JP6588849B2 - Superconducting magnet device for beam transportation, beam transportation system, particle beam therapy system, and superconducting magnet arrangement method for beam transportation - Google Patents

Superconducting magnet device for beam transportation, beam transportation system, particle beam therapy system, and superconducting magnet arrangement method for beam transportation Download PDF

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本発明は、ビーム輸送用超電導磁石装置、ビーム輸送システム、粒子線治療システム、ビーム輸送用超伝導磁石配置方法に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device for beam transportation, a beam transportation system, a particle beam therapy system, and a superconducting magnet arrangement method for beam transportation.

電子、陽子といった荷電粒子を加速して得られる粒子線(ビーム)は研究分野、医療分野においてさまざまな形態で利用されている。医療用のビーム利用のひとつとして陽子線(粒子線)治療法がある。この治療法は、加速された陽子をがんに打ち込んでがん細胞を死滅にいたらしめる治療法であり、線量ピーク(ブラッグピーク)位置をコントロールしてビームのエネルギーをがんの部位に集中させることができることから、手術等の外科療法、抗がん剤による化学療法、放射線療法などの治療方法に比べて、患者への負担が小さい治療法として近年普及しつつある。 Particle beams (beams) obtained by accelerating charged particles such as electrons and protons are used in various forms in research and medical fields. One of the medical beam applications is proton beam (particle beam) therapy. This is a treatment that drives accelerated protons into the cancer and kills the cancer cells. The dose peak (Bragg peak) position is controlled to concentrate the beam energy at the cancer site. Therefore, compared with treatment methods such as surgery such as surgery, chemotherapy with an anticancer agent, and radiation therapy, it has recently become widespread as a treatment method that places less burden on patients.

ビームの利用においては、ビームは生成から照射利用までの間の経路を適切に輸送されなければならない。運動する荷電粒子は磁場によりローレンツ力を受けるため、磁石(磁場)を使ってその飛行経路を制御することが可能である。一定の大きさで上向きの磁場(磁石のN極からS極へ磁力線が向かう向きを磁場の向きとし、これが上向きとなっている磁場)中を、正の電荷を持つ粒子が運動する場合、粒子は進行方向に対し右向きの力を受けて曲がる。この一定の磁場を2極磁場と呼び、この磁場を発生する磁石を偏向磁石という。また、光学系におけるレンズと同様に、ビームに対しても磁気的なレンズというものが存在し、ビームを収束させたり拡散させる凸レンズ凹レンズに相当する磁場を4極磁場と呼び、また、ビームの収差を補正する磁場を6極磁場という。これら2極磁場、4極磁場、6極磁場等の磁場がビームの輸送に利用される。 In beam utilization, the beam must be properly transported along the path from generation to irradiation utilization. Since the moving charged particles are subjected to Lorentz force by the magnetic field, the flight path can be controlled using a magnet (magnetic field). When a particle with a positive charge moves in an upward magnetic field of a certain size (the magnetic field direction is the direction in which the magnetic field lines are directed from the N-pole to the S-pole of the magnet) Turns with a rightward force against the direction of travel. This constant magnetic field is called a dipole magnetic field, and a magnet that generates this magnetic field is called a deflection magnet. Similarly to the lens in the optical system, there is a magnetic lens for the beam, and the magnetic field corresponding to the convex lens concave lens for converging or diffusing the beam is called a quadrupole magnetic field. A magnetic field that corrects for this is called a hexapole magnetic field. A magnetic field such as a dipole magnetic field, a quadrupole magnetic field, or a hexapolar magnetic field is used for transporting the beam.

非特許文献1には、陽子線装置について開示されており、生成された荷電粒子を加速し次段の主加速器(シンクロトロン)にビームを注入するための線形加速器、ビームを所定のエネルギーに加速するためのシンクロトロン及び患者へビームを照射するための回転ガントリーが図示されている。回転ガントリーは、がんの位置、形状に合わせて最適にビームを照射できるように、ビームのノズル及びビーム輸送磁石が患者の周りを回転するように構成されている。開示されているシステムは、ガントリーの半径は4m、重量は100トンである。 Non-Patent Document 1 discloses a proton beam device, which accelerates the generated charged particles and injects the beam into the main accelerator (synchrotron) at the next stage, and accelerates the beam to a predetermined energy. And a rotating gantry for irradiating the patient with a beam. The rotating gantry is configured such that the beam nozzle and the beam transport magnet rotate around the patient so that the beam can be optimally irradiated according to the position and shape of the cancer. The disclosed system has a gantry radius of 4 m and a weight of 100 tons.

非特許文献1では陽子線を照射する治療システムについて述べられているが、耐放射性のがんに対しさらに治療効果のある重粒子線(炭素イオン)を利用した装置も開発されている。日本国内では放射線医学総合研究所(放医研)HIMAC(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)などが稼動している。陽子に比べ炭素イオンは電荷あたりの質量が大きいため、同じ磁場強度の磁石を使うとビーム軌道の曲率半径は大きくなる。したがって、HIMACの加速器(シンクロトロン)は陽子線のシステム(例:リング周長20m前後)に比べると大型化(例:リング直径約42m、周長約130m)している。 Non-Patent Document 1 describes a treatment system that irradiates a proton beam, but an apparatus using a heavy particle beam (carbon ion) that has a further therapeutic effect on radiation-resistant cancer has been developed. In Japan, the National Institute of Radiological Sciences (NIRS) HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) and the like are in operation. Since carbon ions have a larger mass per charge than protons, the radius of curvature of the beam trajectory increases when magnets with the same magnetic field strength are used. Therefore, the accelerator (synchrotron) of HIMAC is larger (eg, ring diameter is about 42 m, circumference is about 130 m) than the proton beam system (eg, ring circumference is about 20 m).

陽子線治療装置と同様に重粒子線でも回転ガントリーが望まれており、回転ガントリーについても開発が進められている。回転ガントリーを実現するためにはビームをより小さな半径で曲げることが必須になるが、強い磁場を発生させるために超電導磁石が使われている。 A rotating gantry is desired for heavy particle beams as well as a proton beam therapy apparatus, and development of a rotating gantry is underway. In order to realize a rotating gantry, it is essential to bend the beam with a smaller radius, but superconducting magnets are used to generate a strong magnetic field.

非特許文献2には、重粒子線治療装置用の回転ガントリーの開発について開示されている。これらビーム輸送用の磁石ではビーム軌道を曲げるために偏向磁石(2極磁石)によりビームが通過する領域に一定強度の磁場を発生させている。この一定磁場を発生させるための起磁力源の配置方法、すなわち、コイルの巻線方法としては、コサインシータ巻きというものが知られている。このコサインシータ巻きとは、鉛直上向きの磁場を発生させビームを水平面内に偏向させ、ビーム通過する断面に対し丸い断面をもつ電磁石において、電磁石を構成する電流の配置を水平面からの角度θに対し電流密度分布がcosθとなるように配置する方法である。実際の電磁石においては角度θが小さい位置に配置される電流(コイル巻線)がビームの軌道を侵さないように電磁石の端部において巻線をビーム通過領域からよけるようにコイル巻線をずらして巻き回す。非特許文献2ではこのコサインシータ巻線を実現するためにサーフェスワィンディングと呼ばれる特殊な巻線技術によって超電導回転ガントリーを実現するための偏向磁石を実現している。 Non-Patent Document 2 discloses the development of a rotating gantry for a heavy particle beam therapy system. In these beam transport magnets, in order to bend the beam trajectory, a deflecting magnet (dipolar magnet) generates a magnetic field having a constant intensity in a region through which the beam passes. As an arrangement method of the magnetomotive force source for generating the constant magnetic field, that is, a coil winding method, cosine theta winding is known. This cosine theta winding generates a vertically upward magnetic field, deflects the beam in a horizontal plane, and in an electromagnet having a round cross section with respect to the cross section through which the beam passes, the arrangement of the current constituting the electromagnet is relative to the angle θ from the horizontal plane. In this method, the current density distribution is cos θ. In an actual electromagnet, the coil winding is shifted so that the current (coil winding) arranged at a position where the angle θ is small does not affect the beam trajectory so that the winding is kept away from the beam passage region at the end of the electromagnet. Wrap it around. In Non-Patent Document 2, in order to realize this cosine theta winding, a deflection magnet for realizing a superconducting rotating gantry is realized by a special winding technique called surface winding.

Shimizu, S. et al., “A Proton Beam Therapy System Dedicated to Spot-Scanning Increases Accuracy with Moving Tumors by Real-Time Imaging and Gating and Reduces Equipment Size”, PLOS ONE, April 2014, vol.9, Issue 4, e94971Shimizu, S. et al., “A Proton Beam Therapy System Dedicated to Spot-Scanning Increases Accuracy with Moving Tumors by Real-Time Imaging and Gating and Reduces Equipment Size”, PLOS ONE, April 2014, vol.9, Issue 4, e94971 Takayama, S. et al., “Magnetic field measurement of the superconducting magnet for rotating-gantry”, Proceedings of the 9th annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 2012.8.8-11, P247-251Takayama, S. et al., “Magnetic field measurement of the superconducting magnet for rotating-gantry”, Proceedings of the 9th annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 2012.8.8-11, P247-251

一般にビーム輸送用の偏向磁石は、ビームの進行方向に対し直交する方向に一定の強さの磁場を発生させる必要があり、ビームの飛行経路と干渉しないように、巻線はビーム通過領域をよけるように巻線される必要がある。また、ビームの軌道に沿って一定の磁場を発生させるためにコサインシータ巻線のような巻き方を施した電磁石が必要となるため、複雑な3次元形状の巻線(コイル)が必要となる。ビーム輸送用の磁石では一般にビームの位置精度を出すために高精度の巻線が必要とされる。3次元形状の磁石を高精度に巻線することは技術的な難易度が高く専用の巻線装置を必要とする。そこで、従来のような技術的難易度の高い3次元形状のコイルを用いずとも、ビーム輸送用の偏向磁石を実現させる技術が望まれる。 In general, a deflecting magnet for transporting a beam needs to generate a magnetic field having a certain strength in a direction orthogonal to the traveling direction of the beam. Need to be wound so that Moreover, in order to generate a constant magnetic field along the beam trajectory, an electromagnet having a winding method such as a cosine theta winding is required, and thus a complicated three-dimensional winding (coil) is required. . In general, a magnet for transporting a beam requires a highly accurate winding in order to obtain a beam position accuracy. Winding a three-dimensional magnet with high accuracy is technically difficult and requires a dedicated winding device. Therefore, there is a demand for a technique for realizing a deflecting magnet for transporting a beam without using a three-dimensionally shaped coil that is highly technically difficult.

本発明は、以上の点に鑑み、実装容易なフラットコイルのみによってビーム輸送用超電導磁石を実現することを目的する。 In view of the above points, the present invention has an object of realizing a superconducting magnet for beam transportation using only a flat coil that can be easily mounted.

本発明の第1の解決手段によると、
ビーム輸送用超伝導磁石装置であって、
磁場発生方向をz軸正方向及びビームの飛行経路がx−y平面上とした座標系で、x−y平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のz方向上側位置のx−y平面と下側位置のx−y平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のz方向最大位置と最小位置のx−y平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりz軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置された、少なくとも1対の第一のフラットコイルと、
前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置され、且つ、z−x平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるz−y平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置され、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きの磁場を発生するようにした、少なくとも1対の第二のフラットコイルと、
前記ビーム通過領域のz方向に外側且つ前記高角度領域にx−y面に対し対称に配置された、少なくとも1対の第三のフラットコイルと、
を備え、
前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角30度から63度の間、及び、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角30度から63度の間にある、
ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置が提供される。
According to the first solution of the present invention,
A superconducting magnet device for beam transport,
In a coordinate system in which the magnetic field generation direction is the z-axis positive direction and the flight path of the beam is on the xy plane, the beam passes through the beam passing area symmetrical with respect to the xy plane, and the arc has a predetermined radius of curvature. The beam passing region is sandwiched between the xy plane at the upper side in the z direction and the xy plane at the lower side of the beam passing region, or the maximum position of the beam passing region in the z direction and the minimum position x−. When the region sandwiched by the y plane is a low angle region, and the region outside the z axis direction from the low angle region is a high angle region,
At least one pair of first flat coils arranged symmetrically with respect to an xy plane inside the arc of the beam passing region and in the low angle region;
Zy at the coordinate origin that is arranged outside the arc of the beam passing region and symmetrically with respect to the xy plane in the low angle region and that represents the center of the beam passing region in the coil cross section of the zx plane. to the plane, it is disposed on the first flat coil and symmetrical or nearly symmetrical, the direction of current and the first flat coil and the left and right opposite, to generate a magnetic field in the same direction as said first flat coil And at least one pair of second flat coils,
At least one pair of third flat coils arranged symmetrically with respect to an xy plane in the z direction outside the beam passage region and in the high angle region;
With
The arrangement position of the first flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The arrangement position of the second flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis minus direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The third flat coil is disposed at an angle between 30 degrees and 63 degrees formed from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin, and from the x-axis minus direction when viewed from the coordinate origin. The angle between the direction is between 30 degrees and 63 degrees,
There is provided a superconducting magnet device for transporting a beam.

本発明の第2の解決手段によると、
上述のようなビーム輸送用超伝導磁石装置を備えたビーム輸送システムが提供される。
According to the second solution of the present invention,
A beam transport system including the superconducting magnet device for beam transport as described above is provided.

本発明の第3の解決手段によると、
上述のようなビーム輸送用超伝導磁石装置を備えた粒子線治療システムが提供される。
According to the third solution of the present invention,
A particle beam therapy system including the superconducting magnet device for beam transportation as described above is provided.

本発明の第4の解決手段によると、
ビーム輸送用超伝導磁石配置方法であって、
磁場発生方向をz軸正方向及びビームの飛行経路がx−y平面上とした座標系で、x−y平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のz方向上側位置のx−y平面と下側位置のx−y平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のz方向最大位置と最小位置のx−y平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりz軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
少なくとも1対の第一のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置し、
少なくとも1対の第二のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置し、且つ、z−x平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるz−y平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置し、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きに磁場を発生するようにした、少なくとも1対の第二のフラットコイルと、
少なくとも1対の第三のフラットコイルを、前記ビーム通過領域のz方向に外側且つ前記高角度領域にx−y面に対し対称に配置し、
前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角30度から63度の間、及び、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角30度から63度の間にある、
ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石配置方法が提供される。
According to the fourth solution of the present invention,
A superconducting magnet arrangement method for beam transportation,
In a coordinate system in which the magnetic field generation direction is the z-axis positive direction and the flight path of the beam is on the xy plane, the beam passes through the beam passing area symmetrical with respect to the xy plane, and the arc has a predetermined radius of curvature. The beam passing region is sandwiched between the xy plane at the upper side in the z direction and the xy plane at the lower side of the beam passing region, or the maximum position of the beam passing region in the z direction and the minimum position x−. When the region sandwiched by the y plane is a low angle region, and the region outside the z axis direction from the low angle region is a high angle region,
At least one pair of first flat coils are arranged symmetrically with respect to the xy plane inside the arc of the beam passing region and in the low angle region;
At least one pair of second flat coils is arranged outside the arc of the beam passing region and symmetrically with respect to the xy plane in the low angle region, and the beam passing through the coil cross section in the zx plane. relative z-y plane at the coordinate origin which represents the center of the area, the first place to the flat coil and the symmetrical or substantially symmetrical to the direction of current and the first flat coil and the left and right opposite, the first At least one pair of second flat coils adapted to generate a magnetic field in the same direction as the flat coils;
At least one pair of third flat coils are arranged outside the beam passing region in the z direction and symmetrically with respect to the xy plane in the high angle region;
The arrangement position of the first flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The arrangement position of the second flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis minus direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The third flat coil is disposed at an angle of 30 to 63 degrees from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin, and from the x-axis minus direction to the z-axis when viewed from the coordinate origin. The angle between the direction is between 30 degrees and 63 degrees,
A superconducting magnet arrangement method for beam transportation is provided.

本発明によれば、実装容易なフラットコイルのみによってビーム輸送用超電導磁石を実現することができる。 According to the present invention, a superconducting magnet for beam transportation can be realized only by a flat coil that is easy to mount.

本実施形態の磁石の断面内のコイル配置の角度位置を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the angular position of the coil arrangement | positioning in the cross section of the magnet of this embodiment. 本実施形態の磁石の起磁力源配置を示す鳥瞰図である。It is a bird's-eye view which shows magnetomotive force source arrangement | positioning of the magnet of this embodiment. 多極成分磁場についての説明をするための座標系の取り方ついての説明図である。It is explanatory drawing about how to take the coordinate system for demonstrating a multipolar component magnetic field. 多極展開磁場のうちn=2次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the angular position of the line current in which the absolute value of the magnetic field of the n = 2 order component among multipolar expansion | deployment magnetic fields becomes the maximum value. 多極展開磁場のうちn=4次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the angle position of the line current from which the absolute value of the magnetic field of a n = 4th-order component among multipolar expansion | deployment magnetic fields becomes the maximum value. 多極展開磁場のうちn=6次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the angular position of the line current from which the absolute value of the magnetic field of the n = 6th-order component among multipolar expansion | deployment magnetic fields becomes the maximum value. 断面内のコイル配置とn=4,6次の多極磁場を発生させる領域との対応を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the response | compatibility with the coil arrangement | positioning in a cross section, and the area | region which generates n = 4 and a 6th-order multipolar magnetic field. 本実施形態の磁石を二つの電源で運転する場合のコイル組み合わせを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the coil combination in the case of operating the magnet of this embodiment with two power supplies. 磁場の目標仕様と設計値の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the target specification and design value of a magnetic field.

本実施形態は、ビーム輸送用の電磁石(偏向磁石)に関し、単純な形状のコイルを利用して偏向磁石を構成する方法を提供するものである。本実施形態のビーム輸送用超電導磁石は、例えば、上下対称である超電導電磁石であって、平板状に巻き回されたコイルのみの組み合わせによって構成されており、その平板状コイルはビーム通過領域に対し干渉しない位置に配置されており、コイル位置は所定の磁場均一度を満足するような特定の位置関係を満足する位置に配置される。 The present embodiment relates to an electromagnet (deflecting magnet) for transporting a beam, and provides a method of configuring a deflecting magnet using a coil having a simple shape. The superconducting magnet for beam transportation according to the present embodiment is, for example, a superconducting magnet that is vertically symmetrical, and is configured by a combination of only coils wound in a flat plate shape. The coil positions are arranged at positions that do not interfere, and the coil positions are arranged at positions that satisfy a specific positional relationship that satisfies a predetermined magnetic field uniformity.

以下、本発明に係る実施形態について説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。 Embodiments according to the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the embodiments taken up here, and can be appropriately combined and improved without departing from the scope of the invention.

図1は、この磁石の中心位置での断面内のコイル配置の角度位置を示す概念図である。また、図2は、本実施形態の磁石のコイル配置を示す概念図である。磁石の位置関係を明確にするために、まず座標、方向を定義する。右手系直角座標系に対して磁場発生方向をz軸正方向に取ることとし、x−y平面内を飛行していたビームはz方向の磁場によりx−y面内で偏向される磁石配置とする。また、磁石はx−y平面で上下対称であり、断面内でのコイル配置は対称又はほぼ対称形状となっている。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing the angular position of the coil arrangement in the cross section at the center position of the magnet. FIG. 2 is a conceptual diagram showing the coil arrangement of the magnet according to the present embodiment. To clarify the positional relationship of the magnets, first define the coordinates and direction. The magnetic field generation direction is taken in the z-axis positive direction with respect to the right-handed rectangular coordinate system, and the beam that has been flying in the xy plane is deflected in the xy plane by the magnetic field in the z direction. To do. Further, the magnet is vertically symmetric in the xy plane, and the coil arrangement in the cross section is symmetrical or substantially symmetrical.

本実施形態の磁石は、予め定められた角度(例えば22.5度)以上の偏向角を実現するためのビーム輸送用の超伝導磁石であって、ビームがおおむね一定の曲率半径で曲げられて通過するビーム通過領域が、x−y平面に対して対称に配置された起磁力源と干渉しないように挟まれるように設けられており、その起磁力源はすべてフラットコイルによって構成されるものである。ここで言うフラットコイルとは、z軸の方向に磁場を発生させるようにx−y平面に対しほぼ平行に線材を巻き回したコイルであって、コイル巻線の横断面形状は巻き線の方向に沿って一定の形状を有しており、x−y平面を水平面としたとき、コイルはこの面に平行に置くことが可能な平坦な(平面的な)形状をしているものである。 The magnet of the present embodiment is a superconducting magnet for transporting a beam for realizing a deflection angle of a predetermined angle (for example, 22.5 degrees) or more, and the beam is bent with a constant curvature radius. The passing beam passing region is provided so as not to interfere with the magnetomotive force source arranged symmetrically with respect to the xy plane, and all the magnetomotive force sources are constituted by flat coils. is there. The flat coil mentioned here is a coil in which a wire is wound substantially parallel to the xy plane so as to generate a magnetic field in the z-axis direction, and the cross-sectional shape of the coil winding is the direction of the winding. When the xy plane is a horizontal plane, the coil has a flat (planar) shape that can be placed parallel to this plane.

ビームの通過領域と干渉しないように配置されるこのフラットコイルは、ビーム通過領域に対して所定の磁場均一度を達成するように位置及び形状が決められるが、特にコイル配置に関しては、例えば、以下のような特徴をもつ。 The flat coil arranged so as not to interfere with the beam passing region is determined in position and shape so as to achieve a predetermined magnetic field uniformity with respect to the beam passing region. It has the following features.

まず、ビーム通過領域のz方向最大位置及び最小位置(又は、方向上側位置及び下側位置)を通るx−y平面に平行な平面によって挟まれる領域を低角度領域と名付け、これらの平面より外側の領域を高角度領域と名付ける。この場合、湾曲した円弧状ビーム通過領域の円弧の半径方向内側でかつ低角度領域にx−y面に対し対称な少なくとも1対の第一のフラットコイル1a対が配置され、さらに円弧の外側でかつ低角度領域にx−y面に対し対称な少なくとも1対の第二のフラットコイル2a対が配置され、高角度領域内にx−y面に対し対称な少なくとも1対の第三のフラットコイル3a対が配置されている。さらにこの磁石をz−x平面で切った断面で見たとき、巻線部の断面形状はz−x平面の4つの象限において対称又はほぼ対称形状をしており、第一象限(x軸を横軸に取り、x>0,z>0)に着目したとき、座標原点から見てx軸からz軸方向になす角30度と63度のラインに第一のフラットコイル1aも第三のフラットコイル3aもかからない配置となっている。第三のフラットコイル3aが配置される高角度領域には、要求される磁場精度に応じてさらに第四のフラットコイル4aを配置することができ、その場合には第四のフラットコイル4aは63度のラインよりもさらに高角度側に配置される。 First, a region sandwiched by planes parallel to the xy plane passing through the z-direction maximum position and minimum position (or the direction upper position and the lower position) of the beam passing area is referred to as a low-angle area, and is outside these planes. This area is named the high angle area. In this case, at least one pair of first flat coils 1a symmetric with respect to the xy plane is disposed in the low-angle region on the radially inner side of the arc of the curved arc-shaped beam passage region, and further on the outer side of the arc. In addition, at least one pair of second flat coils 2a symmetric with respect to the xy plane is arranged in the low angle region, and at least one pair of third flat coils symmetric with respect to the xy plane in the high angle region. 3a pairs are arranged. Further, when the magnet is viewed in a cross section cut along the zx plane, the cross-sectional shape of the winding portion is symmetric or substantially symmetric in the four quadrants of the zx plane, and the first quadrant (the x axis is Taking the horizontal axis and paying attention to x> 0, z> 0), the first flat coil 1a is also connected to the third flat line 1a at the angles of 30 degrees and 63 degrees formed from the x axis to the z axis direction when viewed from the coordinate origin. The flat coil 3a is not applied. In the high angle region where the third flat coil 3a is arranged, a fourth flat coil 4a can be further arranged according to the required magnetic field accuracy. In this case, the fourth flat coil 4a is 63. It is arranged at a higher angle side than the degree line.

本実施形態の超伝導偏向磁石は、単純な形状のフラットコイルからのみ構成され、ビーム通過領域に干渉しないように配置されており、さらに断面内の特定の角度位置、この位置は多極成分磁場のうち最も強度の大きな又は他の多極成分と比べて比較的強度の大きな6極成分磁場を生じさせる位置、を避けるように配置する。これにより、コイルの構成数を低減し、かつ、磁石の製作が容易でありながら所定の磁場均一度を有するビーム輸送用の超電導磁石を実現することができる。 The superconducting deflecting magnet of this embodiment is composed only of a flat coil having a simple shape, and is arranged so as not to interfere with the beam passage region. Further, a specific angular position in the cross section, which is a multipole component magnetic field. Are arranged so as to avoid a position where a strongest magnetic field or a magnetic field having a relatively high strength compared to other multipolar components is generated. As a result, it is possible to realize a superconducting magnet for transporting a beam having a predetermined magnetic field uniformity while reducing the number of coils and making the magnet easy.

以下に、本実施形態を更に図面を参照しながら具体的に説明する。

(超伝導偏向磁石の仕様と設計結果)
偏向電磁石の磁場仕様について、一例として、重粒子用のエネルギー430MeV/uの炭素ビームを半径2.8mで偏向させる磁石を考える。ビームの通過領域は200mm×200mmでこの領域で均一な2極磁場をつくる。磁石は図2に示すように上下対称の8個のコイルから構成されている。ビームが通過する磁石中心は曲率半径2.8mの弧を描くように磁石は湾曲している。なお、エネルギー、ビームの半径、通過領域等は一例であり、これに限らず、適宜の値とすることができる。この磁石はフラットコイルと呼ばれる平面状に巻き回したコイルによって構成されている。この構成は簡便な巻線によって製作されたコイルを用いながらビームの通過に影響がないようにコイルを配置でき、さらに、上下対称面付近に配置されたコイルの磁石外側の戻りの電流によって外部への漏洩磁場を低減する効果を持っていることから、漏洩磁場を低減するための大量のリターンヨークを必要とせず、軽量の磁石を提供できることである。
Hereinafter, the present embodiment will be specifically described with reference to the drawings.

(Specification and design result of superconducting deflection magnet)
As an example of the magnetic field specification of the deflecting electromagnet, consider a magnet that deflects a carbon beam with an energy of 430 MeV / u for heavy particles with a radius of 2.8 m. The beam passage area is 200 mm × 200 mm, and a uniform dipole magnetic field is created in this area. As shown in FIG. 2, the magnet is composed of eight vertically symmetrical coils. The magnet is curved so that the center of the magnet through which the beam passes forms an arc with a radius of curvature of 2.8 m. The energy, the beam radius, the passing region, and the like are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and can be set to appropriate values. This magnet is constituted by a coil wound in a flat shape called a flat coil. In this configuration, the coil can be arranged so as not to affect the passage of the beam while using the coil manufactured by a simple winding, and further, the coil is arranged outside the magnet of the coil arranged in the vicinity of the vertical symmetry plane. Therefore, it is possible to provide a lightweight magnet without requiring a large amount of return yoke for reducing the leakage magnetic field.

図9は、磁場の目標仕様と設計値の一例を示す説明図である。ビームが通過する磁石中心の磁場の誤差(エラー)については厳しく制約を課し、漏洩磁場に対しては制約を緩くして矩形断面コイルの形状と位置を最適化計算した結果である。ビームを輸送するのに十分に小さな誤差磁場(多極磁場)と小さな漏洩磁場を満す解が得られている。 FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of the target specification and design value of the magnetic field. This is a result of an optimization calculation of the shape and position of the rectangular cross-section coil with severe restrictions imposed on the magnetic field error (error) of the magnet center through which the beam passes and relaxed restrictions on the leakage magnetic field. A solution that satisfies a sufficiently small error magnetic field (multipole magnetic field) and a small leakage magnetic field to transport the beam is obtained.

ここで、図1に示した、2次元断面内のコイル配置について参照する。図中では上下対称のコイル配置のうち上側だけを図示している。第一のフラットコイル1a及び第二のフラットコイル2aは、x軸から角度位置30度のラインを侵さないように配置される。このコイル配置が意味することについて説明するために、次に磁場設計について説明する。 Here, the coil arrangement in the two-dimensional cross section shown in FIG. 1 will be referred to. In the drawing, only the upper side of the vertically symmetrical coil arrangement is shown. The first flat coil 1a and the second flat coil 2a are arranged so as not to invade the line at an angular position of 30 degrees from the x axis. In order to explain what this coil arrangement means, the magnetic field design will be described next.

(磁場設計について)
以下に、ビーム輸送用電磁石の設計に関し磁場の表式と磁場設計の概念について説明する。円弧状にビームを輸送する電磁石であっても、まずは、無限直線状起磁力源を用いた磁場設計を行い、それをベースにして3次元化する手法がとられる。無限直線状起磁力(電流)がつくる磁場について説明する。
(About magnetic field design)
Hereinafter, the expression of the magnetic field and the concept of the magnetic field design will be described with respect to the design of the beam transporting electromagnet. Even for an electromagnet that transports a beam in an arc shape, first, a magnetic field design using an infinite linear magnetomotive force source is performed, and a three-dimensional method is used based on the design. A magnetic field generated by an infinite linear magnetomotive force (current) will be described.

図3は、多極成分磁場についての説明をするための座標系の取り方ついての説明図である。ここでは、図3に示すような座標系を考える。起磁力源を直線状の電流Iとし、電流は紙面に対して垂直に手前から奥に向って流れているものとする。磁場の方向をz軸方向に取る。電流の位置は、座標原点からの距離をfとし、z軸からなす角をφで与える。磁場評価点の位置は同様に、rとθで与えることとする。 FIG. 3 is an explanatory diagram on how to use a coordinate system for explaining the multipole component magnetic field. Here, a coordinate system as shown in FIG. 3 is considered. It is assumed that the magnetomotive force source is a linear current I, and the current flows from the front to the back perpendicular to the paper surface. The direction of the magnetic field is taken in the z-axis direction. The position of the current is given by the distance from the coordinate origin as f and the angle formed from the z-axis as φ. Similarly, the position of the magnetic field evaluation point is given by r and θ.

この時、原点周辺の磁場Bz(r,θ)は、

Figure 0006588849
と、原点からの距離rのべき乗で展開した表式で書くことができる。
ここでnは展開次数であり、

Figure 0006588849
のように、nのそれぞれをn次の磁場と呼ぶこととする。n=0の磁場を2極磁場、n=1の磁場を4極磁場という呼び方もされるが、これはそれぞれのn次に特徴的な磁場分布を形成する磁石の極数に由来している。 At this time, the magnetic field Bz (r, θ) around the origin is

Figure 0006588849
And an expression developed by a power of the distance r from the origin.
Where n is the expansion order,

Figure 0006588849
In this way, each n is referred to as an nth order magnetic field. The magnetic field of n = 0 is called a dipole magnetic field, and the magnetic field of n = 1 is called a quadrupole magnetic field. This is derived from the number of poles of the magnet that forms the characteristic magnetic field distribution of each nth order. Yes.

ビーム飛行経路を一定の曲率で偏向させるためには一様な磁場が必要であり、偏向用電磁石では、基本的にn=0次の一様磁場(2極磁場)だけを残してそれ以外の次数の磁場成分(多極成分磁場ともいう)はゼロにする磁場設計を行う。 In order to deflect the beam flight path with a constant curvature, a uniform magnetic field is required. With the deflecting electromagnet, basically only the n = 0th order uniform magnetic field (dipolar magnetic field) is left, and the rest The magnetic field design is performed so that the order magnetic field components (also referred to as multipolar magnetic fields) are zero.

2極磁場が得られるコイル巻線方法(電流配置方法)としてはコサインシータ巻線がよく使われている。これは、図3における座標系において電流の強度(電流分布)をx軸からなす角Θに対してcos(Θ)状に分布させる配置方法である(図3では式1,2,3の説明のためz軸からθ及びφをとっているので注意)。 As a coil winding method (current arrangement method) for obtaining a dipole magnetic field, cosine theta winding is often used. This is an arrangement method in which the current intensity (current distribution) is distributed in a cos (Θ) shape with respect to an angle Θ formed from the x-axis in the coordinate system in FIG. Note that θ and φ are taken from the z-axis).

後述する式3において、多極展開磁場強度の電流ソースの角度位置に関する依存性はsin[(n+1)φ]の部分であるが、電流の強度分布としてsin(φ)の分布をもたせて積分をすればn=0以外の項はゼロとなることからわかるように、コサインシータ巻線では2極磁場のみが得られる。なお、コサインシータ巻線は連続的に電流密度分布を変化させることから自由度が非常に高い体系と解釈することもできる。 In Equation 3 to be described later, the dependency of the multipole deployed magnetic field strength on the angular position of the current source is a portion of sin [(n + 1) φ], but the integration is performed by providing the distribution of sin (φ) as the current strength distribution. Then, as can be seen from the fact that terms other than n = 0 are zero, only a dipole magnetic field can be obtained in the cosine theta winding. The cosine theta winding can be interpreted as a system having a very high degree of freedom because the current density distribution is continuously changed.

本発明及び/又は本実施形態では、いわゆるコサインシータ巻きの電流密度分布が連続的に変化する分布巻線コイルではなく、矩形断面のコイルが離散的に配置された体系によって偏向磁石を実現しようとしている。この場合であっても、コサインシータ巻線の場合と同様に、n=0以外の多極成分磁場をゼロ(又は、ゼロに近い値、無視できる値、等)とするようなコイル配置としなければならない。本発明及び/又は本実施形態では、コサインシータ巻線が原理的に積分によって多極成分磁場がキャンセルされるのと異なり、離散化されたコイルの断面形状や位置を適切に組み合せることによって多極成分磁場をキャンセルする。一般論として大雑把に言えば、磁場成分をキャンセルしたい次数の分だけ磁場ソース(コイル配置)の自由度を与える必要がある。多くの次数の磁場をキャンセルするためには離散コイルの個数を増やすことが必須である。 In the present invention and / or the present embodiment, it is intended to realize a deflecting magnet by a system in which rectangular cross-section coils are discretely arranged instead of a distributed winding coil in which the current density distribution of a so-called cosine theta winding changes continuously. Yes. Even in this case, as in the case of the cosine theta winding, the coil arrangement must be such that the multipole component magnetic field other than n = 0 is zero (or a value close to zero, a negligible value, etc.). I must. In the present invention and / or this embodiment, the cosine theta winding is different from the case where the multipole component magnetic field is canceled by integration in principle, but by combining the cross-sectional shapes and positions of the discretized coils appropriately, Cancel the polar component magnetic field. Roughly speaking as a general theory, it is necessary to give the degree of freedom of the magnetic field source (coil arrangement) by the order of the order of canceling the magnetic field component. In order to cancel many orders of magnetic fields, it is essential to increase the number of discrete coils.

本実施形態のように、2次元平面内で電流起磁力源を左右反対称(z軸に対して)、上下対称(x軸に対して)に配置すると、対称性によってnが奇数の次数の磁場がキャンセルされてゼロとなり都合が良い。ここで左右反対称とはコイル断面形状がz軸に対して対称であり、電流の向きが反対であることをいう。図1では上半分のみのコイル配置が示されているが、図中の丸の中央に点が打たれた印は電流が紙面奥から手前に向かって流れていることを示し、丸にバツの印は電流が紙面奥に向かって流れていることを示す。 As in the present embodiment, when the magnetomotive force sources are arranged in a two-dimensional plane in a left-right antisymmetric manner (with respect to the z-axis) and a vertical symmetry (with respect to the x-axis), n is an odd order due to symmetry. The magnetic field is canceled and becomes zero, which is convenient. Here, the left-right antisymmetric means that the coil cross-sectional shape is symmetric with respect to the z-axis and the direction of the current is opposite. In FIG. 1, only the upper half of the coil arrangement is shown, but a mark with a dot in the center of the circle in the figure indicates that current is flowing from the back of the page toward the front, The mark indicates that the current is flowing toward the back of the page.

式2に、式2の電流Iの符号を反転しさらにφの符号を反転したものを加算すると、

Figure 0006588849
となる(左右反対称の対称性を考慮した表式)。さらに上下対称の場合には、式2’に、式2’のφを(π−φ)におきかえたものを加算すると、

Figure 0006588849
が得られる。左右反対称、上下対称の電流配置の場合には、このようにnが奇数次の多極磁場は0となるので、考慮すべき磁場はnが偶数次の項のみであり、残すべきn=0の2極磁場以外のn=2の6極磁場、n=4の10極磁場、n=6の14極磁場、、、等をキャンセルする磁場設計を行なうこととなる。n次の磁場は次数が高いほど(r/f)のn乗でその強度は小さくなっていくため、無限に高い次数の磁場までをキャンセルする必要はなく、キャンセルすべき磁場に関しては、ビームが通過する領域において要求される磁場精度によって決定される。本実施形態の磁石においては、一例としてn=6次までをキャンセル(又は、予め定めた値以下まで減少)するようにし、それ以上の高次の多極磁場は強度が大きくならないように制約してコイル配置を決定した。 If the sign of the current I in Expression 2 is inverted and the sign of φ is inverted is added to Expression 2,

Figure 0006588849
(Expression in consideration of left-right anti-symmetric symmetry). Furthermore, in the case of vertical symmetry, adding the value obtained by replacing φ in equation 2 ′ with (π−φ) to equation 2 ′,

Figure 0006588849
Is obtained. In the case of the current arrangement of left-right antisymmetric and vertical symmetry, the n-order odd-order multipolar magnetic field is 0, so the only magnetic field to be considered is n-order terms and n = A magnetic field design that cancels n = 2 hexapole magnetic fields other than 0 dipole magnetic fields, n = 4 10-pole magnetic fields, n = 6 14-pole magnetic fields, and the like is performed. Since the strength of the n-th magnetic field increases with the order of (r / f) to the n-th power, it is not necessary to cancel up to an infinitely high-order magnetic field. It is determined by the magnetic field accuracy required in the passing region. In the magnet of this embodiment, for example, up to n = 6th order is canceled (or reduced to a predetermined value or less), and the higher order multipole magnetic field is restricted so that the strength does not increase. The coil arrangement was determined.

(コイル配置の原理)
本実施形態では、上下対称、左右反対称の起磁力体系であるため、偶数次の磁場のみが設計の対象であり、また、漏洩磁場については努力目標としてこれを低減するように設計を行なった。図9に示したように、制約した磁場の数は磁石中心の磁場が7個(さらに漏洩磁場を加えると9個)である。制約する磁場の数が多いため、少ない数の離散コイルで所定の磁場均一度を得るためには合理的なコイル配置が必要である。図9では、一例として、2次、4次、6次をそれぞれ0.05、0.16、0.16ガウス以下になるようにキャンセルし、8次、10次、12次をそれぞれ7.0、7.2、5.3ガウス以下に制約する。さらに、漏洩磁場については、一例として、座標原点(中心)からz軸に沿った垂直方向の距離の−2乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、座標原点からz軸に沿った垂直方向3mの位置で2ガウス以下(図9では、1.5ガウス以下)とし、距離の−4乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、座標原点からz軸に沿った垂直方向3mの位置で20ガウス以下(図9では、12ガウス以下)となるよう、可能な範囲で小さくする。
(Principle of coil arrangement)
In this embodiment, since the magnetomotive force system is vertically symmetrical and antisymmetrical, only the even-order magnetic field is the target of design, and the leakage magnetic field was designed to reduce it as an effort target. . As shown in FIG. 9, the number of restricted magnetic fields is 7 at the center of the magnet (9 when a leakage magnetic field is further added). Since the number of magnetic fields to be constrained is large, a reasonable coil arrangement is necessary to obtain a predetermined magnetic field uniformity with a small number of discrete coils. In FIG. 9, as an example, the second, fourth, and sixth orders are canceled to be 0.05, 0.16, and 0.16 gauss or less, and the eighth, tenth, and twelfth orders are 7.0, respectively. , 7.2, 5.3 gauss or less. Further, for the leakage magnetic field, as an example, the intensity of the leakage magnetic field component proportional to −2 to the distance in the vertical direction along the z axis from the coordinate origin (center) is set to 3 m in the vertical direction from the coordinate origin along the z axis. 2 gauss or less (1.5 gauss or less in FIG. 9), and the intensity of the leakage magnetic field component proportional to the fourth power of the distance is 20 gauss at a position 3 m in the vertical direction along the z axis from the coordinate origin. In order to be below (in FIG. 9, 12 gauss or less), it is made as small as possible.

式3は、磁石中心付近のn次の多極磁場の表式であるが、電流の角度位置に依存する部分はsin[(n+1)φ]/fn+1の部分である。以下に、この式3に従って各次数の磁場設計の考え方について説明する。 Equation 3 is an expression of an n-order multipolar magnetic field near the center of the magnet, but the portion depending on the angular position of the current is a portion of sin [(n + 1) φ] / f n + 1 . In the following, the concept of magnetic field design of each order will be described according to Equation 3.

[n=0次]
多極磁場を抑制しながら最も効率よくn=0次の2極磁場(偏向磁場)を発生させることを考えることすると、磁石中心に逆向きの磁場を発生させる電流を配置しないことは明白である(第一及び第二のフラットコイル1a及び2aの戻り電流については逆向きとなるがやむをえない。また、この電流は距離が遠いため寄与が小さい)。n=0次の磁場は電流の角度位置に対してsin[φ]の依存性があるため、なるべくx軸に近づけて(即ちz軸から90度の位置で)電流(コイル)を配置するのが効率が良い。
[N = 0 order]
Considering the most efficient generation of the n = 0th order dipole magnetic field (deflection magnetic field) while suppressing the multipolar magnetic field, it is clear that the current that generates the reverse magnetic field is not arranged at the center of the magnet. (The return currents of the first and second flat coils 1a and 2a are in the opposite directions, but unavoidably. Further, since the current is far away, the contribution is small). Since the n = 0th order magnetic field has a sin [φ] dependence on the current angular position, the current (coil) is arranged as close to the x axis as possible (that is, at a position of 90 degrees from the z axis). Is efficient.

[n=2次]
図4は、多極展開磁場のうちn=2次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。n=2次の成分の磁場は、電流の角度位置に対してsin[3φ]の依存性があることから、強度の符号がz軸から30度の位置で+1、60度の位置で0、90度の位置で−1と変化する(図4に−π/2 ≦ φ ≦ π/2でsin[3φ]の絶対値が最大値をとる角度位置を示す)。n=0次の磁場を効率良く発生するためには90度に近い側(x軸側)に電流を寄せる必要があるため、n=2の6極磁場を発生させないためには、60度のラインを挟んで(起磁力源をバランスさせて)配置することが合理的な配置方法である。戻りの電流は、距離fのn+1=3乗に反比例して寄与が小さくなるため、磁石中心に近い内側の電流の寄与が大きい。n=2次の磁場は磁場の符号が変わるところが60度のラインしかないため、起磁力源として正の電流しか配置しないことにすれば(対となる戻りの電流のことは考えない)、大きな起磁力源はこの60度のラインで2分されて配置されることになる。
[N = 2 secondary]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the angular position of the line current at which the absolute value of the magnetic field of the n = second order component of the multipolar developed magnetic field becomes the maximum value. Since the magnetic field of the n = second order component has sin [3φ] dependence on the angular position of the current, the sign of the intensity is +1 at a position of 30 degrees from the z-axis, 0 at a position of 60 degrees, It changes to -1 at a position of 90 degrees (shown in FIG. 4 is an angular position at which the absolute value of sin [3φ] has a maximum value when −π / 2 ≦ φ ≦ π / 2). In order to efficiently generate the n = 0th order magnetic field, it is necessary to draw a current to the side close to 90 degrees (x-axis side). Therefore, in order not to generate the hexapolar magnetic field of n = 2, 60 degrees It is a reasonable arrangement method to arrange the lines (balance the magnetomotive force sources). The return current has a smaller contribution in inverse proportion to the n + 1 = 3rd power of the distance f, and therefore, the contribution of the inner current near the magnet center is large. Since the n = second order magnetic field has only a 60-degree line where the sign of the magnetic field changes, if only a positive current is arranged as a magnetomotive force source (not considering the pair of return currents), it is large. The magnetomotive force source is divided into two by this 60-degree line.

[n=4、6次]
図5は、多極展開磁場のうちn=4次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。n=4次の成分の磁場は、電流の角度位置に対してsin[5φ]の依存性があることから、強度の符号がz軸から18度の位置で+1、36度の位置で0、54度の位置で−1、72度の位置で+0、90度の位置で1と変化する(図5に−π/2 ≦ φ ≦ π/2でsin[5φ]の絶対値が最大値をとる角度位置を示す)。
[N = 4, 6th order]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the angular position of the line current at which the absolute value of the magnetic field of the n = 4th order component of the multipolar developed magnetic field becomes the maximum value. Since the magnetic field of the n = 4th order component has a sin [5φ] dependence on the current angular position, the intensity sign is +1 at a position of 18 degrees from the z axis, 0 at a position of 36 degrees, It changes to −1 at 54 °, +0 at 72 °, and 1 at 90 ° (in FIG. 5, the absolute value of sin [5φ] is the maximum when −π / 2 ≦ φ ≦ π / 2. Shows the angular position taken).

また、図6は、多極展開磁場のうちn=6次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。n=6次の成分の磁場は、電流の角度位置に対してsin[7φ]の依存性があることから、強度の符号がz軸から12.9度の位置で+1、25.7度の位置で0、38.6度の位置で−1、51.4度の位置で+0、64.3度の位置で+1、77.1度の位置で0、90度の位置で1と変化する(図6に−π/2 ≦ φ ≦ π/2でsin[7φ]の絶対値が最大値をとる角度位置を示す)。n=0次及び2次でおおまかな起磁力源の配置が決っているため、それの影響を受け配置できるn=4及び6の磁場を調整できる領域は制限される。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing the angular position of the line current at which the absolute value of the magnetic field of the n = 6th order component of the multipolar developed magnetic field becomes the maximum value. Since the magnetic field of the n = 6th order component has a sin [7φ] dependency on the angular position of the current, the intensity sign is +1, 25.7 degrees at a position of 12.9 degrees from the z-axis. 0 at the position, -1 at the position of 38.6 degrees, +0 at the position of 51.4 degrees, +1 at the position of 64.3 degrees, 0 at the position of 77.1 degrees, and 1 at the position of 90 degrees. (FIG. 6 shows the angular position at which the absolute value of sin [7φ] takes the maximum value when −π / 2 ≦ φ ≦ π / 2). Since the arrangement of rough magnetomotive force sources is determined in the n = 0th order and the second order, the region in which the magnetic fields of n = 4 and 6 that can be arranged under the influence thereof can be adjusted is limited.

n=4,6次の多極磁場の発生量が大きな領域(感度が高い領域)にコイルを配置することは、キャンセルすべき多極磁場の絶対量が増えるため得策ではない。従って、第一のフラットコイル1aは64.3度よりも角度が大きな領域にその大部分(例えば、8割以上等)が配置されることになり、第三のフラットコイル3aは38.6度から54度の範囲にその大部分(例えば、8割以上)が配置されることになる。磁場の要求仕様によっては高角度領域にさらに電流を配置することが必要となり、その場合には第四のフラットコイル4aがn=4,6次の高次の多極磁場を調整するために配置される。 Arranging the coil in a region where the amount of n = 4th and 6th-order multipole magnetic fields is large (a region where the sensitivity is high) is not a good solution because the absolute amount of multipole magnetic fields to be canceled increases. Therefore, most of the first flat coil 1a is disposed in a region having an angle larger than 64.3 degrees (for example, 80% or more), and the third flat coil 3a has 38.6 degrees. Most of them (for example, 80% or more) are arranged in the range of 54 degrees to 54 degrees. Depending on the required specifications of the magnetic field, it is necessary to further arrange an electric current in the high angle region. In this case, the fourth flat coil 4a is arranged to adjust the n = 4, 6th order higher-order multipolar magnetic field. Is done.

[n>=8次]
n>=8次の高次多極磁場は符号がかわる角度位置が増えることから、これらの多極展開磁場を完全にキャンセルするためには、コイルを小さく分割して符号が変わる領域にうまくコイルを配置することが必要である。しかし本実施形態の磁石では離散コイルの個数を最小限とすることを優先としているため、コイルの断面形状調整によってその強度が大きくならないように制約した(図9で示した例のように、8次、、10次、12次に対して、それぞれ、7.0ガウス、7.2ガウス、5.3ガウス以下程度)。
[N> = 8th order]
Since n> = 8th order high-order multipole magnetic fields increase the angular position where the sign changes, in order to completely cancel these multipole developed magnetic fields, the coil is divided into small areas and the coils are changed into areas where the sign changes. It is necessary to arrange. However, in the magnet of the present embodiment, priority is given to minimizing the number of discrete coils, so that the strength is not increased by adjusting the cross-sectional shape of the coils (as in the example shown in FIG. 9, 8 Next, for the 10th and 12th orders, 7.0 gauss, 7.2 gauss and 5.3 gauss or less, respectively).

図7は、断面内のコイル配置とn=4,6次の多極磁場を発生させる領域との対応を説明するための説明図である。以上のように、コイルの個数を6〜8個(3〜4対)で磁石を構成する場合には、図7のように、6極磁場(n=2)をキャンセルするためにφ=60度のラインでおおまかに2つに分けるように起磁力源を配置し、さらに10極(n=4)、14極磁場(n=6)の発生量が大きいφ=38.6度、54度、64.3度の角度位置に起磁力源が集中しないように起磁力源を配置することが必要となる。 FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the correspondence between the coil arrangement in the cross section and the region in which the n = 4th and 6th order multipolar magnetic fields are generated. As described above, when the magnet is configured with 6 to 8 coils (3 to 4 pairs), φ = 60 to cancel the hexapole magnetic field (n = 2) as shown in FIG. The magnetomotive force source is arranged so as to be roughly divided into two in the degree line, and the generation amount of 10 poles (n = 4) and 14 poles magnetic field (n = 6) is large φ = 38.6 degrees, 54 degrees Therefore, it is necessary to arrange the magnetomotive force source so that the magnetomotive force source does not concentrate at the angular position of 64.3 degrees.

(2電源励磁による磁場調整)
図8は、本実施形態の磁石を二つの電源で運転する場合のコイル組み合わせを示す概念図である。離散コイルで構成される磁石では、コサインシータ巻線のような広く電流が分布している磁石よりも巻線の製作精度、位置精度が厳しくなる場合が想定される。磁石を製作すると必ず製作誤差により磁場が設計よりずれるため、このずれに対して補正する手段が必要となる。とりわけ低い次数の6極磁場は誤差磁場の発生強度が原理的に大きく、そして、ビーム通過領域の広い領域に対して磁場を歪ませるため、この成分に対する磁場補正は必須である。
(Magnetic field adjustment by two power source excitation)
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a coil combination when the magnet of this embodiment is operated with two power sources. In the case of a magnet composed of discrete coils, it may be assumed that the manufacturing accuracy and position accuracy of the winding becomes stricter than a magnet with a wide current distribution such as a cosine theta winding. When a magnet is manufactured, the magnetic field is always deviated from the design due to manufacturing errors, and means for correcting this deviation is required. In particular, a low-order hexapole magnetic field has a large error magnetic field in principle, and distorts the magnetic field with respect to a wide region of the beam passage region. Therefore, magnetic field correction for this component is essential.

本実施形態の磁石では、磁石を構成するコイルを2つのグループに分けて励磁を行うことにより、大がかりな補正コイルを実装することなく6極磁場の補正を行うことが可能である。2つのコイルグループは同じ電流で励磁されるように設計されているが、実機の仕上がり状況に応じて(製作誤差によって生じる6極磁場をキャンセルするように)わずかに電流値を変えて運転する。2電源で運転することによって2つの自由度を持つことになるから、偏向磁場の強度を一定に保ったまま6極磁場の強度を自由に変化させることが可能となる。 In the magnet according to the present embodiment, by exciting the coils constituting the magnet into two groups, it is possible to correct the hexapole magnetic field without mounting a large correction coil. Although the two coil groups are designed to be excited with the same current, they are operated with slightly different current values according to the actual situation of the actual machine (so as to cancel the hexapole magnetic field caused by manufacturing errors). Since it has two degrees of freedom by operating with two power sources, it is possible to freely change the strength of the hexapole magnetic field while keeping the strength of the deflection magnetic field constant.

6極磁場(n=2)は、電流がz軸から60度のラインをまたぐと発生する磁場の符号が変わるから、この60度のラインでコイルをグループ分けをし(図7)、励磁電流に差をつけることによって効率良く(わずかな電流差で)6極磁場を発生することが可能である。また、6極磁場よりも高次の多極磁場については原理的に発生強度が小さいことと、それぞれのコイルグループの中でも磁場のキャンセルが行われているため影響が小さい。 The hexapole magnetic field (n = 2) changes the sign of the magnetic field generated when the current crosses the 60-degree line from the z-axis, so the coils are grouped by this 60-degree line (FIG. 7), and the excitation current It is possible to generate a hexapole magnetic field efficiently (with a small current difference) by making a difference between the two. In addition, the multi-polar magnetic field higher than the hexapolar magnetic field has a small influence in principle, and the influence is small because the magnetic field is canceled in each coil group.

また、本実施形態の体系の磁石では磁石長が長い方が均一な磁場を出すためには有利である。そのため磁石長が長くなる傾向にあり磁石の蓄積エネルギーが増大しクエンチ時の磁石保護が難しくなる。電源回路を分割することにより磁石保護が容易になる。また、本実施形態の磁石のコイル配置は2電源回路間の磁気的なカップリングが極めて小さくなるため、2電源化された回路はほぼ独立とみなせ、磁石保護過程における磁気的結合によるエネルギーのやりとりについて考慮する必要がないことも利点のひとつである。 Moreover, in the magnet of the system of the present embodiment, a longer magnet length is advantageous for producing a uniform magnetic field. Therefore, the magnet length tends to be long, the accumulated energy of the magnet is increased, and it becomes difficult to protect the magnet at the time of quenching. Magnet protection is facilitated by dividing the power supply circuit. In addition, since the magnetic coil arrangement of the present embodiment makes the magnetic coupling between the two power supply circuits extremely small, the circuit with two power supplies can be regarded as almost independent, and energy exchange by magnetic coupling in the magnet protection process One of the advantages is that there is no need to consider.

(その他の効果)
本実施形態の磁石は、フラットコイルを採用することによって簡便に製作できるばかりか、外側に結果的に配置される戻りの電流を利用して、磁石外部の漏洩磁場を低減することが可能である。この効果により漏洩磁場の低減に必要な鉄ヨークを大幅に低減することが可能であり、したがって回転ガントリー用の支持構造や回転構造に対する負荷を低減できる。
(Other effects)
The magnet of this embodiment can be easily manufactured by adopting a flat coil, and it is possible to reduce a leakage magnetic field outside the magnet by using a return current that is arranged outside as a result. . Due to this effect, it is possible to greatly reduce the iron yoke necessary for reducing the leakage magnetic field, and therefore it is possible to reduce the load on the support structure and the rotating structure for the rotating gantry.

(本発明及び/又は本実施形態の磁石の利用)
本発明及び/又は本実施形態のビーム輸送用超電導磁石は、通常考えられるビーム輸送用途に適用できるが軽量であることが特徴であるので、特に粒子線治療装置用回転ガントリーなど重量が重要なファクターとなる装置に対して最適である。また、本発明及び/又は本実施形態のビーム輸送用超電導磁石は、研究用加速器・医療用加速器などのビーム輸送を伴う装置・システム全般に適用できる。軽量であることが特徴であるので、特に粒子線治療装置用回転ガントリーなど重量が重要なファクターとなる装置に対して最適である。
(Use of the magnet of the present invention and / or this embodiment)
The superconducting magnet for beam transportation according to the present invention and / or the present embodiment can be applied to a beam transportation application that can be considered normally, but is characterized by being light in weight. Therefore, the weight is a particularly important factor such as a rotating gantry for a particle beam therapy system. It is most suitable for the device to become. In addition, the superconducting magnet for beam transportation according to the present invention and / or the present embodiment can be applied to all apparatuses and systems involving beam transportation such as a research accelerator and a medical accelerator. Since it is characterized by being lightweight, it is particularly suitable for a device in which weight is an important factor, such as a rotating gantry for a particle beam therapy system.

(付記)
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
(Appendix)
In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
Further, the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

1a,1b: 第一のフラットコイル
2a,2b: 第二のフラットコイル
3a,3b: 第三のフラットコイル
4a,4b: 第四のフラットコイル
5: ビーム通過領域

1a, 1b: first flat coils 2a, 2b: second flat coils 3a, 3b: third flat coils 4a, 4b: fourth flat coil 5: beam passage region

Claims (14)

ビーム輸送用超伝導磁石装置であって、
磁場発生方向をz軸正方向及びビームの飛行経路がx−y平面上とした座標系で、x−y平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のz方向上側位置のx−y平面と下側位置のx−y平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のz方向最大位置と最小位置のx−y平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりz軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置された、少なくとも1対の第一のフラットコイルと、
前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置され、且つ、z−x平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるz−y平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置され、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きの磁場を発生するようにした、少なくとも1対の第二のフラットコイルと、
前記ビーム通過領域のz方向に外側且つ前記高角度領域にx−y面に対し対称に配置された、少なくとも1対の第三のフラットコイルと、
を備え、
前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角30度から63度の間、及び、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角30度から63度の間にある、
ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
A superconducting magnet device for beam transport,
In a coordinate system in which the magnetic field generation direction is the z-axis positive direction and the flight path of the beam is on the xy plane, the beam passes through the beam passing area symmetrical with respect to the xy plane, and the arc has a predetermined radius of curvature. The beam passing region is sandwiched between the xy plane at the upper side in the z direction and the xy plane at the lower side of the beam passing region, or the maximum position of the beam passing region in the z direction and the minimum position x−. When the region sandwiched by the y plane is a low angle region, and the region outside the z axis direction from the low angle region is a high angle region,
At least one pair of first flat coils arranged symmetrically with respect to an xy plane inside the arc of the beam passing region and in the low angle region;
Zy at a coordinate origin that is arranged outside the arc of the beam passing region and symmetrically with respect to the xy plane in the low angle region and that represents the center of the beam passing region in the coil cross section of the zx plane. to the plane, it is disposed on the first flat coil and symmetrical or nearly symmetrical, the direction of current and the first flat coil and the left and right opposite, to generate a magnetic field in the same direction as said first flat coil And at least one pair of second flat coils,
At least one pair of third flat coils arranged symmetrically with respect to the xy plane in the z direction outside the beam passage region and in the high angle region;
With
The arrangement position of the first flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The arrangement position of the second flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis minus direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The third flat coil is disposed at an angle of 30 to 63 degrees from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin, and from the x-axis minus direction to the z-axis when viewed from the coordinate origin. The angle between the direction is between 30 degrees and 63 degrees,
A superconducting magnet device for transporting a beam.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記第三のフラットコイルを、2対以上備え、2対以上の前記第三のフラットコイルのうち少なくともひとつは前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角30度から63度の間、及び、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角30度から63度の間にあることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 1,
Two or more pairs of the third flat coils are provided, and at least one of the two or more pairs of the third flat coils has an angle of 30 degrees to 63 degrees formed from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin. A superconducting magnet apparatus for transporting a beam, characterized in that the angle is between 30 degrees and 63 degrees between the x axis minus direction and the z axis direction when viewed from the coordinate origin.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記第三のフラットコイルが配置される前記高角度領域に、高次の多極磁場を調整するため、63度のラインよりもさらに、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角度の高角度側にx−y面に対し対称に配置される、1対の第四のフラットコイルをさらに備えたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 1,
In order to adjust a high-order multipolar magnetic field in the high-angle region where the third flat coil is disposed, the x-axis direction is changed from the x-axis direction to the z-axis direction as viewed from the coordinate origin, rather than the 63-degree line. A superconducting magnet device for beam transport, further comprising a pair of fourth flat coils arranged symmetrically with respect to the xy plane on the high angle side of the angle.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記座標原点によるz−x平面の第一象限における前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルのそれぞれのコイル断面積の8割以上又は大部分が、前記座標原点におけるz軸からみたx方向になす角度位置18度から38.6度の領域及び54度から64.3度の領域を除いた領域に配置されていることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 1,
More than 80% or most of the coil cross-sectional areas of the first flat coil, the second flat coil, and the third flat coil in the first quadrant of the zx plane by the coordinate origin are the coordinates. Superconductivity for beam transport, characterized in that it is arranged in a region excluding a region of 18 ° to 38.6 ° and a region of 54 ° to 64.3 ° in the x direction as viewed from the z-axis at the origin. Magnet device.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルは、z軸の方向に沿った磁場を発生させるようにx−y平面に対しほぼ平行に線材を巻き回したコイルであって、コイル巻線の横断面形状は巻き線の方向に沿って一定の形状を有しており、x−y平面を水平面としたとき前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルは前記水平面に平行に置くことが可能な平坦又は平面的な形状をしているコイルであることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 1,
The first flat coil, the second flat coil, and the third flat coil are coils in which wires are wound substantially parallel to the xy plane so as to generate a magnetic field along the z-axis direction. The cross-sectional shape of the coil winding has a certain shape along the direction of the winding, and the first flat coil and the second flat coil when the xy plane is a horizontal plane. And the third flat coil is a coil having a flat or planar shape that can be placed in parallel with the horizontal plane, and a superconducting magnet device for beam transportation.
請求項に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記コイル巻線の横断面形状は、巻き線の方向に沿って矩形形状を有していることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet device for beam transportation according to claim 5 ,
A superconducting magnet apparatus for beam transportation, wherein the coil winding has a rectangular cross-sectional shape along a winding direction.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記第三のフラットコイル用の第一の励磁回路と、
前記第一のフラットコイル及び第二のフラットコイル用の第二の励磁回路と
を備えたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 1,
A first excitation circuit for the third flat coil;
A superconducting magnet apparatus for beam transportation, comprising: a first excitation coil for the first flat coil and a second excitation circuit for the second flat coil.
請求項に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記第一の励磁回路及び前記第二の励磁回路は、少なくとも6極磁場をキャンセルするように異なる電流値を供給することを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 7 ,
The superconducting magnet apparatus for beam transport, wherein the first excitation circuit and the second excitation circuit supply different current values so as to cancel at least a hexapole magnetic field.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記座標原点からz軸に沿った垂直方向3mの位置に於ける漏洩磁場を20ガウス未満としたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 1,
A superconducting magnet apparatus for beam transport, wherein a leakage magnetic field at a position 3 m in the vertical direction along the z axis from the coordinate origin is less than 20 Gauss.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
前記座標原点からz軸に沿った垂直方向の距離の−2乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、前記座標原点からz軸に沿った垂直方向3mの位置で2ガウス以下とし、前記距離の−4乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、前記座標原点からz軸に沿った垂直方向3mの位置で20ガウス以下としたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
In the superconducting magnet apparatus for beam transport according to claim 1,
The strength of the leakage magnetic field component that is proportional to the −2th power of the vertical distance along the z-axis from the coordinate origin is set to 2 gauss or less at a position of 3 m in the vertical direction along the z-axis from the coordinate origin. A superconducting magnet apparatus for beam transport characterized in that the intensity of a leakage magnetic field component proportional to the fourth power is 20 gauss or less at a position 3 m in the vertical direction along the z axis from the coordinate origin.
請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置を備えたビーム輸送システム。   A beam transport system comprising the superconducting magnet device for beam transport according to claim 1. 請求項1に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置を備えた粒子線治療システム。   A particle beam therapy system comprising the superconducting magnet device for beam transport according to claim 1. ビーム輸送用超伝導磁石配置方法であって、
磁場発生方向をz軸正方向及びビームの飛行経路がx−y平面上とした座標系で、x−y平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のz方向上側位置のx−y平面と下側位置のx−y平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のz方向最大位置と最小位置のx−y平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりz軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
少なくとも1対の第一のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置し、
少なくとも1対の第二のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にx−y面に対し対称に配置し、且つ、z−x平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるz−y平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置し、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きの磁場を発生するようにし、
少なくとも1対の第三のフラットコイルを、前記ビーム通過領域のz方向に外側且つ前記高角度領域にx−y面に対し対称に配置し、
前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角0度から30度の間にあり、
前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てx軸方向からz軸方向になす角30度から63度の間、及び、前記座標原点から見てx軸マイナス方向からz軸方向になす角30度から63度の間にある、
ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石配置方法。
A superconducting magnet arrangement method for beam transportation,
In a coordinate system in which the magnetic field generation direction is the z-axis positive direction and the flight path of the beam is on the xy plane, the beam passes through the beam passing area symmetrical with respect to the xy plane, and the arc has a predetermined radius of curvature. The beam passing region is sandwiched between the xy plane at the upper side in the z direction and the xy plane at the lower side of the beam passing region, or the maximum position of the beam passing region in the z direction and the minimum position x−. When the region sandwiched by the y plane is a low angle region, and the region outside the z axis direction from the low angle region is a high angle region,
At least one pair of first flat coils are arranged symmetrically with respect to the xy plane inside the arc of the beam passing region and in the low angle region;
At least one pair of second flat coils is arranged outside the arc of the beam passing region and symmetrically with respect to the xy plane in the low angle region, and the beam passing through the coil cross section in the zx plane. relative z-y plane at the coordinate origin which represents the center of the area, the first place to the flat coil and the symmetrical or substantially symmetrical to the direction of current and the first flat coil and the left and right opposite, the first Generate a magnetic field in the same direction as the flat coil,
At least one pair of third flat coils are arranged outside the beam passing region in the z direction and symmetrically with respect to the xy plane in the high angle region;
The arrangement position of the first flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The arrangement position of the second flat coil is between an angle of 0 degrees to 30 degrees formed from the x-axis minus direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin,
The third flat coil is disposed at an angle of 30 to 63 degrees from the x-axis direction to the z-axis direction when viewed from the coordinate origin, and from the x-axis minus direction to the z-axis when viewed from the coordinate origin. The angle between the direction is between 30 degrees and 63 degrees,
A superconducting magnet arrangement method for beam transport, characterized in that:
請求項13に記載のビーム輸送用超伝導磁石配置方法において、
前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルの配置により、前記ビーム通過領域の磁場を表す展開次数nが奇数次の多極磁場を0とし、nが偶数次の、n=0の2極磁場を残し、それ以外のn=2の6極磁場、n=4の10極磁場、n=6の14極磁場をキャンセルすることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石配置方法。
In the superconducting magnet arrangement method for beam transportation according to claim 13 ,
With the arrangement of the first flat coil, the second flat coil, and the third flat coil, the development order n representing the magnetic field in the beam passage region is set to an odd-order multipolar magnetic field, and n is an even-order. The n = 0 dipole magnetic field, the n = 2 hexapole magnetic field, the n = 4 10 pole magnetic field, and the n = 6 14 pole magnetic field are canceled. Conductive magnet arrangement method.
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