用于将加速电子施加到气态介质的设备及方法技术

本发明专利技术涉及一种用于借助电子束发生器将加速电子施加到气态介质的设备及方法，该电子束发生器具有至少一个用于发射电子的阴极(107)和至少一个电子出射窗(104；304)，其中，a)至少一个阴极(107)呈环形，并且至少一个电子出射窗(104；304)构造为环形的第一中空圆柱体，其中，构造为第一中空圆柱体的环形电子出射窗(104；304)形成电子束发生器的环形外壳(101；301)的内壁，其中，由阴极(107)发射的电子朝向环形外壳(101；301)的环轴线(103；303)加速；b)在构造为第一中空圆柱体的电子出射窗(104；304)内布置有环形的第二中空圆柱体(112；312)，其界定出第一中空圆柱体与第二中空圆柱体(112；312)之间的环形空间(113；313)；c)引导冷却气体流过第一中空圆柱体与第二中空圆柱体(112；312)之间的环形空间(113；313)；以及d)引导待施加加速电子的气态介质流过第二中空圆柱体(112；312)。312)。312)。

Apparatus and method for applying accelerating electrons to gaseous media

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于将加速电子施加到气态介质的设备及方法


[0001]本专利技术涉及一种用于将加速电子施加到气态介质进而引起气态介质的化学转化或气体合成的设备及方法。从本专利技术含义上，气态介质应理解为气体、气体混合物、蒸汽和气溶胶，所有这些也可以包含固体颗粒，例如来自内燃机、工业设施或热电设施的废气。

技术介绍

[0002]几十年来，电子束技术已在工业规模上用于对化学材料改性以及对表面进行消毒或灭菌。可以在大气压下经济地处理产品，为此，必须首先在真空中释放电子，然后加速电子，最终电子通过电子束出射窗(通常是薄金属箔)解耦到处理区中。通常需要大于100kV的加速电压才能穿透可大规模使用且足够鲁棒的电子出射窗，并确保产品中达成足够深的处理深度。
[0003]各种方法和光束源已良好地用于板材和带材等平板产品的表层处理，而全面处理成型体、基体材料和流体仍然存在问题。因此，由于遮蔽效应和局部差异的投影条件，电子在曲面上的全方位均匀撞击在几何上存在问题。当电子在吸收介质中传播时，沿路径的局部变化的能量转移代表了剂量不均匀的另一来源，这也会影响到流体(气态介质和液态介质)的处理。
[0004]对于已经存在的源系统，例如具有快速偏转单元的轴向辐射器或具有细长阴极的带状辐射器，这两种实施方式都使用加热的热离子阴极来操作，对成型体的全方位的产品处理或在流动的流体中应用均匀剂量的能量只会非常繁琐，可能要利用额外的装置或设备和/或技术开支不菲。基于热离子发射器的电子束源在机械方面也很复杂，难以缩放，并且需要复杂的电子孔电压源和电子孔真空系统。如果电子束出射窗损坏，导致真空崩溃，阴极系统将受到不可逆转的损伤，维修成本极高。
[0005]专利文献DE 199 42 142 A1公开了一种设备，其中引导基体材料以多次自由落体通过电子束装置并经受加速电子。由于多程，再加上基体材料的间歇混合，在本实施方式中，基体材料的颗粒受到加速电子全方位撞击的概率极高。如果引导流体而非基体材料通过处理区，则也可以通过多程来均衡整体传输的能量剂量。然而，在进行处理过程时，多程需要大量时间。
[0006]专利文献DE 10 2006 012 666 A1指定了另一种解决方案，包括三个具有关联偏转控制的轴向辐射器和三个同样关联的电子出射窗。三个电子出射窗布置为使得它们整周包围成三角形的自由空间。如果引导衬底通过这个自由空间，该衬底可以在一次处理过程中在其整个横截面上施加有加速电子。然而，本实施方式中的设备开支非常高，这意味着该方案也极度昂贵。尽管如此，一旦衬底不具有与三个电子出射窗所包围的自由空间相一致的三角形横截面，加速电子撞击衬底表面的剂量分布就会变得不均匀。单程中，在处理区横截面上到电子出射窗的距离大不相同，因此不可能将均匀的剂量转移到流体体积中。
[0007]为了解决这个问题，专利文献WO 01/97954 A2提出在矩形处理室沿一侧布置多个平面电子束发生器而另一侧相对地对称布置多个平面电子束发生器。这种叠加提高了体积
中的剂量均匀性，但同样以高设备成本为代价。此外，通常在具有圆形横截面的管道中引导流体。向处理室的矩形横截面的过渡与涡流的形成有关，涡流一方面会增加流动阻力，另一方面因局部变化的流速或静止的涡流结构而引起剂量均匀。
[0008]专利文献DE 10 2013 111 650 B3公开了一种用于产生加速电子的环形设备，其中诸如阴极、阳极和电子出射窗等所有必要部件皆呈环形构造，借助这种设备即可构成环形电子束，其中加速电子向环内移动。借助这种设备，例如，移动通过设备环形开口的带状衬底可以相对于衬底横截面沿整个圆周施加有加速电子。从DE 10 2013 111 650 B3已知的设备通常具有圆环形，但也可以构造成任意其他环形。借助这种环形设备，不仅可以对棒状衬底施加加速电子，而且也可以例如对自由落体通过环形开口引导的基体材料或流过环形开口的气体施加加速电子。然而，这种设备不适用于处理热气，例如来自内燃机的废气或化学合成气，因为当热气流过环形开口时，电子出射窗与热气相接触，却不能承受由此发生的热应力或腐蚀应力。
[0009]最后，参阅J
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M
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Connelly等人所著的《Application of radio
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frequency electron gun to waste treatment,Radiation Physics and Chemistry(射频电子枪在废物处理、辐射物理与化学中的应用)》(2019年，书号108440)，揭示了一种星形电子束源，其中多个高能轴向辐射器均匀地布置在待处理液态或气态介质周围，使得所有轴向辐射器的束流方向在一点相交。借助这种设备也可以处理气体，其中气体温度具有上限，因为轴向辐射器的电子出射窗直接暴露于待处理气体。此外，这种设备需要用于控制并操作至少五个电子辐射器的外围设备，因此技术复杂性很高。这一点会因需要以高电子能量工作来穿透并均匀撞击大横截面而进一步加剧，尤其是还会增加屏蔽作为不可避免的破坏效应而产生的X射线的费用。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术的技术问题是提出一种借助加速电子施加和化学转化气态介质的设备及方法，由此能够克服现有技术中的缺点。具体而言，利用根据本专利技术的设备及根据本专利技术的方法，仅需很少的技术投入就可以应用加速电子和化学转化热的气态介质，例如来自内燃机的废气或化学合成气。
[0011]本专利技术用以达成上述技术问题的解决方案为具有权利要求1和17所述特征的主题。本专利技术的更多有利技术方案参阅从属权利要求。
[0012]首先，根据本专利技术的设备可以具备如DE 10 2013 11 650 B3和DE 10 2013 113 668 B3已揭示的环形电子束源的所有特征。因此，根据本专利技术的用于将加速电子施加到(可能载有固体颗粒的)气体、气体混合物、蒸汽和气溶胶(概括为术语“气态介质”)的设备包括至少一个电子束发生器，所述电子束发生器具有至少一个用于发射电子的阴极和至少一个电子出射窗，其中，该至少一个阴极呈环形，并且该至少一个电子出射窗构造为环形的第一中空圆柱体。构造为第一中空圆柱体的环形电子出射窗形成电子束发生器的环形外壳的内壁，其中，由阴极发射的电子可朝向环形外壳的环轴线加速。根据本专利技术，在构造为第一中空圆柱体的电子出射窗内布置有环形的第二中空圆柱体，其界定出第一中空圆柱体与第二中空圆柱体之间的环形空间。在根据本专利技术的设备中，冷却气体流过第一中空圆柱体与第二中空圆柱体之间的环形空间，并且待施加加速电子的气态介质流过第二中空圆柱体。由
于冷却气体流过第一中空圆柱体与第二中空圆柱体之间的环形空间，能够避免电子出射窗过热以及被凝聚物和固体颗粒污染及其造成的破坏，从而利用根据本专利技术的设备也可以处理载有颗粒的热气态介质。
[0013]就此应当明确指出，从本专利技术含义上，术语“环形”在下文描述的所有环形设备和元件中并不仅限于圆环。根据本专利技术的设备的环形件横截面在本专利技术优选实施方式中呈圆形，但从本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于将加速电子施加到气态介质的设备，包括至少一个电子束发生器，所述电子束发生器具有至少一个用于发射电子的阴极(107)和至少一个电子出射窗(104；304)，其特征在于，a)所述至少一个阴极(107)呈环形，并且所述至少一个电子出射窗(104；304)构造为环形的第一中空圆柱体，其中，构造为第一中空圆柱体的环形电子出射窗(104；304)形成所述电子束发生器的环形外壳(101；301)的内壁，其中，由所述阴极(107)发射的电子能够朝向所述环形外壳(101；301)的环轴线(103；303)加速；b)在构造为第一中空圆柱体的电子出射窗(104；304)内布置有环形的第二中空圆柱体(112；312)，其界定出所述第一中空圆柱体与所述第二中空圆柱体(112；312)之间的环形空间(113；313)；c)冷却气体流过所述第一中空圆柱体与所述第二中空圆柱体(112；312)之间的环形空间(113；313)；以及d)待施加加速电子的气态介质流过所述第二中空圆柱体(112；312)。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述待施加加速电子的气态介质为来自内燃机、工业设施或热电设施的废气。3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述待施加加速电子的气态介质为用于化学合成的原材料。4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二中空圆柱体(112；312)的柱壁具有多个开口。5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第二中空圆柱体(112；312)的柱壁具有网格结构或构造为丝网。6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二中空圆柱体(112；312)的柱壁由至少一种熔点高于1250℃的材料制成。7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二中空圆柱体(312)至少在其内壁上包含在气态介质的化学反应中起催化作用的材料。8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述起催化作用的材料为镍、钇稳定的氧化锆或镧系化合物。9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述冷却气体和所述待施加加速电子的气态介质具有相同的流动方向。10.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述冷却气体通过所述第二中空圆柱体(112、312)的多个开口从所述环形空间(113；313)流入自由空间(114、314)。11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于用于调节所述环形空间(113；313)内部压力的第一调节电路，其包括用于检测所述中空圆柱体(112；312)内部压力的第一实际值的第一传感器、用于检测所述环形空间(113；313)内部压力的第二实际值的第二传感器、评估装置以及用于产生通过所述环形空间(113；313)的冷却气流的鼓风机或泵装置。12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于布置在所述自由空间(314)中的电子反射器(519；619；719)。13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述电子反射器的表面材料包含难熔金
属或轻金属。14.根据权利要求12或13所述的设备，其特征在于，所述电子反射器的表面包含镍、钇稳定的氧化锆或镧系化合物。15.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其特征在于电源装置(520)，其一极与布置在所述自由空间(314)内的电子反射器(519、619)导电连接，而其另一极与所述第二中空圆柱体(...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：