(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の超電導電磁石と前記第１の超電導電磁石に隣接して配置された第２の超電導電磁石とを含む超電導電磁石群を備えた超電導電磁石装置であって、
前記第１の超電導電磁石の、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた第１の有効磁場領域を生成するよう構成されており、ここでＸ軸とＺ軸の両方に直交する軸をＹ軸とし、
前記第２の超電導電磁石の、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた第２の有効磁場領域を生成するよう構成されており、
前記第１の超電導電磁石の磁場の向きと前記第２の超電導電磁石の磁場の向きは同じであり、
前記第１の有効磁場領域と前記第２の有効磁場領域は隣接して配置され、前記第２の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値は、前記第１の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値よりも大きく、
（i）前記第１の有効磁場領域について、ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記第１の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記第１の有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θでアイソセンターに照射され、
前記第１の有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ２は、前記アイソセンターから等距離ｒ１の位置にあり、
前記第１の有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ１と前記点Ｐ２は、半径ｒ２及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ１との間の距離Ｒは、前記偏向起点Ｑと前記アイソセンターとの間の距離をＬとすると、関係式（４）：
【数１】
0006734610.tif 000010
を満たし、
（ii）前記第２の有効磁場領域について、ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記第２の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記第２の有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θで前記アイソセンターに照射され、
前記第２の有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ４は、前記アイソセンターから等距離ｒ１の位置にあり、
前記第２の有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ３と前記点Ｐ４は、半径ｒ３及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ３との間の距離Ｒは、関係式（４ａ）：
【数２】
0006734610.tif 000011
を満たす、前記超電導電磁石装置。
【請求項２】
前記第１の有効磁場領域のうち最も前記第２の有効磁場領域側に位置する前記点Ｐ１と前記偏向起点Ｑとの偏向角φをφｍａｘとし、偏向角φｍａｘで前記第１の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームの前記アイソセンターへの照射角θをθｍａｘとすると、
前記第２の有効磁場領域は、ＸＹ面において、前記第１の有効磁場領域に対してＸ軸に対する角度Ψ＝（θｍａｘ-φｍａｘ）／２だけ傾斜させて、前記第１の有効磁場領域に隣接して配置されている、請求項１に記載の超電導電磁石装置。
【請求項３】
前記第１の超電導電磁石のインダクタンスと前記第２の超電導電磁石のインダクタンスは等しい、請求項１又は２に記載の超電導電磁石装置。
【請求項４】
前記第１の超電導電磁石の超電導コイル内部又は前記第２の超電導電磁石の超電導コイル内部に磁極が組み込まれている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
【請求項５】
前記第２の有効磁場領域は、前記第１の有効磁場領域と一部重畳している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
【請求項６】
前記超電導電磁石群は、前記第２の超電導電磁石に隣接して配置された第３の超電導電磁石をさらに備え、
前記第３の超電導電磁石の、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた第３の有効磁場領域を生成するよう構成されており、
前記第２の超電導電磁石の磁場の向きと前記第３の超電導電磁石の磁場の向きは同じであり、
前記第２の有効磁場領域と前記第３の有効磁場領域は隣接して配置され、前記第３の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値は、前記第２の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値よりも大きく、
（iii）前記第３の有効磁場領域について、ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記第３の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記第３の有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θでアイソセンターに照射され、
前記第３の有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ６は、前記アイソセンターから等距離ｒ１の位置にあり、
前記第３の有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ５と前記点Ｐ６は、半径ｒ４及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ５との間の距離Ｒは、関係式（４ｂ）：
【数３】
0006734610.tif 000012
を満たし、
前記第２の有効磁場領域は、前記第１の有効磁場領域及び前記第３の有効磁場領域と一部重畳している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の超電導電磁石に電流を供給し励磁するための２つ以上の電源と、
前記照射角θに応じて、前記電源からの電流の供給を、前記第１及び第２の超電導電磁石との間で切り替える切替器と
をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置を備えた荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項９】
加速器からの荷電粒子ビームを、前記偏向起点Ｑにて１０度以上の偏向角φで偏向する振分電磁石とをさらに備えた請求項８に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導電磁石装置及び荷電粒子ビーム照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高エネルギーに加速された荷電粒子ビームを癌などの悪性腫瘍に照射し、悪性腫瘍を治療する粒子線治療が行われている。
【０００３】
特許文献１に記載の粒子線照射装置では、照射標的に対して連続的に照射角度を選択できる一方で、巨大な照射装置を回転させるための回転ガントリーが必要となる（特許文献１）。特許文献２には、回転ガントリーを使用せずに、任意の角度から荷電粒子ビームを標的に照射する荷電粒子ビーム照射装置が開示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５０５７５７号公報
【特許文献２】特許第６３８７４７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超電導電磁石により荷電粒子ビームを偏向しアイソセンターに連続的な照射角θにて収束させる場合、荷電粒子ビームが通過する範囲に一様の磁場を発生させる必要があり、通常の超電導電磁石装置よりも蓄積エネルギー（＝ＬＩ２／２：Ｌはインダクタンス、Ｉは電流）が大きくなる。蓄積エネルギーの大きい超電導電磁石は磁場を発生させる際の電圧が高くなるため、一般的には電流を上げて電圧を許容できる範囲まで下げる設計を行う必要がある。しかしながら、超電導冷却熱負荷の関係上、電流を上げることにも限界があり、電圧を下げることにも限界がある。
【０００６】
比較的大きな蓄積エネルギーを有する超電導電磁石がクエンチ（超電導特性の消失）を発生させてしまうと、超電導電磁石の超電導コイルに電気抵抗が生じる。そこにコイル電流が流れると、局所的な温度上昇が生じ、結果、超電導コイルが破損するおそれがある。このように超電導電磁石ではクエンチ対策が必要である。クエンチ対策として例えば超電導コイルに並列に接続された保護抵抗を用いる。この場合は、クエンチ時に発生するクエンチ電圧（＝保護抵抗×蓄積されたクエンチ前の電流）は、超電導コイルのダンプ時定数Ｌ／Ｒ（Ｒは保護抵抗である。ダンプ時定数は電流を消費する時間である。）と蓄積エネルギー（ＬＩ２／２）で決まる。
【０００７】
一様な高磁場を発生させる超電導電磁石では、高磁場に相当する磁束をその空間に閉じ込めておく必要があるため、蓄積エネルギーが大きくなる。蓄積エネルギーが大きくなると超電導コイル端子間の電圧やクエンチ時に発生するクエンチ電圧も大きくなるため、蓄積エネルギーは可能な限り小さくする必要がある。また、蓄積エネルギーが大きい超電導電磁石では、超電導コイルから発生する漏れ磁場も大きくなる。
【０００８】
そこで本発明は、アイソセンターに対し連続的な照射角θにて荷電粒子ビームの照射を可能とするとともに、従来のものに比べ、超電導電磁石の蓄積エネルギーを低減する超電導電磁石装置及びそれを備えた荷電粒子ビーム照射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】
本発明には以下の態様〔１〕〜〔８〕が含まれる。
〔態様１〕
第１の超電導電磁石と前記第１の超電導電磁石に隣接して配置された第２の超電導電磁石とを含む超電導電磁石群を備えた超電導電磁石装置であって、
前記第１の超電導電磁石の、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた第１の有効磁場領域を生成するよう構成されており、ここでＸ軸とＺ軸の両方に直交する軸をＹ軸とし、
前記第２の超電導電磁石の、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた第２の有効磁場領域を生成するよう構成されており、
前記第１の超電導電磁石の磁場の向きと前記第２の超電導電磁石の磁場の向きは同じであり、
前記第１の有効磁場領域と前記第２の有効磁場領域は隣接して配置され、前記第２の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値は、前記第１の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値よりも大きく、
（i）前記第１の有効磁場領域について、ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記第１の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記第１の有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θでアイソセンターに照射され、
前記第１の有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ２は、前記アイソセンターから等距離ｒ１の位置にあり、
前記第１の有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ１と前記点Ｐ２は、半径ｒ２及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ１との間の距離Ｒは、前記偏向起点Ｑと前記アイソセンターとの間の距離をＬとすると、関係式（４）：
【数１】
0006734610.tif 000002
を満たし、
（ii）前記第２の有効磁場領域について、ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記第２の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記第２の有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θで前記アイソセンターに照射され、
前記第２の有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ４は、前記アイソセンターから等距離ｒ１の位置にあり、
前記第２の有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ３と前記点Ｐ４は、半径ｒ３及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ３との間の距離Ｒは、関係式（４ａ）：
【数２】
0006734610.tif 000003
を満たす、前記超電導電磁石装置。
〔態様２〕
前記第１の有効磁場領域のうち最も前記第２の有効磁場領域側に位置する前記点Ｐ１と前記偏向起点Ｑとの偏向角φをφｍａｘとし、偏向角φｍａｘで前記第１の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームの前記アイソセンターへの照射角θをθｍａｘとすると、
前記第２の有効磁場領域は、ＸＹ面において、前記第１の有効磁場領域に対してＸ軸に対する角度Ψ＝（θｍａｘ-φｍａｘ）／２だけ傾斜させて、前記第１の有効磁場領域に隣接して配置されている、態様１に記載の超電導電磁石装置。
〔態様３〕
前記第１の超電導電磁石のインダクタンスと前記第２の超電導電磁石のインダクタンスは等しい、態様１又は２に記載の超電導電磁石装置。
〔態様４〕
前記第１の超電導電磁石の超電導コイル内部又は前記第２の超電導電磁石の超電導コイル内部に磁極が組み込まれている、態様１〜３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
〔態様５〕
前記第２の有効磁場領域は、前記第１の有効磁場領域と一部重畳している、態様１〜４のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
〔態様６〕
前記超電導電磁石群は、前記第２の超電導電磁石に隣接して配置された第３の超電導電磁石をさらに備え、
前記第３の超電導電磁石の、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた第３の有効磁場領域を生成するよう構成されており、
前記第２の超電導電磁石の磁場の向きと前記第３の超電導電磁石の磁場の向きは同じであり、
前記第２の有効磁場領域と前記第３の有効磁場領域は隣接して配置され、前記第３の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値は、前記第２の有効磁場領域のＹ軸位置の絶対値よりも大きく、
（iii）前記第３の有効磁場領域について、ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記第３の有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記第３の有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θでアイソセンターに照射され、
前記第３の有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ６は、前記アイソセンターから等距離ｒ１の位置にあり、
前記第３の有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ５と前記点Ｐ６は、半径ｒ４及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ５との間の距離Ｒは、関係式（４ｂ）：
【数３】
0006734610.tif 000004
を満たし、
前記第２の有効磁場領域は、前記第１の有効磁場領域及び前記第３の有効磁場領域と一部重畳している、態様１〜４のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
〔態様７〕
前記第１及び第２の超電導電磁石に電流を供給し励磁するための２つ以上の電源と、
前記照射角θに応じて、前記電源からの電流の供給を、前記第１及び第２の超電導電磁石との間で切り替える切替器と
をさらに備える、態様１〜６のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
〔態様８〕
態様１〜７のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置を備えた荷電粒子ビーム照射装置。
〔態様９〕
加速器からの荷電粒子ビームを、前記偏向起点Ｑにて１０度以上の偏向角φで偏向する振分電磁石とをさらに備えた態様８に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る超電導電磁石装置により、アイソセンターに対し連続的な照射角θにて荷電粒子ビームの照射を可能とするとともに、従来の単一の超電導電磁石を用いた超電導電磁石装置に比べて蓄積エネルギーを低減でき、その結果クエンチ電圧及び漏れ磁場の影響も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。
【図２】超電導電磁石装置の概略構成図である。
【図３】超電導電磁石装置の概略構成断面図である。
【図４】有効磁場領域の形成を説明するための図である。
【図５】超電導電磁石の傾斜配置を説明するための図である。
【図６】同じインダクタンスを有する超電導電磁石を説明するための図である。
【図７】電源及び切替器と超電導電磁石のブロック図である。
【図８】電源及び切替器と超電導電磁石のブロック図である。
【図９】磁束密度と有効磁場領域との関係を示す図である。
【図１０】超電導電磁石装置の概略構成断面図である。
【図１１】従来技術の超電導電磁石装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導電磁石装置１００を備えた荷電粒子ビーム照射装置１０の概略構成図である。荷電粒子ビーム照射装置１０は、超電導電磁石装置１００を備える。荷電粒子ビーム照射装置１０は、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、及び照射ノズル４０をさらに備えていてもよい。照射ノズル４０は、患者を載せる治療台が備わった治療室内に配置される。
【００１３】
超電導電磁石装置１００の超電導電磁石群１１０、１２０はクライオスタット１０５に内包される。クライオスタット１０５内は極低温に保たれる。荷電粒子ビームが通過する超電導電磁石装置１００の超電導状態を維持しつつ、有効磁場領域をできるだけ真空に保つようにしてもよい。クライオスタット１０５に用いる冷媒は、例えばヘリウム気体、液体ヘリウム、又は液体窒素などである。
【００１４】
加速器２０は、荷電粒子ビームを生成する装置であり、例えばシンクロトロン、サイクロトロン、又は線形加速器である。加速器２０で生成された荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム輸送系３０を通じて超電導電磁石装置１００に導かれる。
【００１５】
荷電粒子ビーム輸送系３０には、１つ又は複数の荷電粒子ビーム調整手段３１、真空ダクト３２、振分電磁石３３、及び扇型真空ダクト３４などが含まれる。加速器２０、荷電粒子ビーム調整手段３１、及び振分電磁石３３は、真空ダクト３２で接続され、振分電磁石３３及び超電導電磁石装置１００は扇型真空ダクト３４で接続されている。ＸＹ面（図２参照）における扇型真空ダクト３４の形状を扇型状にすることで、１０度以上の偏向角φで偏向された荷電粒子ビームであっても前記真空ダクト内を通過でき、矩形状の真空ダクトと比べて小型化でき、設置スペースを低減できる。
【００１６】
荷電粒子ビームは、上流側の加速器２０で生成され、減衰を避ける又は低減するために真空ダクト３２、３４内を進み、荷電粒子ビーム調整手段３１による調整を受けながら下流側の超電導電磁石装置１００に導かれる。
【００１７】
荷電粒子ビーム調整手段３１には、荷電粒子ビームのビーム形状及び／又は線量を調整するためのビームスリット、荷電粒子ビームの進行方向を調整するための電磁石、荷電粒子ビームのビーム形状を調整するための四極電磁石、並びに、荷電粒子ビームのビーム位置を微調整するためのステアリング電磁石などが、仕様に応じて適宜含まれる。
【００１８】
荷電粒子ビームの振分電磁石３３からアイソセンターＯ（患者の患部）までの経路は、後述する照射角θに応じて異なる。このことから、荷電粒子ビームが受ける光学的要素も照射角θに応じて変わり、アイソセンターＯでの荷電粒子ビームのビーム形状が照射角θに応じて変わることがある。これに対しては、例えば、超電導電磁石装置１００よりも上流側に設けられた荷電粒子ビーム調整手段３１を照射角θごとに制御し、アイソセンターＯにおける荷電粒子ビームのビーム形状が適切になるように調整するようにしてもよい。
【００１９】
振分電磁石３３は、荷電粒子ビームを後述する偏向角φで連続的に偏向し、超電導電磁石装置１００へ荷電粒子ビームを出射するよう構成されている。超電導電磁石装置１００は、偏向各φに応じて、入射してくる荷電粒子ビームをアイソセンターＯへ向かう荷電粒子ビームの照射角θを連続的に変えるよう構成されている。
【００２０】
照射ノズル４０は、荷電粒子ビームを用いた治療等が行われる治療室内に位置し、ＸＹ面において超電導電磁石群１１０、１２０が生成する有効磁場領域の出射側の形状（境界形状）に沿うように連続的に移動する。該有効磁場領域の出射側からアイソセンターＯに向かう荷電粒子ビームは照射ノズル４０内を通過し、照射ノズル４０により荷電粒子ビームの進行方向などが微調整される。
【００２１】
照射ノズル４０は、走査電磁石、ビームモニタ、及びエネルギー変調手段を備える（いずれも不図示）。走査電磁石は、流れる電流量や電流の向きを調整することで、照射ノズル４０から出射する荷電粒子ビームの進行方向を微調整し、比較的狭い範囲内で荷電粒子ビームをスキャン（走査）可能にする。ビームモニタは、荷電粒子ビームを監視し、線量モニタやビームの位置及び平坦度を計測する。エネルギー変調手段は、荷電粒子ビームのエネルギーを調整して荷電粒子ビームの患者内に到達する深さを調整する。エネルギー変調手段は、例えば、レンジモジュレータ、散乱体、リッジフィルタ、患者コリメータ、患者ボーラス、アプリケータ、又はこれらの組み合わせである。
【００２２】
図２は、超電導電磁石装置１００の概略構成図である。図２において荷電粒子ビームの進行方向をＸ軸、超電導電磁石装置１００が生成する磁場の方向をＺ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向をＹ軸とする。超電導電磁石装置１００は、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する偏向角φの広い範囲から入射する荷電粒子ビームを、アイソセンターＯに収束させるよう構成されている。
【００２３】
なお、図２〜１０においては、照射ノズル４０は省略し、説明を簡単にするために、アイソセンターＯをＸＹＺ空間の原点とし、上流側（加速器側）をＸ軸の正の方向としている。また、偏向角φは、ＸＹ面において、振分電磁石３３の偏向起点Ｑにて偏向されるＸ軸に対する角度である。
【００２４】
偏向角φの範囲は、−９０度超〜＋９０度未満の範囲にあり、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角範囲とマイナス（−Ｙ軸方向）の偏向角範囲は異なっていてもよい（非対称）。例えば、プラス側の最大偏向角（φ＝φＭＡＸ）を１０度、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度、４５度、５０度、６０度、７０度、８０度、及び８５度のうちのいずれかとし、マイナス側の最大偏向角（φ＝−φＭＡＸ）を−１０度、−１５度、−２０度、−２５度、−３０度、−３５度、−４０度、−４５度、−５０度、−６０度、−７０度、−８０度、及び−８５度のうちのいずれかとしてもよい。
【００２５】
超電導電磁石装置１００は、１組以上の超電導電磁石群を備える。図２及び３に示すように、本実施形態の超電導電磁石装置１００は、超電導電磁石群１１０及び超電導電磁石群１２０の２組の超電導電磁石群を備えているが、１つ以上の超電導電磁石群を備えていればよい。
【００２６】
超電導電磁石群１１０は複数の超電導電磁石１１１〜１１３から構成され、超電導電磁石群１２０は複数の超電導電磁石１２１〜１２３から構成される。本実施形態では、各超電導電磁石群に含まれる超電導電磁石の数は３つであるが、これに限定されない。蓄積エネルギーの低減のためには、各超電導電磁石群に含まれる超電導電磁石の数は２つ以上であればよい。
【００２７】
超電導電磁石１１１〜１１３はそれぞれ、荷電粒子ビームの進行方向と荷電粒子ビームの偏向角φの広がり方向に直交する方向（図中Ｚ軸方向）を向いた複数の一様な磁場（有効磁場領域１３１〜１３３）を生成する。超電導電磁石１２１〜１２３はそれぞれ、荷電粒子ビームの進行方向と荷電粒子ビームの偏向角φの広がり方向に直交する方向（図中Ｚ軸方向）を向いた複数の一様な磁場（有効磁場領域１４１〜１４３）を生成する。有効磁場領域の形状及び磁束密度は、超電導コイル及び磁極の形状を調整し、流れる電流を調整することで調整可能である。
【００２８】
超電導電磁石群１１０の超電導電磁石１１１と超電導電磁石１１２は隣接して配置され、超電導電磁石１１２と超電導電磁石１１３は隣接して配置されている。超電導電磁石１１１〜１１３それぞれの、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対１１１ａ〜１１３ａはそれぞれ、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた有効磁場領域１３１〜１３３を生成するよう構成されている。有効磁場領域１３１は有効磁場領域１３２に隣接して配置され、有効磁場領域１３２は有効磁場領域１３３に隣接して配置されている。有効磁場領域１３２のＹ軸位置の絶対値は、有効磁場領域１３１のＹ軸位置の絶対値に比べ大きく、有効磁場領域１３３のＹ軸位置の絶対値は、有効磁場領域１３２のＹ軸位置の絶対値に比べ大きい。
【００２９】
同様に、超電導電磁石群１２０の超電導電磁石１２１と超電導電磁石１２２は隣接して配置され、超電導電磁石１２２と超電導電磁石１２３は隣接して配置されている。超電導電磁石１２１〜１２３それぞれの、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置された超電導コイル対１２１ａ〜１２３ａはそれぞれ、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた有効磁場領域１４１〜１４３を生成するよう構成されている。有効磁場領域１４１は有効磁場領域１４２に隣接して配置され、有効磁場領域１４２は有効磁場領域１４３に隣接して配置されている。有効磁場領域１４２のＹ軸位置の絶対値は、有効磁場領域１４１のＹ軸位置の絶対値に比べ大きく、有効磁場領域１４３のＹ軸位置の絶対値は、有効磁場領域１４２のＹ軸位置の絶対値に比べ大きい。
【００３０】
なお、荷電粒子ビームが通過する、対向する超電導コイル間の隙間は（Ｚ軸方向の距離）、ＸＹ面における荷電粒子ビームの広がり範囲に比べて十分に小さいため、荷電粒子ビームのＺ軸方向の広がりは考慮しない。また、図面上では説明のために、隣接する有効磁場領域間に目立った開きが存在するが、本実施形態ではこの開きによる影響は無視できる程度に小さいとする。
【００３１】
図３は、超電導電磁石装置１００のＡ−Ａ線断面図である。超電導電磁石装置１００は、２組の超電導電磁石群１１０、１２０を備え、超電導電磁石群１１０、１２０はそれぞれ、複数の超電導電磁石１１１〜１１３、１２１〜１２３から構成される。
【００３２】
超電導電磁石１１１は、対向する超電導コイル対１１１ａを備え、超電導コイル対１１１ａの内部には磁極（ポール）１１１ｂが組み込まれている。同様に、他の超電導電磁石１１２〜１１３、１２１〜１２３もそれぞれ、対向する超電導コイル対１１２ａ〜１１３ａ、１２１ａ〜１２３ａを備え、その内部には磁極（ポール）１１２ｂ〜１１３ｂ、１２１ｂ〜１２３ｂが組み込まれている。
【００３３】
なお、磁極（ポール）１１２ｂ〜１１３ｂ、１２１ｂ〜１２３ｂはそれぞれ、超電導コイル対１１２ａ〜１１３ｂ、１２１ａ〜１２３ａの磁場強度を上げるために使用されているが、磁極を用いない態様であってもよい。また、磁極は、複数の超電導コイル対１１２ａ〜１１３ｂ、１２１ａ〜１２３ａのうちの全てに用いている必要はなく、必要に応じて所望の超電導コイルだけに用いるようにしてもよい。例えば、有効磁場領域における荷電粒子ビームの円運動の必要な曲率半径に応じて磁極の有無を変えてもよい。
【００３４】
超電導電磁石装置１００に電源（不図示）が接続されており、電源から超電導電磁石１１１〜１１３、１２１〜１２３に電流（励磁電流）が供給されることで、有効磁場領域１３１〜１３３、１４１〜１４３が形成される。
【００３５】
なお、超電導電磁石群１１０中の超電導電磁石の数と、超電導電磁石群１２０中の超電導電磁石の数を異なるようにしてもよい。例えば、プラス（＋Ｙ軸方向）の超伝導電磁石群１１０の超電導電磁石数を３つとし、有効磁場領域１３１〜１３３を形成し、マイナス（−Ｙ軸方向）の超伝導電磁石群１２０の超電導電磁石数を２つとし、有効磁場領域１４１〜１４２を形成するようにしてもよい。また、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲とマイナス（−Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲が非対称であれば、それに応じて有効磁場領域を非対称に形成するとよい。これにより、使用されない有効磁場領域を削減でき、製造コストや消費電力を低減できる。
【００３６】
振分電磁石３３により偏向され、超電導電磁石装置１００の有効磁場領域１３１〜１３３、１４１〜１４３に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、プラスの最大偏向角（φ＝φＭＡＸ）からマイナスの最大偏向角（φ＝−φＭＡＸ）の範囲であり、プラスの最大偏向角φＭＡＸは、１０度以上９０度未満の角度であり、マイナスの最大偏向角−φＭＡＸは、−９０度超−１０度以下の角度である。偏向角φ及び後述する照射角θは、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する荷電粒子ビームの経路の角度である。
【００３７】
プラスの偏向角範囲（φ＝０超〜φＭＡＸ）で入射した荷電粒子ビームは、偏向角φに応じて、有効磁場領域１３１〜１３３のいずれかに入射する。有効磁場領域１３１〜１３３のいずれに荷電粒子ビームが入射しても、荷電粒子ビームが偏向され、アイソセンターＯに収束するように、有効磁場領域１３１〜１３３の形状及び磁束密度Ｂは設定される。また、有効磁場領域１４１〜１４３についても同様に、マイナスの偏向角範囲（φ＝０未満〜−φＭＡＸ）で入射した荷電粒子ビームは、偏向角φに応じて、有効磁場領域１４１〜１４３のいずれかに入射する。有効磁場領域１４１〜１４３のいずれに荷電粒子ビームが入射しても、荷電粒子ビームが偏向され、アイソセンターＯに収束するように、有効磁場領域１４１〜１４３の形状及び磁束密度Ｂは設定される。有効磁場領域１３１〜１３３と有効磁場領域１４１〜１４３の磁場の向きは互いに反対の方向である。
【００３８】
超電導電磁石装置１００に入射する荷電粒子ビームの偏向角φは、振分電磁石３３により制御される。振分電磁石３３は、加速器（不図示）から供給される荷電粒子ビームの進行方向（図中Ｘ軸）に直交する方向（図中Ｚ軸）を向いた磁場を生成し、通過する荷電粒子ビームを偏向する電磁石と、該磁場の強度及び向きを制御する制御部とを備える（不図示）。振分電磁石３３は、後述する電磁石制御部（不図示）が振分電磁石３３の磁場の強度及び向き（Ｚ軸方向）を制御することにより、ＸＹ面において荷電粒子ビームを偏向し、偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向した荷電粒子ビームを超電導電磁石装置１００に出射する。ここで、偏向起点ＱとアイソセンターＯはＸ軸上にある。
【００３９】
図４を参照して、超電導電磁石装置１００の各有効磁場領域１３１〜１３３、１４１〜１４３を形成するための計算式について説明する。なお、Ｚ軸方向への荷電粒子ビームの偏向は考慮しないので、ＸＹ面における各有効磁場領域１３１〜１３３、１４１〜１４３の形成について説明する。超電導電磁石装置１００の超電導電磁石群１１０の有効磁場領域１３１〜１３３について説明するが、超電導電磁石群１２０の有効磁場領域１４１〜１４３についても同様であるため説明は省略する。なお、本実施形態では、隣接する有効磁場領域間の隙間は有効磁場領域の面積に比べて十分に小さいため考慮しない。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、荷電粒子ビームの出射側Ｅにあたる有効磁場領域１３１〜１３３それぞれの境界は、アイソセンターＯから等距離ｒ１の位置にある範囲となるように決める。
【００４１】
荷電粒子ビームの入射側Ｉの有効磁場領域１３１〜１３３それぞれの境界は、後述する関係式（１）〜（５）に基づき、アイソセンターＯから所定の距離Ｌの位置にある仮想上の偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向して入射する荷電粒子ビームが、アイソセンターＯに収束するように決められる。ここで、仮想上の偏向起点Ｑは、振分電磁石３３の中心で荷電粒子ビームが偏向角φのキックを極短距離の間に受けると仮定した点である。
【００４２】
ＸＹ面における有効磁場領域１３１の形状について、偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームは、入射側Ｉの有効磁場領域１３１の境界上の任意の（いずれかの）点Ｐ１から入り、有効磁場領域１３１内で曲率半径ｒ２の円運動を行い（このときの中心角は（φ＋θ）となる。）、出射側Ｅの有効磁場領域１３１の境界上の点Ｐ２から出て、アイソセンターＯに向けて照射される。つまり、点Ｐ１と点Ｐ２とは半径ｒ２及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。有効磁場領域１３１に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、０超〜φｍａｘ１の範囲となる（φｍａｘ１＜φＭＡＸ）。
【００４３】
ＸＹ面においてアイソセンターＯを原点とするＸＹ座標系を想定する。出射側Ｅの点Ｐ２とアイソセンターＯとを結ぶ直線とＸ軸とがなす角度を照射角θとすると、入射側Ｉの点Ｐ１の座標（ｘ，ｙ）、偏向角φ、及び点Ｑと点Ｐ１との間の距離Ｒは、以下の関係式（１）〜（４）から求まる。
【数４】
0006734610.tif 000005
【００４４】
ここで、有効磁場領域１３１内には一様な磁束密度Ｂの磁場が生じており、荷電粒子ビームの運動量をｐ（およそ加速器に依存する）、電荷をｑとすると、磁場中で偏向される荷電粒子ビームの曲率半径ｒ２（円運動の半径）は、式（５）で表される。
【数５】
0006734610.tif 000006
【００４５】
上記式（１）〜（５）に基づき、超電導電磁石１１１の超電導コイル対１１１ａ及び磁極１１１ｂの形状及び配置を調整し、超電導電磁石１１１に流す電流を調整することで、有効磁場領域１３１の境界の形状を調整できる。
【００４６】
すなわち、出射側Ｅの有効磁場領域１３１の境界上の任意の点Ｐ２とアイソセンターＯとの間の距離が等距離ｒ１となるように境界を定め、有効磁場領域１３１の磁束密度Ｂを調整して式（５）からｒ２を決め、入射側Ｉの有効磁場領域１３１の境界上の点Ｐ１と偏向起点Ｑとの間の距離Ｒが式（４）の関係を有するように、入射側Ｉの有効磁場領域１３１の境界を定める。なお、偏向起点Ｑを通過する荷電粒子ビームが超電導電磁石装置１００による偏向を受けなくともアイソセンターＯに収束するように、偏向起点Ｑ、超電導電磁石装置１００、及びアイソセンターＯの配置を調整しておくと、装置構成をよりシンプルにできるため好ましい。
【００４７】
上記のようにして求まる超電導電磁石装置１００の超電導電磁石１１１の有効磁場領域１３１の境界は、荷電粒子ビームをアイソセンターＯに収束させるための理想的な形状である。なお実際には、この理想的な形状からのずれや磁場分布の不均一性があったとしても、超電導電磁石装置１００の励磁量（磁束密度Ｂ）を偏向角φごとに予め微調整し、その情報を電源装置（不図示）に記憶させておき、偏向角φと超電導電磁石装置１００の電流量とが連動するようにそれらを制御することで、荷電粒子ビームをアイソセンターＯに合わせて偏向させることができる。また、事前に磁場分布の不均一性を予測できる場合には、超電導コイル対１１１ａ及び磁極１１１ｂの形状及び配置を調整することで、荷電粒子ビームの軌道を微調整することも可能である。
【００４８】
超電導電磁石群１１０の超電導電磁石１１２の有効磁場領域１３２についても同様である。しかし、有効磁場領域１３２では発生する一様な磁場の磁束密度Ｂを調整することで（電流を調整）、有効磁場領域１３２内での荷電粒子ビームの曲率半径ｒ３（円運動の半径）を調整し、アイソセンターＯに荷電粒子ビームが収束するようにする。図４に示す態様では、曲率半径ｒ３はｒ２と異なり、ｒ３＞ｒ２である。なお、有効磁場領域の形状等によっては、ｒ３＝ｒ２やｒ３＜ｒ２となることもある。
【００４９】
すなわち、図４（ｂ）に示すように、ＸＹ面における有効磁場領域１３２の形状は、偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームが、入射側Ｉの有効磁場領域１３２の境界上の任意の（いずれかの）点Ｐ３から入り、有効磁場領域１３２内で曲率半径ｒ３の円運動を行い（中心角（φ＋θ））、出射側Ｅの有効磁場領域１３２の境界上の点Ｐ４から出て、アイソセンターＯに向けて照射される。つまり、点Ｐ３と点Ｐ４とは半径ｒ３及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。有効磁場領域１３２に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、φｍａｘ１〜φｍａｘ２の範囲となる（φｍａｘ１＜φｍａｘ２＜φＭＡＸ）。出射側Ｅの点Ｐ４とアイソセンターＯとを結ぶ直線とＸ軸とがなす角度を照射角θとすると、入射側Ｉの点Ｐ３の座標（ｘ，ｙ）、偏向角φ、及び点Ｑと点Ｐ３との間の距離Ｒは、上記式（１）〜（５）中の「ｒ２」を「ｒ３」で置き換えた以下の関係式（１ａ）〜（５ａ）から求まる。式（５ａ）中の「Ｂ」は、有効磁場領域１３２の磁束密度Ｂである。
【数６】
0006734610.tif 000007
【００５０】
上記式（１ａ）〜（５ａ）に基づき、超電導電磁石１１２の超電導コイル対１１２ａ及び磁極１１２ｂの形状及び配置を調整し、超電導電磁石１１２に流す電流を調整することで、有効磁場領域１３２の境界の形状を調整できる。すなわち、出射側Ｅの有効磁場領域１３２の境界上の任意の点Ｐ４とアイソセンターＯとの間の距離が等距離ｒ１となるように境界を定め、有効磁場領域１３２の磁束密度Ｂを調整して式（５ａ）からｒ３を決め、入射側Ｉの有効磁場領域１３２の境界上の点Ｐ３と偏向起点Ｑとの間の距離Ｒが式（４ａ）の関係を有するように、入射側Ｉの有効磁場領域１３２の境界を定める。
【００５１】
超電導電磁石群１１０の超電導電磁石１１３の有効磁場領域１３３についても同様である。しかし、有効磁場領域１３３では発生する一様な磁場の磁束密度Ｂを調整することで（電流を調整）、有効磁場領域１３３内での荷電粒子ビームの曲率半径ｒ４（円運動の半径）を調整し、アイソセンターＯに荷電粒子ビームが収束するようにする。図４に示す態様では、曲率半径ｒ４はｒ２やｒ３と異なり、ｒ４＞ｒ３＞ｒ２である。なお、有効磁場領域の形状によっては、ｒ４＝ｒ３＝ｒ２や、ｒ４＜ｒ３＜ｒ２等となることもある。
【００５２】
すなわち、図４（ｃ）に示すように、ＸＹ面における有効磁場領域１３３の形状は、偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームが、入射側Ｉの有効磁場領域１３３の境界上の任意の（いずれかの）点Ｐ５から入り、有効磁場領域１３３内で曲率半径ｒ４の円運動を行い（中心角（φ＋θ））、出射側Ｅの有効磁場領域１３３の境界上の点Ｐ６から出て、アイソセンターＯに向けて照射される。つまり、点Ｐ５と点Ｐ６とは半径ｒ４及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。有効磁場領域１３３に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、φｍａｘ２〜φＭＡＸの範囲となる。出射側Ｅの点Ｐ６とアイソセンターＯとを結ぶ直線とＸ軸とがなす角度を照射角θとすると、入射側Ｉの点Ｐ５の座標（ｘ，ｙ）、偏向角φ、及び点Ｑと点Ｐ５との間の距離Ｒは、上記式（１）〜（５）中の「ｒ２」を「ｒ４」で置き換えた以下の関係式（１ｂ）〜（５ｂ）から求まる。式（５ｂ）中の「Ｂ」は、有効磁場領域１３３の磁束密度Ｂである。
【数７】
0006734610.tif 000008
【００５３】
上記式（１ｂ）〜（５ｂ）に基づき、超電導電磁石１１３の超電導コイル対１１３ａ及び磁極１１３ｂの形状及び配置を調整し、超電導電磁石１１３に流す電流を調整することで、有効磁場領域１３３の境界の形状を調整できる。すなわち、出射側Ｅの有効磁場領域１３３の境界上の任意の点Ｐ６とアイソセンターＯとの間の距離が等距離ｒ１となるように境界を定め、有効磁場領域１３３の磁束密度Ｂを調整して式（５ｂ）からｒ４を決め、入射側Ｉの有効磁場領域１３３の境界上の点Ｐ５と偏向起点Ｑとの間の距離Ｒが式（４ｂ）の関係を有するように、入射側Ｉの有効磁場領域１３３の境界を定める。
【００５４】
超電導電磁石群１２０の超電導電磁石１２１〜１２３の有効磁場領域１４１〜１４３のＸＹ面における形状についても、有効磁場領域１３１〜１３３と同様であり、説明は省略する。
【００５５】
以上のように、ＸＹ面における超電導電磁石１１１〜１１３の有効磁場領域１３１〜１３３の形状を規定することで、偏向角φに応じた照射角θの照射角度で荷電粒子ビームをアイソセンターＯへ収束させることができる。
【００５６】
また、図１１に示す従来技術のように荷電粒子ビームをアイソセンターＯに収束させる有効磁場領域を単一の超電導電磁石により形成する場合に比べて、本実施形態に係る超電導電磁石群１１０、１２０を用いた場合には、蓄積エネルギーを低減できる。すなわち、超電導コイルの蓄積エネルギー（＝ＬＩ２／２）は超伝導コイルのインダクタンスＬ（＝ＢＳ／Ｉ）（Ｓは、磁束が交差する面積、すなわちＸＹ面における有するの面積である。）に比例するところ、超電導電磁石１１１〜１１３、１２１〜１２３それぞれの面積Ｓを従来の単一の超電導電磁石に比べて低減できる。そのため、各超電導電磁石１１１〜１１３、１２１〜１２３の蓄積エネルギーは、従来の単一の超電導電磁石に比べて低減できる。その結果、超電導コイル端子間の電圧やクエンチ時に発生するクエンチ電圧を低減でき、また超電導コイルから発生する漏れ磁場も低減できる。
【００５７】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態は、超電導電磁石群１１０中の各超電導電磁石１１１〜１１３が、ＸＹ面において、隣接する超電導コイルに対して傾けて配置される構成に関する。なお、Ｚ軸方向への傾きは考慮しない。また、超電導電磁石群１２０についても同様であるため説明を省略する。
【００５８】
図５（ａ）に示すように、ＸＹ面において、有効磁場領域１３２を構成する超電導電磁石１１２は、隣接する超電導電磁石１１１の有効磁場領域１３１の形状に合わせてＸ軸に対して角度Ψだけ傾けて配置される。すなわち、有効磁場領域１３２は、有効磁場領域１３１に対して角度Ψだけ傾斜させて、有効磁場領域１３１に隣接して配置されている。
【００５９】
例えば、有効磁場領域１３１のうち、最も有効磁場領域１３２側に位置する入射点Ｐ１と出射点Ｐ２とを通る直線（偏向角φ＝φｍａｘ１で有効磁場領域１３１に入射した荷電粒子ビームが通る経路の入射点Ｐ１と出射点Ｐ２とを繋ぐ直線）は、Ｘ軸に対して角度Ψ１だけ傾いている。Ψ１は、Ψ１＝（θ-φ）／２＝（θｍａｘ１-φｍａｘ１）／２である（φ＝φｍａｘ１のときのθをθｍａｘ１とする）。このように、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する角度Ψ１で超電導電磁石１１２を傾けて、超電導電磁石１１１に隣接して配置される。すなわち、有効磁場領域１３２は、有効磁場領域１３１に対して角度Ψ１だけ傾斜させて、有効磁場領域１３１に隣接して配置されている。
【００６０】
同様に、図５（ｂ）に示すように、ＸＹ面において、有効磁場領域１３３を構成する超電導電磁石１１３は、隣接する超電導電磁石１１２の有効磁場領域１３２の形状に合わせて、Ｘ軸に対する角度Ψだけ傾けて配置される。すなわち、有効磁場領域１３２のうち、最も有効磁場領域１３３側に位置する入射点Ｐ３と出射点Ｐ４とを通る直線（偏向角φ＝φｍａｘ２で有効磁場領域１３２に入射した荷電粒子ビームが通る経路の入射点Ｐ３と出射点Ｐ４とを繋ぐ直線）は、Ｘ軸に対して角度Ψ２だけ傾いている。Ψ２は、Ψ２＝（θ-φ）／２＝（θｍａｘ２-φｍａｘ２）／２で表される（φ＝φｍａｘ２のときのθをθｍａｘ２とする）。このように、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する角度Ψ２で超電導電磁石１１３を傾けて、超電導電磁石１１２に隣接して配置される。すなわち、有効磁場領域１３３は、有効磁場領域１３２に対して角度Ψ２だけ傾斜させて、有効磁場領域１３２に隣接して配置されている。
【００６１】
ＸＹ面において超電導電磁石１１１〜１１３、１２１〜１２３それぞれについて、隣接する超電導電磁石に対してＸ軸に対する角度Ψだけ傾けて配置することで、隣接する有効磁場領域間をシームレスに繋げることができる。なお、図面上では説明のために、隣接する有効磁場領域間に目立った開きが存在するが、本実施形態ではこの開きによる影響は無視できる程度に小さいとする。
【００６２】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態では、クライオスタット１０５に内包される超電導電磁石群１１０に含まれる超電導電磁石１１１〜１１５の数を５つとし、超電導電磁石１１１〜１１５それぞれのインダクタンスＬを等しくした態様に関する（図６）。なお、超電導電磁石群１２０についても同様であり説明は省略する。また、本実施形態では超電導電磁石の数は５つに限定されない。また、図６では有効磁場領域１３１〜１３５の面積が厳密には同じでないように見えるかもしれないが、それを意図したものではない。
【００６３】
本実施形態では、複数の超電導電磁石１１１〜１１５のそれぞれが、ＸＹ面において互いに等しい面積の有効磁場領域１３１〜１３５を有する。また、有効磁場領域１３１〜１３５それぞれの磁束密度Ｂも互いに等しく設定される。これにより、超電導電磁石群１１０の超電導電磁石１１１〜１１５それぞれのインダクタンスＬは互いに等しくなる。また、各有効磁場領域１３１〜１３５内では荷電粒子ビームは互いに同じ曲率半径の円運動を行い、アイソセンターＯに収束するように構成されている。
【００６４】
超電導電磁石１１１〜１１５のインダクタンスＬが揃うことにより、超電導電磁石１１１〜１１５に接続する電源からみたインピーダンスは互いに同等になり、超電導電磁石１１１〜１１５ごとの電源の調整は不要となり、電源の数を減らすことができる。本実施形態では、１つの電源１５０と１つの切替器１５１を用い、超電導電磁石１１１〜１１５それぞれに通電する構成とすることができる。
【００６５】
図７は、電源１５０、切替器１５１、超電導電磁石１１１〜１１５及び有効磁場領域１３１〜１３５のブロック図である。
【００６６】
アイソセンターＯへの照射角θに応じて、使用する超電導電磁石１１１〜１１５が選択され、切替器１５１により電源１５０からの電流の供給を切り替えることで、荷電粒子ビームが通過する有効磁場領域１３１〜１３５に効果的に電流を供給できる。例えば、荷電粒子ビームが有効磁場領域１３２に入射する場合には、電源１５０からの電流を切替器１５１で切り替え、有効磁場領域１３２を生じる超電導電磁石１１２だけを励磁し、他の超電導電磁石１１１、１１３〜１１５を励磁しないようにしてもよい。また、例えば、荷電粒子ビームが有効磁場領域１３４に入射する場合には、電源１５０からの電流を切替器１５１で切り替え、有効磁場領域１３４を生じる超電導電磁石１１４だけを励磁し、他の超電導電磁石１１１〜１１３、１１５を励磁しないようにしてもよい。このように選択的に超電導電磁石を励磁することで、不要な磁場の発生を抑え、エネルギー消費を低減し、クエンチや漏れ磁場の発生を低減できる。
【００６７】
本実施形態では、超電導電磁石群に含まれる各超電導電磁石の有効磁場領域の磁束密度ＢとＸＹ面における有効磁場領域の面積Ｓを互いに等しくし、インダクタンスＬを一定にすることで、超電導電磁石の電源の数や励磁する超電導電磁石の数を低減でき、電源管理が容易になる。
【００６８】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態では、第３実施形態と同様であるが、超電導電磁石を励磁するための２つの電源を用いる（図８）。本実施形態は、荷電粒子ビームが隣接する２つの有効磁場領域を通過して、アイソセンターＯに収束する構成に関する。
【００６９】
第３実施形態と同様に超電導電磁石群１１０に含まれる超電導電磁石１１１〜１１５それぞれのインダクタンスＬは等しいものであるが、本実施形態では、荷電粒子ビームをアイソセンターＯに収束させるために各有効磁場領域１３１〜１３５の磁束密度Ｂ及びＸＹ面における有効磁場領域１３１〜１３５の面積が互いに異なるように構成している。
【００７０】
すなわち、有効磁場領域１３１〜１３５それぞれの磁束密度をＢ１〜Ｂ５、ＸＹ面における面積をＳ１〜Ｓ５とすると、本実施形態では、電流値Ｉが各超電導電磁石１１１〜１１５で一定である場合、Ｌ＝Ｂ１Ｓ１＝Ｂ２Ｓ２＝Ｂ３Ｓ４＝Ｂ４Ｓ４＝Ｂ５Ｓ５となる。この関係を満たすように、有効磁場領域１３１〜１３５の面積Ｓ１〜Ｓ５が決定される。各超電導電磁石１１１〜１１５のインダクタンスは互いに等しいため、電源からみた場合のインピーダンスも等しくなる。その結果、電源は超電導電磁石１１１〜１１５ごとの調整は不要となり、電源管理が容易になる。
【００７１】
荷電粒子ビームが有効磁場領域１３２に入射後に有効磁場領域１３３に入った後、有効磁場領域１３２に戻り、アイソセンターＯに照射される場合、電源１５０ａは超電導電磁石１１２を励磁し、電源１５０ｂは超電導電磁石１１３を励磁する。その他の超電導電磁石１１１、１１４、１１５は励磁されないため、漏れ磁場の影響を低減できる。
【００７２】
アイソセンターＯへの照射角θに応じて切替器１５１により電流の供給が切り替えられるパターンである、超電導電磁石１１１〜１１５の励磁パターンの例Ｉ〜Ｖを表１に示す。
【表１】
0006734610.tif 000009
【００７３】
励磁パターンＩは、荷電粒子ビームが超電導電磁石１１４の有効磁場領域１３４及び／又は超電導電磁石１１５の有効磁場領域１３５を通過する場合であり（即ち、荷電粒子ビームが有効磁場領域１３４、１３５を通過する照射角θに応じて）、切替器１５１により、超電導電磁石１１４及び１１５がそれぞれ電源１５０ａ及び電源１５０ｂで励磁され、他の超電導電磁石１１１〜１１３は励磁されない。
励磁パターンＩＩは、荷電粒子ビームが超電導電磁石１１３の有効磁場領域１３３及び／又は超電導電磁石１１４の有効磁場領域１３４を通過する場合であり（即ち、荷電粒子ビームが有効磁場領域１３３、１３４を通過する照射角θに応じて）、超電導電磁石１１３及び１１４がそれぞれ電源１５０ｂ及び電源１５０ａで励磁され、他の超電導電磁石１１１、１１２、１１５は励磁されない。
励磁パターンＩＩＩは、荷電粒子ビームが超電導電磁石１１２の有効磁場領域１３２及び／又は超電導電磁石１１３の有効磁場領域１３３を通過する場合であり（即ち、荷電粒子ビームが有効磁場領域１３２、１３３を通過する照射角θに応じて）、超電導電磁石１１２及び１１３がそれぞれ電源１５０ａ及び電源１５０ｂで励磁され、他の超電導電磁石１１１、１１４、１１５は励磁されない。
励磁パターンＩＶは、荷電粒子ビームが超電導電磁石１１１の有効磁場領域１３１及び／又は超電導電磁石１１２の有効磁場領域１３２を通過する場合であり（即ち、荷電粒子ビームが有効磁場領域１３１、１３２を通過する照射角θに応じて）、超電導電磁石１１１及び１１２がそれぞれ電源１５０ｂ及び電源１５０ａで励磁され、他の超電導電磁石１１３〜１１５は励磁されない。
励磁パターンＶは、荷電粒子ビームが超電導電磁石１１１の有効磁場領域１３１のみを通過する場合であり（即ち、荷電粒子ビームが有効磁場領域１３１を通過する照射角θに応じて）、超電導電磁石１１１が電源１５０ａで励磁され、他の超電導電磁石１１２〜１１５は励磁されない。
【００７４】
このように、本実施形態では選択的に超電導電磁石を励磁することで、不要な磁場の発生を抑え、エネルギー消費を低減し、クエンチや漏れ磁場の発生を低減できる。また、超電導電磁石群に含まれる各超電導電磁石のインダクタンスが互いに等しくなるように設計することで、超電導電磁石への電源を単純化でき、用いる電源の数や励磁する超電導コイルの数を低減でき、電源管理が容易になる。
【００７５】
＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態では、超電導電磁石群１１０に含まれる３つの超電導電磁石１１１〜１１３が生成する有効磁場領域１３１〜１３３の隣接する有効磁場領域の間が比較的離れており、隣接する有効磁場領域間において磁場強度が低くなる影響が生じる場合に対処する構成に関する。なお、超電導電磁石群１１０中の超電導電磁石の数は３つに限られない。
【００７６】
図９は、超電導電磁石１１１〜１１３の有効磁場領域１３１〜１３３の磁束密度Ｂ（ＡＡ線における）との関係を示す説明図である。図９（ａ）では、隣接する有効磁場領域１３１及び１３２と隣接する有効磁場領域１３２及び１３３との間が比較的開いており、その間において磁束密度Ｂが比較的低くなっている状態を表す。
【００７７】
本実施形態では、図９（ｂ）に示すように、超電導電磁石１１２の有効磁場領域１３３ａが、隣接する有効磁場領域１３１及び１３３に一部重畳するように、超電導電磁石１１２の形状及び配置を調整する。なお、図９では超電導電磁石群１２０は省略しているが超電導電磁石群１１０と同様である。
【００７８】
図１０は、図９（ｂ）のＢＢ線断面図である。図１０に示すように、超電導電磁石１１２が超電導電磁石１１１、１１３からＺ方向にずれて配置され、有効磁場領域１３２ａが隣接する有効磁場領域１３１及び１３３と一部重畳するように構成される。超電導電磁石１２２についても同様に、超電導電磁石１２１、１２３からＺ方向にずれて配置され、有効磁場領域１４２ａが隣接する有効磁場領域１４１及び１４３と一部重畳するように構成される。
【００７９】
本実施形態に係る構成により、隣接する有効磁場領域間において磁場強度が低くなる問題が解消ないし低減される。
【００８０】
上記で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。説明に用いた特定の用語及び実施形態に限定されることは意図しておらず、当業者であれば、他の同等の構成要素を使用することができ、上記実施形態は、本発明の趣旨又は範囲から逸脱しない限り、他の変形及び変更も可能である。また、本発明の一つの実施形態に関連して説明した特徴を、たとえ明確に前述していなくても、他の形態とともに用いることも可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０  荷電粒子ビーム照射装置
２０  加速器
３０  荷電粒子ビーム輸送系
３１  荷電粒子ビーム調整手段
３２  真空ダクト
３３  振分電磁石
３４  扇型真空ダクト
１００  超電導電磁石装置
１０５  クライオスタット
１１１〜１１５、１２１〜１２５  超電導電磁石
１１１ａ〜１１３ａ、１２１ａ〜１２３ａ  超電導コイル
１１１ｂ〜１１３ｂ、１２１ｂ〜１２３ｂ  磁極
１３１〜１３３、１４１〜１４３  有効磁場領域
１５０、１５０ａ、１５０ｂ  電源
１５１  切替器
【要約】
【課題】
アイソセンターへ連続的な照射角θにて荷電粒子ビームを照射できるとともに、従来の単一の超電導電磁石を用いた超電導電磁石装置に比べて蓄積エネルギーを低減する超電導電磁石装置を提供する。
【解決手段】
本発明は、第１の超電導電磁石と前記第１の超電導電磁石に隣接して配置された第２の超電導電磁石とを含む超電導電磁石群を備えた超電導電磁石装置に関する。前記第１及び第２の超電導電磁石それぞれが生成する有効磁場領域は、所定の関係式を満たすように形成されている。
【選択図】図２【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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