JP2007260222A - 荷電粒子線偏向装置および荷電粒子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向走査用の磁界を印加するための荷電粒子線偏向装置を、荷電粒子線の進行方向およびその直交方向に小型化する。
【解決手段】荷電粒子線の進行方向であるＺ軸方向に直交するＸ軸方向に荷電粒子線を偏向走査させるＸ軸偏向走査コイル１５と、Ｚ軸方向およびＸ軸方向に直交するＹ軸方向に荷電粒子線を偏向走査させるＹ軸偏向走査コイル１６とを備える。Ｘ軸偏向走査コイルおよびＹ軸偏向走査コイルは、ヨークを用いることなく高温超電導コイルを用いて形成されるとともに、Ｚ軸方向に直交する同一平面内でＹ軸偏向走査コイルの外周側にＸ軸偏向走査コイルが位置するように配置され、Ｙ軸偏向走査コイルおよびＸ軸偏向走査コイルを冷却するための冷却部２２、２３、２４、２５が設けられ、Ｘ軸偏向走査コイルおよびＹ軸偏向走査コイルに対して、偏向走査のために１Ｈｚ以上の周波数の交番電流が印加される。
【選択図】図８

Description

この発明は、例えば癌治療用の荷電粒子線照射装置、特に、荷電粒子線を偏向して所定の照射領域を得るための偏向装置の小型化に関する。

図１２は、例えば特許文献１の第１図に記載された、従来の荷電粒子線照射装置を構成する荷電粒子線偏向装置の概略構成を示す。図中、荷電粒子線１の進行方向をＺ軸方向として説明する。荷電粒子線１は、加速器（図示省略）から送られてＺ軸方向に進行する。荷電粒子線１の軌道に沿って、荷電粒子線１をＸ軸方向に偏向走査するためのＸ軸偏向走査磁石２、荷電粒子線１をＹ軸方向に偏向走査するためのＹ軸偏向走査磁石３、およびレンジシフター４が配置されている。Ｘ軸偏向走査磁石２およびＹ軸偏向走査磁石３が発生する磁界により荷電粒子線１を偏向走査して、支持台５上に載置された被照射体（図示せず）の必要な領域に荷電粒子線１を照射することができる。レンジシフター４は、通過する荷電粒子線の速度を減衰させることにより、被照射体への荷電粒子線１のＺ軸方向侵入深さを制御するために用いられる。

図１２は、荷電粒子線照射部のＸ−Ｚ平面に沿った断面図であり、荷電粒子線１に対するＸ軸方向の偏向走査の状態が示される。図１３は、図１２におけるＹ−Ｚ平面に沿った断面図であり、荷電粒子線１のＹ軸方向の偏向走査の状態が示される。

図１４は、図１２におけるＸ軸偏向走査磁石２のＡ−Ａ断面を示す。Ｘ軸偏向走査磁石２は、２組のコイル７ａ、７ｂを磁性体のヨーク８に装着して構成されている。図１５は、図１２におけるＹ軸偏向走査磁石３のＢ−Ｂ断面を示す。Ｙ軸偏向走査磁石３は、２組のコイル９ａ、９ｂを磁性体のヨーク１０に装着して構成されている。Ｘ軸偏向走査磁石２のコイル７ａ、７ｂに電流を流すことにより、ギャップ１１に磁界Ｂｙを発生させる。また、Ｙ軸偏向走査磁石３のコイル９ａ、９ｂに電流を流すことにより、ギャップ１２に磁界Ｂｘを発生させる。ヨーク８、１０を配置することにより、コイルの起磁力を低減することが可能である。

図１２に示すように、荷電粒子線１はＸ軸偏向走査磁石２の発生する磁界ＢｙによりＸ軸方向に偏向走査され、被照射体６表面上で変位Ｘ１を生じる。同様に図１３に示すように、Ｙ軸偏向走査磁石３の発生する磁界Ｂｘにより、荷電粒子線１はＹ軸方向に偏向走査され、被照射体６表面上で変位Ｙ１を生じる。この作用に基づき、Ｘ軸偏向走査磁石２およびＹ軸偏向走査磁石３に所定の交番電流を印加することにより、被照射体６の±Ｘ１、±Ｙ１の領域に荷電粒子線１の照射を行うことができる。

以上のように構成された荷電粒子線照射装置は、例えば陽子線がん治療に用いる場合、特許文献２の図７及び図８に示されるような回転ガントリーに設置される。回転ガントリーにより荷電粒子線照射装置を回転させて、被照射体である患者に対する荷電粒子線の照射方向を変化させることが可能になっている。
特公平７−８３００号公報 特開２００３−２５０９１７号公報

上記従来の荷電粒子線照射装置では、Ｘ軸偏向走査磁石２とＹ軸偏向走査磁石３がＺ軸方向に直列に並んで配置されている。そのため、照射装置の長さＬが長くなり、照射装置が大型になっていた。また、図１２に示すように、Ｙ軸偏向走査磁石３の下端では、Ｘ軸偏向走査磁石２による偏向走査の結果、荷電粒子線が±Ｘ２の幅に広がっているので、Ｙ軸偏向走査磁石３のギャップ１２を大きくする必要があり、Ｙ軸偏向走査磁石３を大型化せざるを得なかった。すなわち、従来の荷電粒子線照射装置は、Ｘ軸偏向走査磁石とＹ軸偏向走査磁石が荷電粒子線の進行方向に直列に並んで配置されることが、装置の大型化の重大な要因であった。

また、医療用に用いられるような、電子線以外の陽子線や炭素線等の重粒子線を偏向させるには、大きなエネルギーが必要であり、荷電粒子線照射装置は、強い磁界を印加することが可能でなければならない。そのことも、荷電粒子線照射装置の大型化を必要とする要因として、避けられないものであった。例えば、陽子線を例に取れば、陽子の静止質量は電子の約１８００倍と大きい。したがって、同じ加速エネルギーの荷電粒子線を同じ強度の磁界で偏向走査する場合、相対論効果を無視すれば、その偏向半径は陽子線の場合では電子線の１８００倍と大きくなる。その結果、ブラウン管のように電子線を用いる装置に比べ、電子線以外の荷電粒子線照射装置は特に大型になる。

その結果、回転ガントリーに従来の荷電粒子線照射装置を設置する場合、回転ガントリーの直径が相当に大型化していた。例えば２．５億電子ボルトの陽子線を癌治療用に使用する場合、従来の回転ガントリー照射装置の最大直径は１０ｍ以上の大規模なものになっていた。

本発明は、偏向走査用の磁界を印加するための荷電粒子線偏向装置が、荷電粒子線の進行方向およびその直交方向に小型化された荷電粒子線照射装置を提供することを目的とする。

本発明の荷電粒子線偏向装置は、基本構成として、荷電粒子線の進行方向であるＺ軸方向に直交するＸ軸方向に前記荷電粒子線を偏向走査させるＸ軸偏向走査コイルと、前記Ｚ軸方向および前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に前記荷電粒子線を偏向走査させるＹ軸偏向走査コイルとを備える。

上記課題を解決するために、本発明の第１の構成の荷電粒子線偏向装置は、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、ヨークを用いることなく高温超電導コイルを用いて形成されるとともに、前記Ｚ軸方向に直交する同一平面内で前記Ｙ軸偏向走査コイルの外周側に前記Ｘ軸偏向走査コイルが位置するように配置され、前記Ｙ軸偏向走査コイルおよび前記Ｘ軸偏向走査コイルを冷却するための冷却部が設けられ、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルに対して、前記偏向走査のために１Ｈｚ以上の周波数の交番電流が印加されることを特徴とする。

本発明の第２の構成の荷電粒子線偏向装置は、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、ヨークを用いることなくコイルを用いて形成されるとともに、前記Ｚ軸方向に直交する同一平面内で前記Ｙ軸偏向走査コイルの外周側に前記Ｘ軸偏向走査コイルが位置するように配置され、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、非磁性からなるコイル支持体内に支持され、前記Ｙ軸偏向走査コイルおよび前記Ｘ軸偏向走査コイルを水を用いて冷却するための水冷装置が設けられ、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルに対して、前記偏向走査のために１Ｈｚ以上の周波数の交番電流が印加されることを特徴とする。

本発明の荷電粒子線照射装置は、上記いずれかの構成の荷電粒子線偏向装置と、電子線以外の前記荷電粒子線を前記荷電粒子線偏向装置に導く荷電粒子線輸送部と、前記Ｘ軸偏向走査コイルとＹ軸偏向走査コイルに各々供給する電流を制御することにより、前記荷電粒子線のＸＹ平面上の照射領域を制御する制御部とを備える。

上記構成の荷電粒子線照射装置によれば、Ｘ軸偏向走査コイルとＹ軸偏向走査コイルが、荷電粒子線の進行方向に直交する同一平面内に重ねて配置されるので、装置の長さを大幅に短縮できる。また、一方の偏向走査コイルによる荷電粒子線の軌道の広がりが他方の偏向走査コイルの寸法に与える影響を解消することができるので、荷電粒子線の進行方向に直交する面の方向における装置の寸法も低減される。

上記構成の本発明の第１の構成の荷電粒子線偏向装置において、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルを支持する非磁性のコイル支持体と、前記Ｘ軸偏向走査コイル、前記Ｙ軸偏向走査コイルおよび前記コイル支持体を収容する断熱真空容器と、前記断熱真空容器内に配置された冷凍機コールドヘッドと、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルと前記冷凍機コールドヘッドを熱的に接続する熱伝導板とを備え、前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、前記コイル支持体内に支持され、前記冷凍機コールドヘッドと前記熱伝導板により前記冷却部が構成されることが好ましい。

また、上記いずれかの構成の荷電粒子線偏向装置において、前記Ｘ軸偏向走査コイルの周囲に、コイル全体を取り囲む筒状の磁気シールドが配置されることが好ましい。

上記構成の本発明の荷電粒子線照射装置において、前記荷電粒子線偏向装置および前記荷電粒子線輸送部の少なくとも一部を回転可能に支持し、前記荷電粒子線により照射すべき位置の周囲に前記荷電粒子線偏向装置を回転させるように構成された回転ガントリーを備えた構成とすることができる。

この構成において、前記荷電粒子線輸送部は、前記荷電粒子線偏向装置に対する荷電粒子線進行方向の上流側に配置された超電導の双極偏向電磁石を有し、前記双極偏向電磁石は前記回転ガントリーに装着されて、前記回転ガントリーにより前記荷電粒子線偏向装置とともに回転させるように構成されることが好ましい。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における荷電粒子線照射装置の概略構成を示す断面図である。同図において、荷電粒子線１の進行方向をＺ軸とする。荷電粒子線１の軌道に沿って、荷電粒子線偏向装置１３、レンジシフター４、および被照射体を載置するための支持台５が配置されている。但し図１には、荷電粒子線偏向装置１３を構成するコイルのうち、Ｘ軸偏向走査コイル１５のみ、および磁気シールド１４が示される。

荷電粒子線偏向装置１３は、Ｚ軸に直交するＸＹ平面内で荷電粒子線１を偏向走査させるための、Ｘ軸方向の磁界およびＹ軸方向の磁界を発生する。図１は、Ｘ−Ｚ平面に沿った断面を示し、従って、荷電粒子線１のＸ軸方向における偏向走査の状態が示される。

図２は、図１におけるＹ−Ｚ平面に沿った断面を示し、従って、荷電粒子線１のＹ軸方向における偏向走査の状態が示される。図２には、荷電粒子線偏向装置１３を構成するコイルのうち、Ｙ軸偏向走査コイル１６のみが示される。

図３は、図１の荷電粒子線偏向装置１３におけるＣ−Ｃ断面図であり、荷電粒子線偏向装置１３を構成する、磁気シールド１４、Ｘ軸偏向走査コイル１５およびＹ軸偏向走査コイル１６の平面構造が示される。同図に示されるように、Ｙ軸偏向走査コイル１６は４組のエレメントコイルに分割されている。各エレメントコイルは、互いに接続されたコイルエレメント（１６ａ＋、１６ａ−）、（１６ｂ＋、１６ｂ−）、（１６ｃ＋、１６ｃ−）、および（１６ｄ＋、１６ｄ−）により構成されている。Ｙ軸偏向走査コイル１６の全コイルエレメントには同じ電流が流される。また、Ｘ軸偏向走査コイル１５は、Ｚ軸から見た径方向位置において、Ｙ軸偏向走査コイル１６よりも外周側に配置されており、４組のエレメントコイルに分割されている。各エレメントコイルは、互いに接続されたコイルエレメント（１５ａ＋、１５ａ−）、（１５ｂ＋、１５ｂ−）、（１５ｃ＋、１５ｃ−）、（１５ｄ＋、１５ｄ−）により構成されている。Ｙ軸偏向走査コイル１５の全コイルエレメントには同じ電流が流される。

上記のような配置により、Ｙ軸偏向走査コイル１６はＸ軸方向に磁界Ｂｘを発生させ、またＸ軸偏向走査コイル１５はＹ軸方向に磁界Ｂｙを発生させる。磁気シールド１４は、Ｘ軸およびＹ軸偏向走査コイル１５、１６の外周側に、すべてのコイルを取り囲むように配置され、これらのコイルの発生する磁界が荷電粒子線偏向装置１３の外部に漏れないようにシールドしている。磁気シールド１４としては、例えば鉄板をＺ軸方向に積層したものを用いることができる。

図１〜図３に示されるように、本実施の形態のＸ軸偏向走査コイル１５およびＹ軸偏向走査コイル１６は、ヨーク（磁心）を用いることなく、コイルのみで構成されている。上記のように、Ｘ軸およびＹ軸偏向走査コイル１５、１６を重ね合わせた構成においては、コイル位置より内周の領域にヨークを挿入すると、磁界ＢｘとＢｙがヨークを通じて相互に影響を及ぼすので、Ｘ軸偏向走査コイルでＢｙのみを、又、Ｙ軸偏向走査コイルでＢｘのみを制御することができなくなる。従って本発明ではヨークを用いることなく偏向走査コイルを構成する。

Ｘ軸およびＹ軸偏向走査コイル１５、１６の具体的な形状を、図４および図５に示す。
図４は、図３に示した荷電粒子線偏向装置１３の偏向走査コイル部分、すなわちＸ軸偏向走査コイル１５とＹ軸偏向走査コイル１６が組合わされた状態を示す斜視図である。図５ＡはＹ軸偏向走査コイル１６のみを示す斜視図、図５ＢはＸ軸偏向走査コイル１５のみを示す斜視図である。

以上のような本実施の形態の荷電粒子線照射装置では、図１および図２に示したように、Ｘ軸偏向走査コイル１５とＹ軸偏向走査コイル１６を荷電粒子線１の進行方向に並べることなく、荷電粒子線１の進行方向に直交する同一のＸＹ平面内に両コイルが重ねて配置される。従って、同一領域で荷電粒子線１をＸ軸方向およびＹ軸方向に偏向走査できる。これにより、荷電粒子線照射装置の長さＬを従来のものに比べて大幅に小さくできる。すなわち、荷電粒子線偏向装置１３を構成する偏向走査コイルの荷電粒子線１の進行方向（Ｚ方向）における寸法を低減させることができる。本実施の形態に基づく一例としては、荷電粒子線１の進行方向における荷電粒子線偏向装置１３の長さを、従来の１メートルから半分の０．５メートル程度に小型にすることが可能である。

また、従来のようにＸ軸方向偏向走査による荷電粒子線の軌道の広がりがＹ軸偏向走査コイルの寸法に与える影響を解消することができるので、荷電粒子線１の進行方向に直交するＸＹ面方向における荷電粒子線偏向装置１３の寸法も低減される。

図６は、本実施の形態に基づく荷電粒子線偏向装置による発生磁界を計算した一例を示す。この結果は、Ｚ軸方向の位置±２０ｃｍの範囲で、磁界Ｂｘ、Ｂｙ共、約８００ｍＴ（８，０００ガウス）が得られることを示している。図７は、上記の磁界による２．５億電子ボルトの陽子ビームの偏向走査位置を計算したものである。荷電粒子線偏向装置１３のＺ軸中心から１ｍ下流位置で、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ約１２ｃｍの偏向走査ができることを示す。

なお、図３ではＸ軸およびＹ軸偏向走査コイルをそれぞれ４エレメントコイルに分割したが、分割数は任意である。また、各エレメントコイルの断面形状は図に示した形でなくても良い。図３の磁気シールド１４の断面形状は円形としたが、多角形であっても良い。また、外部に対して漏れ磁界の影響が間題にならない場合には、磁気シールド１４が無くても良い。また、いわゆるアクティブシールドコイルを設けることにより、磁気シールドを無くしてもよい。

以上のような構成の荷電粒子線照射装置に、加速器から荷電粒子線を導き、Ｚ軸方向に進入させるように配置することにより、荷電粒子線を所定の照射領域に偏向走査することができる。偏向走査のためには、Ｘ軸偏向走査コイル１５およびＹ軸偏向走査コイル１６に対して、１Ｈｚ以上の周波数の交番電流が印加される。

上記のような本実施の形態の荷電粒子線照射装置では、偏向させる荷電粒子線のエネルギーが非常に大きいので、強い磁界を印加することが必要である。ところが、上述のとおり、Ｘ軸偏向走査コイルをＹ軸偏向走査コイルの外側に重ねて集中配置した構成においては、ヨークを用いた場合、磁界ＢｘとＢｙがヨークを通じて相互に影響を及ぼすので、Ｘ軸偏向走査コイルでＢｙのみを、又、Ｙ軸偏向走査コイルでＢｘのみを制御することができなくなる。従って、Ｘ軸およびＹ軸偏向走査コイルを集中配置するためには、ヨークを用いない構成とする。

一方、ヨークを使用せずに荷電粒子線に強い磁界を印加するためには、大きな起磁力が必要である。コイルの発生起磁力を大きくするためには、高い電流密度で使用することが可能なコイルが必要である。例えば、図６に示したような磁界を発生させるためには、コイルの電流密度として１万アンペア毎平方センチメートル（１０，０００Ａ／ｃｍ²）程度が必要である。そのため本発明者らは、超電導コイルを使用することにより、高い電流密度の使用を可能とすることを検討した。

また、荷電粒子線を所望の範囲で偏向走査するために、上述のとおり、Ｘ軸およびＹ軸偏向走査コイルには１Ｈｚ以上の周波数の交番電流が印加される。この偏向走査のための交流成分に起因して、Ｘ軸およびＹ軸偏向走査コイルには、渦電流による温度上昇が生じる。したがって、超電導コイルを使用して充分な超電導臨界温度の余裕を持たせるために、本実施の形態では、高温超電導コイルを用いる。本発明者らの実験によれば、高温超電導コイルを用いることにより、荷電粒子線の偏向走査のための交流成分に対して、実用的に十分な程度に超電導臨界温度の余裕を持たせることが可能であった。すなわち、高温超電導コイルを例えば、臨界温度より１０Ｋ（ケルビン）から２０Ｋ低い温度で冷却運転することにより、交番電流印加によるコイルの温度上昇が生じても、運転を維持可能であった。なお、高温超電導コイルとしては、ビスマス系やイットリウム系等の酸化物高温超電導体を用いることができる。

図８は、本実施の形態における荷電粒子線照射装置の具体的な構成例を示す断面図である。図３と同様の荷電粒子線偏向装置１３の部分における平面構造が、断面で示される。装置の中央部に非磁性材料からなるコイル支持体２０、２１が配置され、Ｙ軸偏向走査コイル１６およびＸ軸偏向走査コイル１５をそれぞれ支持している。コイル支持体２０、２１は円筒形状を有し、各々その外周面にコイル収納溝２０ａ、２１ａが設けられている。コイル収納溝２０ａ、２１ａに各々、Ｙ軸偏向走査コイル１６およびＸ軸偏向走査コイル１５が収納されている。コイル支持体２０、２１は、偏向走査コイルの位置決めと共に、コイルに加わる電磁力に抗してコイルを支持する機能を有する。コイル収納溝２０ａ、２１ａの開口部には、熱伝導板２２、２３が配置され、各々Ｙ軸偏向走査コイル１６およびＸ軸偏向走査コイル１５と熱的に接続されている。

コイル支持体２０、２１は、磁界の乱れを生じさせないように非磁性であるとともに、コイルの磁界変化を妨げない材質により構成されることが必要である。例えば、ステンレスのような非磁性金属の薄板をＺ軸方向に積層したもの、あるいは合成樹脂のような非金属材で構成する。

熱伝導板２２、２３は、熱伝導板２４と相互に熱的に接続され（図示省略）、熱伝導板２４は冷凍機コールドヘッド２５に熱的に接続されている。それにより、Ｙ軸偏向走査コイル１６およびＸ軸偏向走査コイル１５は、例えば絶対温度１０Ｋ（ケルビン）から３０Ｋの低温に維持可能である。

Ｙ軸偏向走査コイル１６およびＸ軸偏向走査コイル１５の周囲は、断熱真空容器２６に包囲されている。断熱真空容器２６により形成される真空空間２７を真空状態に維持することにより、大気側から偏向走査コイルへの熱侵入が抑制される。このような構成にすることにより、液体冷媒を用いない高温超電導コイルを実用的な範囲で作動させることができる。磁気シールド１４は、断熱真空容器２６の周囲に配置されている。

（実施の形態２）
図９は、実施の形態２における荷電粒子線照射装置の概略構成を示す正面図である。この荷電粒子線照射装置は、実施の形態１と同様の荷電粒子線照射装置の構成を、回転ガントリーを有する構成に適用した場合の一例である。３０は回転ガントリーであり、その中心部に被照射体である被治療患者３１が収容される。図１〜図８に示したような構成を有する荷電粒子線偏向装置１３およびレンジシフター４が、被治療患者３１に近接して配置される。

荷電粒子線１は、荷電粒子線を輸送する輸送磁石３２、および荷電粒子線を偏向誘導する双極偏向磁石３３により誘導され、荷電粒子線偏向装置１３およびレンジシフター４を経由して被治療患者３１に照射される。荷電粒子線偏向装置１３およびレンジシフター４により、荷電粒子線１は治療に必要な照射面積と深さに設定される。

輸送磁石３２、双極偏向磁石３３、荷電粒子線偏向装置１３およびレンジシフター４は、回転ガントリー３０に固定され、治療に最適な角度に回転されて、荷電粒子線の照射領域が調節される。本実施の形態によれば、図９に示す長さＬ１を大幅に小さくできるので、荷電粒子線照射装置の小型化に極めて有効である。

また本実施の形態によれば、高温超電導コイルを用いることにより液体冷媒が不要であるため、荷電粒子線偏向装置１３を回転ガントリーに装着した構成であっても、液体冷媒を使用した際に発生する回転による液面変化等の問題を回避でき、装置の構成を簡略化して小型化が容易である。

また、図９の構成において、双極偏向磁石３３を超電導磁石とすることにより、長さＬ２を短くでき、回転ガントリーを用いた荷電粒子線照射装置を更に小型化することができる。

（実施の形態３）
図１０は、実施の形態３における荷電粒子線照射装置の構成を示す断面図である。図８に示した実施の形態１の場合と同様、荷電粒子線偏向装置１３の部分における平面構造が断面で示される。荷電粒子線照射装置の全体構造は、図１〜図８に示した実施の形態１の場合と同様である。

本実施の形態の荷電粒子線照射装置では、実施の形態１とは異なり、Ｘ軸偏向走査コイル４０およびＹ軸偏向走査コイル４１は、高温超電導コイルではなく通常用いられる導体を用いて構成され、水冷装置により冷却されることにより高い電流密度を可能とする構成が採用されている。したがって、図１０は、水冷装置により冷却されるコイルを使用した場合の具体的な構成例を示す。

この荷電粒子線照射装置において、Ｘ軸偏向走査コイル４０およびＹ軸偏向走査コイル４１の構造および配置は、実施の形態１の場合と同様である。すなわち、Ｘ軸偏向走査コイル４０およびＹ軸偏向走査コイル４１は、ヨークを用いることなくコイルのみで構成されている。また、Ｙ軸偏向走査コイル４１は互いに接続された４組のエレメントコイルに分割され、全コイルエレメントには同じ電流が流される。また、Ｘ軸偏向走査コイル１５は、Ｚ軸から見た径方向位置において、Ｙ軸偏向走査コイル４１よりも外周側に配置されており、互いに接続された４組のエレメントコイルに分割され、全コイルエレメントには同じ電流が流される。

Ｙ軸偏向走査コイル４１およびＸ軸偏向走査コイル４０は、コイル支持体２８、２９のコイル収納溝２８ａ、２９ａに収納されている。コイル支持体２８、２９は円筒形状を有し、その外周面にコイル収納溝２８ａ、２９ａが設けられている。コイル支持体２８、２９は、偏向走査コイルの位置決めと共にコイルに加わる電磁力に抗して偏向走査コイルを支持する機能を有する。外側のコイル支持体２９には外周４箇所に突起２９ｂが設けられ、この突起２９ｂを磁気シールド１４に当接させてコイル支持体２９が固定支持されている。

コイル支持体２８、２９は非磁性体であり、例えば、非磁性金属の薄板をＺ軸方向に積層したもの、もしくは非金属材等により構成される。コイルは、例えば中空導体を積み重ねた構成の場合であれば、導体内に冷却水を通すことによりコイルを冷却することができる。そのような例を、図１１に示す。図１１は、図１０に示したＹ軸偏向走査コイル４１およびＸ軸偏向走査コイル４０の構造の一例を示す断面図である。中空導体４２は中空部４２ａを有し、中空導体４２の周りには電気絶縁材４３が施工されている。複数の中空導体４２を束ねてコイル４０、４１が形成され、コイル４０、４１の周りには電気絶縁材４４が施工されている。中空導体４２の中空部４２ａに冷却水を通すことにより、偏向走査コイル４０、４１を冷却する。偏向走査コイル４０、４１に発生する熱を冷却水により取り去ることにより、コイル４０、４１を高電流密度に耐えられるようにすることができる。

本実施の形態のように水冷装置によりコイルを冷却する構成は、超電導コイルを使用する場合と比べて、実現可能な起磁力は低くなるが、用途に応じて十分に実用的な性能を得ることは可能である。例えばサイン波形で運転した場合を例にとれば、波高値として１０，０００Ａ／ｃｍ² の電流密度に対して、熱発生的な実効電流は波高値の１／１．４１＝０．７１、すなわち、７，１００Ａ／ｃｍ²の実効電流密度となるので、水冷コイルを実現することは可能である。より高い起磁力、すなわちより大きい電流密度を要する場合は超電導コイルを用いればよい。

なお、本実施の形態における荷電粒子線照射装置についても、図９に示したような回転ガントリーを用いた構成を適用することは可能である。

以上の説明では、医療用の荷電粒子線照射装置を主に述べてきたが、本発明は材料照射分野等、その他の分野における荷電粒子線照射装置にも適用可能である。

本発明の荷電粒子線照射装置の構成によれば、装置の寸法を大幅に小型化することができ、例えば医療用の荷電粒子線照射装置として有用である。

本発明の実施の形態１における荷電粒子線照射装置の概略構成を示す断面図 図１の荷電粒子線照射装置におけるＹ−Ｚ平面に沿った断面図 図１の荷電粒子線照射装置を構成する荷電粒子線偏向装置におけるＣ−Ｃ断面図 図３の荷電粒子線偏向装置の偏向走査コイルを示す斜視図 同荷電粒子線偏向装置の偏向走査コイルのうちＹ軸偏向走査コイルを示す斜視図 同荷電粒子線偏向装置の偏向走査コイルのうちＸ軸偏向走査コイルを示す斜視図 同荷電粒子線偏向装置による発生磁界を計算した一例を示す図 同発生磁界による２．５億電子ボルトの陽子ビームの偏向走査位置を計算した結果を示す図 本発明の実施の形態１における荷電粒子線照射装置の概要を断面で示す平面図 本発明の実施の形態２における回転ガントリーを有する荷電粒子線照射装置の構成の概要を示す正面図 本発明の実施の形態３における荷電粒子線照射装置の概要を断面で示す平面図 図１０に示された偏向走査コイルの構造の一例を示す断面図 従来例の荷電粒子線照射装置を構成する荷電粒子線偏向装置の基本配置を示す断面図 図１２の荷電粒子線偏向装置におけるＹ−Ｚ平面に沿った断面図 図１２の荷電粒子線偏向装置におけるＸ軸偏向走査磁石の構成をＡ−Ａ断面で示す断面図 図１２の荷電粒子線偏向装置におけるＹ軸偏向走査磁石の構成をＢ−Ｂ断面で示す断面図

符号の説明

１ 荷電粒子線
２ Ｘ軸偏向走査磁石
３ Ｙ軸偏向走査磁石
４ レンジシフター
５ 支持台
６ 被照射体
７ａ、７ｂ、９ａ、９ｂ コイル
８、１０ ヨーク
１１、１２ ギャップ
１３ 荷電粒子線偏向装置
１４ 磁気シールド
１５、４０ Ｘ軸偏向走査コイル
１６、４１ Ｙ軸偏向走査コイル
１５ａ＋〜１５ｄ＋、１５ａ−〜１５ｄ−、１６ａ＋〜１６ｄ＋、１６ａ−〜１６ｄ− コイルエレメント
２０、２１、２８、２９ コイル支持体
２０ａ、２１ａ、２８ａ、２９ａ コイル収納溝
２２、２３、２４ 熱伝導板
２５ 冷凍機コールドヘッド
２６ 断熱真空容器
２７ 真空空間
２９ｂ 突起
３０ 回転ガントリー
３１ 被治療患者
３２ 輸送磁石
３３ 双極偏向磁石
４２ 中空導体
４２ａ 中空部
４３、４４ 電気絶縁材

Claims (7)

1. 荷電粒子線の進行方向であるＺ軸方向に直交するＸ軸方向に前記荷電粒子線を偏向走査させるＸ軸偏向走査コイルと、前記Ｚ軸方向および前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に前記荷電粒子線を偏向走査させるＹ軸偏向走査コイルとを備えた荷電粒子線偏向装置において、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、ヨークを用いることなく高温超電導コイルを用いて形成されるとともに、前記Ｚ軸方向に直交する同一平面内で前記Ｙ軸偏向走査コイルの外周側に前記Ｘ軸偏向走査コイルが位置するように配置され、
   前記Ｙ軸偏向走査コイルおよび前記Ｘ軸偏向走査コイルを冷却するための冷却部が設けられ、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルに対して、前記偏向走査のために１Ｈｚ以上の周波数の交番電流が印加されることを特徴とする荷電粒子線偏向装置。
2. 前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルを支持する非磁性のコイル支持体と、
   前記Ｘ軸偏向走査コイル、前記Ｙ軸偏向走査コイルおよび前記コイル支持体を収容する断熱真空容器と、
   前記断熱真空容器内に配置された冷凍機コールドヘッドと、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルと前記冷凍機コールドヘッドを熱的に接続する熱伝導板とを備え、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、前記コイル支持体内に支持され、
   前記冷凍機コールドヘッドと前記熱伝導板により前記冷却部が構成される請求項１に記載の荷電粒子線偏向装置。
3. 荷電粒子線の進行方向であるＺ軸方向に直交するＸ軸方向に前記荷電粒子線を偏向走査させるＸ軸偏向走査コイルと、前記Ｚ軸方向および前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に前記荷電粒子線を偏向走査させるＹ軸偏向走査コイルとを備えた荷電粒子線偏向装置において、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、ヨークを用いることなくコイルを用いて形成されるとともに、前記Ｚ軸方向に直交する同一平面内で前記Ｙ軸偏向走査コイルの外周側に前記Ｘ軸偏向走査コイルが位置するように配置され、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルは、非磁性からなるコイル支持体内に支持され、
   前記Ｙ軸偏向走査コイルおよび前記Ｘ軸偏向走査コイルを水を用いて冷却するための水冷装置が設けられ、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルおよび前記Ｙ軸偏向走査コイルに対して、前記偏向走査のために１Ｈｚ以上の周波数の交番電流が印加されることを特徴とする荷電粒子線偏向装置。
4. 前記Ｘ軸偏向走査コイルの周囲に、コイル全体を取り囲む筒状の磁気シールドが配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載の荷電粒子線偏向装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の荷電粒子線偏向装置と、
   電子線以外の前記荷電粒子線を前記荷電粒子線偏向装置に導く荷電粒子線輸送部と、
   前記Ｘ軸偏向走査コイルとＹ軸偏向走査コイルに各々供給する電流を制御することにより、前記荷電粒子線のＸＹ平面上の照射領域を制御する制御部とを備えた荷電粒子線照射装置。
6. 前記荷電粒子線偏向装置および前記荷電粒子線輸送部の少なくとも一部を回転可能に支持し、前記荷電粒子線により照射すべき位置の周囲に前記荷電粒子線偏向装置を回転させるように構成された回転ガントリーを備えた請求項５に記載の荷電粒子線照射装置。
7. 前記荷電粒子線輸送部は、前記荷電粒子線偏向装置に対する荷電粒子線進行方向の上流側に配置された超電導の双極偏向電磁石を有し、前記双極偏向電磁石は前記回転ガントリーに装着されて、前記回転ガントリーにより前記荷電粒子線偏向装置とともに回転させるように構成された請求項６に記載の荷電粒子線照射装置。

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