JP3839652B2 - Charged particle acceleration magnet using permanent magnet and high magnetic field circular charged particle accelerator - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、永久磁石を用いた荷電粒子加速用磁石と高磁場円形荷電粒子加速器に関するものである。さらに詳しくは、荷電粒子を偏向および収束・発散するための磁場を永久磁石により形成し、荷電粒子粒子の加速を可能とするシンクロトロン、サイクロトロン、貯蔵リング（ストレージリング）などの円形荷電粒子加速器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
これまで、シンクロトロン、サイクロトロン、貯蔵リング（ストレージリング）などの円形荷電粒子加速器の研究開発においては、荷電粒子のエネルギーまたは粒子数を増加することに力点が置かれてきた。特に、衝突型加速器については、粒子の衝突頻度（ルミノシティ）を増加することに努力がなされてきた。
【０００３】
これらの実現には、荷電粒子の加速エネルギーを増加させるために、加速器のサイズを大きくし、かつ、荷電粒子を偏向および収束・発散させるための磁石の持つ磁場強度を高める必要がある。磁場強度を高めるために超伝導磁石技術の導入がなされたが、高エネルギー物理学や原子核物理学などの分野において要求されるレベルにまでは到底及ばず、加速器のサイズばかりが肥大化することとなり、ついには、周長が数十キロメートルにも及ぶ巨大な加速器が開発されるにまでいたった。
【０００４】
アメリカ合衆国においては、円形衝突型加速器であるハドロンコランダーのＳＳＣ(Superconducting Super Collider)は、計画実施半ばでその規模の大きさと予算の増加に対する反省が、エネルギー省によりなされ、建設中止となった。現在、アメリカ合衆国では、衝突型線形加速器であるリニアコライダーおよび円形レプトン衝突型加速器であるミューオンコライダーが開発計画にある主要な加速器として挙げられ、ＳＳＣを超えるＶＬＨＣ(Very Large Hadron Collider)の検討がなされているものの、これまでのような加速器の肥大化には一種の歯止めがかかりつつあるのが現状といえる。
【０００５】
また、ヨーロッパ諸国では、最後のハドロンコライダーと考えられる超伝導電磁石を利用した円形加速器ＬＨＣ(Large Hadron Collider) の建設が進められている。レプトン衝突型加速器としては、アメリカ合衆国と同様、ミューオンコライダーの開発が検討されている。
【０００６】
以上の加速器を用いて荷電粒子の加速エネルギーを増加させるための主要な課題として、円形のハドロンコライダーにおいては超伝導電磁石技術について、また、線形のリニアコライダーにおいては超伝導空洞技術について、それぞれ多くの検討がなされてきた。また、ミューオンコライダーにおいては、ミューオンの寿命が短いことから、高速応答が可能な高磁場電磁石について検討がなされている (C.Johnstone et al., " Fixed field circular accelerator designs", Proceedings of the 1999 Particle accelerator conference, pp.3067-3070) 。
【０００７】
一方、日本では、エネルギー的には中規模であるがビーム強度が大きいハドロンの加速器の開発が計画されている。この加速器の最大エネルギーは５０ＧｅＶ程度であり、従来のように鉄をベースとした電磁石が用いられる予定である。また、理化学研究所においては、ＲＩビーム工場 (Radioactively Induced Beam Factory) 計画が進行している。このＲＩビーム工場においては、低エネルギー部を構成するサイクロトロンには超伝導電磁石が、また、高エネルギー加速部には鉄芯による電磁石が、それぞれ用いられる予定である。
【０００８】
以上は、わが国も含めた各国の荷電粒子加速器に関する研究開発の動向を示すものであるが、今後の荷電粒子加速器の性能向上およびダウンサイジングをはかる上で、荷電粒子を偏向および収束するための電磁石が持つ磁界強度の向上が、極めて重要であることがわかる。
【０００９】
特にわが国においては、次世代の新型加速器開発の主な目標が、「小型化」に特化されつつあるのが現状であり、科学技術庁政策研究所は、加速器専門家と加速器ユーザーに対するアンケート調査の結果、
１） およそ縦５ｍ×横５ｍ×高さ３ｍの区域内に収納可能であること
２） 全質量およそ１０トン
３）ビームエネルギーは、電子ビーム１ＧｅＶ以上、陽子または重イオンビー ム２００ＭｅＶ／ｕ（核子当たりのエネルギー）以上、放射光子ビーム で３０〜１００ＫｅＶ以上
を次世代小型加速器の主要仕様目標として掲げている。
【００１０】
近年、シンクロトロンやサイクロトロンによる荷電粒子ビームは、癌治療など医療分野において有用であることが実証されていることから、荷電粒子加速器の医療応用を進める上で、荷電粒子加速器の小型化は、重要な課題といえよう。高度な治療を実現するためには、患部に対して様々な角度から荷電粒子ビーム照射を行うことが求められており、その対策のひとつとして、回転ガントリーが公知である。回転ガントリーとは、荷電粒子ビームの偏向および収束・発散系を構成する大型電磁石システムを含む機械式回転機構を備えた大型装置であり、その総重量は約１５０トン前後である。特に重イオン粒子照射を実現する場合には、シンクロトロンやサイクロトロンの規模を超えるサイズを持つこともあり、医療サイドからはその小型化が強く望まれている。
【００１１】
以上より、今後の荷電粒子加速器開発における課題は、荷電粒子エネルギーを向上させつつダウンサイジングを実現することであることが理解できる。
【００１２】
しかし、シンクロトロンなどの円形荷電粒子加速器により現状以上の陽子・重イオンエネルギーを実現するためには、加速器を構成する電磁石による磁場を大幅に高める必要がある。鉄芯型の電磁石においては、磁場強度が１．５Ｔを超えると、鉄の飽和が顕著に表れることから、安定した荷電粒子ビームを得ることは困難であった。
【００１３】
また、飽和の問題を解決するために、鉄芯型磁石を使用せず、コイルにより磁場を発生することも検討されてきたが、大電流かつ高圧の電源が必要とされ、磁場強度や必要な磁場分布の生成について技術的な困難が伴う。また、運転時に巨大な雑音を放射したり、パルス電圧（電流）が必要であるため電源設備が大掛かりになることなど、問題も少なくない。
【００１４】
さらに、超伝導技術の適用により、数テスラの磁場を発生するコイルを生成することが可能となるが、この場合には、クライオスタット、冷却装置などの大型の付加設備が必要とされることから、装置設備が大掛かりなものとなる。
【００１５】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、大きな電力や付加設備を必要とせず、装置全体が既存の医療機関等の建造物に設置可能である程度に小型かつ軽量である円形荷電粒子加速器を提供することを課題としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、円形荷電粒子加速器の主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ）として用いられる荷電粒子加速器用磁石において、六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石をそれぞれ複数個規則的に配列し、全体として荷電粒子加速器用磁石として用いるのに十分な寸法を確保して形成されることを特徴とする高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を提供する。
【００１７】
また、第２には、円形荷電粒子加速器の主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ）として用いられる荷電粒子加速器用磁石において、八角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石をそれぞれ複数個規則的に配列し、全体として荷電粒子加速器用磁石として用いるのに十分な寸法を確保して形成されることを特徴とする高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を提供する。
【００１８】
また、この出願の発明は、第３には、上記いずれかの高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を備えることを特徴とする高磁場円形荷電粒子加速器を提供し、さらに、この出願の発明は、第４には、荷電粒子輸送ダクトの主軸方向に螺旋状に旋回するよう形成された上記いずれかの高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を備えることを特徴とするＦＦＡＧシンクロトロンを提供する。
【００１９】
そして、この出願の発明は、第５には、上記の円形荷電粒子加速器またはＦＦＡＧシンクロトロンを備えることを特徴とする医療用粒子線照射装置を提供し、第６には、上記の円形荷電粒子加速器またはＦＦＡＧシンクロトロンを備えた医療用粒子線照射装置であって、粒子線照射対象である患者の周囲を医療用粒子線照射装置全体が回転するための回転機構を備えていることを特徴とする医療用粒子線照射装置を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００２１】
この出願の発明の円形荷電粒子加速器においては、円形荷電粒子加速器を構成する荷電粒子加速器用磁石（主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ））の材料として、サマリウム系またはネオジウム系等の希土類永久磁石が用いられる。希土類永久磁石としては、残留磁束密度の強いものが好ましい。
【００２２】
また、保持力（Ｈc ）についても強いものが望ましい。残留磁束密度と保持力の特性は、この発明の荷電粒子加速器用磁石の構成断面の位置によっていずれか主たるものとなるか定められることになる。
【００２３】
一般に市販されている希土類永久磁石は、寸法が小さいことから、そのまま用いても、高エネルギーの荷電粒子を通過させる領域を確保するのに十分な磁場を得ることが不可能である。希土類永久磁石の寸法を大きくすることで、この問題は解決されるが、実際には、希土類永久磁石作製のための磁化装置および励磁電源が巨大となることから、コストおよび技術の両面において実用化は難しいと考えられる。
【００２４】
そこで、この出願の発明の円形荷電粒子加速器においては、まず、希土類永久磁石を、任意の形状を持つ棒状に加工する。希土類永久磁石は、形状および大きさについて複数種類および複数個用意される。次いで、これらを組み合わせて形成することで、荷電粒子加速器用磁石として利用するのに十分な寸法を確保する。
【００２５】
希土類永久磁石の多角形断面が持つ形状としては、加工や磁化方向を簡略化できることから多角形が好ましい。例えば、図１に示すように、六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石（１１）と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石（１２）とを複数個組み合わせることで、図２に示すようなドーナッツ型の断面を持つ荷電粒子加速器用磁石が構成される。荷電粒子加速器用磁石が生成する磁場の分布の調整は、希土類永久磁石の磁化方向を組み合わせることで可能である。磁化の方向は、例えば前述の六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石を用いた場合には、１辺の回転により６０度づつ調整することが可能である。角数を増やすことで、磁化方向の微妙な調整が可能となり磁場を高強度にすること可能となるが、一方で、１辺の長さが短くなることから、磁化の方向の設定精度は低くなると考えられる。
【００２６】
この出願の発明においては、図２に示したようなドーナッツ型の断面を持つ荷電粒子加速器用磁石を実現するために、図３に示すような八角形の断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形の断面を持つ棒状の希土類永久磁石とが最密に接するようにハニカム型に設計された高強度材料による構造体を、希土類永久磁石の固定具として用いることができる。この希土類永久磁石の固定具として用いられる複数の格子からなる構造体を、以下ではハニカムカラーと呼ぶ。
【００２７】
また、希土類永久磁石の多角形断面が持つ形状としては、扇形または台形であってもよい。扇形または台形の希土類永久磁石は、荷電粒子輸送ダクトに直角な径方向に多層構造を構成するように組み合わされ、荷電粒子加速器用磁石を形成することになる。この場合、希土類永久磁石の磁化方向を何種類か用意する必要があるが、形状は１種類でよく、また、占積率が高いという利点を持つ。
【００２８】
もちろん、この発明の円形荷電粒子加速器用の磁石は、図１、図２並びに図３の例示によって限定されるものではない。前記ハニカム型の構造の他に、各種の形状、構造であってもよい。
【００２９】
この出願の発明の円形荷電粒子加速器においては、以上の荷電粒子加速器用磁石を備えることから、荷電粒子輸送ダクトに生成される磁場は直流となる。そこで、この出願の発明の円形荷電粒子加速器として、ＦＦＡＧシンクロトロンが最適であると考えられる。荷電粒子輸送ダクトに生成される磁場が直流であることから、永久磁石を用いることが可能となり、通常のシンクロトロンで用いられる交流磁場よりも、高強度の磁場の生成が可能となる。同様の理由でこの出願の高磁場永久磁石は各種のサイクロトロンにも適している．
ＦＦＡＧシンクロトロンに用いられる主磁石には荷電粒子の進行方向に正負の極率を交互に備え付けるラジアル型と、荷電粒子の進行方向に螺旋状の形状をもたせるスパイラル型の２種類がある。シンクロトロンの小型化を考慮すると、スパイラル型が好ましい。ＦＦＡＧシンクロトンにおいては、荷電粒子輸送ダクトに生成される磁場が直流であることから、荷電粒子の加速とともに平行軌道半径が大きくなっていき、これに伴い加速周波数が変化する。この軌道の変化に対応するために、ＦＦＡＧシンクロトロンに用いられる荷電粒子輸送ダクトは横広の構造を持つ。この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石を用いることで、このような構造に対しても、対応することができる。この出願の発明においては、ＦＦＡＧシンクロトロンで用いられる主磁石は、たとえば、端部が螺旋形状をもつように、荷電粒子輸送ダクトの主軸方向に螺旋状に旋回するよう希土類永久磁石を固定することで構成される。固定にハニカムカラーを使う場合には、ハニカムカラーを構成する複数の格子からなる構造体が、荷電粒子輸送ダクトの主軸方向に螺旋状に旋回するように設定される。また、複数種類の長さの希土類永久磁石を用意しておき、螺旋の内側から外側方向にいくにつれて希土類永久磁石の長さが長くなるように希土類永久磁石を組み合わせることで、主磁石を形成する。
【００３０】
この出願の発明の荷電粒子加速器用磁石により、従来技術と比較して高強度な磁場を荷電粒子に印可することが可能となり、また、荷電粒子加速器の小型化および軽量化が実現する。したがって、この出願の発明の荷電粒子加速器用磁石を備えるＦＦＡＧシンクロトロンを組み込むことで、たとえば、従来技術では実現不可能であった小型軽量型医療用粒子線照射装置が実現する。この出願の発明の医療用粒子線照射装置は、小型かつ軽量であることから、既存の病院などの医療施設への導入が容易であるという利点を持つばかりか、図４に示すような回転機構を備えることで、医療用粒子線照射装置（４１）全体が粒子線照射対象である患者（４２）の周囲を回転し、ビーム照射口（４３）を患者に対して任意の方向に向けることが可能となる。したがって、出力される粒子線ビームを任意の方向から患部に照射することが可能となる。
【００３１】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００３２】
【実施例】
実施例１
この出願の発明の医療用粒子線照射装置について、重イオン照射に関する実施例を示す。
【００３３】
図５は、医療用粒子線照射装置に備えられるＦＦＡＧシンクロトロンの構成例を示した概要図である。小型サイクロトロン（５１）から収束・発散四極電磁石系（５２）を通じて重イオンを入射セプタム（５３）へ入射する。収束・発散四極電磁石系（５２）と入射セプタム（５３）との間にはフォイル（５４）が設置されており、重イオンは完全電離状態に置かれる。重イオン輸送ダクト（５５）には、キッカー（５６）、ＲＦ空洞（５７）、取り出しセプタム（５８）、および、主磁石（５９）が設置される。この構成の小型サイクロトロン（５１）はさらに小型のＦＦＡＧシンクロトロンでもよいがいずれにしても本出願の高磁場永久磁石を用いることが望ましい．
このＦＦＡＧシンクロトロンにおいて主磁石が生成する磁場について、コンピュータシミュレーションにより算出した。図６中の矢印は磁化の方向を示したものである。図６に示したように、主磁石における右部の弧の半径ｒ1 を５００ｍｍ、左部の弧の半径ｒ2 を２００ｍｍと設定した。また、荷電粒子輸送用ダクトが入る空隙については、断面横方向の長さｈを６００ｍｍ、縦方向の長さｖを５０ｍｍと設定した。図７は、主磁石が生成する磁場の分布を濃淡として示した等高線図である。この主磁石においては、最も磁場の強い部分において磁束密度が約２．７Ｔであった。
【００３４】
なお、一部に鉄を使用してさらに磁場強度を上げることが可能である。
【００３５】
このＦＦＡＧシンクロトロンにビーム引き出しライン、ワブラー磁石、コリメーター、シャッター、レンジシフター、Ｘ線管などの照射ポート機器を加え、一体として共通架台に固定することで、医療用粒子線照射装置が構成される。
【００３６】
本実施例の医療用粒子線照射装置により医療用として必要な仕様のイオンビームエネルギーである３５０ＭｅＶ／ｕの炭素イオンを照射するためには、ＦＦＡＧシンクロトロンの直径は６ｍ程度必要であると試算される。放射線医学総合研究所のＨＩＭＡＣ(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) シンクロトロンは、最大８００ＭｅＶ／ｕの重イオン照射が可能であるが、直径は４２ｍ強である。イオンビームエネルギーが異なるものの、単純にスケールだけを検討すれば、約１／７の小型化が実現する。
【００３７】
また、本実施例の医療用粒子線照射装置についての全構成の総重量を試算すると、およそ１００トンとなると考えられる。その内、永久磁石部分は５０トン程度である。従来の回転ガントリーの重量が、加速器部分を除いても１５０トン前後であることを考えれば、シンクロトロンをも含む本実施例の医療用粒子線照射装置全構成を回転機構により、患者の周囲を回転させることは十分に可能であると考えられる。
実施例２
この出願の発明の荷電粒子加速器用磁石は上記のようにＦＦＡＧシンクロトロンのみならず、あらゆる円形荷電粒子加速器に用いることが可能であり、例えば、貯蔵リングに用いてもよい。貯蔵リング用磁石を設計し、この貯蔵リング用磁石が生成する磁場について、コンピュータシミュレーションにより算出した。図８中の矢印は磁化の方向を示したものである。図８に示したように、貯蔵リング用磁石における左右の半円の半径ｒを５００ｍｍと設定し、また、荷電粒子輸送用ダクトが入る空隙については、断面横方向の長さｈを６００ｍｍ、縦方向の長さｖを５０ｍｍと設定した。図９は、主磁石が生成する磁場の分布を濃淡として示した等高線図である。この主磁石においては、最も磁場の強い部分において磁束密度が約２．９Ｔであった。いずれの場合も磁場強度は部分的に鉄を追加することでさらに効率よくあげることが可能である．
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳しく説明した通り、この出願の発明により、大きな電力や付加設備を必要とせず、装置全体が既存の医療機関等の建造物に設置可能である程度に小型かつ軽量である円形荷電粒子加速器が提供される。
【００３９】
この出願の発明により提供される医療用粒子線照射装置は、癌などの難病治療に極めて有効であると考えられる。特に、小型かつ軽量であることから、患部へのビーム照射を任意の方向から行うための機構への組み込みが現実的なものとなった。また、永久磁石を用いることから、低コストな導入が可能であるばかりか、外部に電源や冷却機構を必要としないため運用の低コスト化にも貢献する。
【００４０】
この出願の発明により最先端の放射線治療がより多くの医療機関に普及すると考えられることから、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石の構成を示した概要図である。
【図２】この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石の構成を示した概要図である。
【図３】この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石の構成する希土類永久磁石を固定するためのハニカムカラーの構造を示した概要図である。
【図４】この出願の発明である医療用粒子線照射装置の構成を示した概要図である。
【図５】この出願の発明であるＦＦＡＧシンクロトロンの構成を示した概要図である
【図６】この出願の発明の実施例において設計されたＦＦＡＧシンクロトロンの主磁石の寸法および磁化方向を示す概要図である。
【図７】この出願の発明の実施例におけるシミュレーション結果であるＦＦＡＧシンクロトロンの主磁石が生成する磁場分布を示した等高線図である。
【図８】この出願の発明の実施例において設計された貯蔵リング用磁石の寸法および磁化方向を示す概要図である。
【図９】この出願の発明の実施例におけるシミュレーション結果である貯蔵リング用磁石が生成する磁場分布を示した等高線図である。
【符号の説明】
１１ 六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石
１２ 四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石
４１ 医療用粒子線照射装置
４２ 患者
４３ ビーム照射口
５１ 小型サイクロトロンあるいは小型FFAGシンクロトロン入射器
５２ 収束・発散四極電磁石系
５３ 入射セプタム
５４ フォイル
５５ 重イオン輸送ダクト
５６ キッカー
５７ ＲＦ空洞
５８ 取り出しセプタム
５９ 主磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a charged particle acceleration magnet using a permanent magnet and a high magnetic field circular charged particle accelerator. More specifically, the present invention relates to a circular charged particle accelerator such as a synchrotron, a cyclotron, a storage ring (storage ring), etc., in which a magnetic field for deflecting, converging / diverging charged particles is formed by a permanent magnet and acceleration of charged particles is possible. Is.
[0002]
[Prior art and its problems]
So far, in the research and development of circular charged particle accelerators such as synchrotron, cyclotron, storage ring (storage ring), the emphasis has been on increasing the energy of charged particles or the number of particles. In particular, for collision type accelerators, efforts have been made to increase the collision frequency (luminosity) of particles.
[0003]
In order to realize these, it is necessary to increase the size of the accelerator and increase the magnetic field strength of the magnet for deflecting, converging / diverging the charged particles in order to increase the acceleration energy of the charged particles. Superconducting magnet technology was introduced to increase the magnetic field strength, but it did not reach the level required in fields such as high energy physics and nuclear physics, and only the size of the accelerator would be enlarged. Eventually, a huge accelerator with a circumference of several tens of kilometers was developed.
[0004]
In the United States of America, Hadron Collander SSC (Superconducting Super Collider), a circular collision accelerator, was discontinued in the middle of the plan, reflecting the size and budget increase by the Ministry of Energy. At present, in the United States, the collider linear accelerator and the linear lepton collision accelerator muon collider are listed as major accelerators in the development plan, and the VLHC (Very Large Hadron Collider) exceeding SSC is being studied. However, the current situation is that a kind of stoppage is being applied to the enlargement of accelerators as in the past.
[0005]
In Europe, construction of a circular accelerator LHC (Large Hadron Collider) using a superconducting electromagnet, which is considered to be the last hadron collider, is in progress. As for the lepton collision type accelerator, the development of a muon collider is being studied, as in the United States.
[0006]
The main issues for increasing the acceleration energy of charged particles using the above accelerators are the superconducting magnet technology for circular hadron colliders and the superconducting cavity technology for linear linear colliders. Consideration has been made. In addition, muon colliders are studying high-field electromagnets capable of high-speed response due to the short muon lifetime (C. Johnstone et al., "Fixed field circular accelerator designs", Proceedings of the 1999 Particle accelerator conference, pp.3067-3070).
[0007]
On the other hand, in Japan, the development of a Hadron accelerator that is medium in energy but high in beam intensity is planned. The maximum energy of this accelerator is about 50 GeV, and an iron-based electromagnet will be used as before. In RIKEN, the RI beam factory (Radioactively Induced Beam Factory) project is in progress. In this RI beam factory, a superconducting electromagnet will be used for the cyclotron constituting the low energy part, and an iron core electromagnet will be used for the high energy acceleration part.
[0008]
The above shows trends in research and development related to charged particle accelerators in various countries including Japan. Electromagnets for deflecting and converging charged particles in order to improve the performance and downsizing of charged particle accelerators in the future. It can be seen that the improvement of the magnetic field strength possessed by is extremely important.
[0009]
Especially in Japan, the main goal of the development of the next-generation new accelerator is currently being specialized in “miniaturization”, and the Policy Research Institute of Science and Technology Agency has conducted a questionnaire survey of accelerator experts and accelerator users. Result in
1) It must be able to be accommodated in an area of 5m in length x 5m in width x 3m in height 2) Total mass is about 10 tons 3) Beam energy is 1GeV or more of electron beam, proton or heavy ion beam 200MeV / u (per nucleon) The energy target of the next generation compact accelerator is set as 30 to 100 KeV or more in the synchrotron photon beam.
[0010]
In recent years, charged particle beams from synchrotrons and cyclotrons have been proven useful in the medical field such as cancer treatment, so miniaturization of charged particle accelerators is important in promoting medical applications of charged particle accelerators. It can be said that it is a difficult task. In order to realize advanced treatment, it is required to irradiate the affected part with charged particle beams from various angles, and a rotating gantry is known as one of the countermeasures. The rotating gantry is a large-sized apparatus having a mechanical rotating mechanism including a large electromagnet system that constitutes a deflection and convergence / divergence system of a charged particle beam, and its total weight is about 150 tons. In particular, when realizing heavy ion particle irradiation, it may have a size exceeding the scale of a synchrotron or a cyclotron, and the miniaturization is strongly desired from the medical side.
[0011]
From the above, it can be understood that the problem in the future development of the charged particle accelerator is to realize downsizing while improving the charged particle energy.
[0012]
However, in order to realize proton / heavy ion energy exceeding the current level with a circular charged particle accelerator such as a synchrotron, it is necessary to significantly increase the magnetic field generated by the electromagnet constituting the accelerator. In an iron core type electromagnet, when the magnetic field strength exceeds 1.5 T, iron saturation appears remarkably, so that it is difficult to obtain a stable charged particle beam.
[0013]
In addition, in order to solve the saturation problem, it has been studied to generate a magnetic field by a coil without using an iron core type magnet, but a large current and high voltage power source is required, and the magnetic field strength and necessary There are technical difficulties in generating the magnetic field distribution. There are also many problems such as radiating huge noise during operation and the need for a pulse voltage (current) to make the power supply equipment large.
[0014]
Furthermore, by applying superconducting technology, it is possible to generate a coil that generates a magnetic field of several Tesla, but in this case, large additional equipment such as a cryostat and a cooling device is required. The equipment becomes large.
[0015]
The invention of this application was made in view of the circumstances as described above, and does not require large electric power or additional equipment, and the entire apparatus can be installed in a building such as an existing medical institution and is small and light to some extent. It is an object of the present invention to provide a circular charged particle accelerator.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The invention of this application is to solve the above-mentioned problems. First, in a charged particle accelerator magnet used as a main magnet (deflecting magnet, focusing / diverging magnet or a combination thereof) of a circular charged particle accelerator, A plurality of rod-shaped rare earth permanent magnets having a hexagonal cross section and a rod-shaped rare earth permanent magnet having a quadrangular cross section are regularly arranged to ensure sufficient dimensions for use as a charged particle accelerator magnet as a whole. A charged particle accelerator magnet that generates a high-intensity magnetic field is provided.
[0017]
Second, in a charged particle accelerator magnet used as a main magnet (deflecting magnet, focusing / diverging magnet or a combination thereof) of a circular charged particle accelerator, a rod-shaped rare earth permanent magnet having an octagonal cross section and a square cross section are used. A plurality of rod-shaped rare earth permanent magnets having a regularity are regularly arranged to generate a high-strength magnetic field characterized by being formed with sufficient dimensions to be used as a charged particle accelerator magnet as a whole. A charged particle accelerator magnet is provided.
[0018]
In addition, the invention of this application thirdly provides a high magnetic field circular charged particle accelerator comprising the magnet for a charged particle accelerator that generates any of the above-described high-intensity magnetic fields. Fourthly, the present invention comprises a charged particle accelerator magnet for generating any one of the high-intensity magnetic fields formed so as to spirally rotate in the principal axis direction of the charged particle transport duct. Provide synchrotron.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a medical particle beam irradiation apparatus including the circular charged particle accelerator or the FFAG synchrotron, and sixth, the circular charged particle described above. A medical particle beam irradiation apparatus equipped with an accelerator or FFAG synchrotron, characterized by comprising a rotation mechanism for rotating the entire medical particle beam irradiation apparatus around a patient who is a particle beam irradiation target Provided is a medical particle beam irradiation apparatus.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
[0021]
In the circular charged particle accelerator of the invention of this application, as a material for a charged particle accelerator magnet (main magnet (deflecting magnet, focusing / diverging magnet or combination thereof)) constituting the circular charged particle accelerator, a samarium-based or neodymium-based material is used. Rare earth permanent magnets such as are used. As the rare earth permanent magnet, one having a strong residual magnetic flux density is preferable.
[0022]
In addition, a strong holding force (H c ) is desirable. The characteristics of the residual magnetic flux density and the coercive force are determined depending on the position of the cross section of the charged particle accelerator magnet of the present invention.
[0023]
In general, commercially available rare earth permanent magnets are small in size, so that even if they are used as they are, it is impossible to obtain a magnetic field sufficient to secure a region through which high-energy charged particles pass. Although this problem can be solved by increasing the size of the rare earth permanent magnet, in reality, the magnetizing device and the excitation power source for producing the rare earth permanent magnet are enormous. Is considered difficult.
[0024]
Therefore, in the circular charged particle accelerator of the invention of this application, first, the rare earth permanent magnet is processed into a rod shape having an arbitrary shape. A plurality of types and a plurality of rare earth permanent magnets are prepared in terms of shape and size. Next, by forming them in combination, sufficient dimensions are secured for use as a magnet for a charged particle accelerator.
[0025]
The shape of the polygonal cross section of the rare earth permanent magnet is preferably a polygon because the processing and the magnetization direction can be simplified. For example, as shown in FIG. 1, by combining a plurality of rod-shaped rare earth permanent magnets (11) having a hexagonal cross section and rod-shaped rare earth permanent magnets (12) having a square cross section, a donut as shown in FIG. A charged particle accelerator magnet having a mold cross section is constructed. The distribution of the magnetic field generated by the charged particle accelerator magnet can be adjusted by combining the magnetization directions of the rare earth permanent magnets. For example, when the rod-shaped rare earth permanent magnet having the hexagonal cross section described above is used, the magnetization direction can be adjusted by 60 degrees by rotating one side. Increasing the number of angles makes it possible to finely adjust the magnetization direction and increase the magnetic field strength. However, since the length of one side is shortened, the setting accuracy of the magnetization direction is low. It is considered to be.
[0026]
In the invention of this application, in order to realize a charged particle accelerator magnet having a donut-shaped cross section as shown in FIG. 2, a rod-shaped rare earth permanent magnet having an octagonal cross section as shown in FIG. A structure made of a high-strength material designed in a honeycomb shape so as to be in close contact with a rod-shaped rare earth permanent magnet having the following cross section can be used as a fixture for the rare earth permanent magnet. A structure composed of a plurality of lattices used as a fixture for the rare earth permanent magnet is hereinafter referred to as a honeycomb collar.
[0027]
In addition, the shape of the polygonal cross section of the rare earth permanent magnet may be a sector shape or a trapezoid shape. The fan-shaped or trapezoidal rare-earth permanent magnets are combined to form a multilayer structure in a radial direction perpendicular to the charged particle transport duct to form a charged particle accelerator magnet. In this case, it is necessary to prepare several kinds of magnetization directions of the rare earth permanent magnet, but the shape may be one kind, and the space factor is high.
[0028]
Of course, the magnet for the circular charged particle accelerator according to the present invention is not limited to the examples shown in FIGS. In addition to the honeycomb structure, various shapes and structures may be used.
[0029]
In the circular charged particle accelerator of the invention of this application, since the magnet for charged particle accelerator is provided, the magnetic field generated in the charged particle transport duct is a direct current. Therefore, the FFAG synchrotron is considered to be optimal as the circular charged particle accelerator of the invention of this application. Since the magnetic field generated in the charged particle transport duct is a direct current, it is possible to use a permanent magnet, and it is possible to generate a magnetic field having a higher strength than the alternating magnetic field used in a normal synchrotron. For the same reason, the high-field permanent magnet of this application is suitable for various cyclotrons.
There are two types of main magnets used in the FFAG synchrotron: a radial type in which positive and negative polarities are alternately provided in the traveling direction of charged particles, and a spiral type in which a spiral shape is provided in the traveling direction of charged particles. In consideration of downsizing of the synchrotron, the spiral type is preferable. In FFAG synchroton, since the magnetic field generated in the charged particle transport duct is a direct current, the parallel orbit radius increases with the acceleration of the charged particles, and the acceleration frequency changes accordingly. In order to cope with this change in orbit, the charged particle transport duct used in the FFAG synchrotron has a wide structure. By using the charged particle accelerator magnet according to the invention of this application, it is possible to cope with such a structure. In the invention of this application, the main magnet used in the FFAG synchrotron is, for example, a rare earth permanent magnet fixed so as to spirally rotate in the main axis direction of the charged particle transport duct so that the end portion has a spiral shape. Consists of. When a honeycomb collar is used for fixing, a structure composed of a plurality of lattices constituting the honeycomb collar is set to spirally rotate in the main axis direction of the charged particle transport duct. In addition, rare earth permanent magnets having a plurality of types of lengths are prepared, and the main magnet is formed by combining the rare earth permanent magnets so that the length of the rare earth permanent magnets increases from the inside to the outside of the spiral. .
[0030]
The charged particle accelerator magnet according to the invention of this application makes it possible to apply a magnetic field having a higher strength than that of the prior art to the charged particles, and to realize a reduction in size and weight of the charged particle accelerator. Therefore, by incorporating the FFAG synchrotron including the charged particle accelerator magnet of the invention of this application, for example, a small and light type medical particle beam irradiation apparatus that cannot be realized by the prior art is realized. Since the medical particle beam irradiation apparatus of the invention of this application is small and lightweight, it has an advantage that it can be easily introduced into a medical facility such as an existing hospital, and a rotation mechanism as shown in FIG. With this, the entire medical particle beam irradiation apparatus (41) rotates around the patient (42) that is a particle beam irradiation target, and the beam irradiation port (43) can be directed to the patient in an arbitrary direction. It becomes possible. Therefore, it is possible to irradiate the affected part with an output particle beam from any direction.
[0031]
The invention of this application has the above-described features, and will be described more specifically with reference to examples.
[0032]
【Example】
Example 1
About the medical particle beam irradiation apparatus of invention of this application, the Example regarding heavy ion irradiation is shown.
[0033]
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration example of the FFAG synchrotron provided in the medical particle beam irradiation apparatus. Heavy ions are incident on the incident septum (53) from the small cyclotron (51) through the converging / diverging quadrupole electromagnet system (52). A foil (54) is installed between the converging / diverging quadrupole electromagnet system (52) and the incident septum (53), and heavy ions are placed in a completely ionized state. In the heavy ion transport duct (55), a kicker (56), an RF cavity (57), an extraction septum (58), and a main magnet (59) are installed. The small cyclotron (51) having this configuration may be a smaller FFAG synchrotron, but in any case, it is desirable to use the high-field permanent magnet of the present application.
The magnetic field generated by the main magnet in this FFAG synchrotron was calculated by computer simulation. The arrows in FIG. 6 indicate the direction of magnetization. As shown in FIG. 6, the radius r 1 of the right arc in the main magnet was set to 500 mm, and the radius r 2 of the left arc was set to 200 mm. Moreover, about the space | gap in which the duct for charged particle transport enters, the cross-section horizontal length h was set to 600 mm, and the vertical length v was set to 50 mm. FIG. 7 is a contour diagram showing the distribution of the magnetic field generated by the main magnet as shades. In this main magnet, the magnetic flux density was about 2.7 T at the strongest magnetic field.
[0034]
Note that it is possible to further increase the magnetic field strength by using iron in part.
[0035]
By adding irradiation port equipment such as beam extraction line, wobbler magnet, collimator, shutter, range shifter, and X-ray tube to this FFAG synchrotron and fixing it to a common frame as a unit, a medical particle beam irradiation device is configured. The
[0036]
It is estimated that the diameter of the FFAG synchrotron needs to be about 6 m in order to irradiate 350 MeV / u of carbon ions, which is the ion beam energy of the specifications necessary for medical use, by the medical particle beam irradiation apparatus of this embodiment. The The HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) synchrotron of the National Institute of Radiological Sciences can irradiate heavy ions up to 800 MeV / u, but its diameter is slightly over 42 m. Although the ion beam energy is different, if only the scale is considered, a reduction in size of about 1/7 can be realized.
[0037]
Moreover, when the total weight of all the components about the medical particle beam irradiation apparatus of a present Example is estimated, it will be set to about 100 tons. Among them, the permanent magnet portion is about 50 tons. Considering that the weight of the conventional rotating gantry is around 150 tons even excluding the accelerator part, the entire structure of the medical particle beam irradiation apparatus of this embodiment including the synchrotron is rotated around the patient by the rotating mechanism. It is considered possible to rotate it sufficiently.
Example 2
The charged particle accelerator magnet of the invention of this application can be used not only for the FFAG synchrotron as described above, but also for any circular charged particle accelerator, and may be used for, for example, a storage ring. A storage ring magnet was designed, and the magnetic field generated by the storage ring magnet was calculated by computer simulation. The arrows in FIG. 8 indicate the direction of magnetization. As shown in FIG. 8, the radius r of the left and right semicircles in the storage ring magnet is set to 500 mm, and the gap h into which the charged particle transport duct enters is 600 mm in length in the transverse direction of the cross section and 600 mm in length. The direction length v was set to 50 mm. FIG. 9 is a contour map showing the distribution of the magnetic field generated by the main magnet as shades. In this main magnet, the magnetic flux density was about 2.9 T at the strongest magnetic field. In either case, the magnetic field strength can be increased more efficiently by partially adding iron.
[0038]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the invention of this application, a circular charged particle accelerator that does not require large power and additional equipment and is small and lightweight to some extent that the entire apparatus can be installed in a building such as an existing medical institution. Provided.
[0039]
The medical particle beam irradiation apparatus provided by the invention of this application is considered to be extremely effective for the treatment of intractable diseases such as cancer. In particular, since it is small and lightweight, it has become realistic to incorporate it into a mechanism for irradiating the affected area with a beam from any direction. In addition, since a permanent magnet is used, not only can it be introduced at a low cost, but it also contributes to a reduction in operation cost because an external power source and cooling mechanism are not required.
[0040]
Since it is considered that the state of the art radiation therapy will spread to more medical institutions by the invention of this application, its practical application is strongly expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a magnet for a charged particle accelerator according to the invention of this application.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a magnet for a charged particle accelerator according to the invention of this application.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a honeycomb collar for fixing a rare earth permanent magnet constituting the magnet for a charged particle accelerator according to the invention of this application.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a medical particle beam irradiation apparatus according to the invention of this application.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the FFAG synchrotron which is the invention of this application. FIG. 6 shows the size and magnetization direction of the main magnet of the FFAG synchrotron designed in the embodiment of the invention of this application. FIG.
FIG. 7 is a contour diagram showing a magnetic field distribution generated by the main magnet of the FFAG synchrotron, which is a simulation result in the embodiment of the invention of this application.
FIG. 8 is a schematic diagram showing dimensions and magnetization directions of a storage ring magnet designed in an embodiment of the invention of this application.
FIG. 9 is a contour diagram showing a magnetic field distribution generated by a storage ring magnet, which is a simulation result in the embodiment of the invention of this application.
[Explanation of symbols]
11 Rod-shaped rare earth permanent magnet with
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