專利名稱：電子束照射設備和方法
技術領域：
本發明涉及電子束照射設備和方法，尤其涉及使用電子束來照射從熱電站或類似的地方排出的燃燒廢氣以從廢氣中去除有毒成分的電子束照射設備和方法。
背景技術：
隨著經濟的發展，要求越來越多的能量。在能量要求的不斷增長中，能源仍然依賴于礦物燃料如煤和石油。然而，由于礦物燃料的燃燒產生的有害產物或污染物對全球的污染負有責任。應該認為由于空氣污染引起的全球變暖和酸雨的全球問題是由如SOx和NOx成分造成的，這些成分包含在從熱電站或類似的地方排出的燃燒廢氣中。有一種用于去除有毒成分如SOx和NOx的方法，這種方法利用電子束照射燃燒廢氣以脫硫和脫硝(即去除有毒成分如SOx和NOx)。
在利用電子束處理燃燒廢氣的廢氣處理系統中，如燃燒廢氣中的氧(O2)、水蒸汽(H2O)分子被從照射窗口發射的電子束照射，以形成具有高氧化強度的基如OH、O和HO2，該窗口包括由Ti或類似的物質制成的薄膜。這些基使有毒成分如SOx和Nox氧化以產生硫酸和硝酸作為中間產品。這些中間產品與先前加入廢氣中的銨氣(NH3)起反應以產生作為化肥材料還原的硫酸銨和硝酸銨。因此，這個用于處理廢氣的系統可以從燃燒廢氣中去除有毒成分如SOx和NOx，并且同時還原硫酸銨和硝酸銨作為用作化肥材料的有用的副產品。
圖3示出根據這個例子用于上面廢氣處理系統的電子束照射設備。
電子束照射設備11主要包括具有燈絲或類似東西的熱電子發生器12、用于加速從熱電子發生器12發射的電子的加速管13、通過將磁場施加到加速管13中形成的高能量電子束來控制電子束直徑的聚焦電磁鐵16、以及通過將磁場施加到其直徑由聚焦電磁鐵16控制的電子束在x和y方向上偏轉電子束的掃描電磁鐵17、18。x方向是圖3示出的水平方向，y方向是垂直于x方向并且垂直于圖3的圖表面的方向。外層提供了外殼19和照射窗口20，外層的內部保持在1.33×10-3到1.33×10-4Pa(10-5到10-6托)的高真條件。由加速管13形成的高能量電子束通過將磁場施加到電子束的掃描電磁鐵17、18偏轉和掃描，并且經過照射窗口20發射到外面的廢氣通道(圖3中未示出)的某一區域。
由包括燈絲或類似東西的熱電子發生器12產生的熱電子通過例如加速管13中大約800kV的高壓來加速以形成高速電子束。然后，通過聚焦電磁鐵16控制電子束的射束直徑，這樣形成線性電子束，它具有如圖3示出例子中傳播方向上大致相同的直徑，然后它指向由掃描電磁鐵17、18形成的磁場。聚焦電磁鐵16包括在電磁鐵軸向布置的環形線圈的電磁鐵，并且形成相對于電子束軸對稱的磁場。通過磁場的幅度和方向來控制電子束的射束直徑。換句話說，通過磁場的幅度和方向來控制電子束的聚焦。因此，直流Io提供到電磁鐵的線圈，電子束的收斂和發散程度由直流Io的幅度來調節。
通過掃描電磁鐵17、18在x和y方向上掃描其直徑由聚焦電磁鐵16控制的電子束。掃描電磁鐵17包括一個電磁鐵，它具有一對電極用于在y方向上偏轉電子束，掃描電磁鐵18包括一個電磁鐵，它具有一對電極用于在x方向上偏轉電子束。通過控制提供到掃描電磁鐵17、18的線圈的電流幅度和方向，控制在x和y方向上的偏轉角度，因此，掃描電子束并且控制電子束的照射位置。在一個例子中，使用掃描電磁鐵17的矩形波在y方向(緯度方向)上掃描電子束，使用掃描電磁鐵18的正弦波在x方向(經度方向)上掃描電子束。
然而，通過掃描電磁鐵18在x方向上掃描電子束時，如果在相應于掃描兩端的最大掃描位置A、B附近的偏轉角度較大，則通過電磁鐵產生的磁場來偏轉電子束，使得輸出電子束的角度與電子束的入射角不同。因此，由于凸透鏡或類似的東西產生的透鏡效應，電子束在相應于最大掃描位置A、B的照射窗口位置A、B收斂。特別地，如圖3的照射窗口位置A、B和C所示，當射束直徑大約是10cm時，例如在中心位置C，在相應于掃描兩端的最大掃描位置A、B的射束直徑大約是5cm。這樣，電子束的照射區域在最大掃描位置A、B顯著地收斂。照射窗口20包括鈦(Ti)薄膜，因此，如果電子束在最大掃描位置A、B或在它的附近收斂，則電子束的能量密度在那里增加，導致對照射窗口的損壞。
另外，電子束照射的區域沒有在最大掃描位置A、B或在它的附近形成，因此，燃燒廢氣中的有毒成分不能被充分地去除。
本發明的公開因此，本發明的目的是提供電子束照射設備和方法，使得能夠防止電子束在最大掃描位置收斂，并且能夠穩定地獲得具有均勻能量密度的照射區域，這里電子束的照射被均勻地完成。
根據本發明的一個方面，提供的電子束照射設備包括用于發射電子的電子束源；用于將從電子束源發射的電子加速的加速管；通過將磁場施加到在加速管中形成高能量的電子束，用于控制電子束直徑的聚焦電磁鐵；通過將磁場施加到電子束，用于偏轉和掃描電子束的電磁鐵；以及允許電子束從那里通過的照射窗口；其中通過聚焦電磁鐵將電子束聚焦在聚焦點，使得電子束收斂一次并且隨后發散，然后經過照射窗口向外發射。
根據本發明，電子束在聚焦點收斂一次并且隨后發散，然后經過照射窗口向外發射。因此，電子束的射束直徑可以在照射窗口擴大。聚焦的電子束的射束直徑在位置A、B具有比中心位置C較大的偏轉角度。這樣，因為電子束的射束直徑在最大掃描位置(最大偏轉角度)足夠大，可以防止電子束在照射窗口部分收斂。因此，在照射窗口部分的電子束的照射密度是均勻的，這樣防止照射窗口部分損壞。另外，電子束經過照射窗口部分均勻地發射，以允許燃燒廢氣被電子束均勻地照射，這樣從廢氣中充分地去除有毒成分。
最好定位預聚焦點，這里在電子束通過用于在電子束的傳播方向上偏轉和掃描電子束的磁場之后，電子束收斂一次并且隨后在該位置發散。這樣，在電子束的加速能量大到大約800kV并且電子束的速度接近于光速的情況下，電子束變為相對論性電子束(REB)。本發明可以應用于這種電子束。因此，即使偏轉角度很大，也可以在照射窗口部分獲得具有足夠擴展的射束直徑。
最好聚焦點的位置通過控制提供到聚焦電磁鐵的電流值來調節。這樣，通過調節提供到聚焦電磁鐵電流值的相對簡單的裝置，在照射窗口部分的最大掃描位置可以獲得具有足夠擴展的射束直徑。
根據本發明的另一個方面，電子束照射方法包括通過將磁場施加到電子束，控制具有高能量的電子束的直徑；通過聚焦電磁鐵將磁場施加到電子束，偏轉和掃描直徑被控制的電子束；經過照射窗口向外發射電子束；其中通過聚焦電磁鐵將電子束聚焦在聚焦點，使得電子束收斂一次并且隨后發散，然后經過照射窗口向外發射。
借助于上面的裝置，即使具有高能量的電子束以相當大的偏轉角度掃描，也可以避免電子束的收斂，電子束的照射可以在很寬的掃描區域上以均勻的能量密度實現。這樣，具有均勻能量密度的電子束可以提供到電子束照射設備的相當大的照射區域，用于處理廢氣或類似的東西。另外，可以允許電子束有相當大的偏轉角度，這樣有助于縮小該設備的尺寸。
附圖的簡單描述
圖1是在本發明實施例的電子束照射設備中收斂和發散電子束方式的示意圖；圖2是集成了圖1示出的電子束照射設備的廢氣處理系統的示意圖；以及圖3是在常規的電子束照射設備中收斂和發散電子束方式的示意圖。
實現本發明的最好方式下面參照圖1描述本發明實施例的電子束照射設備和方法。在附圖中，類似的或相應的部件由類似的或相應的參考標號來表示。
如圖1所示，電子束照射設備11包括熱電子發生器12、加速管13、聚焦電磁鐵16、以及掃描電磁鐵17和18，因此，電子束被加速和掃描，然后經過照射窗口20發射到外面的廢氣通道的某一區域。電子束照射設備11的這個結構與常規設備的結構相同。另外，電子束被加速管13中的大約800kV的高壓加速到高速，電子束的射束直徑由聚焦電磁鐵16控制，然后直徑被控制的電子束被掃描電磁鐵17、18偏轉和掃描。這個結構也與常規的設備相同。作為掃描寬度，在緯度方向(x方向)的掃描長度在3到4m的范圍內，在經度方向(y方向)上的掃描長度在60到40cm的范圍內。
在本發明的電子束照射設備中，調節提供給聚焦電磁鐵16的直流Io，使得在電子束到達照射窗口20之前，當電子束到達照射窗口20時電子束被聚焦而形成足夠的擴展。特別地，通過將直流Io更多地提供到聚焦電磁鐵16，如圖1所示，電子束的聚焦被調節，使得在電子束經過掃描電磁鐵18產生的主要磁場之后，電子束E在聚焦點F被收斂到最大的程度。也就是電子束E的射束直徑在聚焦點F變為最小。因此，在電子束E經過聚焦點F之后，電子束E發散以充分地擴大射束直徑并且到達照射窗口20。以后，電子束E經過包括Ti箔的照射窗口20發射到廢氣通道的某一區域，這樣完成廢氣的脫硫或脫硝。
電子束E的射束直徑大約是10cm，它與圖3所示的常規設備獲得的線性電子束相同。在照射窗口20的最大掃描位置A、B，電子束E的射束直徑大于等于10cm。聚焦點F的位置可以通過直流Io的幅度來調節，因此，可以在照射窗口20適當地調節射束直徑。
通過不同的試驗已經確認當掃描電磁鐵18產生的磁場的通量密度為零時，最好將聚焦點F定位在電子束經過掃描電磁鐵18產生的磁場之后的位置。因此，電子束進入掃描電磁鐵17、18產生的磁場的入射角被最好地控制，在那里循環運動之后，電子束出磁場的角度也被最好地控制。因此，電子束的收斂和發散可以在聚焦點F很好地實現。
根據本發明的實施例，用于廢氣處理系統中電子束照射設備所需的電子束能量大約是800kV，電子束具有接近光速的高速度并且被稱為相對論性電子束。電子束的速度由下面的方程式(1)表達vc=[1-1(1+evm0c2)2]12----(1)]]>這里e表示電子的電荷等于1.6×10-19C，m0表示電子質量等于9.1×10-31kg，以及C表示光速等于3×108m/s。
因此，通過800kV的高壓加速的電子具有使用下面式子的光速(C)表達的速度vV/c≈0.92在具有高速的相對論性電子束中，通過將聚焦點F定位在上述位置，在照射窗口20的電子束的射束直徑可以擴大到適當的尺寸。在相對論性電子束中，電子束的射束直徑在最大的掃描位置A、B比在中心位置C要大。
因此，可以防止電子束在最大掃描位置A、B的收斂，可以防止對照射窗口的損壞，可以在整個照射區域上提供具有均勻能量密度的電子束。
圖2示出集成了本發明電子束照射設備的廢氣處理系統，其中從燃料燃燒設備如熱電站排出的廢氣通過電子束的照射來處理。如圖2所示，從一種燃料燃燒設備熱電站21排出的廢氣在熱交換器22中冷卻，然后進入冷卻塔24。在冷卻塔24中，由泵23提供的水通過液體噴管26噴灑，噴灑的水在那里蒸發。廢氣在冷卻塔24中被冷卻到某一溫度范圍，然后冷卻的氣體進入處理罐25。
另一方面，從硫酸供應設備29提供的硫酸與線性混合器30中的空氣混合。混合的氣體和從水供應源(未示出)提供的水在雙液體噴管31的氣體液體混合室中混合，在處理罐25的入口噴灑。氣體和水的混合物采用來自圖1所示的電子束照射設備11的電子束來照射。
在上面的實施例中，描述了用于處理廢氣的電子束照射設備。但是，本發明的實質在于掃描電子束時可以避免由于大偏轉角度引起的電子束收斂。因此，本發明可以應用于各種設備，包括電子束焊接設備、掃描電子顯微鏡和利用電子束的其他類似的東西。
如上所述，根據本發明，即使高能量電子束以相對大偏轉角度掃描，也可以避免電子束收斂，電子束的照射可以在很大的掃描區域上以均勻的能量密度實現。
工業應用范圍本發明涉及電子束照射設備和方法，可以應用于廢氣處理系統，用于處理從燃料燃燒設備如熱電站、電子束焊接設備或掃描電子顯微鏡排出的廢氣。
權利要求
1.電子束照射設備包括用于發射電子的電子束源；用于加速所述電子束源發射的電子的加速管；通過將磁場施加到在所述加速管中形成高能量的電子束，控制電子束直徑的聚焦電磁鐵；通過將磁場施加到所述電子束，偏轉和掃描所述電子束的電磁鐵；以及允許所述電子束經過的照射窗口；其中所述電子束由所述聚焦電磁鐵聚焦在聚焦點，使得所述電子束收斂一次并且隨后發散，然后經過所述照射窗口向外發射。
2.如權利要求1所述的電子束照射設備，其中，所述電子束的聚焦點被定位在所述電子束經過用于掃描所述電子束的所述磁場之后的位置。
3.如權利要求2所述的電子束照射設備，其中通過控制提供到所述聚焦電磁鐵的電流值來調節所述聚焦點的位置。
4.電子束照射方法包括通過將磁場施加到所述電子束，控制具有高能量的電子束的直徑；采用聚焦電磁鐵，通過將磁場施加到所述電子束，偏轉和掃描控制了直徑的所述電子束；以及經過照射窗口將所述電子束向外發射；其中所述電子束被所述聚焦電磁鐵聚焦在聚焦點，使得所述電子束收斂一次并且隨后發散，然后經過所述照射窗口向外發射。
5.如權利要求4所述的電子束照射方法，其中，所述電子束的聚焦點定位在所述電子束經過用于掃描所述電子束的所述磁場之后的位置。
6.如權利要求5所述的電子束照射方法，其中通過控制提供到所述聚焦電磁鐵的電流值來調節所述聚焦點的所述位置。
全文摘要
一種電子束照射設備采用電子束照射燃燒廢氣以從廢氣中去除有毒成分。電子束照射設備包括用于發射電子的電子束源(12)、用于將從電子束源發射的電子加速的加速管(13)、通過將磁場施加到加速管(13)中形成高能量的電子束以控制電子束直徑的聚焦電磁鐵(16)、通過將磁場施加到電子束以偏轉和掃描電子束的電磁鐵(17、18)、以及允許電子束從那里經過的照射窗口(20)。電子束由聚焦電磁鐵(16)聚焦在聚焦點,使得電子束收斂一次并且隨后發散,然后經過照射窗口(20)向外發射。
文檔編號B01J19/08GK1358108SQ00809466
公開日2002年7月10日 申請日期2000年6月30日 優先權日1999年7月2日
發明者內藤儀彥 申請人:株式會社荏原制作所