JP5524494B2 - Magnetic field generator and particle accelerator using the same - Google Patents

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Description

本発明は、強収束のための磁場を形成可能な磁場形成装置、及びこの磁場形成装置を利用した荷電粒子を加速する加速器に関する。   The present invention relates to a magnetic field forming apparatus capable of forming a magnetic field for strong convergence, and an accelerator for accelerating charged particles using the magnetic field forming apparatus.

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(ヒル)が周方向(円周方向)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、バレー)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形成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。   As a small accelerator for accelerating particles, a cyclotron described in Patent Document 1 is known. In this accelerator, a plurality of magnetic pole sectors (hills) are arranged in a circumferential direction (circumferential direction) between two disk-shaped magnetic poles, and valleys (gap, valley) are provided between the magnetic pole sectors. The particles are spirally accelerated by the electromagnetic field between the magnetic poles generated by the coil and formed by the magnetic pole sector.

特開2000−106300号公報JP 2000-106300 A

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126+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。 In such an accelerator, iron is used in the magnetic circuit for miniaturization and high efficiency, so the maximum magnetic field is about 2 Tesla (T), and at most hydrogen ion particles are about 10 megaelectron volts (MeV / u). It can only be accelerated until it has the following energy, and it can only be used for the production of radiopharmaceuticals for PET (Positron Emission Tomography). Because of the use of iron, it is impossible in principle to accelerate a particle beam with high magnetic rigidity, and a heavy particle beam (carbon hexavalent positive ion 12 C 6+) that has recently been recognized for its usefulness in radiation therapy for cancer. Cannot be accelerated enough until they are available for cancer treatment.

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。   On the other hand, there are currently about 1,000 ionizing radiations of heavy particle beams (carbon) that have an energy of about 400 MeV / u (accelerated to about 70% of the speed of light) and are useful in cancer radiation treatment. Are supplied by a synchrotron accelerator arranged along a circle with a diameter of about 50 meters (m), but this coil system or accelerator has a huge installation cost and a lot of operation costs. Coil cooling, control complexity, large number of operators, and enormous power consumption are enormous.

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。   Specifically, as of December 2008, two heavy particle synchrotron accelerators are in operation in Japan and one is under construction, but one of the two accelerators in operation has two synchrotrons. It has a size of about 140m x 60m including necessary peripheral devices, and the total initial cost is on the order of several tens of billion yen. It is said that the power cost and the labor cost of operators will be on the order of several billion yen. ing. The other accelerator is about 90 m × 80 m in size including peripheral devices, and the initial cost and other costs are said to be the same as or slightly lower than those described above. In addition, the size of the accelerator under construction and the necessary peripheral equipment is about 60m x 50m, the initial cost will be on the order of hundreds of billions of yen, and the power cost and operator labor cost are expected to be the same as those mentioned above. It is. As of December 2008, there is only one heavy particle synchrotron accelerator in the world other than Germany.

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、鉄では飽和の生じない1.6Tが限度であり、これを前提に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。   At such a scale, even though it is useful for cancer treatment, it will not gain momentum, so it is desirable to reduce the size of heavy particle accelerators and reduce running costs. It is conceivable to construct a heavy particle accelerator with a few cyclotrons. However, the magnetic field shaping by the iron core is limited to 1.6T, which does not cause saturation in iron. If a cyclotron that can be accelerated is designed on the assumption of this, a magnet having a pole face (magnetic pole surface) of at least about 13 m in diameter ( 47,000 tons) is required.

又、サイクロトロンでは螺旋軌道で粒子の加速を行うために周方向に増減する磁場分布(磁場勾配)を形成する必要があるが、鉄のバルク(特許文献1では磁極セクタ)を周方向に間隔を置いて並べることによりヒルバレーを形成しても、鉄の飽和する2T程度を超える磁場に対しては粒子加速のための磁場勾配を形成することができず、がん治療に使用できる重粒子線のための6T程度の周方向に増減する磁場分布を形成することができない。   Also, in the cyclotron, it is necessary to form a magnetic field distribution (magnetic field gradient) that increases and decreases in the circumferential direction in order to accelerate particles in a spiral orbit, but the iron bulk (the magnetic pole sector in Patent Document 1) is spaced circumferentially. Even if Hill Valley is formed by placing them side by side, a magnetic field gradient for particle acceleration cannot be formed for a magnetic field exceeding about 2T where iron is saturated. Therefore, a magnetic field distribution that increases or decreases in the circumferential direction of about 6T cannot be formed.

そこで、請求項1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周方向磁場の強弱を形成することができる磁場形成装置を提供することを目的としたものである。   Therefore, the invention described in claim 1 is a high magnetic field and magnetic field distribution that can be accelerated up to energy that can be used for cancer treatment or the like for heavy particles while being small in size and low in installation cost and operation cost. Formation of a high magnetic field with a radial magnetic gradient corresponding to an increase in mass due to relativistic effects with increasing energy, as well as the strength of a circumferential magnetic field for accelerated particle convergence The object is to provide an apparatus.

又、請求項5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、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である加速器を提供することを目的としたものである。   Further, the invention according to claim 5 is small in size even though heavy particles can be accelerated to energy that can be used for cancer treatment and the like, and the installation cost and operation cost are extremely low compared to conventional heavy particle accelerators. The purpose of the present invention is to provide an accelerator that is capable of accelerating heavy particles up to energy that can be used for cancer treatment and the like while being inexpensive.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、磁場形成装置にあって、酸化物超電導導体を巻いて成る中空の扇形形状のコイルが複数周方向に並べられたコイル群を、互いに向き合った状態で2組備えており、各前記コイル群は、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の間に配置されており、各前記コイルユニットは、酸化物超電導導体を巻いて成る主コイルと、前記主コイルの外径より小さい外径を有するようにして前記主コイルの外径より径方向でみて内側に配置し、且つ前記主コイルと合わせて山型形状となるよう前記主コイルに対し他方の前記コイルユニットからみてより遠方に配置した、酸化物超電導導体を巻いて成る補正コイルとを備えていることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a magnetic field forming apparatus comprising: a coil group in which a plurality of hollow fan-shaped coils formed by winding an oxide superconducting conductor are arranged in a plurality of circumferential directions; Two sets are provided in a state of facing each other , and each of the coil groups is disposed between two sets of coil units arranged in a vertical direction facing each other in mirror symmetry, and each of the coil units is an oxide. A main coil formed by winding a superconducting conductor, and an inner diameter as viewed in a radial direction from the outer diameter of the main coil so as to have an outer diameter smaller than the outer diameter of the main coil, and a mountain shape together with the main coil And a correction coil wound with an oxide superconducting conductor, which is disposed farther from the other coil unit than the other coil unit so as to have a shape .

上記目的を達成するために、請求項2に記載の発明は、磁場形成装置にあって、バルク酸化物超電導材料で形成された板状の扇形形状の酸化物超電導バルク体が複数周方向に並べられた超電導バルク体群を、互いに向き合った状態で2組備えており、各前記超電導バルク体群は、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の間に配置されており、各前記コイルユニットは、酸化物超電導導体を巻いて成る主コイルと、前記主コイルの外径より小さい外径を有するようにして前記主コイルの外径より径方向でみて内側に配置し、且つ前記主コイルと合わせて山型形状となるよう前記主コイルに対し他方の前記コイルユニットからみてより遠方に配置した、酸化物超電導導体を巻いて成る補正コイルとを備えていることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a second aspect of the present invention is a magnetic field forming apparatus in which plate-shaped fan-shaped oxide superconducting bulk bodies formed of a bulk oxide superconducting material are arranged in a plurality of circumferential directions. The superconducting bulk body groups are provided in two sets facing each other , and each of the superconducting bulk body groups is disposed between two sets of coil units that are vertically arranged facing each other in mirror symmetry. Each of the coil units has a main coil formed by winding an oxide superconducting conductor and an inner diameter that is smaller than the outer diameter of the main coil so that the outer diameter is smaller than the outer diameter of the main coil. and was combined with the main coil is disposed more distant as viewed from the other of said coil unit with respect to the main coil so that the mountain-shape, and a correction coil formed by winding the oxide superconducting conductor And it is characterized in and.

請求項3に記載の発明は、上記目的に加えて、比較的に低コスト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(REBaCu7−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。 In addition to the above object, the invention described in claim 3 forms a high magnetic field and a magnetic field distribution that enable acceleration of heavy particles to energy that can be used for cancer treatment or the like while being relatively inexpensive. to achieve the purpose of, in the above invention, in that the oxide superconductor is, RE-123-based oxide superconductor (REBa 2 Cu 3 O 7- δ, RE is a rare earth element including yttrium) is It is a feature.

請求項4に記載の発明は、上記目的に加えて、比較的に低コスト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、前記酸化物超電導バルク体は、RE−Ba−Cu−O(REはイットリウム,サマリウム,ランタン,ネオジウム,ユーロピウム,ガドリニウム,ジスプロシウム,ホルミウム,エルビウム,ツリウム,イッテルビウム,ルテチウムのうち少なくとも1つ又は2つ以上の任意の組合せ、Baはバリウム、Cuは銅、Oは酸素)で表せる主成分を有することを特徴とするものである。 In addition to the above object, the invention described in claim 4 forms a high magnetic field and a magnetic field distribution that enable acceleration of heavy particles to energy that can be used for cancer treatment or the like while being relatively inexpensive. to achieve the purpose of, in the above invention, the oxide superconducting bulk body is, RE-Ba-Cu-O (RE is yttrium, samarium, lanthanum, neodymium, europium, gadolinium, dysprosium, holmium, erbium, thulium , Ytterbium, and any combination of lutetium, Ba is barium, Cu is copper, and O is oxygen).

上記目的を達成するために、請求項5に記載の発明は、粒子加速器にあって、上記磁場形成装置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。   In order to achieve the above object, a fifth aspect of the present invention is a particle accelerator, wherein the magnetic field forming device is incorporated between magnetic poles.

本発明によれば、酸化物超電導導体を巻いて成る中空の扇形形状のコイル若しくは板状の扇形形状の酸化物超電導バルク体が複数周方向に並べられ、互いに向き合った状態で、それぞれ酸化物超電導導体を巻いて成る、全体として山型形状の主コイル及び補正コイルを含む2組のコイルユニットの間に配置されている。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可能となるような等時性の高磁場ないし磁場勾配を形成することができる磁場形成装置ないし粒子加速器を提供することができる、という効果を奏する。 According to the present invention, the oxide bulk superconductor of the coil or plate-shaped fan-shaped hollow sector shape formed by winding an oxide superconductor is arranged in a plurality circumferentially, in a state of facing each other, each oxide superconductor The coil is disposed between two sets of coil units each including a main coil and a correction coil, each of which is formed by winding a conductor . Therefore, it is possible to form an isochronous high magnetic field or magnetic field gradient that can be accelerated up to energy that can be used for cancer treatment etc. for heavy particles while being small and low in installation cost and operation cost. The magnetic field forming device or the particle accelerator can be provided.

本発明の第1形態に係る磁場形成装置の平面説明図である。It is a plane explanatory view of the magnetic field formation device concerning the 1st form of the present invention. 図1の磁場形成装置及びコイルシステムを示す斜視説明図である。FIG. 2 is a perspective explanatory view showing the magnetic field forming device and the coil system of FIG. 1. 図2のコイルシステムの一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the coil system of FIG. 比較例のコイルシステムの一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the coil system of a comparative example. 図1の磁場形成装置(ないし図2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。It is a graph which shows the magnetic field formed with the magnetic field formation apparatus (or the coil system of FIG. 2) of FIG. 本発明の第2形態に係る磁場形成装置の平面説明図である。It is a plane explanatory view of the magnetic field formation device concerning the 2nd form of the present invention. 図6の磁場形成装置及びコイルシステムを示す斜視説明図である。FIG. 7 is a perspective explanatory view showing the magnetic field forming device and the coil system of FIG. 6. 図6の磁場形成装置(ないし図7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。It is a graph which shows the magnetic field formed with the magnetic field formation apparatus (thru | or the coil system of FIG. 7) of FIG.

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。   Hereinafter, an example of an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In addition, the said form is not limited to the following example.

[第1形態]
図1は本発明の第1形態に係る粒子加速器に含まれる、磁場形成装置1の平面説明図である。磁場形成装置1は、上下にそれぞれコイル群2を備えており、各コイル群2は、複数(6個)のコイル3を含む。各コイル3は、所定の中心角(30度)を有するほぼ扇形の形状(扇形形状)であり、外径(半径)1.6メートル(m)、幅0.08mであって、3つの角は内径(半径)0.03m、外径(半径)0.11mで丸められ、中心角は半径0.315mの円の外側に位置している。
[First form]
FIG. 1 is an explanatory plan view of a magnetic field forming apparatus 1 included in the particle accelerator according to the first embodiment of the present invention. The magnetic field forming device 1 includes upper and lower coil groups 2, and each coil group 2 includes a plurality (six) of coils 3. Each coil 3 has a substantially sector shape (sector shape) having a predetermined center angle (30 degrees), an outer diameter (radius) of 1.6 meters (m), a width of 0.08 m, and three corners. Is rounded with an inner diameter (radius) of 0.03 m and an outer diameter (radius) of 0.11 m, and the central angle is located outside the circle with a radius of 0.315 m.

そして、各コイル3は、超電導導体を線状にして成る超電導線材を巻き(空心)、更にこれをシールドで覆うことで形成されている。各コイル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。   Each coil 3 is formed by winding a superconducting wire made of a superconducting conductor into a linear shape (air core), and further covering this with a shield. Each coil 3 is electrically connected to a power supply device (power source) (not shown). In addition, a cooling medium (not shown) is sealed in the shield so as to be able to flow only into a cooling device (not shown), and the cooling device cools the cooling medium to 20 Kelvin (K) and distributes the inside of the shield. Is possible.

各コイル3の超電導線材の幅は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(運転電流を300A程度とし、電流密度を約8.47×10アンペア毎平方メートル(A/m)とする)。 The width of the superconducting wire of each coil 3 is about 1 centimeter (cm), the thickness is 200 micrometers (μm) including the substrate and stabilized copper, and the space factor including the insulating coating on the surface of the superconducting wire. Is about 0.7, and the load factor is about 0.7 (the operating current is about 300 A, and the current density is about 8.47 × 10 7 amperes per square meter (A / m 2 )).

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(BiSrCaCu10)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(YBaCu7−δ)が挙げられる。本形態(図1)では、YBCOを用いている。 Furthermore, as the material of the superconducting wire, it enters a superconducting state at 77K, such as a metal system (nickel titanium, niobium tin, etc., superconducting state at 4.2K) or an oxide system (bismuth system or RE-Ba-Cu-O system). It is preferable to use an oxide superconducting conductor because the critical temperature is high, the superconducting state is relatively high, and the critical magnetic field is high. Among superconducting conductors, although the manufacturing cost is relatively high, the mechanical strength is also good because of the resistance to magnetic fields and the heat-resistant and corrosion-resistant nickel-based alloy (Hastelloy, registered trademark, the same shall apply hereinafter) is a wire component. It is more preferable to use an oxide superconductor whose component can be represented by RE-Ba-Cu-O. As specific examples of the bismuth-based oxide superconducting wire former, Sumitomo Electric Industries Ltd. Bi2223 (Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10) can be mentioned, the latter RE-Ba-Cu-O based oxide A specific example of the superconducting wire is YBCO (YBa 2 Cu 3 O 7-δ ) manufactured by American Superconductor Corporation (AMSC). In this embodiment (FIG. 1), YBCO is used.

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YBaCu7−δを始めとするY−123系酸化物とし、あるいはYBaCu7−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。 Here, in the oxide superconducting conductor whose main component can be represented by RE-Ba-Cu-O, RE is at least one of rare earth elements such as Y (yttrium), Sm (samarium), Gd (gadolinium), and Ho (holmium). Or any combination of two or more, Ba is barium, Cu is copper, and O is oxygen. Preferably, the oxide superconductor is an yttrium oxide superconductor having RE of Y, more preferably a Y-123 oxide such as YBa 2 Cu 3 O 7-δ , or YBa 2 Cu. It is assumed that all or part of Y in 3 O 7-δ is replaced with another rare earth metal (RE-123 oxide superconductor).

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。   The oxide superconducting conductor is formed on a substrate (wire constituent material) having crystal orientation on the surface. The substrate is preferably Cu (copper), Ni (nickel), Ti (titanium), Mo (molybdenum), Nb (niobium), Ta (tantalum), W (tungsten), Mn (manganese), Fe (iron) , Ag (silver), or a metal layer made of an alloy thereof, or more preferably, a metal layer made of stainless steel, Inconel, or Hastelloy.

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(Zrはジルコニウム),Y,MgO(Mgはマグネシウム),SrTiO(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GdZr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。 Furthermore, an intermediate layer made of a metal oxide is preferably arranged between the oxide superconductor and the substrate. The intermediate layer has a pyrochlore structure, a rare earth-C structure, a perovskite structure, or a fluorite structure. For example, BaZrO 3 (Zr is zirconium), Y 2 O 3 , MgO (Mg is magnesium), SrTiO 3 (SrTiO 3 ). Is strontium, Ti is titanium), YSZ (yttria stable zirconia), or Ln-MO-based compounds such as Gd 2 Zr 2 O 7 (Ln is one or more lanthanoid elements, M is Sr · Zr · Ga (gallium) ) One or more elements selected from the group of The intermediate layer is formed by a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like, but is preferably formed by an IBAD method (Ion Beam Assisted Deposition).

各コイル3は、上記の外形内で上記の超電導線材を巻いて形成され、巻数は2400回であり、線長は7516.4mとなる。又、コイル3はコイル群2において6個あり、コイル群2は上下2組あるので、超電導線材の総延長は各線長を12倍した90.1968キロメートル(km)となる。   Each coil 3 is formed by winding the above-described superconducting wire within the above-mentioned outer shape, has 2400 turns, and has a wire length of 756.4 m. In addition, there are six coils 3 in the coil group 2 and two sets of the coil group 2 are upper and lower, so that the total length of the superconducting wire is 90.1968 kilometers (km), which is 12 times the length of each wire.

そして、コイル群2においてコイル3は周方向(円周方向)に等間隔に並べられ、各コイル群2においてコイル3が他方のコイル群2のコイル3と向かい合うように上下のコイル群2が配置されている(図2参照)。各コイル群2では、各コイル3の弧の部分が、同一円弧に重なるように配置されている。各コイル群2において、各コイル3が主に強磁場部分を構成し(ヒル)、コイル3とコイル3の間が比較的に弱い磁場の部分(バレー)を主に構成する。   In the coil group 2, the coils 3 are arranged at equal intervals in the circumferential direction (circumferential direction). In each coil group 2, the upper and lower coil groups 2 are arranged so that the coil 3 faces the coil 3 of the other coil group 2. (See FIG. 2). In each coil group 2, the arc portion of each coil 3 is arranged so as to overlap the same arc. In each coil group 2, each coil 3 mainly constitutes a strong magnetic field part (hill), and a relatively weak magnetic field part (valley) is mainly constituted between the coils 3 and 3.

図2は本形態の粒子加速器に含まれるコイルシステム10と磁場形成装置1とを示す斜視説明図であり、図3はコイルシステム10の一部断面説明図であって、磁場形成装置1は、コイルシステム10の内側に配置されている。なお、コイルシステム10及び磁場形成装置1は、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ている。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磁場形成装置1ないしコイルシステム10と、荷電粒子を生成して磁場形成装置1(あるいはコイルシステム10,磁極)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。   FIG. 2 is a perspective explanatory view showing the coil system 10 and the magnetic field forming device 1 included in the particle accelerator according to the present embodiment. FIG. 3 is a partial cross-sectional explanatory view of the coil system 10. Arranged inside the coil system 10. In addition, the coil system 10 and the magnetic field formation apparatus 1 are arrange | positioned between two column-shaped parallel upper and lower magnetic poles which are not shown in figure. The particle accelerator includes a magnetic field generating apparatus 1 or a coil system 10 that accelerates charged particles in a spiral orbit by gradually increasing or adjusting the magnetic flux density as the magnetic field moves from the center to the circumferential direction. And an ion source (not shown) for generating charged particles to be incident near the center of the magnetic field forming device 1 (or the coil system 10, magnetic pole), and a control device (not shown) for controlling these.

コイルシステム10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12を有しており、コイルユニット12の1組は、全体形状が環状である1個の主コイル13と、全体形状が環状である2個の補正コイル14,16とから成っている。なお、補正コイル14,16につき、主コイル13により近いものを補正コイル14とし、他を補正コイル16とする。又、図3では、コイルユニット12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10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12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12の他の1組の断面を描くことで把握される。図3の数値の単位はメートル(m)である。   The coil system 10 has two sets of coil units 12 arranged one above the other so as to face each other in mirror symmetry. One set of the coil units 12 includes one main coil 13 having an annular shape as a whole. The two correction coils 14 and 16 have an annular overall shape. Of the correction coils 14 and 16, the coil closer to the main coil 13 is the correction coil 14, and the other coil is the correction coil 16. Further, FIG. 3 shows a half cross section of one set of the coil unit 12, and the cross section of the entire coil system 10 is drawn in a mirror symmetry with the vertical axis as the axis of symmetry. Is obtained by drawing another set of cross sections in a mirror symmetry with the horizontal axis as the symmetry axis. The unit of the numerical value in FIG. 3 is meter (m).

主コイル13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。超電導線材の寸法や材質は、磁場形成装置1のコイル3と同様である。主コイル13は、磁場形成装置1と共通の電源と電気的に接続されている。なお、シールド内には、磁場形成装置1と共通の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20K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。   The main coil 13 is formed by winding a superconducting wire made of a superconducting conductor into a linear shape at a predetermined interval with respect to the entire ring-shaped center line (air core), and covering this with an annular shield. . The dimensions and material of the superconducting wire are the same as those of the coil 3 of the magnetic field forming device 1. The main coil 13 is electrically connected to a power source common to the magnetic field forming device 1. In the shield, a cooling medium common to the magnetic field forming device 1 is sealed so as to be able to flow only into a cooling device (not shown). The cooling device cools the cooling medium to 20K and circulates in the shield. It is possible.

主コイル13は、補正コイル14,16に比して面積の広い断面(空心部分を含む断面)を有しており、主コイル13の当該断面は、縦(厚み・軸方向寸法)約0.0831m,横(環の幅・幅方向寸法)約0.89m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13の外径は半径約2.525mであり、内径(環の内側の径,環の孔の径)は半径約1.635mとなっている。   The main coil 13 has a cross section having a wider area (a cross section including the air-core portion) than the correction coils 14 and 16, and the main coil 13 has a vertical (thickness / axial dimension) of about 0. The width (width and width direction dimensions of the ring) is about 0.89 m, and the aspect ratio (aspect ratio) exceeds 1: 2 and exceeds 1: 3. The outer diameter of the main coil 13 is about 2.525 m, and the inner diameter (the inner diameter of the ring, the diameter of the hole of the ring) is about 1.635 m.

そして、主コイル13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13に対して約0.139m離れた状態で配置されている(図3の横軸に対して約0.070m離れている)。   The main coil 13 is arranged along the magnetic pole in a state in which the center is aligned with the magnetic pole, and is arranged at a distance of about 0.139 m from the mirror-symmetric main coil 13 (FIG. 3). About 0.070 m away from the horizontal axis of

一方、補正コイル14,16は、寸法や配置を除き、主コイル13と同様に形成され、設計されている。   On the other hand, the correction coils 14 and 16 are formed and designed in the same manner as the main coil 13 except for dimensions and arrangement.

補正コイル14は、外径約1.605m,内径約1.444m,幅約0.161m,厚み約0.117mとされており、中心を主コイル13の中心と揃え、主コイル13に沿った状態で、対称位置の補正コイル14に対し約0.543m間隔を置いて配置されている(図3の横軸に対して約0.272m離れている)。従って、補正コイル14は、主コイル13や自身の軸方向において主コイル13と並んだ状態で配置されており、主コイル13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13の外径より小さくされており、主コイル13の外径より(コイルの径方向・半径方向・放射方向でみて)内側に位置している。   The correction coil 14 has an outer diameter of about 1.605 m, an inner diameter of about 1.444 m, a width of about 0.161 m, and a thickness of about 0.117 m. The center is aligned with the center of the main coil 13 and along the main coil 13. In this state, the correction coil 14 is arranged at a distance of about 0.543 m from the symmetrical correction coil 14 (about 0.272 m away from the horizontal axis in FIG. 3). Therefore, the correction coil 14 is arranged in a state of being aligned with the main coil 13 or the main coil 13 in the axial direction of the main coil 13, and is far from the main coil 13 (on the side farther from the target magnetic field / symmetric line / horizontal axis, the magnetic pole). The inner diameter or outer diameter of the main coil 13 is smaller than the outer diameter of the main coil 13 (the radial direction / radius of the coil). (In the direction and radial direction)

補正コイル16は、外径約1.096m,内径約0.946m,幅約0.150m,厚み約0.0930mとされており、中心を主コイル13の中心に合わせ、主コイル13に沿う状態で、対称位置の補正コイル16に対し約1.129m間隔を置いて配置されている(図3の横軸に対して約0.565m離れている)。従って、補正コイル16は、主コイル13や補正コイル14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13や補正コイル14の外径より小径とされていて、主コイル13や補正コイル14の外径より内側に配置されている。なお、主コイル13及び補正コイル14,16のコイル巻き体積は、合わせて約1.732立方メートル(m)となる。 The correction coil 16 has an outer diameter of about 1.096 m, an inner diameter of about 0.946 m, a width of about 0.150 m, and a thickness of about 0.0930 m, and is aligned with the center of the main coil 13 and along the main coil 13. Thus, the correction coil 16 is arranged at a distance of about 1.129 m from the symmetrical correction coil 16 (about 0.565 m away from the horizontal axis in FIG. 3). Therefore, the correction coil 16 is located farther from the main coil 13 and the correction coil 14, and its inner diameter or outer diameter is smaller than the outer diameter of the main coil 13 or the correction coil 14. And the correction coil 14 is arranged on the inner side of the outer diameter. The coil winding volume of the main coil 13 and the correction coils 14 and 16 is about 1.732 cubic meters (m 3 ) in total.

磁場形成装置1では、各コイルユニット12において、補正コイル16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14が配置され、補正コイル14より近方に、更にその内径ないし外径より大きな外径の主コイル13が配置されており、コイルユニット12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、磁場形成装置1では、コイルユニット12同士でみて互いに対称となっており、コイルユニット12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12における各種コイルは、それぞれスイッチを介して単一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、他の励磁コイルや磁場形成装置1と共に目的磁場を生成する。なお、図3における横軸が、目的磁場の中央線となる。
In the magnetic field forming apparatus 1, in each coil unit 12, a correction coil 14 having an outer diameter larger than the inner diameter or outer diameter is disposed nearer to the correction coil 16, and further closer to the correction coil 14, further closer to the inner diameter or outer diameter. A main coil 13 having an outer diameter larger than the diameter is disposed, and has a mountain shape that rises far away as the coil unit 12 as a whole. In the magnetic field forming apparatus 1, the coil units 12 are symmetrical with each other, and a magnetic field (target magnetic field) for particle acceleration or the like is formed in a portion sandwiched between the coil units 12 . Each coil in the coil unit 12 is electrically connected to a single power source through a switch, and when the switch is turned on, a voltage is applied by a single power source to be excited. The target magnetic field is generated together with the magnetic field forming device 1. Note that the horizontal axis in FIG. 3 is the center line of the target magnetic field.

一方、本発明に係るコイルシステム10に対する比較例として、図4において図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)。   On the other hand, as a comparative example for the coil system 10 according to the present invention, as shown in FIG. 4 similarly to FIG. 3, the coil unit is constituted by a single coil, and the coil is arranged mirror-symmetrically up and down. . The coil has an outer diameter of about 2.162 m, an inner diameter of about 1.855 m, a width of about 0.307 m, and a thickness of about 0.723 m, and is arranged at an interval of about 0.13 m with respect to the symmetrical coil. (It is about 0.065 m away from the horizontal axis in FIG. 4).

これらの磁場形成装置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。   About the particle accelerator which has these magnetic field formation apparatuses 1 grade | etc., Each is operated as follows by computer control.

即ち、まず本発明に係る磁場形成装置1及びコイルシステム10を有する粒子加速器につき、粒子加速器ないし磁場形成装置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、冷却媒体を各コイル群2の各コイル3や各コイルユニット12の主コイル13及び補正コイル14,16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、磁場形成装置1ないしコイルシステム10に対し、徐々に電圧を付加し、上述の電流密度となるまで各コイル3並びに各主コイル13及び各補正コイル14,16に電流を流す。そして、上述の電流密度が生じ、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。   That is, first, for the particle accelerator having the magnetic field forming apparatus 1 and the coil system 10 according to the present invention, the computer as the control apparatus of the particle accelerator or the magnetic field forming apparatus 1 operates the cooling device and supplies the cooling medium to each coil group 2. Each coil 3 or main coil 13 of each coil unit 12 and correction coils 14 and 16 are cooled by conduction cooling to a temperature (20K) at which the superconducting state is achieved, thereby stabilizing the temperature of the cooling medium. Then, a voltage is gradually applied to the magnetic field forming device 1 or the coil system 10, and a current is passed through each coil 3, the main coil 13, and the correction coils 14 and 16 until the current density is reached. When the current density described above is generated and the current is stabilized by the superconducting state, the application of voltage is stopped, and the state is shifted to a steady state in which an isochronous magnetic field is formed that accelerates the particles in a spiral orbit.

このようにして得られた等時性磁場(目的磁場,図3の横軸上,直径3.2m・高さ(厚さ)13cm)の磁束密度分布を図5に示す。図5において、(a)は所定の半径(3種類)における周方向に沿った磁束密度分布を示し、(b)は所定の角度(2種類)あるいは全体の平均における目的磁場の中心から径方向外側への磁束密度分布を示す。磁場形成装置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、平均して、中心付近の磁束密度を4T程度とし、周端側の磁束密度を6T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。   FIG. 5 shows the magnetic flux density distribution of the isochronous magnetic field thus obtained (target magnetic field, on the horizontal axis in FIG. 3, diameter 3.2 m / height (thickness) 13 cm). 5A shows the magnetic flux density distribution along the circumferential direction at a predetermined radius (three types), and FIG. 5B shows the radial direction from the center of the target magnetic field at a predetermined angle (two types) or the entire average. The magnetic flux density distribution to the outside is shown. In the particle accelerator having the magnetic field forming device 1 and the like, a magnetic field having a magnetic gradient suitable for particle acceleration in which the magnetic flux density gradually increases in the radial direction can be formed. Moreover, on average, the magnetic flux density near the center can be set to about 4T and the magnetic flux density on the peripheral end side can be set to about 6T with respect to the target magnetic field, which greatly exceeds 2T, which is the limit of normal conducting iron. A magnetic field having a large magnetic flux density can be formed with a smooth magnetic gradient.

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、重粒子線がん治療に必要な重粒子の加速につき、磁場形成装置1等を有する粒子加速器で行うことができる。そして、磁場形成装置1やコイルシステム10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)程度の設置面積で済む等、磁場形成装置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。 Therefore, by making charged particles incident on the target magnetic field, even heavy particles can be sufficiently accelerated (up to about 400 MeV / u) by a spiral orbit, and acceleration of heavy particles necessary for heavy ion beam cancer treatment is possible. Can be performed with a particle accelerator having the magnetic field forming device 1 or the like. The dimensions of the magnetic field forming device 1 and the coil system 10 themselves are about 5 m in diameter × about 2 m in height, and the installation area of about several tens of square meters (m 2 ) is required including peripheral devices. The particle accelerator can be miniaturized very compactly. Furthermore, since the particle accelerator is small, the amount of material required for production can be reduced, the amount of electric power required for operation can be reduced, and control related to operation should be relatively simple. Thus, the introduction cost and the operation cost can be reduced, the maintenance can be easily performed, and the maintenance cost can be reduced.

加えて、各コイル3並びに各主コイル13及び各補正コイル14,16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、各コイル3並びに各主コイル13及び各補正コイル14,16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。   In addition, each coil 3 and each main coil 13 and each correction coil 14 and 16 are in a superconducting state, excited in the superconducting state, and operated as a superconducting accelerator, which contributes to a reduction in the amount of power added to these coils. In addition, Joule heat generation does not occur, and the cooling energy of the cooling medium is relatively small, and the amount of electric power required for operation can be reduced. In addition, because of the small size, small amount of cooling medium, and no Joule heat, the time from the stop state to the high magnetic field state (particle acceleration possible state) can be shortened, and particle acceleration can be efficiently performed. It can be carried out. Furthermore, by not generating Joule heat, it is possible to prevent the occurrence of thermal deformation in each coil 3, each main coil 13, and each correction coil 14, 16, preventing fluctuations in the magnetic field distribution and stabilizing Formation of an isochronous magnetic field or stable operation of particle acceleration of the magnetic field can be ensured. With the above characteristics, the spread of heavy particle accelerators can be promoted, and a great effect can be achieved such as an increase in the number of hospitals capable of performing heavy ion beam cancer treatment.

一方、比較例に係るコイルシステムと本発明の磁場形成装置1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、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となり、本発明のコイルシステム1ないし粒子加速器に対して約2.26倍の線材使用量となる。 On the other hand, when the particle accelerator having the coil system according to the comparative example and the magnetic field forming apparatus 1 of the present invention is operated similarly, a magnetic field similar to the magnetic field shown in FIG. 5 in the present invention can be obtained. The amount of superconducting wire used for forming the coil is about 3.92 m 3 , which is about 2.26 times the amount of wire used for the coil system 1 or particle accelerator of the present invention.

従って、複数のコイルから成るコイルユニットを含む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。   Therefore, in the coil system 1 or the particle accelerator of the present invention including the coil unit composed of a plurality of coils, the isochronism is high so that heavy particles can be accelerated up to energy usable for cancer treatment or the like. While realizing a magnetic field and magnetic field distribution, it is possible to reduce the amount of oxide superconducting wire that is relatively expensive, which will further contribute to the popularization of particle accelerators that can be used for cancer treatment and the like. .

[第2形態]
本発明の第2形態に係る磁場形成装置21ないし粒子加速器は、コイル群2に代えて超電導バルク体群22を用いる他は、第1形態の磁場形成装置1ないし粒子加速器と同様に成る。
[Second form]
The magnetic field forming device 21 or particle accelerator according to the second embodiment of the present invention is the same as the magnetic field forming device 1 or particle accelerator of the first embodiment except that the superconducting bulk body group 22 is used instead of the coil group 2.

図6及び図7に示すように、磁場形成装置21は、超電導バルク体群22を備えており、各超電導バルク体群22は、複数(6個)の超電導バルク体23を含む。各超電導バルク体23は、第1形態のコイル3と同様の外形を有するが、中空ではなく板状となっている。各超電導バルク体23は、冷却装置から供給される冷却媒体の流通するシールドで覆われており、20K程度に冷却可能となっている。   As shown in FIGS. 6 and 7, the magnetic field forming device 21 includes a superconducting bulk body group 22, and each superconducting bulk body group 22 includes a plurality (six) of superconducting bulk bodies 23. Each superconducting bulk body 23 has the same outer shape as that of the coil 3 of the first form, but is not hollow but is plate-shaped. Each superconducting bulk body 23 is covered with a shield through which a cooling medium supplied from a cooling device flows, and can be cooled to about 20K.

各超電導バルク体23は、バルク酸化物超電導材料で形成されており、好ましくは主成分がRE−Ba−Cu−Oで表せる酸化物超電導体で形成される。ここで、REはY(イットリウム),Sm(サマリウム),La(ランタン),Nd(ネオジウム),Eu(ユーロピウム),Gd(ガドリニウム),Dy(ジスプロシウム),Ho(ホルミウム),Er(エルビウム),Tm(ツリウム),Yb(イッテルビウム),Lu(ルテチウム)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、REはYであり、バルク酸化物超電導体はイットリウム系酸化物超電導バルク体とする。   Each superconducting bulk body 23 is formed of a bulk oxide superconducting material, and is preferably formed of an oxide superconductor whose main component can be expressed by RE-Ba-Cu-O. Here, RE is Y (yttrium), Sm (samarium), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), It is an arbitrary combination of at least one or two or more of rare earth elements such as Tm (thulium), Yb (ytterbium), and Lu (lutetium), Ba is barium, Cu is copper, and O is oxygen. Preferably, RE is Y and the bulk oxide superconductor is an yttrium oxide superconductor bulk body.

この酸化物超電導体は、超電導相(123相)の中に絶縁相(非超電導相,211相)が微細分散したものである。超電導相は、単結晶状(完全なもののみならず小傾角粒界等の実用に差障りない欠陥を有するものを含む)であり、90〜96K程度の超電導遷移温度を有していて、REBaCu7−δと表せる。一方、絶縁相は、好ましくは超電導相と同素体であって、粒度が50μm以下(より好ましくは10μm以下)となっており、REBaCuOと表せる。超電導相中の絶縁相の割合は、臨界電流密度ないし機械的強度に鑑み、5〜35体積パーセントが望ましい。なお、酸化物超電導体中に、気泡(50〜500μm程度)を含んで良い。 In this oxide superconductor, an insulating phase (non-superconducting phase, 211 phase) is finely dispersed in a superconducting phase (123 phase). The superconducting phase is in a single crystal form (including not only perfect but also having defects that do not impair practical use such as low-angle grain boundaries), has a superconducting transition temperature of about 90 to 96 K, and has REBa 2 Cu 3 O 7-δ . On the other hand, the insulating phase is preferably an allotrope of the superconducting phase and has a particle size of 50 μm or less (more preferably 10 μm or less) and can be expressed as RE 2 BaCuO 5 . The proportion of the insulating phase in the superconducting phase is preferably 5 to 35 volume percent in view of the critical current density or mechanical strength. Note that bubbles (about 50 to 500 μm) may be included in the oxide superconductor.

又、酸化物超電導体は、銀,白金若しくはセリウムのうち少なくとも1つ又は2つ以上の任意に組合せたものを50質量パーセント(質量%)までの任意の量だけ添加されることが好ましく、特に銀を5〜20質量%添加することがより好ましい。銀等の添加により、銀化合物等(10〜500μm程度)が生じても差し支えない。   The oxide superconductor is preferably added in an arbitrary amount up to 50 mass percent (mass%) of at least one of silver, platinum or cerium, or any combination of two or more. It is more preferable to add 5 to 20% by mass of silver. A silver compound or the like (about 10 to 500 μm) may be generated by adding silver or the like.

そして、超電導バルク体群22において超電導バルク体23は周方向に等間隔に並べられ、各超電導バルク体群22において超電導バルク体23が他方の超電導バルク体群22の超電導バルク体23と向かい合うように上下の超電導バルク体群22が配置されており、磁場形成装置21が形成される(図7参照)。各超電導バルク体群22において、各超電導バルク体23が強磁場部分を構成し(ヒル)、超電導バルク体23同士の間が弱磁場部分(バレー)を構成する。磁場形成装置21は、第1形態で説明したコイルシステム10に磁場形成装置1と同様に収容され、本形態の粒子加速器が形成される。   In the superconducting bulk body group 22, the superconducting bulk bodies 23 are arranged at equal intervals in the circumferential direction, and in each superconducting bulk body group 22, the superconducting bulk body 23 faces the superconducting bulk body 23 of the other superconducting bulk body group 22. Upper and lower superconducting bulk body groups 22 are arranged to form a magnetic field forming device 21 (see FIG. 7). In each superconducting bulk body group 22, each superconducting bulk body 23 constitutes a strong magnetic field portion (hill), and between the superconducting bulk bodies 23 constitutes a weak magnetic field portion (valley). The magnetic field forming device 21 is accommodated in the coil system 10 described in the first embodiment in the same manner as the magnetic field forming device 1, and the particle accelerator of this embodiment is formed.

このような磁場形成装置21等を有する粒子加速器につき、コンピュータシミュレーションにより第1形態と同様に動作させ(但し各超電導バルク体23への電圧付与は行わない)、得られた等時性磁場の磁束密度分布を図8に示す。図8において、(a)は所定の半径(3種類)における周方向に沿った磁束密度分布を示し、(b)は所定の角度(2種類)あるいは全体の平均における目的磁場の中心から径方向外側への磁束密度分布を示す。磁場形成装置21等を有する粒子加速器にあっても、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、等時性磁場につき、平均して、中心付近の磁束密度を4T程度とし、周端側の磁束密度を6T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。   The particle accelerator having such a magnetic field forming device 21 and the like is operated in the same manner as in the first embodiment by computer simulation (however, no voltage is applied to each superconducting bulk body 23), and the obtained isochronous magnetic flux The density distribution is shown in FIG. 8A shows the magnetic flux density distribution along the circumferential direction at a predetermined radius (three types), and FIG. 8B shows the radial direction from the center of the target magnetic field at a predetermined angle (two types) or the entire average. The magnetic flux density distribution to the outside is shown. Even in the particle accelerator having the magnetic field forming device 21 and the like, a magnetic field having a magnetic gradient suitable for particle acceleration in which the magnetic flux density gradually increases in the radial direction can be formed. Moreover, with regard to the isochronous magnetic field, on the average, the magnetic flux density near the center can be set to about 4T, and the magnetic flux density on the peripheral end side can be set to about 6T, which greatly exceeds the limit of 2T of normal conducting iron. A magnetic field having a very large magnetic flux density can be formed with a smooth magnetic gradient.

従って、磁場形成装置21等を有する粒子加速器にあっても、目的磁場に荷電粒子を入射させることで、重粒子線がん治療に必要な重粒子の加速等を行うことができる。又、磁場形成装置21やコイルシステム10自体の寸法はやはり直径約5m×高さ約2mで収まり、周辺装置を含めても数十平方メートル(m)程度の設置面積で済む等、磁場形成装置21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。 Therefore, even in a particle accelerator having the magnetic field forming device 21 or the like, by accelerating charged particles into a target magnetic field, acceleration of heavy particles necessary for heavy particle beam cancer treatment can be performed. Further, the magnetic field forming device 21 and the coil system 10 itself have dimensions of about 5 m in diameter and about 2 m in height, and can include an installation area of about several tens of square meters (m 2 ) including peripheral devices. 21 and the particle accelerator can be miniaturized very compactly. Furthermore, since the particle accelerator is small, the amount of material required for production can be reduced, the amount of electric power required for operation can be reduced, and control related to operation should be relatively simple. Thus, the introduction cost and the operation cost can be reduced, the maintenance can be easily performed, and the maintenance cost can be reduced.

加えて、各超電導バルク体23並びに各主コイル13及び各補正コイル14,16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、各超電導バルク体23並びに各主コイル13及び各補正コイル14,16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、本形態にあっても、重粒子線を加速可能な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。   In addition, each superconducting bulk body 23, each main coil 13 and each correction coil 14 and 16 are in a superconducting state, excited in the superconducting state, and operated as a superconducting accelerator. However, Joule heat generation does not occur and the cooling energy of the cooling medium can be relatively small, and the amount of power required for operation can be reduced. In addition, because of the small size, small amount of cooling medium, and no Joule heat, the time from the stop state to the high magnetic field state (particle acceleration possible state) can be shortened, and particle acceleration can be efficiently performed. It can be carried out. Furthermore, by not generating Joule heat, it is possible to prevent the occurrence of thermal deformation in each superconducting bulk body 23 and each main coil 13 and each correction coil 14, 16, preventing fluctuations in the magnetic field distribution, It is possible to form a stable isochronous magnetic field or to ensure stable operation of particle acceleration of the magnetic field. With the above characteristics, even in this embodiment, the spread of particle accelerators capable of accelerating heavy particle beams can be promoted, and the number of hospitals capable of performing heavy particle beam cancer treatments has increased. There is an effect.

[第3形態]
本発明の第3形態に係る粒子加速器は、コイルシステム10における各コイルの巻線方式を除き、第1形態や第2形態の粒子加速器と同様に成る。
[Third embodiment]
The particle accelerator according to the third embodiment of the present invention is the same as the particle accelerator of the first embodiment or the second embodiment except for the winding system of each coil in the coil system 10.

第3形態の粒子加速器では、各主コイル13及び各補正コイル14,16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13及び各補正コイル14,16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。   In the particle accelerator of the third embodiment, each main coil 13 and each correction coil 14 and 16 are configured using a pancake coil formed by pancake winding a strip-shaped superconducting wire. Each of the main coils 13 and each of the correction coils 14 and 16 is configured to have a stacked structure (as a stacked pancake coil) by stacking a plurality of disk-shaped (annular) pancake coils having a hole in the center. .

第3形態の粒子加速器においても、第1形態や第2形態と同様、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る。しかも、各主コイル13及び各補正コイル14,16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13及び各補正コイル14,16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。   In the particle accelerator of the third form, as in the first and second forms, a high magnetic field capable of providing a magnetic gradient can be formed in a small, low-cost and easy-to-use apparatus. In addition, since each main coil 13 and each correction coil 14 and 16 are formed of a pancake coil or a laminated body thereof, an electromagnetic force is applied as a compressive stress to the wire constituent material (Hastelloy) during excitation. The mechanical strength of each of the main coils 13 and the correction coils 14 and 16 can be increased to avoid buckling, further improving durability and making the high magnetic field more stable. Can be generated.

[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。磁気形成装置のコイルや超電導バルク体の数は、片側5個以下(2個以上)として良いし、7個以上として良い。これらコイルや超電導バルク体の形状は、放射方向に沿わない直線や折線・曲線等を有する扇形に類した形状等(扇形形状にスパイラルセクターを含めて良い)とすることができる。コイルや超電導バルク体の大きさも、様々に変更することができる。又、複数のコイルや超電導バルク体の大きさや形状は、それぞれ個々に異なるものとして良いし、複数の任意のグループに分け、グループ毎に同じ大きさあるいは形状をもつようにして良く、これらのコイルや超電導バルク体はどのように配置しても良い。磁気形成装置において、コイルと超電導バルク体とを混在させて良い。コイルや超電導バルク体の配置は、間隔毎に異なる寸法として良いし、一定数置きに同じ間隔寸法をとらせても良い。各コイル群のコイルは、他のコイル群のコイルと対応する(向かい合う・平面視で重なる)位置に配置せず、角度のずれた状態で配置されて良いし、一部のコイルのみ対応する位置に配置されて良く、この点超電導バルク体群にあっても同様である。
[Example of change]
In addition, the other form of this invention which mainly consists of changing the said form is illustrated. The number of coils and superconducting bulk bodies in the magnetic forming device may be 5 or less (2 or more) on one side, or 7 or more. The shape of the coil or the superconducting bulk body may be a shape similar to a sector having a straight line, a broken line, a curved line, or the like that does not follow the radial direction (a spiral sector may be included in the sector shape). The size of the coil and the superconducting bulk body can be variously changed. In addition, the size and shape of the plurality of coils and the superconducting bulk body may be different from each other, or may be divided into a plurality of arbitrary groups, and each group may have the same size or shape. The superconducting bulk material may be arranged in any way. In the magnetic forming apparatus, a coil and a superconducting bulk material may be mixed. The arrangement of the coil and the superconducting bulk body may be different for each interval, or the same interval may be taken every certain number. The coils of each coil group may not be arranged at the positions corresponding to the coils of the other coil groups (facing each other and overlapping in plan view), but may be arranged in an angle-shifted state, or the positions corresponding to only some coils. The same applies to the superconducting bulk body group.

コイルユニットにおいて、コイルの数は、片側につき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。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、磁場形成装置は、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。冷却媒体の温度につき、20K以外として良い。   In the coil unit, the number of coils may be two per side, or four or more. The coils may not be divided into the main coil and the correction coil based on the cross-sectional area, but may have the same cross-sectional area, or each coil may have various cross-sectional areas. Further, the main coil may be arranged farther from the target magnetic field than the correction coil. The dimensions and arrangement of the coil can be finely adjusted or changed according to the magnetic gradient shape, the height of the magnetic flux density, or the like. One coil unit does not need to consist only of coils that are mirror-symmetric with respect to all the coils in the other coil unit, and the other coil unit is additionally provided with a fine adjustment coil that is not in the other coil unit. Any configuration may be adopted as long as it includes a mirror-symmetrical coil with respect to a plurality of coils belonging to the coil unit. The pancake coil can be used alone without being laminated, and the number of laminations can be varied, or the thickness, number of windings, types and dimensions of the wire can be varied for each layer. A combination of a cake coil or a laminated pancake coil may be used. The temperature of the cooling medium may be other than 20K.

電源や冷却装置は、磁場形成装置とコイルユニットとで別個のものを用いることができ、あるいは任意のコイル毎に専用のものとすることができる。   The power source and the cooling device can be used separately for the magnetic field forming device and the coil unit, or can be dedicated for each arbitrary coil.

本発明の磁場形成装置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、本発明の磁場形成装置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、本発明の磁場形成装置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。   According to the magnetic field forming apparatus or particle accelerator of the present invention, it is possible to provide an extremely high magnetic field with a small and low-cost configuration, and the magnetic field forming apparatus or particle accelerator of the present invention is a medical accelerator for various medical institutions. Of course, it can be adopted to create experimental particle accelerators that can be easily introduced even in research institutions that do not have the largest scale, or to be incorporated into industrial equipment that requires high magnetic fields. The magnetic field forming apparatus of the present invention or the particle accelerator capable of accelerating heavy particles has various applications.

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。   In particular, in the case of a heavy particle accelerator for cancer treatment, as described below, it is possible to efficiently carry out highly effective heavy particle beam irradiation for cancer, and a large number of cancers. The patient can be treated to provide an improvement in quality of life (Quality Of Life, QOL).

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る。本発明の磁場形成装置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。   In other words, by irradiating carbon hexavalent ion beams (charged particles) with two horizontal and vertical gates, it is possible to concentrate the position where the amount of energy absorption is high at the position of the cancer affected area. In comparison with the proton beam, it can have a steeper boundary, reducing the burden on the area other than the affected area and reducing the burden of treatment. By concentrating the dose, the biological effect on cancer cells (cell killing effect) can be about 3 times that of X-rays and protons, and the effect can be increased with a relatively short irradiation time. Can reduce the treatment period and hospitalization period, or can make the rehabilitation period unnecessary or extremely short, and the physical burden and cost burden are extremely low compared to surgical resection and other radiation treatments. It is possible to carry out the cancer treatment. In addition, due to the concentration of the dose, there are cases where it is effective against hypoxic cancer (large tumors after the middle stage) and radiation resistant cancer (cancers such as adenocarcinoma and osteosarcoma) It can also be used to treat intractable cancer. In addition, the possibility of treatment can be found even by elderly people and other disease holders by the fact that surgery is unnecessary in principle because of low burden (expansion of patients to be treated) and to improve the patient's QOL. As a result, the social cost can be reduced. According to the magnetic field forming apparatus or the heavy particle accelerator for medical use of the present invention, it is possible to promote the spread of devices that have such remarkable effects.

1,21 磁場形成装置
2 コイル群
3 コイル
22 超電導バルク体群
23 超電導バルク体
1,21 Magnetic field generator 2 Coil group 3 Coil 22 Superconducting bulk body group 23 Superconducting bulk body

Claims (5)

酸化物超電導導体を巻いて成る中空の扇形形状のコイルが複数周方向に並べられたコイル群を、互いに向き合った状態で2組備えており、
各前記コイル群は、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の間に配置されており、各前記コイルユニットは、酸化物超電導導体を巻いて成る主コイルと、前記主コイルの外径より小さい外径を有するようにして前記主コイルの外径より径方向でみて内側に配置し、且つ前記主コイルと合わせて山型形状となるよう前記主コイルに対し他方の前記コイルユニットからみてより遠方に配置した、酸化物超電導導体を巻いて成る補正コイルとを備えている
ことを特徴とする磁場形成装置。
Two sets of coil groups in which a plurality of hollow fan-shaped coils formed by winding an oxide superconducting conductor are arranged in the circumferential direction face each other ,
Each of the coil groups is disposed between two sets of coil units that are vertically arranged facing each other in a mirror-symmetrical manner, and each of the coil units includes a main coil formed by winding an oxide superconducting conductor, The outer diameter of the main coil is smaller than the outer diameter of the main coil so that the outer diameter of the main coil is arranged on the inner side in the radial direction. A magnetic field forming apparatus comprising: a correction coil formed by winding an oxide superconducting conductor, which is disposed farther from the coil unit .
バルク酸化物超電導材料で形成された板状の扇形形状の酸化物超電導バルク体が複数周方向に並べられた超電導バルク体群を、互いに向き合った状態で2組備えており、
各前記超電導バルク体群は、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の間に配置されており、各前記コイルユニットは、酸化物超電導導体を巻いて成る主コイルと、前記主コイルの外径より小さい外径を有するようにして前記主コイルの外径より径方向でみて内側に配置し、且つ前記主コイルと合わせて山型形状となるよう前記主コイルに対し他方の前記コイルユニットからみてより遠方に配置した、酸化物超電導導体を巻いて成る補正コイルとを備えている
ことを特徴とする磁場形成装置。
Two sets of superconducting bulk bodies in which a plate-shaped fan-shaped oxide superconducting bulk body formed of a bulk oxide superconducting material is arranged in a plurality of circumferential directions face each other ,
Each of the superconducting bulk body groups is disposed between two sets of coil units that are vertically arranged facing each other in mirror symmetry, and each of the coil units includes a main coil formed by winding an oxide superconducting conductor. The outer diameter of the main coil is smaller than the outer diameter of the main coil, the inner diameter of the outer diameter of the main coil is arranged on the inner side of the main coil, and the main coil is formed in a mountain shape together with the main coil. A magnetic field forming apparatus comprising: a correction coil formed by winding an oxide superconducting conductor, which is disposed farther from the other coil unit .
前記酸化物超電導導体は、RE−123系酸化物超電導体(REBaCu7−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に記載の磁場形成装置。 2. The magnetic field forming apparatus according to claim 1, wherein the oxide superconductor is a RE-123 oxide superconductor (REBa 2 Cu 3 O 7-δ , RE is a rare earth element including yttrium). 前記酸化物超電導バルク体は、RE−Ba−Cu−O(REはイットリウム,サマリウム,ランタン,ネオジウム,ユーロピウム,ガドリニウム,ジスプロシウム,ホルミウム,エルビウム,ツリウム,イッテルビウム,ルテチウムのうち少なくとも1つ又は2つ以上の任意の組合せ、Baはバリウム、Cuは銅、Oは酸素)で表せる主成分を有する
ことを特徴とする請求項2に記載の磁場形成装置。
The oxide superconducting bulk is RE-Ba-Cu-O (RE is yttrium, samarium, lanthanum, neodymium, europium, gadolinium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, or more. 3. The magnetic field forming apparatus according to claim 2, wherein the magnetic field forming apparatus has a main component that can be expressed by any combination of the following: Ba is barium, Cu is copper, and O is oxygen.
請求項1ないし請求項4の何れかに記載の磁場形成装置を磁極間に組み込んだ
ことを特徴とする粒子加速器。
5. A particle accelerator comprising the magnetic field forming device according to claim 1 incorporated between magnetic poles.
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