特開 2024-118137 偏向電磁石

(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】P2024118137

(43)【公開日】2024-08-30

(54)【発明の名称】偏向電磁石

(51)【国際特許分類】

   G21K 1/093 20060101AFI20240823BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20240823BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20240823BHJP

   H01F 7/06 20060101ALI20240823BHJP

   H01F 7/20 20060101ALI20240823BHJP

【ＦＩ】

G21K1/093 D

A61N5/10 H

G21K5/04 A

H01F7/06 K

H01F7/20 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023024398

(22)【出願日】2023-02-20

(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】坂本 渓太

(72)【発明者】

【氏名】高山 茂貴

【テーマコード（参考）】

4C082

5E048

【Ｆターム（参考）】

4C082AA01

4C082AE01

4C082AG12

5E048AB10

5E048CB07

(57)【要約】

【課題】荷電粒子ビームを偏向するために必要な条件を満たしつつ、線材の使用量を低減する偏向電磁石を提供する。
【解決手段】偏向電磁石に設けられる立体コイル１１は、磁場の印加方向Ｙ、荷電粒子ビームの軌道方向Ｚで座標系を定義した場合、磁場で偏向された荷電粒子ビームの円弧軌道の半径方向Ｘと印加方向Ｙが成すＸ－Ｙ断面座標において、励磁電流が同方向のコイル線材１２（１２ａ，１２ｂ）が、半径方向Ｘと成す角度が－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、他の範囲より相対的に占積率が低く巻回されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場の印加方向Ｙ、荷電粒子ビームの軌道方向Ｚで座標系を定義した場合、
前記磁場で偏向された前記荷電粒子ビームの円弧軌道の半径方向Ｘと前記印加方向Ｙが成すＸ－Ｙ断面座標において、
励磁電流が同方向のコイル線材が、前記半径方向Ｘと成す角度が－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、他の範囲より相対的に占積率が低く巻回された立体コイルを備える偏向電磁石。

【請求項2】

請求項１の偏向電磁石において、前記立体コイルは、
前記磁場の印加方向Ｙを一方において貫通させるよう形成した開口領域を中心に前記コイル線材が巻回され、
巻回した前記コイル線材のうち前記軌道方向Ｚに沿う両側の端部が間隔を空けて互いに向かい合い、前記印加方向Ｙを他方において貫通させる間隔領域を形成し、
巻回した前記コイル線材のうち前記軌道方向Ｚと直交する両側の端部がそれぞれ前記荷電粒子ビームを通過させる通過口を形成する偏向電磁石。

【請求項3】

請求項２に記載の偏向電磁石において、
複数の前記立体コイルが、前記開口領域と前記間隔領域が交互となるように同心状に積層させれている偏向電磁石。

【請求項4】

請求項２又は請求項３に記載の偏向電磁石において、
前記立体コイルの外側に同心状に積層され、前記－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、前記立体コイルよりも占積率が高く巻回された外環コイルを備える偏向電磁石。

【請求項5】

請求項２又は請求項３に記載の偏向電磁石において、
前記立体コイルの外側に同心状に配置され、前記磁場をさらに誘導させる強磁性のヨーク材を備える偏向電磁石。

【請求項6】

請求項２又は請求項３に記載の偏向電磁石において、
前記コイル線材は超電導性を示し、粒子線の照射装置の回転ガントリーに実装される偏向電磁石。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石に関する。

【背景技術】

【0002】

偏向電磁石は、荷電粒子ビームを偏向するために、必要とされる強度の磁場を通過領域全体にわたって均一に形成することが求められている。そして、荷電粒子ビームを偏向する必要条件を満たす線材配置が、理論計算によって求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－２０６６３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術では、必要な磁場強度を維持したうえでさらに均一性を向上させようとすると、線材の使用量が増加し、偏向電磁石が高重量及び高コストになる課題があった。

【0005】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、荷電粒子ビームを偏向するために必要な条件を満たしつつ、線材の使用量を低減する偏向電磁石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】

【0006】

実施形態に係る偏向電磁石において、磁場の印加方向Ｙ、荷電粒子ビームの軌道方向Ｚで座標系を定義した場合、前記磁場で偏向された前記荷電粒子ビームの円弧軌道の半径方向Ｘと前記印加方向Ｙが成すＸ－Ｙ断面座標において、励磁電流が同方向のコイル線材が、前記半径方向Ｘと成す角度が－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、他の範囲より相対的に占積率が低く巻回された立体コイルを備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態によれば、荷電粒子ビームを偏向するために必要な条件を満たしつつ、線材の使用量が低減する偏向電磁石が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１実施形態に係る偏向電磁石に適用される立体コイルを示す斜視図。

【図2】荷電粒子ビームの軌道方向Ｚに直交する立体コイルのＸ－Ｙ断面座標。

【図3】立体コイルの円周方向の角度θにおけるコイル線材の占積率を示すグラフ。

【図4】（Ａ）立体コイルを円周方向の角度θ－ビーム軌道方向Ｚによる平面座標系で展開した平面展開図、（Ｂ）立体コイルを円周方向の角度θによる直線座標系で展開した断面図。

【図5】（Ａ）励磁したコイルが発生する磁場の２極成分の強度を示す図、（Ｂ）同・４極成分の強度を示す図、（Ｃ）同・６極成分の強度を示す図。

【図6】第２実施形態に係る偏向電磁石に適用される立体コイルの断面図。

【図7】第３実施形態に係る偏向電磁石に適用される立体コイル及び外環コイルの断面図。

【図8】実施形態に係る偏向電磁石の断面図。

【図9】実施形態に係る偏向電磁石が実装されたガントリ式の照射装置の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る偏向電磁石１０Ａ（１０）に適用される立体コイル１１を示す斜視図である。図２は荷電粒子ビームの軌道方向Ｚに直交する立体コイル１１のＸ－Ｙ断面座標である。図１に示すように立体コイル１１は、その中心軸が荷電粒子ビームの軌道方向Ｚに一致するように、湾曲形状を有している。そして立体コイル１１の少なくとも内側全体は、荷電粒子ビームが通過する真空の磁場空間１３が形成されている。

【0010】

このように偏向電磁石１０に設けられる立体コイル１１は、磁場の印加方向Ｙ、荷電粒子ビームの軌道方向Ｚで座標系を定義した場合、磁場で偏向された荷電粒子ビームの円弧軌道の半径方向Ｘと印加方向Ｙが成すＸ－Ｙ断面座標において、励磁電流が同方向のコイル線材１２（１２ａ，１２ｂ）が、半径方向Ｘと成す角度が－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、他の範囲より相対的に占積率が低く巻回されている。

【0011】

螺旋状に巻回したコイル線材１２（１２ａ，１２ｂ）に励磁電流を流すと、アンペールの法則により、巻回軸（Ｙ軸）に沿って磁場が印加される。立体コイル１１の巻回軸（Ｙ軸）の両端に形成される磁場は歪んでいるが、立体コイル１１の断面中央部では、均一な磁場が形成される。

【0012】

磁場の印加方向（Ｙ軸）と直交する方向（Ｚ軸）を通過する荷電粒子ビームは、Ｙ軸及びＺ軸と直交するＸ軸に沿う方向にローレンツ力を受ける。そして、荷電粒子ビームは、ローレンツ力を向心力として偏向され円弧軌道を描く。コイル線材１２（１２ａ，１２ｂ）に流す励磁電流は、荷電粒子ビームの円弧軌道が偏向電磁石１０の中心軸に一致するように、調整される。

【0013】

図３は立体コイル１１の円周方向の角度θにおけるコイル線材１２の占積率を示すグラフである。図３においては、０°＜θ＜＋１０°の範囲においてコイル線材１２が巻回されていない状態（占積率＝０）を示している。そして＋１０°＜θを超えたところで占積率が急激に増加し、＋２０°＜θを超えたところで一定値になる（グラフはこの一定値における占積率＝１としている）。さらに開口領域１５になる＋７０°＜θでにおいて、占積率＝０になる。

【0014】

占積率は、巻回するコイル線材１２の巻線間隔を変更することで調整できる。なお、螺旋状に巻回したコイル線材１２は、半径方向Ｘと成す角度が、－１５°＜θ＜＋１５°の範囲が望ましく、さらには－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、他の範囲より占積率を相対的に低く巻回することができる。なお、上述した説明は、Ｘ－Ｙ座標系の第１象限について行っているが、その他の第２～第４象限においても、コイル線材１２の配線が対称形であるため、同様に当てはまる。

【0015】

図４（Ａ）は立体コイル１１を円周方向の角度θ－ビーム軌道方向Ｚによる平面座標系で展開した平面展開図である。図４（Ｂ）は立体コイル１１を円周方向の角度θによる直線座標系で展開した断面図である。なお、図４（Ａ）の平面展開するにあたって、荷電粒子ビームの軌道方向Ｚが直線になるように、立体コイル１１を部分的に伸縮させて表示している。

【0016】

このように、立体コイル１１は、磁場の印加方向Ｙを一方において貫通させるよう形成した開口領域１５を中心にコイル線材１２が巻回され、巻回したコイル線材１２のうち軌道方向Ｚに沿う両側の端部１７ａ，１７ｂが間隔を空けて互いに向かい合い（図１参照）、印加方向Ｙを他方において貫通させる間隔領域１６を形成し、巻回したコイル線材１２のうち軌道方向Ｚと直交する両側の端部１９ａ，１９ｂがそれぞれ荷電粒子ビームを通過させる通過口１８ａ，１８ｂを形成している。

【0017】

このように立体コイル１１が形成されることで、一本の連続したコイル線材１２から、対向するように二つのコイルを組み合わせることができる。これにより、立体コイル１１の円周方向の角度θにおけるコイル線材１２の占積率の設定自由度を向上させることができる。さらにコイル線材１２の使用量を低減し偏向電磁石１０の重量を削減することができる。

【0018】

図５は、円周方向の全ての角度θにおいてコイル線材の占積率が一定であるコイル（比較例）の線材に電流を流した場合に発生する磁場の多極成分を示している。図５（Ａ）は励磁したコイルが発生する磁場の２極成分の強度を示す図である。図５（Ｂ）は励磁したコイルが発生する磁場の４極成分の強度を示す図である。図５（Ｃ）は励磁したコイルが発生する磁場の６極成分の強度を示す図である。

【0019】

このように立体コイルで発生させた磁場は多極成分（２極成分，４極成分，６極成分，…２ｎ極成分）に分解することができる。ここで２極成分は、荷電粒子ビームが円弧軌道を描くのに必要な向心力の発生に寄与し、その他（４極成分，６極成分，…）は向心力の発生に寄与する磁場の均一性を低下させる不要な成分である。

【0020】

このため荷電粒子ビームに理想的な円弧軌道を描かせるためには、発生させる磁場の２極成分を一定以上保ちかつ４極、６極成分の合計が０に近づくように、コイル線材１２を配置することが求められる。

【0021】

磁場の２極、４極、６極成分は、いずれも円周方向の角度θ＝０°付近では正の成分が強い。このため、比較例のコイルは、２極成分が効率よく発生するが、４極成分及び６極成分も大きいため、円弧軌道の向心力に寄与する磁場の均一性が悪化する。

【0022】

その一方で、２極成分は角度θ＝０°からθ＝９０°まで正の成分が放出されているのに対し、４極成分の正の成分は角度θ＝０°からθ＝４５°までであり、６極成分の正の成分は角度θ＝０°からθ＝３０°までである。これにより、－３０°＜θ＜＋３０°の範囲における占積率を他の範囲より相対的に低くすることで、Ｙ方向磁場の均一性悪化を解消することができる。また－３０°＜θ＜＋３０°の範囲の占積率を低くしたことで低下した２極成分の強度は、他の範囲の占積率を高くすることで補填できる。

【0023】

（第２実施形態）
次に図６を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態に係る偏向電磁石１０Ｂ（１０）に適用される立体コイル１１（１１ａ，１１ｂ）の断面図である。第２実施形態の１０Ｂは、複数（図示は二つ）の立体コイル１１（１１ａ，１１ｂ）が、開口領域１５（１５ａ，１５ｂ）と間隔領域１６（１６ａ，１６ｂ）が交互となるように同心状に積層させた構成をとる。なお、図６において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0024】

このようにして、偏向電磁石１０を複数の立体コイル１１で多層化することで、Ｙ方向磁場の不均一性に寄与する４極成分，６極成分，…を抑制したまま、Ｙ方向磁場に寄与する２極成分の強度を向上させることができる。

【0025】

（第３実施形態）
次に図７を参照して本発明における第３実施形態について説明する。図７は第３実施形態に係る偏向電磁石１０Ｃ（１０）に適用される立体コイル１１（１１ａ，１１ｂ）及び外環コイル２１（２１ａ，２１ｂ）の断面図である。第３実施形態の１０Ｃは、上述した第１実施形態（図２）又は第２実施形態（図６）の構成に対し、外環コイル２１（２１ａ，２１ｂ）が、立体コイル１１（１１ａ，１１ｂ）の外側に同心状に積層されている。

【0026】

そして、この外環コイル２１（２１ａ，２１ｂ）は、－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、立体コイル１１（１１ａ，１１ｂ）よりも占積率が高く巻回されている。なお、図７において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0027】

このようにして、偏向電磁石１０を立体コイル１１と外環コイル２１で多層化することで、Ｙ方向磁場の不均一性に寄与する４極成分，６極成分，…に対し、Ｙ方向磁場に寄与する２極成分の強度を相対的に向上させることができる。

【0028】

図８は実施形態に係る偏向電磁石１０の断面図である。このように偏向電磁石１０は、立体コイル１１の外側に同心状に配置され磁場をさらに誘導させる強磁性のヨーク材２５を備えている。強磁性のヨーク材２５としては鉄製のものが挙げられる。これら立体コイル１１及び強磁性のヨーク材２５は、同様の湾曲形状を持つ真空ダクト２６の内部に、それぞれの中心軸をＺ軸に一致させて収容され、磁場空間１３と共に真空空間に保持されている。

【0029】

そして偏向電磁石１０に巻回されるコイル線材１２には、超電導性を示すものが用いられている。コイル線材１２を超電導状態にする冷却方式としては、液体ヘリウム等の冷媒に立体コイル１１をドブ漬けする方式の他に、極低温冷凍機を用いる熱伝導冷却方式が挙げられる。

【0030】

図９は実施形態に係る偏向電磁石１０が実装されたガントリ式の照射装置３０の断面図である。この照射装置３０は、数百ＭｅＶの高エネルギーまで加速された陽子や炭素イオンなどの粒子線ビーム３３を、患者３５に照射して癌等を治療するものである。

【0031】

このガントリ式の照射装置３０は、内部に治療スペース３８を有し回転駆動部（図示略）により回転軸３１を中心に回転変位するガントリ３２と、このガントリ３２に固定されるとともにビーム輸送系（図示略）の末端に継手３９を介して回転自在に設けられる偏向電磁石１０と、この偏向電磁石１０により輸送された粒子線ビーム３３をガントリ３２の半径方向から治療スペース３８に照射する照射ノズル３４と、患者３５を載置したベッド３６を移動させ治療スペース３８における位置及び方向を設定する移動制御部３７と、を備えている。

【0032】

このように照射装置３０が構成されることにより、ガントリ３２の回転軸３１に沿って入力した粒子線ビーム３３の軌道を９０°曲げて、この回転軸３１に直交する任意の方向から、患者３５に粒子線ビーム３３を照射することが可能になる。そして、各実施形態の偏向電磁石１０が照射装置３０に採用されることで、回転変位するガントリ３２への積載重量を低減させ粒子線ビーム３３の照射精度を向上させることができる。

【0033】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の偏向電磁石によれば、コイル線材の占積率を－３０°＜θ＜＋３０°の範囲において、他の範囲より相対的に低く立体コイルが巻回されることにより、荷電粒子ビームを偏向するために必要な条件を満たしつつ、線材の使用量を低減することが可能となる。

【0034】

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、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0035】

１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）…偏向電磁石、１１…立体コイル、１２…コイル線材、１３…磁場空間、１５…開口領域、１６…間隔領域、１７ａ，１７ｂ…間隔領域の端部、１８ａ，１８ｂ…通過口、１９ａ，１９ｂ…通過口の端部、２１…外環コイル、２５…ヨーク材、２６…真空ダクト、３０…照射装置、３１…回転軸、３２…ガントリ、３３…粒子線ビーム、３４…照射ノズル、３５…患者、３６…ベッド、３７…移動制御部、３８…治療スペース、３９…継手。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】