(57)【要約】【課題】超電導磁石装置が回転しても超電導コイルの中心位置がずれないように支持でき、外部から超電導コイルへの熱侵入量を抑制できること。【解決手段】超電導コイル１５を内側に配置して支持する鉄心１６と、超電導コイル及び鉄心を内側空間Ｍに収容する真空容器１７と、鉄心の端部２６を真空容器に支持させるコイルサポート２０とを有し、コイルサポートは、リング状フレーム２７と、このリング状フレームの半径方向に延びる放射状フレーム２８とが結合されてなり、リング状フレームの内側と外側に結合された放射状フレームは、リング状フレームの周方向において偏倚して位置づけられ、最も内側の放射状フレームの第１連結部３１が鉄心の端部に連結され、最も外側の放射状フレームの第２連結部３２が真空容器に連結され、第１連結部と第２連結部の少なくとも一方が鉄心の端部、真空容器に対し、コイルサポートの半径方向に移動可能に連結されたものである。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機により超電導状態に冷却される超電導コイルを内側に配置して支持するコイル支持体と、前記超電導コイル及び前記コイル支持体を内側空間に収容すると共に、この内側空間を真空状態に保持する真空容器と、前記コイル支持体の端部を前記真空容器に支持させる端部サポート部材と、を有する超電導磁石装置の超電導コイル支持構造であって、
前記端部サポート部材は、リング状フレームと、このリング状フレームの半径方向に延びる複数の放射状フレームとが結合されてなり、
前記リング状フレームの内側と外側にそれぞれ結合された前記放射状フレームは、前記リング状フレームの周方向において偏倚して位置づけられ、
前記端部サポート部材における最も内側の前記放射状フレームの第１連結部が前記コイル支持体の前記端部に連結され、前記端部サポート部材における最も外側の前記放射状フレームの第２連結部が前記真空容器に連結され、前記第１連結部と前記第２連結部の少なくとも一方が、前記コイル支持体の前記端部、前記真空容器に対し、前記端部サポート部材の半径方向に移動可能に連結されて構成されたことを特徴とする超電導磁石装置の超電導コイル支持構造。
【請求項２】
前記真空容器の内側空間には、コイル支持体を囲み且つ冷凍機により冷却される輻射シールドが配置され、前記端部サポート部材は、前記輻射シールドと熱的に接続されたサーマルアンカーを有することを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置の超電導コイル支持構造。
【請求項３】
前記端部サポート部材のサーマルアンカーは、輻射シールドと伸縮及び曲げ変形可能に連結されたことを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置の超電導コイル支持構造。
【請求項４】
前記端部サポート部材の放射状フレームは、前記端部サポート部材の軸対称に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の超電導コイル支持構造。
【請求項５】
前記端部サポート部材におけるリング状フレームの内側と外側にある放射状フレームは、内側と外側の一方における隣り合う前記放射状フレームの中間位置に、内側と外側の他方の前記放射状フレームが配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の超電導コイル支持構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の超電導コイル支持構造を備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超電導磁石装置の超電導コイル支持構造、及びこの超電導コイル支持構造を備えた超電導磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁石装置においては、内部の超電導コイルを極低温まで冷却して超電導状態にするために、超電導磁石装置の外部から超電導コイルに伝熱する熱侵入量を抑制する必要がある。このため、超電導コイルが内側に配置されたコイル支持体としての鉄心と、超電導磁石装置の外装である真空容器とを連結し、超電導コイル及び鉄心を支持するコイルサポートは、熱侵入量を抑制するために可能な限り本数を減らし、その断面積を小さくし、更に熱伝導率が低い材質にて構成される。
【０００３】
更に、コイルサポートは、熱伝導率が低い材質（例えば複合材）にて構成されるため金属材料よりも剛性が低くなり、冷却により収縮する鉄心に取り付けられることで引張応力を受け、超電導コイルには励磁により電磁力が作用すること等から、十分な強度を確保する必要がある。しかし、低熱侵入量と高強度は相反する関係にあるため、コイルサポートはこれらの両条件を満たす最適設計が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８７７９２号公報
【特許文献２】実開平１−１５７４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、粒子線医療装置用の超電導磁石装置は回転ガントリーに設置されるため、回転によって重力による荷重方向が変化する。これに伴ってコイルサポートの変形が大きくなると、超電導コイルの中心位置がずれ、粒子線が偏向し、更に粒子線の集束効率が低下する課題が生ずる。
【０００６】
例えば、図７（Ａ）に示す第１従来技術の超電導コイル支持構造では、重力による荷重方向が矢印Ａの場合には、超電導コイル１００及び鉄心１０１を真空容器１０２に支持させるコイルサポート１０３が、荷重方向（矢印Ａ）に沿うように配置されているので、超電導コイル１００の中心位置が大きくずれることはない。しかし、超電導磁石装置が回転し、重力による荷重方向が矢印Ｂになると、重力による荷重方向（矢印Ｂ）に沿うようにコイルサポート１０３が配置されていないため、コイルサポート１０３はそのせん断方向で荷重を受け、曲げモーメントが作用することになる。この曲げモーメントによりコイルサポート１０３は撓み、超電導コイル１００の中心位置がずれてしまう。
【０００７】
これに対し、図７（Ｂ）に示す第２従来技術の超電導コイル支持構造では、コイルサポート１０４を放射状に配置することで、超電導磁石装置の回転に伴う超電導コイル１００の中心位置のずれには対応することが可能となる。しかしながら、超電導コイル１００及び鉄心１０１の荷重をコイルサポート１０４の圧縮方向で支持するためには、真空容器１０２及び鉄心１０１に対してコイルサポート１０４を軸方向に動かないように固定する必要がある。このため、超電導コイル１００の冷却時に鉄心１０１の縮径に伴う引張応力がコイルサポート１０４に生じることになる。これに対応するため、コイルサポート１０４を太くして強度を高めると、コイルサポート１０４の断面積が増加して、真空容器１０２からコイルサポート１０４を経て超電導コイル１００へ伝熱する熱侵入量が増大してしまう。
【０００８】
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、超電導磁石装置が回転しても超電導コイルを、その中心位置がずれないように支持できると共に、外部から超電導コイルへの熱侵入量を抑制できる超電導磁石装置の超電導コイル支持構造、及び超電導磁石装置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】
【０００９】
本発明の実施形態における超電導磁石装置の超電導コイル支持構造は、冷凍機により超電導状態に冷却される超電導コイルを内側に配置して支持するコイル支持体と、前記超電導コイル及び前記コイル支持体を内側空間に収容すると共に、この内側空間を真空状態に保持する真空容器と、前記コイル支持体の端部を前記真空容器に支持させる端部サポート部材と、を有する超電導磁石装置の超電導コイル支持構造であって、前記端部サポート部材は、リング状フレームと、このリング状フレームの半径方向に延びる複数の放射状フレームとが結合されてなり、前記リング状フレームの内側と外側にそれぞれ結合された前記放射状フレームは、前記リング状フレームの周方向において偏倚して位置づけられ、前記端部サポート部材における最も内側の前記放射状フレームの第１連結部が前記コイル支持体の前記端部に連結され、前記端部サポート部材における最も外側の前記放射状フレームの第２連結部が前記真空容器に連結され、前記第１連結部と前記第２連結部の少なくとも一方が、前記コイル支持体の前記端部、前記真空容器に対し、前記端部サポート部材の半径方向に移動可能に連結されて構成されたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の実施形態における超電導磁石装置は、前記発明の実施形態に記載の超電導磁石装置の超電導コイル支持構造を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、超電導磁石装置が回転しても超電導コイルを、その中心位置がずれないように支持できると共に、外部から超電導コイルへの熱侵入量を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の超電導コイル支持構造が適用された超電導磁石装置を装備する粒子線治療装置を示す斜視図。
【図２】図１の超電導磁石装置を示す斜視図。
【図３】図２の真空容器の容器本体を取り外して示す斜視図。
【図４】図３の輻射シールドを取り外して示す斜視図。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図。
【図６】図３のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】超電導磁石装置における超電導コイル支持構造の従来技術を示し、（Ａ）が第１従来技術の概略断面図、（Ｂ）が第２従来技術の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の超電導コイル支持構造が適用された超電導磁石装置を装備する粒子線治療装置を示す斜視図であり、図２は、図１の超電導磁石装置を示す斜視図である。図１に示す粒子線治療装置１０は、円筒形状の回転ガントリー１１を備え、この回転ガントリー１１の回転中心位置に、患者を載置するベッド１２が設置されている。また、回転ガントリー１１には、重粒子のビームの軌道に沿って複数台の超電導磁石装置１３が配列して設置される。この超電導磁石装置１３の超電導コイル１５（後述）が励磁されることで発生する電磁力の作用で、重粒子の速度及び位置が調整される。粒子線治療装置１０は、回転ガントリー１１がその回転中心回りに回転することで、ベッド１２に横臥した患者の周囲の任意の位置から重粒子を照射して治療する。
【００１４】
超電導磁石装置１３は、図２〜図５に示すように、超電導コイル１５、コイル支持体としての鉄心１６、超電導磁石装置１３の外装としての真空容器１７、輻射シールド１８、冷凍機１９、及び端部サポート部材としてのコイルサポート２０を有して構成される。なお、図５中の符号２１は、重粒子が通過するビームダクトである。
【００１５】
超電導コイル１５は、図５に示すように、超電導線材が巻回されて形成され、冷凍機１９により後述の如く極低温（４Ｋ程度）に冷却されることで超電導状態になる。鉄心１６は、この超電導コイル１５を内側に配置して支持する。
【００１６】
真空容器１７は、図２及び図５に示すように、略円筒形状の容器本体２２と、この容器本体２２の両端の開口の閉塞する蓋体２３とを有して構成され、内側空間Ｍに超電導コイル１５及び鉄心１６を収容する。真空容器１７は、図示しない真空ポンプに接続され、この真空ポンプの稼動により内側空間Ｍを真空状態に保持する。
【００１７】
輻射シールド１８は、図２、図３及び図５に示すように、真空容器１７の内側空間Ｍ内で鉄心１６を囲んで設置される。即ち、輻射シールド１８は、真空容器１７の容器本体２２と鉄心１６との間に配置され、図示しない断熱サポートにより真空容器１７に支持される。この輻射シールド１８は、後述の如く冷凍機１９により極低温（５０Ｋ程度）に冷却されることで、真空容器１７から鉄心１６及び超電導コイル１５へ伝熱される輻射熱を遮断する。
【００１８】
冷凍機１９は、図５に示すように、２段式の例えばＧＭ式（ギフォードマクマフォン式）の冷凍機である。この冷凍機１９の第１段コールドヘッド１９Ａは輻射シールド１８に熱的に接続されて、この輻射シールド１８を極低温（５０Ｋ程度）に冷却する。冷凍機１９の第２コールドヘッド１９Ｂは、伝熱部材２４を介して超電導コイル１５に熱的に接続され、この超電導コイル１５及び鉄心１６を極低温（４Ｋ程度）に冷却する。
【００１９】
コイルサポート２０は、図４及び図６に示すように、鉄心１６の端部２６を真空容器１７の蓋体２３に支持させるものである。つまり、コイルサポート２０は、同心円状に設けられた複数のリング状フレーム２７と、このリング状フレーム２７の半径方向に延びる複数の放射状フレーム２８とが同一平面内で結合されて、蜘蛛の巣形状に形成されたものである。
【００２０】
このコイルサポート２０のうち、リング状フレーム２７の内側と外側にそれぞれ結合された放射状フレーム２８は、コイルサポート２０の半径方向における同一の直線上にはなく、リング状フレーム２７の周方向において偏倚して（ずれて）交互位置づけられる。具体的には、リング状フレーム２７の内側と外側にある放射状フレーム２８は、その内側と外側の一方（例えば内側）におけるコイルサポート２０の周方向に隣り合う放射状フレーム２８の中間位置に、内側と外側の他方（例えば外側）の放射状フレーム２８が配置される。更に、放射状フレーム２８は、コイルサポート２０の軸線（例えば軸線Ｏ）に対して軸対称に配置されている。
【００２１】
上述のように形成されたコイルサポート２０では、このコイルサポート２０における最も内側の放射状フレーム２８の第１連結部３１が、鉄心１６の端部２６に形成された凹部２９に係合して連結される。更に、コイルサポート２０における最も外側の放射状フレーム２８の第２連結部３２が、真空容器１７の蓋体２３に形成された凹部３０に係合して連結される。これらの第１連結部３１と第２連結部３２の少なくとも一方、本実施形態では第１連結部３１及び第２連結部３２は、第１連結部３１が鉄心１６の端部２６の凹部２９に対し、第２連結部３２が真空容器１７の蓋体２３の凹部３０に対し、それぞれコイルサポート２０の半径方向に移動可能に連結される。
【００２２】
図１に示す回転ガントリー１１の回転に伴い超電導磁石装置１３が回転したとき、コイルサポート２０では、図６に示すように、水平軸線Ｐ上にある放射状フレーム２８の第１連結部３１及び第２連結部３２が、超電導コイル１５及び鉄心１６の荷重を主に支持する。放射状フレーム２８は、リング形状のリング状フレーム２７の半径方向に延び且つこのリング状フレーム２７に結合されたものであるため、このリング状フレーム２７により補強されて、コイルサポート２０が高強度に構成される。このため、コイルサポート２０では、リング状フレーム２７によって、水平軸線Ｐ上にある放射状フレーム２８の撓み量の増大が防止される。
【００２３】
また、図３及び図６に示すように、輻射シールド１８の両端面には、輻射シールド１８の周方向に沿う複数の位置から、輻射シールド１８の軸方向へ延びる突部３３が突設される。この突部３３は、コイルサポート２０における複数のリング状フレーム２７間で、且つコイルサポート２０の周方向に隣り合う放射状フレーム２８間に配置される。また、コイルサポート２０は、複数のリング状フレーム２７間で且つコイルサポート２０の周方向に隣り合う放射状フレーム２８に、輻射シールド１８の突部３３とワイヤ３４を用いて熱的に接続されるサーマルアンカー３５を備える。上記ワイヤ３４は、コイルサポート２０のサーマルアンカー３５と輻射シールド１８の突部３３とを、伸縮及び曲げ変形可能に接続する。
【００２４】
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（６）を奏する。
（１）図６に示すように、超電導コイル１５を支持する鉄心１６の端部２６を真空容器１７の蓋体２３に支持させるコイルサポート２０は、リング状フレーム２７及び放射状フレーム２８が結合されて高強度に構成される。このため、粒子線治療装置１０の回転ガントリー１１の回転に伴い超電導磁石装置１３が回転し任意の位置に停止したとき、コイルサポート２０は、超電導コイル１５及び鉄心１６の荷重で変形せず、従って、超電導コイル１５をその中心位置がずれないように支持できる。この結果、重粒子線の偏向を防止できると共に、重粒子線の集束効率の低下を抑制できる。
【００２５】
（２）コイルサポート２０は、リング状フレーム２７の内側と外側にそれぞれ結合された放射状フレーム２８が、リング状フレーム２７の周方向において偏倚して（ずれて）位置づけられている。このため、コイルサポート２０における真空容器１７から鉄心１６及び超電導コイル１５への熱伝導経路は、リング状フレーム２７の内側と外側にある放射状フレーム２８がリング状フレーム２７の周方向で偏倚した偏倚量分だけ長くなり、コイルサポート２０の熱抵抗が増大する。
【００２６】
しかも、コイルサポート２０における放射状フレーム２８の第１連結部３１が鉄心１６の端部２６の凹部２９に対し、また、第２連結部３２が真空容器１７の蓋体２３の凹部３０に対し、それぞれコイルサポート２０の半径方向に移動可能に構成されている。このため、超電導コイル１５の冷却時に鉄心１６が縮径しても、コイルサポート２８の放射状フレーム２８に引張応力が生じないので、コイルサポート２０の強度を増大させるためにこのコイルサポート２０の特に放射状フレーム２８の断面積を増加させる必要がない。
【００２７】
上述のように、コイルサポート２０の熱抵抗が増大したこと、及びコイルサポート２０の特に放射状フレーム２８の断面積の増加を防止できることから、真空容器１７の外部から超電導コイル１５への熱侵入量を抑制でき、超電導コイル１５を極低温（４Ｋ程度）に好適に冷却して超電導状態に保持できる。
【００２８】
（３）コイルサポート２０は、ワイヤ３４を用いて輻射シールド１８の突部３３と熱的に接続されたサーマルアンカー３５を有することから、輻射シート１８と同程度の極低温（５０Ｋ程度）に冷却される。この結果、真空容器１７からコイルサポート２０に伝熱された熱が、鉄心１６を経て超電導コイル１５へ侵入することを確実に防止できる。
【００２９】
（４）コイルサポート２０のサーマルアンカー３５と輻射シールド１８の突部３３とが、伸縮及び曲げ変形可能なワイヤ３４により接続されている。従って、粒子線治療装置１０の回転ガントリー１１の回転に伴い超電導磁石装置１３が回転したとき、コイルサポート２０と輻射シールド１８に相対的な変位が生じた場合でも、コイルサポート２０と輻射シート１８は、一方の変位が他方に影響を及ぼすことを防止できる。
【００３０】
（５）コイルサポート２０では、放射状フレーム２８がコイルサポート２０の軸対称に配置されている。このため、粒子線治療装置１０の回転ガントリー１１の回転に伴い超電導磁石装置１３が回転して任意の位置に停止した場合、コイルサポート１８の放射状フレーム２８は、各停止位置において超電導コイル１５及び鉄心１６の荷重を確実に支持できる。
【００３１】
（６）コイルサポート２０では、リング状フレーム２７の内側と外側にある放射状フレーム２８は、内側と外側の一方におけるコイルサポート２０の周方向に隣り合う放射状フレーム２８の中間位置に、内側と外側の他方の放射状フレーム２８が配置されている。このため、コイルサポート２０における真空容器１７から鉄心１６及び超電導コイル１５までの熱伝導経路を最も長く設定できるので、真空容器１７から超電導コイル１５への熱侵入量を効果的に抑制できる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００３３】
例えば、コイルサポート２０では、リング状フレーム２７の内側と外側において放射状フレーム２８の本数は必ずしも同数でなくてもよい。また、リング状フレーム２７は、１本または３本以上設けられてもよい。更に、コイル支持体は磁性体の鉄製の鉄心１６である必要はなく、例えばステンレス製の非磁性体で構成されてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１３…超電導磁石装置、１５…超電導コイル、１６…鉄心（コイル支持体）、１７…真空容器、１８…輻射シールド、１９…冷凍機、２０…コイルサポート（端部サポート部材）、２７…リング状フレーム、２８…放射状フレーム、３１…第１連結部、３２…第２連結部、３４…ワイヤ、３５…サーマルアンカー、Ｍ…内側空間、Ｏ…軸線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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