CN114080256A - 扫描电磁铁及粒子束治疗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，使扫描电磁铁小型化，并且减小带电粒子束偏转的角度误差。本发明涉及使带电粒子束轨道偏转的扫描电磁铁。绕组(U)设置于在对置的位置设置的槽(SL1)以及槽(SL4)。当把导线的经过方向定义为构成绕组(U)的导线沿γ轴正方向经过槽(SL1)时，构成绕组(U)的导线沿γ轴负方向经过槽(SL4)。即，构成绕组(U)的导线围绕在槽(SL1)中朝向γ轴正方向，在槽(SL4)中朝向γ轴负方向的环路路径(SL1)－(SL2)。当配置在槽(SL1)的绕组区间(U+)中沿γ轴正方向流过电流时，配置在槽(SL4)的绕组区间(U﹣)中沿γ轴负方向流过电流。磁轭(10)、绕组(U)、绕组(V)以及绕组(W)相对于磁轭(10)的中心轴具有120°旋转对称构造。

Description

扫描电磁铁及粒子束治疗系统
技术领域
本发明涉及扫描电磁铁以及粒子束治疗系统，尤其涉及向患者照射的带电粒子束的扫描技术。
背景技术
广泛进行向患部照射质子束、碳离子束等带电粒子束的粒子束治疗。在进行粒子束治疗的粒子束治疗系统中，通过输送装置将基于带电粒子的带电粒子束输送到照射喷嘴，并从照射喷嘴照射患部，其中，上述带电粒子通过加速器加速至具有所需能量。
在粒子束治疗中，有时进行一边变更带电粒子束的照射位置一边向患部进行照射的扫描照射。在扫描照射中，通过变更带电粒子束的能量来变更带电粒子束的照射位置的深度。另外，通过产生横穿带电粒子束的方向的磁场来使带电粒子束偏转，从而变更与深度方向垂直的面内的照射位置。因此，加速器具备控制带电粒子束能量的装置，照射喷嘴具备用于产生横穿带电粒子束的磁场的扫描电磁铁。
在以下的专利文献1中记载了圆筒状的扫描电磁铁。在横穿圆筒状长度方向的XY平面中，产生X轴方向以及Y轴方向的磁场即二极磁场。另外，在专利文献2中记载了能够在XY平面内进行2个方向扫描的8极的扫描电磁铁。该扫描电磁铁具有在包围带电粒子束的周向上以等角度间隔配置的8个绕组。对置的一对绕组与同一电源串联连接，通过调整4对绕组中流过的电流来进行2个方向的扫描。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-206635号公报
专利文献2：美国专利第8378312号说明书
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1的扫描电磁铁产生一个方向的磁场。因此，为了在横穿粒子束的平面上沿2个方向扫描带电粒子束，需要级联配置在不同方向上产生磁场的2个扫描电磁铁，照射喷嘴变得很大。另外，下游侧扫描电磁铁需要形成包含由上游侧扫描电磁铁扫描的带电粒子束的轨道的磁场产生区域，因此比上游侧的扫描电磁铁大。
另一方面，在专利文献2的扫描电磁铁中，能够利用1个扫描电磁铁进行2个方向扫描。但是，由于包围带电粒子束的周向方向上的磁场分布不适当等，有时根据带电粒子束的照射位置，带电粒子束的偏转角度产生误差。
本发明的目的在于使扫描电磁铁小型化，并且减小带电粒子束的偏转角度的误差。
用于解决课题的手段
本发明的特征为具备多个绕组，该多个绕组分别具有沿着带电粒子束的轨道延伸的去路区间和回路区间，并且包围使所述带电粒子束通过的柱状空间，观察所述柱状空间的外周方向以预定的间隔配置了各个所述绕组中的去路区间和回路区间，在多个所述绕组中的1个绕组的去路区间与回路区间之间配置了其他所述绕组的去路区间或回路区间。
发明效果
根据本发明，能够使扫描电磁铁小型化，并且减小带电粒子束的偏转角度的误差。
附图说明
图1概念性地表示扫描电磁铁及带电粒子束。
图2示意性地表示扫描电磁铁的截面形状。
图3表示槽与该槽中配置的绕组区间的对应关系。
图4表示扫描电磁铁控制系统。
图5表示照射位置/励磁电流转换表。
图6表示扫描电磁铁控制系统。
图7表示扫描电磁铁控制系统。
图8表示磁通密度的分布。
图9表示粒子束治疗系统的整体结构。
图10表示粒子束扫描用照射喷嘴的结构。
图11表示患部的照射点。
图12表示扫描照射中的深度方向的剂量分布。
图13是照射时的流程图。
图14是扫描照射的时序图。
图15示意性地表示扫描电磁铁的截面形状。
图16表示槽与该槽中配置的绕组区间的对应关系。
图17表示槽与该槽中配置的绕组区间的对应关系。
图18示意性地表示扫描电磁铁的截面形状。
图19放大表示齿部的部分。
图20表示代替槽设置了轴向延伸的孔的构造。
图21是以经过中心轴的面切断扫描电磁铁时的剖视图。
图22示意性地表示扫描电磁铁的截面形状。
图23表示关于扫描电磁铁的模拟结果。
具体实施方式
以下，参照各附图对本发明实施方式的扫描电磁铁进行说明。对于多个附图所示的相同的事项标注相同的附图标记，并避免重复的说明。
在图1中与本发明第一实施方式的扫描电磁铁1一起概念性地表示了经过扫描电磁铁1的带电粒子束90。扫描电磁铁1为筒状，带电粒子束90经过被扫描电磁铁1包围的内部空间(柱状空间)。在扫描电磁铁1设置有多个绕组，通过流过各绕组的电流在内部空间产生磁场，从而带电粒子束偏转。如后所述，通过调整从多个绕组发出的磁场的方向和大小，调整带电粒子束的朝向。在以下的说明中，作为定量地表示磁场的物理量，使用磁通密度[T]。
在图1中，定义了以作为照射中心的等中心为原点的xy正交坐标系。将等中心所在的等中心面与带电粒子束90的轨道的交点定义为照射位置，照射位置由xy正交坐标中的坐标值(x，y)表示。从原点到照射位置的距离被定义为偏转量r，从原点朝向照射位置的方向相对于x轴的角度被定义为扫描角θ。通过扫描电磁铁1使带电粒子束90偏转的角度被定义为偏转角ψ。
另外，从扫描电磁铁1中的基准点到等中心面即xy平面的距离被定义为D。例如将扫描电磁铁1中的基准点确定为内部空间的重心。
在图2中示意性地表示了通过与轴向垂直的面将扫描电磁铁1切断，从带电粒子束90的轨道的上游侧观察时的截面形状。在图2中，带电粒子束90从上游侧朝向下游侧的朝向被定义为γ轴正方向，图2的左方向以及上方向分别被定义为α轴正方向以及β轴正方向。扫描电磁铁1由筒状的磁轭10、3系统的绕组U、绕组V以及绕组W构成。磁轭10由铁等磁性体形成。
在磁轭10的内壁面，按照槽SL1～SL6的顺序沿逆时针方向以60°间隔形成了向外侧凹陷且轴向(γ轴方向)延伸的6个槽SL1～SL6。在相邻的槽之间形成有齿部12。以槽SL1～槽SL6的最深部为基准，各齿部12具有向磁轭10内侧突出的形状。
以下说明中的绕组在γ轴正方向或γ轴负方向上经过槽这样的表述是为了便于说明绕组构造，并非限定在磁轭10配置绕组时的方法。例如，沿γ轴正方向经过第一槽，沿γ轴负方向经过第二槽的导线具有经过第一槽然后经过第二槽的环路构造。并非必须使导线经过第一槽并经过第二槽来制造该环状构造。
绕组U设置于在对置的位置设置的槽SL1和槽SL4。若将导线经过方向定义为构成绕组U的导线沿γ轴正方向经过槽SL1，则构成绕组U的导线沿γ轴负方向经过槽SL4。即，构成绕组U的导线围绕了在槽SL1中朝向γ轴正方向，在槽SL4中朝向γ轴负方向的环路路径SL1－SL4。
构成绕组U的导线可以仅1次经过槽SL1和槽SL4，也可以多次交替地经过槽SL1和槽SL4。即，构成绕组U的导线可以环绕环路路径SL1－SL4一圈，也可以环绕多圈。当配置在槽SL1的绕组区间U+中沿γ轴正方向流过电流时，配置在槽SL4的绕组区间U﹣中沿γ轴负方向流过电流。
绕组V设置于在对置的位置设置的槽SL3和槽SL6。若将导线经过方向定义为构成绕组V的导线沿γ轴正方向经过槽SL3，则构成绕组V的导线沿γ轴负方向经过槽SL6。即，构成绕组V的导线围绕了在槽SL3中朝向γ轴正方向，在槽SL6中朝向γ轴负方向的环路路径SL3－SL6。
构成绕组V的导线可以仅1次经过槽SL3和槽SL6，也可以多次交替地经过槽SL3和槽SL6。即，构成绕组V的导线可以环绕环路路径SL3－SL6一圈，也可以环绕多圈。当配置在槽SL3的绕组区间V+中沿γ轴正方向流过电流时，配置在槽SL6的绕组区间V﹣中沿γ轴负方向流过电流。
绕组W设置于在对置的位置设置的槽SL5和槽SL2。若将导线经过方向定义为构成绕组W的导线沿γ轴正方向经过槽SL5，则构成绕组W的导线沿γ轴负方向经过槽SL2。即，构成绕组W的导线围绕了在槽SL5中朝向γ轴正方向，在槽SL2中朝向γ轴负方向的环路路径SL5－SL2。
构成绕组W的导线可以仅1次经过槽SL5和槽SL2，也可以多次交替地经过槽SL5和槽SL2。即，构成绕组W的导线可以环绕环路路径SL5－SL2一圈，也可以环绕多圈。当配置在槽SL5的绕组区间W+中沿γ轴正方向流过电流时，配置在槽SL2的绕组区间W﹣中沿γ轴负方向流过电流。
在图3中表示了在槽SL1～SL6中分别配置了绕组区间U+、U﹣、V+、V﹣、W+以及W﹣中的哪一个。“(1)”～“(6)”的附图标记分别表示槽SL1～槽SL6。如图3所示，在槽SL1～SL6分别配置了绕组区间U+、W﹣、V+、U﹣、W+以及V﹣。
在以下的说明中，将绕组U的两端中的在绕组区间U+流过γ轴正方向的电流时电流流入的一端定义为始端，将电流流出的另一端定义为末端。另外，将绕组V的两端中的在绕组区间V+流过γ轴正方向的电流时电流流入的一端定义为始端，将电流流出的另一端定义为末端。并且，将绕组W的两端中的在绕组区间W+流过γ轴正方向的电流时电流流入的一端定义为始端，将电流流出的另一端定义为末端。
另外，将从始端流入电流时沿γ轴正方向流过电流的绕组区间U+、V+以及W+定义为去路区间。并且，将从始端流入电流时沿γ轴负方向流过电流的绕组区间U﹣、V﹣以及W﹣定义为回路区间。即，在槽SL1、SL3及SL5中分别配置了绕组U、V及W的去路区间，在槽SL2、SL4及SL6中分别配置了绕组U、V及W的回路区间。
在扫描电磁铁1的端部，以对带电粒子束90的轨道造成的影响小且不与其他绕组发生干扰的方式配置将各绕组的去路区间与回路区间之间连结的绕组端部导线。
“去路区间”以及“回路区间”的用词是为了便于说明绕组构造，并不限定各绕组中流动的电流的方向。流过各绕组的电流由后述扫描电磁铁控制装置控制。
这样，绕组U、绕组V及绕组W分别具备沿着扫描电磁铁1的轴向(γ轴方向)，即沿着带电粒子束的轨道延伸的去路区间及回路区间。在观察由磁轭10包围的柱状空间的外周方向时，隔开180°配置了各绕组所具备的去路区间以及回路区间。在绕组U、绕组V和绕组W中的1个绕组的去路区间与回路区间之间配置有其他一个绕组的去路区间以及另一个绕组的回路区间。
磁轭10、绕组U、绕组V以及绕组W相对于磁轭10的中心轴具有120°旋转对称构造。即，绕组U、绕组V以及绕组W具有以磁轭10所包围的柱状空间的轴为中心的120°旋转对称构造。
通过在绕组U、绕组V以及绕组W中分别流过由以下(数式1)～(数式3)表示的直流励磁电流Iu＝Iu*、Iv＝Iv*以及Iw＝Iw*，在磁轭10的内部空间中产生使带电粒子束90向由扫描角θ、偏转角ψ(I)表示的方向偏转的磁通密度BL(I)。
(数式1)Iu*＝I·sinθ
(数式2)Iv*＝I·sin(θ﹣2π/3)
(数式3)Iw*＝I·sin(θ﹣4π/3)
(数式1)～(数式3)是将扫描角θ作为角度变量，在角度变量轴上相互偏移了120°的3个正弦函数。磁通密度BL(I)是与γ轴垂直的磁通密度，通过与电流系数I相对的增加函数来表示。即，电流系数I越增加，磁通密度BL(I)越大。关于(数式1)～(数式3)，也可以代替正弦函数用余弦函数来表现。另外，关于(数式1)～(数式3)，也可以通过将正弦函数或余弦函数在角度变量轴上移动了一定值的函数来表现。
若将带电粒子束90的磁刚性率设为Bρ，则偏转角ψ(I)如(数式4)那样表示。
(数式4)ψ(I)＝arctan[BL(I)/Bρ]≈BL(I)/Bρ
因此，关于偏转量r，使用从扫描电磁铁1的基准点到等中心面的距离D如(数式5)那样表示。
(数式5)r＝D·tan[ψ(I)]＝D·BL(I)/Bρ
因此，扫描电磁铁控制装置执行如下控制处理。即，扫描电磁铁控制装置通过指定偏转角ψ及扫描角θ，求出应该分别流过绕组U、V及W的励磁电流的目标值Iu*、Iv*及Iw*。
扫描电磁铁控制装置控制绕组U、绕组V及绕组W的驱动电路，以使流过绕组U、绕组V及绕组W的励磁电流Iu、Iv及Iw接近励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*或者与励磁电流目标值一致。由此，带电粒子束90朝向通过偏转角ψ以及扫描角θ确定的方向。
图4表示了扫描电磁铁控制系统2。扫描电磁铁控制系统2具备直流电源26、绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V、绕组W驱动电路24W、扫描电磁铁控制装置22以及指令转换装置20。扫描电磁铁1的绕组U、绕组V及绕组W各自的末端与中性点g连接。中性点g与接地导体连接。
直流电源26的负极端子与接地导体连接，正极端子与绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V以及绕组W驱动电路24W连接。绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V以及绕组W驱动电路24W分别与绕组U的始端、绕组V的始端以及绕组W的始端连接。绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V以及绕组W驱动电路24W分别与接地导体连接。
扫描电磁铁控制装置22及指令转换装置20可以由处理器构成。扫描电磁铁控制装置22还可以具备数字电路。构成扫描电磁铁控制装置22的处理器通过执行在扫描电磁铁控制系统2所具备的存储器中存储的程序或从外部读入的程序来控制数字电路。通过数字电路来控制绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V以及绕组W驱动电路24W。
指令转换装置20可以存储图5所示的照射位置/励磁电流转换表。照射位置/励磁电流转换表是将照射位置的xy坐标值(X，Y)与励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*对应起来的表。在图5中表示了在x轴方向上确定了p个，在y轴方向上确定了q个的照射位置(X1，X1)、…(Xp，X1)、…(Xp，Xq)的表。
即，表示了对于各照射位置，作为励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*，对应有(Iu_11、Iv_11、Iw_11)、…(Iu_p1、Iv_p1、Iw_p1)、…(Iu_pq、Iv_pq、Iw_pq)的例子。
通过执行以下的(i)～(iv)的工序来预先求出照射位置/励磁电流表。(i)将xy坐标值(X，Y)变换为rθ坐标值(r，θ)的工序；(ii)基于偏转量r求出偏转角ψ(I)，并且求出电流系数I的工序；(iii)将电流系数I及扫描角θ应用于(数式1)～(数式3)，求出励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*的工序；(iv)将xy坐标值(X，Y)与励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*对应起来的工序。
指令转换装置20参照照射位置/励磁电流转换表，求出与照射位置的xy坐标值(X，Y)对应的励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*，并输出到扫描电磁铁控制装置22。扫描电磁铁控制装置22控制绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V及绕组W驱动电路24W，以使励磁电流Iu、Iv及Iw分别接近励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*或者与励磁电流目标值一致。
绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V以及绕组W驱动电路24W按照扫描电磁铁控制装置22的控制，基于从直流电源26输出的电力，使绕组U、绕组V以及绕组W中流过励磁电流。
指令转换装置20也可以不根据照射位置/励磁电流转换表，而是通过运算处理来求出励磁电流目标值Iu*、Iv*以及Iw*。在该情况下，指令转换装置20通过处理器的运算处理来执行上述工序(i)～(iii)，求出励磁电流目标值Iu*、Iv*以及Iw*。
在图4中，表示了绕组U、绕组V以及绕组W的末端与接地导体连接，并且，直流电源26、绕组U驱动电路24U、绕组V驱动电路24V以及绕组W驱动电路24W也与接地导体连接的实施方式。绕组U、绕组V以及绕组W的末端也可以不与接地导体连接。在图6中表示了绕组U、绕组V以及绕组W的末端不与接地导体连接时的扫描电磁铁控制系统2A。
扫描电磁铁控制系统2A具备直流电源26、驱动电路30、扫描电磁铁控制装置22及指令转换装置20。直流电源26的两端与驱动电路30连接。驱动电路30与绕组U的始端、绕组V的始端以及绕组W的始端连接。
扫描电磁铁控制装置22控制驱动电路30，以使流过绕组U的励磁电流Iu、流过绕组V的励磁电流Iv以及流过绕组W的励磁电流Iw分别接近励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*或者与励磁电流目标值一致。驱动电路30按照扫描电磁铁控制装置22的控制，基于从直流电源26输出的电力，使绕组U、绕组V以及绕组W中流过励磁电流。
在图4以及图6中，表示了将绕组U、绕组V以及绕组W的末端共同连接，将绕组U、绕组V以及绕组W进行了星形接线的结构。也可以将绕组U、绕组V以及绕组W进行三角形接线。在三角形接线中，绕组U的末端与绕组V的始端连接，绕组V的末端与绕组W的始端连接，并且，绕组W的末端与绕组U的始端连接。星形接线的绕组U的始端、绕组V的始端以及绕组W的始端在三角形接线中分别对应于绕组W和绕组U的连接点、绕组U和绕组V的连接点、以及绕组V和绕组W的连接点。
绕组U、绕组V以及绕组W各自的末端也可以不与中性点g连接。此时的扫描电磁铁控制系统2B如图7所示。绕组U的两端、绕组V的两端以及绕组W的两端分别与绕组U驱动电路28U、绕组V驱动电路28V以及绕组W驱动电路28W连接。绕组U驱动电路28U、绕组V驱动电路28V以及绕组W驱动电路28W按照扫描电磁铁控制装置22的控制，分别调整在绕组U、绕组V以及绕组W中流过的电流。
这样，本实施方式的扫描电磁铁1分别具有沿着带电粒子束的轨道延伸的去路区间及回路区间，并具备将带电粒子束经过的柱状空间包围的绕组U、绕组V及绕组W。各绕组(U、V、W)中的去路区间和回路区间配置为从柱状空间的外周方向观察时隔开预定间隔(在上述实施方式中为180°)。在绕组U、绕组V及绕组W中的1个绕组的去路区间与回路区间之间配置有其他绕组的去路区间或回路区间。
在将各绕组(U、V、W)设为这样的分布卷绕结构的基础上，在绕组U、绕组V以及绕组W中分别流过上述(数式1)～(数式3)表示的直流励磁电流，由此在柱状空间产生的磁动势的分布如下。即，当以柱状空间的外周方向为横轴，磁动势为纵轴时，磁动势的分布成为近似于正弦波的分布。
由此，在横穿磁力线的方向上观测时的磁通密度的平坦度提高。在此，例如将平坦度定义为在横穿磁力线的方向上观测时的磁通密度的变动在预定范围内的范围宽度。在柱状空间为圆柱形的情况下，平坦度可以定义为与磁力线垂直的径向上的磁通密度的变动在预定范围内的范围(朝向径向的长度)。通过提高磁通密度的平坦度，可抑制带电粒子束经过了扫描电磁铁后的射束宽度的变化。
另外，对于所有的扫描角θ，磁动势在周向上的分布成为近似于正弦波的分布，因此可抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化。由此，可抑制由扫描角θ的不同引起的带电粒子束的偏转角以及偏转量的偏差。
指令转换装置20也可以向扫描电磁铁控制装置22输出按照以下(数式6)～(数式8)的励磁电流目标值Iu*_O、Iv*_O以及Iw*_O。励磁电流目标值Iu*_O、Iv*_O及Iw*_O是对(数式1)～(数式3)表示的励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*分别加上补偿值ΔIu、ΔIv以及ΔIw而得到的值。补偿值ΔIu、ΔIv以及ΔIw可以是以扫描角θ为变量的函数。通过实验、模拟等来决定补偿值，以提高由扫描电磁铁1包围的内部空间中的磁通密度的平坦度。
(数式6)Iu*_O＝I·sinθ+ΔIu
(数式7)Iv*_O＝I·sin(θ﹣2π/3)+ΔIv
(数式8)Iw*_O＝I·sin(θ﹣4π/3)+ΔIw
通过使流过绕组U、绕组V以及绕组W的励磁电流接近加上了补偿值的励磁电流目标值或者与该励磁电流目标值一致，从而扫描电磁铁1的内部空间中的磁通密度的平坦度提高，并且抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化。在图8中表示了相对于扫描角θ＝0°，将补偿值ΔIu设定为具有电流系数I的2.5％大小的负值时，即ΔIu＝﹣0.025I时的磁通密度的分布。
横轴表示在径向上横穿磁轭10中心轴的直线上的位置。纵轴表示将某个基准值设为100％时的磁通密度的标准化值。圆圈标记表示将补偿值ΔIu、ΔIv及ΔIw均设为0时的磁通密度。菱形标记表示将补偿值ΔIu设为﹣0.025I，将补偿值ΔIv和ΔIw均设为0时的磁通密度。箭头102及104表示磁通密度的变动为±0.1％以内的平坦区域，该平坦区域的长度表示平坦度。在图8中，与将各补偿值设为0时相比，确认将补偿值ΔIu设为﹣0.025I时的平坦区域长，平坦度良好。
如此，如(数式1)～(数式3)所示，针对绕组U、绕组V以及绕组W的励磁电流目标值可以是以扫描角θ为角度变量的三角函数。另外，如(数式6)～(数式8)所示，也可以是对以扫描角θ为角度变量的三角函数加上了补偿值而得到的周期函数。并且，针对各绕组的励磁电流目标值可以是以扫描电磁铁1内部空间中的磁通密度的平坦度提高，并且抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化的方式定义的以扫描角θ为角度变量的一般的周期函数。
扫描电磁铁1也可以具备4个以上的多个(N个)绕组。多个(N个)绕组分别具有沿着带电粒子束的轨道延伸的去路区间和回路区间，包围使带电粒子束经过的柱状空间。各绕组中的去路区间及回路区间在观察柱状空间的外周方向时隔开预定间隔来配置。在多个绕组中的1个绕组的去路区间与回路区间之间配置有其他绕组的去路区间或回路区间。
在将多个绕组设为这样的分布卷绕构造的基础上，使多个(N个)绕组中流动的电流接近由以下(数式9)表示的励磁电流目标值或者与该励磁电流目标值一致，由此在柱状空间中产生使带电粒子束向通过扫描角θ、偏转角ψ(I)表示的方向偏转的磁通密度。多个绕组的分布卷绕构造可以应用交流电动机或交流发电机的定子绕组的分布卷绕构造。
在设置有N个绕组C0～CN-1的情况下，指令转换装置20通过指定偏转角ψ和扫描角θ，求出针对各个绕组C0～CN-1的励磁电流目标值I1 *～IN-1 *，并输出到扫描电磁铁控制装置22。直流电流目标值Ik *(k为0～N﹣1中的任意一个整数)是按照(数式9)求出的值。
(数式9)Ik*＝I·sin(θ﹣k·2π/N)
扫描电磁铁控制装置22控制绕组C0～CN-1的驱动电路，以使流过绕组Ck的励磁电流接近励磁电流目标值Ik *或者与该励磁电流目标值Ik *一致。由此，带电粒子束朝向通过偏转角ψ和扫描角θ确定的方向。对于(数式9)，可以加上对于各绕组Ck的补偿值ΔIk。补偿值ΔIk可以是以扫描角θ为变量的函数。
另外，针对各绕组的励磁电流目标值可以是以扫描电磁铁1内部空间中的磁通密度的平坦度提高，并且抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化的方式定义的以扫描角θ为角度变量的一般的周期函数。
若将内部空间的外周方向设为横轴，将磁动势设为纵轴，则根据与具备3个绕组时相同的原理，周向上磁动势的分布成为近似于正弦波的分布。因此，在横穿磁力线的方向上观察时的磁通密度的平坦度提高。另外，相对于所有的扫描角θ，磁动势在周向上的分布成为近似于正弦波的分布，因此可抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化，并且可抑制由扫描角θ的不同导致的带电粒子束的偏转角以及偏转量的偏差。
接着，对使用了扫描电磁铁1的粒子束治疗系统进行说明。在图9中表示了粒子束治疗系统3的整体结构。粒子束治疗系统3是从照射喷嘴50对患者52的患部照射放射线的系统。粒子束治疗系统3具备：加速器40，其对带电粒子束进行加速；射束输送装置46，其将加速后的带电粒子束输送至照射喷嘴50；照射喷嘴50，其向患部照射带电粒子束；以及治疗台54。
另外，粒子束治疗系统3还具备整体控制装置32、加速器/射束输送系统控制装置34、照射喷嘴控制装置36以及显示器38。照射喷嘴控制装置36包含上述指令转换装置20。
整体控制装置32、加速器/射束输送系统控制装置34及照射喷嘴控制装置36可以由处理器构成。构成整体控制装置32、加速器/射束输送系统控制装置34以及照射喷嘴控制装置36的处理器通过执行在粒子束治疗系统3所具备的存储器中存储的程序或者从外部读入的程序，来执行对控制对象装置进行控制的处理。
加速器40具备入射器42和同步加速器44。通过加速器40加速至光速的6成～7成左右，取出的带电粒子束通过配置在射束输送装置46的偏转电磁铁48一边在真空中偏转一边被输送至照射喷嘴50。通过照射喷嘴50将带电粒子束90整形为与照射区域的形状一致，向照射对象进行照射。照射对象例如是躺在治疗台54上的患者52的患部。
接着，参照图10～图12对照射喷嘴50及其周边装置进行详细说明。图10表示了粒子束扫描用照射喷嘴50的结构。图11表示了对患部60进行扫描照射时的带电粒子束90、以相同的能量进行照射的层80以及照射点82。图12中表示对患部60进行扫描照射时的深度方向的剂量分布。
在照射喷嘴50，在相对于带电粒子束90的经过方向垂直的二维平面内扫描带电粒子束90。向患部60照射由扫描电磁铁1扫描的带电粒子束90。
剂量监视器62为了运算向各照射点82照射的带电粒子束90的剂量，收集由于带电粒子束90的经过而产生的电子。将剂量监视器62的检测信号(收集电子而得到的脉冲信号)输出到剂量监视器控制装置70。
剂量监视器控制装置70以及位置监视器控制装置72可以由处理器构成。构成剂量监视器控制装置70以及位置监视器控制装置72的处理器通过执行在粒子束治疗系统3所具备的存储器中存储的程序或者从外部读入的程序，来执行对各个控制对象装置进行控制的处理。
剂量监视器控制装置70基于从剂量监视器62输出的检测信号来运算向各照射点82照射的照射量，并将运算出的照射量输出至照射喷嘴控制装置36。
位置监视器64为了运算各照射点82的位置(例如重心的位置)，收集因带电粒子束90的经过而产生的电子。将位置监视器64的检测信号(收集电子而得到的脉冲信号)输出到位置监视器控制装置72。
位置监视器控制装置72基于从位置监视器64输出的检测信号对各照射点82的剂量进行计数，将运算出的计数值输出到照射喷嘴控制装置36。
照射喷嘴控制装置36基于从位置监视器控制装置72输出的信号求出带电粒子束90的经过位置，根据求出的经过位置数据进行照射点82的位置以及宽度的运算，确认带电粒子束90的照射位置。并且，照射喷嘴控制装置36根据从剂量监视器控制装置70输出的检测信号进行带电粒子束90的照射控制。
脊形过滤器66在需要使布拉格峰变宽的情况下使用。另外，射程移位器(rangeshifter)68可以在调整带电粒子束90的到达位置时插入。
在扫描照射中，在治疗计划装置(省略图示)中预先计算用于以均匀的剂量照射患部60的各照射点82的位置以及针对各照射点82的目标照射量。
如图11所示，在扫描照射中，患部60被分割为多个层80，在1个层80内配置1个以上的照射点82。在各层80内，以相同能量的带电粒子束90依次对照射点82进行照射。
当带电粒子束90的能量变化时，带电粒子束90的到达位置变化。即，带电粒子束90的能量越高，到达体内越深的位置。因此，为了变更带电粒子束90的行进方向、即患部60的深度方向的照射位置，变更带电粒子束90的能量。
在扫描照射中，进行由SOBP(Spread Out Bragg Peak)表示的照射。SOBP是通过对具有不同能量的多个带电粒子束适当地分配照射剂量，使向深度方向的剂量变得均匀的分布。在图12中，作为向患部深度方向的剂量分布表示了SOBP。通过对具有不同能量的多个带电粒子束分别适当地分配照射剂量，对于各能量进行由各布拉格曲线84表示的照射，向患部深度方向的剂量分布成为SOBP。即，使与各能量对应的布拉格曲线84重合，如图12所示，在深度方向上进行由均匀的剂量分布表示的照射。
图13表示照射时的流程图。将在治疗计划装置中预先制作的每个患者的治疗计划数据从治疗计划装置发送到OIS(Oncology Information System)，并保存在OIS中。将治疗计划数据从OIS发送到图9所示的粒子束治疗系统3的整体控制装置32。整体控制装置32可以将表示粒子束治疗系统3的动作状态等的信息显示在显示器38。在步骤S101中，整体控制装置32取得从OIS发送的治疗计划数据。
在步骤S102中，整体控制装置32基于治疗计划数据来设定用于对治疗台54、加速器/射束输送系统控制装置34以及照射喷嘴控制装置36进行控制的设备参数。整体控制装置32基于设备参数来控制治疗台54、加速器/射束输送系统控制装置34以及照射喷嘴控制装置36。
例如，整体控制装置32将表示各照射点的能量、照射位置的坐标值(X，Y)、照射量等的数据作为设备参数发送到照射喷嘴控制装置36。照射喷嘴控制装置36中的指令转换装置20将照射位置的坐标值(X，Y)转换为励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*，并将各励磁电流目标值发送至扫描电磁铁控制装置22。
在步骤S103中，加速器/射束输送系统控制装置34以及照射喷嘴控制装置36按照整体控制装置32的控制，来控制加速器40、射束输送装置46以及照射喷嘴50。由此，向第i层的第j个照射点照射带电粒子束90(S103)。
在此，i为1～K的整数，用于确定对患部60设定的层。j为1～M(K)的整数，用于确定第i层的照射点。在最初的照射中，i＝1，j＝1。整数M(K)用于确定最后层中的最后照射点。在每次对各照射点照射带电粒子束时，治疗台54按照整体控制装置32的控制，将患者52的位置和姿势设定为适当位置。
整体控制装置32在步骤S104中判定对于患部60的层中的最后照射点的照射是否完成，在判定为未完成的情况下，使j增加1后返回到步骤S103的控制。整体控制装置32当在步骤S104中判定为患部60的层中的最后照射点的照射完成时，在步骤S105中判定对于最后层的照射是否完成。整体控制装置32在判定为对于最后层的照射未完成时，使i增加1变更能量，返回步骤S103来进行下一层照射。整体控制装置32在判定为对于最后层的照射完成时，结束照射控制(S106)。
在图14的(a)～(f)中概念性地表示了扫描照射的时序图。在此，表示了向照射点A到照射点C的3个照射点照射带电粒子束的例子。如图14的(a)所示，在对于照射点A的照射中，在时刻t1～t2从加速器/射束输送系统控制装置34向加速器40输出出射定时信号，对加速器40进行应该释放带电粒子束的指令。
在对于照射点B的照射中，在时刻t3～t4，从加速器/射束输送系统控制装置34向加速器40输出出射定时信号，对加速器40进行应该释放带电粒子束的指令，在对于照射点C的照射中，在时刻t5～t6，从加速器/射束输送系统控制装置34向加速器40输出出射定时信号，对加速器40进行应该释放带电粒子束的指令。这样，加速器/射束输送系统控制装置34向加速器40输出指令，使得通过具有预定强度的带电粒子束90照射患部。
通过同样的处理来进行对照射点A至照射点C的照射，因此在此叙述对照射点A的照射。如图14的(b)所示，在时刻t1出射定时信号上升后，带电粒子束的强度增加，在从时刻t1经过了时间τ1的时刻ta，带电粒子束的强度达到最大值。在时刻t2出射定时信号下降后，带电粒子束的强度减少，在从时刻t2经过了时间τ2的时刻tb，带电粒子束的强度成为0。
如图14的(c)所示，当在时刻t1开始了带电粒子束90的照射时，照射喷嘴50中的剂量监视器62将电离输出转换为作为检测信号的脉冲信号并输出至剂量监视器控制装置70。如图14的(d)所示，伴随带电粒子束的照射，由剂量监视器控制装置70计数得到的脉冲计数值增加，当在时刻tc脉冲计数值达到预定值时，剂量监视器控制装置70向照射喷嘴控制装置36发送已满信号。由此，照射喷嘴控制装置36停止向照射点照射带电粒子束。
如图14的(e)所示，在通过带电粒子束照射照射点A的期间，与剂量监视器62同样地，位置监视器64也将电离输出转换为作为检测信号的脉冲信号并输出到位置监视器控制装置72。当照射点A的照射结束时，位置监视器控制装置72将照射点－照射量的脉冲计数值输出到照射喷嘴控制装置36。照射喷嘴控制装置36基于从位置监视器控制装置72输出的计数值，运算照射点的位置以及宽度，判定带电粒子束90是否照射到预定位置。在判定结果是照射点位置或宽度的偏差超过预定值时，停止对照射点照射带电粒子束。
根据剂量监视器控制装置70输出的已满信号，照射喷嘴控制装置36中的指令转换装置20求出与下一个照射位置对应的励磁电流目标值Iu*、Iv*以及Iw*，并发送给扫描电磁铁控制装置22。扫描电磁铁控制装置22使用励磁电流目标值Iu*、Iv*及Iw*来控制流过绕组U、绕组V及绕组W的励磁电流。
在图14的(f)中表示了在绕组U、绕组V以及绕组W中流过的励磁电流的变化。从出射定时信号已上升的时刻t1到开始下降的时刻tc为止的期间，励磁电流恒定。在该时间段中，照射位置的xy坐标值(X，Y)恒定。从时刻tc到针对向下一个照射点B的照射出射定时信号上升的时刻t3为止的期间，励磁电流值向下一个励磁电流目标值接近，并达到励磁电流目标值。在该时间段内，照射位置的xy坐标值(X，Y)发生变化。
在此，叙述了带电粒子束对照射点A的照射，但带电粒子束对照射点B以及照射点C的照射也通过同样的处理进行。
接着，说明本实施方式的扫描电磁铁1的效果。扫描电磁铁1二维地扫描带电粒子束90，因此与使用2台沿一个方向扫描带电粒子束的扫描电磁铁的情况相比，照射喷嘴50变得小型化。另外，通过将扫描电磁铁1配置在更上游，与使用2台沿一个方向扫描带电粒子束的扫描电磁铁的情况相比，带电粒子束的扫描变得迅速，照射场扩大。并且，将用于得到某一定偏转量的扫描电磁铁1小型化，所以流过各绕组的励磁电流变小。由此，用于控制各绕组中流过的电流的驱动电路变得小型化。
参照图15～图17对本发明第二实施方式的扫描电磁铁4进行说明。图15中示意性地表示从带电粒子束轨道的上游侧观察扫描电磁铁4时的截面形状。在图16中，通过与图3相同的附图标记，针对各槽的外侧以及内侧分别表示了在槽SL1～SL12中分别配置了绕组区间U+、U﹣、V+、V﹣、W+以及W﹣中的哪一个。
在磁轭10的内壁面，按照槽SL1～SL12的顺序，沿逆时针方向以30°间隔形成了向外侧凹陷并沿轴向延伸的12个槽SL1～SL12。在相邻的槽之间形成了齿部12。以槽SL1～槽SL12的最深部为基准，各齿部12具有向磁轭10的内侧突出的形状。
绕组U设置在槽SL1和槽SL2各自的外侧以及内侧、与槽SL1和槽SL2对置的槽SL7和SL8各自的外侧以及内侧。若将导线的经过方向定义为构成绕组U的导线沿γ轴正方向经过槽SL1和槽SL2，则构成绕组U的导线沿γ轴负方向经过槽SL7和槽SL8。
更详细而言，构成绕组U的导线围绕在槽SL1的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL7的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL1(in)－SL7(out)。另外，构成绕组U的导线围绕在槽SL1的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL7的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL1(out)－SL7(in)。并且，构成绕组U的导线围绕在槽SL2的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL8的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL2(in)－SL8(out)的外侧。另外，构成绕组U的导线围绕在槽SL2的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL8的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL2(out)－SL8(in)。当配置在槽SL1以及槽SL2的绕组区间U+中沿γ轴正方向流过电流时，配置在槽SL7以及槽SL8的绕组区间U﹣中沿γ轴负方向流过电流。
当在作为去路区间的绕组区间U+中沿γ轴正方向流过电流时，在作为回路区间的绕组区间U﹣中沿γ轴负方向流过电流这样的电流极性条件下，可以通过所有方式配置构成绕组U的导线。即，在这样的电流极性条件下，构成绕组U的导线可以按所有的顺序经过槽SL1、槽SL2、槽SL7以及槽SL8各自的内侧以及外侧。
绕组V设置在槽SL5以及槽SL6各自的外侧和内侧、与槽SL5和槽SL6对置的槽SL11和SL12各自的外侧以及内侧。若将导线的经过方向定义为构成绕组V的导线沿γ轴正方向经过槽SL5和槽SL6，则构成绕组V的导线沿γ轴负方向经过槽SL11和槽SL12。
更详细而言，构成绕组V的导线围绕在槽SL5的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL11的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL5(in)－SL11(out)。另外，构成绕组V的导线围绕在槽SL5的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL11的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL5(out)－SL11(in)。并且，构成绕组V的导线围绕在槽SL6的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL12的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL6(in)－SL12(out)。另外，构成绕组V的导线围绕在槽SL6的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL12的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL6(out)－SL12(in)。当配置在槽SL5以及槽SL6的绕组区间V+中沿γ轴正方向流过电流时，配置在槽SL11以及槽SL12的绕组区间V﹣中沿γ轴负方向流过电流。
当在作为去路区间的绕组区间V+中沿γ轴正方向流过电流时，在作为回路区间的绕组区间V﹣中沿γ轴负方向流过电流这样的电流极性条件下，可以通过所有方式配置构成绕组V的导线。即，在这样的电流极性条件下，构成绕组V的导线可以按所有的顺序经过槽SL5、槽SL6、槽SL11以及槽SL12各自的内侧以及外侧。
绕组W设置在槽SL3和槽SL4各自的外侧以及内侧、与槽SL3以及槽SL4对置的槽SL9和SL10各自的外侧以及内侧。若将导线的经过方向定义为构成绕组W的导线沿γ轴正方向经过槽SL9和槽SL10，则构成绕组W的导线沿γ轴负方向经过槽SL3和槽SL4。
更详细而言，构成绕组W的导线围绕在槽SL10的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL4的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL10(in)－SL4(out)。另外，构成绕组W的导线围绕在槽SL10的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL4的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL10(out)－SL4(in)。并且，构成绕组W的导线围绕在槽SL9的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL3的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL9(in)－SL3(out)。另外，构成绕组W的导线围绕在槽SL9的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL3的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL9(out)－SL3(in)。当配置在槽SL9以及槽SL10的绕组区间W+中沿γ轴正方向流过电流时，配置在槽SL3以及槽SL4的绕组区间W﹣中沿γ轴负方向流过电流。
当在作为去路区间的绕组区间W+中沿γ轴正方向流过电流时，在作为回路区间的绕组区间W﹣中沿γ轴负方向流过电流这样的电流极性条件下，可以通过所有方式配置构成绕组W的导线。即，在这样的电流极性条件下，构成绕组W的导线可以按所有的顺序经过槽SL3、槽SL4、槽SL9以及槽SL10各自的内侧以及外侧。
这样，磁轭10、绕组U、绕组V以及绕组W相对于磁轭10的中心轴具有120°旋转对称构造。即，绕组U、绕组V以及绕组W具有以磁轭10包围的柱状空间的轴为中心的120°旋转对称构造。
在图16所示的绕组结构中，将各绕组中的多个去路区间作为去路区间组相邻配置，并将各绕组中的多个回路区间作为回路区间组相邻配置。而且，在绕组U、绕组V及绕组W中的1个绕组的去路区间组与回路区间组之间配置了其他绕组的去路区间组或回路区间组。
具体而言，在图16所示的绕组结构中，绕组U的去路区间组由配置在槽SL1和槽SL2各自的外侧和内侧的4个去路区间U+构成。另外，绕组U的回路区间组由配置在槽SL7和槽SL8各自的外侧和内侧的4个回路区间U﹣构成。
绕组V的去路区间组和回路区间组各自具有以轭铁10的中心轴为中心使绕组U的去路区间组和回路区间组逆时针旋转120°的构造。绕组W的去路区间组和回路区间组各自具有以磁轭10的中心轴为中心使绕组V的去路区间组和回路区间组逆时针旋转120°的构造。
在第二实施方式的扫描电磁铁4中，与第一实施方式的扫描电磁铁1相比，绕组的环路路径的数量多。因此，柱状空间的外周方向上的磁动势的分布成为更近似于正弦波的分布。由此，磁通密度的平坦度提高，抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化，抑制由扫描角θ的不同引起的带电粒子束的偏转角偏差的效果得到提高。
在图17中，通过与图3相同的记载，表示了槽SL1～SL12中的绕组区间U+、U﹣、V+、V﹣、W+以及W﹣的另一配置例。构成绕组U的导线围绕在槽SL1的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL6的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL1(in)－SL6(out)。另外，构成绕组U的导线围绕在槽SL2的内侧朝向γ轴正方向，在槽SL7的外侧朝向γ轴负方向的环路路径SL2(in)－SL7(out)。另外，构成绕组U的导线围绕在槽SL1的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL8的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL1(out)－SL8(in)。并且，构成绕组U的导线围绕在槽SL12的外侧朝向γ轴正方向，在槽SL7的内侧朝向γ轴负方向的环路路径SL12(out)－SL7(in)。
绕组V具有与关于磁轭10的中心轴将绕组U向图15的逆时针方向旋转120°的构造相同的构造。绕组W具有与关于磁轭10的中心轴将绕组V向图15的逆时针方向旋转120°的构造相同的构造。这样，磁轭10、绕组U、绕组V以及绕组W具有以磁轭10包围的柱状空间的轴为中心的120°旋转对称构造。
在图17所示的绕组结构中，也与图16同样地将各绕组中的多个去路区间作为去路区间组相邻地配置，并将各绕组中的多个回路区间作为回路区间组相邻地配置。而且，在绕组U、绕组V及绕组W中的1个绕组的去路区间组与回路区间组之间配置了其他绕组的去路区间组或回路区间组。
具体而言，在图17所示的绕组结构中，绕组U的去路区间组由配置在槽SL12的外侧、槽SL1的内侧和外侧、以及槽SL2的内侧的4个去路区间U+构成。另外，绕组U的回路区间组由配置在槽SL6的外侧、槽SL7的内侧和外侧、以及槽SL8的内侧的4个回路区间U﹣构成。
绕组V的去路区间组和回路区间组分别具有以磁轭10的中心轴为中心使绕组U的去路区间组和回路区间组逆时针旋转120°的构造。绕组W的去路区间组和回路区间组分别具有以磁轭10的中心轴为中心使绕组V的去路区间组和回路区间组逆时针旋转120°的构造。
当在作为去路区间的绕组区间U+中沿γ轴正方向流过电流时，在作为回路区间的绕组区间U﹣中沿γ轴负方向流过电流这样的电流极性条件下，可以通过所有的方式配置构成绕组U的导线。对于绕组V中的绕组区间V+和V﹣、以及绕组W中的绕组区间W+和W﹣，也可以同样地通过所有的方式配置构成各绕组的导线。
在如图17那样配置了各绕组的扫描电磁铁中，与如图16那样配置了各绕组的扫描电磁铁相比，磁动势在周向上的分布成为更近似于正弦波的分布。由此，磁通密度的平坦度提高，并且抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化，抑制由扫描角θ的不同引起的带电粒子束的偏转角偏差的效果得到提高。
在扫描电磁铁中，可以进一步增加磁轭10内壁上的槽。但是，使槽的数量为6的倍数。作为例子，图18表示了由24个槽SL1～SL24构成的扫描电磁铁4的截面图。通过增加由槽形成的环路路径，柱状空间周向上的磁动势的分布更接近正弦波形状。由此，磁通密度的平坦度提高，并且抑制与扫描角θ变化相对的平坦度变化，抑制由扫描角θ的不同引起的带电粒子束的偏转角偏差的效果得到提高。
在1个绕组环绕多个环路路径的情况下，可以将1个绕组中的环绕1个环路路径的区间与环绕其他环路路径的区间串联连接，也可以并联连接。例如，关于图16所示的绕组U，可以将经过环路路径SL1(in)－SL7(out)的区间、经过环路路径SL1(out)－SL7(in)的区间、经过环路路径SL2(in)－SL8(out)的区间、以及经过环路路径SL2(out)－SL8(in)的区间串联连接，也可以并联连接。对于绕组V和绕组W也是同样的。
关于图17所示的绕组U，可以将经过环路路径SL1(in)－SL6(out)的区间、经过环路路径SL2(in)－SL7(out)的区间、经过环路路径SL1(out)－SL8(in)的区间、以及经过环路路径SL12(out)－SL7(in)的区间串联连接，也可以并联连接。对于绕组V和绕组W也是同样的。
图19表示了本发明第三实施方式的扫描电磁铁5。在图19中放大表示了从带电粒子束轨道的上游侧观察扫描电磁铁5时的截面中的齿部12的部分。如图19所示，在相邻的槽之间形成的齿部12的前端部在磁轭10内壁的周向上扩展。通过使齿部12的前端部成为沿周向扩展的形状，有时磁通密度的平坦度提高。
另外，如图20所示，通过设为将相邻的齿部12之间堵塞的形状，即设置了沿轴向延伸的孔88来代替槽的构造，有时也能够得到同样的效果。
图21表示本发明第四实施方式的扫描电磁铁6。图21中示意性地表示了用经过中心轴的面切断扫描电磁铁1时的截面图。另外，用实线表示了以最大的偏转量进行扫描时的带电粒子束90所经过的区域的外周面106(射束经过区域外周面106)。并且，用虚线表示了将偏转量设为0时的带电粒子束90的轨道108。扫描电磁铁6的磁轭10内壁具有与射束经过区域外周面106对应的形状。当定义了经过各齿前端的圆的直径即内径、经过各槽最深部的圆的直径即外径时，则越是上游磁轭10的内径及外径越小，越是下游磁轭10的内径及外径越大。
磁轭10的内部空间，即柱状空间具有沿着偏转的带电粒子束90的轨道，随着向下游而向外侧扩展的侧面。各绕组120的去路区间和回路区间沿着柱状空间的侧面，随着向下游而从中心轴方向向外侧翘曲。
根据这样的构造，与从上游侧向下游侧使内径以及外径固定的情况相比，应该产生磁通密度的区域变窄，流过各绕组的励磁电流变小。由此，用于控制流过各绕组的电流的驱动电路变得小型化。
图22表示本发明第五实施方式的扫描电磁铁7。在本实施方式的扫描电磁铁7的磁轭10中未形成槽以及齿部，将各绕组120配置在磁轭10的内壁面。因此，能够设为将各绕组120在周向上进行了扩展的构造，磁通密度的平坦度提高。并且，使扫描角θ变化时的平坦度的变化变小。
本发明不限定于上述实施方式，在本发明中包含各种变形例。上述各实施方式是为了容易理解地说明本发明而使用的实施方式，本发明并不限定于必须具备所说明的全部结构。
另外，可以将某实施方式的部分结构置换为其他实施方式的结构，也可以对某实施方式的结构添加其他实施方式的结构。另外，也可以对各实施方式的部分结构进行其他结构的追加、删除、或者与其他结构的置换。
另外，在上文中叙述了在照射点之间使各绕组中流动的电流停止的离散点照射法，但也可以使用在照射点之间不使各绕组中流动的电流停止的连续点照射法。
另外，关于加速器40，除了同步加速器44以外，还可以使用回旋加速器、同步回旋加速器等各种公知的加速器。另外，由加速器40加速的带电粒子可以是质子、碳等重粒子等。
另外，各实施方式的扫描电磁铁除了配备在照射喷嘴中以外，还可以配备在射束输送装置46或加速器40。即，各实施方式的扫描电磁铁也可以用于在射束输送装置46或加速器40的内部修正带电粒子束90的轨道。
图23表示关于图15和图16所示的扫描电磁铁4的模拟结果。在图23中，用箭头和磁力线表示了使磁轭10内部空间中的磁通密度朝向α轴正方向时的磁通密度的分布。
附图标记说明
1、4、5、6、7：扫描电磁铁
2、2A、2B：扫描电磁铁控制系统
3：粒子束治疗系统
10：磁轭
12：齿部
20：指令转换装置
22：扫描电磁铁控制装置
24U、28U：绕组U驱动电路
24V、28V：绕组V驱动电路
24W、28W：绕组W驱动电路
26：直流电源
30：驱动电路
32：整体控制装置
34：加速器/射束输送系统控制装置
36：照射喷嘴控制装置
38：显示器
40：加速器
42：入射器
44：同步加速器
46：射束输送装置
48：偏转电磁铁
50：照射喷嘴
52：患者
54：治疗台
60：患部
62：剂量监视器
64：位置监视器
66：脊形过滤器
68：射程移位器
70：剂量监视器控制装置
72：位置监视器控制装置
80：以相同能量照射的层
82：照射点
88：孔
120：绕组。

Claims (8)

1.一种扫描电磁铁，其特征在于，
所述扫描电磁铁具备多个绕组，该多个绕组分别具有沿着带电粒子束的轨道延伸的去路区间和回路区间，并且包围使所述带电粒子束经过的柱状空间，
在观察所述柱状空间的外周方向时隔开预定的间隔配置了各个所述绕组中的去路区间和回路区间，
在多个所述绕组中的1个绕组的去路区间与回路区间之间配置了其他所述绕组的去路区间或回路区间。
2.根据权利要求1所述的扫描电磁铁，其特征在于，
多个所述绕组具有以所述柱状空间的轴为中心的旋转对称构造。
3.根据权利要求1或2所述的扫描电磁铁，其特征在于，具备：
磁轭，其包围所述柱状空间；以及
多个槽，其形成在所述磁轭的内壁，分别配置了所述绕组的去路区间或回路区间，且沿所述磁轭的轴向延伸，
将相邻的所述槽之间形成的齿部的前端部在所述磁轭内壁的周向上进行了扩展。
4.根据权利要求1或2所述的扫描电磁铁，其特征在于，具备：
磁轭，其包围所述柱状空间；以及
多个孔，其形成在所述磁轭中，分别配置了所述绕组的去路区间或回路区间，并沿着所述磁轭的轴向延伸。
5.根据权利要求1或2所述的扫描电磁铁，其特征在于，
所述扫描电磁铁具备控制装置，该控制装置控制各个所述绕组中流过的电流，
所述控制装置对于多个所述绕组分别取得向多个所述绕组对应的多个周期函数分别赋予了所述柱状空间的周向的扫描角时得到的励磁电流目标值，
所述控制装置基于针对各个所述绕组取得的所述励磁电流目标值，控制各个所述绕组中流过的电流。
6.根据权利要求5所述的扫描电磁铁，其特征在于，
所述扫描电磁铁具备3个所述绕组，
多个所述周期函数包含在角度变量轴上相互偏移了120°的3个正弦函数或余弦函数。
7.根据权利要求1或2所述的扫描电磁铁，其特征在于，
所述柱状空间具有沿着偏转的所述带电粒子束的轨道，随着向下游而向外侧扩展的侧面，
各个所述绕组的去路区间和回路区间沿着所述柱状空间的侧面，随着向下游而从轴向向外侧翘曲。
8.一种粒子束治疗系统，其特征在于，具备：
加速器；
射束输送装置，其输送从所述加速器取出的所述带电粒子束；以及
照射喷嘴，其对患者照射由所述射束输送装置输送的所述带电粒子束，
所述射束输送装置及所述照射喷嘴中的至少1个具备权利要求1或2所述的扫描电磁铁。
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