JP4422057B2 - 電磁石及び加速器システム - Google Patents

Description

本発明は、交流運転やパターン運転等により磁場が時間変化する電磁石に係わり、特に医療用、研究用、工業用加速器システムに用いるのに好適な電磁石及びこの電磁石を備えた加速器システムに関する。

近年、粒子加速器システムは、これまでの高エネルギー物理学の研究用はもとより、放射線同位元素の生成や癌の粒子線治療等の医療用、材料照射等の工業用、種子照射などの農業利用等、様々な用途に用いられており、また一台の加速器が多目的に使用されることもある。

一般に、医療用加速器システムの１つである陽子線治療システムでは、例えば７０ＭｅＶ−２５０ＭｅＶといった幅広い照射ビームエネルギーに対応するため、主加速器としてシンクロトロンを用いる。この陽子線治療システムでは、前段加速器から出射した低エネルギーの陽子ビームを主加速器のシンクロトロンに入射し、シンクロトロン内で陽子ビームを周回させて所定のエネルギーまで加速し出射する。出射された陽子ビームは、高エネルギービーム輸送系を通してビーム照射装置に輸送され、患部に照射される。

主加速器であるシンクロトロンには、ビーム軌道の偏向、ビームサイズの調整、ビームの色収差の補正、出射支援等を行うために、偏向電磁石、４極電磁石及び６極電磁石等の多数の電磁石が設置される。シンクロトロンの運転においては、陽子ビームのシンクロトロンへの入射、加速、出射、減速を１運転サイクルとするパターン運転が数秒程度の周期で繰り返し実施される。その際、加速器に設置した電磁石は、設定された電磁石の励磁パターンによりビームエネルギーに応じて所定の磁場を発生するように励磁電流を操作される。すなわち、前段加速器からのビーム入射時には数ＭｅＶの入射ビームがシンクロトロンを周回するように磁場強度が低く保持され、ビーム入射後にはビームの加速に伴って磁場強度が増加され、ビームが出射エネルギーに達したら磁場強度を一定に保持するように操作される。

このとき、ビームを効率良く入射、加速、出射するためには、電磁石の磁場を精度良く発生させる必要がある。しかしながら、一般に電磁石においてこのように磁場が時間変化する際には、発生する渦電流により励磁電流の時間変化に対して所定の磁場が発生するまでに時間遅れが生じる。なお、この渦電流による磁場安定までの時間遅れについては特許文献１に記述されている。

そこで従来より、この遅れを緩和するために、表面を絶縁した薄い鋼板を積層して形成した磁心を有する積層型電磁石が用いられている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開２００２−２４６２００号公報（第２頁、第７図） 熊谷教孝著、「OHO'84高エネルギー加速器入門 III電磁石」、１９８４年８月、III−ｐ．１６

上述したように、例えば図１２に示すような磁心を一体型のブロックで構成した電磁石では、下向きに磁場の強度が増大するとそれを打ち消す向きに磁場が生じるように磁心内に渦電流６０が発生し、磁場が安定するまでの時間遅れが生じる。そこで図１３に示すように磁心を積層構造とすることにより、磁心内の渦電流６０を抑制し、時間遅れを短縮することができる。

しかしながら、このように磁心を積層構造とした電磁石においても、依然として磁場が安定するまでの時間遅れが存在し、さらなる時間遅れの短縮の余地があった。

本願発明者等は、種々の検討を行うことにより、この時間遅れを生じさせる主要な原因が磁極端部付近に生じる漏洩磁場であることを突き止めた。すなわち、従来の積層型電磁石では、図１３に示すように、磁極端部付近で漏洩磁場は一方側（ここでは上側）の磁心の電磁鋼板の表面から出て他方側（ここでは下側）の磁心の電磁鋼板の表面に入る向きに発生する。この磁束は積層方向に平行な成分を持ち、下側の磁心内に浸透する。この漏洩磁場の時間変化により積層してある一枚一枚の電磁鋼板の内部に図１３に示すように渦電流６１が流れる。この渦電流によって発生する磁場により、磁場が安定するまでの時間遅れが生じることを、本願発明者等は見出した。

本発明の目的は、磁場が安定するまでの時間遅れを短縮することができる電磁石及びこれを備えた加速器システムを提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、磁場を発生する磁極及び前記磁極に設けたヨークを有する複数の鋼板を積層して構成した磁心と、前記磁極を励磁するコイルとを備え、前記複数の鋼板のうちの少なくとも１つの鋼板に、前記磁極側で閉塞し前記磁極側と反対側で開放したスリットを少なくとも１つ形成し、前記開放したスリットは、前記鋼板内に発生する渦電流の流路を分割するように前記磁極の近傍に至るまで形成されている形成したことにある。このスリットにより、磁極端部付近の漏洩磁場により積層鋼板内に発生する渦電流の流路を絶ち、渦電流の流路を小さく分割することができる。これにより、渦電流により発生する磁場を低減でき、電磁石の磁場が安定するまでの時間遅れを短縮することができる。また、この電磁石を備えた加速器システムによれば、磁場が安定するまでの時間遅れを短縮できる結果、運転周期を短縮でき、ビーム利用効率を向上することができる。

本発明によれば、磁場が安定するまでの時間遅れを短縮することができる。

以下、本発明の電磁石及び加速器システムの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

（実施形態１）
本実施形態は、例えば医療用加速器システムにおいてビーム軌道上に設けられる偏向電磁石に本発明を適用した例である。

図１は、本実施形態の偏向電磁石の磁心の全体構造を表す斜視図である。この図１に示すように、偏向電磁石（電磁石）１は、多数の電磁鋼板（鋼板）５を積層して構成した磁心２と、磁極６ａ，６ｂを励磁する励磁コイル（コイル）３，４とを有している。各電磁鋼板５は、荷電粒子ビームとしての陽子ビームの軌道中心Ｏ（図２参照）を挟んで対向して配置され磁場を発生させる一対の磁極６ａ，６ｂと、これら磁極６ａ，６ｂに設けられ、これら磁極６ａ，６ｂを接続して磁路を形成するリターンヨーク（ヨーク）７とを有している。

リターンヨーク７はビーム軌道中心Ｏを含む水平面（以下、軌道水平面という）上で上下に分割されており、上側のリターンヨーク７ａと磁極６ａとが一体的に接続され、それらが積層されて上部磁心２Ａを構成し、下側のリターンヨーク７ｂと磁極６ｂとが一体的に接続され、それらが積層されて下部磁心２Ｂを構成している。上部磁心２Ａと下部磁心２Ｂとが軌道水平面上で組み合わされ、磁心２が構成される。

磁極６ａと磁極６ｂの対向する表面は互いに異なる極性となるように構成される。例えば、磁極６ａの表面がＮ極のときに磁極６ｂの表面がＳ極となるように励磁コイル３，４に流す電流の向きを決定する。本実施形態では、磁極６ａがＮ極、磁極６ｂがＳ極となるように、励磁コイル３，４に電流が流される（後述の図３参照）。

図２は図１中II−II断面による磁心２の断面図である。この図２に示すように、電磁鋼板５には、外周側（磁極６ａ，６ｂ側と反対側）で開放されると共に内周側（磁極６ａ，６ｂ側）で閉塞されたスリット８が形成されている。スリット８は、上・下側のリターンヨーク７ａ，７ｂのそれぞれにおいて各磁極６ａ，６ｂごとに１つずつ設けられる。すなわち、各電磁鋼板５に対し２つのスリット８が設けられている。各スリット８は、電磁鋼板５の外周淵部から各磁極６ａ，６ｂの近傍に至るまで、軌道水平面に対して略垂直な方向に沿って形成されている。なお、スリット８の内部は空気層となっている。

本実施形態では、図１に示すように上記構成の電磁鋼板５のみが積層されることにより、磁心２が構成されている。

偏向電磁石１における陽子ビームの動作について、図３を用いて説明する。本実施形態では、この図３に示すように励磁コイル３，４に流す電流の向きを設定することにより、上述したように磁極６ａがＮ極、磁極６ｂがＳ極となり、磁極６ａ，６ｂにより形成される磁場の向きは矢印１０に示すように磁極６ａから磁極６ｂに向かう方向となる。これにより、陽子ビームが図３における紙面奥側から手前側に向かって進行すると、陽子ビームは矢印１１に示す方向に力を受け、図３中右側に向かって偏向される。

以上のように構成される本実施形態の偏向電磁石１による効果を、スリットを有しない鋼板のみを積層した電磁石である比較例を用いて説明する。

図４は上記比較例である偏向電磁石１’の磁心２’の断面図である。この図４に示すように、比較例の磁心２’を構成する電磁鋼板５’には、スリット８が形成されていない。なお、スリット８が形成されていない点以外の構成については、本実施形態の偏向電磁石１と同様である。

前述した図１３に示すように、積層型電磁石の磁極端部付近では漏洩磁場が生じる。図４に示す比較例の偏向電磁石１’では、磁心２’の積層方向両端部において、漏洩磁場は上側の磁心２Ａ’の電磁鋼板５’の表面から出て下側の磁心２Ｂ’の電磁鋼板５’の表面に入る向きに発生する。したがって、偏向電磁石１’の磁場強度が増加する場合、磁心２’の積層方向両端部付近の電磁鋼板５’内において、図４に示すように漏洩磁場の増加を打ち消す向きに渦電流１２が発生する。

これに対し、本実施形態の偏向電磁石１においては、磁心２を構成する各電磁鋼板５にスリット８を設けるので、電磁鋼板５内に発生する渦電流の流路を絶つことができ、渦電流の流路を小さく分割することができる。この分割された渦電流の流路を渦電流１３として図３に示す。この分割された流路が漏洩磁場を囲む面積は、図４に示す比較例における渦電流の流路が囲む面積よりも小さくなるため、各流路における漏洩磁場の時間変化による誘導起電力が減少する。誘導起電力の減少により渦電流も減少し、渦電流により発生する磁場も低減する。その結果、励磁電流の時間変化に対して所定の磁場が発生するまでに生じる時間遅れを短縮することができる。

さらに、本実施形態によれば、内周側（磁極６ａ，６ｂ側）において閉塞した形状となるようにスリット８を形成する。これにより、例えば磁極６ａ，６ｂ側に開放したスリット８を形成した場合に比べ、磁極６ａ，６ｂ間のビーム通過領域の磁場均一度を向上することができる。これは、スリット８を磁極６ａ，６ｂ側で開放させてビーム対向面にスリット８の切れ込みが露出すると、切れ込み部の磁束密度が高くなり、磁場均一度が悪化するからである。なお、磁極側に開放したスリットを有する積層電磁石は、非特許文献（阿部充志、唐司茂樹、渡辺隆著、「Ｊ−ＰＡＲＣ加速器マグネットの渦電流・熱解析」、（社）日本原子力学会、２００４年９月１５日〜１７日、又は、唐司茂樹、阿部充志、渡辺隆、中村一信著、「Ｊ−ＰＡＲＣ加速器マグネットの３次元熱設計」、（社）日本原子力学会、２００４年９月１５日〜１７日）に開示されている。

なお、上記実施形態１ではスリット８を外周側（磁極６ａ，６ｂと反対側）で開放するように形成したが、これに限らず、例えば電磁鋼板５の外周淵部直前までスリットを形成し、スリットの外周側端部を閉塞するように形成してもよい（すなわち両端が閉塞したスリットとなる）。この場合にも、上記実施形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態１では、スリット８を磁極ごとに１つずつ設け、１つの電磁鋼板５に対し２つのスリット８を設けるようにしたが、本発明の主要な目的である磁場が安定するまでの時間遅れの短縮効果を得る上においては、必ずしも２つ設ける必要はない。すなわち、スリット８を片方の磁極に対してのみ設け、１つの電磁鋼板５に対し１つのスリット８を設けるようにしてもよい。また、スリット８の数は電磁鋼板ごとに２つに限定するものではなく、リターンヨーク７内における磁束の流れを阻害せず電磁石の機能として問題のない範囲内であれば、さらにスリット８の数を増やしてもよい。

さらに、上記実施形態１では、スリット８を形成した電磁鋼板５のみで磁心２を構成するようにしたが、磁心の積層構成については種々の変形例が考えられる。

すなわち、図５に示すように、スリット８を形成した電磁鋼板５と、スリット８を形成していない上記図４に示す電磁鋼板５’とを、１枚ずつ交互に積層して磁心２''を構成するようにしてもよい。これにより、磁場が安定するまでの時間遅れを短縮できるという効果を実施形態１とほぼ同様に得つつ、さらにスリット８の形成による強度の低下を抑制し、磁心２''の強度を増加することができる。なお、この図５ではスリット８を有する電磁鋼板５とスリット８を有さない電磁鋼板５’とを１枚ずつ交互に積層したが、これに限らず例えば複数枚ずつ（例えば２枚ずつ）交互に積層するようにしてもよい。

また、図６に示すように、磁心の積層方向における両端部付近においてはスリット８を形成した電磁鋼板５及びスリット８を形成しない電磁鋼板５’を１枚ずつ交互に積層し、それ以外の部分（積層方向中央部付近）においてはスリット８を形成しない電磁鋼板５’のみを積層することにより、磁心２'''を構成してもよい。前述したように、漏洩磁場は磁心の端部で発生することから、電磁鋼板内で発生する渦電流の影響が大きいのは磁心の積層方向における両端部付近であるので、図６に示すようにこの両端部付近については電磁鋼板５，５’を交互に積層し、影響の少ない中央部付近についてはスリット８のない電磁鋼板５’のみで構成するようにすれば、磁場安定までの時間短縮効果については上記変形例１とほぼ同様に得つつ、磁心２'''の強度をさらに増加することが可能である。なお、この図６では磁心２'''の両端部付近において電磁鋼板５，５’を交互に積層するようにしたが、この部分をスリット８を形成した電磁鋼板５のみで構成するようにしてもよい。また、１枚ずつでなく複数枚ずつ交互に積層するようにしてもよい。

（実施形態２）
本実施形態は、例えば医療用加速器システムにおいてビーム軌道上に設けられる４極電磁石に本発明を適用した例である。

図７は、本実施形態の４極電磁石（電磁石）１４が有する磁心１５の断面図である。４極電磁石１４は、多数の電磁鋼板（鋼板）１６を積層して構成した磁心１５と、２対の磁極１８ａ，１８ｂをそれぞれ励磁する励磁コイル（コイル）２０，２１とを有している。各電磁鋼板１６は、陽子ビームのビーム軌道中心Ｏに対して点対称に配置され磁場を発生させる２対の磁極１８ａ，１８ｂと、これら磁極１８ａ，１８ｂに設けられ、隣り合う磁極を接続して磁路を形成するリターンヨーク（ヨーク）２２とを有している。

リターンヨーク２２は、軌道水平面上で上下に分割され、さらにビーム軌道中心Ｏを含む垂直平面（以下、軌道垂直平面という）に対して左右に分割されている。このように４分割された各リターンヨーク２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと各磁極１８ａ，１８ｂがそれぞれ一体的に接続され、それらが積層されて４分割された磁心１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄをそれぞれ構成している。各磁心１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄは、軌道水平面上及び軌道垂直平面上で組み合わされ、磁心１５が構成される。

磁極１８ａの表面と磁極１８ｂの表面は、互いに異なる磁極（Ｎ極またはＳ極）となるように構成されている。例えば、磁極１８ａの表面がＮ極のときに磁極１８ｂの表面がＳ極となるように、励磁コイル２０と２１に流す電流方向を調整する。こうしてＮ極とＳ極が交互に配置されることにより、ビーム軌道上に４極磁場が構成される。

本実施形態においても、この図７に示すように、電磁鋼板１６には、外周側（磁極１８ａ，１８ｂ側と反対側）で開放されると共に内周側（磁極１８ａ，１８ｂ側）で閉塞されたスリット２３が形成されている。スリット２３は、４つのリターンヨーク２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれにおいて各磁極１８ａ，１８ｂごとに１つずつ設けられる。すなわち、各電磁鋼板１６に対し４つのスリット２３が設けられている。各スリット２３は、電磁鋼板１６の外周淵部から各磁極１８ａ，１８ｂの近傍に至るまで、軌道水平面（又は軌道垂直平面）に対して略４５°傾斜した方向に沿って形成されている。なお、スリット２３の内部は空気層となっている。

本実施形態では、上記構成の電磁鋼板１６のみが積層されることにより、磁心１５が構成されている。

以上のような構成である実施形態２においても、上記実施形態１と同様に、スリット２３により渦電流の流路を小さく分割することができるので、渦電流により発生する磁場を低減することができる。その結果、励磁電流の時間変化に対して所定の磁場が発生するまでに生じる時間遅れを短縮することができる。また、スリット２３を内周側（磁極側）において閉塞した形状となるように形成することにより、例えば磁極側に開放したスリットを形成した場合に比べて磁極１８ａ，１８ｂ間のビーム通過領域の磁場均一度を向上できる。

なお、上記実施形態２ではスリット２３を外周側（磁極１８ａ，１８ｂと反対側）で開放するように形成したが、例えば電磁鋼板１６の外周淵部直前までスリットを形成し、スリットの外周側端部を閉塞するように形成してもよい（すなわち両端が閉塞したスリットとなる）。この場合にも、上記実施形態２とほぼ同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態２では、スリット２３を形成した電磁鋼板１６のみで磁心１５を構成するようにしたが、前述の実施形態１と同様に、図５及び図６で示すような積層構造により磁心１５を構成するようにしてもよい。これにより、磁心１５の強度を増加することができる。

（実施形態３）
本実施形態は、例えば医療用加速器システムにおいてビーム軌道上に設けられる６極電磁石に本発明を適用した例である。

図８は、本実施形態の６極電磁石（電磁石）２４が有する磁心２５の断面図である。６極電磁石２４は、多数の電磁鋼板（鋼板）２６を積層して構成した磁心２５と、３対の磁極２８ａ，２８ｂをそれぞれ励磁する励磁コイル（コイル）３０，３１とを有している。各電磁鋼板２６は、陽子ビームのビーム軌道中心Ｏに対して点対称に配置され磁場を発生させる３対の磁極２８ａ，２８ｂと、これら磁極２８ａ，２８ｂに設けられ、隣り合う磁極を接続して磁路を形成するリターンヨーク（ヨーク）３２とを有している。

リターンヨーク３２は、軌道垂直平面より６０°ごとに６分割されている。このように６分割された各リターンヨーク３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆと各磁極２８ａ，２８ｂがそれぞれ一体的に接続され、それらが積層されて６分割された磁心２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｅ，２５Ｆをそれぞれ構成している。各磁心２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｅ，２５Ｆが６０°おきに組み合わされ、磁心２５が構成される。

磁極２８ａの表面と磁極２８ｂの表面は、互いに異なる磁極（Ｎ極またはＳ極）となるように構成されている。例えば、磁極２８ａの表面がＮ極のときに磁極２８ｂの表面がＳ極となるように、励磁コイル３０と３１に流す電流方向を調整する。こうしてＮ極とＳ極が交互に配置されることによりビーム軌道上に６極磁場が構成される。

本実施形態においても、この図８に示すように、電磁鋼板２６には、外周側（磁極２８ａ，２８ｂ側と反対側）で開放されると共に内周側（磁極２８ａ，２８ｂ側）で閉塞されたスリット３３が形成されている。スリット３３は、６つのリターンヨーク３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆのそれぞれにおいて各磁極２８ａ，２８ｂごとに１つずつ設けられる。すなわち、各電磁鋼板２６に対し６つのスリット３３が設けられている。各スリット３３は、電磁鋼板２６の外周淵部から各磁極２８ａ，２８ｂの近傍に至るまで、軌道垂直平面に対して略６０°ごとに傾斜した方向に沿って形成されている。なお、スリット３３の内部は空気層となっている。

本実施形態では、上記構成の電磁鋼板２６のみが積層されることにより、磁心２５が構成されている。

以上のような構成である実施形態３においても、上記実施形態１及び実施形態２と同様に、スリット３３により渦電流の流路を小さく分割することができるので、渦電流により発生する磁場を低減することができる。その結果、励磁電流の時間変化に対して所定の磁場が発生するまでに生じる時間遅れを短縮することができる。また、スリット３３を内周側（磁極側）において閉塞した形状となるように形成するので、例えば磁極側に開放したスリットを形成した場合に比べて磁極２８ａ，２８ｂ間のビーム通過領域の磁場均一度を向上できる。

なお、上記実施形態３ではスリット３３を外周側（磁極２８ａ，２８ｂと反対側）で開放するように形成したが、これに限らず、前述の実施形態１及び実施形態２と同様に、例えば電磁鋼板２６の外周淵部直前までスリットを形成し、スリットの外周側端部を閉塞するように形成してもよい（すなわち両端が閉塞したスリットとなる）。この場合にも、上記実施形態３とほぼ同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態３では、スリット３３を形成した電磁鋼板２６のみで磁心２５を構成するようにしたが、前述の実施形態１と同様に、図５及び図６で示すような積層構造により磁心２５を構成するようにしてもよい。これにより、磁心２５の強度を増加することができる。

（実施形態４）
本実施形態は、本発明の加速器システムの一実施形態である。

図９は、本発明の加速器システムの好適な一実施形態である医療用加速器システムの全体概略構成を表す図である。医療用加速器システム３５は、前段加速器３６、低エネルギービーム輸送系３７、シンクロトロン（加速器）３８、高エネルギービーム輸送系（ビーム輸送系）３９、ビーム照射装置（照射装置）４０、これらの装置に電力を供給する電源（図示せず）、及びこれらの装置の個々の制御及び連携制御を行う制御装置（図示せず）等を有している。

低エネルギービーム輸送系３７は、前段加速器３６から出射した低エネルギーの陽子ビーム（荷電粒子ビーム）をシンクロトロン３８に入射する。シンクロトロン３８は、入射された低エネルギーのビームを設定された高エネルギーとなるまで加速する。高エネルギービーム輸送系３９は、シンクロトロン３８から出射された高エネルギービームをビーム照射装置４０に輸送する。ビーム照射装置４０は、治療室４１内で患者４２の患部に高エネルギービームを照射する。

低エネルギービーム輸送系３７は、４極電磁石４３、偏向電磁石４４、及び入射セプタム電磁石４５などから構成される。４極電磁石４３は、水平方向にビームを収束（垂直方向にはビームを発散）する磁場か、水平方向にビームを発散（垂直方向にはビームを収束）する磁場を発生する。偏向電磁石４４は、偏向面内においてビームを偏向する。入射セプタム電磁石４５は、ビームをシンクロトロン３８の静電インフレクタ４６位置での入射軌道に一致するようにビームを偏向する。

シンクロトロン３８は、上記した静電インフレクタ４６、４極電磁石４７、偏向電磁石４８、６極電磁石４９、ビーム位置モニタ５０、ステアリング電磁石５１、静電デフレクタ５２、高周波加速空洞５３などから構成される。入射器としての静電インフレクタ４６は前段加速器３６から出射された低エネルギーのビームをシンクロトロン３８に入射する。対に配置された４極電磁石４７，４７は、一方がビームを水平方向に収束させる磁場を発生し、他方がビームを垂直方向に収束させる磁場を発生する。偏向電磁石４８は、水平面内においてビームを偏向する。

高周波加速空胴５３は、周回するビームに高周波電磁場を印加してビームを加速する。静電デフレクタ５２は、高周波加速空胴５３で加速されたビームをシンクロトロン３８から出射する。この際、６極電磁石４９から周回するビームに６極磁場を印加してビーム出射を支援する。

高エネルギービーム輸送系３９は、出射セプタム電磁石５４、４極電磁石５５、及び偏向電磁石５６などから構成される。対に配置された４極電磁石５５は、上記シンクロトロン３８の場合と同様に、一方がビームを水平方向に収束させる磁場を発生し、他方がビームを垂直方向に収束させる磁場を発生する。

本実施形態では、低エネルギービーム輸送系３７と高エネルギービーム輸送系３９の電磁石には従来のスリットのない電磁石を用い、シンクロトロン３８に本発明のスリットを形成した電磁石を用いる。すなわち、シンクロトロン３８の４極電磁石４７、偏向電磁石４８、６極電磁石４９に本発明の電磁石（図７に示す４極電磁石１４、図１に示す偏向電磁石１、図８に示す６極電磁石２４）を用いる。

以上のように構成される本実施形態の医療用加速器システム３５による効果を、従来のスリットを有しない積層電磁石を用いた医療用加速器システムである比較例を用いて説明する。

図１０は比較例である医療用加速器システム３５’のシンクロトロン３８’（図示せず）における４極電磁石、偏向電磁石及び６極電磁石の１運転周期内における磁場強度の変化を示す図である。なお、医療用加速器システム３５’は、特に図示して説明はしないが、従来のスリットを設けない積層電磁石である４極電磁石、偏向電磁石及び６極電磁石を設けたシンクロトロン３８’を有しており、それ以外の構成については本実施形態の医療用加速器システム３５と同様である。

図１０に示すように、シンクロトロン３８’の運転においては、陽子ビームのシンクロトロン３８’への入射、加速、出射、減速を１運転サイクルとするパターン運転が数秒程度の周期で繰り返し実施される。その際、シンクロトロン３８’に設置した電磁石は、設定された電磁石の励磁パターンによりビームエネルギーに応じて所定の磁場を発生するように励磁電流を操作される。すなわち、前段加速器３６からのビーム入射時には数ＭｅＶの入射ビームがシンクロトロン３８’を周回するように磁場強度が低く保持され、ビーム入射後にはビームの加速に伴って磁場強度が増加され、ビームが出射エネルギーに達したら一定の磁場強度に保持される。出射が終了すると、ビームの減速に伴って磁場強度が減少され、次のビーム入射に対応した低い磁場強度に保持される。このとき、前述したように磁極端部における漏洩磁場により発生する渦電流が主な原因となり、加速工程と出射工程との間、及び減速工程と次の運転周期の入射工程との間に、磁場が安定するまでの時間遅れが生じる。ここでは、加速工程と出射工程との間の時間遅れをＴａ、減速工程と入射工程との間の時間遅れをＴｂとする。

図１１に、本実施形態の医療用加速器システム３５のシンクロトン３８における４極電磁石、偏向電磁石及び６極電磁石の１運転周期内における磁場強度の変化を示す。シンクロトロン３８では、４極電磁石４７、偏向電磁石４８、６極電磁石４９として本発明のスリットを形成した電磁石を用いるので、先の実施形態１乃至３で説明したように時間遅れを短縮することができる。その結果、この図１１に示すように、加速工程と出射工程との間の時間遅れをＴａ’に短縮でき、かつ減速工程と入射工程との間の時間遅れをＴｂ’に短縮できる。これにより、シンクロトロン３８の運転周期を、１運転周期につき（Ｔａ−Ｔａ’）＋（Ｔｂ−Ｔｂ’）分だけ短縮することができる。このようにして、シンクロトロン３８の運転周期を短縮できることにより、図１０に示す従来の運転周期よりも短い時間で同じ電荷量のビームを患部に付与することが可能となり、ビーム利用効率を向上することができる。また、運転周期を短縮できることにより、１治療室における１日当たりの治療人数を増加することができる。

なお、上記実施形態４では、シンクロトロン３８の４極電磁石４７、偏向電磁石４８、６極電磁石４９に対してのみ本発明のスリットを形成した電磁石を用いるようにしたが、これに限らず、高エネルギービーム輸送系３９の４極電磁石５５、及び偏向電磁石５６に対しても本発明のスリットを形成した電磁石を用いるようにしてもよい。通常、ビーム輸送系では一定の励磁電流により電磁石を励磁する（すなわち電磁石の磁場強度が一定に保持される）設定値運転が行われるが、ビームエネルギーが変更される場合にはそのエネルギーに応じて電磁石の磁場強度を変更する必要がある。したがって、ビーム輸送系３９に本発明の電磁石を用いることにより、ビームエネルギー変更に伴って磁場強度を変更した際の磁場が安定するまでの時間遅れを短縮できるので、ビームエネルギー変更時における追従性を向上することができる。本変形例は、ビームエネルギーを頻繁に偏向する運転、例えばインテンシティモジュレーションやスキャニング照射等を行う場合に有効である。

なお、以上の実施形態においては、本発明を医療用加速器システムに適用した例を示したが、これに限らず、放射線同位元素の生成、材料照射等の工業用、種子照射などの農業利用等、様々な用途に用いられる加速器システムに適用することが可能である。

本発明の電磁石の第１実施形態である偏向電磁石の磁心の全体構造を表す斜視図である。 図１中II−II断面による磁心の断面図である。 偏向電磁石における陽子ビームの動作、及び電磁鋼板内において発生する渦電流の流れを説明するための磁心の断面図である。 比較例として用いる、スリットを形成しない偏向電磁石の磁心の断面図である。 スリットを形成した電磁鋼板とスリットを形成していない電磁鋼板とを１枚ずつ交互に積層して構成した磁心の全体構造を表す斜視図である。 磁心の積層方向における両端部付近ではスリットを形成した電磁鋼板及びスリットを形成しない電磁鋼板を１枚ずつ交互に積層し、それ以外の部分ではスリットを形成しない電磁鋼板のみを積層することにより構成した磁心の全体構造を表す斜視図である。 本発明の電磁石の第２実施形態である４極電磁石が有する磁心の断面図である。 本発明の電磁石の第３実施形態である６極電磁石が有する磁心の断面図である。 本発明の加速器システムの一実施形態である医療用加速器システムの全体構成を表す図である。 比較例として用いる、シンクロトロンに設けられスリットを形成しない４極電磁石、偏向電磁石及び６極電磁石での１運転周期内における磁場強度の変化を示す図である。 本発明の第４実施形態のシンクロトロンに設けられスリットを形成した４極電磁石、偏向電磁石及び６極電磁石での１運転周期内における磁場強度の変化を示す図である。 磁心を一体型のブロックで構成した従来の電磁石における渦電流の発生を説明する図である。 磁心を積層構造とした従来の電磁石における漏洩磁場による渦電流の発生を説明する図である。

符号の説明

１ 偏向電磁石（電磁石）
２，２''，２''' 磁心
３，４ 励磁コイル（コイル）
５ 電磁鋼板（鋼板）
６ａ，６ｂ 磁極
７ リターンヨーク（ヨーク）
８ スリット
１４ ４極電磁石（電磁石）
１５ 磁心
１６ 電磁鋼板（鋼板）
１８ａ，１８ｂ 磁極
２０，２１ 励磁コイル（コイル）
２２ リターンヨーク（ヨーク）
２３ スリット
２４ ６極電磁石（電磁石）
２５ 磁心
２６ 電磁鋼板（鋼板）
２８ａ，２８ｂ 磁極
３０，３１ 励磁コイル（コイル）
３２ リターンヨーク（ヨーク）
３３ スリット
３８ シンクロトロン（加速器）
３９ 高エネルギービーム輸送系（ビーム輸送系）
４０ ビーム照射装置（照射装置）
４７ ４極電磁石（電磁石）
４８ 偏向電磁石（電磁石）
４９ ６極電磁石（電磁石）
５５ ４極電磁石（電磁石）
５６ 偏向電磁石（電磁石）

Claims (9)

1. 磁場を発生する磁極及び前記磁極に設けたヨークを有する複数の鋼板を積層して構成した磁心と、
   前記磁極を励磁するコイルとを備え、
   前記複数の鋼板のうちの少なくとも１つの鋼板に、前記磁極側で閉塞し前記磁極側と反対側で開放したスリットを少なくとも１つ形成し、
   前記開放したスリットは、前記鋼板内に発生する渦電流の流路を分割するように前記磁極の近傍に至るまで形成されていることを特徴とする電磁石。
2. 前記開放したスリットは、前記磁極側である内周側が閉塞して形成されることを特徴とする請求項１に記載の電磁石。
3. 前記スリットは、前記磁極と同数形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石。
4. 前記スリットを形成した鋼板のみを積層することにより、前記磁心を構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石。
5. 前記スリットを形成した鋼板及び前記スリットを形成しない鋼板を１枚又は複数枚ごとに交互に積層することにより、前記磁心を構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石。
6. 前記磁心の積層方向における両端部付近においては前記スリットを形成した鋼板を積層し、それ以外の部分においては前記スリットを形成しない鋼板を積層することにより、前記磁心を構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石。
7. 前記磁心の積層方向における両端部付近においては前記スリットを形成した鋼板及び前記スリットを形成しない鋼板を１枚又は複数枚ごとに交互に積層し、それ以外の部分においては前記スリットを形成しない鋼板を積層することにより、前記磁心を構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁石。
8. 荷電粒子ビームを設定されたエネルギーとなるまで加速する加速器と、
   前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
   前記ビーム輸送系により輸送された前記荷電粒子ビームを照射対象に対して出射する照射装置とを備え、
   前記加速器は、請求項１又は請求項２に記載の電磁石を有することを特徴とする加速器システム。
9. 前記ビーム輸送系は、請求項１又は請求項２に記載の電磁石を有することを特徴とする請求項８記載の加速器システム。

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