特許 5708984 空芯型サイクロトロン

(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】5708984

(24)【登録日】2015年3月13日

(45)【発行日】2015年4月30日

(54)【発明の名称】空芯型サイクロトロン

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/00 20060101AFI20150409BHJP

【ＦＩ】

   H05H13/00

【請求項の数】7

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2010-252226(P2010-252226)

(22)【出願日】2010年11月10日

(65)【公開番号】特開2012-104386(P2012-104386A)

(43)【公開日】2012年5月31日

【審査請求日】2013年11月8日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用 Ａ．刊行物による発表 （１）発行者名 社団法人 電気学会 （２）刊行物名 電気学会研究会資料 （３）巻数・号数 ＡＳＣ−１０−０１７〜０２７・０２９〜０３９・０４１ （４）発行年月日 ２０１０年６月１０日 Ｂ．上記Ａ．に伴う研究集会における文書による発表 （１）研究集会名 電気学会 超電導応用電力機器研究会 （２）主催者名 社団法人 電気学会 （３）開催日 平成２２年６月１０日

(73)【特許権者】

【識別番号】899000068

【氏名又は名称】学校法人早稲田大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000213297

【氏名又は名称】中部電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078721

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 喜樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124420

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 清隆

(72)【発明者】

【氏名】石山 敦士

(72)【発明者】

【氏名】植田 浩史

(72)【発明者】

【氏名】福田 光宏

(72)【発明者】

【氏名】畑中 吉治

(72)【発明者】

【氏名】鹿島 直二

(72)【発明者】

【氏名】長屋 重夫

【審査官】 田邉 英治

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２３３２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−０４９６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−３１０６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１２０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５８４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５２４２０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １３／００− １３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向に対向し、半径方向に等時性磁場を形成する一対のメインコイルユニットと、
前記軸方向に対向し、円周方向に強弱のある磁場を形成する一対のスパイラルセクターコイルユニットと、
前記軸方向に対向する一対のセンターコイルユニット
を有しており、
各前記スパイラルセクターコイルユニットは、対応する前記メインコイルユニットの前記軸方向内側に配置されており、
各前記センターコイルユニットは、前記軸方向において、対応する前記メインコイルユニットの内側であって前記スパイラルセクターコイルユニットの外側に配置されており、
各前記センターコイルユニットに係るセンターコイルは、超電導導体を巻いた空芯のコイルであり、前記半径方向の中央に配置されている
ことを特徴とする空芯型サイクロトロン。

【請求項2】

各当該スパイラルセクターコイルユニットは、３個以上のスパイラルセクターコイルを含んでおり、
各当該スパイラルセクターコイルは、超電導導体を、湾曲する扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、互いに回転対称となるように配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の空芯型サイクロトロン。

【請求項3】

各前記スパイラルセクターコイルは、曲げ半径が所定値以上となるように形成されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空芯型サイクロトロン。

【請求項4】

前記メインコイルユニットは、超電導導体を輪状に巻いて成る空芯のメインスプリットコイルを、複数軸方向に並べたものである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の空芯型サイクロトロン。

【請求項5】

一対の前記センターコイルユニット、一対の前記スパイラルセクターコイルユニット、及び／又は一対の前記メインコイルユニットは、互いに鏡面対称に配置されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の空芯型サイクロトロン。

【請求項6】

少なくとも何れかの前記超電導導体は、酸化物超電導導体である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の空芯型サイクロトロン。

【請求項7】

前記酸化物超電導導体は、ビスマス系酸化物超電導体、又は、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥはイットリウムを含む希土類元素）である
ことを特徴とする請求項６に記載の空芯型サイクロトロン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子を加速するサイクロトロンに関し、より詳しくは空芯コイルを用いた空芯型サイクロトロンに関する。

【背景技術】

【0002】

陽子を２５０〜３００ＭｅＶ（メガ電子ボルト）まで加速可能なサイクロトロンとして、下記特許文献１に記載されたものが知られている。このサイクロトロンでは、光速に近づいた荷電粒子の質量が相対論効果によりローレンツファクターに比例して増加することに対応しつつ、荷電粒子の周回周期を一定にするため、強度を加速平面の半径方向で増加させた（外側へ向かい正の勾配を持たせた）磁場である等時性磁場が作成される。

【0003】

又、このサイクロトロンでは、外側ほど強い等時性磁場において、そのまま加速すると加速平面の垂直方向に加速粒子が発散し、装置に加速粒子が衝突して加速を継続できないことへの対応として、加速平面の円周方向（粒子の回転方向）に磁場強度を変化させ、加速粒子に垂直方向の収束力を得させるための複数の強磁性体磁極片（ポールチップ）が設けられる。各ポールチップは、より強い収束力を得るべく加速粒子との入射角度（スパイラル角度）を持たせるため、螺旋状に湾曲された扇状とされており、加速平面の円周方向に互いに等間隔に配置され、ボールチップの有る部分（ヒル）の磁場を強め、無い部分（バレー）の磁場を弱めて、加速粒子を垂直方向（及び水平方向）に収束させる。このような回転方向（方位角方向）に強弱のある磁場を作成するサイクロトロンは、ＡＶＦ（Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ Ｖａｒｙｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ）サイクロトロンと呼ばれる。

【0004】

このようなサイクロトロンでは、等時性磁場を作成するのに常電導の鉄芯コイルが用いられており、周回軌道上の平均磁場を最大２Ｔ（テスラ）程度までしか強くすることができない。又、ボールチップとして強磁性体が用いられているため、収束可能な荷電粒子のエネルギーに限界がある。従って、このようなサイクロトロンでは、陽子を２５０〜３００ＭｅＶに加速させるに留まり、近年がんの放射線照射治療において顕著な有用性が認められつつある重粒子線（炭素６価プラスイオン^１２Ｃ^６＋等の放射線）について、がん治療に利用可能となる４００ＭｅＶ／核子程度のエネルギーを有する（光速の７割程度の速度へ加速された）状態まで十分に加速することができない。

【0005】

現在、我が国におけるがん（悪性腫瘍）全体の５年生存率は５０％（パーセント）を上回るようになったが、依然日本人の死因のトップの難病であることに変わりはない。「がんの統計’０７」（財団法人がん研究振興財団）によれば、男性で約２人に１人、女性で約３人に１人が一生のうちにがんと診断され、更に男性で約４人に１人、女性で約６人に１人ががんで死亡する。高齢化社会の進展と共に、がんの患者数は現在も増加傾向にあり、２０１５年には５００万人を超える（２００３年からの約１０年間でほぼ倍増する）ものと予想されている。

【0006】

又、外来や入院で治療を受けたがん患者が仮に治療不要であったとした場合に支払不要となる金額（医療費）や、がんで死亡した人が仮に平均寿命まで生きたとした場合に労働等で得られたはずの金額（滅失利益）は、年間で医療費が３兆円余り、滅失利益が約７兆円となるという試算も存在する。従って、がんによる社会の損失は年間約１０兆円（日本の国内総生産の約２％）に上るといえる。一方、検診技術や治療技術の向上により治癒可能ながんが増えており、社会的コスト（Ｓｏｃｉａｌ Ｃｏｓｔ）削減という観点からもがん対策が重要であることは言うまでもない。

【0007】

がん治療には大きく分けて外科、内科、放射線療法があるが、中でも放射線を患部に照射する放射線療法は比較的にコストが低く、欧米を始め本邦でもがん治療の大きなパートを占めつつある。外部治療放射線としては、主に電子線リニアックを用いた高エネルギーＸ線が利用されているが、近年では、陽子線や、炭素線を始めとする重粒子線が、より有効な治療を行えるものとして注目されている。

【0008】

陽子線と炭素線の特性を比較すると、陽子線のがん細胞致死効果は従来のＸ線と同等であるが、線量分布がＸ線よりシャープになり患部に集中して照射できるため優れている。一方、炭素線の線量分布は、陽子線より更にシャープであり、正常組織や重要臓器を避けながら精密な線量分布での治療が可能となるし、細胞致死効果が陽子線の約３倍となっており、より放射線抵抗性の高いがんへの適用が可能となる。又、がん細胞は急速に成長し、ある程度成長したがん組織の中心部分は血流減少により酸素不足となるところ、このような低酸素状態の細胞に対するＸ線や陽子線の効果は不十分であるが、重粒子線は効果が認められている。

【0009】

よって、重粒子線照射療法は、手術や切除が困難な部位（肝、肺門部、頭蓋底、眼球、ＡＶＭ等）の治療に有効であり、極めて侵襲性の低い治療法となっていて、これまでの実績によれば、約６割の固形がんに治療効果が期待できる。又、線量分布の集中や良好な細胞致死効果により、従前に比べ照射回数を減らして患者の身体的負担や費用負担を軽減し、更に侵襲性の低さにより、入院期間や通院期間を減らして、患者の生活の質（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｏｆ Ｌｉｆｅ，ＱＯＬ）を向上することができる。

【0010】

このようにがん治療に有用な重粒子線を放出可能な装置として、シンクロトロンが採用されている。しかし、シンクロトロンは、重粒子を十分に加速させるために極めて巨大な規模となり（例えば、入射器等を含めると数百個以上にも及ぶコイルが並び、制御すべき電磁石は１００台以上となり、主リングは直径２０ｍ（メートル）程度の規模となる）、設置コストが莫大となるし、運転コストも、多数のコイルの冷却や、制御の複雑さ、オペレータの多人数化、多大な電力消費等により甚大になることが予想される。

【0011】

このような規模では、いかにがん治療に有用といえども普及に弾みがつかないため、重粒子の加速器の小型化やランニングコストの低減等が望まれるところであり、この観点から、コイルの数が数個程度と少ない特許文献１のようなサイクロトロンの規模を拡張して重粒子加速器を構成することが考えられる。しかし、鉄芯と常電導コイルによる磁場の形成は、鉄の磁気飽和により約２Ｔが限度であり（引出半径での周回方向の平均磁場）、これを前提に４００ＭｅＶ／核子までの重粒子線を加速可能なサイクロトロンを設計すると、等時性磁場形成のために少なくとも直径１３ｍ程度のポールフェイス（磁極表面，リターンヨークを含む）を有する磁石（約５万トン）が必要となってしまい、実際に製作したとしても、磁場を安定させるのに時間がかかり、更に発熱量が多大であって巨大な冷却装置が必要となってしまう。又、加速粒子のエネルギーの増加により、収束のためのポールチップについても巨大で複雑な形状のものを設置しなければならない。従って、このような規模を拡大したサイクロトロンでは、シンクロトロン程ではないにせよ、結局極めて複雑で規模の大きなものとなってしまう。

【0012】

又、重粒子線は、直進性の高さや高い線エネルギー付与、深度線量分布の特異性から、がん治療以外の様々な分野でもその利用が期待されている。例えば、高分子のナノワイヤーを始めとするナノ構造体等を形成する新材料創製分野や、そのナノ構造体を導入すること等による光学機器、高性能分離膜、マイクロナノマシン、高効率熱交換器、新エネルギー創製、高度半導体、高機能膜生成等の各分野における利用が期待される。又、容量の巨大なイオン交換膜の形成や、光導波路、光学スイッチ、高性能グレーティング、反射防止膜、ナノフィルター、微細な機械部品、超撥水膜、微細フィンを備えた高性能熱交換器の形成等の各分野における利用が期待される。更に、構造制御された医薬品放散システム、高性能燃料電池、高精度イオン注入、表裏で性能の異なる一体型ハイブリット膜の創製に係る各分野における利用が期待される。このように多様な分野において重粒子線の利用を促進するためには、シンクロトロンのような極めて大規模な装置では力不足であり、分野に応じて（重粒子線の質量や価数を適宜調整したうえで）比較的に小規模で、導入のし易い重粒子線放射装置が望まれている。

【0013】

そこで、本件出願人らは、粒子回転方向におけるヒルバレー磁場の形成につき、酸化物超電導導体を湾曲する扇形に沿うように巻いて成る空芯のスパイラルセクターコイルにより行うことを、先の特許出願で提案した（特願２０１０−１３２２５６）。このようなスパイラルセクターコイルを用いると、超電導コイルにより常電動コイルに比べて遥かに強い磁場を小規模で形成可能となるが、超電導導体の曲率半径を小さくし過ぎると大きな機械的・電磁気的応力が加わって超電導特性が低下することから、粒子加速面の中心領域まで張り出す形状とすることが難しく、中心領域の磁場強度をスパイラルセクターコイルによって調整することが難しい状況となっている。

【0014】

一方、従来の鉄芯と常電導コイルを組み合わせたサイクロトロンや、コンピュータモデル上の超電導サイクロトロン（下記非特許文献１参照）において、粒子加速面の中心領域の磁場分布を調整するため、粒子加速面の中心軸に上下一対の鉄材の中心プラグを配置することが行われている。この中心プラグにより、当該磁場分布は、中心から半径方向に離れるほど小さくなり、中心における強度が持ち上げられている状態（中心バンプ）とされ、粒子加速面の中心領域へ加速のため入射された粒子が加速開始から数回転するまでの間において鉛直方向の収束力を受けるようにされている（弱収束の原理）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特許第３４５６１３９号公報

【非特許文献1】"Computer modeling of magnetic system for C400 superconducting cyclotron", Y.Yongen, et al., Proceedings of EPAC2006, Edinburgh, Scotland, 2006, pp2589-2591.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

従来の鉄材の中心プラグでは、磁束の飽和により、２Ｔを超えるような高磁場まで中心バンプを大きくすることができず、超電導コイルによりもたらされる４００ＭｅＶ／核子程度のエネルギーを有する状態まで加速可能な高磁場中に配置しても、比較的に弱くなって不十分となる。一方、超電導スパイラルセクターコイルの形状を粒子加速面の中心寄りにしたとしても、上述の通り応力や超電導特性低下の影響が出る可能性があるし、スパイラルセクターコイルにより発生される自身の外側における主磁場に対して逆向きのリターン磁束が全体磁場の中心領域を通過するため中心付近で磁場が弱くなることとなり、中心バンプを付与することができず、加速粒子の鉛直方向における収束力が不足する可能性がある。

【0017】

そこで、請求項１に記載の発明は、小型であり設置コストや運用コストが低廉でありながら、重粒子につきがん治療等に利用可能なエネルギーを有するまで加速が可能であり、特に粒子加速面の中心領域における初期の加速がスムーズであるような磁場分布を形成することができる空芯型サイクロトロンを提供することを目的としたものである。

【課題を解決するための手段】

【0018】

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、軸方向に対向し、半径方向に等時性磁場を形成する一対のメインコイルユニットと、前記軸方向に対向し、円周方向に強弱のある磁場を形成する一対のスパイラルセクターコイルユニットと、前記軸方向に対向する一対のセンターコイルユニットを有しており、各前記スパイラルセクターコイルユニットは、対応する前記メインコイルユニットの前記軸方向内側に配置されており、各前記センターコイルユニットは、前記軸方向において、対応する前記メインコイルユニットの内側であって前記スパイラルセクターコイルユニットの外側に配置されており、各前記センターコイルユニットに係るセンターコイルは、超電導導体を巻いた空芯のコイルであり、前記半径方向の中央に配置されていることを特徴とするものである。

【0019】

請求項２に記載の発明は、上記目的に加えて、重粒子につき高エネルギーを有する状態まで安定して加速可能な周方向に強弱のある高磁場を効率良く形成する目的を達成するため、上記発明にあって、各当該スパイラルセクターコイルユニットは、３個以上のスパイラルセクターコイルを含んでおり、各当該スパイラルセクターコイルは、超電導導体を、湾曲する扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、互いに回転対称となるように配置されていることを特徴とするものである。

【0020】

請求項３に記載の発明は、上記目的に加えて、加速初期から重粒子を収束させて高速度で加速可能としながらより一層強度や耐久性を向上する目的を達成するため、上記発明にあって、各前記スパイラルセクターコイルは、曲げ半径が所定値以上となるように形成されることを特徴とするものである。

【0021】

請求項４に記載の発明は、上記目的に加えて、強力な等時性磁場を効率良く形成する目的を達成するため、上記発明にあって、前記メインコイルユニットは、超電導導体を輪状に巻いて成る空芯のメインスプリットコイルを、複数軸方向に並べたものであることを特徴とするものである。

【0022】

請求項５に記載の発明は、上記目的に加えて、重粒子を高速に加速可能な高磁場ないし磁場分布の形成を更に効率良くメリハリを付けて行う目的を達成するため、上記発明にあって、一対の前記センターコイルユニット、一対の前記スパイラルセクターコイルユニット、及び／又は一対の前記メインコイルユニットは、互いに鏡面対称に配置されていることを特徴とするものである。

【0023】

請求項６，７に記載の発明は、上記目的に加えて、更に運用容易で小型で省エネルギーながら強力な磁場を形成する目的を達成するため、上記発明にあって、少なくとも何れかの前記超電導導体を、酸化物超電導導体としたり、その酸化物超電導導体を、ビスマス系酸化物超電導体、又は、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥはイットリウムを含む希土類元素）としたりすることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、超電導導体を輪状に巻いて成る空芯のセンターコイルを、加速平面中央の上下において向かい合わせて配置している。よって、小型であり設置コストや運用コストが低廉でありながら、重粒子についてのがん治療等に利用可能なエネルギーまでの加速における粒子導入ないし初期加速が安定して可能となるような、加速平面の中央の強度がバンプされた磁場分布を形成することができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】（ａ）は本発明の空芯型サイクロトロンにおけるコイルシステムの平面説明図であり、（ｂ）はその中央拡大説明図である。

【図2】図１のコイルシステムの中央端面図である。

【図3】比較例のコイルシステムの斜視説明図である。

【図4】図３のコイルシステムの平面説明図である。

【図5】図３におけるメインコイルユニットの一部端面説明図である。

【図6】図５のメインコイルユニットにより形成される磁場等を示すグラフである。

【図7】図１あるいは図３におけるスパイラルセクターコイルの平面説明図である。

【図8】（ａ）はヒル・バレーの側面模式図であり、（ｂ）はラジアルセクター型における荷電粒子の軌道等を示す平面模式図であり、（ｃ）はヒル・バレーのエッジを横切る荷電粒子の運動状態を示す模式図である。

【図9】（ａ）は積分路を示す側面模式図であり、（ｂ）はスパイラルセクター型のヒル・バレーの平面模式図であり、（ｃ）は（ｂ）における荷電粒子の軌道等を示す一部拡大平面模式図である。

【図10】図７のスパイラルセクターコイルのスパイラル角と半径方向位置の関係を示すグラフである。

【図11】図３のコイルシステムにより形成される加速平面上の磁場強度分布を示す図面代用写真である。

【図12】図３のコイルシステムにより形成される加速平面上の磁場の（ａ）各半径の円軌道における周方向の強度分布，（ｂ）径方向の強度分布，（ｃ）径方向のフラッターの分布を示すグラフである。

【図13】図１のコイルシステム等によりセンターコイルの電流密度を変化させた状態でそれぞれ形成される加速平面の中心領域上の磁場強度分布を示すグラフである。

【図14】図１のコイルシステム等によりセンターコイルの径を変化させた状態でそれぞれ形成される加速平面の中心領域上の磁場強度分布を示すグラフである。

【図15】図１のコイルシステム等によりスパイラルセクターコイルの曲率半径等を変化させた状態でそれぞれ形成される加速平面の中心領域上の磁場強度分布を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、当該形態は、下記の例に限定されない。

【0027】

≪全体構成≫
図１（ａ）は本発明の空芯型サイクロトロン（以下「サイクロトロン」という）のコイルシステム１の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の中央拡大図であり、図２はコイルシステム１の中央端面図である。なお図１におけるＸ軸及びＹ軸の数値の単位はｃｍ（センチメートル）である。

【0028】

サイクロトロンは、図示しないカバーの内部にコイルシステム１を有しており、又荷電粒子を生成してコイルシステム１の中央付近に入射させる図示しないイオン源と、コイルシステム１の外側に配置される図示しないビーム取出し口と、コイルシステム１を所定温度まで冷却する図示しない冷却装置と、前記カバーの内部を真空にする図示しない真空ポンプと、荷電粒子の所定の周回周期（回転周波数）に同期して加速用のインパルス電場を付与する図示しない加速電極と、これらの制御を行う図示しない制御装置と、これらに電力を供給する図示しない電力供給装置（電源）を有する。なお、外部への磁場強度を低減するシールド用磁性体を更に設けても良い。

【0029】

コイルシステム１は、一対のメインコイルユニット２，２と、その内部に収まる一対のスパイラルセクターコイルユニット４，４と、センターコイル６，６を含む。各メインコイルユニット２は、互いに鏡面対称に向き合う状態で上下（軸方向）に配置されており、各スパイラルセクターコイルユニット４も、互いに鏡面対称に向き合う状態で上下に配置されていて、各センターコイル６も、互いに鏡面対称に向き合う状態で上下に配置されている。各メインコイルユニット２ないし各スパイラルセクターコイルユニット４、各センターコイル６の中心は、同一鉛直線上となるように配置されている。なお、図１（ｂ）や図２に示されるように、鏡面対象の中心面をＸＹ平面とし、上記中心を通る鉛直線をＺ軸とし、上記中心を原点とする。又、センターコイル６について、単数のコイルから構成されるセンターコイルユニットとみることができる。

【0030】

≪メインコイルユニット≫
各メインコイルユニット２は、それぞれ孔あき円盤状（輪状）である、メインスプリットコイル２１、及び第１補正スプリットコイル２２を含む。メインスプリットコイル２１、及び第１補正スプリットコイル２２は、Ｚ軸上にそれぞれの中心が位置するように、又ＸＹ平面と平行に配置されている。メインスプリットコイル２１は、第１補正スプリットコイル２２より、ＸＹ平面に近い側に配置されている。

【0031】

メインスプリットコイル２１は、超電導導体を線状にして成る超電導線材を、上記Ｙ軸に中心が位置する状態で上記断面を満たしていくように円状に巻き（空芯）、更にこれを輪状の図示しないシールドで覆うことで形成されている。メインスプリットコイル２１は、前記電源と電気的に接続されている。なお、シールド内ないしこれと接続された前記冷却装置には、図示しない冷却媒体が封入されており、前記冷却装置は、当該冷却媒体を２０Ｋ（ケルビン）まで冷却してシールド内に送ることが可能となっている。

【0032】

加えて、超電導線材の幅は１ｃｍ程度であり、厚さは基板や安定化銅を含み２００μｍ（マイクロメートル）であって、超電導線材表面の絶縁被膜を含め占積率は０．７程度とされ、負荷率は０．７程度とされている。

【0033】

更に、超電導線材の材質としては、金属系（ニオブチタン，ニオブスズ等、４．２Ｋで超電導状態）や酸化物系（ビスマス系、タリウム系、水銀系あるいはＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系等、液体窒素温度である７７Ｋで超電導状態を発現でき、２０Ｋで特性の良好な超電導状態となる）の双方を用いることができるが、臨界温度が高く比較的高温で超電導状態となり、又臨界磁界も高いことから酸化物超電導導体を用いることが好ましく、酸化物超電導導体の中でも、作製コストが比較的に高いものの、磁場に強く、耐熱耐食性ニッケル基合金（ハステロイ・登録商標・以下同様）等が線材構成材となるために機械的強度も良好な、主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導導体を用いることが更に好ましい。

【0034】

なお、前者のビスマス系酸化物超電導線材の具体例としては、住友電気工業株式会社製Ｂｉ２２２３（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０−δ）が挙げられる。ビスマス系酸化物超電導線材は、好ましくは当該Ｂｉ２２２３を含むビスマス系２２２３相酸化物超電導導体（他に（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０−δ）、あるいはビスマス系２２２３相酸化物超電導導体（（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_８−δ，Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_８−δ）を用いる。

【0035】

一方、後者のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導線材の具体例としては、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＡＭＳＣ）社製ＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）が挙げられる。本形態では、ＹＢＣＯを用いている。

【0036】

ここで、主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導導体において、ＲＥはＹ（イットリウム），Ｓｍ（サマリウム），Ｇｄ（ガドリニウム），Ｈｏ（ホルミウム）といった希土類元素のうち少なくとも１つ又は２つ以上の任意の組合せであり、Ｂａはバリウム、Ｃｕは銅、Ｏは酸素である。又、好ましくは、酸化物超電導導体はＲＥがＹであるイットリウム系酸化物超電導導体とし、より好ましくはＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δを始めとするＹ−１２３系酸化物とし、あるいはＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δのＹの全部又は一部を他の希土類金属に置き換えたもの（ＲＥ−１２３系酸化物超電導体）とする。

【0037】

又、酸化物超電導導体は、表面に結晶配向性を有する基板（線材構成材）上に形成されている。基板は、好ましくは、Ｃｕ（銅），Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ｍｏ（モリブデン），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル），Ｗ（タングステン），Ｍｎ（マンガン），Ｆｅ（鉄），Ａｇ（銀）等の金属あるいはこれらの合金から成る金属層を備えており、より好ましくは、ステンレス，インコネル，ハステロイから成る金属層を備えている。

【0038】

更に、好ましくは、酸化物超電導導体と基板との間に、金属酸化物から成る中間層が配置される。中間層は、パイロクロア構造，希土類−Ｃ構造，ペロブスカイト型構造あるいは蛍石型構造を有し、例えば、ＢａＺｒＯ_３（Ｚｒはジルコニウム），Ｙ_２Ｏ_３，ＭｇＯ（Ｍｇはマグネシウム），ＳｒＴｉＯ_３（Ｓｒはストロンチウム，Ｔｉはチタン），ＹＳＺ（イットリア安定ジルコニア）、又はＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７等のＬｎ−Ｍ−Ｏ系化合物（Ｌｎは１種以上のランタノイド元素，ＭはＳｒ・Ｚｒ・Ｇａ（ガリウム）の群から選択される１種以上の元素）等である。中間層は、スパッタ法、電子線ビーム蒸着法等で形成されるが、好ましくはＩＢＡＤ法（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、イオンビームアシスト法）により成膜される。

【0039】

一方、第１補正スプリットコイル２２は、寸法や配置を除き、メインスプリットコイル２１と同様に形成され、設計されている。

【0040】

このようなメインコイルユニット２と同等の磁場を形成可能でありながら、線材使用量の少ない別例として、図３ないし図５に示すサイクロトロンのコイルシステム７１が具備するメインコイルユニット７２を挙げることができる。コイルシステム７１は、コイルシステム１と異なり、センターコイル６を具備していないが、コイルシステム１と同等のスパイラルセクターコイルユニット４，４を具備している。

【0041】

コイルシステム７１の各メインコイルユニット７２は、それぞれ輪状である、メインスプリットコイル８１、第１補正スプリットコイル８２、及び第２補正スプリットコイル８３を含む。メインスプリットコイル８１、第１補正スプリットコイル８２、及び第２補正スプリットコイル８３は、Ｚ軸上にそれぞれの中心が位置するように、又ＸＹ平面と平行に配置されている。

【0042】

メインスプリットコイル８１は、ここでは、図５に示されるように、縦０．１４９１３５ｍ、横０．３９０９４９ｍの矩形断面を有しており、下面がＹ軸から０．０６５０００ｍ上方となるようＹ軸と平行に配置されている。メインスプリットコイル８１の内径（半径）は１．０９４１１０ｍである。インスプリットコイル８１は、第１補正スプリットコイル８２や第２補正スプリットコイル８３に比べ、面積の広い断面を有している。又、メインスプリットコイル８１は、第１補正スプリットコイル８２や第２補正スプリットコイル８３に比べ、より大きな外径や内径を有している。そして、メインスプリットコイル２１は、鏡面対称のメインスプリットコイル２１に対して０．１３００００ｍ離れた状態で配置されている。

【0043】

第１補正スプリットコイル８２は、ここでは、内径１．００８６０２ｍ，幅（断面の横）０．０８４７３６ｍ，厚み（断面の縦）０．０６９７１１ｍとされており、メインスプリットコイル８１に沿った状態（水平）で、対称位置の第１補正スプリットコイル２２に対し０．３３００００ｍ間隔を置いて配置されている（Ｘ軸に対して０．１６５０００ｍ離れている）。従って、第１補正スプリットコイル８２は、メインスプリットコイル８１や自身の軸方向においてメインスプリットコイル８１と並んだ状態で配置されており、その内径ないし外径はメインスプリットコイル８１の外径より小さくされており、メインスプリットコイル８１の外径より（コイルの半径方向・放射方向でみて）内側に位置している。

【0044】

第２補正スプリットコイル８３は、ここでは、内径０．３８７８９３ｍ，幅０．５１６６８４ｍ，厚み０．０１１９３１ｍとされており、メインスプリットコイル８１に沿う状態で、対称位置の第２補正スプリットコイル８３に対し０．３３０００２ｍ間隔を置いて配置されている（Ｚ軸に対して０．０１６５００１ｍ離れている）。従って、第２補正スプリットコイル８３の内径ないし外径は、メインスプリットコイル８１や第１補正スプリットコイル８２の外径より小径とされていて、メインスプリットコイル８１や第１補正スプリットコイル８２の外径より内側に配置されている。

【0045】

そして、上側のメインコイルユニット７２において、第２補正スプリットコイル８３の下面より下側に、その内径ないし外径より大きな外径の第１補正スプリットコイル８２の下面が配置され、第１補正スプリットコイル８２の下面より下側に、その内径ないし外径より更に大きな外径のメインスプリットコイル８１の下面が配置されており、上側メインコイルユニット７２全体としてみて、メインスプリットコイル８１、第１補正スプリットコイル８２、第２補正スプリットコイル８３の下面が上方に盛り上がる山型形状となっている。なお、下側のメインコイルユニット７２の上面についても同様である。

【0046】

以上のような双方のコイルシステム１，７１において、次のようにして粒子加速のための等時性磁場が形成される。ここで、コイルシステム１について説明するが、コイルシステム７１においても同様である。互いに対称であるメインコイルユニット２，２で挟まれた部分において、粒子加速のための等時性磁場が形成される。コイルユニット１を有するサイクロトロンでは、メインコイルユニット２，２間の中心平面（ＸＹ平面）が荷電粒子の加速平面とされる。なお、このサイクロトロンでは、スパイラルセクターコイルユニット４，４間の中心平面と加速平面も一致している。

【0047】

メインスプリットコイル２１、及び第１補正スプリットコイル２２は、それぞれ図示しないスイッチを介して共通の前記電源と電気的に接続されており、当該スイッチをオンにすることで単独の電源により電圧を付加されて励磁され、他の励磁コイルと共に等時性磁場を生成する。なお、ＸＹ平面が、等時性磁場の鉛直方向における中央となる。又、コイルシステム７１において、メインスプリットコイル８１、第１補正スプリットコイル８２、第２補正スプリットコイル８３の通電電流は、順に４２０Ａ（アンペア），３９８Ａ，４３２Ａである（運転電流はこれら通電電流以下で良い）。

【0048】

サイクロトロンの制御装置としてのコンピュータは、等時性磁場の形成に際し、冷却装置を動作させ、冷却媒体をメインスプリットコイル２１、及び第１補正スプリットコイル２２が超電導状態となる温度（２０Ｋ）まで伝導冷却により冷却し、冷却媒体の温度を安定させる。そして、徐々に電圧を付加し、メインスプリットコイル２１、及び第１補正スプリットコイル２２に電流を流す。そして、超電導状態により電流が安定すれば、電圧の付加を停止して、荷電粒子を螺旋軌道で加速させる等時性磁場を形成する定常状態に移行させる。

【0049】

≪メインコイルユニットが形成する磁場≫
このようなメインコイルユニット２，２の生成する磁場と同等である、メインコイルユニット７２，７２の生成磁場等を図６に示す。メインコイルユニット７２，７２の生成磁場（ＤＥＳＩＧＮ）は、炭素６価プラスイオン^１２Ｃ^６＋を一定の回転周波数において４００ＭｅＶ／核子まで加速可能な理想的磁場（ＴＡＲＧＥＴ）に対し、誤差（ＥＲＲＯＲ）の少ない状態（最大約０．１Ｔ）となっている。

【0050】

理想的磁場に関し、一般に、磁場と粒子の軌道半径は次の［数１］で与えられる。ここで、Ｂρは磁気剛性（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｇｉｄｉｔｙ）［Ｔｍ］、ｐは（相対論的）運動量［ＭｅＶ／ｃ］であり、Ｚは電荷数（ここでは６）、Ｅは運動エネルギー（ここでは４００）［ＭｅＶ／ｕ］、Ｅ_０は静止エネルギー（９３１）［ＭｅＶ／ｕ］、Ａは質量数（ここでは１２）である。

【0051】

【数1】

【0052】

≪スパイラルセクターコイルユニット≫
双方のコイルシステム１，７１において同等である各スパイラルセクターコイルユニット４は、複数のスパイラルセクターコイル４１を含んでいる。各スパイラルセクターコイル４１は、湾曲した扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、メインスプリットコイル２１と同様、酸化物超電導線材により形成され、又図示しないシールドにより冷却可能に覆われ、前記電源と通電可能に接続されている。そして、各スパイラルセクターコイル４１は、湾曲により凸となる側が時計回りで正の側となるよう互いに回転対称に配置されており、又互いに円周方向で等間隔となるように配置されている。なお、各スパイラルセクターコイル４１につき、凸側を時計回り負の側に配置しても良い。

【0053】

図７にスパイラルセクターコイル４１の詳細を示す。各スパイラルセクターコイル４１は、ここでは全体を通じて幅５ｃｍ，厚み５ｃｍとされている。なお、図５の一点鎖線は半径１０６０ｍｍ（ミリメートル）の円であり、二点鎖線は半径１１００ｍｍの円である。

【0054】

又、各スパイラルセクターコイル４１は、酸化物超電導線材における、曲げ過ぎると破断のおそれがあり、又超電導特性に支障を来すおそれがあるという機械特性に鑑み、曲げ半径が所定値（ここでは３ｃｍ）以上となるように設計されている。具体的には、ブロックと曲げ半径が所定値以上の弧状ブロックの組合せで形成させる巻線空間を満たすように酸化物超電導線材が巻かれており、より詳細には、３つの弧状のブロック（内側に配置されるＡｒｃ−１及び外側に配置されるＡｒｃ−２，Ａｒｃ−３）と、Ａｒｃ−１からＡｒｃ−２にかけて互いに角度を付けて徐々に曲がるように接続される真っ直ぐなブロックの連続体（Ｂｒｉｃｋ−ＯＵＴ−１〜Ｂｒｉｃｋ−ＯＵＴ−１９）と、Ａｒｃ−２とＡｒｃ−３を接続する真っ直ぐなブロック（Ｂｒｉｃｋ−ＯＵＴ−２０）と、Ａｒｃ−１からＡｒｃ−３にかけて互いに角度を付けて徐々に曲がるように接続される真っ直ぐなブロックの集合（Ｂｒｉｃｋ−ＩＮ−１〜Ｂｒｉｃｋ−ＩＮ−１６）とから巻線空間が形成されている。ここで、真っ直ぐなブロックの連続体と弧状のブロックの接続体は、複数の曲率半径の曲線を滑らかに接続した外形を模したものであり、各スパイラルセクターコイル４１は、このような外形を有する図示しないジグに、酸化物超電導線材を巻き付けることで形成される。

【0055】

更に、各スパイラルセクターコイル４１は、鏡面対称位置のスパイラルセクターコイル４１との間において生成する磁場の強い部分（ヒル，ｈｉｌｌ）の境界が、加速粒子の螺旋軌道に対して（所定範囲内に収まる）所定角度を有するスパイラル状となるように形成されている。各スパイラルセクターコイル４１は、円周方向において互いに等間隔に配置されるため、上下のスパイラルセクターコイル４１間で比較的に強い磁場（ヒル）が発生し、スパイラルセクターコイル４１の無い部分で比較的に弱い磁場（バレー，ｖａｌｌｅｙ）が発生する。そのバレーからヒルに対する加速粒子の入射角（加速粒子のヒル入射時の速度方向とヒル境界の接線方向の角度）が所定範囲内（ここでは２０〜９０度）となる磁場を生成するよう、スパイラルセクターコイル４１の主にＢｒｉｃｋ−ＯＵＴ−１〜Ｂｒｉｃｋ−ＯＵＴ−２０（ヒル入射側の形状）が形作られている。又、ヒルからバレーに出る際の加速粒子のヒル境界接線との角度も同様に所定範囲内（ここでは２０〜９０度）となるように、スパイラルセクターコイル４１の主にＢｒｉｃｋ−ＩＮ−１〜Ｂｒｉｃｋ−ＩＮ−１６（バレー入射側の形状）が形成されている。

【0056】

各スパイラルセクターコイル４１は、メインスプリットコイル２１等と同様、それぞれ電源に接続され、又冷却装置を有しており、コンピュータの指令に基づき、冷却温度の安定、所定通電電流（ここでは３２０Ａ）の付与、ないし超電導定常状態への移行を行って、等時性磁場における加速粒子収束のための周方向増減磁場を生成する。

【0057】

≪スパイラルセクターコイルユニットが形成する磁場≫
このように形成されたスパイラルセクターコイルユニット４，４が生成する磁場は、次に説明するように、等時性磁場中の加速粒子に強い収束力をもたらす。

【0058】

即ち、図８（ａ）に模式的に示すように、磁極のギャップがヒルで狭くバレーで広いものを考えると、図８（ｂ）に示すように、荷電粒子（Ｉｏｎ）の軌道は円軌道（Ｃｉｒｃｌｅ）から歪んだ軌道をとり、粒子はヒルの部分にκという角度をもって入り又出て行く。この場合、図８（ａ）で示されるように、磁力線がヒルとバレーの境界で歪み、その近傍で磁場の方位角成分が生じている。なお、ここではまずヒルとバレーの境界が放射方向に沿う直線状である図８（ｂ）の場合（ラジアルセクター型）を考える。この場合を基にした、ヒルとバレーの境界が放射方向に沿う螺旋状である場合（スパイラルセクター型）の考察については、後述する。

【0059】

図８（ａ）で「ω＝ｑ／ｍＢ」と「Ｂρ＝ｃｏｎｓｔ．」の関係を用いて幾何学の問題を解くと、次の［数２］となる。

【0060】

【数2】

【0061】

図８（ｃ）のように、速度ｖの粒子が角度αでエッジを横切る場合を考えると、ｚ方向の粒子の運動方程式は、次の［数３］となる。ここで、Ｂ_ｈは磁場の水平成分のエッジに垂直な方向の値であり、エッジの付近で有限な値をもつ。又、「ｓ＝ｖｔ」というパラメータを導入すると、ｚ方向の運動量ｐ_ｚの変化を与える式は、［数３］より、次の［数４］となる。

【0062】

【数3】

【数4】

【0063】

エッジを横切るときのｚ方向の運動量の総変化量Δｐ_ｚは、図９（ａ）で定義されるパラメータを用いて、次の［数５］で表される。

【0064】

【数5】

【0065】

一方、ストークスの定理より、Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３−Ｐ４−Ｐ１に沿っての閉積分は「▽×Ｂ＝０」だから、次の［数６］となる。Ｐ２−Ｐ３に沿っての積分は磁場の値が０であるため、又Ｐ３−Ｐ４に沿っての積分は磁場と積分経路が直交しているため、どちらも０となる。従って、次の［数７］となり、結局［数８］となる。

【0066】

【数6】

【数7】

【数8】

【0067】

［数８］より、αが正のとき（図８（ｃ）の場合）粒子は収束作用を受ける。よって、焦点距離ｆは次の［数９］となり、斜め入射による収束は次の［数１０］で与えられる。ここで、ΔＢはヒルとバレーの磁場の強さの差である。

【0068】

【数9】

【数10】

【0069】

これらの値が求まると、転送行列を用いてベータトロン振動数を求めることができる。ｚ方向の運動の１ユニット分の転送行列は、ヒルの中での自由運動、エッジでの収束、バレーの中での自由運動、エッジでの収束のそれぞれの転送行列の積で与えられ、つまり次に示す［数１１］のようにＦＯＦＯで与えられることになる。

【0070】

【数11】

【0071】

この行列の積を実行し、次の［数１２］の関係を使うと、結局［数１３］が得られる。ここで、μはフェイズアドバンス（ｐｈａｓｅ ａｄｖａｎｃｅ）と呼ばれる量である。

【0072】

【数12】

【数13】

【0073】

従って、ｚ方向のベータトロン振動数は、次の［数１４］，［数１５］となり、−β^２γ^２とフラッターＦ^２の和で与えられることになる。

【0074】

【数14】

【数15】

【0075】

各スパイラルセクターコイルユニット４では、上下のスパイラルセクターコイル４１により生成されるヒルとバレーの境界に対する加速粒子の斜め入射角度が大きくなるように、即ち当該境界が加速平面の中心から外側にかけて螺旋を描くようなスパイラル形状となるように、各スパイラルセクターコイル４１が形成されている。

【0076】

図９（ｂ）にスパイラル状の境界をもつヒルとバレー（スパイラルセクター型）ないし円軌道を模式的に示し、図９（ｃ）に円軌道と加速軌道（平衡軌道）の関係を示す。

【0077】

図９（ｂ）のε、即ちヒル・バレー境界線の接線と、当該接線の接点を通る円軌道に対する当該接点を通る垂線（接点を通る半径）とのなす角は、スパイラル角と呼ばれる。このεと円軌道とのずれ角κに対して、斜め入射角度は、ヒルに入るときにε＋κ、出るときにε−κとなる。そして、入るときには収束を受け、出るときに発散を受けて、総合すると強い収束を受ける。これは、収束・発散を交互に繰り返すＡＧ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｇｒａｄｉｅｎｔ）収束になっていることを示している。κは、ラジアルセクター型の場合と同様［数２］で与えられる。又、エッジのところでの収束・発散の大きさは次の［数１６］で与えられ、更に転送行列はＦＯＤＯで与えられ［数１７］のようになる。

【0078】

【数16】

【数17】

【0079】

よって、スパイラルセクター型のフェイズアドバンスは次の［数１８］の通りとなる。

【0080】

【数18】

【0081】

従って、スパイラルセクター型ＡＶＦサイクロトロンのｚ方向のベータトロン振動数は、次の［数１９］あるいは［数２０］となり、ラジアルセクター型のＦ^２による項のファクターに２ｔａｎ^２εの項が付け加わったことになる。コイルユニット１，７１を有するサイクロトロンでは、εが５０度であるため、このファクターの値が４といった大きなものとなり、強い収束力を得ることができる。なお、このようなベータトロン振動数の値を適正な大きさとする観点から、半径方向で半分より外側において好ましくはεを２０〜４０度とする。

【0082】

【数19】

【数20】

【0083】

そして、このように加速平面における各種半径において９０度未満のスパイラル角εの付与される磁場を生成するために、各スパイラルセクターコイル４１の形状（外形，巻線方向）は、曲げ半径を所定値以上としながらも、同様に各種半径に対し９０度未満（６０度前後）のスパイラル角εを有する螺旋状に湾曲した扇形とされている。なお、図１０に、半径位置とスパイラル角εの関係を示す。

【0084】

≪メインコイルユニット及びスパイラルセクターコイルユニットが形成する磁場≫
図１１に、コイルユニット１と中心領域を除き同様であるコイルユニット７１における、一対のメインコイルユニット７２，７２と、その内部に収まる一対のスパイラルセクターコイルユニット４，４により形成される加速平面の磁場（平面視）を示し、図１２（ａ）に、加速平面の各半径の円軌道における周方向の磁場分布を示し、図１２（ｂ）に、加速平面の中心から径方向（半径方向）にかけての磁場分布を示し、図１２（ｃ）に、加速平面の中心から径方向にかけてのフラッターの分布を示す。

【0085】

これらより、加速平面において、外周部に行くに従い強度が約４Ｔから約７Ｔにかけて大きくなる等時性磁場と、円周方向における強度の強い部分（ヒル）と弱い部分（バレー）のＡＶＦ磁場とが生成されており、ヒルとバレーの境目が、その接線と半径方向とのなす角であるスパイラル角εを９０度未満として半径方向から傾くようスパイラル状に形成され、フラッターを十分確保した状態とされていることが分かる。なお、フラッターにつき詳述すると、半径位置ｒ＝０．２８ｍで０．１５のピークとなり、径が大きくなるほど減少するものの、ビーム取り出し位置ｒ＝１．０６ｍで０．０７もあり、０．０６以上の所望の値が得られている。

【0086】

従って、コイルユニット７１を備えたサイクロトロンでは、加速平面において、重粒子である炭素６価イオンを４００ＭｅＶ／核子程度まで発散せずに加速可能な磁場分布が形成可能となっている。但し、加速平面の中央付近では、特に図１２（ｂ）の半径約０．１ｍ以下の部分に現れているように、磁場強度が比較的に弱くなっている。そこで、コイルユニット１を備えたサイクロトロンでは、加速平面の中央部上下に超電導導体製の空芯のセンターコイル６，６を配備して、加速平面中心領域の磁場につき、強度を補うと共に、収束効果のある中心バンプが付与された状態とする。

【0087】

≪センターコイル（ユニット）≫
各センターコイル６は、酸化物超電導線材を円環状に巻いた空芯のコイルであり、図示しないシールドにより冷却可能に覆われ、前記電源と通電可能に接続されている。各センターコイル６は、その中心がＺ軸上にあり、全体としてＸＹ平面に平行（水平）となるように配置され、又上下方向（Ｚ軸方向）において、メインコイルユニット２の内側且つスパイラルセクターコイルユニット４の外側となるように配置されている。なお、ここでは、各センターコイル６は、平面視において、全てのスパイラルセクターコイル４１の中心側の端部を囲むような大きさとされ、そのように配置されている。

【0088】

そして、各センターコイル６に対しては、各スパイラルセクターコイル４１の外側を通過する磁束の領域にある加速平面中心領域の磁場が高くなる方向へ磁場を発生するように、電流が流される。なお、制御装置は、電源を制御することにより、各センターコイル６に流す電流値をそれぞれ変化させることができ、粒子軌道（特に初期軌道）の安定化のための中心バンプの最適化を行うことができる。

【0089】

≪加速平面中心領域の磁場≫
図１３に、センターコイル６，６を含むコイルユニット１に各種の電流を流した場合あるいはセンターコイル６，６を無くした（電流を流さない）場合に生成される磁場の中心領域（中心ないし中心から半径３０ｃｍ（ｒ＝０〜３０ｃｍ）程度の領域）における同心円上の平均磁場強度（Ｚ成分）Ｂｚ（ｒ）を示す。なお、ここでの各センターコイル６の大きさは、内径が１４ｃｍで外径が１９ｃｍであり（センターコイル６の半径Ｒ＝１４〜１９ｃｍ）、Ｚ軸方向における加速平面から内面への距離が１０ｃｍで加速平面から外面への距離が１５ｃｍである。又、電流は、各スパイラルセクターコイル４１と同方向に流す。

【0090】

センターコイル６，６の無い場合（without center coils）、半径５ｃｍの位置で約１．７Ｔで、半径２０ｃｍの位置の約３．２Ｔまでにかけて磁場強度が盛り上がるようにされるのに対し、１００００Ａ／ｃｍ^２の電流（Ｉ_ｃｃ）が流れている場合には、半径５ｃｍの位置で約２．６Ｔとなり半径２０ｃｍの位置の約３．４Ｔとなるように磁場強度が持ち上げられ、２００００Ａ／ｃｍ^２の電流が流れている場合には、半径５ｃｍの位置で約３．５Ｔとなり半径２０ｃｍの位置の約４．０Ｔとなるように磁場強度が持ち上げられ、３００００Ａ／ｃｍ^２の電流が流れている場合には、半径５ｃｍの位置で約４．４Ｔとなり半径１５ｃｍの位置の約４．７Ｔとなるように磁場強度が持ち上げられ、半径２０ｃｍ（約４．０Ｔ）から半径２５ｃｍ（約３．２Ｔ）にかけてなだらかに強度が下がるようになっている。又、２００００，３００００Ａ／ｃｍ^２の電流の場合において、半径２５ｃｍの位置の強度（約３．２Ｔ）よりその内側（半径方向）の強度が高くなっており、特に３００００Ａ／ｃｍ^２の電流の場合では、中心側で磁場強度の高い中心バンプが顕著に付与されたものとなっている。

【0091】

図１４に、各種の内径ないし外径のセンターコイル６，６を含むコイルユニット１に所定の電流（３００００Ａ／ｃｍ^２）を流した場合に生成される磁場の中心領域における同心円上の平均磁場強度のＺ成分Ｂｚ（ｒ）を示す。なお、スパイラルセクターコイル４１における最も中心よりの円弧部分の内径は９２．７ｍｍ、外径は１４２．７ｍｍである。

【0092】

センターコイル６の半径Ｒ＝７〜１２ｃｍのコイルユニット１でも、センターコイル６，６の無い場合に比べて中心領域の磁場が持ち上がっているが、半径Ｒ＝９〜１４ｃｍと大きくすると、中心磁場が更に強くなり、中心近くが最も高磁場となり（中心バンプ）、半径Ｒ＝９〜１４ｃｍと更に大きくすると、中心磁場がより一層強くなり、半径ｒ＝５〜１５ｃｍの領域にかけて約４．５Ｔもの強度を付与することが可能となる。

【0093】

図１５（ａ）に、各スパイラルセクターコイル４１の中心への張り出し具合ないし曲率半径や、各センターコイル６の有無・径・電流を変えた場合の磁場中心領域における同心円上の平均磁場強度のＺ成分Ｂｚ（ｒ）を示す。

【0094】

スパイラルセクターコイル４１に係る種類数は２とし、１つは図１５（ｂ）に示すように中央の内径Ｒ_{ＳＣ＿ｉｎｎｅｒ}を６８．８ｍｍとし且つＸ軸上の位置Ｘ_{ＳＣ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ}を内側９２．７ｍｍ〜外側１４２．７ｍｍとし、もう１つは図１５（ｃ）に示すようにＲ_{ＳＣ＿ｉｎｎｅｒ}＝１０９ｍｍとし且つＸ_{ＳＣ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ}＝１６０〜２１０ｍｍとする。そして、各センターコイル６を有とする場合、前者には内径Ｒ_{ＣＣ＿ｉｎｎｅｒ}＝２００ｍｍ・電流密度Ｉ_ＣＣ＝−３００００Ａ／ｃｍ^２のセンターコイル６を組み合わせ、後者にはＲ_{ＣＣ＿ｉｎｎｅｒ}＝１４０ｍｍ・電流密度Ｉ_ＣＣ＝−２００００Ａ／ｃｍ^２のセンターコイル６を組み合わせる。

【0095】

図１５（ｂ）の各スパイラルセクターコイル４１のみ存在し、センターコイル６，６の無い場合、図１５（ａ）に点線で示すように、中心バンプのない状態となるが、図１５（ｂ）通りセンターコイル６，６有りの場合、図１５（ａ）に実線で示すように、十分に収束力の得られる中心バンプが存在する状態となる。

【0096】

又、図１５（ｃ）の各スパイラルセクターコイル４１のみ存在し、センターコイル６，６の無い場合、図１５（ａ）に二点鎖線で示すように、中心バンプのない状態となり、又ｒ＝１０〜２５ｃｍの領域で図１５（ｂ）のセンターコイル６，６無しの場合より磁場強度が弱くなるが、図１５（ｃ）でセンターコイル６，６有りの場合、図１５（ａ）に一点鎖線で示すように、十分に収束力の得られる中心バンプが存在する状態となる。

【0097】

特に、各スパイラルセクターコイル４１の曲率半径（内径若しくは外径）を１００ｍｍ以上に大きくすると、各スパイラルセクターコイル４１に加わる機械的及び電磁的な応力を実用上十分に軽減することができ、且つ粒子収束力が十分に得られる中心バンプ磁場を形成することができる。

【0098】

≪効果≫
このように、コイルシステム１では、酸化物超電導導体を巻いて成る空芯のコイルによって、ヒルバレーが存在する非常に強い等時性磁場を形成している。よって、重粒子線がん治療に必要な重粒子の加速につき、コイルシステム１を有するサイクロトロンで行うことができる。そして、コイルシステム１自体の寸法は直径約４ｍ×高さ約２ｍとなり、周辺装置を含めても数十平方メートル（ｍ^２）程度の設置面積で済む等、コイルシステム１やサイクロトロンを非常にコンパクトに小型化することができる。更に、コイルシステム１やサイクロトロンが小型であり、又コイルシステム１を構成する双方のメインスプリットコイル２１及び第１補正スプリットコイル２２、双方のスパイラルセクターコイル４１、並びに双方のセンターコイル６が空芯であるため、製作に要する材料（特に比較的高価な超電導線材）の量を低減することができ、冷却のためのシールド等の構造もシンプルなものとすることができ、運転に必要な電力量も低減することができ、運転に係る制御も比較的に簡易なものとすることができて、導入コストや運用コストを低廉なものとすることができ、保守も簡単に行うことができて保守コストも低廉なものとすることができる。

【0099】

加えて、双方のメインスプリットコイル２１及び第１補正スプリットコイル２２、双方のスパイラルセクターコイル４１、並びに双方のセンターコイル６を超電導状態とし、超電導状態による励磁を行うため、これらコイルに付加する電力量の低減に寄与するし、ジュール発熱が生じず冷却媒体の冷却エネルギーも比較的に少なく済み、運転に必要な電力量の低減を図ることができる。又、小型且つ空芯であるため冷却媒体の量が少なく、又ジュール熱を生じないこと等により、停止状態から高磁場状態（粒子加速可能状態）となる時間を短時間とすることができ、効率良く粒子加速を行うことができる。更に、ジュール熱を生じないこと等により、各メインスプリットコイル２１及び第１補正スプリットコイル２２、各スパイラルセクターコイル４１並びに各センターコイル６に熱変形が生じる事態を防止することができ、磁場分布の変動を防止して、安定した等時性磁場ないしＡＶＦ磁場、中心バンプの形成、あるいは粒子加速の安定動作の確保等を行うことができる。

【0100】

特に、センターコイル６につき酸化物超電導導体を巻いて空芯で形成し、超電導状態による励磁を行うため、粒子導入直後ないし加速初期において粒子を十分に収束させるために必要となる中心バンプ磁場について、全体的に高磁場となる中においてもコンパクトな装置により効率良く生成することができ、がん治療等で極めて有用な重粒子さえも導入当初から安定して十分に加速可能となる。そして、以上の特性により、重粒子線を加速可能な粒子加速器の普及を促進することができ、重粒子線がん治療を実施可能な病院が増加する等、多大な効果を奏することができる。

【0101】

≪変更例≫
なお、主に上記形態を変更して成る、本発明の他の形態を例示する。コイルの数は様々に変更でき、片側のメインコイルユニットにおいて１個あるいは３個以上として良いし、片側のスパイラルセクターコイルユニットにおいて３個以下あるいは５個以上として良いし、片側のセンターコイルにつき複数としても良い。即ち、各種のコイルユニットにおける各種コイルの数は、単数あるいは複数とすることができ、例えばセンターコイルについて単数又は複数のセンターコイルが含まれるセンターコイルユニットを考えることができる。但し、スパイラルセクターコイルユニットにあっては、収束の観点から、３つ以上のスパイラルセクターコイルが含まれることが必要となる。なお、複数のセンターコイルを含むセンターコイルユニットの例として、平面視で同心円状に配置し、上下方向において径の小さいものほど加速平面から離れるように配置したものを挙げることができる。

【0102】

メインコイルユニットに係るコイルにつき、加速平面からの距離に基づきメインスプリットコイルと補正スプリットコイルとに分けず、大きい断面積のものをメインスプリットコイルとする等断面積に基づき区別するようにしたり、全て同様の断面積を有するようにしたり、各コイルで様々な断面積をもつようにしたりして良い。又、メインスプリットコイルを補正スプリットコイルより加速磁場に対して遠くに配置して良い。各種コイルの寸法や配置につき、磁気勾配形状や磁束密度の高さ等に応じて微調整し、あるいは変更することができる。一方のメインコイルユニットは、他方のメインコイルユニットにおける全てのコイルに対して鏡面対称であるコイルのみから成る必要はなく、他方のメインコイルユニットにはない微調整用のコイルを追加して配備する等、他方のメインコイルユニットに属する複数のコイルに対して鏡面対称であるコイルを含むのであればどのような構成を採用しても良く、スパイラルセクターコイルユニットやセンターコイルユニットについても同様である。

【0103】

又、メインコイルユニットにおける各種コイルにつき、帯状の超電導線材をパンケーキ巻きして形成されたパンケーキコイルを用いて構成する。各メインスプリットコイル及び補正スプリットコイルは、中央に孔を有する円盤状（環状）のパンケーキコイルにつき、複数重ねることで積層構造をとるように（積層パンケーキコイルとして）構成される。このようなメインコイルユニットを含むサイクロトロンにあっても、強度の高い等時性磁場につき、小型で低コストで普及容易な装置において形成することができる。しかも、パンケーキコイルあるいはその積層体で形成することにより、励磁時において電磁力が圧縮応力として線材構成材（ハステロイ）に対して印加されるようにすることができ、各コイルの機械的強度を高くして挫屈を回避することができて、耐久性を一層向上し、又高磁場をより安定した状態で生成することができる。なお、パンケーキコイルは、積層せず単独で用い、積層数を様々にし、あるいは層毎の厚みや巻き数や線材の種類・寸法等を様々にすることができ、メインコイルユニットは、ソレノイドコイル、パンケーキコイル、又は積層パンケーキコイルの組合せとして良い。

【0104】

冷却媒体の温度につき、２０Ｋ以外として良い。等時性磁場やＡＶＦ磁場につき、超電導線材あるいは酸化物超電導線材を用いないコイルや、強磁性体により作成して良い。

【産業上の利用可能性】

【0105】

本発明の空芯型サイクロトロンによれば、小型で低コストな構成によって極めて強度の高い等時性磁場及びＡＶＦ磁場並びに中心バンプ磁場を提供することができ、本発明の空芯型サイクロトロンは、各種医療機関用の医療用加速器に採用可能であることはもちろん、最大級の規模を有しない研究機関においても容易に導入可能な実験用サイクロトロンを作製するために採用することも可能であるし、バイオテクノロジーや新材料開発等の分野における小型・低コスト且つ高エネルギーのイオン照射装置を構成するために採用することも可能であるし、診断用の粒子加速器の作成のために用いることも可能であり、本発明の重粒子の加速が可能な空芯型サイクロトロンは、様々な用途を有する。

【0106】

適用可能な分野の例としては、ナノ構造体等を形成する新材料創製や、光学機器、高性能分離膜、マイクロナノマシン、高効率熱交換器、新エネルギー創製、高度半導体、高機能膜生成、容量の巨大なイオン交換膜の形成や、光導波路、光学スイッチ、高性能グレーティング、反射防止膜、ナノフィルター、微細な機械部品、超撥水膜、微細フィンを備えた高性能熱交換器の形成、構造制御された医薬品放散システム、高性能燃料電池、高精度イオン注入、表裏で性能の異なる一体型ハイブリット膜の創製に係る各分野を挙げることができる。

【0107】

又、特にがん治療用重粒子加速器とした場合には、次に説明するように、本発明の空芯型サイクロトロンによって、がんに対し非常に効果的な重粒子線の照射を効率良く実施することができ、多数のがん患者に対し治療を施してＱＯＬの向上を提供することができ、社会的負担（Ｓｏｃｉａｌ Ｃｏｓｔ）が顕著に低減される。

【0108】

即ち、炭素６価イオン線等の重粒子を水平垂直の２門で照射することで、エネルギー吸収量の高い位置をがん患部の位置に集中させることができ、又その集中性につきＸ線やガンマ線に対して遙かに高水準とし、陽子線と比しても更に急峻な境界をもつものとすることができ、患部以外の部位に対して低負担となり治療の負担が軽減され、患部のみに線量を集中させてがん細胞に対する生物学的効果（細胞致死効果）をＸ線や陽子線の３倍程度とすることができ、比較的に短い照射時間で効果を上げることができて分割照射回数を少なくしあるいは治療期間や入院期間を短くしあるいはリハビリテーション期間を不要又は極めて短くすることができ、外科的切除や他の放射線治療に比して身体的負担や費用負担等の極めて少ないがん治療を実施することができる。又、その線量の集中性等により、低酸素がん（中期以降の大きな腫瘍）や放射線抵抗性がん（腺がん・骨肉腫等のがん）に対しても有効である場合を生じ、難治がんに対する治療にも利用することができる。そして、低負担で原則手術不要であること等により、高齢者や他病保有者等であっても治療の可能性を見出すことができるし（治療対象者の拡大）、患者のＱＯＬ向上を図ることができ、ひいてはＳｏｃｉａｌ Ｃｏｓｔを低減することができる。本発明の空芯型サイクロトロンによれば、このように顕著な効果を奏する機器の普及を促進することが可能となる。

【符号の説明】

【0109】

１ コイルシステム
２ メインコイルユニット
４ スパイラルセクターコイルユニット
４１ スパイラルセクターコイル
６ センターコイル（センターコイルユニット）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図11】