(57)【要約】【課題】本発明は、一運転周期で取り出し可能な荷電粒子ビームの量を増加できるシンクロトロンを提供する。【解決手段】偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２は、上下の磁極面３３ａ，３３ｂと平行な面を構成し、上下の磁極面３３ａ，３３ｂに接着された上下板２３ａ，２３ｂと、上下板２３ａ，２３ｂに対して垂直な面を構成し、上下板２３ａ，２３ｂの平均厚さよりも大きな幅を有する端面を接合面として上下板２３ａ，２３ｂに溶接された側板２４ａ，２４ｂとを備える。【選択図】図２
2015050047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速あるいは減速するシンクロトロンにおいて、
前記荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、
前記偏向電磁石内を通過するビーム通路が前記偏向電磁石内に対抗して形成された上下の磁極面に接着された上下板と前記上下板に接合された側板とで構成された真空ダクトとを備えたことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項２】
請求項１記載のシンクロトロンにおいて、
前記側板を前記上下板に接合するための接合面の幅が前記上下板の平均厚さよりも大きいことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項３】
請求項２記載のシンクロトロンにおいて、
前記側板の平均厚さが前記接合面の幅よりも小さいことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項４】
請求項１記載のシンクロトロンにおいて、
前記上下の磁極面は、前記偏向電磁石の出口側および入口側の端部において前記上下板との間に間隙を有するように形成され、
前記間隙において前記上下板に接着された第１の絶縁補強部材を更に備えたことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項５】
請求項４記載のシンクロトロンにおいて、
前記間隙が前記上下板と平行な面を有するように形成され、
前記第１の絶縁補強部材が板状に形成されていることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項６】
請求項１記載のシンクロトロンにおいて、
前記側板に接着された第２の絶縁補強部材を更に備えたことを特徴とするシンクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シンクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１及び２がある。特許文献１には、偏向電磁石内を通過する真空ダクトの構成に関し、「真空ダクト７０の筐体７１は非磁性金属の例えばステンレス鋼とし、その厚さは０．３ｍｍ程度である。薄肉の筐体７１の強度を支えるため、筐体外に補強リブ７２を１０〜３０ｍｍの間隔で取り付ける。材質は非磁性金属とし、厚さは例えば容器本体の１０倍程度としている。筐体７１の断面はレーストラック形状に加工し、また補強リブ７２の中央部も同形状に穴加工する。薄肉の筐体７１を補強リブ７２の加工穴に挿入し、補強リブ７２を所定の間隔で取付け、ロウ付け加工を行う。筐体７１の端部は、例えばスピニングやプレス加工で弾性変形可能な円弧状端部７４を設ける。このようにしてユニット真空ダクト７５を製作した後、各々のユニット真空ダクト７５の円弧状端部７４を突合せて溶接接合部７４ａで溶接接合する。このように相隣り合うユニット真空ダクト７５の筐体７１の円弧状端７４を接合部７３でビーム軸方向に接合し一連の真空ダクト７０を形成する。」と記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、偏向電磁石内を通過する真空ダクトの構成に関し、「荷電粒子が通過する真空ダクト１０は、磁性体からなる断面Ｃ型のコア１の空隙部内に配設されている。リターンコイル３およびセプタムコイル８は、真空ダクト１０を挟んで、コア１の空隙部内の両側に配設されている。セプタムコイル押え板９は、荷電粒子の通過する方向にその厚みを増加するように構成され、空隙部を覆うようにコア１の側面に取り付けられている。コア１の空隙部内には、モールド樹脂１１が注入硬化されて、リターンコイル３、真空ダクト１０、セプタムコイル８およびセプタムコイル押え板９がコア１に一体化されている。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８００６２号公報
【特許文献２】特開平５−２２６１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、薄肉構造で補強リブを備えた真空ダクトを安価に製造する方法が記載されている。特許文献１に記載の真空ダクトは、薄肉構造の非磁性体金属により構成されるため、真空ダクト上を流れる渦電流が問題となる変動磁場中での使用に適している。変動磁場中での真空ダクトの使用例として、シンクロトロンを構成する偏向電磁石内に設置する場合がある。この場合、特許文献１に記載の真空ダクトは補強リブを備えているため、真空ダクトの外側面と偏向電磁石の磁極との間に補強リブを設置する空間を確保する必要がある。このため、偏向電磁石内では補強リブの高さの分だけ、偏向電磁石の偏向面に垂直な方向（以下、垂直方向と呼ぶ）においてビームが通過できる幅が減少する。ここで、ビームが通過できる空間の垂直方向の内径を垂直アパーチャと呼ぶ。シンクロトロンにおいて垂直アパーチャが縮小すると、真空ダクト内を内壁等の構造物に衝突することなく周回できる荷電粒子ビームの量（以下、周回ビーム電荷量という）が減少する。特許文献１の真空ダクトを用いたシンクロトロンでは、垂直アパーチャの縮小により周回ビーム電荷量が減少するため、一運転周期で取り出せる荷電粒子ビームの量が減少するという問題がある。
【０００６】
特許文献２には、偏向電磁石内を通過する真空ダクトを偏向電磁石に一体化させる方法が記載されている。特許文献２に記載の真空ダクトは、真空ダクトの外側面と偏向電磁石の磁極との間隙に注入されたモールド樹脂により磁極間に固定されているため、真空ダクトが薄肉金属により構成され、かつ補強リブを備えていない場合であっても真空ダクトの大気圧による変形を抑制することができる。しかしながら、特許文献２に記載の真空ダクトは、ビーム進行方向に垂直な平面における断面形状が円形であるため、水平方向のベータトロン振動の振幅が大きい周回ビーム粒子ほど垂直アパーチャが小さくなり、周回ビーム電荷量が減少するという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、一運転周期で取り出し可能な荷電粒子ビームの量を増加できるシン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】
【０００８】
上記課題を解決するために、荷電粒子ビームを加速あるいは減速するシンクロトロンにおいて、前記荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、前記偏向電磁石内を通過するビーム通路が前記偏向電磁石内に対抗して形成された上下の磁極面に接着された上下板と前記上下板に接合された側板とで構成された真空ダクトとを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シンクロトロンの一運転周期で取り出し可能な荷電粒子ビームの量を増加できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る粒子線治療システムの一例を示す全体構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る偏向電磁石をビーム進行方向から見た断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る偏向電磁石を垂直方向から見た平面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る偏向電磁石の中心軌道に沿った断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る偏向電磁石を垂直方向から見た平面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る粒子線治療システムの一例を示す全体構成図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る偏向電磁石をビーム進行方向から見た断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る偏向電磁石をビーム進行方向から見た断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る粒子線治療システムの一例を示す全体構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る偏向電磁石を垂直方向から見た平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る偏向電磁石の中心軌道に沿った断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る偏向電磁石を垂直方向から見た平面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の他の変形例に係る偏向電磁石を垂直方向から見た平面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態の他の変形例に係る偏向電磁石の中心軌道に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態として、一運転周期で取り出し可能な荷電粒子ビームの量を増加できるシンクロトロンの例を、図１〜図５を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施の形態に係るシンクロトロンを備えた粒子線治療システムの一例を示す全体構成図である。粒子線治療システム１は、荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を発生させる入射器２と、入射器２で発生させたビームを輸送する低エネルギービーム輸送系３と、低エネルギービーム輸送系３を介して入射されたビームを所定のエネルギーまで加速して取り出すシンクロトロン４と、シンクロトロン４から取り出したビームを輸送する高エネルギービーム輸送系５と、高エネルギー輸送系を介して供給されるビームを照射対象に照射する照射システム６とで構成されている。
【００１４】
本実施の形態に係るシンクロトロン４は、入射用インフレクタ１１と、真空ダクト２０と、偏向電磁石１３と、四極電磁石１４と、高周波加速空胴１５と、取り出し用デフレクタ１６とを備えている。入射器２には、例えば、イオン源（図示せず）で生成したビームをシンクロトロン４への入射に適したエネルギー（入射エネルギー）まで加速する線形加速器（ライナック）が用いられる。入射器２から取り出されたビームは、低エネルギービーム輸送系３および入射用インフレクタ１１を経由してシンクロトロン４の真空ダクト２０内に入射される。真空ダクト２０は、偏向電磁石１３の外部に設置され、直線状のビーム通路を構成するダクト部分２１（以下、直線ダクト部という）と、偏向電磁石１３内に設置され、湾曲したビーム通路を構成するダクト部分２２（以下、偏向ダクト部という）とを備えている。
【００１５】
偏向電磁石１３は真空ダクト２０内を周回するビーム（以下、周回ビームという）を偏向して所定の周回軌道（以下、周回ビーム軌道という）を形成する。ここで、周回ビームの進行方向に平行な方向を進行方向、偏向電磁石の動径方向に平行な方向を水平方向、進行方向および水平方向の両方に垂直な方向を垂直方向と呼び、シンクロトロン４の設計上の周回ビーム軌道を中心軌道と呼ぶ。周回ビームを構成する荷電粒子は中心軌道の周りを水平および垂直方向に振動しており、この振動をベータトロン振動という。また、シンクロトロン一周あたりのベータトロン振動の振動数をチューンという。四極電磁石１４は、周回ビームに収束あるいは発散の力を加えて周回ビームのチューンを周回ビームが安定となる値に保つ。高周波加速空胴１５は、周回ビームに進行方向に沿って高周波電圧（以下、加速電圧という）を印加して周回ビームを進行方向の所定の位相に捕獲し、加速電圧の周波数を徐々に上昇させることで周回ビームを所定のエネルギーまで加速する。周回ビームを加速する間は、偏向電磁石１３および四極電磁石１４の励磁量を周回ビームの運動量に比例して増加させ、周回ビーム軌道および周回ビームのチューンを一定に保つ。取り出し用デフレクタ１６は加速終了後の周回ビームを偏向し、シンクロトロン４の外へ取り出す。シンクロトロン４から取り出されたビーム（以下、取り出しビームという）は、高エネルギービーム輸送系５を経由して照射システム６に送られ、照射対象（図示せず）へ照射される。シンクロトロン４は周回ビームの取り出しが完了した後、偏向電磁石１３の励磁量、四極電磁石１４の励磁量、加速電圧の周波数をシンクロトロン４へのビーム入射時の値に変更し、次のビーム入射に備える。
【００１６】
本実施の形態に係る偏向電磁石１３および偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２の構成について、図２を用いて説明する。図２は、偏向電磁石１３および偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２のビーム進行方向に垂直な平面（図１のＡ１−Ａ１線）における断面図である。偏向電磁石１３は鉄心３０とコイル３１により構成され、鉄心３０には垂直方向において対向した磁極３２ａ，３２ｂが形成されている。コイル３１は、磁極３２ａ，３２ｂのそれぞれの側面に巻きつけられた巻線によって構成され、コイル３１に電流を流すと磁極３２ａ，３２ｂ間に周回ビームを偏向する偏向磁場が発生する。鉄心３０は、薄厚（例えば厚さ０．５ｍｍ）のケイ素鋼板をビーム進行方向に積層した構造となっており、ケイ素鋼板同士は電気的に絶縁されている。偏向ダクト部２２は、磁極３２ａ，３２ｂの磁極面３３ａ，３３ｂに平行な面を構成する非磁性の金属板２３ａ，２３ｂ（以下、上下板という）と、上下板２３ａ，２３ｂに対して垂直な面を構成する非磁性の金属板２４ａ，２４ｂ（以下、側板という）とを備え、磁極３２ａ，３２ｂ間の空隙に設置されている。磁極面３３ａ，３３ｂは平面であるから、上下板２３ａ，２３ｂは磁極面３３ａ，３３ｂに平行な平面を構成する。上下板２３ａ，２３ｂと側板２４ａ，２４ｂは互いの端部において溶接されており、上下板２３ａ，２３ｂは接着剤２５により磁極３２ａ，３２ｂに接着されている。接着剤２５には、上下板２３ａ，２３ｂを磁極３２ａ，３２ｂに接着可能であれば任意の種類の接着剤を使用できる。本実施の形態に好適な接着剤２５の種類としては、耐熱性、耐衝撃性に優れるシリコーン系接着剤を挙げられる。
【００１７】
周回ビームを加速するために偏向磁場の強度を上昇させると、上下板２３ａ，２３ｂには偏向磁場強度の変化を抑制する方向に渦電流が流れ、渦電流に起因する偏向磁場強度の変化（以下、渦電流磁場という）が生じる。具体的には、上下板２３ａ，２３ｂを流れる渦電流により、水平方向の位置に対して強度が二次関数状に変化する渦電流磁場（以下、六極磁場という）が発生する。周回ビームに六極磁場が印加されると、ベータトロン振動が共鳴を生じ、ベータトロン振動の振幅が増大して周回ビームが失われる恐れがある。そこで、本実施の形態のシンクロトロン４では、上下板２３ａ，２３ｂを渦電流磁場による周回ビームの損失が問題とならない厚さ（例えば０．５ｍｍ）の金属板としている。ダクト渦電流による六極磁場の強度は上下板２３ａ，２３ｂの厚さにおおよそ比例するため、上下板２３ａ，２３ｂが薄い場合には渦電流磁場による影響は問題とならない。
【００１８】
シンクロトロン中をビームが周回する間、真空ダクト２０の内部は真空状態に保たれるため、側板２４ａ，２４ｂには大気圧による力が加わる。大気圧による変形を抑制するため、側板２４ａ，２４ｂは上下板２３ａ，２３ｂよりも厚い（例えば５ｍｍ）金属板により構成されている。側板２４ａ，２４ｂは上下板２３ａ，２３ｂよりも厚いため、側板２４ａ，２４ｂの端面を接合面とし、この接合面を上下板２３ａ，２３ｂで覆うように溶接することで上下板２３ａ，２３ｂと側板２４ａ，２４ｂを容易に接合できる。一方、上下板２３ａ，２３ｂは、側板２４ａ，２３ｂに比べて薄いが、それぞれ磁極面３３ａ，３３ｂに面で接着固定されているため、上下板２３ａ，２３ｂの大気圧による変形は磁極３２ａ，３２ｂを支持構造として抑制される。これにより、本実施の形態に係るシンクロトロン４では、偏向ダクト部２２の大気圧による変形を抑制するための補強リブが不要となり、ビームが偏向ダクト部２２の内壁に衝突せず通過できる領域の垂直方向の内径（以下、垂直アパーチャという）を補強リブを備えた場合よりも大きくすることができる。また、上下板２３ａ，２３ｂは磁極面３３ａ，３３ｂに平行であるため、水平方向のベータトロン振動の振幅が大きい周回ビーム粒子の垂直アパーチャが水平方向のベータトロン振動の振幅が小さい周回ビーム粒子の垂直アパーチャに比べて減少しない。垂直アパーチャの拡大により真空ダクト２０内を安定に周回できるビームの量が増加するため、本実施に形態係るシンクロトロン４は取り出し可能なビームの量を増加できる。また、偏向ダクト部２２は、上下板２３ａ，２３ｂのみを磁極面３３ａ，３３ｂに接着することで偏向電磁石１３内に固定されるため、偏向電磁石の空隙全体にモールド樹脂を注入して固定する場合に比べて偏向電磁石内での固定が容易である。
【００１９】
本実施の形態に係るシンクロトロン４においてダクト渦電流による周回ビームの損失が問題とならないことを図３を用いて説明する。図３は、偏向電磁石１３を垂直方向から見た平面図である。
【００２０】
偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２の両端部は、ベローズやフランジにより構成される端部構造４０を介して直線ダクト部２１に接続されている。破線５０は中心軌道を表し、点線５１ａ，５１ｂはそれぞれ側板２４ａ，２４ｂで構成される偏向ダクト部２２の内壁面を表す。経路５２は、上下板２３ａ，２３ｂを流れるダクト渦電流を示している。ダクト渦電流５２は、図３に示すように上下板２３ａ，２３ｂを同心形状に流れるが、上下板２３ａ，２３ｂは薄板であるためその電流値は小さい。従って、ダクト渦電流５２による渦電流磁場が周回ビームに与える影響は問題とならない。一方、経路５３は、進行方向において側板２４ａ，２４ｂを流れ、水平方向において上下板２３ａ，２３ｂを流れるダクト渦電流を示している。側板２４ａ，２４ｂは、上下板２３ａ，２３ｂに比べて厚く、進行方向における電気抵抗が小さいため、ダクト渦電流５３の電流値はダクト渦電流５２に比べて大きい。しかし、ダクト渦電流５３による渦電流磁場の強度は偏向ダクト部２２内の水平方向において変化しないため、ダクト渦電流５３は周回ビームの損失の原因となる六極磁場を発生させない。従って、ダクト渦電流５３による渦電流磁場が周回ビームに与える影響は問題とならない。このように本実施の形態に係るシンクロトロン４では、偏向ダクト部２２を構成する上下板２３ａ，２３ｂを薄板としたことにより、渦電流磁場に起因するビーム損失は問題とならない。
【００２１】
偏向電磁石１３の端部の構成について図４を用いて説明する。図４は、偏向電磁石１３の出口側端部における、偏向電磁石１３および偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２のビーム進行方向（図３のＢ１−Ｂ１線）に沿った断面図である。なお、偏向電磁石１３の入口側端部の構成は、出口側端部の構成と同様であるため、説明は省略する。コイル３１は、偏向電磁石１３の内部では図中点線で示すように磁極３２ａ，３２ｂの側面に沿って設置されているが、偏向電磁石１３の出口側では端部構造４０との干渉を避けるため、偏向電磁石１３の内部に比べ中心軌道から垂直方向に離れた位置に設置されている。偏向電磁石１３の端面１３ａと端部構造４０との間には空隙があり、偏向ダクト部２２の一部が大気に露出しているが、その空隙の幅δは小さい（例えば２ｃｍ）ため、磁極３２ａ，３２ｂと端部構造４０を支持構造として偏向ダクト部２２の大気圧による変形は抑制される。
【００２２】
〜効果〜
本実施の形態に係るシンクロトロン４は、偏向ダクト部２２を構成する上下板２３ａ，２３ｂを磁極面３３ａ，３３ｂに平行な薄い金属板としたことにより、垂直アパーチャを最大限に確保することができ、一運転周期で取り出し可能なビームの量を増加できる。また、本実施の形態に係るシンクロトロン４は、上下板２３ａ，２３ｂを磁極面３３ａ，３３ｂに接着することで偏向ダクト部２２を偏向電磁石１３内に固定できるとともに、上下板２３ａ，２３ｂの厚さよりも大きな幅を有する側板２４ａ，２４ｂの端面を接合面として上下板２３ａ，２３ｂと側板２４ａ，２４ｂを接合できるため、製作が容易である。
【００２３】
〜第１の実施の形態の変形例〜
本実施の形態に係るシンクロトロン１（図１に示す）は、図３に示すようにビーム進行方向に垂直な端面１３ａが形成された偏向電磁石１３を備えた構成としたが、図５に示すようにビーム進行方向に対して角度α（以下、エッジ角という）を持つ端面１３Ａａが形成された偏向電磁石１３Ａを備えた構成としても良い。この場合、端部構造４０Ａの偏向電磁石１３Ａ側の端面を偏向電磁石１３Ａの端面１３Ａａに平行な形状とすることで、偏向電磁石１３Ａ内を通過する偏向ダクト部２２Ａと直線ダクト部２１との接続が可能となる。また、偏向電磁石を構成する鉄心は、薄厚のケイ素鋼板をビーム進行方向に積層した構造をしているため、エッジ角を持たせることにより製作が容易となる。
【００２４】
〜第１の実施の形態の他の変形例〜
本実施の形態のシンクロトロン４では、上下板２３ａ，２３ｂを一様な厚さの金属板により構成しているが、本発明の効果は上下板２３ａ，２３ｂの厚さが一様でない場合であっても得ることができる。例えば、上下板２３ａ，２３ｂの端面を側板２４ａ，２４ｂとの接合面とする構成において、上下板２３ａ，２３ｂの端部（以下、溶接部という）の厚さを上下板２３ａ，２３ｂのその他の部分より例えば１ｍｍ程度厚くした場合であっても、上下板２３ａ，２３ｂの全体の面積に占める溶接部の面積は十分小さい（例えば十分の一以下）ため、上下板２３ａ，２３ｂの厚さが一様である場合と同様に渦電流磁場を抑制することが可能である。言い換えれば、取り出し可能なビーム量を増加できるという本発明の効果は、上下板２３ａ，２３ｂの平均厚さが渦電流磁場によるビーム損失が問題とならない程度に小さい場合に得られる。また、上下板２３ａ，２３ｂの端部の厚さを大きくすることで、側板との接合面の幅が上下板２３ａ，２３ｂの平均厚さよりも大きくなり、上下板２３ａ，２３ｂと側板２４ａ，２４ｂを容易に接合できる。
【００２５】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態として、取り出し可能な荷電粒子ビームの量を増加できるだけでなく、運転制御が容易となるシンクロトロンの例を、図６〜図８を用いて説明する。なお、以降の説明では、上述の実施の形態における構成部材と同等の部材には同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。
【００２６】
図６は、本実施の形態に係るシンクロトロンを備えた粒子線治療システムの一例を示す全体構成図である。本実施の形態に係る粒子線治療システム１Ａは、第１の実施の形態に係る粒子線治療システム１（図１に示す）と同様の構成を有するが、偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２Ｂの構成において相違する。  本実施の形態において、シンクロトロン４Ａから取り出し可能なビームの量を増加させ、さらにシンクロトロン４Ａの運転制御を容易とする手法について図７を用いて説明する。図７は、偏向電磁石１３および偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２Ｂのビーム進行方向に垂直な平面（図６のＡ２−Ａ２線）における断面図である。偏向ダクト部２２Ｂは、第１の実施の形態と同様に非磁性の金属板により構成され、磁極３２ａ，３２ｂの磁極面３３ａ，３３ｂと平行な面を構成する上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂと、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂに対して垂直な面を構成する側板２４Ｂａ，２４Ｂｂとを備えている。上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂと側板２４Ｂａ，２４Ｂｂは互いの端部において溶接されており、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂは接着剤２５により磁極面３３ａ，３３ｂに接着されている。上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂは、第１の実施の形態と同様、薄厚の金属板により構成されている。側板２４Ｂａ，２４Ｂｂは、端部の厚さが上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂの平均厚さよりも大きく（例えば厚さ５ｍｍ）、中心軌道が含まれる平面Ｃ−Ｃ（以下、中心面と呼ぶ）付近における厚さが端部の厚さよりも小さい（例えば厚さ２ｍｍ）。すなわち、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの厚さは一様ではなく、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの平均厚さは端部の厚さよりも小さい。
【００２７】
真空ダクト２０Ｂ（図６に示す）の内部を真空状態とすると、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂには大気圧による力が加わる。側板２４Ｂａ，２４Ｂｂは中心面Ｃ−Ｃ付近において薄くなっているが、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂと接合される端部では厚くなっているため、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂと上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂの接合面には十分な幅が確保される。従って、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂに大気圧による力が加わる際は、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂおよび磁極３２ａ、３２ｂが支持構造となり、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの変形が抑制される。上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂは、第１の実施の形態と同様、磁極３２ａ，３２ｂに面で接着固定されているため、大気圧による上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂの変形は抑制される。
【００２８】
このように、本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａでは、第１の実施の形態と同様に偏向ダクト部２２Ｂの変形を抑制するための補強リブが不要となり、取り出し可能なビームの量を増加させることができる。また、本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａは、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂが磁極面３３ａ，３３ｂと平行な薄板形状であるため、第１の実施の形態と同様に取り出し可能なビームの量を増加できる。また、上下板２３Ｂａ、２３Ｂｂを磁極面３３ａ，３３ｂに接着するだけで偏向ダクト部２２Ｂを偏向電磁石１３内に固定することができ、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂの平均厚さよりも大きな幅を有する側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの端面を接合面とすることで側板２４Ｂａ，２４Ｂｂと上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂを容易に接合できるため、本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａは、第１の実施の形態と同様に製作が容易である。
【００２９】
第１の実施の形態においては、図３を用いて説明したように側板２４ａ，２４ｂを流れるダクト渦電流５３は、六極磁場によるベータトロン振動の共鳴を発生させない。しかし、側板２４ａ，２４ｂを流れるダクト渦電流による渦電流磁場は、偏向磁場強度の変化の励磁電流の変化に対する遅れを生じさせるため、第１の実施の形態に係るシンクロトロン４を運転する際は、四極電磁石１４の励磁量および加速電圧の周波数を偏向磁場の遅れに合わせて変化させる必要があり、シンクロトロン４の運転制御が複雑になるという課題がある。
【００３０】
本実施の形態では、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの中心面Ｃ−Ｃ付近における厚さが上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂと接合される端部の厚さ（接合面の幅）よりも小さいため、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの平均厚さは第１の実施の形態の側板２４ａ，２４ｂ（図２に示す）の厚さに比べて小さくなる。このため、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂのビーム進行方向における電気抵抗は第１の実施の形態に係る側板２４ａ，２４ｂ（図２に示す）よりも大きくなり、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂを流れるダクト渦電流は側板２４ａ，２４ｂ（図２に示す）を流れるダクト渦電流よりも小さくなり、渦電流磁場による偏向磁場の遅れは小さくなる。これにより、本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａでは、偏向磁場の遅れに合わせた四極電磁石１４の励磁量および加速電圧の周波数の制御が不要となり、シンクロトロン４Ａの運転制御が容易となる。
【００３１】
〜効果〜
本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａは、偏向ダクト部２２Ｂを構成する上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂが磁極面３３ａ，３３ｂに平行な薄板形状であるため、第１の実施の形態と同様に取り出し可能なビームの量を増加できる。また、本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａは、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂを磁極面３３ａ，３３ｂに接着するだけで偏向ダクト部２２Ｂを偏向電磁石１３内に固定でき、上下板２３Ｂａ，２３Ｂｂの平均厚さよりも大きな幅を有する側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの端面を接合面とすることで側板２４Ｂａ，２４Ｂｂと上限板２３Ｂａ，２３Ｂｂを容易に接合できるため、製作が容易である。さらに、本実施の形態では、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂの平均厚さを上下板２３ａ，２３ｂと接合される端部の厚さよりも小さくしたことにより、側板２４Ｂａ，２４Ｂｂを流れるダクト渦電流による偏向磁場の変化の遅れが低減し、シンクロトロン４Ａの運転制御が容易となる。
【００３２】
〜第２の実施の形態の変形例〜
本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａは、第１の実施の形態（図１に示す）と同様に、ビーム進行方向に垂直な端面１３ａが形成された偏向電磁石１３（図３に示す）を備えた構成としたが、第１の実施の形態の変形例（図５に示す）と同様に、エッジ角を持つ端面１３Ａａが形成された偏向電磁石１３Ａを備えた構成としても良い。この場合、第１の実施の形態の変形例と同様に、偏向電磁石を構成する鉄心の製作が容易となる。
【００３３】
〜第２の実施の形態の他の変形例〜
本実施の形態の他の変形例について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係るシンクロトロン４Ａ（図６に示す）が偏向ダクト部２２Ｂに代えて本実施の形態の他の変形例に係る偏向ダクト部２２Ｃを備えた場合の、偏向電磁石１３および偏向電磁石１３内を通過する偏向ダクト部２２Ｃのビーム進行方向に垂直な平面（図６のＡ２−Ａ２線）における断面図である。本実施の形態に係る偏向ダクト部２２Ｃは、図７に示すように中心面Ｃ−Ｃ付近における厚さが２ｍｍ程度の金属板で構成された側板２４Ｂａ，２４Ｂｂを備えた構成としたが、図８に示すようにさらに薄い金属板（例えば厚さ１ｍｍ）で構成された側板２４Ｃａ，２４Ｃｂを備えるとともに、側板２４Ｃａ，２４Ｃｂの外側に絶縁体の補強板２７ａ，２７ｂ（第１の絶縁補強部材）を備えた構成としても良い。補強板２７ａ，２７ｂは進行方向において側板２４Ｃａ，２４Ｃｂに沿って設置されており、側板２４Ｃａ，２４Ｃｂと補強板２７ａ，２７ｂは接着剤２８により接着されている。このように側板２４Ｃａ，２４Ｃｂの外側に補強板２７ａ，２７ｂを備えたことにより、側板２４Ｃａ，２４Ｃｂをさらに薄くできるため、渦電流磁場による偏向磁場の遅れが抑制され、シンクロトロン４Ａの運転制御がさらに容易となる。
【００３４】
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態として、取り出し可能な荷電粒子ビームの量を増加できるだけでなく、ビームを高いエネルギーまで加速する際の制御が容易となるシンクロトロンの例を、図９〜図１１を用いて説明する。
【００３５】
図９は、本実施の形態に係るシンクロトロンを備えた粒子線治療システムの一例を示す全体構成図である。本実施の形態係るシンクロトロン４Ｂは第１の実施の形態に係るシンクロトロン４（図１に示す）と同様の構成を有するが、偏向電磁石１３Ｂおよび偏向ダクト部２２Ｄの構成において相違する。本実施の形態において、シンクロトロン４Ｂから取り出し可能なビームの量を増加させる手法は第１の実施の形態と同様である。
【００３６】
本実施の形態に係るシンクロトロン４Ｂにおいて、ビームを高いエネルギーまで加速する際の制御を容易とする手法について図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、図９に示す偏向電磁石１３Ｂを垂直方向から見た平面図である。図１１は、偏向電磁石１３Ｂの出口側端部における、偏向電磁石１３Ｂおよび偏向電磁石１３Ｂ内を通過する偏向ダクト部２２Ｄのビーム進行方向に沿った（図１０のＢ２−Ｂ２銭における）断面図である。偏向電磁石１３Ｂは、第１の実施の形態と同様に鉄心３０Ｂとコイル３１により構成され、鉄心３０Ｂには対向する磁極３２Ｂａ，３２Ｂｂが形成されている。また、偏向電磁石１３Ｂの出口側端部において偏向電磁石１３Ｂの高磁場領域（例えば偏向磁場強度１Ｔ以上）における偏向磁場強度の空間的な分布の変化を避けるため、磁極３２Ｂａ，３２Ｂｂの出口側端部には、図１１に示すようにテーパー状の段差３４ａ，３４ｂが設けられている。偏向電磁石１３Ｂ内を通過する偏向ダクト部２２Ｄは、第１の実施の形態と同様に上下板２３Ｄａ，２３Ｄｂと側板（図示せず）により構成され、上下板２３Ｄａ，２３Ｄｂ（出口側端部を除く）は、接着剤２５により磁極面３３Ｂａ，３３Ｂｂに接着されている。また、偏向ダクト部２２Ｄの端部は、ベローズやフランジからなる端部構造４０を介して直線ダクト部２１に接続されている。コイル３１は、第１の実施の形態と同様に、偏向電磁石１３Ｂの出口側において中心軌道５０から垂直方向に離れた位置に設置されている。偏向電磁石１３Ｂの出口側端部における磁極面（段差３４ａ，３４ｂ）と上下板２３Ｄａ，２３Ｄｂとで形成された間隙には絶縁体（例えば厚さ５ｍｍの繊維強化プラスチック板）で構成された補強板２９ａ，２９ｂ（第２の絶縁補強部材）が設置されており、補強板２９ａ，２９ｂと上下板２３Ｄａ，２３Ｄｂは接着剤２６により接着されている。
【００３７】
真空ダクト２０Ｄ（図１０に示す）の内部を真空状態にすると偏向ダクト部２２Ｄを構成する上下板２３Ｄａ，２３Ｄｂ及び側面（図示せず）には大気圧による力が加わる。本実施の形態では、偏向電磁石１３Ｂ内で上下板２３Ｄａ，２３Ｄｂ（出口側端部を除く）が上下の磁極面３３Ｂａ，３３Ｂｂに面で接着固定されているため、第１の実施の形態と同様に偏向ダクト部２２Ｄの変形が抑制される。なお、偏向電磁石１３Ｂの出口側端部では磁極３２Ｂａ，３２Ｂｂに段差３４ａ，３４ｂが設けられているため上下板２３Ｄａ，２３Ｄｂを磁極３２Ｂａ，３２Ｂｂに接着することはできないが、この領域では、補強板２９ａ，２９ｂを支持構造として偏向ダクト部２２Ｄの変形が抑制される。
【００３８】
第１の実施の形態に係るシンクロトロン４（図１に示す）では、周回ビームを高いエネルギー（例えば、陽子線治療システム用のシンクロトロンの場合で２２０ＭｅＶの陽子ビーム）まで加速するために偏向電磁石１３を高磁場まで励磁すると、磁極３２ａ，３２ｂ（図４に示す）の出口側端部における磁束の飽和により、偏向磁場強度の空間的な分布が低磁場領域（例えば１Ｔ以下）における分布から変化する。偏向磁場の空間的な分布の変化に伴い周回ビームのチューンが変化するため、周回ビームを安定に加速するには偏向磁場分布の変化に伴い四極電磁石１４（図１に示す）の励磁量をチューンが一定となるよう変化させる必要があり、シンクロトロン４の運転制御が複雑になるという課題がある。
【００３９】
これに対して、本実施の形態に係るシンクロトロン４Ｂでは、偏向電磁石１３Ｂの出口側端部において磁極３２Ｂａ，３２Ｂｂにテーパー状の段差３４ａ，３４ｂを設けているため、高磁場領域における偏向磁場強度の空間的な分布の変化が抑制される。これにより、本実施の形態では偏向電磁石１３Ｂを高磁場まで励磁する必要のある周回ビームのエネルギー領域において周回ビームのチューンを一定に保つための四極電磁石１４（図１に示す）の制御が単純になり、ビームを高いエネルギーまで加速する際のシンクロトロン４Ｂの運転制御が容易となる。なお、上記においては、偏向電磁石１３Ｂの出口側端部における偏向電磁石１３Ｂおよび偏向ダクト部２２Ｄの構成についてのみ説明したが、偏向電磁石１３Ｂの入口側端部も出口側端部と同様の構成を備えており、本実施の形態の効果は入口側端部と出口側端部の両方の構成により得られるものである。
【００４０】
〜第３の実施の形態の変形例〜
本実施の形態の変形例について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施の形態の変形例に係る偏向電磁石を垂直方向から見た平面図である。本実施の形態に係るシンクロトロン４Ｂは、図１０に示すように両端面がビーム進行方向に垂直な偏向電磁石１３Ｂを備えた構成であるが、図１２に示すように両端面がエッジ角を持つ偏向電磁石１３Ｃを備えた構成としても良い。この場合、端部構造４０の偏向電磁石１３Ｃ側の端部を進行方向に垂直な形状としたまま、補強板２９Ａａ，２９Ａｂの偏向電磁石１３Ｃ側の端部を偏向電磁石３Ｂの端面１３Ｃａに平行となるよう形成することで、偏向ダクト部２２Ｅと直線ダクト部２１との接続が可能となる。また、補強板２９Ａａ，２９Ａｂの偏向電磁石１３Ｃ側の端部を偏向電磁石１３Ｃの端面１３Ｃａと平行に形成することにより、端部構造４０を偏向電磁石１３Ｃの端面１３Ｃａと平行に形成する必要がなくなるため、シンクロトロン４Ｂの製作が容易となる。一方、補強板２９Ａａ，２９Ａｂの両端部を偏向電磁石１３Ｃの端面１３Ｃａに平行な形状とし、端部構造４０の偏向電磁石１３Ｃ側の端部を、第１の実施の形態に係る端部構造４０Ａ（図５に示す）と同様、偏向電磁石１３Ｃの出口側端面１３Ｃａに平行な形状とすることで、偏向ダクト部２２Ｅと直線ダクト部２１とを接続することも可能である。
【００４１】
〜第３の実施の形態の他の変形例〜
本実施の形態の他の変形例について、図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、本実施の形態の他の変形例に係る偏向電磁石を垂直方向から見た平面図である。図１４は、偏向電磁石１３Ｂの出口側端部における、偏向電磁石１３Ｂおよび偏向電磁石１３Ｂ内を通過する偏向ダクト部２２Ｆのビーム進行方向（図１３のＢ１−Ｂ１線）に沿った断面図である。本実施の形態では、図１０に示すように端部構造４０を偏向電磁石１３Ｂの端部の直近に配置し、図１１に示すようにコイル３１が端部構造４０を避けるために偏向電磁石１３Ｂの入口側（出口側）において中心軌道５０から垂直方向に離れて設置される構成としたが、図１３に示すように端部構造４０を偏向電磁石１３Ｂの端部から離れた位置に配置し、図１４に示すように偏向電磁石１３Ｂの端部におけるコイル３１の垂直方向の位置を偏向電磁石１３Ｂ内における位置（図中、点線で示す）と同様とする構成としても良い。この場合、補強板２９Ｂａ，２９Ｂｂを、偏向電磁石１３Ｂの端部から離して配置された端部構造４０の近傍まで延長した形状とすることにより、偏向ダクト部２２Ｆの大気圧による変形を抑制できる。
【００４２】
＜その他の変形例＞
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が可能である。例えば、上記の実施の形態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るが、本発明は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、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態における構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態における構成に他の実施の形態における構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における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。
【符号の説明】
【００４３】
１  粒子線治療システム
２  入射器
３  低エネルギービーム輸送系
４  シンクロトロン
５  高エネルギービーム輸送系
６  照射システム
１１  入射用インフレクタ
１３  偏向電磁石
１３ａ  端面
１４  四極電磁石
１５  高周波加速空胴
１６  取り出し用デフレクタ
２０  真空ダクト
２１  直線ダクト部
２２  偏向ダクト部
２３ａ，２３ｂ  上下板
２４ａ，２４ｂ  側板
２５，２６，２８  接着剤
２７ａ，２７ｂ  補強板
２９ａ，２９ｂ  補強板
３０  鉄心
３１  コイル
３２ａ，３２ｂ  磁極
３３ａ，３３ｂ  磁極面
３４ａ，３４ｂ  段差
４０  端部構造
５０  中心軌道
５１ａ，５１ｂ  偏向ダクト部の内壁面
５２，５３  ダクト渦電流
【図１】
2015050047.tif 000003
【図２】
2015050047.tif 000004
【図３】
2015050047.tif 000005
【図４】
2015050047.tif 000006
【図５】
2015050047.tif 000007
【図６】
2015050047.tif 000008
【図７】
2015050047.tif 000009
【図８】
2015050047.tif 000010
【図９】
2015050047.tif 000011
【図１０】
2015050047.tif 000012
【図１１】
2015050047.tif 000013
【図１２】
2015050047.tif 000014
【図１３】
2015050047.tif 000015
【図１４】
2015050047.tif 000016