特開 2024-21776 超伝導クライオモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024021776

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】超伝導クライオモジュール

(51)【国際特許分類】

   H05H 7/20 20060101AFI20240208BHJP

   H05H 9/00 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

H05H7/20

H05H9/00 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022124853

(22)【出願日】2022-08-04

(71)【出願人】

【識別番号】309036221

【氏名又は名称】三菱重工機械システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高木 周

(72)【発明者】

【氏名】重岡 伸之

(72)【発明者】

【氏名】菅野 東明

(72)【発明者】

【氏名】原 博史

(72)【発明者】

【氏名】宮本 明啓

(72)【発明者】

【氏名】仙入 克也

(72)【発明者】

【氏名】松田 竜一

【テーマコード（参考）】

2G085

【Ｆターム（参考）】

2G085BA07

2G085EA02

(57)【要約】

【課題】小型化を実現することが可能な超伝導クライオモジュールを提供すること。
【解決手段】本開示に係る超伝導クライオモジュール１は、電子を加速するセル部１２２と、セル部１２２から電子の入射側に延びるビームパイプ部１２１Ａと、セル部１２２で加速された電子を放出する放出部とを有する超伝導加速空洞１２と、超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１Ａの内部に位置し、かつ、超伝導加速空洞１２のビーム軸ＢＡと同軸上に位置し、セル部１２２に電子を放出する電子銃１１と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子を加速するセル部と、前記セル部から電子の入射側に延びるビームパイプ部と、前記セル部で加速された電子を放出する放出部と、を有する超伝導加速空洞と、
前記超伝導加速空洞の前記ビームパイプ部の内部に位置し、かつ、前記超伝導加速空洞のビーム軸と同軸上に位置し、前記セル部に電子を放出する電子銃と、
を備える超伝導クライオモジュール。

【請求項2】

前記電子銃は、熱電子放出型電子銃であり、
前記電子銃は、電子を放出する陰極の周囲に、電子が通過するビームホールが形成され、前記陰極を囲って形成された複数の金属板を含む熱遮蔽板部を備える、
請求項１に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項3】

前記超伝導加速空洞に高周波電力を供給するＲＦ入力カプラと、をさらに備え、
前記ＲＦ入力カプラは、
前記電子銃の最外殻に接続される中央部と、
前記ビームパイプ部に接続される外周部と、を備え、
前記ビームパイプ部が外導体、前記電子銃の最外殻が内導体をなすことで形成された同軸構造によって、前記超伝導加速空洞へ高周波電力を伝搬する、
請求項１又は２に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項4】

前記電子銃は、陽極に一部が切り抜かれた切り欠き部と、をさらに備え、
前記切り欠き部を介して、前記電子銃の陰極から放出される電子に対して電場を付与する高周波電力が供給され、
前記高周波電力を制御することで、前記電子銃の陰極から放出される電子の引き出し、及び加速が制御される、
請求項３に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項5】

前記電子銃は、陽極と熱遮蔽板部を構成する金属板の間に誘電体を備える、
請求項２又は４に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項6】

前記電子銃は、陽極と熱遮蔽板部を構成する金属板の間に誘電体を備える、
請求項３に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項7】

前記電子銃は、電界放射型電子銃であり、
エミッタと、引き出し電極と、加速電極とを備え、エミッタから放出された電子を、引き出し電圧により引き出し、加速電極による加速電圧により前記電子を加速する、
請求項１に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項8】

前記電子銃は、光電子放出型電子銃であり、
陰極にレーザ光を照射し、光電効果を利用して、電子を放出する、
請求項１に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項9】

前記電子銃は、陰極の先端部が、前記セル部の入口部分よりも前記電子の移動方向の上流側に離れた位置に配置される、
請求項１に記載の超伝導クライオモジュール。

【請求項10】

前記超伝導加速空洞に接続され、前記超伝導加速空洞を冷却する冷却機と、をさらに備え、
前記冷却機は、前記超伝導加速空洞と接続する接続部を有し、
前記冷却機は、前記冷却機の中心軸と、前記超伝導加速空洞のビーム軸のなす角度が直角、かつ、ねじれの位置に配置される、
請求項１に記載の超伝導クライオモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超伝導クライオモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導加速器は、超伝導加速空洞の内側の空洞壁に超伝導薄膜を成膜することで、４Ｋ運転が可能となり、大規模な極低温冷却システムが不要となる。そのため、導入コスト低減、装置の小型化等を実現することができる。例えば、特許文献１には、ギフォード・マクマホン冷凍機の冷却ステージと超伝導加速空洞を伝熱部材で連結することで冷却する伝熱冷却方式を採用した超伝導加速高周波クライオモジュールが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０２１－５０７５４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の超伝導加速高周波クライオモジュールでは、入射ビーム管と出射ビーム管が超伝導加速空洞の外部に設けられることから超伝導加速高周波クライオモジュールのサイズが大きくなっている。本開示は上記課題を鑑み、小型化を実現することが可能な超伝導クライオモジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る超伝導クライオモジュールは、電子を加速するセル部と、前記セル部から電子の入射側に延びるビームパイプ部と、前記セル部で加速された電子を放出する放出部とを有する超伝導加速空洞と、前記超伝導加速空洞の前記ビームパイプ部の内部に位置し、かつ、前記超伝導加速空洞のビーム軸と同軸上に位置し、前記セル部に電子を放出する電子銃と、を備える。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、小型化を実現することが可能な超伝導クライオモジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本開示に係る超伝導クライオモジュールの超伝導加速空洞の全体図である。

【図2】図２は、本開示に係る超伝導クライオモジュールの超伝導加速空洞の図１におけるＡ－Ａ断面図である。

【図3】図３は、本開示に係る超伝導クライオモジュールの電子銃の構成例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下に、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本開示が限定されるものではない。

【0009】

（第１実施形態）
（超伝導クライオモジュールの構成）
図１は、本開示に係る超伝導クライオモジュールの構成例を示す模式図である。図１に示すように、超伝導クライオモジュール１は、電子銃１１と、超伝導加速空洞１２と、熱シールド１３と、磁気シールド１４と、真空槽１５と、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）入力カプラ１６と、真空バルブ１７と、冷却機１８を備える。

【0010】

電子銃１１は、超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１の内部に位置し、かつ、超伝導加速空洞１２のビーム軸ＢＡと同軸上に位置し、セル部１２２に電子を放出する。本実施形態において、ビーム軸ＢＡは、超伝導加速空洞１２の中心軸である。超伝導加速空洞１２において、電子は当該ビーム軸ＢＡに沿って移動する。第１実施形態に係る超伝導クライオモジュール１においては、電子銃１１には、熱電子放出型電子銃が用いられる。熱電子放出型電子銃は、陰極を加熱することで、陰極を形成する金属から自由電子を放出し、放出された電子を陽極に印加された電位によって引き出すことにより、電子を放出する。電子銃１１の構成については後述して説明する。

【0011】

超伝導加速空洞１２は、超伝導性を示す材料によって形成され、高周波電力を印加されることにより形成される電場により電子を加速する空洞である。超伝導加速空洞１２は、例えば、高純度ニオブにより作製することが一般的である。高周波電力による電磁場のエネルギーは、超伝導加速空洞１２の空洞壁を構成する金属の抵抗発熱により消費される。そのため、超伝導加速空洞１２の空洞壁を構成する金属を超伝導状態とすることにより、抵抗発熱を抑制し、電磁場のエネルギー損失を抑制することができる。高純度ニオブは、９．２Ｋにおいて超伝導状態を示すことから、超伝導加速空洞１２の材料として好適である。

【0012】

超伝導加速空洞１２は、電子を加速するセル部１２２と、セル部１２２から電子の入射側に延びるビームパイプ部１２１Ａと、セル部１２２で加速された電子を放出する放出部１２１Ｂと、を有する。ビームパイプ部１２１Ａは、セル部１２２に接続され、内部に電子銃１１がビーム軸ＢＡと同軸上に配置される。ビームパイプ部１２１Ａは、管形状であり、セル部１２２への電子の投入口としての役割を果たす。セル部１２２は、超伝導加速空洞１２の空洞壁における高周波電力のエネルギー損失が小さくなるように形状が決定される。セル部１２２は、例えば、楕円形状に形成されてよい。放出部１２１Ｂは、セル部１２２に接続され、セル部１２２において加速された電子が流入し、流入した電子を外部に放出する。放出部１２１Ｂは、例えば、管形状に形成されてよい。

【0013】

熱シールド１３は、室温雰囲気にある真空槽１５などから超伝導加速空洞１２へ放射される輻射熱を遮断する。熱シールド１３は、無酸素銅によって構成されてよい。無酸素銅は、熱伝導率が３９１Ｗ／ｍＫと高い値を示す。そのため、熱シールド１３に、無酸素銅を用いると、輻射熱を吸収したとしても、熱シールド１３に接続された冷却機１８により、熱シールド１３の温度を低温に保つことが可能となる。

【0014】

磁気シールド１４は、磁場を吸収する材料で形成され、超伝導加速空洞１２の外部に存在する環境磁場を吸収する。磁気シールド１４は、例えば、熱シールド１３の外部を覆うように形成されてもよい。磁気シールド１４は、環境磁場となり得る磁場の磁束線を引き付け、不要な磁場を低温部から遠ざける役割を果たす。すなわち、磁気シールド１４は、磁場の通り道を形成することで、磁気シールド１４の外部から地磁気などの磁場が磁気シールド１４の内部に流入しないように遮蔽する。磁気シールド１４は、高い透磁率を有する金属を用いて形成される。磁気シールド１４は、例えば、ニッケルを３５から８５％含むニッケル－鉄合金であるパーマロイなどを用いて形成されてよい。

【0015】

真空槽１５は、内部が真空状態に保たれる真空容器である。真空槽１５の内部には、超伝導加速空洞１２と、熱シールド１３と、磁気シールド１４と、が、この順に真空槽１５の内側から外側に向かって配置されている。真空槽１５の内部を真空状態に保つことにより、真空槽１５の外部から真空槽１５の内部のこれらの構成への輻射熱、及び伝導熱を低減することが可能となる。

【0016】

ＲＦ入力カプラ１６は、加速電力供給源に接続され、加速電力供給源から超伝導加速空洞１２に高周波電力を供給する。ＲＦ入力カプラ１６は、電子銃１１の最外殻（外壁部１１７）に接続される中央部１６１と、ビームパイプ部１２１Ａに接続される外周部１６２と、を備える。ＲＦ入力カプラ１６は、ビームパイプ部１２１Ａが外導体、電子銃１１の最外殻が内導体をなすことで形成される同軸構造によって、加速電力供給源から超伝導加速空洞１２へ高周波電力を伝搬する。加速電力供給源は、誘導電力管（ＩＯＴ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｔｕｂｅｓ）、クライストロン（Ｋｌｙｓｔｒｏｎ）などの真空管によって高周波電力の増幅を実現する高周波電力供給源であってよい。また、加速電力供給源は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）などの半導体増幅器によって高周波電力の増幅を実現されてもよい。また、加速電力供給源は、ＬＬＲＦ（Ｌｏｗ Ｌｅｖｅｌ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）制御システムに接続されて、高周波電力の周波数などを制御されてよい。また、超伝導加速空洞１２から反射した高周波電力が戻らないようにポートが接続されたサーキュレータ（Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）を加速電力供給源とＲＦ入力カプラ１６の間に設けてもよい。すなわち、ＲＦ入力カプラ１６と、加速電力供給源と、ＬＬＲＦ制御システムと、サーキュレータと、により加速電力供給機器が構成される。

【0017】

真空バルブ１７は、超伝導加速空洞１２の内部を真空状態に維持するバルブである。真空バルブ１７に真空ポンプを接続し、超伝導加速空洞１２の内部の空気を、真空ポンプを用いて抜いて真空引きした後に、真空バルブ１７のバルブを閉じることで、外部からの空気の流入を防ぎ、超伝導加速空洞１２の内部の圧力を所定の圧力に維持する。

【0018】

冷却機１８は、超伝導加速空洞１２に接続されて超伝導加速空洞１２を冷却する。冷却機１８には、ギフォード・マクマホン冷凍機などの機械式冷凍機を用いることができる。ギフォード・マクマホン冷凍機は、圧縮機で圧縮されたヘリウムガスなどの冷媒をシリンダー内に送り、シリンダー内のディスプレーサの往復運動により、冷媒ガスの断熱膨張を繰り返すことにより冷却を達成する。これに対して、液化ヘリウム冷凍機は、ヘリウム液化機等の複雑な構成を有し、極めて大きな設備を必要とする。ギフォード・マクマホン冷凍機は、圧縮機やディスプレーサ等の機械式の簡易な構成を用いることにより、小型化が可能となる。

【0019】

ここで、冷却機１８と超伝導加速空洞１２の接続部について、図２を用いて説明する。図２は、本開示に係る超伝導クライオモジュールの超伝導加速空洞のＡ－Ａ断面図である。図２に示すように、冷却機１８は、第１ステージ１８１と、第２ステージ１８２と、コールドヘッド１８３と、を備える。第１ステージ１８１は、冷却機１８の温度低い方のステージを指し、第２ステージ１８２は、冷却機１８の温度が高い方のステージを指す。コールドヘッド１８３は、圧縮機から供給される冷媒の膨張により冷却を得る部分である。

【0020】

図２に示すように、第１ステージ１８１には、接続部１９が設けられ、接続部１９により超伝導加速空洞１２に接続されている。なお、接続部１９は、フランジ形状に形成されてよい。図２に示すように、冷却機１８は、冷却機１８の中心軸ＣＡと、超伝導加速空洞１２のビーム軸ＢＡのなす角度が直角、かつ、ねじれの位置に配置される。つまり、冷却機１８の中心軸ＣＡと、超伝導加速空洞１２のビーム軸ＢＡは交わることがない位置に配置される。これにより、真空槽１５の円筒半径をＲ、超伝導加速空洞１２の半径をｒ、冷却機１８の第１ステージ１８１と第２ステージ１８２の接続部との距離をｄとすると、真空槽１５の円筒半径Ｒは、次の式（１）を満たすことができる。
Ｒ＜ｒ＋ｄ…式（１）
そのため、真空槽１５を小型化することが可能となる。

【0021】

（電子銃の構成）
次に、本開示に係る電子銃１１の構成について、図３を用いて説明する。図３は、本開示に係る超伝導クライオモジュールの電子銃の第１態様を示す図である。図３に示すように、電子銃１１は、陰極１１１と、陽極１１２と、熱遮蔽板部１１３と、切り欠き部１１４と、電源１１５と、を備える。

【0022】

陰極１１１は、金属材料により形成され、加熱されることで自由電子を放出する。金属材料は、原子が安定な閉殻の正イオン状態と原子間を自由に移動できる外殻電子（自由電子）で構成される。金属材料の温度を上げていくと、自由電子のエネルギーが上がり、ポテンシャル障壁を超えて金属材料から自由電子が放出される。陰極１１１は、このような原理を利用して電子を放出する。また、陰極１１１は、その先端部が、セル部１２２の入口部分よりも電子の移動方向の上流側に離れた位置に配置される。これにより、電子銃１１から適切にセル部１２２に電子を導入することができる。

【0023】

陽極１１２は、陰極１１１から放出された電子を電位により引き出して、電子銃１１の外部に放出する。ＲＦ入力カプラ１６から供給された高周波電力により、陽極１１２と熱遮蔽板部１１３の間に高周波電場が立ち、陰極１１１から放出された電子を加速する。

【0024】

熱遮蔽板部１１３は、電子を放出する陰極１１１の周囲に形成される複数の金属板を含む。熱遮蔽板部１１３が有する複数の金属板は、少なくとも二層の金属板によって形成されてよい。なお、熱遮蔽板部１１３を構成する金属板の数は、二層に限定されるものではなく、任意の枚数に設定されてよい。熱遮蔽板部１１３は、陰極１１１を覆うように、すなわち囲って形成される。例えば、熱遮蔽板部１１３は、陰極１１１が円筒状の形状である場合は、円筒状の形状に形成される。また、熱遮蔽板部１１３は、その先端部に電子が通過するビームホール１１３ａが形成される。熱遮蔽板部１１３は、熱を遮蔽する役割を果たす材料を用いて形成されてよい。例えば、熱遮蔽板部１１３は、無酸素銅を用いて形成されてよい。

【0025】

切り欠き部１１４は、陽極１１２の外壁部１１７の一部が切り抜かれた部分である。切り欠き部１１４は、陽極１１２のビームホール１１２ａに電子が通過するタイミングで加速電力が供給できる位置に設けられる。切り欠き部１１４の形状は、穴であってもよいし、円筒状のスリットであってもよい。これにより、切り欠き部１１４から高周波電力が電子銃１１の内部に誘引される。誘引された高周波電力は陽極１１２の内壁と熱遮蔽板部１１３の最外層との間に形成される同軸構造内を伝搬し、陽極１１２のビームホール１１２ａと、熱遮蔽板部１１３のビームホール１１３ａとの間の空間１１３ｂにおいて高周波加速電場を発生させる。これにより、初段加速された電子Ｅをセル部１２２へ導入する。

【0026】

電源１１５は、熱遮蔽板部１１３を構成する複数の金属板に電位を供給する。電源１１５は、例えば、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）電源によって実現されてよい。電源１１５は、複数の金属板に、陰極１１１の電位に対して、正または負の電圧を印加する。これにより、陰極１１１から放出された電子を収束させながら引き出すことができる。すなわち、熱遮蔽板部１１３を構成する複数の金属板は、ウェーネルト電極および引き出しグリッドとしての役割を果たす。

【0027】

誘電体１１６は、陽極１１２と熱遮蔽板部１１３を構成する金属板の間に設けられる。誘電体１１６は、例えば、セラミック材料、ガラス材料、プラスチック材料などによって形成されてよい。誘電体１１６は、金属板の外周を覆うようにリング状に形成されてよい。誘電体１１６は、直流電流に対しては絶縁体として機能するが、高周波電源から供給される高周波電力に対しては電気を通す性質を示す。また、誘電体１１６を設けることにより、ビームホール１１２ａに到達する高周波電力の伝達時間を制御することができる。

【0028】

上記のように構成された超伝導クライオモジュール１の動作を説明する。電子銃１１の陰極１１１を加熱することで陰極１１１から電子Ｅ（図３参照）が放出される。電源１１５が陰極１１１と金属板との間に電圧を印加することにより、放出された電子Ｅが電子銃１１から出射される。熱遮蔽板部１１３が陰極１１１の周囲を囲んでいるため、陰極１１１の熱がセル部１２２に伝わることが抑制される。

【0029】

電子銃１１から出射された電子Ｅは、ビーム軸ＢＡに沿ってビームパイプ部１２１Ａ内をセル部１２２に向けて移動する。セル部１２２に到達した電子Ｅは、セル部１２２においてＲＦ入力カプラ１６から供給される高周波電力により加速されて、放出部１２１Ｂから放出される。ＲＦ入力カプラ１６から供給される高周波電力の一部は、切り欠き部１１４から電子銃１１の内部に誘引される。これにより、陰極１１１から放出された電子Ｅが加速されて電子銃１１の外部に引き出される。

【0030】

以上のように、第１実施形態に係る超伝導クライオモジュール１は、電子を加速するセル部１２２と、セル部１２２から電子の入射側に延びるビームパイプ部１２１Ａと、セル部１２２で加速された電子を放出する放出部１２１Ｂとを有する超伝導加速空洞１２と、超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１Ａの内部に位置し、かつ、超伝導加速空洞１２のビーム軸ＢＡと同軸上に位置し、セル部１２２に電子を放出する電子銃１１と、を備える。

【0031】

この構成によれば、超伝導クライオモジュール１の電子銃を超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１Ａの内部に収めることができる。そのため、電子銃１１を超伝導クライオモジュール１の外部に設けて接続する必要が無くなるため、装置全体を小型化することが可能となる。

【0032】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る超伝導クライオモジュール１について説明する。第２実施形態に係る超伝導クライオモジュール１は、第１実施形態に係る超伝導クライオモジュール１に対して、電子銃１１の構成が異なる以外は、同じ構成を有する。そのため、第２実施形態に係る超伝導クライオモジュール１の構成のうち、第１実施形態に係る超伝導クライオモジュール１とは異なる構成である電子銃１１の構成について説明する。

【0033】

電子銃１１は、電界放射型電子銃であり、エミッタと、引き出し電極と、加速電極とを備え、エミッタから放出された電子を、引き出し電圧により引き出し、加速電極による加速電圧により電子を加速する。電界放射型電子銃は、金属表面に高い電界を印加したときに起きる電界放出現象を利用して電子を放出する。具体的には、エミッタに対向する位置に置かれた引き出し電極に、数ｋＶの電圧を印加すると、エミッタからトンネル効果により電子が放出される。そして、引き出し電極の中央に形成された孔を通過した電子に、加速電極に印加された加速電圧により所定のエネルギーの電子の放出を得ることができる。

【0034】

この構成によれば、超伝導加速空洞１２の内部に電子銃１１を設けることができるため、超伝導クライオモジュール１を小型化することが可能となる。

【0035】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る超伝導クライオモジュール１について説明する。第３実施形態に係る超伝導クライオモジュール１は、第１実施形態に係る超伝導クライオモジュール１に対して、電子銃１１の構成が異なる以外は、同じ構成を有する。そのため、第３実施形態に係る超伝導クライオモジュール１の構成のうち、第１実施形態に係る超伝導クライオモジュール１とは異なる構成である電子銃１１の構成について説明する。

【0036】

電子銃１１は、光電子放出型電子銃であり、陰極にレーザ光を照射し、光電効果を利用して、電子を放出する。光電効果は、物質が光子を吸入して、電子を放出する現象である。例えば、金属に短波長のレーザ光を照射すると、金属表面から電子が放出する。光電子放出型電子銃の陰極には、光電効果による光子と電子の変換効率を意味する量子効率が高い材料を用いることができる。

【0037】

この構成によれば、超伝導加速空洞１２の内部に電子銃１１を設けることができるため、超伝導クライオモジュール１を小型化することが可能となる。

【0038】

（構成と効果）
本開示の第１態様に係る超伝導クライオモジュールは、電子を加速するセル部１２２と、セル部１２２から電子の入射側に延びるビームパイプ部１２１Ａと、セル部１２２で加速された電子を放出する放出部１２１Ｂとを有する超伝導加速空洞１２と、超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１Ａの内部に位置し、かつ、超伝導加速空洞１２のビーム軸ＢＡと同軸上に位置し、セル部１２２に電子を放出する電子銃１１と、を備える超伝導クライオモジュール１である。

【0039】

この構成によれば、超伝導クライオモジュール１の電子銃を超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１Ａの内部に収めることができる。そのため、電子銃１１を超伝導クライオモジュール１の外部に設けて接続する必要が無くなるため、装置全体を小型化することが可能となる。

【0040】

本開示の第２態様に係る超伝導クライオモジュールは、第１態様に係る超伝導クライオモジュール１において、電子銃１１が、熱電子放出型電子銃であり、電子を放出する陰極の周囲に、電子が通過するビームホールが形成され、陰極を囲って形成された複数の金属板を含む熱遮蔽板部１１３を備える。

【0041】

この構成によれば、熱電子放出型電子銃の陰極からの輻射熱が超伝導加速空洞１２に伝わることを防ぐことが可能となる。そのため、超伝導加速空洞１２の温度を低温に維持すること可能となることから、超伝導加速空洞１２を超伝導状態に維持することが可能となり、超伝導クライオモジュール１の安定動作が可能となる。

【0042】

本開示の第３態様に係る超伝導クライオモジュール１は、第１態様又は第２態様に係る超電導クライオモジュールにおいて、超伝導加速空洞１２に高周波電力を供給するＲＦ入力カプラと、をさらに備え、ＲＦ入力カプラ１６は、電子銃１１の最外殻に接続される中央部１６１と、ビームパイプ部１２１Ａに接続される外周部１６２と、を備え、ビームパイプ部１２１Ａが外導体、電子銃１１の最外殻が内導体をなすことで形成された同軸構造によって、超伝導加速空洞１２へ高周波電力を伝搬する。

【0043】

この構成によれば、ＲＦ入力カプラ１６からビームパイプ部１２１Ａを外導体、電子銃１１の最外殻を内導体とする同軸構造に対して高周波電力を供給することができる。そのため、電子銃１１から放出された電子を高周波電力により加速し、セル部１２２に導入することが可能となる。

【0044】

本開示の第４態様に係る超伝導クライオモジュールは、第３態様に係る超伝導クライオモジュール１において、電子銃１１が、陽極に一部が切り抜かれた切り欠き部１１４と、をさらに備え、切り欠き部１１４を介して、電子銃１１の陰極から放出される電子に対して電場を付与する高周波電力が供給され、高周波電力を制御することで、電子銃１１の陰極から放出される電子の引き出し、及び加速が制御される。

【0045】

この構成によれば、切り欠き部１１４から高周波電力を供給することから、電子銃１１の陰極から放出された電子に対して電場を付与することでビームの制御をすることが可能となる。

【0046】

本開示の第５態様に係る超伝導クライオモジュールは、第２態様から第４態様のいずかに係る超伝導クライオモジュール１において、電子銃１１が、陽極１１２と熱遮蔽板部１１３を構成する金属板の間に誘電体１１６を備える。

【0047】

この構成によれば、誘電体１１６により高周波電力の伝達時間を制御することが可能となる。そのため、超伝導加速空洞１２の高周波電力の周期変動に合わせて適切なタイミングで、電子銃１１から電子を超伝導加速空洞１２に放出することが可能となる。

【0048】

本開示の第６態様に係る超伝導クライオモジュールは、第１態様に係る超伝導クライオモジュール１において、電子銃１１は、電界放射型電子銃であり、エミッタと、引き出し電極と、加速電極とを備え、エミッタから放出された電子を、引き出し電圧により引き出し、加速電極による加速電圧により前記電子を加速する。

【0049】

この構成によれば、超伝導クライオモジュール１の電子銃１１を超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１の内部に収めることができる。そのため、電子銃１１を超伝導クライオモジュール１の外部に設けて接続する必要が無くなるため、装置全体を小型化することが可能となる。

【0050】

本開示の第７態様に係る超伝導クライオモジュール１は、第１態様に係る超伝導クライオモジュール１において、電子銃１１が、光電子放出型電子銃であり、陰極にレーザ光を照射し、光電効果を利用して、電子を放出する。

【0051】

この構成によれば、超伝導クライオモジュール１の電子銃１１を超伝導加速空洞１２のビームパイプ部１２１の内部に収めることができる。そのため、電子銃１１を超伝導クライオモジュール１の外部に設けて接続する必要が無くなるため、装置全体を小型化することが可能となる。

【0052】

本開示の第８態様に係る超伝導クライオモジュールは、第１態様に係る超伝導クライオモジュール１において、電子銃１１の陰極の先端部が、セル部１２２の入口部分よりも電子の移動方向の上流側に離れた位置に配置される。

【0053】

この構成によれば、電子銃１１から放出された電子をセル部１２２に導入することができることから、高周波電力が印加されたセル部１２２において電子銃１１から放出された電子を適切に加速することが可能となる。

【0054】

本開示の第９態様に係る超伝導クライオモジュール１は、第１態様に係る超伝導クライオモジュール１において、超伝導加速空洞１２に接続され、超伝導加速空洞１２を冷却する冷却機１８と、をさらに備え、冷却機１８は、超伝導加速空洞１２と接続する接続部１９を有し、冷却機１８は、冷却機１８の中心軸ＣＡと、超伝導加速空洞１２のビーム軸ＢＡのなす角度が直角、かつ、ねじれの位置に配置される。

【0055】

この構成によれば、超伝導加速空洞１２などを収納する真空槽１５の高さ、及び幅を短縮することが可能となることから、超伝導クライオモジュール１を小型化することが可能となる。

【0056】

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0057】

１ 超伝導クライオモジュール
１１ 電子銃
１１１ 陰極
１１２ 陽極
１１３ 熱遮蔽板部
１１４ 切り欠き部
１１５ 電源
１２ 超伝導加速空洞
１３ 熱シールド
１４ 磁気シールド
１５ 真空槽
１６ ＲＦ入力カプラ
１７ 真空バルブ
１８ 冷却機
１８１ 第１ステージ
１８２ 第２ステージ
１８３ コールドヘッド
１９ 接続部
ＢＡ ビーム軸
ＣＡ 中心軸

【図1】

【図2】

【図3】