JP7191259B1 - 荷電粒子ビーム偏向装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルを冷却するための冷却溶媒を円滑に流すことを可能とする荷電粒子ビーム偏向装置を提供する。【解決手段】荷電粒子ビーム偏向装置は、荷電粒子ビームが内部を通過する中空形状を有し、内部から外部に向かう方向に積層された複数の層を有する積層構造体と、荷電粒子ビームの進行方向とは異なる第１方向に荷電粒子ビームを偏向させる第１コイルと、第１方向とは異なる第２方向に荷電粒子ビームを偏向させる第２コイルと、積層構造体の外周面に位置しており、外周面を外部から内部に向けて押圧する押圧部と、を備える。複数の層は、第１コイルを支持する第１コイル支持層と、第２コイルを支持する第２コイル支持層とを有し、積層構造体は、複数の層のうちの隣合う２つの層の間に、冷却溶媒を流すことが可能な隙間を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、荷電粒子ビーム偏向装置に関する。

従来、高エネルギーに加速された荷電粒子ビームを患者の癌などの患部に照射して治療する粒子線治療が行われている。

特許文献１には、ビーム発生装置を用いて発生させた荷電粒子ビームをビーム加速装置によって加速させ、ビーム走査装置によって荷電粒子ビームの軌道を調整し、患者の患部に荷電粒子ビームを照射する技術が記載されている。特許文献１に記載のビーム走査装置は、荷電粒子ビームを偏向させる複数のコイルと、この複数のコイルを支持する複数の層が積層されて構成された構造部材とを有する。特許文献１には、コイルを冷却するため、構造部材の隙間に冷却溶媒を流すことが記載されている。

特開２０２１－３２６１１号公報

しかしながら、本発明者らは、以下の課題を認識するに至った。すなわち、構造部材は複数の層が高精度で積層されて構成される必要があるが、特許文献１に記載の技術では、構造部材の隙間に冷却溶媒を流すと、構造部材を構成する層がずれ、設計通りの水路確保が難しくなる場合がある。特許文献１に記載の技術では層のずれが考慮されておらず、冷却溶媒を流すと層がずれ、冷却溶媒を十分に円滑に流すことができない場合があった。この結果、コイルに想定以上の熱が発生し、所望する治療照射が困難となる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、コイルを冷却するための冷却溶媒を円滑に流すことを可能とする荷電粒子ビーム偏向装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の荷電粒子ビーム偏向装置は、荷電粒子ビームが内部を通過する中空形状を有し、内部から外部に向かう方向に積層された複数の層を有する積層構造体と、荷電粒子ビームの進行方向とは異なる第１方向に荷電粒子ビームを偏向させる第１コイルと、第１方向とは異なる第２方向に荷電粒子ビームを偏向させる第２コイルと、積層構造体の外周面に位置しており、外周面を外部から内部に向けて押圧する押圧部と、を備える。複数の層は、第１コイルを支持する第１コイル支持層と、第２コイルを支持する第２コイル支持層とを有し、積層構造体は、複数の層のうちの隣合う２つの層の間に、冷却溶媒を流すことが可能な隙間を有する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置およびシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、コイルを冷却するための冷却溶媒を円滑に流すことを可能とする荷電粒子ビーム偏向装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。 同実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。 同実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の断面図である。 図３に示す領域Ａの拡大図である。 流入部材において、図４に示す例とは異なる形態の孔が形成される場合を示す図である。 図３に示す領域Ｂの拡大図である。 構造体のＸ軸方向に垂直な断面の図である。 本発明の一実施形態に係る内筒の斜視図である。 内筒に配置された第１巻き枠層の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る第１水路層の水路部材を示す斜視図である。 同実施形態に係る第２巻き枠層の斜視図である。 同実施形態に係る外筒の斜視図である。 内筒および構造体のＸ軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。 第１変形例に係る内筒および構造体のＸ軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。 第２変形例に係る内筒および構造体のＸ軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。 第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の概略構成図である。 位置合わせされている構造体を荷電粒子ビームの出射側から見た図である。 位置出しピンによって構造体が位置合わせされている様子を拡大して示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

［背景］
荷電粒子ビームを走査する電磁石である走査電磁石は、人体へ照射される荷電粒子ビームの位置を最終的にコントロールする役割を持っている。そのため、走査電磁石の設置位置には、高い精度が要求される。この要求を満たせないと、荷電粒子ビームが照射される位置にずれが生じ、治療の精度が低下する。実際には、走査電磁石による治療の現場では、荷電粒子ビームが照射される位置にずれが生じた場合、照射制御に関するシステムによってずれが修正され、治療の精度が高められる。このため、最終的には照射位置のずれが解消されるが、その修正にかかる作業負担は大きい。この作業負担を低減させるために走査電磁石を適切な位置に設置することは、大きな課題となっている。

また、治療施設の運営者にとって、施設経営の観点から、治療装置の投資回収は大きな関心事である。治療装置の導入後には、なるべく早く治療装置を稼働させ、投資回収を進めることが求められる。治療装置を設置しただけでは、この装置を治療に使うことはできない。治療に使うことができる精度の荷電粒子ビームが得られるように、ハードウェアおよびソフトウェアの面で治療装置を調整する必要がある。このとき、物理的に治療装置の構成部品を正確に設置することは、この調整を行う期間の短縮につながり、当然、治療を受けられる患者数の増加にもつながる。

以下で説明する本発明の一実施形態では、二対の走査電磁石を並列に並べ、走査電磁石の径に傾斜をもたせることにより、荷電粒子ビーム偏向装置の小型化を図っている。荷電粒子ビーム偏向装置の小型化は、ハンドリングのし易さに直結する。荷電粒子ビーム偏向装置を小型化できれば、荷電粒子ビームの照射の調整における作業性が向上する。特に、装置を設置（導入）する際には、装置の小型化による作業性への影響は大きい。

しかしながら、一般的に、口径方向を小さくするとコイルのターン数が少なくなり、走査電磁石から発生する磁場は小さくなる。また、前述のように軸長方向に縮小した場合も同様に、走査電磁石が発生する磁場が弱くなる。磁場が弱くなると、荷電粒子ビームを曲げる力が弱まる。この力が弱まると、照射野の広さを維持するために、磁場が弱まった分を担保するため、走査電磁石とアイソセンターとの間の距離を長くする必要がある。走査電磁石をアイソセンターまわりで円周状に動かすことにより複数の方向から荷電粒子ビームを照射する場合、走査電磁石とアイソセンターとの間の距離が長くなると、装置のサイズが大きくなる。これは、走査電磁石とアイソセンターとの間の距離が走査電磁石の動く円の半径となるが、走査電磁石が動く円が大きくなると、それに応じて装置を大きくせざるを得ないためである。

そこで、走査電磁石に用いる電流値を通常よりも高くして、荷電粒子ビームを走査するために必要な強さの磁場を発生させることにより、装置を小型に維持することが考えられる。しかしながら、大電流を用いると、走査電磁石の冷却が、より重要になる。そのため、走査電磁石の効果的な冷却が大きな課題となっている。そこで、本発明の一実施形態では、走査電磁石を冷却するための冷却溶媒を円滑に流すことを可能とする荷電粒子ビーム偏向装置を提供する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１の概略構成図である。荷電粒子ビーム照射装置１は、加速器１０、荷電粒子ビーム輸送系１２、偏向電磁石１４および照射ノズル１６を備える。照射ノズル１６は、患者を載せる治療台が備わった治療室１８内に配置されている。

加速器１０は、荷電粒子ビームを生成する装置であり、例えばシンクロトロン、サイクロトロンまたは線形加速器などである。加速器１０で生成された荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム輸送系１２を通じて偏向電磁石１４に導かれる。ここで、荷電粒子ビームは、各種の公知の荷電粒子のビームであってよく、荷電粒子は、例えば陽子線、アルファ粒子、重粒子または電子などであってよい。

荷電粒子ビーム輸送系１２は、１つまたは複数の荷電粒子ビーム調整手段１２２、真空ダクト１２４、振分電磁石１２６および扇型真空ダクト１２８などを含む。加速器１０、荷電粒子ビーム調整手段１２２および振分電磁石１２６は、真空ダクト１２４で接続され、振分電磁石１２６および偏向電磁石１４は、扇型真空ダクト１２８で接続されている。

荷電粒子ビームは、上流側の加速器１０で生成され、減衰を避ける（または低減する）ために真空ダクト１２４内および扇型真空ダクト１２８内を進み、荷電粒子ビーム調整手段１２２による調整を受けながら下流側の偏向電磁石１４に導かれる。

荷電粒子ビーム調整手段１２２は、荷電粒子ビームのビーム形状および／または線量を調整するためのビームスリット、荷電粒子ビームの進行方向を調整するための電磁石、荷電粒子ビームのビーム形状を調整するための四極電磁石、並びに、荷電粒子ビームのビーム位置を微調整するためのステアリング電磁石などを、仕様に応じて適宜備えてよい。

照射ノズル１６は、荷電粒子ビームを用いた治療等が行われる治療室１８内にあり、照射ノズル１６から荷電粒子ビームを出射する。照射ノズル１６から出射された荷電粒子ビームが患部に照射されることにより治療が行われる。本実施形態に係る照射ノズル１６は、流れる電流量や電流の向きを調整することで、照射ノズル１００から出射する荷電粒子ビームの進行方向を微調整し、所定の範囲内でスキャン（走査）可能にするための荷電粒子ビーム偏向装置を備える。これにより、照射ノズル１６は、荷電粒子ビームを二次元的に走査できる。

図２は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置２０の斜視図である。図３は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置２０の断面図である。本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置２０は、流出部材２２、流入部材２４、ヨーク２６、内筒３０、外筒３２および構造体４０を備える。

内筒３０は、中空形状を有し、その内部を荷電粒子ビームが通過するように構成されている。内筒３０の一端には、入射口２３０が設けられており、他端には、出射口２５０が設けられている。荷電粒子ビームは、入射口２３０から入射して、内筒３０の内部空間３００を通過し、出射口２５０から出射する。また、内筒３０は、入射側から出射側に向かうにつれて、その内径および外径が非線形的あるいは線形的に大きくなるように構成されている。

ここで、図３に示すＸ軸は、内筒３０の中心軸を通る軸であり、その向きは、入射口２３０から出射口２５０に向かう方向である。また、以下では、「入射側」とは、Ｘ軸における入射口２３０側を意味するものとし、「出射側」とは、Ｘ軸における出射口２５０側を意味するものとする。また、図３に示すＹ軸は、Ｘ軸に対して垂直な方向であり、内筒３０の半径方向である。なお、本明細書では、Ｙ軸方向が内部から外部に向かう方向を意味し、その逆方向が外部から内部に向かう方向を意味する場合がある。

構造体４０は、内筒３０の外周面を覆うように、内筒３０に固定されている。換言すれば、内筒３０は、その外周面が構造体４０の内周面を覆うように、構造体４０に固定されている。構造体４０は、後述する積層構造体およびコイルを備える。このコイルは、内筒３０の内部空間３００を通過する荷電粒子ビームを偏向する走査電磁石として機能するように構成されている。構造体４０は、入射側から出射側に向かうにつれて、その内径および外径が線形的あるいは非線形的に大きくなるように構成されている。

外筒３２は、構造体４０の外周面を覆うように、構造体４０に固定されている。また、ヨーク２６は、構造体４０の外周面に位置するように、固定部材２４９によって流入部材２４に結合されている。本実施形態では、ヨーク２６は、構造体４０の全長にわたって設けられていない。より具体的には、ヨーク２６は、構造体４０の外周面の中央領域に位置し、構造体４０の外周面の入射側の端部および出射側の端部に位置しないように配置されている。

流出部材２２は、内筒３０および外筒３２に固定されており、構造体４０が備えるコイルを冷却するための冷却溶媒が通過する経路の一部を形成する部材である。また、流入部材２４は、内筒３０および外筒３２に固定されており、冷却溶媒が通過する経路の一部を形成する部材である。流出部材２２および流入部材２４は、例えば、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）などの絶縁体で構成されてよい。本実施形態では、流入部材２４の付近には、コイルに電流を流すための電流導入端子（図示しない。）が配置されており、流入部材２４を絶縁体で構成することにより、流入部材２４を構造体４０および電流導入端子と絶縁できる。また、流出部材２２および流入部材２４は、ＳＵＳなどの非磁性体との複数の部材の組み合わせで構成されてよい。これにより、組立加工を容易となり、例えば、ネジ加工および溶接などが簡便にできるようになる。

冷却溶媒は、各種の公知の冷却可能な液体であってよく、本実施形態では、冷却溶媒は水である。図３において、流出部材２２、流入部材２４および構造体４０に示された矢印は、冷却溶媒の流れる向きを示している。すなわち、冷却溶媒は、流入部材２４から流入し、構造体４０の隙間を通過して、流出部材２２が備える排出口２２１を通じて排出される。

図４は、図３に示す領域Ａの拡大図である。図４に示すように、流入部材２４は、出射側端部２４０および出射側押圧部２４１を備える。出射側端部２４０は、構造体４０の出射側の端面４３を覆うように配置されており、被覆部材としての機能を有している。これにより、構造体４０のコイルなどが出射側端部２４０によって保護される。なお、出射側端部２４０のうち、破線２４８よりも下側の部分を被覆部材と捉えることもできる。

出射側押圧部２４１は、外筒３２を外部から内部に向けて押圧するように構成されている。これにより、構造体４０は、外部から内部に向けて押圧される。本実施形態に係る構造体４０は、内部から外部に向かう方向に積層された複数の層を有する積層構造体を有している。この積層構造体は、外筒３２を介して出射側押圧部２４１によって押圧されるため、冷却溶媒が積層構造体の隙間を流れる際に、積層構造体を構成する各層がずれることが抑制される。

また、本実施形態では、出射側押圧部２４１は、構造体４０の周方向に一周して構造体４０の外周面に位置する環状部材である。このため、出射側押圧部２４１は、構造体４０の一周を押圧できるため、構造体４０の積層構造体における層のずれをより確実に抑制できる。

本実施形態では、出射側押圧部２４１は、孔２４４が形成されている中空部２４２と、構造体４０の端面４３よりも出射側に突出している出射側突出部２４３とを有する。出射側押圧部２４１は、出射側突出部２４３を介して出射側端部２４０と結合している。これにより、流入部材２４の内部には、構造体４０の端面４３、出射側端部２４０および出射側押圧部２４１によって囲まれた空間２４６が形成されている。この空間２４６は、構造体４０の積層構造体の隙間と連通しており、冷却溶媒の流路の一部を形成する。なお、出射側端部２４０の破線２４８よりも上側の部分を、構造体４０の端面４３よりも出射側に突出している突出部の一部と捉えることもできる。

また、中空部２４２は、構造体４０の端面４３から構造体４０の中央に向かう方向に空いた、空間２４６と連通する孔２４４を有する。本実施形態では、この孔２４４は、冷却溶媒の流路の一部を形成している。冷却溶媒は、孔２４４から流入し、空間２４６を通過して構造体４０の隙間に流れる。

また、本実施形態では、出射側端部２４０は、構造体４０の端面４３から離れて配置されている。内筒３０は、空間２４６に含まれる出射側端部２４０と端面４３との間に形成された、構造体４０の内部側の開口２４７を閉じる閉口部として機能する。これにより、冷却溶媒が空間２４６から意図しない方向に流れることが抑制される。

本実施形態では、孔２４４は、出射側押圧部２４１において、荷電粒子ビームの進行方向と平行な方向に空いている。図５を参照して、孔が他の形態で形成される場合について説明する。図５に示す例では、流入部材２５は、その内部に空間２５２を有しており、この空間２５２は、空間２５２からＸ軸方向（入射側から出射側に向かう方向）に向かう孔２５３と、空間２５２からＹ軸方向に向かう孔２５４と連通している。このとき、孔２５３および孔２５４のそれぞれの端部には、ホース２５８，２５９を接続するための接続部２５６，２５７がそれぞれ設けられている。ホース２５８，２５９の内部には、冷却溶媒が流れる向きを矢印で示している。なお、図５では、孔２５３および孔２５４の２つの孔が形成されている例を示しているが、いずれか一方の孔が形成される場合も考えられる。

図５に示すように、流入部材２５に形成された孔２５３，２５４には、冷却溶媒を孔２５３，２５４に流入させるためのホース２５８，２５９などを接続する必要がある。このとき、ホース２５８，２５９を接続するための接続部２５６，２５７およびホース２５８，２５９自体がとる幅の分だけ、スペースが必要となる。例えば、接続部２５６およびホース２５８がとる幅ｄ１だけＸ軸方向にスペースをとり、接続部２５７およびホース２５９がとる幅ｄ２だけＹ軸方向にスペースをとる必要がある。一方、本実施形態によれば、本実施形態では、出射側押圧部２４１において、孔２４４が孔２５３とＸ軸の反対方向に形成されているため、装置がＸ軸方向あるいはＹ軸方向、あるいはＸ軸方向の半径方向に大きくならず、荷電粒子ビーム偏向装置をより小型化することが可能となる。

図６は、図３に示す領域Ｂの拡大図である。図６に示すように、流出部材２２は、入射側端部２２０および入射側押圧部２２６を備える。入射側端部２２０は、入射側押圧部２２６から入射側方向に突出して設けられた入射側突出部２２２と、構造体４０の入射側の端面４４を覆うように配置されている入射側被覆部２２４とを有する。入射側被覆部２２４は、被覆部材として機能し、構造体４０のコイルなどは入射側被覆部２２４によって保護される。

入射側押圧部２２６は、外筒３２を外部から内部に向けて押圧するように構成されている。構造体４０は、入射側押圧部２２６によって、外部から内部に向けて押圧される。このため、構造体４０に冷却溶媒が流れる際に、構造体４０の積層構造体を構成する各層のずれが抑制される。

また、本実施形態では、入射側押圧部２２６は、構造体４０の周方向に一周して構造体４０の外周面に位置する環状部材である。このため、入射側押圧部２２６は、構造体４０の一周を押圧できるため、構造体４０の積層構造体における層のずれをより確実に抑制できる。

本実施形態では、入射側端部２２０は、入射側突出部２２２を通じて、入射側押圧部２２６と結合している。これにより、流出部材２２の内部には、入射側端部２２０および構造体４０の端面４４によって囲まれた空間２３２が形成されている。この空間２３２は、構造体４０の積層構造体の隙間と連通しており、冷却溶媒の流路の一部を形成する。構造体４０から空間２３２に流れた冷却溶媒は、図示しない孔を通じて、図２に示した排出口２２１から排出される。

また、入射側被覆部２２４は、構造体４０の端面４４から離れて配置されており、空間２３２に含まれる入射側被覆部２２４と端面４４との間に開口２３３を形成している。本実施形態では、内筒３０は、構造体４０の内部側の開口２３３を閉じる閉口部として機能する。これにより、空間２３２に流れる冷却溶媒が意図しない方向に流れることが抑制される。

図７は、構造体４０のＸ軸に垂直な断面の図である。図７において、Ｚ軸は、Ｘ軸およびＹ軸に対して垂直な軸である。本実施形態に係る構造体４０は、積層構造体４２と、荷電粒子ビームの進行方向とは異なる第１方向に荷電粒子ビームを偏向させる第１コイル５０と、荷電粒子ビームの進行方向および第１方向とは異なる第２方向に荷電粒子ビームを偏向させる第２コイル５２と、を備える。

第１コイル５０および第２コイル５２のそれぞれは、内部空間３００を挟んで向かい合う対をなすように配置されている。また、第１コイル５０および第２コイル５２のそれぞれの対は、並列に配置されていてもよい。すなわち、第１コイル５０および第２コイル５２は、図７に示すようにいずれのコイルも含むＸ軸に垂直な構造体４０の断面が存在するように、配置されてよい。第１コイル５０および第２コイル５２に電流が流れると、第１コイル５０および第２コイル５２は、磁場を発生させ、この磁場によって荷電粒子ビームを偏向させる。

積層構造体４２は、荷電粒子ビームが内部を通過する中空形状を有しており、内部から外側に向かう方向に積層された複数の層を有する。それぞれの層は、例えば各種の合成樹脂などによって構成されてよい。また、積層構造体４２は、隣合う２つの層の間に、冷却溶媒を流すことが可能な隙間を有する。これらの層のそれぞれは、中空形状を有しており、入射側から出射側に向かうにつれて、その内径および外径が直線的あるいは非線形的に大きくなるように構成されている。

本実施形態に係る積層構造体４２は、コイルが配置された複数の巻き枠層（コイル支持層）と、隣合う２つの巻き枠層の間に配置された、冷却溶媒の経路を形成する複数の水路層と、を有する。本実施形態では、隣合う２つの巻き枠層に配置されたコイルは互いに接続されている。各巻き枠層に配置された第１コイル５０のそれぞれは、互いに電気的に接続されており、同様に、各巻き枠層に第２コイル５２のそれぞれも、互いに電気的に接続されている。

本実施形態に係る構造体４０は、９層の巻き枠層および９層の水路層を有する。より詳細には、構造体４０は、内側から順に、第１巻き枠層４００、第１水路層４２０、第２巻き枠層４４０、・・・、第９巻き枠層４６０および第９水路層４８０を有する。本実施形態に係る構造体４０は、９層の巻き枠層を有するが、図７では、そのうちの３層の巻き枠層を示している。なお、巻き枠層の数は、８層以下であってもよいし、１０層以上であってもよい。また、本実施形態に係る積層構造体４２は、９層の水路層を有するが、図７では、そのうちの３層の巻き枠層を示している。なお、水路層の数は、８層以下であってもよいし、１０層以上であってもよい。

第１巻き枠層４００は、内筒３０の外周面を覆うように配置されており、荷電粒子ビームを偏向させるコイル５０２（第１コイル）を支持するコイル支持層（第１コイル支持層）である。本実施形態に係るコイル５０２は、Ｚ軸方向に磁場を発生させ、この磁場によって荷電粒子ビームを偏向させる。

第１水路層４２０は、第１巻き枠層４００の外周面を覆うように配置されており、冷却溶媒が通過する経路の一部を形成する層である。

第２巻き枠層４４０は、荷電粒子ビームを偏向させるコイル５０４（第１コイル）が配置された層である。コイル５０４は、コイル５０２と同様に、Ｚ軸方向に磁場を発生させ、この磁場によって荷電粒子ビームを偏向させる。

図７には図示しないが、第２巻き枠層４４０の外周面には、第３～第８巻き枠層および第２～第８水路層が、巻き枠層と水路層とが交互に重なるように積層されている。また、第３～第５巻き枠層のそれぞれは、コイル（第１コイル）を支持するコイル支持層（第１コイル支持層）であり、それぞれのコイルは、コイル５０２，５０４と同様に、Ｚ軸方向に磁場を発生させるように構成されている。

第９巻き枠層４６０は、第８水路層（図示しない。）の外周面を覆うように配置されており、第１～第５巻き枠に配置されたコイル（例えば、コイル５０２，５０４など）が荷電粒子ビームを偏向させる方向（第１方向）とは異なる方向（第２方向）に荷電粒子ビームを偏向させるコイル５２２（第２コイル）を支持するコイル支持層（第２コイル支持層）である。

第９巻き枠層４６０にはコイル５２２が配置されている。コイル５２２は、Ｙ軸方向に磁場を発生させ、Ｘ軸方向に進行する荷電粒子ビームをＺ軸方向に偏向させる。また、上述の第６～第８巻き枠層のそれぞれにはコイル（第２コイル）が配置されており、それぞれのコイルは、コイル５２２と同様に、Ｙ軸方向に磁場を発生させるように構成されている。

第９水路層４８０は、第９巻き枠層４６０の外周面を覆うように配置されており、冷却溶媒が通過する経路の一部を形成する層である。第９水路層４８０の外周面には外筒３２が配置されている。外筒３２は、その内周面が第９水路層４８０の外周面を覆うように、配置されている。

図８は、本実施形態に係る内筒３０の斜視図である。図８に示すように、内筒３０の外周面には長手方向に沿って溝３０２が形成されている。この溝３０２は、冷却溶媒の経路の一部を形成する。

図９は、内筒３０に配置された第１巻き枠層４００の斜視図である。第１巻き枠層４００には、溝４０２が形成されている。この溝４０２にリッツ線が埋め込まれ、樹脂によって固められることにより、このリッツ線がコイル（第１コイル）を構成する。なお、リッツ線とは、エナメルなどの絶縁材で絶縁された細い導体を複数本撚り合わせて構成された線材である。

図１０は、本実施形態に係る第１水路層４２０の水路部材４２２を示す斜視図である。図１０に示す水路部材４２２は、第１水路層４２０の半周分を構成している。図１０に示す水路部材４２２と同様の構成を有する水路部材がもう１つあり、この２つの水路部材を組み合わせることにより、第１巻き枠層４００の外周面を一周する第１水路層４２０が形成される。水路部材４２２は、外周面に溝４２４を有しており、この溝４２４は、冷却溶媒が通過する経路の一部を形成する。なお、積層構造体４２が備える各水路層は、第１水路層と同様に、２つの水路部材を組み合わせることにより、一周する水路層が構成される。なお、本実施形態では、各水路層は水路部材によって構成される例を説明するが、各水路層は、水路部材を用いずに、単なる空間として形成されてもよい。

図１１は、本実施形態に係る第２巻き枠層４４０の斜視図である。図１１では、第１水路層４２０の表面に第２巻き枠層４４０が配置されている様子を示している。第２巻き枠層４４０の表面には、溝４４４が形成されており、この溝４４４にリッツ線が埋め込まれ、このリッツ線がコイル５０４を構成する。溝４４４は、第２巻き枠層４４０を表面から裏面に貫通する孔として形成されてもよいし、第２巻き枠層４４０を表面から裏面に貫通しないように形成されてもよい。また、第２巻き枠層４４０の外表面には、その外表面を覆うように第２水路層が配置される。この第２水路層の内周面には溝が設けられており、この溝および第２巻き枠層４４０の外表面によって、冷却溶媒が通過する経路の一部が形成される。このように内筒３０の外周面には巻き枠層と水路層とが積層され、最も外側の水路層の外周面には、その外周面を覆うように、図１２に示す外筒３２が配置される。

図１３は、内筒３０および構造体４０のＸ軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置２０では、内筒３０の外表面に設けられた溝３０２と第１巻き枠層４００に配置されたコイル５０２との間には、冷却溶媒が流れる経路が形成されている。このため、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置では、内筒３０がコイル５０２と接触している場合と比べて、内筒３０とコイル５０２とが接触しない隙間に冷却溶媒を流すことができるため、より効率よく冷却溶媒によってコイル５０２を冷却することが可能となる。

また、第１水路層４２０の内表面に形成された溝４２３とコイル５０２との間、および第１水路層４２０の外表面に形成された溝４２４と第２巻き枠層４４０に配置されたコイル５０４との間には、冷却溶媒が流れる経路が形成されている。さらに、第２水路層４５０の内表面に形成された溝４５４とコイル５０４との間には、冷却溶媒が流れる経路が形成されている。同様に、第２水路層４５０の外表面に形成された溝、および各水路層の表面に形成された溝は、隣接する巻き枠層あるいはコイルとの間に、冷却溶媒が流れる経路を形成する。

上述のように、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置では、コイルには大電流が流れる。このため、冷却溶媒によってコイルをより確実に冷却する必要がある。冷却溶媒が積層構造体の層間の隙間を流れると、層の位置がずれる可能性がある。層がずれると、冷却溶媒の流れが滞り、冷却が円滑に行われない可能性がある。冷却が円滑に行われないと、大電流によってコイルが非常に高温になる可能性がある。

本実施形態では、入射側押圧部２２６および出射側押圧部２４１は、積層構造体４２を外部から内部に向けて押圧する。このため、積層構造体４２が備える各層は、これらの押圧部によって押しつけられるため、各層の位置がずれることが抑制される。この結果、積層構造体４２の隙間に冷却溶媒を滞りなく流し、円滑にコイルを冷却することが可能となる。

また、本実施形態では、流出部材２２、流入部材２４、内筒３０および構造体４０によって、構造体４０の隙間と連通する空間２３２、２４６を形成し、これらの空間を冷却溶媒が流れる水路として活用した。これにより、簡便な構造で水路を実現し、スムーズに冷却溶媒を流すことができる。また、これらの空間には、巻き枠層の各層間を接続するリッツ線などをまとめて固定できる。この場合、そのリッツ線をまとめて冷却することが可能である。

また、本実施形態によれば、積層構造体４２における各層のずれを抑制できるため、巻き枠層に配置されたコイルの位置がずれることを抑制できる。このため、より精度良く、設計通りの磁場をコイルに発生させることが可能となる。

［第１変形例］
図１４は、第１変形例に係る内筒３０および構造体４０のＸ軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。図１４に示す例では、冷却溶媒は、内筒３０と第１巻き枠層４００およびコイル５０２との間に形成されている隙間において、Ｘ軸に平行な方向（紙面の裏側から表側に向かう方向）に流れるものとする。

第１変形例では、図１４に示すように、内筒３０は、第１巻き枠層４００に配置されたコイル５０２と接触しない隙間を形成するように配置されている。第１変形例では、図１３に示した例とは異なり、冷却溶媒が第１巻き枠層４００と接触するように隙間が形成されており、このような形態においても、効率よく冷却溶媒によってコイル５０２を冷却することが可能である。

［第２変形例］
図１５は、変形例に係る内筒３０および構造体４０のＸ軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。第２変形例では、第１巻き枠層４１０は、コイル５０３を挟んで支持する支持部４１２と、これに加えて、コイル５０３の内筒３０側を覆う底部４１４とを備える。第２変形例では、冷却溶媒は、内筒３０と底部４１４との間に形成されている隙間において、Ｘ軸に平行な方向（紙面の裏側から表側に向かう方向）に流れるものとする。第２変形例では、コイル５０３は、底部４１４を通じて、冷却溶媒によって冷却される。変形例においても、内筒３０は、コイル５０３と接触しない隙間を形成するように配置されている。このため、内筒３０とコイル５０２とが接触しない隙間に冷却溶媒を流すことができるため、より効率よく冷却溶媒によってコイル５０２を冷却することが可能となる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、第１コイルおよび第２コイルは、並列に配置される例を説明した。これに限らず、第１コイルおよび第２コイルは、直列に配置されてよい。すなわち、第１コイルおよび第２コイルは、Ｘ軸に平行な方向に互いにずれた位置に配置されてよい。

図１６を参照して、第１コイルおよび第２コイルが直列に配置される第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置６０について説明する。第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置６０は、主として、第１偏向装置６２、第２偏向装置６４、および第１偏向装置６２と第２偏向装置６４とを連結する連結部材６６を備える。第１偏向装置６２および第２偏向装置６４は、第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置２０が備える各種の構成をそれぞれ備えてよい。

荷電粒子ビーム偏向装置６０の内部には、一端に入射口７４、他端に出射口７６を有する内部空間７２が形成されている。荷電粒子ビームは、図１６に示すＤ軸方向に入射口７４から内部空間７２に入射して、内部空間７２において第１偏向装置６２および第２偏向装置６４によって偏向され、出射口７６から出射する。

第１偏向装置６２は、Ｄ軸方向に垂直な方向に荷電粒子ビームを偏向させ、偏向させた荷電粒子ビームを第２偏向装置６４に入射させる装置である。第１偏向装置６２は、第１構造体６２０、第１ヨーク６２２、第１流入部材６２４、第１流出部材６３０および内筒７０を備える。

内筒７０は、中空形状を有し、その内部を荷電粒子ビームが通過するように構成されている。本実施形態では、内筒７０は、第１偏向装置６２と第２偏向装置６４とで共有されている。これに限らず、内筒は、第１偏向装置６２と第２偏向装置６４とで、独立に構成されてもよい。内筒７０の一端には、入射口７４が形成されており、内筒７０の他端には、出射口７６が形成されている。また、第２実施形態に係る内筒７０は、円筒形状を有している。なお、その外径および内径は、直線的あるいは非直線的な傾斜を有してもよい。

第１構造体６２０は、磁場によって内部空間７２を通過する荷電粒子ビームを偏向させるように構成されている。第１構造体６２０は、図示しないが、第１積層構造体および第１コイルを備える。第１コイルは、発生させた磁場により、荷電粒子ビームをＤ軸方向とは異なる方向に偏向させる。例えば、第１コイルは、荷電粒子ビームをＤ軸方向に垂直な方向に荷電粒子ビームを偏向させてよい。

第１積層構造体は、荷電粒子ビームが内部を通過する中空形状を有し、内部から外部に向かう方向に積層された複数の層を有する。これらの複数の層のうち、隣合う２つの層の間は、冷却溶媒を流すことが可能な隙間を有している。また、第１積層構造体が有する複数の層は、第１コイルを支持する第１コイル支持層を含む。

第１流入部材６２４は、冷却溶媒を第１構造体６２０に流入させるための部材である。第１流入部材６２４は、連結部材６６に接続されている。また、第１流入部材６２４は、第１構造体６２０を外側から内側に向けて押圧する押圧部６２５を有している。また、第１流入部材６２４の内部には、第１構造体６２０の端面、第１流入部材６２４、連結部材６６および内筒７０の外周面によって囲まれた空間６２８が形成されており、この空間６２８は、第１構造体６２０の隙間と連通している。さらに、第１流入部材６２４には、Ｄ軸方向に空いた孔６２６を有しており、この孔６２６は、空間６２８と連通している。

第１流出部材６３０は、冷却溶媒を外部に流出させるための部材である。第１流出部材６３０は、第１構造体６２０を外部から内部に向けて押圧する押圧部６３４と、第１構造体６２０の端面を覆う被覆部材６３２とを備える。第２実施形態では、第１構造体６２０の端面、被覆部材６３２および内筒７０の外周面によって囲まれた空間６３３が形成されている。この空間６３３は、第１構造体６２０の隙間および排出口（図示しない）と連通している。

第１偏向装置６２では、第１流入部材６２４、第１構造体６２０および第１流出部材６３０において、図１５に示す矢印の方向に冷却溶媒が流れることによって、第１構造体６２０が有する第１コイルが冷却される。具体的には、第１流入部材６２４の孔６２６から冷却溶媒が空間６２８に流入し、第１構造体６２０および第１流出部材６３０の空間６３３を介して、排出口から冷却溶媒が排出される。このとき、冷却溶媒が第１構造体６２０の隙間を流れることによって、第１コイルが冷却される。

第２偏向装置６４は、Ｄ軸方向および第１偏向装置６２が荷電粒子ビームを偏向させる方向とは異なる方向に荷電粒子ビームを偏向させ、偏向させた荷電粒子ビームを出射口７６から出射させる装置である。第２偏向装置６４は、第２構造体６４０、第２ヨーク６４２、第２流入部材６４４、第２流出部材６５０および内筒７０を備える。

第２構造体６４０は、磁場によって内部空間７２を通過する荷電粒子ビームを偏向するように構成されている。第２実施形態に係る第２構造体６４０は、図示しないが、第２積層構造体および第２コイルを備える。第２コイルは、発生させた磁場により、第１偏向装置６２によって偏向された荷電粒子ビームを、Ｄ軸方向および第１偏向装置６２が荷電粒子ビームを偏向させる方向とは異なる方向に偏向させる。第２コイルは、例えば、Ｄ軸方向に垂直であって、第１偏向装置６２が荷電粒子ビームを偏向させる方向に垂直な方向に荷電粒子ビームを偏向させてよい。

第２積層構造体は、荷電粒子ビームが内部を通過する中空形状を有し、内部から外部に向かう方向に積層された複数の層を有する。これらの複数の層のうち、隣合う２つの層の間は、冷却溶媒を流すことが可能な隙間を有している。また、第２積層構造体が有する複数の層は、第２コイルを支持する第２コイル支持層を含む。

第２流入部材６４４は、冷却溶媒を第２構造体６４０に流入させるための部材である。第２流入部材６４４は、第２構造体６４０の端面を覆う被覆部材６４６と、第２構造体６４０を外部から内部に向けて押圧する押圧部６４７とを備える。第２実施形態では、第２構造体６４０の端面、被覆部材６４６および内筒７０の外周面によって囲まれた空間６４９が形成されている。この空間６４９は、第２構造体６４０の隙間と連通している。さらに、第２流入部材６４４には、Ｄ軸方向に空いた孔６４８を有しており、この孔６４８は、空間６４９と連通している。

第２流出部材６５０は、冷却溶媒を外部に流出させるための部材である。第２流出部材６５０は、連結部材６６に接続されている。また、第２流出部材６５０は、第２構造体６４０を外側から内側に向けて押圧する押圧部として機能してよい。また、第２構造体６４０の端面、第２流出部材６５０、連結部材６６および内筒７０の外周面によって囲まれた空間６５２が形成されている。この空間６５２は、第２構造体６４０の隙間および排出口（図示しない）と連通している。

第２偏向装置６４では、第２流入部材６４４、第２構造体６４０および第２流出部材６５０において、図１５に示す矢印の方向に冷却溶媒が流れることによって、第２構造体６４０が有する第２コイルが冷却される。具体的には、第２流入部材６４４の孔６４８から冷却溶媒が空間６４９に流入し、第２構造体６４０および空間６５２を介して、排出口から冷却溶媒が排出される。このとき、冷却溶媒が第２構造体６４０の隙間を流れることによって、第２コイルが冷却される。

以上、第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置６０について説明した。第２実施形態では、第１偏向装置６２が備える第１ヨーク６２２および第２偏向装置６４が備える第２ヨーク６４２が別体である例を説明したが、これに限らず、第１偏向装置６２および第２偏向装置６４が備えるヨークは、互いに結合されている一体型であってもよい。

また、冷却溶媒を流す経路は上述した例に限られるものではない。例えば、連結部材６６において、空間６２８と空間６５２とを連通する孔を設けてよい。この場合、第２偏向装置６４に流入した冷却溶媒は、連結部材６６に設けられた孔を通過して第１偏向装置６２に流れ、空間６３３から外部に排出される。

また、連結部材６６によって形成される２つの空間（すなわち、第１偏向装置６２の空間６２８および第２偏向装置６４の空間６５２）は、共に、冷却溶媒の流入に利用されてもよい。この場合、第２偏向装置６４の空間６５２に流入した冷却溶媒は、空間６４９を通過して、孔６４８から外部に排出されてよい。

［積層構造体の位置合わせ］
構造体４０をアイソセンターに対して位置合わせする場合、構造体４０を位置合わせするための参照点は、流入部材２４とすることができる。このため、流入部材２４を基準として、構造体４０を位置合わせできる。以下、図１７および図１８を参照しながら、構造体４０を位置合わせする方法の一例を説明する。図１７は、位置合わせされている構造体４０を荷電粒子ビームの出射側から見た図である。図１８は、位置出しピン２８によって内筒３０と外筒３２と構造体４０とが出射側押圧部２４１に対して位置合わせされている様子を拡大して示す図である。

図１７に示すように、構造体４０および内筒３０は、４本の位置出しピン２８によって、出射側押圧部２４１に固定される。なお、位置出しピン２８は、３本以下であってもよいし、５本以上であってもよい。

構造体４０の各層４９１～４９８には、半径方向に沿って形成された切り欠き部が設けられている。内筒３０は、位置出しピン２８を内筒３０に固定するためのネジ穴を有している。図１８に示すように位置出しピン２８を切り欠き部と係合させ、切り欠き部および内筒３０のネジ穴を半径方向にすべて一致させることにより、構造体４０の各層（各巻き枠層および各水路層）は精度良く積層される。

位置出しピン２８は、構造体４０に係合しているため、内筒３０、構造体４０、および構造体４０に密着した外筒３２は、出射側押圧部２４１に対して位置合わせされる。また、本実施形態のようにコイルが設けられた複数の巻き枠層を積層する場合は、位置出しピン２８の配置により、第１コイルおよび第２コイルの適切な相対位置関係が担保される。

図１８を参照して、位置出しピン２８の構成について、より詳細に説明する。図１８に示すように、位置出しピン２８は、第１被固定部２８０、固定部２８６および第２被固定部２８８を備える。これらの第１被固定部２８０、固定部２８６および第２被固定部２８８は、一体となっている。

第１被固定部２８０は、ネジ穴２８２，２８４を有しており、これらのネジ穴２８２，２８４にネジが通されることにより、第１被固定部２８０が出射側押圧部２４１の所望の位置に固定される。また、第２被固定部２８８は、図示しないネジ穴を有しており、そのネジ穴にネジが通されることにより、第２被固定部２８８が内筒３０に固定される。固定部２８６は、第１被固定部２８０と第２被固定部２８８とを接続する、板状の部材である。

構造体４０の各層４９１～４９８には、切り欠き部が設けられており、その切り欠き部に固定部２８６が係合する。このように構造体４０が４つの位置出しピン２８に係合することにより、構造体４０および構造体４０に密着した外筒３２は、出射側押圧部２４１に対して位置合わせされる。このように位置出しピン２８を用いることにより、積層構造体４２を位置精度良く積層する組立が容易になる。

外筒３２、構造体４０および出射側押圧部２４１などの位置合わせを行う流れの一例を説明する。ここでは、流入部材２４を模擬した模擬部材と、位置出しピン２８を模擬した模擬部材用の位置出しピンを用いる例を説明する。

まず、模擬部材に固定される模擬部材用の位置出しピンに対し、内筒３０および構造体４０の各層（各巻き枠層および各水路層）を、順次一層ごと固定または係合し、層間を接着して固定する。このようにして構造体４０が模擬部材に対して位置合わせされたあと、模擬部材用の位置出しピンを模擬部材から外す。その後、模擬部材を流入部材２４に交換し、流入部材２４に対し、位置出しピン２８により、内筒３０、構造体４０、外筒３２および出射側押圧部２４１を固定する。これにより、流入部材２４に対して、構造体４０などが適切な位置に、精度良く配置される。したがって、構造体４０のコイルが、流入部材２４に対して適切な位置に固定される。このように組み立てることで、流入部材２４に対し、簡便かつ確実に各層を位置精度良く配置できる。

［補足］
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施形態では、荷電粒子ビーム偏向装置２０が照射ノズル１６に設けられる例について説明した。これに限らず、荷電粒子ビーム偏向装置は、荷電粒子ビーム調整手段１２２などの各種の荷電粒子ビームを偏向させるための装置に設けられてよい。

上述の実施形態では、入射側押圧部２２６および出射側押圧部２４１が、積層構造体の外周面の入射側の端部および出射側の端部をそれぞれ押圧する例を説明した。押圧部が押圧する積層構造体の位置は、これらの端部に限定されるものではない。例えば、押圧部は、積層構造体の外周面の中央領域を押圧してもよい。

上述の実施形態では、第１コイルおよび第２コイルが、互いに略直交する方向に磁場を発生させる例を説明した。これに限らず、第１コイルおよび第２コイルは、荷電粒子ビームを走査できる範囲で、互いに直交する方向からずれた方向に磁場を発生させてもよい。

上述の実施形態では、内筒３０、積層構造体４２を構成する各層および外筒３２の形状が、Ｘ軸に垂直な断面において円形である例について説明した。これらの形状は、円形に限定されるものではなく、楕円形または矩形などの各種の形状であってよい。

上述の実施形態では、外筒３２のＸ軸方向の全長が、構造体４０のＸ軸方向の全長と同程度である例を説明した。これに限らず、外筒のＸ軸方向の全長は、構造体のＸ軸方向の全長と異なっていてもよい。例えば、外筒のＸ軸方向の全長が、構造体のＸ軸方向の全長よりも長く、外筒が構造体の端面から外側に突出していてもよい。この場合、外筒が突出した部分を押圧部によって外部から内部に向けて押圧することにより、構造体４０を押圧することも可能である。

また、上述の実施形態では、流出部材２２および流入部材２４のそれぞれは、複数の部材の組み合わせによって構成される例を説明した。これに限らず、流出部材２２および流入部材２４のそれぞれは１つの部材によって構成されてよい。

１ 荷電粒子ビーム照射装置、１４ 偏向電磁石、１６ 照射ノズル、２０ 荷電粒子ビーム偏向装置、２２ 流出部材、２４ 流入部材、３０ 内筒、３２ 外筒、４０ 構造体、４２ 積層構造体、４３ 端面、４４ 端面、５０ 第１コイル、５２ 第２コイル、２２２ 入射側突出部、２２４ 入射側被覆部、２２６ 入射側押圧部、２４０ 出射側端部、２４１ 出射側押圧部、２４３ 出射側突出部、２４４ 孔、３００ 内部空間

Claims (7)

1. 荷電粒子ビームが内部を通過する中空形状を有し、前記内部から外部に向かう方向に積層された複数の層を有する積層構造体と、
   前記荷電粒子ビームの進行方向とは異なる第１方向に前記荷電粒子ビームを偏向させる第１コイルと、
   前記第１方向とは異なる第２方向に前記荷電粒子ビームを偏向させる第２コイルと、
   前記積層構造体の外周面に位置しており、前記外周面を前記外部から前記内部に向けて押圧する押圧部と、を備え、
   前記複数の層は、前記第１コイルを支持する第１コイル支持層と、前記第２コイルを支持する第２コイル支持層とを有し、
   前記積層構造体は、前記複数の層のうちの隣合う２つの層の間に、冷却溶媒を流すことが可能な隙間を有する、
   荷電粒子ビーム偏向装置。
2. 前記押圧部は、前記積層構造体の周方向に一周して前記積層構造体の外周面に位置する環状部材を含む、
   請求項１に記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
3. 前記積層構造体は、前記荷電粒子ビームが入射する側の端部および前記荷電粒子ビームが出射する側の端部を有し、
   前記押圧部は、前記積層構造体の一方の端部の外周面を前記外部から前記内部に向けて押圧する、
   請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
4. 前記一方の端部の端面を覆う被覆部材を、さらに備える、
   請求項３に記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
5. 前記押圧部は、前記被覆部材に固定された、前記端面から外側に向かう方向に突出した突出部を有し、
   前記端面および前記被覆部材によって囲まれた空間が形成されている、
   請求項４に記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
6. 前記空間に含まれる前記被覆部材と前記端面との間の前記内部側の開口を閉じる閉口部を、さらに備え、
   前記空間は、前記隙間と連通しており、前記冷却溶媒の流路の一部を形成する、
   請求項５に記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
7. 前記押圧部は、前記荷電粒子ビームの進行方向と平行な方向に空いた、前記空間と連通する孔を有し、
   前記孔は、前記冷却溶媒の流路の一部を形成する、
   請求項６に記載の荷電粒子ビーム偏向装置。

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