JP6471682B2 - 電子ビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属ストリップに電子ビームを連続的に照射し金属ストリップの特性を改善する際に用いる、電子ビーム照射装置に関するものである。特に、方向性電磁鋼板の表面に電子ビームを照射して磁区細分化を施すことにより鉄損を改善する際に好適の電子ビーム照射装置に関するものである。

金属ストリップの典型例である、方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損の低いことが求められている。そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を(110)[001]方位（いわゆる、ゴス方位）に高度に揃えることや、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位を制御することや、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性（歪）を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザーを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることによって、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。また、特許文献２には、電子ビームを照射することにより、磁区幅を狭くして鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。この電子ビーム照射により鉄損を低減する方法では、電子ビームの走査を磁場制御によって高速に行うことが可能である。したがって、レーザーの光学的な走査機構に見られるような機械的な可動部がないことから、特に１ｍ以上の広い幅のストリップに対して、連続かつ高速でビームを照射処理する場合に有利である。

ここで、金属ストリップに電子ビームを照射するとＸ線が発生するため、金属ストリップを導入する真空槽の壁面に沿って鉛などのＸ線を吸収するシールド層を設けて遮蔽することが、特許文献３に開示されている。

特公昭57−2252号公報 特公平６−72266号公報 特開平６−109900号公報

前述のように、シールド層を設ける場合では、電子ビームが照射される部分の真空槽中央部では発生した多量のＸ線を真空槽壁面のシールド層のみで十分遮蔽できるものの、方向性電磁鋼板のように長尺な帯状体に電子ビームを照射する場合は、必ず真空槽に鋼板（鋼帯）を搬入・搬出する開口部が必要となるので、その開口部からのＸ線の漏洩が問題となる。また、シールド層は、鉛のような重金属の板を厚く張りめぐらす必要があるが、真空槽のサイズが大きくなる場合、シールドする範囲も広くなり、設備の重量やコストが過大になるという問題もあった。

そこで、本発明は、電子ビームの照射に伴って発生するＸ線の遮蔽を、開口部を有する真空槽においても、より確実に行うための手法について提案することを目的とする。

発明者らは、従来のように、単に真空槽の内壁面にシールド層を設けるだけではなく、そのシールド層の表面に特定の凹凸を設けることによって、Ｘ線漏洩を確実に遮断可能であることを知見した。さらに、その表面をＸ線が透過する材質で覆うことにより、真空槽内面の清掃など、メンテナンスに支障がなくＸ線の開口部からの漏洩を防止できることも見出した。

すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．金属ストリップが通る少なくとも１つの開口部を有する真空槽と、該真空槽内を通る金属ストリップの搬送路に向けて設置する電子銃と、を備え、
前記真空槽の内壁面に、前記電子銃からの電子ビーム照射に伴うＸ線の前記真空槽外への漏洩を遮断するシールド層を設け、
該シールド層の少なくとも一部は、凹凸状の表層部を有することを特徴とする電子ビーム照射装置。

２．前記凹凸状の表層部は、少なくとも前記開口部の内側領域に設けることを特徴とする前記１に記載の電子ビーム照射装置。

３．前記凹凸状の表層部は、断面が三角形状の凸部を有することを特徴とする前記１または２に記載の電子ビーム照射装置。

４．前記シールド層は、前記凹凸状の表層部を覆ってＸ線を透過する被覆層を有することを特徴とする前記１、２または３に記載の電子ビーム照射装置。

本発明によれば、真空槽に開口部が設けられていても十分にＸ線を遮蔽することができる。従って、設備の重量、およびコストが増大することなく、方向性電磁鋼板を典型例とする金属ストリップに対する処理能力を向上させて生産性を高めることが可能である。

電子ビーム照射装置の構造を示す図である。 本発明の電子ビーム照射装置のシールド層の構造を示す図である。 本発明と従来技術のシールド層の構造を比較する図である。 本発明の電子ビーム照射装置のシールド層の他の構造を示す図である。 本発明の電子ビーム照射装置のシールド層の他の構造を示す図である。

本発明は、金属ストリップに対して連続的に電子ビームを照射する装置に適用するものである。この種の装置としては、例えば図１に示すように、大気圧中の金属ストリップＳを導入する真空槽１を備え、この真空槽１の金属ストリップＳの入側および出側にはそれぞれ該金属ストリップＳを通すための開口部２ａおよび２ｂを有し、さらに開口部２ａおよび２ｂを覆って金属ストリップＳの入側および出側にて延びる差圧室３ａおよび３ｂを有する。これら差圧室３ａおよび３ｂを介在させて真空槽１内を低圧に保持している。また、真空槽１には、電子銃４が金属ストリップＳの搬送路Ｒに向けて設置され、金属ストリップＳに向けて電子ビームを照射可能にしている。

ここで、電子ビームを照射する真空槽１内の圧力は10Pa以下とすることが、電子ビームの散乱防止に有効である。一方、圧力の下限は特に必要はないが、真空ポンプや差圧室の能力から、一般的には0.01Pa以上とされる。差圧室を用いず、コイルを含む全設備を真空状態にする方法も取り得るが、図１に示す差圧方式の方が真空設備の規模を小さくすることができて有利である。

この電子ビーム照射装置を用いて、例えば方向性電磁鋼板に対して磁区細分化処理を施すには、図１に示すように、方向性電磁鋼板（金属ストリップ）Ｓに向けて、電子銃４で電子ビームを照射する。すなわち、方向性電磁鋼板の鉄損低減のためには、照射位置でのビーム径を例えば0.05〜１mm程度に収束させた電子ビームを、鋼板の幅方向（圧延方向と交差する方向）に走査して、線状に熱歪みを導入する。その際、電子ビームの出力は10〜2000Ｗ、走査速度は１〜100m/sとして、さらに単位長さ当たりの出力が１〜50J/mになるように調整し、線状に１〜20mm間隔で照射するのが好適である。

かような電子ビーム照射装置において、電子ビーム照射に伴ってＸ線が不可避に発生する。その際、真空槽１外側へのＸ線漏洩を抑制することが安全上重要である。そのためには、真空槽１の内側（または外側）にＸ線吸収能をもつ、例えば鉛板をシールド層５として設けることが通例である。このシールド層５により、例えば、真空槽１外部へのＸ線漏洩量を３か月の労働時間当たり1.3ミリシーベルト以下にすることができれば、放射線管理区域を装置外部に設ける必要がなくなり、操業管理上有利である。

ところで、金属ストリップに対する電子ビーム照射処理における、単位時間当たりの処理量を増加させるためには、電子ビームの走査速度を上げる必要がある。所定の照射量を確保したまま走査速度を上げるには、電子ビームの出力を上げる必要があるため、電子線照射位置で発生するＸ線の強度も増加することになる。特に、上記したように、真空槽には連続して金属ストリップを搬入、搬出する必要があるため、開口部２ａおよび２ｂが設けられている。これら開口部には当然シールド層を設けることができないため、電子ビームの照射により発生するＸ線が、開口部から漏洩する可能性が高くなる。Ｘ線漏洩量を安全上、問題ないレベルまで減衰させようとすると、電子ビームの照射域である真空槽１の中央部から開口部までの距離を大きくとる必要がある。その場合、真空槽のサイズが大きくなり、シールド層で覆われる真空槽内面の面積も増大するため、真空槽全体の重量が増加し、設備を支持する架構が大規模になり、設備コストが増加することになる。

さらには、シールド層の材料そのもののコストも増加する上、過大なサイズとなった真空槽は形状の歪みを生じやすくなり、真空槽内への空気漏れが生じやすくなるなどの問題も懸念される。したがって、設備コストや設備構造上から可能となる範囲でＸ線の遮蔽をはかることが余儀なくされる。以上の制約の下では、上記した処理量の増加を進めることは難しいため、結局、製造能力は制限されることになる。

そこで、本発明では、電子ビーム照射装置において、単に真空槽の内壁面にシールド層を設けるだけではなく、そのシールド層の表層に凹凸形状を与えることによって、電子銃による処理速度が大きくなってＸ線の発生量が増大した場合にあっても、特に真空槽の開口部に至るＸ線の強度を低下させてＸ線の漏洩を抑制し、結果として、処理量の増加を実現するものである。

具体的には、図２に示すように、図１に示した電子ビーム照射装置において、シールド層５の真空槽内部側の表層５ａを凹凸状、例えば図２（ｂ）に示す金属ストリップ搬送方向断面が二等辺三角形状の凸部または、図２（ｃ）に示す金属ストリップ搬送方向断面が直角三角形状の凸部など、金属ストリップ搬送方向と直交する向きを軸方向とする三角柱状の凸部の列が金属ストリップ搬送方向に並列する、凹凸形状を与えることによって、真空槽１中央部での金属ストリップＳへの電子ビーム照射によって発生するＸ線を凹凸により散乱させることができる。この散乱作用によりＸ線を減衰させて、真空槽１の開口部２ａおよび２ｂでのＸ線強度を低下させて、開口部２ａおよび２ｂからのＸ線の漏洩を抑制する。

すなわち、図３（ｂ）に示す従来例のように、シールド層50の表面に凹凸を設けない場合は、Ｘ線がシールド層50に十分に吸収されず、吸収されずに反射もしくは散乱したＸ線が開口部に到達することによって開口部でのＸ線強度が高くなり、開口部からのＸ線の漏洩量が多くなる。一方、図３（ａ）に示すように、シールド層５の表面に凹凸を設けた場合には、Ｘ線が開口部に至るまでのＸ線の反射・散乱の回数が多くなり、Ｘ線のシールド層５への吸収効率も高くなるため、開口部に達するＸ線の強度は低くなり、開口部からのＸ線の漏洩量が少なくなる。

ここで、シールド層５の表層５ａに与える凹凸は、上記した図２（ｂ）および図２（ｃ）に示した、横向きの三角柱を並べた凹凸形状がＸ線を散乱させて、真空槽の開口部においてＸ線強度を低下させるような構造であればよいが、シールド層５の好適な形態としては、次のとおりである。
まず、凹凸形状を与える表層５ａの厚みｔは、真空槽の形状や内部空間の大きさに応じて、Ｘ線の低減効果を生じるよう、適宜設定することが好ましい。この表層５ａの厚みは、そのまま凸部の高さになる。
また、凸部が図２に示した断面三角形状である場合、その三角の真空槽中央部側の面の仰角の角度αは１５°以上９０°以下とすることが好ましい。なぜなら、そのような仰角とすることで反射したＸ線を真空槽の中央部に戻すことができるからである。
さらに隣り合う三角形状部分の間に平面部分が形成されていてもよいが、この平面部分で真空槽の中央部からのＸ線が反射することのないように、隣り合う三角形状部分のストリップ搬送方向での間隔を調整することが好ましい。なぜなら、Ｘ線がこの平面部で反射するとＸ線が開口部に到達し、Ｘ線が漏洩しやすくなるからである。なお、前記間隔は三角形状部分の大きさ（表層の厚みｔ）や真空槽中央部から入側（出側）にかけての内部の構造によって適宜調整すればよいが、間隔（平面部）を設けずに三角形状部分を連続して設けることがより好ましい。

図２に示した凹凸は、横向きの三角柱を並べた形状であるが、必ずしも三角柱状に連続している必要はなく、軸長の短い三角柱を軸方向に並べて各列を構成してもよい。あるいは、シールド層５の表層５ａを、図４に示すような、その端部が開口部側に傾斜した板状体もしくはその集合体とすることも可能である。これらの形態においても、上記した厚みｔ、角度αおよび頂点の相互間隔ｄは、上記した範囲とすることが好ましい。

なお、シールド層５を凹凸形状とする領域は、少なくとも開口部から真空槽の内側の一部に形成するものであってもよい。なぜなら、真空槽の形状によっては、内側の一部に形成してＸ線の真空槽開口部への到達を防止することもできるからである。勿論、真空槽の内壁の全面を凹凸形状としてもよい。

さらに、図５に示すように、シールド層４の表層に凹凸を設けたうえで、この表層域を、Ｘ線を透過する材料からなる被覆層５ｂによって覆って、シールド層４の表面を平坦に整えることも可能である。この被覆層５ｂを設ければ、例えば真空槽１内部の清掃や修理等のメンテナンスが容易に実施できるため好ましい。ちなみに、Ｘ線を透過する材料は、例えば樹脂や薄鋼板などの金属を用いることができる。

なお、図１では電子銃を一台設けた例を示したが、電子銃を複数台設けてもよく、その場合、隣り合う電子銃を区画する隔壁を設けてもよく、その隔壁にシールド層を設け、その表層に凹凸を設ける構造としてもよい。

また、シールド層は、鉛のほか、スズ、アンチモン、タンタル、タングステンおよびビスマス等の重金属や、ストロンチウム、バリウムおよびランタノイド等の重元素の化合物を含有するシート等を用いることができる。

１ 真空槽
２ａ、２ｂ 開口部
３ａ、３ｂ 差圧室
４ 電子銃
５ シ−ルド層
５ａ 表層
５ｂ 被覆層
Ｓ 金属ストリップ
Ｒ 搬送路

Claims (3)

1. 方向性電磁鋼板が通る少なくとも１つの開口部を有する真空槽と、該真空槽内を通る方向性電磁鋼板の搬送路に向けて設置する電子銃と、を備え、
   前記真空槽の内壁面に、前記電子銃からの電子ビーム照射に伴うＸ線の前記真空槽外への漏洩を遮断するシールド層を設け、
   該シールド層の少なくとも一部は、凹凸状の表層部を有し、
   前記シールド層は、前記凹凸状の表層部を覆って表面を平坦にしＸ線を透過する被覆層を有することを特徴とする電子ビーム照射装置。
2. 前記凹凸状の表層部は、少なくとも前記開口部の内側領域に設けることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
3. 前記凹凸状の表層部は、断面が三角形状の凸部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電子ビーム照射装置。
   
   

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