专利名称：粒子束加工设备的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及粒子束加工设备。特别是，本发明涉及包括粒子产生部件、具有薄箔片的箔片支撑部件、以及引起在基片或者涂层上化学反应的加工区的粒子束加工设备。
背景技术：
粒子束加工装置通常用来将基片或者涂层暴露处于高度加速的粒子束例如电子束(EB)中，以引起在基片或者涂层上的化学反应。
电子是在所有物质中发现的负性荷电粒子。电子围绕着原子核旋转，十分类似于行星围绕着太阳旋转。通过共用电子，两个或者更多原子束缚在一起形成分子。EB加工中，电子束被用来改进各种各样产物和材料的分子结构。例如，电子能够用来改变专门设计的液体涂层、油墨和粘合剂。EB加工期间，电子断开键接和形成荷电粒子与自由基。然后这些自由基结合形成大分子。通过这种加工，液体被转换成固体。这种加工公知为聚合作用。
用EB加工处理的液体涂层可以包括印刷油墨，漆，硅酮释放涂层，涂料涂层，压力敏感粘合剂，阻挡层涂层和叠层粘合剂。EB加工也可以被用来改变和增强固体材料的物理特性，例如纸，塑料膜和非织带纺织基片，所有这些都被特定地设计为对EB处理起反应。
粒子束加工装置通常包括三个区。它们是产生粒子束的真空室区，粒子加速区和加工区。在真空室中，钨丝被加热到是钨电子发射温度的大约2400K，以产生电子云。然后，正电压差被施加到真空室以提取和同时加速这些电子。之后电子穿过薄箔片和进入加工区。薄箔片起在真空室和加工区之间的阻挡层的作用。加速的电子通过薄箔片离开真空室和进入大气条件下的加工区。
当前商业上可获得的电子束加工装置通常工作在125kV的最小电压。这些现有EB装置利用由钛制成的具有12.5微米厚度的薄箔片，以固化通过加工装置以每分钟800-1000英尺的速度被馈送的基片上的涂层。例如，这种EB装置可以从麻省的Energy Science，Inc.Wilmington购买，型号为125/105/1200。但是，这些加工装置不有效地起作用，因为来自125kV的大部分能量被浪费了。另外，当前技术不能够被用于类似于灵活食品组装的某些工业。在125kV工作的EB装置在接触正被组装食物的聚乙烯基质密封层膜上吸收大量的能量。这个吸收引起膜中的气味溢出和增加其密封初始温度。
增加效率的一个方法是将工作电压降低到125kV以下。另外，125kV以下的工作允许能量吸收深度的更好控制和使由密封层膜吸收的电子能量最小化。然而，当电压被降低到125kV以下时，通过钛箔的电子的动能降低，因为更多的能量被钛箔吸收，引起箔片过度地发热。过度发热引起钛箔变蓝和脆，并且丧失其机械强度。过度发热还产生系统热控制的问题。结果，基片的供给速度一定要显著地降低，其使得该加工装置在商业上是不可用的。
鉴于前述，对粒子束加工装置有这种需要更有效地工作，尺寸较小，具有降低的功率要求和便宜构造。
发明概述本发明的优点和目的将在随后的说明中部分地提及，以及将从说明中部分地显而易见，或者可以通过本发明的实施学知。本发明的优点和目的将通过所附权利要求中特别指出的单元和组合而实现和获得。
为了实现优点和根据本发明的目的，正如这里体现和广义说明的，本发明的一个方案是提供尺寸较小和更高效率的粒子束加工装置。根据本发明，粒子束加工装置包括电源，粒子发生部件，箔片支撑部件和加工部件。粒子发生部件位于真空容器中和被连接到电源。粒子发生部件工作在110kV或更低之范围内的第一电压。粒子发生部件包括至少一个热丝，用于受热时产生多个粒子。箔片支撑部件工作在第二电压，其高于第一电压，以允许至少一部分粒子从第一电压移动到第二电压和离开箔片支撑部件。箔片支撑部件包括由钛或其合金制成的具有10微米或更小厚度的薄箔片。加工部件是用于接收离开箔片支撑部件的粒子。这些粒子引起基片上的化学反应。
本发明的第二方案也是提供粒子束加工装置。除了箔片支撑部件包括由钛或其合金制成的具有20微米或更小厚度的薄箔片之外，类似于第一方案，该粒子束加工装置包括电源，粒子发生部件，箔片支撑部件和加工部件。
本发明的第三方案是提供用于在粒子束加工装置中引起基片上化学反应的方法。该方法包括几个步骤，其包括在具有至少一个热丝的粒子发生部件中建立真空，加热热丝以产生多个粒子，将粒子发生部件工作在具有110kV或更低范围的第一电压上，将具有薄箔片的箔片支撑部件工作在第二电压，其高于第一电压，以引起至少一部分粒子从第一电压移动到第二电压和离开粒子发生部件中的真空，薄箔片由钛或其合金制成且具有10微米或更小厚度，以及使离开的粒子穿过薄箔片进入基片被暴露于粒子的加工部件。
本发明的第四方案也是提供用于在粒子束加工装置中引起基片上化学反应的方法。除了薄箔片是由钛或其合金制成的且具有20微米或更小厚度之外，类似于第三方案，该方法相同的步骤。
应当理解，前面的总体说明和随后的详细说明仅仅是示例性和说明性的，不对如权利要求的本发明构成限制。附带优点将在随后的说明中提及，并且从说明中将部分地理解，或者可以从本发明的实施中学知。优点和目的可以利用附带的权利要求中提出的组合得到。
附图简述被加在和构成本说明书一部分的
了本发明的几个实施例，与本说明一起，其用于解释本发明的原理。附图中图1是根据本发明一个实施例的粒子束加工装置的示意图；图2是电子束电压分布的示意图；图3是根据本发明优选实施例的粒子束加工装置的前视图；
图4表示在90kV工作电压下测量的作为钛箔厚度函数的深度剂量分布曲线图；图5是用于具有1.5英尺宽度的加工装置的机器产率(machineyields)作为工作电压函数的曲线图，其是使用5，8和12.5微米钛箔厚度测量的；图6表示在各种工作电压下测量的作为钛箔厚度函数的深度剂量分布曲线图；和图7是使用17，12.5和8微米钛箔厚度测量的作为入射能量keV之函数的由薄箔片吸收的能量曲线图；图8是随着基片通过粒子束加工装置在基片上的交联反应的示意图；图9是随着基片通过粒子束加工装置在基片上的聚合反应的示意图；和图10是随着基片通过粒子束加工装置在基片上的消毒反应的示意图。
本发明说明现在对与本发明一致的方法和设备的几个实施例做详细地参考，其例子在附图中说明。在任何可能的地方，相同的参考数目将在整个附图涉及相同的或类似的部分中使用。而且，本发明通过下述的例子将进一步清楚。
由于至少两个创造性理由，根据本发明的粒子束加工装置能够在尺寸上做得较小并且能够以较高效率速率工作；一，工作电压被降低到110kV或更低，以及，二，如果用钛或者其合金制成，薄箔片具有10微米或更小的厚度，以及如果用铝或者其合金制成，薄箔片具有20微米或更小的厚度。
根据本发明的原理，粒子束加工装置包括电源，粒子发生部件，箔片支撑部件和加工部件。
图1示意地表示符合本发明原理的粒子束加工装置100，其包括电源102，粒子束发生部件110，箔片支撑部件140，和加工部件170。电源102给加工装置100优选地提供110V或更低的工作电压，最优选为90-100kV的范围。电源102可以是可商业获得的电源类型，其包括位于电气绝缘钢室中的多个电变压器以给粒子束发生部件110提供高电压而产生电子。
粒子束发生部件110优选地保持在容器或者室114的真空环境中。在产生电子束即EB加工装置的实施例中，粒子束发生部件110被通常地称为电子枪部件。真空室114可以由紧密密封的容器构成，其中产生诸如电子的粒子。真空泵212(图3所示)被提供用来产生近似为10-6乇量级的真空环境。在室114的真空环境内，当高压电源102提供电功率来加热热丝112时在热丝112周围就产生电子云。
然后热丝112发白热光和产生电子云。电子然后被从热丝112拉到较高电压区域，由于电子是负电荷粒子，正如下面的说明，将被加速到非常高的速度。热丝112可以由一个或多个通常由钨制成的电线构成，并且可以被配置成跨过箔片支撑144的长度均匀地隔开和跨过基片10的宽度发射电子束。
如图1和2所示，粒子束发生部件110可以包括引出栅116，末端栅118和反射板120。反射板120弹回电子和将电子送向引出栅116。反射板120工作在不同电压，优选为比热丝112的稍微低些，以收集从热丝112逸出的偏离如图2所示电子束方向的电子。
工作在稍微不同电压(优选为高于热丝112电压)的引出栅116吸引离开热丝112的电子和将它们引向末端栅118。引出栅116控制从电子云拉出的电子的量，其确定电子束的强度。
通常工作在与引出栅116相同电压下的末端栅118在电子加速到极其高的速度以通过箔片支撑部件140之前用作为电子的最后网关。
根据本发明的一个实施例，例如，热丝112可以工作在-110,000V，箔片支撑部件140可以接地或者设置为0V。反射板120可以选择工作在-110,010V以将任何电子都反射回热丝112。引出栅116和末端栅118可以被选择工作在-110,000V到-109,700V的范围内。
电子然后离开真空室114和进入箔片支撑部件140而通过薄箔片142以透过用于化学反应的涂覆材料或者基片10。化学反应例如包括聚合，交联或者消毒。电子的速度可以高达或者高于每秒100,000英里。箔片支撑部件140可以由一系列的平行铜肋(未示出)构成。如图1所示，薄箔片142被牢固地夹紧到箔片支撑部件144的外部以提供在室114内的防漏真空密封。高速电子在铜肋之间自由地穿过，通过薄箔片142和进入被处理的基片10。为防止过度能量损失，箔片优选尽可能做薄同时提供足够的机械强度以承受在粒子束发生部件110内部的真空状态和加工部件170之间的压力差。
根据本发明原理，当箔片支撑部件的薄箔片是由钛或者其合金制成和具有10微米或更小优选在3-10微米范围内最优选在5-8微米范围内的厚度时，粒子束发生装置在尺寸上能够做得较小和工作在较高的效率水平上。另外，薄箔片142也可以是由铝或者其合金制成，具有20微米或更小优选在6-20微米范围内最优选在10-16微米范围内的厚度。
一旦电子离开箔片支撑部件140，它们就进入加工部件170，在此电子透过涂覆或者网膜基片和引起导致聚合、交联或者消毒的化学反应。如图3所示，涂覆或者网膜基片被馈入加工装置100以进入加工部件170。加工部件170包括基片10进入的网膜入口202，引导和传送基片10通过加工部件170的滚轴204，206和208，以及基片10离开加工装置100的网膜出口210。被处理的产物是瞬时被转换的，不需要干燥或冷却，并且包含许多新的和期望的物理特性。产物能够在加工后立即被运输。
粒子束加工装置可以包括围绕至少一部分装置周围的保护衬垫，以吸收当电子在物质中被吸收而减速时发射的诸如X射线的辐射。
如图1所示，保护衬垫190包围着诸如真空室114和加工部件170的加工装置100的周围。保护衬垫190基本上吸收当电子在物质中减速时产生的全部X射线。保护衬垫190选用的厚度和材料形成主要由X射线期望吸收率确定的功能。在一个实施例中，保护衬垫190优选能够以具有小于或等于近似为0.1mrem/hour的残余物(residuals)的吸收率吸收X射线辐射。单位mrem/hour表示相当于每一个小时人吸收0.1mili辐射。一个milirem相当于1milirad。测量所发射的辐射的一个方法是通过测量离开保护衬垫190为10cm距离的吸收，使用诸如商业上公知的Bicron RSO-5的电离室仪器的仪器。为了进一步增强粒子束加工装置100的安全措施，可以提供安全联锁开关(未示出)以确保当联锁被打开时自动停止生产的安全操作。
粒子束加工装置还可以包括诸如计算机化微处理器的处理器，以控制所产生的电子量，使得电子束输出与基片的供给速度成正比。如图1所示，提供加工控制系统200以控制几个加工，其包括但不局限于保持要求的真空环境，用预定的电压和热丝功率初始化系统工作，使电子产生与加工速度同步以保持不变的处理级、监视功能和联锁，以及当系统功能超过设置极限或者联锁问题被检测出时提供警告和/或报警。
工作中，粒子束加工装置100按下述工作。真空泵212(图3所示)从室114抽出空气以实现近似为10-6乇的真空水平，在此加工装置100是完全可供使用的。在粒子束发生部件110中，包括反射板120，引出栅116，和末端栅118的粒子枪部件元件被设置为三个独立控制的电压，其开始电子的发射和将它们引导通过箔片支撑144。
在粒子束加工期间，真空室114内电场的组合产生“推/拉”效果，其向处于地(0)电势的箔片支撑144的薄箔片142引导和加速电子。所产生的电子的量直接与引出栅116的电压相关。在低产生速度时，引出栅116被设置为比当施加较高电压处于高速度时低的较低电压。随着引出栅116电压增加，从热丝112拉出的电子的量也增加。
要被固化的例如油墨，粘合剂和其它涂层的涂层通常要求低氧环境以引起从液态到固态的化学转变。因此，根据本发明的粒子束加工装置正如图1所示可以包括在加工区170中分布的多个喷嘴172，174，176和178，以注入除氧之外的气体来替换其中的氧。在一个实施例中，选用氮气，通过喷嘴172，174，176和178泵入加工区170以代替将阻止完全固化的氧。
如从上述可见，粒子束加工装置100能够被校准到实现极其高精度的技术规格，因为加工控制系统200可以被设置为提供希望在基片或者涂层上精确深度水平的固化。加工控制系统200计算剂量和电子透入涂层或者基片的深度。电压愈高，电子速度和所得透入程度愈大。
剂量是每单位质量吸收的能量和根据兆拉德(Mrad)测量，其相当于每克2.4卡。吸收的较大数目的电子反射较大剂量值。应用中，剂量通常是由要固化的涂层材料和基片的深度确定的。例如，5Mrad的剂量可以被要求固化基片上由米纸制成的具有20克/m2质量密度的涂层。剂量正比于作为引出电子数的工作束流，反比于基片的供给速度，由下式表示剂量＝K·(I/S)这里I是以mA为单位测量的电流，S是以英尺/分钟为单位测量的基片的供给速度，以及K是比例常数，其表示加工装置的机器产率，或者该特殊加工装置的输出效率。
图4-7所示曲线图中说明的下述例子被提供为一系列实验的结果。图4表示在90kV工作电压下测量的相对于三种不同厚度的薄箔片在涂层的深度剂量分布和质量密度之间的关系。图5表示在以kV为单位测量的工作电压(“高电压”)和用于具有1.5英尺宽度的加工装置的机器产率(machine yields)之间的关系，其是相对于使用具有5，8和12.5微米厚度的钛制成的薄箔片。图6表示相对于各种工作电压在涂层的深度剂量分布和质量密度之间的关系。图7表示相对于17，12.5和8微米厚度的三种钛箔在以keV为单位测量的由薄箔片吸收的能量(“dE”)和以keV为单位测量的入射能量或者工作电压之间的关系。
本发明的目标是通过施加尽可能低的工作电压来增加加工装置的输出效率，以降低产生该工作电压需要的功率，使得加工装置更小巧和更便宜制造。因此，正如图6的深度剂量分布中所示，最佳曲线优选更靠近移向与表示要固化涂层密度之X轴相交的虚垂直线。但是，正如先前在背景技术说明中的讨论，降低工作电压将引起巨大的热问题，其导致加工装置商业上是不可使用的。如图4和7所示，热问题能够通过利用具有10微米或者更小厚度的钛箔解决。
在这些实验中获得的数据是利用薄膜剂量测定技术测量的。剂量测定技术涉及具有9-10微米范围之厚度的尼龙膜。剂量计包含放射性铬染料(radiochromic dye)，当该染料暴露于电磁辐射时其从无色改变到蓝色的颜色。蓝色的强度正比于从尼龙膜获得的辐射曝光的量。通过使用密度计测量蓝色的强度或者光密度，人们能够将所测量的光密度变换成以Mrads为单位的吸收剂量。从光密度到以Mrads为单位剂量的变换是通过剂量计和密度计的现有技术的校准实现的，其使用Maryland，Gaithersberg，National Institute of Standards andTechnology的Co60伽玛设备。这些实验利用了由California，Goleta，Far West Technology制造的剂量计型号FWT-60-810和由California，Goleta，Far West Technology制造的密度计型号92 SXN 3285。
例子1图4所示第一实验的结果表明使用由钛制成的具有小于12.5微米厚度的薄箔片142的粒子束加工装置100改善了在基片10中的电子透入。
在第一实验中，薄膜尼龙剂量计被用于测量电子的透入能力。该实验的参数包括90kV的恒定工作电压，5Mrads的剂量，和薄的钛箔片。测试三个样品以研究12.5，8和5微米的三个不同钛箔厚度，对于每个箔片厚度为一个样品。
三个样品是由三十个剂量计制成的，每个具有近似为2×2cm2的表面面积。这些剂量计被分成三叠层，每个叠层包含一个在另一个顶部上的十个剂量计的排列。每个叠层剂量计的一个边沿被带贴有为12.5微米厚度的聚酯载体。三个聚酯载体然后被带贴到纸基片上并且供给通过加工装置100以接收辐射处理。第一叠层在具有12.5微米钛箔片的加工装置100中被处理，第二叠层具有8微米，和第三叠层具有5微米。在辐射处理之后，三个叠层在60℃的炉中退火5分钟。剂量计然后被分离，在密度计上单独测量，和变换成根据Mrads的剂量。对于每个叠层，所获得的剂量值被标准化为第一剂量计。
图4表示从该实验得到的数据，其具有表示对每个叠层的标准化剂量的Y轴和表示根据克/m2之质量密度的X轴。质量密度是通过测量导致10克/m2之剂量计质量密度获得的。假设第一点是在一半的质量密度，并且然后每个质量密度为随后点被加到其上。该实验得出在粒子束加工装置100中使用的箔片愈薄，所获得的在基片10上的电子透入愈大。
例子2图5所示第二实验的结果教导较薄箔片不仅提高电子在基片上的透入，而且增加效率或者机器产率K。
在第二实验中，类似于第一实验，薄膜尼龙剂量计被用于测量在以kV测量的各种工作电压下具有1.5英尺宽度的加工装置的机器产率K。三个测量是针对研究具有12.5，8和5微米厚度的三个不同钛箔片。
机器产率K的值是通过计算9个单独剂量计芯片的平均值获得的。2×2cm2的每个剂量计在一个边沿上被带贴到聚酯载体。每个聚酯载体包含9个剂量计。聚酯载体被带贴到纸基片上并且供给通过加工装置100以接收辐射处理。在辐射之后，剂量计在60℃下被退火5分钟。之后，测量光密度和剂量值。对于每次测量，加工装置100被设置为传递4Mrads给剂量计。加工装置100包括几个量计(未示出)，以表示以英尺/分钟为单位的基片的供给速率和以mAmp为单位的粒子束流。平均剂量被根据下述方程确定和用来计算K值K(Mrads-英尺/分钟/mAmp)＝(剂量(Mrads)×速度(英尺/分钟))/电流(mAmp)对所有电压重复相同的过程。
图5表示从该实验得到的数据，其具有表示机器产率K的Y轴和表示工作电压kV的X轴。该实验得出较薄的箔片增加了效率或者机器产率K。根据本发明的加工装置的机器产率K增加和到达在对应于最佳工作电压下的最佳值。例如，当使用8微米钛箔片和加工装置工作在100kV时，机器产率在90-100kV时到达近似为30。类似地，当使用5微米钛箔片和加工装置工作在70kV时，机器产率几乎到达30。比较在使用12.5微米钛箔片的加工装置和使用8和5微米钛箔片的加工装置之间的机器产率K，推得下述关系20＝30/L其中，在1.5英尺在125kV工作电压的情况下，L是以英尺为单位测量的加工装置的宽度。
例子3图6所示第三实验的结果表示在灵活食品组装领域工作在110kV或更低电压下的加工装置100的一个优点。
在第三实验中，在各种工作电压下的加工装置100的深度剂量分布是根据相对于第一实验在前说明的工序被测量的。灵活食品组装的典型应用是用于加工过的肉和乳酪的封装，其通常地包括三层顶部膜，粘合剂和密封剂。例如，下面的表1提供了典型封装层和它们的厚度表10.5mil聚酯类型的顶膜(PET) 17.0克/m2粘合剂 3.0克/m2聚乙烯共聚物的密封剂 40.0克/m2电子束通常被用于固化在顶膜和密封剂之间的粘合剂。
如图6所示，当前在市场上可获得的工作在125kV下的EB加工装置足够固化在20克/m2深度的粘合剂，固化顶膜和粘合剂。然而，其以60克/m2深度将足够剂量沉积到密封剂层(顶膜，粘合剂和密封剂)。接触正在封装食品的基于聚乙烯的密封剂层在其吸收在其上沉积的剂量时发出不期望的味道。另外，所沉积剂量还增加密封初始温度，因此使得难以加热密封。在密封剂层上的这两个结果阻止当前EB加工装置满足灵活食品组装工业的要求。
通过工作在110kV或更低优选为90-100kV电压范围工作，在商业上可使用基片供给速度下，符合本发明原理的加工装置100克服了现有加工装置的问题。如图6所示，在110kV或更低工作电压时，人们能够在20克/m2深度适当地固化粘合剂，还给予相当低的剂量，并且因此引起对密封剂膜的较小损坏。
例子4图7所示第四实验的结果说明了由钛箔片吸收的作为以kV为单位测量的工作电压之函数的能量之间的关系。该研究比较了17，12.5和8微米的三个不同钛箔片厚度。在17和12.5微米上的研究是根据在钛箔片中电子能量衰减使用MonteCarlo计算法在National Instituteof Standards and Technology完成的。基于这些研究产生的数据，8微米钛箔片的数据被推知。该研究证实较薄的箔片吸收较少的能量，尤其在低电压下。因此，利用具有10微米或更小厚度的箔片的加工装置解决了热控制问题，因为由箔片吸收的能量被转换成导致具有箔片的热控制问题的功率。
因为根据本发明的加工装置能够工作在110kV或更低的工作电压，不仅产生工作电压的电源的大小能够减少，而且容纳粒子束产生部件的真空容器的大小能够基本上被减少。而且，保护衬垫的厚度能够被减少，因为在工作电压是110kV或更低时以降低速度离开真空容器的电子发射不严重的辐射。
应用中，粒子束加工装置可以被用在制造加工中，例如电子束(EB)加工，以处理暴露于装置的基片或者涂层。处理可以包括化学反应，例如聚合，交联或者消毒。当基片或者涂层曝光于高加速的电子时，发生反应，其中在基片或者涂层中的化学键断开和形成新的改进的分子结构。这个应用广泛地应用于任何粒子束，但为说明目的，特别地说明了电子束。下面说明能够在EB加工期间发生的可能化学反应。
例子5交联是改变和增强被处理材料物理特性的化学反应。在交联加工中，化学键或链的互连网络在大聚合物链之间形成以形成较强的分子结构。通过交联反应施加的EB加工例如包括当类似于塑料膜或者橡胶基片的产物被用电子处理时，这些产物中的大聚合物形成许多链接键。这些键增加了产物的性能和在高温度时的抗脆弱性。图8表示随着基片10A通过示意称为100的粒子束加工装置的下方进入曝光区14A以从左区域12A上的未处理状态变到右区域16A上的处理状态而在基片10A上发生的交联反应。
例子6类似于交联，聚合是其中几个独立的分子团结合在一起形成称为聚合物的一个大分子团的过程。这引起被处理产物中显著的物理变化，并且导致许多期望的物理特性，例如高光泽和耐磨性。例如，当在EB加工期间被曝光于加速的电子时，设备涂层和粘合剂几乎瞬时被从液(未固化)态转变成非胶粘(固化)固体状态。图9表示随着基片10B通过粒子束加工装置100的下方进入曝光区14B以从左区域12B上的未处理状态变到右区域16B上的处理状态而在基片10B上发生的聚合反应。
例子7消毒是通过使它们不能繁殖或者不能够再生而破坏污染微生物的过程。当电子被引入进微生物并由此断开控制再生的DNA链时发生EB消毒。一旦产物已被消毒，就不能够发生微生物的分解。由于电子作为物理消毒剂而非化学消毒剂，它们不改变目标产物的化学性或者留下任何残余化学品。EB消毒提供了超过诸如使用过氧化氢和环氧乙烷的那些化学消毒技术的若干优点。例如，EB消毒可以被用来消毒医用辅助材料和敏感食品以及它们各自的封装，而在此不能够使用化学消毒。图10表示随着基片10C通过示意称为100的粒子束加工装置的下方进入曝光区14C以从左区域12C上的未处理状态变到右区域16B上的处理状态而在基片10C上发生的消毒反应。
上述加工提供了几个优点，诸如，粒子束加工实际上瞬时发生，通常工作在室温和因粒子束涂层材料是固体而不产生发射或空气污染。另外，涂层不包含有害溶剂或者挥发性有机化合物。
对本领域技术人员来说，在粒子产生部件，箔片支撑，加工区，和加工控制系统，以及薄箔片选用的材料，热丝或者粒子产生元件，和粒子束加工系统的制造以及本发明的其它方面，在不脱离本发明范围或者精神的情况下，能够进行各种各样的改进和变化是显而易见的。
从考虑这里公开的本发明的说明书和实施可得，对本领域技术人员本发明的其它实施例是显而易见的。应当认为，说明书和例子应当被看作为仅仅是示例，本发明真正的范围和精神在下述权利要求和它们的等价物中说明。
权利要求
1一种尺寸较小和具有较高效率的粒子束加工装置，其引起在基片上的化学反应，包括电源；粒子发生部件，其位于真空容器中和被连接到电源，电源工作在110kV或更低之范围内的第一电压，粒子发生部件包括至少一个热丝，用于受热时产生多个粒子；工作在第二电压的箔片支撑部件，第二电压高于第一电压，以允许至少一部分所述粒子从第一电压移动到第二电压和离开箔片支撑部件，箔片支撑部件包括由钛或其合金制成的具有10微米或更小厚度的薄箔片；和加工部件，其用于接收离开箔片支撑部件的所述粒子，这些粒子用于引起所述的化学反应。
2权利要求1的粒子束加工装置，其中加工装置的机器产率(K)是由表示每单位质量吸收的能量的剂量，表示加工装置的供给速率的速度，和表示从热丝引出的电子数目的电流确定的，根据K＝(剂量·速度)/电流其中机器产率(K)是在30/L之上，这里L是以英尺为单位测量的机器宽度，和由此K是以Mrads·英尺/分钟/mAmp为单位测量的机器产率，剂量是以Mrads为单位测量的每单位质量吸收的能量，速度是以英尺/分钟为单位测量的基片的供给速率，和电流是以mAmp为单位测量的从热丝引出的电子数目。
3权利要求1的粒子束加工装置，其中真空容器具有在0.05-145ft3范围内的工作体积。
4权利要求1的粒子束加工装置，其中至少一个热丝是由诸如钨或者钨合金的线丝构成的，并且跨过箔片支撑部件的长度被隔开。
5权利要求1的粒子束加工装置，其中粒子发生部件还包括控制从至少一个热丝拉出的多个粒子的量的第一网格，第一网格工作在高于第一电压的第三电压。
6权利要求5的粒子束加工装置，其中粒子发生部件还包括位于靠近第一网格和工作在第一电压的第二网格，第二网格作为粒子在从第一电压到第二电压加速之前的网关。
7权利要求1的粒子束加工装置，其中箔片支撑部件包括多个开口，以通过出自真空容器的多个粒子和将这些粒子进入加工部件。
8权利要求1的粒子束加工装置，其中加工部件包括注入气体以完成化学反应的多个气体入口。
9权利要求8的粒子束加工装置，其中注入加工部件的气体包括替换在加工部件中现有的氧气的非氧气体。
10权利要求1的粒子束加工装置，还包括包围至少一部分粒子束加工装置之周围的保护衬垫。
11权利要求10的粒子束加工装置，其中保护衬垫能够吸收具有小于或者等于每小时0.1mrem之残余量的辐射。
12一种尺寸较小和具有较高效率的粒子束加工装置，其引起在基片上的化学反应，包括电源；粒子发生部件，其位于真空容器中和被连接到电源，其工作在110kV或更低之范围内的第一电压，粒子发生部件包括至少一个热丝，用于受热时产生多个粒子；工作在第二电压的箔片支撑部件，第二电压高于第一电压，以允许至少一部分所述粒子从第一电压移动到第二电压和离开箔片支撑部件，箔片支撑部件包括由钛或其合金制成的具有20微米或更小厚度的薄箔片；和加工部件，其用于接收离开箔片支撑部件的所述粒子，这些粒子引起所述的化学反应。
13权利要求12的粒子束加工装置，其中加工装置的机器产率(K)是由表示每单位质量吸收的能量的剂量，表示加工装置的供给速率的速度，和表示从热丝引出的电子数目的电流确定的，根据K＝(剂量·速度)/电流其中机器产率(K)是在30/L之上，这里L是以英尺为单位测量的机器宽度，和由此K是以Mrads·英尺/分钟/mAmp为单位测量的机器产率，剂量是以Mrads为单位测量的每单位质量吸收的能量，速度是以英尺/分钟为单位测量的基片的供给速率，和电流是以mAmp为单位测量的从热丝引出的电子数目。
14权利要求12的粒子束加工装置，其中真空容器具有在0.05-145ft3范围内的工作体积。
15权利要求12的粒子束加工装置，还包括包围至少一部分粒子束加工装置之周围的保护衬垫，保护衬垫能够吸收具有小于或者等于每小时0.1mrem之残余量的辐射。
16一种用于在粒子束加工装置中引起在基片上化学反应的方法，包括在具有至少一个热丝的粒子产生部件中建立真空；加热该至少一个热丝以产生多个粒子；使粒子产生部件工作在具有110kV或更低范围的第一电压上；使具有薄箔片的箔片支撑部件工作在第二电压，其高于第一电压，以引起至少一部分所述粒子从第一电压移动到第二电压和离开粒子产生部件中的真空，箔片是由钛或其合金制成和具有10微米或更小厚度；使离开的粒子通过薄箔片进入加工部件，在此基片被暴露于粒子。
17权利要求16的方法，其中加工装置的机器产率是在30/L之上，这里L是根据下述公式以英尺为单位测量的加工装置的宽度K＝(剂量·速度)/电流由此K是以Mrads·英尺/分钟/mAmp为单位测量的机器产率，剂量是以Mrads为单位测量的每单位质量吸收的能量，速度是以英尺/分钟为单位测量的基片的供给速率，和电流是以mAmp为单位测量的从热丝引出的电子数目。
18权利要求16的方法，其中粒子发生部件被包含在具有在0.05-145ft3范围内的工作体积的真空容器中。
19权利要求16的方法，还包括步骤将非氧气体注入加工部件以完成化学反应。
20权利要求16的方法，还包括步骤用保护衬垫包围至少一部分粒子束加工装置的周围以吸收当多个粒子减速时产生的辐射，保护衬垫能够吸收具有小于或者等于每小时0.1mrem之残余量的辐射。
21一种用于在粒子束加工装置中引起在基片上化学反应的方法，包括在具有至少一个热丝的粒子产生部件中建立真空；加热该至少一个热丝以产生多个粒子；使粒子产生部件工作在具有110kV或更低范围的第一电压上；使具有薄箔片的箔片支撑部件工作在第二电压，其高于第一电压，以引起至少一部分所述粒子从第一电压移动到第二电压和离开粒子产生部件中的真空，薄箔片是由铝或其合金制成和具有20微米或更小厚度；使离开的粒子通过薄箔片进入加工部件，在此基片被暴露于粒子。
22权利要求21的方法，其中加工装置的机器产率是在30/L之上，这里L是根据下述公式以英尺为单位测量的加工装置的宽度K＝(剂量·速度)/电流由此K是以Mrads·英尺/分钟/mAmp为单位测量的机器产率，剂量是以Mrads为单位测量的每单位质量吸收的能量，速度是以英尺/分钟为单位测量的基片的供给速率，和电流是以mAmp为单位测量的从热丝引出的电子数目。
23权利要求21的方法，其中粒子发生部件被包含在具有在0.05-145ft3范围内的工作体积的真空容器中。
24权利要求21的方法，还包括步骤将非氧气体注入加工部件以完成化学反应。
25权利要求21的方法，还包括步骤用保护衬垫包围至少一部分粒子束加工装置的周围以吸收当多个粒子减速时产生的辐射，保护衬垫能够吸收具有小于或者等于每小时0.1mrem之残余量的辐射。
全文摘要
本发明涉及尺寸上较小和工作在较高效率下的粒子束加工设备。该加工设备包括粒子束产生部件,箔片支撑部件,和加工部件。在粒子束产生部件中,例如电子的粒子云是通过加热至少一个钨丝产生的。然后,电子被引出以高速到达被设置在比粒子束产生部件更低电压的箔片支撑部件。基片被供给加工设备通过加工区和暴露于离开粒子束产生部件和进入加工区的电子。电子透入和固化基片,引起诸如聚合,交联或者消毒的化学反应。
文档编号C08F2/52GK1387672SQ00815160
公开日2002年12月25日 申请日期2000年11月2日 优先权日1999年11月5日
发明者伊姆蒂亚兹·朗瓦拉, 哈维·克劳弗, 乔治·翰纳芬 申请人:能源科学公司