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電子ビーム処理または電子照射とは、通常は高エネルギーの電子を用いて、様々な目的で対象物を処理するプロセスです。この処理は、高温および窒素雰囲気下で行われる場合があります。電子照射の用途としては、滅菌、宝石の色調変化、ポリマーの架橋などが挙げられます。
電子のエネルギーは、必要な透過深度に応じて、通常keVからMeVの範囲で変化します。照射線量は通常グレイ（Gy）で測定されますが、 Mrad（1 Gyは100 radに相当）でも測定されます。
一般的な電子ビーム加工装置の基本構成要素には、次のものが含まれます。[ 1 ]電子銃（陰極、グリッド、陽極から構成）は、一次ビームを生成および加速するために使用されます。また、電子ビームが加工対象物（「ワークピース」）に衝突する方向を制御するために使用される磁気光学（集束および偏向）システムも含まれます。動作中、銃の熱陰極から放出された電子は、銃の電極構成（グリッドと陽極）によって確立された静電場の形状によって加速され、平行ビームに整形されます。電子ビームは、陰極に印加される負の高電圧（銃の動作電圧）の値に等しいエネルギーで、接地平面陽極の出口穴から銃アセンブリから出てきます。このように直接高電圧を使用して高エネルギー電子ビームを生成することで、入力電力からビーム電力への変換効率が95%以上となり、電子ビームによる材料加工は非常にエネルギー効率の高い技術となります。銃から出たビームは、電磁レンズと偏向コイルシステムを通過します。レンズは、ワークピース上に集束または拡散されたビームスポットを生成するために使用され、偏向コイルは、ビームスポットを固定位置に配置したり、何らかの振動運動を与えたりするために使用されます。
ポリマーでは、電子ビームを材料に照射することで、鎖切断（ポリマー鎖が短くなる）や架橋などの効果を誘発することができます。その結果、ポリマーの特性が変化し、材料の用途範囲が拡大することが期待されます。照射の効果には、結晶性や微細構造の変化も含まれます。通常、照射プロセスによってポリマーは劣化します。照射されたポリマーは、 DSC、XRD、FTIR、またはSEMを使用して特性評価されることがあります。[ 2 ]
ポリ（フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン）共重合体では、高エネルギー電子照射により強誘電相-常誘電相転移のエネルギー障壁が低下し、材料中の分極ヒステリシス損失が低減される。[ 3 ]
電子ビーム処理とは、高エネルギー電子ビーム加速器を用いて製品を照射（処理）するプロセスである。電子ビーム加速器はオンオフ方式を採用しており、一般的な設計はブラウン管テレビに類似している。
電子ビーム加工は、産業界では主に3つの製品改良に用いられています。
ナノテクノロジーは、科学と工学において最も急速に成長している新しい分野の一つです。放射線はこの分野で初期から応用されてきたツールであり、原子やイオンの配置は長年にわたりイオンビームや電子ビームを用いて行われてきました。新しい応用分野としては、ナノクラスターやナノコンポジットの合成が挙げられます。[ 5 ]
電子ビーム処理によるポリマーの架橋により、熱可塑性材料が熱硬化性材料に変化する。[ 2 ] [ 6 ]ポリマーが架橋されると、分子の動きが著しく阻害され、ポリマーは熱に対して安定する。この分子の結合は、架橋のすべての利点の起源であり、次の特性の改善も含まれる。[ 7 ]
架橋とは、化学処理または電子ビーム処理によって誘発される結合ネットワークによって隣接する長い分子が相互に結合した状態を指します。熱可塑性材料の電子ビーム処理は、引張強度の向上、耐摩耗性、耐応力亀裂性、耐溶剤性の向上など、さまざまな特性向上をもたらします。膝や股関節などの人工関節は、広範な研究により優れた耐摩耗特性が実証されているため、架橋超高分子量ポリエチレンから製造されています。 [ 8 ]
電子線照射プロセスで架橋される一般的なポリマーには、ポリ塩化ビニル（PVC）、熱可塑性ポリウレタンおよびエラストマー（TPU）、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリアミド／ナイロン（PA66、PA6、PA11、PA12）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリメチルペンテン（PMP）、ポリエチレン（LLDPE、LDPE、MDPE、HDPE、UHMW PE）、およびエチレン酢酸ビニル（EVA）やエチレンテトラフルオロエチレン（ETFE）などのエチレン共重合体が含まれます。一部のポリマーは、ポリマーの照射架橋性を高めるために添加剤を使用します。[ 9 ]
電子ビーム架橋部品の一例として、RoHS指令で要求される鉛フリーはんだによるはんだ付けに必要な高温に耐えるように設計されたポリアミド製のコネクタが挙げられる。[ 10 ]
PEXと呼ばれる架橋ポリエチレンパイプは、新しい住宅建設における給水管の銅パイプの代替として一般的に使用されています。PEXパイプは銅よりも長持ちし、多くの点で銅よりも優れた性能特性を持っています。[ 11 ]
発泡体は電子ビーム処理によっても製造され、高品質で微細な気泡構造を持ち、見た目にも美しい製品が作られる。[ 12 ] [ 13 ]
発泡体や熱成形部品の製造に使用される樹脂ペレットは、架橋やゲル化が起こる場合よりも低い線量レベルで電子ビーム処理することができる。ポリプロピレンやポリエチレンなどのこれらの樹脂ペレットは、ポリマーの「溶融強度」が増加するため、低密度の発泡体やその他の部品の製造に使用できる。[ 14 ]
鎖切断またはポリマー分解は、電子ビーム処理によっても達成できます。電子ビームの効果によりポリマーが分解し、鎖が切断され、分子量が低下します。ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）で観察された鎖切断効果は、スクラップや規格外材料から微細な粉末を作るために使用されています。[ 4 ]
鎖切断とは、分子鎖を分解して必要な分子サブユニットを生成するプロセスである。電子ビーム処理は、通常鎖切断を開始するために用いられる強力な化学薬品を使用せずに鎖切断を可能にする。
このプロセスの一例として、木材から抽出したセルロース繊維を分解して分子を短くし、生分解性洗剤やダイエット食品の代替品を製造するための原料を得ることが挙げられる。
「テフロン」（PTFE）も電子ビーム処理されており、インクや自動車産業のコーティング剤として使用できる微粉末に粉砕することができる。[ 15 ]
電子ビーム処理は、細菌などの生物のDNA鎖を切断する能力があり、微生物を死滅させ、それらが生息する空間を無菌状態にします。電子ビーム処理は、医療製品や食品の無菌包装材料の滅菌、穀物、タバコ、その他の未加工のバルク作物から生きた昆虫を除去する殺虫に使用されています。[ 16 ]
電子線による滅菌は、現在使用されている他の滅菌方法に比べて大きな利点があります。このプロセスは迅速で信頼性が高く、ほとんどの材料と互換性があり、処理後に隔離する必要もありません。[ 17 ]酸化作用に敏感な材料や製品の場合、電子線照射の放射線耐性レベルはガンマ線照射よりもわずかに高くなる可能性があります。これは、電子線照射の線量率が高く、照射時間が短いため、酸素の劣化作用が軽減されることが示されています。[ 18 ]