特開 2022-147237 走査電磁石装置及び荷電粒子ビーム照射システム

(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】P2022147237

(43)【公開日】2022-10-06

(54)【発明の名称】走査電磁石装置及び荷電粒子ビーム照射システム

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20220929BHJP

【ＦＩ】

A61N5/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021048406

(22)【出願日】2021-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高山 茂貴

(72)【発明者】

【氏名】折笠 朝文

【テーマコード（参考）】

4C082

【Ｆターム（参考）】

4C082AC05

4C082AE01

4C082AG12

(57)【要約】

【課題】走査コイルを形成する導体のターン数を増加させることなく、発生する磁場強度を増大させて、ビーム照射装置の照射野を広く確保できること。
【解決手段】荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に対して直交するＸ方向またはＹ方向に荷電粒子ビーム１を偏向させて走査するＸ方向走査コイル２１Ａ、２１ＢまたはＹ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂを備え、これらの走査コイルは、荷電粒子ビームの軌道位置３を挟んで、入射方向及びビーム偏向方向（Ｘ方向またはＹ方向）に対し直交する方向に対向して配置され、これらの走査コイルは、前記入射方向に沿う口径が上流側よりも下流側で大きく設けられ、各走査コイルは、前記入射方向に対し垂直な断面における開口角α、βが前記入射方向に沿う上流側よりも下流側で大きく設定されたものである。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子ビームの入射方向に対して直交する第１方向に前記荷電粒子ビームを偏向させて走査する走査コイルを備え、
前記走査コイルは、前記荷電粒子ビームの軌道位置を挟んで、前記入射方向及び前記第１方向に対し直交する第２方向に対向して複数配置され、
これらの走査コイルは、前記入射方向に沿う口径が上流側よりも下流側で大きく設定され、
前記各走査コイルは、導体が巻き回されて形成されると共に、前記入射方向に対し垂直な断面における前記導体の一端位置と前記第２方向とのなす角である開口角が、前記入射方向に沿う上流側よりも下流側で大きく設定されて構成されたことを特徴とする走査電磁石装置。

【請求項2】

荷電粒子ビームの入射方向に対して直交する第１方向に前記荷電粒子ビームを偏向させて走査する第１走査コイルを備えた第１走査電磁石装置と、
前記入射方向及び前記第１方向に対して直交する第２方向に前記荷電粒子ビームを偏向させて走査する第２走査コイルを備えた第２走査電磁石装置とを有し、
前記第２走査電磁石装置が、前記第１走査電磁石装置に対し、外側または内側で且つ前記入射方向における同一位置に配置され、
前記第１走査コイルが、前記荷電粒子ビームの軌道位置を挟んで前記第２方向に対向して複数配置され、前記第２走査コイルが、前記荷電粒子ビームの軌道位置を挟んで前記第１方向に対向して複数配置され、
これらの第1走査コイル及び第２走査コイルは、前記入射方向に沿う口径が、上流側よりも下流側で大きく設定され、
前記各第1走査コイルは、導体が巻き回されて形成されると共に、前記入射方向に対し垂直な断面における前記導体の一端位置と前記第２方向とのなす角である第１開口角が、前記入射方向に沿う上流側よりも下流側で大きく設定され、
前記各第２走査コイルは、前記導体が巻き回されて形成されると共に、前記入射方向に対し垂直な断面における前記導体の一端位置と前記第１方向とのなす角である第２開口角が、前記入射方向に沿う上流側よりも下流側で大きく設定されて構成されたことを特徴とする走査電磁石装置。

【請求項3】

前記走査コイル、前記第1走査コイルまたは前記第２走査コイルは、非金属材料からなるコイル支持体により所定位置に保持されるよう構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の走査電磁石装置。

【請求項4】

前記走査コイル、前記第１走査コイルまたは前記第２走査コイルは、表面が絶縁材で絶縁された導体である素線を複数本撚り合せて形成されるリッツ線が巻き回されて構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査電磁石装置。

【請求項5】

前記走査コイル、前記第１走査コイルまたは前記第２走査コイルを構成するリッツ線が、液体冷媒に浸漬されて構成されたことを特徴とする請求項４に記載の走査電磁石装置。

【請求項6】

前記走査コイル、前記第1走査コイルまたは前記第２走査コイルを構成するリッツ線が樹脂に含浸され、この樹脂が液体冷媒に接触して構成されたことを特徴とする請求項４に記載の走査電磁石装置。

【請求項7】

前記液体冷媒が流れる冷媒流路を備え、この冷媒流路が非金属材料にて構成されたことを特徴とする請求項５または６に記載の走査電磁石装置。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査電磁石装置を備えたビーム照射装置を有し、このビーム照射装置が、前記走査電磁石装置により荷電粒子ビームを偏向して走査し照射対象に照射するよう構成されたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、荷電粒子ビームを走査する走査電磁石装置、及びこの走査電磁石装置を備えたビーム照射装置を有する荷電粒子ビーム照射システムに関する。

【背景技術】

【0002】

癌などの患者の患部（照射対象）に重粒子線等の荷電粒子ビームを照射する治療では、ビーム発生装置で生成した荷電粒子ビームをビーム加速装置で加速し、この荷電粒子ビームを、ビーム輸送装置を経て治療室のビーム照射装置により患部に照射している。

【0003】

荷電粒子ビームの照射方法の一つとして、細く絞ったスポットビームを、照射目標である患部の立体形状に合わせて３次元的に塗りつぶすように照射するスキャニング法がある。このスキャニング法の場合、ビーム入射方向の照射位置は、荷電粒子ビームのビームエネルギーで制御され、ビーム入射方向に対し垂直面内での照射位置は、走査電磁石装置により荷電粒子ビームを偏向することで制御される。走査電磁石装置は、水平方向走査電磁石装置及び垂直方向走査電磁石装置の２組で構成される。各走査電磁石装置は直列、または並列(ビーム入射方向の同一位置)に配置され、荷電粒子ビームを直交する２方向に走査する方式が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－２０１６３号公報

【特許文献2】特開２０１６－８３３４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

様々な部位及び大きさの異なる癌部に荷電粒子ビームを照射するためには、照射可能な領域(照射野)を広く確保することが望ましい。照射野を広くするためには、走査電磁石装置の走査コイルを荷電粒子ビームに近接させて、荷電粒子ビームに作用する磁場強度を増大させることが望ましい。

【0006】

そのため、水平方向走査電磁石装置と垂直方向走査電磁石装置とが並列に配置される走査電磁石装置では、荷電粒子ビームが走査される前の上流部において口径を小さくし、荷電粒子ビームが走査されて広がった状態になる下流部において、ビーム軌道に沿って口径を大きくすることが望ましい。一方、下流部では口径が大きくなるため、荷電粒子ビームに作用する磁場強度が上流部に比べて小さくなり、荷電粒子ビームの偏向が十分に得られず、走査電磁石装置を備えたビーム照射装置の照射野を十分に確保できなくなる恐れがある。

【0007】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、走査コイルを形成する導体のターン数を増加させることなく、発生する磁場強度を増大させて、ビーム照射装置の照射野を広く確保できる走査電磁石装置、及びこの走査電磁石装置を備えたビーム照射装置を有する荷電粒子ビーム照射システム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】

【0008】

本発明の実施形態における走査電磁石装置は、荷電粒子ビームの入射方向に対して直交する第１方向に前記荷電粒子ビームを偏向させて走査する走査コイルを備え、前記走査コイルは、前記荷電粒子ビームの軌道位置を挟んで、前記入射方向及び前記第１方向に対し直交する第２方向に対向して複数配置され、これらの走査コイルは、前記入射方向に沿う口径が上流側よりも下流側で大きく設定され、前記各走査コイルは、導体が巻き回されて形成されると共に、前記入射方向に対し垂直な断面における前記導体の一端位置と前記第２方向とのなす角である開口角が、前記入射方向に沿う上流側よりも下流側で大きく設定されて構成されたことを特徴とするものである。

【0009】

本発明の実施形態における荷電粒子ビーム照射システムは、前記発明の実施形態における走査電磁石装置を備えたビーム照射装置を有し、このビーム照射装置が、前記走査電磁石装置により荷電粒子ビームを偏向して走査し照射対象に照射するよう構成されたことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態によれば、走査コイルを形成する導体のターン数を増加させることなく、発生する磁場強度を増大させて、ビーム照射装置の照射野を広く確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る走査電磁石装置を備えたビーム照射装置を有する荷電粒子ビーム照射システムを示す構成図。

【図2】図１におけるビーム照射装置を示す構成図。

【図3】図２の走査電磁石装置を示し、（Ａ）が平面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図３(Ａ)のそれぞれIIIＢ－IIIＢ線、IIIＣ－IIIＣ線に沿う断面図。

【図4】図３のＸ方向走査電磁石装置を示し、（Ａ）が平面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図４(Ａ)のそれぞれIVＢ－IVＢ線、IVＣ－IVＣ線に沿う断面図。

【図5】図３のＹ方向走査電磁石装置を示し、（Ａ）が平面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図５(Ａ)のそれぞれVＢ－VＢ線、VＣ－VＣ線に沿う断面図。

【図6】図４（Ｃ）を模式的に示す断面図。

【図7】図５（Ｃ）を模式的に示す断面図。

【図8】第２実施形態に係る走査電磁石装置の一部を示し、図４(Ａ)のＭ－Ｍ線に沿う断面に相当する断面図。

【図9】図８のリッツ線を示す斜視図。

【図10】図９のリッツ線に対する比較形態としてのホローコンダクタを示す斜視図。

【図11】第３実施形態に係る走査電磁石装置の一部を示す断面図。

【図12】従来のＸ方向走査電磁石装置を示し、（Ａ）が平面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図１２(Ａ)のそれぞれXIIＢ－XIIＢ線、XIIＣ－XIIＣ線に沿う断面図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１～図７）
図１は、第１実施形態に係る走査電磁石装置を備えたビーム照射装置を有する荷電粒子ビーム照射システムを示す構成図である。この図１に示す荷電粒子ビーム照射システム１０は、例えば負パイ中間子、陽子、ヘリウムイオン、炭素イオン、ネオンイオン、シリコンイオン、またはアルゴンイオンを治療照射用の荷電粒子ビーム１とする照射システムである。この荷電粒子ビーム照射システム１０は、ビーム発生装置１１、真空ダクト１１Ａ、ビーム加速装置１２、ビーム輸送装置１３、及びビーム照射装置１４を有し、照射対象２としての患者の患部に荷電粒子ビーム１を照射する。

【0013】

ビーム発生装置１１は、荷電粒子ビーム１を発生する装置であり、例えば電磁波やレーザなどを用いて生成したイオンを引き出す装置などがある。また、真空ダクト１１Ａは、内部が真空状態に維持されており、その中に荷電粒子ビーム１を通過させることで、荷電粒子ビーム１と空気との散乱によるビームロスを抑制する。この真空ダクト１１Ａは、図１及び図２に示すように、ビーム発生装置１１から照射対象としての患者の位置直前まで延在している。

【0014】

ビーム加速装置１２は、荷電粒子ビーム１を所定のエネルギに加速する装置である。このビーム加速装置１２の一例としては、図示しない前段加速装置と後段加速装置の２段で構成される。前段加速装置は、線形加速器(ドリフトチューブリニアックＤＴＬや高周波四重極型線形加速器ＲＦＱ)で、後段加速装置は、シンクロトンやサイクロトロンでそれぞれ構成される例がある。

【0015】

このビーム加速装置１２は、具体的には、荷電粒子ビーム１の通過空間を真空気密に保持する図示しないビームダクト（配管）、荷電粒子ビーム１を電場によって加速する図示しない高周波加速空洞、荷電粒子ビーム１を安定的に誘導するいずれも図示しない偏向装置（二極電磁石）、ビーム集束・発散装置（四極電磁石）、ビーム軌道補正装置（ステアリング電磁石）、及びそれらの制御装置などで構成される。

【0016】

ビーム輸送装置１３は、加速された荷電粒子ビーム１を、治療室内に設置されたビーム照射装置１４へ輸送する装置であり、いずれも図示しないビームダクト、偏向装置、ビーム集束・発散装置、ビーム軌道補正装置、及びそれらの制御装置などで構成される。

【0017】

ビーム照射装置１４は、ビーム輸送装置１３の下流側に設けられる。このビーム照射装置１４は、ビーム輸送装置１３を通過した特定エネルギの荷電粒子ビーム１が照射対象２の照射点に正しく照射されるように荷電粒子ビーム１の軌道を調整すると共に、照射対象２における荷電粒子ビーム１の照射位置及び照射線量を監視する。このビーム照射装置１４は、図２に示すように、Ｘ方向走査電磁石装置１５、Ｙ方向走査電磁石装置１６、走査電磁石電源１７、位置モニタ１８Ａ、線量計１８Ｂ及び制御装置１９を有して構成される。

【0018】

Ｘ方向走査電磁石装置１５及びＹ方向走査電磁石装置１６は、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿って同一位置に配置されて、走査電磁石装置２０を構成する。この場合、Ｙ方向走査電磁石装置１６は、Ｘ方向走査電磁石装置１５の外側または内側、本第１実施形態では外側に配置される。

【0019】

Ｘ方向走査電磁石装置１５は、後に詳説するが、荷電粒子ビーム１の軌道を、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に対して直交する第１方向（このＸ方向走査電磁石装置１５ではＸ方向；例えば水平方向）に偏向させて調整し走査する。Ｙ方向走査電磁石装置１６は、後に詳説するが、荷電粒子ビーム１の軌道を、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）及び第１方向(Ｘ方向)に対して直交する第２方向（このＹ方向走査電磁石装置１６ではＹ方向；例えば垂直方向）に偏向させて調整し走査する。

【0020】

走査電磁石電源１７は、Ｘ方向走査電磁石装置１５及びＹ方向走査電磁石装置１６に対して荷電粒子ビーム１の走査に必要な励磁電流を供給する。また、位置モニタ１８Ａは、この位置モニタ１８Ａを通過した荷電粒子ビーム１の位置、即ち照射対象２における荷電粒子ビーム１の照射位置の指標となる信号を制御装置１９へ出力する。更に、線量計１８Ｂは、この線量計１８Ｂを通過した荷電粒子ビーム１の強度または線量に応じた信号を制御装置１９へ出力する。

【0021】

制御装置１９は、位置モニタ１８Ａ及び線量計１８Ｂからの両信号に基づき、走査電磁石装置２０から照射される荷電粒子ビーム１が照射対象２の所定位置に照射されるように走査電磁石電源１７を制御して、Ｘ方向走査電磁石装置１５及びＹ方向走査電磁石装置１６へ供給される励磁電流の値を制御する。

【0022】

Ｘ方向走査電磁石装置１５は、図３及び図４に示すように、コイル支持体としての構造体２３の外表面に、一対のＸ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂが対向して配置されて構成される。構造体２３は、渦電流が発生しない非金属、例えばＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）にて形成され、Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂを外表面の所定位置に保持する。

【0023】

構造体２３は中空形状で、且つ荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う口径が上流側よりも下流側で大きく、つまり上流側から下流側へ連続して漸次増大する形状に形成される。従って、この構造体２３の外表面に保持されるＸ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂも、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う口径が上流側よりも下流側で大きく、つまり上流側から下流側へ連続して漸次増大するよう設けられる。また、構造体２３は、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿ってシームレスに構成されている。

【0024】

Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂは、荷電粒子ビーム１の軌道位置３を挟んで、Ｓ方向及びＸ方向に直交するＹ方向（例えば垂直方向）に対向して配置される。このうち、Ｘ方向走査コイル２１Ａは、最も内側に設けられたコイルエレメント２１Ａ１と、このコイルエレメント２１Ａ１の外側に設けられたコイルエレメント２１Ａ２と、このコイルエレメント２１Ａ２の外側に設けられたコイルエレメント２１Ａ３と、を有して構成される。また、Ｘ方向走査コイル２１Ｂは、最も内側に設けられたコイルエレメント２１Ｂ１と、このコイルエレメント２１Ｂ１の外側に設けられたコイルエレメント２１Ｂ２と、このコイルエレメント２１Ｂ２の外側に設けられたコイルエレメント２１Ｂ３と、を有して構成される。

【0025】

上述のコイルエレメント２１Ａ１、２１Ａ２、２１Ａ３、２１Ｂ１、２１Ｂ２及び２１Ｂ３は、それぞれ、複数本の導体２４が鞍型形状に巻き回されて構成される。これらのコイルエレメント２１Ａ１、２１Ａ２、２１Ａ３、２１Ｂ１、２１Ｂ２及び２１Ｂ３に、走査電磁石電源１７から励磁電流が供給されることで、Ｘ方向走査電磁石装置１５にＹ方向の磁場Ｂｙが形成され、この磁場Ｂｙにより荷電粒子ビーム１がＸ方向に偏向して走査される。なお、Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂは、それぞれ３個のコイルエレメントにより構成されている例で示したが、１個、２個または４個以上のコイルエレメントにより構成されてもよい。

【0026】

Ｙ方向走査電磁石装置１６は、図３及び図５に示すように、構造体２５の外表面に、一対のＹ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂが対向して配置されて構成される。これらのＹ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂは、荷電粒子ビーム１の軌道位置３を挟んで、Ｓ方向及びＹ方向に直交するＸ方向（例えば水平方向）に対向して配置される。構造体２５は、渦電流が発生しない非金属、例えばＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）にて形成され、Ｙ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂを外表面の所定位置に保持する。

【0027】

構造体２５は中空形状で、且つ荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う口径が上流側よりも下流側で大きく、つまり上流側から下流側へ連続して漸次増大する形状に形成される。従って、Ｙ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂも、構造体２５の外表面の所定位置に保持されることで、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う口径が上流側よりも下流側で大きく、つまり上流側から下流側へ連続して漸次増大するよう設けられる。

【0028】

また、構造体２５は、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿って平行な分割面２６を有し、Ｙ方向に分割可能な半割形状に形成される。これにより、構造体２５はその内側に、Ｘ方向走査電磁石装置１５（構造体２３及びＸ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂ）を内包する。

【0029】

Ｙ方向走査コイル２２Ａは、最も内側に設けられたコイルエレメント２２Ａ１と、このコイルエレメント２２Ａ１の外側に設けられたコイルエレメント２２Ａ２と、このコイルエレメント２２Ａ２の外側に設けられたコイルエレメント２２Ａ３と、を有して構成される。また、Ｙ方向走査コイル２２Ｂは、最も内側に設けられたコイルエレメント２２Ｂ１と、このコイルエレメント２２Ｂ１の外側に設けられたコイルエレメント２２Ｂ２と、このコイルエレメント２２Ｂ２の外側に設けられたコイルエレメント２２Ｂ３と、を有して構成される。

【0030】

上述のコイルエレメント２２Ａ１、２２Ａ２、２２Ａ３、２２Ｂ１、２２Ｂ２及び２２Ｂ３は、それぞれ、複数本の導体２４が鞍型形状に巻き回されて構成される。これらのコイルエレメント２２Ａ１、２２Ａ２、２２Ａ３、２２Ｂ１、２２Ｂ２及び２２Ｂ３に、走査電磁石電源１７から励磁電流が供給されることで、Ｙ方向走査電磁石装置１６にＸ方向の磁場Ｂｘが形成され、この磁場Ｂｘにより荷電粒子ビーム１がＹ方向に偏向して走査される。なお、Ｙ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂは、それぞれ３個のコイルエレメントにより構成されている例で示したが、１個、２個または４個以上のコイルエレメントにより構成されてもよい。

【0031】

また、Ｙ方向走査電磁石装置１６の外側にヨーク２８(図３)が設置されてもよい。このヨーク２８は、鉄などの磁性体で構成されると共に、内周面がＹ方向走査電磁石装置１６の外周に接触するかまたは接近する大きさに形成され、外周面が外径一定に形成される。このヨーク２８が設けられることで、荷電粒子ビーム１に強い磁場を作用することが可能になるほか、外部への磁場の漏れを抑制することが可能になる。

【0032】

ところで、図２に示すビーム照射装置１４から荷電粒子ビーム１を照射対象２である患部の様々な部位や異なる大きさの癌部に照射するためには、荷電粒子ビーム１の照射野４を広く確保することが望ましい。照射野４を広くするためには、Ｘ方向走査電磁石装置１５のＸ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂ、Ｙ方向走査電磁石装置１６のＹ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂを荷電粒子ビーム１に接近させ、荷電粒子ビーム１に作用する磁場強度を増大させることが好ましい。一方、Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂを荷電粒子ビーム１に接近させ過ぎると、荷電粒子ビーム１がこれらのＸ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂに衝突して照射野４が削られ小さくなってしまう。

【0033】

そこで、図３～図５に示すように、Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１ＢとＹ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂは、荷電粒子ビーム１が走査される前の上流側では口径を小さく設定し、荷電粒子ビーム１が走査されて荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に対して直交する方向に広がる下流側では、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿って口径を大きく設定する。このように、Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１ＢとＹ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂの口径が、荷電粒子ビーム１に対して一定の距離以上に保持されることで、荷電粒子ビーム１との衝突を回避しながら、荷電粒子ビーム１に作用する磁場強度を増大させることが可能になる。

【0034】

更に、本第１実施形態では、荷電粒子ビーム１に作用する磁場強度を増大させるために、Ｘ方向走査電磁石装置１５では、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂは、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に対し垂直な断面（図４（Ｂ）、（Ｃ））における導体２４の一端位置とＹ方向とのなす角である第１開口角αが、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う上流側（図４（Ｂ））よりも下流側（図４（Ｃ））で大きく設定される。また、Ｙ方向走査電磁石装置１６では、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂは、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に対し垂直な断面（図５（Ｂ）、（Ｃ））における導体２４の一端位置とＸ方向とのなす角である第２開口角βが、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う上流側（図５（Ｂ））よりも下流側（図５（Ｃ））で大きく設定されている。

【0035】

ここで、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂが発生する磁場（中心磁場Ｂ）は次式で表される。

【数1】

【0036】

上式における各パラメータを図６、図７を用いて説明する。Ｂは中心磁場であって、荷電粒子ビーム１の軌道位置３における磁場である。μは真空の透磁率である。Ｊは、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂを流れる電流の電流密度である。ｎ_ｔは、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂにおける導体２４のターン数である。Ｉは、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂを流れる電流の通電電流値である。Ｒｉｎは、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂの内半径、Ｒｏｕｔは、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂの外半径である。θは、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂのコイル角度（０＜θ≦π／２）である。

【0037】

なお、従来のＸ方向走査電磁石装置１００を図１２に示す。このＸ方向走査電磁石装置１００では、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に対して直交するＸ方向に、荷電粒子ビーム１を偏向させて走査するＸ方向走査コイル１０１Ａ、１０１Ｂが、荷電粒子ビーム１の軌道位置１０２を挟んで、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）及びＸ方向に直交するＹ方向に対向して設けられる。更に、これらのＸ方向走査コイル１０１Ａ、１０１Ｂは、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う口径が、上流側よりも下流側で大きく設定されている。

【0038】

このようなＸ方向走査コイル１０１Ａ、１０１Ｂでは、口径が大きくなる下流側で内半径Ｒｉｎ及び外半径Ｒｏｕｔが大きくなって、Ｘ方向走査コイル１０１Ａ、１０１Ｂを形成する導体１０３が、磁場発生領域である軌道位置１０２から離れてしまう。このため、Ｘ方向走査コイル１０１Ａ、１０１Ｂでは、軌道位置１０２における中心磁場Ｂが低下してしまう。

【0039】

本第１実施形態のＸ方向走査電磁石装置１５及びＹ方向走査電磁石装置１６においても、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）の下流側で、内半径Ｒｉｎ及び外半径Ｒｏｕｔが上流側よりも大きくなる。ところが、このＸ方向走査電磁石装置１５及びＹ方向走査電磁石装置１６では、荷電粒子ビーム１の軌道位置３における中心磁場Ｂの強度を増大させるために、前述のように、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）の下流側（図４（Ｃ）、図５（Ｃ）、図６及び図７）で、第１開口角α、第２開口角βが大きく設定されている。従って、Ｘ方向走査電磁石装置１５ではＸ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂのコイル角度θが、Ｙ方向走査電磁石装置１６ではＹ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂのコイル角度θが小さくなって０度に近づくことで、上式における（ｓｉｎθ）／θが大きくなる。これにより、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂの中心磁場Ｂを増大させることが可能になる。

【0040】

Ｘ方向走査電磁石装置１５の上流側（図４（Ｂ））では、Ｘ方向走査コイル２１Ａのコイルエレメント２１Ａ１、２１Ａ２、２１Ａ３の隙間と、Ｘ方向走査コイル２１Ｂのコイルエレメント２１Ｂ１、２１Ｂ２、２１Ｂ３の隙間が共に狭いため、第１開口角αは大きく設定されていない。同様に、Ｙ方向走査電磁石装置１６の上流側（図５（Ｂ））でも、Ｙ方向走査コイル２２Ａのコイルエレメント２２Ａ１、２２Ａ２、２２Ａ３の隙間と、Ｙ方向走査コイル２２Ｂのコイルエレメント２２Ｂ１、２２Ｂ２、２２Ｂ３の隙間が共に狭いため、第２開口角βは大きく設定されていない。

【0041】

なお、従来のＸ方向走査電磁石装置１００(図１２)では、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に対し垂直な断面における導体１０３の一端位置とＹ方向とのなす角である開口角γは、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う上流側と下流側で略同一の値に設定されている。

【0042】

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）図３～図５に示すように、荷電粒子ビーム１を偏向させて走査するＸ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂの第１開口角α、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂの第２開口角βが、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う上流側よりも下流側で大きく設定されている。このため、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂを形成する導体２４のターン数を増加させることなく、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂを備えたＸ方向走査電磁石装置１５、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂを備えたＹ方向走査電磁石装置１６のそれぞれの軌道位置３における中心磁場Ｂの磁場強度を、荷電粒子ビーム１の入射方向（Ｓ方向）に沿う上流側に比べて下流側で増大できる。これにより、これらのＸ方向走査電磁石装置１５及びＹ方向走査電磁石装置１６(つまり走査電磁石装置２０)を備えたビーム照射装置１４の照射野４を広く確保できる。

【0043】

［Ｂ］第２実施形態（図８～図１０）
図８は、第２実施形態に係る走査電磁石装置の一部を示し、図４(Ａ)のＭ－Ｍ線に沿う断面に相当する断面図である。また、図９は図８のリッツ線を示す斜視図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0044】

本第２実施形態の走査電磁石装置３０が第１実施形態と異なる点は、図８及び図９に示すように、Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂのコイルエレメント２１Ａ１～２１Ａ３、２１Ｂ１～２１Ｂ３、Ｙ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂのコイルエレメント２２Ａ１～２２Ａ３、２２Ｂ１～２２Ｂ３をそれぞれ構成する導体２４がリッツ線３１であり、このリッツ線３１が水等の液体冷媒５に浸漬される点である。

【0045】

比較形態としての走査電磁石装置では、一対の走査コイルは、図１０に示す導体としてのホローコンダクタ２００が巻き回されて構成される。このホローコンダクタ２００は、一般にビーム加速装置１２(図１)用の電磁石に用いられており、一辺が数ｍｍ程度の矩形断面形状で中空に形成され、中空部２０１に冷却水が通水可能に設けられる。

【0046】

このホローコンダクタ２００を走査用コイルに用いた上述の比較形態の走査電磁石装置では、荷電粒子ビーム１を走査するために、走査コイルを形成するホローコンダクタ２００に流れる電流値を変化させると、一対の走査コイル間に生ずる磁場が変化し、これにより、ホローコンダクタ２００に渦電流２０２が発生する。この渦電流２０２により生じた磁場が一対の走査コイル間の磁場を乱して、走査電磁石装置の磁場精度が低下する恐れがある。

【0047】

これに対し、本第２実施形態の走査電磁石装置３０（Ｘ方向走査電磁石装置１５(図３、図４)、Ｙ方向走査電磁石装置１６(図３、図５)）では、それぞれのＸ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂのコイルエレメント２１Ａ１～２１Ａ３、２１Ｂ１～２１Ｂ３、Ｙ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂのコイルエレメント２２Ａ１～２２Ａ３、２２Ｂ１～２２Ｂ３が、図９に示すリッツ線３１を巻き回して構成される。このリッツ線３１は、絶縁材（例えばエナメル等）で外表面が絶縁された導体である細い素線３２を複数本撚り合せて形成された導体である。

【0048】

Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂのコイルエレメント２１Ａ１～２１Ａ３、２１Ｂ１～２１Ｂ３とＹ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂのコイルエレメント２２Ａ１～２２Ａ３、２２Ｂ１～２２Ｂ３はそれぞれリッツ線３１にて構成されている。このため、リッツ線３１に流れる電流値が変化して、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ間の磁場Ｂｙ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂ間の磁場Ｂｘがそれぞれ変化しても、リッツ線３１の各素線３２には、渦電流２０２よりも小さなループの渦電流３３が発生する。この小さなループの渦電流３３により発生する磁場は小さいので、この渦電流３３により発生した磁場によって、Ｘ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂ間の磁場Ｂｙ、Ｙ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂ間の磁場Ｂｘの乱れが低減される。

【0049】

また、図８に示すリッツ線３１の配置構造では、構造体２３の外表面に複数の溝３５が形成され、Ｘ方向走査電磁石装置１５のＸ方向走査コイル２１Ａ、２１Ｂのコイルエレメント２１Ａ１、２１Ａ２、２１Ａ３、２１Ｂ１、２１Ｂ２、２１Ｂ３、Ｙ方向走査電磁石装置１６のＹ方向走査コイル２２Ａ、２２Ｂのコイルエレメント２２Ａ１、２２Ａ２、２２Ａ３、２２Ｂ１、２２Ｂ２、２２Ｂ３のそれぞれが、各溝３５に収容される。図８には、コイルエレメント２１Ａ３が溝３５に収容された状態を示している。

【0050】

そして、構造体２３の外表面を覆うように非金属材料製の蓋部材３６が配置されることで、構造体２３の外表面と蓋部材３６との間に、液体冷媒５が流れる冷媒流路３７が形成される。これにより、構造体２３の溝３５内に収容されたコイルエレメント２１Ａ１～２１Ａ３、２１Ｂ１～２１Ｂ３、２２Ａ１～２２Ａ３、２２Ｂ１～２２Ｂ３をそれぞれ構成するリッツ線３１が、冷媒流路３７内の液体冷媒５に浸漬されて冷却される。

【0051】

以上のように構成されことから、本第２実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（２）及び(３)を奏する。

【0052】

（２）図３～図５及び図９に示すように、Ｘ方向走査電磁石装置１５のＸ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂのコイルエレメント２１Ａ１～２１Ａ３、２１Ｂ１～２１Ｂ３、Ｙ方向走査電磁石装置１６のＹ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂのコイルエレメント２２Ａ１～２２Ａ３、２２Ｂ１～２２Ｂ３がそれぞれリッツ線３１にて構成され、このリッツ線３１の素線３２に発生する渦電流３３のループが小さいので、この渦電流３３により生ずる磁場が抑制される。このように渦電流３３による磁場が抑制されることで、Ｘ方向走査電磁石装置１５の磁場Ｂｙの磁場精度及びＹ方向走査電磁石装置１６の磁場Ｂｘの磁場精度を向上させることができる。この結果、Ｘ方向走査電磁石装置１５及びＹ方向走査電磁石装置１６を備えたビーム照射装置１４による荷電粒子ビーム１の照射精度を向上させることができる。

【0053】

（３）例えば、導体である細い素線３２を複数本撚り合せて形成されたリッツ線３１が図示しない冷却配管の外周に配置された場合には、素線３２が巻ほぐれ等で内側に隣接する素線３２から浮き上がってしまったとき、この素線３２は、冷却配管を流れる液体冷媒により冷却されず、温度上昇して焼損する恐れがある。

【0054】

これに対し、図８に示すリッツ線３１の配置構造のように、リッツ線３１が液体冷媒５に浸漬されることで、リッツ線３１を形成する全ての素線３２が液体冷媒５に接触することになる。この結果、リッツ線３１を形成する素線３２が例え巻ほぐれ等で隣接する素線３２から浮き上がってしまっても、全ての素線３２を液体冷媒５により好適に冷却でき、リッツ線３１の冷却不良を回避できる。

【0055】

［Ｃ］第３実施形態（図１１）
図１１は、第３実施形態に係る走査電磁石装置の一部を示す断面図である。この第３実施形態において第１及び第２実施形態と同様な部分については、第１及び第２実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0056】

本第３実施形態の走査電磁石装置４０が第１及び第２実施形態と異なる点は、Ｘ方向走査コイル２１Ａ及び２１Ｂのコイルエレメント２１Ａ１～２１Ａ３、２１Ｂ１～２１Ｂ３、Ｙ方向走査コイル２２Ａ及び２２Ｂのコイルエレメント２２Ａ１～２２Ａ３、２２Ｂ１～２２Ｂ３をそれぞれ構成するリッツ線３１が樹脂４１に含浸され、この樹脂４１が液体冷媒５に接触する点である。

【0057】

つまり、構造体２３の外表面に複数の溝４２が形成され、Ｘ方向走査電磁石装置１５、Ｙ方向走査電磁石装置１６のコイルエレメント２１Ａ１、２１Ａ２、２１Ａ３、２１Ｂ１、２１Ｂ２、２１Ｂ３、２２Ａ１、２２Ａ２、２２Ａ３、２２Ｂ１、２２Ｂ２、２２Ｂ３のそれぞれが各溝４２に収容されて、樹脂４１により含浸される。図１１では、コイルエレメント２１Ａ３が溝４２内に収容されて樹脂４１により含浸された状態を示している。

【0058】

そして、構造体２３の外表面と蓋部材３６との間に、液体冷媒５が流れる冷媒流路４３が形成され、この冷媒流路４３内の液体冷媒５が樹脂４１に接触する。これにより、構造体２３の溝４２内に収容されて樹脂４１に含浸されたコイルエレメント２１Ａ１～２１Ａ３、２１Ｂ１～２１Ｂ３、２２Ａ１～２２Ａ３、２２Ｂ１～２２Ｂ３を構成するリッツ線３１が、樹脂４１を介して液体冷媒５により冷却される。

【0059】

以上のように構成されたことから、本第３実施形態によれば、第１及び第２実施形態の効果（１）～(３)と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

【0060】

（４）リッツ線３１が樹脂４１に含浸され、この樹脂４１が液体冷媒５に接触している。これにより、リッツ線３１を形成する全ての素線３２が、樹脂４１を介して液体冷媒５により好適に冷却される。更に、リッツ線３１が構造体２３の溝４２内に収容され且つ樹脂４１に含浸されることで、リッツ線３１に電磁力が作用した場合にも、リッツ線３１の振動を確実に抑制することができる。

【0061】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0062】

例えば、Ｘ方向走査電磁石装置１５とＹ方向走査電磁石装置１６が荷電粒子ビーム１の入射方向(Ｓ)方向に沿って直列に配置されていても、本実施形態を適用することが可能である。

【符号の説明】

【0063】

１…荷電粒子ビーム、２…照射対象、１０…荷電粒子ビーム照射システム、１４…ビーム照射装置、１５…Ｘ方向走査電磁石装置、１６…Ｙ方向走査電磁石装置、２０…走査電磁石装置、２１Ａ、２１Ｂ…Ｘ方向走査コイル、２２Ａ、２２Ｂ…Ｙ方向走査コイル、２３、２５…構造体(コイル支持体)、２４…導体、３０…走査電磁石装置、３１…リッツ線、３２…素線、３７…冷媒流路、４０…走査電磁石装置、４１…樹脂、４３…冷媒流路、α…第１開口角、β…第２開口角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】