устройство облучения электронным пучком и способ

Формула изобретения

1. Устройство облучения электронным пучком, содержащее источник электронного пучка для излучения электронов, ускорительную трубку для ускорения электронов, излучаемых источником электронного пучка, окно облучения для выхода электронного пучка, отличающееся тем, что содержит фокусирующий электромагнит для регулирования диаметра электронного пучка посредством приложения магнитного поля к электронному пучку, сформированному в ускорительной трубке и имеющему высокую энергию, и электромагнит для отклонения и сканирования электронного пучка посредством приложения магнитного поля к электронному пучку, причем электронный пучок фокусируют в точке фокуса фокусирующим электромагнитом так, что электронный пучок сходится один раз, затем расходится и затем излучается наружу через окно облучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что точка фокуса упомянутого электронного пучка размещена в месте расположения после участка, где электронный пучок проходит через магнитное поле для отклонения и сканирования электронного пучка по направлению его распространения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что место расположения точки фокуса корректируется посредством регулирования величины тока, подаваемого на фокусирующий электромагнит.

4. Способ облучения электронным пучком, заключающийся в том, что сканируют электронный пучок и излучают наружу через окно облучения, отличающийся тем, что регулируют диаметр электронного пучка, имеющего высокую энергию, посредством приложения магнитного поля к электронному пучку, отклоняют электронный пучок, диаметр которого был отрегулирован посредством приложения магнитного поля к электронному пучку фокусирующим электромагнитом, фокусируют электронный пучок в точке фокуса фокусирующим электромагнитом так, что электронный пучок сходится один раз, затем расходится и затем излучается наружу через окно облучения.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к устройству и способу облучения электронным пучком, а более точно к устройству и способу облучения электронным пучком, которые используются для облучения электронным пучком отработавшего газа с продуктами сгорания, выпускаемого с тепловых электростанций или т. п., для удаления токсичных компонентов из отработавшего газа.

Предшествующий уровень техники

По мере развития экономики требуется все больше и больше энергии. Среди непрерывного роста потребления энергии источник энергии все еще зависит от ископаемого топлива, такого как уголь и нефть. Вредные продукты или загрязняющие вещества, вырабатываемые в результате сгорания ископаемого топлива, вызывают глобальное загрязнение. Считается, что глобальная проблема глобального потепления климата и кислотных дождей, вызванных атмосферным загрязнением, обусловлена содержанием в отработавшем газе SO_x и NO_x с продуктами сгорания, выпускаемым с тепловых электростанций. Для удаления токсичных составляющих, таких как SO_x и NO_x, использовался способ облучения отработавшего газа с продуктами сгорания электронным пучком для десульфуризации и удаления нитратов.

В системе очистки дымового газа посредством использования электронного пучка, молекулы кислорода О₂ и водяного пара Н₂О в отработавшем облучаются электронным пучком, излучаемым из окна облучения, содержащего тонкую пленку, выполненную из Ti или т.п., для образования радикалов, таких как ОН, О и НO₂, имеющих высокую окислительную способность. Эти радикалы окисляют токсичные составляющие, такие как SO_x и NO_x, с образованием серной кислоты и азотной кислоты в качестве промежуточных продуктов. Промежуточные продукты реагируют с газообразным аммиаком (NН₃), предварительно введенным в отработавший газ, с образованием сульфата аммония и нитрата аммония, которые используются в качестве материала для удобрений. Указанная система может удалять токсичные составляющие, такие как SO_x и NO_x, из отработавшего газа с продуктами сгорания и одновременно получать сульфат аммония и нитрат аммония как полезные побочные продукты, используемые в качестве материала для удобрений.

На фиг. 3 показано известное устройство облучения электронным пучком, используемое в системе очистки дымового газа, в качестве примера.

Устройство 11 облучения электронным пучком в основном содержит термоэлектронный генератор 12 с катодом, ускорительную трубку 13 для ускорения электронов, излучаемых термоэлектронным генератором 12, фокусирующий электромагнит 16 для регулирования диаметра электронного пучка посредством приложения магнитного поля к электронному пучку высокой энергии, сформированному в ускорительной трубке 13, и сканирующие электромагниты 17, 18 для отклонения электронного пучка по направлениям "x" и "y" посредством приложения магнитного поля к электронному пучку, диаметр которого отрегулирован фокусирующим электромагнитом 16. Направлением "x" является горизонтальное направление, а направлением "у" - направление, перпендикулярное направлению "x" и также перпендикулярное плоскости чертежа. Предусмотрена оболочка, содержащая контейнер 19 и окно 20 облучения, и во внутренней полости окружающей оболочки поддерживается высокий вакуум в диапазоне от 1,3310^-3 до 1,3310^-4 Па (10^-5-10^-6 мм рт. ст. ). Электронный пучок высокой энергии, сформированный ускорительной трубкой 13, отклоняется и сканируется сканирующими электромагнитами 17, 18 путем приложения магнитного поля к электронному пучку, и излучается через окно 20 облучения в некоторую область канала отработавшего газа (не показан), расположенного снаружи.

Термоэлектроны, генерируемые термоэлектронным генератором 12, содержащим катод, ускоряются высоким напряжением около 800 кВ в ускорительной трубке 13, образуя электронный пучок высокой энергии. Диаметр электронного пучка регулируется фокусирующим электромагнитом 16, формируя прямолинейный электронный пучок, имеющий по существу одинаковый диаметр по направлению распространения, который направляется к магнитному полю, образованному сканирующими электромагнитами 17, 18. Фокусирующий электромагнит 16 содержит кольцеобразную обмотку, расположенную вокруг оси электромагнита, и формирует магнитное поле, которое симметрично относительно оси электронного пучка. Диаметр электронного пучка регулируется величиной и направлением магнитного поля. Другими словами, фокусировка электронного пучка регулируется величиной и направлением магнитного поля. Поэтому, постоянный ток I_о подается на обмотку электромагнита, и степень сходимости или расходимости электронного пучка регулируется величиной постоянного тока I_о.

Электронный пучок, диаметр которого регулируется фокусирующим электромагнитом 16, сканируется по направлениям "x" и "у" сканирующими электромагнитами 17, 18. Сканирующий электромагнит 17 имеет пару полюсов для отклонения электронного пучка в направлении "у", а сканирующий электромагнит 18 имеет пару полюсов для отклонения электронного пучка в направлении "x". В результате регулировки величины и направления тока, подаваемого на обмотки сканирующих электромагнитов 17, 18, регулируются углы отклонения по направлениям "x" и "у", и, следовательно, сканируется электронный пучок и регулируется положение облучения электронным пучком. В приведенном примере электронный пучок сканируется по направлению "у" (широтное направление), используя сигнал прямоугольной волны в сканирующем электромагните 17, и по направлению "x" (продольное направление), используя сигнал синусоидальной волны в сканирующем электромагните 18.

Однако, когда электронный пучок сканируется по направлению "x", если угол отклонения большой вблизи положений А, В максимального сканирования, соответствующих обеим конечным точкам сканирования, электронный пучок отклоняется так, что угол выходящего электронного пучка изменяется согласно углу падения электронного пучка. Поэтому, электронный пучок сходится в частях А, В окна облучения, соответствующих положениям А, В максимального сканирования, вследствие линзового эффекта, создаваемого выпуклой линзой. Как показано на фиг.3 в частях А, В и С окна облучения, когда диаметр пучка составляет около 10 см, например, в центральном положении С в положениях А, В максимального сканирования, диаметр пучка составляет около 5 см. Т.е., зона облучения электронным пучком значительно сужается в положениях А, В максимального сканирования. Окно 20 облучения содержит тонкую пленку, выполненную из титана (Ti), и, следовательно, если электронный пучок сходится в положениях А, В максимального сканирования или около них, то плотность энергии электронного пучка в этих местах увеличивается, вызывая повреждение окна облучения.

Кроме того, формируются зоны, где облучения электронным пучком не происходит, например, в положениях А, В максимального сканирования или около него, и, следовательно, не могут эффективно удаляться токсичные составляющие в отработавшем газе с продуктами сгорания.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа облучения электронным пучком, в которых можно предотвратить сходимость электронного пучка в положении максимального сканирования и стабильно получать зону облучения, имеющую равномерную плотность энергии, где осуществляется равномерное облучение электронным пучком.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения устройство облучения электронным пучком, согласно изобретению содержит источник электронного пучка для излучения электронов, ускорительную трубку для ускорения электронов, излучаемых источником электронного пучка, фокусирующий электромагнит для регулирования диаметра электронного пучка посредством приложения магнитного поля к электронному пучку, имеющему высокую энергию, сформированному в ускорительной трубке, электромагнит для отклонения и сканирования электронного пучка посредством приложения магнитного поля к электронному пучку, и окно облучения, позволяющее электронному пучку проходить через него, при этом электронный пучок фокусируется в точке фокуса фокусирующим электромагнитом так, что электронный пучок сходится один раз, затем расходится, а затем излучается наружу через окно облучения.

Поскольку электронный пучок сходится один раз в точке фокуса, затем расходится, и затем излучается наружу через окно облучения, диаметр электронного пучка может быть увеличен в окне облучения. Диаметр электронного пучка, который был сфокусирован, имеет тенденцию к увеличению в положениях А, В, имеющих больший угол отклонения, чем в центральном положении С. Так как диаметр электронного пучка достаточно увеличен в положениях максимального сканирования (максимального угла отклонения), может быть предотвращена сходимость электронного пучка в области окна облучения. Поэтому плотность облучения электронным пучком в области окна облучения может быть унифицирована для предотвращения повреждения части окна облучения. Согласно изобретению электронный пучок равномерно излучается через часть окна облучения и равномерно облучает отработавший газ с продуктами сгорания, в достаточной мере удаляя токсичные составляющие из отработавшего газа.

Желательно располагать точку предварительного фокуса после участка, где электронный пучок проходит через магнитное поле для отклонения и сканирования электронного пучка по направлению распространения электронного пучка. В случае, когда ускоряющая энергия электронного пучка большая и составляет около 800 кВ, скорость электронного пучка становится близкой к скорости света, т. е. электронный пучок становится релятивистским электронным пучком. В настоящем, изобретении может быть использован такой электронный пучок. Поэтому, даже если угол отклонения большой, можно получить диаметр пучка, имеющий достаточное расширение в области окна облучения.

Желательно, чтобы расположение точки фокуса корректировалось посредством регулирования величины тока, подаваемого на фокусирующий электромагнит. Относительно простым средством регулирования величины тока, подаваемого на фокусирующий электромагнит, можно получить диаметр пучка, имеющий достаточное расширение в положение максимального сканирования в области окна облучения.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения способ облучения электронным пучком заключается в том, что регулируют диаметр электронного пучка, имеющего высокую энергию, посредством приложения магнитного поля к электронному пучку, отклоняют и сканируют электронный пучок, диаметр которого был отрегулирован посредством приложения магнитного поля к электронному пучку фокусирующим электромагнитом, и излучают электронный пучок наружу через окно облучения, причем электронный пучок фокусируют в точке фокуса фокусирующим электромагнитом, так что электронный пучок сходится один раз, затем расходится, и затем излучается наружу через окно облучения.

Согласно изобретению, даже если электронный пучок, имеющий высокую энергию, сканируется под относительно большим углом отклонения, можно устранить сходимость электронного пучка, и облучение электронным пучком можно выполнять с равномерной плотностью энергии по обширной зоне сканирования. Таким образом, электронный пучок, имеющий равномерную плотность энергии, может подаваться на относительно большие зоны облучения в устройстве облучения электронным пучком для очистки дымового газа или т.п. Допускается относительно большой угол отклонения электронного пучка, что позволяет уменьшить размеры устройства.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает устройство облучения электронным пучком, а также схему распространения электронного пучка, согласно изобретению;

фиг. 2 изображает блок-схему системы очистки дымового газа в которую встроено устройство облучения электронным пучком, согласно изобретению;

фиг. 3 изображает известное устройство облучения электронным пучком и схему распространения электронного пучка.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Устройство 11 (фиг. 1) облучения электронным пучком содержит термоэлектронный генератор 12, ускорительную трубку 13, фокусирующий электромагнит 16 и сканирующие электромагниты 17, 18, посредством которых электронный пучок ускоряется и сканируется, а затем излучается через окно 20 облучения в некоторую область канала отработавшего газа, расположенного снаружи. Конструкция устройства 11 облучения электронным пучком аналогична конструкции известного устройства. Электронный пучок ускоряется до высокой скорости высоким напряжением около 800 кВ в ускорительной трубке 13, и диаметр электронного пучка регулируется фокусирующим электромагнитом 16. Затем электронный пучок, диаметр которого был отрегулирован, отклоняется и сканируется сканирующими электромагнитами 17, 18. Эта конструкция также аналогична конструкции известного устройства. Длина сканирования в продольном направлении (направление "x") находится в пределах от 3 до 4 м, а длина сканирования в широтном направлении (направление "у") - в пределах от 60 до 40 см.

В устройстве облучения электронным пучком постоянный ток I_o, подаваемый на фокусирующий электромагнит 16, корректирует так, что электронный пучок фокусируется до того, как достигает окна 20 облучения, тем самым формируя достаточное расширение тогда, когда электронный пучок достигает окна 20 облучения. Посредством увеличения постоянного тока I₀, подаваемого на фокусирующий электромагнит 16, корректируется фокус электронного пучка, так что электронный пучок Е сходится в точке F фокуса в максимальной степени после того, пройдет через основное магнитное поле, создаваемое сканирующим электромагнитом 18. Диаметр электронного пучка Е становится наименьшим в точке F фокуса. После прохождения электронным пучком Е точки F фокуса электронный пучок Е расходится, диаметр пучка увеличивается в достаточной степени и достигает окна 20 облучения. После этого электронный пучок излучается через окно 20 облучения, затянутое фольгой из титана (Ti), в некоторую область канала отработавшего газа и производит десульфуризацию или денитрозирование отработавшего газа.

Диаметр электронного пучка Е составляет примерно 10 см, что аналогично диаметру прямолинейного электронного пучка, получаемого в известном устройстве. В положениях А, В максимального сканирования на окне 20 облучения диаметр электронного пучка Е равен или более 10 см. Положение точки F фокуса может корректироваться величиной постоянного тока ₀, тем самым может корректироваться соответствующим образом диаметр пучка на окне 20 облучения.

Различными экспериментами было подтверждено, что когда плотность потока магнитного поля, создаваемого сканирующим электромагнитом 18, равна нулю, предпочтительно располагать точку F фокуса после участка, где электронный пучок проходит через магнитное поле, создаваемое сканирующим электромагнитом 18. Т.е. можно регулировать угол входа электронного пучка в магнитное поле, создаваемое сканирующими электромагнитами 17, 18, и угол выхода электронного пучка из магнитного поля также предпочтительно регулировать после совершения кругового движения в нем. Поэтому, сходимость и расходимость электронного пучка может быть выполнена в точке F фокуса.

В соответствии с вариантом выполнения изобретения энергия электронного пучка, необходимая для облучения электронным пучком в системе очистки дымового газа, составляет около 800 кВ, электронный пучок имеет высокую скорость, близкую к скорости света, и называется релятивистским электронным пучком. Скорость электронного пучка выражается следующей формулой (1):



где e - электрический заряд электрона, равный 1,610^-19 Кл, m_о - масса электрона, равная 9,110^-31 кг и с - скорость света, равная 310⁸ м/с.

Поэтому, электрон, ускоренный высоким напряжением 800 кВ, имеет скорость V, выраженную с использованием скорости света (с) следующим образом:



В релятивистском электронном пучке, имеющем высокую скорость, посредством расположения точки F фокуса в упомянутом месте, диаметр электронного пучка на окне 20 облучения может быть увеличен до соответствующего размера. В релятивистском электронном пучке диаметр электронного пучка больше в положениях А, В максимального сканирования, чем в центральном положении С.

Поэтому, может быть предотвращена сходимость электронного пучка в положениях А, В максимального сканирования, можно предотвратить повреждение окна облучения, и электронный пучок, имеющий равномерную плотность энергии, может подаваться по всей зоне облучения.

На фиг. 2 показана система очистки дымового газа, включающая устройство облучения электронным пучком, согласно изобретению, в которой дымовой газ, выпускаемый установкой сжигания топлива, например, тепловой электростанцией, очищается посредством облучения электронным пучком. Дымовой газ, выпускаемый тепловой электростанцией, охлаждается в теплообменнике 22, а затем вводится в градирню 24. В градирне 24 вода, подаваемая от насоса 23, распыляется при помощи сопла 26 и испаряется. Дымовой газ охлаждается до некоторого диапазона температур в градирне 24, а затем охлажденный газ вводится в технологическую камеру 25.

Аммиак, подаваемый установкой 29 подачи аммиака, смешивается с воздухом в смесителе 30 типа трубы. Смешанный газ и вода, подаваемая от источника подачи воды (не показан), смешиваются в камере смешивания газа с жидкостью посредством двухканального сопла 31 и распыляются на входе в технологическую камеру 25. Смесь газа и воды облучается электронным пучком устройства 11 облучения.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что устранена сходимость электронного пучка, вызванная большим углом отклонения при сканировании электронного пучка. Поэтому настоящее изобретение может быть использовано в различных устройствах, включая устройство для электронно-лучевой сварки, растровый электронный микроскоп и т.д., в которых используется электронный пучок.

Как описано выше, согласно изобретению, даже если электронный пучок высокой энергии сканируется с относительно большим углом отклонения, можно устранить сходимость электронного пучка, и облучение электронным пучком может выполняться с равномерной плотностью энергии по обширной зоне сканирования.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в системе очистки дымового газа дли очистки дымового газа, выпускаемого установкой по сжиганию топлива, такой как тепловая электростанция, в устройстве для электронно-лучевой сварки или в растровом электронном микроскопе.