JP5420932B2 - コイルシステム及びこれを用いた粒子加速器 - Google Patents

Description

本発明は、磁束密度の極めて高い磁場を生成可能なコイルシステム、及びこのコイルシステムを利用した荷電粒子を加速する加速器に関する。

粒子を加速する小型の加速器として、下記特許文献１に記載されたサイクロトロンが知られている。この加速器では、円盤状の二枚の磁極の間に複数の磁極セクタが周方向に並ぶように配置され、磁極セクタ同士の間に谷（ギャップ）が設けられており、コイルによって生成され磁極セクタにより調整された磁極の間の電磁場によって、粒子が螺旋状に加速される。

特開２０００−１０６３００号公報

このような加速器では、小型・高効率化のために磁気回路に鉄を使用するが故に、磁場は最大２テスラ（Ｔ）程度となり、せいぜい水素イオン粒子を１０メガ電子ボルト（ＭｅＶ／ｕ）程度のエネルギーを有するまでしか加速することができず、ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）用の放射性薬剤製造に用いられるに留まっている。鉄を使用するため原理的に高磁気剛性の粒子線の加速は不可能で、近年がんの放射線照射治療において顕著な有用性が認められつつある重粒子線（炭素六価プラスイオン^１２Ｃ^６＋等の放射線）をがん治療に利用可能となるまで十分に加速することができない。

一方、がんの放射線照射治療において有用とされる４００ＭｅＶ／ｕ程度のエネルギーをもった（光速の７割程度の速度へ加速された）重粒子線（炭素）の電離放射線は、現状約千個のコイルを直径５０メートル（ｍ）程度の円に沿って並べたシンクロトロン加速器により供給されているが、このコイルシステムないし加速器では、設置コストが莫大なものとなるし、運転コストについても、多数のコイルの冷却や、制御の複雑さ、オペレーターの多人数化、多大な電力消費によって甚大なものとなっている。

具体的には、２００８年１２月時点で重粒子シンクロトロン加速器は日本で２台稼働され、１台建設中であるが、稼働中の２台の加速器の内の１台はシンクロトロン２個を擁し、そのサイズは必要な周辺装置を含め１４０ｍ×６０ｍ程度であり、全体の初期コストが数百億円のオーダーとなり、電力コストやオペレーターの人件費も合わせて数十億円のオーダーになるといわれている。又、もう１台の加速器に関しては、周辺装置を含めたサイズが９０ｍ×８０ｍ程度であり、初期コストやその他のコストは前述のものと同程度かこれより若干低い程度となるといわれている。更に、建設中の加速器及び必要な周辺装置のサイズは６０ｍ×５０ｍ程度であり、初期コストが百数十億円のオーダーとなり、電力コストやオペレーターの人件費が前述のものと同程度となると見込まれている。なお、２００８年１２月時点で、重粒子シンクロトロン加速器は、世界に上記の他ドイツに１台しかない。

このような規模では、いかにがん治療に有用といえども普及に弾みがつかないため、重粒子の加速器の小型化やランニングコストの低減等が望まれるところであり、このような観点からはコイルの数が数個程度と少ないサイクロトロンで重粒子加速器を構成することが考えられる。しかし、鉄心による磁場の成形は、鉄の磁気飽和の生じない１．６Ｔが限度であり、これを前提に４００ＭｅＶ／ｕ程度の重粒子線を加速可能なサイクロトロンを設計すると、少なくとも直径１３ｍ程度のポールフェイス（磁極表面）を有する磁石（４７千トン）が必要となってしまう。

又、サイクロトロンでは、鉄ヨークと冷却水・コイルのジュール発熱との熱平衡や磁気余効のため、迅速な磁場の変更は困難であり、所定の磁束密度に係る磁場しか生成することができず、この磁場により加速される荷電粒子は一定値のエネルギーしか有しないこととなり、柔軟にエネルギーを調節することができない。

そこで、請求項１ないし請求項３に記載の発明は、小型であり設置コストや運用コストが低廉でありながら、重粒子につきがん治療等に利用可能なエネルギーまで加速が可能となるような高磁場並びに磁場分布を形成することができ、エネルギーの増大に伴う相対論効果による質量増加に対応する半径方向の磁気勾配を有する高磁場並びに加速粒子収束のための円周方向磁場の強弱を形成することができ、しかも磁場強度が調整可能であるコイルシステムを提供することを目的としたものである。

又、請求項８に記載の発明は、重粒子についてもがん治療等に利用可能なエネルギーまで加速が可能でありながら小型であり、設置コストや運用コストが従来の重粒子加速器に比して極めて低廉でありながら十分な性能を有し、粒子のエネルギーを可変として制御することのできる加速器を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、コイルシステムにあって、酸化物超電導導体を巻いて成る環状のコイルが３個以上軸方向に並べられたコイルユニットを、互いに向き合った状態で２組備えており、一方の前記コイルユニットにおける各前記コイルと、他方の前記コイルユニットにおける各前記コイルが、鏡面対称に配置され、他の前記コイルユニットに最も近い前記コイルが、他の前記コイルに対し、より大きな断面積を有する主コイルとされていると共に、各前記コイルの電流値を制御する制御装置を備えており、前記制御装置が前記コイルの電流値を変更することで、各前記コイルユニットにより形成される磁場を変化させることを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、コイルシステムにあって、酸化物超電導導体を巻いて成る環状のコイルが３個以上軸方向に並べられたコイルユニットを、互いに向き合った状態で２組備えており、一方の前記コイルユニットにおける各前記コイルと、他方の前記コイルユニットにおける各前記コイルが、鏡面対称に配置され、他の前記コイルユニットに最も近い前記コイルが、他の前記コイルに対し、より大きな断面積を有する主コイルとされていると共に、互いに対応する前記コイルの対毎に電流をスイッチング可能な制御装置を備えており、前記制御装置が電流を付与する前記コイルの対についてスイッチングを行うことで、電流により励磁される前記コイルの組合せ配置を変更し、各前記コイルユニットにより形成される磁場を変化させることを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、コイルシステムにあって、酸化物超電導導体を巻いて成る環状のコイルが３個以上軸方向に並べられたコイルユニットを、互いに向き合った状態で２組備えており、一方の前記コイルユニットにおける各前記コイルと、他方の前記コイルユニットにおける各前記コイルが、鏡面対称に配置され、他の前記コイルユニットに最も近い前記コイルが、他の前記コイルに対し、より大きな断面積を有する主コイルとされていると共に、少なくとも一部の前記コイルの対につき、移動後も鏡面対称に配置される状態で移動可能とされていて、当該移動を制御すると共に互いに対応する前記コイルの対毎に電流をスイッチング可能な制御装置を備えており、前記制御装置が前記コイルの対を移動してその配置を変更し、その前記コイルに電流を付与することで、各前記コイルユニットにより形成される磁場を変化させることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、上記目的に加えて、複数のコイルを設けながらシンプルな構成で高磁場を形成可能とし、更にシンプルな構成でエネルギー可変を可能とする目的を達成するため、上記発明にあって、前記制御装置は、単独の電源により、前記コイルに対し電流を付与することを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、上記目的に加えて、より一層適切な磁気勾配を有する高磁場を形成する目的を達成するため、上記発明にあって、各前記コイルユニットにあって、他の前記コイルユニットに近い前記コイルの外径に対し、当該コイルより遠い前記コイルの内径が、より小さくなっていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、上記目的に加えて、更に運用容易で小型ながらより強力な磁場を形成する目的を達成するため、上記発明にあって、前記酸化物超電導導体は、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥはイットリウムを含む希土類元素）であることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、上記目的に加えて、より一層機械的強度を高めて安定した高磁場を迅速に形成可能とする目的を達成するため、上記発明にあって、少なくとも１つの前記コイルは、積層パンケーキコイルであることを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、粒子加速器にあって、上記コイルシステムを磁極間に組み込んで形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、互いに鏡面対称となる３個以上のコイルを含む２組のコイルユニットのそれぞれにおいて、他の前記コイルユニットに最も近い前記コイルを他の前記コイルに対しより大きな断面積を有する主コイルとすると共に、複数のコイルの少なくとも何れかの電流値を変更可能とし、あるいは対称に配置されたコイルの対毎に電流の付与の有無を切替え可能とし、若しくは移動可能としている。よって、小型であり設置コストや運用コストが低廉でありながら、重粒子につきがん治療等に利用可能なエネルギーまで加速が可能となるような等時性の高磁場並びに磁場分布を形成することができ、しかも磁場の磁束密度の大きさや加速される粒子のエネルギーを制御可能であるコイルシステム、ないしこれを用いた加速器を提供することができる、という効果を奏する。

本発明の第１形態に係るコイルシステムの一部断面説明図である。 図１のコイルシステムの一部断面説明図である。 図１のコイルシステムの一部断面説明図である。 比較例のコイルシステムの一部断面説明図である。 図１に対応する通電状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 図２の状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 図３の状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 図４ないし図６（あるいは図１１ないし図１４）で示される磁場を平滑化したうえでまとめたグラフである。 本発明の第２形態に係るコイルシステムの一部断面説明図である。 図９のコイルシステムの一部断面説明図である。 図９のコイルシステムの一部断面説明図である。 図９に対応する通電状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 図１０に対応する通電状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 図１１に対応する通電状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 本発明の第３形態に係るコイルシステムの一部断面説明図である。 図１５のコイルシステムの一部断面説明図である。 図１５のコイルシステムの一部断面説明図である。 図１５に対応する通電状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 図１６に対応する通電状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。 図１７に対応する通電状態のコイルシステムにより形成される磁場を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、当該形態は、下記の例に限定されない。

［第１形態］
図１ないし図３は本発明の第１形態に係る粒子加速器の、図示しない円柱状の２個の平行な上下の磁極の間に配置されたコイルシステム１の一部断面説明図である。粒子加速器は、磁場を発生する当該磁極と、磁場につき中心から周方向へ行くに従い徐々に磁束密度の増強ないし調整をして荷電粒子を螺旋状の軌道で加速させるコイルシステム１と、荷電粒子を生成して磁極ないしコイルシステム１の中央付近に入射させる図示しないイオン源と、これらの制御を行う図示しない制御装置を有する。

コイルシステム１は、互いに鏡面対称に向き合う状態で上下に配置された２組のコイルユニット２を有しており、コイルユニット２の１組は、全体形状が環状である１個の主コイル３と、全体形状が環状である合わせて５個の補正コイル４，６，８，１０，１２とから成っている。なお、図１において補正コイル８，１０，１２は記載されず、図２において補正コイル４，６，１２は記載されず、図３において補正コイル４，６，８は記載されていない。更に、図１ないし図３では、コイルユニット２の１組に係る半分の断面が示されており、コイルシステム１全体の断面は、縦軸を対称軸として鏡面対称に図示された断面を描いてコイルユニット２の１組の断面を把握すると共に、横軸を対称軸として鏡面対称にコイルユニット２の他の１組の断面を描くことで把握される。図１ないし図３の数値の単位はメートル（ｍ）である。

主コイル３は、超電導導体を線状にして成る超電導線材を、輪状の中心線の全体に対して所定間隔をおいて巻き（空心）、更にこれを環状のシールドで覆うことで形成されている。主コイル３は、図示しない電力供給装置（電源）と電気的に接続されている。なお、シールド内には、図示しない冷却媒体が図示しない冷却装置にのみ流入可能に封入されており、当該冷却装置は、当該冷却媒体を２０ケルビン（Ｋ）まで冷却してシールド内を流通させることが可能となっている。

主コイル３は、補正コイル４，６に比して面積の広い断面（空心部分を含む断面あるいは断面）を有しており、主コイル３の当該断面は、縦（厚み・軸方向寸法）約０．０９３３ｍ，横（環の幅・幅方向寸法）約０．９４５ｍとなっていて、縦横比（アスペクト比）が縦：横＝１：２を超え、１：３をも超えるものとなっている。又、主コイル３の外径は半径約２．５４３ｍであり、内径（環の内側の径，環の孔の径）は半径約１．５９８ｍとなっている。

加えて、超電導線材の幅は１センチメートル（ｃｍ）程度であり、厚さは基板や安定化銅を含み２００マイクロメートル（μｍ）であって、超電導線材表面の絶縁被膜を含め占積率は０．７程度とされ、負荷率は０．７程度とされている。

更に、超電導線材の材質としては、金属系（ニッケルチタン，ニオブスズ等、４．２Ｋで超電導状態）や酸化物系（ビスマス系あるいはＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系等、７７Ｋで超電導状態に入り、２０Ｋで特性の良好な超電導状態となる）の双方を用いることができるが、臨界温度が高く比較的高温で超電導状態となり、又臨界磁界も高いことから酸化物超電導導体を用いることが好ましく、酸化物超電導導体の内でも、作製コストが比較的に高いものの、磁場に強く、耐熱耐食性ニッケル基合金（ハステロイ・登録商標・以下同様）が線材構成材となるために機械的強度も良好な、主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導導体を用いることが更に好ましい。なお、前者のビスマス系酸化物超電導線材の具体例としては、住友電気工業株式会社製Ｂｉ２２２３（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０）が挙げられ、後者のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導線材の具体例としては、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＡＭＳＣ）社製ＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）が挙げられる。本形態（図１ないし図３）では、ＹＢＣＯを用いている。

ここで、主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導導体において、ＲＥはＹ（イットリウム），Ｓｍ（サマリウム），Ｇｄ（ガドリニウム），Ｈｏ（ホルミウム）といった希土類元素のうち少なくとも１つ又は２つ以上の任意の組合せであり、Ｂａはバリウム、Ｃｕは銅、Ｏは酸素である。又、好ましくは、酸化物超電導導体はＲＥがＹであるイットリウム系酸化物超電導導体とし、より好ましくはＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δを始めとするＹ−１２３系酸化物とし、あるいはＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δのＹの全部又は一部を他の希土類金属に置き換えたもの（ＲＥ−１２３系酸化物超電導体）とする。

又、酸化物超電導導体は、表面に結晶配向性を有する基板（線材構成材）上に形成されている。基板は、好ましくは、Ｃｕ（銅），Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ｍｏ（モリブデン），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル），Ｗ（タングステン），Ｍｎ（マンガン），Ｆｅ（鉄），Ａｇ（銀）等の金属あるいはこれらの合金から成る金属層を備えており、より好ましくは、ステンレス，インコネル，ハステロイから成る金属層を備えている。

更に、好ましくは、酸化物超電導導体と基板との間に、金属酸化物から成る中間層が配置される。中間層は、パイロクロア構造，希土類−Ｃ構造，ペロブスカイト型構造あるいは蛍石型構造を有し、例えば、ＢａＺｒＯ_３（Ｚｒはジルコニウム），Ｙ_２Ｏ_３，ＭｇＯ（Ｍｇはマグネシウム），ＳｒＴｉＯ_３（Ｓｒはストロンチウム，Ｔｉはチタン），ＹＳＺ（イットリア安定ジルコニア）、又はＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７等のＬｎ−Ｍ−Ｏ系化合物（Ｌｎは１種以上のランタノイド元素，ＭはＳｒ・Ｚｒ・Ｇａ（ガリウム）の群から選択される１種以上の元素）等である。中間層は、スパッタ法、電子線ビーム蒸着法等で形成されるが、好ましくはＩＢＡＤ法（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、イオンビームアシスト法）により成膜される。

そして、主コイル３は、磁極に対し中心を合わせた状態で磁極に沿うように配置されており、鏡面対称の主コイル３に対して約０．１３ｍ離れた状態で配置されている（図１ないし図３の横軸に対して約０．０６５ｍ離れている）。

一方、補正コイル４，６，８，１０，１２は、寸法や配置を除き、主コイル３と同様に形成され、設計されている。

補正コイル４（図１）は、外径約１．５８９ｍ，内径約１．１８４ｍ，幅約０．４０６ｍ，厚み約０．０２９６ｍとされており、中心を主コイル３の中心と揃え、主コイル３に沿った状態で、対称位置の補正コイル４に対し約０．２２７ｍ間隔を置いて配置されている（図１の横軸に対して約０．１１４ｍ離れている）。従って、補正コイル４は、主コイル３や自身の軸方向において主コイル３と並んだ状態で配置されており、主コイル３より遠方（目的磁場・対称線・横軸からより離れた側，磁極に近い側，他方のコイルユニットから遠い側）に位置していて、その内径ないし外径は主コイル３の外径より小さくされており、主コイル３の外径より（コイルの径方向・放射方向でみて）内側に位置している。

補正コイル６（図１）は、外径約１．１９２ｍ，内径約０．５０７ｍ，幅約０．６８５ｍ，厚み約０．０１５ｍとされており、中心を主コイル３の中心に合わせ、主コイル３に沿う状態で、対称位置の補正コイル６に対し約０．３５６ｍ間隔を置いて配置されている（図１の横軸に対して約０．１７８ｍ離れている）。従って、補正コイル６は、主コイル３や補正コイル４より遠方に位置しており、又その内径ないし外径は、主コイル３や補正コイル４の外径より小径とされていて、主コイル３や補正コイル４の外径より内側に配置されている。なお、主コイル３及び補正コイル４，６のコイル巻き体積は、合わせて約１．８２９立方メートル（ｍ^３）となる。

コイルシステム１では、各コイルユニット２において、補正コイル６より近方に、その内径ないし外径より大きな外径の補正コイル４が配置され、補正コイル４より近方に、その内径ないし外径より更に大きな外径の主コイル３が配置されており、コイルユニット２全体としてみて遠方に盛り上がる山型形状となっている。又、コイルシステム１では、コイルユニット２同士でみて互いに対称となっており、コイルユニット２で挟まれた部分において、粒子加速等を目的とする磁場（目的磁場）が形成される。コイルユニット２における各種コイルは、それぞれスイッチを介して共通の電源と電気的に接続されており、当該スイッチをオンにすることで単独の電源により電圧を付加されて励磁され、他の励磁コイルと共に目的磁場を生成する。なお、図１ないし図３における横軸が、目的磁場の中央線となる。

補正コイル８（図２）は、中心を主コイル３の中心と揃え、主コイル３に沿った状態であり、対称位置の補正コイル８に対し約０．３１７ｍ間隔を置いて配置されている（図２の横軸に対して約０．１５８ｍ離れている）。各補正コイル８は、主コイル３や自身の軸方向において主コイル３と並んだ状態で配置されており、主コイル３より遠方に位置していて、その内径ないし外径は主コイル３の外径より内側に位置している。又、補正コイル８は、補正コイル４に比べて、僅かに遠方（上側の補正コイル８は上方、下側の補正コイル８は下方）となっている。

補正コイル１０（図２及び図３）は、中心を主コイル３の中心に合わせ、主コイル３に沿う状態であり、対称位置の補正コイル１０に対し約０．４０６ｍ間隔を置いて配置されている（図２の横軸に対して約０．２０３ｍ離れている）。各補正コイル１０は、主コイル３や補正コイル８より遠方に位置しており、その内径ないし外径は主コイル３や補正コイル８の外径より内側に配置されている。又、補正コイル１０は、補正コイル６に比べて、僅かに遠方となっており、下面が主コイル３の上面より遠方に位置している。なお、主コイル３及び補正コイル８，１０のコイル巻き体積は、合わせて約１．８７９立方メートル（ｍ^３）となる。

補正コイル１２（図３）は、中心を主コイル３の中心と揃え、主コイル３に沿った状態であり、外径約２．１４１ｍ，内径約１．１９５ｍ，幅約０．９４６ｍ，厚み約０．０４６１ｍとされており、対称位置の補正コイル１２に対し約０．５５８ｍ間隔を置いて配置されている（図３の横軸に対して約０．２７９ｍ離れている）。補正コイル１２は、主コイル３や自身の軸方向において主コイル３と並んだ状態で配置されており、主コイル３より遠方に位置していて、その内径ないし外径は主コイル３の外径より内側に位置している。なお、主コイル３及び補正コイル１０，１２のコイル巻き体積は、合わせて約２．２９１立方メートル（ｍ^３）となる。

そして、コイルシステム１では、各コイルに流す電流値を任意に変更することが可能であり、又、互いに対称である主コイル３若しくは補正コイル４，６，８，１０，１２の対毎に、任意の電圧を印加して、電流の付与の有無を切替えること（スイッチング）ができ、電流により励磁されるコイルの組合せ配置を（互いに対称なコイルの対毎に）変更することが可能である。

一方、本発明に係るコイルシステム１に対する比較例として、図４において図１ないし図３と同様に示すような、コイルユニットが単独のコイルで構成され、当該コイルが上下に鏡面対称に配置されたものを挙げる。当該コイルは、外径約２．１６２ｍ，内径約１．８５５ｍ，幅約０．３０７ｍ，厚み約０．７２３ｍとされており、対称位置のコイルに対し約０．１３ｍ間隔を置いて配置されている（図４の横軸に対して約０．０６５ｍ離れている）。

これらのコイルシステム１等を有する粒子加速器につき、コンピュータ制御によりそれぞれ以下のように動作させる。

即ち、まず本発明に係るコイルシステム１を有する粒子加速器につき、粒子加速器ないしコイルシステム１の制御装置としてのコンピュータは、冷却装置を動作させ、冷却媒体を双方の主コイル３及び補正コイル４，６，８，１０，１２が超電導状態となる温度（２０Ｋ）まで伝導冷却により冷却し、冷却媒体の温度を安定させる。そして、コイルシステム１に対し、例えば徐々に双方の主コイル３及び補正コイル４，６に電圧を付加し、上述の電流密度となるまで双方の主コイル３及び補正コイル４，６に電流を流す（図１参照、運転電流を３００Ａ程度とする）。ここでは、補正コイル８，１０，１２に電流は流されず、よって電流の流されるコイルが主コイル３及び補正コイル４，６に切替えられている。そして、電流密度が約６．６１×１０^７アンペア毎平方メートル（Ａ／ｍ^２）程度となり、超電導状態により電流が安定すれば、電圧の付加を停止して、粒子を螺旋軌道で加速させる等時性磁場を形成する定常状態に移行させる。

このようにして得られた等時性磁場（目的磁場，図１の横軸上，直径３．２ｍ・高さ（厚さ）１３ｃｍ，図１の原点を中心とした円盤形）の磁束密度分布を図５に示す。コイルシステム１等を有する粒子加速器では、径方向に徐々に磁束密度の高くなる粒子加速に適した磁気勾配を有する磁場を形成することができている。しかも、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を３．８Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を５Ｔ程度とすることができ、常電導の鉄の限界である２Ｔを大幅に超える非常に大きな磁束密度の磁場を、滑らかな磁気勾配を有する状態で形成することができている。

従って、目的磁場に荷電粒子を入射させることで、重粒子であっても螺旋軌道により十分に（２９０ＭｅＶ／ｕ程度まで）加速することができ、重粒子線がん治療に必要な重粒子の加速につき、コイルシステム１等を有する粒子加速器で行うことができる。そして、コイルシステム１自体の寸法は直径約５ｍ×高さ約２ｍとなり、周辺装置を含めても数十平方メートル（ｍ^２）程度の設置面積で済む等、コイルシステム１や粒子加速器を非常にコンパクトに小型化することができる。更に、粒子加速器が小型であるため、製作に要する材料の量を低減することができ、運転に必要な電力量も低減することができ、運転に係る制御も比較的に簡易なものとすることができて、導入コストや運用コストを低廉なものとすることができ、保守も簡単に行うことができて保守コストも低廉なものとすることができる。

加えて、双方の主コイル３及び補正コイル４，６を超電導状態とし、超電導状態による励磁を行い、超電導加速器として運転するため、これらコイルに付加する電力量の低減に寄与するし、ジュール発熱が生じず冷却媒体の冷却エネルギーも比較的に少なく済み、運転に必要な電力量の低減を図ることができる。又、小型で冷却媒体の量が少なく、又ジュール熱を生じないこと等により、停止状態から高磁場状態（粒子加速可能状態）となる時間を短時間とすることができ、効率良く粒子加速を行うことができる。更に、ジュール熱を生じないこと等により、各主コイル３及び補正コイル４，６に熱変形が生じる事態を防止することができ、磁場分布の変動を防止して、安定した等時性磁場の形成ないし磁場の粒子加速の安定動作の確保等を行うことができる。そして、以上の特性により、重粒子加速器の普及を促進することができ、重粒子線がん治療を実施可能な病院が増加する等、多大な効果を奏することができる。

又、制御装置（コンピュータ）は、重粒子のエネルギーの上昇を図る等により更に高磁場を形成する指令を受けた場合には、補正コイル４，６に対する電圧を制御して補正コイル４，６における電流を停止すると共に、補正コイル８，１０における電圧を制御して補正コイル８，１０に対し電流を付与する（図２参照）。更に、主コイル３に対する電圧も制御して、主コイル３ないし補正コイル８，１０に流される電流密度を、約６．８９×１０^７Ａ／ｍ^２程度と、図１の場合に比して変更制御する。

このようにして得られた等時性磁場の磁束密度分布を図６に示す。この場合においても、径方向に滑らかに磁束密度の高くなる磁気勾配を有する磁場を、磁束密度の極めて高い状態で形成することができている。しかも、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を４Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を５．５Ｔ程度とすることができている。周端側の磁束密度は、図１の場合（５Ｔ）と比べ、より大きくなっている。

従って、目的磁場に荷電粒子を入射させることで、重粒子であっても螺旋軌道により十分に（３５０ＭｅＶ／ｕ程度まで）加速することができる。そして、図１の状態（主コイル３及び補正コイル４，６に対する電流付与切替え）では重粒子は２９０ＭｅＶ／ｕのエネルギーを有するように加速されるところ、この図２の状態（主コイル３及び補正コイル４，６に対する電流付与切替え）では３５０ＭｅＶ／ｕのエネルギーを有するように加速される。

よって、各コイル（互いに対称なコイルの対）に通電する電流値を制御し、あるいはコイルに対する電流の付与の有無を切替えることで、形成される磁場の磁束密度の高さや、これにより加速される粒子のエネルギーを可変とすることができる。又、磁場等の変更は、上述した停止状態から磁場発生状態への短時間の移行と同様の理由により、短時間で行える。特に重粒子線がん治療にあっては、腫瘍の体表からの深さに応じたエネルギーを有する重粒子線をフレキシブルに照射することができ、エネルギー変更の必要が生じても比較的迅速に対応することができて、より良い治療を施しながら患者に余計な負担をかけずに済む。

更に、制御装置（コンピュータ）は、更なる高磁場を形成する指令を受けた場合には、補正コイル８に対する電圧を制御して補正コイル８における電流を停止すると共に、補正コイル１０，１２における電圧を制御して補正コイル１０，１２に対し電流を付与する（図３参照）。又、主コイル３に対する電圧も制御して、主コイル３ないし補正コイル１０，１２に流される電流密度を、約６．１３×１０^７Ａ／ｍ^２程度と、図１や図２の場合に比して変更するよう制御する。

このようにして得られた等時性磁場の磁束密度分布を図７に示す。この場合においても、径方向に滑らかに磁束密度の高くなる磁気勾配を有する磁場を、磁束密度の極めて高い状態で形成することができている。しかも、磁場につき、中心付近の磁束密度を４．２Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を６Ｔ程度とすることができている。特に周端側の磁束密度は、図１や図２の場合（５Ｔ，５．５Ｔ）と比べ、より大きくなっている。

従って、目的磁場に荷電粒子を入射させることで、重粒子であっても螺旋軌道により十分に（４００ＭｅＶ／ｕ程度まで）加速することができる。そして、図１，図２の切替え状態では重粒子は２９０，３５０ＭｅＶ／ｕのエネルギーを有するように加速されるところ、この図３の状態では４００ＭｅＶ／ｕのエネルギーを有するように加速される。

よって、各コイルに通電する電流値を制御し、あるいは通電の有無を切替えることで、形成される磁場の磁束密度の高さや、これにより加速される粒子のエネルギーを可変とすることができる。又、磁場等の変更は、上述した停止状態から磁場発生状態への短時間の移行と同様の理由により、やはり短時間で行える。よって、重粒子線がん治療では、エネルギー変更の必要が生じても比較的迅速に対応することができ、患者に余計な負担をかけない状態でより良い治療を実施可能である。

なお、図８に、図１ないし図３の配置により形成される磁場を並べたグラフを示す（曲線を若干円滑化している）。このグラフでは、滑らかな勾配を有する磁場につき、磁束密度の高さが極めて高くしかも可変となっていることが示されている。

一方、比較例に係るコイルシステムを有する粒子加速器につき同様に動作させた場合、本発明における図５で示したような磁場と同様の磁場を得ることができるものの、形成される磁場の磁束密度の高さや、これにより加速される粒子のエネルギーを可変とすることは不可能であるし、そうであるにもかかわらずコイルの形成のために使用する超電導線材の量が約３．９２ｍ^３となり、本発明のコイルシステム１ないし粒子加速器と比較しても多量の線材使用量となる。

従って、複数のコイルから成るコイルユニットを含みコイル毎の電流を切替える本発明のコイルシステム１ないし粒子加速器にあっては、重粒子につきがん治療等に利用可能なエネルギーまで加速が可能となるような等時性の高磁場並びに磁場分布を実現し、かつエネルギーの可変を実現しながら、比較的にコストを要する酸化物超電導線材の使用量を低減することができ、がん治療等に利用可能な粒子加速器の普及の促進に一層寄与することとなる。

［第２形態］
本発明の第２形態に係るコイルシステム２１ないし粒子加速器は、各コイルの寸法、ないし補正コイルの構成に関する事項を除き、第１形態のコイルシステム１と同様に成る。

図９ないし図１１は、コイルシステム２１を図１ないし図３と同様に示すものである。コイルシステム２１のコイルユニット２２において、各コイルは第１形態の主コイル３と同様に形成されており、主コイル２３の断面は、縦約０．９３７ｍ，横約０．１１１ｍとなっていて、縦横比（アスペクト比）が縦：横＝１：２を超え、１：３をも超えるものとなっている。又、主コイル２３の外径は半径約２．５１６ｍであり、内径は半径約１．５７８ｍとなっている。更に、主コイル２３は、鏡面対称の主コイル２３に対して約０．１３ｍ離れた状態で配置されている（図９の横軸に対して約０．０６５ｍ離れている）。

又、補正コイル２４（図９）は、外径約２．０３７ｍ，内径約１．７８８ｍ，幅約０．２４９ｍ，厚み約０．０９４５ｍとされており、対称位置の補正コイル２４に対し約０．３５２ｍ間隔を置いて配置されている（図９の横軸に対して約０．１７６ｍ離れている）。従って、補正コイル２４は、主コイル２３や自身の軸方向において主コイル２３と並んだ状態で配置されており、主コイル２３より遠方に位置していて、その内径ないし外径は主コイル２３の外径より小さくされており、主コイル２３の外径より内側に位置している。

更に、補正コイル２６（図９）は、外径約１．３８６ｍ，内径約１．３０６ｍ，幅約０．０８０５ｍ，厚み約０．８０５ｍとされており、対称位置の補正コイル２６に対し約０．５ｍ間隔を置いて配置されている（図９の横軸に対して約０．２５ｍ離れている）。従って、補正コイル２６は、主コイル２３や補正コイル２４より遠方に位置しており、又その内径ないし外径は、主コイル２３や補正コイル２４の外径より小径とされていて、主コイル２３や補正コイル２４の外径より内側に配置されている。なお、主コイル２３及び補正コイル２４，２６のコイル巻き体積は、合わせて約３．０３４ｍ^３となる。又、図９の状態において、各コイルにおける電流密度は、約４．２６×１０^７Ａ／ｍ^２程度とされている。

加えて、補正コイル２８（図１０）は、外径約２．１６８ｍ，内径約１．７５７ｍ，幅約０．４１１ｍ，厚み約０．０８６７ｍとされており、対称位置の補正コイル２８に対し約０．３５２ｍ間隔を置いて配置されている（図１０の横軸に対して約０．１７６ｍ離れている）。従って、補正コイル２８は、主コイル２３より遠方に位置しており、又その内径ないし外径は、主コイル２３の外径より小径とされていて、主コイル２３の外径より内側に配置されている。なお、補正コイル２８は補正コイル２４を含む状態（巻線を交互に通した状態）で巻かれており、補正コイル２４，２８に対しては共通の冷却媒体封入用シールドが配備されている。

又、補正コイル３０（図１０）は、外径約１．３７５ｍ，内径約１．２８８ｍ，幅約０．０８６７ｍ，厚み約０．６３４ｍとされており、対称位置の補正コイル２８に対し約０．５３８ｍ間隔を置いて配置されている（図１０の横軸に対して約０．２６９ｍ離れている）。従って、補正コイル３０は、主コイル２３や補正コイル２８より遠方に位置しており、又その内径ないし外径は、主コイル２３や補正コイル２８の外径より小径とされていて、主コイル２３や補正コイル２８の外径より内側に配置されている。なお、補正コイル２６は補正コイル３０を含む状態で巻かれており、補正コイル２６，３０に対しては共通の冷却媒体封入用シールドが配備されている。又、主コイル２３及び補正コイル２８，３０のコイル巻き体積は、合わせて約３．１３０ｍ^３となる。更に、図１０の状態において、各コイルにおける電流密度は、約４．４２×１０^７Ａ／ｍ^２程度に変更されている。

又更に、補正コイル３２（図１１）は、外径約１．７３６ｍ，内径約１．２１２ｍ，幅約０．５２４ｍ，厚み約０．０２２３ｍとされており、対称位置の補正コイル３２に対し約０．３５２ｍ間隔を置いて配置されている（図１１の横軸に対して約０．１７４ｍ離れている）。従って、補正コイル３２は、主コイル２３より遠方に位置しており、又その内径ないし外径は、主コイル２３の外径より小径とされていて、主コイル２３の外径より内側に配置されている。

一方、補正コイル３４（図１１）は、外径約１．４６６ｍ，内径約０．５０６ｍ，幅約０．９６ｍ，厚み約０．０１３９ｍとされており、対称位置の補正コイル３４に対し約０．３１６ｍ間隔を置いて配置されている（図１１の横軸に対して約０．１５８ｍ離れている）。従って、補正コイル３４は、主コイル２３より遠方に位置しており、又その内径ないし外径は、主コイル２３の外径より小径とされていて、主コイル２３の外径より内側に配置されている。なお、主コイル２３及び補正コイル３２，３４のコイル巻き体積は、合わせて約２．１３９ｍ^３となる。更に、図１１の状態において、各コイルにおける電流密度は、約６．４０×１０^７Ａ／ｍ^２程度に変更されている。

このようなコイルシステム２１等を有する粒子加速器につき、コンピュータ制御により第１形態と同様に動作させ、電流を主コイル２３及び補正コイル２４，２６に切替えた図９の状態において得られた目的磁場（等時性磁場）の磁束密度分布を図１２に示す。コイルシステム２１に係る粒子加速器にあって、図９の状態では、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を３．８Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を５Ｔ程度とすることができ、極めて大きな磁束密度の磁場を、滑らかな磁気勾配を有する状態で形成することができている。

又、電流を主コイル２３及び補正コイル２８，３０に切替えた図１０の状態では、図１３に示すように、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を４Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を５．５Ｔ程度とすることができ、更に大きな磁束密度の磁場を、滑らかな磁気勾配を有する状態で形成することができている。

更に、電流を主コイル２３及び補正コイル３２，３４に切替えた図１１の状態では、図１５に示すように、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を４．２Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を６Ｔ程度とすることができ、より一層大きな磁束密度の磁場を、滑らかな磁気勾配を有する状態で形成することができている。

そして、各コイルに通電する電流値を制御し、あるいは電流の切替えを行うことで、第１形態と同様、所望の磁場（図８参照）を得ることができ、磁場等の変更が短時間で行える。よって、重粒子線がん治療では、エネルギー変更の必要が生じても比較的迅速に対応することができ、患者に余計な負担をかけない状態でより良い治療を実施可能である。

［第３形態］
本発明の第３形態に係るコイルシステム４１ないし粒子加速器は、各コイルの寸法、ないし補正コイルの構成に関する事項を除き、第１形態のコイルシステム１と同様に成る。

図１５ないし図１７は、コイルシステム４１を図１ないし図３と同様に示すものである。コイルシステム４１のコイルユニット４２は、主コイル４３，４４及び補正コイル４５，４６，４８，４９を含む。コイルユニット４２の各コイルは、第１形態の主コイル３と同様に形成されており、空間領域が重なるコイル同士（主コイル４３，４４あるいは補正コイル４５，４６）においても、互い違いに巻くか、あるいは複数の小コイルを組合わせ、更に共通の冷却媒体封入用シールドを配備する等して、独立して機能するように構成されている。

主コイル４３の断面（図１５）は、縦約０．１６２ｍ，横約０．３９６ｍとなっていて、縦横比（アスペクト比）が縦：横＝１：２を超えるものとなっている。又、主コイル４３の外径は半径約２．０１８ｍであり、内径は半径約１．６２２ｍとなっている。更に、主コイル４３は、鏡面対称の主コイル４３に対して約０．１３ｍ離れた状態で配置されている（図１５の横軸に対して約０．０６５ｍ離れている）。

一方、主コイル４４の断面（図１６，１７）は、縦約０．１９７ｍ，横約０．４９５ｍとなっていて、縦横比（アスペクト比）が縦：横＝１：２を超えるものとなっている。又、主コイル４４の外径は半径約２．１２８ｍであり、内径は半径約１．６３２ｍとなっている。更に、主コイル４４は、鏡面対称の主コイル４４に対して約０．１３ｍ離れた状態で配置されている（図１６，１７の横軸に対して約０．０６５ｍ離れている）。主コイル４４は、主コイル４３や自身の軸方向において主コイル４３と並んだ状態で互いに同軸に配置されている。

又、補正コイル４５（図１５，１７）は、外径約１．６３１ｍ，内径約１．４８１ｍ，幅約０．１５０ｍ，厚み約０．１３ｍとされており、対称位置の補正コイル４５に対し約０．４３６ｍ間隔を置いて配置されている（図１５，１７の横軸に対して約０．２１８ｍ離れている）。補正コイル４５は、主コイル４３，４４や自身の軸方向において主コイル２３と並んだ状態で配置されており、主コイル４３，４４より遠方に位置していて、その内径ないし外径は主コイル２３の外径より小さくされており、主コイル４３，４４の外径より内側に位置している。

更に、補正コイル４６（図１６）は、外径約１．５９９ｍ，内径約１．４８６ｍ，幅約０．１１３ｍ，厚み約０．１８２ｍとされており、対称位置の補正コイル４６に対し約０．４０４ｍ間隔を置いて配置されている（図１６の横軸に対して約０．２０２ｍ離れている）。補正コイル４６は、主コイル４３，４４や自身の軸方向において主コイル４３，４４と並んだ状態で配置されており、主コイル４３，４４より遠方に位置していて、その内径ないし外径は主コイル４３，４４の外径より小径とされており、主コイル４３，４４の外径より内側に配置されている。

加えて、補正コイル４８（図１５）は、外径約１．４５７ｍ，内径約０．５６４ｍ，幅約０．８９２ｍ，厚み約０．０１８２ｍとされており、対称位置の補正コイル４８に対し約０．４５４ｍ間隔を置いて配置されている（図１５の横軸に対して約０．２２７ｍ離れている）。補正コイル４８は、主コイル４３，４４や自身の軸方向において主コイル４３，４４と並んだ状態で配置されており、主コイル４３，４４より遠方に位置している。又、補正コイル４８の内径ないし外径は、主コイル４３，４４や補正コイル４５，４６の外径より小径とされていて、主コイル４３，４４や補正コイル４５，４６の外径より内側に配置されている。

又、補正コイル４９（図１６，１７）は、外径約１．４４５ｍ，内径約０．５２４ｍ，幅約０．９２１ｍ，厚み約０．０１６５ｍとされており、対称位置の補正コイル２８に対し約０．３４７ｍ間隔を置いて配置されている（図１６，１７の横軸に対して約０．１７３ｍ離れている）。補正コイル４９は、主コイル４３，４４や自身の軸方向において主コイル４３，４４と並んだ状態で配置されている。補正コイル４９の内径ないし外径は、主コイル４３，４４や補正コイル４５，４６の外径より小径とされていて、主コイル４３，４４や補正コイル４５，４６の外径より内側に配置されている。

なお、図１５の状態において、主コイル４３及び補正コイル４５，４８のコイル巻き体積は、合わせて約１．４９ｍ^３となり、各コイルにおける電流密度は、約６．５９×１０^７Ａ／ｍ^２程度となる。又、図１６の状態において、主コイル４４及び補正コイル４６，４９のコイル巻き体積は、合わせて約１．８５ｍ^３となり、各コイルにおける電流密度は、約６．０１×１０^７Ａ／ｍ^２程度となる。更に、図１７の状態において、主コイル４４及び補正コイル４５，４９のコイル巻き体積は、合わせて約２．１５ｍ^３となり、各コイルにおける電流密度は、約５．５６×１０^７Ａ／ｍ^２程度となる。

このようなコイルシステム４１等を有する粒子加速器につき、コンピュータ制御により第１形態と同様に動作させ、電流を主コイル４３及び補正コイル４５，４８に切替えた図１５の状態において得られた目的磁場（等時性磁場）の磁束密度分布を図１８に示す。コイルシステム４１に係る粒子加速器にあって、図１５の状態では、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を３．８Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を５Ｔ程度とすることができ、極めて大きな磁束密度の磁場を、滑らかな磁気勾配を有する状態で形成することができている。

又、電流を主コイル４４及び補正コイル４６，４９に切替えた図１６の状態では、図１９に示すように、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を４Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を５．５Ｔ程度とすることができ、更に大きな磁束密度の磁場を、滑らかな磁気勾配を有する状態で形成することができている。

更に、電流を主コイル４４及び補正コイル４５，４９に切替えた図１７の状態では、図２０に示すように、目的磁場につき、中心付近の磁束密度を４．２Ｔ程度とし、周端側の磁束密度を６Ｔ程度とすることができ、より一層大きな磁束密度の磁場を、滑らかな磁気勾配を有する状態で形成することができている。

そして、各コイルに通電する電流値を制御し、あるいは電流の切替えを行うことで、第１形態と同様、所望の磁場（図８参照）や粒子エネルギーを得ることができ、磁場等の変更が短時間で行える。よって、重粒子線がん治療では、エネルギー変更の必要が生じても比較的迅速に対応することができ、患者に余計な負担をかけない状態でより良い治療を実施可能である。

［第４形態］
本発明の第４形態に係るコイルシステムないし粒子加速器は、各コイルの巻線方式を除き、第１形態のコイルシステム１と同様に成る。

第４形態のコイルシステムないし粒子加速器では、各主コイル３及び補正コイル４，６，８は、帯状の超電導線材をパンケーキ巻きして形成されたパンケーキコイルを用いて構成されている。各主コイル３及び補正コイル４，６，８，１０，１２は、中央に孔を有する円盤状（環状）のパンケーキコイルにつき、複数重ねることで積層構造をとるように（積層パンケーキコイルとして）構成されている。

第４形態のコイルシステムないし粒子加速器においても、第１形態と同様、円滑な磁気勾配を付与可能な高磁場につき、小型で低コストで普及容易な装置において形成することができ、磁束密度やエネルギーを可変として制御可能とすることができる。しかも、各主コイル３及び補正コイル４，６，８，１０，１２がパンケーキコイルあるいはその積層体で形成されているため、励磁時において電磁力が圧縮応力として線材構成材（ハステロイ）に対して印加されるようにすることができ、各主コイル３及び補正コイル４，６，８，１０，１２の機械的強度を高くして挫屈を回避することができて、耐久性を一層向上し、又高磁場をより安定した状態で生成することができる。

［変更例］
なお、主に上記形態を変更して成る、本発明の他の形態を例示する。第１形態において、補正コイル６，１０を同一のコイルで構成し、発生する磁場の強度に応じて、そのコイルを補正コイル６に対応する位置や補正コイル１０に対応する位置に移動する。この場合、移動中に電流を停止して移動中の安定動作を図ることができる。同様に、補正コイル４，８を同一のコイルで構成し、補正コイル４に対応する位置や補正コイル８に対応する位置に移動可能とする。あるいは、補正コイル４，８，１２等につき、電流が流されない場合には外方へ退避可能とし、電流が流される場合には励磁位置まで進出するよう移動可能とする。

コイルの数は、片側のコイルユニットにおいて様々に変更することができ、通電する（電流を流す）コイルについても、コイルユニット当たり２個としても良いし、４個以上としても良い。コイルにつき、断面の面積（断面積）に基づき主コイルと補正コイルとに分けず、全て同様の断面積を有するようにしたり、各コイルで様々な断面積をもつようにしたりして良い。又、主コイルを補正コイルより目的磁場に対して遠くに配置して良い。各種コイルの寸法や配置につき、磁気勾配形状や磁束密度の高さ等に応じて微調整し、あるいは変更することができる。一方のコイルユニットは、他方のコイルユニットにおける全てのコイルに対して鏡面対称であるコイルのみから成る必要はなく、他方のコイルユニットにはない微調整用のコイルを追加して配備する等、他方のコイルユニットに属する複数のコイルに対して鏡面対称であるコイルを含むのであればどのような構成を採用しても良い。パンケーキコイルは、積層せず単独で用い、積層数を様々にし、あるいは層毎の厚みや巻き数や線材の種類・寸法等を様々にすることができ、コイルシステムは、ソレノイドコイル、パンケーキコイル、又は積層パンケーキコイルの組合せとして良い。第２形態のコイルシステム等にあっても、パンケーキコイルを用いることができる。冷却媒体の温度につき、２０Ｋ以外として良い。

コイルに対する電流の切替え（励磁組合せ配置変更）につき、徐々に磁束密度ないしエネルギーの高い磁場となるよう順に切替えず（変更せず）、例えば当初から高磁場を形成するよう切替えて（変更して）良いし、当初から中位の磁場を形成するよう切替えて（変更して）も良い。電流の切替えパターン（コイルの配置パターン）を２種類又は４種類以上とし、磁束密度ないしエネルギーの段階を２段階又は４段階以上として良い。

主コイルにつき電流を流さないように切替可能として良い。補正コイルや主コイル等を追加又は減少させるような電流切替えを行って良い。電流密度、電流・電圧、通電するコイルの組合せ等は、磁気勾配形状や磁束密度の高さ等に応じて様々に変更することができる。又、電流値のみを変更し、電流の切替えパターンのみを変更し、あるいはコイルの配置のみを移動により変更して、磁場によるエネルギーを変えることができるし、これらの組合せによって磁場によるエネルギーを変えることができる。あるいは、コイル毎に電流値を変更して良いし、各コイルを複数のグループに分け、グループ毎に電流値を変更しても良いし、磁気勾配形状や磁束密度の高さの状況等に応じてグループに属するコイルを変更しても良い。又、電流密度あるいは電流・電圧、電流切替え等は、対応するコイル同士（一方のコイルユニットにおけるコイルと、他方のコイルユニットにおける対応するコイル、互いに鏡面対称となっている対のコイル）で同等になるように制御することができるし、配置につき、対応するコイル同士であっても鏡面対称とならない位置とすることができる。

本発明のコイルシステムないし粒子加速器によれば、小型で低コストな構成によって極めて高い磁場を提供することができ、しかも磁束密度の高さやエネルギーを迅速に変更可能とすることができ、本発明のコイルシステムないし粒子加速器は、各種医療機関用の医療用加速器に採用可能であることはもちろん、最大級の規模を有しない研究機関においても容易に導入可能な実験用粒子加速器を作製するために採用したり、高磁場を必要とする産業機器に組み込んだりすることも可能であり、本発明のコイルシステムないし重粒子の加速が可能な粒子加速器は、様々な用途を有する。

又、特にがん治療用重粒子加速器とした場合には、次に説明するように、がんに対し非常に効果的な重粒子線の照射を効率良く実施することができ、多数のがん患者に対し治療を施して生活の質（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｏｆ Ｌｉｆｅ，ＱＯＬ）の向上を提供することができるものである。

即ち、炭素六価イオン線（荷電粒子）を水平垂直の２門で照射することで、エネルギー吸収量の高い位置をがん患部の位置に集中させることができ、又その集中性につきエックス線やガンマ線に対して遙かに高水準とし、陽子線と比しても更に急峻な境界をもつものとすることができ、患部以外の部位に対して低負担となり治療の負担が軽減され、患部のみに線量を集中させてがん細胞に対する生物学的効果（細胞致死効果）をエックス線や陽子線の３倍程度とすることができ、比較的に短い照射時間で効果を上げることができて分割照射回数を少なくしあるいは治療期間や入院期間を短くしあるいはリハビリテーション期間を不要又は極めて短くすることができ、外科的切除や他の放射線治療に比して身体的負担や費用負担等の極めて少ないがん治療を実施することができる。又、その線量の集中性等により、低酸素がん（中期以降の大きな腫瘍）や放射線抵抗性がん（腺がん・骨肉腫等のがん）に対しても有効である場合を生じ、難治がんに対する治療にも利用することができる。

そして、低負担で原則手術不要であること等により、高齢者や他病保有者等であっても治療の可能性を見出すことができるし（治療対象者の拡大）、患者のＱＯＬ向上を図ることができ、ひいては社会的負担（Ｓｏｃｉａｌ Ｃｏｓｔ）を低減することができ、更に、重粒子線のエネルギーを状況に応じて適切に調整することにより、負担を可及的に最小限としながら上述の効果を最大限に発揮させることができる。本発明のコイルシステムないし医療用重粒子加速器によれば、このように顕著な効果を奏する機器の普及を促進することが可能となる。

１，２１，４１ コイルシステム
２，２２，４２ コイルユニット
３，２３，４３，４４ 主コイル（コイル）
４，６，８，１０，１２，２４，２６，２８，３０，３２，４５，４６，４８，４９ 補正コイル（コイル）

Claims (8)

1. 酸化物超電導導体を巻いて成る環状のコイルが３個以上軸方向に並べられたコイルユニットを、互いに向き合った状態で２組備えており、
   一方の前記コイルユニットにおける各前記コイルと、他方の前記コイルユニットにおける各前記コイルが、鏡面対称に配置され、
   他の前記コイルユニットに最も近い前記コイルが、他の前記コイルに対し、より大きな断面積を有する主コイルとされていると共に、
   各前記コイルの電流値を制御する制御装置を備えており、
   前記制御装置が前記コイルの電流値を変更することで、各前記コイルユニットにより形成される磁場を変化させる
   ことを特徴とするコイルシステム。
2. 酸化物超電導導体を巻いて成る環状のコイルが３個以上軸方向に並べられたコイルユニットを、互いに向き合った状態で２組備えており、
   一方の前記コイルユニットにおける各前記コイルと、他方の前記コイルユニットにおける各前記コイルが、鏡面対称に配置され、
   他の前記コイルユニットに最も近い前記コイルが、他の前記コイルに対し、より大きな断面積を有する主コイルとされていると共に、
   互いに対応する前記コイルの対毎に電流をスイッチング可能な制御装置を備えており、
   前記制御装置が電流を付与する前記コイルの対についてスイッチングを行うことで、電流により励磁される前記コイルの組合せ配置を変更し、各前記コイルユニットにより形成される磁場を変化させる
   ことを特徴とするコイルシステム。
3. 酸化物超電導導体を巻いて成る環状のコイルが３個以上軸方向に並べられたコイルユニットを、互いに向き合った状態で２組備えており、
   一方の前記コイルユニットにおける各前記コイルと、他方の前記コイルユニットにおける各前記コイルが、鏡面対称に配置され、
   他の前記コイルユニットに最も近い前記コイルが、他の前記コイルに対し、より大きな断面積を有する主コイルとされていると共に、
   少なくとも一部の前記コイルの対につき、移動後も鏡面対称に配置される状態で移動可能とされていて、
   当該移動を制御すると共に互いに対応する前記コイルの対毎に電流をスイッチング可能な制御装置を備えており、
   前記制御装置が前記コイルの対を移動してその配置を変更し、その前記コイルに電流を付与することで、各前記コイルユニットにより形成される磁場を変化させる
   ことを特徴とするコイルシステム。
4. 前記制御装置は、単独の電源により、前記コイルに対し電流を付与する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載のコイルシステム。
5. 各前記コイルユニットにあって、他の前記コイルユニットに近い前記コイルの外径に対し、当該コイルより遠い前記コイルの内径が、より小さくなっている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載のコイルシステム。
6. 前記酸化物超電導導体は、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥはイットリウムを含む希土類元素）である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載のコイルシステム。
7. 少なくとも１つの前記コイルは、積層パンケーキコイルである
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載のコイルシステム。
8. 請求項１ないし請求項７の何れかに記載のコイルシステムを磁極間に組み込んだ
   ことを特徴とする粒子加速器。

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