电子出射窗箔的制作方法

技术领域

本发明涉及电子出射窗箔。更具体地，本发明涉及在腐蚀环境中使用且以高性能运转的电子出射窗箔。

背景技术：

电子束设备可被用于利用电子辐照物体，例如用于表面处理。这样的设备常常被用在食品包装工业中，其中电子束提供了对包装件(例如塑料瓶或稍后会被转变为包装件的包装材料)的高效杀菌。

电子束杀菌的主要优点是可避免湿法化学法(使用例如H₂O₂)，从而使这种湿法环境所需的大量部件和设备有所减少。

电子束设备通常包括连接到电源的细丝，其中该细丝发射电子。该细丝优选地被设置在高真空中以增加所发射电子的平均自由程而加速器将所发射电子导向出射窗。电子出射窗被提供来允许电子逸出电子束发生器使得它们可在电子束发生器外面移动，从而与待杀菌的物体碰撞并在该物体的表面释放能量。

电子出射窗通常由薄的电子可穿透箔组成，该箔抵靠电子束发生器密封以维持电子束发生器内部的真空。网格形式的冷却的支撑板进一步被提供来防止箔由于高真空而塌陷。Ti因其在高熔点和电子穿透性以及提供薄膜的能力之间的合理的良好匹配而通常被用作为箔材料。

Ti膜的一个问题是它可被氧化，导致使用寿命和运行稳定性的下降。为了实现出射窗的长寿，在电子束设备的操作过程中不应当超过大约250℃的最高温度。通常，高性能电子束设备被设计为当被用于对行进的卷材杀菌时，以高达100米/分钟在80千电子伏提供22千戈瑞。因此，纯Ti箔不可被用于这样的高性能电子束设备，因为所发射电子穿过该窗的数量可导致温度大大高于该临界值。

在充填机(即被设计为形成、充填并密封包装件的机器)中，杀菌是至关重要的工艺，不仅对包装而言，也对机器本身而言。在这样的机器杀菌(优选地在启动过程中执行)中，出射窗的外部会被暴露于用于机器杀菌的化学品。诸如H₂O₂之类的高腐蚀性物质(常被用于此类应用)会通过蚀刻Ti而影响出射窗。

用于改善出射窗的性能的不同技术方案已被提议来克服上述缺点。

EP0480732B描述了一种由Ti箔和Al保护层组成的窗出射箔，其中通过Ti/Al结构的热扩散处理形成金属间化合物。该技术方案可适用于相对较厚的出射窗，即允许保护层厚于1微米的窗。但是，金属间化合物在薄Ti箔上是不可接受的，因为它会降低其物理强度。

EP0622979A公开了一种由Ti箔和硅氧化物保护层组成的窗出射箔，硅氧化物保护层位于该出射箔面向待辐照物体的一侧上。虽然Ti箔可被这样的层保护，但硅氧化物是非常脆弱的且容易在真空被提供时在该箔被允许弯曲的区域(即支撑板的网格之间的区域)中破裂。该缺点使得EP0622979A的箔不适用于出射箔出现局部弯曲的应用，比如使用与出射箔接触的网格状冷却板的电子束设备。

技术实现要素：

本发明的一个目的是减少或消除上述缺点。

进一步的目的是提供一种能够降低箔上的热负荷和腐蚀的电子出射箔。

因此，本发明的构思是提供具有延长的工作寿命、要求缩减的服务且由于便宜的涂层工艺和行之有效的X射线制造工艺的装置而比现有技术的系统成本效益更好的电子束发生器。

根据本发明的第一方面，提供了一种和在腐蚀环境中工作的高性能电子束发生器一起使用的电子出射窗箔。所述电子出射窗箔包括夹层结构，该夹层结构具有Ti膜、比Ti具有更高热导率的材料的第一层和能够保护所述膜避免被所述腐蚀环境破坏的材料的挠性第二层，其中所述第二层面向所述腐蚀环境。

所述第一层可被设置在所述膜和所述第二层之间，或者所述膜可被设置在所述第一层和所述第二层之间。

所述第二层可包括不同材料的至少两个层，这是有利的，因为可针对具体应用定制箔的诸如抗腐蚀性和强度等不同的机械性能和/或物理性能。

所述第一层可选自由热导率和密度之间的比高于Ti的材料组成的群组。

所述第一层可选自由Al、Cu、Ag、Au或Mo组成的群组，而所述第二层可选自由Al₂O₃、Zr、Ta或Nb组成的群组。

所述腐蚀环境可包括H₂O₂。因此，所述箔可被应用于在接触腐蚀性杀菌剂的机器(比如食品包装工业中的充填机)中工作的电子束设备中。

所述电子出射窗箔可进一步在所述Ti膜和第一层或所述第二层之间包括至少一个胶粘剂涂层。所述胶粘剂涂层可以是具有1到150nm之间的厚度的Al₂O₃层或ZrO₂层。这是有利的，因为在所述膜/层界面防止物质的任何反应或扩散或者所述Ti膜和层之间或两个层之间的粘合性得以改善。

根据第二方面，提供了一种被构造来在腐蚀环境中工作的电子束发生器。该电子束发生器包括容纳并保护产生和形成电子束的组件的主体、以及承载与所述电子束的输出有关的部件的支撑件，所述支撑件包括根据本发明的第一方面所述的电子出射窗箔。

本发明第一方面的优点也适用于本发明的第二方面。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于提供和在腐蚀环境中工作的高性能电子束发生器一起使用的电子出射窗箔的方法。该方法包括步骤：提供Ti膜、提供比Ti具有更高热导率的材料的第一层到所述膜的第一侧上、以及提供能够保护所述膜避免被所述腐蚀环境破坏的材料的挠性第二层，其中所述第二层面向所述腐蚀环境。

提供挠性第二层的步骤可包括将所述挠性第二层设置到所述膜的第二侧上。

提供挠性第二层的步骤可包括将所述挠性第二层设置到所述第一层上。

提供第一层或提供挠性第二层的步骤中的至少一个可在提供胶粘剂涂层到所述膜上的步骤之后。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于提供高性能电子束设备的方法。该方法包括步骤：将Ti膜附着到框架上、通过提供比Ti具有更高热导率的材料的第一层到所述膜的第一侧上和提供能够保护所述膜避免被所述腐蚀环境破坏的材料的挠性第二层来处理所述膜，其中所述第二层面向所述腐蚀环境、以及将所述箔-框架子组件附着到电子束设备的管状壳体以密封所述电子束设备。

本发明第一方面的优点也适用于本发明的第三和第四方面。

附图说明

接下来，将参考附图更详细地描述本发明的示例性实施方式，其中：

图1是根据现有技术的电子束设备的示意性横剖正等轴测图，

图2是电子出射窗箔和箔支撑板的示意性横剖立体图，以及

图3a-f是根据不同实施方式的电子出射窗箔的示意性横截面。

具体实施方式

参考图1，一种电子束设备被示出。该电子束设备100包括两个部分：容纳(house)并保护产生和形成电子束的组件103的管体102，以及承载与电子束的输出有关的部件(比如窗箔106和防止窗箔106在装置100内部建立真空时塌陷的箔支撑板108)的支撑性凸缘104。进一步地，在该电子束设备的运转期间，箔106承受过多的热。因此，箔支撑板108也用于将使用期间在箔106中产生的热导离设备的箔106这一重要目的。通过使箔的温度保持适度，箔106可获得足够长的使用寿命。

参考图2，电子出射窗被示为包括箔106和箔支撑108。支撑108被设置在电子束设备内部以便真空被维持在出射窗的内部。这在图2中用P₁和P₂表示，其中P₁代表出射窗外面的大气压，P₂代表内部的真空。

在制造过程中，铜制的箔支撑板108优选地被附着到形成管体102的一部分的凸缘104。凸缘104通常由不锈钢做成。接着，窗箔106被结合到分离的框架上从而形成箔-框架子组件。随后，对箔106涂层以便改善其性能，例如传热性能。接着，箔-框架子组件被附着到管体102以形成密封的壳体。

在替代实施方式中，出射窗箔106在凸缘被焊接到管体之前被直接附着到凸缘，被附着到所述支撑板。因此，在该实施方式中，出射窗箔在被附着到管体102之前被涂层。

参考图3a-f，电子出射窗箔106a-f的不同实施方式被示出。

从图3a开始，箔106a包括Ti薄膜202。Ti膜202具有大约5到15微米的厚度。在Ti膜202的第一侧上设置导热层204。导热层204被提供以便沿着出射箔传递热使得横贯整个箔106实现温度下降。导热层204通过任何合适的工艺(比如溅射、热蒸发等)提供，且应当能对热导率进行充分的改进以降低电子出射窗箔106a的温度，同时在真空被施加时仍使该箔能弯入支撑板108的孔中。优选地，导热层204的材料选自由Al、Cu、Ag、Au和Mo组成的群组。虽然诸如Be等其它材料也会具有热导率和密度之间的较高的比，但它们被认为是有毒的，因此不是优选的，尤其是在电子束设备被设置来处理生活消费品的应用中。

在Ti膜的另一侧上设置保护层206。保护层206通过任何适合的工艺(比如溅射、热蒸发等)提供。优选地，该保护层的材料选自由Al₂O₃、Zr、Ta和Nb组成的群组，这是因为这些物质对含过氧化氢环境的耐受性。因此，应当理解的是，保护层206面向大气环境，即待杀菌的物体。

导热层204的厚度优选地在1到5微米之间，保护层206的厚度大体上小于1微米。优选地，保护层206的厚度大约是200nm。通过使窗箔106保持尽可能薄，电子输出被最大化。因此，保护层206的厚度应当被设计使得其能够保护Ti膜以免a)被特定应用中所提供的过氧化氢或其它侵蚀性化学试剂腐蚀，以及b)被由空气中的电子生成的等离子体腐蚀。进一步地，保护层206的厚度应当确保紧密性和物理强度，使得保护层206是挠性的以便在真空被施加时允许整个箔弯曲并顺应支撑板108的孔。另一参数会是密度，用于允许电子透射穿过保护层206。

通过在Ti箔的相对两侧上设置导热层204和保护层206，所述层中的应力可被减少。例如，如果用Al作为导热层且用Zr作为保护层，则设置在这些层之间的Ti箔会减少由加热引起的一些应力。这是因为Ti的热膨胀系数在Al和Zr的相应值之间的事实。

图3b示出了另一实施方式的箔106b。此处，导热层204和保护层206被设置在Ti膜202的相同侧上使得保护层206被直接涂布在导热层204上。该结构对电子束设备而言会是有利的，由此电子出射窗箔必须在进行涂层之前被安装到管状壳体，即不允许对Ti箔面向电子束设备内部的一侧涂层。

图3c和3d示出了类似于前面参考图3a和b所述的两个不同实施方式。但是，在图3c和3d中，保护层206包括不同材料的至少两个层：第一层208和第二层209。保护层206的第一层208和第二层209均选自由Al₂O₃、Zr、Ta和Nb或它们的合金组成的群组。但应当理解的是，层208、209中的每一个本身可以是两或更多保护层的夹层结构。

举例来说，腐蚀保护层206本身可以是多层结构，包括氧化物层、金属层、氧化物层、金属层，等等。根据具体实施方式，这样的多层结构可由第一ZrO₂层、第二Zr层、第三ZrO₂层和第四Zr层构成。这优点在于子层之一中的潜在破坏不会导致保护层206的整体腐蚀防护能力的显著下降。

为了实现电子出射窗箔的不同层/膜之间的良好粘合，可在界面处提供胶粘剂屏蔽涂层。这种涂层可以是Al₂O₃或ZrO₂的薄层，具有1到150nm之间、优选50到100nm之间的厚度。使用这种涂层的优点在于它们在Ti和导热层和/或保护层之间的界面防止物质的任何反应或扩散。反应或扩散可导致金属间化合物的形成，金属间化合物不利地改变所涉物质的特性。就薄Ti箔而言，它可使物理强度下降。进一步地，金属间化合物的存在可分别降低导热层204的热导率和保护层206的腐蚀防护能力。

图3e描述了类似于图3a的进一步的实施方式，但具有上述类型的屏蔽涂层。电子出射窗箔106e包括夹层结构，该夹层结构具有Ti膜、比Ti具有更高热导率的Al的第一层204和能够保护所述膜202避免被腐蚀环境破坏的Zr的挠性第二层206，其中第二层206面向腐蚀环境。

铝(Al)导热层204被设置在钛(Ti)箔的第一侧上。锆氧化物(ZrO₂)第一屏蔽涂层210a被设置在所述Ti膜202和所述Al层204之间。在Ti膜202的另一侧上设置锆(Zr)保护层206。在Ti膜和Zr层206之间提供锆氧化物(ZrO₂)第二屏蔽涂层210b。该实施方式的优点在于Ti箔202在一侧上由作为导热层的Al包围而在另一侧上由作为保护层的Zr包围。由于Ti的热膨胀系数在Al和Zr的相应值之间，所以在该箔加热过程中引起的一些应力可被减少。作为替代方式，屏蔽涂层210a、210b中的一者或二者可改由铝氧化物(Al₂O₃)构成。如果该屏蔽涂层基于导热层或保护层中所提供的物质，则这是一个优点。例如，如果保护层是锆而导热层是铝，则优选铝氧化物或锆氧化物用于屏蔽涂层。这是由于所述层由溅射机进行施加的事实。在这样的机器中采用溅射靶，每一个溅射靶用于应当被沉积的一种物质。同一个靶可被用于例如锆和锆氧化物二者。铝和铝氧化物亦是如此。因此，如果屏蔽涂层是腐蚀保护层或导热层中所使用的物质的氧化物，则会是优选的。

图3f示出了类似于图3b的实施方式，但具有屏蔽涂层。电子出射窗箔106f包括夹层结构，该夹层结构具有Ti膜、比Ti具有更高热导率的Al的第一层204和能够保护所述膜202避免被腐蚀环境破坏的Zr的挠性第二层206，其中第二层206面向腐蚀环境。导热层204和保护层206被设置在Ti膜202的相同侧上。在Ti膜202的顶部涂布第一屏蔽涂层210a。屏蔽涂层210a由铝氧化物(Al₂O₃)构成。铝(Al)导热层204被涂布在所述第一屏蔽涂层210a上。在导热层204上进而涂布第二屏蔽涂层210b。所述屏蔽涂层210b也由铝氧化物(Al₂O₃)构成。最后，由锆(Zr)构成的保护层206被涂布在所述第二屏蔽涂层210b上。作为替代方式，屏蔽涂层210a、210b中的一者或二者可改由锆氧化物(ZrO₂)构成。

在图3e和3f两种实施方式中，保护层206可以是多层结构，如联系图3c和3d所描述的。

上面参考一些实施方式对本发明进行了大体描述。但是，本领域技术人员容易理解，除了上面所公开的实施方式，其它实施方式同样可落在本发明的由所附专利权利要求限定的范围内。