JP7210403B2 - 超電導磁石装置及び粒子線治療システム - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石装置及び粒子線治療システムに関する。

超電導磁石は、超電導線を巻回した超電導コイルを極低温に冷却して使用する。例えば特許文献１には、「超電導コイルは、ＮｂＴｉからなる超電導線がアルミニウム合金で作製された巻枠に所定回数巻回されて形成されている。そして、蓄冷型冷凍機の最終段の熱ステージが伝熱バーを介して巻枠のフランジ部に熱的に接続されている」（要約）と記載された、超電導磁石装置が開示されている。

特開平１１－１７６６２９号公報

特許文献１のように、環状に巻回される超電導コイルの内周側に、熱伝導率の高い部材（冷却板）を配置することは、磁束が集中して交流損失の大きくなる内周側の巻線部を冷却する観点で望ましい。しかし、超電導コイルの通電電流が変化すると、冷却板を貫く磁束量も変化するので、冷却板に渦電流損失が生じる。このとき、巻線部の上下に位置する上冷却板や下冷却板を貫く磁束量は、巻線部の内周側に位置する内周冷却板を貫く磁束量よりも大きいため、上冷却板や下冷却板に発生する誘導起電力は、内周冷却板に発生する誘導起電力よりも大きい。しかし、特許文献１のように、内周冷却板が、上冷却板及び下冷却板と電気的に接続されていると、小さな誘導起電力しか発生していない内周冷却板にも、上冷却板や下冷却板で発生した大きな渦電流が流れ込み、内周冷却板で大きな渦電流損失が発生して超電導コイルを加熱してしまう可能性がある。

本発明の目的は、超電導コイルの温度上昇を抑制した超電導磁石装置及びその超電導磁石装置を備えた粒子線治療システムを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、環状に巻回される超電導線と、前記超電導線を冷却する冷却板と、を備えた超電導磁石装置であって、前記冷却板は、前記超電導線の内周面と熱的に接触する内周冷却板と、前記超電導線の上面と熱的に接触する上冷却板と、前記超電導線の下面と熱的に接触する下冷却板と、を有し、前記内周冷却板を、前記上冷却板及び前記下冷却板に対して、電気的に絶縁したことを特徴とする。

本発明によれば、超電導コイルの温度上昇を抑制した超電導磁石装置及びその超電導磁石装置を備えた粒子線治療システムを提供できる。

実施例１における粒子線治療システムの概念図である。 実施例１における偏向電磁石の断面模式図である。 実施例１における超電導コイルの平面図である。 実施例１における上冷却板の平面図である。 実施例１における内周冷却板の平面図である。 実施例１における超電導コイルの断面図である。 実施例２における上冷却板の平面図である。

以下に本発明の超電導磁石装置及びこの超電導磁石装置を備えた粒子線治療システムの実施形態について、図面を用いて説明する。

まず、図１を用いて粒子線治療システムの全体構成を説明する。粒子線治療は放射線治療の一種であり、腫瘍に陽子線や炭素線などの粒子線を照射してがん細胞を破壊する治療方法である。

図１において、粒子線治療を施すための粒子線治療システム１００１は、建屋（図示省略）の床面に設置される。この粒子線治療システム１００１は、粒子線発生装置１００２、粒子線輸送装置１０１３、回転ガントリー１００６、粒子線照射装置１００７、及び制御システム１０６５を備えている。

粒子線発生装置１００２は、イオン源１００３と、このイオン源１００３が接続される加速器１００４を有する。加速器１００４としては、シンクロトロン、サイクロトロン、シンクロサイクロトロンといった加速器が用いられる。

粒子線輸送装置１０１３は、粒子線照射装置１００７に達する粒子線経路１０４８を有しており、この粒子線経路１０４８に、加速器１００４から粒子線照射装置１００７に向かって、複数の四極電磁石１０４６、偏向電磁石１０４１、複数の四極電磁石１０４７、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９，１０５０、及び偏向電磁石１０４３，１０４４がこの順に配置されることで構成されている。

粒子線輸送装置１０１３の粒子線経路１０４８の一部は、回転ガントリー１００６に設置されており、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９，１０５０、及び偏向電磁石１０４３，１０４４も回転ガントリー１００６に設置されている。粒子線経路１０４８は、加速器１００４に設けられた出射チャネル１０１９に接続されている。

回転ガントリー１００６は、回転軸１０４５を中心に回転可能に構成されており、粒子線照射装置１００７を回転軸１０４５の周りで旋回させる回転装置である。

回転ガントリー１００６に設置されている偏向電磁石１０４２～１０４４には、超電導磁石が用いられる。これらの超電導磁石については後述する。

粒子線照射装置１００７は、二台の走査電磁石１０５１，１０５２、粒子線位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４を備えている。これら走査電磁石１０５１，１０５２、粒子線位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は、粒子線照射装置１００７の中心軸、すなわち、粒子線軸に沿って配置されている。走査電磁石１０５１，１０５２、粒子線位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は粒子線照射装置１００７のケーシング（図示省略）内に配置されている。

粒子線位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は、走査電磁石１０５１，１０５２の下流に配置される。走査電磁石１０５１及び走査電磁石１０５２は、それぞれ粒子線を偏向し、粒子線を粒子線照射装置１００７の中心軸に垂直な平面内において互いに直交する方向に走査する。粒子線位置モニタ１０５３は照射される粒子線の通過位置を計測する。線量モニタ１０５４は照射される粒子線の線量を計測する。

粒子線照射装置１００７は、回転ガントリー１００６に取り付けられており、偏向電磁石１０４４の下流に配置される。

粒子線照射装置１００７の下流側には、患者１０５６が横たわる治療台１０５５が、粒子線照射装置１００７に対向するように配置される。

制御システム１０６５は、中央制御装置１０６６、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８及びデータベース１０７２を有する。

中央制御装置１０６６は、中央演算装置（ＣＰＵ）１０６７及びＣＰＵ１０６７に接続されたメモリ１０６８を有する。加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８及びデータベース１０７２は、中央制御装置１０６６内のＣＰＵ１０６７に接続されている。

粒子線治療システム１００１は更に治療計画装置１０７３を有しており、治療計画装置１０７３はデータベース１０７２に接続されている。粒子線治療システム１００１では、粒子線の照射エネルギーや照射角度などが粒子線の照射に先立って治療計画装置１０７３で治療計画として作成されており、この治療計画に基づいて照射が実行される。

中央制御装置１０６６のＣＰＵ１０６７は、データベース１０７２に保存されている治療計画から粒子線治療システム１００１を構成する各機器の照射に関係する各種の動作制御プログラムを読み込み、読み込んだプログラムを実行して、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８を介して指令を出力することで、粒子線治療システム１００１内の各機器の動作を制御する。

なお、実行される動作の制御処理は、一つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに分かれていても良く、それらの組み合わせでも良い。また、プログラムの一部又はすべては専用ハードウェアで実現しても良く、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって計算機にインストールされても良い。

また、各制御装置は、各々が独立した装置で有線又は無線のネットワークで接続されたものであっても、二つ以上が一体化していても良い。

粒子線電流測定装置１０９８は、移動装置１０１７および位置検出器１０３９を含んでいる。

高周波電源１０３６は、加速器１００４内に設置された高周波加速空洞１０３７に導波管１０１０を通じて電力を入力し、高周波加速空洞１０３７に接続された電極と設置電極の間に粒子線を加速する高周波電場を励起させる。

以上述べた粒子線治療システム１００１において、粒子線は、磁場によって偏向されて進行方向が変化し、粒子線発生装置１００２から粒子線輸送装置１０１３、回転ガントリー１００６、粒子線照射装置１００７を経て、患者１０５６の腫瘍に到達する。ここで、粒子線の磁場による偏向量は、照射する粒子線の質量ｍと電荷ｑの比ｍ／ｑに依存する。すなわち、ｍ／ｑが大きいほど、磁場による偏向量が小さくなり、偏向半径が大きくなる。従って、質量電荷比が大きくなると、粒子線治療システムは大型化する傾向がある。そこで、本実施形態では、この傾向を抑制して粒子線治療システムを小型化するために、大きな磁場が生成できる超電導磁石装置を回転ガントリー１００６に採用した。

次に、回転ガントリー１００６に設置されている超電導磁石装置の構成について、図２以降を用いて説明する。

図２は、偏向電磁石１０４３のａ１－ａ２による断面図である。二重円筒形状の真空容器１の内部に、二重円筒形状の輻射シールド２が設置されており、輻射シールド２の内部に、６個の超電導コイル５～１０が収められている。真空容器１の空洞部３にはビームダクト４が設置され、その内部を粒子線が通過する。超電導コイル５～１０によって、空洞部３に略一様な磁場が生成される。超電導コイル５～１０の基本的構成は同一なので、以下では、超電導コイル６を例に挙げてその構成を説明する。

図３は、超電導コイル６の平面図である。図３のステンレス容器１１内には、超電導線を巻回して構成された巻線部と、この巻線部と熱的に接触させて冷凍機から伝導冷却する無酸素銅製の冷却板と、が格納されている。なお、本明細書における「熱的に接触している」とは、直接接触しているか、空気よりも熱伝導率が高い部材を介在させていることを指すものとする。また、超電導線の材質としては、例えば、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）などが用いられる。さらに、冷却板の材質としては、無酸素銅に限らず、純アルミニウムなどを用いることができるが、熱伝導率が少なくとも１０Ｗ／ｍＫ以上、望ましくは３００Ｗ／ｍＫ以上の他の材料を用いても良い。

超電導コイル６は、略レーストラック形状を基本としながら若干湾曲した、湾曲レーストラック形状となっている。湾曲しているが、超電導コイル６の部位を示す便宜上、内側長直線部１０１、コーナー部１０２，１０４，１０６，１０８、短直線部１０３，１０７、外側長直線部１０５と呼ぶことにする。なお、内側長直線部１０１は、超電導コイル６の部位を示すのであって、ステンレス容器１１の一部以外に、巻線部の一部や冷却板の一部を含む。同様に、コーナー部１０２，１０４，１０６，１０８、短直線部１０３，１０７、外側長直線部１０５も、超電導コイル６の部位を示すのであって、ステンレス容器１１の一部以外に、巻線部の一部や冷却板の一部を含む。

冷却板の冷却端子１４～２７は、超電導コイル６の内周側、ステンレス容器１１の外に位置している。冷凍機先端部１２，１３は、超電導コイル６の内周側にある。冷却端子１４～２７は、いずれも巻線径方向にスリットが入っている。冷凍機先端部１２は、冷却端子１４～１７，１９，２５，２７の近傍にあり、熱良導体（図示せず）を介してこれらの冷却端子と接続されている。同様に、冷凍機先端部１３は、冷却端子１８，２０～２４，２６の近傍にあり、熱良導体を介してこれらの冷却端子と接続されている。

図４は、ステンレス容器１１を外した状態における、超電導コイル６の上冷却板の平面図である。巻線部５０の上面と熱的に接触している上冷却板２８～３５は、巻線周方向に分割（例えば上冷却板２９と上冷却板３１）されるとともに、巻線径方向にも分割（例えば上冷却板２８と上冷却板２９）されている。また、上冷却板２８～３５とステンレス容器１１との間は、ポリイミドフィルムなどで電気的に絶縁されている。上冷却板２８には冷却端子１４が、上冷却板２９には冷却端子１５，１６が、上冷却板３０には冷却端子１７，１８が、上冷却板３１には冷却端子１９，２０が、上冷却板３２には冷却端子２１が、上冷却板３３には冷却端子２２，２３が、上冷却板３４には冷却端子２４，２５が、上冷却板３５には冷却端子２６，２７が、それぞれ備わっている。

上冷却板２８～３５は、周方向や径方向のスリットで互いに隔てられており、互いに電気的に絶縁されている。なお、各上冷却板の間にポリアミドフィルム等を挟んでも良い。ここで、本明細書において「電気的に絶縁している」とは、例えば電気抵抗値が１ＭΩ以上ある状態を指すものとする。また、図示していないが、下冷却板は上冷却板と同じ構造をしている。

図５は、内周冷却板４６～４９を示した平面図である。巻線部５０の内周面に熱的に接触している内周冷却板は、内周冷却板４６～４９のように、巻線周方向に分割されている。そして、内周冷却板４６には冷却端子３６～３８が、内周冷却板４７には冷却端子３９，４０が、内周冷却板４８には冷却端子４１～４３が、内周冷却板４９には冷却端子４４，４５が、それぞれ備わっている。

また、内周冷却板４６～４９の冷却端子３６～４５は、いずれも超電導コイルの内周側に位置している。そして、冷却端子３６～４５は、いずれも巻線径方向にスリットが入っている。さらに、冷却端子３６～３９，４５は、熱良導体を介して冷凍機先端部１２と接続されている。同様に、冷却端子４０～４４は、熱良導体を介して冷凍機先端部１３と接続されている。

図６は、超電導コイル６の断面図であり、具体的には、図４のｂ１－ｂ２断面における磁束線の様子を破線矢印で示したものである。内周冷却板４６は、中央スリット５１によって上下に二分割されている。図示しないが、内周冷却板４７～４９も中央スリットによって二分割されている。冷却端子１４と冷却端子３６は重なっているが、間にポリイミドフィルムなどを挟むことで電気的に絶縁されている。

次に、図２から図６で示された超電導磁石装置の構成による効果について説明する。
超電導コイルの通電電流が変化して、巻線部５０を貫く磁束量が変化すると、巻線部５０に交流損失が発生して発熱する。そこで、本実施例では、巻線部５０の上面と熱的に接触する上冷却板２８，２９と、巻線部５０の内周面と熱的に接触する内周冷却板４６と、巻線部５０の下面と熱的に接触する下冷却板５２，５３と、を設けた。これらの冷却板は冷却端子１４，３６，５４，５５から熱良導体を経て冷凍機と接続されているため、巻線部５０の交流損失で発生した熱が伝導冷却される。

特に、コイルが環状の場合、巻線部５０の内周側に磁束が集中し、巻線部５０を貫く磁束分布は、内周側が密になり、外周側が疎になる。従って、超電導コイルの通電電流が変化したとき、巻線部５０のうち、印加される磁場が大きい内周側の交流損失が、大きくなる。このため、超電導線の内周面と熱的に接触する内周冷却板４６を設けることで、超電導線の内周側の交流損失を速やかに除熱できる。このように、巻線部５０の内周側に生じる交流損失が速やかに除熱できると、超電導状態を維持することが可能となる。

さらに、本実施例のように、超電導線を略レーストラック状に巻回している場合、短直線部から円弧部（コーナー部１０２等）を通って長直線部の入口付近までにおける内周側が、特に磁場が大きくなり、交流損失が大きくなる。そこで、本実施例では、短直線部の内周側に冷却端子３６，４１を設け、長直線部の入口付近（長直線部のうち円弧部寄り）の内周側に冷却端子３７，３８，４２，４３を設けた。このように、発熱量の大きい箇所に冷却端子を効率的に配置して、冷凍機からの伝熱経路を確保している。なお、本実施例では、円弧部と比べて冷却端子を設置し易い直線部に各冷却端子を設けたが、円弧部に冷却端子を設置しても良い。

また、超電導コイルの通電電流が変化すると、冷却板を貫く磁束量も変化するので、冷却板に渦電流損失が生じる。特に、冷却板は無酸素銅などの金属製であるため、渦電流損失が大きくなり易い。このとき、図６に示したように、上冷却板２８や下冷却板５２を貫く磁束量は、内周冷却板４６を貫く磁束量よりも大きいため、上冷却板２８や下冷却板５２に発生する誘導起電力は、内周冷却板４６に発生する誘導起電力よりも大きい。従って、内周冷却板４６と上冷却板２８や下冷却板５２が電気的に接続されていると、小さな誘導起電力しか発生していない内周冷却板４６にも、上冷却板２８や下冷却板５２で発生した大きな渦電流が流れ込んでしまう。その場合、内周冷却板４６で大きな渦電流損失が発生して超電導コイルを加熱してしまう可能性がある。そこで、本実施例では、上冷却板２８と内周冷却板４６の間、下冷却板５２と内周冷却板４６との間に、ポリイミドフィルム等を挟んで互いを電気的に絶縁することで、内周冷却板４６に大きな渦電流が流れ込むのを防ぎ、内周冷却板４６での渦電流損失を抑制している。

さらに、上冷却板を貫く磁束量も、内周側（例えば上冷却板２８）の方が、外周側（上冷却板２９）よりも大きいので、内周側に大きな誘導起電力が発生する。従って、上冷却板２８と上冷却板２９のように、上冷却板や下冷却板を巻線周方向のスリットを設け、巻線径方向に電気的に絶縁することで、内周側の冷却板で発生した渦電流が外周側の冷却板に流れ込むのを防ぎ、渦電流損失を抑制できる。

また、上下冷却板も内周冷却板も、巻線周方向に分割され、複数の冷却板で形成されているため、巻線周方向にコイルを一周する大きな電流経路を切ることができ、冷却板の渦電流損失をさらに抑制できる。さらに、各冷却端子にも、巻線径方向のスリットが設けられているので、巻線径方向への伝熱経路を確保しつつ、冷却端子における渦電流損失も抑制できる。

なお、上冷却板、下冷却板及び内周冷却板は、ステンレス容器１１によって巻線部５０に押さえ付けられている。さらに、ステンレス容器１１と冷却板との間には、ポリイミドフィルム等を挟むことで、ステンレス容器１１と冷却板とが電気的に絶縁されている。これによって、分割されている冷却板に、ステンレス容器１１を経由して、渦電流が流れてしまうのを防ぐとともに、冷却板と巻線部５０が熱的に接触する状態を確保して冷却性能を維持することが可能となる。

以上のように、本実施例の超電導磁石装置では、超電導コイルの電流変化に伴う交流損失が最も大きい巻線部内周側に内周冷却板が熱的に接触しているので、交流損失を速やかに除熱できる。また、冷却端子が内周側に位置しているので、冷凍機から内周冷却板までの伝熱距離が効率的であり、より速やかに除熱できる。さらに、内周冷却板が、上冷却板及び下冷却板と電気的に絶縁されているので、内周冷却板に渦電流が流れ込んで超電導コイルを加熱するのも抑制できる。

また、本実施例の超電導磁石装置を粒子線治療システムに適用することで、以下のような効果も得られる。

まず、本実施例の超電導磁石装置を回転ガントリーに適用すると、常伝導磁石の回転ガントリーよりも重量を軽減でき、粒子線治療システムとしても小型化が可能となる。

さらに、粒子線治療では、粒子線のエネルギーを変更することで、照射部位の深さ方向を調整する。粒子線のエネルギーを変更すると、磁場による粒子線の偏向量が変化する。従って、粒子線発生装置で発生した粒子線を腫瘍の所望位置に照射するためには、粒子線に印加する磁場強度をエネルギー変更に追随させる必要がある。しかし、上述のような超電導磁石装置を回転ガントリーに適用することにより、エネルギー変更に伴って超電導磁石の通電電流を変化させても、交流損失の大きい内周側の超電流コイルを内周冷却板で効率よく冷却できる。このため、粒子線のエネルギー変更を高速化して、粒子線治療システムの処理能力を向上させることが可能となる。

本実施例の超電導磁石装置では、実施例１と異なり、各冷却板の外周側に冷却端子が形成されている。図７は、ステンレス容器１１を外した状態における、本実施例の上冷却板の平面図である。本実施例の短直線部にある上冷却板２８，２９，３２，３３は、それぞれ巻線周方向に分割（例えば上冷却板２８ａと上冷却板２８ｂ）されている。そして、上冷却板２８ａには冷却端子１４ａが、上冷却板２８ｂには冷却端子１４ｂが、上冷却板２９ａには冷却端子１５ａが、上冷却板２９ｂには冷却端子１５ｂが、それぞれ備わっている。同様に、他の上冷却板３０～３５についても、冷却端子が備わっている。

なお、本実施例では、巻線周方向に分割された上冷却板の各冷却端子が互いに面する部分に、内周冷却板の冷却端子を挟み込むような構成となっている。例えば、上冷却板２８ａ，２８ｂの冷却端子１４ａ，１４ｂの間に、内周冷却板４６の冷却端子３６が位置している。このため、内周冷却板４６～４９の冷却端子３６～４５も、外周側に形成することが可能となっている。

本実施例によれば、超電導コイルの内周側を通過する粒子線に対して、冷却端子が遠くなるため、冷却端子に流れる渦電流が生成する磁場が粒子線に与える影響を小さくすることができる。

なお、本発明は、上述の実施例１，２に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上述の実施例１，２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も可能であり、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・置換をすることも可能である。

例えば、上述の本実施例１，２では、超電導コイルの形状が、短直線部と長直線部とを有するものであったが、短直線部が存在しなくても良く、楕円を含む他の環状の超電導コイルであっても構わない。

１ 真空容器、２ 輻射シールド、３ 空洞部、４ ビームダクト、５～１０ 超電導コイル、１１ ステンレス容器、１２，１３ 冷凍機先端部、１４～２７ 冷却端子、２８～３５ 上冷却板、３６～４５ 冷却端子、４６～４９ 内周冷却板、５０ 巻線部、５１ 中央スリット、５２，５３ 下冷却板、５４，５５ 冷却端子、１０１ 内側長直線部、１０２，１０４，１０６，１０８ コーナー部、１０３，１０７ 短直線部、１０５ 外側長直線部、１００１ 粒子線治療システム、１００２ 粒子線発生装置、１０１３ 粒子線輸送装置、１００６ 回転ガントリー、１００７ 粒子線照射装置、１０６５ 制御システム

Claims (7)

1. 環状に巻回される超電導線と、前記超電導線を冷却する冷却板と、を備えた超電導磁石装置であって、
   前記冷却板は、前記超電導線の内周面と熱的に接触する内周冷却板と、前記超電導線の上面と熱的に接触する上冷却板と、前記超電導線の下面と熱的に接触する下冷却板と、を有し、
   前記内周冷却板が、前記上冷却板及び前記下冷却板に対して、電気的に絶縁されていることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
   前記内周冷却板、前記上冷却板、前記下冷却板のうち少なくとも１つを冷凍機と接続する冷却端子が、前記超電導線の内周側に位置することを特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
   前記内周冷却板、前記上冷却板、前記下冷却板のうち少なくとも１つを冷凍機と接続する冷却端子が、前記超電導線の巻線径方向のスリットを有することを特徴とする超電導磁石装置。
4. 請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
   前記超電導線が、直線部と円弧部とを有するレーストラック状に巻回されており、
   前記内周冷却板、前記上冷却板、前記下冷却板のうち少なくとも１つを冷凍機と接続する冷却端子が、前記円弧部、または前記直線部のうち前記円弧部寄りに位置することを特徴とする超電導磁石装置。
5. 請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
   前記内周冷却板、前記上冷却板、前記下冷却板のうち少なくとも１つが、巻線周方向に分割されていることを特徴とする超電導磁石装置。
6. 請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
   前記内周冷却板、前記上冷却板、前記下冷却板のうち少なくとも１つが、巻線径方向に分割されていることを特徴とする超電導磁石装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導磁石装置を備えた回転ガントリーを有することを特徴とする粒子線治療システム。

Images