(57)【要約】【課題】本発明は、粒子線治療に用いる超伝導等時性サイクロトロン用磁性構造体に関する。【解決手段】本発明によるサイクロトロンは、三つ以上で一組の、加速領域にわたり方位角的に変動する磁場を生成するための超伝導セクター・コイル素子を二組使用する。このようにして、低フラッター振幅の問題に悩まされることのない高磁場（例えば４Ｔより高い）の等時性サイクロトロンがもたらされる。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速領域にわたり磁場を生成するための等時性小型サイクロトロン用磁性構造体（１）であって、前記磁場は前記加速領域の正中面と垂直であり、
前記磁性構造体（１）は、
超伝導コイル・アセンブリと
磁束をガイドするための強磁性アセンブリと、
前記加速領域を形成するキャビティと、を備えており、
前記超伝導コイル・アセンブリは、前記加速領域の上および下に位置する一連の三つ以上の超伝導セクター・コイル素子（２０）を備え、各セクター・コイル素子（２０）は、電流を異なる方向へ導くための脚部（４０，５０，６０，７０）を有し、前記セクター・コイル素子（２０）は、低磁場値と高磁場値との間で前記磁場を方位角的に変えるように構成され、
前記強磁性アセンブリは、各前記セクター・コイル素子（２０）からの磁束をガイドするための磁気的に相互接続された部分を備えることを特徴とする、磁性構造体（１）。
【請求項２】
各前記セクター・コイル素子（２０）が、前記加速領域から外側方向に電流を導くためのアウトバウンド脚部（４０）と、前記加速領域において内側方向に電流を導くためのインバウンド脚部（５０）と、前記アウトバウンド脚部（４０）から前記インバウンド脚部（５０）に電流を導くための前記加速領域の末端の外部リターン脚部（６０）と、を有することを更に特徴とする、請求項１に記載の磁性構造体（１）。
【請求項３】
各前記セクター・コイル素子（２０）が、前記インバウンド脚部（５０）から同じセクター・コイル素子（２０）の前記アウトバウンド脚部（４０）へ電流を導くための内部リターン脚部（７０）を更に備え、各セクター・コイル素子（２０）がこれにより閉セクター・コイルを形成することを特徴とする、請求項２に記載の磁性構造体（１）。
【請求項４】
前記インバウンド脚部（５０）から隣接するセクター・コイル素子（２０）のアウトバウンド脚部（４０）へ電流を導くための内部リターン脚部（７０）が設けられており、前記セクター・コイル素子（２０）がこれにより四葉型閉コイルを前記加速領域の上および下に形成することを特徴とする、請求項２に記載の磁性構造体（１）。
【請求項５】
サイクロトロンにおける方位角的平均磁場が４Ｔより大きいことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項６】
前記高磁場値と前記低磁場値との間の差が２から５Ｔの範囲であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項７】
前記超伝導コイル・アセンブリが、前記正中面の下に位置する四つの超伝導セクター・コイル素子（２０）と、前記正中面の上に位置する四つの超伝導セクター・コイル素子（２０）とを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項８】
前記インバウンド脚部（５０）および前記アウトバウンド脚部（４０）が線形をしており、放射状に配向されることを特徴とする、請求項２から７のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項９】
前記インバウンド脚部（５０）および前記アウトバウンド脚部（４０）がらせん形をしている、請求項２から７のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１０】
前記超伝導コイル・アセンブリが、前記磁場を強めるために前記加速領域を囲む一つ以上の超伝導環状コイル（１０）を更に備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１１】
前記磁性構造体が、前記セクター・コイル素子（２０）の内側または前記セクター・コイル素子（２０）の外側に位置する強磁性磁極を備え、これにより前記磁場を調整することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１２】
前記強磁性アセンブリが、強磁性リターン・ヨーク（３０）を備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１３】
前記加速領域の中央の上および下に位置する中央コイル（８０）を更に備えることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１４】
前記低磁場値が１Ｔ以上であることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）を備える等時性サイクロトロン。
【請求項１６】
前記サイクロトロンの中央部にイオンをもたらすためのイオン源を更に備え、イオンが前記サイクロトロンの抽出半径の１０％以下の半径で、前記サイクロトロンにおいて最初の旋回を始める、請求項１５に記載の等時性サイクロトロン。
【請求項１７】
前記サイクロトロンが、粒子線治療での使用に適したエネルギーを有する荷電粒子ビームを製造するように構成されている、請求項１５または１６に記載の等時性サイクロトロン。
【請求項１８】
等時性小型サイクロトロンを得るための請求項１から１４のいずれか一項に記載の磁性構造体の使用。
【請求項１９】
加速領域にわたり磁場を生成するように構成される、荷電粒子を加速するための等時性小型サイクロトロン用磁性構造体（１）であって、前記磁場は前記加速領域の正中面と垂直であり、
前記磁性構造体（１）が、前記加速領域の上および下に位置する一連の三つ以上の超伝導セクター・コイル素子（２０）を備え、各セクター・コイル素子（２０）は、電流を異なる方向へ導くための脚部（４０，５０，６０，７０）を有し、前記セクター・コイル素子（２０）は、低磁場値と高磁場値との間で前記磁場を方位角的に変えるように構成され、各前記セクター・コイル素子（２０）が、前記加速領域から外側方向に電流を導くためのアウトバウンド脚部（４０）と、前記加速領域において内側方向に電流を導くためのインバウンド脚部（５０）と、前記アウトバウンド脚部（４０）から前記インバウンド脚部（５０）に電流を導くための前記加速領域の末端の外部リターン脚部（６０）と、を有し、
前記インバウンド脚部（５０）から隣接するセクター・コイル素子（２０）のアウトバウンド脚部（４０）へ電流を導くための内部リターン脚部（７０）が設けられており、前記セクター・コイル素子（２０）がこれにより四葉型閉コイルを前記加速領域の上および下に形成することを特徴とする、磁性構造体（１）。
【請求項２０】
前記インバウンド脚部（５０）および前記アウトバウンド脚部（４０）がらせん形をしている、請求項１９に記載の磁性構造体（１）。
【請求項２１】
前記インバウンド脚部（５０）および前記アウトバウンド脚部（４０）が線形をしており、放射状に配向されることを特徴とする、請求項１９に記載の磁性構造体（１）。
【請求項２２】
前記磁場を強めるために前記加速領域を囲む一つ以上の超伝導環状コイル（１０）を更に備えることを特徴とする、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項２３】
前記加速領域の中央の上および下に位置する中央コイル（８０）を更に備えることを特徴とする、請求項１９から２２のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項２４】
等時性小型サイクロトロンを得るための請求項１９から２３のいずれか一項に記載の磁性構造体の使用。
【請求項２５】
請求項１９から２３のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）を備える等時性サイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、加速領域において荷電粒子を加速するための等時性小型サイクロトロン用磁性構造体に関する。磁性構造体は、加速領域にわたって磁場を生成し、この磁場は加速領域の正中面と垂直である。磁性構造体は、
・超伝導コイル・アセンブリと
・磁束をガイドするための強磁性アセンブリと、
・該加速領域を形成するキャビティと、を備える。
【０００２】
特に、本発明の分野は、粒子線治療に用いる等時性超伝導小型サイクロトロンに関する。例えば、陽子線治療では、好ましくは最大で２５０ＭｅＶまでのエネルギーが必要とされる。
【背景技術】
【０００３】
超伝導コイル・アセンブリと強磁性アセンブリとを組み合わせた磁性構造体を有する等時性超伝導小型サイクロトロンが知られている。一般的に鉄製である強磁性アセンブリは、例えば上部磁極や下部磁極および／またはリターン・ヨークなどの様々な部位を備えることができる。超伝導コイル・アセンブリは、加速領域のまわりに設置される一つまたは二つの環状超伝導コイルからなる。そのような超伝導コイル・アセンブリと強磁性アセンブリとの組み合わせは、いわゆる等時性超伝導小型サイクロトロンの類の構造物をもたらす。サイクロトロン用磁性構造体はまた、加速領域を形成するキャビティ（すなわち、開口部、区域、または隙間）も有する。
【０００４】
例えば、陽子線治療のための等時性超伝導サイクロトロンは、Ｋｌｅｉｎらによる非特許文献１から既知である。
【０００５】
Ｋｌｅｉｎらによって説明されたこの加速器は、超伝導コイル・アセンブリとして、加速器の中心において２．４Ｔ（テスラ）から磁場を誘導し、抽出半径において最大で約３Ｔまで増加させる環状超伝導コイルを使用する。この加速器の強磁性アセンブリは、超伝導コイルの磁場によって飽和された上部および下部鉄製磁極を備える。この非特許文献１の図２に示されるように、磁極は４つのセクターの構造体を有する。山部と谷部を持つこの磁極の形状は、垂直方向にビームの焦点を合わせるために必要である。山部から谷部への推移によってビームは集束反動（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｋｉｃｋｓ）を受け、集束の強度は山部と谷部との間の磁場強度の変化の度合いによって決まることがよく知られている。磁極の山部および谷部での磁場強度のこの比率を特徴づけるパラメータが、いわゆるフラッター振幅である。もしフラッター振幅が低過ぎる場合、安定したビームは生成されない。非引用文献１の図１に示される通り、この加速器の強磁性アセンブリは、超伝導コイルを囲む円形リターン・ヨークを更に備える。
【０００６】
陽子線治療のための等時性超伝導小型サイクロトロンの設計に関する別の例が、非引用文献２により提案されている。この加速器は、２３８ＭｅＶの陽子のために設計されている。加速器は３つの磁極セクターを備え、磁極の形状は、集束特性を高めるために最適化されている。この加速器において、最大平均磁場は約３Ｔである。
【０００７】
小型超伝導サイクロトロンを設計する際、磁場強度を更に増加させることによって加速器の外寸を縮小できる。しかし、磁場強度を例えば４Ｔを超えて更に増加させた場合、加速器の鉄製磁極から生じる総磁場強度に対する相対寄与が少なくなるため、等時性サイクロトロンでは根本的な限界がある。実際に、飽和時の鉄製磁極の最大寄与は、約２Ｔである。この結果、フラッター振幅は小さ過ぎ、ビームは抽出され得る前に破裂する。従って、２５０ＭｅＶの陽子のための等時性超伝導サイクロトロンの設計は、現在、約４Ｔの平均磁場強度に限られており、外径は約３．２メートルとなっている。
【０００８】
等時性超伝導サイクロトロンにこのような制限があることから、より小型の加速器を建設するために、高磁場シンクロサイクロトロンの使用が提案されている。これらの種類の加速器は等時性ではないため、等時性サイクロトロンにおいて存在する放射状に磁場を強めることで生じる問題に悩まされることはない。一方で、シンクロサイクロトロンは、変調ＲＦシステムを必要とするため、より複雑である。ビームが一まとめになるシンクロサイクロトロンとは対照的に、等時性サイクロトロンには連続ビームを送るという利点がある。
【０００９】
完全を期すために、特別な部類の等時性サイクロトロン、すなわち分離セクター・サイクロトロンが存在する。しかし、定義によれば、この特別な部類のサイクロトロンは、小型サイクロトロンの部類に属していない。実際に、これらの分離セクター・サイクロトロンは、谷部の間またはセクターの間にいかなる鉄も有さないので、大きな寸法の開放構造を有するサイクロトロンとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｋｌｅｉｎ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｄｅｓｉｇｎ、ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ａｎｄ  ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ  ｏｆ  ｃｏｍｐａｃｔ  ２５０  ＭｅＶ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｔｈｅｒａｐｙ：ａ  ｓｈｏｒｔ  ｒｅｐｏｒｔ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  ｆｉｅｌｄ”、ＩＥＥ／ＣＳＣ  ＆  ＥＳＡＳ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｎｅｗｓ  ｆｏｒｕｍ、Ｎｏ  ２、２００７年１０月
【非特許文献２】Ｐ．Ｍａｎｄｒｉｌｌｏｎ  ｅｔ  ａｌ．、“Ａ  ｃｏｍｐａｃｔ  ｆａｃｉｌｉｔｙ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｅｎｅｒｇｙ  ｐｒｏｔｏｎ  ｔｈｅｒａｐｙ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ”、ＥＰＡＣ、１９９４年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、既知の等時性超伝導小型サイクロトロンの上述された制限を克服する、粒子線治療に用いられる等時性超伝導小型サイクロトロンを開発することである。
【００１２】
特に、言及された制限を解消することで、より小型のサイクロトロンをもたらす更に高磁場の等時性超伝導サイクロトロンを建設することができる。粒子線治療に用いられる加速器の小型化は、病院や建造物において必要とされる部屋の大きさに影響を及ぼすため、重要な要素である。大きさを縮小することで重量もまた大幅に削減され、従って扱いが簡単となり、最終的に安価にもなる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、加速領域にわたり磁場を生成するように構成される、荷電粒子を加速するための等時性小型サイクロトロン用磁性構造体であって、この磁場は加速領域の正中面と垂直である磁性構造体に関する。
【００１４】
小型超伝導サイクロトロン用磁性構造体は一般的に、超伝導コイル・アセンブリと、磁束をガイドするための強磁性アセンブリと、加速領域を形成するキャビティと、を備える。
【００１５】
本発明による磁性構造体は、該加速領域の上および下に位置する一連の三つ以上の超伝導セクター・コイル素子を備え、このセクター・コイル素子は、低磁場値と高磁場値との間で磁場を方位角的に（ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ）変えるように構成されている。各セクター・コイル素子は、電流を異なる方向へ導くための脚部（ｌｅｇ）を有する。この方位角的に変動する磁場があることで、高いフラッター振幅が得られ、よって最適なビーム集束が得られる。
【００１６】
本発明による磁性構造体は、好適には、各セクター・コイル素子からの磁束をガイドするための磁気的に相互接続された部分を備える強磁性アセンブリを更に備える。
【００１７】
本発明は、特に、加速領域にわたり磁場を生成するように構成される、荷電粒子を加速するための等時性小型サイクロトロン用磁性構造体であって、この磁場は加速領域の正中面と垂直である磁性構造体に関し、この磁性構造体は更に、該加速領域の上および下に位置する一連の三つ以上の超伝導セクター・コイル素子を備え、各セクター・コイル素子は、電流を異なる方向へ導くための脚部を有し、このセクター・コイル素子は、低磁場値と高磁場値との間で磁場を方位角的に変えるように構成されていることを特徴とする、磁性構造体に関する。
【００１８】
有利なことに、本発明によるこのような磁性構造体を使えば、加速ビームの最適な垂直方向集束が得られるように、高いフラッター振幅を維持しながら高い方位角的平均磁場を使用することによって、小型サイクロトロンが建設され得る。
【００１９】
好適には、各セクター・コイル素子は、加速領域から外側方向に電流を導くためのアウトバウンド脚部と、加速領域において内側方向に電流を導くためのインバウンド脚部と、アウトバウンド脚部からインバウンド脚部に電流を導くための加速領域の末端の外部リターン脚部とを有する。
【００２０】
好適には、各セクター・コイル素子は、インバウンド脚部から同じセクター・コイル素子のアウトバウンド脚部へ電流を導くための内部リターン脚部を更に備え、これにより閉セクター・コイルが形成される。
【００２１】
あるいは、各セクター・コイル素子は、インバウンド脚部から隣接するセクター・コイルのアウトバウンド脚部へ電流を導くための内部リターン脚部を備えることができ、これにより四葉型閉コイルが形成される。
【００２２】
好適には、サイクロトロンにおける方位角的平均磁場は、４Ｔより大きい。
【００２３】
好適には、該高磁場値と該低磁場値との間の差は、２から５Ｔの範囲である。
【００２４】
好適には、磁性構造体は、正中面の下に位置する四つの超伝導セクター・コイル素子と、正中面の上に位置する四つの超伝導セクター・コイル素子とを備える。
【００２５】
好適には、インバウンド脚部およびアウトバウンド脚部は線形をしており、放射状に配向される。
【００２６】
好適には、インバウンド脚部およびアウトバウンド脚部はらせん形をしている。
【００２７】
好適には、磁性構造体は、磁場を強めるために加速領域を囲む一つ以上の超伝導環状コイルを更に備える。
【００２８】
好適には、磁性構造体は、セクター・コイル素子の内側またはセクター・コイル素子の外側に位置する強磁性磁極を更に備え、これにより磁場の方位変動を増加させる。
【００２９】
好適には、磁性構造体は、強磁性リターン・ヨークを更に備える。
【００３０】
本発明はまた、本発明による磁性構造体を備える等時性サイクロトロンに関する。このサイクロトロンは、好適には、粒子線治療での使用に適したエネルギーを有するビームを製造するように構成されている。有利には、サイクロトロンは、サイクロトロンの中央部にイオンをもたらすためのイオン源を備える。このようにして、イオンはサイクロトロンの抽出半径の１０％以下の半径で、サイクロトロンにおいて最初の旋回を始めることができる。
【００３１】
本発明は更に、等時性小型サイクロトロンを得るための磁性構造体の使用に関する。
【００３２】
本発明のこれらおよび更なる態様は、実施例によって、かつ添付の図面を参照することによって、詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１ａ】四つのセクター・コイルが四葉型のセクターとして組み立てられた、本発明の第一の実施形態の上面図である。
【図１ｂ】四つのセクター・コイルが四つの別個のセクターとして組み立てられた、本発明の第二の実施形態の上面図である。
【図２ａ】セクター・コイルを囲む超伝導環状コイルが追加された図１ａに対応する上面図である。
【図２ｂ】セクター・コイルを囲む超伝導環状コイルが追加された図１ｂに対応する上面図である。
【図３】本発明による超伝導等時性サイクロトロンの磁性構造体の三次元概略図である。
【図４】本発明による超伝導サイクロトロンのための磁性配列の概略図の上面図である。
【図５】本発明による超伝導サイクロトロンにおいて方位角的に変動する平均磁場を表す図である。
【図６】本発明による超伝導等時性サイクロトロンにおいて半径を関数としてフラッター振幅を表す図である。
【図７ａ】セクター・コイル素子に加えて中央コイルが設置された、本発明による更なる実施形態の上面図である。
【図７ｂ】セクター・コイル素子に加えて中央コイルが設置された、本発明による更なる実施形態の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面は、正確な縮尺で描かれていない。一般的に、図面において、同一の要素は同じ参照番号によって示される。
【００３５】
等時性小型サイクロトロン用磁性構造体は、超伝導コイル・アセンブリおよび強磁性アセンブリを備える。強磁性アセンブリは、磁束をガイドするための磁気的に相互接続された部分を備える。強磁性アセンブリの一部分は、例えば、互いに接触する部分を有することによって磁気的に相互接続され得る。または別の例では、強磁性アセンブリは単一部材から作ることができる。または、一部分は、その他の磁気結合によって相互接続され得る。磁性構造体は、加速領域を形成するキャビティ（すなわち、開口部、区域、または隙間）を更に備える。
【００３６】
本発明による磁性構造体１は、加速器の正中面ＸおよびＹに垂直な磁場を生成するために設計されている。円形加速領域を形成する例えば円筒キャビティなどのキャビティは、サイクロトロンの正中面に位置する。本発明による磁性構造体１は、それぞれが電流を異なる方向へ導くための脚部を有する一連の３つ以上のセクター・コイル素子２０を備える、超伝導コイル・アセンブリを備える。セクター・コイルは、加速領域の上および下に位置する。これらのセクター・コイル素子２０は、低磁場値と高磁場値との間で磁場を方位角的に変えるように構成されている。強磁性アセンブリの磁気的に相互接続された部分を用いると、各セクター・コイル素子２０からの磁束が一体化された強磁性構造体でガイドされる。
【００３７】
上述されたように、セクター・コイル素子２０を使用した磁場の方位角変動は、通常の意味で、つまり方位とは磁性構造体の中心軸に関するものである、と理解される。中心軸は、正中面と垂直であり、サイクロトロンの中心を通る。言い換えると、サイクロトロンにおいて加速されているイオンは、低磁場値を有する磁場および高磁場値を有する磁場を交互に順守する。
【００３８】
本発明による多数の実施形態が、本発明による超伝導コイル・アセンブリの変化に重点をおいて、以下に記載されている。
【００３９】
本発明の第一の実施形態による磁性構造体は、図１ａおよび２ａに表されるように、超伝導コイル・アセンブリを備える。超伝導コイル・アセンブリは、一種類の超伝導コイル、つまり複数の超伝導セクター・コイル素子を備えることを特徴とする。図１ａおよび２ａに表される磁性構造体は、複数のおよび好ましくは四つのセクター・コイル素子２０を備え、各セクター・コイル素子は、アウトバウンド脚部４０と、インバウンド脚部５０と、アウトバウンド脚部４０からインバウンド脚部５０へ電流を戻すための外部リターン脚部６０とを備える。更に、一つのインバウンド脚部５０から隣接するセクター・コイル素子２０のアウトバウンド脚部４０に電流を導くための内部リターン脚部７０が設けられており、これによって単一の四葉型閉コイルが形成される。よく知られているように、これらのコイルは、平行な経路に沿って複数の別個のリード巻から形成されてもよい。
【００４０】
好適な実施形態において、磁性構造体は、二系統の四つのセクター・コイル素子を備える。四葉型閉コイルを形成する第一の系統の四つのセクター・コイル素子２０は、加速領域の上に設置され、第二の四葉型閉コイルを形成する第二の系統の四つのセクター・コイル素子２０は、加速領域の下に対称的に設置される。これらの四葉型コイルによって、方位変動磁場が作られる。
【００４１】
図１ｂおよび２ｂに示される別の方法として、内部リターン脚部７０は、インバウンド脚部５０から同じコイル素子２０のアウトバウンド脚部４０に電流を導くために配置されてもよく、これによって複数の閉セクター・コイルが形成される。
【００４２】
図１ａおよび１ｂに示されるセクター・コイル素子２０は、低磁場値と高磁場値との間で磁場を方位角的に変動させるように構成される。例えば、低磁場値は３テスラであり、高磁場値は７テスラである。
【００４３】
図２、３、および４に示される本発明の第二の実施形態による磁性構造体は、超伝導コイル・アセンブリが二種類の超伝導コイルを備えることを特徴とする。第一の種類のコイルは、加速器の円形加速領域の周りに位置する二つ一組の（ａ  ｓｅｔ  ｏｆ  ｔｗｏ）超伝導環状コイル１０である。二つのコイル１０は離間し、正中面の両側に対称的に位置する。加速領域は、二つのコイルの間の空間に位置する。
【００４４】
使用される第二の種類のコイルは、図１ａおよび１ｂに関連して上述された超伝導セクター・コイル素子２０である。一連の超伝導セクター・コイル素子２０は、円形加速領域の上および下に設置され、コイル１０の内径の内側に位置する。三つ以上のセクター・コイル素子２０が、正中面ＸおよびＹの両側に沿って対称的に設置され得る。
【００４５】
図２ａおよび２ｂは、セクター・コイルを囲む超伝導環状コイル１０が追加された図１ａおよび１ｂに対応する上面図である。
【００４６】
本発明による超伝導等時性サイクロトロンの磁性構造体の典型的な形状が、二つのコイル１０が設置され、四つで一組のセクター・コイル素子２０が二組設置された、図３に示される。
【００４７】
この第二の実施形態では、本発明による超伝導サイクロトロンの強磁性アセンブリは、コイルを囲む強磁性リターン・ヨーク３０を備える（図３では、リターン・ヨークの一部のみが示されている）。リターン・ヨークは、例えば鉄製である。各セクター・コイル素子２０からの磁束が一体化された強磁性構造体を介してガイドされて、そのようなリターン・ヨークは、磁気的に相互接続された部位である多数の部位を有すると解釈できる。例えばポンプ・システム、冷却システム、またはＲＦシステムへのアクセスを提供する側面開口部を有するリターン・ヨークなどの、他の形状のリターン・ヨークも使用できる。
【００４８】
図４は、図３の磁性構造体の正中面ＸおよびＹにおける断面図の概略図を示す。
【００４９】
第一の種類のコイルである環状コイル１０は、加速領域にわたって主磁場強度（例えば５Ｔ）をもたらし、各セクター・コイル素子２０は、（例えば２Ｔの）追加的な磁場強度をもたらす。結果として生じる磁場は、低磁場値から高磁場値へ方位角的に変動する磁場である。二種類のコイルに対して与えられた例示的な磁場数を用いると、結果として生じる磁場強度は、方位角的におおよそ３Ｔから７Ｔの間で変動する。言い換えると、セクター・コイルは、先行技術の項で述べたような通常のサイクロトロンの谷部と山部を有する磁極の役割を果たす。従って、環状コイル１０の磁場とセクター・コイル素子２０の磁場とを組み合わせることによって生成される方位角的に変動する磁場は、必要な集束効果およびフラッター振幅の最適化をもたらす。必要とされる超伝導セクター・コイル素子２０の数は、加速器が提供しなければならないエネルギーによって決まる。２００ＭｅＶより少ない陽子エネルギーには三つのセクターの設計で十分であるが、２００ＭｅＶより大きなエネルギーには、第三高調波共振効果（ｈａｒｍｏｎｉｃ  ３  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ）のため、少なくとも四つのセクターの設計が必要となる。環状コイル１０およびセクター・コイル素子２０の両方から磁場強度の寄与を適切に選ぶことで、フラッター振幅が正しく規定され、制御され得る。
【００５０】
どの超伝導コイル・アセンブリを選ぶか、第一の実施形態によるものにするのか第二の実施形態によるものにするのかは、上述のように、必要とされる平均方位磁場などの特定の設計要件によって決まる。両実施形態の特徴的部分は、低磁場値と高磁場値との間で方位磁場変動をもたらす超伝導セクター・コイル素子２０の存在である。この方位磁場変動を用いて、最適な垂直方向のビーム集束を可能にするフラッター振幅が得られる。
【００５１】
そのような加速器の実現化を説明するために、好ましい実施形態が設計され、更にここで言及される。図３における磁性配列は、２５０ＭｅＶの陽子の同期超伝導サイクロトロンである例示的な実施形態のために設計された磁性構造体である。この加速器は、約５０センチの抽出半径および約１２５センチのヨーク外半径を有する。サイクロトロンのこの外半径は、序章において言及された先行技術の超伝導加速器の１６０センチの外半径と比較されなければならない。この例では、磁性構造体は、磁場の主成分を生成するために二つの超伝導コイル１０を備える。これらの環状コイル１０は、加速器の中心で約５Ｔの磁場強度を誘導する。この実施形態は、この例では図４に示すように三角形の、四つで一組の超伝導セクター・コイル素子２０を二組備える。三角形は、図１ａおよび１ｂに示されるように、セクター・コイル素子２０の四つの脚部、つまりインバウンド脚部５０、アウトバウンド脚部４０、内部リターン脚部７０、および外部リターン脚部６０、によって形成される。各セクター・コイル素子２０は、約２Ｔの磁場強度をもたらす。図５では、結果として生じる抽出半径での計算された磁場強度が、方位角の関数としてプロットされる。図に示すように、磁場は、約３Ｔの低値から約７Ｔの高値まで方位角的に変動する。
【００５２】
図６においては、計算されたフラッター振幅が、加速領域の中心までの距離の関数として示される。図に示すように、十分な値のフラッター振幅が得られている。
【００５３】
環状コイル１０は、コイルを冷却するために液体ヘリウムで満たされたクライオスタット（図３では図示せず）で囲まれる。あるいは、コイルを冷却するためにドライ・クライオ・クーラーが利用される。四つで一組の超伝導セクター・コイル素子２０の二組も冷却される必要があり、好ましい実施形態では、セクター・コイルは同じクライオスタットを使用して冷却される。あるいは、環状コイル１０の冷却用およびセクター・コイル２０の冷却用の別個のクライオスタット・システムも使用可能である。
【００５４】
本発明による例示的な実施例では、強磁性アセンブリは一組の磁極を備えておらず、これは、加速面における総磁場に対する鉄の寄与が全くないということを意味する。しかし、上述され図３に示されるように、この実施例では、本発明による強磁性アセンブリは加速領域を囲む強磁性リターン・ヨーク３０を備える。
【００５５】
より好ましい実施形態では、超伝導セクター・コイル素子２０はらせん形の境界を有する。らせん形の境界を使用することで、垂直方向の集束が更に最適化され得る。このらせん形は、らせん形のインバウンド脚部５０およびアウトバウンド脚部４０を使用することによって得られる。
【００５６】
更なる実施形態では、加速器において、結果として生じる磁場に対して寄与および修正するために、磁極素子を設けることもできる。そのような強磁性磁極素子は、セクター・コイル素子２０の内側またはセクター・コイル素子２０の外側のどちらかに位置し、これによって磁場を調整する。このようにして、磁場の方位変動を例えば増加したり、または等時性磁場を微調整したりすることが可能である。
【００５７】
本発明による磁性構造体の第三の実施形態の超伝導コイル・アセンブリを図７ａおよび７ｂ（上面図）に示す。図１ａおよび図１ｂの実施形態と比較すると、これらの択一的実施形態では、超伝導コイル・アセンブリが、セクター・コイル素子２０に加えて中央コイル８０も有する。図７ａおよび７ｂに示すように、これらの中央コイル８０は、加速領域の中央に位置する。第一の中央コイル８０は加速領域の下に、第二の中央コイル８０は加速領域の上に設置される。これらの中央コイル８０は、セクター・コイル素子２０から独立して操作可能である。このようにして、加速器の中央における磁場は調整することができる。これらの中央コイル８０は、図１ａのセクター・コイル素子配列が取り入れられた場合には、例えば加速器の中央における磁場を減少させるために使用できる。または、中央コイル８０は、図１ｂのセクター・コイル素子配列が取り入れられた場合には、加速器の中央における磁場を増加させるために使用できる。この択一的実施形態においても、コイルの形状は加速器の加速領域の上下で対称的、つまり中央コイル８０は加速領域の上および下に設置されている。好適には、これらの択一的実施形態も、セクター・コイル素子２０の内側またはセクター・コイル素子２０の外側に位置する強磁性磁極素子を使用し、これによって磁場を調整する。中央コイル８０は、好ましくは超伝導コイルである。
【００５８】
更なる実施形態において、中央コイル８０を備えるこの第三の実施形態の超伝導コイル・アセンブリはまた、前述され図２ａおよび２ｂに示されるようなセクター・コイル素子２０の周りに構成される環状コイル１０を更に備えることができる。
【００５９】
更なる実施形態において、本発明による磁性構造体は、図１ａおよび１ｂの実施形態の磁性配列を組み合わせることによって得られる。そのような組み合わされた配列は、四葉型コイルを形成するために図１ａと同様に接続されたセクター・コイル素子２０のコンダクターの脚部を部分的に有し、更に別個の閉セクター・コイルを形成するために図１ｂと同様に接続されたセクター・コイル素子２０のコンダクターの一部を有することで作ることができる。このようにして、各種のコイル配列からの相対的な磁場寄与を調整することにより、磁場全体のより良好な制御が可能である。
【００６０】
本発明が、本発明の例示であり限定として解釈されない特定の実施形態に関して説明されてきた。
【００６１】
好適には、本発明による磁性構造体は磁場の方位変動を有し、それによって高磁場値と低磁場値との差が２から５Ｔの範囲となる。
【００６２】
有利には、低磁場値は１Ｔ以上である。
【００６３】
例示的な実施形態が約５Ｔの平均磁場を有する実施形態を説明しているが、本発明は他の磁場でも適用可能である。特に、本発明の磁性構造体は、平均磁場が３Ｔから１０Ｔの範囲の超伝導等時性サイクロトロンに適用可能である。有利には、方位角的平均磁場値は３Ｔより大きい。より有利には、方位角的平均磁場値は４Ｔより大きい。
【００６４】
本発明による磁性構造体を備える等時性サイクロトロンは、サイクロトロンの中央部にイオンをもたらすためのイオン源を更に備えることができる。そしてイオンは、サイクロトロンの中央近くで最初の旋回を始める。つまりイオンは、サイクロトロンにおける最初の旋回を、サイクロトロンの抽出半径の１０％以下である半径で始める。イオン源は、例えば加速器の中央部に設けられることもあるし、またはイオンを中央部にもたらすための軸上入口開口部を有する手段が存在することもある。
【００６５】
より一般的には、本発明は、以上で特に示されおよび／または言及されたことによって限定されないことが、当業者に理解されるであろう。本発明は、ありとあらゆる新規の特徴および特徴のありとあらゆる組み合わせにおいて存在する。
【００６６】
特許請求の範囲における参照番号は、保護範囲を限定しない。
【００６７】
“ｔｏ  ｃｏｍｐｒｉｓｅ”、“ｔｏ  ｉｎｃｌｕｄｅ”、“ｔｏ  ｂｅ  ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ”という動詞や、またはそれらの各活用形だけでなくその他の変異形の使用は、記載されているもの以外の要素の存在を排除しない。
【００６８】
ある要素に先行する“ａ”、“ａｎ”、または“ｔｈｅ”という冠詞の使用は、複数のそのような要素の存在を排除しない。
【符号の説明】
【００６９】
１  磁性構造体
１０  超伝導環状コイル
２０  セクター・コイル素子
３０  強磁性リターン・ヨーク
４０  アウトバウンド脚部
５０  インバウンド脚部
６０  外部リターン脚部
７０  内部リターン脚部
８０  中央コイル
【図１ａ】
2018063949.tif 000003
【図１ｂ】
2018063949.tif 000004
【図２ａ】
2018063949.tif 000005
【図２ｂ】
2018063949.tif 000006
【図３】
2018063949.tif 000007
【図４】
2018063949.tif 000008
【図５】
2018063949.tif 000009
【図６】
2018063949.tif 000010
【図７ａ】
2018063949.tif 000011
【図７ｂ】
2018063949.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月20日(2017.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速領域にわたり磁場を生成するための等時性小型サイクロトロン用磁性構造体（１）であって、前記磁場は前記加速領域の正中面と垂直であり、
前記磁性構造体（１）は、
超伝導コイル・アセンブリと
磁束をガイドするための強磁性アセンブリと、
前記加速領域を形成するキャビティと、を備えており、
前記超伝導コイル・アセンブリは、前記加速領域の上および下に位置する一連の三つ以上の超伝導セクター・コイル素子（２０）を備え、各セクター・コイル素子（２０）は、電流を異なる方向へ導くための脚部（４０，５０，６０，７０）を有し、前記セクター・コイル素子（２０）は、低磁場値と高磁場値との間で前記磁場を方位角的に変えるように構成され、
前記強磁性アセンブリは、各前記セクター・コイル素子（２０）からの磁束をガイドするための磁気的に相互接続された部分を備え、
各前記セクター・コイル素子（２０）が、前記加速領域から外側方向に電流を導くためのアウトバウンド脚部（４０）と、前記加速領域において内側方向に電流を導くためのインバウンド脚部（５０）と、前記アウトバウンド脚部（４０）から前記インバウンド脚部（５０）に電流を導くための前記加速領域の末端の外部リターン脚部（６０）と、を有し、
前記インバウンド脚部（５０）から隣接するセクター・コイル素子（２０）のアウトバウンド脚部（４０）へ電流を導くための内部リターン脚部（７０）が設けられており、前記セクター・コイル素子（２０）がこれにより、単一の四葉型閉コイルを前記加速領域の上および下に形成することを特徴とする、磁性構造体（１）。
【請求項２】
サイクロトロンにおける方位角的平均磁場が４Ｔより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の磁性構造体（１）。
【請求項３】
前記高磁場値と前記低磁場値との間の差が２から５Ｔの範囲であることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁性構造体（１）。
【請求項４】
前記超伝導コイル・アセンブリが、前記正中面の下に位置する四つの超伝導セクター・コイル素子（２０）と、前記正中面の上に位置する四つの超伝導セクター・コイル素子（２０）とを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項５】
前記インバウンド脚部（５０）および前記アウトバウンド脚部（４０）が線形をしており、放射状に配向されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項６】
前記インバウンド脚部（５０）および前記アウトバウンド脚部（４０）がらせん形をしている、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項７】
前記超伝導コイル・アセンブリが、前記磁場を強めるために前記加速領域を囲む一つ以上の超伝導環状コイル（１０）を更に備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項８】
前記磁性構造体が、前記セクター・コイル素子（２０）の内側または前記セクター・コイル素子（２０）の外側に位置する強磁性磁極を備え、これにより前記磁場を調整することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項９】
前記強磁性アセンブリが、強磁性リターン・ヨーク（３０）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１０】
前記加速領域の中央の上および下に位置する中央コイル（８０）を更に備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１１】
前記低磁場値が１Ｔ以上であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１２】
前記セクター・コイル素子（２０）が互いに同一である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁性構造体（１）を備える等時性サイクロトロン。
【請求項１４】
前記等時性サイクロトロンの中央部にイオンをもたらすためのイオン源を更に備え、イオンが前記等時性サイクロトロンの抽出半径の１０％以下の半径で、前記等時性サイクロトロンにおいて最初の旋回を始める、請求項１３に記載の等時性サイクロトロン。
【請求項１５】
前記等時性サイクロトロンが、粒子線治療での使用に適したエネルギーを有する荷電粒子ビームを製造するように構成されている、請求項１３または１４に記載の等時性サイクロトロン。
【請求項１６】
等時性小型サイクロトロンを得るための請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁性構造体の使用。
【外国語明細書】
2018063949000001.pdf