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(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】2025-01-20
(45)【発行日】2025-01-28
(54)【発明の名称】超伝導電磁石、粒子加速器、及び粒子線治療装置
(51)【国際特許分類】
H01F 7/18 20060101AFI20250121BHJP
A61N 5/10 20060101ALI20250121BHJP
H01F 6/00 20060101ALI20250121BHJP
H05H 7/04 20060101ALI20250121BHJP
【ＦＩ】
H01F7/18 V
A61N5/10 H
H01F6/00 180
H05H7/04 ZAA
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021057183
(22)【出願日】2021-03-30
(65)【公開番号】P2022154255
(43)【公開日】2022-10-13
【審査請求日】2024-03-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162640
【弁理士】
【氏名又は名称】柳 康樹
(72)【発明者】
【氏名】江原 悠太
(72)【発明者】
【氏名】吉田 潤
【審査官】小林 大介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－２３１０８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－１７１１０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１－１２８５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３３２５７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０３３９７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０１５４２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２２５８７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】柳澤 吉紀，REBCOコイルにおける遮蔽電流磁場のメカニズムと抑制方法，低温工学，日本，社団法人低温工学協会，2013年，48巻4号，p.165-171
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ ６／００－ ６／０６
Ｈ０１Ｆ ７／１８
Ｈ０５Ｈ ７／０４
Ａ６１Ｎ ５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
コイルに電流を流すことで磁場を発生する超伝導電磁石であって、前記コイルの電流値を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記コイルの所定の電流値が前記目標電流値より高い場合、前記所定の電流値から前記目標電流値へ電流値を下降させる制御を行い、
前記所定の電流値が前記目標電流値以下の場合、前記所定の電流値から前記目標電流値よりも高いフォーマット電流値へ電流値を上昇させた後、前記目標電流値まで降下させる制御を行う、超伝導電磁石。
【請求項2】
コイルに電流を流すことで磁場を発生する超伝導電磁石であって、前記コイルの電流値を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記コイルの所定の電流値が前記目標電流値より低い場合、前記所定の電流値から前記目標電流値へ電流値を上昇させる制御を行い、
前記所定の電流値が前記目標電流値以上の場合、前記所定の電流値から前記目標電流値よりも低いフォーマット電流値へ電流値を下降させた後、前記目標電流値まで上昇させる制御を行う、超伝導電磁石。
【請求項3】
コイルに電流を流すことで磁場を発生する超伝導電磁石であって、前記コイルの電流値を制御する制御部を有し、
前記制御部は、電流値の変化に伴って生じる前記コイルの磁化による磁場を推定し、当該コイルの磁化による磁場の分だけ前記目標電流値からずらした電流値を前記コイルへ流す、超伝導電磁石。
【請求項4】
前記制御部は、前記コイルの電流値を前記フォーマット電流値にて、所定時間、一定とする、請求項１又は２に記載の超伝導電磁石。
【請求項5】
前記制御部は、初回の電流値の掃引制御においては、二回目以降の掃引制御において取り得る最大電流値まで上昇させる制御を行う、請求項１～４の何れか一項に記載の超伝導電磁石。
【請求項6】
請求項１～５の何れか一項に記載の超伝導電磁石を備え、粒子を加速して粒子線を生成する粒子加速器。
【請求項7】
請求項６に記載の粒子加速器を備え、前記粒子加速器で生成された粒子線を用い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】
本発明は、超伝導電磁石、粒子加速器、及び粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【0002】
超伝導電磁石は、コイルと、真空容器と、を備える。コイルは、超伝導線材が巻回されることによって形成される円環状の部材である。コイルは、磁極を取り囲むように配置される。超伝導電磁石は、真空容器の内部を真空状態にした上で、冷却機によって超伝導状態とされたコイルに電流を流すことで強力な磁場を形成する。このような超伝導電磁石が用いられる装置として、例えば特許文献１に記載されたような粒子加速器が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０２０－２１９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ここで、コイルに電流が流れると、コイルの周りに磁場が形成される。このとき、コイルでは、通電によって形成された磁場を外部磁場として、コイル内部の超伝導体が磁化を生じる（コイル磁化磁場）。このようなコイル磁化磁場は、コイルの周囲に形成される磁場に影響を及ぼす。このようなコイル磁化磁場は、例えば上述のような粒子加速器などにおいては、加速電圧周波数の位相ずれなどの問題を生じる場合がある。従って、コイル磁化磁場の影響を低減できる超伝導電磁石が求められていた。
【0005】
従って、本発明は、コイル磁化磁場の影響を低減できる超伝導電磁石、粒子加速器、及び粒子線治療装置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】
本発明の一側面に係る超伝導電磁石は、コイルに電流を流すことで磁場を発生する超伝導電磁石であって、コイルの電流値を制御する制御部を有し、制御部は、コイルの所定の電流値が目標電流値より高い場合、所定の電流値から目標電流値へ電流値を下降させる制御を行い、所定の電流値が目標電流値以下の場合、所定の電流値から目標電流値よりも高いフォーマット電流値へ電流値を上昇させた後、目標電流値まで降下させる制御を行う。
【0007】
超伝導電磁石では、コイルの電流値を所定の電流値から目標電流値へ変更する場合、電流値を降下させる形で目標電流値へ到達する場合と、電流値を上昇させる形で目標電流値へ到達する場合とでは、同じ電流値であるにも関わらず、コイル磁化磁場に差がでてしまう。これに対し、制御部は、コイルの所定の電流値が目標電流値より高い場合、所定の電流値から目標電流値へ電流値を下降させる制御を行う。この場合、電流値は、下降する形で目標電流値に到達する。また、制御部は、所定の電流値が目標電流値以下の場合、所定の電流値から目標電流値よりも高いフォーマット電流値へ電流値を上昇させた後、目標電流値まで降下させる制御を行う。この場合、電流値は、下降する形で目標電流値に到達する。このように、電流値を変更する前の所定の電流値がどのような値であっても、電流値は、下降する形で目標電流値に到達する。これにより、電流値を変更する前の所定の電流値によらず、目標電流値へ到達したときのコイル磁化磁場を同じ状態にすることができる。以上より、コイル磁化磁場の影響を低減することができる。
【0008】
本発明の一側面に係る超伝導電磁石は、コイルに電流を流すことで磁場を発生する超伝導電磁石であって、コイルの電流値を制御する制御部を有し、制御部は、コイルの所定の電流値が目標電流値より低い場合、所定の電流値から目標電流値へ電流値を上昇させる制御を行い、所定の電流値が目標電流値以上の場合、所定の電流値から目標電流値よりも低いフォーマット電流値へ電流値を下降させた後、目標電流値まで上昇させる制御を行う。
【0009】
制御部は、コイルの所定の電流値が目標電流値より低い場合、所定の電流値から目標電流値へ電流値を上昇させる制御を行う。この場合、電流値は、上昇する形で目標電流値に到達する。また、制御部は、所定の電流値が目標電流値以上の場合、所定の電流値から目標電流値よりも低いフォーマット電流値へ電流値を下降させた後、目標電流値まで上昇させる制御を行う。この場合、電流値は、上昇する形で目標電流値に到達する。このように、電流値を変更する前の所定の電流値がどのような値であっても、電流値は、上昇する形で目標電流値に到達する。これにより、電流値を変更する前の所定の電流値によらず、目標電流値へ到達したときのコイル磁化磁場を同じ状態にすることができる。以上より、コイル磁化磁場の影響を低減することができる。
【0010】
本発明の一側面に係る超伝導電磁石は、コイルに電流を流すことで磁場を発生する超伝導電磁石であって、コイルの電流値を制御する制御部を有し、制御部は、電流値の変化に伴って生じるコイルの磁化による磁場を推定し、当該コイルの磁化による磁場の分だけ目標電流値からずらした電流値をコイルへ流す。
【0011】
制御部は、電流値の変化に伴って生じるコイルの磁化による磁場を推定し、当該コイルの磁化による磁場の分だけ目標電流値からずらした電流値をコイルへ流す。この場合、制御部は、所定の電流値から目標電流値へ変更するときに、コイル磁化磁場を予めフィードフォワード制御する形で、コイルへ流す電流値を制御することができる。これにより、コイルの周囲には、コイル磁化磁場が低減された態様での磁場が形成される。以上より、コイル磁化磁場の影響を低減することができる。
【0012】
制御部は、コイルの電流値をフォーマット電流値にて、所定時間、一定としてよい。この場合、コイル磁化磁場が変化するための十分な時間を確保することができる。
【0013】
制御部は、初回の電流値の掃引制御においては、二回目以降の掃引制御において取り得る最大電流値まで上昇させる制御を行ってよい。コイル磁化磁場の値は、初回の掃引制御にて、初期磁化過程に係る磁化曲線の全域を推移することができる。すると、二回目以降の掃引制御では、初期磁化過程に係る磁化曲線に沿ってコイル磁化磁場の値が変化することを抑制できる。
【0014】
本発明の一側面に係る粒子加速器は、上述の超伝導電磁石を備え、粒子を加速して粒子線を生成する。
【0015】
本発明の一側面に係る粒子線治療装置は、上述の粒子加速器を備え、粒子加速器で生成された粒子線を用いて治療を行う。
【0016】
これらの粒子加速器、及び粒子線治療装置によれば、上述の超伝導電磁石と同様の作用・効果を得ることができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、コイル磁化磁場の影響を低減できる超伝導電磁石、粒子加速器、及び粒子線治療装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本実施形態に係る超伝導電磁石が搭載された粒子加速器を示す概略断面図である。
【図2】本実施形態に係る超伝導電磁石が搭載された粒子線治療装置を示す概略断面図である。
【図3】コイル磁化磁場について説明するための模式図である。
【図4】通電によってコイルが形成する磁場と、コイル磁化磁場との関係を示す磁化曲線のグラフである。
【図5】コイル磁化磁場と電流との関係を示す図である。
【図6】電流値の変化と、コイル磁化磁場の変化の態様を示すグラフである。
【図7】電流値の変化と、コイル磁化磁場の変化の態様を示すグラフである。
【図8】電流値の変化と、コイル磁化磁場の変化の態様を示すグラフである。
【図9】電流値の変化と、コイル磁化磁場の変化の態様を示すグラフである。
【図10】初期磁化過程に係る磁化曲線を解消するための制御内容を説明するための図である。
【図11】推定したコイル磁化磁場分だけ目標電流値からずらした電流値をコイルへ流す態様を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0020】
図１は、本実施形態に係る超伝導電磁石が搭載された粒子加速器を示す概略断面図である。図１に示される粒子加速器１は、例えば、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）を用いたがん治療を行う中性子捕捉療法システム等において、イオン源（不図示）から供給された荷電粒子を加速して荷電粒子線を生成して出射するために用いられるサイクロトロンである。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）、電子等が挙げられる。また、粒子加速器１は、ＰＥＴ用サイクロトロン、ＲＩ製造用サイクロトロン、及び原子核実験用サイクロトロン等として用いることもできる。また、粒子加速器１は、図２に示すような粒子線治療装置１００に採用されてよい。図２に示す粒子線治療装置１００は、粒子加速器１と、輸送ライン１２１と、照射部１０２と、回転ガントリ１０５と、を備える。照射部１０２は、粒子加速器で生成されて輸送ライン１２１で輸送された粒子線を出射する。照射部１０２は、治療台１０４上の患者に照射される。照射部１０２は、回転ガントリ１０５に取り付けられており、当該回転ガントリ１０５によって回転方向における照射位置が調整される。なお、粒子加速器１は、サイクロトロンに限定されず、シンクロサイクロトロンであってもよい。
【0021】
図１に戻り、粒子加速器１は、ヨーク２と、超伝導電磁石３と、一対の磁極４Ａ，４Ｂと、真空容器５と、を備えている。
【0022】
ヨーク２は、超伝導電磁石３、一対の磁極４Ａ，４Ｂ、及び真空容器５等を支持するものである。ヨーク２は、中空の円盤型ブロックであり、その内部には、荷電粒子の加速に必要な磁場を形成する一対の磁極４Ａ，４Ｂが設けられている。磁極４Ａ，４Ｂは、平面視で円形状であり、メディアンプレーンＭＰ（荷電粒子が加速する加速平面）を挟んで互いに対向して配置されている。磁極４Ａ，４Ｂの周囲には、超伝導電磁石３が配置されている。
【0023】
超伝導電磁石３は、一対のコイル３０Ａ，３０Ｂと、真空容器５と、制御部２０と、を備える。それぞれのコイル３０Ａ，３０Ｂは円環状であり、超伝導線材が巻回されることによって形成される。コイル３０Ａ，３０Ｂは、それぞれ磁極４Ａ，４Ｂを取り囲むように配置される。超伝導線材の材料は特に限定されないが、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＭｇＢ２、Ｂｉ系超伝導（Ｂｉ２２２３、Ｂｉ２２１２など）、希土類系超伝導、鉄系超伝導などが採用されてよい。
【0024】
真空容器５は、コイル３０Ａ，３０Ｂを真空状態で収容する容器である。真空容器５及び冷凍機（不図示）により、コイル３０Ａ，３０Ｂを超伝導状態となるまで冷却可能なクライオスタットが構成されている。冷凍機としては、例えば、ＧＭ冷凍機（Gifford-McMhon cooler）が用いられ得る。なお、冷凍機の種類はＧＭ冷凍機に限定されず、例えばスターリング冷凍機等のその他の冷凍機であってもよい。
【0025】
粒子加速器１では、真空容器５の内部を真空状態にした上で、冷却機によって超伝導状態とされた超伝導電磁石３のコイルに電流を流すことで強力な磁場を形成する。イオン源（不図示）から供給された荷電粒子は、磁極４Ａと磁極４Ｂとの間の空間のメディアンプレーンＭＰ上において磁場の影響によって加速され、荷電粒子線として出射される。
【0026】
制御部２０は、コイル３０Ａ，３０Ｂの電流値を制御する装置である。ここで、制御部２０の制御内容について説明するため、図３を参照して、コイル３０のコイル磁化磁場について説明する。なお、コイル３０Ａ，３０Ｂについて特に区別しない場合は、「コイル３０」と称する。コイル３０に電流が流れると、コイル３０の周りに磁場ＭＦが形成される。このとき、コイル３０では、磁場ＭＦを外部磁場として、コイル３０内部の超伝導体が磁化を生じる（コイル磁化磁場）。このようなコイル磁化磁場は、コイル３０の周囲に形成される磁場に影響を及ぼす。図３において、「Ｂｅｒｒｏｒ」はコイル磁化磁場を示す。「Ｂｅｘｔ」は、通電によってコイル３０が形成する磁場のうちＢｅｒｒｏｒを除いたものである。ここで、図３（ａ）（ｂ）に示すように、電流値を増加させてコイル３０を励磁する場合と、電流値を減少させてコイル３０を消磁する場合とでは、相互インダクタンスＭの影響によって、コイル磁化磁場の値や挙動が互いに異なる。具体的に、図４は、通電によってコイル３０が形成する磁場と、コイル磁化磁場との関係を示す磁化曲線のグラフである。図４の横軸は外部磁場を示しており、縦軸は超伝導体の磁化を示している。なお、電流値を横軸と見なして電流値とコイル磁化磁場の関係を描いた場合も、図４と略同様な形状となる。従って、図４の横軸は電流値と見なしてもよい。また、縦軸の値を単に「コイル磁化磁場の値」と称する場合がある。図４に示すように、コイル３０の電流値を正側の領域において増加させると、コイル磁化磁場の値は、グラフの負側の磁化曲線Ｅ１を推移する。コイル３０の電流値を正側の領域において減少させると、コイル磁化磁場の値は、グラフの正側の磁化曲線Ｅ２を推移する。このように、コイル磁化磁場の影響によるコイル磁化磁場は、電流の掃引パターンに依存する。
【0027】
図５は、図４のグラフの横軸の正側の領域を模式的に示している。ただし、横軸は、コイル３０に対する電流値に置き換えている。例えば、コイル３０の電流値をスタートの電流値から目標電流値（Ｉｂ）へ直接変更する場合、スタートの電流値と目標電流値との大小関係によって、コイル磁化磁場の値が異なるものとなってしまう。すなわち、スタートの電流値が「Ｉｂ」よりも小さい「Ｉａ」の場合、コイル磁化磁場の値は、負側の磁化曲線Ｅ１で推移する。このとき、コイル磁化磁場の値は、スタート点Ｓ１の値から、磁化曲線Ｅ１を推移して、目標点Ｆ１の値となる。スタートの電流値が「Ｉｂ」よりも大きい「Ｉｃ」の場合、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２で推移する。このとき、コイル磁化磁場の値は、スタート点Ｓ２の値から、磁化曲線Ｅ２を推移して、目標点Ｆ２の値となる。このように、最終的に到達する目標電流値は「Ｉｂ」で同じであるにも関わらず、目標点Ｆ１のコイル磁化磁場の値と目標点Ｆ２のコイル磁化磁場の値とでは、互いに異なった値となる。
【0028】
従って、制御部２０は、電流値を所定の電流値（以降、スタート電流値を称する）から目標電流値へ変更する制御において、スタート電流値の大きさによらず、目標電流値でのコイル磁化磁場の値が同じになるように制御する。制御部２０は、目標電流値へ到達する直前においては、電流値を減少させることで（消磁）目標電流値へ到達させる。この場合、制御部２０は、目標電流値へ到達する直前には、コイル磁化磁場の値が正側の磁化曲線Ｅ２を推移するように、電流値を制御する。
【0029】
図６及び図７を参照して、制御部２０の制御内容について説明する。図６（ａ）（ｂ）の左側のグラフは、時間の推移と電流値の推移の関係を示すグラフである。図６（ａ）（ｂ）の右側のグラフは、電流値とコイル磁化磁場の値との関係を示すグラフである。図７以降も同様である。以降の説明では、「スタート電流値Ｉｓ」「目標電流値Ｉｆ」とする。また、スタート電流値Ｉｓの直前の電流値を「直前電流値Ｉｐ」とする。目標電流値Ｉｆの直前において、コイル磁化磁場の値を正の磁化曲線Ｅ２で推移させるための電流値を「フォーマット電流値Ｉｏ」とする。なお、電流値とコイル磁化磁場の値を示すグラフにおいて、スタート電流値Ｉｓに対応する点をスタート点Ｓ、フォーマット電流値Ｉｏに対応する点をフォーマット点Ｏ、目標電流値Ｉｆに対応する点を目標点Ｆとする。
【0030】
図６及び図７は、フォーマット電流値Ｉｏが目標電流値Ｉｆよりも高い場合の制御部２０の制御内容を示す。この場合、コイル磁化磁場の値が、フォーマット点Ｏへ至るまでにどのような推移をしていたとしても、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ至るときには、正側の磁化曲線Ｅ２を推移する。
【0031】
図６は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆ及びフォーマット電流値Ｉｏよりも高いときの制御内容を示す。図６に示すように、制御部２０は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆより高い場合、スタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆへ電流値を下降させる制御を行う。
【0032】
図６（ａ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓよりも大きい場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を降下させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、正側の磁化曲線Ｅ２に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２にて、スタート点Ｓからフォーマット点Ｏへ推移する。また、制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0033】
図６（ｂ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓよりも小さい場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を上昇させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、負側の磁化曲線Ｅ１に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させる。このとき、コイル磁化磁場の値は、負側の磁化曲線Ｅ１のスタート点Ｓから正側の磁化曲線Ｅ２へ飛び、当該正側の磁化曲線Ｅ２にてフォーマット点Ｏへ推移する。また、制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0034】
図７は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆ及びフォーマット電流値Ｉｏ以下の制御内容を示す。図７に示すように、制御部２０は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆ以下の場合、スタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆよりも高いフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させた後、目標電流値Ｉｆまで降下させる制御を行う。
【0035】
図７（ａ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓよりも大きい場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を降下させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、正側の磁化曲線Ｅ２に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２から、負側の磁化曲線Ｅ１へ飛び、当該負側の磁化曲線Ｅ１を推移し、フォーマット点Ｏに対応する電流値の位置まで推移する。制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、負側の磁化曲線Ｅ１から正側の磁化曲線Ｅ２へ飛び、当該正側の磁化曲線Ｅ２にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0036】
図７（ｂ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓ以下の場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を上昇させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、負側の磁化曲線Ｅ１に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、スタート点Ｓから負側の磁化曲線Ｅ１を推移し、フォーマット点Ｏに対応する電流値の位置まで推移する。制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、負側の磁化曲線Ｅ１から正側の磁化曲線Ｅ２へ飛び、当該正側の磁化曲線Ｅ２にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0037】
制御部２０による制御内容は、図６及び図７に示すものに限定されず、図８及び図９に示す制御内容が採用されてもよい。図８及び図９は、フォーマット電流値Ｉｏが目標電流値Ｉｆよりも低い場合の制御部２０の制御内容を示す。この場合、コイル磁化磁場の値が、フォーマット点Ｏへ至るまでにどのような推移をしていたとしても、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ至るときには、負側の磁化曲線Ｅ１を推移する。すなわち、制御部２０は、目標電流値へ到達する直前には、コイル磁化磁場の値が負側の磁化曲線Ｅ１を推移するように、電流値を制御する。
【0038】
図８は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆ及びフォーマット電流値Ｉｏ以上であるときの制御内容を示す。図８に示すように、制御部２０は、スタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆよりも低いフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を下降させた後、目標電流値Ｉｆまで上昇させる制御を行う。
【0039】
図８（ａ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓよりも大きい場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を降下させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、正側の磁化曲線Ｅ２に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２にて、スタート点Ｓからフォーマット点Ｏに対応する電流値の位置へ推移する。また、制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２から負側の磁化曲線Ｅ１へ飛び、当該負側の磁化曲線Ｅ１にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0040】
図８（ｂ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓよりも小さい場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を上昇させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、負側の磁化曲線Ｅ１に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させる。このとき、コイル磁化磁場の値は、負側の磁化曲線Ｅ１のスタート点Ｓから正側の磁化曲線Ｅ２へ飛び、当該正側の磁化曲線Ｅ２にてフォーマット点Ｏに対応する電流値の位置へ推移する。また、制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を降下させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２から負側の磁化曲線Ｅ１へ飛び、当該負側の磁化曲線Ｅ１にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0041】
【0042】
図９（ａ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓよりも大きい場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を降下させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、正側の磁化曲線Ｅ２に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、正側の磁化曲線Ｅ２から、負側の磁化曲線Ｅ１へ飛び、当該負側の磁化曲線Ｅ１を推移し、フォーマット点Ｏまで推移する。制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を上昇させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、負側の磁化曲線Ｅ１にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0043】
図９（ｂ）は、直前電流値Ｉｐがスタート電流値Ｉｓよりも小さい場合の制御内容を示す。このとき、制御部２０が直前電流値Ｉｐからスタート電流値Ｉｓへ変更するために電流値を上昇させるので（左側のグラフ）、スタート点Ｓは、負側の磁化曲線Ｅ１に存在する（右側のグラフ）。制御部２０がスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、スタート点Ｓから負側の磁化曲線Ｅ１を推移し、フォーマット点Ｏまで推移する。制御部２０がフォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ電流値を上昇させる。これにより、コイル磁化磁場の値は、負側の磁化曲線Ｅ１にて、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。
【0044】
ここで、図１０（ａ）に示すように、電流の掃引パターンは、コイル磁化磁場の負側において、磁化曲線Ｅ１とは別に、初期磁化過程に係る磁化曲線Ｅ３を有する。初期磁化過程に係る磁化曲線Ｅ３は、コイル３０に対して初めて上昇するような電流値を流す場合にコイル磁化磁場の値が推移する磁化曲線である。例えば、フォーマット電流値Ｉｏから目標電流値Ｉｆへ上昇する場合、コイル磁化磁場の値が磁化曲線Ｅ１を推移するときには、フォーマット点Ｏから目標点Ｆへ推移する。しかし、コイル磁化磁場の値が磁化曲線Ｅ３を推移するときには、異なるフォーマット点Ｏ｀から異なる目標点Ｆ｀へ推移する。
【0045】
ここで、コイル磁化磁場の値が、ある電流値において初期磁化過程に係る磁化曲線Ｅ３を一度でも通過すれば、次回以降は、磁化曲線Ｅ１を推移するようになる。従って、図１０（ｃ）に示すように、制御部２０は、初回の電流値の掃引制御においては、二回目以降の掃引制御において取り得る最大電流値Ｉｍａｘまで上昇させる制御を行う。これにより、図１０（ｂ）に示すように、コイル磁化磁場の値は、初回の掃引制御にて、初期磁化過程に係る磁化曲線Ｅ３の全域を推移することができる。すると、当該処理を行った以降は（図１０（ｃ）の時間ｔ１以降）、図６～図９に示す処理を行えば、磁化磁場の値が磁化曲線Ｅ１，Ｅ２を推移するような制御を行うことができる。
【0046】
次に、目標電流値Ｉｆとフォーマット電流値ＩＯとの差分の大きさについて説明する。この差分ΔＩの大きさは、以下の式（１）によって設定される。μ０は真空の透磁率、Ｊｃは超伝導体の臨界電流値、ｒｆはフィラメント半径を示す。ｌ０は任意の通電電流値、Ｂｍは通電電流値に対してコイル内で最も強い磁束密度の強さである。なお、臨界電流値Ｊｃは温度、経験磁場で規定されるため、Ｊｃは運用される温度と経験磁場に対して幅を持つ。例えば、αの値として式（２）にて求められる値を採用してよい。
【数1】
【0047】
制御部２０は、コイル３０の電流値をフォーマット電流値Ｉｏにて、所定時間、一定とする。一定とする所定時間は特に限定されないが、例えば、制御部２０が電流値をスタート電流値Ｉｓからフォーマット電流値Ｉｏへ変化させたときに、コイル磁化磁場の値が、スタート点から、フォーマット点Ｏへ推移するのに十分な時間が確保されていればよい。例えば、一定とする所定時間は、３０～６００秒程度に設定されていればよい。
【0048】
図６～図９に示す制御内容では、制御部２０は、目標電流値へ到達する直前に、コイル磁化磁場の値が負側の磁化曲線Ｅ１を推移するように、またはコイル磁化磁場の値が正側の磁化曲線Ｅ２を推移するように、電流値を制御していた。これに代えて、図１１に示すように、制御部２０は、コイルの電流値をスタート電流値から目標電流値へ変更する制御において、コイル磁化磁場（電流値の変化に伴って生じるコイル３０の磁化による磁場）を推定し、コイル磁化磁場の分だけ目標電流値からずらした電流値をコイル３０へ流してよい。
【0049】
具体的に、制御部２０は、目標電流値Ｉに対して推定値ΔＩ｀だけずらした電流値をコイル３０へ流す。例えば、図１１（ａ）に示すように、制御部２０は「Ｉ＋ΔＩ｀」という電流値をコイル３０へ流す。または、図１１（ｂ）に示すように、制御部２０は「Ｉ－ΔＩ｀」という電流値をコイル３０へ流す。ΔＩ｀は、式（３）によって設定される。各パラメータは上述の式（１）と同様である。αは式（４）を満たす必要がある。αは、超伝導体の単位体積あたり磁気モーメントが、コイル３０周辺の任意点に作る磁場について、各単位体積の磁場の総和を演算することで求められてよい。
【数2】
【0050】
次に、本実施形態に係る超伝導電磁石３の作用・効果について説明する。
【0051】
上述のように、超伝導電磁石３では、コイル３０は、磁場ＭＦを外部磁場として、コイル３０内部の超伝導体が磁化を生じる（コイル磁化磁場）。これにより、コイル３０にはコイル磁化磁場が発生する。このようなコイル磁化磁場は、コイル３０の磁場の絶対値に対する要求が高い場合には無視することができない。図１に示すように、上述のようなコイル磁化磁場の影響は粒子加速器１において問題となる場合がある。コイル磁化磁場と加速電圧周波数位相ずれとの間に相関関係があるため、コイル磁化磁場が粒子の加速に影響を及ぼす。従って、電流の掃引パターンに依存するコイル磁化磁場が、粒子加速器１の加速効率の低下を招く可能性がある。粒子加速器１には精度が要求されるため、コイル磁化磁場によるコイル磁化磁場の影響を低減できる超伝導電磁石が求められていた。
【0052】
ここで、超伝導電磁石３では、コイル３０の電流値をスタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆへ変更する場合、電流値を降下させる形で目標電流値Ｉｆへ到達する場合と、電流値を上昇させる形で目標電流値Ｉｆへ到達する場合とでは、同じ電流値であるにも関わらず、コイル磁化磁場によるコイル磁化磁場に差がでてしまう（図５参照）。これに対し、図６及び図７に示すように、制御部２０は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆより高い場合、スタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆへ電流値を下降させる制御を行う。この場合、電流値は、下降する形で目標電流値Ｉｆに到達する。また、制御部２０は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆ以下の場合、スタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆよりも高いフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を上昇させた後、目標電流値Ｉｆまで降下させる制御を行う。この場合、電流値は、下降する形で目標電流値Ｉｆに到達する。このように、電流値を変更する前の所定の電流値がどのような値であっても、電流値は、下降する形で目標電流値Ｉｆに到達する。これにより、電流値を変更する前のスタート電流値Ｉｓによらず、目標電流値Ｉｆへ到達したときのコイル磁化磁場を同じ状態にすることができる。以上より、コイル磁化磁場の影響を低減することができる。
【0053】
また、図８及び図９に示すように、制御部２０は、スタート電流値Ｉｓが目標電流値Ｉｆより低い場合、スタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆへ電流値を上昇させる制御を行う。この場合、電流値は、上昇する形で目標電流値Ｉｆに到達する。また、制御部２０は、所定の電流値が目標電流値Ｉｆ以上の場合、スタート電流値Ｉｓから目標電流値Ｉｆよりも低いフォーマット電流値Ｉｏへ電流値を下降させた後、目標電流値Ｉｆまで上昇させる制御を行う。この場合、電流値は、上昇する形で目標電流値Ｉｆに到達する。このように、電流値を変更する前のスタート電流値がどのような値であっても、電流値は、上昇する形で目標電流値Ｉｆに到達する。これにより、電流値を変更する前のスタート電流値Ｉｓによらず、目標電流値Ｉｆへ到達したときのコイル磁化磁場を同じ状態にすることができる。以上より、コイル磁化磁場の影響を低減することができる。
【0054】
また、図１１に示すように、制御部２０は、電流値の変化に伴って生じるコイル３０の磁化による磁場を推定し、コイル磁化磁場分だけ目標電流値からずらした電流値をコイル３０へ流す。
【0055】
この場合、制御部２０は、スタート電流値から目標電流値へ変更するときに、コイル磁化磁場を予めフィードフォワード制御する形で、コイル３０へ流す電流値を制御することができる。これにより、コイル３０の周囲には、コイル磁化磁場が低減された態様での磁場が形成される。以上より、コイル磁化磁場の影響を低減することができる。
【0056】
制御部２０は、コイル３０の電流値をフォーマット電流値Ｉｏにて、所定時間、一定としてよい。この場合、コイル磁化磁場が変化するための十分な時間を確保することができる。
【0057】
制御部２０は、初回の電流値の掃引制御においては、二回目以降の掃引制御において取り得る最大電流値Ｉｍａｘまで上昇させる制御を行ってよい。コイル磁化磁場の値は、初回の掃引制御にて、初期磁化過程に係る磁化曲線Ｅ３の全域を推移することができる。すると、二回目以降の掃引制御では、初期磁化過程に係る磁化曲線Ｅ３に沿ってコイル磁化磁場の値が変化することを抑制できる。
【0058】
本実施形態に係る粒子加速器１は、上述の超伝導電磁石３を備え、粒子を加速して粒子線を生成する。
【0059】
本実施形態に係る粒子線治療装置１００は、上述の粒子加速器１を備え、粒子加速器１で生成された粒子線を用いて治療を行う。
【0060】
これらの粒子加速器１、及び粒子線治療装置１００によれば、上述の超伝導電磁石３と同様の作用・効果を得ることができる。
【0061】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【0062】
例えば、超伝導電磁石は粒子加速器に採用されていたが、シリコン単結晶引き上げ装置などに採用されてもよい。
【符号の説明】
【0063】
１…粒子加速器、３…超伝導電磁石、２０…制御部、３０，３０Ａ，３０Ｂ…コイル、１００…粒子線治療装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】