JP2013527558A - 高温超伝導体を使用する粒子トラップ、および粒子をトラップする関連する方法 - Google Patents

Abstract

粒子トラップ、および粒子をトラップする関連する方法が提供される。粒子トラップは、高温超伝導体（ＨＴＳ）で形成された本体を含む。本体はそれを通る空洞を画定する。粒子トラップは、空洞の両端に位置決めされた第１のＨＴＳの端板および第２のＨＴＳの端板、または第１の電極および第２の電極も含む。端板の少なくとも１つまたは電極の少なくとも１つは、荷電粒子が空洞に出入りすることを可能にするために、空洞内への少なくとも１つの開口部を画定する。

Description

本開示の実施形態は、一般に粒子トラップ、および荷電粒子をトラップするための関連する方法に関し、より詳細には、高温超伝導体を使用する粒子トラップ、およびそうしたトラップを利用する荷電粒子をトラップするための関連する方法に関する。

荷電粒子のトラップおよび蓄積は、長年にわたって研究されている。例えば、L. S. BrownおよびG. Gabrielse、Rev. Mod. Phys.、Vol.58、pp.233-311(1986)、ならびにD. H. E. DubinおよびT. M. O'Neil、Rev. Mod. Phys.、Vol.71、pp.87-172(1999)を参照されたい。トラップされた単一成分のプラズマは、基本的なプラズマ物理学の研究に加えて、原子時計、材料の特性決定のための陽電子ビームの調整、および低エネルギー反水素の生成における用途を含めたいくつかの用途を有することができる。例えば、J. R. DanielsonおよびC. M. Surko、Phys. Plasmas、Vol.13、055706(2006)を参照されたい。

荷電粒子をトラップおよび蓄積するために、いくつかのトラップが開発されている。例えば、Ｐｅｎｎｉｎｇトラップ、より一般的にはＭａｌｍｂｅｒｇ−Ｐｅｎｎｉｎｇトラップが開発されている。Ｍａｌｍｂｅｒｇ−Ｐｅｎｎｉｎｇトラップは、プラズマを半径方向に閉じ込める均一な軸方向の磁場と、プラズマを軸方向に閉じ込めるためにトラップの両端にある静電場の両方を有する、非中性プラズマを閉じ込めるために利用される円筒対称の装置である。これらのトラップは通常、診断上のアクセスを可能にする静電場を発生させるために、円筒形の電極を有している。

Ｍａｌｍｂｅｒｇ−Ｐｅｎｎｉｎｇトラップでは、トラップ内の荷電粒子は、荷電粒子を半径方向に閉じ込めるような磁場のまわりの円内を回転する。荷電粒子が回転する円の半径ｒは、以下のように定義され、
ｒ＝（ｍｖ）／（ｅＢ）
式中、ｍは粒子の質量、ｖは粒子速度、ｅは粒子の電荷、Ｂは磁場の値である。円形に回転運動する荷電粒子が放射によって周囲と熱を交換するため、粒子の速度は、一般的には周囲の温度によって決まる。例えば４Ｋの温度では、電子の熱速度は約８ｋｍ／ｓであり、２Ｔの磁場における半径は約４４ｎｍである。

荷電粒子は、円形の回転運動の間、小さいドラグトルクを受ける可能性がある。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ドラグトルクは、トラップの電場および磁場の中の方位角不均一性によって引き起こされる可能性がある。不都合なことに、ドラグトルクは、荷電粒子の円形の回転パターンの半径を増大させ、荷電粒子の位置がトラップの壁の方へ移動するようになる。最終的には、荷電粒子はトラップの壁と衝突し、荷電粒子がトラップから逃げる可能性がある。結果として、いくつかの例では、トラップ内の荷電粒子の寿命が所望されるより短くなることがある。ドラグトルクを無効にするために、いくつかのトラップは、ドラグトルクと反対の方向にトルクを加える回転電場を印加する。残念ながら、回転電場を印加すると、結果として得られるトラップのコストと複雑さの両方が増す。

したがって、従来型の粒子トラップに関連付けられる問題の少なくともいくつかに対処する本開示の実施形態によれば、粒子トラップおよび粒子をトラップする関連する方法が提供される。例えば、有利にはトラップ内の荷電粒子の寿命を延ばすこと可能にし、かつ／または粒子トラップが安定状態にとどまる粒子密度を高めることを可能にする一実施形態に従って、粒子トラップおよび粒子をトラップするための関連する方法を提供することができる。さらに、一実施形態による粒子トラップおよび粒子をトラップするための関連する方法は、トラップ内の磁場の歪みおよび／または方位角不均一性の影響を受けにくくすることができ、それによって、荷電粒子の改善されたトラップおよび蓄積が得られる可能性がある。

一実施形態によれば、高温超伝導体（ＨＴＳ）からなる本体を含む粒子トラップが提供される。本体はそれを通る空洞を画定し、一実施形態においては、それを通る複数の空洞を画定する。この実施形態の粒子トラップは、空洞の両端に位置決めされた第１の端板および第２の端板も含む。第１の端板および第２の端板も、ＨＴＳからなる。この実施形態の第１の端板は、空洞内への少なくとも１つの開口部を画定する。

一実施形態の空洞は、第１の端板と第２の端板の間に延びる中心軸を画定する。この実施形態では、第１の端板によって画定される少なくとも１つの開口部が、中心軸からずれていてもよい。さらに、この実施形態の第１の端板は、中心軸と整列した第２の開口部を画定することができる。粒子トラップは、少なくとも１つの開口部に近接して位置決めされた電極を含むこともできる。

一実施形態の粒子トラップは、第１の端板および第２の端板を、本体に対して適切な位置に保持するように構成されたクランプを含むこともできる。先に言及したように、空洞は、第１の端板と第２の端板の間に延びる中心軸を画定することができる。一実施形態において、本体は、中心軸によって画定される方向に延びる磁場を有する。この実施形態において、粒子トラップは、本体の磁場が引き続き中心軸によって画定される方向に延びるように、本体ならびに第１の端板および第２の端板を、ＨＴＳの予め決められた臨界温度より低い温度まで冷却するための手段を含むこともできる。

他の実施形態では、高温超伝導体（ＨＴＳ）からなる本体を含む粒子トラップが提供される。本体はそれを通る空洞を画定し、一実施形態においては、それを通る複数の空洞を画定する。粒子トラップは、本体と電気的に接触する本体電極、ならびに空洞の両端に位置決めされた第１の電極および第２の電極も含む。この実施形態において、第１の電極は空洞内への少なくとも１つの開口部を画定する。

一実施形態の第１の電極および第２の電極は、空洞の両端にわたって延びる。空洞が第１の電極と第２の電極の間に延びる中心軸を画定するこの実施形態では、第１の電極によって画定される少なくとも１つの開口部を中心軸と整列させる。他の実施形態では、第１の電極および第２の電極は円筒形であり、空洞のそれぞれの端部を取り囲む。空洞が第１の電極と第２の電極の間に延びる中心軸を画定する例では、この実施形態の第１の電極および第２の電極を中心軸と整列させる。

先に言及したように、空洞は、空洞の第１の端部と第２の端部に延びる中心軸を画定することができ、一実施形態の本体は、中心軸によって画定される方向に延びる磁場を有することができる。この実施形態において、粒子トラップは、本体の磁場が引き続き中心軸によって画定される方向に延びるように、本体をＨＴＳの予め決められた臨界温度より低い温度まで冷却するための手段を含むこともできる。

さらなる実施形態では、高温超伝導体（ＨＴＳ）で形成された本体を有する粒子トラップを提供することを含む、粒子をトラップするための方法が提供される。本体はそれを通る空洞を画定し、空洞はその両端間に延びる中心軸を有する。その方法に従って、中心軸によって画定される方向に延びる磁場が提供される。この実施形態の方法はまた、空洞の一端を通して荷電粒子を受け取り、ＨＴＳの反磁性特性に応じて荷電粒子を中心軸の方へ押し進める。

粒子トラップを提供することにおいて、一実施形態の方法は、空洞の両端に位置決めされ、ＨＴＳからなる第１の端板および第２の端板を提供することができる。したがって、この実施形態に従って荷電粒子を受け取ることは、第１の端板によって画定される空洞内への少なくとも１つの開口部を通して荷電粒子を受け取ることを含むことができる。この実施形態の第１の端板は、空洞内への第２の開口部を画定することも可能であり、少なくとも１つの電極が、空洞内への開口部の少なくとも１つに近接して位置決めされる。したがって、この実施形態の方法は、電極に印加される電圧と荷電粒子によって維持される電荷の関係に基づいて、荷電粒子を引きつける、またははね返すように、電極に電圧を印加することもできる。

他の実施形態において、粒子トラップを提供することは、空洞の両端に位置決めされた第１の電極および第２の電極を提供することを含むことができる。この実施形態では、荷電粒子を受け取ることは、第１の電極によって画定される空洞内への少なくとも１つの開口部を通して荷電粒子を受け取ることを含むことができる。この実施形態の方法は、電極に印加される電圧と荷電粒子によって維持される電荷の関係に基づいて、荷電粒子を引きつける、またははね返すように、第１の電極および第２の電極の少なくとも１つに電圧を印加することを含むこともできる。

論じてきた特徴、機能および利点は、本開示の様々な実施形態において独立に実施すること、またはさらに他の実施形態として組み合わせることが可能であるが、そうした実施形態のさらなる詳細は、以下の記述および図面を参照して理解することができる。

このように本開示の実施形態を概括的な用語で記述してきたが、次に添付図面を参照する。添付図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。

本開示の一実施形態による粒子トラップの斜視図である。 図１の線２−２に沿って得られる、図１の粒子トラップの断面図である。 本開示の一実施形態による粒子トラップの本体を製造するための１つの技術を図示する概略図である。 本開示の他の実施形態による粒子トラップの断面図である。 本開示のさらなる実施形態による粒子トラップの断面図である。 本開示の一実施形態に従って実施される動作を示す流れ図である。

次に以下では、添付図面を参照して本開示をさらに詳しく記述するが、添付図面ではいくつかの実施形態が示され、すべての実施形態が示されるわけではない。実際には、本開示は多くの異なる形で具体化することが可能であり、本明細書において述べる実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が該当する法的要件を満たすように提供されるものである。全体を通じて同様の番号は同様の要素を指す。

本発明の実施形態によれば、荷電粒子をトラップおよび蓄積するための粒子トラップ１０が提供される。トラップされる粒子は、１つの化学種または複数の化学種からなることができるが、一般的には化学種にかかわらず同じ電荷を有する。例えば本開示の実施形態の粒子トラップは、陽電子または反陽子をトラップするように構成することができる。

本開示の実施形態の粒子トラップ１０は、高温超伝導体（ＨＴＳ）で形成された少なくとも１つの本体１２を含む。ＨＴＳは一般に、３０Ｋを超える超伝導転移温度を有する材料として定義される。一実施形態において、ＨＴＳは、粒子をトラップするように働く磁場を生成することができる。さらに、ＨＴＳ材料は、荷電粒子の軌道を安定化するように働く反磁性特性を有する。

粒子トラップ１０は様々な形に構成することができるが、一実施形態の粒子トラップを図１に示し、また図２には断面図として示す。この実施形態の粒子トラップは、ＨＴＳで形成された本体１２を含む。粒子トラップは様々なタイプのＨＴＳを含むことができるが、一実施形態の本体は、単粒のＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＹＢＣＯ）超伝導体で形成することができる。図２に示すように、本体はそれを通る空洞１４を画定する。本明細書では、本体を単一の空洞を含むものとして記述および図示しているが、他の実施形態の本体は、単一の空洞を含む実施形態に比べて蓄積される粒子の密度を高めることを可能にするために、複数の空洞を画定することができる。空洞は様々な形を有することができるが、図示される実施形態の本体は円筒形の空洞を画定し、空洞は、図２に示すようにその両端間に延びる中心軸１６を画定する。

図１および２の実施形態において、粒子トラップ１０は、空洞１４の両端に位置決めされた第１の端板１８および第２の端板２０も含む。示されるように、第１の端板および第２の端板は、本体１２の両端に画定される空洞内への開口部を覆うことができる。第１の端板および第２の端板は、本体と同じ直径を有するように示されているが、端板の直径は、第１の端板および第２の端板が空洞の両端を覆う限り、本体より大きくても小さくてもよい。本体と同様に、この実施形態の第１の端板および第２の端板は、本体を形成するものと同じＨＴＳなど、ＨＴＳで形成される。

図示される実施形態において、第１の端板１８は、空洞１４内への少なくとも１つの開口部を画定する。これに関して、第１の端板は、荷電粒子が、第１の板によって画定される（１つまたは複数の）開口部を通り、本体１２によって画定される空洞の中に入ることができるように、中心軸１６からずれた１つまたは複数の開口部２２を画定することができる。図１および２に図示されるように、第１の端板は中心軸と整列した第２の開口部２４を含むこともできる。示されるように、第２の端板２０は、空洞内へのいかなる開口部も画定しないように中実であってもよい。しかしながら、他の実施形態の第２の端板は、第１の端板に関連して前述したように、中心軸からずれた開口部および／または中心軸と整列した開口部を含めた１つまたは複数の開口部を含むことができる。（１つまたは複数の）端板を通る開口部は、粒子が粒子トラップを出入りする容易さに応じて大きさを定めることが可能であり、開口部が大きいほど容易にすることができる、すなわち、粒子トラップに出入りする可能性が高くなり、開口部が小さいほど出入りが難しくなる、すなわち、粒子が粒子トラップに出入りする可能性が低くなる。粒子トラップ１０は様々な方法で構成することができるが、示される実施形態の粒子トラップは、第１の端板および第２の端板を本体に固定し、第１の端板および第２の端板ならびに本体を互いに決まった関係に保つために、機械的なクランプなどのクランプ２６を含む。

一実施形態では、ＨＴＳで形成された本体１２ならびに第１の端板１８および第２の端板２０が磁化され、結果として生じる磁場は、空洞１４の中心軸１６の方向になる。例えば、ＨＴＳで形成された本体ならびに第１の端板および第２の端板は、超伝導ソレノイドなどの外部の磁石の磁場の中に配置することによって磁化することができる。本体ならびに第１の端板および第２の端板は、外部の磁場を中心軸に沿って整列させるような磁場の中に整列させることができる。さらに、外部の磁石によって生成された磁場は、本体ならびに第１の端板および第２の端板に対して均一にすることができる。本体ならびに第１の端板および第２の端板は、外部の磁石の磁場に曝しながら、その動作点、すなわち、荷電粒子をトラップおよび蓄積する間に粒子トラップ１０が維持される温度まで冷却される。これに関して、ＨＴＳは、９０Ｋなど予め決められた臨界温度を有する。したがって、本体ならびに第１の端板および第２の端板が冷却されて至る動作点は、７７ＫなどＨＴＳの臨界温度より低いまたは臨界温度を下回る温度である。

本体１２ならびに第１の端板１８および第２の端板２０は、クライオクーラの低温ヘッドからクランプ２６まで熱伝導性部材を取り付けることなど、様々な方法で冷却することができる。あるいは、クランプのすべてまたは少なくとも一部を、液体の寒剤に沈めること、または粒子トラップ１０の外面を低温ガスに曝すことが可能である。

粒子トラップ１０を冷却する方法に関係なく、本体１２ならびに第１の端板１８および第２の端板２０が動作点に達すると、外部の磁石によって提供された磁場を終わらせることができ、磁場はＨＴＳの中にトラップされた状態にとどまる。ＨＴＳが動作点に保たれる限り、ＨＴＳが異なる場所に移された場合でも、磁場はＨＴＳの中にとどまる。したがって、粒子トラップは、本体ならびに第１の端板および第２の端板を、ＨＴＳの予め決められた臨界温度より低い動作点まで冷却するために、クライオクーラ、液体の寒剤または低温ガスの供給源などの手段を含むこともできる。この動作点に維持される間、一実施形態の本体ならびに第１の端板および第２の端板の磁場は、外部の磁石によって前に与えられた磁場と同じ方向、すなわち空洞１４の中心軸１６によって画定され、中心軸１６と整列した方向に延びる。

動作時に、荷電粒子は、第１の端板１８によって画定される（１つまたは複数の）開口部２２、２４を通ってトラップ１０に入ることができる。トラップ１０に入ると、荷電粒子は、空洞１４の中心軸１６に平行に延びる速度成分、および空洞によって画定される中心軸に垂直な方向に延びる別の速度成分を有することができる。空洞の中心軸に平行な方向に延びる速度成分は、荷電粒子を第２の端板２０に向かって運ぶ。しかしながら、第２の端板を形成するＨＴＳの反磁性特性のために、荷電粒子は、最後には第２の端板から反射し、空洞を通って第１の端板に向かって戻るように進み始める。

また荷電粒子が第１の端板１８と第２の端板２０との間を移動する間、空洞１４の中心軸１６に垂直な方向に任意の速度成分を有する空洞に入る荷電粒子は、中心軸のまわりの軌道を回る。荷電粒子が空洞の中心軸のまわりの軌道を回る半径に影響を及ぼす本体１２の反磁性特性のために、荷電粒子が第１の端板によって画定される開口部２２を通る空洞に入った時間と、荷電粒子が第２の端板からの反射後に第１の端板へ戻る時間との間に、荷電粒子が空洞の中心軸のまわりを回る軌道の半径は移動していることになる。したがって、荷電粒子が第１の端板に戻ったとき、荷電粒子は、荷電粒子がそれを通って空洞に入った同じ開口部と整列した状態にとどまるのではなく、第１の端板の中実部と相互作用するように、適切な位置に移動していることになる。したがって、荷電粒子が、粒子トラップ１０によって画定された空洞の中に効果的にトラップおよび蓄積される。

本体１２を形成するＨＴＳの反磁性特性のために、荷電粒子の軌道は、最後には中心軸１６の方へ移動する。したがって、本体ならびに第１の端板１８および第２の端板２０を形成するＨＴＳの反磁性特性は、荷電粒子の軌道を安定化するように働くことができる。これに関して、ＨＴＳの反磁性特性によって、粒子トラップ１０の壁の近くを進む荷電粒子は、荷電粒子をこの中心軸に向かって押し進める力を受ける。ＨＴＳの反磁性特性によって発生するこの力は、荷電粒子が壁に近いほど次第に強くなり、空洞１４の中心軸の近くではゼロになる傾向を有するであろう。ＨＴＳの反磁性特性によって荷電粒子に与えられる力のため、粒子トラップは、粒子分布を安定化するために、少なくともいくつかの従来型の粒子トラップで要する回転電場を利用する必要がなく、それによって粒子トラップの設計が簡易化される。さらに、ＨＴＳの反磁性特性によって荷電粒子に与えられる力は、有利には粒子トラップ内のトラップされた粒子の寿命を延ばし、粒子トラップ内でより高い粒子密度を確立することを可能にすることもできる。

第１の端板１８および／または第２の端板２０が中心軸１６と整列した開口部２４を画定した例では、荷電粒子が中心軸の方へ移動した後、荷電粒子が開口部に近接するそれぞれの端板に衝突する可能性がある。比較的小さい直径または比較的大きい直径を有するように空洞１４の中心軸と整列した開口部を形成することによって、粒子トラップ１０は、それぞれ、より少数またはより多数の粒子を逃がすことを可能にすることができる。

一実施形態において、電極２８を、第１の端板１８によって画定される１つまたはそれぞれの開口部２２、２４に近接して位置決めすることができる。図１および２に示すように、例えば電極を、空洞１４の中心軸１６と整列した第１の端板によって画定される開口部に近接して位置決めすることができる。一実施形態において、電極は、円筒形、円錐形、円形または他の環形を有することができ、またそれぞれの開口部を取り囲むように位置決めすることができる。この電極は、荷電粒子が粒子トラップ１０から出るのを制御するのを助けることができる。一実施形態では、クランプ２６を接地に接続することができ、一方、電極は電圧源に接続される。荷電粒子を粒子トラップから取り出すことを容易にするために、電極に印加される電圧は、荷電粒子の電荷の符号と反対の極性を有する。あるいは、荷電粒子のトラップを向上させるために、荷電粒子の電荷の符号と同じ符号の極性を有する電極に電圧を印加することができる。示されていないが、円筒形または円形の電極などの同様の電極を、空洞の中心軸からずれた第１の端板によって画定される開口部に近接して位置決めすることができる。

したがって、本開示のこの実施形態の粒子トラップ１０は、いくつかの荷電粒子をトラップおよび蓄積することができる。先に言及したように、ＨＴＳを利用するその構造のために、トラップ内の粒子の寿命を延ばすこと、およびトラップが安定する粒子密度を従来型の粒子トラップより高くすることができる。さらに、粒子トラップが、トラップ内の磁場の歪みおよび方位角不均一性の影響を受けにくくすることができる。それに応じて、本開示の実施形態の粒子トラップは、荷電粒子を効果的にトラップおよび蓄積することができ、次いで、荷電粒子を制御可能に解放することができる。

図１および２に関する実施形態の粒子トラップ１０の本体１２ならびに第１の端板１８および第２の端板２０を形成するＨＴＳは、様々な方法で製造することができる。例えば、J. R. HullおよびM. Murakami、Proc. IEEE、Vol.92、pp.1705-1718(2004)に記載されるように、トップシード溶融成長（ｔｏｐ ｓｅｅｄｅｄ ｍｅｌｔ ｇｒｏｗｔｈ）（ＴＳＭＧ）を利用して大きい単粒のＹＢＣＯ超伝導体を製造することができる。これに関して、ＨＴＳによって画定される空洞１４は、超音波穿孔などによる形成後に、ＨＴＳを機械加工することによって形成することができる。

あるいは、例えば図３に示すように、ＨＴＳで形成される本体１２を製造することができる。これに関して、ＹＢＣＯ粉末など、ＨＴＳを形成するために利用される粉末の予備形成品３２の中に不活性金属３０を配置することができる。不活性金属は、有利には、処理温度で融解しないように、かつＨＴＳと相互作用しないように選択される。例えば不活性金属は、Ａｇ−Ａｕ合金で形成することができる。次いで、粉末の予備形成品の上にシード３４を配置することができ、材料は、内部に不活性金属、外面上にシードを有する構造体になるＨＴＳを形成するように、ＴＳＭＧプロセスに従って処理することができる。ＨＴＳの製造後、結果として得られる構造体は、図３に示す点線に沿ってなど、不活性金属の両端に沿って切断することができる。切断は、例えばダイヤモンドが先端に付いたのこぎりを用いて、不活性金属の両端と同じ平面にある線、または例えば図３に示すように、不活性金属のわずかに内側の線に沿って行うことができる。次いで、対向する端部３６を除去し、不活性金属の残りの部分を機械加工して除き、粒子トラップ１０の本体が残るようにすることができる。望ましい場合には、構造体の切断後に除去される端部をさらに機械加工することができ、結果として得られる粒子トラップの第１の端板１８および第２の端板２０を形成するように、端部の少なくとも１つに開口部を形成することができる。

粒子トラップ１０は、図１および２に示すように、円筒形のトラップ形状を有することができる。しかしながら、他の実施形態では、粒子トラップが他の形状および大きさを有してもよい。例えば円筒形の粒子トラップは、１０から１００ｍｍの間の直径、ならびに第１の端板１８と第２の端板２０の外面の間に画定される２０ｍｍから１ｍｍ未満の間の高さを有することができる。さらに、本体１２によって画定される空洞１４の直径は、１０ｍｍから１ミクロン未満の間とすることができる。様々な大きさおよび形状にすることに加えて、粒子トラップは、図１および２に関連して図示したものとは異なる方法で構成することができる。例えば図１および２の粒子トラップは、本体、ならびに本体から分離可能な第１の端板および第２の端板を含む。あるいは、第１の端板および第２の端板の少なくとも１つを本体と一体化することができる。

粒子トラップ１０の他の実施形態は、第１の端板１８および第２の端板２０を省く、または第１の端板１８および第２の端板２０を異なったように構成してもよい。これに関して、図４および５の実施形態の粒子トラップはＨＴＳで形成された本体１２を含み、本体はそれを通る空洞１４を画定する。しかしながら、図１および２の実施形態の粒子トラップとは異なり、図４および５の実施形態の粒子トラップは、空洞の両端に位置決めされた第１の電極および第２の電極４０を含み、少なくとも第１の電極が、空洞内への少なくとも１つの開口部を画定する。図４に示すように、例えば第１の電極および第２の電極は、空洞の両端にわたって延びてもよい。少なくとも第１の電極、また図示した実施形態においては第１の電極と第２の電極の両方が、中心軸１６と整列した開口部など、空洞内への少なくとも１つの開口部４２を画定することができる。さらに、粒子トラップは、粒子トラップの本体と電気的に接触する本体電極４４を含むことができる。示されるように、第１の電極と本体電極の間に１つの絶縁体４５を位置決めすることができ、第２の電極と本体電極の間に別の絶縁体を位置決めすることができる。絶縁体は、プラスチックまたはガラス繊維強化プラスチック複合材など、非磁性、非導電性の材料で形成することができる。

この実施形態の粒子トラップ１０の中に荷電粒子をトラップするために、荷電粒子の電荷と同じ極性を有する第１の電極および第２の電極４０に電圧が印加され、一方、本体電極４４は接地に電気的に接続される。したがって、荷電粒子は第１の電極および第２の電極からはね返され、粒子トラップの空洞１４の中にとどまる。あるいは、粒子トラップの空洞から荷電粒子を取り出すことが望ましい場合には、荷電粒子の電荷の符号と反対の極性を有する第１の電極および第２の電極の少なくとも１つに電圧が印加され、その結果、荷電粒子がそれぞれの電極に向かって加速され、内部に画定された開口部４２を通るが、第１の電極および第２の電極は、内部に画定された１つまたは複数の開口部と共に形成することができる、あるいは第１の電極および第２の電極は、開口部を画定する格子内の空間を備えた格子構造体を有することができ、荷電粒子は開口部を通って空洞を出入りする。

あるいは、図５の実施形態に示すように、第１の電極および第２の電極４０は円筒形とすることができ、空洞１４のそれぞれの端部を取り囲むように位置決めすることができる。この実施形態において、円筒形の電極は、空洞内への比較的大きい開口部を画定する。しかしながら、荷電粒子の電荷の符号に関して第１の電極および第２の電極に印加される電圧の極性を適切に制御することにより、図５の実施形態の粒子トラップ１０は、荷電粒子の粒子トラップ内での保持、あるいは荷電粒子の粒子トラップからの解放を同様に制御することができる。

図４および５には示されていないが、これらの実施形態の粒子トラップ１０は、本体１２ならびに第１の電極および第２の電極４０を決まった位置関係で固定するために、機械的な取り付け部品を含むこともできる。図１および２の実施形態に示すように、クランプを使用することができるが、他のタイプの機械的な取り付け部品を使用してもよい。機械的な取り付け部品は、有利にはプラスチックまたはガラス繊維強化プラスチック複合材など、非磁性、非導電性の材料で形成される。例えば機械的な取り付け部品は、円筒形の形状の場合などには、１つまたは複数のねじもしくはボルト、接着剤、または焼きばめとすることができる。

粒子トラップ１０の構成に関係なく、図６に示すように、本開示の実施形態に従って、荷電粒子をトラップするための方法が提供される。これに関して、ＨＴＳで形成された本体１２を含む粒子トラップが最初に提供され、本体はそれを通る空洞１４を画定し、空洞はその両端間に延びる中心軸１６を有する。動作５０を参照されたい。中心軸によって画定される方向に延びる磁場が提供される。先に言及し、動作５２に示すように、本体によって磁場を提供することができる。あるいは、外部の磁石など外部の供給源によって磁場を提供することが可能であり、その場合、本体のＨＴＳは依然として、荷電粒子の軌道を安定化するように働く反磁性特性を有する。さらに、本体および外部の供給源によって提供される磁場の組み合わせによって、磁場を提供することができる。動作５４では、空洞の一端を通して荷電粒子を受け取る。一旦空洞に入ると、荷電粒子は、ＨＴＳに対する反磁性特性に応じて中心軸の方へ押し進められ、それによって、粒子トラップ内の荷電粒子の寿命を延ばし、粒子トラップ内に安定的に適合させることが可能な荷電粒子の密度を高める。動作５６を参照されたい。その後、空洞の一端を通る開口部に関連付けられた電極に適切に電圧を印加することなどによって、荷電粒子を粒子トラップから制御可能に解放することができる。動作５８を参照されたい。

荷電粒子をトラップおよび蓄積し、次いで荷電粒子の解放を制御することによって、本開示の実施形態の粒子トラップ１０は、荷電粒子を様々な目的のために利用するのを可能にすることができる。例えば荷電粒子によって、プラズマの研究者による研究、または荷電粒子に関する他のことを容易にすることができる。さらに粒子トラップによって、陽電子または反陽子を蓄積し、次いで反物質ビームを形成するように解放すること、またはエネルギーを発生させるように、隣接する物質と共に比較的速やかに消滅させることを可能にすることができる。結果として生じる反応は、ロケットエンジン用の原動力または加速ビーム用の電流パルスを形成することが可能である。さらに、反物質のエネルギーに変換することによって、例えば宇宙の用途において有用となり得る比較的軽量のエネルギー蓄積機構を形成することができる。

前述の説明および関連する図面に示した教示の利益を有する、これらの実施形態が関係する当分野の技術者には、本明細書において述べた開示について、多くの変更形態および他の実施形態が想到されるであろう。したがって、本開示は開示された特定の実施形態に限定されず、変更形態および他の実施形態が、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるものであることを理解されたい。本明細書では特定の用語を使用しているが、そうした用語は一般的かつ説明的な意味で用いているにすぎず、限定の目的で用いているものではない。

Claims (20)

1. 高温超伝導体（ＨＴＳ）材料からなり、それを通る空洞を画定する本体と、
   前記空洞の両端に位置決めされた第１の端板および第２の端板であって、前記第１の端板および前記第２の端板もＨＴＳ材料からなり、前記第１の端板が、前記空洞内への少なくとも１つの開口部を画定する第１の端板および第２の端板と
   を備える粒子トラップ。
2. 前記空洞が、前記１の端板と前記第２の端板の間に延びる中心軸を画定し、前記第１の端板によって画定される前記少なくとも１つの開口部が前記中心軸からずれている、請求項１に記載の粒子トラップ。
3. 前記第１の端板が、前記中心軸と整列した第２の開口部を画定する、請求項２に記載の粒子トラップ。
4. 前記少なくとも１つの開口部に近接して位置決めされた電極をさらに備える、請求項１に記載の粒子トラップ。
5. 前記第１の端板および前記第２の端板を、前記本体に対して適切な位置に保持するように構成されたクランプをさらに備える、請求項１に記載の粒子トラップ。
6. 前記空洞が、前記第１の端板と前記第２の端板の間に延びる中心軸を画定し、前記本体が、前記中心軸によって画定される方向に延びる磁場を有する、請求項１に記載の粒子トラップ。
7. 前記ＨＴＳ材料が予め決められた臨界温度を有し、前記粒子トラップが、前記本体ならびに前記第１の端板および前記第２の端板を、前記予め決められた臨界温度より低い温度まで冷却するための手段をさらに備える、請求項６に記載の粒子トラップ。
8. 前記本体がそれを通る複数の空洞を画定する、請求項１に記載の粒子トラップ。
9. 高温超伝導体（ＨＴＳ）材料からなり、それを通る空洞を画定する本体と、
   前記本体と電気的に接触する本体電極と、
   前記空洞の両端に位置決めされた第１の電極および第２の電極であって、前記第１の電極が、前記空洞内への少なくとも１つの開口部を画定する第１の電極および第２の電極と
   を備える粒子トラップ。
10. 前記第１の電極および前記第２の電極が、前記空洞の両端にわたって延びる、請求項９に記載の粒子トラップ。
11. 前記空洞が、前記第１の電極と前記第２の電極の間に延びる中心軸を画定し、前記第１の電極によって画定される前記少なくとも１つの開口部が前記中心軸と整列する、請求項１０に記載の粒子トラップ。
12. 前記第１の電極および前記第２の電極が円筒形であり、前記空洞のそれぞれの端部を取り囲む、請求項９に記載の粒子トラップ。
13. 前記空洞が、前記第１の電極と前記第２の電極の間に延びる中心軸を画定し、前記第１の電極および前記第２の電極が前記中心軸と整列する、請求項１２に記載の粒子トラップ。
14. 前記空洞が、前記空洞の第１の端部と前記第２の端部に延びる中心軸を画定し、前記本体が前記中心軸によって画定される方向に延びる磁場を有する、請求項９に記載の粒子トラップ。
15. 前記ＨＴＳ材料が予め決められた臨界温度を有し、前記粒子トラップが、前記本体を前記予め決められた臨界温度より低い温度まで冷却するための手段をさらに備える、請求項１４に記載の粒子トラップ。
16. 前記本体がそれを通る複数の空洞を画定する、請求項９に記載の粒子トラップ。
17. 高温超伝導体（ＨＴＳ）材料からなる本体を備える粒子トラップを提供することであって、前記本体がそれを通る空洞を画定し、前記空洞がその両端間に延びる中心軸を有すること、
    前記中心軸によって画定される方向に延びる磁場を提供すること、
    前記空洞の一端を通して荷電粒子を受け取ること、および
    前記ＨＴＳ材料の反磁性特性に応じて前記荷電粒子を前記中心軸の方へ押し進めること
    を含む、粒子をトラップするための方法。
18. 前記粒子トラップを提供することが、前記空洞の両端に位置決めされ、ＨＴＳ材料からなる第１の端板および第２の端板を提供することを含み、荷電粒子を受け取ることが、前記第１の端板によって画定される前記空洞内への少なくとも１つの開口部を通して荷電粒子を受け取ることを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の端板が、前記空洞内への第２の開口部をさらに画定し、少なくとも１つの電極が、前記空洞内への前記開口部の少なくとも１つに近接して位置決めされ、前記方法が、前記電極に印加される電圧と前記荷電粒子によって維持される電荷の関係に基づいて、前記荷電粒子を引きつける、またははね返すように、前記電極に電圧を印加することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記粒子トラップを提供することが、前記空洞の両端に位置決めされた第１の電極および第２の電極を提供することを含み、荷電粒子を受け取ることが、前記第１の電極によって画定される前記空洞内への少なくとも１つの開口部を通して荷電粒子を受け取ることを含み、前記方法が、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも１つの電極に印加される電圧と前記荷電粒子によって維持される電荷の関係に基づいて、前記荷電粒子を引きつける、またははね返すように、前記少なくとも１つの電極に電圧を印加することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

Images