KR20230119191A - 초전도 코일 장치, 초전도 가속기 및 입자선 치료 장치 - Google Patents

초전도 코일 장치, 초전도 가속기 및 입자선 치료 장치 Download PDF

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KR20230119191A
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데츠야 후지모토
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도시바 에너지시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

실시형태에 따르면, 초전도 코일 장치(20)는, 환상(環狀)으로 권회(卷回)된 초전도 선재(線材)의 1바퀴 권회된 부분을 1개의 턴(25)으로 했을 때에, 복수의 턴(25)으로 형성된 적어도 1개의 초전도 코일(23)을 구비하고, 초전도 코일(23)은, 관 형상을 이루는 관 형상 구조부(21)의 외주면을 따르는 형상을 이루고, 턴(25)은, 관 형상 구조부(21)의 축 방향을 따라 연장되는 코일 장변부(27)를 갖고, 코일 장변부(27)의 배치 형태가, 주(主) 자장을 발생시키는 주 자장 발생 영역(51A)과 보정용의 자장을 발생시키는 자장 보정 영역(51C)에서 서로 다르다.

Description

초전도 코일 장치, 초전도 가속기 및 입자선 치료 장치
본 발명의 실시형태는, 초전도 기술에 관한 것이다.
탄소 이온 등의 입자선 빔을, 환자의 병소 조직(암)에 조사(照射)하여, 치료를 행하는 입자선 치료 기술이 주목받고 있다. 이 입자선 치료 기술에 따르면, 정상 조직에 대미지를 주지 않고, 병소 조직만을 핀포인트로 사멸시킬 수 있다. 그 때문에, 수술 또는 투약 치료 등에 비해 환자에의 부담이 적고, 치료 후의 사회 복귀의 조기화도 기대할 수 있다. 체내의 깊은 위치에 있는 암세포를 치료하기 위해서는, 입자선 빔을 가속할 필요가 있다. 일반적으로 입자선 빔을 가속하는 장치는, 크게 두 종류로 분류된다. 하나는 직선 형상으로 가속 장치를 배치하는 선형 가속기이다. 또 하나는 빔 궤도를 구부리는 편향 장치를 원 형상으로 배치함과 함께, 원 궤도의 일부에 가속 장치를 배치하는 원형 가속기이다. 특히, 탄소 또는 양자 등의 무거운 입자를 이용하는 경우에는, 빔 생성 직후의 저에너지대의 가속을 선형 가속기로 행하고, 고에너지대의 가속을 원형 가속기로 행하는 방식이 일반적이다.
입자선 빔을 주회(周回)시키면서 가속하는 원형 가속기는, 입자선 빔의 외형을 제어하는 사극(四極) 전자석, 빔 궤도를 구부리는 편향 전자석 및 빔 궤도의 어긋남을 보정하는 스티어링 전자석 등을 순차 배열함으로써 구성된다. 이러한 가속기에 있어서, 주회시키는 입자의 질량 또는 에너지가 증대되면, 자기 강성(자장에 의한 구부리기 어려움)이 증대되기 때문에, 빔 궤도 반경이 커진다. 그 결과, 장치 전체가 대형화되어 버린다. 장치가 대형이면 건물 등의 부대 설비도 대형이 되어 버려, 도시 지역 등의 설치 범위에 제한이 있는 장소에 장치를 도입할 수 없다. 또한, 장치의 대형화를 억제하기 위해서는, 편향 전자석이 발생하는 자장 강도를 크게 할 필요가 있다. 일반적인 편향 전자석에서는, 철심의 자기 포화의 영향으로 1.5T를 초과하는 자장을 발생시키는 것이 곤란하다. 그래서, 고자장화가 가능하고, 또한 원형 가속기의 소형화가 가능한 초전도 기술을 편향 전자석에 적용하는 것이 요구되고 있다.
일본국 특개평10-144521호 공보
"Field Computation for Accelerator Magnets" Stephan Russenschuck WiLEY-VCH
종래의 가속기용의 초전도 코일에서는, 안장형 코일이 일반적이다. 종래 기술에서는, 균일한 자장을 발생시키기 위해, 즉, 고차 다극 성분을 낮게 하기 위해, 코일 단부(端部)에서 초전도 선재(線材)끼리 사이에 스페이서(극간)를 형성하고 있다. 그 때문에, 코일 단부가 연장되어 버려, 초전도 코일이 대형화되어 버린다는 과제가 있다.
또한, 종래 기술에서는, 코일 단부에 생기는 부정 자장을 상쇄하기 위해, 보정용 코일을 추가하는 방법도 있다. 이 방법에서도 주(主) 코일의 외측에 보정용 코일을 겹칠 필요가 있기 때문에, 직경 방향, 축 방향, 또는, 그 양 방향으로 초전도 코일이 대형화되어 버린다는 과제가 있다.
본 발명의 실시형태는, 이러한 사정을 고려해서 이루어진 것으로, 초전도 코일 장치의 소형화를 도모할 수 있는 초전도 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 실시형태의 입자선 치료 장치를 나타내는 개념도이다.
도 2는 원형 가속기를 나타내는 평면도이다.
도 3은 제1 층의 초전도 코일을 나타내는 평면도이다.
도 4는 제1 층의 초전도 코일을 나타내는 측면도이다.
도 5는 도 4의 V-V 단면도이다.
도 6은 도 4의 VI-VI 단면도이다.
도 7은 제2 층의 초전도 코일을 나타내는 평면도이다.
도 8은 제2 층의 초전도 코일을 나타내는 측면도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX 단면도이다.
도 10은 도 8의 X-X 단면도이다.
도 11은 제1 층과 제2 층의 초전도 코일을 중첩시킨 상태를 나타내는 평면도이다.
도 12는 제1 층과 제2 층의 초전도 코일을 중첩시킨 상태를 나타내는 측면도이다.
도 13은 변형예의 초전도 코일을 나타내는 분해 사시도이다.
도 14는 종래의 초전도 코일을 나타내는 평면도이다.
본 발명의 실시형태에 따른 초전도 코일 장치는, 환상(環狀)으로 권회(卷回)된 초전도 선재의 1바퀴 권회된 부분을 1개의 턴으로 했을 때에, 복수의 상기 턴으로 형성된 적어도 1개의 초전도 코일을 구비하고, 상기 초전도 코일은, 관 형상을 이루는 관 형상 구조부의 외주면을 따르는 형상을 이루고, 상기 턴은, 상기 관 형상 구조부의 축 방향을 따라 연장되는 코일 장변부를 갖고, 상기 코일 장변부의 배치 형태가, 주(主) 자장을 발생시키는 주 자장 발생 영역과 보정용의 자장을 발생시키는 자장 보정 영역에서 서로 다르다.
본 발명의 실시형태에 의해, 초전도 코일 장치의 소형화를 도모할 수 있는 초전도 기술이 제공된다.
이하, 도면을 참조하면서, 초전도 코일 장치, 초전도 가속기 및 입자선 치료 장치의 실시형태에 대해 상세히 설명한다.
도 1의 부호 1은, 본 실시형태의 입자선 치료 장치이다. 이 입자선 치료 장치(1)는, 입자선 빔(B)을 가속하고, 이 입자선 빔(B)을 타겟인 환부(T)에 조사(照射)하여 치료를 행하는 빔 조사 장치이다.
입자선 치료 장치(1)는, 하전 입자, 예를 들면, 음 파이중간자, 양자, 헬륨 이온, 탄소 이온, 네온 이온, 실리콘 이온, 또는 아르곤 이온을 치료 조사용의 입자선 빔(B)으로서 이용한다.
입자선 치료 장치(1)는, 빔 발생 장치(2)와, 빔 가속 장치(3)와, 빔 수송 장치(4)와, 빔 조사 장치(5)와, 이들 장치를 연결하여 입자선 빔(B)이 통과하는 진공 덕트(6)를 구비한다.
진공 덕트(6)는, 그 내부가 진공 상태로 유지되어 있다. 이 진공 덕트(6)의 내부를 입자선 빔(B)이 통과함으로써, 입자선 빔(B)과 공기의 산란에 의한 빔 로스를 억제하고 있다. 이 진공 덕트(6)는, 환자의 환부(T)의 위치 직전까지 이어지고 있다. 진공 덕트(6)를 통과한 입자선 빔(B)은, 환자의 환부(T)에 조사된다.
빔 발생 장치(2)는, 입자선 빔(B)을 발생시키는 장치이다. 예를 들면, 전자파 또는 레이저 등을 이용해서 생성한 이온을 인출하는 장치이다.
빔 가속 장치(3)는, 빔 발생 장치(2)의 하류측에 설치되어 있다. 이 빔 가속 장치(3)는, 입자선 빔(B)을 소정의 에너지가 될 때까지 가속하는 장치이다. 이 빔 가속 장치(3)는, 예를 들면, 전단 가속기와 후단 가속기의 2단으로 구성된다. 전단 가속기로서는, DTL(Drift-Tube Linac) 또는 고주파 사중극형 선형 가속기(RFQ)로 구성되는 선형 가속기(7)가 이용된다. 후단 가속기로서는, 싱크로트론 또는 사이클로트론으로 구성되는 원형 가속기(8)가 이용된다. 선형 가속기(7)와 원형 가속기(8)에 의해, 입자선 빔(B)의 빔 궤도가 형성된다.
빔 수송 장치(4)는, 빔 가속 장치(3)의 하류측에 설치되어 있다. 이 빔 수송 장치(4)는, 가속된 입자선 빔(B)을 피조사물인 환자의 환부(T)까지 수송하는 장치이다. 진공 덕트(6)를 축으로 하여, 편향 장치, 집속·발산 장치, 육극(六極) 장치, 빔 궤도 보정 장치, 및 그 제어 장치 등으로 구성된다.
빔 조사 장치(5)는, 빔 수송 장치(4)의 하류에 설치되어 있다. 이 빔 조사 장치(5)는, 빔 수송 장치(4)를 통과한 소정의 에너지의 입자선 빔(B)이 환자의 환부(T)의 설정된 조사점에 올바르게 입사되도록, 입자선 빔(B)의 빔 궤도를 제어함과 함께, 환부(T)에 있어서의 입자선 빔(B)의 조사 위치 및 조사선량을 감시한다.
또, 빔 가속 장치(3)와 빔 수송 장치(4)에는, 고자장화가 가능하고, 또한 소형화가 가능한 초전도 기술이 이용되고 있다. 본 실시형태에서는, 초전도 기술의 적용례로서, 빔 가속 장치(3)의 원형 가속기(8)를 예시한다. 즉, 본 실시형태의 입자선 치료 장치(1)는, 초전도 가속기로서의 원형 가속기(8)를 구비하고 있다. 이 원형 가속기(8)에 의해, 입자선 빔(B)을 가속하는 빔 궤도의 적어도 일부가 형성된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 초전도 가속기로서의 원형 가속기(8)는, 평면에서 볼 때 환상(대략 원 형상)으로 배치된 진공 덕트(6)를 따라 구축된다. 이 원형 가속기(8)는, 입사 장치(9)와, 출사 장치(10)와, 편향 장치(11)와, 집속·발산 장치(12)와, 육극 장치(13)와, 가속력 인가 장치(14)를 구비한다.
원형 가속기(8)는, 선형 가속기(7)로부터 입사 장치(9)를 통해 입사된 입자선 빔(B)의 궤도를 편향 장치(11)에서 구부림으로써, 입자선 빔(B)을 진공 덕트(6)를 따라 주회시킨다. 집속·발산 장치(12) 및 육극 장치(13)를 이용함으로써, 입자선 빔(B)을 안정적으로 주회시킨다.
또한, 입자선 빔(B)이 원형 가속기(8)의 빔 궤도를 주회할 때, 가속력 인가 장치(14)에 의해 가속력이 입자선 빔(B)에 인가된다. 그리고, 입자선 빔(B)이 소정의 에너지까지 가속되고, 이 가속된 입자선 빔(B)이, 출사 장치(10)로부터 출사되어 환부(T)에 도달한다.
원형 가속기(8)에 있어서, 편향 장치(11)는, 자장에 의해 입자선 빔(B)을 편향하고 있지만, 주회시키는 입자의 질량 또는 에너지가 증대되면, 자기 강성(자장에 의한 구부리기 어려움)이 증대되기 때문에, 빔 궤도 반경이 커진다. 그 결과, 원형 가속기(8)가 전체적으로 대형화되어 버린다. 이 원형 가속기(8)의 대형화를 억제하기 위해서는, 편향 장치(11)가 발생하는 자장 강도를 크게 할 필요가 있다. 본 실시형태에서는, 편향 장치(11)에 초전도 기술을 적용함으로써 고자장화가 가능해져, 원형 가속기(8)를 소형화할 수 있다.
여기에서, 초전도 선재는, NbTi, Nb3Sn, Nb3Al, MgB2 등의 저온 초전도체, Bi2Sr2Ca2Cu3O10 선재, REB2C3O7 선재 등의 고온 초전도체로 구성된다.
또, 「REB2C3O7」의 「RE」는, 희토류 원소(예를 들면, 네오딤(Nd), 가돌리늄(Gd), 홀뮴(Ho), 사마륨(Sm) 등) 및 이트륨 원소의 적어도 어느 하나를 의미하고 있다. 또한, 「B」는 바륨(Ba)을 의미하고 있다. 또한, 「C」는 구리(Cu)를 의미하고 있다. 또한, 「O」는 산소(O)를 의미하고 있다.
또, 저온 초전도체를 이용한 경우는, 저온 초전도체가 연성(延性)을 갖기 때문에, 용이하게 곡면을 형성하는 것이 가능해진다. 한편, 고온 초전도체를 이용한 경우는, 고온에서 초전도 상태가 발현되기 때문에 냉각 부하가 경감되어, 운전 효율이 향상된다.
다음으로, 종래의 일반적인 초전도 코일(80)에 대해 도 14를 이용해서 설명한다. 초전도 코일(80)은, 원통 형상을 이루는 관 형상 구조부(81)의 측면에 설치되어 있다. 이 초전도 코일(80)은, 초전도 선재가 권회된 복수의 도체부(82)를 구비한다. 각각의 도체부(82)는, 코일 장변부(83)와 코일 단부(84)로 나눠져 있다. 코일 장변부(83)에서는, 도체부(82)끼리의 둘레 방향의 간격이 일정하지 않아, 그 거리에 의해 초전도 코일(80)의 중심부의 빔 통과 영역에 원하는 자장 분포가 생긴다.
여기에서, 일반적인 초전도 코일(80)에서 발생시키는 자장에 대응하는 전류 밀도 분포에 대해 설명한다. 관 형상 구조부(81)의 단면(斷面)에서 볼 때, 관 형상 구조부(81)의 둘레 방향의 소정의 위치를 중심축의 각도θ로 나타낸다.
예를 들면, 균일한 자장인 이극(二極) 자장을 발생시키고 싶은 경우는, 전류 밀도 분포가 cosθ의 함수에 가까운 형태가 되도록 코일 장변부(83)의 도체부(82)를 배치한다. 마찬가지로, 사극 자장을 발생시키고 싶은 경우는, 전류 밀도 분포가 cos2θ의 함수에 가까운 형태가 되도록 코일 장변부(83)의 도체부(82)를 배치한다. 육극 자장을 발생시키고 싶은 경우는, cos3θ의 함수에 가까운 형태가 되도록 코일 장변부(83)의 도체부(82)를 배치한다. 팔극(八極) 자장을 발생시키고 싶은 경우는, cos4θ의 함수에 가까운 형태가 되도록 코일 장변부(83)의 도체부(82)를 배치한다.
코일 단부(84)는, 코일 단부(84)를 형성하는 도체부(82)가 빔 통과 영역을 물리적으로 막지 않도록 하기 위해, 관 형상 구조부(81)의 표면을 따르는 입체적인 형상으로 되어 있다. 그 때문에, 이 코일 단부(84)는, 관 형상 구조부(81)의 측면으로부터 상면에 걸쳐 서서히 도체가 추이하는 형상이 된다.
이 코일 단부(84)에서는, 코일 장변부(83)에서 생기는 전류 밀도 분포와는 다른 전류 밀도 분포가 생겨 버린다. 그 때문에, 원하는 자장 분포로부터 흐트러진 오차 자장(불필요한 자장 성분)이 발생해 버린다. 예를 들면, 이극 자장을 발생시키고 싶은 경우에 있어서, 코일 단부(84)에서는, 도체부(82)가 θ＝0도의 위치로부터 θ＝90도의 위치로 변화된다. 이 때, cosθ의 전류 밀도 분포에 대해, cos2θ 또는 cos3θ 등의 전류 밀도 분포가 중첩된 형태가 된다. 그 때문에, 음의 육극 자장(육극 성분) 등이 발생해 버린다.
종래 기술에서는, 이 음의 육극 자장을 억제하기 위해, 스페이서(85)(극간)를 코일 단부(84)에 형성하고 있다. 그리고, θ＝0도 근방의 위치에 설치되는 도체부(82)를 유지함으로써, 양의 육극 자장을 발생시켜서, 원하는 균일한 자장을 얻고 있다. 그러나, 이 방법에서는, 코일 단부(84)를 연장하게 되기 때문에, 초전도 코일(80)의 전체의 치수가 길어져 버려, 원형 가속기(8)의 전체가 대형화되어 버린다. 그래서, 본 실시형태에서는, 초전도 선재를 적절히 배치함으로써, 원하는 균일한 자장을 얻도록 하고, 또한 초전도 코일(80)의 소형화를 도모하도록 하고 있다.
다음으로, 본 실시형태의 초전도 가속기로서의 원형 가속기(8)가 구비하는 초전도 코일 장치(20)에 대해 도 3 내지 도 12를 이용해서 설명한다. 또, 초전도 코일 장치(20)에 있어서, 입자선 빔(B)이 통과하는 축 방향(축심(C)이 연장되는 방향)을 X 방향으로 했을 때에, 초전도 코일 장치(20)를 Y 방향에서 봤을 때의 상태를 측면도로 하고, 초전도 코일 장치(20)를 Z 방향에서 봤을 때의 상태를 평면도(상면도)로 하여 설명한다. 이 초전도 코일 장치(20)는, 중력의 영향을 받는 장치가 아니므로, 상하의 구별은 없지만, 편의상, Z 방향을 초전도 코일 장치(20)의 상방향으로 하여 설명한다.
우선, 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 초전도 코일 장치(20)는, 2층 구조로 되어 있다. 이 초전도 코일 장치(20)에는, 가장 내주에 배치되어, 관 형상을 이루는 제1 층째의 관 형상 구조부(21)와, 이 제1 층째의 관 형상 구조부(21)의 외주에 배치되어, 관 형상을 이루는 제2 층째의 관 형상 구조부(22)가 설치되어 있다. 이들 관 형상 구조부(21, 22)는, 축심(C)을 중심으로 해서 동심원 형상으로 배치되어 있다. 즉, 서로 동축(同軸)으로 배치되어 있다.
도 3 내지 도 6에 나타내는 바와 같이, 초전도 코일 장치(20)는, 제1 층의 관 형상 구조부(21)의 상하에 설치된 2개의 초전도 코일(23)을 구비한다. 도 7 내지 도 10에 나타내는 바와 같이, 초전도 코일 장치(20)는, 제2 층의 관 형상 구조부(22)의 상하에 설치된 2개의 초전도 코일(24)을 구비한다. 즉, 적어도 2개의 초전도 코일(23, 24)이 관 형상 구조부(21, 22)의 직경 방향으로 적층되어 있다. 이들 초전도 코일(23, 24)에 의해 입자선 빔(B)의 통과 영역(P)에 자장을 발생시킬 수 있다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 각각의 층의 관 형상 구조부(21, 22)의 상반분(上半分)에 2개의 초전도 코일(23, 24)의 층이 설치되어 있음과 함께, 각각의 층의 관 형상 구조부(21, 22)의 하반분(下半分)에 2개의 초전도 코일(23, 24)의 층이 설치되어 있다(도 4 및 도 8 참조).
각각의 초전도 코일(23, 24)은, 관 형상 구조부(21, 22)의 외주면을 따르는 형상을 이루고 있다. 관 형상 구조부(21, 22)는, 초전도 코일(23, 24)을 지지하는 부재이다. 가장 내측에 있는 제1 층의 관 형상 구조부(21)가 초전도 코일 장치(20)의 축심(C)에 배치되어 있다. 이 제1 층의 관 형상 구조부(21)가 진공 덕트(6)의 일부를 형성하고 있다. 또, 이 관 형상 구조부(21)는, 진공 덕트(6)와 별개의 부재여도 된다. 즉, 관 형상 구조부(21)의 내부에 진공 덕트(6)가 설치되어도 된다.
초전도 코일(23, 24)은, 초전도 선재가 환상으로 권회되어 형성되어 있다. 예를 들면, 초전도 선재의 1바퀴 권회된 부분을 1개의 턴(25, 26)으로 했을 때에, 복수의 턴(25, 26)으로 1개의 초전도 코일(23, 24)이 형성되어 있다. 이해를 돕기 위해, 도 3에서는, 3개의 턴(25)으로 1개의 초전도 코일(23)이 형성되어 있도록 도시하고 있다. 도 7에서는, 5개의 턴(26)으로 1개의 초전도 코일(24)이 형성되어 있도록 도시하고 있다. 실제로는, 수십 내지 수백의 턴(25, 26)으로 1개의 초전도 코일(23, 24)이 형성된다.
제1 층의 관 형상 구조부(21)보다, 제2 층의 관 형상 구조부(22) 쪽이 큰 외주면을 갖기 때문에, 제1 층의 초전도 코일(23)보다 제2 층의 초전도 코일(24) 쪽이, 많은 턴(26)을 배치할 수 있다.
또, 초전도 코일 장치(20)는, 예를 들면, 원형 가속기(8)의 편향 장치(11)(도 2)에 적용된다. 편향 장치(11)에는, 일정한 곡률로 구부러져 있는 진공 덕트(6)가 설치되어 있다. 그 때문에, 실제의 초전도 코일 장치(20)에 이용되는 관 형상 구조부(21, 22)도 일정한 곡률로 구부러져 있는 부재이다. 그러나, 도 3, 도 4, 도 7, 도 8, 도 11, 도 12에서는, 이해를 돕기 위해, 관 형상 구조부(21, 22)가 직선 형상을 이루는 부재로서 도시하고 있다. 또한, 관 형상 구조부(21, 22)의 축심(C)에 대해서도, 실제로는 일정한 곡률로 구부러져 있지만, 직선으로서 도시하고 있다.
도 5, 도 6, 도 9, 도 10에 나타내는 바와 같이, 관 형상 구조부(21, 22)는, 단면에서 볼 때 타원 형상을 이루고 있다. 예를 들면, 관 형상 구조부(21, 22)가 Y 방향으로 구부러져 있을 경우에 있어서, 각각의 관 형상 구조부(21, 22)는, Z 방향의 직경보다 Y 방향의 직경이 큰 타원 형상을 이룬다. 즉, 관 형상 구조부(21, 22)는, 구부러지는 방향에 대해 직경이 커지는 타원 형상을 이루고 있다. 이와 같이 하면, 초전도 코일 장치(20)가, 입자선 빔(B)이 구부러지는 방향에 적합한 자장을 발생시킬 수 있다.
도 4 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 초전도 코일(23, 24)에 있어서, 각각의 턴(25, 26)은, 관 형상 구조부(21, 22)의 축 방향(X 방향)을 따라 직선 형상으로 연장되는 코일 장변부(27, 28)와, 코일 장변부(27, 28)로부터 관 형상 구조부(21, 22)의 둘레 방향을 따라 연장되는 코일 단부(29, 30)를 갖고 있다.
본 실시형태에서는, 관 형상 구조부(21, 22)의 측면에서 볼 때, 각각의 턴(25, 26)에 있어서의 코일 장변부(27, 28)와 코일 단부(29, 30)의 경계를 나타내는 경계선(L1, L2)이, 관 형상 구조부(21, 22)의 둘레 방향으로 연장되는 기준선(K)에 대해 경사져 있다. 예를 들면, 제1 층의 초전도 코일(23)의 경계선(L1)과 제2 층의 초전도 코일(24)의 경계선(L2)이 기준선(K)에 대해 서로 같은 방향으로 경사져 있다.
도 3 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 초전도 코일(23, 24)의 턴(25, 26)은, 초전도 코일(23, 24)의 외주측으로부터 내주측으로 감에 따라 코일 장변부(27, 28)가 짧게 되어 있다. 그 때문에, 경계선(L1, L2)이 기준선(K)에 대해 경사지게 된다. 이와 같이 하면, 각각의 층의 초전도 코일(23, 24)의 코일 장변부(27, 28)가, 그 단부에서 발생시키는 자장의 양태를 변화시킬 수 있다.
도 3 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 코일 장변부(27, 28)가 설치된 영역이, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)과 천이 영역(51B, 52B)과 자장 보정 영역(51C, 52C)으로 나눠져 있다.
주 자장 발생 영역(51A, 52A)은, 초전도 코일(23, 24)에서 주된 자장을 발생시키는 영역이다. 이 주 자장 발생 영역(51A, 52A)은, 관 형상 구조부(21, 22)의 축 방향(X 방향)에 있어서, 코일 장변부(27, 28)의 중앙 부분으로 되어 있다.
자장 보정 영역(51C, 52C)은, 초전도 코일(23, 24)의 단부 근방에서 보정용의 자장을 발생시키는 영역이다. 이 자장 보정 영역(51C, 52C)은, 관 형상 구조부(21, 22)의 축 방향(X 방향)에 있어서, 코일 장변부(27, 28)의 단부에 형성되어 있다. 이 자장 보정 영역(51C, 52C)에 의해, 코일 장변부(27, 28)의 단부가 발생시키는 자장을 보정할 수 있다.
천이 영역(51B, 52B)은, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)과 자장 보정 영역(51C, 52C) 사이에 형성된 영역이다. 이 천이 영역(51B, 52B)에 의해, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)의 단부로부터 자장 보정 영역(51C, 52C)까지, 자장을 매끄럽게 연속하도록 천이시킬 수 있다.
코일 장변부(27, 28)는, 베이스부(27A, 28A)와 테이퍼부(27B, 28B)와 오프셋부(27C, 28C)를 갖는다. 베이스부(27A, 28A)는, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)에 대응하는 부분이다. 테이퍼부(27B, 28B)는, 천이 영역(51B, 52B)에 대응하는 부분이다. 오프셋부(27C, 28C)는, 자장 보정 영역(51C, 52C)에 대응하는 부분이다.
본 실시형태에서는, 코일 장변부(27, 28)의 턴(25, 26)의 배치 형태가, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)과 천이 영역(51B, 52B)과 자장 보정 영역(51C, 52C)에서 서로 다르다.
예를 들면, 도 4 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 관 형상 구조부(21, 22)의 측면에서 볼 때, 코일 장변부(27, 28)의 오프셋부(27C, 28C)가 관 형상 구조부(21, 22)의 둘레 방향으로 변위되어 있다. 도 3 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 관 형상 구조부(21, 22)의 평면에서 볼 때, 오프셋부(27C, 28C)가 초전도 코일(23, 24)의 내주측으로 변위되어 있다. 이와 같이 하면, 자장 보정 영역(51C, 52C)에서 발생하는 자장을, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)에서 발생하는 자장과 다른 양태로 할 수 있다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 관 형상 구조부(21)의 단면에서 볼 때, 제1 층의 베이스부(27A)가 설치되어 있는 범위(R1)와 오프셋부(27C)가 설치되어 있는 범위(R2)가 서로 다르다. 오프셋부(27C)는, 베이스부(27A)보다 상방 위치 또는 하방 위치로 어긋나(오프셋되어) 배치되어 있다.
도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 관 형상 구조부(22)의 단면에서 볼 때, 제2 층의 베이스부(28A)가 설치되어 있는 범위(R3)와 오프셋부(28C)가 설치되어 있는 범위(R4)가 서로 다르다. 오프셋부(28C)는, 베이스부(28A)보다 상방 위치 또는 하방 위치로 어긋나(오프셋되어) 배치되어 있다.
또한, 제1 층의 베이스부(27A)가 설치되어 있는 범위(R1)와 제2 층의 베이스부(28A)가 설치되어 있는 범위(R3)가 서로 다르다. 또한, 제1 층의 오프셋부(27C)가 설치되어 있는 범위(R2)와 제2 층의 오프셋부(28C)가 설치되어 있는 범위(R4)가 서로 다르다.
자장 보정 영역(51C, 52C)은, 적어도 코일 단부(29, 30)에서 발생하는 강한 오차 자장을 상쇄하는 자장을 발생시킨다. 이와 같이 하면, 코일 단부(29, 30)의 폭(X 방향의 길이)을 축소한 경우에, 코일 단부(29, 30)에서 발생하는 오차 자장을 상쇄할 수 있다. 이와 같이, 코일 단부(29, 30)를 짧게 하여, 오차 자장이 작은 초전도 코일(23, 24)을 얻을 수 있다.
또, 자장 보정 영역(51C, 52C)에서 생기게 하는 자장은, 오차 자장을 상쇄할 뿐만 아니라, 초전도 코일(23, 24)에 요구되는 자장 분포로부터 소정의 자장으로 해도 된다. 예를 들면, 자장 보정 영역(51C, 52C)에서 생기게 하는 자장으로, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)에서 발생하는 주 자장을 보강해도 되고, 빔 광학 상, 최적의 고차 다극 성분을 중첩하도록 해도 된다. 또한, 중첩하는 고차 다극 성분은, 코일 단부에 한정되지 않는 임의의 장소여도 되고, 코일 상류측, 하류측에서 서로 다른 고차 다극 성분을 더해도 된다.
또한, 도 4 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 관 형상 구조부(21, 22)의 측면에서 볼 때, 각각의 코일 장변부(27, 28)의 테이퍼부(27B, 28B)가, 베이스부(27A, 28A) 및 오프셋부(27C, 28C)에 대해 경사져 있다. 이와 같이 하면, 주 자장 발생 영역(51A, 52A)으로부터 자장 보정 영역(51C, 52C)까지 매끄럽게 연속하는 자장을 형성할 수 있다.
도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이, 제1 층의 초전도 코일(23)의 천이 영역(51B)의 축 방향(X 방향)의 치수와, 제2 층의 초전도 코일(24)의 천이 영역(52B)의 축 방향의 치수가 서로 다르다. 예를 들면, 제1 층의 천이 영역(51B)의 축 방향의 치수보다, 제2 층의 천이 영역(52B)의 축 방향의 치수가 크게 되어 있다. 이와 같이 하면, 제1 층의 초전도 코일(23)과 제2 층의 초전도 코일(24)로 적절한 자장을 형성할 수 있다. 또, 제1 층의 자장 보정 영역(51C)의 축 방향(X 방향)의 치수와, 제2 층의 자장 보정 영역(52C)의 축 방향의 치수도 서로 다르다.
본 실시형태의 초전도 코일 장치(20)는, 초전도 코일(23, 24)의 단부의 근방에서, 원하는 자장 분포로부터 흐트러진 오차 자장(불필요한 자장 성분)이 발생해 버리는 것을 억제할 수 있다. 예를 들면, 제1 층의 초전도 코일(23)의 단부의 오차 자장을, 제2 층의 초전도 코일(24)의 단부가 발생시키는 자장으로 상쇄할 수 있다.
본 실시형태에서는, 코일 단부(29, 30)에서, 각각의 턴(25, 26)(초전도 선재)을 조밀하게 배치할 수 있다. 그 때문에, 코일 단부(29, 30)의 폭(X 방향의 길이)을 축소시킬 수 있다.
또한, 복수의 초전도 코일(23, 24)이 관 형상 구조부(21, 22)의 직경 방향으로 적층되어 있음으로써, 관 형상 구조부(21, 22)의 단면에서 볼 때, 둘레 방향으로 많은 턴(25, 26)(초전도 선재)을 배치할 수 있다. 그 때문에, 보다 강한 자장을 발생시킬 수 있다. 또, 관 형상 구조부(21, 22)의 직경 방향으로 적층됨에 따라, 외주 길이가 확대되기 때문에, 내층(제1 층)보다 외층(제2 층) 쪽이, 보다 많은 턴(26)을 배치시킬 수 있다. 적은 층수로 많은 턴(25, 26)을 배치함으로써, 강한 자장을 발생시킬 수 있다.
또, 각각의 층에서, 턴(25, 26)(초전도 선재)의 수가 변하면, 코일 단부(29, 30)의 폭(X 방향의 길이)이 바뀌어, 코일 단부(29, 30)에서 생기는 오차 자장도 상이해진다. 그래서, 각각의 층에 있어서의 자장 보정 영역(51C, 52C)의 턴(25, 26)의 배치 형태, 천이 영역(51B, 52B)의 위치 및 길이를 바꿈으로써, 각각의 층에 적합한 자장 보정이 가능해진다. 그 때문에, 코일 단부(29, 30)를 짧게 하여, 오차 자장이 작은 초전도 코일(23, 24)을 얻을 수 있다. 또, 자장 보정 영역(51C, 52C)의 위치 및 길이를 바꿈으로써도, 각각의 층에 적합한 자장 보정이 가능해진다.
다음으로, 변형예의 초전도 코일 장치(40)에 대해 도 13을 이용해서 설명한다. 도 13의 분해 사시도에서는, 이해를 돕기 위해, 관 형상 구조부의 도시를 생략하고, 초전도 코일(23, 24)의 배치 형태만을 도시하고 있다.
변형예의 초전도 코일 장치(40)는, 제1 층에 설치되어, 사극 자장을 발생시키는 2개의 초전도 사극 코일(41)과, 제2 층에 설치되어, 이극 자장을 발생시키는 1개의 초전도 이극 코일(42)을 구비한다.
1개의 초전도 사극 코일(41)은, 4개의 초전도 코일(23)에 의해 형성되어 있다. 그리고, 2개의 초전도 사극 코일(41)이 축 방향(X 방향)으로 나열되어 배치되어 있다.
또한, 1개의 초전도 이극 코일(42)은 2개의 초전도 코일(24)에 의해 형성되어 있다. 그리고, 이 초전도 이극 코일(42)과 초전도 사극 코일(41)이 서로 동축으로 배치되어 있다.
변형예의 초전도 코일 장치(40)는, 초전도 이극 코일(42)에서 생기는 이극 자장과, 초전도 사극 코일(41)에서 생기는 사극 자장으로 입자선 빔(B)을 적절히 제어할 수 있다.
또, 상술한 실시형태에서는, 관 형상 구조부(21, 22)가 단면에서 볼 때 타원 형상을 이루고 있지만, 그 외의 양태여도 된다. 예를 들면, 관 형상 구조부(21, 22)가 단면에서 볼 때 완전한 원 형상을 이루어도 되고, 긴 원 형상을 이루어도 된다.
또, 상술한 실시형태에서는, 관 형상 구조부(21, 22)는, 구부러지는 방향에 대해 직경이 커지는 타원 형상을 이루고 있지만, 그 외의 양태여도 된다. 예를 들면, 관 형상 구조부(21, 22)는, 구부러지는 방향에 대해 직경이 작아지는 타원 형상을 이루어도 된다.
또, 상술한 실시형태에서는, 제1 층의 초전도 코일(23)의 경계선(L1)과 제2 층의 초전도 코일(24)의 경계선(L2)이 기준선(K)에 대해 서로 같은 방향으로 경사져 있지만, 그 외의 양태여도 된다. 예를 들면, 제1 층의 초전도 코일(24)의 경계선(L1)과 제2 층의 초전도 코일(24)의 경계선(L2)이 기준선(K)에 대해 서로 역 방향으로 경사져도 된다. 이와 같이 하면, 제1 층의 초전도 코일(23)의 단부에서 생기는 자장과 제2 층의 초전도 코일(24)의 단부에서 생기는 자장이 서로 상이한 형태가 된다.
이상 설명한 실시형태에 따르면, 코일 장변부의 배치 형태가, 주 자장을 발생시키는 주 자장 발생 영역과 보정용의 자장을 발생시키는 자장 보정 영역에서 서로 다름으로써, 초전도 코일 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시형태는, 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경, 조합을 행할 수 있다. 이들 실시형태 또는 그 변형은, 발명의 범위와 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.

Claims (11)

  1. 환상(環狀)으로 권회(卷回)된 초전도 선재(線材)의 1바퀴 권회된 부분을 1개의 턴으로 했을 때에, 복수의 상기 턴으로 형성된 적어도 1개의 초전도 코일을 구비하고,
    상기 초전도 코일은, 관 형상을 이루는 관 형상 구조부의 외주면을 따르는 형상을 이루고,
    상기 턴은, 상기 관 형상 구조부의 축 방향을 따라 연장되는 코일 장변부를 갖고,
    상기 코일 장변부의 배치 형태가, 주(主) 자장을 발생시키는 주 자장 발생 영역과 보정용의 자장을 발생시키는 자장 보정 영역에서 서로 다른,
    초전도 코일 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관 형상 구조부의 측면에서 볼 때, 상기 코일 장변부의 상기 자장 보정 영역의 부분이 상기 관 형상 구조부의 둘레 방향으로 변위되어 있는,
    초전도 코일 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코일 장변부의 상기 자장 보정 영역의 부분이 상기 초전도 코일의 내주측으로 변위되어 있는,
    초전도 코일 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일 장변부의 단부(端部)가 상기 자장 보정 영역의 부분으로 되어 있는,
    초전도 코일 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 턴은, 상기 코일 장변부로부터 상기 관 형상 구조부의 둘레 방향을 따라 연장되는 코일 단부를 갖고,
    상기 자장 보정 영역은 적어도 상기 코일 단부에서 발생하는 불필요한 자장 성분을 상쇄하는 자장을 발생시키는,
    초전도 코일 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 자장 발생 영역과 상기 자장 보정 영역 사이에 천이 영역이 형성되고, 상기 코일 장변부의 상기 천이 영역의 부분이, 상기 코일 장변부의 상기 주 자장 발생 영역 및 상기 자장 보정 영역의 부분에 대해 경사져 있는,
    초전도 코일 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 초전도 코일이 상기 관 형상 구조부의 직경 방향으로 적층되어 있고,
    제1 층의 상기 초전도 코일의 상기 천이 영역의 치수와 제2 층의 상기 초전도 코일의 상기 천이 영역의 치수가 서로 다른,
    초전도 코일 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관 형상 구조부는, 일정한 곡률로 구부러져 있음과 함께 단면(斷面)에서 볼 때 타원 형상을 이루고 있는,
    초전도 코일 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 초전도 코일에 의해 형성되어, 이극(二極) 자장을 발생시키는 초전도 이극 코일과,
    복수의 상기 초전도 코일에 의해 형성되어, 사극(四極) 자장을 발생시키는 초전도 사극 코일
    을 구비하고,
    상기 초전도 이극 코일과 상기 초전도 사극 코일이 서로 동축(同軸)으로 배치되어 있는,
    초전도 코일 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 초전도 코일 장치를 구비하고,
    복수의 상기 초전도 코일 장치에 의해 입자선 빔을 가속하는 빔 궤도가 형성되는,
    초전도 가속기.
  11. 제10항에 기재된 초전도 가속기를 구비하고,
    상기 초전도 가속기에 의해 상기 입자선 빔을 가속하고, 상기 입자선 빔을 환부에 조사(照射)하여 치료를 행하는,
    입자선 치료 장치.
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