CN105079983A - 超导磁铁及带电粒子束治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导磁铁及带电粒子束治疗装置，其课题在于提高磁极之间的磁通密度的均匀性。实施方式所涉及的超导磁铁(1)具备：一对主线圈(2、2)，其呈环状；一对磁极(3、3)，配置于主线圈(2)的内周侧，分别具有沿主线圈(2)的轴线(C3)方向隔开对置的平面即对置面(3a、3a)；及一对校正线圈(4、4)，配置于一对磁极(3、3)之间。由此，因主线圈(2)产生的磁通密度通过由校正线圈(4)产生的磁通密度得到校正，且能够提高偏转电磁铁(20)内射束导管(14)内的磁通密度的均匀性。

Description

超导磁铁及带电粒子束治疗装置

技术领域

本申请主张基于2014年5月20日申请的日本专利申请第2014-104485号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种超导磁铁及带电粒子束治疗装置。

背景技术

例如，以往传输带电粒子束的射束传输线路中，在有带电粒子束通过的射束导管内通过偏转电磁铁产生磁场，由此使带电粒子束偏转。此时，为了使带电粒子束高精度偏转，需要将偏转电磁铁内射束导管内的磁通密度均匀化。其中，为了实现磁通密度的均匀化及电磁铁的小型化，专利文献1中公开有将超导磁铁用作射束传输线路的电磁铁的内容。

专利文献1：日本特开2011-72717号公报

然而，由于超导磁铁的磁动势较大，有时使配置于电磁铁内的磁极引起磁饱和。此时，磁极之间的磁通密度在电磁铁的中央位置附近尤为变大，且使均匀性下降。对此，能够考虑到例如通过在磁极的对置面设置凹凸形状来实现磁通密度的均匀化，但以该方法只能获得相对于特定大小的磁通密度的效果，一旦磁通密度的大小发生变化就无法维持均匀性。

发明内容

本发明是为了解决这种课题而做出的，其目的在于提供一种能够提高磁极之间的磁通密度的均匀性的超导磁铁及带电粒子束治疗装置。

为解决上述课题，本发明所涉及的超导磁铁具备：环状的主线圈；一对磁极，分别具有沿主线圈的轴线方向隔开对置的平面即对置面，且配置于主线圈的内周侧；及校正线圈，配置于一对磁极之间。

本发明所涉及的超导磁铁中，校正线圈配置于环状主线圈的内周侧的一对磁极之间。由此，基于主线圈的磁通密度通过基于校正线圈的磁通密度得到校正，且能够提高磁极之间的磁通密度的均匀性。即，通过将各磁极的对置面分别作为平面，在能够对应广泛的磁通密度的变化的状态下，能够提高磁极之间的磁通密度的均匀性。

并且，本发明所涉及的超导磁铁可以具备至少一对校正线圈。由此，能够进一步提高磁极之间的磁通密度的均匀性。

并且，本发明所涉及的超导磁铁中，在与电流的流动方向垂直的剖面，校正线圈的轴线方向的宽度可以比与校正线圈的轴线方向正交方向的宽度更窄。由此，能够将基于校正线圈的磁通密度集中在较窄的区域，因此能够有效地提高磁极之间的磁通密度的均匀性。

并且，本发明所涉及的超导磁铁中，还可以具备支承主线圈且支承校正线圈的支承部。由此，支承部能够支承校正线圈且加固主线圈，因此针对以将主线圈向外侧扩张的方式作用的扩张力，能够抑制主线圈的变形。

并且，本发明所涉及的带电粒子束治疗装置具有上述超导磁铁。由此，基于主线圈的磁通密度通过基于校正线圈的磁通密度得到校正，且能够提高磁极之间的磁通密度的均匀性。

并且，本发明所涉及的带电粒子束治疗装置具备使带电粒子束偏转的偏转电磁铁及扫描带电粒子束的扫描电磁铁，作为相比扫描电磁铁设置于带电粒子束的下游侧的偏转电磁铁可以使用上述超导磁铁。由此，即便将超导磁铁用作设置于扫描电磁铁的下游侧的偏转电磁铁，也能够提高偏转电磁铁的磁极之间的磁通密度的均匀性。

发明效果

根据本发明能够提高磁极之间的磁通密度的均匀性。

附图说明

图1为表示本发明所涉及的带电粒子束治疗装置的一实施方式的概要图。

图2为表示本发明所涉及的超导磁铁的一实施方式的概要图。

图3为表示射束导管内的磁通密度的概要图。

图4为表示支承部的平面形状的概要图。

图5为图4中V-V线剖面图。

图6为表示比较例所涉及的超导磁铁的概要图。

图7为表示比较例所涉及的超导磁铁引起磁饱和的状态的概要图。

符号说明

图中：1-超导磁铁，2-主线圈，3-磁极，3a-对置面，4-校正线圈，4a-剖面，5-支承部，20-偏转电磁铁，21-扫描电磁铁，100-带电粒子束治疗装置，C3-主线圈的轴线，C4-校正线圈的轴线。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施形态进行详细说明。另外，所谓“上游”、“下游”分别表示，所射出的带电粒子束的上游(加速器侧)及下游(患者侧)。

如图1所示，带电粒子束治疗装置100为用于通过放射线疗法进行癌症治疗等的装置，其具备：加速器11，加速带电粒子以射出带电粒子束；照射喷嘴12，将带电粒子束照射到被照射体；射束传输线路13，将从加速器11射出的带电粒子束传输至照射喷嘴12；降能器18，设置于射束传输线路13，且通过降低带电粒子束的能量来调整带电粒子束的射程；及多个电磁铁25，设置于照射喷嘴12及射束传输线路13。本实施方式中，作为加速器11采用回旋加速器，但并不限于此，也可以是产生带电粒子束的其他产生源，例如同步加速器、同步回旋加速器、直线加速器等。

带电粒子束治疗装置100中，对治疗台22上的患者P的肿瘤(被照射体)照射从加速器11射出的带电粒子束。带电粒子束通过将带有电荷的粒子高速加速而成，例如有质子束、重粒子(重离子)束等。本实施方式所涉及的带电粒子束治疗装置100通过所谓的扫描法照射带电粒子束，沿深度方向将被照射体虚拟分割(切分)，对于每个切分平面(层)层上的照射范围照射带电粒子束。

另外，作为基于扫描法的照射方式例如有点式扫描照射及光栅式扫描照射。点式扫描照射为，若对照射范围即一个点结束照射，则停止一次射束(带电粒子束)的照射，待做好对于下一点的照射准备之后再对下一个点进行照射的方式。而光栅式扫描照射为对于同一层的照射范围中途不中断照射而连续照射射束的方式。如此，光栅式扫描照射对同一层的照射范围连续地照射射束，因此不同于点式扫描照射，照射范围不是由多个点构成。

照射喷嘴12安装于能够绕治疗台22旋转360度的旋转机架23的内侧，通过旋转机架23能够移动到任意的旋转位置。照射喷嘴12中包含聚焦电磁铁19和射束导管28。

射束传输线路13具有供带电粒子束通过的射束导管14。射束导管14的内部保持真空状态，抑制构成传输中的带电粒子束的带电粒子因空气等散射。

并且，射束传输线路13具有：ESS(EnergySelectionSystem)15，从自加速器11射出的具有规定能量宽度的带电粒子束中选择性地取出比规定的能量宽度窄的能量宽度的带电粒子束；BTS(BeamTransportSystem)16，将具有通过ESS15选取的能量宽度的带电粒子束以保持能量的状态进行传输；及GTS(GantryTransportSystem)17，从BTS16朝向旋转机架23传输带电粒子束。

降能器18通过降低通过带电粒子束的能量来调整该带电粒子束的射程。患者P的身体表面到被照射体即肿瘤为止的深度，根据患者P有所不同，因此向患者P照射带电粒子束时，需要调整带电粒子束的到达深度即射程。降能器18通过调整以恒定能量从加速器11射出的带电粒子束的能量来调整带电粒子束适当到达位于患者P体内的规定深度的被照射体。对于每个被照射体切分的层，进行基于这种降能器18的带电粒子束的能量调整。

电磁铁25在射束传输线路13设有多个，将该带电粒子束调整为，能够通过磁场在射束传输线路13上传输带电粒子束。作为电磁铁25采用会聚传输中的带电粒子束的射束直径的聚焦电磁铁19、扫描带电粒子束的扫描电磁铁21及使由本实施方式所涉及的超导磁铁1构成的带电粒子束偏转的偏转电磁铁20(详细内容后述)。另外，以下有时不对聚焦电磁铁19、偏转电磁铁20及扫描电磁铁21进行区分，而记为电磁铁25。并且，至少在射束传输线路13中的降能器18的下游侧设有多个电磁铁25。而本实施方式中，电磁铁25还设置于降能器18的上游侧。在此，作为电磁铁25，在降能器18的上游侧也设置有聚焦电磁铁19，以便会聚通过降能器18调整能量之前的带电粒子束的射束直径。电磁铁25的总数可根据射束传输线路13的长度等灵活变更，例如10～40左右的数量。

扫描电磁铁21具有：X方向扫描电磁铁，在与带电粒子束的行进方向相交的面向X方向扫描带电粒子束；及Y方向扫描电磁铁，在与带电粒子束的行进方向相交的面向与X方向相交的Y方向扫描带电粒子束。并且，通过扫描电磁铁21扫描的带电粒子束向X方向和/或Y方向偏转，因此位于扫描电磁铁21的下游侧的射束导管14的直径放大至与下游侧相称。

降能器18及电磁铁25的射束传输线路13中的位置无特别限定。本实施方式中，ESS15中设有降能器18、聚焦电磁铁19及偏转电磁铁20，BTS16中设有聚焦电磁铁19，GTS17中设有聚焦电磁铁19、偏转电磁铁20及扫描电磁铁21。然而，扫描电磁铁21等的位置也可以是不同于图1的位置，例如扫描电磁铁21可以配置于照射喷嘴12的聚焦电磁铁19与射束导管28之间。另外，如上所述，降能器18设置于加速器11与旋转机架23之间即ESS15中，更详细而言，设置于ESS15中相比旋转机架23更靠加速器11侧(上游侧)。

接着，对由本实施方式所涉及的超导磁铁1构成的偏转电磁铁20进行详细说明。

参考图2及图3，对由本实施方式所涉及的超导磁铁1构成且使带电粒子束偏转的偏转电磁铁20进行说明。为加大磁动势，偏转电磁铁20由超导磁铁1构成。如图2所示，偏转电磁铁20具备：呈环状的一对主线圈2、2；一对磁极3、3，配置于主线圈2的内周侧；呈环状的一对校正线圈4、4，配置于一对磁极3、3之间；射束导管14，以通过偏转电磁铁20的方式设置于一对校正线圈4、4之间。并且，偏转电磁铁20具备支承主线圈2并且支承校正线圈4的支承部5(参考图4及图5)。校正线圈4配置成，校正线圈4的轴线C4朝向与主线圈2的轴线C3大致平行的方向。另外，主线圈2及校正线圈4的平面形状并无特别限定，例如可以是半圆形状等，因此轴线C3、C4自始至终表示仅限于图2所示的剖面的中心线。图2是以主线圈2的轴线C3与校正线圈4的轴线C4重合的方式绘制。主线圈2与校正线圈4配置于同一个低温容器(未图示)内。并且，主线圈2与校正线圈4通过磁极3与射束传输线路13之间，由此机械且热连接。一对磁极3、3分别具有沿主线圈2的轴线C3方向相隔对置的平面即对置面3a、3a。并且，一对磁极3、3与以包围主线圈2的方式形成的磁轭6形成为一体。偏转电磁铁20中，通过将一对磁极的对置面3a、3a之间的间隙的距离设长，以将后述的扁平的校正线圈4配置在间隙内。

主线圈2由超导线圈形成，尤其由适于高速退磁的高温超导线圈形成。高温超导线圈的临界温度较高，因此即便伴随高速退磁而发热也容易维持超导状态，所以适于高速退磁。若主线圈2通过电磁铁电源(未图示)获得供电，则在周围产生磁场。例如如箭头A1所示，通过主线圈产生的磁场形成从磁轭6经由一个磁极3而通过校正线圈4的内周侧及射束导管14进而再经由另一个磁极3返回到磁轭6的磁路。

校正线圈4的剖面呈扁平形状。即如图2所示，校正线圈4形成为，在与电流的流动方向垂直的剖面4a中，校正线圈4的轴线C4方向的宽度比与校正线圈4的轴线C4方向正交方向的宽度更窄。一个校正线圈4设置于射束导管14与一个磁极3之间。并且，另一个校正线圈4设置于射束导管14与另一个磁极3之间。校正线圈4、4配置于主线圈2、2的内周侧。本实施方式中，校正线圈4、4配置于与磁极3、3的对置面3a、3a对置的位置(即，从沿着轴线C3(或轴线C4)的方向观察时，校正线圈4的至少一部分与对置面3a重合的位置)。但是，只要能够校正基于主线圈2、2的磁通密度，校正线圈4、4的位置及大小并无特别限定。并且，校正线圈4与主线圈2同样由超导线圈形成，尤其由适于高速退磁的高温超导线圈形成。校正线圈4通过不同于向主线圈2供电的电磁铁电源(未图示)的另一电磁铁电源(未图示)获得供电，且在周围产生磁场。由于向主线圈2和校正线圈4供电的电磁铁电源不同，因此即便基于主线圈2的磁通密度的大小产生变化，也能够通过调整基于校正线圈4的磁通密度的大小，来维持偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的均匀性。

例如如箭头A2所示，通过校正线圈4产生的磁场在校正线圈4的周围形成磁路。如图3所示，通过基于校正线圈4的磁通密度再加上通过主线圈2产生的磁通密度来校正偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的分布。图3中，用实线表示通过主线圈2产生的磁通密度B1，用虚线表示通过校正线圈4产生的磁通密度B2，用双点划线表示通过磁通密度B2校正过的磁通密度B3。如图3所示，相比以四边形包围的范围中基于主线圈2的磁通密度B1的不均匀的宽度N1，以四边形包围的范围中通过基于校正线圈4的磁通密度B2进行校正后的磁通密度B3的不均匀的宽度N2变小。即，射束导管14中磁通密度得到校正后均匀性得到提高。另外，本实施方式中，校正线圈4的轴线C4方向与主线圈2的轴线C3方向大致平行，以电流成为逆旋转的方式向主线圈2及校正线圈4供电。由此，校正线圈4以消除基于主线圈2的磁通密度中因磁极3的磁饱和而尤为变大的主线圈2的轴线C3附近的磁通密度的方式，产生轴线C4附近的较窄范围内的磁通密度变大的磁场。

如图4及图5所示，支承部5由宽度沿着主线圈2及校正线圈4的长边方向变宽的板状部件5a及立设于板状部件5a以从外侧支承主线圈2及校正线圈4的剖面为L字形的线圈保持部件5b构成。板状部件5a设置为，沿短边方向跨域主线圈2的内周侧区域，并且沿短边方向跨越校正线圈4的内周侧区域。线圈保持部件5b从两侧保持与主线圈2所对置的位置，并且从两侧保持与校正线圈4对置的位置。

在此，参考图6及图7对比较例所涉及的偏转电磁铁30A、30B进行说明。比较例所涉及的偏转电磁铁30A被设为，由非超导磁铁即一般的电磁铁构成。偏转电磁铁30A具备：呈环状的一对主线圈32、32；一对磁极33、33，配置于主线圈32的内周侧；及射束导管14，以通过偏转电磁铁30A的方式设于一对磁极33、33之间。一对磁极33、33由强磁性体构成，且与以包围主线圈32的方式形成的磁轭36形成为一体。

偏转电磁铁30A例如适用于射束传输线路，所述射束传输线路适用于带电粒子束治疗装置的旋转机架。带电粒子束治疗装置的射束传输线路中，在扫描电磁铁的下游侧，为了使扫描的带电粒子束通过而将射束导管设大。其中，为了使带电粒子束高精度偏转，而需要使磁通密度在大型化的射束导管内也要均匀，为此需要设大偏转电磁铁。

已知，通过偏转电磁铁30A而使带电粒子束偏转时，从带电粒子束的偏转中心C1至轨道中心C2为止的距离与偏转电磁铁30A内射束导管14内的磁通密度的大小具有反比例关系。比较例所涉及的偏转电磁铁中，为了缩小电磁铁，需要将从带电粒子束的偏转中心C1至轨道中心C2为止的距离R1设小，为此只要将射束导管14内的磁通密度设大即可。因此，如图7所示，比较例所涉及的偏转电磁铁30B通过由超导磁铁构成，而能够将射束导管14内的磁通密度设大，且由此将从带电粒子束的偏转中心C1至轨道中心C2为止的距离R2设为小于R1。

然而，比较例所涉及的偏转电磁铁30B由于由超导磁铁构成，因此磁动势较大，有时使配置于主线圈32的内周侧的磁极33引起磁饱和。此时存在如下课题，即偏转电磁铁30内射束导管14内的磁通密度在主线圈32的轴线C3附近尤为变大而使均匀性下降。另外，图6及图7是以带电粒子束的轨道中心C2与主线圈32的轴线C3重合的方式绘制的。对此，例如可以考虑到通过在磁极3、3的对置面设置凹凸形状来实现磁通密度的均匀化，但以该方法只能获得相对于特定大小的磁通密度的效果。这种方法中存在如下问题，即在伴随带电粒子束的能量变化而使磁通密度改变时等，无法维持磁通密度的均匀性，针对广泛地磁通密度无法维持均匀性。

另一方面，采用本实施方式所涉及的超导磁铁1的偏转电磁铁20中，一对校正线圈4、4配置于环状主线圈2、2的内周侧的一对磁极3、3之间。由此，基于主线圈2、2的磁通密度通过基于校正线圈4、4的磁通密度而得到校正，由此能够提高磁极3、3之间的射束导管14内磁通密度的均匀性。即，通过将各磁极3、3的对置面3a、3a分别设为平面，能够以可对应广泛地磁通密度的变化的状态提高磁极3、3之间的磁通密度的均匀性。

并且，由超导磁铁1构成且使带电粒子束偏转的偏转电磁铁20具备至少一对校正线圈4。由此，能够进一步提高偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的均匀性。

并且，由超导磁铁1构成且使带电粒子束偏转的偏转电磁铁20中，校正线圈4的与电流流动的方向垂直的剖面4a中，校正线圈4的轴线C4方向的宽度比与校正线圈4的轴线C4方向正交的方向的宽度窄。由此，能够将通过校正线圈4产生的磁通密度集中在较窄的区域，因此能够有效地提高偏转电磁铁20内射束管路14内的磁通密度的均匀性。

并且，由超导磁铁1构成且使带电粒子束偏转的偏转电磁铁20还具备支承主线圈2并支承校正线圈4的支承部5。由此，支承部5能够支承校正线圈4并加固主线圈2，因此相对于以使主线圈2向外侧扩张的方式作用的扩张力，能够抑制主线圈2的变形。

并且，带电粒子束治疗装置100由上述超导磁铁1构成且具有使带电粒子束偏转的偏转电磁铁20。由此，通过主线圈2产生的磁通密度通过校正线圈4产生的磁通密度得到校正，由此能够提高带电粒子束治疗装置100的偏转电磁铁20内的射束导管14内的磁通密度的均匀性。

并且，带电粒子束治疗装置100具备使带电粒子束偏转的偏转电磁铁20及扫描带电粒子束的扫描电磁铁21，作为相比扫描电磁铁21设置于带电粒子束的下游侧的偏转电磁铁20使用上述超导磁铁1。由此，即便将超导磁铁1用作设置于扫描电磁铁21的下游侧的偏转电磁铁20，也能够提高偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的均匀性。

本发明并不限于上述实施方式。例如上述实施方式中，将超导磁铁1用于配置于带电粒子束治疗装置100的旋转机架23的偏转电磁铁20。然而，并不限于偏转电磁铁20，也可使用聚焦电磁铁19或扫描电磁铁21等其他电磁铁。并且，并不限于带电粒子束治疗装置100，例如也可以适用于具有回旋加速器等射束传输线路的装置。

并且，上述实施方式中，超导磁铁1分别具备一对主线圈2及校正线圈4。然而，也可以各具备1个主线圈2或校正线圈4，并且也可以具备更多的主线圈2或校正线圈4。假设分别具有1个主线圈2或校正线圈4，则能够进一步缩小超导磁铁1。另一方面，假设具备多于一对的主线圈2或校正线圈4，则能够进一步提高偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的均匀性。

并且，上述实施方式中，以在主线圈2及校正线圈4使电流逆旋转的方式获得供电，以便消除通过主线圈2产生的磁通密度尤为大的区域。然而，也可以在主线圈2及校正线圈4使电流向相同方向流动的方式供电，以便补充通过主线圈2产生的磁通密度尤为小的区域。此时，也能够提高偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的均匀性。

并且，上述实施方式中，支承部5构成为，包括宽度沿着主线圈2及校正线圈4的长边方向变宽的板状部件5a，但并不限于这种形状。即，支承部5也可以构成为，包括宽度沿着主线圈2及校正线圈4的长边方向变窄的棒状部件。图4及图5所示的例子中构成为，校正线圈4的内周侧的区域被支承部5堵住，但也可以构成为，支承部5不堵住校正线圈4的内周侧的区域。此时，支承部5也能够支承校正线圈4并加固主线圈2，因此针对以使主线圈2向外侧扩张的方式作用的扩张力能够抑制主线圈2的变形。

并且，形成主线圈2或校正线圈4的高温超导线圈也可以作为由带线材构成的扁平线圈。此时，能够抑制因高温超导线圈扭曲而引起的性能劣化。

并且，作为向校正线圈4供电的电磁铁电源可以具备多个电磁铁电源。或者，可以将校正线圈4的绕组密度设得不均匀。无论是上述何种情况，均能够使校正线圈4内的电流密度分布均匀，因此能够进一步提高偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的均匀性。

并且，可以在射束传输线路13配置测量磁通密度的元件，且向校正线圈4供电的电磁铁电源根据所测量的磁通密度，反馈控制向校正线圈4供电的电流値。此时，能够通过校正线圈4产生适当大小的磁通密度，因此能够进一步提高偏转电磁铁20内射束导管14内的磁通密度的均匀性。

Claims (6)

1.一种超导磁铁，其具备：

环状的主线圈；

一对磁极，分别具有沿所述主线圈的轴线方向隔开对置的平面即对置面，且配置于所述主线圈的内周侧；及

校正线圈，配置于一对所述磁极之间。

2.根据权利要求1所述的超导磁铁，其中，

该超导磁铁具备至少一对所述校正线圈。

3.根据权利要求1或2所述的超导磁铁，其中，

在与电流的流动方向垂直的剖面，所述校正线圈的轴线方向的宽度比与所述校正线圈的所述轴线方向正交方向的宽度更窄。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超导磁铁，其中，

该超导磁铁还具备支承部，其支承所述主线圈并支承所述校正线圈。

5.一种带电粒子束治疗装置，其中，

该带电粒子束治疗装置具有权利要求1至4中任一项所述的超导磁铁。

6.根据权利要求5所述的带电粒子束治疗装置，其具备，

偏转电磁铁，使带电粒子束偏转；及扫描电磁铁，扫描所述带电粒子束，

作为相比所述扫描电磁铁设置于所述带电粒子束的下游侧的所述偏转电磁铁使用所述超导磁铁。