hohlzylinder 411 den ringförmigen Freiraum zwischen dem Elektronenaustrittsfenster 304 und dem zweiten Hohlzylinder 306 in einen äußeren, ringförmigen ersten Freiraum 407a zwischen dem Elektronenaustrittsfenster 304 und dem dritten Hohlzylinder 411 sowie einen inneren, ringförmigen zweiten Freiraum 407b zwischen dem dritten Hohlzylinder 411 und dem zweiten Hohlzylinder 306 unterteilt. Der dritte Hohlzylinder 411 besteht aus einem temperaturbeständigen Gazematerial. Sowohl die Gazeöffnungen als auch ein möglicher Abstand vom dritten Hohlzylinder zur mindestens einen ersten Wandung 305 sind so gering bemessen, dass keine Schüttgutpartikel in den äußeren, ringförmigen ersten Freiraum 407a gelangen können. Der ringförmige, äußere erste Freiraum 407a wird somit lediglich vom gasförmigen Medium durchströmt, was zum Kühlen des Elektronenaustrittsfensters 304 beiträgt. Die mittels des dritten Hohlzylinders 411 vom Elektronenaustrittsfenster 304 ferngehaltenen Schüttgutpartikel können auf diese Weise keine mechanischen Beschädigungen am Elektronenaustrittsfenster 304 hervorrufen, wodurch die Funktionsfähigkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung länger aufrechterhalten werden kann als ohne dritten Hohlzylinder 411.In 4 a first alternative device 400 according to the invention is shown schematically as a section. Device 400 is identical to device 300 except for one feature 3 . Opposite device 300 from 3 device 400 also includes a third hollow cylinder 411. The diameter of the third hollow cylinder 411 is smaller than the diameter of the electron exit window 304 configured as the first hollow cylinder and larger than the diameter of the second hollow cylinder 306. The length of the third hollow cylinder 411 extends at least over the height of the electron exit window 304. The cylinder axis of the third hollow cylinder 411 is identical to the cylinder axis 303 of the first and second hollow cylinders, so that the third hollow cylinder 411 expands the annular free space between the electron exit window 304 and the second hollow cylinder 306 into an outer, annular first free space 407a between the Electron exit window 304 and the third hollow cylinder 411 and an inner annular second free space 407b between the third hollow cylinder 411 and the second hollow cylinder 306 divided. The third hollow cylinder 411 consists of a temperature-resistant gauze material. Both the gauze openings and a possible distance from the third hollow cylinder to the at least one first wall 305 are dimensioned so small that no bulk material particles can get into the outer, annular first free space 407a. The annular, outer first free space 407a is thus only flowed through by the gaseous medium, which contributes to the cooling of the electron exit window 304 . In this way, the bulk material particles kept away from the electron exit window 304 by means of the third hollow cylinder 411 cannot cause any mechanical damage to the electron exit window 304, thereby reducing the functionality of an inventive device can be maintained longer than without a third hollow cylinder 411.

In 5 ist eine zweite alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 500 schematisch als Schnitt dargestellt. Vorrichtung 500 weist alle Merkmale der Vorrichtungen 400 aus 4 auf oder kann alternativ auch alle Merkmale der Vorrichtung 300 aus 3 aufweisen und unterscheidet sich von diesen Vorrichtung lediglich dadurch, dass die erste Wandung 405, mit welcher die obere Ringöffnung der Vorrichtung 400 vollständig verschlossen ist, gegenüber der ersten Wandung 305 aus 3 oder 4 eine das Umkehren der Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums unterstützende Wölbung aufweist. Auf diese Weise können sowohl das gasförmige Medium als auch die Schüttgutpartikel nach dem Verlassen des zweiten Hohlzylinders 306 in deren Bewegungsrichtung verbessert um 180° umgelenkt werden.In 5 a second alternative device 500 according to the invention is shown schematically as a section. Device 500 exhibits all of the features of devices 400 4 or alternatively, all features of the device 300 can be switched off 3 have and differs from this device only in that the first wall 405, with which the upper ring opening of the device 400 is completely closed, opposite the first wall 305 from 3 or 4 has a curvature assisting in reversing the direction of flow of the gaseous medium. In this way, both the gaseous medium and the bulk material particles can be better deflected by 180° in their direction of movement after leaving the second hollow cylinder 306 .

Wenn es in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der mit beschleunigten Elektronen zu behandelnden Schüttgutpartikel erforderlich ist, eine starke Strömung 309 des gasförmigen Mediums aufzuwenden, um die Schüttgutpartikel innerhalb des zweiten Hohlzylinders 306 nach oben zu bewegen, kann sich das dahingehend negativ auswirken, dass die Schüttgutpartikel aufgrund der dann ebenfalls starken Strömung des gasförmigen Mediums innerhalb des inneren, ringförmigen zweiten Freiraums 407b mit einer zu hohen Geschwindigkeit am Elektronenaustrittsfenster 304 vorbeigeführt werden und dabei mit einer zu geringen Dosis beschleunigter Elektronen beaufschlagt werden. Zur Überwindung dieses technischen Problems kann zum Beispiel die Leistung des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers erhöht werden, was jedoch wegen der dann ebenfalls steigenden thermischen Belastung des Elektronenaustrittsfenster 304 nicht beliebig möglich ist.If, depending on the nature of the bulk material particles to be treated with accelerated electrons, it is necessary to use a strong flow 309 of the gaseous medium in order to move the bulk material particles upwards within the second hollow cylinder 306, this can have a negative effect in that the bulk material particles due to which are then likewise strong flow of the gaseous medium within the inner, annular second free space 407b at too high a speed past the electron exit window 304 and are thereby subjected to too small a dose of accelerated electrons. To overcome this technical problem, for example, the power of the ring-shaped electron beam generator can be increased, but this is not always possible because of the thermal load on the electron exit window 304, which then also increases.

Eine dritte alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 600 ist in 6 schematisch als Schnitt dargestellt. Ein Ausschnitt von dieser Vorrichtung 600 aus 6 ist in 7 noch einmal vergrößert und schematisch dargestellt, um Details besser zu veranschaulichen. Vorrichtung 600 umfasst alle zu Vorrichtung 500 aus 5 beschriebenen Bauelemente und weist zusätzlich einen vierten Hohlzylinder 612 auf. Der Durchmesser des vierten Hohlzylinders 612 ist kleiner als der Durchmesser des dritten Hohlzylinder 411 und größer als der Durchmesser des zweiten Hohlzylinders 306. Die Länge des vierten Hohlzylinders 612 erstreckt sich zumindest über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters 304. Zumindest in dem Längenbereich, in welchem sich der vierte Hohlzylinder 612 über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters 304 erstreckt, ist der vierte Hohlzylinder 612 sowohl für die Schüttgutpartikel als auch für das gasförmige Medium undurchlässig ausgebildet. Die Zylinderachse des vierten Hohlzylinders 612 ist identisch mit der Zylinderachse 303 des ersten, zweiten und dritten Hohlzylinders, so dass der vierte Hohlzylinder 612 den ringförmigen Freiraum zwischen dem dritten Hohlzylinder 411 und dem zweiten Hohlzylinder 306 in einen ringförmigen dritten Freiraum 707c zwischen dem dritten Hohlzylinder 411 und dem vierten Hohlzylinder 612 sowie einen ringförmigen vierten Freiraum 707d zwischen dem vierten Hohlzylinder 612 und dem zweiten Hohlzylinder 306 unterteilt. Die oberen Enden des zweiten Hohlzylinders 306 und des vierten Hohlzylinders sind mittels einer zweiten Wandung 713 verbunden, welche lediglich für das gasförmige Medium durchlässig ausgebildet ist, welche jedoch Schüttgutpartikel davon abhält, in den vierten ringförmigen Freiraum 707d zu gelangen. Die Schüttgutpartikel können somit nur im dritten Freiraum 707c zwischen dem dritten Hohlzylinder 411 und dem vierten Hohlzylinder 612 abwärtsgerichtet am Elektronenaustrittsfenster 304 vorbeigeführt werden. Dadurch, dass ein Teil der abwärts gerichteten Strömung des gasförmigen Mediums in den vierten ringförmigen Freiraum 707d abgezweigt wird und somit nicht auf die abwärts gerichteten Schüttgutpartikel im dritten ringförmigen Freiraum 707c einwirkt, fallen die Schüttgutpartikel mit einer geringeren Geschwindigkeit am Elektronenaustrittsfenster 304 vorbei und werden dadurch mit einer höheren Anzahl an beschleunigten Elektronen beaufschlagt als ohne den ringförmigen vierten Hohlzylinder 612.A third alternative device 600 according to the invention is in 6 shown schematically as a section. A section of this device 600 6 is in 7 once again enlarged and shown schematically in order to better illustrate details. Device 600 includes all of Device 500 from 5 components described and additionally has a fourth hollow cylinder 612 . The diameter of the fourth hollow cylinder 612 is smaller than the diameter of the third hollow cylinder 411 and larger than the diameter of the second hollow cylinder 306. The length of the fourth hollow cylinder 612 extends at least over the height of the electron exit window 304. At least in the length range in which the fourth hollow cylinder 612 extends over the height of the electron exit window 304, the fourth hollow cylinder 612 is designed to be impermeable both to the bulk material particles and to the gaseous medium. The cylinder axis of the fourth hollow cylinder 612 is identical to the cylinder axis 303 of the first, second and third hollow cylinder, so that the fourth hollow cylinder 612 converts the annular free space between the third hollow cylinder 411 and the second hollow cylinder 306 into an annular third free space 707c between the third hollow cylinder 411 and the fourth hollow cylinder 612 and an annular fourth free space 707d between the fourth hollow cylinder 612 and the second hollow cylinder 306. The upper ends of the second hollow cylinder 306 and the fourth hollow cylinder are connected by means of a second wall 713 which is designed to be permeable only to the gaseous medium, but which prevents bulk material particles from entering the fourth annular free space 707d. The bulk material particles can thus only be guided downward past the electron exit window 304 in the third free space 707c between the third hollow cylinder 411 and the fourth hollow cylinder 612 . Because part of the downward flow of the gaseous medium is diverted into the fourth annular free space 707d and thus does not act on the downward-directed bulk material particles in the third annular free space 707c, the bulk material particles fall past the electron exit window 304 at a lower speed and are thereby a higher number of accelerated electrons than without the annular fourth hollow cylinder 612.

Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik sind vielfältig. Dadurch, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Schüttgutpartikel lediglich von einer Seite eines ringförmigen Elektronstrahlerzeugers sowohl zu- als auch abgeführt werden, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik kompakter ausgeführt werden. Dadurch werden Vorrichtung zum Beaufschlagen von Schüttgut mit beschleunigten Elektronen auch für kleinere Schüttgutmengen rentabel. Strahlenschutztechnische Einrichtungen für Zuführungs- bzw. Abführungsleitungen von zu bestrahlenden Schüttgütern müssen auch nur auf einer Seite des ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers ausgeführt werden, was den diesbezüglichen technischen Aufwand gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht. Die Strömung eines gasförmigen Mediums, welches auch am ringförmigen Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt wird, dient gleichzeitig der Kühlung eines verwendeten ringförmigen Elektronenstrahlerzeugers, wodurch dessen ursprüngliche Kühleinrichtung gegenüber dem Stand der Technik nur mit vermindertem Umfang ausgeführt werden muss. Des Weiteren umfassen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik Einrichtungen, mit welchen die Schüttgutpartikel vereinzelt werden, bevor diese als dünner Schüttgutpartikel-Vorhang an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeifallen. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind diese Vereinzelungseinrichtungen nicht mehr erforderlich. Die Strömung des gasförmigen Mediums innerhalb des zweiten Hohlzylinders sorgt bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dafür, dass der Verbund aus Schüttgutpartikeln aufgelockert wird und mit dem Ausbilden des Abstandes vom Elektronenaustrittsfenster zum zweiten Hohlzylinder in Abhängigkeit vom Durchmesser der Schüttgutpartikel kann sichergestellt werden, dass lediglich ein dünner Schüttgutpartikel-Vorhang am Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt wird.The advantages of a device according to the invention over the prior art are manifold. Due to the fact that in a device according to the invention the bulk material particles are fed in and removed from only one side of a ring-shaped electron beam generator, a device according to the invention can be made more compact compared to the prior art. As a result, devices for charging bulk material with accelerated electrons are also economical for smaller amounts of bulk material. Radiation protection devices for supply and discharge lines of bulk materials to be irradiated also only have to be implemented on one side of the ring-shaped electron beam generator, which simplifies the technical effort in this regard compared to the prior art. The flow of a gaseous medium, which is also guided past the ring-shaped electron exit window, is also used to cool a ring-shaped electron beam generator used, as a result of which its original cooling device only has to be designed with a reduced scope compared to the prior art. Furthermore, devices from the prior art include devices with which the bulk material particles are separated before they are exposed to an electron exchange as a thin bulk material particle curtain pass the riding window. With a device according to the invention, these separating devices are no longer required. In a device according to the invention, the flow of the gaseous medium within the second hollow cylinder ensures that the composite of bulk material particles is loosened, and with the formation of the distance from the electron exit window to the second hollow cylinder as a function of the diameter of the bulk material particles, it can be ensured that only a thin bulk material particle Curtain is guided past the electron exit window.

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DE 102013113688 B3 [0009, 0012]

Claims

Device for impinging bulk material with accelerated electrons, comprising at least one electron beam generator with an annular housing (101; 301), which has at least one annular cathode (107) for emitting electrons and at least one annular electron exit window (104; 304) designed as a first hollow cylinder ; wherein the ring-shaped electron exit window (104; 304) designed as a first hollow cylinder forms an inner wall of the ring-shaped housing (101; 301) of the electron beam generator; wherein the electrons emitted by the ring-shaped cathode (107) can be accelerated to the ring axis (103; 303) of the ring-shaped housing (101; 301) and wherein the ring axis (103; 303) of the ring-shaped housing is perpendicular or at an angle of up to 10° is oriented deviating from the vertical, so that the ring-shaped housing (101; 301) has an upper ring opening and a lower ring opening, characterized in that a) the upper ring opening is closed by means of at least one first wall (305; 405); b) a second hollow cylinder (306) extends from below into the annular opening of the annular housing (301) and delimits an annular free space (307) between the electron exit window (304) designed as the first hollow cylinder and the second hollow cylinder (306); c) the upper end of the second hollow cylinder (306) is spaced a certain distance from the at least one first wall (305; 405); d) a flow (309) of a gaseous medium directed from bottom to top within the second hollow cylinder (306) can be generated by means of at least one device (308); e) the bulk material can be introduced into the bottom-up flow (309) of the gaseous medium by means of at least one inlet (310) in the second hollow cylinder (306).

device after claim 1 , characterized in that at least the surface area of the second hollow cylinder (306) which is opposite the electron exit window (304) is designed as an electron reflector.

device after claim 1 or 2 , characterized in that the at least one first wall (405) has a curvature supporting the reversal of the flow direction of the gaseous medium.

Device according to one of the preceding claims, characterized by a third hollow cylinder (411) consisting of a gauze material, the diameter of the third hollow cylinder (411) being smaller than the diameter of the electron exit window (304) designed as the first hollow cylinder and being larger than the diameter of the second hollow cylinder (306).

device after claim 4 , characterized by a fourth hollow cylinder (612) whose diameter is smaller than the diameter of the third hollow cylinder (411) and is larger than the diameter of the second hollow cylinder (306).

device after claim 5 , characterized in that the cylinder axis of the fourth hollow cylinder (612) is identical to the cylinder axis (303) of the second (hollow cylinder (306) and the third hollow cylinder (411).

device after claim 5 or 6 , characterized in that the upper ends of the second hollow cylinder (306) and the fourth hollow cylinder (612) are connected by means of a second wall (713), the second wall (713) being permeable to the gaseous medium.