JP2017000584A - 荷電粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイルを備えた荷電粒子線治療装置を提供する。【解決手段】 荷電粒子線治療装置１は、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器１１と、荷電粒子線を患者Ｐの腫瘍へ照射する照射ノズル１２と、超伝導電磁石１０により構成され且つ荷電粒子線を偏向させる偏向電磁石２０を有するビーム輸送ライン１３と、を備え、超伝導電磁石１０は、その周面に第一貫通穴６及び第二貫通穴７を有する筒状の巻枠５と、巻枠５にテープ線材８が巻回されることにより形成される超伝導コイル９と、を有し、超伝導コイル９は、テープ線材８が、第一貫通穴６及び第二貫通穴７に挿通されると共に第一貫通穴６と第二貫通穴７との間で巻枠５の内周面５ａ側に巻回されることにより形成される内巻部９ａを有している。【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子線治療装置に関する。

被照射体に荷電粒子線を照射することによって治療を行う荷電粒子線治療装置として、例えば特許文献１に記載された荷電粒子線治療装置が知られている。この荷電粒子線治療装置は、加速器で加速された荷電粒子線を偏向させて被照射体へ導く超伝導電磁石を備えている。超伝導電磁石は、断面形状の一部が凹状である超伝導コイルによって構成されている。

特開２０１１−７２７１７号公報

一般に、超伝導コイルは、テープ線材を筒状の巻枠に対して巻回することで形成される。この際、テープ線材に張力を加えながら巻回することにより、テープ線材には巻回方向に沿って線材張力が作用する。超伝導コイルの断面形状が、凹状の部分を含まない例えば円形状等である場合には、円筒状の巻枠に対してテープ線材が巻回され、この巻回方向に沿った線材張力が、テープ線材を巻枠へ押し付ける方向の圧縮力として作用する。このため、巻回されたテープ線材は、当該圧縮力によって巻枠に押し付けられて保持される。

一方、上記特許文献１に示すように、断面形状の一部が凹状である超伝導コイルを形成する場合には、凹部を有する筒状の巻枠に対してテープ線材を巻回する必要がある。この場合、巻枠の凹部において、巻回方向に沿った線材張力が、円形状に復元しようとする復元力として、超伝導コイルの内周側から外周側へ向かう方向に作用する。よって、この復元力により、テープ線材が巻枠から引き剥がされる方向に移動してしまう可能性がある。また、巻枠の凹部では線材張力が緩みやすく、巻回されたテープ線材に強力な張力を付与することが困難である。このため、線材張力だけではテープ線材を巻枠に保持することができず、テープ線材が巻枠から剥がれないように、例えば固定冶具等によって巻枠に対してテープ線材を押し付けながら巻回しなければならない。このように、従来は、テープ線材を巻枠に巻回して固定するのに手間がかかる上、固定力が弱いという問題がある。

そこで本発明は、容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイル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。

上記課題を解決するため、本発明に係る荷電粒子線治療装置は、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器と、荷電粒子線を被照射体へ照射する照射部と、超伝導電磁石により構成され且つ荷電粒子線を偏向させる偏向電磁石を有するビーム輸送部と、を備え、超伝導電磁石は、その周面に第一貫通穴及び第二貫通穴を有する筒状の巻枠と、巻枠にテープ線材が巻回されることにより形成される超伝導コイルと、を有し、超伝導コイルは、テープ線材が、第一貫通穴及び第二貫通穴に挿通されると共に第一貫通穴と第二貫通穴との間で巻枠の内周面側に巻回されることにより形成される内巻部を有している。

本発明に係る荷電粒子線治療装置において、超伝導コイルの内巻部では、テープ線材が巻枠の内周面側に巻回されている。このため、内巻部において、テープ線材の巻回方向に沿った線材張力が、円形状に復元しようとする復元力として、超伝導コイルの内周側から外周側へ向かう方向に作用する場合であっても、超伝導コイルの内周側から外周側へ向かう方向へテープ線材が移動しないように、巻枠の内周面で保持することができる。よって、線材張力の作用だけでテープ線材を巻枠に保持することができるため、巻枠に対して容易にテープ線材を巻回することができる。また、テープ線材が巻枠の内周面に保持されることにより、テープ線材が緩む部分がないため、巻回されたテープ線材に強力な張力を付与することができ、テープ線材の固定力を強くすることができる。以上より、容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイルを備えた荷電粒子線治療装置が提供される。

本発明に係る荷電粒子線治療装置において、巻枠は、その周面が巻枠の内部空間側に窪んだ凹部を有しており、第一貫通穴及び第二貫通穴は、凹部に形成されていてもよい。この場合、凹部において、テープ線材の巻回方向に沿った線材張力が、円形状に復元しようとする復元力として、超伝導コイルの内周側から外周側へ向かう方向に作用する。本発明では、巻枠の凹部に形成された第一貫通穴と第二貫通穴との間で、テープ線材が巻枠の内周面側に巻回されているため、凹部において作用する復元力によってテープ線材が巻枠の内周面に押し付けられて保持される。よって、テープ線材を巻回する際、線材張力の作用だけでテープ線材を巻枠に保持することができるため、巻枠に対して容易にテープ線材を巻回することができる。また、テープ線材が巻枠の内周面に保持されることにより、テープ線材が緩む部分がないため、巻回されたテープ線材に強力な張力を付与することができ、テープ線材の固定力を強くすることができる。以上より、容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイルを備えた荷電粒子線治療装置が提供される。

本発明に係る荷電粒子線治療装置において、第一貫通穴及び第二貫通穴は、それぞれスリット状を呈していてもよい。この場合、スリット状の第一貫通穴及び第二貫通穴に対し、テープ線材を挿通し易く、より容易にテープ線材を巻枠に巻回することができる。

本発明に係る荷電粒子線治療装置において、超伝導コイルは、テープ線材が積層されてなる第一層及び第二層を有し、第二層は、第一層の上側にテープ線材を巻回することによって形成されており、内巻部では、第一層は、第二層に比べて超伝導コイルの外周側に位置していてもよい。例えば内巻部において、テープ線材の巻回方向に沿った線材張力が、円形状に復元しようとする復元力として、超伝導コイルの内周側から外周側へ向かう方向に作用する場合、この復元力は、超伝導コイルの外周側に近いほど小さくなる。よって、内巻部では、第二層に比べて超伝導コイルの外周側に位置している第一層の方が、第二層よりも当該復元力が小さく作用し、変形し難いため、このような第一層によって第二層を保持することができ、全体として強固な超伝導コイルを容易に形成することができる。また、復元力の作用によって第二層が第一層側へ押し付けられると共に、第一層が巻枠の内周面側へ押し付けられて保持されるため、各層の密着性を高めることができると共に、内周面に対するテープ線材の保持力を高めることができる。よって、テープ線材をより強固に固定することができる。

また、本発明に係る荷電粒子線治療装置は、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器と、荷電粒子線を被照射体へ照射する照射部と、超伝導電磁石により構成され且つ荷電粒子線を偏向させる偏向電磁石を有するビーム輸送部と、を備え、超伝導電磁石は、テープ線材が筒状に巻回されることにより形成され、その内周側から外周側へ向かう方向の復元力がテープ線材に対して作用する内巻部を含む超伝導コイルを有し、超伝導コイルは、テープ線材が積層されてなる第一層及び第二層を有し、第二層は、第一層の上側にテープ線材を巻回することによって形成されており、内巻部では、第一層は、第二層に比べて超伝導コイルの外周側に位置している。

本発明に係る荷電粒子線治療装置において、超伝導コイルの内巻部では、超伝導コイルの内周側から外周側へ向かう方向の復元力がテープ線材に対して作用する。当該復元力は、超伝導コイルの外周側に近いほど小さくなる。よって、内巻部では、第二層に比べて超伝導コイルの外周側に位置している第一層の方が、第二層よりも当該復元力が小さく作用し、変形し難いため、第一層によって第二層を保持することができ、全体として強固な超伝導コイルを容易に形成することができる。よって、容易に且つ強い固定力で超伝導コイルを形成することができる。以上より、容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイルを備えた荷電粒子線治療装置が提供される。

超伝導コイルは、内巻部を挟む二か所の位置のそれぞれにおいて、テープ線材が捩じられた捩じり部を有してもよい。この場合、内巻部を挟む二か所の位置のそれぞれにおいて、捩じり部によってテープ線材の表面と裏面とを反転させた上で、内巻部を形成するテープ線材を巻回することができる。これにより、積層方向で全てのテープ線材を隙間なく積層することができ、超伝導コイルの固定力をより強固にすることが可能となる。

本発明によれば、容易に且つ高い固定力で形成することができる超伝導コイルを備えた荷電粒子線治療装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る荷電粒子線治療装置を示す概略図である。 本実施形態に係る超伝導電磁石を示す概略斜視図である。 本実施形態に係る超伝導電磁石を示す概略断面図である。 従来技術の課題を説明するための図である。 変形例に係る超伝導電磁石を示す概略断面図である。 変形例に係る超伝導電磁石の巻枠を示す概略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る荷電粒子線治療装置の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、荷電粒子線治療装置１は、放射線療法によるがん治療等に利用される装置である。荷電粒子線治療装置１は、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（ビーム輸送部）と、ビーム輸送ライン１３に設けられた複数の電磁石２５と、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、又はライナック等であってもよい。

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を照射し、治療が行われる。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。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。具体的に、荷電粒子線治療装置１は、被照射体を深さ方向（荷電粒子線の照射方向）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ていない。また、荷電粒子線の照射方式は、スキャニング法に限られず、例えばブロードビーム法又は積層原体法等の他の照射方式でもよい。

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、収束電磁石１９（詳細は後述）、スキャニング電磁石２１、及び真空ダクト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。なお、上記した照射ノズル１２に含まれる構成要素は、荷電粒子線の照射方式がスキャニング法の場合のものである。荷電粒子線の照射方式がスキャニング法ではなく他の照射方式である場合、照射ノズル１２には、上記とは異なる構成要素が含まれる。

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には、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（不図示）等が設けられている。

電磁石２５は、ビーム輸送ライン１３に複数設けられている。電磁石２５は、磁場によって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。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、ビーム輸送ライン１３には、電磁石電源（不図示）が、各電磁石２５に対応して設けられている。電磁石電源は、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２０，２４が採用される。本実施形態において、偏向電磁石２０，２４は、超伝導電磁石によって構成されている。

超伝導電磁石は、低温に冷却されると電気抵抗が限りなく０に近くなるコイル（線材）により構成される電磁石である。超伝導電磁石は、コイルを冷凍機又は液体ヘリウム等の冷却部材（不図示）により冷却して所定温度以下とすることで超伝導状態として、この超伝導状態となったコイルに電流を流して励磁することで強力な磁場を発生させる。

偏向電磁石２４は、回転ガントリ２３内に設けられており、加速器１１の最も近くに位置している。この偏向電磁石２４は、断面形状が略円形状を有しており、図２で示すような形状を有していない。一方、偏向電磁石２０は、回転ガントリ２３の外部に設けられており、断面略円形状の回転ガントリ２３の外周面に沿った形状を有している。すなわち、偏向電磁石２０は、図２に示すように、その断面がくの字型に形成されている。

次に、図２及び図３を参照し、偏向電磁石２０を構成する超伝導電磁石について説明する。図２は、本実施形態に係る超伝導電磁石を示す概略斜視図である。図３は、本実施形態に係る超伝導電磁石を示す概略断面図である。図２及び図３に示すように、超伝導電磁石１０は、筒状の巻枠５と、巻枠５にテープ線材８が巻回されることにより形成される超伝導コイル９と、を有している。

巻枠５には、テープ線材８が巻回され、これにより、テープ線材８がコイル状に形成される。巻枠５は、円筒状の周面の一部が潰れた形状を有している。すなわち、巻枠５は、周面が凸状を呈した凸部３１と、周面が凹状を呈した凹部３３と、を有している。巻枠５は、内周面５ａ及び外周面５ｂを有している。以下、巻枠５の内周面５ａ側の空間を内部空間Ａとし、巻枠５の外周面５ｂ側の空間を外部空間Ｂとして説明する。

巻枠５の凸部３１は、正の曲率を有しており、外部空間Ｂ側に突出している。巻枠５の凹部３３は、負の曲率を有しており、内部空間Ａ側に窪んでいる。凸部３１と凹部３３とは、滑らかに連続している。凸部３１と凹部３３との境界で、曲率の正負が切り替わっており、凸部３１と凹部３３とで曲率の正負が反転している。凹部３３は、テープ線材８が巻回される方向（以下、「巻回方向」ともいう）で互いにに離間した二ヵ所の位置に、負の曲率から正の曲率へと変わる部分となる変曲部３３ａ，３３ｂを有している。

また、巻枠５は、その周面に第一貫通穴６及び第二貫通穴７を有している。第一貫通穴６及び第二貫通穴７は、内周面５ａ及び外周面５ｂを貫通している。第一貫通穴６及び第二貫通穴７は、凹部３３に形成されている。第一貫通穴６と第二貫通穴７とは、巻枠５の周方向で、互いに離間して配置されている。第一貫通穴６と第二貫通穴７とは、凹部３３の一部又は全部をその間に含むように形成されている。例えば、第一貫通穴６は、凹部３３の変曲部３３ａの位置に形成され、第二貫通穴７は、凹部３３の変曲部３３ｂの位置に形成されている。なお、第一貫通穴６と第二貫通穴７とは、変曲部３３ａと変曲部３３ｂとの間の位置に形成されていてもよい。また、第一貫通穴６と第二貫通穴７とは、変曲部３３ａ，３３ｂよりも凸部３１側にずれた位置に形成されていてもよい。

テープ線材８は、巻枠５に巻回されることにより、断面形状の一部が凹状を呈する超伝導コイル９を形成する。テープ線材８は、例えば積層方向の厚みが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度であり、幅が４ｍｍ〜１２ｍｍ程度である。テープ線材８は、巻枠５に沿って巻回され、巻枠５上に積層される。なお、図２においては、巻枠５上に当接している一層だけが図示されており、当該層上に更に積層された他の層については図示を省略している。図３においては、巻枠５の上にテープ線材８が複数（ここでは、三つ）積層された例を示している。

超伝導コイル９は、巻枠５の凸部３１に対応する外巻部９ｂと、巻枠５の凹部３３に対応する内巻部９ａと、外巻部９ｂと内巻部９ａとの間に設けられた捩じり部９ｃ，９ｄと、を有している。外巻部９ｂは、巻枠５の凸部３１において、テープ線材８が、巻枠５の外周面５ｂ側に巻回されることによって形成されている。外巻部９ｂは、凸部３１の外周面５ｂに沿って形成され、外部空間Ｂ側に突出している。

内巻部９ａは、巻枠５の凹部３３において、テープ線材８が、第一貫通穴６及び第二貫通穴７に挿通されると共に第一貫通穴６と第二貫通穴７との間で巻枠５の内周面５ａ側に巻回されることによって形成されている。内巻部９ａは、凹部３３において内周面５ａ側に沿って形成され、内巻部９ａは、超伝導コイル９の外周側である外部空間Ｂから、超伝導コイル９の内周側である内部空間Ａに向かって窪んでいる。換言すると、内巻部９ａは、巻枠５の内部空間Ａ内に位置する中心点Ｘに向かって窪んでいる。中心点Ｘは、荷電粒子線が通過する中心点である。テープ線材８は、中心点Ｘを通る軸線（図３の紙面に対し垂直な仮想線）の回りに巻回されている。

捩じり部９ｃは、第一貫通穴６内に位置している。捩じり部９ｃは、第一貫通穴６内において、テープ線材８が捩じられることにより形成されている。捩じり部９ｃにより、テープ線材８の表面８ａと裏面８ｂとが反転される。よって、凸部３１の外周面５ｂ側に巻回されたテープ線材８は、第一貫通穴６を通ることにより、１８０°裏返された上で、凹部３３の内周面５ａ側に巻回される。すなわち、第一貫通穴６は、外巻部９ｂと内巻部９ａとの間において、テープ線材８を１８０°裏返す反転区間であり、テープ線材８はこの反転区間を通る毎に同じ方向に捩じられている。

捩じり部９ｄは、第二貫通穴７内に位置している。捩じり部９ｄは、第二貫通穴７内において、テープ線材８が捩じられることにより形成されている。捩じり部９ｄにより、テープ線材８の表面８ａと裏面８ｂとが反転される。よって、凹部３３に巻回されたテープ線材８は、第二貫通穴７を通ることにより、１８０°裏返された上で、凸部３１に巻回される。すなわち、第二貫通穴７は、内巻部９ａと外巻部９ｂとの間において、テープ線材８を１８０°裏返す反転区間であり、テープ線材８はこの反転区間を通る毎に同じ方向に捩じられている。

捩じり部９ｃ，９ｄによって、テープ線材８が１８０°裏返されることにより、テープ線材８の表面８ａは、外巻部９ｂでは外部空間Ｂ側を向いているのに対し、内巻部９ａでは内部空間Ａ側を向いている。また、テープ線材８の裏面８ｂは、外巻部９ｂでは巻枠５の外周面５ｂ側を向いているのに対し、内巻部９ａでは巻枠５の内周面５ａ側を向いている。

巻枠５に対し、テープ線材８が複数周回巻回されることにより、巻枠５上にはテープ線材８からなる複数のコイル層が積層されている。例えば、図３に示すように、超伝導コイル９は、コイル層４１と、コイル層４２と、コイル層４３と、を有している。コイル層４１は、巻枠５の上にテープ線材８が巻回されることによって形成されている。コイル層４１の裏面４１ｂは、外巻部９ｂでは、巻枠５の外周面５ｂに当接しており、内巻部９ａでは、巻枠５の内周面５ａに当接している。

コイル層４２は、コイル層４１の上にテープ線材８が巻回されることによって形成されている。コイル層４２の裏面４２ｂは、コイル層４１の表面４１ａに当接している。コイル層４３は、コイル層４２の上にテープ線材８が巻回されることによって形成されている。コイル層４３の裏面４３ｂは、コイル層４２の表面４２ａに当接している。

各コイル層４１〜４３は、上述の捩じり部９ｃ，９ｄをそれぞれ有しており、反転区間である第一貫通穴６及び第二貫通穴７のそれぞれを通る度に同じ方向に捩じられている。このため、各コイル層４１〜４３の断面は隙間なく積層された状態で整列している。

また、上述したように、捩じり部９ｃ，９ｄにより、テープ線材８の表面８ａと裏面８ｂとは、外巻部９ｂと内巻部９ａとで反転する。これにより、各コイル層４１〜４３では、各表面４１ａ，４２ａ，４３ａと、各裏面４１ｂ，４２ｂ，４３ｂとが、外巻部９ｂと内巻部９ａとで反転する。つまり、各コイル層４１〜４３の各表面４１ａ，４２ａ，４３ａは、外巻部９ｂでは外部空間Ｂ側を向いているのに対し、内巻部９ａでは内部空間Ａ側を向いている。各コイル層４１〜４３の各裏面４１ｂ，４２ｂ，４３ｂは、外巻部９ｂでは巻枠５の外周面５ｂ側を向いているのに対し、内巻部９ａでは巻枠５の内周面５ａ側を向いている。

外巻部９ｂにおいては、各コイル層４１〜４３が巻枠５の外周面５ｂ上に積層されているのに対し、内巻部９ａにおいては、各コイル層４１〜４３が巻枠５の内周面５ａ上に積層されている。これにより、超伝導コイル９の外周側から見た場合（すなわち、外部空間Ｂから内部空間Ａに向かう方向で見た場合）に、外巻部９ｂにおいては、コイル層４３、コイル層４２、及びコイル層４３の順に並んでいるのに対し、内巻部９ａにおいては、コイル層４１、コイル層４２、及びコイル層４３の順に並んでいる。すなわち、内巻部９ａでは、コイル層４１はコイル層４２に比べて超伝導コイル９の外周側に位置しており、且つ、コイル層４２はコイル層４３に比べて超伝導コイル９の外周側に位置している。

なお、コイル層の積層順に応じて、先に積層された層を第一層とし、第一層の上側に積層された層を第二層とする。本実施形態では、コイル層４１〜４３のうち、積層方向で巻枠５に近い側の層を第一層とし、この第一層の上にテープ線材を巻回することによって形成された層を第二層とする。積層方向で巻枠５に近い側の層とは、外巻部９ｂでは、巻枠５の外周面５ｂに近い側の層を示し、内巻部９ａでは、巻枠５の内周面５ａに近い側の層を示す。つまり、コイル層４１はコイル層４２に対して第一層であると共に、コイル層４２はコイル層４１に対して第二層である。また、コイル層４２はコイル層４３に対して第一層であると共に、コイル層４３はコイル層４２に対して第二層である。本実施形態では、巻枠５の上に三層のコイル層４１〜４３が形成されている例について説明したが、これに限られず、四層以上のコイル層が形成されている場合も同様に第一層及び第二層を定義することができる。

次に、図４を参照して、本実施形態の作用及び効果について説明する。図４は、従来技術の課題を説明するための図である。図４は、従来の荷電粒子線治療装置に採用される超伝導コイルの概略断面図を示している。図４の（ａ）は、凹部を含んでいない円筒状の超伝導コイルの概略断面図を示し、図４の（ｂ）は、凹部を含む超伝導コイルの概略断面図を示している。

図４の（ａ）に示すように、凹部を含んでいない円筒状の超伝導コイル１００は、円筒状の巻枠１０１にテープ線材を巻回することにより形成された巻線部１０２を有している。この場合、巻線部１０２の形成の際には、テープ線材に張力を加えながら巻回することで、巻回方向に沿ったテープ線材の線材張力Ｔ１が、巻枠１０１の径方向で巻枠１０１の外周面１０１ａに向かう方向の圧縮力Ｆ１として作用する。このような圧縮力Ｆ１が、巻枠１０１の周方向で均等に作用するため、当該圧縮力Ｆ１によってテープ線材が巻枠１０１の外周面１０１ａに対し保持される。

一方、図４の（ｂ）に示すように、凹部２００ａを含む超伝導コイル２００は、凹部２０１ａを含んだ筒状の巻枠２０１にテープ線材を巻回することにより形成された巻線部２０２を有している。この場合、超伝導コイル２００の凹部２００ａでは、巻回方向に沿ったテープ線材の線材張力Ｔ２が、円形状に復元しようとする復元力Ｆ２として、超伝導コイル２００の内周側から外周側へ向かう方向に作用する。よって巻線部２０２におけるテープ線材が、復元力Ｆ２の作用によって巻枠２０１から引き剥がされる方向に移動してしまう可能性がある。また、巻枠２０１の凹部２０１ａでは、線材張力が緩みやすく、巻回されたテープ線材に強力な張力を付与することが困難である。このため、線材張力だけではテープ線材を巻枠２０１に保持することができない。

そこで、従来、巻線部２０２を形成する際には、テープ線材が巻枠２０１から剥がれないように、例えば固定冶具等によって巻枠２０１に対してテープ線材を押し付けながら巻回しなければならない等、容易ではなかった。このように、従来は、テープ線材を巻枠２０１に巻回して固定するのに手間がかかる上、固定力が弱いという問題があった。テープ線材の固定力が弱いと、巻線部２０２の変形による磁場の計算誤差を生じる可能性、又は、テープ線材同士が擦れることにより熱が発生し超伝導状態が破壊されるおそれ等がある。

この従来の問題に対し、図２及び図３に示すように、本実施形態に係る超伝導コイル９では、巻枠５の凹部３３に対応する内巻部９ａにおいて、テープ線材８は巻枠５の内周面５ａ側に巻回されている。このため、内巻部９ａにおいて、テープ線材８の巻回方向に沿った線材張力が、円形状に復元しようとする復元力として、内部空間Ａから外部空間Ｂへ向かう方向に作用する場合であっても、内部空間Ａから外部空間Ｂへ向かう方向にテープ線材８が移動しないように、巻枠５の内周面５ａで保持することができる。

より具体的には、巻枠５の凹部３３では、図４の（ｂ）に示す復元力Ｆ２のように、内部空間Ａから外部空間Ｂへ向かって巻枠５からテープ線材８を引き剥がし、テープ線材８の線材張力を緩ませるような復元力が作用する。本実施形態によれば、巻枠５の凹部３３に形成された第一貫通穴６と第二貫通穴７との間で、テープ線材８が巻枠５の内周面５ａ側に巻回されているため、凹部３３において作用する復元力によってテープ線材８が巻枠５の内周面５ａに押し付けられて保持される。よって、線材張力の作用だけでテープ線材８を巻枠５に保持することができるため、巻枠５に対してテープ線材８を押し付ける固定冶具等を用いなくても、容易にテープ線材８を巻回することができる。また、テープ線材８が巻枠５の内周面５ａに保持されることにより、テープ線材８が緩む部分がないため、巻回されたテープ線材に強力な張力を付与することができ、テープ線材８の固定力を強くすることができる。

以上より、本実施形態によれば、容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイル９を備えた荷電粒子線治療装置１を提供することができる。

また、内巻部９ａにおいてテープ線材８の線材張力が復元力として作用する場合、巻枠５の内周面５ａに近いテープ線材８（すなわち、超伝導コイル９の外周側のテープ線材８）ほど、当該復元力は小さくなる。本実施形態において、内巻部９ａでは、コイル層４２に比べて巻枠５の内周面５ａの近くに位置しているコイル層４１の方が、コイル層４２よりも当該復元力が小さく作用し、変形し難い。よって、このようなコイル層４１によってコイル層４２を保持することができる。また、内巻部９ａでは、コイル層４３に比べて巻枠５の内周面５ａの近くに位置しているコイル層４２の方が、コイル層４３よりも当該復元力が小さく作用し、変形し難い。よって、このようなコイル層４２によってコイル層４３を保持することができる。これにより、全体として強固な超伝導コイル９を容易に形成することができる。また、復元力の作用によってコイル層４３がコイル層４２側へ押し付けられ、コイル層４２がコイル層４１側へ押し付けられると共に、コイル層４１が巻枠５の内周面５ａ側へ押し付けられて保持される。これにより、各層の密着性を高めることができると共に、内周面５ａに対するテープ線材８の保持力を高めることができる。よって、テープ線材８をより強固に固定することができる。

また、内巻部９ａを挟む二か所の位置のそれぞれにおいて、捩じり部９ｃ，９ｄによってテープ線材８の表面８ａと裏面８ｂとを反転させた上で、内巻部９ａを形成するテープ線材８を巻回することができる。これにより、積層方向で全てのテープ線材８を隙間なく積層することができ、超伝導コイル９の固定力を強固にすることが可能となる。

以上、本実施形態の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。

例えば、上記実施形態における巻枠５は、テープ線材８を巻回してコイル状に固定した後に除去されてもよい。すなわち、図５に示すように、変形例に係る超伝導磁石１０Ａにおいて、超伝導コイル９は、巻枠５を有さずに構成されていてもよい。この場合にも、内巻部９ａでは、コイル層４２よりも変形し難いコイル層４１によってコイル層４２を保持することができると共に、コイル層４３よりも変形し難いコイル層４２によってコイル層４３を保持することができ、全体として強固な超伝導コイルを容易に形成することができる。よって、容易に且つ強い固定力で超伝導コイルを形成することができる。

例えば、上記実施形態では、巻枠５の形状等は、上記実施形態に限られない。一例として、図６に示すように、巻枠５の第一貫通穴及び第二貫通穴は、それぞれスリット状を呈していてもよい。すなわち、巻枠５は、上記実施形態に係る第一貫通穴６及び第二貫通穴７に代えて、スリット状の第一貫通穴６Ａ及び第二貫通穴７を有していてもよい。第一貫通穴６Ａは、端部６ａが開口されており、第二貫通穴７Ａは、端部７ａが開口されている。この場合、スリット状の第一貫通穴６Ａ及び第二貫通穴７Ａに対し、テープ線材８を挿通し易く、より容易にテープ線材８を巻枠５に巻回することができる。

また、上記実施形態では、巻枠５は、円筒状の一部が潰れた形状を呈しているとしたが、これに限られない。巻枠５は、超伝導コイル９の内周側から外周側へ向かう方向の復元力がテープ線材に対して作用する部分を有していればよく、例えば凹部３３に加えて又は代えて、平面状の部分を有していてもよい。例えば、巻枠５は、断面Ｄ字状の筒状であって、凹部３３の代わりに平面部を有していてもよい。この場合、超伝導コイル９の内巻部９ａは、巻枠５の平面部において、テープ線材８が巻枠５の内周面５ａ側に巻回されることにより形成される。この場合であっても、テープ線材８は、平面部に作用する復元力によって巻枠５の内周面５ａに押し付けられて保持される。よって、上記実施形態と同様、容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイルを備えた荷電粒子線治療装置が提供される。

また、凹部３３に加えて又は代えて、曲率が正となる部分を有していてもよい。例えば、巻枠５は、凹部３３の代わりに、凸部３１と同じく正の曲率であり且つ曲率が凸部３１よりも小さい緩曲部を有していてもよい。この場合、超伝導コイル９の内巻部９ａは、巻枠５の緩曲部において、テープ線材８が巻枠５の内周面５ａ側に巻回されることにより形成される。この場合であっても、テープ線材８は、緩曲部に作用する復元力によって巻枠５の内周面５ａに押し付けられて保持される。よって、上記実施形態と同様、容易に且つ強い固定力で形成することができる超伝導コイルを備えた荷電粒子線治療装置が提供される。

また、テープ線材８の積層数は三層に限られず、一層又は四層以上であってもよい。さらに、テープ線材８の積層数が三層以上である場合、全てのテープ線材８が捩じられていなくてもよい。例えば、巻枠５の外周面５ｂ側に巻回される部分において最も外周面５ｂに近い側に位置するテープ線材８を、捩じることなく巻枠５の内周面５ａ側に巻回し、当該内周面５ａ側に巻回される部分ではテープ線材８が最も内周面５ａから遠い側に位置するようにしてもよい。

１…荷電粒子線治療装置、５…巻枠、５ａ…内周面、６，６Ａ…第一貫通穴、７，７Ａ…第二貫通穴、８…テープ線材、９…超伝導コイル、９ａ…内巻部、９ｃ，９ｄ…捩じり部、１０…超伝導電磁石、１１…加速器、１２…照射ノズル（照射部）、１３…ビーム輸送ライン（ビーム輸送部）、２０…偏向電磁石、３３…凹部、４１，４２，４３…コイル層、Ｐ…患者。

Claims (6)

1. 荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器と、
   前記荷電粒子線を被照射体へ照射する照射部と、
   超伝導電磁石により構成され且つ前記荷電粒子線を偏向させる偏向電磁石を有するビーム輸送部と、を備え、
   前記超伝導電磁石は、その周面に第一貫通穴及び第二貫通穴を有する筒状の巻枠と、前記巻枠にテープ線材が巻回されることにより形成される超伝導コイルと、を有し、
   前記超伝導コイルは、前記テープ線材が、前記第一貫通穴及び前記第二貫通穴に挿通されると共に前記第一貫通穴と前記第二貫通穴との間で前記巻枠の内周面側に巻回されることにより形成される内巻部を有している、荷電粒子線治療装置。
2. 前記巻枠は、その周面が前記巻枠の内部空間側に窪んだ凹部を有しており、
   前記第一貫通穴及び前記第二貫通穴は、前記凹部に形成されている、請求項１に記載の荷電粒子線治療装置。
3. 前記第一貫通穴及び前記第二貫通穴は、それぞれスリット状を呈している、請求項１又は２に記載の荷電粒子線治療装置。
4. 前記超伝導コイルは、前記テープ線材が積層されてなる第一層及び第二層を有し、
   前記第二層は、前記第一層の上側に前記テープ線材を巻回することによって形成されており、
   前記内巻部では、前記第一層は、前記第二層に比べて前記超伝導コイルの外周側に位置している、請求項１〜３の何れか一項に記載の荷電粒子線治療装置。
5. 荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器と、
   前記荷電粒子線を被照射体へ照射する照射部と、
   超伝導電磁石により構成され且つ前記荷電粒子線を偏向させる偏向電磁石を有するビーム輸送部と、
   を備え、
   前記超伝導電磁石は、テープ線材が筒状に巻回されることにより形成され、その内周側から外周側へ向かう方向の復元力が前記テープ線材に対して作用する内巻部を含む超伝導コイルを有し、
   前記超伝導コイルは、前記テープ線材が積層されてなる第一層及び第二層を有し、
   前記第二層は、前記第一層の上側に前記テープ線材を巻回することによって形成されており、
   前記内巻部では、前記第一層は、前記第二層に比べて前記超伝導コイルの外周側に位置している、荷電粒子線治療装置。
6. 前記超伝導コイルは、前記内巻部を挟む二か所の位置のそれぞれにおいて、前記テープ線材が捩じられた捩じり部を有している、請求項５に記載の荷電粒子線治療装置。

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