專利名稱：電子出射窗箔的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子出射窗箔。更具體地，本發明涉及在腐蝕環境中使用且以高性能運轉的電子出射窗箔。
背景技術：
電子束設備可被用于利用電子輻照物體，例如用于表面處理。這樣的設備常常被用在食品包裝工業中，其中電子束提供了對包裝件(例如塑料瓶或稍后會被轉變為包裝件的包裝材料)的高效殺菌。電子束殺菌的主要優點是可避免濕法化學法(使用例如H2O2),從而使這種濕法環境所需的大量部件和設備有所減少。電子束設備通常包括連接到電源的細絲，其中該細絲發射電子。該細絲優選地被設置在高真空中以增加所發射電子的平均自由程而加速器將所發射電子導向出射窗。電子出射窗被提供來允許電子逸出電子束發生器使得它們可在電子束發生器外面移動，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，該箔抵靠電子束發生器密封以維持電子束發生器內部的真空。網格形式的冷卻的支撐板進一步被提供來防止箔由于高真空而塌陷。Ti因其在高熔點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膜的一個問題是它可被氧化，導致使用壽命和運行穩定性的下降。為了實現出射窗的長壽，在電子束 設備的操作過程中不應當超過大約250°C的最高溫度。通常，高性能電子束設備被設計為當被用于對行進的卷材殺菌時，以高達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備，因為所發射電子穿過該窗的數量可導致溫度大大高于該臨界值。在充填機(即被設計為形成、充填并密封包裝件的機器)中，殺菌是至關重要的工藝，不僅對包裝而言，也對機器本身而言。在這樣的機器殺菌(優選地在啟動過程中執行)中，出射窗的外部會被暴露于用于機器殺菌的化學品。諸如H2O2之類的高腐蝕性物質(常被用于此類應用)會通過蝕刻Ti而影響出射窗。用于改善出射窗的性能的不同技術方案已被提議來克服上述缺點。EP0480732B描述了一種由Ti箔和Al保護層組成的窗出射箔，其中通過Ti/Al結構的熱擴散處理形成金屬間化合物。該技術方案可適用于相對較厚的出射窗，即允許保護層厚于I微米的窗。但是，金屬間化合物在薄Ti箔上是不可接受的，因為它會降低其物理強度。EP0622979A公開了一種由Ti箔和硅氧化物保護層組成的窗出射箔，硅氧化物保護層位于該出射箔面向待輻照物體的一側上。雖然Ti箔可被這樣的層保護，但硅氧化物是非常脆弱的且容易在真空被提供時在該箔被允許彎曲的區域(即支撐板的網格之間的區域)中破裂。該缺點使得EP0622979A的箔不適用于出射箔出現局部彎曲的應用，比如使用與出射箔接觸的網格狀冷卻板的電子束設備。
發明內容
本發明的一個目的是減少或消除上述缺點。進一步的目的是提供一種能夠降低箔上的熱負荷和腐蝕的電子出射箔。因此，本發明的構思是提供具有延長的工作壽命、要求縮減的服務且由于便宜的涂層工藝和行之有效的X射線制造工藝的裝置而比現有技術的系統成本效益更好的電子束發生器。根據本發明的第一方面，提供了一種和在腐蝕環境中工作的高性能電子束發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構，該夾層結構具有Ti膜、比Ti具有更高熱導率的材料的第一層和能夠保護所述膜避免被所述腐蝕環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境。所述第一層可被設置在所述膜和所述第二層之間，或者所述膜可被設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層，這是有利的，因為可針對具體應用定制箔的諸如抗腐蝕性和強度等不同的機械性能和/或物理性能。所述第一層可選自由熱導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。所述腐蝕環境可包括H202。因此，所述箔可被應用于在接觸腐蝕性殺菌劑的機器(比如食品包裝工業中的充填機)中工作的電子束設備中。所述電子出射窗箔可進一步在所述Ti膜和第一層或所述第二層之間包括至少一個膠粘劑涂層。所述膠粘劑涂層可以是具有I到150nm之間的厚度的Al2O3層或ZrO2層。這是有利的，因為在所述膜/層界面防止物質的任何反應或擴散或者所述Ti膜和層之間或兩個層之間的粘合性得以改善。根據第二方面，提供了一種被構造來在腐蝕環境中工作的電子束發生器。該電子束發生器包括容納并保護產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的部件的支撐件，所述支撐件包括根據本發明的第一方面所述的電子出射窗箔。本發明第一方面的優點也適用于本發明的第二方面。根據本發明的第三方面，提供了一種用于提供和在腐蝕環境中工作的高性能電子束發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具有更高熱導率的材料的第一層到所述膜的第一側上、以及提供能夠保護所述膜避免被所述腐蝕環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境。提供撓性第二層的步驟 可包括將所述撓性第二層設置到所述膜的第二側上。提供撓性第二層的步驟可包括將所述撓性第二層設置到所述第一層上。提供第一層或提供撓性第二層的步驟中的至少一個可在提供膠粘劑涂層到所述膜上的步驟之后。根據本發明的第四方面，提供了一種用于提供高性能電子束設備的方法。該方法包括步驟:將Ti膜附著到框架上、通過提供比Ti具有更高熱導率的材料的第一層到所述膜的第一側上和提供能夠保護所述膜避免被所述腐蝕環境破壞的材料的撓性第二層來處理所述膜，其中所述第二層面向所述腐蝕環境、以及將所述箔-框架子組件附著到電子束設備的管狀殼體以密封所述電子束設備。本發明第一方面的優點也適用于本發明的第三和第四方面。
接下來，將參考附圖更詳細地描述本發明的示例性實施方式，其中:圖1是根據現有技術的電子束設備的示意性橫剖正等軸測圖，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是根據不同實施方式的電子出射窗箔的示意性橫截面。
具體實施例方式參考圖1，一種電子束設備被不出。該電子束設備100包括兩個部分:容納(house)并保護產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的部件(t匕如窗箔106和防止窗箔106在裝置100內部建立真空時塌陷的箔支撐板108)的支撐性凸緣104。進一步地，在該電子束設備的運轉期間，箔106承受過多的熱。因此，箔支撐板108也用于將使用期間在箔106中產生的熱導離設備的箔106這一重要目的。通過使箔的溫度保持適度，箔106可獲得足夠長的使用壽命。
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參考圖2，電子出射窗被示為包括箔106和箔支撐108。支撐108被設置在電子束設備內部以便真空被維持在出射窗的內部。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代表內部的真空。在制造過程中，銅制的箔支撐板108優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被結合到分離的框架上從而形成箔-框架子組件。隨后，對箔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的不同實施方式被示出。從圖3a開始，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的第一側上設置導熱層204。導熱層204被提供以便沿著出射箔傳遞熱使得橫貫整個箔106實現溫度下降。導熱層204通過任何合適的工藝(比如濺射、熱蒸發等)提供，且應當能對熱導率進行充分的改進以降低電子出射窗箔106a的溫度，同時在真空被施加時仍使該箔能彎入支撐板108的孔中。優選地，導熱層204的材料選自由Al、Cu、Ag、Au和Mo組成的群組。雖然諸如Be等其它材料也會具有熱導率和密度之間的較高的比，但它們被認為是有毒的，因此不是優選的，尤其是在電子束設備被設置來處理生活消費品的應用中。在Ti膜的另一側上設置保護層206。保護層206通過任何適合的工藝(比如濺射、熱蒸發等)提供。優選地，該保護層的材料選自由Al203、Zr、Ta和Nb組成的群組，這是因為這些物質對含過氧化氫環境的耐受性。因此，應當理解的是，保護層206面向大氣環境，即待殺菌的物體。導熱層204的厚度優選地在I到5微米之間，保護層206的厚度大體上小于I微米。優選地，保護層206的厚度大約是200nm。通過使窗箔106保持盡可能薄，電子輸出被最大化。因此，保護層206的厚度應當被設計使得其能夠保護Ti膜以免a)被特定應用中所提供的過氧化氫或其它侵蝕性化學試劑腐蝕，以及b)被由空氣中的電子生成的等離子體腐蝕。進一步地，保護層206的厚度應當確保緊密性和物理強度，使得保護層206是撓性的以便在真空被施加時允許整個箔彎曲并順應支撐板108的孔。另一參數會是密度，用于允許電子透射穿過保護層206。通過在Ti箔的相對兩側上設置導熱層204和保護層206，所述層中的應力可被減少。例如，如果用Al作為導熱層且用Zr作為保護層，則設置在這些層之間的Ti箔會減少由加熱引起的一些應力。這是因為Ti的熱膨脹系數在Al和Zr的相應值之間的事實。圖3b示出了另一實施方式的箔106b。此處，導熱層204和保護層206被設置在Ti膜202的相同側上使得保護層206被直接涂布在導熱層204上。該結構對電子束設備而言會是有利的，由此電子出射窗箔必須在進行涂層之前被安裝到管狀殼體，即不允許對Ti箔面向電子束設備內部的一側涂層。圖3c和3d示出了類似于前面參考圖3a和b所述的兩個不同實施方式。但是，在圖3c和3d中，保護層206包括不同材料的至少兩個層:第一層208和第二層209。保護層206的第一層208和第二層209均選自由Al203、Zr、Ta和Nb或它們的合金組成的群組。但應當理解的是，層208、209中的每一個本身可以是兩或更多保護層的夾層結構。舉例來說， 腐蝕保護層206本身可以是多層結構，包括氧化物層、金屬層、氧化物層、金屬層，等等。根據具體實施方式
，這樣的多層結構可由第一 ZrO2層、第二 Zr層、第三ZrO2層和第四Zr層構成。這優點在于子層之一中的潛在破壞不會導致保護層206的整體腐蝕防護能力的顯著下降。為了實現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I到150nm之間、優選50到IOOnm之間的厚度。使用這種涂層的優點在于它們在Ti和導熱層和/或保護層之間的界面防止物質的任何反應或擴散。反應或擴散可導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的特性。就薄Ti箔而言，它可使物理強度下降。進一步地，金屬間化合物的存在可分別降低導熱層204的熱導率和保護層206的腐蝕防護能力。圖3e描述了類似于圖3a的進一步的實施方式，但具有上述類型的屏蔽涂層。電子出射窗箔106e包括夾層結構，該夾層結構具有Ti膜、比Ti具有更高熱導率的Al的第一層204和能夠保護所述膜202避免被腐蝕環境破壞的Zr的撓性第二層206，其中第二層206面向腐蝕環境。鋁(Al)導熱層204被設置在鈦(Ti)箔的第一側上。鋯氧化物(ZrO2)第一屏蔽涂層210a被設置在所述Ti膜202和所述Al層204之間。在Ti膜202的另一側上設置鋯(Zr)保護層206。在Ti膜和Zr層206之間提供鋯氧化物(ZrO2)第二屏蔽涂層210b。該實施方式的優點在于Ti箔202在一側上由作為導熱層的Al包圍而在另一側上由作為保護層的Zr包圍。由于Ti的熱膨脹系數在Al和Zr的相應值之間，所以在該箔加熱過程中引起的一些應力可被減少。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)構成。如果該屏蔽涂層基于導熱層或保護層中所提供的物質，則這是一個優點。例如，如果保護層是鋯而導熱層是鋁，則優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進行施加的事實。在這樣的機器中采用濺射靶，每一個濺射靶用于應當被沉積的一種物質。同一個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層或導熱層中所使用的物質的氧化物，則會是優選的。圖3f示出了類似于圖3b的實施方式，但具有屏蔽涂層。電子出射窗箔106f包括夾層結構，該夾層結構具有Ti膜、比Ti具有更高熱導率的Al的第一層204和能夠保護所述膜202避免被腐蝕環境破壞的Zr的撓性第二層206，其中第二層206面向腐蝕環境。導熱層204和保護層206被設置在Ti膜202的相同側上。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)構成。鋁(Al)導熱層204被涂布在所述第一屏蔽涂層210a上。在導熱層204上進而涂布第二屏蔽涂層210b。所述屏蔽涂層210b也由鋁氧化物(Al2O3)構成。最后，由鋯(Zr)構成的保護層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)構成。在圖3e和3f兩種實施方式中，保護層206可以是多層結構，如聯系圖3c和3d所描述的。上面參考一些實施方式對本發明進行了大體描述。但是，本領域技術人員容易理解，除了上面所公開的實施方式，其它實施方式同樣可落在本發明的由所附專利權利要求限定的范 圍內。
權利要求
1.一種和在腐蝕環境中工作的高性能電子束發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構，所述夾層結構具有Ti 膜(202)， 比Ti具有更高熱導率的材料的第一層(204)，以及 能夠保護所述膜(202)避免被所述腐蝕環境破壞的材料的撓性第二層(206)，其中所述第二層(206)面向所述腐蝕環境。
2.根據權利要求1所述的電子出射窗箔，其中所述第一層(204)被設置在所述膜(202)和所述第二層(206)之間。
3.根據權利要求1所述的電子出射窗箔，其中所述Ti膜(202)被設置在所述第一層(204)和所述第二層(206)之間。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的電子出射窗箔，其中所述第一層選自由熱導率和密度之間的比高于Ti的材料組成的群組。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的電子出射窗箔，其中所述第一層(204)選自由Al、Cu、Ag、Au和Mo組成的群組。
6.根據權利要求1到5中任一項所述的電子出射窗箔，其中所述第二層(206)選自由Al2O3、Zr、Ta和Nb組成的群組。
7.根據前述權利要求中任一項所述的電子出射窗箔，其進一步在所述Ti膜(202)和所述第一層(204)和/或所述第二層(206)之間包括至少一個膠粘劑屏蔽涂層。
8.根據前述權利要求中任一項所述的電子出射窗箔，如果所述層被設置在所述Ti膜(202)的同側上，則其進一步在所述第一層(204)和所述第二層(206)之間包括至少一個膠粘劑屏蔽涂層。
9.根據權利要求7和8所述的電子出射窗箔，其中所述膠粘劑屏蔽涂層是具有I到150nm之間的厚度的Al2O3層或ZrO2層。
10.一種被構造來在腐蝕環境中工作的電子束發生器，其包括 容納并保護產生和形成所述電子束的組件(103)的主體(102)，以及 承載與所述電子束的輸出有關的部件的支撐件(104)，所述支撐件(104)包括根據權利要求I到9中任一項所述的電子出射窗箔。
11.一種用于提供和在腐蝕環境中工作的高性能電子束發生器一起使用的電子出射窗箔的方法，所述方法包括如下步驟: 提供Ti膜(202)， 提供比Ti具有更高熱導率的材料的第一層(204)到所述膜(202)的第一側上，以及 提供能夠保護所述膜(202)避免被所述腐蝕環境破壞的材料的撓性第二層(206)，其中所述第二層(206)面向所述腐蝕環境。
12.根據權利要求11所述的方法，其中提供撓性第二層(206)的所述步驟包括將所述撓性第二層設置到所述膜(202)的第二側上。
13.根據權利要求11所述的方法，其中提供撓性第二層(206)的所述步驟包括將所述撓性第二層設置到所述第一層(204)上。
14.根據權利要求11到13中任一 項所述的方法，其中提供第一層(204)或提供撓性第二層(206)的步驟中的至少一個在提供膠粘劑涂層到所述膜(202)上的步驟之后。
15.一種用于提供高性能電子束設備的方法，其包括如下步驟: 將Ti膜附著到框架上， 通過提供比Ti具有更高熱導率的材料的第一層(204)到所述膜(202)的第一側上和提供能夠保護所述膜(202)避免被所述腐蝕環境破壞的材料的撓性第二層(206)來處理所述膜，其中所述第二層(206)面向所述腐蝕環境，以及 將所述箔-框架 子組件附著到電子束設備的管狀殼體以密封所述電子束設備。
全文摘要
本發明提供了一種和在腐蝕環境中工作的高性能電子束發生器一起使用的電子出射窗箔。該電子出射窗箔包括夾層結構，該夾層結構具有Ti膜(202)、比Ti具有更高熱導率的材料的第一層(204)和能夠保護所述膜(202)避免被所述腐蝕環境破壞的材料的撓性第二層(206)，其中該第二層(206)面向該腐蝕環境。
文檔編號C23C30/00GK103229269SQ201180056906
公開日2013年7月31日 申請日期2011年11月9日 優先權日2010年12月2日
發明者本諾·齊格利戈, 盧卡·波皮, 拉斯-奧克·內斯隆德, 沃納·哈格, 庫爾特·霍爾姆, 安德斯·克里斯蒂安松 申請人:利樂拉瓦爾集團及財務有限公司