特許 7557784 超電導コイル装置、超電導加速器および粒子線治療装置

(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】2024-09-19

(45)【発行日】2024-09-30

(54)【発明の名称】超電導コイル装置、超電導加速器および粒子線治療装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/06 20060101AFI20240920BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20240920BHJP

   H05H 7/04 20060101ALI20240920BHJP

   H05H 13/04 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01F6/06 110

A61N5/10 H

H05H7/04

H05H13/04 E

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021048690

(22)【出願日】2021-03-23

(65)【公開番号】P2022147449

(43)【公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-10-04

(73)【特許権者】

【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

(73)【特許権者】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(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

(72)【発明者】

【氏名】水島 康太

(72)【発明者】

【氏名】岩田 佳之

(72)【発明者】

【氏名】阿部 康志

(72)【発明者】

【氏名】藤本 哲也

【審査官】後藤 嘉宏

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－３０１９９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２０６６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１８４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－７２７１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ａ６１Ｎ ５／１０

Ｈ０５Ｈ ７／０４

Ｈ０５Ｈ １３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

環状に巻き回された超電導線材の１周巻き回された部分を１つのターンとしたときに、複数の前記ターンで形成された少なくとも１つの超電導コイルを備え、
前記超電導コイルは、管状を成す管状構造部の外周面に沿う形状を成し、
前記ターンは、前記管状構造部の軸方向に沿って延びるコイル長手部を有し、
前記コイル長手部の配置形態が、主磁場を発生させる主磁場発生領域と補正用の磁場を発生させる磁場補正領域とで互いに異なっている、
超電導コイル装置。

【請求項2】

前記管状構造部の側面視で、前記コイル長手部の前記磁場補正領域の部分が前記管状構造部の周方向に変位されている、
請求項１に記載の超電導コイル装置。

【請求項3】

前記コイル長手部の前記磁場補正領域の部分が前記超電導コイルの内周側に変位されている、
請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置。

【請求項4】

前記コイル長手部の端部が前記磁場補正領域の部分となっている、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。

【請求項5】

前記ターンは、前記コイル長手部から前記管状構造部の周方向に沿って延びるコイル端部を有し、
前記磁場補正領域は、少なくとも前記コイル端部で発生する不要な磁場成分を打ち消す磁場を発生させる、
請求項４に記載の超電導コイル装置。

【請求項6】

前記主磁場発生領域と前記磁場補正領域との間に遷移領域が設けられ、前記コイル長手部の前記遷移領域の部分が、前記コイル長手部の前記主磁場発生領域および前記磁場補正領域の部分に対して傾いている、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。

【請求項7】

少なくとも２つの前記超電導コイルが前記管状構造部の径方向に積層されており、
第１層の前記超電導コイルの前記遷移領域の寸法と第２層の前記超電導コイルの前記遷移領域の寸法が互いに異なっている、
請求項６に記載の超電導コイル装置。

【請求項8】

前記管状構造部は、一定の曲率で曲がっているとともに断面視で楕円形状を成している、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。

【請求項9】

複数の前記超電導コイルにより形成され、二極磁場を発生させる超電導二極コイルと、
複数の前記超電導コイルにより形成され、四極磁場を発生させる超電導四極コイルと、
を備え、
前記超電導二極コイルと前記超電導四極コイルとが互いに同軸に配置されている、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。

【請求項10】

請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超電導コイル装置を備え、
複数の前記超電導コイル装置により粒子線ビームを加速するビーム軌道が形成される、
超電導加速器。

【請求項11】

請求項１０に記載の超電導加速器を備え、
前記超電導加速器により前記粒子線ビームを加速し、前記粒子線ビームを患部に照射して治療を行う、
粒子線治療装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、超電導技術に関する。

【背景技術】

【0002】

炭素イオンなどの粒子線ビームを、患者の病巣組織（がん）に照射して、治療を行う粒子線治療技術が注目されている。この粒子線治療技術によれば、正常組織にダメージを与えず、病巣組織のみをピンポイントで死滅させることができる。そのため、手術または投薬治療などに比べて患者への負担が少なく、治療後の社会復帰の早期化も期待できる。体内の深い位置にあるがん細胞を治療するためには、粒子線ビームを加速する必要がある。一般的に粒子線ビームを加速する装置は、大きく二種類に分類される。ひとつは直線状に加速装置を配置する線形加速器である。もうひとつはビーム軌道を曲げる偏向装置を円形状に配置するとともに、円軌道の一部に加速装置を配置する円形加速器である。特に、炭素または陽子などの重い粒子を用いる場合には、ビーム生成直後の低エネルギー帯の加速を線形加速器で行い、高エネルギー帯の加速を円形加速器で行う方式が一般的である。

【0003】

粒子線ビームを周回させながら加速する円形加速器は、粒子線ビームの外形を制御する四極電磁石、ビーム軌道を曲げる偏向電磁石およびビーム軌道のズレを補正するステアリング電磁石などを順次配列することで構成される。このような加速器において、周回させる粒子の質量またはエネルギーが増大されると、磁気剛性（磁場による曲げ難さ）が増大されるため、ビーム軌道半径が大きくなる。その結果、装置全体が大型化してしまう。装置が大型であると建屋などの付帯設備も大型になってしまい、都市部などの設置範囲に制限がある場所に装置を導入できない。また、装置の大型化を抑制するためには、偏向電磁石が発生する磁場強度を大きくする必要がある。一般的な偏向電磁石では、鉄心の磁気飽和の影響で１.５Ｔを超える磁場を発生させることが困難である。そこで、高磁場化が可能であり、かつ円形加速器の小型化が可能である超電導技術を偏向電磁石に適用することが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１０－１４４５２１号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】“Field Computation for Accelerator Magnets” Stephan Russenschuck WiLEY-VCH

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の加速器用の超電導コイルでは、鞍型コイルが一般的である。従来技術では、均一な磁場を発生させるため、つまり、高次多極成分を低くするために、コイル端部で超電導線材同士の間にスペーサ（隙間）を設けている。そのため、コイル端部が延長されてしまい、超電導コイルが大型化してしまうという課題がある。

【0007】

また、従来技術では、コイル端部に生じる不正磁場を打ち消すために、補正用コイルを追加する方法もある。この方法でも主コイルの外側に補正用コイルを重ねる必要があるため、径方向、軸方向、または、その両方向に超電導コイルが大型化してしまうという課題がある。

【0008】

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、超電導コイル装置の小型化を図ることができる超電導技術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】

【0009】

本発明の実施形態に係る超電導コイル装置は、環状に巻き回された超電導線材の１周巻き回された部分を１つのターンとしたときに、複数の前記ターンで形成された少なくとも１つの超電導コイルを備え、前記超電導コイルは、管状を成す管状構造部の外周面に沿う形状を成し、前記ターンは、前記管状構造部の軸方向に沿って延びるコイル長手部を有し、前記コイル長手部の配置形態が、主磁場を発生させる主磁場発生領域と補正用の磁場を発生させる磁場補正領域とで互いに異なっている。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態により、超電導コイル装置の小型化を図ることができる超電導技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態の粒子線治療装置を示す概念図。

【図2】円形加速器を示す平面図。

【図3】第１層の超電導コイルを示す平面図。

【図4】第１層の超電導コイルを示す側面図。

【図5】図４のＶ－Ｖ断面図。

【図6】図４のVI－VI断面図。

【図7】第２層の超電導コイルを示す平面図。

【図8】第２層の超電導コイルを示す側面図。

【図9】図８のIX－IX断面図。

【図10】図８のＸ－Ｘ断面図。

【図11】第１層と第２層の超電導コイルを重ね合わせた状態を示す平面図。

【図12】第１層と第２層の超電導コイルを重ね合わせた状態を示す側面図。

【図13】変形例の超電導コイルを示す分解斜視図。

【図14】従来の超電導コイルを示す平面図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照しながら、超電導コイル装置、超電導加速器および粒子線治療装置の実施形態について詳細に説明する。

【0013】

図１の符号１は、本実施形態の粒子線治療装置である。この粒子線治療装置１は、粒子線ビームＢを加速し、この粒子線ビームＢをターゲットである患部Ｔに照射して治療を行うビーム照射装置である。

【0014】

粒子線治療装置１は、荷電粒子、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粒子線ビームＢとして用いる。

【0015】

粒子線治療装置１は、ビーム発生装置２と、ビーム加速装置３と、ビーム輸送装置４と、ビーム照射装置５と、これらの装置を繋いで粒子線ビームＢが通過する真空ダクト６とを備える。

【0016】

真空ダクト６は、その内部が真空状態に維持されている。この真空ダクト６の内部を粒子線ビームＢが通過することで、粒子線ビームＢと空気との散乱によるビームロスを抑制している。この真空ダクト６は、患者の患部Ｔの位置の直前まで続いている。真空ダクト６を通過した粒子線ビームＢは、患者の患部Ｔに照射される。

【0017】

ビーム発生装置２は、粒子線ビームＢを発生させる装置である。例えば、電磁波またはレーザーなどを用いて生成したイオンを引き出す装置である。

【0018】

ビーム加速装置３は、ビーム発生装置２の下流側に設けられている。このビーム加速装置３は、粒子線ビームＢを所定のエネルギーに成るまで加速する装置である。このビーム加速装置３は、例えば、前段加速器と後段加速器の２段で構成される。前段加速器としては、ドリフトチューブリニアック（ＤＴＬ）または高周波四重極型線形加速器（ＲＦＱ）で構成される線形加速器７が用いられる。後段加速器としては、シンクロトロンまたはサイクロトロンで構成される円形加速器８が用いられる。線形加速器７と円形加速器８により、粒子線ビームＢのビーム軌道が形成される。

【0019】

ビーム輸送装置４は、ビーム加速装置３の下流側に設けられている。このビーム輸送装置４は、加速された粒子線ビームＢを被照射物である患者の患部Ｔまで輸送する装置である。真空ダクト６を軸として、偏向装置、集束・発散装置、六極装置、ビーム軌道補正装置、およびその制御装置などで構成される。

【0020】

ビーム照射装置５は、ビーム輸送装置４の下流に設けられている。このビーム照射装置５は、ビーム輸送装置４を通過した所定のエネルギーの粒子線ビームＢが患者の患部Ｔの設定された照射点に正しく入射されるように、粒子線ビームＢのビーム軌道を制御するとともに、患部Ｔにおける粒子線ビームＢの照射位置および照射線量を監視する。

【0021】

なお、ビーム加速装置３とビーム輸送装置４には、高磁場化が可能であり、かつ小型化が可能である超電導技術が用いられている。本実施形態では、超電導技術の適用例として、ビーム加速装置３の円形加速器８を例示する。つまり、本実施形態の粒子線治療装置１は、超電導加速器としての円形加速器８を備えている。この円形加速器８により、粒子線ビームＢを加速するビーム軌道の少なくとも一部が形成される。

【0022】

図２に示すように、本実施形態の超電導加速器としての円形加速器８は、平面視で環状（略円形状）に配置された真空ダクト６に沿って構築される。この円形加速器８は、入射装置９と、出射装置１０と、偏向装置１１と、集束・発散装置１２と、六極装置１３と、加速力印加装置１４を備える。

【0023】

円形加速器８は、線形加速器７から入射装置９を介して入射された粒子線ビームＢの軌道を偏向装置１１で曲げることで、粒子線ビームＢを真空ダクト６に沿って周回させる。集束・発散装置１２および六極装置１３を用いることで、粒子線ビームＢを安定的に周回させる。

【0024】

また、粒子線ビームＢが円形加速器８のビーム軌道を周回するときに、加速力印加装置１４により加速力が粒子線ビームＢに印加される。そして、粒子線ビームＢが所定のエネルギーまで加速され、この加速された粒子線ビームＢが、出射装置１０から出射されて患部Ｔに到達する。

【0025】

円形加速器８において、偏向装置１１は、磁場により粒子線ビームＢを偏向しているが、周回させる粒子の質量またはエネルギーが増大されると、磁気剛性（磁場による曲げ難さ）が増大されるため、ビーム軌道半径が大きくなる。その結果、円形加速器８が全体的に大型化してしまう。この円形加速器８の大型化を抑制するためには、偏向装置１１が発生する磁場強度を大きくする必要がある。本実施形態では、偏向装置１１に超電導技術を適用することで高磁場化が可能となり、円形加速器８を小型化することができる。

【0026】

ここで、超電導線材は、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌ、ＭｇＢ_２などの低温超電導体、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０線材、ＲＥＢ_２Ｃ_３Ｏ_７線材などの高温超電導体で構成される。

【0027】

なお、「ＲＥＢ_２Ｃ_３Ｏ_７」の「ＲＥ」は、希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）など）およびイットリウム元素の少なくともいずれかを意味している。また、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を意味している。また、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を意味している。また、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。

【0028】

なお、低温超電導体を用いた場合は、低温超電導体が延性を有するため、容易に曲面を形成することが可能となる。一方、高温超電導体を用いた場合は、高温で超電導状態が発現するために冷却負荷が軽減され、運転効率が向上する。

【0029】

次に、従来の一般的な超電導コイル８０について図１４を用いて説明する。超電導コイル８０は、円筒形状を成す管状構造部８１の側面に設けられている。この超電導コイル８０は、超電導線材が巻き回された複数の導体部８２を備える。それぞれの導体部８２は、コイル長手部８３とコイル端部８４に分けられている。コイル長手部８３では、導体部８２同士の周方向の間隔が一定でなく、その距離によって超電導コイル８０の中心部のビーム通過領域に所望の磁場分布が生じる。

【0030】

ここで、一般的な超電導コイル８０で発生させる磁場に対応する電流密度分布について説明する。管状構造部８１の断面視において、管状構造部８１の周方向の所定の位置を中心軸の角度θで表す。

【0031】

例えば、均一な磁場である二極磁場を発生させたい場合は、電流密度分布がｃｏｓθの関数に近い形となるようにコイル長手部８３の導体部８２を配置する。同様に、四極磁場を発生させたい場合は、電流密度分布がｃｏｓ２θの関数に近い形となるようにコイル長手部８３の導体部８２を配置する。六極磁場を発生させたい場合は、ｃｏｓ３θの関数に近い形となるようにコイル長手部８３の導体部８２を配置する。八極磁場を発生させたい場合は、ｃｏｓ４θの関数に近い形となるようにコイル長手部８３の導体部８２を配置する。

【0032】

コイル端部８４は、コイル端部８４を形成する導体部８２がビーム通過領域を物理的に遮らないようにするために、管状構造部８１の表面に沿う立体的な形状となっている。そのため、このコイル端部８４は、管状構造部８１の側面から上面にかけて徐々に導体が推移する形状となる。

【0033】

このコイル端部８４では、コイル長手部８３で生じる電流密度分布とは異なる電流密度分布が生じてしまう。そのため、所望の磁場分布から乱れた誤差磁場（不要な磁場成分）が発生してしまう。例えば、二極磁場を発生させたい場合において、コイル端部８４では、導体部８２がθ＝０度の位置からθ＝９０度の位置に変化する。このとき、ｃｏｓθの電流密度分布に対して、ｃｏｓ２θまたはｃｏｓ３θなどの電流密度分布が重ね合わされた形となる。そのため、負の六極磁場（六極成分）などが発生してしまう。

【0034】

従来技術では、この負の六極磁場を抑えるために、スペーサ８５（隙間）をコイル端部８４に設けている。そして、θ＝０度近傍の位置に設けられる導体部８２を維持することで、正の六極磁場を発生させて、所望の均一な磁場を得ている。しかし、この方法では、コイル端部８４を延長することになるため、超電導コイル８０の全体の寸法が長くなってしまい、円形加速器８の全体が大型化してしまう。そこで、本実施形態では、超電導線材を適切に配置することで、所望の均一な磁場を得るようにし、かつ超電導コイル８０の小型化を図るようにしている。

【0035】

次に、本実施形態の超電導加速器としての円形加速器８が備える超電導コイル装置２０について図３から図１２を用いて説明する。なお、超電導コイル装置２０において、粒子線ビームＢが通過する軸方向（軸心Ｃが延びる方向）をＸ方向としたときに、超電導コイル装置２０をＹ方向から見たときの状態を側面図とし、超電導コイル装置２０をＺ方向から見たときの状態を平面図（上面図）として説明する。この超電導コイル装置２０は、重力の影響を受ける装置ではないので、上下の区別は無いが、便宜上、Ｚ方向を超電導コイル装置２０の上方向として説明する。

【0036】

まず、図９に示すように、本実施形態の超電導コイル装置２０は、２層構造になっている。この超電導コイル装置２０には、最も内周に配置され、管状を成す第１層目の管状構造部２１と、この第１層目の管状構造部２１の外周に配置され、管状を成す第２層目の管状構造部２２とが設けられている。これらの管状構造部２１，２２は、軸心Ｃを中心として同心円状に配置されている。つまり、互いに同軸に配置されている。

【0037】

図３から図６に示すように、超電導コイル装置２０は、第１層の管状構造部２１の上下に設けられた２つの超電導コイル２３を備える。図７から図１０に示すように、超電導コイル装置２０は、第２層の管状構造部２２の上下に設けられた２つの超電導コイル２４を備える。つまり、少なくとも２つの超電導コイル２３，２４が管状構造部２１，２２の径方向に積層されている。これらの超電導コイル２３，２４により粒子線ビームＢの通過領域Ｐに磁場を発生させることができる。

【0038】

図９に示すように、それぞれの層の管状構造部２１，２２の上半分に２つの超電導コイル２３，２４の層が設けられているとともに、それぞれの層の管状構造部２１，２２の下半分に２つの超電導コイル２３，２４の層が設けられている（図４および図８参照）。

【0039】

それぞれの超電導コイル２３，２４は、管状構造部２１，２２の外周面に沿う形状を成している。管状構造部２１，２２は、超電導コイル２３，２４を支持する部材である。最も内側にある第１層の管状構造部２１が超電導コイル装置２０の軸心Ｃに配置されている。この第１層の管状構造部２１が真空ダクト６の一部を形成している。なお、この管状構造部２１は、真空ダクト６と別部材であっても良い。つまり、管状構造部２１の内部に真空ダクト６が設けられても良い。

【0040】

超電導コイル２３，２４は、超電導線材が環状に巻き回されて形成されている。例えば、超電導線材の１周巻き回された部分を１つのターン２５，２６としたときに、複数のターン２５，２６で１つの超電導コイル２３，２４が形成されている。理解を助けるために、図３では、３つのターン２５で１つの超電導コイル２３が形成されているように図示している。図７では、５つのターン２６で１つの超電導コイル２４が形成されているように図示している。実際には、数十から数百のターン２５，２６で１つの超電導コイル２３，２４が形成される。

【0041】

第１層の管状構造部２１よりも、第２層の管状構造部２２の方が大きな外周面を有するため、第１層の超電導コイル２３よりも第２層の超電導コイル２４の方が、多くのターン２６を配置することができる。

【0042】

なお、超電導コイル装置２０は、例えば、円形加速器８の偏向装置１１（図２）に適用される。偏向装置１１には、一定の曲率で曲がっている真空ダクト６が設けられている。そのため、実際の超電導コイル装置２０に用いられる管状構造部２１，２２も一定の曲率で曲がっている部材である。しかし、図３、図４、図７、図８、図１１、図１２では、理解を助けるために、管状構造部２１，２２が直線状を成す部材として図示している。また、管状構造部２１，２２の軸心Ｃについても、実際は一定の曲率で曲がっているが、直線として図示している。

【0043】

図５、図６、図９、図１０に示すように、管状構造部２１，２２は、断面視で楕円形状を成している。例えば、管状構造部２１，２２がＹ方向に曲がっている場合において、それぞれの管状構造部２１，２２は、Ｚ方向の直径よりもＹ方向の直径が大きい楕円形状を成す。つまり、管状構造部２１，２２は、曲がる方向に対して直径が大きくなる楕円形状を成している。このようにすれば、超電導コイル装置２０が、粒子線ビームＢが曲がる方向に適した磁場を発生させることができる。

【0044】

図４および図８に示すように、超電導コイル２３，２４において、それぞれのターン２５，２６は、管状構造部２１，２２の軸方向（Ｘ方向）に沿って直線状に延びるコイル長手部２７，２８と、コイル長手部２７，２８から管状構造部２１，２２の周方向に沿って延びるコイル端部２９，３０とを有している。

【0045】

本実施形態では、管状構造部２１，２２の側面視で、それぞれのターン２５，２６におけるコイル長手部２７，２８とコイル端部２９，３０との境界を示す境界線Ｌ１，Ｌ２が、管状構造部２１，２２の周方向に延びる基準線Ｋに対して傾いている。例えば、第１層の超電導コイル２３の境界線Ｌ１と第２層の超電導コイル２４の境界線Ｌ２とが基準線Ｋに対して互いに同じ向きに傾いている。

【0046】

図３および図７に示すように、超電導コイル２３，２４のターン２５，２６は、超電導コイル２３，２４の外周側から内周側に行くに従いコイル長手部２７，２８が短くなっている。そのため、境界線Ｌ１，Ｌ２が基準線Ｋに対して傾くようになる。このようにすれば、それぞれの層の超電導コイル２３，２４のコイル長手部２７，２８が、その端部で発生させる磁場の態様を変化させることができる。

【0047】

図３および図７に示すように、本実施形態では、コイル長手部２７，２８が設けられた領域が、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａと遷移領域５１Ｂ，５２Ｂと磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃとに分けられている。

【0048】

主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａは、超電導コイル２３，２４で主たる磁場を発生させる領域である。この主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａは、管状構造部２１，２２の軸方向（Ｘ方向）において、コイル長手部２７，２８の中央の部分となっている。

【0049】

磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃは、超電導コイル２３，２４の端部近傍で補正用の磁場を発生させる領域である。この磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃは、管状構造部２１，２２の軸方向（Ｘ方向）において、コイル長手部２７，２８の端部に設けられている。この磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃにより、コイル長手部２７，２８の端部が発生させる磁場を補正することができる。

【0050】

遷移領域５１Ｂ，５２Ｂは、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａと磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃとの間に設けられた領域である。この遷移領域５１Ｂ，５２Ｂにより、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａの端部から磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃまで、磁場を滑らかに連続するように遷移させることができる。

【0051】

コイル長手部２７，２８は、ベース部２７Ａ，２８Ａとテーパ部２７Ｂ，２８Ｂとオフセット部２７Ｃ，２８Ｃとを有する。ベース部２７Ａ，２８Ａは、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａに対応する部分である。テーパ部２７Ｂ，２８Ｂは、遷移領域５１Ｂ，５２Ｂに対応する部分である。オフセット部２７Ｃ，２８Ｃは、磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃに対応する部分である。

【0052】

本実施形態では、コイル長手部２７，２８のターン２５，２６の配置形態が、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａと遷移領域５１Ｂ，５２Ｂと磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃとで互いに異なっている。

【0053】

例えば、図４および図８に示すように、管状構造部２１，２２の側面視で、コイル長手部２７，２８のオフセット部２７Ｃ，２８Ｃが管状構造部２１，２２の周方向に変位されている。図３および図７に示すように、管状構造部２１，２２の平面視で、オフセット部２７Ｃ，２８Ｃが超電導コイル２３，２４の内周側に変位されている。このようにすれば、磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃで発生する磁場を、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａで発生する磁場と異なる態様にすることができる。

【0054】

図５および図６に示すように、管状構造部２１の断面視で、第１層のベース部２７Ａが設けられている範囲Ｒ１とオフセット部２７Ｃが設けられている範囲Ｒ２とが異なっている。オフセット部２７Ｃは、ベース部２７Ａよりも上方位置または下方位置にずれて（オフセットされて）配置されている。

【0055】

図９および図１０に示すように、管状構造部２２の断面視で、第２層のベース部２８Ａが設けられている範囲Ｒ３とオフセット部２８Ｃが設けられている範囲Ｒ４とが異なっている。オフセット部２８Ｃは、ベース部２８Ａよりも上方位置または下方位置にずれて（オフセットされて）配置されている。

【0056】

また、第１層のベース部２７Ａが設けられている範囲Ｒ１と第２層のベース部２８Ａが設けられている範囲Ｒ３とが異なっている。さらに、第１層のオフセット部２７Ｃが設けられている範囲Ｒ２と第２層のオフセット部２８Ｃが設けられている範囲Ｒ４とが異なっている。

【0057】

磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃは、少なくともコイル端部２９，３０で発生する強い誤差磁場を打ち消す磁場を発生させる。このようにすれば、コイル端部２９，３０の幅（Ｘ方向の長さ）を縮小した場合に、コイル端部２９，３０で発生する誤差磁場を打ち消すことができる。このように、コイル端部２９，３０を短くして、誤差磁場の小さな超電導コイル２３，２４を得ることができる。

【0058】

なお、磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃで生じさせる磁場は、誤差磁場を打ち消すだけでなく、超電導コイル２３，２４に要求される磁場分布から所定の磁場としても良い。例えば、磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃで生じさせる磁場で、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａで発生する主磁場を補強しても良いし、ビーム光学上、最適な高次多極成分を重畳するようにしても良い。また、重畳する高次多極成分は、コイル端部に限らない任意の場所でも良く、コイル上流側、下流側で異なる高次多極成分を加えても良い。

【0059】

また、図４および図８に示すように、管状構造部２１，２２の側面視で、それぞれのコイル長手部２７，２８のテーパ部２７Ｂ，２８Ｂが、ベース部２７Ａ，２８Ａおよびオフセット部２７Ｃ，２８Ｃに対して傾いている。このようにすれば、主磁場発生領域５１Ａ，５２Ａから磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃまで滑らかに連続する磁場を形成することができる。

【0060】

図１１および図１２に示すように、第１層の超電導コイル２３の遷移領域５１Ｂの軸方向（Ｘ方向）の寸法と、第２層の超電導コイル２４の遷移領域５２Ｂの軸方向の寸法が互いに異なっている。例えば、第１層の遷移領域５１Ｂの軸方向の寸法よりも、第２層の遷移領域５２Ｂの軸方向の寸法が大きくなっている。このようにすれば、第１層の超電導コイル２３と第２層の超電導コイル２４とで適切な磁場を形成することができる。なお、第１層の磁場補正領域５１Ｃの軸方向（Ｘ方向）の寸法と、第２層の磁場補正領域５２Ｃの軸方向の寸法も互いに異なっている。

【0061】

本実施形態の超電導コイル装置２０は、超電導コイル２３，２４の端部の近傍で、所望の磁場分布から乱れた誤差磁場（不要な磁場成分）が発生してしまうことを抑制することができる。例えば、第１層の超電導コイル２３の端部の誤差磁場を、第２層の超電導コイル２４の端部が発生させる磁場で打ち消すことができる。

【0062】

本実施形態では、コイル端部２９，３０で、それぞれのターン２５，２６（超電導線材）を密に配置することができる。そのため、コイル端部２９，３０の幅（Ｘ方向の長さ）を縮小させることができる。

【0063】

また、複数の超電導コイル２３，２４が管状構造部２１，２２の径方向に積層されていることで、管状構造部２１，２２の断面視で、周方向に多くのターン２５，２６（超電導線材）を配置することができる。そのため、より強い磁場を発生させることができる。なお、管状構造部２１，２２の径方向に積層されるに連れて、外周長が拡大されるため、内層（第１層）よりも外層（第２層）の方が、より多くのターン２６を配置させることができる。少ない層数で多くのターン２５，２６を配置することで、強い磁場を発生せることができる。

【0064】

なお、それぞれの層で、ターン２５，２６（超電導線材）の数が変わると、コイル端部２９，３０の幅（Ｘ方向の長さ）が変わり、コイル端部２９，３０で生じる誤差磁場も異なってくる。そこで、それぞれの層における磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃのターン２５，２６の配置形態、遷移領域５１Ｂ，５２Ｂの位置および長さを変えることで、それぞれの層に適した磁場補正が可能となる。そのため、コイル端部２９，３０を短くして、誤差磁場の小さな超電導コイル２３，２４を得ることができる。なお、磁場補正領域５１Ｃ，５２Ｃの位置および長さを変えることでも、それぞれの層に適した磁場補正が可能となる。

【0065】

次に、変形例の超電導コイル装置４０について図１３を用いて説明する。図１３の分解斜視図では、理解を助けるために、管状構造部の図示を省略し、超電導コイル２３，２４の配置形態のみを図示している。

【0066】

変形例の超電導コイル装置４０は、第１層に設けられ、四極磁場を発生させる２つの超電導四極コイル４１と、第２層に設けられ、二極磁場を発生させる１つの超電導二極コイル４２とを備える。

【0067】

１つの超電導四極コイル４１は、４つの超電導コイル２３により形成されている。そして、２つの超電導四極コイル４１が軸方向（Ｘ方向）に並んで配置されている。

【0068】

また、１つの超電導二極コイル４２は、２つの超電導コイル２４により形成されている。そして、この超電導二極コイル４２と超電導四極コイル４１とが互いに同軸に配置されている。

【0069】

変形例の超電導コイル装置４０は、超電導二極コイル４２で生じる二極磁場と、超電導四極コイル４１で生じる四極磁場とで粒子線ビームＢを適切に制御することができる。

【0070】

なお、前述の実施形態では、管状構造部２１，２２が断面視で楕円形状を成しているが、その他の態様であっても良い。例えば、管状構造部２１，２２が断面視で真円形状を成しても良いし、長円形状を成しても良い。

【0071】

なお、前述の実施形態では、管状構造部２１，２２は、曲がる方向に対して直径が大きくなる楕円形状を成しているが、その他の態様であっても良い。例えば、管状構造部２１，２２は、曲がる方向に対して直径が小さくなる楕円形状を成しても良い。

【0072】

なお、前述の実施形態では、第１層の超電導コイル２３の境界線Ｌ１と第２層の超電導コイル２４の境界線Ｌ２とが基準線Ｋに対して互いに同じ向きに傾いているが、その他の態様であっても良い。例えば、第１層の超電導コイル２４の境界線Ｌ１と第２層の超電導コイル２４の境界線Ｌ２とが基準線Ｋに対して互いに逆向きに傾いても良い。このようにすれば、第１層の超電導コイル２３の端部で生じる磁場と第２層の超電導コイル２４の端部で生じる磁場とが互いに異なる形態となる。

【0073】

以上説明した実施形態によれば、コイル長手部の配置形態が、主磁場を発生させる主磁場発生領域と補正用の磁場を発生させる磁場補正領域とで互いに異なっていることにより、超電導コイル装置の小型化を図ることができる。

【0074】

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。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と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】

【0075】

１…粒子線治療装置、２…ビーム発生装置、３…ビーム加速装置、４…ビーム輸送装置、５…ビーム照射装置、６…真空ダクト、７…線形加速器、８…円形加速器、９…入射装置、１０…出射装置、１１…偏向装置、１２…集束・発散装置、１３…六極装置、１４…加速力印加装置、２０…超電導コイル装置、２１…第１層の管状構造部、２２…第２層の管状構造部、２３…第１層の超電導コイル、２４…第２層の超電導コイル、２５…第１層のターン、２６…第２層のターン、２７…第１層のコイル長手部、２７Ａ…ベース部、２７Ｂ…テーパ部、２７Ｃ…オフセット部、２８…第２層のコイル長手部、２８Ａ…ベース部、２８Ｂ…テーパ部、２８Ｃ…オフセット部、２９…第１層のコイル端部、３０…第２層のコイル端部、４０…超電導コイル装置、４１…超電導四極コイル、４２…超電導二極コイル、５１Ａ…主磁場発生領域、５１Ｂ…遷移領域、５１Ｃ…磁場補正領域、５２Ａ…主磁場発生領域、５２Ｂ…遷移領域、５２Ｃ…磁場補正領域、８０…超電導コイル、８１…管状構造部、８２…導体部、８３…コイル長手部、８４…コイル端部、８５…スペーサ、Ｂ…粒子線ビーム、Ｃ…軸心、Ｋ…基準線、Ｌ１，Ｌ２…境界線、Ｐ…通過領域、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…範囲、Ｔ…患部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】