技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子出射窗箔。更具體地，本發(fā)明涉及在腐蝕環(huán)境中使用且以高性能運(yùn)轉(zhuǎn)的電子出射窗箔。

背景技術(shù)：

電子束設(shè)備可被用于利用電子輻照物體，例如用于表面處理。這樣的設(shè)備常常被用在食品包裝工業(yè)中，其中電子束提供了對(duì)包裝件(例如塑料瓶或稍后會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)榘b件的包裝材料)的高效殺菌。

電子束殺菌的主要優(yōu)點(diǎn)是可避免濕法化學(xué)法(使用例如H₂O₂)，從而使這種濕法環(huán)境所需的大量部件和設(shè)備有所減少。

電子束設(shè)備通常包括連接到電源的細(xì)絲，其中該細(xì)絲發(fā)射電子。該細(xì)絲優(yōu)選地被設(shè)置在高真空中以增加所發(fā)射電子的平均自由程而加速器將所發(fā)射電子導(dǎo)向出射窗。電子出射窗被提供來(lái)允許電子逸出電子束發(fā)生器使得它們可在電子束發(fā)生器外面移動(dòng)，從而與待殺菌的物體碰撞并在該物體的表面釋放能量。

電子出射窗通常由薄的電子可穿透箔組成，該箔抵靠電子束發(fā)生器密封以維持電子束發(fā)生器內(nèi)部的真空。網(wǎng)格形式的冷卻的支撐板進(jìn)一步被提供來(lái)防止箔由于高真空而塌陷。Ti因其在高熔點(diǎn)和電子穿透性以及提供薄膜的能力之間的合理的良好匹配而通常被用作為箔材料。

Ti膜的一個(gè)問(wèn)題是它可被氧化，導(dǎo)致使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性的下降。為了實(shí)現(xiàn)出射窗的長(zhǎng)壽，在電子束設(shè)備的操作過(guò)程中不應(yīng)當(dāng)超過(guò)大約250℃的最高溫度。通常，高性能電子束設(shè)備被設(shè)計(jì)為當(dāng)被用于對(duì)行進(jìn)的卷材殺菌時(shí)，以高達(dá)100米/分鐘在80千電子伏提供22千戈瑞。因此，純Ti箔不可被用于這樣的高性能電子束設(shè)備，因?yàn)樗l(fā)射電子穿過(guò)該窗的數(shù)量可導(dǎo)致溫度大大高于該臨界值。

在充填機(jī)(即被設(shè)計(jì)為形成、充填并密封包裝件的機(jī)器)中，殺菌是至關(guān)重要的工藝，不僅對(duì)包裝而言，也對(duì)機(jī)器本身而言。在這樣的機(jī)器殺菌(優(yōu)選地在啟動(dòng)過(guò)程中執(zhí)行)中，出射窗的外部會(huì)被暴露于用于機(jī)器殺菌的化學(xué)品。諸如H₂O₂之類(lèi)的高腐蝕性物質(zhì)(常被用于此類(lèi)應(yīng)用)會(huì)通過(guò)蝕刻Ti而影響出射窗。

用于改善出射窗的性能的不同技術(shù)方案已被提議來(lái)克服上述缺點(diǎn)。

EP0480732B描述了一種由Ti箔和Al保護(hù)層組成的窗出射箔，其中通過(guò)Ti/Al結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)散處理形成金屬間化合物。該技術(shù)方案可適用于相對(duì)較厚的出射窗，即允許保護(hù)層厚于1微米的窗。但是，金屬間化合物在薄Ti箔上是不可接受的，因?yàn)樗鼤?huì)降低其物理強(qiáng)度。

EP0622979A公開(kāi)了一種由Ti箔和硅氧化物保護(hù)層組成的窗出射箔，硅氧化物保護(hù)層位于該出射箔面向待輻照物體的一側(cè)上。雖然Ti箔可被這樣的層保護(hù)，但硅氧化物是非常脆弱的且容易在真空被提供時(shí)在該箔被允許彎曲的區(qū)域(即支撐板的網(wǎng)格之間的區(qū)域)中破裂。該缺點(diǎn)使得EP0622979A的箔不適用于出射箔出現(xiàn)局部彎曲的應(yīng)用，比如使用與出射箔接觸的網(wǎng)格狀冷卻板的電子束設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是減少或消除上述缺點(diǎn)。

進(jìn)一步的目的是提供一種能夠降低箔上的熱負(fù)荷和腐蝕的電子出射箔。

因此，本發(fā)明的構(gòu)思是提供具有延長(zhǎng)的工作壽命、要求縮減的服務(wù)且由于便宜的涂層工藝和行之有效的X射線(xiàn)制造工藝的裝置而比現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)成本效益更好的電子束發(fā)生器。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種和在腐蝕環(huán)境中工作的高性能電子束發(fā)生器一起使用的電子出射窗箔。所述電子出射窗箔包括夾層結(jié)構(gòu)，該夾層結(jié)構(gòu)具有Ti膜、比Ti具有更高熱導(dǎo)率的材料的第一層和能夠保護(hù)所述膜避免被所述腐蝕環(huán)境破壞的材料的撓性第二層，其中所述第二層面向所述腐蝕環(huán)境。

所述第一層可被設(shè)置在所述膜和所述第二層之間，或者所述膜可被設(shè)置在所述第一層和所述第二層之間。

所述第二層可包括不同材料的至少兩個(gè)層，這是有利的，因?yàn)榭舍槍?duì)具體應(yīng)用定制箔的諸如抗腐蝕性和強(qiáng)度等不同的機(jī)械性能和/或物理性能。

所述第一層可選自由熱導(dǎo)率和密度之間的比高于Ti的材料組成的群組。

所述第一層可選自由Al、Cu、Ag、Au或Mo組成的群組，而所述第二層可選自由Al₂O₃、Zr、Ta或Nb組成的群組。

所述腐蝕環(huán)境可包括H₂O₂。因此，所述箔可被應(yīng)用于在接觸腐蝕性殺菌劑的機(jī)器(比如食品包裝工業(yè)中的充填機(jī))中工作的電子束設(shè)備中。

所述電子出射窗箔可進(jìn)一步在所述Ti膜和第一層或所述第二層之間包括至少一個(gè)膠粘劑涂層。所述膠粘劑涂層可以是具有1到150nm之間的厚度的Al₂O₃層或ZrO₂層。這是有利的，因?yàn)樵谒瞿?層界面防止物質(zhì)的任何反應(yīng)或擴(kuò)散或者所述Ti膜和層之間或兩個(gè)層之間的粘合性得以改善。

根據(jù)第二方面，提供了一種被構(gòu)造來(lái)在腐蝕環(huán)境中工作的電子束發(fā)生器。該電子束發(fā)生器包括容納并保護(hù)產(chǎn)生和形成電子束的組件的主體、以及承載與所述電子束的輸出有關(guān)的部件的支撐件，所述支撐件包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面所述的電子出射窗箔。

本發(fā)明第一方面的優(yōu)點(diǎn)也適用于本發(fā)明的第二方面。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于提供和在腐蝕環(huán)境中工作的高性能電子束發(fā)生器一起使用的電子出射窗箔的方法。該方法包括步驟：提供Ti膜、提供比Ti具有更高熱導(dǎo)率的材料的第一層到所述膜的第一側(cè)上、以及提供能夠保護(hù)所述膜避免被所述腐蝕環(huán)境破壞的材料的撓性第二層，其中所述第二層面向所述腐蝕環(huán)境。

提供撓性第二層的步驟可包括將所述撓性第二層設(shè)置到所述膜的第二側(cè)上。

提供撓性第二層的步驟可包括將所述撓性第二層設(shè)置到所述第一層上。

提供第一層或提供撓性第二層的步驟中的至少一個(gè)可在提供膠粘劑涂層到所述膜上的步驟之后。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種用于提供高性能電子束設(shè)備的方法。該方法包括步驟：將Ti膜附著到框架上、通過(guò)提供比Ti具有更高熱導(dǎo)率的材料的第一層到所述膜的第一側(cè)上和提供能夠保護(hù)所述膜避免被所述腐蝕環(huán)境破壞的材料的撓性第二層來(lái)處理所述膜，其中所述第二層面向所述腐蝕環(huán)境、以及將所述箔-框架子組件附著到電子束設(shè)備的管狀殼體以密封所述電子束設(shè)備。

本發(fā)明第一方面的優(yōu)點(diǎn)也適用于本發(fā)明的第三和第四方面。

附圖說(shuō)明

接下來(lái)，將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，其中：

圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電子束設(shè)備的示意性橫剖正等軸測(cè)圖，

圖2是電子出射窗箔和箔支撐板的示意性橫剖立體圖，以及

圖3a-f是根據(jù)不同實(shí)施方式的電子出射窗箔的示意性橫截面。

具體實(shí)施方式

參考圖1，一種電子束設(shè)備被示出。該電子束設(shè)備100包括兩個(gè)部分：容納(house)并保護(hù)產(chǎn)生和形成電子束的組件103的管體102，以及承載與電子束的輸出有關(guān)的部件(比如窗箔106和防止窗箔106在裝置100內(nèi)部建立真空時(shí)塌陷的箔支撐板108)的支撐性凸緣104。進(jìn)一步地，在該電子束設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)期間，箔106承受過(guò)多的熱。因此，箔支撐板108也用于將使用期間在箔106中產(chǎn)生的熱導(dǎo)離設(shè)備的箔106這一重要目的。通過(guò)使箔的溫度保持適度，箔106可獲得足夠長(zhǎng)的使用壽命。

參考圖2，電子出射窗被示為包括箔106和箔支撐108。支撐108被設(shè)置在電子束設(shè)備內(nèi)部以便真空被維持在出射窗的內(nèi)部。這在圖2中用P₁和P₂表示，其中P₁代表出射窗外面的大氣壓，P₂代表內(nèi)部的真空。

在制造過(guò)程中，銅制的箔支撐板108優(yōu)選地被附著到形成管體102的一部分的凸緣104。凸緣104通常由不銹鋼做成。接著，窗箔106被結(jié)合到分離的框架上從而形成箔-框架子組件。隨后，對(duì)箔106涂層以便改善其性能，例如傳熱性能。接著，箔-框架子組件被附著到管體102以形成密封的殼體。

在替代實(shí)施方式中，出射窗箔106在凸緣被焊接到管體之前被直接附著到凸緣，被附著到所述支撐板。因此，在該實(shí)施方式中，出射窗箔在被附著到管體102之前被涂層。

參考圖3a-f，電子出射窗箔106a-f的不同實(shí)施方式被示出。

從圖3a開(kāi)始，箔106a包括Ti薄膜202。Ti膜202具有大約5到15微米的厚度。在Ti膜202的第一側(cè)上設(shè)置導(dǎo)熱層204。導(dǎo)熱層204被提供以便沿著出射箔傳遞熱使得橫貫整個(gè)箔106實(shí)現(xiàn)溫度下降。導(dǎo)熱層204通過(guò)任何合適的工藝(比如濺射、熱蒸發(fā)等)提供，且應(yīng)當(dāng)能對(duì)熱導(dǎo)率進(jìn)行充分的改進(jìn)以降低電子出射窗箔106a的溫度，同時(shí)在真空被施加時(shí)仍使該箔能彎入支撐板108的孔中。優(yōu)選地，導(dǎo)熱層204的材料選自由Al、Cu、Ag、Au和Mo組成的群組。雖然諸如Be等其它材料也會(huì)具有熱導(dǎo)率和密度之間的較高的比，但它們被認(rèn)為是有毒的，因此不是優(yōu)選的，尤其是在電子束設(shè)備被設(shè)置來(lái)處理生活消費(fèi)品的應(yīng)用中。

在Ti膜的另一側(cè)上設(shè)置保護(hù)層206。保護(hù)層206通過(guò)任何適合的工藝(比如濺射、熱蒸發(fā)等)提供。優(yōu)選地，該保護(hù)層的材料選自由Al₂O₃、Zr、Ta和Nb組成的群組，這是因?yàn)檫@些物質(zhì)對(duì)含過(guò)氧化氫環(huán)境的耐受性。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，保護(hù)層206面向大氣環(huán)境，即待殺菌的物體。

導(dǎo)熱層204的厚度優(yōu)選地在1到5微米之間，保護(hù)層206的厚度大體上小于1微米。優(yōu)選地，保護(hù)層206的厚度大約是200nm。通過(guò)使窗箔106保持盡可能薄，電子輸出被最大化。因此，保護(hù)層206的厚度應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)使得其能夠保護(hù)Ti膜以免a)被特定應(yīng)用中所提供的過(guò)氧化氫或其它侵蝕性化學(xué)試劑腐蝕，以及b)被由空氣中的電子生成的等離子體腐蝕。進(jìn)一步地，保護(hù)層206的厚度應(yīng)當(dāng)確保緊密性和物理強(qiáng)度，使得保護(hù)層206是撓性的以便在真空被施加時(shí)允許整個(gè)箔彎曲并順應(yīng)支撐板108的孔。另一參數(shù)會(huì)是密度，用于允許電子透射穿過(guò)保護(hù)層206。

通過(guò)在Ti箔的相對(duì)兩側(cè)上設(shè)置導(dǎo)熱層204和保護(hù)層206，所述層中的應(yīng)力可被減少。例如，如果用Al作為導(dǎo)熱層且用Zr作為保護(hù)層，則設(shè)置在這些層之間的Ti箔會(huì)減少由加熱引起的一些應(yīng)力。這是因?yàn)門(mén)i的熱膨脹系數(shù)在Al和Zr的相應(yīng)值之間的事實(shí)。

圖3b示出了另一實(shí)施方式的箔106b。此處，導(dǎo)熱層204和保護(hù)層206被設(shè)置在Ti膜202的相同側(cè)上使得保護(hù)層206被直接涂布在導(dǎo)熱層204上。該結(jié)構(gòu)對(duì)電子束設(shè)備而言會(huì)是有利的，由此電子出射窗箔必須在進(jìn)行涂層之前被安裝到管狀殼體，即不允許對(duì)Ti箔面向電子束設(shè)備內(nèi)部的一側(cè)涂層。

圖3c和3d示出了類(lèi)似于前面參考圖3a和b所述的兩個(gè)不同實(shí)施方式。但是，在圖3c和3d中，保護(hù)層206包括不同材料的至少兩個(gè)層：第一層208和第二層209。保護(hù)層206的第一層208和第二層209均選自由Al₂O₃、Zr、Ta和Nb或它們的合金組成的群組。但應(yīng)當(dāng)理解的是，層208、209中的每一個(gè)本身可以是兩或更多保護(hù)層的夾層結(jié)構(gòu)。

舉例來(lái)說(shuō)，腐蝕保護(hù)層206本身可以是多層結(jié)構(gòu)，包括氧化物層、金屬層、氧化物層、金屬層，等等。根據(jù)具體實(shí)施方式，這樣的多層結(jié)構(gòu)可由第一ZrO₂層、第二Zr層、第三ZrO₂層和第四Zr層構(gòu)成。這優(yōu)點(diǎn)在于子層之一中的潛在破壞不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)層206的整體腐蝕防護(hù)能力的顯著下降。

為了實(shí)現(xiàn)電子出射窗箔的不同層/膜之間的良好粘合，可在界面處提供膠粘劑屏蔽涂層。這種涂層可以是Al₂O₃或ZrO₂的薄層，具有1到150nm之間、優(yōu)選50到100nm之間的厚度。使用這種涂層的優(yōu)點(diǎn)在于它們?cè)赥i和導(dǎo)熱層和/或保護(hù)層之間的界面防止物質(zhì)的任何反應(yīng)或擴(kuò)散。反應(yīng)或擴(kuò)散可導(dǎo)致金屬間化合物的形成，金屬間化合物不利地改變所涉物質(zhì)的特性。就薄Ti箔而言，它可使物理強(qiáng)度下降。進(jìn)一步地，金屬間化合物的存在可分別降低導(dǎo)熱層204的熱導(dǎo)率和保護(hù)層206的腐蝕防護(hù)能力。

圖3e描述了類(lèi)似于圖3a的進(jìn)一步的實(shí)施方式，但具有上述類(lèi)型的屏蔽涂層。電子出射窗箔106e包括夾層結(jié)構(gòu)，該夾層結(jié)構(gòu)具有Ti膜、比Ti具有更高熱導(dǎo)率的Al的第一層204和能夠保護(hù)所述膜202避免被腐蝕環(huán)境破壞的Zr的撓性第二層206，其中第二層206面向腐蝕環(huán)境。

鋁(Al)導(dǎo)熱層204被設(shè)置在鈦(Ti)箔的第一側(cè)上。鋯氧化物(ZrO₂)第一屏蔽涂層210a被設(shè)置在所述Ti膜202和所述Al層204之間。在Ti膜202的另一側(cè)上設(shè)置鋯(Zr)保護(hù)層206。在Ti膜和Zr層206之間提供鋯氧化物(ZrO₂)第二屏蔽涂層210b。該實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于Ti箔202在一側(cè)上由作為導(dǎo)熱層的Al包圍而在另一側(cè)上由作為保護(hù)層的Zr包圍。由于Ti的熱膨脹系數(shù)在Al和Zr的相應(yīng)值之間，所以在該箔加熱過(guò)程中引起的一些應(yīng)力可被減少。作為替代方式，屏蔽涂層210a、210b中的一者或二者可改由鋁氧化物(Al₂O₃)構(gòu)成。如果該屏蔽涂層基于導(dǎo)熱層或保護(hù)層中所提供的物質(zhì)，則這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，如果保護(hù)層是鋯而導(dǎo)熱層是鋁，則優(yōu)選鋁氧化物或鋯氧化物用于屏蔽涂層。這是由于所述層由濺射機(jī)進(jìn)行施加的事實(shí)。在這樣的機(jī)器中采用濺射靶，每一個(gè)濺射靶用于應(yīng)當(dāng)被沉積的一種物質(zhì)。同一個(gè)靶可被用于例如鋯和鋯氧化物二者。鋁和鋁氧化物亦是如此。因此，如果屏蔽涂層是腐蝕保護(hù)層或?qū)釋又兴褂玫奈镔|(zhì)的氧化物，則會(huì)是優(yōu)選的。

圖3f示出了類(lèi)似于圖3b的實(shí)施方式，但具有屏蔽涂層。電子出射窗箔106f包括夾層結(jié)構(gòu)，該夾層結(jié)構(gòu)具有Ti膜、比Ti具有更高熱導(dǎo)率的Al的第一層204和能夠保護(hù)所述膜202避免被腐蝕環(huán)境破壞的Zr的撓性第二層206，其中第二層206面向腐蝕環(huán)境。導(dǎo)熱層204和保護(hù)層206被設(shè)置在Ti膜202的相同側(cè)上。在Ti膜202的頂部涂布第一屏蔽涂層210a。屏蔽涂層210a由鋁氧化物(Al₂O₃)構(gòu)成。鋁(Al)導(dǎo)熱層204被涂布在所述第一屏蔽涂層210a上。在導(dǎo)熱層204上進(jìn)而涂布第二屏蔽涂層210b。所述屏蔽涂層210b也由鋁氧化物(Al₂O₃)構(gòu)成。最后，由鋯(Zr)構(gòu)成的保護(hù)層206被涂布在所述第二屏蔽涂層210b上。作為替代方式，屏蔽涂層210a、210b中的一者或二者可改由鋯氧化物(ZrO₂)構(gòu)成。

在圖3e和3f兩種實(shí)施方式中，保護(hù)層206可以是多層結(jié)構(gòu)，如聯(lián)系圖3c和3d所描述的。

上面參考一些實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了大體描述。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，除了上面所公開(kāi)的實(shí)施方式，其它實(shí)施方式同樣可落在本發(fā)明的由所附專(zhuān)利權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)。