JP5682903B2 - Air-core type cyclotron - Google Patents

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Description

本発明は、荷電粒子を加速するサイクロトロンに関し、より詳しくは空芯コイルを用いた空芯型サイクロトロンに関する。   The present invention relates to a cyclotron that accelerates charged particles, and more particularly to an air-core type cyclotron that uses an air-core coil.

陽子を250〜300MeV(メガ電子ボルト)まで加速可能なサイクロトロンとして、下記特許文献1に記載されたものが知られている。このサイクロトロンでは、光速に近づいた荷電粒子の質量が相対論効果によりローレンツファクターに比例して増加することに対応しつつ、荷電粒子の周回周期を一定にするため、強度を加速平面の半径方向で増加させた(外側へ向かい正の勾配を持たせた)磁場である等時性磁場が作成される。   As a cyclotron capable of accelerating protons to 250 to 300 MeV (mega electron volt), one described in Patent Document 1 below is known. In this cyclotron, the mass of charged particles approaching the speed of light increases in proportion to the Lorentz factor due to the relativistic effect. An isochronous magnetic field is created that is an increased magnetic field (with a positive gradient outward).

又、このサイクロトロンでは、外側ほど強い等時性磁場において、そのまま加速すると加速平面の垂直方向に加速粒子が発散し、装置に加速粒子が衝突して加速を継続できないことへの対応として、加速平面の円周方向(粒子の回転方向)に磁場強度を変化させ、加速粒子に垂直方向の収束力を得させるための複数の強磁性体磁極片(ポールチップ)が設けられる。各ポールチップは、より強い収束力を得るべく加速粒子との入射角度(スパイラル角度)を持たせるため、螺旋状に湾曲された扇状とされており、加速平面の円周方向に互いに等間隔に配置され、ボールチップの有る部分(ヒル)の磁場を強め、無い部分(バレー)の磁場を弱めて、加速粒子を垂直方向(及び水平方向)に集束させる。このような回転方向(方位角方向)に強弱のある磁場を作成するサイクロトロンは、AVF(Azimuthally Varying Field)サイクロトロンと呼ばれる。   In addition, in this cyclotron, in the isochronous magnetic field that is stronger toward the outer side, if acceleration is performed as it is, acceleration particles diverge in the direction perpendicular to the acceleration plane, and acceleration particles collide with the device and acceleration cannot be continued. Are provided with a plurality of ferromagnetic pole pieces (pole tips) for changing the magnetic field strength in the circumferential direction (the direction of particle rotation) and causing the acceleration particles to obtain a convergence force in the vertical direction. Each pole tip is formed in a fan shape that is spirally curved so as to have an incident angle (spiral angle) with the accelerating particles in order to obtain a stronger convergence force, and is equidistant from each other in the circumferential direction of the acceleration plane. It is arranged to strengthen the magnetic field in the part with the ball chip (hill), weaken the magnetic field in the part without the ball (valley), and focus the accelerating particles in the vertical direction (and in the horizontal direction). A cyclotron that creates such a magnetic field that is strong and weak in the direction of rotation (azimuth angle direction) is called an AVF (Azimuthally Varying Field) cyclotron.

特許第3456139号公報Japanese Patent No. 3456139

このようなサイクロトロンでは、等時性磁場を作成するのに常電導の鉄芯コイルが用いられており、周回軌道上の平均磁場を最大1.6T(テスラ)程度までしか強くすることができない。又、ボールチップとして強磁性体が用いられているため、収束可能な荷電粒子のエネルギーに限界がある。従って、このようなサイクロトロンでは、陽子を250〜300MeVに加速させるに留まり、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6価プラスイオン126+等の放射線)について、がん治療に利用可能となる400MeV/核子程度のエネルギーを有する(光速の7割程度の速度へ加速された)状態まで十分に加速することができない。 In such a cyclotron, a normal conducting iron core coil is used to create an isochronous magnetic field, and the average magnetic field on the orbit can only be increased to a maximum of about 1.6 T (Tesla). Further, since a ferromagnetic material is used as the ball chip, there is a limit to the energy of charged particles that can be converged. Therefore, in such a cyclotron, the protons are only accelerated to 250 to 300 MeV, and heavy particle beams (such as carbon hexavalent positive ions 12 C 6+) that have recently been remarkably useful in the irradiation treatment of cancer. (Radiation) cannot be sufficiently accelerated to a state having energy of about 400 MeV / nucleon (accelerated to about 70% of the speed of light) that can be used for cancer treatment.

現在、我が国におけるがん(悪性腫瘍)全体の5年生存率は50%(パーセント)を上回るようになったが、依然日本人の死因のトップの難病であることに変わりはない。「がんの統計’07」(財団法人がん研究振興財団)によれば、男性で約2人に1人、女性で約3人に1人が一生のうちにがんと診断され、更に男性で約4人に1人、女性で約6人に1人ががんで死亡する。高齢化社会の進展と共に、がんの患者数は現在も増加傾向にあり、2015年には500万人を超える(2003年からの約10年間でほぼ倍増する)ものと予想されている。   Currently, the five-year survival rate of all cancers (malignant tumors) in Japan has exceeded 50% (percent), but it remains the top intractable disease of Japanese people. According to "Cancer Statistics '07" (Cancer Research Promotion Foundation), about 1 in 2 men and 1 in 3 women will be diagnosed with cancer in their lifetime. About 1 in 4 men and 1 in 6 women die of cancer. With the progress of an aging society, the number of cancer patients is still on the rise, and is expected to exceed 5 million in 2015 (approximately double in about 10 years from 2003).

又、外来や入院で治療を受けたがん患者が仮に治療不要であったとした場合に支払不要となる金額(医療費)や、がんで死亡した人が仮に平均寿命まで生きたとした場合に労働等で得られたはずの金額(滅失利益)は、年間で医療費が3兆円余り、滅失利益が約7兆円となるという試算も存在する。従って、がんによる社会の損失は年間約10兆円(日本の国内総生産の約2%)に上るといえる。一方、検診技術や治療技術の向上により治癒可能ながんが増えており、社会的コスト(Social Cost)削減という観点からもがん対策が重要であることは言うまでもない。   Also, if cancer patients who were treated in outpatient or hospitalization were not required for treatment, they would not be paid (medical expenses), and if a person who died of cancer had lived to the average life expectancy There is a trial calculation that the amount of money (loss profit) that should have been obtained from the above is about 3 trillion yen in medical expenses and about 7 trillion yen in lost profits. Therefore, it can be said that society's loss due to cancer is about 10 trillion yen per year (about 2% of Japan's gross domestic product). On the other hand, it is needless to say that cancer countermeasures are important from the viewpoint of reducing social costs because cancers that can be cured are increasing due to improvements in screening techniques and treatment techniques.

がん治療には大きく分けて外科、内科、放射線療法があるが、中でも放射線を患部に照射する放射線療法は比較的にコストが低く、欧米を始め本邦でもがん治療の大きなパートを占めつつある。外部治療放射線としては、主に電子線リニアックを用いた高エネルギーX線が利用されているが、近年では、陽子線や、炭素線を始めとする重粒子線が、より有効な治療を行えるものとして注目されている。   Cancer treatment can be broadly divided into surgery, internal medicine, and radiation therapy, but radiation therapy that irradiates the affected area with radiation is relatively low in cost, and is becoming a major part of cancer treatment in Europe and the United States as well as in Japan. . High-energy X-rays mainly using electron beam linac are used as external therapeutic radiation, but in recent years, proton beams and heavy particle beams such as carbon beams can perform more effective treatment. It is attracting attention as.

陽子線と炭素線の特性を比較すると、陽子線のがん細胞致死効果は従来のX線と同等であるが、線量分布がX線よりシャープになり患部に集中して照射できるため優れている。一方、炭素線の線量分布は、陽子線より更にシャープであり、正常組織や重要臓器を避けながら精密な線量分布での治療が可能となるし、細胞致死効果が陽子線の約3倍となっており、より放射線抵抗性の高いがんへの適用が可能となる。又、がん細胞は急速に成長し、ある程度成長したがん組織の中心部分は血流減少により酸素不足となるところ、このような低酸素状態の細胞に対するX線や陽子線の効果は不十分であるが、重粒子線は効果が認められている。   Comparing the characteristics of proton beams and carbon beams, the killing effect of proton cells on cancer cells is equivalent to that of conventional X-rays, but it is superior because the dose distribution is sharper than X-rays and irradiation can be concentrated on the affected area. . On the other hand, the dose distribution of carbon rays is sharper than that of proton rays, and treatment with precise dose distribution is possible while avoiding normal tissues and important organs, and the cell lethal effect is about three times that of proton rays. Therefore, it can be applied to cancer with higher radiation resistance. In addition, cancer cells grow rapidly, and the central part of the cancer tissue that has grown to some extent becomes deficient in oxygen due to decreased blood flow, so the effects of X-rays and proton beams on such hypoxic cells are insufficient. However, the effect of heavy particle beams has been recognized.

よって、重粒子線照射療法は、手術や切除が困難な部位(肝、肺門部、頭蓋底、眼球、AVM等)の治療に有効であり、極めて侵襲性の低い治療法となっていて、これまでの実績によれば、約6割の固形がんに治療効果が期待できる。又、線量分布の集中や良好な細胞致死効果により、従前に比べ照射回数を減らして患者の身体的負担や費用負担を軽減し、更に侵襲性の低さにより、入院期間や通院期間を減らして、患者の生活の質(Quality Of Life,QOL)を向上することができる。   Therefore, heavy ion beam radiation therapy is effective for the treatment of sites that are difficult to perform surgery or excision (liver, hilar region, skull base, eyeball, AVM, etc.), and has become an extremely low-invasive treatment method. According to the past results, therapeutic effects can be expected for about 60% of solid cancers. In addition, due to the concentration of dose distribution and good cell killing effect, the number of times of irradiation is reduced to reduce the physical burden and cost burden of the patient, and due to the low invasiveness, the hospitalization period and hospitalization period are reduced. The quality of life of patients (Quality Of Life, QOL) can be improved.

このようにがん治療に有用な重粒子線を放出可能な装置として、現状サイクロトロンは利用不可能であり、シンクロトロンが採用されつつある。しかし、シンクロトロンは、重粒子を十分に加速させるために極めて巨大な規模となり(例えば約千個のコイルを直径50m(メートル)程度の円に沿って並べ制御する)、設置コストが莫大となるし、運転コストも、多数のコイルの冷却や、制御の複雑さ、オペレータの多人数化、多大な電力消費等により甚大になることが予想される。   Thus, as a device capable of emitting heavy particle beams useful for cancer treatment, the current cyclotron cannot be used, and a synchrotron is being adopted. However, the synchrotron has a very large scale for sufficiently accelerating heavy particles (for example, about 1000 coils are arranged and controlled along a circle having a diameter of about 50 m (meter)), and the installation cost is enormous. However, the operating cost is expected to increase due to the cooling of a large number of coils, the complexity of control, the increase in the number of operators, the great power consumption, and the like.

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、この観点から、コイルの数が数個程度と少ない特許文献1のようなサイクロトロンの規模を拡張して重粒子加速器を構成することが考えられる。しかし、鉄芯と常電導コイルによる磁場の形成は、鉄の磁気飽和の生じない約1.6Tが限度であり、これを前提に400MeV/核子までの重粒子線を加速可能なサイクロトロンを設計すると、等時性磁場形成のために少なくとも直径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い、実際に作成したとしても、磁場を安定させるのに時間がかかり、更に発熱量が多大であって巨大な冷却装置が必要となってしまう。又、加速粒子のエネルギーの増加により、収束のためのポールチップについても巨大で複雑な形状のものを設置しなければならない。従って、このような規模を拡大したサイクロトロンでは、シンクロトロン程ではないにせよ、結局極めて複雑で規模の大きなものとなってしまう。   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 by expanding the scale of the cyclotron as in Patent Document 1 as few as few. However, the formation of the magnetic field by the iron core and the normal conducting coil is limited to about 1.6 T, in which iron magnetic saturation does not occur. Based on this assumption, when designing a cyclotron capable of accelerating heavy particle beams up to 400 MeV / nucleon In order to form an isochronous magnetic field, a magnet (47 thousand tons) having a pole face (magnetic pole surface) with a diameter of at least about 13 m is required, and even if actually created, it takes time to stabilize the magnetic field. In addition, a large amount of heat is generated and a huge cooling device is required. In addition, due to the increased energy of the accelerating particles, the pole tip for convergence must be installed in a huge and complicated shape. Therefore, a cyclotron with such a large scale eventually becomes extremely complex and large, although not as much as a synchrotron.

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を有するまで安定して加速が可能である周方向に強弱のある高磁場を効率良く形成する空芯型サイクロトロンを提供することを目的としたものである。
又、請求項2,3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を有するまで安定して加速が可能であってより一層強度や耐久性を向上した空芯型サイクロトロンを提供することを目的としたものである。
Accordingly, the invention according to claim 1 is a circumferential direction in which the heavy particles can be stably accelerated until they have energy that can be used for cancer treatment or the like while being small in size and low in installation cost and operation cost. It is an object of the present invention to provide an air-core type cyclotron that can efficiently form a high magnetic field having high and low strength .
The inventions of claims 2 and 3 can be stably accelerated until the heavy particles have energy that can be used for cancer treatment, etc., while being small in size and low in installation cost and operation cost. It is an object of the present invention to provide an air-core type cyclotron with further improved strength and durability.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、軸方向に対向し、半径方向に等時性磁場を形成する一対のメインコイルユニットと、軸方向に対向し、円周方向に強弱のある磁場を形成する一対のスパイラルセクターコイルユニットを有しており、各当該スパイラルセクターコイルユニットは、3個以上のスパイラルセクターコイルを含んでおり、各当該スパイラルセクターコイルは、酸化物超電導導体を、湾曲する扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、互いに回転対称となるように配置されており、各前記スパイラルセクターコイルにおける前記扇形は、円周方向と交わる辺における接線と、当該接線の接点を通る半径方向のなす角であるスパイラル角が90度未満となるように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, the invention according to claim 1 is directed to a pair of main coil units that are opposed to each other in the axial direction and that form an isochronous magnetic field in the radial direction, and are opposed to each other in the circumferential direction. Each of the spiral sector coil units includes three or more spiral sector coils, and each of the spiral sector coils includes an oxide superconducting conductor. Is an air-core coil wound along a curved sector, and is arranged so as to be rotationally symmetric with each other, and the sector in each spiral sector coil has a tangent on the side intersecting the circumferential direction, in which spiral angle is an angle in the radial direction passing through the contact point of the tangent line is characterized in that it is formed to be less than 90 degrees

上記目的を達成するために、請求項2に記載の発明は、軸方向に対向し、半径方向に等時性磁場を形成する一対のメインコイルユニットと、軸方向に対向し、円周方向に強弱のある磁場を形成する一対のスパイラルセクターコイルユニットを有しており、各当該スパイラルセクターコイルユニットは、3個以上のスパイラルセクターコイルを含んでおり、各当該スパイラルセクターコイルは、酸化物超電導導体を、湾曲する扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、互いに回転対称となるように配置されており、各前記スパイラルセクターコイルは、複数の曲率半径の曲線を滑らかに接続した外形のジグに酸化物超電導導体を巻き付けて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, the invention according to claim 2 is directed to a pair of main coil units that are opposed to each other in the axial direction and that form an isochronous magnetic field in the radial direction, and are opposed to each other in the circumferential direction. Each of the spiral sector coil units includes three or more spiral sector coils, and each of the spiral sector coils includes an oxide superconducting conductor. Is an air-core coil wound along a curved sector, and is arranged so as to be rotationally symmetric with each other, and each of the spiral sector coils has an outer shape obtained by smoothly connecting a plurality of curvature radius curves. It is characterized by being formed by winding an oxide superconducting conductor around a jig .

上記目的を達成するために、請求項3に記載の発明は、上記発明にあって、各前記スパイラルセクターコイルは、曲げ半径が所定値以上となるように形成されることを特徴とするものである。 To achieve the above object, an invention according to claim 3, in the above invention, each of the spiral sector coils, in which the bending radius being formed to be a predetermined value or more is there.

請求項4に記載の発明は、上記目的に加えて、強力な等時性磁場を効率良く形成する目的を達成するため、上記発明にあって、前記メインコイルユニットは、酸化物超電導導体を輪状に巻いて成る空芯のメインスプリットコイルを、複数軸方向に並べたものであることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in order to achieve the object of efficiently forming a strong isochronous magnetic field in addition to the above object, in the above invention, the main coil unit comprises an oxide superconducting conductor in a ring shape. An air core main split coil wound around is arranged in a plurality of axial directions.

請求項5に記載の発明は、上記目的に加えて、コイルの線材使用量を抑えてより強力な磁場を効率良く形成する目的を達成するため、上記発明にあって、各前記メインコイルユニットにあって、他のメインコイルユニットに近い前記メインスプリットコイルの外径に対し、当該メインスプリットコイルより遠いメインスプリットコイルの内径が、より小さくなっていることを特徴とするものである。 In order to achieve the object of efficiently forming a stronger magnetic field by suppressing the amount of coil wire used, in addition to the above object, the invention described in claim 5 is the above invention. Thus, the inner diameter of the main split coil farther from the main split coil is smaller than the outer diameter of the main split coil close to another main coil unit.

請求項6に記載の発明は、上記目的に加えて、重粒子を高速に加速可能な高磁場ないし磁場分布の形成を更に効率良くメリハリを付けて行う目的を達成するため、上記発明にあって、一対の前記スパイラルセクターコイルユニット、及び/又は、一対の前記メインコイルユニットは、互いに鏡面対称に配置されていることを特徴とするものである。 In addition to the above-described object, the invention described in claim 6 is directed to the above-described invention, in order to achieve the object of forming a high magnetic field or magnetic field distribution capable of accelerating heavy particles at high speed with a more efficient sharpness. The pair of spiral sector coil units and / or the pair of main coil units are arranged mirror-symmetrically with each other.

請求項7に記載の発明は、上記目的に加えて、更に運用容易で小型で省エネルギーながら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、ビスマス系酸化物超電導体、又は、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 order to achieve the object of forming a strong magnetic field while being easy to operate, compact and energy saving, in addition to the above object, the invention according to claim 7 is the above invention, wherein the oxide superconductor is a bismuth-based material. It is an oxide superconductor or RE-123 series oxide superconductor (REBa 2 Cu 3 O 7-δ , RE is a rare earth element containing yttrium).

本発明によれば、酸化物超電導導体を、螺旋状に湾曲する扇形に沿うように巻いた空芯のスパイラルセクターコイルを、複数、互いに回転対称となるように配置し、更にこれと同じものを向かい合わせている。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収束性のある等時性の高磁場並びに磁場分布を形成することができるサイクロトロン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, a plurality of air-core spiral sector coils in which an oxide superconducting conductor is wound so as to follow a spirally curved fan shape are arranged so as to be rotationally symmetric with each other. Facing each other. Therefore, a compact isochronous high magnetic field and magnetic field distribution that can accelerate 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 cyclotron that can be formed can be provided.

本発明の空芯型サイクロトロンにおけるコイルシステムの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the coil system in the air core type cyclotron of the present invention. 図1のコイルシステムの平面説明図である。It is a plane explanatory view of the coil system of FIG. 図1におけるメインコイルユニットの一部端面説明図である。It is a partial end surface explanatory drawing of the main coil unit in FIG. 図3のメインコイルユニットにより形成される磁場等を示すグラフである。It is a graph which shows the magnetic field etc. which are formed by the main coil unit of FIG. 図1におけるスパイラルセクターコイルの平面説明図である。It is a plane explanatory view of the spiral sector coil in FIG. (a)はヒル・バレーの側面模式図であり、(b)はラジアルセクター型における荷電粒子の軌道等を示す平面模式図であり、(c)はヒル・バレーのエッジを横切る荷電粒子の運動状態を示す模式図である。(A) is a schematic side view of Hill Valley, (b) is a schematic plan view showing the trajectories of charged particles in the radial sector type, and (c) is a motion of charged particles across the edge of Hill Valley. It is a schematic diagram which shows a state. (a)は積分路を示す側面模式図であり、(b)はスパイラルセクター型のヒル・バレーの平面模式図であり、(c)は(b)における荷電粒子の軌道等を示す一部拡大平面模式図である。(A) is a schematic side view showing an integration path, (b) is a schematic plan view of a spiral sector type hill valley, and (c) is a partially enlarged view showing the trajectory of charged particles in (b). It is a plane schematic diagram. 図5のスパイラルセクターコイルのスパイラル角と半径方向位置の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the spiral angle of the spiral sector coil of FIG. 5, and a radial direction position. 図1のコイルシステムにより形成される加速平面上の磁場強度分布を示す図面代用写真である。2 is a drawing-substituting photograph showing a magnetic field strength distribution on an acceleration plane formed by the coil system of FIG. 1. 図1のコイルシステムにより形成される加速平面上の磁場の(a)各半径の円軌道における周方向の強度分布,(b)径方向の強度分布,(c)径方向のフラッターの分布を示すグラフである。1 shows (a) a circumferential intensity distribution in a circular orbit of each radius, (b) a radial intensity distribution, and (c) a radial flutter distribution of the magnetic field on the acceleration plane formed by the coil system of FIG. It is a graph.

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.

≪全体構成≫
図1は本発明の空芯型サイクロトロン(以下「サイクロトロン」という)のコイルシステム1の斜視図であり、図2はコイルシステム1の平面図である。サイクロトロンは、図示しないカバーの内部にコイルシステム1を有しており、又荷電粒子を生成してコイルシステム1の中央付近に入射させる図示しないイオン源と、コイルシステム1の外側に配置される図示しないビーム取出し口と、コイルシステム1を所定温度まで冷却する図示しない冷却装置と、前記カバーの内部を真空にする図示しない真空ポンプと、荷電粒子の所定の周回周期(回転周波数)に同期して加速用のインパルス磁場を付与する図示しない加速電極と、これらの制御を行う図示しない制御装置と、これらに電力を供給する図示しない電力供給装置(電源)を有する。なお、外部への磁場強度を低減するシールド用磁性体を更に設けても良い。
≪Overall structure≫
FIG. 1 is a perspective view of a coil system 1 of an air core type cyclotron (hereinafter referred to as “cyclotron”) of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the coil system 1. The cyclotron has a coil system 1 inside a cover (not shown), an ion source (not shown) that generates charged particles and makes it enter the vicinity of the center of the coil system 1, and an illustration that is arranged outside the coil system 1. In synchronism with a predetermined cycle of rotation (rotation frequency) of the charged particles, a cooling device (not shown) that cools the coil system 1 to a predetermined temperature, a vacuum pump (not shown) that evacuates the inside of the cover, An acceleration electrode (not shown) that applies an impulse magnetic field for acceleration, a control device (not shown) that controls these, and a power supply device (power source) (not shown) that supplies power to these electrodes are included. In addition, you may further provide the magnetic body for a shield which reduces the magnetic field intensity to the exterior.

コイルシステム1は、一対のメインコイルユニット2,2と、その内部に収まる一対のスパイラルセクターコイルユニット4,4を含む。各メインコイルユニット2は、互いに鏡面対称に向き合う状態で上下(軸方向)に配置されており、各スパイラルセクターコイルユニット4も、互いに鏡面対称に向き合う状態で上下に配置されている。各メインコイルユニット2ないし各スパイラルセクターコイルユニット4の中心は、同一鉛直線上となるように配置されている。   The coil system 1 includes a pair of main coil units 2 and 2 and a pair of spiral sector coil units 4 and 4 which are accommodated therein. The main coil units 2 are arranged vertically (in the axial direction) so as to face each other in a mirror symmetry, and the spiral sector coil units 4 are also arranged vertically in a state facing each other in a mirror symmetry. The centers of the main coil units 2 to the spiral sector coil units 4 are arranged on the same vertical line.

≪メインコイルユニット≫
各メインコイルユニット2は、それぞれ孔あき円盤状(輪状)である、メインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23を含む。メインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23は、同一の鉛直線上にそれぞれの中心が位置するように配置されている。
≪Main coil unit≫
Each main coil unit 2 includes a main split coil 21, a first correction split coil 22, and a second correction split coil 23 each having a perforated disk shape (ring shape). The main split coil 21, the first correction split coil 22, and the second correction split coil 23 are arranged so that their centers are located on the same vertical line.

図3はメインコイルユニット2の一部端面図であり、Y軸はメインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23の中心を通る鉛直線であって、X軸はメインコイルユニット2の対称中心線である。メインスプリットコイル21は、縦0.149135m、横0.390949mの矩形断面を有しており、下面がY軸から0.065000m上方となるようY軸と平行に配置されている。メインスプリットコイル21の内径(半径)は1.094110mである。   3 is a partial end view of the main coil unit 2. The Y axis is a vertical line passing through the centers of the main split coil 21, the first correction split coil 22, and the second correction split coil 23, and the X axis is the main axis. It is a symmetrical centerline of the coil unit 2. The main split coil 21 has a rectangular cross section of 0.149135 m in length and 0.390949 m in width, and is arranged in parallel with the Y axis so that the lower surface is 0.065000 m above the Y axis. The inner diameter (radius) of the main split coil 21 is 1.094110 m.

メインスプリットコイル21は、超電導導体を線状にして成る超電導線材を、上記Y軸に中心が位置する状態で上記断面を満たしていくように円状に巻き(空芯)、更にこれを輪状の図示しないシールドで覆うことで形成されている。メインスプリットコイル21は、前記電源と電気的に接続されている。なお、シールド内ないしこれと接続された前記冷却装置には、図示しない冷却媒体が封入されており、前記冷却装置は、当該冷却媒体を20K(ケルビン)まで冷却してシールド内に送ることが可能となっている。   The main split coil 21 is formed by winding a superconducting wire made of a superconducting conductor in a circular shape (air core) so as to fill the cross section in a state where the center is located on the Y axis, and further winding the superconducting wire in a ring shape. It is formed by covering with a shield (not shown). The main split coil 21 is electrically connected to the power source. A cooling medium (not shown) is sealed in the shield or connected to the cooling apparatus, and the cooling apparatus can cool the cooling medium to 20 K (Kelvin) and send it to the shield. It has become.

メインスプリットコイル21は、第1補正スプリットコイル22や第2補正スプリットコイル23に比べ、面積の広い断面を有しており、メインスプリットコイル21の当該断面は、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、メインスプリットコイル21は、第1補正スプリットコイル22や第2補正スプリットコイル23に比べ、より大きな外径や内径を有している。   The main split coil 21 has a cross section with a larger area than the first correction split coil 22 and the second correction split coil 23. The main split coil 21 has an aspect ratio (aspect ratio) of: Horizontal = 1: 2 and over 1: 3. The main split coil 21 has a larger outer diameter and inner diameter than the first correction split coil 22 and the second correction split coil 23.

加えて、超電導線材の幅は1cm(センチメートル)程度であり、厚さは基板や安定化銅を含み200μm(マイクロメートル)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。   In addition, the width of the superconducting wire is about 1 cm (centimeter), the thickness is 200 μm (micrometer) including the substrate and stabilized copper, and the space factor including the insulating coating on the surface of the superconducting wire is 0. The load factor is about 0.7.

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、タリウム系、水銀系あるいは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中でも、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)等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。   Further, the material of the superconducting wire may be metal (nickel titanium, niobium tin, etc., superconducting state at 4.2K), oxide (bismuth, thallium, mercury, RE-Ba-Cu-O, etc.), 77K. The superconducting state can be used at 20K, and the superconducting state with good characteristics can be used. However, since the critical temperature is high and the superconducting state is high at a relatively high temperature, and the critical magnetic field is high, the oxide superconducting conductor can be used. It is preferable to use, among oxide superconducting conductors, although the manufacturing cost is relatively high, but it is mechanically resistant to magnetic fields and heat resistant and corrosion resistant nickel-based alloys (Hastelloy, registered trademark, the same shall apply hereinafter) etc. are used as wire constituent materials. It is more preferable to use an oxide superconducting conductor that has good strength and whose main component can be represented by RE-Ba-Cu-O.

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−δ)が挙げられる。ビスマス系酸化物超電導線材は、好ましくは当該Bi2223を含むビスマス系2223相酸化物超電導導体(他に(Bi,Pb)SrCaCu10−δ)、あるいはビスマス系2223相酸化物超電導導体((Bi,Pb)SrCaCu8−δ,BiSrCaCu8−δ)を用いる。 A specific example of the former bismuth-based oxide superconducting wire is Bi2223 (Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10-δ ) manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd. The bismuth-based oxide superconducting wire is preferably a bismuth-based 2223-phase oxide superconducting conductor containing Bi2223 (in addition to (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10-δ ) or a bismuth-based 2223 phase oxide. superconducting conductor ((Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8-δ, Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8-δ) is used.

一方、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。本形態では、YBCOを用いている。 On the other hand, specific examples of the latter RE-Ba-Cu-O-based oxide superconducting wire include YBCO (YBa 2 Cu 3 O 7-δ ) manufactured by American Superconductor Corporation (AMSC). In this embodiment, 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).

そして、メインスプリットコイル21は、鏡面対称のメインスプリットコイル21に対して0.130000m離れた状態で配置されている。   The main split coil 21 is arranged 0.130000 m away from the mirror-symmetric main split coil 21.

一方、第1補正スプリットコイル22や第2補正スプリットコイル23は、寸法や配置を除き、メインスプリットコイル21と同様に形成され、設計されている。   On the other hand, the first correction split coil 22 and the second correction split coil 23 are formed and designed in the same manner as the main split coil 21 except for the dimensions and arrangement.

第1補正スプリットコイル22は、内径1.008602m,幅(断面の横)0.084736m,厚み(断面の縦)0.069711mとされており、メインスプリットコイル21に沿った状態(水平)で、対称位置の第1補正スプリットコイル22に対し0.330000m間隔を置いて配置されている(X軸に対して0.165000m離れている)。従って、第1補正スプリットコイル22は、メインスプリットコイル21や自身の軸方向においてメインスプリットコイル21と並んだ状態で配置されており、その内径ないし外径はメインスプリットコイル21の外径より小さくされており、メインスプリットコイル21の外径より(コイルの半径方向・放射方向でみて)内側に位置している。   The first correction split coil 22 has an inner diameter of 1.0086602 m, a width (width of the cross section) of 0.084736 m, and a thickness (length of the cross section) of 0.069711 m, and is in a state (horizontal) along the main split coil 21. The first correction split coil 22 at a symmetrical position is arranged with an interval of 0.330000 m (0.165000 m away from the X axis). Therefore, the first correction split coil 22 is arranged in a state of being aligned with the main split coil 21 and the main split coil 21 in its axial direction, and the inner diameter or outer diameter thereof is made smaller than the outer diameter of the main split coil 21. It is located inside the outer diameter of the main split coil 21 (as viewed in the radial direction and radial direction of the coil).

第2補正スプリットコイル23は、内径0.387893m,幅0.516684m,厚み0.011931mとされており、メインスプリットコイル21に沿う状態で、対称位置の第2補正スプリットコイル23に対し0.330002m間隔を置いて配置されている(Y軸に対して0.0165001m離れている)。従って、第2補正スプリットコイル23の内径ないし外径は、メインスプリットコイル21や第1補正スプリットコイル22の外径より小径とされていて、メインスプリットコイル21や第1補正スプリットコイル22の外径より内側に配置されている。   The second correction split coil 23 has an inner diameter of 0.387893 m, a width of 0.516684 m, and a thickness of 0.011931 m, and is 0.330002 m with respect to the second correction split coil 23 at the symmetrical position in a state along the main split coil 21. They are arranged at intervals (0.0165001 m away from the Y axis). Accordingly, the inner diameter or outer diameter of the second correction split coil 23 is smaller than the outer diameter of the main split coil 21 or the first correction split coil 22, and the outer diameter of the main split coil 21 or the first correction split coil 22 is smaller. It is arranged more inside.

そして、上側のメインコイルユニット2において、第2補正スプリットコイル23の下面より下側に、その内径ないし外径より大きな外径の第1補正スプリットコイル22の下面が配置され、第1補正スプリットコイル22の下面より下側に、その内径ないし外径より更に大きな外径のメインスプリットコイル21の下面が配置されており、上側メインコイルユニット2全体としてみて、メインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23の下面が上方に盛り上がる山型形状となっている。なお、下側のメインコイルユニット2の上面についても同様である。   In the upper main coil unit 2, the lower surface of the first correction split coil 22 having an inner diameter or an outer diameter larger than the outer diameter is disposed below the lower surface of the second correction split coil 23. The lower surface of the main split coil 21 having an outer diameter larger than the inner diameter or the outer diameter is disposed below the lower surface of the main coil 22, and the main split coil 21 and the first correction split coil are viewed as the upper main coil unit 2 as a whole. 22, The bottom surface of the second correction split coil 23 has a mountain shape that rises upward. The same applies to the upper surface of the lower main coil unit 2.

又、互いに対称であるメインコイルユニット2,2で挟まれた部分において、粒子加速のための等時性磁場が形成される。コイルユニット1を有するサイクロトロンでは、メインコイルユニット2,2間の中心平面(図3のX軸を含む紙面に垂直な平面)が荷電粒子の加速平面とされる。なお、このサイクロトロンでは、スパイラルセクターコイルユニット4,4間の中心平面と加速平面も一致している。   Further, an isochronous magnetic field for particle acceleration is formed in a portion sandwiched between the main coil units 2 and 2 that are symmetrical to each other. In the cyclotron having the coil unit 1, the central plane between the main coil units 2 and 2 (a plane perpendicular to the paper surface including the X axis in FIG. 3) is an acceleration plane for charged particles. In this cyclotron, the center plane between the spiral sector coil units 4 and 4 and the acceleration plane also coincide.

メインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23は、それぞれ図示しないスイッチを介して共通の前記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等時性磁場を生成する。メインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23の通電電流は、順に420A(アンペア),398A,432Aである(運転電流はこれら通電電流以下で良い)。なお、Y軸を含む水平面が、等時性磁場の鉛直方向における中央となる。   The main split coil 21, the first correction split coil 22, and the second correction split coil 23 are electrically connected to the common power source via a switch (not shown), respectively. A voltage is applied by the power source to be excited, and an isochronous magnetic field is generated together with other exciting coils. The energization currents of the main split coil 21, the first correction split coil 22, and the second correction split coil 23 are 420A (ampere), 398A, and 432A in this order (the operation current may be less than these energization currents). The horizontal plane including the Y axis is the center in the vertical direction of the isochronous magnetic field.

サイクロトロンの制御装置としてのコンピュータは、等時性磁場の形成に際し、冷却装置を動作させ、冷却媒体をメインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23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、徐々に電圧を付加し、上述の通電電流となるまでメインスプリットコイル21、第1補正スプリットコイル22、第2補正スプリットコイル23に電流を流す。そして、上述の通電電流が生じ、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、荷電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。   The computer as the control device of the cyclotron operates the cooling device when forming the isochronous magnetic field, and the cooling medium is a temperature at which the main split coil 21, the first correction split coil 22, and the second correction split coil 23 are in a superconducting state. Cool by conduction cooling to (20K) to stabilize the temperature of the cooling medium. Then, a voltage is gradually applied, and a current is passed through the main split coil 21, the first correction split coil 22, and the second correction split coil 23 until the above-described energization current is reached. When the above-described energizing current is generated and the current is stabilized by the superconducting state, the application of voltage is stopped, and a transition is made to a steady state in which an isochronous magnetic field is formed in which charged particles are accelerated in a spiral orbit.

≪メインコイルユニットが形成する磁場≫
このようなメインコイルユニット2,2の生成磁場等を図4に示す。メインコイルユニット2,2の生成磁場(DESIGN)は、炭素6価プラスイオン126+を一定の回転周波数において400MeV/核子まで加速可能な理想的磁場(TARGET)に対し、誤差(ERROR)の少ない状態(最大約0.1T)となっている。
≪Magnetic field formed by main coil unit≫
FIG. 4 shows the magnetic field generated by the main coil units 2 and 2. The generated magnetic field (DESIGN) of the main coil units 2 and 2 has less error (ERROR) than the ideal magnetic field (TARGET) capable of accelerating the carbon hexavalent positive ions 12 C 6+ to 400 MeV / nucleon at a constant rotational frequency. It is in a state (maximum of about 0.1T).

理想的磁場に関し、一般に、磁場と粒子の軌道半径は次の[数1]で与えられる。ここで、Bρは磁気剛性(magnetic rigidity)[Tm]、pは(相対論的)運動量[MeV/c]であり、Zは電荷数(ここでは6)、Eは運動エネルギー(ここでは400)[MeV/u]、Eは静止エネルギー(931)[MeV/u]、Aは質量数(ここでは12)である。 Regarding an ideal magnetic field, generally, the magnetic field and the orbital radius of a particle are given by the following [Equation 1]. Where Bρ is the magnetic rigidity [Tm], p is the (relativistic) momentum [MeV / c], Z is the number of charges (here 6), and E is the kinetic energy (here 400). [MeV / u], E 0 is the static energy (931) [MeV / u], and A is the mass number (here 12).

≪スパイラルセクターコイルユニット≫
各スパイラルセクターコイルユニット4は、複数のスパイラルセクターコイル41を含んでいる。各スパイラルセクターコイル41は、湾曲した扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、メインスプリットコイル21と同様、酸化物超電導線材により形成され、又図示しないシールドにより冷却可能に覆われ、前記電源と通電可能に接続されている。そして、各スパイラルセクターコイル41は、湾曲により凸となる側が時計回りで正の側となるよう互いに回転対称に配置されており、又互いに円周方向で等間隔となるように配置されている。なお、各スパイラルセクターコイル41につき、凸側を時計回り負の側に配置しても良い。
≪Spiral sector coil unit≫
Each spiral sector coil unit 4 includes a plurality of spiral sector coils 41. Each spiral sector coil 41 is an air-core coil wound so as to follow a curved sector shape, and is formed of an oxide superconducting wire like the main split coil 21 and covered with a shield (not shown) so as to be cooled. It is connected to the power supply so that it can be energized. The spiral sector coils 41 are arranged so as to be rotationally symmetric with respect to each other so that the convex side due to the curvature is the positive side in the clockwise direction, and are arranged at equal intervals in the circumferential direction. For each spiral sector coil 41, the convex side may be arranged on the negative side in the clockwise direction.

図5にスパイラルセクターコイル41の詳細を示す。各スパイラルセクターコイル41は、全体を通じて幅5cm,厚み5cmとされている。なお、図5の一点鎖線は半径1060mm(ミリメートル)の円であり、二点鎖線は半径1100mmの円である。   FIG. 5 shows details of the spiral sector coil 41. Each spiral sector coil 41 has a width of 5 cm and a thickness of 5 cm throughout. 5 is a circle with a radius of 1060 mm (millimeters), and the two-dot chain line is a circle with a radius of 1100 mm.

又、各スパイラルセクターコイル41は、酸化物超電導線材における、曲げ過ぎると破断のおそれがあり、又超電導特性に支障を来すおそれがあるという機械特性に鑑み、曲げ半径が所定値(ここでは3cm)以上となるように設計されている。具体的には、ブロックと曲げ半径が所定値以上の弧状ブロックの組合せで形成させる巻線空間を満たすように酸化物超電導線材が巻かれており、より詳細には、3つの弧状のブロック(内側に配置されるArc−1及び外側に配置されるArc−2,Arc−3)と、Arc−1からArc−2にかけて互いに角度を付けて徐々に曲がるように接続される真っ直ぐなブロックの連続体(Brick−OUT−1〜Brick−OUT−19)と、Arc−2とArc−3を接続する真っ直ぐなブロック(Brick−OUT−20)と、Arc−1からArc−3にかけて互いに角度を付けて徐々に曲がるように接続される真っ直ぐなブロックの集合(Brick−IN−1〜Brick−IN−16)とから巻線空間が形成されている。ここで、真っ直ぐなブロックの連続体と弧状のブロックの接続体は、複数の曲率半径の曲線を滑らかに接続した外形を模したものであり、各スパイラルセクターコイル41は、このような外形を有する図示しないジグに、酸化物超電導線材を巻き付けることで形成される。   Further, each of the spiral sector coils 41 has a bending radius of a predetermined value (here, 3 cm) in view of mechanical characteristics that the oxide superconducting wire may be broken if it is bent excessively and may interfere with the superconducting characteristics. ) Designed to be above. Specifically, the oxide superconducting wire is wound so as to fill a winding space formed by a combination of a block and an arc-shaped block having a bending radius of a predetermined value or more. More specifically, three arc-shaped blocks (inside Arc-1 arranged on the outside and Arc-2, Arc-3 arranged on the outside, and a continuum of straight blocks connected so as to bend gradually at an angle from Arc-1 to Arc-2 (Brick-OUT-1 to Brick-OUT-19), a straight block (Brick-OUT-20) connecting Arc-2 and Arc-3, and an angle from Arc-1 to Arc-3. A winding space is formed from a set of straight blocks (Brick-IN-1 to Brick-IN-16) connected so as to bend gradually. Here, the continuous body of the straight block and the connection body of the arc-shaped block imitate the external shape in which a plurality of curvature radius curves are smoothly connected, and each spiral sector coil 41 has such an external shape. It is formed by winding an oxide superconducting wire around a jig (not shown).

更に、各スパイラルセクターコイル41は、鏡面対称位置のスパイラルセクターコイル41との間において生成する磁場の強い部分(ヒル,hill)の境界が、加速粒子の螺旋軌道に対して(所定範囲内に収まる)所定角度を有するスパイラル状となるように形成されている。各スパイラルセクターコイル41は、円周方向において互いに等間隔に配置されるため、上下のスパイラルセクターコイル41間で比較的に強い磁場(ヒル)が発生し、スパイラルセクターコイル41の無い部分で比較的に弱い磁場(バレー,valley)が発生する。そのバレーからヒルに対する加速粒子の入射角(加速粒子のヒル入射時の速度方向とヒル境界の接線方向の角度)が所定範囲内(ここでは20〜90度)となる磁場を生成するよう、スパイラルセクターコイル41の主にBrick−OUT−1〜Brick−OUT−20(ヒル入射側の形状)が形作られている。又、ヒルからバレーに出る際の加速粒子のヒル境界接線との角度も同様に所定範囲内(ここでは20〜90度)となるように、スパイラルセクターコイル41の主にBrick−IN−1〜Brick−IN−16(バレー入射側の形状)が形成されている。   Further, each spiral sector coil 41 has a boundary of a strong magnetic field portion (hill, hill) generated between the spiral sector coil 41 at the mirror symmetry position with respect to the spiral trajectory of the accelerated particles (within a predetermined range). ) It is formed in a spiral shape having a predetermined angle. Since the spiral sector coils 41 are arranged at equal intervals in the circumferential direction, a relatively strong magnetic field (hill) is generated between the upper and lower spiral sector coils 41, and the spiral sector coils 41 are relatively in a portion where the spiral sector coils 41 are not present. A weak magnetic field (valley) is generated. A spiral is generated so that the incident angle of the accelerated particles from the valley to the hill (the angle between the speed direction of the accelerated particle when the hill enters and the tangential direction of the hill boundary) is within a predetermined range (here, 20 to 90 degrees). Brick-OUT-1 to Brick-OUT-20 (the shape on the hill incidence side) of the sector coil 41 are mainly formed. Further, the spiral sector coil 41 mainly has a Brick-IN-1 so that the angle between the accelerating particle and the hill boundary tangent to the valley from the hill is also within a predetermined range (here, 20 to 90 degrees). Brick-IN-16 (shape on the valley incident side) is formed.

各スパイラルセクターコイル41は、メインスプリットコイル21等と同様、それぞれ電源に接続され、又冷却装置を有しており、コンピュータの指令に基づき、冷却温度の安定、所定通電電流(ここでは320A)の付与、ないし超電導定常状態への移行を行って、等時性磁場における加速粒子収束のための周方向増減磁場を生成する。   Each spiral sector coil 41, like the main split coil 21, etc., is connected to a power source and has a cooling device. Based on the command of the computer, the cooling temperature is stabilized and a predetermined energizing current (here, 320A) is supplied. Applying or shifting to a superconducting steady state generates a circumferentially increasing / decreasing magnetic field for accelerating particle convergence in an isochronous magnetic field.

≪スパイラルセクターコイルユニットが形成する磁場≫
このように形成されたスパイラルセクターコイルユニット4,4が生成する磁場は、次に説明するように、等時性磁場中の加速粒子に強い収束力をもたらす。
≪Magnetic field formed by spiral sector coil unit≫
The magnetic field generated by the spiral sector coil units 4 and 4 thus formed brings about a strong convergence force on the accelerated particles in the isochronous magnetic field, as will be described below.

即ち、図6(a)に模式的に示すように、磁極のギャップがヒルで狭くバレーで広いものを考えると、図6(b)に示すように、荷電粒子(Ion)の軌道は円軌道(Circle)から歪んだ軌道をとり、粒子はヒルの部分にκという角度をもって入り又出て行く。この場合、図6(a)で示されるように、磁力線がヒルとバレーの境界で歪み、その近傍で磁場の方位角成分が生じている。なお、ここではまずヒルとバレーの境界が放射方向に沿う直線状である図6(b)の場合(ラジアルセクター型)を考える。この場合を基にした、ヒルとバレーの境界が放射方向に沿う螺旋状である場合(スパイラルセクター型)の考察については、後述する。   That is, as schematically shown in FIG. 6 (a), when the magnetic pole gap is a hill and narrow and wide, the charged particle (Ion) has a circular orbit as shown in FIG. 6 (b). Taking a distorted orbit from (Circle), the particles enter and leave the hill part at an angle of κ. In this case, as shown in FIG. 6A, the magnetic field lines are distorted at the boundary between the hill and the valley, and the azimuth component of the magnetic field is generated in the vicinity thereof. Here, first, consider the case of FIG. 6B (radial sector type) in which the boundary between the hill and the valley is linear along the radial direction. Based on this case, the consideration when the boundary between the hill and the valley is spiral along the radial direction (spiral sector type) will be described later.

図6(a)で「ω=q/mB」と「Bρ=const.」の関係を用いて幾何学の問題を解くと、次の[数2]となる。   When the geometric problem is solved using the relationship of “ω = q / mB” and “Bρ = const.” In FIG. 6A, the following [Equation 2] is obtained.

図6(c)のように、速度vの粒子が角度αでエッジを横切る場合を考えると、z方向の粒子の運動方程式は、次の[数3]となる。ここで、Bは磁場の水平成分のエッジに垂直な方向の値であり、エッジの付近で有限な値をもつ。又、「s=vt」というパラメータを導入すると、z方向の運動量pの変化を与える式は、[数3]より、次の[数4]となる。 As shown in FIG. 6C, when a particle having a velocity v crosses an edge at an angle α, the equation of motion of the particle in the z direction is expressed by the following [Equation 3]. Here, Bh is a value in a direction perpendicular to the edge of the horizontal component of the magnetic field, and has a finite value near the edge. Further, when a parameter “s = vt” is introduced, an equation that gives a change in the amount of motion p z in the z direction is the following [Equation 4] from [Equation 3].

エッジを横切るときのz方向の運動量の総変化量Δpは、図7(a)で定義されるパラメータを用いて、次の[数5]で表される。 The total amount of change Δp z of the momentum in the z direction when crossing the edge is expressed by the following [Equation 5] using the parameters defined in FIG.

一方、ストークスの定理より、P1−P2−P3−P4−P1に沿っての閉積分は「▽×B=0」だから、次の[数6]となる。P2−P3に沿っての積分は磁場の値が0であるため、又P3−P4に沿っての積分は磁場と積分経路が直交しているため、どちらも0となる。従って、次の[数7]となり、結局[数8]となる。   On the other hand, according to Stokes' theorem, the closed integration along P1-P2-P3-P4-P1 is “▽ × B = 0”, so the following [Equation 6] is obtained. The integration along P2-P3 has a magnetic field value of 0, and the integration along P3-P4 is 0 because both the magnetic field and the integration path are orthogonal. Accordingly, the following [Equation 7] is obtained, and eventually [Equation 8] is obtained.

[数8]より、αが正のとき(図6(c)の場合)粒子は集束作用を受ける。よって、焦点距離fは次の[数9]となり、斜め入射による集束は次の[数10]で与えられる。ここで、ΔBはヒルとバレーの磁場の強さの差である。   From [Equation 8], when α is positive (in the case of FIG. 6C), the particles undergo a focusing action. Therefore, the focal length f is given by the following [Equation 9], and focusing by oblique incidence is given by the following [Equation 10]. Here, ΔB is the difference in magnetic field strength between Hill and Valley.

これらの値が求まると、転送行列を用いてベータトロン振動数を求めることができる。z方向の運動の1ユニット分の転送行列は、ヒルの中での自由運動、エッジでの集束、バレーの中での自由運動、エッジでの集束のそれぞれの転送行列の積で与えられ、つまり次に示す[数11]のようにFOFOで与えられることになる。   Once these values are determined, the betatron frequency can be determined using the transfer matrix. The transfer matrix for one unit of motion in the z direction is given by the product of the transfer matrices for free movement in the hill, focusing at the edge, free movement in the valley, and focusing at the edge, It is given by FOFO as shown in [Formula 11] below.

この行列の積を実行し、次の[数12]の関係を使うと、結局[数13]が得られる。ここで、μはフェイズアドバンス(phase advance)と呼ばれる量である。   When this matrix product is executed and the following relation of [Equation 12] is used, [Equation 13] is eventually obtained. Here, μ is an amount called a phase advance.

従って、z方向のベータトロン振動数は、次の[数14],[数15]となり、−βγとフラッターFの和で与えられることになる。 Accordingly, the betatron frequency in the z direction is the following [Expression 14] and [Expression 15], and is given by the sum of -β 2 γ 2 and flutter F 2 .

各スパイラルセクターコイルユニット4では、上下のスパイラルセクターコイル41により生成されるヒルとバレーの境界に対する加速粒子の斜め入射角度が大きくなるように、即ち当該境界が加速平面の中心から外側にかけて螺旋を描くようなスパイラル形状となるように、各スパイラルセクターコイル41が形成されている。   In each spiral sector coil unit 4, an oblique incident angle of acceleration particles with respect to a boundary between hills and valleys generated by upper and lower spiral sector coils 41 is increased, that is, the boundary draws a spiral from the center of the acceleration plane to the outside. Each spiral sector coil 41 is formed so as to have such a spiral shape.

図7(b)にスパイラル状の境界をもつヒルとバレー(スパイラルセクター型)ないし円軌道を模式的に示し、図7(c)に円軌道と加速軌道(平衡軌道)の関係を示す。   FIG. 7B schematically shows hills and valleys (spiral sector type) or circular orbits having spiral boundaries, and FIG. 7C shows the relationship between the circular orbit and acceleration orbit (equilibrium orbit).

図7(b)のε、即ちヒル・バレー境界線の接線と、当該接線の接点を通る円軌道に対する当該接点を通る垂線(接点を通る半径)とのなす角は、スパイラル角と呼ばれる。このεと円軌道とのずれ角κに対して、斜め入射角度は、ヒルに入るときにε+κ、出るときにε−κとなる。そして、入るときには収束を受け、出るときに発散を受けて、総合すると強い収束を受ける。これは、収束・発散を交互に繰り返すAG(Alternating Gradient)収束になっていることを示している。κは、ラジアルセクター型の場合と同様[数2]で与えられる。又、エッジのところでの収束・発散の大きさは次の[数16]で与えられ、更に転送行列はFODOで与えられ[数17]のようになる。   The angle formed by ε in FIG. 7B, that is, the tangent line of the Hill Valley boundary line, and the perpendicular line (radius passing through the contact point) passing through the contact point with respect to the circular orbit passing through the contact point of the tangent line is called a spiral angle. With respect to the deviation angle κ between ε and the circular orbit, the oblique incident angle is ε + κ when entering the hill and ε−κ when leaving. When entering, it receives convergence, and when it exits, it receives divergence. This indicates that it is AG (Alternating Gradient) convergence that alternately repeats convergence and divergence. κ is given by [Expression 2] as in the case of the radial sector type. The magnitude of convergence / divergence at the edge is given by the following [Equation 16], and the transfer matrix is given by FODO as shown in [Equation 17].

よって、スパイラルセクター型のフェイズアドバンスは次の[数18]の通りとなる。   Therefore, the spiral sector type phase advance is represented by the following [Equation 18].

従って、スパイラルセクター型AVFサイクロトロンのz方向のベータトロン振動数は、次の[数19]あるいは[数20]となり、ラジアルセクター型のFによる項のファクターに2tanεの項が付け加わったことになる。コイルユニット1を有するサイクロトロンでは、εが50度であるため、このファクターの値が4といった大きなものとなり、強い収束力を得ることができる。なお、このようなベータトロン振動数の値を適正な大きさとする観点から、半径方向で半分より外側において好ましくはεを20〜40度とする。 Therefore, the betatron frequency in the z direction of the spiral sector type AVF cyclotron is the following [Equation 19] or [Equation 20], and the term of 2 tan 2 ε is added to the factor of the term by the radial sector type F 2. become. In the cyclotron having the coil unit 1, since ε is 50 degrees, the value of this factor becomes as large as 4, and a strong convergence force can be obtained. From the viewpoint of setting such a value of the betatron frequency to an appropriate magnitude, ε is preferably set to 20 to 40 degrees outside the half in the radial direction.

そして、このように加速平面における各種半径において90度未満のスパイラル角εの付与される磁場を生成するために、各スパイラルセクターコイル41の形状(外形,巻線方向)は、曲げ半径を所定値以上としながらも、同様に各種半径に対し90度未満(60度前後)のスパイラル角εを有する螺旋状に湾曲した扇形とされている。なお、図8に、半径位置とスパイラル角εの関係を示す。   In order to generate a magnetic field to which a spiral angle ε of less than 90 degrees is applied at various radii on the acceleration plane in this way, the shape (outer shape, winding direction) of each spiral sector coil 41 has a bending radius set to a predetermined value. Although it is described above, similarly, it is formed into a spirally curved sector having a spiral angle ε of less than 90 degrees (around 60 degrees) with respect to various radii. FIG. 8 shows the relationship between the radial position and the spiral angle ε.

≪加速平面の磁場≫
図9に、一対のメインコイルユニット2,2と、その内部に収まる一対のスパイラルセクターコイルユニット4,4により形成される加速平面の磁場(平面視)を示し、図10(a)に、加速平面の各半径の円軌道における周方向の磁場分布を示し、図10(b)に、加速平面の中心から径方向(半径方向)にかけての磁場分布を示し、図10(c)に、加速平面の中心から径方向にかけてのフラッターの分布を示す。
≪Magnetic field in acceleration plane≫
FIG. 9 shows an acceleration plane magnetic field (in plan view) formed by a pair of main coil units 2 and 2 and a pair of spiral sector coil units 4 and 4 housed therein, and FIG. The magnetic field distribution in the circumferential direction in the circular orbit of each radius of the plane is shown, FIG. 10B shows the magnetic field distribution from the center of the acceleration plane to the radial direction (radial direction), and FIG. 10C shows the acceleration plane. The distribution of flutter from the center to the radial direction is shown.

これらより、加速平面において、外周部に行くに従い強度が約4Tから約7Tにかけて大きくなる等時性磁場と、円周方向における強度の強い部分(ヒル)と弱い部分(バレー)のAVF磁場とが生成されており、ヒルとバレーの境目が、その接線と半径方向とのなす角であるスパイラル角εを90度未満として半径方向から傾くようスパイラル状に形成され、フラッターを十分確保した状態とされていることが分かる。なお、フラッターにつき詳述すると、半径位置r=0.28mで0.15のピークとなり、径が大きくなるほど減少するものの、ビーム取り出し位置r=1.06mで0.07もあり、0.06以上の所望の値が得られている。   From these, in the acceleration plane, an isochronous magnetic field whose strength increases from about 4T to about 7T as it goes to the outer peripheral portion, and a strong portion (hill) and a weak portion (valley) AVF magnetic field in the circumferential direction. The boundary between the hill and the valley is formed in a spiral shape so that the spiral angle ε, which is the angle between the tangent line and the radial direction, is less than 90 degrees and tilts from the radial direction, and the flutter is sufficiently secured. I understand that The flutter will be described in detail. At the radial position r = 0.28 m, the peak is 0.15, and as the diameter increases, the beam extraction position r = 1.06 m has 0.07, which is 0.06 or more. The desired value of is obtained.

従って、コイルユニット1を備えたサイクロトロンでは、加速平面において、重粒子である炭素6価イオンを400MeV/核子程度まで発散せずに加速可能な磁場分布が形成可能となっている。よって、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を有するサイクロトロン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4m×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、コイルシステム1やサイクロトロンを非常にコンパクトに小型化することができる。更に、コイルシステム1やサイクロトロンが小型であり、又コイルシステム1を構成する双方のメインスプリットコイル21及び第1補正スプリットコイル22,第2スプリットコイル23、並びに双方のスパイラルセクターコイル41が空芯であるため、製作に要する材料(特に比較的高価な超電導線材)の量を低減することができ、冷却のためのシールド等の構造もシンプルなものとすることができ、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, in the cyclotron provided with the coil unit 1, a magnetic field distribution capable of accelerating the carbon hexavalent ions, which are heavy particles, to about 400 MeV / nucleon can be formed on the acceleration plane. Therefore, acceleration of heavy particles necessary for heavy particle beam cancer treatment can be performed by a cyclotron having the coil system 1. The dimensions of the coil system 1 itself are about 4 m in diameter x about 2 m in height, and the coil system 1 and cyclotron can be made very compact, such as an installation area of about several tens of square meters (m 2 ) including peripheral devices. It can be downsized. Furthermore, the coil system 1 and the cyclotron are small, and both the main split coil 21, the first correction split coil 22, the second split coil 23, and both the spiral sector coils 41 constituting the coil system 1 are air-core. Therefore, it is possible to reduce the amount of materials required for manufacturing (particularly relatively expensive superconducting wire), to simplify the structure of the shield for cooling, etc. It can be reduced, operation control can be made relatively simple, introduction cost and operation cost can be made low, maintenance can be easily performed, and maintenance cost can be reduced. Can also be inexpensive.

加えて、双方のメインスプリットコイル21及び第1補正スプリットコイル22,第2スプリットコイル23、並びに双方のスパイラルセクターコイル41を超電導状態とし、超電導状態による励磁を行うため、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、小型且つ空芯であるため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、各メインスプリットコイル21及び第1補正スプリットコイル22,第2スプリットコイル23、並びにスパイラルセクターコイル41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ないしAVF磁場の形成ないし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, both the main split coil 21, the first correction split coil 22, the second split coil 23, and both the spiral sector coils 41 are placed in a superconducting state, and excitation is performed in the superconducting state. In addition, Joule heat generation does not occur and the cooling energy of the cooling medium can be relatively small, and the amount of electric power required for operation can be reduced. In addition, since it is small and air-core, the amount of cooling medium is small, and Joule heat is not generated, so that the time from the stop state to the high magnetic field state (particle acceleration possible state) can be shortened, Particle acceleration can be performed efficiently. Further, since no Joule heat is generated, the main split coil 21, the first correction split coil 22, the second split coil 23, and the spiral sector coil 41 can be prevented from being thermally deformed, and the magnetic field distribution can be prevented. Thus, stable isochronous magnetic field or AVF magnetic field can be formed, or stable operation of particle acceleration can be ensured. Due to the above characteristics, the spread of particle accelerators capable of accelerating heavy particle beams can be promoted, and a great effect can be achieved such as an increase in hospitals capable of performing heavy particle beam cancer treatments.

≪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。コイルの数は様々に変更でき、片側のメインコイルユニットにおいて1個、2個あるいは4個以上として良いし、片側のスパイラルセクターコイルユニットにおいて3個以下あるいは5個以上として良い。コイルにつき、断面積に基づきメインスプリットコイルと補正スプリットコイルとに分けず、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、メインスプリットコイルを補正スプリットコイルより加速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。一方のメインコイルユニットは、他方のメイン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、他方のメイン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、他方のメイン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く、スパイラルセクターコイルユニットについても同様である。
≪Change example≫
In addition, the other form of this invention which mainly consists of changing the said form is illustrated. The number of coils can be changed variously, and can be 1, 2, or 4 or more in one side main coil unit, or 3 or less or 5 or more in one side spiral sector coil unit. The coils may not be divided into the main split coil and the correction split 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 split coil may be arranged farther from the accelerating magnetic field than the correction split coil. The dimensions and arrangement of the various coils can be finely adjusted or changed according to the magnetic gradient shape, the height of the magnetic flux density, or the like. One main coil unit does not need to be composed only of coils that are mirror-symmetric with respect to all the coils in the other main coil unit, and is additionally provided with a fine adjustment coil that is not in the other main coil unit. Any configuration may be adopted as long as it includes a coil that is mirror-symmetric with respect to the plurality of coils belonging to the other main coil unit, and the same applies to the spiral sector coil unit.

又、メインコイルユニットにおける各種コイルにつき、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する。各メインスプリットコイル及び補正スプリットコイルは、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)構成される。このようなメインコイルユニットを含むサイクロトロンにあっても、強度の高い等時性磁場につき、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、パンケーキコイルあるいはその積層体で形成することにより、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、各コイル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。なお、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、メインコイルユニットは、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。   The various coils in the main coil unit are configured by using pancake coils formed by winding a strip-shaped superconducting wire around a pancake. Each of the main split coil and the correction split coil 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. Even in a cyclotron including such a main coil unit, a high-strength isochronous magnetic field can be formed in a small, low-cost and easy-to-use apparatus. Moreover, by forming the pancake coil or its laminate, electromagnetic force can be applied to the wire component (Hastelloy) as a compressive stress during excitation, and the mechanical strength of each coil can be increased. It can be raised to avoid buckling, further improving durability, and generating a high magnetic field in a more stable state. Note that pancake coils can be used alone without being stacked, and the number of layers can be varied, or the thickness, number of turns, and type / dimension of the wire for each layer can be varied. The main coil unit is a solenoid coil. , A pancake coil, or a combination of laminated pancake coils.

冷却媒体の温度につき、20K以外として良い。等時性磁場につき、超電導線材あるいは酸化物超電導線材を用いないコイルや、強磁性体により作成して良い。   The temperature of the cooling medium may be other than 20K. The isochronous magnetic field may be made of a coil not using a superconducting wire or an oxide superconducting wire or a ferromagnetic material.

本発明の空芯型サイクロトロンによれば、小型で低コストな構成によって極めて強度の高い等時性磁場及びAVF磁場を提供することができ、本発明の空芯型サイクロトロンは、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サイクロトロンを作製するために採用することも可能であり、本発明の重粒子の加速が可能な空芯型サイクロトロンは、様々な用途を有する。   According to the air core type cyclotron of the present invention, an extremely strong isochronous magnetic field and an AVF magnetic field can be provided by a small and low cost configuration. The air core type cyclotron of the present invention can be used for various medical institutions. In addition to being applicable to medical accelerators, it can also be used to create experimental cyclotrons that can be easily introduced in research institutions that do not have the largest scale. An air core type cyclotron capable of acceleration has various uses.

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、本発明の空芯型サイクロトロンによって、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QOLの向上を提供することができ、社会的負担(Social Cost)が顕著に低減される。   In particular, in the case of a heavy particle accelerator for cancer treatment, as described below, the air-core type cyclotron of the present invention efficiently performs irradiation of heavy particle beams that are very effective against cancer. It is possible to treat a large number of cancer patients and provide an improvement in QOL, and the social cost is significantly reduced.

即ち、炭素6価イオン線等の重粒子を水平垂直の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X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X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Social Costを低減することができる。本発明の空芯型サイクロトロンによれば、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。   That is, by irradiating heavy particles such as carbon hexavalent ion beams at two horizontal and vertical gates, it is possible to concentrate a position with a high energy absorption amount at the position of the cancer affected area. The level is much higher than that of gamma rays, and it can have a steep boundary compared to proton rays, reducing the burden on treatment other than the affected area and reducing the burden of treatment. The dose can be concentrated to make the biological effect (cell killing effect) on cancer cells about 3 times that of X-rays or protons, and the effect can be increased with a relatively short irradiation time. The number of irradiations can be reduced, the treatment period and hospitalization period can be shortened, or the rehabilitation period can be made unnecessary or extremely short, but there are very few physical burdens and cost burdens compared to surgical excision and other radiation treatments. Treatment It can be. 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 air-core type cyclotron of the present invention, it is possible to promote the spread of equipment that exhibits such remarkable effects.

1 コイルシステム
2 メインコイルユニット
4 スパイラルセクターコイルユニット
41 スパイラルセクターコイル
1 Coil system 2 Main coil unit 4 Spiral sector coil unit 41 Spiral sector coil

Claims (7)

軸方向に対向し、半径方向に等時性磁場を形成する一対のメインコイルユニットと、
軸方向に対向し、円周方向に強弱のある磁場を形成する一対のスパイラルセクターコイルユニットを有しており、
各当該スパイラルセクターコイルユニットは、3個以上のスパイラルセクターコイルを含んでおり、
各当該スパイラルセクターコイルは、酸化物超電導導体を、湾曲する扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、互いに回転対称となるように配置されており、
各前記スパイラルセクターコイルにおける前記扇形は、円周方向と交わる辺における接線と、当該接線の接点を通る半径方向のなす角であるスパイラル角が90度未満となるように形成されている
ことを特徴とする空芯型サイクロトロン。
A pair of main coil units facing in the axial direction and forming an isochronous magnetic field in the radial direction;
It has a pair of spiral sector coil units that are opposed to each other in the axial direction and form a magnetic field that is strong and weak in the circumferential direction.
Each spiral sector coil unit includes three or more spiral sector coils,
Each spiral sector coil is an air-core coil in which an oxide superconducting conductor is wound along a curved fan shape, and is arranged so as to be rotationally symmetrical with each other .
The sector in each spiral sector coil is formed such that a spiral angle, which is an angle formed between a tangent line on a side intersecting the circumferential direction and a radial direction passing through a contact point of the tangent line, is less than 90 degrees. An air core type cyclotron.
軸方向に対向し、半径方向に等時性磁場を形成する一対のメインコイルユニットと、
軸方向に対向し、円周方向に強弱のある磁場を形成する一対のスパイラルセクターコイルユニットを有しており、
各当該スパイラルセクターコイルユニットは、3個以上のスパイラルセクターコイルを含んでおり、
各当該スパイラルセクターコイルは、酸化物超電導導体を、湾曲する扇形に沿うように巻いた空芯のコイルであり、互いに回転対称となるように配置されており、
各前記スパイラルセクターコイルは、複数の曲率半径の曲線を滑らかに接続した外形のジグに酸化物超電導導体を巻き付けて形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の空芯型サイクロトロン。
A pair of main coil units facing in the axial direction and forming an isochronous magnetic field in the radial direction;
It has a pair of spiral sector coil units that are opposed to each other in the axial direction and that form a magnetic field with strength in the circumferential direction
Each spiral sector coil unit includes three or more spiral sector coils,
Each spiral sector coil is an air-core coil in which an oxide superconducting conductor is wound along a curved fan shape, and is arranged so as to be rotationally symmetrical with each other.
The air core according to claim 1 , wherein each spiral sector coil is formed by winding an oxide superconducting conductor around a jig having an outer shape in which a plurality of curvature radii curves are smoothly connected. Type cyclotron.
各前記スパイラルセクターコイルは、曲げ半径が所定値以上となるように形成されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の空芯型サイクロトロン。
The air-core type cyclotron according to claim 1 or 2, wherein each of the spiral sector coils is formed so that a bending radius is not less than a predetermined value.
前記メインコイルユニットは、酸化物超電導導体を輪状に巻いて成る空芯のメインスプリットコイルを、複数軸方向に並べたものである
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の空芯型サイクロトロン。
4. The main coil unit according to any one of claims 1 to 3 , wherein air-core main split coils formed by winding oxide superconducting conductors in a ring shape are arranged in a plurality of axial directions. Air core type cyclotron.
各前記メインコイルユニットにあって、他のメインコイルユニットに近い前記メインスプリットコイルの外径に対し、当該メインスプリットコイルより遠いメインスプリットコイルの内径が、より小さくなっている
ことを特徴とする請求項4に記載の空芯型サイクロトロン。
In the respective said main coil unit, with respect to the outer diameter of the main split coil near the other main coil unit, the inner diameter of the distant main split coil than the main split coils, characterized in that it is smaller claims Item 5. The air-core type cyclotron according to item 4 .
一対の前記スパイラルセクターコイルユニット、及び/又は、一対の前記メインコイルユニットは、互いに鏡面対称に配置されている
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5の何れかに記載の空芯型サイクロトロン。
The air-core type cyclotron according to any one of claims 1 to 5 , wherein the pair of spiral sector coil units and / or the pair of main coil units are arranged in mirror symmetry with each other. .
前記酸化物超電導導体は、ビスマス系酸化物超電導体、又は、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ないし請求項6の何れかに記載の空芯型サイクロトロン。
The oxide superconductor is a bismuth-based oxide superconductor or an RE-123-based oxide superconductor (REBa 2 Cu 3 O 7-δ , RE is a rare earth element including yttrium). The air-core type cyclotron according to any one of claims 1 to 6 .
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