KR102265598B1 - 입자선빔 수송 장치, 회전 겐트리 및 입자선빔 조사 시스템 - Google Patents

입자선빔 수송 장치, 회전 겐트리 및 입자선빔 조사 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 입자선빔 수송 장치는 진공 덕트와, 적어도 하나의 제어 자석 장치와, 주사 자석을 포함한다. 진공 덕트는 입자선빔이 내부를 진행하도록 구성된다. 제어 자석 장치는, 진공 덕트의 굴곡부의 주위에 배치되어 입자선빔의 진행 방향 또는 형상을 제어하도록 구성된다. 주사 자석은, 제어 자석 장치의 진행 방향 하류측에 배치됨과 함께 입자선빔의 각 번치(bunch)를 편향해서 입자선빔을 주사시키도록 구성된다. 제어 자석 장치는 입자선빔의 진행 방향을 굴곡부를 따라 편향시키도록 구성되는 편향 자석, 및 입자선빔을 수속시키도록 구성되는 사극(四極) 자석을 포함한다. 편향 자석 및 사극 자석이 진행 방향의 동일 지점에 배치되는 기능 결합형 자석을 구성한다.

Description

입자선빔 수송 장치, 회전 겐트리 및 입자선빔 조사 시스템
본 발명의 실시형태는, 입자선빔을 환부에 조사해서 치료를 하는 입자선빔 치료 기술에 관한 것이다.
중입자 이온빔 등의 입자선빔을, 환자의 암세포에 조사해서, 치료를 행하는 입자선빔 치료 기술이 주목받고 있다.
이 입자선빔 치료 기술에 의하면, 정상 조직에 데미지를 주지 않고 환부만을 핀포인트로 사멸시킬 수 있기 때문에, 수술이나 투약 치료 등과 비교해서 환자에의 부담이 적다. 따라서, 치료 후의 환자의 사회 복귀의 조기화도 기대할 수 있다.
최근, 환부의 형상이나 체내 표적 심도에 따른 최적의 선량값 및 선량 분포의 입자선빔을 환부에 조사하기 위하여, 회전 겐트리에서 조사기를 회전 이동시키는 회전 방식이 각광을 받고 있다.
입자선빔 수송 장치를 회전 겐트리에서 안정적으로 지지하기 위하여, 입자선빔 수송 장치는, 회전 겐트리의 내외에 사행(蛇行)해서 조사기에 접속된다. 입자선빔 수송 장치는 입자선빔을 조사기까지 유도한다.
일본 특개2011-72717호 공보
빔 수송 경로에는 입자선빔의 궤도를 제어하기 위한 다종류의 전자석 및 모니터가 설치되기 때문에, 빔 수송 장치는 복잡화·장척화한다.
이 때문에, 종래의 기술에서는, 빔 수송 장치를 지지하는 회전 겐트리가 대형화해서 회전의 제어성이 저하함으로써, 입자선빔의 조사 정밀도를 저하시킬 우려가 있었다.
본 발명의 실시형태는 이와 같은 사정을 고려해서 이루어진 것이며, 빔 수송 경로가 간소화·단척화된 입자선빔 수송 장치, 회전 겐트리, 및 입자선빔 조사 치료 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 입자선빔 수송 장치는 진공 덕트와, 적어도 하나의 제어 자석 장치와, 주사 자석을 포함한다. 진공 덕트는 입자선빔이 내부를 진행하도록 구성된다. 제어 자석 장치는, 진공 덕트의 굴곡부의 주위에 배치되어 입자선빔의 진행 방향 또는 형상을 제어하도록 구성된다. 주사 자석은, 제어 자석 장치의 진행 방향 하류측에 배치됨과 함께 입자선빔의 각 번치(bunch)를 편향해서 입자선빔을 주사시키도록 구성된다. 제어 자석 장치는 입자선빔의 진행 방향을 굴곡부를 따라 편향시키도록 구성되는 편향 자석, 및 입자선빔을 수속시키도록 구성되는 사극(四極) 자석을 포함한다. 편향 자석 및 사극 자석이 진행 방향의 동일 지점에 배치되는 기능 결합형 자석을 구성한다.
상기 적어도 하나의 제어 자석 장치는 복수의 제어 자석 장치를 포함하고, 상기 복수의 제어 자석 장치는, 상기 입자선빔의 진행 방향을 상기 굴곡부를 따라 편향시켜, 편향 각도가, 상기 복수의 제어 자석 장치 중 적어도 두 상기 제어 자석 장치에서 동일한 것이 바람직하다.
더 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제어 자석 장치는 복수의 제어 자석 장치를 포함하고, 상기 사극 자석 또는 상기 편향 자석에 의해서 구성되는 상기 제어 자석 장치의 구경이, 상기 복수의 제어 자석 장치 중 적어도 두 상기 제어 자석 장치에서 동일한 입자선빔 수송 장치.
본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 입자선빔 수송 장치는 진공 덕트와, 적어도 하나의 제어 자석 장치와, 주사 자석을 포함한다. 진공 덕트는 입자선빔이 내부를 진행하도록 구성된다. 제어 자석 장치는, 진공 덕트의 굴곡부의 주위에 배치되어 입자선빔의 진행 방향 또는 형상을 제어하도록 구성된다. 주사 자석은, 제어 자석 장치의 진행 방향 하류측에 배치됨과 함께 입자선빔의 각 번치(bunch)를 편향해서 입자선빔을 주사시키도록 구성된다. 제어 자석 장치는 입자선빔의 진행 방향을 굴곡부를 따라 편향시키도록 구성되는 편향 자석, 및 입자선빔을 수속시키도록 구성되는 사극(四極) 자석을 포함한다. 이 제어 자석 장치는 2등분해서, 서로 미러 대칭으로 배치된 2등분 단위 자석이다.
상기 주사 자석은, 진행 방향에 수직인 제1 방향으로 주사 자장을 생성하도록 구성되는 제1 주사 자석 쌍과, 진행 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 주사 자장을 생성하도록 구성되는 제2 주사 자석 쌍을 포함하고, 제1 주사 자석 쌍 및 제2 주사 자석 쌍은, 상기 입자선빔 진행 방향의 동일 지점에 배치되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 제어 자석 장치는, 초전도 자석을 포함하는 것이다.
본 실시형태에 따른 회전 겐트리는, 상기 입자선빔 수송 장치를 구비하는 회전 겐트리이다.
본 실시형태에 따른 입자선빔 조사 치료 시스템은, 상기 입자선빔 수송 장치를 구비하는 치료 시스템이다.
본 발명에 의해, 입자선빔의 빔 수송 경로가 간소화·단척화된 입자선빔 수송 장치, 회전 겐트리, 및 입자선빔 조사 치료 시스템이 제공된다.
도 1은 입자선빔 조사 치료 시스템의 개략 구성도.
도 2는 제1 실시형태에 따른 수송 장치를 포함하는 치료실 주변의 개략 단면도.
도 3은 제2 실시형태에 따른 수송 장치가 구비하는 기능 결합형 자석의 xy 평면에 의한 개략 단면도.
도 4는 제3 실시형태에 따른 수송 장치의 제어 자석 장치를 구성하는 초전도 코일군을 직선상으로 전개한 분해도.
도 5는 제3 실시형태에 따른 수송 장치의 xy 평면에 의한 개략 단면도.
도 6은 제3 실시형태에 따른 수송 장치의 변형예를 나타내는 개략도.
도 7a는 제4 실시형태에 따른 수송 장치의 주사 자석을 구성하는 x방향 주사 자석 쌍의 측면도.
도 7b는 x방향 주사 자석 쌍 및 y방향 주사 자석 쌍의 배치를 나타내는 분해도.
이하, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면에 의거해서 설명한다.
또, 이하, 각 실시형태 및 도면에 있어서, 입자선빔(β)(이하, 단순히 "빔(β)"이라 한다)의 진행 방향을 s방향, 이 s방향에 대하여 직교하는 방향을 x방향, s방향 및 x방향의 양쪽에 직교하는 방향을 y방향으로 정의한다.
우선, 도 1을 이용해서, 입자선빔 조사 치료 시스템(100)에 대하여 개설(槪說)한다.
도 1은, 입자선빔 조사 치료 시스템(100)의 개략 구성도이다.
입자선빔 조사 치료 시스템(100)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 주 컴포넌트로, 치료실(200)과, 가속 장치(300)로 구성된다.
가속 장치(300)에서 가속된 탄소이온 등의 중입자 이온 ε의 그룹이, 치료실(200)에 유도되어 환자(P)의 환부에 조사된다.
가속 장치(300)는, 주 컴포넌트로, 이온 생성부(50), 가속기(60)(즉, 선형 가속기(60a), 싱크로트론 가속기(60b)) 및 입자선빔 수송 장치(즉, 수송 시스템)(30)(이하, 단순히 "수송 장치(30)"라 한다)로 구성된다.
이온 생성부(50)에서 생성된 중입자 이온 ε가, 가속기(60) 내를 약 백만회 주회하는 동안에 광속의 약 70%까지 가속되어 빔(β)으로 되고, 수송 장치(30)를 경유해서 치료실(200)까지 유도된다.
가속 장치(300) 내에는, 진공 덕트(즉, 빔 파이프)(70)가 설치되고, 이 진공 덕트(70) 내를 빔(β)이 진행한다. 선형 가속기(60a), 싱크로트론 가속기(60b), 및 수송 장치(30)가 갖는 진공 덕트(70)가 일체로 되어서 연속 공간을 형성하여, 빔(β)을 이온 생성부(50)로부터 치료실(200)까지 유도하는 빔 수송 경로를 구성한다.
(제1 실시형태)
도 2는, 제1 실시형태에 따른 수송 장치(30)를 포함하는 치료실(200)의 개략 단면도이다.
수송 장치(30)는, 도 2에 나타나는 바와 같이, 회전 겐트리(20)에 재치(載置)되어 지지된다.
회전 겐트리(20)는, 회전축(즉, 원통 중심)(J)이 수평 방향을 향하도록 기초(24)에 설치된 원통 형상의 장치이다. 회전 겐트리(20)의 내부 공간이 치료 공간(21)을 구성한다.
치료 공간(21)에는, 환자(P)가 회전축(J) 상에 배치되도록 치료대(23)가 설치된다.
회전 겐트리(20)가 수송 장치(30)를 안정적으로 지지하기 위하여, 수송 장치(30)는, 회전축(J)을 따라 회전 겐트리(20) 내에 진입하고, 굴곡해서 회전 겐트리(20)의 측벽으로부터 외부로 일단 돌출하고, 다시 치료 공간(21) 측의 내부 공간에 들어가서 고정된다.
수송 장치(30)의 각 부분에는, 빔(β)의 진행 방향 또는 형상을 제어하는 제어 자석 장치(31(31a∼31c))가 배치된다.
다음으로, 제1 실시형태에 따른 수송 장치(30)에 대하여, 계속해서 도 2를 이용해서 설명한다.
제1 실시형태에 따른 수송 장치(30)는, 빔(β)의 각 번치를 편향해서 빔(β)을 주사시키도록 구성된 주사 자석(32)이, 제어 자석 장치(31)의 s방향 하류측에 배치된다.
주사 자석(32)은, 비래(飛來)해 오는 중입자 이온 ε를 번치 단위로 편향함으로써, 각 번치를 환부에 있어서의 적소에 조사시킨다.
주사 자석(32)이 번치 단위로 빔(β)을 주사시킴으로써, 빔(β)의 xy 평면에 의한 단면 형상은, 전체적으로 환부의 형상까지 확대된다.
제어 자석 장치(31)는, 도 2에 예시되는 바와 같이, 회전 겐트리(20)에 의한 지지 개소 주변에서 사행하는 빔 수송 경로에 있어서의 통상 세 굴곡부의 각각에 설치된다.
이들 제어 자석 장치(31)를 편의상, s방향 상류측으로부터 순서대로 제1 제어 자석 장치(31a), 제2 제어 자석 장치(31b), 및 제3 제어 자석 장치(31c)라 한다.
이들 제어 자석 장치(31)는 빔(β)을 빔 수송 경로를 따라 편향하고, 그 편향각은 모든 제어 자석 장치(31(31a∼31c))에서 동일하게 하고 있다. 또, 이하의 설명에서는 편향각을 일례로서 90도로 하고 있다.
주사 자석(32)은, 이들 모든 제어 자석 장치(31(31a∼31c))보다도 s방향 하류측에 배치되게 된다.
또, 주사 자석(32)의 하류측에는, 예를 들면, 빔(β)의 성상을 확인하는 빔모니터나, 리지 필터 등의 필터류, 빔창 등이 적의(適宜) 배치된다.
종래는, 주사 자석은, 제2 제어 자석 장치(31b)와 제3 제어 자석 장치(31c) 사이에 배치되어 있었다. 이 배치 위치가 빔(β)의 궤도가 회전 겐트리(20)의 회전축(J)에 평행하게 되는 개소인 결과, 주사 자석의 장변이 회전축(J)에 평행하게 되어 있었다.
한편, 제1 실시형태에 따른 수송 장치(30)에서는, 주사 자석(32)의 배치 위치가, 빔(β)의 궤도가 회전축(J)에 수직으로 되는 개소로 된다.
즉, 대략 수평으로 배치되어 있던 주사 자석(32)의 장변을 1/4 회전시켜서 대략 연직으로 배치함으로써, 회전축(J)을 따른 방향의 수송 장치(30)의 점유 길이를 짧게 할 수 있다.
또한, 치료 공간(21)이 큰 경우는, 도 2에 나타나는 바와 같이, 제3 제어 자석 장치(31c)의 s방향 하류측을 주사 자석(32)과 함께 치료 공간(21) 내에 돌출시켜서 배치할 수도 있다.
이 경우, 수송 장치(30)의 회전 반경을 증가시키지 않고, 회전축(J)을 따른 방향의 수송 장치(30)의 점유 길이를 짧게 할 수 있다.
따라서, 어떠한 경우에 있어서도, 제어 자석 장치(31)를 지지하는 회전 겐트리(20)를 소형화 및 경량화할 수 있다.
또한, 주사 자석(32)의 이용에 의한 주사에서 빔(β)의 직경이 커지기 때문에, 종래는, 그 하류측의 제3 제어 자석 장치(31c)는, 이 부분의 진공 덕트(70)와 함께 구경을 크게 할 필요가 있었다.
또한, 구경이 커짐으로써, 제3 제어 자석 장치(31c)가 대형으로 됨과 함께, 내부의 자석 간 거리가 떨어지고, 자장 생성 효율이 저하하여 있었다.
그러나, 제1 실시형태에 따른 수송 장치(30)에서는, 주사 자석(32)이 제3 제어 자석 장치(31c)의 하류측에 배치되므로, 제3 제어 자석 장치(31c)를 소형이며 높은 자장 생성 효율로 할 수 있다.
또한, 제3 제어 자석 장치(31c)의 구경을 확대시키지 않아도 된다. 따라서, 편향각이 동일한 제어 자석 장치(31)를 복수로 빔 수송 경로에 설치했을 경우, 동일 제품 수가 증가하고, 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
각 제어 자석 장치(31)의 구경은, 가장 내층(즉, 진공 덕트(70)에 가까운 위치)에서 대향해서 배치되는 자석 쌍(즉, 대향하는 사극 자석 쌍 또는 대향하는 편향 자석 쌍)의 거리로 규정된다.
또한, 제어 자석 장치(31)의 편향각을 45도나 30도 등의 90도를 자연수로 나눈 값의 조합으로 구성함으로써, 제1 제어 자석 장치(31a) 및 제2 제어 자석 장치(31b)와 제3 제어 자석 장치(31c)를 동일 제품으로 할 수 있어, 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 통상 빔 수송 경로는 세 굴곡부로 구성된다. 이 때문에, 편향각을 90도로 함으로써, 동일 제품으로 제어 자석 장치(31)를 통일화하며, 또한, 최소의 제품 수로 하는 것이 가능하게 되므로, 생산 효율을 더 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 제1 실시형태에 따른 수송 장치(30)에 의하면, 빔 수송 경로를 회전축(J)의 방향으로 단척화할 수 있다.
또한, 수송 장치(30)의 단척화에 의해서, 회전 겐트리(20)를 소형화 및 경량화할 수 있다.
또한, 제어 자석 장치(31(31a∼31c))를 동일 제품으로 통일화할 수 있으므로, 구조가 간소해지고, 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
(제2 실시형태)
도 3은, 제2 실시형태에 따른 수송 장치(30)가 구비하는 기능 결합형 자석(38(38a))의 xy 평면에 의한 개략 단면도이다.
제2 실시형태에 따른 수송 장치(30)는, 도 3에 나타나는 바와 같이, 제어 자석 장치(31)가 동일 위치에 있어서 빔(β)을 편향하는 기능과, 빔(β)의 수속 및 발산을 제어하는 기능을 발휘하는 기능 결합형 자석(38)이다.
각 제어 자석 장치(31)는, 대부분의 경우, 편향 자석(33) 및 사극 자석(34)으로 구성된다.
사극 자석(34)은, 빔(β)의 수속 및 발산을 제어한다. 즉, 사극 자석(34)은, 빔(β)의 s방향에 수직인 단면(xy 평면에 의한 단면)의 형상을 제어한다.
편향 자석(33)은, 진공 덕트(70)의 굴곡부에 배치되고, 편향 자장을 발생시켜서 빔(β)을 굴곡부의 곡률(曲率)을 따라 편향시킨다.
통상은, 편향 자석(33)은 대향하는 두 편향용 코일(33a, 33b)로 구성되지만, 둘 이외의 코일로 구성해도 된다.
이들 사극 자석(34) 및 편향 자석(33)이 각각 생성하는 자장 형상을 s방향의 동일 지점에서 발생시킴으로써, 기능 결합형 자석(38)을 실현할 수 있다.
이하, 보다 구체적으로 기능 결합형 자석(38)에 대하여 설명한다.
사극 자석(34)은, 통상적으로, 네 정형용 여자(勵磁) 코일(341∼344)이 진공 덕트(70)의 둘레 상에 빔(β)의 궤도를 축으로 해서 선대칭으로 배치된다.
정형용 여자 코일(341∼344)이 여자됨으로써, 진공 덕트(70)의 내부 갭에, 사극 자장(Bf)이 발생한다.
도 3의 사극 자석(34)은, 각 중입자 이온에 작용하는 로렌츠 힘에 의해서, 빔(β)을 x방향으로 발산시키고, y방향으로 수속시킨다.
사극 자석(34)은, s방향을 따라, 예를 들면 3세트 배치되어 하나의 제어 자석 장치(31)(예를 들면, 제1 제어 자석 장치(31a))를 구성한다.
이웃하는 사극 자석(34)을 흐르는 직류 전류를 역방향으로 흘려보냄으로써, 각 사극 자석(34)에 발생하는 사극 자장(Bf)을 역방향으로 되게 한다.
사극 자장(Bf)의 방향을 각 사극 자석(34)에 의해 역방향으로 함으로써, 빔(β)의 단면은 x방향 및 y방향으로 수속과 발산을 반복해서 정형된다.
도 3에서는, 설명을 간단하게 하기 위하여, 편향 자석(33)이 생성하는 편향 자장에 대해서는, 도시를 생략하고 있다. 실제의 자장은, 사극 자장(Bf) 및 편향 자장을 중첩한 것으로 된다.
또한, 일례로서, 4개의 정형용 여자 코일(341∼344)로 구성되는 사극 자석(34)을 일례로 나타냈지만, 여자 코일의 수 및 극수는 4개 이상이어도 된다.
상전도 코일을 이용한 사극 자석(34) 및 편향 자석(33) 각각에는, 철심을 구성하는 리턴 요크(36(36a, 36b))에 자극(35(35a, 35b))을 설치함으로써 자장 형상을 설계한다.
종래는, 사극 자석(34)과 편향 자석(33)을 동심원 상에 배치하지 않고, s방향의 전후로 어긋나게 해서 배치하여 있었다. 따라서, 각 제어 자석 장치(31)가 장척화하는 결과, 수송 장치(30)의 장척화를 초래하고 있었다.
그러나, 제2 실시형태에서는, 예를 들면 배치의 방해가 되는 부분의 철심(즉, 리턴 요크(36) 및 자극)을 제거하거나, 또는 철심을 크게 한다. 이 방식으로, 사극 자석(34)과 편향 자석(33)을 빔(β)의 궤도를 중심으로 동심원 상이며 s방향의 동일 지점에 배치한다.
사극 자석(34)과 편향 자석(33)을 s방향의 동일 지점에 배치함으로써, 동일 지점에서 빔(β)의 정형 및 편향을 하는 기능 결합형 자석(38)을 실현할 수 있다.
따라서, 각 제어 자석 장치(31)가 단척화된다. 이 결과, 제1 실시형태의 효과와 마찬가지로, 수송 장치(30) 중, 회전 겐트리(20)에서 지지되는 부분의 회전축(J) 방향의 길이를 단척화할 수 있다.
또, 기능 결합형 자석(38)에는, 각 구성 자석(33, 34)에 초전도 자석을 이용하는 것이 바람직하다. 초전도 자석을 이용한 기능 결합형 자석(38)에 대해서는, 제3 실시형태에서 설명한다.
또한, 기능 결합형 자석(38)은, 빔(β)의 정형 기능 및 편향 기능을 갖고 있으면, 여자 코일을 사극 자석(34)과 편향 자석(33)으로 명확하게 구별해서 구성하지 않아도 된다.
또, 기능 결합형 자석(38)을 이용하는 것 이외는, 제2 실시형태는 제1 실시형태와 같은 구조 및 동작 수순으로 되므로, 중복하는 설명을 생략한다.
각 도면에 있어서도, 공통의 구성 또는 기능을 갖는 부분은 동일 부호로 나타내고, 중복하는 설명을 생략한다.
이와 같이, 제2 실시형태에 따른 수송 장치(30)에 의하면, 각 제어 자석 장치(31)를 단척화할 수 있으므로, 제1 실시형태의 효과에 더하여, 수송 장치(30)를 더 단척화할 수 있다.
(제3 실시형태)
도 4는, 제3 실시형태에 따른 수송 장치(30)의 제어 자석 장치(31)를 구성하는 초전도 코일의 그룹을 전개한 분해도이다.
도 4에서는, 간단하게 하기 위하여, 빔 수송 경로를 직선상으로 기재하고 있지만, 실제는, 빔 수송 경로가 만곡하여 있기 때문에, 빔 수송 경로에 맞춰서 초전도 코일도 만곡하여 있다.
또한, 도 5는, 제3 실시형태에 따른 수송 장치(30)의 xy 평면에 의한 개략 단면도이다.
제3 실시형태에 따른 수송 장치(30)는, 도 4 및 도 5에 나타나는 바와 같이, 각 제어 자석 장치(31)의 적어도 일부를 초전도 자석으로 구성한다. 즉, 사극 자석(34), 편향 자석(33), 또는 기능 결합형 자석(38(38b)), 혹은 이들의 일부를 초전도 자석으로 구성한다.
주사 자석(32)을 제3 제어 자석 장치(31c)의 하류측에 배치하면, 수송 장치(30)의 회전 반경이 증가해 버리는 경우가 있다.
그러나, 빔 수송 경로 중 제어 자석 장치(31)의 배치 개소의 곡률 반경을 작게 함으로써, 이 회전 반경을 작게 할 수 있다.
그래서, 제3 실시형태에서는, 구성 자석(33, 34, 38)을 초전도 자석으로 구성하고, 강한 편향 자장을 발생시켜서, 작은 곡률 반경으로 빔(β)을 편향시킨다.
초전도 코일은, NbTi나 Nb3Sn, Nb3Al, MgB2 등의 저온 초전도체, 또는 Bi2Sr2Ca2Cu3O10선재나 REB2C3O7선재 등의 고온 초전도체로 구성된다. 여기에서, "REB2C3O7"의 "RE"는 희토류 원소를 나타내고 있다.
저온 초전도체를 사용할 경우, 연성(延性)이 있기 때문에, 전술의 곡면을 용이하게 형성할 수 있다. 한편, 고온 초전도체를 사용할 경우, 고온에서 초전도 상태로 전이하기 때문에 냉각 부하가 경감되고, 운전 효율이 향상한다.
구성 자석(33, 34, 38)은, 초전도 상태를 유지하기 위하여, 단열 용기(39)에 냉동 매체(도시 생략)와 함께 밀폐 수용된다.
냉각 매체는, 액체 질소나 액체 헬륨 등의 액체 매체, 또는 냉동기로부터 공급되는 냉열을 구성 자석(33, 34, 38)까지 열전도시키는 고순도 알루미늄 등의 고체 매체이다.
그런데, 상전도 코일에서는, 제2 실시형태에서 나타낸 바와 같이, 자극(35(35a, 35b))이, 사극 자석(34) 및 편향 자석(33)의 각각의 주변 공간을 포위한다.
따라서, 자극(35)이 공간을 점유하고, 사극 자석(34)에 대한 편향 자석(33)의 배치를 자유롭게 설계할 수 없다.
그러나, 초전도 자석(41)을 이용할 경우, 철의 자기 포화의 관점 등으로부터, 통상적으로, 초전도 코일에 자극을 이용하지 않고 자장 형상을 형성시킨다.
따라서, 구성 자석(33, 34)을 초전도 자석(41)으로 구성함으로써, 구성 자석(33, 34)을 s방향의 동일 지점에 동심원 상에 배치하여, 기능 결합형 자석(38(38b))으로 할 수 있다.
즉, 자극을 이용하지 않음으로써, 도 5에 나타나는 바와 같이, 편향 자석(33)을 사극 자석(34)의 외주에 적층할 수 있다.
여기에서, 도 6은, 제3 실시형태에 따른 수송 장치(30)의 변형예를 나타내는 개략도이다.
통상적으로, 하나의 제어 자석 장치(31)(예를 들면, 제1 제어 자석 장치(31a))에 있어서, 빔(β)이 순서대로 수속-발산-수속, 또는 발산-수속-발산으로 되도록, 세 사극 자석(34)을 s방향을 따라 직렬로 배치한다. 세 사극 자석(34)을, 이하, s방향 상류측으로부터 순서대로, 제1 사극 자석(34a), 제2 사극 자석(34b) 및 제3 사극 자석(34c)이라 한다.
제1 실시형태에서도 기술한 바와 같이, 제어 자석 장치(31)를 효율적으로 생산하기 위해서는, 가능한 한 제품을 통일화해서 부품의 종류를 적게 하는 것이 바람직하다.
또한, 제어 자석 장치(31)의 배치 위치의 어긋남을 방지하는 관점에서도, 제어 자석 장치(31)의 부품 수를 적게 하는 것이 바람직하다.
그래서, 각 제어 자석 장치(31)를 세 단위 자석으로 구성하는 것 대신에, 도 6에 나타나는 바와 같이, 제2 사극 자석(34b)을 2등분해서, 서로 미러 대칭으로 배치된 2등분 단위 자석(42)으로 구성한다.
이 결과, 하나의 2등분 단위 자석(42)에 포함되는 제2 사극 자석(34b)의 s방향을 따른 길이는, 제1 사극 자석(34a) 및 제3 사극 자석(34c)의 s방향을 따른 길이의 절반으로 된다.
두 제2 사극 자석(34b(34b1, 34b2))을 동일 배치로 하여, 도 6 중의 II-II 단면 및 III-III 단면에 있어서의 각 자장 분포를 동일하게 함으로써, 제2 사극 자석(34b)은, 분할 배치되어도 전체적으로 하나의 사극 자석으로서의 기능을 유지한다.
또, 동일 제품의 2등분 단위 자석(42)이 미러 대칭으로 배치되기 때문에, I-I 단면이 IV-IV 단면과 동일하게 된다.
제1 실시형태에서 기술한 바와 같이, 주사 자석(32)을 제3 제어 자석 장치(31c)의 하류측에 배치함으로써, 각 제어 자석 장치(31(31a∼31c))를 동일 제품으로 할 수 있다.
즉, 1종류의 2등분 단위 자석(42)을 조합해서, 모든 제어 자석 장치(31)를 구성할 수 있게 된다.
각 제어 자석 장치(31)에 초전도 자석을 이용하는 것 및 초전도 자석을 이용함으로써 기능 결합형 자석(38b)을 구성하는 것 이외는, 제3 실시형태는 제2 실시형태와 같은 구조 및 동작 수순으로 되므로, 중복하는 설명을 생략한다.
도면에 있어서도, 공통의 구성 또는 기능을 갖는 부분은 동일 부호로 나타내고, 중복하는 설명을 생략한다.
이와 같은 제3 실시형태에 따른 수송 장치(30)에 의하면, 제2 실시형태의 효과에 더하여, 큰 직류 전류를 흘려보낼 수 있으므로, 회전 겐트리(20)에 재치된 부분의 수송 장치(30)를 소형으로 할 수 있다.
즉, 수송 장치(30)를, 회전축(J) 방향으로도, 회전 반경 방향으로도, 단척화할 수 있다.
또한, 단일의 2등분 단위 자석(42)을 둘 조합해서 하나의 제어 자석 장치(31)로 함으로써, 제어 자석 장치(31)를 효율적으로 생산할 수 있다.
(제 4 실시형태)
도 7a, 도 7b는, 제4 실시형태에 따른 수송 장치(30)의 주사 자석(32)의 개략 구성도이다.
도 7a는, 빔(β)을 x방향으로 주사시키는 x방향 주사 자석 쌍(제1 주사 자석 쌍)(44a)의 측면도를 나타낸다.
도 7b는, x방향 주사 자석 쌍(44a) 및 y방향 주사 자석 쌍(제2 주사 자석 쌍)(44b)의 배치를 나타내는 분해도이다.
도 7b에서는, 통상 x방향 및 y방향의 주사 자석 쌍(44(44a, 44b))을 복수 포함하지만, 간단하게 하기 위하여, 주사 자석 쌍(44(44a, 44b))의 1세트씩만 기재하고 있다.
제4 실시형태에 따른 수송 장치(30)는, 도 7a 및 도 7b에 나타나는 바와 같이, 주사 자석(32)이, s방향의 동일 지점에서 동시에, 빔(β)을 x방향, 및 y방향으로 주사시킨다.
주사 자석(32)은, x방향 주사 자석 쌍(44a)과, y방향 주사 자석 쌍(44b)으로 구성된다.
x방향 주사 자석 쌍(44a)은, y방향을 따라 진공 덕트(70)를 사이에 두고 대향해서 설치되고, y방향으로 주사 자장(Bs)을 발생시켜, 빔(β)을 x방향으로 주사시킨다.
y방향 주사 자석 쌍(44b)은, x방향을 따라 진공 덕트(70)를 사이에 두고 대향해서 설치되고, x방향으로 주사 자장(Bs)을 발생시켜, 빔(β)을 y방향으로 주사시킨다.
자장 강도를 높게 하기 위하여, 복수 세트의 주사 자석 쌍(44)이, 동심원 상에 배치된다.
주사 자석(32)은, 사극 자석(34) 등과 마찬가지로 전자석으로 구성되므로, 종래기술의 주사 자장(Bs)의 형상은 자극의 형상에 의해 조정되어 있었다.
따라서, 종래기술에서는, x방향 주사 자석 쌍(44a)과 y방향 주사 자석 쌍(44b)의 각 위치를, s방향으로 전후로 어긋나게 해서 직렬 배치되어 있다. 예를 들면, 종래기술에서는, x방향 주사 자석 쌍(44a)을 상류측, y방향 주사 자석 쌍(44b)을 하류측으로 하고 있다.
그러나, x방향의 주사 자장(Bs)에 의해서 빔(β)은 y방향으로 넓어진다. 그러므로, 주사 자석 쌍(44(44a, 44b))을 s방향으로 어긋나게 해서 배치하면, 하류측의 y방향 주사 자석 쌍(44b)의 자석 간 거리가 넓어진다. 즉, x방향 주사 자석 쌍(44a)으로 빔(β)을 넓게 주사시키면, y방향 주사 자석 쌍(44b)에 있어서의 구경이 커진다.
따라서, x방향의 주사 자장(Bs)을 강하게 하는 등 해서 y방향으로 큰 조사야를 확보하면, 이것에 수반하여 y방향의 자장 발생 효율이 저하한다.
따라서, x방향으로 충분한 조사야를 확보하기 위해서는, y방향 주사 자석 쌍(44b)을 대형으로 할 필요가 있었다.
또한, 주사 자석(32)을 최하류에 배치했을 경우, y방향 주사 자석 쌍(44b)을 대형으로 함으로써, 회전 겐트리(20)의 회전에 의한 수송 장치(30)의 회전 반경이 증가해 버리는 경우가 있다.
그래서, 제4 실시형태에서는, 배치를 방해하는 부분의 자극을 삭제하고, x방향 주사 자석 쌍(44a)과 y방향 주사 자석 쌍(44b)을 s방향의 동일한 위치에 동심원 상에 배치한다.
코일로 구성되는 주사 자석(32)은, 빔(β)의 진행을 방해하지 않고 빔(β)의 가까이에 배치되도록, 예를 들면 도 7a에 나타나는 바와 같이 안장(saddle) 형상으로 성형되어 배치된다.
안장 형상이란, 코일의 대향하는 두 원호부를 직선부로 접속한 소위 트랙 형상에 있어서, 원호 부분을 만곡해서 직선부와 비동일 평면상으로 되는 형상의 것이다.
이 안장 형상의 코일을, 진공 덕트(70)를 포위하는 비자성 금속 등의 와전류(渦電流)가 발생하지 않는 소재의 베이스(46)의 표면에 설치한다.
또한, 이 내측의 주사 자석 쌍(44)(예를 들면, x방향 주사 자석 쌍(44a))의 외측에, y방향 주사 자석 쌍(44b)의 코일을 절연성을 유지해서 적층시킨다.
주사 자석 쌍(44)의 형상은, 빔(β)의 진로를 확보하는 것이면, 안장 형상으로 한정되지 않는다.
x방향 주사 자석 쌍(44a) 및 y방향 주사 자석 쌍(44b)을 s방향의 동일 지점에 배치하는 것 이외는, 제4 실시형태는 제1 실시형태와 같은 구조 및 동작 수순으로 되므로, 중복하는 설명을 생략한다.
도면에 있어서도, 공통의 구성 또는 기능을 갖는 부분은 동일 부호로 나타내고, 중복하는 설명을 생략한다.
이와 같이, 제4 실시형태에 따른 수송 장치(30)에 의하면, 제1 실시형태의 효과에 더하여, 충분한 조사야를 확보해서 주사 개시 지점으로부터 환부까지의 거리를 짧게 할 수 있다.
또한, 회전 겐트리(20)에 지지된 수송 장치(30)의 회전 반경의 증가를 억제할 수 있다.
이상 기술한 적어도 하나의 실시형태의 수송 장치(30)에 의하면, 주사 자석(32)을 제3 제어 자석 장치(31c)의 s방향 하류측에 배치함에 의해, 빔 수송 경로를 간소화·단척화하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 실제, 본원에 기재된 신규한 방법 및 시스템은 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 본원에 기재된 방법 및 시스템의 형태에 각종 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 첨부된 특허청구범위는, 그 변형이 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 그러한 형태 또는 변형을 포함하는 것이다.
예를 들면, 수송 장치(30)의 각부 중, 회전 겐트리(20)에 재치되는 부분은 회전 겐트리(20)와 일체로 제조되는 경우가 있다.
100 : 입자선빔 조사 치료 시스템 200 : 치료실
300 : 가속 장치 20 : 회전 겐트리
21 : 치료 공간 23 : 치료대
24 : 기초 30 : 수송 장치
31(31a∼31c) : 제어 자석 장치(제1 제어 자석 장치, 제2 제어 자석 장치, 제3 제어 자석 장치)
32 : 주사 자석 33 : 편향 자석(구성 자석)
33a, 33b(33) : 편향용 코일
34(34a∼34c) : 사극 자석(구성 자석)
341∼344(34) : 정형용 여자 코일 35(35a, 35b) : 자극
36(36a, 36b) : 리턴 요크 37 : 초전도 코일
38(38a, 38b) : 기능 결합형 자석(구성 자석)
39 : 단열 용기 41 : 초전도 자석
42 : 단위 자석
44(44a, 44b) : 주사 자석 쌍(x방향 주사 자석 쌍, y방향 주사 자석 쌍)
46 : 베이스 50 : 이온 생성부
60(60a, 60b) : 가속기(선형 가속기, 싱크로트론 가속기)
70 : 진공 덕트 Bf : 사극 자장
Bs : 주사 자장 J : 회전축
P : 환자 β : 입자선빔(빔)
ε : 중입자 이온

Claims (8)

  1. 입자선빔이 내부를 진행하는 진공 덕트와,
    상기 진공 덕트의 굴곡부의 주위에 배치되어 상기 입자선빔의 진행 방향 또는 형상을 제어하도록 구성되는 제어 자석 장치와,
    상기 제어 자석 장치의 입자선빔의 진행 방향 하류측에 배치됨과 함께 상기 입자선빔의 각 번치(bunch)를 편향해서 상기 입자선빔을 주사시키도록 구성되는 주사 자석을 포함하고,
    상기 제어 자석 장치는 상기 입자선빔의 진행 방향을 상기 굴곡부를 따라 편향시키도록 구성되는 편향 자석, 및 상기 입자선빔을 수속시키도록 구성되는 사극(四極) 자석을 포함하고,
    상기 제어 자석 장치는, 서로 미러 대칭으로 배치된 2등분 단위 자석으로서 구성되는 입자선빔 수송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 자석 장치는 복수의 제어 자석 장치를 포함하고,
    상기 복수의 제어 자석 장치는, 상기 입자선빔의 진행 방향을 상기 굴곡부를 따라 편향시켜, 상기 입자선빔의 진행 방향을 편향하는 편향 각도가, 상기 복수의 제어 자석 장치 중 적어도 두 상기 제어 자석 장치에서 동일하도록 구성되는 입자선빔 수송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 자석 장치는 복수의 제어 자석 장치를 포함하고,
    상기 사극 자석 또는 상기 편향 자석에 의해 구성되는 제어 자석 장치의 구경이, 상기 복수의 제어 자석 장치 중 적어도 두 상기 제어 자석 장치에서 동일한 입자선빔 수송 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주사 자석은,
    상기 입자선빔의 진행 방향에 수직인 제1 방향으로 주사 자장을 생성하도록 구성되는 제1 주사 자석 쌍과,
    상기 입자선빔의 진행 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 주사 자장을 생성하도록 구성되는 제2 주사 자석 쌍을 포함하고,
    상기 제1 주사 자석 쌍 및 상기 제2 주사 자석 쌍은, 상기 입자선빔의 진행 방향의 동일 지점에 배치되는 입자선빔 수송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 자석 장치는 초전도 자석을 포함하는 입자선빔 수송 장치.
  7. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 입자선빔 수송 장치를 포함하는 회전 겐트리.
  8. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 입자선빔 수송 장치를 포함하는 입자선빔 조사 시스템.
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