特許 7094373 高電流伝導冷却超伝導高周波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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-23

(45)【発行日】2022-07-01

(54)【発明の名称】高電流伝導冷却超伝導高周波クライオモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 39/04 20060101AFI20220624BHJP

   H05H 7/20 20060101ALI20220624BHJP

   H05H 9/00 20060101ALI20220624BHJP

【ＦＩ】

H01L39/04

H05H7/20

H05H9/00 E

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020538777

(86)(22)【出願日】2018-11-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-22

(86)【国際出願番号】 US2018062016

(87)【国際公開番号】W WO2019079830

(87)【国際公開日】2019-04-25

【審査請求日】2021-11-16

(31)【優先権主張番号】15/882,211

(32)【優先日】2018-01-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】519078972

【氏名又は名称】ジェファーソン・サイエンス・アソシエイツ・エルエルシイ

(74)【代理人】

【識別番号】100133503

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 一哉

(72)【発明者】

【氏名】シオヴァティ，ギアンルイギ

(72)【発明者】

【氏名】シュルタイス，トーマス，ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】ラスケ，ジョン

(72)【発明者】

【氏名】リマー，ロバート

(72)【発明者】

【氏名】マーハウザー，フランク

(72)【発明者】

【氏名】ハノン，フェイ

(72)【発明者】

【氏名】グオ，ジクアン

【審査官】杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００９４７７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第８６７４６３０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許第５３９６２０６（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００２－３２４６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】Belomestnykh Sergeey，Sucperconducting RF for ERLs of eRHIC & recenct progress at R&D ERL，ERL2011，米国，Brookhaven national laboratory，2011年10月18日，https://www.bnl.gov/isd/documents/78926.pdf

【文献】HAHN et. al.，Higher-order-mode absorbers for energy recovery linac cryomodules at Brookhaven National Laboratory，PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS - ACCELERATORS AND BEAMS，米国，ＡＰＳ，2010年12月03日，Vol.13，121002-1121002-14

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３９／０４

Ｈ０５Ｈ ７／２０

Ｈ０５Ｈ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器と、
前記真空容器内のＳＲＦ空洞と、
前記真空容器を通って延出し、前記ＳＲＦ空洞に接続されている同軸入力電力結合器と、
コールドヘッドを備えたクライオクーラであって、前記コールドヘッドが前記ＳＲＦ空洞に接続されている、クライオクーラと、
高次モードの減衰のための水冷ビームパイプ高次モード吸収体と、
熱シールドと、
磁気シールドと、
入射ビーム管および出射ビーム管と、
前記同軸入力電力結合器が、内側表面を有する外側導体を含むことと、
前記同軸入力電力結合器の前記外側導体の前記内側表面が、高温超伝導体の層を備えたセクションを含むことと
を含む、電子ビームを加速するための超伝導高周波（ＳＲＦ）クライオモジュール。

【請求項2】

前記ＳＲＦ空洞が、ニオブ（Ｎｂ）および４度Ｋで５００Ｗ／（ｍＫ）を超える熱伝導率の金属で構成される群から選択されることと、
前記ＳＲＦ空洞が内側表面を含むことと、
前記ＳＲＦ空洞の前記内側表面が、ＲＦ損失を低減するための薄膜コーティングを含むことと、
前記薄膜コーティングが、１５Ｋを超える臨界温度を有する超伝導体であることと
をさらに含む、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項3】

前記薄膜コーティングが、厚さ１～１．５μｍであることと、
前記薄膜コーティングが、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ｇｅ、ＮｂＮ、およびＮｂＴｉＮで構成される群から選択されることと、
前記クライオクーラが前記ＳＲＦ空洞を４．３Ｋに維持することと
をさらに含む、請求項２に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項4】

前記ＳＲＦ空洞が外側表面を含むことと、
前記ＳＲＦ空洞の前記外側表面がコーティングを含むことと、
前記ＳＲＦ空洞の前記外側表面上の前記コーティングが、銅およびタングステンで構成される群から選択されることと
をさらに含む、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項5】

前記ＳＲＦ空洞の前記外側表面上の前記コーティングは、真空プラズマ溶射、電気めっき、または真空プラズマ溶射と電気めっきの組み合わせによって前記ＳＲＦ空洞に堆積される、請求項４に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項6】

９０Ｋを超える臨界温度を有する前記高温超伝導体をさらに備える、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項7】

前記高温超伝導体の層が、物理化学蒸着と、パルスレーザー蒸着と、物理化学蒸着およびパルスレーザー蒸着の組み合わせとで構成される群から選択される方法によって前記外側導体の前記内側表面に付着されることをさらに含む、請求項６に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項8】

前記超伝導高周波（ＳＲＦ）クライオモジュールが、１～１０ＭｅＶのエネルギーで少なくとも１アンペアの電子ビーム電流を含む、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項9】

前記入射ビーム管が直径を有し、前記出射ビーム管が直径を有することと、
前記出射ビーム管の前記直径が前記入射ビーム管の前記直径よりも大きいことと
をさらに含む、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項10】

前記入射ビーム管上の入射ビームライン超高真空バルブと、
前記出射ビーム管上の出射ビームライン超高真空バルブと
をさらに含む、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項11】

前記同軸入力電力結合器が、最低５００キロワットの電力を維持することができる、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項12】

前記クライオクーラが第１段階コールドヘッドと第２段階コールドヘッドとを含むことと、
前記クライオクーラの前記第１段階コールドヘッドが５０～８０Ｋの温度であることと、
前記クライオクーラの前記第２段階コールドヘッドが４．３～９Ｋの温度であることと
をさらに含む、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項13】

前記磁気シールドが、内側および外側磁気シールドを含むことと、
前記内側および外側磁気シールドが、高い磁気シールド特性を有する高透磁率金属で構成されることと、
前記熱シールドが無酸素の電子銅で構成されることと
をさらに含む、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項14】

前記水冷ビームパイプ高次モード吸収体がフェライトダンパーである、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項15】

前記クライオクーラが４．２Ｋで１．５ワット以上の冷却力を各々提供する、請求項１に記載のＳＲＦクライオモジュール。

【請求項16】

真空容器と、
前記真空容器内のＳＲＦ空洞と、
前記真空容器を通って延出し、前記ＳＲＦ空洞に接続されている２つの同軸入力電力結合器と、
コールドヘッドを備えたクライオクーラであって、前記コールドヘッドが前記ＳＲＦ空洞に接続されている、クライオクーラと、
高次モードの減衰のための水冷ビームパイプ高次モード吸収体と、
熱シールドと、
磁気シールドと、
入射ビーム管および出射ビーム管と、
第２段階コールドヘッドと前記ＳＲＦ空洞との間の高熱伝導率ひずみ緩和部と、
高熱伝導率ひずみ緩和部が、銅およびタングステンで構成される群から選択されることと
を含む、電子ビームを加速するための超伝導高周波（ＳＲＦ）クライオモジュール。

【請求項17】

真空容器と、前記真空容器内のＳＲＦ空洞と、前記真空容器を通して延出し、かつ前記ＳＲＦ空洞に接続された同軸入力電力結合器と、コールドヘッドを備えたクライオクーラであって、前記コールドヘッドが前記ＳＲＦ空洞に接続されている、クライオクーラと、入射ビーム管および出射ビーム管と、熱シールドと、磁気シールドと、前記同軸入力電力結合器が、内側表面を有する外側導体を含むことと、前記同軸入力電力結合器の前記外側導体の前記内側表面が、高温超伝導体の層を備えたセクションを含むことと、前記出射ビーム管上の水冷ビームパイプ高次モード吸収体と、を含む超伝導高周波（ＳＲＦ）クライオモジュールを提供することと、
前記クライオクーラで前記ＳＲＦ空洞を４．３Ｋと９Ｋの間まで冷却することと、
前記ＳＲＦ空洞内の高次モードを減衰させるために、前記出射ビーム管を前記入射ビーム管よりも大きい直径で提供することと、
前記水冷ビームパイプ高次モード吸収体を用いて、前記ＳＲＦ空洞内の高次モードをさらに減衰させることと、
前記熱シールドを用いて、前記ＳＲＦ空洞によって生成された赤外線熱を除去することと、
前記磁気シールドを用いて、干渉磁場の磁束線を除去することと
を含む、電子ビームを１～１０ＭｅＶのエネルギーで少なくとも１アンペアの電子ビーム電流に加速する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子加速器で使用される超伝導高周波（ＳＲＦ）クライオモジュールに関し、特に、高電流ビームを加速するのに適したコンパクトな伝導冷却ＳＲＦクライオモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導高周波（ＳＲＦ）加速器は、ＲＦ損失が小さく、通常の伝導空洞よりも高い連続波（ＣＷ）加速場を有するため、科学研究の重要なツールである。これらのデバイスは、主に核物理学および高エネルギー物理学の研究、ならびに材料科学および生物科学の実験用光源で使用されている。従来のＳＲＦ加速器では、クライオモジュール内部の加速構造であるニオブＳＲＦ空洞を、液体ヘリウム（Ｈｅ）槽に浸漬することによって遷移温度を９．２Ｋ以下、通常４．３Ｋ以下に冷却することで超伝導状態を実現する。

【0003】

液体ヘリウムをＳＲＦクライオモジュールに供給するために必要な極低温プラントは複雑で、かなりのサイズであり、ＳＲＦ加速器の資本と運用コストの大部分を占め、ＳＲＦ技術のより広範な使用に対する主要な障害の１つになっている。ＳＲＦ技術は、環境改善などの多くの産業用途に適用可能であるが、極低温プラントの製造と運用のコストが高いため、ＳＲＦ技術の用途は大幅に制限されている。

【0004】

したがって、廃水処理および煙道ガス処理を含む環境改善などの産業用途において高い費用効果で使用するためのコンパクトで低コストのＳＲＦ加速器が必要とされている。これらの用途に必要なＳＲＦ電子加速器は、高電流（約１アンペア）および低エネルギー（１～１０ＭｅＶ）で動作できる必要がある。

【発明の概要】

【0005】

本発明の目的は、工業用途の粒子加速器で使用するためのコンパクトな伝導冷却高電流ＳＲＦクライオモジュールを提供することである。

【0006】

さらなる目的は、粒子加速器で使用するクライオモジュールの資本コスト、運用コスト、および運用の複雑さを大幅に低減するＳＲＦクライオモジュールを提供することである。

【0007】

さらなる目的は、ヘリウム液化装置、圧力容器、およびコールドチューナーの必要性をなくすＳＲＦクライオモジュールを提供することである。

【0008】

別の目的は、ＳＲＦ加速器の投資と運用のコストを大幅に低減することである。

【0009】

さらなる目的は、液体冷凍剤の危険がないＳＲＦクライオモジュールを提供することである。

【0010】

本発明の別の目的は、従来の極低温プラントが非常に低コストで閉サイクル冷凍機に置き換えられるＳＲＦクライオモジュールを提供することである。

【0011】

本発明のさらに別の目的は、１アンペア以上の電流および１～１０ＭｅＶのエネルギーで動作する高電流ビームを加速することができるコンパクトな伝導冷却ＳＲＦクライオモジュールを提供することである。

【0012】

本発明のさらに別の目的は、煙道ガスを洗浄（煙道ガス中の亜酸化窒素の変換など）したり、廃水流（病院または都市の廃棄物の流れなど）を処理したりして生物材料を除去するために、または廃棄物処理プラントのスラッジを改質するために使用できる高電流ＳＲＦクライオモジュールを提供することである。

【0013】

本発明のこれらおよび他の目的および利点は、図面を参照して以下の説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。

【0014】

本発明は、粒子加速器用のコンパクトな伝導冷却高電流ＳＲＦクライオモジュールである。クライオモジュールは、多層ＳＲＦ空洞、デュアル同軸入力結合器、高次モード（ＨＯＭ）ダンパ、熱シールド、磁気シールド、支持構造、真空容器、および複数のクライオクーラを含む。このようなクライオモジュールでは、極低温プラントが、非常に低コストで市販のギフォード・マクマホン（ＧＭ）閉サイクル冷凍機に置き換えられる。ＳＲＦクライオモジュールにより、産業用途、特に環境改善用の低コストのＳＲＦ加速器の開発が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

本明細書では添付図面を参照するが、これらの図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。

【図1】本発明による伝導冷却高電流ＳＲＦクライオモジュールを収容するクライオモジュール真空容器の斜視図である。

【図2】図１の線２－２に沿ったＳＲＦ空洞の断面図である。

【図3】本発明によるＳＲＦクライオモジュールの一部を形成するＳＲＦ空洞の断面図である。

【図4】図１の線４－４に沿ったＳＲＦクライオモジュールの断面図である。

【図5】図４の線５－５に沿った電力結合器の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図２を参照すると、本発明は、高電流ビームを加速するためのコンパクトな伝導冷却ＳＲＦクライオモジュール１０である。本明細書で使用する「高電流ビーム」の意味は、最大１アンペア以上の電流を含むビームを指す。本明細書で使用する「コンパクト」の意味は、１．５ｍ×１．５ｍ以下の全体サイズを有する伝導冷却ＳＲＦクライオモジュールを指す。伝導冷却ＳＲＦクライオモジュール１０は、真空容器１４内に配置されたＳＲＦ空洞１２を含む。図２は、単一セルの空洞を示しているが、複数セルの空洞など他の構成も本発明の範囲内である。

【0017】

ＳＲＦ空洞１２は、好ましくは楕円形状であり、入射ビームのエネルギーに合わせた幾何学的βである。ＳＲＦ空洞１２は、好ましくは、３００を超える残留抵抗比を有する高純度ニオブ（Ｎｂ）から作製され、３～５ミリメートルの厚さを含む。あるいは、タングステンや銅など、４Ｋで５００Ｗ／（ｍ Ｋ）を超える熱伝導率の金属も使用され得る。

【0018】

図３に示すように、空洞内側表面１６は、好ましくは１０００～１２００℃の真空炉でＳｎ蒸気を熱拡散させることにより形成された薄い（厚さ１～１．５μｍ）超伝導内側層１８でコーティングされている。内側層１８は、好ましくは、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ｇｅ、ＮｂＮ、またはＮｂＴｉＮで構成され、最も好ましくは、Ｎｂ_３Ｓｎで構成される。薄膜コーティングは、臨界温度が１５Ｋを超える超伝導体である。空洞の内側層１８としてＮｂ_３Ｓｎを使用すると、４．３Ｋで、バルクＮｂで構成されるコーティングされていない空洞と比較して、ＲＦ損失が大幅に低いＳＲＦ空洞が得られる。

【0019】

ＳＲＦ空洞１２の外側表面２０は、好ましくは銅またはタングステン、最も好ましくは９９．９８％超の純度を有する純銅の層２２でコーティングされる。外層２２を付着させる方法は、好ましくは、電気めっき、真空プラズマ溶射、または真空プラズマ溶射と電気めっきの組み合わせによる。空洞がＮｂ以外の金属で製作されている場合、外側のコーティングは必要ない。

【0020】

図１を参照すると、２つの対称的に配置された同軸電力結合器２４が、ＳＲＦ空洞１２にＲＦ電力を供給するために使用されている。各電力結合器２４は、ＳＲＦ空洞１２に最低５００ｋＷのＲＦ電力を維持することができる。図５に示すように、電力結合器の外側導体の内側表面のセクションを高温超伝導体の薄層２５（厚さ１～１．５μｍ）でコーティングして、結合器からの静的および動的熱負荷を最小限に抑えることが好ましい。好ましくは、高温超伝導体材料の薄層２５は、９０Ｋを超える臨界温度を有するＹＢＣＯ（酸化イットリウムバリウム銅）である。高温超伝導体は、好ましくは、物理化学蒸着、パルスレーザー蒸着、または物理化学蒸着とパルスレーザー蒸着の組み合わせを含む方法によって外側導体の内側表面に適用される。

【0021】

図２を参照すると、ＳＲＦ空洞の１５Ｋ未満、好ましくは４．３Ｋ以下への冷却は、１つ以上のクライオクーラ２６によって提供される。クライオクーラ２６は、第１段階コールドヘッド２８と第２段階コールドヘッド３０を各々含む。各クライオクーラの第２段階コールドヘッド３０は、可鍛性インジウム中間層３４との機械的接触接合部３２、および高熱伝導率ひずみ緩和部３６によってＳＲＦ空洞１２に接続されている。ＳＲＦ空洞１２の外側銅層２０（図３を参照）は、ＳＲＦ空洞表面からクライオクーラの第２段階コールドヘッド３０への高熱伝導経路を提供する。クライオクーラの第１段階コールドヘッド２８は５０～８０Ｋの温度であることが好ましく、クライオクーラの第２段階コールドヘッド３０は４．３～９Ｋの温度であることが好ましい。例えば本明細書で説明されているような好ましいクライオクーラは、ペンシルベニア州アレンタウンにあるＳｕｍｉｔｏｍｏ（ＳＨＩ）Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａから入手可能なギフォード・マクマホン（ＧＭ）型クライオクーラである。最も好ましくは、クライオクーラ２６は、第２段階の容量が４．２Ｋで１．５ワットＷ以上であり得る。好ましいひずみ緩和部は、好ましくは銅またはタングステンから構成され、最も好ましくは銅サーマルストラップから構成され、これは例えばコロラド州ボールダーにあるＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃから入手可能である。

【0022】

図２を参照すると、伝導冷却ＳＲＦクライオモジュール１０は、好ましくは、構造コア４０を備えた熱シールド３８を含み、この構造コアは、可鍛性インジウム中間層との機械的接触接合部によってクライオクーラの第１段階コールドヘッド２８に接続されている。高い熱伝導率のひずみ緩和部は、シールド構造コア４０に沿って配置されている。熱シールド３８は、好ましくは無酸素電子銅で構成され、ＳＲＦ空洞から赤外線熱を奪う。多層断熱ブランケットが熱シールドの周りに巻き付けられ、放射熱伝達をさらに低減する。

【0023】

磁場は、内側磁気シールド４２および外側磁気シールド４４の使用によりＳＲＦ空洞１２内で最小化されることが好ましい。図２を参照すると、磁気シールドは、好ましくは、材料自体の中に磁場を吸収するようにサポートする能力を備えた材料で構成されている。磁気シールドはシールド合金で構成され、シールド合金は、干渉磁場の磁束線をそれ自体に引き付け、不要な磁場を敏感な領域または構成要素から遠ざける。磁気シールドは、高い磁気シールド特性を有する高透磁率金属で構成されることが好ましい。磁気シールドは、イリノイ州ベンセンビルのＭａｇｎｅｔｉｃ Ｓｈｉｅｌｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な金属合金であるＭｕＭＥＴＡＬ（登録商標）、ペンシルベニア州フィラデルフィアのＡｍｕｎｅａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｒｐから入手可能なＣＲＹＯＰＥＲＭ（登録商標）１０またはＡｍｕｍｅｔａｌ ４Ｋで構成されることが最も好ましい。最も好ましくは、多層断熱ブランケットが内側磁気シールドの周りに巻き付けられる。

【0024】

図２を参照すると、本発明による伝導冷却ＳＲＦクライオモジュール１０は、ＳＲＦ空洞１２に接続された入射ビーム管４６および出射ビーム管４８を含むことが好ましい。最も好ましくは、加速された粒子の高次モードの減衰は、ＳＲＦ空洞の出射ビーム管４８を拡大することにより達成される。図２に示すように、出射ビーム管４８の直径は、入射ビーム管４６の直径よりも大きい。好ましくは、ＳＲＦクライオモジュールは、高次モードを減衰させ、かつ室温までの伝搬を可能にするために水冷ビームパイプ高次モードフェライトダンパ５０を含む。電力結合器２４によって１ＭＷのＲＦ電力がＳＲＦ空洞に供給される伝導冷却ＳＲＦクライオモジュール１０は、１ＭＷのＲＦ電力で１アンペアのビーム（高電流ＳＲＦビーム）を生成することができる。

【0025】

空洞内の容積は、真空容器の外側にある２つの真空バルブ５２によって外部環境から隔離されており、真空バルブは完全に金属製のゲートバルブであることが好ましい。真空バルブ５２は入射ビーム管４６および出射ビーム管４８上に含まれる。

【0026】

本発明の説明は、例示および説明の目的で提示されているが、網羅的であることまたは開示された形態の本発明に限定されることを意図するものではない。本発明の範囲および精神から逸脱することなく、多くの修正および変形が当業者には明らかであろう。本明細書の実施形態は、本発明の原理および実際の適用を最もよく説明し、意図する特定の用途に適した様々な修正を伴う様々な実施形態について本発明を当業者が理解できるようにするために選択および説明された。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】