(57)【要約】      （修正有）【課題】等時性を容易に確保することができるサイクロトロンを提供する。【解決手段】サイクロトロンは、ガドリニウム及びホルミウムのうち少なくとも一方を含むポール４と、ポール４を中心として配置されたコイルと、ポール４に対して設けられ、ポール４の温度を調整する温度調整手段１０と、を備える。このサイクロトロンによれば、磁化の温度依存性が強いガドリニウム及びホルミウムのうち少なくとも一方を含むポール４を採用するので、ポール４の温度調整により、荷電粒子に影響する磁束密度を制御することが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガドリニウム及びホルミウムのうち少なくとも一方を含むポールと、
前記ポールを中心として配置された環状のコイルと、
前記ポールに対して設けられ、前記ポールの温度を調整する温度調整手段と、
を備える、サイクロトロン。
【請求項２】
前記温度調整手段を制御する制御手段を更に備え、
前記制御手段は、前記コイルに流す電流を制御する、請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項３】
前記温度調整手段は、選択的に前記ポールの一部を温度調整可能である、請求項１又は２に記載のサイクロトロン。
【請求項４】
前記温度調整手段は、前記ポールの全体を一体的に温度調整可能である、請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項５】
前記ポールには、ヒル及びバレーが周方向で交互に形成され、
前記温度調整手段は、少なくとも一つの前記ヒルに設けられている、請求項１〜４の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項６】
前記ポールは、互いに対向する第１ポール及び第２ポールを有し、
前記温度調整手段は、前記第１ポール及び前記第２ポールの何れか一方を選択的に温度調整可能である、請求項１〜５の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を加速させるサイクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷電粒子を加速させるサイクロトロンに関する技術文献として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１には、コイルの生成する磁束密度（磁場）によって荷電粒子を加速させるサイクロトロンであって、磁束密度を制御するためのトリムコイルを備えたものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５０１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サイクロトロンにおいて、荷電粒子は円形軌道を描いて加速され、その軌道半径はエネルギーが増大するほど大きくなる。荷電粒子の加速を継続するためには等時性（軌道半径に関係なく一周にかかる時間が等しいこと）を確保するように磁束密度を制御する必要がある。しかしながら、荷電粒子の各軌道に応じて磁束密度を細かく制御することは難しく、全ての軌道で等時性を確保することは容易ではないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、等時性を容易に確保することができるサイクロトロンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、ガドリニウム及びホルミウムのうち少なくとも一方を含むポールと、ポールを中心として配置された環状のコイルと、ポールに対して設けられ、ポールの温度を調整する温度調整手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るサイクロトロンによれば、磁化の温度依存性が強いガドリニウム及びホルミウムのうち少なくとも一方を含むポールを採用するので、ポールの温度調整により、荷電粒子に影響する磁束密度を制御することが可能となる。従って、このサイクロトロンによれば、磁束密度を制御するためにポールの温度調整という新たな手段を提供することができるので、従来と比べて磁束密度の制御の選択肢が広がり、等時性を容易に確保することができる。しかも、このサイクロトロンによれば、ポールの温度調整により磁束密度を制御することで、磁束密度調整用のトリムコイルが不要となるので、サイクロトロンの構造の簡素化及び小型化に有利である。
【０００８】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、温度調整手段を制御する制御手段を更に備え、制御手段は、コイルに流す電流を制御してもよい。
このサイクロトロンによれば、制御手段が温度調整手段とコイルの電流を制御するので、温度調整によるポールの磁化の変更とコイルの電流制御とを合わせて、磁束密度の微調整をすることができ、等時性の確保を一層容易にすることができる。
【０００９】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、温度調整手段は、選択的にポールの一部を温度調整可能であってもよい。
このサイクロトロンによれば、ポールの一部を選択的に温度調整することにより、加速空間の磁束密度を局所的に変更することができるので、調整したい軌道に対応する磁束密度を変更することで、等時性を容易に確保することができる。
【００１０】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、温度調整手段は、ポールの全体を一体的に温度調整可能であってもよい。
このサイクロトロンによれば、一体的にポール全体の温度を調整することで、ポール全体の磁化分布を変更させることができるので、全体的な磁束密度の調整を行うことができる。しかも、このサイクロトロンによれば、温度調整によるポール全体の磁化分布の変更とコイルの電流の制御を合わせて行うことで、全体として必要な強さの磁束密度を確保しつつ、等時性を確保するための制御幅（調整シロ）を得ることができる。
【００１１】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、ポールには、ヒル及びバレーが周方向で交互に形成され、温度調整手段は、少なくとも一つのヒルに設けられていてもよい。
このサイクロトロンによれば、複数のヒルの少なくとも一つに温度調整手段が設けられているので、適切なヒルの温度調整を行うことにより、磁場のハーモニック成分を変化させることができ、共鳴通過時の荷電粒子ビームの広がりをコントロールすることが可能になる。
【００１２】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、ポールは、互いに対向する第１ポール及び第２ポールを有し、温度調整手段は、第１ポール及び第２ポールの何れか一方を選択的に温度調整可能であってもよい。
このサイクロトロンによれば、第１ポール及び第２ポールの何れか一方を選択的に温度調整することで、磁束密度のサイクロトロン半径方向の成分を補正することができるので、荷電粒子ビームの垂直方向の位置調整や共鳴通過時の荷電粒子ビームの広がりをコントロールすることが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、等時性を容易に確保することができるサイクロトロンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係るサイクロトロンを示す断面図である。
【図２】図１のポールを示す平面図である。
【図３】ガドリニウムにおける磁化Ｍ及び磁場Ｈの関係を温度別に表わしたグラフである。
【図４】ポールの局所的な温度調整の効果を説明するためのグラフである。
【図５】ポールの全体的な温度調整の効果を説明するためのグラフである。
【図６】ポールのヒルにおける非対称な温度調整の効果を説明するためのグラフである。
【図７】第１ポール及び第２ポールの一方のみの温度調整の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源２から荷電粒子を加速空間Ｇ内に供給し、加速空間Ｇ内の荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する横置きの円形加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）などが挙げられる。サイクロトロン１は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。
【００１７】
このサイクロトロン１では、加速空間Ｇ内で円軌道を描く荷電粒子ビームを継続的に加速するため、等時性（円軌道の半径の大きさに関係なく一周にかかる時間が等しいこと）を確保するように磁束密度を制御する必要がある。
【００１８】
サイクロトロン１は、イオン源２と、中空のリターンヨーク３と、リターンヨーク３内でイオン源２の周囲に設けられたポール４と、ポール４を中心として配置された円環状のコイル５を備えている。また、サイクロトロン１は、コイル５を冷却するための冷却機構（図示せず）を備えている。
【００１９】
図２は、ポール４を示す平面図である。図２に示されるように、ポール４は、中心軸Ｃの付近から外側へ向けて螺旋を描くようなスパイラル状に設けられた四つのヒル６を有している。ヒル６は、加速空間Ｇを挟んで上下方向に対向する第１ポール６Ａ及び第２ポール６Ｂからなり、加速空間Ｇ内の荷電粒子ビームを垂直方向に収束させるためのものである（図１参照）。
【００２０】
ヒル６は、周方向（以下、中心軸Ｃの周方向を意味する）に等間隔で設けられ、その間には、空隙であるバレー７が形成されている。すなわち、ポール４には、周方向でヒル６及びバレー７が交互に形成されている。サイクロトロン１では、ヒル６において磁束密度が強められ、バレー７において磁束密度が弱まることで、荷電粒子ビームを垂直方向及び水平方向に収束させる。このように、周方向に強弱のある磁束密度を形成するサイクロトロンはＡＶＦ［Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ  Ｖａｒｙｉｎｇ  Ｆｉｅｌｄ］サイクロトロンと呼ばれる。
【００２１】
四つのヒル６は、外側ほど磁束密度が強くなるＡＶＦサイクロトロンにおいて、より強い荷電粒子ビームの垂直方向の収束力を得るためスパイラル状に形成されている。外側に行くにつれ、磁束密度が弱い（低い）と、ビームに垂直方向の発散力が働いてしまう。そこで、ヒル６をスパイラル状にすることで垂直方向の収束力を持たせている。なお、バレー７は空隙に限られず、ヒル６の厚さよりも薄い厚さの金属であってもよい。
【００２２】
次に、ポール４の材質について説明する。本実施形態に係るポール４は、ガドリニウム〔Ｇｄ〕から形成されている。ここで、図３は、ガドリニウムにおける磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｇ）及び磁場Ｈ（Ｔ）の関係を温度別に表わしたグラフである。
【００２３】
図３に示されるように、ガドリニウムは、磁場Ｈに対する磁化Ｍの特性（特に飽和磁化）が強い温度依存性を有している。このため、ポール４の温度を調整することにより、その磁化Ｍの特性を変更することができる。
【００２４】
また、ガドリニウムは、鉄等と比べて飽和磁化が高いため、荷電粒子ビームの垂直方向のベータトロン振動をより安定させることができる。ベータトロン振動とは、荷電粒子ビームの横方向（水平方向及び垂直方向，進行方向に直交する方向）の振動である。
【００２５】
具体的には、荷電粒子ビームの垂直方向のベータトロン振動数νＺは、フラッターＦが大きい方が安定することが知られている。フラッターＦとは、ヒル６及びバレー７の磁束密度の高低差を表わす量である。フラッターＦと磁束密度Ｂとの関係は、下記の式（１）として表わされる。式（１）において〈Ｂ〉θは磁束密度の周方向平均を意味している。
【数１】
2014075322.tif 000003
【００２６】
また、磁束密度Ｂは、磁場Ｈ及び磁化Ｍを用いて下記の式（２）で表わすことができる。式（２）に示すμ０は、真空の透磁率である。
【数２】
2014075322.tif 000004
【００２７】
上記の式（１）及び（２）より、式（１）の右項の分子〈（Ｂ−〈Ｂ〉θ）２〉θの値は磁化Ｍ（飽和磁化）に比例する。従って、飽和磁化の高い材料をポール４に採用することで、フラッターＦの値が高くなり、荷電粒子ビームの垂直方向ベータトロン振動の安定性が向上する。
【００２８】
なお、ポール４におけるガドリニウムの含有率は１００％である必要はなく、鉄等の他の物質を含んでいてもよい。また、ポール４の一部にガドリニウムのみからなる部分を有する態様であってもよく、例えばポール４の表面部分にガドリニウムの層を形成する態様であってもよい。また、ガドリニウムと近い温度依存性を有するホルミウム〔Ｈｏ〕をガドリニウムの代わりに採用してもよく、ガドリニウムとホルミウムの両方が材料としてポール４に含まれていてもよい。
【００２９】
図２に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１は、ガドリニウムを含むポール４の温度を調整するための温度調整部（温度調整手段）１０と、温度調整部１０を制御する制御部（制御手段）１１を備えている。
【００３０】
温度調整部１０は、例えばポール４のヒル６において、第１ポール６Ａの上面及び第２ポール６Ｂの下面にそれぞれ設けられ、温度調整を行うものである。温度調整部１０は、選択的にポール４の一部を温度調整可能であると共に、ポール４の全体を一体的に温度調整可能に構成されている。温度調整部１０の構成や配置は特に限定されない。例えば、ポール４は、クライオスタット内に納められていて冷凍機で冷却される。なお、コイル５は、必ずしも冷凍機を要しない。通常は、水冷機構を用いてコイル５を冷却している。但し、超伝導サイクロトロンの場合はコイル５も冷凍機で冷却する。
【００３１】
また、例えば、温度調整部１０は、電流により発熱する電熱器であってもよく、外部の空気その他の加熱媒体を導入してポール４の温度を上げる構成であってもよい。また、温度調整部１０は、コイル用の冷凍機と接続されてポール４を冷却する構成であってもよく、液体ヘリウムその他の冷却媒体を導入して冷却する構成であってもよい。また、ポール４の周囲には、温度調整を容易にするための断熱壁が設けられていてもよく、温度調整部１０は断熱壁の内部を一体的に温度調整する構成であってもよい。
【００３２】
制御部１１は、ＣＰＵ[Central  Processing  Unit]、ＲＯＭ[Read  Only  Memory]、ＲＡＭ[Random  Access  Memory]などからなる電子制御ユニットである。制御部１１は、温度調整部１０の制御の他に、コイル５の電流の制御も行う。制御部１１は、荷電粒子ビームの等時性を確保するように温度調整部１０及びコイル５の電流を制御する。
【００３３】
以上説明した本実施形態に係るサイクロトロン１によれば、磁化Ｍの温度依存性が強いガドリニウムを含むポール４を採用するので、ポール４の温度調整により、荷電粒子に影響する磁束密度を制御することが可能となる。従って、このサイクロトロン１によれば、磁束密度を制御するために、ポール４の温度調整という新たな手段を提供することができるので、従来と比べて磁束密度の制御の選択肢が広がり、等時性を容易に確保することができる。
【００３４】
しかも、このサイクロトロン１によれば、ポール４の温度調整により磁束密度を制御することで、磁束密度調整用のトリムコイルが不要となるので、サイクロトロンの構造の簡素化及び小型化に有利である。
【００３５】
更に、このサイクロトロン１によれば、制御部１１が温度調整部１０とコイル５の電流を制御するので、温度調整によるポール４の磁化特性の変更とコイル５の電流制御とを合わせて、磁束密度の細かい微調整をすることができ、等時性の確保を一層容易にすることができる。
【００３６】
次に、制御部１１によるポール４の温度調整による効果について図４〜図７を参照して詳細に説明する。
【００３７】
図４は、ポール４の局所的な温度調整の効果を説明するためのグラフである。図４の縦軸は磁束密度Ｂ、横軸はサイクロトロン半径方向ｒである。図４に示す実線Ｕ１は、温度調整前の加速空間Ｇにおける磁束密度の径方向分布を示し、破線Ｕ２は、局所的な温度調整（温度上昇）後の加速空間Ｇにおける磁束密度の径方向分布を示している。
【００３８】
図４に示されるように、制御部１１は、ヒル６の一部など、ポール４を局所的に温度上昇させることで、対応する部分の飽和磁化が低くなり（図３参照）、磁束密度を選択的に減少させることができる（破線Ｕ２参照）。一方、ポール４を局所的に温度低下させることで、対応する部分の飽和磁化が高くなり、磁束密度を選択的に増加させることができる。
【００３９】
このように、サイクロトロン１では、ポール４の一部を選択的に温度調整することにより、加速空間Ｇの磁束密度を局所的に変更することができるので、調整したい軌道に対応する磁束密度を変更することで、等時性を容易に確保することができる。
【００４０】
図５は、ポール４の全体的な温度調整の効果を説明するためのグラフである。図５の縦軸は磁束密度Ｂ、横軸はサイクロトロン半径方向ｒである。図５に示す実践Ｖ１は、温度調整前の加速空間Ｇにおける磁束密度の径方向分布を示し、破線Ｖ２は、全体的な温度調整（温度上昇）後の加速空間Ｇにおける磁束密度の径方向分布を示している。一点鎖線Ｖ３は、コイル５の電流制御による調整後の磁束密度の半径方向の分布を示している。
【００４１】
図５に示されるように、制御部１１は、ポール４全体の温度を上昇させることにより、ポール４の全体の飽和磁化を低下させ、矢印Ｐ１が示すように全体的な磁束密度をＶ１からＶ２へ下げることができる。その後、制御部１１は、磁束密度の低下分を補うようにコイル５に対する電流の供給を増加することにより、矢印Ｐ２が示すように磁束密度をＶ２からＶ３へと上げる。このＶ３と温度調整前のＶ１との間には差が生じるため、この差が磁束密度の調整シロとなる。なお、ポール４の全体を温度低下させる場合は、逆にコイル５に対する電流の供給を減少させることで、同様に調整シロを得ることができる。
【００４２】
このように、サイクロトロン１では、一体的にポール４全体の温度を調整することで、ポール４全体の磁化分布を変更させることができるので、全体的な磁束密度の調整を行うことができる。しかも、このサイクロトロン１によれば、温度調整によるポール４全体の磁化分布の変更とコイル５の電流の制御を合わせて行うことで、全体として必要な強さの磁束密度を確保しつつ、等時性を確保するための制御幅（調整シロ）を得ることができる。
【００４３】
図６は、ポール４のヒル６における温度調整の効果を説明するためのグラフである。図６の縦軸は磁束密度Ｂ、横軸は周方向の角度（中心軸Ｃ周りの角度）θである。図６に示す実線Ｗ１は、温度調整前の加速空間Ｇにおける磁束密度の周方向分布、破線Ｗ２は、二つのヒル６の局所的な温度変更（温度上昇）後の加速空間Ｇにおける磁束密度の周方向分布である。具体的には、破線Ｗ２は、中心軸Ｃを挟んで対称に位置する二つのヒル６における同一半径の部分（中心軸Ｃからの距離が等しい部分）を温度上昇した場合を示している。
【００４４】
図６に示されるように、制御部１１は、異なるヒル６の同一半径の部分を温度上昇させることで、磁束密度のハーモニック成分を発生させることができる。同様に、異なるヒル６の同一半径の部分を温度低下させることによっても磁束密度のハーモニック成分を発生させることができる。
【００４５】
このように、サイクロトロン１では、適切なヒル６の温度調整を行うことにより、磁場のハーモニック成分を変化させることができ、共鳴通過時の荷電粒子ビームの広がりをコントロールすることが可能になる。
【００４６】
図７は、第１ポール６Ａ及び第２ポール６Ｂの一方のみの温度調整の効果を説明するための図である。図７の縦軸は垂直方向Ｚ（中心軸Ｃの延在方向）であり、横軸はサイクロトロン半径方向ｒである。図７に示すＨは、加熱領域を示している。
【００４７】
図７に示されるように、制御部１１は、温度調整部１０を制御して第１ポール６Ａのみを一部加熱（温度上昇）させることで、磁束密度の半径方向成分を変化させる。ここで、図７に示す矢印Ｑは、第２ポール６Ｂから第１ポール６Ａに向かう磁束線である。矢印Ｑが示すように、磁束線は第１ポール６Ａの加熱領域Ｈを避けるため、磁束密度の分布が変更される。なお、温度上昇の他、温度低下によっても磁束密度の分布を変更することができる。また、第１ポール６Ａではなく第２ポール６Ｂの温度を調整してもよい。
【００４８】
このように、サイクロトロン１では、第１ポール６Ａ及び第２ポール６Ｂの何れか一方を選択的に温度調整することで、磁束密度のサイクロトロン半径方向の成分を補正することができるので、荷電粒子ビームの垂直方向の位置調整や共鳴通過時の荷電粒子ビームの広がりをコントロールすることが可能になる。
【００４９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、サイクロトロンは、横置き型のものではなく縦置き型のものを採用してもよい。この場合には、上述した実施形態の説明における垂直方向が水平方向となり、水平方向が垂直方向となる。なお、ビームが加速する際のビーム軌道が位置する面（メディアンプレーン）を基準として、メディアンプレーンと水平な方向を水平方向、メディアンプレーンと垂直な方向を垂直方向と呼ぶことがあるが、上述した説明における垂直方向及び水平方向は地面や施設床面を基準とした一般的な意味の垂直方向及び水平方向を意味している。
【００５０】
ポールの形状は、上述したものに限られず、ヒルの形状はスパイラル状ではなく扇状であってもよく、またその個数も４個に限られない。コイルの個数や構造についても特に限定されず、コイルは超伝導コイルであってもよい。
【００５１】
また、必要に応じてトリムコイルを備えることもできる。この場合には、ポールの温度調整にトリムコイルの制御を合わせることで、磁束密度をより細かく制御することができるので、等時性を確保することが更に容易になる。
【符号の説明】
【００５２】
１…サイクロトロン  ２…イオン源  ３…リターンヨーク  ４…ポール  ５…コイル  ６…ヒル  ６Ａ…第１ポール  ６Ｂ…第２ポール  ７…バレー  １０…温度調整部（温度調整手段）  １１…制御部（制御手段）  Ｂ…磁束密度  Ｃ…中心軸  Ｆ…フラッター  Ｇ…加速空間  Ｈ…加熱領域
【図１】
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【図２】
2014075322.tif 000006
【図３】
2014075322.tif 000007
【図４】
2014075322.tif 000008
【図５】
2014075322.tif 000009
【図６】
2014075322.tif 000010
【図７】
2014075322.tif 000011