KR102209134B1

KR102209134B1 - 초전도 전자석 장치 및 하전 입자 빔 조사 장치

Info

Publication number: KR102209134B1
Application number: KR1020200162950A
Authority: KR
Inventors: 타쿠지 후루카와; 에리 타케시타; 요우스케 하라
Original assignee: 비 닷 메디컬 아이엔씨.
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-01-28
Also published as: US11058899B1; EP3888746B1; CN113470920B; JP2021159267A; JP6734610B1; EP3888746A1; CN113470920A

Abstract

아이소센터에 연속적인 조사각(θ)으로 하전 입자 빔을 조사할 수 있음과 함께, 종래의 단일의 초전도 전자석을 이용한 초전도 전자석 장치에 비해 축적 에너지를 저감하는 초전도 전자석 장치를 제공한다.
본 발명은, 제1 초전도 전자석과 상기 제1 초전도 전자석에 인접하여 배치된 제2 초전도 전자석을 포함하는 초전도 전자석 군을 구비한 초전도 전자석 장치에 관한 것이다. 상기 제1 및 제2 초전도 전자석 각각이 생성하는 유효 자장 영역은, 소정의 관계식을 만족하도록 형성되어 있다.

Description

초전도 전자석 장치 및 하전 입자 빔 조사 장치{SUPERCONDUCTIVE MAGNET DEVICE AND CHARGED PARTICLE BEAM IRRADIATION APPARATUS}

본 발명은 초전도 전자석 장치 및 하전 입자 빔 조사 장치에 관한 것이다.

종래로부터, 고 에너지로 가속된 하전 입자 빔을 암 등의 악성 종양에 조사하여 악성 종양을 치료하는 입자선 치료가 행해지고 있다.

특허문헌 1에 기재된 입자선 조사 장치에서는, 조사 표적에 대하여 연속적으로 조사 각도를 선택할 수 있는 한편, 거대한 조사 장치를 회전시키기 위한 회전 갠트리가 필요하게 된다(특허문헌 1). 특허문헌 2에는, 회전 갠트리를 사용하지 않고 임의의 각도로부터 하전 입자 빔을 표적에 조사하는 하전 입자 빔 조사 장치가 개시된다.

일본 특허출원공표공보 제2013-505757호 일본 특허 제6387476호

초전도 전자석에 의해 하전 입자 빔을 편향하여 아이소센터(isocenter)에 연속적인 조사각(θ)으로 수렴시키는 경우, 하전 입자 빔이 통과하는 범위에 균일한 자장을 발생시킬 필요가 있으며, 통상의 초전도 전자석 장치보다도 축적 에너지(=LI²/2:L은 인덕턴스, I는 전류)가 커진다. 축적 에너지가 큰 초전도 전자석은 자장을 발생시킬 때의 전압이 높아지기 때문에, 일반적으로는 전류를 올려 전압을 허용할 수 있는 범위까지 낮추는 설계를 행할 필요가 있다. 그러나, 초전도 냉각열 부하의 관계상, 전류를 올리는 데에도 한계가 있고, 전압을 낮추는 데에도 한계가 있다.

비교적 큰 축적 에너지를 갖는 초전도 전자석이 ??치(초전도 특성의 소실)를 발생시켜 버리면, 초전도 전자석의 초전도 코일에 전기 저항이 생긴다. 거기에 코일 전류가 흐르면, 국소적인 온도 상승이 생기고, 결과, 초전도 코일이 파손될 우려가 있다. 이와 같이 초전도 전자석에서는 ??치 대책이 필요하다. ??치 대책으로서 예컨대 초전도 코일에 병렬로 접속된 보호 저항을 이용한다. 이 경우는, ??치 시에 발생하는 ??치 전압(=보호 저항×축적된 ??치 전의 전류)은, 초전도 코일의 덤프 시 정수 L/R(R은 보호 저항이다. 덤프 시 정수는 전류를 소비하는 시간이다.)과 축적 에너지(LI²/2)로 정해진다.

균일한 고 자장을 발생시키는 초전도 전자석에서는, 고 자장에 상당하는 자속을 그 공간에 가둬 둘 필요가 있기 때문에, 축적 에너지가 커진다. 축적 에너지가 커지면 초전도 코일 단자 사이의 전압이나 ??치 시에 발생하는 ??치 전압도 커지기 때문에, 축적 에너지는 가능한 한 작게 할 필요가 있다. 또한, 축적 에너지가 큰 초전도 전자석에서는, 초전도 코일로부터 발생하는 누설 자장도 커진다.

이에 본 발명은, 아이소센터에 대하여 연속적인 조사각(θ)으로 하전 입자 빔의 조사를 가능하게 함과 함께, 종래의 것에 비해 초전도 전자석의 축적 에너지를 저감하는 초전도 전자석 장치 및 그것을 구비한 하전 입자 빔 조사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에는 이하의 양태 [1]∼[9]가 포함된다.

[양태 1]

제1 초전도 전자석과 상기 제1 초전도 전자석에 인접하여 배치된 제2 초전도 전자석을 포함하는 초전도 전자석 군을 구비한 초전도 전자석 장치로서,

상기 제1 초전도 전자석의, 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍은, 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)으로 자장이 향한 제1 유효 자장 영역을 생성하도록 구성되어 있고, 여기에서 X축과 Z축 양쪽에 직교하는 축을 Y축으로 하며,

상기 제2 초전도 전자석의, 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍은, 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)으로 자장이 향한 제2 유효 자장 영역을 생성하도록 구성되어 있고,

상기 제1 초전도 전자석의 자장의 방향과 상기 제2 초전도 전자석의 자장의 방향은 동일하며,

상기 제1 유효 자장 영역과 상기 제2 유효 자장 영역은 인접하여 배치되고, 상기 제2 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값은, 상기 제1 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값보다도 크고,

(i) 상기 제1 유효 자장 영역에 대하여, XY면에서,

편향 기점(Q)에서 X축에 대한 편향각(φ)으로 편향하고, 상기 제1 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔은 상기 제1 유효 자장 영역에 의해 편향되며, X축에 대한 조사각(θ)으로 아이소센터에 조사되고,

상기 제1 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 출사측의 경계 위의 임의의 점 P2는, 상기 아이소센터로부터 등거리(r₁)의 위치에 있으며,

상기 제1 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 입사측의 경계 위의 점 P1과 상기 점 P2는, 반경(r₂) 및 중심각(θ+φ)의 원호 위에 있고,

상기 편향 기점(Q)과 상기 점 P1과의 사이의 거리(R)는, 상기 편향 기점(Q)과 상기 아이소센터와의 사이의 거리를 L로 하면, 관계식 (4):

을 만족하고,

(ii) 상기 제2 유효 자장 영역에 대하여, XY면에서,

편향 기점(Q)에서 X축에 대한 편향각(φ)으로 편향하고, 상기 제2 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔은 상기 제2 유효 자장 영역에 의해 편향되며, X축에 대한 조사각(θ)으로 상기 아이소센터에 조사되고,

상기 제2 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 출사측의 경계 위의 임의의 점 P4는, 상기 아이소센터로부터 등거리(r₁)의 위치에 있으며,

상기 제2 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 입사측의 경계 위의 점 P3과 상기 점 P4는, 반경(r₃) 및 중심각(θ+φ)의 원호 위에 있고,

상기 편향 기점(Q)과 상기 점 P3과의 사이의 거리(R)는, 관계식 (4a):

을 만족하는, 상기 초전도 전자석 장치.

[양태 2]

상기 제1 유효 자장 영역 중 가장 상기 제2 유효 자장 영역 측에 위치하는 상기 점 P1과 상기 편향 기점(Q)과의 편향각(φ)을 φ_max로 하고, 편향각(φ)_max으로 상기 제1 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔의 상기 아이소센터로의 조사각(θ)을 θ_max로 하면,

상기 제2 유효 자장 영역은, XY면에서 상기 제1 유효 자장 영역에 대하여 X축에 대한 각도 Ψ=(θ_max-φ_max)/2만큼 경사시키고, 상기 제1 유효 자장 영역에 인접하여 배치되어 있는, 양태 1에 기재된 초전도 전자석 장치.

[양태 3]

상기 제1 초전도 전자석의 인덕턴스와 상기 제2 초전도 전자석의 인덕턴스는 동일한, 양태 1 또는 2에 기재된 초전도 전자석 장치.

[양태 4]

상기 제1 초전도 전자석의 초전도 코일 내부 또는 상기 제2 초전도 전자석의 초전도 코일 내부에 자극(磁極)이 포함되어 있는, 양태 1∼3 중 어느 한 항에 기재된 초전도 전자석 장치.

[양태 5]

상기 제2 유효 자장 영역은, 상기 제1 유효 자장 영역과 일부 중첩되어 있는, 양태 1∼4 중 어느 한 항에 기재된 초전도 전자석 장치.

[양태 6]

상기 초전도 전자석 군은, 상기 제2 초전도 전자석에 인접하여 배치된 제3 초전도 전자석을 더 구비하고,

상기 제3 초전도 전자석의, 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍은, 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)으로 자장이 향한 제3 유효 자장 영역을 생성하도록 구성되어 있으며,

상기 제2 초전도 전자석의 자장의 방향과 상기 제3 초전도 전자석의 자장의 방향은 동일하고,

상기 제2 유효 자장 영역과 상기 제3 유효 자장 영역은 인접하여 배치되고, 상기 제3 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값은, 상기 제2 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값보다도 크고,

(iii) 상기 제3 유효 자장 영역에 대하여, XY면에서,

편향 기점(Q)에서 X축에 대한 편향각(φ)으로 편향하고, 상기 제3 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔은 상기 제3 유효 자장 영역에 의해 편향되며, X축에 대한 조사각(θ)으로 아이소센터에 조사되고,

상기 제3 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 출사측의 경계 위의 임의의 점 P6은, 상기 아이소센터로부터 등거리(r₁)의 위치에 있으며,

상기 제3 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 입사측의 경계 위의 점 P5와 상기 점 P6은, 반경(r4) 및 중심각(θ+φ)의 원호 위에 있고,

상기 편향 기점(Q)과 상기 점 P5와의 사이의 거리(R)는, 관계식 (4b):

을 만족하고,

상기 제2 유효 자장 영역은, 상기 제1 유효 자장 영역 및 상기 제3 유효 자장 영역과 일부 중첩되어 있는, 양태 1∼4 중 어느 한 항에 기재된 초전도 전자석 장치.

[양태 7]

상기 제1 및 제2 초전도 전자석에 전류를 공급하여 여자(勵磁)하기 위한 2개 이상의 전원과,

상기 조사각(θ)에 따라, 상기 전원으로부터의 전류의 공급을 상기 제1 및 제2 초전도 전자석과의 사이에서 절환하는 절환기와,

를 더 구비하는, 양태 1∼6 중 어느 한 항에 기재된 초전도 전자석 장치.

[양태 8]

양태 1∼7 중 어느 한 항에 기재된 초전도 전자석 장치를 구비한 하전 입자 빔 조사 장치.

[양태 9]

가속기로부터의 하전 입자 빔을, 상기 편향 기점(Q)에서 10도 이상의 편향각(φ)으로 편향하는 배분 전자석을 더 구비한 양태 8에 기재된 하전 입자 빔 조사 장치.

본 발명의 일 실시형태에 따른 초전도 전자석 장치에 의해, 아이소센터에 대하여 연속적인 조사각(θ)으로 하전 입자 빔의 조사를 가능하게 함과 함께, 종래의 단일의 초전도 전자석을 이용한 초전도 전자석 장치에 비해 축적 에너지를 저감할 수 있으며, 그 결과 ??치 전압 및 누설 자장의 영향도 저감할 수 있다.

도 1은 하전 입자 빔 조사 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 초전도 전자석 장치의 개략 구성도이다.
도 3은 초전도 전자석 장치의 개략 구성 단면도이다.
도 4는 유효 자장 영역의 형성을 설명하기 위한 도이다.
도 5는 초전도 전자석의 경사 배치를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 동일한 인덕턴스를 갖는 초전도 전자석을 설명하기 위한 도이다.
도 7은 전원 및 절환기와 초전도 전자석의 블록도이다.
도 8은 전원 및 절환기와 초전도 전자석의 블록도이다.
도 9는 자속 밀도와 유효 자장 영역과의 관계를 나타내는 도이다.
도 10은 초전도 전자석 장치의 개략 구성 단면도이다.
도 11은 종래 기술의 초전도 전자석 장치를 설명하기 위한 도이다.

<제1 실시형태>

도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 초전도 전자석 장치(100)를 구비한 하전 입자 빔 조사 장치(10)의 개략 구성도이다. 하전 입자 빔 조사 장치(10)는 초전도 전자석 장치(100)를 구비한다. 하전 입자 빔 조사 장치(10)는 가속기(20), 하전 입자 빔 수송계(30) 및 조사 노즐(40)을 더 구비하고 있어도 된다. 조사 노즐(40)은 환자를 싣는 치료대가 구비된 치료실 내에 배치된다.

초전도 전자석 장치(100)의 초전도 전자석 군(110, 120)은 크라이오스탯(105)에 내포된다. 크라이오스탯(105) 내에는 극저온으로 유지된다. 하전 입자 빔이 통과하는 초전도 전자석 장치(100)의 초전도 상태를 유지하면서, 유효 자장 영역을 가능한 진공으로 유지하도록 하여도 된다. 크라이오스탯(105)에 이용하는 냉매는, 예컨대 헬륨 기체, 액체 헬륨 또는 액체 질소 등이다.

가속기(20)는 하전 입자 빔을 생성하는 장치이고, 예컨대 싱크로트론, 사이크로트론 또는 선형 가속기이다. 가속기(20)로 생성된 하전 입자 빔은, 하전 입자 빔 수송계(30)를 통해 초전도 전자석 장치(100)로 인도된다.

하전 입자 빔 수송계(30)에는 하나 또는 복수의 하전 입자 빔 조정 수단(31), 진공 덕트(32), 배분 전자석(33) 및 부채형 진공 덕트(34) 등이 포함된다. 가속기(20), 하전 입자 빔 조정 수단(31) 및 배분 전자석(33)은 진공 덕트(32)로 접속되고, 배분 전자석(33) 및 초전도 전자석 장치(100)는 부채형 진공 덕트(34)로 접속되어 있다. XY면(도 2 참조)에서의 부채형 진공 덕트(34)의 형상을 부채형상으로 함으로써, 10도 이상의 편향각(φ)으로 편향된 하전 입자 빔이어도 상기 진공 덕트 내를 통과할 수 있고, 직사각형상의 진공 덕트에 비해 소형화할 수 있어, 설치 스페이스를 저감할 수 있다.

하전 입자 빔은 상류 측의 가속기(20)로 생성되고, 감쇠를 피하거나 저감하기 위하여 진공 덕트(32, 34) 내를 나아가고, 하전 입자 빔 조정 수단(31)에 의한 조정을 받으면서 하류 측의 초전도 전자석 장치(100)로 인도된다.

하전 입자 빔 조정 수단(31)에는 하전 입자 빔의 빔 형상 및/또는 선량을 조정하기 위한 빔 슬릿, 하전 입자 빔의 진행 방향을 조정하기 위한 전자석, 하전 입자 빔의 빔 형상을 조정하기 위한 4극 전자석 및 하전 입자 빔의 빔 위치를 미세조정하기 위한 스티어링 전자석 등이 사양에 따라 적절하게 포함된다.

하전 입자 빔의 배분 전자석(33)으로부터 아이소센터(O)(환자의 환부)까지의 경로는, 후술하는 조사각(θ)에 따라 상이하다. 이 점으로부터, 하전 입자 빔이 받는 광학적 요소도 조사각(θ)에 따라 바뀌고, 아이소센터(O)에서의 하전 입자 빔의 빔 형상이 조사각(θ)에 따라 바뀌는 경우가 있다. 이에 대하여, 예컨대 초전도 전자석 장치(100)보다도 상류 측에 설치된 하전 입자 빔 조정 수단(31)을 조사각(θ)마다 제어하고, 아이소센터(O)에서의 하전 입자 빔의 빔 형상이 적절하게 되도록 조정하도록 하여도 된다.

배분 전자석(33)은 하전 입자 빔을 후술하는 편향각(φ)으로 연속적으로 편향하고, 초전도 전자석 장치(100)에 하전 입자 빔을 출사하도록 구성되어 있다. 초전도 전자석 장치(100)는, 편향각(φ)에 따라 입사해 오는 하전 입자 빔을 받고, 아이소센터(O)로 향하는 하전 입자 빔의 조사각(θ)을 연속적으로 바꾸도록 구성되어 있다.

조사 노즐(40)은 하전 입자 빔을 이용한 치료 등이 행해지는 치료실 내에 위치하고, XY면에서 초전도 전자석 군(110, 120)이 생성하는 유효 자장 영역의 출사측의 형상(경계 형상)에 따르도록 연속적으로 이동한다. 해당 유효 자장 영역의 출사측으로부터 아이소센터(O)로 향하는 하전 입자 빔은 조사 노즐(40) 내를 통과하고, 조사 노즐(40)에 의해 하전 입자 빔의 진행 방향 등이 미세조정된다.

조사 노즐(40)은 주사 전자석, 빔 모니터 및 에너지 변조 수단을 구비한다(어느 것도 도시하지 않음). 주사 전자석은 흐르는 전류량이나 전류의 방향을 조정함으로써, 조사 노즐(40)로부터 출사하는 하전 입자 빔의 진행 방향을 미세조정하고, 비교적 좁은 범위 내에서 하전 입자 빔을 스캔(주사) 가능하게 한다. 빔 모니터는 하전 입자 빔을 감시하고, 선량 모니터나 빔의 위치 및 평탄도를 계측한다. 에너지 변조 수단은 하전 입자 빔의 에너지를 조정하여 하전 입자 빔의 환자 내에 도달하는 깊이를 조정한다. 에너지 변조 수단은, 예컨대 레인지 모듈레이터, 산란체, 리지 필터, 환자 콜리메이터, 환자 보러스, 어플리케이터 또는 이들의 조합이다.

도 2는, 초전도 전자석 장치(100)의 개략 구성도이다. 도 2에서 하전 입자 빔의 진행 방향을 X축, 초전도 전자석 장치(100)가 생성하는 자장의 방향을 Z축, X축 및 Z축에 직교하는 방향을 Y축으로 한다. 초전도 전자석 장치(100)는, XY면에서 X축에 대한 편향각(φ)의 넓은 범위로부터 입사하는 하전 입자 빔을, 아이소센터(O)에 수렴시키도록 구성되어 있다.

또한, 도 2∼10에서는, 조사 노즐(40)은 생략하고, 설명을 간단하게 하기 위하여, 아이소센터(O)를 XYZ 공간의 원점으로 하고, 상류 측(가속기 측)을 X축의 양의 방향으로 하고 있다. 또한, 편향각(φ)은, XY면에서 배분 전자석(33)의 편향 기점(Q)에서 편향되는 X축에 대한 각도이다.

편향각(φ)의 범위는 -90도 초과∼+90도 미만의 범위에 있고, 플러스(+Y축 방향)의 편향각 범위와 마이너스(-Y축 방향)의 편향각 범위는 상이하여도 된다(비대칭). 예컨대, 플러스 측의 최대 편향각(φ=φ_MAX)을 10도, 15도, 20도, 25도, 30도, 35도, 40도, 45도, 50도, 60도, 70도, 80도, 및 85도 중 어느 하나로 하고, 마이너스 측의 최대 편향각(φ=-φ_MAX)을 -10도, -15도, -20도, -25도, -30도, -35도, -40도, -45도, -50도, -60도, -70도, -80도 및 -85도 중 어느 하나로 하여도 된다.

초전도 전자석 장치(100)는 1조(組) 이상의 초전도 전자석 군을 구비한다. 도 2 및 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 초전도 전자석 장치(100)는 초전도 전자석 군(110) 및 초전도 전자석 군(120)의 2조의 초전도 전자석 군을 구비하고 있지만, 하나 이상의 초전도 전자석 군을 구비하고 있으면 된다.

초전도 전자석 군(110)은 복수의 초전도 전자석(111∼113)으로 구성되며, 초전도 전자석 군(120)은 복수의 초전도 전자석(121∼123)으로 구성된다. 본 실시형태에서는, 각 초전도 전자석 군에 포함되는 초전도 전자석의 수는 3개이지만, 이에 한정되지 않는다. 축적 에너지의 저감을 위해서는, 각 초전도 전자석 군에 포함되는 초전도 전자석의 수는 2개 이상이면 된다.

초전도 전자석(111∼113)은 각각 하전 입자 빔의 진행 방향과 하전 입자 빔의 편향각(φ)의 확산 방향에 직교하는 방향(도 중 Z축 방향)을 향한 복수의 균일한 자장(유효 자장 영역(131∼133))을 생성한다. 초전도 전자석(121∼123)은 각각 하전 입자 빔의 진행 방향과 하전 입자 빔의 편향각(φ)의 확산 방향에 직교하는 방향(도 중 Z축 방향)을 향한 복수의 균일한 자장(유효 자장 영역(141∼143))을 생성한다. 유효 자장 영역의 형상 및 자속 밀도는 초전도 코일 및 자극의 형상을 조정하고, 흐르는 전류를 조정함으로써 조정 가능하다.

초전도 전자석 군(110)의 초전도 전자석(111)과 초전도 전자석(112)은 인접하여 배치되고, 초전도 전자석(112)과 초전도 전자석(113)은 인접하여 배치되어 있다. 초전도 전자석(111∼113) 각각의, 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍(111a∼113a)은 각각 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)으로 자장이 향한 유효 자장 영역(131∼133)을 생성하도록 구성되어 있다. 유효 자장 영역(131)은 유효 자장 영역(132)에 인접하여 배치되고, 유효 자장 영역(132)은 유효 자장 영역(133)에 인접하여 배치되어 있다. 유효 자장 영역(132)의 Y축 위치의 절대값은 유효 자장 영역(131)의 Y축 위치의 절대값에 비해 크고, 유효 자장 영역(133)의 Y축 위치의 절대값은 유효 자장 영역(132)의 Y축 위치의 절대값에 비해 크다.

마찬가지로, 초전도 전자석 군(120)의 초전도 전자석(121)과 초전도 전자석(122)은 인접하여 배치되고, 초전도 전자석(122)과 초전도 전자석(123)은 인접하여 배치되어 있다. 초전도 전자석(121∼123) 각각의 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍(121a∼123a)은 각각 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)에 자장이 향한 유효 자장 영역(141∼143)을 생성하도록 구성되어 있다. 유효 자장 영역(141)은 유효 자장 영역(142)에 인접하여 배치되고, 유효 자장 영역(142)은 유효 자장 영역(143)에 인접하여 배치되어 있다. 유효 자장 영역(142)의 Y축 위치의 절대값은 유효 자장 영역(141)의 Y축 위치의 절대값에 비해 크고, 유효 자장 영역(143)의 Y축 위치의 절대값은 유효 자장 영역(142)의 Y축 위치의 절대값에 비해 크다.

또한, 하전 입자 빔이 통과하는, 대향하는 초전도 코일 사이의 극간은(Z축 방향의 거리), XY면에서의 하전 입자 빔의 확산 범위에 비해 충분히 작기 때문에, 하전 입자 빔의 Z축 방향의 확산은 고려하지 않는다. 또한, 도면 상에서는 설명을 위하여, 인접하는 유효 자장 영역 사이에 뚜렷한 차이가 존재하지만, 본 실시형태에서는 이 차이에 의한 영향은 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정한다.

도 3은, 초전도 전자석 장치(100)의 A-A선 단면도이다. 초전도 전자석 장치(100)는 2조의 초전도 전자석 군(110, 120)을 구비하고, 초전도 전자석 군(110, 120)은 각각 복수의 초전도 전자석(111∼113, 121∼123)으로 구성된다.

초전도 전자석(111)은 대향하는 초전도 코일 쌍(111a)을 구비하고, 초전도 코일 쌍(111a)의 내부에는 자극(폴)(111b)이 포함되어 있다. 마찬가지로, 다른 초전도 전자석(112∼113, 121∼123)도 각각 대향하는 초전도 코일 쌍(112a∼113a, 121a∼123a)을 구비하고, 그 내부에는 자극(폴)(112b∼113b, 121b∼123b)이 포함되어 있다.

또한, 자극(폴)(112b∼113b, 121b∼123b)은 각각 초전도 코일 쌍(112a∼113a, 121a∼123a)의 자장 강도를 높이기 위하여 사용되고 있지만, 자극을 이용하지 않는 양태이어도 된다. 또한, 자극은 복수의 초전도 코일 쌍(112a∼113b, 121a∼123a) 중 모두에 이용하고 있을 필요는 없고, 필요에 따라 소망하는 초전도 코일만 이용하도록 하여도 된다. 예컨대, 유효 자장 영역에서의 하전 입자 빔의 원 운동의 필요한 곡률 반경에 따라 자극의 유무를 바꾸어도 된다.

초전도 전자석 장치(100)에 전원(도시하지 않음)이 접속되어 있고, 전원으로부터 초전도 전자석(111∼113, 121∼123)에 전류(여자 전류)가 공급됨으로써, 유효 자장 영역(131∼133, 141∼143)이 형성된다.

또한, 초전도 전자석 군(110) 중의 초전도 전자석의 수와, 초전도 전자석 군(120) 중의 초전도 전자석의 수를 상이하게 하여도 된다. 예컨대, 플러스(+Y축 방향)의 초전도 전자석 군(110)의 초전도 전자석 수를 3개로 하여 유효 자장 영역(131∼133)을 형성하고, 마이너스(-Y축 방향)의 초전도 전자석 군(120)의 초전도 전자석 수를 2개로 하여 유효 자장 영역(141∼142)을 형성하도록 하여도 된다. 또한, 플러스(+Y축 방향)의 편향각(φ)의 범위와 마이너스(-Y축 방향)의 편향각(φ)의 범위가 비대칭이면, 그에 따라 유효 자장 영역을 비대칭으로 형성하면 된다. 이로 인해, 사용되지 않는 유효 자장 영역을 삭감할 수 있으며, 제조 비용이나 소비 전력을 저감할 수 있다.

배분 전자석(33)에 의해 편향되고, 초전도 전자석 장치(100)의 유효 자장 영역(131∼133, 141∼143)에 입사하는 하전 입자 빔의 편향각(φ)의 범위는, 플러스의 최대 편향각(φ=φ_MAX)으로부터 마이너스의 최대 편향각(φ=-φ_MAX)의 범위이고, 플러스의 최대 편향각(φ)_MAX은 10도 이상 90도 미만의 각도이며, 마이너스의 최대 편향각 -φ_MAX은 -90도 초과 -10도 이하의 각도이다. 편향각(φ) 및 후술하는 조사각(θ)은, XY면에서, X축에 대한 하전 입자 빔의 경로의 각도이다.

플러스의 편향각 범위(φ=0 초과∼φ_MAX)에서 입사한 하전 입자 빔은, 편향각(φ)에 따라 유효 자장 영역(131∼133) 중 어느 하나에 입사한다. 유효 자장 영역(131∼133) 중 어느 하나에 하전 입자 빔이 입사하여도, 하전 입자 빔이 편향되고, 아이소센터(O)에 수렴하도록 유효 자장 영역(131∼133)의 형상 및 자속 밀도(B)는 설정된다. 또한, 유효 자장 영역(141∼143)에 대해서도 마찬가지로, 마이너스의 편향각 범위(φ=0 미만∼-φ_MAX)에서 입사한 하전 입자 빔은, 편향각(φ)에 따라 유효 자장 영역(141∼143) 중 어느 하나에 입사한다. 유효 자장 영역(141∼143) 중 어느 하나에 하전 입자 빔이 입사하여도, 하전 입자 빔이 편향되고, 아이소센터(O)에 수렴하도록 유효 자장 영역(141∼143)의 형상 및 자속 밀도(B)는 설정된다. 유효 자장 영역(131∼133)과 유효 자장 영역(141∼143)의 자장의 방향은 서로 반대 방향이다.

초전도 전자석 장치(100)에 입사하는 하전 입자 빔의 편향각(φ)은 배분 전자석(33)에 의해 제어된다. 배분 전자석(33)은, 가속기(도시하지 않음)로부터 공급되는 하전 입자 빔의 진행 방향(도 중 X축)에 직교하는 방향(도 중 Z축)을 향한 자장을 생성하고, 통과하는 하전 입자 빔을 편향하는 전자석과, 해당 자장의 강도 및 방향을 제어하는 제어부를 구비한다(도시하지 않음). 배분 전자석(33)은 후술하는 전자석 제어부(도시하지 않음)가 배분 전자석(33)의 자장의 강도 및 방향(Z축 방향)을 제어함으로써, XY면에서 하전 입자 빔을 편향하고, 편향 기점(Q)에서 편향각(φ)으로 편향한 하전 입자 빔을 초전도 전자석 장치(100)에 출사한다. 여기에서, 편향 기점(Q)과 아이소센터(O)는 X축 위에 있다.

도 4를 참조하여, 초전도 전자석 장치(100)의 각 유효 자장 영역(131∼133, 141∼143)을 형성하기 위한 계산식에 대하여 설명한다. 또한, Z축 방향으로의 하전 입자 빔의 편향은 고려하지 않기 때문에, XY면에서의 각 유효 자장 영역(131∼133, 141∼143)의 형성에 대하여 설명한다. 초전도 전자석 장치(100)의 초전도 전자석 군(110)의 유효 자장 영역(131∼133)에 대하여 설명하지만, 초전도 전자석 군(120)의 유효 자장 영역(141∼143)에 대해서도 마찬가지이므로 설명은 생략한다. 또한, 본 실시형태에서는, 인접하는 유효 자장 영역 사이의 극간은 유효 자장 영역의 면적에 비해 충분히 작기 때문에 고려하지 않는다.

도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 하전 입자 빔의 출사측 E에 해당하는 유효 자장 영역(131∼133) 각각의 경계는, 아이소센터(O)로부터 등거리(r₁)의 위치에 있는 범위가 되도록 정한다.

하전 입자 빔의 입사측(I)의 유효 자장 영역(131∼133) 각각의 경계는, 후술하는 관계식 (1)∼(5)에 근거하여, 아이소센터(O)로부터 소정의 거리 L의 위치에 있는 가상상의 편향 기점(Q)에서 편향각(φ)으로 편향하여 입사하는 하전 입자 빔이, 아이소센터(O)에 수렴하도록 정해진다. 여기에서, 가상상의 편향 기점(Q)는, 배분 전자석(33)의 중심에서 하전 입자 빔이 편향각(φ)의 킥(kick)을 극 단거리의 사이에 받는다고 가정한 점이다.

XY면에서의 유효 자장 영역(131)의 형상에 대하여, 편향각(φ)으로 수송되어 온 하전 입자 빔은, 입사측(I)의 유효 자장 영역(131)의 경계 위의 임의의(어느 하나의) 점 P1로부터 들어가, 유효 자장 영역(131) 내에서 곡률 반경(r₂)의 원 운동을 행하고(이 때의 중심각은 (φ+θ)가 된다.), 출사측 E의 유효 자장 영역(131)의 경계 위의 점 P2로부터 나와 아이소센터(O)를 향해 조사된다. 즉, 점 P1과 점 P2는 반경(r₂) 및 중심각(φ+θ)의 원호 위에 있다. 유효 자장 영역(131)에 입사하는 하전 입자 빔의 편향각(φ)의 범위는 0 초과∼φ_max1의 범위가 된다(φ_max1<φ_MAX).

XY면에서 아이소센터(O)를 원점으로 하는 XY 좌표계를 상정한다. 출사측 E의 점 P2와 아이소센터(O)를 잇는 직선과 X축이 이루는 각도를 조사각(θ)으로 하면, 입사측(I)의 점 P1의 좌표(x, y), 편향각(φ) 및 점 Q와 점 P1과의 사이의 거리(R)는, 이하의 관계식 (1)∼(4)으로부터 구해진다.

여기에서, 유효 자장 영역(131) 내에는 균일한 자속 밀도(B)의 자장이 생기고 있으며, 하전 입자 빔의 운동량을 p(거의 가속기에 의존함), 전하를 q로 하면, 자장 중에서 편향되는 하전 입자 빔의 곡률 반경(r₂)(원 운동의 반경)은 식 (5)로 나타낸다.

상기 식 (1)∼(5)에 근거하여, 초전도 전자석(111)의 초전도 코일 쌍(111a) 및 자극(111b)의 형상 및 배치를 조정하고, 초전도 전자석(111)에 흐르는 전류를 조정함으로써, 유효 자장 영역(131)의 경계의 형상을 조정할 수 있다.

즉, 출사측 E의 유효 자장 영역(131)의 경계 위의 임의의 점 P2와 아이소센터(O)와의 사이의 거리가 등거리(r₁)가 되도록 경계를 정하고, 유효 자장 영역(131)의 자속 밀도(B)를 조정하여 식 (5)으로부터 r₂를 결정하며, 입사측(I)의 유효 자장 영역(131)의 경계 위의 점 P1과 편향 기점(Q)과의 사이의 거리(R)가 식 (4)의 관계를 갖도록 입사측(I)의 유효 자장 영역(131)의 경계를 정한다. 또한, 편향 기점(Q)을 통과하는 하전 입자 빔이 초전도 전자석 장치(100)에 의한 편향을 받지 않아도 아이소센터(O)에 수렴하도록 편향 기점(Q), 초전도 전자석 장치(100) 및 아이소센터(O)의 배치를 조정해 두면, 장치 구성을 보다 심플하게 할 수 있기 때문에 바람직하다.

상기와 같이 하여 구해지는 초전도 전자석 장치(100)의 초전도 전자석(111)의 유효 자장 영역(131)의 경계는, 하전 입자 빔을 아이소센터(O)에 수렴시키기 위한 이상적인 형상이다. 또한, 실제로는 이 이상적인 형상으로부터의 차이와 자장 분포의 불균일성이 있다고 해도, 초전도 전자석 장치(100)의 여자량(자속 밀도(B))을 편향각(φ)마다 미리 미세조정하고, 그 정보를 전원 장치(도시하지 않음)에 기억시켜 두고, 편향각(φ)과 초전도 전자석 장치(100)의 전류량이 연동하도록 그들을 제어함으로써, 하전 입자 빔을 아이소센터(O)에 맞춰 편향시킬 수 있다. 또한, 사전에 자장 분포의 불균일성을 예측할 수 있는 경우에는, 초전도 코일 쌍(111a) 및 자극(111b)의 형상 및 배치를 조정함으로써, 하전 입자 빔의 궤도를 미세조정할 수 있다.

초전도 전자석 군(110)의 초전도 전자석(112)의 유효 자장 영역(132)에 대해서도 마찬가지이다. 그러나, 유효 자장 영역(132)에서는 발생하는 균일한 자장의 자속 밀도(B)를 조정함으로써(전류를 조정), 유효 자장 영역(132) 내에서의 하전 입자 빔의 곡률 반경(r₃)(원 운동의 반경)을 조정하고, 아이소센터(O)에 하전 입자 빔이 수렴하도록 한다. 도 4에 나타내는 양태에서는, 곡률 반경(r₃)은 r₂와 상이하며, r₃>r₂이다. 또한, 유효 자장 영역의 형상 등에 따라서는 r₃=r₂나 r₃<r₂가 되는 경우도 있다.

즉, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, XY면에서의 유효 자장 영역(132)의 형상은, 편향각(φ)으로 수송되어 온 하전 입자 빔이 입사측(I)의 유효 자장 영역(132)의 경계 위의 임의의(어느 하나의) 점P3으로부터 들어가 유효 자장 영역(132) 내에서 곡률 반경(r₃)의 원 운동을 행하고(중심각(φ+θ)), 출사측 E의 유효 자장 영역(132)의 경계 위의 점 P4로부터 나와 아이소센터(O)를 향해 조사된다. 즉, 점 P3과 점 P4는 반경(r₃) 및 중심각(φ+θ)의 원호 위에 있다. 유효 자장 영역(132)에 입사하는 하전 입자 빔의 편향각(φ)의 범위는, φ_max1∼φ_max2의 범위가 된다(φ_max1<φ_max2<φ_MAX). 출사측 E의 점 P4와 아이소센터(O)를 잇는 직선과 X축이 이루는 각도를 조사각(θ)으로 하면, 입사측(I)의 점 P3의 좌표(x, y), 편향각(φ) 및 점 Q와 점 P3과의 사이의 거리(R)는, 상기 식 (1)∼(5) 중 'r₂'를 'r₃'으로 치환한 이하의 관계식 (1a)∼(5a)으로부터 구해진다. 식 (5a) 중 'B'는, 유효 자장 영역(132)의 자속 밀도(B)이다.

상기 식 (1a)∼(5a)에 근거하여, 초전도 전자석(112)의 초전도 코일 쌍(112a) 및 자극(112b)의 형상 및 배치를 조정하고, 초전도 전자석(112)에 흐르는 전류를 조정함으로써, 유효 자장 영역(132)의 경계의 형상을 조정할 수 있다. 즉, 출사측 E의 유효 자장 영역(132)의 경계 위의 임의의 점 P4와 아이소센터(O)와의 사이의 거리가 등거리(r₁)가 되도록 경계를 정하고, 유효 자장 영역(132)의 자속 밀도(B)를 조정하여 식 (5a)으로부터 r₃를 결정하고, 입사측(I)의 유효 자장 영역(132)의 경계 위의 점 P3과 편향 기점(Q)과의 사이의 거리(R)가 식 (4a)의 관계를 갖도록, 입사측(I)의 유효 자장 영역(132)의 경계를 정한다.

초전도 전자석 군(110)의 초전도 전자석(113)의 유효 자장 영역(133)에 대해서도 마찬가지이다. 그러나, 유효 자장 영역(133)에서는 발생하는 균일한 자장의 자속 밀도(B)를 조정함으로써(전류를 조정), 유효 자장 영역(133) 내에서의 하전 입자 빔의 곡률 반경(r₄)(원 운동의 반경)을 조정하고, 아이소센터(O)에 하전 입자 빔이 수렴하도록 한다. 도 4에 나타내는 양태에서는, 곡률 반경(r₄)은 r₂나 r₃과 상이하며, r₄>r₃>r₂이다. 또한, 유효 자장 영역의 형상에 따라서는, r₄=r₃₌r₂나 r₄<r₃<r₂ 등이 되는 경우도 있다.

즉, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, XY면에서의 유효 자장 영역(133)의 형상은, 편향각(φ)으로 수송되어 온 하전 입자 빔이, 입사측(I)의 유효 자장 영역(133)의 경계 위의 임의의(어느 하나의) 점 P5으로부터 들어가 유효 자장 영역(133) 내에서 곡률 반경(r₄)의 원 운동을 행하고(중심각(φ+θ)), 출사측 E의 유효 자장 영역(133)의 경계 위의 점 P6으로부터 나와, 아이소센터(O)를 향해 조사된다. 즉, 점 P5와 점 P6은 반경(r₄) 및 중심각(φ+θ)의 원호 위에 있다. 유효 자장 영역(133)에 입사하는 하전 입자 빔의 편향각(φ)의 범위는, φ_max2∼φ_MAX의 범위가 된다. 출사측 E의 점 P6과 아이소센터(O)를 잇는 직선과 X축이 이루는 각도를 조사각(θ)으로 하면, 입사측(I)의 점 P5의 좌표(x, y), 편향각(φ) 및 점 Q와 점 P5와의 사이의 거리(R)는, 상기 식 (1)∼(5) 중 'r₂'를 'r₄'로 치환한 이하의 관계식 (1b)∼(5b)으로부터 구해진다. 식 (5b) 중 'B'는, 유효 자장 영역(133)의 자속 밀도(B)이다.

상기 식 (1b)∼(5b)에 근거하여, 초전도 전자석(113)의 초전도 코일 쌍(113a) 및 자극(113b)의 형상 및 배치를 조정하고, 초전도 전자석(113)에 흐르는 전류를 조정함으로써, 유효 자장 영역(133)의 경계의 형상을 조정할 수 있다. 즉, 출사측 E의 유효 자장 영역(133)의 경계 위의 임의의 점 P6과 아이소센터(O)와의 사이의 거리가 등거리(r₁)가 되도록 경계를 정하고, 유효 자장 영역(133)의 자속 밀도(B)를 조정하여 식 (5b)로부터 r₄를 결정하며, 입사측(I)의 유효 자장 영역(133)의 경계 위의 점 P5와 편향 기점(Q)과의 사이의 거리(R)가 식 (4b)의 관계를 갖도록, 입사측(I)의 유효 자장 영역(133)의 경계를 정한다.

초전도 전자석 군(120)의 초전도 전자석(121∼123)의 유효 자장 영역(141∼143)의 XY면에서의 형상에 대해서도 유효 자장 영역(131∼133)과 마찬가지이며, 설명은 생략한다.

이상과 같이, XY면에서의 초전도 전자석(111∼113)의 유효 자장 영역(131∼133)의 형상을 규정함으로써, 편향각(φ)에 따른 조사각(θ)의 조사 각도에서 하전 입자 빔을 아이소센터(O)에 수렴시킬 수 있다.

또한, 도 11에 나타내는 종래 기술과 같이 하전 입자 빔을 아이소센터(O)에 수렴시키는 유효 자장 영역을 단일의 초전도 전자석에 의해 형성하는 경우에 비해, 본 실시형태에 따른 초전도 전자석 군(110, 120)을 이용한 경우에는 축적 에너지를 저감할 수 있다. 즉, 초전도 코일의 축적 에너지(=LI²/2)는 초전도 코일의 인덕턴스 L(=BS/I)(S는 자속이 교차하는 면적, 즉 XY면에서의 유효 자장 영역의 면적이다.)에 비례하는 바, 초전도 전자석(111∼113, 121∼123) 각각의 면적(S)을 종래의 단일의 초전도 전자석에 비해 저감할 수 있다. 그 때문에, 각 초전도 전자석(111∼113, 121∼123)의 축적 에너지는, 종래의 단일의 초전도 전자석에 비해 저감할 수 있다. 그 결과, 초전도 코일 단자 사이의 전압이나 ??치 시에 발생하는 ??치 전압을 저감할 수 있으며, 또한 초전도 코일로부터 발생하는 누설 자장도 저감할 수 있다.

<제2 실시형태>

본 발명의 제2 실시형태는, 초전도 전자석 군(110) 중 각 초전도 전자석(111∼113)이, XY면에서 인접하는 초전도 코일에 대하여 기울여 배치되는 구성에 관한 것이다. 또한, Z축 방향으로의 기울기는 고려하지 않는다. 또한, 초전도 전자석 군(120)에 대해서도 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

도 5(a)에 나타내는 바와 같이, XY면에서 유효 자장 영역(132)을 구성하는 초전도 전자석(112)은, 인접하는 초전도 전자석(111)의 유효 자장 영역(131)의 형상에 맞추어 X축에 대하여 각도 Ψ만큼 기울여 배치된다. 즉, 유효 자장 영역(132)은, 유효 자장 영역(131)에 대하여 각도 Ψ만큼 경사시키고, 유효 자장 영역(131)에 인접하여 배치되어 있다.

예컨대, 유효 자장 영역(131) 중 가장 유효 자장 영역(132) 측에 위치하는 입사점(P1)과 출사점(P2)을 지나는 직선(편향각(φ)=φ_max1으로 유효 자장 영역(131)에 입사한 하전 입자 빔이 지나는 경로의 입사점(P1)과 출사점(P2)을 연결하는 직선)은, X축에 대하여 각도 Ψ₁만큼 기울어 있다. Ψ₁은, Ψ₁=(θ-φ)/2=(θ_max1-φ_max1)/2이다(φ=φ_max1일 때의 θ을 θ_max1로 한다). 이와 같이, XY면에서 X축에 대한 각도 Ψ₁로 초전도 전자석(112)을 기울여 초전도 전자석(111)에 인접하여 배치된다. 즉, 유효 자장 영역(132)은 유효 자장 영역(131)에 대하여 각도 Ψ₁만큼 경사시켜 유효 자장 영역(131)에 인접하여 배치되어 있다.

마찬가지로, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, XY면에서 유효 자장 영역(133)을 구성하는 초전도 전자석(113)은, 인접하는 초전도 전자석(112)의 유효 자장 영역(132)의 형상에 맞추어 X축에 대한 각도 Ψ만큼 기울여 배치된다. 즉, 유효 자장 영역(132) 중 가장 유효 자장 영역(133) 측에 위치하는 입사점(P3)과 출사점(P4)을 지나는 직선(편향각(φ)=φ_max2으로 유효 자장 영역(132)에 입사한 하전 입자 빔이 지나는 경로의 입사점(P3)과 출사점(P4)을 연결하는 직선)은, X축에 대하여 각도 Ψ₂만큼 기울어 있다. Ψ₂는, Ψ₂=(θ-φ)/2=(θ_max2-φ_max2)/2로 나타낸다(φ=φ_max2일 때의 θ을 θ_max2로 한다). 이와 같이, XY면에서 X축에 대한 각도 Ψ₂로 초전도 전자석(113)을 기울여 초전도 전자석(112)에 인접하여 배치된다. 즉, 유효 자장 영역(133)은 유효 자장 영역(132)에 대하여 각도 Ψ₂만큼 경사시켜 유효 자장 영역(132)에 인접하여 배치되어 있다.

XY면에서 초전도 전자석(111∼113, 121∼123) 각각에 대하여, 인접하는 초전도 전자석에 대하여 X축에 대한 각도 Ψ만큼 기울여 배치함으로써, 인접하는 유효 자장 영역 사이를 심리스(seamless)하게 연결할 수 있다. 또한, 도면 상에서는 설명을 위하여, 인접하는 유효 자장 영역 사이에 뚜렷한 차이가 존재하지만, 본 실시형태에서는 이 차이에 의한 영향은 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정한다.

<제3 실시형태>

본 발명의 제3 실시형태에서는, 크라이오스탯(105)에 내포되는 초전도 전자석 군(110)에 포함되는 초전도 전자석(111∼115)의 수를 5개로 하고, 초전도 전자석(111∼115) 각각의 인덕턴스(L)를 동일하게 한 양태에 관한 것이다(도 6). 또한, 초전도 전자석 군(120)에 대해서도 마찬가지이며 설명은 생략한다. 또한, 본 실시형태에서는 초전도 전자석의 수는 5개로 한정되지 않는다. 또한, 도 6에서는 유효 자장 영역(131∼135)의 면적이 엄밀하게는 동일하지 않게 보일지도 모르지만, 그것을 의도한 것은 아니다.

본 실시형태에서는, 복수의 초전도 전자석(111∼115)의 각각이 XY면에서 서로 동일한 면적의 유효 자장 영역(131∼135)을 포함한다. 또한, 유효 자장 영역(131∼135) 각각의 자속 밀도(B)도 서로 동일하게 설정된다. 이에 의해, 초전도 전자석 군(110)의 초전도 전자석(111∼115) 각각의 인덕턴스(L)는 서로 동일하게 된다. 또한, 각 유효 자장 영역(131∼135) 내에서는 하전 입자 빔은 서로 동일한 곡률 반경의 원 운동을 행하고, 아이소센터(O)에 수렴하도록 구성되어 있다.

초전도 전자석(111∼115)의 인덕턴스(L)가 갖추어짐으로써, 초전도 전자석(111∼115)에 접속하는 전원으로부터 본 임피던스는 서로 동등하게 되고, 초전도 전자석(111∼115)마다의 전원의 조정은 불필요하게 되어, 전원의 수를 줄일 수 있다. 본 실시형태에서는, 하나의 전원(150)과 하나의 절환기(151)를 이용하여, 초전도 전자석(111∼115) 각각에 통전하는 구성으로 할 수 있다.

도 7은, 전원(150), 절환기(151), 초전도 전자석(111∼115) 및 유효 자장 영역(131∼135)의 블록도이다.

아이소센터(O)로의 조사각(θ)에 따라, 사용하는 초전도 전자석(111∼115)이 선택되고, 절환기(151)에 의해 전원(150)으로부터 전류의 공급을 절환함으로써, 하전 입자 빔이 통과하는 유효 자장 영역(131∼135)에 효과적으로 전류를 공급할 수 있다. 예컨대, 하전 입자 빔이 유효 자장 영역(132)에 입사하는 경우에는, 전원(150)으로부터의 전류를 절환기(151)로 절환하고, 유효 자장 영역(132)이 생기는 초전도 전자석(112)만을 여자하고, 다른 초전도 전자석(111, 113∼115)을 여자하지 않도록 하여도 된다. 또한, 예컨대 하전 입자 빔이 유효 자장 영역(134)에 입사하는 경우에는, 전원(150)으로부터의 전류를 절환기(151)로 절환하고, 유효 자장 영역(134)이 생기는 초전도 전자석(114)만을 여자하고, 다른 초전도 전자석(111∼113, 115)을 여자하지 않도록 하여도 된다. 이와 같이 선택적으로 초전도 전자석을 여자함으로써, 불필요한 자장의 발생을 억제하고, 에너지 소비를 저감하며, ??치나 누설 자장의 발생을 저감할 수 있다.

본 실시형태에서는, 초전도 전자석 군에 포함되는 각 초전도 전자석의 유효 자장 영역의 자속 밀도(B)와 XY면에서의 유효 자장 영역의 면적(S)을 서로 동일하게 하고, 인덕턴스(L)를 일정하게 함으로써, 초전도 전자석의 전원의 수나 여자하는 초전도 전자석의 수를 저감할 수 있어, 전원 관리가 용이하게 된다.

<제4 실시형태>

본 발명의 제4 실시형태에서는, 제3 실시형태와 마찬가지이지만, 초전도 전자석을 여자하기 위한 2개의 전원을 이용한다(도 8). 본 실시형태는, 하전 입자 빔이 인접하는 2개의 유효 자장 영역을 통과하여, 아이소센터(O)에 수렴하는 구성에 관한 것이다.

제3 실시형태와 마찬가지로 초전도 전자석 군(110)에 포함되는 초전도 전자석(111∼115) 각각의 인덕턴스(L)는 동일한 것이지만, 본 실시형태에서는, 하전 입자 빔을 아이소센터(O)에 수렴시키기 위하여 각 유효 자장 영역(131∼135)의 자속 밀도(B) 및 XY면에서의 유효 자장 영역(131∼135)의 면적이 서로 상이하게 구성하고 있다.

즉, 유효 자장 영역(131∼135) 각각의 자속 밀도를 B1∼B5, XY면에서의 면적을 S1∼S5로 하면, 본 실시형태에서는, 전류값(I)이 각 초전도 전자석(111∼115)에서 일정한 경우, L = B1S1 = B2S2 = B3S3 = B4S4 = B5S5가 된다. 이 관계를 만족하도록 유효 자장 영역(131∼135)의 면적(S1∼S5)이 결정된다. 각 초전도 전자석(111∼115)의 인덕턴스는 서로 동일하기 때문에, 전원으로부터 본 경우의 임피던스도 동일하게 된다. 그 결과, 전원은 초전도 전자석(111∼115) 마다의 조정은 불필요하고, 전원 관리가 용이하게 된다.

하전 입자 빔이 유효 자장 영역(132)에 입사 후에 유효 자장 영역(133)에 들어간 후, 유효 자장 영역(132)으로 돌아가서 아이소센터(O)에 조사되는 경우, 전원(150a)은 초전도 전자석(112)을 여자하고, 전원(150b)은 초전도 전자석(113)을 여자한다. 그 외의 초전도 전자석(111, 114, 115)은 여자되지 않기 때문에, 누설 자장의 영향을 저감할 수 있다.

아이소센터(O)로의 조사각(θ)에 따라 절환기(151)에 의해 전류의 공급이 절환되는 패턴인, 초전도 전자석(111∼115)의 여자 패턴의 예 I∼V를 표 1에 나타낸다.

[표 1]

여자 패턴 I은, 하전 입자 빔이 초전도 전자석(114)의 유효 자장 영역(134) 및/또는 초전도 전자석(115)의 유효 자장 영역(135)을 통과하는 경우이며(즉, 하전 입자 빔이 유효 자장 영역(134, 135)을 통과하는 조사각(θ)에 따름), 절환기(151)에 의해 초전도 전자석(114) 및 (115)이 각각 전원(150a) 및 전원(150b)으로 여자되고, 다른 초전도 전자석(111∼113)은 여자되지 않는다.

여자 패턴 II은, 하전 입자 빔이 초전도 전자석(113)의 유효 자장 영역(133) 및/또는 초전도 전자석(114)의 유효 자장 영역(134)을 통과하는 경우이며(즉, 하전 입자 빔이 유효 자장 영역(133, 134)을 통과하는 조사각(θ)에 따름), 초전도 전자석(113) 및 (114)이 각각 전원(150b) 및 전원(150a)으로 여자되고, 다른 초전도 전자석(111, 112, 115)은 여자되지 않는다.

여자 패턴 III은, 하전 입자 빔이 초전도 전자석(112)의 유효 자장 영역(132) 및/또는 초전도 전자석(113)의 유효 자장 영역(133)을 통과하는 경우이며(즉, 하전 입자 빔이 유효 자장 영역(132, 133)을 통과하는 조사각(θ)에 따름), 초전도 전자석(112) 및 (113)이 각각 전원(150a) 및 전원(150b)으로 여자되고, 다른 초전도 전자석(111, 114, 115)은 여자되지 않는다.

여자 패턴 IV은, 하전 입자 빔이 초전도 전자석(111)의 유효 자장 영역(131) 및/또는 초전도 전자석(112)의 유효 자장 영역(132)를 통과하는 경우이며(즉, 하전 입자 빔이 유효 자장 영역(131, 132)을 통과하는 조사각(θ)에 따름), 초전도 전자석(111) 및 (112)이 각각 전원(150b) 및 전원(150a)으로 여자되고, 다른 초전도 전자석(113∼115)은 여자되지 않는다.

여자 패턴 V은, 하전 입자 빔이 초전도 전자석(111)의 유효 자장 영역(131)만을 통과하는 경우이며(즉, 하전 입자 빔이 유효 자장 영역(131)을 통과하는 조사각(θ)에 따름), 초전도 전자석(111)이 전원(150a)으로 여자되고, 다른 초전도 전자석(112∼115)은 여자되지 않는다.

이와 같이, 본 실시형태에서는 선택적으로 초전도 전자석을 여자함으로써 불필요한 자장의 발생을 억제하고, 에너지 소비를 줄이며, ??치나 누설 자장의 발생을 저감할 수 있다. 또한, 초전도 전자석 군에 포함되는 각 초전도 전자석의 인덕턴스가 서로 동등하게 되도록 설계함으로써, 초전도 전자석으로의 전원을 단순화할 수 있으며, 이용하는 전원의 수나 여자하는 초전도 코일의 수를 저감할 수 있어, 전원 관리가 용이하게 된다.

<제5 실시형태>

본 발명의 제5 실시형태에서는, 초전도 전자석 군(110)에 포함되는 3개의 초전도 전자석(111∼113)이 생성하는 유효 자장 영역(131∼133)의 인접하는 유효 자장 영역 사이가 비교적 떨어져 있으며, 인접하는 유효 자장 영역 사이에서 자장 강도가 낮아지는 영향이 생기는 경우에 대처하는 구성에 관한 것이다. 또한, 초전도 전자석 군(110) 중 초전도 전자석의 수는 3개로 한정되지 않는다.

도 9는, 초전도 전자석(111∼113)의 유효 자장 영역(131∼133)의 자속 밀도(B)(AA선에서의)와의 관계를 나타내는 설명도이다. 도 9(a)에서는, 인접하는 유효 자장 영역(131) 및 (132)과, 인접하는 유효 자장 영역(132) 및 (133)과의 사이가 비교적 열려 있으며, 그 사이에서 자속 밀도(B)가 비교적 낮아지고 있는 상태를 나타낸다.

본 실시형태에서는, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 초전도 전자석(112)의 유효 자장 영역(133a)이, 인접하는 유효 자장 영역(131) 및 (133)에 일부 중첩되도록, 초전도 전자석(112)의 형상 및 배치를 조정한다. 또한, 도 9에서는 초전도 전자석 군(120)은 생략하고 있지만, 초전도 전자석 군(110)과 마찬가지이다.

도 10은, 도 9(b)의 BB선 단면도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 초전도 전자석(112)이 초전도 전자석(111, 113)으로부터 Z방향으로 어긋나 배치되고, 유효 자장 영역(132a)이 인접하는 유효 자장 영역(131) 및 (133)과 일부 중첩되도록 구성된다. 초전도 전자석(122)에 대해서도 마찬가지로, 초전도 전자석(121, 123)으로부터 Z방향으로 어긋나 배치되고, 유효 자장 영역(142a)이 인접하는 유효 자장 영역(141) 및 (143)과 일부 중첩되도록 구성된다.

본 실시형태에 따른 구성에 의해, 인접하는 유효 자장 영역 사이에서 자장 강도가 낮아지는 문제가 해소 내지 저감된다.

상기에서 설명되는 치수, 재료, 형상, 구성 요소의 상대적인 위치 등은, 본 발명이 적용되는 장치의 구조 또는 다양한 조건에 따라 변경된다. 설명에 이용한 특정 용어 및 실시형태에 한정되는 것은 의도하지 않고, 당업자라면 다른 동등한 구성 요소를 사용할 수 있으며, 상기 실시형태는 본 발명의 취지 또는 범위로부터 일탈하지 않는 한, 다른 변형 및 변경도 가능하다. 또한, 본 발명의 하나의 실시형태와 관련하여 설명한 특징을, 비록 명확하게 상술하고 있지 않아도 다른 형태와 함께 이용하는 것도 가능하다.

10: 하전 입자 빔 조사 장치
20: 가속기
30: 하전 입자 빔 수송계
31: 하전 입자 빔 조정 수단
32: 진공 덕트
33: 배분 전자석
34: 부채형 진공 덕트
100: 초전도 전자석 장치
105: 크라이오스탯
111∼115, 121∼125: 초전도 전자석
111a∼113a, 121a∼123a: 초전도 코일
111b∼113b, 121b∼123b: 자극
131∼133, 141∼143: 유효 자장 영역
150, 150a, 150b: 전원
151: 절환기

Claims

제1 초전도 전자석과 상기 제1 초전도 전자석에 인접하여 배치된 제2 초전도 전자석을 포함하는 초전도 전자석 군을 구비한 초전도 전자석 장치로서,
상기 제1 초전도 전자석의, 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍은, 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)으로 자장이 향한 제1 유효 자장 영역을 생성하도록 구성되어 있고, 여기에서 X축과 Z축 양쪽에 직교하는 축을 Y축으로 하며,
상기 제2 초전도 전자석의, 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍은, 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)으로 자장이 향한 제2 유효 자장 영역을 생성하도록 구성되어 있고,
상기 제1 초전도 전자석의 자장의 방향과 상기 제2 초전도 전자석의 자장의 방향은 동일하며,
상기 제1 유효 자장 영역과 상기 제2 유효 자장 영역은 인접하여 배치되고, 상기 제2 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값은, 상기 제1 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값보다도 크고,
(i) 상기 제1 유효 자장 영역에 대하여, XY면에서,
편향 기점(Q)에서 X축에 대한 편향각(φ)으로 편향하고, 상기 제1 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔은 상기 제1 유효 자장 영역에 의해 편향되며, X축에 대한 조사각(θ)으로 아이소센터(isocenter)에 조사되고,
상기 제1 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 출사측의 경계 위의 임의의 점 P2는, 상기 아이소센터로부터 등거리(r₁)의 위치에 있으며,
상기 제1 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 입사측의 경계 위의 점 P1과 상기 점 P2는, 반경(r₂) 및 중심각(θ+φ)의 원호 위에 있고,
상기 편향 기점(Q)과 상기 점 P1과의 사이의 거리(R)는, 상기 편향 기점(Q)과 상기 아이소센터와의 사이의 거리를 L로 하면, 관계식 (4):

을 만족하며,
(ii) 상기 제2 유효 자장 영역에 대하여, XY면에서,
편향 기점(Q)에서 X축에 대한 편향각(φ)으로 편향하고, 상기 제2 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔은 상기 제2 유효 자장 영역에 의해 편향되며, X축에 대한 조사각(θ)으로 상기 아이소센터에 조사되고,
상기 제2 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 출사측의 경계 위의 임의의 점 P4은, 상기 아이소센터로부터 등거리(r₁)의 위치에 있으며,
상기 제2 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 입사측의 경계 위의 점 P3과 상기 점 P4는, 반경(r₃) 및 중심각(θ+φ)의 원호 위에 있고,
상기 편향 기점(Q)과 상기 점 P3과의 사이의 거리(R)는, 관계식 (4a):

을 만족하는, 상기 초전도 전자석 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 유효 자장 영역 중 가장 상기 제2 유효 자장 영역 측에 위치하는 상기 점 P1과 상기 편향 기점(Q)과의 편향각(φ)을 φ_max로 하고, 편향각(φ)_max으로 상기 제1 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔의 상기 아이소센터로의 조사각(θ)을 θ_max로 하면,
상기 제2 유효 자장 영역은, XY면에서, 상기 제1 유효 자장 영역에 대하여 X축에 대한 각도 Ψ=(θ_max-φ_max)/2만큼 경사시키고, 상기 제1 유효 자장 영역에 인접하여 배치되어 있는, 초전도 전자석 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 초전도 전자석의 인덕턴스와 상기 제2 초전도 전자석의 인덕턴스는 동일한, 초전도 전자석 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 초전도 전자석의 초전도 코일 내부 또는 상기 제2 초전도 전자석의 초전도 코일 내부에 자극(磁極)이 포함되어 있는, 초전도 전자석 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 유효 자장 영역은, 상기 제1 유효 자장 영역과 일부 중첩되어 있는, 초전도 전자석 장치.
제1항에 있어서,
상기 초전도 전자석 군은, 상기 제2 초전도 전자석에 인접하여 배치된 제3 초전도 전자석을 더 구비하고,
상기 제3 초전도 전자석의, 하전 입자 빔의 경로를 사이에 두도록 배치된 초전도 코일 쌍은, 하전 입자 빔의 진행 방향(X축)에 직교하는 방향(Z축)으로 자장이 향한 제3 유효 자장 영역을 생성하도록 구성되어 있으며,
상기 제2 초전도 전자석의 자장의 방향과 상기 제3 초전도 전자석의 자장의 방향은 동일하고,
상기 제2 유효 자장 영역과 상기 제3 유효 자장 영역은 인접하여 배치되고, 상기 제3 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값은, 상기 제2 유효 자장 영역의 Y축 위치의 절대값보다도 크고,
(iii) 상기 제3 유효 자장 영역에 대하여, XY면에서,
편향 기점(Q)에서 X축에 대한 편향각(φ)으로 편향하고, 상기 제3 유효 자장 영역에 입사한 하전 입자 빔은, 상기 제3 유효 자장 영역에 의해 편향되며, X축에 대한 조사각(θ)으로 아이소센터에 조사되고,
상기 제3 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 출사측의 경계 위의 임의의 점 P6은, 상기 아이소센터로부터 등거리(r₁)의 위치에 있고,
상기 제3 유효 자장 영역의 하전 입자 빔의 입사측의 경계 위의 점 P5와 상기 점 P6은, 반경(r₄) 및 중심각(θ+φ)의 원호 위에 있으며,
상기 편향 기점(Q)과 상기 점 P5와의 사이의 거리(R)는, 관계식 (4b):

을 만족하고,
상기 제2 유효 자장 영역은, 상기 제1 유효 자장 영역 및 상기 제3 유효 자장 영역과 일부 중첩되어 있는, 초전도 전자석 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 초전도 전자석에 전류를 공급하여 여자(勵磁)하기 위한 2개 이상의 전원과,
상기 조사각(θ)에 따라, 상기 전원으로부터의 전류의 공급을, 상기 제1 및 제2 초전도 전자석과의 사이에서 절환하는 절환기
를 더 구비하는, 초전도 전자석 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 초전도 전자석 장치를 구비한 하전 입자 빔 조사 장치.
제8항에 있어서,
가속기로부터의 하전 입자 빔을, 상기 편향 기점(Q)에서 10도 이상의 편향각(φ)으로 편향하는 배분 전자석을 더 구비한 하전 입자 빔 조사 장치.