JP2015225871A - 超伝導電磁石装置及び荷電粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導コイルの材料の使用量を削減することが可能な超伝導電磁石及び荷電粒子線治療装置を提供する。【解決手段】超伝導電磁石４１は、ヨーク４３のギャップＧに近い方に配置された第１コイル部４２ａと、第１コイル部４２ａよりもギャップから遠い方に配置された第２コイル部４２ｂと、第１コイル部４２ａに電流を供給する第１電源と、第２コイル部４２ｂに電流を供給する第２電源とを備えている。これにより、第１コイル部４２ａと第２コイル部４２ｂとに流れる電流値を異なるものとすることができる。第１コイル部４２ａに流れる電流値を、第２コイル部４２ｂに流れる電流値よりも高く設定することで、第１コイル部４２ａに流れる電流値の配分を高くして、第２コイル部４２ｂに流れる電流値の配分を低く抑え、超伝導コイル４２による起磁力を同一とした場合に、第２コイル部４２ｂにおける断面積を削減する。【選択図】図３

Description

本発明は、超伝導電磁石装置及び荷電粒子線治療装置に関する。

例えばがん患者に荷電粒子線を照射して治療を行う荷電粒子線治療装置において、荷電粒子線の軌道の周辺に偏向磁場を形成する偏向電磁石として、超伝導電磁石を用いて荷電粒子線を偏向するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−０７２７１７号公報

超伝導電磁石の超伝導コイルに通電可能な最大電流値は、超伝導コイルが配置された環境における磁場の強さによって異なる。具体的には、鉄心のギャップからの漏れ磁束の影響を受けてしまい、ギャップに近い場所ほど磁束密度が高くなり、超伝導コイルに通電可能な最大電流値が制限される。そのため、超伝導コイルにおいて、ギャップから遠い方に配置された部分は、通電可能な最大電流値に余裕があり、無駄が生じていることになる。

超伝導コイルの材料は、高価であるので、超伝導コイルの材料の無駄を省くことが求められている。本発明は、起磁力を同一とした場合に、超伝導コイルの材料の使用量を削減することが可能な超伝導電磁石装置及びこれを備えた荷電粒子線治療装置を提供することを目的とする。

本発明の超伝導電磁石装置は、中心軸線周りに配置された第１コイル部及び第２コイル部を各々有する一対の超伝導コイルと、中心軸線方向において一対の超伝導コイル間にギャップを有し、ギャップを挟んで一対の磁極を形成する一対の鉄心と、第２コイル部よりもギャップに近い方に配置された第１コイル部に電流を供給する第１電源と、第２コイル部に電流を供給する第２電源と、を備える。

本発明の超伝導電磁石装置では、鉄心のギャップに近い方に配置された第１コイル部に電流を供給する第１電源と、鉄心のギャップから遠い方に配置された第２コイル部に電流を供給する第２電源とを備えているので、第１コイル部と第２コイル部とに流れる電流値を異なるものとすることができる。本発明の超伝導電磁石装置では、第１コイル部に流れる電流値を、第２コイル部に流れる電流値よりも高く設定することで、超伝導コイルによる起磁力を同一とした場合に、第１コイル部に流れる電流値の配分を高くして、第２コイル部に流れる電流値の配分を低く抑え、第２コイル部における超伝導コイルの断面積を削減することができる。その結果、超伝導コイルの材料の使用量を削減することができる。

本発明の超伝導電磁石装置は、中心軸線周りに配置された第１コイル部及び第２コイル部を各々有する一対の超伝導コイルと、中心軸線方向において一対の超伝導コイル間にギャップを有し、ギャップを挟んで一対の磁極を形成する一対の鉄心と、を備え、第１コイル部は、第２コイル部よりもギャップに近い方に配置され、第１コイル部の巻線密度は、第２コイル部の巻線密度よりも高い。

本発明の超伝導電磁石装置では、鉄心のギャップに近い方に配置された第１コイル部の巻線密度が、ギャップから遠い方に配置された第２コイル部の巻線密度よりも高くなっている。巻線密度とは、単位断面積当たりに占める超伝導コイルの断面積の割合である。例えば、コイルをきつく巻くことでコイル同士を接近させることで、巻線密度を高くすることができ、コイルを緩く巻くことでコイル同士の間に隙間を形成して、巻線密度を低くすることができる。本発明の超伝導電磁石装置では、ギャップに近い方と遠い方とで、単位断面積当たりの巻線密度に差を設けることで、電流密度に差を生じさせることができる。これにより、第１コイル部に流れる電流値の配分を高くして、第２コイル部に流れる電流値の配分を低く抑え、超伝導コイルによる起磁力を同一とした場合に、第２コイル部における超伝導コイルの断面積を削減することができる。その結果、超伝導コイルの材料の使用量を削減することができる。

本発明の超伝導電磁石装置は、中心軸線周りに配置された第１コイル部及び第２コイル部を各々有する一対の超伝導コイルと、中心軸線方向において一対の超伝導コイル間にギャップを有し、ギャップを挟んで一対の磁極を形成する一対の鉄心と、を備え、第１コイル部は、第２コイル部よりもギャップに近い方に配置され、第１コイル部の電流密度が、第２コイル部の電流密度よりも高い。

本発明の超伝導電磁石装置では、鉄心のギャップに近い方に配置された第１コイル部の電流密度が、ギャップから遠い方に配置された第２コイル部の電流密度よりも高くなっている。電流密度とは、単位断面積に垂直な方向に単位時間当たりに流れる電気量である。本発明の超伝導電磁石装置では、ギャップに近い方と遠い方とで、電流密度に差を設けることができる。これにより、第１コイル部に流れる電流値の配分を高くして、第２コイル部に流れる電流値の配分を低く抑え、超伝導コイルによる起磁力を同一とした場合に、第２コイル部における超伝導コイルの断面積を削減することができる。その結果、超伝導コイルの材料の使用量を削減することができる。

本発明の荷電粒子線治療装置は、上記の超伝導電磁石装置を備えたものである。本発明の荷電粒子線治療装置では、超伝導電磁石装置によって荷電粒子線を偏向させることができる。また、超伝導電磁石装置では、ギャップに近い方の第１コイル部と、ギャップから遠い方の第２コイル部とで、電流密度に差を設けることができる。これにより、第１コイル部に流れる電流値の配分を高くして、第２コイル部に流れる電流値の配分を低く抑えることができる。そのため、超伝導コイルによる起磁力を同一とした場合に、第２コイル部における超伝導コイルの断面積を減らして、超伝導コイルの材料の使用量を削減することができる。

本発明によれば、ギャップに近い方の第１コイル部と、ギャップから遠い方の第２コイル部との間で、電流密度に差を設け、第１コイル部に流れる電流値の配分を高くして、第２コイル部に流れる電流値の配分を低く抑えることができ、起磁力を同一とした場合に、超伝導コイルの材料の使用量を抑制することができる。

図１は、本発明に係る荷電粒子線照射装置の一実施形態を示す概略図である。 図２は、本発明に係るマグネット装置を示す正面図である。 図３は、図２に示すマグネット装置の荷電粒子線の軌道に交差する断面図である。 図４は、超伝導コイルの形状の一例を示す斜視図である。 図５は、第１コイル部に電流を供給する電気回路及び第２コイル部に電流を供給する電気回路を示す回路図である。 図６は、ヨークにおける磁力線及び磁束密度について示す図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係るマグネット装置の超伝導コイルに電流を供給する電気回路を示す回路図である。 図８は、本発明の第３実施形態に係るマグネット装置の超伝導コイルを示す断面図である。 図９は、本発明の第４実施形態に係るマグネット装置の超伝導コイルを示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上流」、「下流」の語は、出射する荷電粒子線の上流（加速器側）、下流（患者側）をそれぞれ意味している。

図１に示すように、荷電粒子線治療装置１は、放射線療法におけるがん治療等に治療される装置であり、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器１１と、荷電粒子線を被照射体へ照射する照射ノズル１２（照射部）と、加速器１１から出射された荷電粒子線を照射ノズル１２へ輸送するビーム輸送ライン１３（輸送ライン）と、ビーム輸送ライン１３に設けられ、荷電粒子線のエネルギーを低下させて荷電粒子線の飛程を調整するデグレーダ１８（エネルギー調整部）と、ビーム輸送ライン１３に設けられた複数の電磁石２５と、複数の電磁石２５のそれぞれに対応して設けられた電磁石電源２７と、荷電粒子線治療装置１全体を制御する制御部３０と、を備えている。本実施形態では、加速器１１としてサイクロトロンを採用するが、これに限定されず、荷電粒子線を発生させるその他の発生源、例えば、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナック等であってもよい。また、サイクロトロンとして、リングサイクロトロン、ＡＶＦサイクロトロンなどが挙げられる。

荷電粒子線治療装置１では、治療台２２上の患者Ｐの腫瘍（被照射体）に対して加速器１１から出射された荷電粒子線の照射が行われる。荷電粒子線は、電荷をもった粒子を高速に加速したものであり、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線等がある。本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１は、いわゆるスキャニング法により荷電粒子線の照射を行うものであり、被照射体を深さ方向に仮想的に分割（スライス）し、スライス平面（層）毎に、層上の照射範囲に対して、荷電粒子線の照射を行う。

なお、スキャニング法による照射方式として、例えばスポット式スキャニング照射、及び、ラスター式スキャニング照射がある。スポット式スキャニング照射は、照射範囲である、一のスポットへの照射が完了すると、一度ビーム（荷電粒子線）照射を止め、次のスポットへの照射準備が整った後に次のスポットへの照射を行う方式である。これに対し、ラスター式スキャニング照射は、同一層の照射範囲については、照射を途中で止めることなく、連続的にビーム照射を行う方式である。このように、ラスター式スキャニング照射は、同一層の照射範囲については連続的にビーム照射が行われるものであるため、スポット式スキャニング照射と異なり、照射範囲は複数のスポットから構成されるものではない。

照射ノズル１２は、治療台２２の周りを３６０度回転可能な回転ガントリ２３の内側に取り付けられており、回転ガントリ２３によって任意の回転位置に移動可能とされている。照射ノズル１２には、後述する収束電磁石１９、スキャニング電磁石２１、真空ダクト２８が含まれている。スキャニング電磁石２１は、照射ノズル１２の中に設けられている。スキャニング電磁石２１は、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向へ荷電粒子線を走査するＸ方向走査電磁石と、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向と交差するＹ方向へ荷電粒子線を走査するＹ方向走査電磁石と、を有している。また、スキャニング電磁石２１により走査された荷電粒子線はＸ方向及び／又はＹ方向へ偏向されるため、スキャニング電磁石よりも下流側の真空ダクト２８は、その径が下流側ほど拡大されている。

ビーム輸送ライン１３は、荷電粒子線が通る真空ダクト１４を有している。真空ダクト１４の内部は真空状態に維持されており、輸送中の荷電粒子線を構成する荷電粒子が空気等により散乱することを抑制している。

また、ビーム輸送ライン１３は、加速器１１から出射された所定のエネルギー幅を有する荷電粒子線から所定のエネルギー幅よりも狭いエネルギー幅の荷電粒子線を選択的に取り出すＥＳＳ（Energy Selection System）１５と、ＥＳＳ１５によって選択されたエネルギー幅を有する荷電粒子線を、エネルギーが維持された状態で輸送するＢＴＳ（Beam Transport System）１６と、ＢＴＳ１６から回転ガントリ２３に向けて荷電粒子線を輸送するＧＴＳ（Gantry Transport System）１７と、を有している。

デグレーダ１８は、通過する荷電粒子線のエネルギーを低下させて当該荷電粒子線の飛程を調整する。患者の体表から被照射体である腫瘍までの深さは患者ごとに異なるため、荷電粒子線を患者に照射する際には、荷電粒子線の到達深さである飛程を調整する必要がある。デグレーダ１８は、加速器１１から一定のエネルギーで出射された荷電粒子線のエネルギーを調整することにより、患者体内の所定の深さにある被照射体に荷電粒子線が適切に到達するように調整する。このようなデグレーダ１８による荷電粒子線のエネルギー調整は、被照射体をスライスした層毎に行われる。

電磁石２５は、ビーム輸送ライン１３に複数設けられるものであり、磁場によってビーム輸送ライン１３で荷電粒子線を輸送することができるように、当該荷電粒子線の調整を行うものである。電磁石２５として、輸送中の荷電粒子線のビーム径を収束させる収束電磁石１９、及び荷電粒子線を偏向させる偏向電磁石２０が採用される。なお、以下では収束電磁石１９及び偏向電磁石２０を区別せずに電磁石２５と記載する場合がある。また、電磁石２５は、少なくともビーム輸送ライン１３のうちデグレーダ１８よりも下流側に複数設けられる。ただし、本実施形態では、電磁石２５は、デグレーダ１８よりも上流側にも設けられる。ここでは、電磁石２５として収束電磁石１９が、デグレーダ１８によるエネルギー調整前の荷電粒子線のビーム径を収束させるために、デグレーダ１８の上流側にも設けられている。電磁石２５の総数は、ビーム輸送ライン１３の長さ等により柔軟に変更が可能であり、例えば、１０〜４０程度の数とされる。なお、図１中には電磁石電源２７が一部のみ記載されているが、実際には、電磁石２５の数と同数、設けられている。本実施形態では、偏向電磁石２０として、後述するマグネット装置１００（図２及び図３参照）が用いられている。

デグレーダ１８及び電磁石２５のビーム輸送ライン１３中における位置は特に限定されないが、本実施形態では、ＥＳＳ１５には、デグレーダ１８、収束電磁石１９、及び偏向電磁石２０が設けられている。また、ＢＴＳ１６には収束電磁石１９が設けられており、ＧＴＳ１７には収束電磁石１９及び偏向電磁石２０が設けられている。なお、デグレーダ１８は、上述したように加速器１１と回転ガントリ２３との間であるＥＳＳ１５に設けられており、より詳細には、ＥＳＳ１５のうち回転ガントリ２３よりも加速器１１側（上流側）に設けられている。

電磁石電源２７は、対応する電磁石２５に電流を供給することによって電磁石２５の磁界を生じさせる。電磁石電源２７は、対応する電磁石２５に供給する電流を調整することにより、対応する電磁石２５の磁場の強さを設定可能である。電磁石電源２７は、制御部３０からの信号に応じて電磁石２５に供給する電流を調整している。電磁石電源２７は、各電磁石２５それぞれに一対一で対応するように設けられている。すなわち、電磁石電源２７は、電磁石２５の数と同数、設けられている。また、偏向電磁石２０であるマグネット装置１００に電流を供給する電磁石電源２７は、後述する第１電源５１及び第２電源５２を有する（図５参照）。

被照射体の各層の深さと電磁石２５に供給される電流との関係は以下のとおりである。すなわち、各層の深さから、各層に荷電粒子線を照射するために必要な荷電粒子線のエネルギーが決まり、デグレーダ１８によるエネルギー調整量が決まる。ここで、荷電粒子線のエネルギーが変わると、当該荷電粒子線を偏向・収束するために必要な磁場の強さも変わることとなる。従って、電磁石２５の磁場の強さがデグレーダ１８によるエネルギー調整量に応じた強さとなるように、電磁石２５に供給される電流が決まる。

制御部３０は、加速器１１から出射された荷電粒子線の被照射体への照射を制御する。制御部３０は、加速器１１を制御して荷電粒子線の出射を行わせる。制御部３０は、ＥＳＳ１５、ＢＴＳ１６、及びＧＴＳ１７を制御して、加速器１１から出射された荷電粒子線を輸送させる。また、制御部３０は、被照射体への荷電粒子線のスキャニング（走査）を制御する。

ここで、荷電粒子線治療では、ある患者の治療を行うにあたり、その患者へどのように荷電粒子線を照射するかが計画される（治療計画）。当該治療計画時に決定した治療計画データは、治療が行われる前に治療計画装置（図示せず）から制御部３０に送信され、制御部３０において記憶される。当該治療計画データには、被照射体の各層に荷電粒子線を照射するためのデグレーダ１８のエネルギー調整量、及び、デグレーダ１８のエネルギー調整量に応じた全ての層に照射するための電磁石２５のパラメータ等が含まれている。また、当該治療計画データには、偏向電磁石２０として用いられる超伝導電磁石４１の超伝導コイル４２に供給される電流値に関するデータ等が含まれている。

次に、超伝導電磁石４１を備えたマグネット装置（超伝導電磁石装置）１００について説明する。図２に示すように、マグネット装置１００は、上下一対の超伝導電磁石４１を対向配置することで構成されている。超伝導電磁石４１は、内部にコイルユニット４４を収容する真空容器である一対のクライオスタット４５と、クライオスタット４５の外側に設けられる一対のヨーク（鉄心）４３と、を備えている。

上側の超伝導電磁石４１のクライオスタット４５と下側の超伝導電磁石４１のクライオスタット４５とは、互いに上下を逆転した状態で対向し、支柱４６を介して互いに離間するように連結されている。マグネット装置１００は、一対のクライオスタット４５の間を通過する荷電粒子線Ｂの軌道を曲げる上記の偏向電磁石２０として機能する。

図３は、マグネット装置１００の荷電粒子線の軌道に交差する断面図である。なお、図３では、クライオスタット４５の図示を省略し、一対の超伝導コイル４２、一対のヨーク４３、及び真空ダクト１４を図示している。真空ダクト１４は、内部を真空状態とすることができ、荷電粒子線Ｂが通過する管路を形成するものである。一対のヨーク４３は、上下方向に対向して配置され、超伝導コイル４２の周囲で発生する磁束を案内する。

ヨーク４３は、図３に示される断面において図示左右方向（中心軸線Ｃ方向及び荷電粒子線の軌道と交差する方向）に沿って配置されたヨーク本体４３ａと、ヨーク本体４３ａの図示左右方向の両端部から中心軸線Ｃ方向に張り出す一対の張出部４３ｂと、ヨーク本体４３ａの図示左右方向の中央部から中心軸線Ｃ方向に張り出す凸部４３ｃと、を備えている。

一対の張出部４３ｂは、凸部４３ｃと同じ向きに張り出し、中心軸線Ｃ方向において凸部４３ｃよりも大きく張り出している。一対の超伝導電磁石４１は、対向する張出部４３ｂ同士が当接し、対向する凸部４３ｃ間にギャップ（隙間）Ｇが形成されている。ギャップＧは、中心軸線Ｃ方向に対向する凸部４３ｃの先端面４３ｄ間に形成され、このギャップＧに、真空ダクト１４が配置されている。

また、図示左右方向において凸部４３ｃの両側には、凹部４３ｅが形成されている。凹部４３ｅは凸部４３ｃと一対の張出部４３ｂとの間に形成され、この凹部４３ｅに超伝導コイル４２が配置されている。

超伝導電磁石４１は、通電されて磁束を発生させる超伝導コイル４２と、超伝導コイル４２を冷却する冷凍機４７と、超伝導コイル４２に電流を導入して通電させる電流導入部４８と、備えている。超伝導コイル４２は、上下方向に延在する所定の中心軸線Ｃ周りに配置され、中心軸線Ｃ方向から見て略矩形状を成している。超伝導コイル４２は、周方向に少なくとも２以上の異なる曲率を有している。

超伝導コイル４２の形状は特に限定されず、図４（ａ）に示されるような略Ｄ型の形状を有するＤ型コイル４２Ａを採用してもよく、図４（ｂ）に示されるようなレーストラックコイル４２Ｂを採用してもよく、図４（ｃ）に示されるようなくら形コイル４２Ｃを採用してもよい。また、超伝導コイル４２は、中心軸線に対して対称をなす形状を有していてもよく、非対称をなす形状を有していてもよい。

超伝導コイル４２は、超伝導線材を巻回した構成を有している。超伝導線材として高温超伝導線材を用いてもよい。高温超伝導線材として、例えばＢｉ２２２３、Ｂｉ２２１２、Ｙ１２３、ＭｇＢ２、酸化物超伝導体等を用いてもよい。なお、超伝導線材として低温超伝導線材を用いてもよい。

超伝導コイル４２は、第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂを有し、第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂが積層されて２段構成となっている。第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂは、中心軸線Ｃ方向に重ねられ、凸部４３ｃの先端面４３ｄに近い方が第１コイル部４２ａであり、凸部４３ｃの先端面４３ｄから遠い方が第２コイル部４２ｂである。また、第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂは、クライオスタット４５の内部で、クライオスタット４５の壁面に支持されている。

図５は、第１コイル部４２ａに電流を供給する電気回路及び第２コイル部４２ｂに電流を供給する電気回路を示す回路図である。マグネット装置１００は、第１コイル部４２ａに電流を供給する第１電源５１と、第２コイル部４２ｂに電流を供給する第２電源５２とを備えている。第１電源５１は、電流導入部を介して第１コイル部４２ａと電気的に接続され、第２電源５２は、電流導入部を介して第２コイル部４２ｂと電気的に接続されている。マグネット装置１００は、第１コイル部４２ａに電流を供給する電気回路５３、及び第２コイル部４２ｂに電流を供給する電気回路５４をそれぞれ独立して備えている。

また、マグネット装置１００では、第１電源５１は、第２電源５２よりも大きな電流を流すものであり、第１コイル部４２ａに流れる電流値Ｉ_１は、第２コイル部４２ｂに流れる電流値Ｉ_２よりも大きくなっている（Ｉ_１＞Ｉ_２）。第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂに流れる電流は、同一の向き流れるように、各電気回路５３，５４が構成されている。

冷凍機４７は、図示しない伝熱部材を介して第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂと接続されている。第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂの熱は、伝熱部材を介して冷凍機４７に伝達され、第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂは冷凍機４７によって冷却されて、所定の温度（例えば４Ｋ）に維持される。

次に、本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１及びマグネット装置１００の作用について説明する。

荷電粒子線治療装置１では、加速器１１によって荷電粒子が加速され、加速器１１から出射された荷電粒子線はビーム輸送ライン１３によって輸送される。ビーム輸送ライン１３によって輸送された荷電粒子線は、照射ノズル１２から出射されて、患者に照射されて治療に利用される。

荷電粒子線治療装置１のビーム輸送ライン１３には、偏向電磁石２０として機能するマグネット装置１００が設けられている。マグネット装置１００では、超伝導コイル４２が通電されて、超伝導コイル４２の周囲に磁束が発生する。この磁束がヨーク４３を通り超伝導コイル４２周りに磁気回路を形成し、対向する一対のヨーク４３の凸部４３ｃが磁極となる。超伝導コイル４２に流れる電流の向きに応じて、図３に示す場合には、例えば、一対の凸部４３ｃ間において上向きの起磁力を生じさせる。マグネット装置１００では、ギャップＧ内に真空ダクト１４が配置され、荷電粒子線に起磁力を作用させて荷電粒子線を偏向する。

ここで、図６を参照して、ヨーク４３の凸部４３ｃからの漏洩磁束について説明する。図６では、磁束密度が高い領域を濃く図示し、磁束密度が低い領域を薄く図示している。図６（ａ）は、ヨーク４３における磁力線及び磁束密度を示し、図６（ｂ）は、超伝導コイル４２における磁束密度を示している。

図６（ａ）に示されるように、凸部４３ｃの先端面４３ｄの張出部４３ｂ側において、張出部４３ｂに向かうように磁力線が伸びている。図６（ｂ）に示されるように、超伝導コイル４２において、ヨーク４３の凸部４３ｃ間に形成されたギャップＧに近い方の第１コイル部４２ａは、ギャップＧから遠い方の第２コイル部４２ｂよりも磁束密度が高くなっている。また、第１コイル部４２ａにおいても、ギャップＧに最も近い角部４２ｇで、その他の部分と比較して、磁束密度が高くなっている。コイルに通電可能な最大電流は磁束密度の影響を受けるので、ギャップＧから遠い方の第２コイル部４２ｂは、ギャップＧから近い方向の第１コイル部４２ａと比較して、通電可能な最大電流に余裕がある。

マグネット装置１００は、ギャップＧに近い方に配置された第１コイル部４２ａに電流を供給する第１電源５１と、ギャップＧから遠い方に配置された第２コイル部４２ｂに電流を供給する第２電源５２とを備えている。これにより、第１コイル部４２ａと第２コイル部４２ｂとに流れる電流値（Ｉ_１＞Ｉ_２）を異なるものとすることができる。マグネット装置１００では、第１コイル部４２ａに流れる電流値Ｉ_１を、第２コイル部４２ｂに流れる電流値Ｉ_２よりも高く設定することで、第１コイル部４２ａに流れる電流値の配分を高くして、第２コイル部４２ｂに流れる電流値の配分を低く抑えることができる。従来と比較すると、超伝導コイル４２による起磁力を同一した場合、第２コイル部４２ｂにおける超伝導コイル４２の断面積を削減することができる。換言すれば、超伝導コイル４２の断面積を小さくしても、起磁力を確保することができる。その結果、超伝導コイル４２の材料の使用量を削減することができる。

次に第２実施形態に係るマグネット装置について説明する。第２実施形態のマグネット装置が第１実施形態のマグネット装置１００と違う点は、超伝導コイル４２に電流を供給する電気回路が異なる点である。図７は、第２実施形態に係るマグネット装置の超伝導コイル４２に電流を供給する電気回路を示す回路図である。第２実施形態のマグネット装置１００では、第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂに電流を供給する主電源５５と、第１コイル部４２ａに電流を供給する補助電源５６とを備えている。第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂは直列に接続され、主電源５５によって電流が供給される。補助電源５６は、第１コイル部４２ａのみに電流を供給するように電気的に接続されている。

このような構成の第２実施形態のマグネット装置１００では、主電源５５によって、第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂの両方に電流を供給することができ、補助電源５６によってさらに第１コイル部４２ａのみに電流を供給することができる。第２実施形態のマグネット装置１００によれば、ギャップＧに近い方の第１コイル部４２ａの電流値Ｉ_１を、ギャップＧから遠い方の第２コイル部４２ｂの電流値Ｉ_２よりも高くすることができる。これにより、第１コイル部４２ａと第２コイル部４２ｂとの間で電流密度に差を設けることができる。そのため、通電可能な最大電流に余裕がある第２コイル部４２ｂの断面積を削減して、超伝導コイル４２の材料の使用量を削減することができる。

次に第３実施形態に係るマグネット装置について説明する。図８は、第３実施形態に係るマグネット装置の超伝導コイルを示す断面図である。第３実施形態のマグネット装置が第１実施形態のマグネット装置１００と違う点は、第１コイル部４２ａの巻線密度と、第２コイル部４２ｂの巻線密度とが異なる点である。具体的には、ギャップＧに近い方の第１コイル部４２ａの巻線密度は、ギャップＧから遠い方の第２コイル部４２ｂの巻線密度よりも高くなっている。例えば、第２コイル部４２ｂでは、超伝導コイル４２の径方向（図示左右方向）に隣接する線材５７間に隙間が形成され、第１コイル部４２ａでは、超伝導コイル４２の径方向に隣接する線材５７同士が密着するように、線材５７が巻かれて超伝導コイル４２が形成されている。第２コイル部４２ｂでは、スペーサ５８を挟んで線材５７を巻き付けることで形成されていてもよい。なお、第３実施形態のマグネット装置では、第１コイル部４２ａの電流値と、第２コイル部４２ｂの電流値とが同じ値となるように電流が供給されている。この場合、共通の電源から第１コイル部４２ａ及び第２コイル部４２ｂに電流を供給してもよく、別々の電源から第１コイル部４２ａ、第２コイル部４２ｂにそれぞれ電流を供給してもよい。

このような第３実施形態に係るマグネット装置によれば、ギャップＧに近い方の第１コイル部４２ａの巻線密度が、ギャップから遠い方の第２コイル部４２ｂの巻線密度よりも高くなっているので、第１コイル部４２ａと第２コイル部４２ｂとで、単位断面積当たりの電流密度に差を設けることができる。これにより、超伝導コイル４２による起磁力を維持したまま、超伝導コイル４２の材料の使用量を削減することができる。

次に第４実施形態に係るマグネット装置について説明する。第４実施形態のマグネット装置では、ギャップＧに近い方の第１コイル部４２ｃ，４２ｅの断面積が、ギャップＧから遠い方の第２コイル部４２ｄ，４２ｆの断面積よりも大きくなっている。図９は、第４実施形態に係るマグネット装置の超伝導コイルの断面図である。図９（ａ）では、段階的に断面積が減少しているタイプの超伝導コイルを示し、図９（ｂ）では、ギャップＧからの距離に応じて断面積が減少しているタイプの超伝導コイルを示している。なお、コイル部の断面積とは、例えば単位面積当たりの線材の断面積の合計である。

このような第４実施形態のマグネット装置においても、上記実施形態と同様に、ギャップＧに近い方の第１コイル部４２ｃ，４２ｅと、ギャップＧから遠い方の第２コイル部４２ｄ，４２ｆとで、電流密度に差を設け、第１コイル部４２ｃ，４２ｅに流れる電流値の配分を第２コイル部４２ｄ，４２ｆに流れる電流値の配分よりも高く設定することができる。第２コイル部４２ｄ，４２ｆに流れる電流値の配分を低く押させることができるので、超伝導コイル４２による起磁力を同一とした場合に、第２コイル部４２ｄ，４２ｆにおいて断面積を削減することができる。その結果、超伝導コイル４２の材料の使用量を削減することができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

なお、上記実施形態では、超伝導コイル部は、第１コイル部及び第２コイル部を有し、２段構成として、説明されている。超伝導コイル部は、第１コイル部及び第２コイル部の他に、他のコイル部を備え、３段以上の構成でもよい。この場合には、例えば、ギャップＧに近い方から順に電流密度が高くなるように、電流密度分布を生じさせる。

また、上記実施形態では、中心軸線Ｃ方向において、ギャップＧに近い方を第１コイル部とし、ギャップＧから遠い方を第２コイル部としているが、中心軸線Ｃと直交する方向（図示左右方向）において、ギャップＧに近い方を第１コイル部とし、ギャップＧから遠い方を第２コイル部としてもよい。

また、第１実施形態において、マグネット装置１００を備えた荷電粒子線治療装置１について説明しているが、第２〜第４実施形態に係る超伝導コイルを有する超伝導電磁石を備えた荷電粒子線治療装置でもよく、その他の超伝導電磁石を備えた荷電粒子線治療装置でもよい。

マグネット装置１００は、例えば回転ガントリ２３の外周部に取り付けられて、回転ガントリ２３と共に回転移動可能な偏向電磁石として用いられてもよく、ＥＳＳ１５やＢＴＳ１６における偏向電磁石として使用されるものでもよい。

また、上記実施形態では、マグネット装置を偏向電磁石として使用する場合について説明しているが、本発明のマグネット装置は、偏向電磁石に使用されるものに限定されず、その他の用途に使用してもよい。本発明のマグネット装置は、加速器において、荷電粒子を加速する際に使用される超伝導電磁石でもよい。

また、第１コイル部の巻線密度を第２コイル部の巻線密度より高くすると共に、第１コイル部の電流値を、第２コイル部の電流値より高くしてもよい。

１…荷電粒子線治療装置、４１…超伝導電磁石、４２…超伝導コイル、４２ａ，４２ｃ，４２ｅ…第１コイル部、４２ｂ，４２ｄ，４２ｆ…第２コイル部、４３…ヨーク（鉄心）、５１…第１電源、５２…第２電源、１００…マグネット装置、Ｃ…中心軸線、Ｇ…ギャップ。

Claims (4)

1. 中心軸線周りに配置された第１コイル部及び第２コイル部を各々有する一対の超伝導コイルと、
   中心軸線方向において前記一対の超伝導コイル間にギャップを有し、前記ギャップを挟んで一対の磁極を形成する一対の鉄心と、
   前記第２コイル部よりも前記ギャップに近い方に配置された前記第１コイル部に電流を供給する第１電源と、
   前記第２コイル部に電流を供給する第２電源と、を備える、超伝導電磁石装置。
2. 中心軸線周りに配置された第１コイル部及び第２コイル部を各々有する一対の超伝導コイルと、
   中心軸線方向において前記一対の超伝導コイル間にギャップを有し、前記ギャップを挟んで一対の磁極を形成する一対の鉄心と、を備え、
   前記第１コイル部は、前記第２コイル部よりも前記ギャップに近い方に配置され、
   前記第１コイル部の巻線密度が、前記第２コイル部の巻線密度よりも高い、超伝導電磁石装置。
3. 中心軸線周りに配置された第１コイル部及び第２コイル部を各々有する一対の超伝導コイルと、
   中心軸線方向において前記一対の超伝導コイル間にギャップを有し、前記ギャップを挟んで一対の磁極を形成する一対の鉄心と、を備え、
   前記第１コイル部は、前記第２コイル部よりも前記ギャップに近い方に配置され、
   前記第１コイル部の電流密度が、前記第２コイル部の電流密度よりも高い、超伝導電磁石装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の超伝導電磁石装置を備えた、荷電粒子線治療装置。