(57)【要約】【課題】  支持部材におけるせん断応力に対する強度を向上させる。【解決手段】  超伝導電磁石１０は、真空容器１１と、真空容器１１の内部に配置された超伝導コイル１３と、真空容器１１の内部に配置され、超伝導コイル１３を支持する支持部材１５と、支持部材１５と接触し、真空容器１１に対して支持部材１５を接続する継手部材２０、及び、支持部材１５と接触し、超伝導コイル１３に対して支持部材１５を接続する継手部材２３の少なくとも一方と、を備え、接触部２１における厚さＴ２、及び／又は、接触部２４における厚さＴ３は、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
前記真空容器の内部に配置された超伝導コイルと、
前記真空容器の内部に配置され、前記超伝導コイルを支持する支持部材と、
前記支持部材と接触し、前記真空容器に対して前記支持部材を接続する第一接続部、及び、前記支持部材と接触し、前記超伝導コイルに対して前記支持部材を接続する第二接続部の少なくとも一方と、を備え、
前記第一接続部の少なくとも前記超伝導コイルの中心軸線が延在する第一方向で前記真空容器とは反対側の端部側における前記第一方向に直交する第二方向での厚さ、及び／又は、前記第二接続部の少なくとも前記第一方向で前記超伝導コイルとは反対側の端部側における前記第二方向での厚さは、前記支持部材における前記第二方向での厚さよりも小さい、超伝導電磁石。
【請求項２】
前記支持部材の所定の力に対する歪みと、前記第一接続部の少なくとも前記端部側における前記所定の力に対する歪み、及び／又は、前記第二接続部の少なくとも前記端部側における前記所定の力に対する歪みとは、略等しい、請求項１に記載の超伝導電磁石。
【請求項３】
前記支持部材の厚さに対する前記第一接続部の少なくとも前記端部側における前記第二方向での厚さの比は、前記第一接続部のヤング率に対する前記支持部材のヤング率の比であり、且つ／又は、
前記支持部材の厚さに対する前記第二接続部の少なくとも前記端部側における前記第二方向での厚さの比は、前記第二接続部のヤング率に対する前記支持部材のヤング率の比である、請求項１又は２に記載の超伝導電磁石。
【請求項４】
前記第一接続部において、前記第一方向で前記端部側よりも前記真空容器に近い側における前記第二方向での厚さは、前記端部側における前記第二方向での厚さよりも大きく、且つ／又は、
前記第二接続部において、前記第一方向で前記端部側よりも前記超伝導コイルに近い側における前記第二方向での厚さは、前記端部側における前記第二方向での厚さよりも大きい、請求項１〜３の何れか一項に記載の超伝導電磁石。
【請求項５】
前記第一接続部及び第二接続部の少なくとも一方は、金属製であり、
前記支持部材は、金属よりも低熱伝導率の材料によって形成されている、請求項１〜４の何れか一項に記載の超伝導電磁石。
【請求項６】
前記金属は、ステンレス鋼であり、
前記低熱伝導率の材料は、繊維強化プラスチックである、請求項５に記載の超伝導電磁石。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の超伝導電磁石を備える超伝導サイクロトロン。
【請求項８】
請求項７に記載の超伝導サイクロトロンを備える荷電粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導電磁石、超伝導サイクロトロン、及び荷電粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に記載されているように、超伝導サイクロトロン等に適用される超伝導電磁石は、真空容器と、当該真空容器内に配置された超伝導コイルとを備えている。超伝導コイルは、荷重支持体によって支持されている。荷重支持体は、支持部材と、支持部材の上端側及び下端側のそれぞれに接続された継手部材とを有している。支持部材は、上端側の継手部材を介して真空容器の内面と接続されていると共に、下端側の継手部材を介して超電導コイルと接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−８６４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような超伝導電磁石において、荷重支持体における支持部材と継手部材とを同じ一つの材料によって一体形成すると、コストが高くなる等の問題がある。そこで、従来、支持部材と継手部材とは互いに異なる材料によって形成されている。しかし、この場合、支持部材と継手部材との間において生じるせん断応力が局所的に大きくなり、その結果、せん断応力が局所的に大きくなった箇所を起点としてせん断破壊が生じてしまう可能性がある。このようなせん断破壊が生じると、支持部材が破損し、超電導コイルを支持できなくなるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、支持部材におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる超伝導電磁石、超伝導サイクロトロン、及び荷電粒子線治療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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る超伝導電磁石は、真空容器と、真空容器の内部に配置された超伝導コイルと、真空容器の内部に配置され、超伝導コイルを支持する支持部材と、支持部材と接触し、真空容器に対して支持部材を接続する第一接続部、及び、支持部材と接触し、超伝導コイルに対して支持部材を接続する第二接続部の少なくとも一方と、を備え、第一接続部の少なくとも超伝導コイルの中心軸線が延在する第一方向で真空容器とは反対側の端部側における第一方向に直交する第二方向での厚さ、及び／又は、第二接続部の少なくとも第一方向で超伝導コイルとは反対側の端部側における第二方向での厚さは、支持部材における第二方向での厚さよりも小さい。
【０００７】
本発明に係る超伝導電磁石では、第一接続部の少なくとも端部側における第二方向での厚さ、及び／又は、第二接続部の少なくとも端部側における第二方向での厚さは、支持部材の第二方向での厚さよりも小さい。例えば支持部材は第一接続部に比べてヤング率が低い材料で形成されているが、第一接続部の少なくとも端部側における第二方向での厚さが支持部材の第二方向での厚さよりも小さいことにより、支持部材と第一接続部の少なくとも端部側との間で歪みの差を小さくすることができる。また、例えば支持部材は第二接続部に比べてヤング率が低い材料で形成されているが、第二接続部の少なくとも端部側における第二方向での厚さが支持部材の第二方向での厚さよりも小さいことにより、支持部材と第二接続部の少なくとも端部側との間で歪みの差を小さくすることができる。従って、支持部材と第一接続部の端部側及び第二接続部の端部側の少なくとも一方との間においてせん断応力が局所的に大きくなるのを抑制し、その結果、せん断応力が局所的に大きくなった箇所を起点としてせん断破壊が生じる可能性を抑制することができる。以上より、支持部材におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【０００８】
本発明に係る超伝導電磁石において、支持部材の所定の力に対する歪みと、第一接続部の少なくとも端部側における所定の力に対する歪み、及び／又は、第二接続部の少なくとも端部側における所定の力に対する歪みとは、略等しくてもよい。この場合、支持部材と第一接続部の端部側との歪みが略等しく、且つ／又は、支持部材と第二接続部の端部側との歪みが略等しい。よって、支持部材と第一接続部の端部側及び第二接続部の端部側の少なくとも一方との間において生じるせん断応力を略均等にすることができる。その結果、せん断応力が局所的に大きくなることを起因としてせん断破壊が生じる可能性を抑制することができる。以上より、支持部材におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【０００９】
本発明に係る超伝導電磁石において、支持部材の厚さに対する第一接続部の少なくとも端部側における第二方向での厚さの比は、第一接続部のヤング率に対する支持部材のヤング率の比であり、且つ／又は、支持部材の厚さに対する第二接続部の少なくとも端部側における第二方向での厚さの比は、第二接続部のヤング率に対する支持部材のヤング率の比であってもよい。この場合、支持部材と第一接続部の端部側との剛性が略等しくなり、支持部材と第一接続部の端部側との間で所定の力に対する歪みを容易に略等しくすることができる。また、支持部材と第二接続部の端部側との剛性が略等しくなり、支持部材と第二接続部の端部側との間で所定の力に対する歪みを容易に略等しくすることができる。したがって、支持部材と第一接続部の端部側及び第二接続部の端部側の少なくとも一方との間において生じるせん断応力を略均等にすることができる。その結果、せん断応力が局所的に大きくなることを起因としてせん断破壊が生じる可能性を抑制することができる。以上より、支持部材におけるせん断応力に対する強度を容易に向上させることができる。
【００１０】
本発明に係る超伝導電磁石において、第一接続部において、第一方向で端部側よりも真空容器に近い側における第二方向での厚さは、端部側における第二方向での厚さよりも大きく、且つ／又は、第二接続部において、第一方向で端部側よりも超伝導コイルに近い側における第二方向での厚さは、端部側における第二方向での厚さよりも大きくてもよい。この場合、第一接続部において、真空容器に近い側における第二方向での厚さが端部側における第二方向での厚さよりも大きいことにより、第一接続部による真空容器に対する接続強度を向上させることができる。また、第二接続部において、超伝導コイルに近い側における第二方向での厚さが端部側における厚さよりも大きいことにより、第二接続部による超伝導コイルに対する接続強度を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係る超伝導電磁石において、第一接続部及び第二接続部の少なくとも一方は、金属製であり、支持部材は、金属よりも低熱伝導率の材料によって形成されていてもよい。この場合、金属製の第一接続部及び第二接続部の少なくとも一方により、真空容器及び超伝導コイルの少なくとも一方に対して支持部材を高い強度で接続することができる。また、金属よりも低熱伝導率の材料によって形成された支持部材により、真空容器内を断熱しつつ超伝導コイルを適切に支持することができる。
【００１２】
本発明に係る超伝導電磁石において、金属は、ステンレス鋼であり、低熱伝導率の材料は、繊維強化プラスチックであってもよい。この場合、ステンレス鋼製の接続部により、真空容器内に形成される磁場等に影響を与えることなく、真空容器又は超伝導コイルに対して支持部材を高い強度で接続することができる。また、繊維強化プラスチックによって形成された支持部材により、真空容器内の断熱及び超伝導コイルの支持を適切に行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る超伝導サイクロトロンは、上記何れかの超伝導電磁石を備える超伝導サイクロトロンであってもよい。この超伝導サイクロトロンでは、上記何れかの超伝導電磁石を備えることにより、小型化を図ることができると共に、支持部材におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る荷電粒子線治療装置では、上記の超伝導サイクロトロンを備える荷電粒子線治療装置であってもよい。本発明に係る荷電粒子線治療装置では、上記の超伝導サイクロトロンを備えることにより、小型化を図ることができると共に、支持部材におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、支持部材におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる超伝導電磁石、超伝導サイクロトロン、及び荷電粒子線治療装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る荷電粒子線治療装置を示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る超伝導サイクロトロンを示す概略断面図である。
【図３】図２の超伝導電磁石の構成を拡大して示す概略断面図である。
【図４】本実施形態に係る荷重支持体及び従来の荷重支持体を示す概略断面図である。
【図５】本実施形態の変形例に係る荷重支持体を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る放射性同位元素精製装置の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
本発明の一実施形態に係る超伝導電磁石は、例えば荷電粒子線治療装置が備える超伝導サイクロトロン等に適用される。図１に示すように、荷電粒子線治療装置１は、エンクロージャー２内に載置された患者の腫瘍等（被照射体）に対して、荷電粒子線を照射することで放射線治療を行う装置である。荷電粒子線治療装置１は、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する超伝導サイクロトロン４と、超伝導サイクロトロン４から出射された荷電粒子線を輸送する輸送ライン５と、輸送ライン５により輸送された荷電粒子線を被照射体へ向けて照射する照射ノズル（不図示）を支持すると共に揺動可能なガントリ６と、を建屋１００内に備えている。
【００１９】
建屋１００は、隔壁１０１によって照射室Ａと加速器室Ｂとに隔てられている。照射室Ａにはガントリ６及びエンクロージャー２が配置されており、加速器室Ｂには超伝導サイクロトロン４が配置されている。輸送ライン５は、照射室Ａ及び加速器室Ｂの両方に跨って設けられている。
【００２０】
超伝導サイクロトロン４は、荷電粒子線として例えば陽子、又は重粒子（重イオン）線等を出射する加速器である。超伝導サイクロトロン４は、超伝導電磁石１０を有している。以下、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る超伝導サイクロトロン４が有する超伝導電磁石１０について詳細に説明する。
【００２１】
図２は、本実施形態に係る超伝導サイクロトロン４を示す概略断面図である。図３は、図２の超伝導電磁石１０の構成を拡大して示す概略断面図である。ただし、図３においては、真空容器等の構成を一部簡略化して示している。図２及び図３に示すように、超伝導サイクロトロン４は、真空容器１１と、超伝導コイル１３と、荷重支持体４１，４２と、を備えた超伝導電磁石１０を備えている。超伝導電磁石１０は、冷凍機（不図示）によって冷却され超伝導状態とされた超伝導コイル１３に電流を流すことにより、強力な磁場を発生させる。
【００２２】
なお、本実施形態では、中心軸線Ｃが上下方向に延在する姿勢（横置きの姿勢）で超伝導電磁石１０が配置された場合について説明するが、超伝導電磁石１０は、例えば中心軸線Ｃが水平方向に延在する姿勢（縦置きの姿勢）で配置することも可能である。すなわち、説明中における「上下左右」は、部材の配置方向等を限定せず、「上下」を「左右」と置き換えてもよい。
【００２３】
真空容器１１は、被冷却物である超伝導コイル１３を収容するクライオスタット（すなわち、極低温真空容器）である。真空容器１１は、円環状であり、その内部は真空状態にされている。これにより、真空容器１１は、気体による熱伝導を防ぎ、超伝導コイル１３を極低温に保つ。なお、真空容器１１は、ヨーク８（図２参照）によって支持されている。図２においては図示を省略しているが、実際にはヨーク８と真空容器１１との間にスペーサ等を設けることにより、真空容器１１がヨーク８によって支持されている。
【００２４】
超伝導コイル１３は、中心軸線Ｃを中心として真空容器１１内に配置された円環状を有している。超伝導コイル１３は、例えば２個の空芯コイルにより構成されている。なお、超伝導コイル１３の空芯部位には、磁極９（図２参照）が配置されている。超伝導コイル１３は、その中心軸線Ｃの方向における上端に配置された円環板状のフランジ部１３ａを有している。フランジ部１３ａは、金属製であり、例えば、ステンレス鋼製、鉄製、又はチタン製等である。超伝導コイル１３のフランジ部１３ａは、荷重支持体４１，４２を介して真空容器１１の内面１１ａと固定されている。
【００２５】
超伝導コイル１３の中心軸線Ｃ方向における下端側には、冷凍機（不図示）が接続されており、当該冷凍機によって超伝導コイルが極低温に冷却される。冷凍機としては、例えば小型のＧＭ冷凍機が採用される。なお、冷凍機は、超伝導コイル１３の中心軸線Ｃ方向における下端側に限られず、例えばフランジ部１３ａ、又は超伝導コイル１３の中心軸線Ｃに直交する側面側等に接続されていてもよい。
【００２６】
荷重支持体４１，４２は、真空容器１１の内面１１ａと超伝導コイル１３のフランジ部１３ａとの間に配置され、超伝導コイル１３を支持する。荷重支持体４１と荷重支持体４２とは、所定の間隔を有して位置しており、例えば中心軸線Ｃを挟んで互いに対称的に位置している。
【００２７】
荷重支持体４１，４２は、それぞれ、支持部材１５と、継手部材２０，２３とを有している。支持部材１５は、金属よりも熱伝導率の低い材料によって形成されている。支持部材１５は、例えば繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics）製である。以下、繊維強化プラスチックを単にＦＲＰともいう。支持部材１５を形成する材料のヤング率は、少なくとも金属よりも低い。例えば、ＦＲＰのヤング率は、３０ＧＰａ程度である。
【００２８】
支持部材１５は、円筒状を有している。支持部材１５は、例えば略一定の肉厚を有し、中心軸線Ｃに略平行に延在している。すなわち、支持部材１５は、中心軸線Ｃが延在する第一方向に直交する第二方向での厚さが略一定である。以下、中心軸線Ｃが延在する第一方向を、単に「中心軸線Ｃ方向」ともいい、第一方向に直交する第二方向を、単に「径方向」ともいう。
【００２９】
支持部材１５は、継手部材２０（第一接続部）を介して真空容器１１の内面１１ａに固定されていると共に、継手部材２３（第二接続部）を介して超伝導コイル１３のフランジ部１３ａに固定されている。支持部材１５は、真空容器１１の内面１１ａから離間している。支持部材１５によって、超伝導コイル１３は、真空容器１１の内面１１ａから吊るされている。支持部材１５は、真空容器１１の内面１１ａ側に向かって超伝導コイル１３を引っ張ることにより、超伝導コイル１３の位置を保持している。すなわち、支持部材１５は、超伝導コイル１３を支持する。
【００３０】
継手部材２０，２３は、支持部材１５を形成する材料よりもヤング率が高い材料で形成されている。具体的には、継手部材２０，２３は、少なくともＦＲＰのヤング率よりも高い金属製であり、例えばステンレス鋼製、鉄製、又はチタン製等である。例えば、ステンレス鋼のヤング率は、２００ＧＰａ程度である。継手部材２０は、支持部材１５の上端側を、真空容器１１の内面１１ａに対して接続する。継手部材２３は、支持部材１５の下端側を、超伝導コイル１３のフランジ部１３ａに対して接続する。以下、継手部材２０，２３の各構成について詳細に説明する。
【００３１】
継手部材２０は、接触部２１と、固定部２２とを有している。継手部材２０は、接触部２１によって支持部材１５と接触し、固定部２２によって真空容器１１に対して接続される。本実施形態において、接触部２１は、継手部材２０における中心軸線Ｃ方向で真空容器１１とは反対側の端部側に対応する部分である。また、固定部２２は、継手部材２０における中心軸線Ｃ方向で真空容器１１側の端部側に対応する部分である。
【００３２】
接触部２１は、支持部材１５の上端側の外周面１５ａに沿った円筒状を有し、外周面１５ａと接触する内周面２１ｅを有している。接触部２１は、固定部２２よりも中心軸線Ｃ方向で真空容器１１から離れる方向に突出している。接触部２１の肉厚は、例えば略一定であって、支持部材１５の肉厚よりも小さい。なお、接触部２１の肉厚と支持部材１５の肉厚との関係の詳細は後述する。接触部２１の内周面２１ｅと、支持部材１５の外周面１５ａとは、例えば互いにねじが切られており、ねじ込み接合されている。なお、内周面２１ｅと外周面１５ａとは、溶接等によって接続されていてもよい。
【００３３】
固定部２２は、接触部２１の上端側の位置、すなわち真空容器１１の内面１１ａに近い位置において、接触部２１の外周面２１ａ側から鍔状に広がるフランジ状を有している。固定部２２は、接触部２１の外周面２１ａに沿った円筒状を有し、外周面２１ａと接触する内周面２２ｅを有している。固定部２２の肉厚は、例えば略一定であって、接触部２１の肉厚よりも大きい。固定部２２の内周面２２ｅは、接触部２１の外周面２１ａと溶接等によって接続されている。固定部２２と支持部材１５との間には、接触部２１が介在しており、固定部２２と支持部材１５とは接触していない。なお、接触部２１と固定部２２との接続領域は、後述する領域Ｂ１（図４参照）において生じるせん断応力に影響を与えない程度の大きさを有している。
【００３４】
また、固定部２２は、真空容器１１の内面１１ａと接触する端面２２ｆを有している。固定部２２の端面２２ｆと、真空容器１１の内面１１ａとは、溶接等によって接続されている。これにより、固定部２２は、接触部２１の外周面２１ａと真空容器１１の内面１１ａとを接続している。
【００３５】
継手部材２３は、接触部２４と、固定部２５とを有している。継手部材２３は、接触部２４によって支持部材１５と接触し、固定部２５によって超伝導コイル１３に対して接続される。本実施形態において、接触部２４は、継手部材２３における中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３とは反対側の端部側に対応する部分である。また、固定部２５は、継手部材２３における中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３側の端部側に対応する部分である。
【００３６】
接触部２４は、支持部材１５の下端側の外周面１５ｂに沿った円筒状を有し、外周面１５ｂと接触する内周面２４ｅを有している。接触部２４は、固定部２５よりも中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３から離れる方向へ突出している。接触部２４の肉厚は、略一定であって、支持部材１５の肉厚よりも小さい。なお、接触部２４の肉厚と支持部材１５の肉厚との関係の詳細は後述する。接触部２４の内周面２４ｅと、支持部材１５の外周面１５ｂとは、例えば互いにねじが切られており、ねじ込み接合されている。なお、内周面２４ｅと外周面１５ｂとは、溶接等によって接続されていてもよい。
【００３７】
固定部２５は、接触部２４の下端側の位置、すなわち超伝導コイル１３のフランジ部１３ａに近い位置において、接触部２４の外周面２４ｂ側から鍔状に広がるフランジ状を有している。固定部２５は、接触部２４の外周面２４ｂに沿った円筒状を有し、外周面２４ｂと接触する内周面２５ｅを有している。固定部２５の肉厚は、例えば略一定であって、接触部２４の肉厚よりも大きい。固定部２５の内周面２５ｅは、接触部２４の外周面２４ｂと溶接等によって接続されている。固定部２５と支持部材１５との間には、接触部２４が介在しており、固定部２５と支持部材１５とは接触していない。なお、接触部２４と固定部２５との接続領域は、後述する領域Ｂ２（図４参照）において生じるせん断応力に影響を与えない程度の大きさを有している。
【００３８】
また、固定部２５は、超伝導コイル１３のフランジ部１３ａと接触する端面２５ｆを有している。固定部２５の端面２５ｆと、超伝導コイル１３のフランジ部１３ａとは、溶接等によって接続されている。これにより、固定部２５は、接触部２４の外周面２４ｂと超伝導コイル１３のフランジ部１３ａとを接続している。
【００３９】
次に、図４を参照して、荷重支持体４１における支持部材１５と接触部２１，２４との関係について詳細に説明する。なお、荷重支持体４２は、荷重支持体４１と同じ構成であるため、その説明を省略する。図４は、本実施形態に係る荷重支持体４１及び従来の荷重支持体を示す概略断面図である。図４の（ａ）は、本実施形態に係る超伝導電磁石１０における荷重支持体４１を示す概略断面図であり、図４の（ｂ）は、従来の超伝導電磁石における荷重支持体を示す概略断面図である。図４において、超伝導コイル１３の中心軸線Ｃを一点鎖線で示している。
【００４０】
図４の（ａ）に示すように、支持部材１５、接触部２１，２４の径方向での厚さは、それぞれ略一定である。以下、径方向での厚さを単に「厚さ」ともいう。接触部２１の厚さＴ２は、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。すなわち、継手部材２０における中心軸線Ｃ方向で真空容器１１とは反対側の端部側における厚さＴ２が、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。
【００４１】
例えば、接触部２１の厚さＴ２と支持部材１５の厚さＴ１とは、支持部材１５の所定の力に対する歪みと、接触部２１の所定の力に対する歪みとが、略等しくなるように形成されている。ここで、所定の力に対する歪みとは、例えば部材に対して中心軸線Ｃ方向に所定の力が加わる場合に、中心軸線Ｃ方向に沿って当該部材がどの程度変形したかを示す量である。
【００４２】
より具体的には、支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２１の厚さＴ２の比は、継手部材２０のヤング率に対する支持部材１５のヤング率の比に略等しくなっている。すなわち、支持部材１５のヤング率をＥ１とし、継手部材２０のヤング率をＥ２とすると、支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２１の厚さＴ２の比は、以下の数式（１）で示す関係を満たしている。ここで、上述したように、金属製の継手部材２０のヤング率は、ＦＲＰ製の支持部材１５のヤング率よりも高い。
Ｔ１：Ｔ２＝Ｅ２：Ｅ１・・・・（１）
【００４３】
支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２１の厚さＴ２の比が上記数式（１）で示す関係を満たすことにより、支持部材１５と接触部２１との剛性が略等しくなる。よって、支持部材１５と接触部２１とで、所定の力に対する歪みを略等しくすることができる。
【００４４】
また、接触部２４の厚さＴ３は、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。すなわち、継手部材２３における中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３とは反対側の端部側における厚さＴ３が、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。
【００４５】
例えば、接触部２４の厚さＴ３と支持部材１５の厚さＴ１とは、支持部材１５の所定の力に対する歪みと、接触部２４における所定の力に対する歪みとが、略等しくなるように形成されている。より具体的には、支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２４の厚さＴ３の比は、継手部材２３のヤング率に対する支持部材１５のヤング率に略等しくなっている。すなわち、支持部材１５のヤング率をＥ１とし、継手部材２３のヤング率をＥ３とすると、支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２４の厚さＴ３の比は、以下の数式（２）で示す関係を満たしている。ここで、上述したように、金属製の継手部材２３は、ＦＲＰ製の支持部材１５よりもヤング率が高い。
Ｔ１：Ｔ３＝Ｅ３：Ｅ１・・・・（２）
【００４６】
支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２４の厚さＴ３の比が上記数式（２）で示す関係を満たすことにより、支持部材１５と接触部２４との剛性が略等しくなる。よって、支持部材１５と接触部２４とで、所定の力に対する歪みを略等しくすることができる。
【００４７】
ここで、本実施形態の効果を説明するため、図４の（ｂ）を参照し、まず従来の超伝導電磁石の支持部材周りの構成について説明する。従来の超伝導電磁石では、本実施形態に係る超伝導電磁石１０と同様、真空容器１１と、当該真空容器１１内に配置された超伝導コイル１３とを備えている。従来の超伝導電磁石では、超伝導コイル１３は、図４の（ｂ）に示すような荷重支持体３００によって支持されている。荷重支持体３００は、支持部材２００と、支持部材２００の上端側に接続された継手部材２０１と、支持部材２００の下端側に接続された継手部材２０２とを有している。
【００４８】
支持部材２００は、円筒状であって、例えばＦＲＰ製である。継手部材２０１，２０２は、円筒状であって、例えばステンレス鋼製である。継手部材２０１は、真空容器１１の内面１１ａに対して溶接等によって接続される端面２０１ｆを有している。継手部材２０１の内周面２０１ｅと、支持部材２００の外周面２００ａとは、例えば互いにねじが切られており、ねじ込み接合されている。また、継手部材２０２は、超伝導コイル１３のフランジ部１３ａに対して溶接等によって接続される端面２０２ｆを有している。継手部材２０２の内周面２０２ｅと、支持部材２００の外周面２００ａとは、例えば互いにねじが切られており、ねじ込み接合されている。支持部材２００、継手部材２０１，２０２の径方向での厚さは、それぞれ略一定である。
【００４９】
従来の超伝導電磁石では、継手部材２０１の厚さＴ５及び継手部材２０２の厚さＴ６は、支持部材２００の厚さＴ４よりも大きい。また、金属製の継手部材２０１，２０２のヤング率は、ＦＲＰ製の支持部材２００よりもヤング率が高い。このため、継手部材２０１，２０２の剛性に比べて支持部材２００の剛性が低く、支持部材２００は継手部材２０１，２０２に比べて歪み易くなっている。
【００５０】
従って、従来の支持部材２００において、仮に図４中の矢印で示す方向に引張荷重Ｆが加わると、支持部材２００の上端側の外周面２００ａと継手部材２０１の内周面２０１ｅとの間における領域Ａ１付近において、局所的に大きなせん断応力が生じる。その結果、せん断応力が局所的に大きくなった領域Ａ１を起点として破壊が生じ、中心軸線Ｃ方向で真空容器１１の内面１１ａに向かって当該破壊が進展するせん断破壊が生じてしまう可能性がある。このようなせん断破壊は、支持部材２００自体が有する引張強度よりもかなり低い値の引張荷重Ｆで生じ得る。なお、領域Ａ１は、外周面２００ａと内周面２０１ｅとの境界領域であって、継手部材２０１における中心軸線Ｃ方向で真空容器１１の内面１１ａから最も離れて位置する端部２０１ｇ付近の領域である。
【００５１】
支持部材２００の外周面２００ａと継手部材２０１の内周面２０１ｅとの間においてせん断破壊が生じると、たとえ外周面２００ａと内周面２０１ｅとがねじ込み接合されていても、ねじ山によってＦＲＰ製の支持部材２００の繊維が切断されてしまい、支持部材２００が超電導コイルを支持する機能を果たさなくなるおそれがある。この場合、超伝導電磁石における超伝導コイルの位置ずれが生じるため、当該超伝導電磁石を有する超伝導サイクロトロンの機能を停止しなければならなくなる。すなわち、当該超伝導サイクロトロンを備える陽子線治療装置においては、治療をすぐに中止しなければならなくなる。また、破壊された支持部材２００を修理するためには、例えば半年といった時間を要することとなる。
【００５２】
また、上記の説明では、領域Ａ１付近において局所的に大きなせん断応力が生じる可能性を述べたが、支持部材２００の下端側の外周面２００ｂと継手部材２０２の内周面２０ｅとの間における領域Ａ２付近においても同様である。すなわち、従来の支持部材２００において引張荷重Ｆが加わった場合には、領域Ａ２付近においても、局所的に大きなせん断応力が生じる可能性がある。その結果、せん断応力が局所的に大きくなった領域Ａ２を起点として破壊が生じ、中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３のフランジ部１３ａに向かって当該破壊が進展するせん断破壊が生じてしまう可能性もある。なお、領域Ａ２は、外周面２００ｂと内周面２０２ｅとの境界領域であって、継手部材２０２における中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３のフランジ部１３ａから最も離れて位置する端部２０２ｇ付近の領域である。
【００５３】
このような問題に対し、本実施形態に係る超伝導電磁石１０では、上述したように、数式（１）及び数式（２）を満たす関係を有することから、支持部材１５と接触部２１，２４との剛性が略等しくなり、支持部材１５と接触部２１，２４とで、所定の力に対する歪みを略等しくすることができる。
【００５４】
従って、例えば中心軸線Ｃ方向の引張荷重Ｆが支持部材１５に加わった場合でも、支持部材１５の上端側の外周面１５ａと接触部２１の内周面２１ｅとの間に生じるせん断応力を略均等にすることができる。すなわち、支持部材１５の外周面１５ａと接触部２１の内周面２１ｅとの間における領域Ｂ１付近において、局所的に大きなせん断応力が生じないようにすることができる。その結果、領域Ｂ１を起点としてせん断破壊が生じてしまう可能性を抑制することができる。
【００５５】
領域Ｂ１は、外周面１５ａと内周面２１ｅとの境界領域であって、接触部２１における中心軸線Ｃ方向で真空容器１１の内面１１ａから最も離れて位置する端部２１ｇ付近の領域である。つまり、本実施形態では、支持部材１５の外周面１５ａと接触部２１の端部２１ｇとの間においてせん断応力が局所的に大きくなるのを抑制することができる。
【００５６】
なお、接触部２１の上端側に接続される固定部２２により、継手部材２０の上端側は支持部材１５の厚さＴ１よりも厚くなっているが、厚くなっている部分は領域Ｂ１から十分離れているため、領域Ｂ１で生じるせん断応力について着目した場合には当該厚くなっている部分を無視して考えることができる。すなわち、固定部２２は、継手部材２０の領域Ｂ１付近の厚さに影響しない程度に領域Ｂ１から離れて位置しており、且つ、接触部２１に対する接続面積が、支持部材１５と接触部２１との間の接続面積よりも小さい。
【００５７】
さらに、例えば支持部材１５において引張荷重Ｆが加わった場合、支持部材１５の下端側の外周面１５ｂと接触部２４の内周面２４ｅとの間に生じるせん断応力についても、略均等にすることができる。すなわち、支持部材１５の外周面１５ｂと接触部２４の内周面２４ｅとの間における領域Ｂ２付近においても、局所的に大きなせん断応力が生じないようにすることができる。その結果、領域Ｂ２を起点としてせん断破壊が生じてしまう可能性を抑制することができる。
【００５８】
なお、領域Ｂ２は、外周面１５ｂと内周面２４ｅとの境界領域であって、接触部２４における中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３のフランジ部１３ａから最も離れて位置する端部２４ｇ付近の領域である。つまり、本実施形態では、支持部材１５の外周面１５ｂと接触部２４の端部２４ｇとの間においてせん断応力が局所的に大きくなるのを抑制することができる。
【００５９】
なお、接触部２４の上端側に接続される固定部２５により、継手部材２３の下端側は支持部材１５の厚さＴ１よりも厚くなっているが、厚くなっている部分は領域Ｂ２から十分離れているため、領域Ｂ２で生じるせん断応力について着目した場合には当該厚くなっている部分を無視して考えることができる。すなわち、固定部２５は、継手部材２３の領域Ｂ２付近の厚さに影響しない程度に領域Ｂ２から離れて位置しており、且つ、接触部２４に対する接続面積が、支持部材１５と接触部２４との間の接続面積よりも小さい。
【００６０】
以上、本実施形態に係る超伝導電磁石１０では、接触部２１の厚さＴ２が支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいことにより、支持部材１５と接触部２１とにおける歪みの差を小さくすることができる。また、接触部２４の厚さＴ３が支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいことにより、支持部材１５と接触部２４とにおける歪みの差を小さくすることができる。従って、領域Ｂ１，Ｂ２において、せん断応力が局所的に大きくなるのを抑制し、その結果、領域Ｂ１，Ｂ２を起点としてせん断破壊が生じる可能性を抑制することができる。以上より、支持部材１５におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【００６１】
また、超伝導電磁石１０において、支持部材１５の所定の力に対する歪みと、接触部２１，２４の所定の力に対する歪みとは、略等しくなるように形成されている。例えば、支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２１の厚さＴ２の比は、継手部材２０のヤング率Ｅ２に対する支持部材１５のヤング率Ｅ１の比であり、且つ、支持部材１５の厚さＴ１に対する接触部２４の厚さＴ２の比は、継手部材２３のヤング率Ｅ２に対する支持部材１５のヤング率Ｅ１の比である。よって、支持部材１５と接触部２１，２４との剛性が略等しくなるため、支持部材１５と接触部２１，２４とで、所定の力に対する歪みを容易に略等しくすることができる。これにより、領域Ｂ１，Ｂ２において生じるせん断応力を略均等にすることができる。その結果、せん断応力が局所的に大きくなることを起因としてせん断破壊が生じる可能性を抑制することができる。以上より、支持部材１５におけるせん断応力に対する強度を容易に向上させることができる。
【００６２】
また、超伝導電磁石１０において、継手部材２０，２３は金属製であり、支持部材１５は低熱伝導率の材料によって形成されている。よって、継手部材２０により、真空容器１１に対して支持部材１５を高い強度で接続することができると共に、継手部材２３により、超伝導コイル１３に対して支持部材１５を高い強度で接続することができる。さらに、支持部材１５により、真空容器１１内を断熱しつつ超伝導コイル１３を適切に支持することができる。
【００６３】
また、超伝導電磁石１０において、継手部材２０，２３はステンレス鋼製であり、支持部材１５はＦＲＰ製である。よって、ステンレス鋼製の継手部材２０により、真空容器１１内に形成される磁場等に影響を与えることなく、真空容器１１に対して支持部材１５を高い強度で接続することができる。また、ステンレス鋼製の継手部材２３により、真空容器１１内に形成される磁場等に影響を与えることなく、超伝導コイル１３に対して支持部材１５を高い強度で接続することができる。さらに、ＦＲＰ製の支持部材１５により、真空容器１１内の断熱及び超伝導コイル１３の支持を適切に行うことができる。
【００６４】
また、本実施形態に係る超伝導サイクロトロン４は、超伝導電磁石１０を備えることにより、小型化を図ることができると共に、支持部材１５におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【００６５】
また、本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１では、超伝導サイクロトロン４を備えることにより、小型化を図ることができると共に、支持部材１５におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【００６６】
以上、本実施形態の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。
【００６７】
例えば、上記実施形態では、継手部材２０における中心軸線Ｃ方向で真空容器１１とは反対側の端部側に対応する部分を接触部２１の全体とし、その全体の厚さＴ２が支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいとしたが、これに限られない。例えば、継手部材２０における中心軸線Ｃ方向で真空容器１１とは反対側の端部側に対応する部分が接触部２１の一部であり、その一部の厚さが支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいとしてもよい。
【００６８】
継手部材２３についても同様、上記実施形態では、継手部材２３における中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３とは反対側の端部側に対応する部分を接触部２４の全体とし、その全体の厚さＴ３が支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいとしたが、これに限られない。例えば、継手部材２３における中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３とは反対側の端部側に対応する部分が接触部２１の一部であり、その一部の厚さが支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいとしてもよい。
【００６９】
一例として、図５を参照して、本実施形態の変形例について説明する。図５に示すように、本変形例に係る荷重支持体４１Ｂにおいて、継手部材２０，２３における接触部２１，２４の径方向での厚さは、略一定でない。接触部２１は、固定部２２に向かって広がる裾野部２１ｈを有し、中心軸線Ｃ方向で固定部２２に近づくほど径方向での厚さが大きくなっている。接触部２１は、裾野部２１ｈを有することにより、固定部２２と接続される部分において、端部２１ｇにおける厚さＴ７よりも大きい厚さＴ９を有している。また、接触部２４は、固定部２５に向かって広がる裾野部２４ｈを有し、中心軸線Ｃ方向で固定部２５に近づくほど径方向での厚さが大きくなっている。接触部２４は、裾野部２４ｈを有することにより、固定部２５と接続される部分において、端部２４ｇにおける厚さＴ８よりも大きい厚さＴ１０を有している。
【００７０】
本変形例においては、接触部２１の少なくとも端部２１ｇにおける厚さＴ７が、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。すなわち、本変形例では、継手部材２０の中心軸線Ｃ方向で真空容器１１とは反対側の端部２１ｇにおける厚さＴ７が支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。よって、仮に接触部２１の全体の厚さが支持部材１５の厚さＴ１よりも大きい場合と比べると、支持部材１５と接触部２１との間における歪みの差を小さくすることができる。なお、接触部２１の端部２１ｇの厚さＴ７だけでなく、接触部２１の端部２１ｇ側から中心軸線Ｃ方向で所定範囲の領域における厚さが、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さくてもよい。例えば接触部２１の全体のうち、中心軸線Ｃ方向で端部２１ｇ側の半分程度の領域が、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい厚さを有するとしてもよい。
【００７１】
従って、例えば中心軸線Ｃ方向の引張荷重Ｆが支持部材１５に加わった場合、支持部材１５の上端側の外周面１５ａと接触部２１の端部２１ｇ付近の内周面２１ｅとの間に生じるせん断応力を抑制することができる。すなわち、支持部材１５の外周面１５ａと接触部２１の内周面２１ｅとの間における領域Ｂ１付近において、局所的に大きなせん断応力が生じないようにすることができる。その結果、領域Ｂ１を起点としてせん断破壊が生じてしまう可能性を抑制することができる。
【００７２】
また、本変形例においては、接触部２４の少なくとも端部２４ｇにおける厚さＴ８が、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。すなわち、本変形例では、継手部材２３の中心軸線Ｃ方向で超伝導コイル１３とは反対側の端部２４ｇにおける厚さＴ８が支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい。よって、仮に接触部２１の全体の厚さが支持部材１５の厚さＴ１よりも大きい場合と比べると、支持部材１５と接触部２４との間における歪みの差を小さくすることができる。よって、支持部材１５と接触部２１との間で、歪みの差を小さくすることができる。なお、接触部２４の端部２４ｇの厚さＴ８だけでなく、接触部２１の端部２４ｇ側から中心軸線Ｃ方向で所定範囲の領域における厚さが、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さくてもよい。例えば接触部２４の全体のうち、中心軸線Ｃ方向で端部２４ｇ側の半分程度の領域が、支持部材１５の厚さＴ１よりも小さい厚さを有するとしてもよい。
【００７３】
従って、例えば中心軸線Ｃ方向の引張荷重Ｆが支持部材１５に加わった場合、支持部材１５の上端側の外周面１５ａと接触部２４の端部２４ｇ付近の内周面２４ｅとの間に生じるせん断応力を抑制することができる。すなわち、支持部材１５の外周面１５ａと接触部２４の内周面２４ｅとの間における領域Ｂ２付近において、局所的に大きなせん断応力が生じないようにすることができる。その結果、領域Ｂ２を起点としてせん断破壊が生じてしまう可能性を抑制することができる。
【００７４】
以上、本変形例においても、支持部材１５と接触部２１，２４との間におけるせん断応力に対する強度を向上させることができる。
【００７５】
さらに、本変形例によれば、接触部２１において、固定部２２と接続される部分における厚さＴ９、すなわち中心軸線Ｃ方向で端部２１ｇよりも真空容器１１に近い側における厚さが、端部２１ｇの厚さＴ７よりも大きい。このため、接触部２１と固定部２２との接続強度を強固にすることができる。これにより、継手部材２０による真空容器１１に対する接続強度を向上させることができる。また、接触部２４において、固定部２５と接続される部分における厚さＴ１０、すなわち中心軸線Ｃ方向で端部２４ｇよりも超伝導コイル１３に近い側における厚さが、端部２４ｇの厚さＴ８よりも大きい。このため、接触部２４と固定部２５との接続強度を強固にすることができる。これにより、継手部材２３による超伝導コイル１３に対する接続強度を向上させることができる。
【００７６】
なお、上記実施形態において、荷重支持体４１，４２は、上端側の継手部材２０及び下端側の継手部材２３の両方を備えているが、これに限られず、例えば継手部材２０及び継手部材２３の何れか一方を備えていなくてもよい。
【００７７】
また、上記実施形態においては、接触部２１の厚さＴ２及び接触部２４の厚さＴ３が、何れも支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいが、これに限られず、厚さＴ２及び厚さＴ３の何れか一方が厚さＴ１以上でもよい。同様に、上記変形例においては、接触部２１の少なくとも端部２１ｇの厚さＴ７及び接触部２４の少なくとも端部２４ｇの厚さＴ８が、何れも支持部材１５の厚さＴ１よりも小さいとしたが、これに限られず、厚さＴ７及び厚さＴ８の何れか一方が厚さＴ１以上であってもよい。
【００７８】
また、上記実施形態においては、上記数式（１）で示す関係及び上記数式（２）で示す関係の両方を満たしているが、上記数式（１）で示す関係及び上記数式（２）で示す関係の何れか一方を満たしていなくてもよい。また、本発明の効果を奏する限り、上記数式（１）及び上記（２）で示す関係を何れも満たしていなくてもよい。
【００７９】
上記第１実施形態において、接触部２１，２４の厚さは略一定としたが、必ずしも一定でなくてもよい。この場合、接触部２１，２４の厚さとしては、接触部２１，２４の平均厚さを用いてもよいし、接触部２１，２４の最大厚さを用いてもよい。また、支持部材１５の厚さは略一定としたが、必ずしも一定でなくてもよい。この場合、支持部材１５の厚さとしては、接触部２１，２４と接触する部分における平均厚さを用いてもよい、当該部分の最大厚さを用いてもよい。
【００８０】
なお、例えば接触部２１，２４に、支持部材１５の厚さＴ１よりも大きい厚さを有する部分が形成されていたとしても、当該部分がせん断応力に影響を及ぼさない程度に極端に薄い場合等には、当該部分を上記の接触部２１，２４の厚さに含めず無視してもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１…荷電粒子線治療装置、４…超伝導サイクロトロン、１０…超伝導電磁石、１１…真空容器、１３…超伝導コイル、１５…支持部材、２０…継手部材（第一接続部）、２３…継手部材（第二接続部）、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０…厚さ、Ｅ１，Ｅ２…ヤング率。
【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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