JP6588849B2 - ビーム輸送用超電導磁石装置、ビーム輸送システム、粒子線治療システム、ビーム輸送用超伝導磁石配置方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム輸送用超電導磁石装置、ビーム輸送システム、粒子線治療システム、ビーム輸送用超伝導磁石配置方法に関する。

電子、陽子といった荷電粒子を加速して得られる粒子線（ビーム）は研究分野、医療分野においてさまざまな形態で利用されている。医療用のビーム利用のひとつとして陽子線（粒子線）治療法がある。この治療法は、加速された陽子をがんに打ち込んでがん細胞を死滅にいたらしめる治療法であり、線量ピーク（ブラッグピーク）位置をコントロールしてビームのエネルギーをがんの部位に集中させることができることから、手術等の外科療法、抗がん剤による化学療法、放射線療法などの治療方法に比べて、患者への負担が小さい治療法として近年普及しつつある。

ビームの利用においては、ビームは生成から照射利用までの間の経路を適切に輸送されなければならない。運動する荷電粒子は磁場によりローレンツ力を受けるため、磁石（磁場）を使ってその飛行経路を制御することが可能である。一定の大きさで上向きの磁場（磁石のＮ極からＳ極へ磁力線が向かう向きを磁場の向きとし、これが上向きとなっている磁場）中を、正の電荷を持つ粒子が運動する場合、粒子は進行方向に対し右向きの力を受けて曲がる。この一定の磁場を２極磁場と呼び、この磁場を発生する磁石を偏向磁石という。また、光学系におけるレンズと同様に、ビームに対しても磁気的なレンズというものが存在し、ビームを収束させたり拡散させる凸レンズ凹レンズに相当する磁場を４極磁場と呼び、また、ビームの収差を補正する磁場を６極磁場という。これら２極磁場、４極磁場、６極磁場等の磁場がビームの輸送に利用される。

非特許文献１には、陽子線装置について開示されており、生成された荷電粒子を加速し次段の主加速器（シンクロトロン）にビームを注入するための線形加速器、ビームを所定のエネルギーに加速するためのシンクロトロン及び患者へビームを照射するための回転ガントリーが図示されている。回転ガントリーは、がんの位置、形状に合わせて最適にビームを照射できるように、ビームのノズル及びビーム輸送磁石が患者の周りを回転するように構成されている。開示されているシステムは、ガントリーの半径は４ｍ、重量は１００トンである。

非特許文献１では陽子線を照射する治療システムについて述べられているが、耐放射性のがんに対しさらに治療効果のある重粒子線（炭素イオン）を利用した装置も開発されている。日本国内では放射線医学総合研究所（放医研）ＨＩＭＡＣ（Ｈｅａｖｙ Ｉｏｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ ｉｎ Ｃｈｉｂａ）などが稼動している。陽子に比べ炭素イオンは電荷あたりの質量が大きいため、同じ磁場強度の磁石を使うとビーム軌道の曲率半径は大きくなる。したがって、ＨＩＭＡＣの加速器（シンクロトロン）は陽子線のシステム（例：リング周長２０ｍ前後）に比べると大型化（例：リング直径約４２ｍ、周長約１３０ｍ）している。

陽子線治療装置と同様に重粒子線でも回転ガントリーが望まれており、回転ガントリーについても開発が進められている。回転ガントリーを実現するためにはビームをより小さな半径で曲げることが必須になるが、強い磁場を発生させるために超電導磁石が使われている。

非特許文献２には、重粒子線治療装置用の回転ガントリーの開発について開示されている。これらビーム輸送用の磁石ではビーム軌道を曲げるために偏向磁石（２極磁石）によりビームが通過する領域に一定強度の磁場を発生させている。この一定磁場を発生させるための起磁力源の配置方法、すなわち、コイルの巻線方法としては、コサインシータ巻きというものが知られている。このコサインシータ巻きとは、鉛直上向きの磁場を発生させビームを水平面内に偏向させ、ビーム通過する断面に対し丸い断面をもつ電磁石において、電磁石を構成する電流の配置を水平面からの角度θに対し電流密度分布がｃｏｓθとなるように配置する方法である。実際の電磁石においては角度θが小さい位置に配置される電流（コイル巻線）がビームの軌道を侵さないように電磁石の端部において巻線をビーム通過領域からよけるようにコイル巻線をずらして巻き回す。非特許文献２ではこのコサインシータ巻線を実現するためにサーフェスワィンディングと呼ばれる特殊な巻線技術によって超電導回転ガントリーを実現するための偏向磁石を実現している。

Shimizu, S. et al., "A Proton Beam Therapy System Dedicated to Spot-Scanning Increases Accuracy with Moving Tumors by Real-Time Imaging and Gating and Reduces Equipment Size", PLOS ONE, April 2014, vol.9, Issue 4, e94971 Takayama, S. et al., "Magnetic field measurement of the superconducting magnet for rotating-gantry", Proceedings of the 9th annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 2012.8.8-11, P247-251

一般にビーム輸送用の偏向磁石は、ビームの進行方向に対し直交する方向に一定の強さの磁場を発生させる必要があり、ビームの飛行経路と干渉しないように、巻線はビーム通過領域をよけるように巻線される必要がある。また、ビームの軌道に沿って一定の磁場を発生させるためにコサインシータ巻線のような巻き方を施した電磁石が必要となるため、複雑な３次元形状の巻線（コイル）が必要となる。ビーム輸送用の磁石では一般にビームの位置精度を出すために高精度の巻線が必要とされる。３次元形状の磁石を高精度に巻線することは技術的な難易度が高く専用の巻線装置を必要とする。そこで、従来のような技術的難易度の高い３次元形状のコイルを用いずとも、ビーム輸送用の偏向磁石を実現させる技術が望まれる。

本発明は、以上の点に鑑み、実装容易なフラットコイルのみによってビーム輸送用超電導磁石を実現することを目的する。

本発明の第１の解決手段によると、
ビーム輸送用超伝導磁石装置であって、
磁場発生方向をｚ軸正方向及びビームの飛行経路がｘ−ｙ平面上とした座標系で、ｘ−ｙ平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のｚ方向上側位置のｘ−ｙ平面と下側位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のｚ方向最大位置と最小位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりｚ軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置された、少なくとも１対の第一のフラットコイルと、
前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置され、且つ、ｚ−ｘ平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるｚ−ｙ平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置され、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きの磁場を発生するようにした、少なくとも１対の第二のフラットコイルと、
前記ビーム通過領域のｚ方向に外側且つ前記高角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置された、少なくとも１対の第三のフラットコイルと、
を備え、
前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間、及び、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間にある、
ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置が提供される。

本発明の第２の解決手段によると、
上述のようなビーム輸送用超伝導磁石装置を備えたビーム輸送システムが提供される。

本発明の第３の解決手段によると、
上述のようなビーム輸送用超伝導磁石装置を備えた粒子線治療システムが提供される。

本発明の第４の解決手段によると、
ビーム輸送用超伝導磁石配置方法であって、
磁場発生方向をｚ軸正方向及びビームの飛行経路がｘ−ｙ平面上とした座標系で、ｘ−ｙ平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のｚ方向上側位置のｘ−ｙ平面と下側位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のｚ方向最大位置と最小位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりｚ軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
少なくとも１対の第一のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置し、
少なくとも１対の第二のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置し、且つ、ｚ−ｘ平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるｚ−ｙ平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置し、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きに磁場を発生するようにした、少なくとも１対の第二のフラットコイルと、
少なくとも１対の第三のフラットコイルを、前記ビーム通過領域のｚ方向に外側且つ前記高角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置し、
前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間、及び、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間にある、
ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石配置方法が提供される。

本発明によれば、実装容易なフラットコイルのみによってビーム輸送用超電導磁石を実現することができる。

本実施形態の磁石の断面内のコイル配置の角度位置を示す概念図である。 本実施形態の磁石の起磁力源配置を示す鳥瞰図である。 多極成分磁場についての説明をするための座標系の取り方ついての説明図である。 多極展開磁場のうちｎ＝２次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。 多極展開磁場のうちｎ＝４次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。 多極展開磁場のうちｎ＝６次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。 断面内のコイル配置とｎ＝４，６次の多極磁場を発生させる領域との対応を説明するための説明図である。 本実施形態の磁石を二つの電源で運転する場合のコイル組み合わせを示す概念図である。 磁場の目標仕様と設計値の一例を示す説明図である。

本実施形態は、ビーム輸送用の電磁石（偏向磁石）に関し、単純な形状のコイルを利用して偏向磁石を構成する方法を提供するものである。本実施形態のビーム輸送用超電導磁石は、例えば、上下対称である超電導電磁石であって、平板状に巻き回されたコイルのみの組み合わせによって構成されており、その平板状コイルはビーム通過領域に対し干渉しない位置に配置されており、コイル位置は所定の磁場均一度を満足するような特定の位置関係を満足する位置に配置される。

以下、本発明に係る実施形態について説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

図１は、この磁石の中心位置での断面内のコイル配置の角度位置を示す概念図である。また、図２は、本実施形態の磁石のコイル配置を示す概念図である。磁石の位置関係を明確にするために、まず座標、方向を定義する。右手系直角座標系に対して磁場発生方向をｚ軸正方向に取ることとし、ｘ−ｙ平面内を飛行していたビームはｚ方向の磁場によりｘ−ｙ面内で偏向される磁石配置とする。また、磁石はｘ−ｙ平面で上下対称であり、断面内でのコイル配置は対称又はほぼ対称形状となっている。

本実施形態の磁石は、予め定められた角度（例えば２２．５度）以上の偏向角を実現するためのビーム輸送用の超伝導磁石であって、ビームがおおむね一定の曲率半径で曲げられて通過するビーム通過領域が、ｘ−ｙ平面に対して対称に配置された起磁力源と干渉しないように挟まれるように設けられており、その起磁力源はすべてフラットコイルによって構成されるものである。ここで言うフラットコイルとは、ｚ軸の方向に磁場を発生させるようにｘ−ｙ平面に対しほぼ平行に線材を巻き回したコイルであって、コイル巻線の横断面形状は巻き線の方向に沿って一定の形状を有しており、ｘ−ｙ平面を水平面としたとき、コイルはこの面に平行に置くことが可能な平坦な（平面的な）形状をしているものである。

ビームの通過領域と干渉しないように配置されるこのフラットコイルは、ビーム通過領域に対して所定の磁場均一度を達成するように位置及び形状が決められるが、特にコイル配置に関しては、例えば、以下のような特徴をもつ。

まず、ビーム通過領域のｚ方向最大位置及び最小位置（又は、方向上側位置及び下側位置）を通るｘ−ｙ平面に平行な平面によって挟まれる領域を低角度領域と名付け、これらの平面より外側の領域を高角度領域と名付ける。この場合、湾曲した円弧状ビーム通過領域の円弧の半径方向内側でかつ低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称な少なくとも１対の第一のフラットコイル１ａ対が配置され、さらに円弧の外側でかつ低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称な少なくとも１対の第二のフラットコイル２ａ対が配置され、高角度領域内にｘ−ｙ面に対し対称な少なくとも１対の第三のフラットコイル３ａ対が配置されている。さらにこの磁石をｚ−ｘ平面で切った断面で見たとき、巻線部の断面形状はｚ−ｘ平面の４つの象限において対称又はほぼ対称形状をしており、第一象限（ｘ軸を横軸に取り、ｘ＞０，ｚ＞０）に着目したとき、座標原点から見てｘ軸からｚ軸方向になす角３０度と６３度のラインに第一のフラットコイル１ａも第三のフラットコイル３ａもかからない配置となっている。第三のフラットコイル３ａが配置される高角度領域には、要求される磁場精度に応じてさらに第四のフラットコイル４ａを配置することができ、その場合には第四のフラットコイル４ａは６３度のラインよりもさらに高角度側に配置される。

本実施形態の超伝導偏向磁石は、単純な形状のフラットコイルからのみ構成され、ビーム通過領域に干渉しないように配置されており、さらに断面内の特定の角度位置、この位置は多極成分磁場のうち最も強度の大きな又は他の多極成分と比べて比較的強度の大きな６極成分磁場を生じさせる位置、を避けるように配置する。これにより、コイルの構成数を低減し、かつ、磁石の製作が容易でありながら所定の磁場均一度を有するビーム輸送用の超電導磁石を実現することができる。

以下に、本実施形態を更に図面を参照しながら具体的に説明する。

（超伝導偏向磁石の仕様と設計結果）
偏向電磁石の磁場仕様について、一例として、重粒子用のエネルギー４３０ＭｅＶ／ｕの炭素ビームを半径２．８ｍで偏向させる磁石を考える。ビームの通過領域は２００ｍｍ×２００ｍｍでこの領域で均一な２極磁場をつくる。磁石は図２に示すように上下対称の８個のコイルから構成されている。ビームが通過する磁石中心は曲率半径２．８ｍの弧を描くように磁石は湾曲している。なお、エネルギー、ビームの半径、通過領域等は一例であり、これに限らず、適宜の値とすることができる。この磁石はフラットコイルと呼ばれる平面状に巻き回したコイルによって構成されている。この構成は簡便な巻線によって製作されたコイルを用いながらビームの通過に影響がないようにコイルを配置でき、さらに、上下対称面付近に配置されたコイルの磁石外側の戻りの電流によって外部への漏洩磁場を低減する効果を持っていることから、漏洩磁場を低減するための大量のリターンヨークを必要とせず、軽量の磁石を提供できることである。

図９は、磁場の目標仕様と設計値の一例を示す説明図である。ビームが通過する磁石中心の磁場の誤差（エラー）については厳しく制約を課し、漏洩磁場に対しては制約を緩くして矩形断面コイルの形状と位置を最適化計算した結果である。ビームを輸送するのに十分に小さな誤差磁場（多極磁場）と小さな漏洩磁場を満す解が得られている。

ここで、図１に示した、２次元断面内のコイル配置について参照する。図中では上下対称のコイル配置のうち上側だけを図示している。第一のフラットコイル１ａ及び第二のフラットコイル２ａは、ｘ軸から角度位置３０度のラインを侵さないように配置される。このコイル配置が意味することについて説明するために、次に磁場設計について説明する。

(磁場設計について)
以下に、ビーム輸送用電磁石の設計に関し磁場の表式と磁場設計の概念について説明する。円弧状にビームを輸送する電磁石であっても、まずは、無限直線状起磁力源を用いた磁場設計を行い、それをベースにして３次元化する手法がとられる。無限直線状起磁力（電流）がつくる磁場について説明する。

図３は、多極成分磁場についての説明をするための座標系の取り方ついての説明図である。ここでは、図３に示すような座標系を考える。起磁力源を直線状の電流Ｉとし、電流は紙面に対して垂直に手前から奥に向って流れているものとする。磁場の方向をｚ軸方向に取る。電流の位置は、座標原点からの距離をｆとし、ｚ軸からなす角をφで与える。磁場評価点の位置は同様に、ｒとθで与えることとする。

この時、原点周辺の磁場Ｂｚ（ｒ，θ）は、

と、原点からの距離ｒのべき乗で展開した表式で書くことができる。
ここでｎは展開次数であり、

のように、ｎのそれぞれをｎ次の磁場と呼ぶこととする。ｎ＝０の磁場を２極磁場、ｎ＝１の磁場を４極磁場という呼び方もされるが、これはそれぞれのｎ次に特徴的な磁場分布を形成する磁石の極数に由来している。

ビーム飛行経路を一定の曲率で偏向させるためには一様な磁場が必要であり、偏向用電磁石では、基本的にｎ＝０次の一様磁場（２極磁場）だけを残してそれ以外の次数の磁場成分（多極成分磁場ともいう）はゼロにする磁場設計を行う。

２極磁場が得られるコイル巻線方法（電流配置方法）としてはコサインシータ巻線がよく使われている。これは、図３における座標系において電流の強度（電流分布）をｘ軸からなす角Θに対してｃｏｓ（Θ）状に分布させる配置方法である（図３では式１，２，３の説明のためｚ軸からθ及びφをとっているので注意）。

後述する式３において、多極展開磁場強度の電流ソースの角度位置に関する依存性はｓｉｎ［（ｎ＋１）φ］の部分であるが、電流の強度分布としてｓｉｎ（φ）の分布をもたせて積分をすればｎ＝０以外の項はゼロとなることからわかるように、コサインシータ巻線では２極磁場のみが得られる。なお、コサインシータ巻線は連続的に電流密度分布を変化させることから自由度が非常に高い体系と解釈することもできる。

本発明及び／又は本実施形態では、いわゆるコサインシータ巻きの電流密度分布が連続的に変化する分布巻線コイルではなく、矩形断面のコイルが離散的に配置された体系によって偏向磁石を実現しようとしている。この場合であっても、コサインシータ巻線の場合と同様に、ｎ＝０以外の多極成分磁場をゼロ（又は、ゼロに近い値、無視できる値、等）とするようなコイル配置としなければならない。本発明及び／又は本実施形態では、コサインシータ巻線が原理的に積分によって多極成分磁場がキャンセルされるのと異なり、離散化されたコイルの断面形状や位置を適切に組み合せることによって多極成分磁場をキャンセルする。一般論として大雑把に言えば、磁場成分をキャンセルしたい次数の分だけ磁場ソース（コイル配置）の自由度を与える必要がある。多くの次数の磁場をキャンセルするためには離散コイルの個数を増やすことが必須である。

本実施形態のように、２次元平面内で電流起磁力源を左右反対称（ｚ軸に対して）、上下対称（ｘ軸に対して）に配置すると、対称性によってｎが奇数の次数の磁場がキャンセルされてゼロとなり都合が良い。ここで左右反対称とはコイル断面形状がｚ軸に対して対称であり、電流の向きが反対であることをいう。図１では上半分のみのコイル配置が示されているが、図中の丸の中央に点が打たれた印は電流が紙面奥から手前に向かって流れていることを示し、丸にバツの印は電流が紙面奥に向かって流れていることを示す。

式２に、式２の電流Ｉの符号を反転しさらにφの符号を反転したものを加算すると、

となる（左右反対称の対称性を考慮した表式）。さらに上下対称の場合には、式２’に、式２’のφを（π−φ）におきかえたものを加算すると、

が得られる。左右反対称、上下対称の電流配置の場合には、このようにｎが奇数次の多極磁場は０となるので、考慮すべき磁場はｎが偶数次の項のみであり、残すべきｎ＝０の２極磁場以外のｎ＝２の６極磁場、ｎ＝４の１０極磁場、ｎ＝６の１４極磁場、、、等をキャンセルする磁場設計を行なうこととなる。ｎ次の磁場は次数が高いほど（ｒ／ｆ）のｎ乗でその強度は小さくなっていくため、無限に高い次数の磁場までをキャンセルする必要はなく、キャンセルすべき磁場に関しては、ビームが通過する領域において要求される磁場精度によって決定される。本実施形態の磁石においては、一例としてｎ＝６次までをキャンセル（又は、予め定めた値以下まで減少）するようにし、それ以上の高次の多極磁場は強度が大きくならないように制約してコイル配置を決定した。

（コイル配置の原理）
本実施形態では、上下対称、左右反対称の起磁力体系であるため、偶数次の磁場のみが設計の対象であり、また、漏洩磁場については努力目標としてこれを低減するように設計を行なった。図９に示したように、制約した磁場の数は磁石中心の磁場が７個（さらに漏洩磁場を加えると９個）である。制約する磁場の数が多いため、少ない数の離散コイルで所定の磁場均一度を得るためには合理的なコイル配置が必要である。図９では、一例として、２次、４次、６次をそれぞれ０．０５、０．１６、０．１６ガウス以下になるようにキャンセルし、８次、１０次、１２次をそれぞれ７．０、７．２、５．３ガウス以下に制約する。さらに、漏洩磁場については、一例として、座標原点（中心）からｚ軸に沿った垂直方向の距離の−２乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、座標原点からｚ軸に沿った垂直方向３ｍの位置で２ガウス以下（図９では、１．５ガウス以下）とし、距離の−４乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、座標原点からｚ軸に沿った垂直方向３ｍの位置で２０ガウス以下（図９では、１２ガウス以下）となるよう、可能な範囲で小さくする。

式３は、磁石中心付近のｎ次の多極磁場の表式であるが、電流の角度位置に依存する部分はｓｉｎ［（ｎ＋１）φ］／ｆ^ｎ＋１の部分である。以下に、この式３に従って各次数の磁場設計の考え方について説明する。

［ｎ＝０次］
多極磁場を抑制しながら最も効率よくｎ＝０次の２極磁場（偏向磁場）を発生させることを考えることすると、磁石中心に逆向きの磁場を発生させる電流を配置しないことは明白である（第一及び第二のフラットコイル１ａ及び２ａの戻り電流については逆向きとなるがやむをえない。また、この電流は距離が遠いため寄与が小さい）。ｎ＝０次の磁場は電流の角度位置に対してｓｉｎ［φ］の依存性があるため、なるべくｘ軸に近づけて（即ちｚ軸から９０度の位置で）電流（コイル）を配置するのが効率が良い。

［ｎ＝２次］
図４は、多極展開磁場のうちｎ＝２次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。ｎ＝２次の成分の磁場は、電流の角度位置に対してｓｉｎ［３φ］の依存性があることから、強度の符号がｚ軸から３０度の位置で＋１、６０度の位置で０、９０度の位置で−１と変化する（図４に−π／２ ≦ φ ≦ π／２でｓｉｎ［３φ］の絶対値が最大値をとる角度位置を示す）。ｎ＝０次の磁場を効率良く発生するためには９０度に近い側（ｘ軸側）に電流を寄せる必要があるため、ｎ＝２の６極磁場を発生させないためには、６０度のラインを挟んで（起磁力源をバランスさせて）配置することが合理的な配置方法である。戻りの電流は、距離ｆのｎ＋１＝３乗に反比例して寄与が小さくなるため、磁石中心に近い内側の電流の寄与が大きい。ｎ＝２次の磁場は磁場の符号が変わるところが６０度のラインしかないため、起磁力源として正の電流しか配置しないことにすれば（対となる戻りの電流のことは考えない）、大きな起磁力源はこの６０度のラインで２分されて配置されることになる。

［ｎ＝４、６次］
図５は、多極展開磁場のうちｎ＝４次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。ｎ＝４次の成分の磁場は、電流の角度位置に対してｓｉｎ［５φ］の依存性があることから、強度の符号がｚ軸から１８度の位置で＋１、３６度の位置で０、５４度の位置で−１、７２度の位置で＋０、９０度の位置で１と変化する（図５に−π／２ ≦ φ ≦ π／２でｓｉｎ［５φ］の絶対値が最大値をとる角度位置を示す）。

また、図６は、多極展開磁場のうちｎ＝６次の成分の磁場の絶対値が最大値となる線電流の角度位置を示す説明図である。ｎ＝６次の成分の磁場は、電流の角度位置に対してｓｉｎ［７φ］の依存性があることから、強度の符号がｚ軸から１２．９度の位置で＋１、２５．７度の位置で０、３８．６度の位置で−１、５１．４度の位置で＋０、６４．３度の位置で＋１、７７．１度の位置で０、９０度の位置で１と変化する（図６に−π／２ ≦ φ ≦ π／２でｓｉｎ［７φ］の絶対値が最大値をとる角度位置を示す）。ｎ＝０次及び２次でおおまかな起磁力源の配置が決っているため、それの影響を受け配置できるｎ＝４及び６の磁場を調整できる領域は制限される。

ｎ＝４，６次の多極磁場の発生量が大きな領域（感度が高い領域）にコイルを配置することは、キャンセルすべき多極磁場の絶対量が増えるため得策ではない。従って、第一のフラットコイル１ａは６４．３度よりも角度が大きな領域にその大部分（例えば、８割以上等）が配置されることになり、第三のフラットコイル３ａは３８．６度から５４度の範囲にその大部分（例えば、８割以上）が配置されることになる。磁場の要求仕様によっては高角度領域にさらに電流を配置することが必要となり、その場合には第四のフラットコイル４ａがｎ＝４，６次の高次の多極磁場を調整するために配置される。

［ｎ＞＝８次］
ｎ＞＝８次の高次多極磁場は符号がかわる角度位置が増えることから、これらの多極展開磁場を完全にキャンセルするためには、コイルを小さく分割して符号が変わる領域にうまくコイルを配置することが必要である。しかし本実施形態の磁石では離散コイルの個数を最小限とすることを優先としているため、コイルの断面形状調整によってその強度が大きくならないように制約した（図９で示した例のように、８次、、１０次、１２次に対して、それぞれ、７．０ガウス、７．２ガウス、５．３ガウス以下程度）。

図７は、断面内のコイル配置とｎ＝４，６次の多極磁場を発生させる領域との対応を説明するための説明図である。以上のように、コイルの個数を６〜８個（３〜４対）で磁石を構成する場合には、図７のように、６極磁場（ｎ＝２）をキャンセルするためにφ＝６０度のラインでおおまかに２つに分けるように起磁力源を配置し、さらに１０極（ｎ＝４）、１４極磁場（ｎ＝６）の発生量が大きいφ＝３８．６度、５４度、６４．３度の角度位置に起磁力源が集中しないように起磁力源を配置することが必要となる。

（２電源励磁による磁場調整）
図８は、本実施形態の磁石を二つの電源で運転する場合のコイル組み合わせを示す概念図である。離散コイルで構成される磁石では、コサインシータ巻線のような広く電流が分布している磁石よりも巻線の製作精度、位置精度が厳しくなる場合が想定される。磁石を製作すると必ず製作誤差により磁場が設計よりずれるため、このずれに対して補正する手段が必要となる。とりわけ低い次数の６極磁場は誤差磁場の発生強度が原理的に大きく、そして、ビーム通過領域の広い領域に対して磁場を歪ませるため、この成分に対する磁場補正は必須である。

本実施形態の磁石では、磁石を構成するコイルを２つのグループに分けて励磁を行うことにより、大がかりな補正コイルを実装することなく６極磁場の補正を行うことが可能である。２つのコイルグループは同じ電流で励磁されるように設計されているが、実機の仕上がり状況に応じて（製作誤差によって生じる６極磁場をキャンセルするように）わずかに電流値を変えて運転する。２電源で運転することによって２つの自由度を持つことになるから、偏向磁場の強度を一定に保ったまま６極磁場の強度を自由に変化させることが可能となる。

６極磁場（ｎ＝２）は、電流がｚ軸から６０度のラインをまたぐと発生する磁場の符号が変わるから、この６０度のラインでコイルをグループ分けをし（図７）、励磁電流に差をつけることによって効率良く（わずかな電流差で）６極磁場を発生することが可能である。また、６極磁場よりも高次の多極磁場については原理的に発生強度が小さいことと、それぞれのコイルグループの中でも磁場のキャンセルが行われているため影響が小さい。

また、本実施形態の体系の磁石では磁石長が長い方が均一な磁場を出すためには有利である。そのため磁石長が長くなる傾向にあり磁石の蓄積エネルギーが増大しクエンチ時の磁石保護が難しくなる。電源回路を分割することにより磁石保護が容易になる。また、本実施形態の磁石のコイル配置は２電源回路間の磁気的なカップリングが極めて小さくなるため、２電源化された回路はほぼ独立とみなせ、磁石保護過程における磁気的結合によるエネルギーのやりとりについて考慮する必要がないことも利点のひとつである。

（その他の効果）
本実施形態の磁石は、フラットコイルを採用することによって簡便に製作できるばかりか、外側に結果的に配置される戻りの電流を利用して、磁石外部の漏洩磁場を低減することが可能である。この効果により漏洩磁場の低減に必要な鉄ヨークを大幅に低減することが可能であり、したがって回転ガントリー用の支持構造や回転構造に対する負荷を低減できる。

（本発明及び／又は本実施形態の磁石の利用）
本発明及び／又は本実施形態のビーム輸送用超電導磁石は、通常考えられるビーム輸送用途に適用できるが軽量であることが特徴であるので、特に粒子線治療装置用回転ガントリーなど重量が重要なファクターとなる装置に対して最適である。また、本発明及び／又は本実施形態のビーム輸送用超電導磁石は、研究用加速器・医療用加速器などのビーム輸送を伴う装置・システム全般に適用できる。軽量であることが特徴であるので、特に粒子線治療装置用回転ガントリーなど重量が重要なファクターとなる装置に対して最適である。

（付記）
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記した実施例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が可能であり、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・置換をすることが可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ａ，１ｂ： 第一のフラットコイル
２ａ，２ｂ： 第二のフラットコイル
３ａ，３ｂ： 第三のフラットコイル
４ａ，４ｂ： 第四のフラットコイル
５： ビーム通過領域

Claims (14)

1. ビーム輸送用超伝導磁石装置であって、
   磁場発生方向をｚ軸正方向及びビームの飛行経路がｘ−ｙ平面上とした座標系で、ｘ−ｙ平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のｚ方向上側位置のｘ−ｙ平面と下側位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のｚ方向最大位置と最小位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりｚ軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
   前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置された、少なくとも１対の第一のフラットコイルと、
   前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置され、且つ、ｚ−ｘ平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるｚ−ｙ平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置され、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きの磁場を発生するようにした、少なくとも１対の第二のフラットコイルと、
   前記ビーム通過領域のｚ方向に外側且つ前記高角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置された、少なくとも１対の第三のフラットコイルと、
   を備え、
   前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
   前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
   前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間、及び、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間にある、
   ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
2. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記第三のフラットコイルを、２対以上備え、２対以上の前記第三のフラットコイルのうち少なくともひとつは前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間、及び、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間にあることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
3. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記第三のフラットコイルが配置される前記高角度領域に、高次の多極磁場を調整するため、６３度のラインよりもさらに、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角度の高角度側にｘ−ｙ面に対し対称に配置される、１対の第四のフラットコイルをさらに備えたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
4. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記座標原点によるｚ−ｘ平面の第一象限における前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルのそれぞれのコイル断面積の８割以上又は大部分が、前記座標原点におけるｚ軸からみたｘ方向になす角度位置１８度から３８．６度の領域及び５４度から６４．３度の領域を除いた領域に配置されていることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
5. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルは、ｚ軸の方向に沿った磁場を発生させるようにｘ−ｙ平面に対しほぼ平行に線材を巻き回したコイルであって、コイル巻線の横断面形状は巻き線の方向に沿って一定の形状を有しており、ｘ−ｙ平面を水平面としたとき前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルは前記水平面に平行に置くことが可能な平坦又は平面的な形状をしているコイルであることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
6. 請求項５に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記コイル巻線の横断面形状は、巻き線の方向に沿って矩形形状を有していることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
7. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記第三のフラットコイル用の第一の励磁回路と、
   前記第一のフラットコイル及び第二のフラットコイル用の第二の励磁回路と
   を備えたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
8. 請求項７に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記第一の励磁回路及び前記第二の励磁回路は、少なくとも６極磁場をキャンセルするように異なる電流値を供給することを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
9. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
   前記座標原点からｚ軸に沿った垂直方向３ｍの位置に於ける漏洩磁場を２０ガウス未満としたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
10. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置において、
    前記座標原点からｚ軸に沿った垂直方向の距離の−２乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、前記座標原点からｚ軸に沿った垂直方向３ｍの位置で２ガウス以下とし、前記距離の−４乗に比例する漏洩磁場成分の強度を、前記座標原点からｚ軸に沿った垂直方向３ｍの位置で２０ガウス以下としたことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石装置。
11. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置を備えたビーム輸送システム。
12. 請求項１に記載のビーム輸送用超伝導磁石装置を備えた粒子線治療システム。
13. ビーム輸送用超伝導磁石配置方法であって、
    磁場発生方向をｚ軸正方向及びビームの飛行経路がｘ−ｙ平面上とした座標系で、ｘ−ｙ平面に対して対称の形状のビーム通過領域をビームが予め定められた曲率半径の円弧で偏向されて通過し、前記ビーム通過領域のｚ方向上側位置のｘ−ｙ平面と下側位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域又は前記ビーム通過領域のｚ方向最大位置と最小位置のｘ−ｙ平面によって挟まれる領域を低角度領域とし、前記低角度領域よりｚ軸方向外側の領域を高角度領域としたとき、
    少なくとも１対の第一のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の内側且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置し、
    少なくとも１対の第二のフラットコイルを、前記ビーム通過領域の円弧の外側で且つ前記低角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置し、且つ、ｚ−ｘ平面のコイル断面で前記ビーム通過領域の中心を表す座標原点におけるｚ−ｙ平面に対して、前記第一のフラットコイルと対称又はほぼ対称に配置し、電流の向きを前記第一のフラットコイルと左右反対とし、前記第一のフラットコイルと同じ向きの磁場を発生するようにし、
    少なくとも１対の第三のフラットコイルを、前記ビーム通過領域のｚ方向に外側且つ前記高角度領域にｘ−ｙ面に対し対称に配置し、
    前記第一のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
    前記第二のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角０度から３０度の間にあり、
    前記第三のフラットコイルの配置位置が、前記座標原点から見てｘ軸方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間、及び、前記座標原点から見てｘ軸マイナス方向からｚ軸方向になす角３０度から６３度の間にある、
    ことを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石配置方法。
14. 請求項１３に記載のビーム輸送用超伝導磁石配置方法において、
    前記第一のフラットコイル及び前記第二のフラットコイル及び前記第三のフラットコイルの配置により、前記ビーム通過領域の磁場を表す展開次数ｎが奇数次の多極磁場を０とし、ｎが偶数次の、ｎ＝０の２極磁場を残し、それ以外のｎ＝２の６極磁場、ｎ＝４の１０極磁場、ｎ＝６の１４極磁場をキャンセルすることを特徴とするビーム輸送用超伝導磁石配置方法。

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