电子束辐射装置 本发明涉及一种电子束辐射装置及方法，特别涉及用于去除包含在从例如火力发电站排出的废气中的有害成分的一种电子束辐射装置及电子束辐射方法。
据认为已成为全球性问题的由空气污染所导致的温室效应，酸雨及其它效应，源于如SOx、NOx等成分，它们包含在从例如热电站等排出的燃烧废气之中。已实践的一种去除如SOx、NOx等有害成分的方法是在燃烧废气上辐射电子束，由此进行去硫及去硝(去除有害成分如SOx、NOx等)。
图1示出了被用于以上应用的电子束发生装置的一个例子。燃烧废气处理装置主要构成为：产生高直流(DC)电压的电源10；在燃烧废气上辐射电子束的电子束辐射装置11；以及沿着作为由装置11辐射的电子束的出口的辐射窗15而安置的用于燃烧废气的流动通路19。从辐射窗15发射到外部的电子束在燃烧废气中辐射氧气(O2)及蒸气(H2O)的分子，其中辐射窗15的构成为例如一个钛薄膜等。通过接收辐射，这些分子变成自由基如OH、O、HO2等，它们具有很强地氧化能。这些自由基氧化有害成分如SOx、NOx等，并形成中间产物如硫酸，硝酸等。这些中间产物与预先注入的氨气(NH3)化学反应，并变成硫酸铵及硝酸铵。硫酸铵及硝酸铵被作为化肥的材料重新利用。通过使用这样的废气处理系统，可以从燃烧废气中去除有害成分如SOx，NOx等，并重新利用副产品如硫酸铵及硝酸铵，它们可被用作化肥的材料。
电子束发生装置11主要的构成有：热电子束发生源12如一热电子丝等；用于加速从热电子发生源12发射的电子的加速管13；用于向由加速管形成的高能电子施加磁场由此控制电子束的束直径的聚焦电磁铁16；以及用于向其束直径被控制的电子束施加磁场由此偏转电子束的扫描电磁铁17，这些元件被包括在封闭件18a及18b中并保持在高真空气氛中。由此形成的高能电子束通过由扫描电磁铁17施加的磁场被偏转和扫描，并从辐射窗15发射到废气的流动通路19的预定区域。
图2(a)示出了由普通聚焦电磁铁及扫描电磁铁形成的束的偏转和会聚。例如由热电子发生源12如灯丝等产生的热电子通过例如约1MV的高压在加速管13上被加速并会聚并变成高速电子束。然后，为了扩大或减小束直径，由聚焦电磁铁16控制束直径以便聚焦成具有恒定直径的电子束。在这种结构中，聚焦电磁铁16是一种结构为围绕主轴放置的环形线圈的电磁铁。通过聚焦电磁铁，在束轴方向上相对该轴对称形成一个电磁场，并且控制束直径与磁场的大小与方向相一致。为了上述目的，如图3(b)所示向该电磁铁施加一直流电IO。
这个由聚焦电磁铁16控制束直径的电子束由扫描电磁铁17向x和y方向扫描。在这种结构中，扫描电极17是一种电磁铁它包括可以将电子束向x和y方向偏转的两组磁极。通过控制向该电磁铁的线圈施加的电流的大小与方向，x及y方向的偏转角度被控制，电子束被扫描且电子束的辐射区域被控制。为止，如图3(a)所示向电磁铁线圈施加正弦AC电流IS。结果，在图2(b)中如所示的那样电子束对辐射窗15在左及右方向上被扫描。应注意到图2(a)中，竖直方向扫描为便于解释而被省略了。
然而，当电子束在x方向通过使用扫描电磁铁17扫描时，如果靠近最大扫描点A及B的偏转角是大的，则会产生这样一个问题即由于用该电磁铁产生的磁场的偏转效应，使得电子束的向出射角与其入射角不同并且由于类似凸镜的效应电子束会聚在一个集点上。换句话说，期望获得如图2(b)中虚线所示的均匀束图案，但是实际上，束的辐射特别地集中在位于图中阴影线部分的左端和右端的最大扫描点A和B上。当电子束集中在靠近上述的最大扫描位置A和B的位置上时，这些地方的能量密度增加并且其结果产生了这样一种问题即可能损坏辐射窗。而且，在靠近最大扫描所述位置A和B的地方形成没有被电子束辐射的一些区域。结果，不能充分地进行从燃烧废气中去除有害成分。
本发明可以解决上述问题。本发明的一个目标是提供一种电子束辐射装置，它可以避免电子束会聚于最大扫描点的问题并恒定地及完整地获得一个均匀能量密度的辐射区。
根据本发明的电子束辐射装置，包括：电子束源；用于加速从所述电子束源发射的电子的加速管；用于向由所述加速管形成的高能电子束施加磁场由此控制电子束的束直径的聚焦电磁铁；以及用于向所述电子束施加磁场以此使其束直径被控制的电子束被偏转和扫描的扫描电磁铁，该电子束辐射装置的特征在于与所述扫描电磁铁的电流同步的电流成分迭加在所述聚焦电磁铁的电流上，由此以所述束直径在所述扫描的最大点上变得最大这种方式控制所述聚焦电磁铁的电流。
根据本发明，通过在聚焦电磁铁的直流电流上迭加上与扫描电磁铁的电流同步的电流成分，控制聚焦电磁铁的电流使束直径在最大扫描点上即，在偏转角变得最大的点为最大，并在常规的扫描下，会聚束直径。通过上述措施，由于束直径在最大扫描点(即在最大偏转角的点)为最大，可以延伸明显焦距长度并避免束直径在辐射窗部分上会聚。结果，电子束的辐射密度在辐射窗部分变得均匀，可避免损坏辐射窗部分并且电子束从辐射窗部分均匀辐射，由此电子束均匀辐射燃烧废气并可以取得对有害成分的充分去除。
本发明进一步的特征在于所述扫描电磁铁的电流是正弦AC电流，所述聚焦电磁铁电流是通过在一DC电流上迭加上其频率是所述扫描电磁铁电流两倍的正弦AC电流而形成的，以及聚焦电磁铁的电流被同步控制使得所述束直径在所述扫描电磁铁电流的最大正值和负值处为最大。通过上面措施，束直径分别在正、负方向的扫描最大点为最大。
也可以是，所述扫描电磁铁的电流是三角波形AC电流，所述聚焦电磁铁的电流由在一DC电流上迭加上其频率为所述扫描电磁铁的电流两倍的三角波AC电流而形成的，这是可能的，并且同步控制聚焦电磁铁的电流以便使所述束直径在所述扫描电磁铁的电流的正负方向最大值上最大化，这也是可能的。通过上述措施，束直径也可以分别在正及负方向上的最大扫描点被最大化。
根据本发明的辐射电子束的方法，其特征包括步骤：通过向电子施加第一磁场控制高能电子束的束直径；向所述电子束施加第二磁场来偏转并扫描其直径被控制的所述电子束，并且控制所述第一磁场来使所述束直径在扫描最大点上最大化。应该明白，扫描电磁铁的电流波形不限于上述正弦及三角波形状，而且无需说明，在辐射窗上施加均匀束图案的任何电流波形都可取得该目标。
通过上述措施，甚至在扫描具有相对大的偏转角的高能电子束的场合，克服电子束会聚的问题由此用均匀能量密度的电子束辐射宽的扫描表面成为可能。结果在如可用于废气处理的电子束辐射装置这样的应用中，可以向相对大的辐射表面施加均匀密度的电子束。而且，可以使偏移角更大，由此降低装置的尺寸。当将本发明应用于各种使用电子束的装置如除了用于废气处理的电子束辐射装置外的电子束焊接装置，扫描电子显微镜等时，可期望取得类似效应。
本发明的其它目标当参照附图时从下列详细描述本发明的实施例可变得很明显。
图1示意性示出使用电子束辐射装置的现有废气处理装置。
图2(a)是现在技术的示意图，示出电子束如何被偏转，而图2(b)示出了电子束的辐射图案。
图3(a)说明扫描电磁铁的电流，而图3(b)示出现有技术中聚焦电磁铁的电流。
图4(a)示出根据本发明的电子束辐射装置的第一实施例的结构，示出电子束如何被偏转，而图4(b)示出了图4(a)所示电子束的辐射图案。
图5(a)说明本发明带扫描电磁铁的电流，而图5(b)示出本发明第一实施例的聚焦电磁铁的电流。
图6(a)说明本发明第二实施例的扫描电磁铁的电流，而图6(b)示出本发明第二实施例的聚焦电磁铁的电流。
图7(a)说明本发明第三实施例的扫描电磁铁的电流，而图7(b)示出本发明第三实施例的聚焦电磁铁的电流。
将参照图4(a)至7(b)来描述本发明的实施例。在这些图中，相同的标号代表相同或等同组件。
图4(a)示出由根据本发明的一个实施例的聚焦电磁铁和扫描电磁铁形成的电子束，而图4(b)示电子束在辐射表面的辐射图案。图5(a)说明根据本发明第一实施例的扫描电磁铁的电流，并且图5(b)示出根据本发明第一实施例的聚焦电磁铁的电流。电子束辐射装置11的构成为：电子束源12，加速管13，聚焦电磁铁16，及扫描电磁铁17。通过扫描电磁铁17的磁场所加速并扫描的电子束从辐射窗15发射这种结构与现有技术相同。而且与现有技术相类似，装置11被构造成在加速管13中使用约1MV的高电压来加速具有高速度的电子束，用聚焦电磁铁来控制电子束的束直径并将其束直径被控制的电子束偏转至预定区域来扫描。扫描宽度在较长方向(x方向)为约3-4米并在较短方向(y方向)约为30-40厘米。
在本发明中，在辐射装置中，将一个与扫描电磁铁的AC电流IS同步的电流成分迭加在聚焦电磁铁的DC电流IO上。图5(a)示出了被施加到电磁铁线圈以用于x方向扫描的AC电流IS。通过向扫描电磁铁线圈施加正弦电流进行x方向扫描。当被施加到扫描电磁铁的线圈的正弦电流值变成最大值时，形成最大磁场，由此电子束偏转角变成最大而电子束扫描点位于图4(b)右端最大点A。当正弦电流值变成最大负值时，电子束的扫描点位于图4(b)左端最大点B。要注意，虽然在Y方向扫描也进行，与束直径的会聚相关问题并不发生，因为Y方向的扫描宽度比x方向的扫描宽度窄。
另一方面，被施加给聚焦电磁铁17线圈的是电流IF，它由在DC电流IO上迭加一个频率为电流IS的两倍并与之同步的AC电流成分而形成。换句话说，聚焦电磁铁的DC电流IO被控制来加大束直径，并且在该DC电流IO上来迭加频率为扫描电磁铁17的电流IS两倍的AC电流，以这样一种方式即这个AC电流的最大值分别与扫描电磁铁17的正弦电流的最大正和负点A与B同步。
通过上述措施，在由扫描电磁铁17偏转电子束向右及向左到达的最大点A与B，向聚焦电磁铁16施加的电流IF变成最大并且，在此时，束直径变成最大。由此，电子束进入扫描电磁铁17的磁场并被偏转时，电子束的入射是被发散的，并且结果视在焦距被延长，由此避免了电子束在辐射窗15上的会聚。结果，可以避免在现有技术中发生在大偏转角度上的电子束的集中现象，并可以获得图4(b)所示的恒定能量密度，不考虑扫描位置。结果，由电子束在辐射窗15上会聚引起的问题如由燃烧引起的损坏被防止。
图6(a)说明根据本发明第二实施例的扫描电磁铁的电流，而图6(b)示出根据本发明的第二实施例的聚焦电磁铁的电流。在这个实施例中聚焦电磁铁的电流的DC分量IO是用于减少束直径的控制电流。因此，将频率为电流IS的两倍的正弦AC电流迭加到DC电流IO上，迭加方式为与扫描电磁铁的电流IS的正弦波的正与负峰值A与B同步，以便使聚焦电磁铁的电流IF最小。通过上述结构，束直径在电流IS的正弦波的正与负最大点即在最大扫描值A与B上变为最大，因而，在扫描电磁铁17的磁场变为最大而束直径已准备会聚时，束直径被加大且视在焦距被延长，由此避免在辐射窗15上电子束的会聚问题。应注意到由于在靠近扫描电磁铁的电流IS的零点位置，偏转角为零，聚焦电磁铁的电流IF等于IO并返回原始束直径。
图7(a)说明本发明第三实施例的扫描电磁铁的电流，而图7(b)示出本发明第三实施例的聚焦电磁铁的电流。在这个实施例中，如图7(a)所示三角形波形(锯齿波形)被用于由扫描电磁铁17进行的x方向扫描。即，由聚焦电磁铁16控制束直径的电子束所进入的扫描电磁铁17的磁场相对于时间从贡负方向到正方向呈线性变化。因而，在图7(b)中电子束在时间轴上从点A到点B也近似线性地被偏转及扫描。由此原因，如图7(b)所示与扫描电磁铁的电流同步的三角波也被用作聚焦电磁铁16的电流IF。即在这个实施例中，DC电流成分IO是用于控制会聚束直径的电流，而聚焦电磁铁16的电流与扫描电磁铁17的电流IS同步以形成三角波，使得三角波在点A与B变成最小。由此，通过聚焦电磁铁16控制束直径在扫描点A与B成为最大。通过上述结构，可以避免在最大扫描点A与B上束直径的会聚的问题，避免辐射窗损坏并象上述那些实施例那样，向整个辐射表面施加均匀能量密度的电子束。
在上述实施例中，描述了本发明作为用于废气处理系统的电子束辐射装置，但是，本发明的要点是避免被由电子束在扫描时伴随偏移角造成电子束的聚焦现象。因此，本发明的思想可被广泛用于各种使用电子束的装置如电子束焊接装置，扫描电子显微镜等。
如上所述，根据本发明，可以避免电子束的会聚问题并且即使扫描具有相对宽偏转角的高能电子束，也可以取得在宽的扫描区域上具有均匀能量密度的电子束的辐射。
虽然已详细描述并图解了本发明，应清楚地理解到这只是通过图解与举例方式来描述和图解了本发明。