(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形荷電粒子加速器の主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ）として用いられる荷電粒子加速器用磁石において、六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石をそれぞれ複数個規則的に配列し、全体として荷電粒子加速器用磁石として用いるのに十分な寸法を確保して形成されることを特徴とする高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石。
【請求項２】
円形荷電粒子加速器の主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ）として用いられる荷電粒子加速器用磁石において、八角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石をそれぞれ複数個規則的に配列し、全体として荷電粒子加速器用磁石として用いるのに十分な寸法を確保して形成されることを特徴とする高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石。
【請求項３】
請求項１または２の高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を備えることを特徴とする高磁場円形荷電粒子加速器。
【請求項４】
荷電粒子輸送ダクトの主軸方向に螺旋状に旋回するよう形成された請求項１または２の高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を備えることを特徴とするＦＦＡＧシンクロトロン。
【請求項５】
請求項３の円形荷電粒子加速器または請求項４のＦＦＡＧシンクロトロンを備えることを特徴とする医療用粒子線照射装置。
【請求項６】
請求項３の円形荷電粒子加速器または請求項４のＦＦＡＧシンクロトロンを備えた医療用粒子線照射装置であって、粒子線照射対象である患者の周囲を医療用粒子線照射装置全体が回転するための回転機構を備えていることを特徴とする医療用粒子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、永久磁石を用いた荷電粒子加速用磁石と高磁場円形荷電粒子加速器に関するものである。さらに詳しくは、荷電粒子を偏向および収束・発散するための磁場を永久磁石により形成し、荷電粒子粒子の加速を可能とするシンクロトロン、サイクロトロン、貯蔵リング（ストレージリング）などの円形荷電粒子加速器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
これまで、シンクロトロン、サイクロトロン、貯蔵リング（ストレージリング）などの円形荷電粒子加速器の研究開発においては、荷電粒子のエネルギーまたは粒子数を増加することに力点が置かれてきた。特に、衝突型加速器については、粒子の衝突頻度（ルミノシティ）を増加することに努力がなされてきた。
【０００３】
これらの実現には、荷電粒子の加速エネルギーを増加させるために、加速器のサイズを大きくし、かつ、荷電粒子を偏向および収束・発散させるための磁石の持つ磁場強度を高める必要がある。磁場強度を高めるために超伝導磁石技術の導入がなされたが、高エネルギー物理学や原子核物理学などの分野において要求されるレベルにまでは到底及ばず、加速器のサイズばかりが肥大化することとなり、ついには、周長が数十キロメートルにも及ぶ巨大な加速器が開発されるにまでいたった。
【０００４】
アメリカ合衆国においては、円形衝突型加速器であるハドロンコランダーのＳＳＣ(Superconducting Super Collider)は、計画実施半ばでその規模の大きさと予算の増加に対する反省が、エネルギー省によりなされ、建設中止となった。現在、アメリカ合衆国では、衝突型線形加速器であるリニアコライダーおよび円形レプトン衝突型加速器であるミューオンコライダーが開発計画にある主要な加速器として挙げられ、ＳＳＣを超えるＶＬＨＣ(Very Large Hadron Collider)の検討がなされているものの、これまでのような加速器の肥大化には一種の歯止めがかかりつつあるのが現状といえる。
【０００５】
また、ヨーロッパ諸国では、最後のハドロンコライダーと考えられる超伝導電磁石を利用した円形加速器ＬＨＣ(Large Hadron Collider) の建設が進められている。レプトン衝突型加速器としては、アメリカ合衆国と同様、ミューオンコライダーの開発が検討されている。
【０００６】
以上の加速器を用いて荷電粒子の加速エネルギーを増加させるための主要な課題として、円形のハドロンコライダーにおいては超伝導電磁石技術について、また、線形のリニアコライダーにおいては超伝導空洞技術について、それぞれ多くの検討がなされてきた。また、ミューオンコライダーにおいては、ミューオンの寿命が短いことから、高速応答が可能な高磁場電磁石について検討がなされている (C.Johnstone et al., " Fixed field circular accelerator designs", Proceedings of the 1999 Particle accelerator conference, pp.3067-3070) 。
【０００７】
一方、日本では、エネルギー的には中規模であるがビーム強度が大きいハドロンの加速器の開発が計画されている。この加速器の最大エネルギーは５０ＧｅＶ程度であり、従来のように鉄をベースとした電磁石が用いられる予定である。また、理化学研究所においては、ＲＩビーム工場 (Radioactively Induced Beam Factory) 計画が進行している。このＲＩビーム工場においては、低エネルギー部を構成するサイクロトロンには超伝導電磁石が、また、高エネルギー加速部には鉄芯による電磁石が、それぞれ用いられる予定である。
【０００８】
以上は、わが国も含めた各国の荷電粒子加速器に関する研究開発の動向を示すものであるが、今後の荷電粒子加速器の性能向上およびダウンサイジングをはかる上で、荷電粒子を偏向および収束するための電磁石が持つ磁界強度の向上が、極めて重要であることがわかる。
【０００９】
特にわが国においては、次世代の新型加速器開発の主な目標が、「小型化」に特化されつつあるのが現状であり、科学技術庁政策研究所は、加速器専門家と加速器ユーザーに対するアンケート調査の結果、
１）  およそ縦５ｍ×横５ｍ×高さ３ｍの区域内に収納可能であること
２）  全質量およそ１０トン
３）ビームエネルギーは、電子ビーム１ＧｅＶ以上、陽子または重イオンビー  ム２００ＭｅＶ／ｕ（核子当たりのエネルギー）以上、放射光子ビーム    で３０〜１００ＫｅＶ以上
を次世代小型加速器の主要仕様目標として掲げている。
【００１０】
近年、シンクロトロンやサイクロトロンによる荷電粒子ビームは、癌治療など医療分野において有用であることが実証されていることから、荷電粒子加速器の医療応用を進める上で、荷電粒子加速器の小型化は、重要な課題といえよう。高度な治療を実現するためには、患部に対して様々な角度から荷電粒子ビーム照射を行うことが求められており、その対策のひとつとして、回転ガントリーが公知である。回転ガントリーとは、荷電粒子ビームの偏向および収束・発散系を構成する大型電磁石システムを含む機械式回転機構を備えた大型装置であり、その総重量は約１５０トン前後である。特に重イオン粒子照射を実現する場合には、シンクロトロンやサイクロトロンの規模を超えるサイズを持つこともあり、医療サイドからはその小型化が強く望まれている。
【００１１】
以上より、今後の荷電粒子加速器開発における課題は、荷電粒子エネルギーを向上させつつダウンサイジングを実現することであることが理解できる。
【００１２】
しかし、シンクロトロンなどの円形荷電粒子加速器により現状以上の陽子・重イオンエネルギーを実現するためには、加速器を構成する電磁石による磁場を大幅に高める必要がある。鉄芯型の電磁石においては、磁場強度が１．５Ｔを超えると、鉄の飽和が顕著に表れることから、安定した荷電粒子ビームを得ることは困難であった。
【００１３】
また、飽和の問題を解決するために、鉄芯型磁石を使用せず、コイルにより磁場を発生することも検討されてきたが、大電流かつ高圧の電源が必要とされ、磁場強度や必要な磁場分布の生成について技術的な困難が伴う。また、運転時に巨大な雑音を放射したり、パルス電圧（電流）が必要であるため電源設備が大掛かりになることなど、問題も少なくない。
【００１４】
さらに、超伝導技術の適用により、数テスラの磁場を発生するコイルを生成することが可能となるが、この場合には、クライオスタット、冷却装置などの大型の付加設備が必要とされることから、装置設備が大掛かりなものとなる。
【００１５】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、大きな電力や付加設備を必要とせず、装置全体が既存の医療機関等の建造物に設置可能である程度に小型かつ軽量である円形荷電粒子加速器を提供することを課題としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、円形荷電粒子加速器の主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ）として用いられる荷電粒子加速器用磁石において、六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石をそれぞれ複数個規則的に配列し、全体として荷電粒子加速器用磁石として用いるのに十分な寸法を確保して形成されることを特徴とする高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を提供する。
【００１７】
また、第２には、円形荷電粒子加速器の主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ）として用いられる荷電粒子加速器用磁石において、八角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石をそれぞれ複数個規則的に配列し、全体として荷電粒子加速器用磁石として用いるのに十分な寸法を確保して形成されることを特徴とする高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を提供する。
【００１８】
また、この出願の発明は、第３には、上記いずれかの高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を備えることを特徴とする高磁場円形荷電粒子加速器を提供し、さらに、この出願の発明は、第４には、荷電粒子輸送ダクトの主軸方向に螺旋状に旋回するよう形成された上記いずれかの高強度な磁場を発生する荷電粒子加速器用磁石を備えることを特徴とするＦＦＡＧシンクロトロンを提供する。
【００１９】
そして、この出願の発明は、第５には、上記の円形荷電粒子加速器またはＦＦＡＧシンクロトロンを備えることを特徴とする医療用粒子線照射装置を提供し、第６には、上記の円形荷電粒子加速器またはＦＦＡＧシンクロトロンを備えた医療用粒子線照射装置であって、粒子線照射対象である患者の周囲を医療用粒子線照射装置全体が回転するための回転機構を備えていることを特徴とする医療用粒子線照射装置を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００２１】
この出願の発明の円形荷電粒子加速器においては、円形荷電粒子加速器を構成する荷電粒子加速器用磁石（主磁石（偏向磁石、集束・発散用磁石またはその組み合わせ））の材料として、サマリウム系またはネオジウム系等の希土類永久磁石が用いられる。希土類永久磁石としては、残留磁束密度の強いものが好ましい。
【００２２】
また、保持力（Ｈc ）についても強いものが望ましい。残留磁束密度と保持力の特性は、この発明の荷電粒子加速器用磁石の構成断面の位置によっていずれか主たるものとなるか定められることになる。
【００２３】
一般に市販されている希土類永久磁石は、寸法が小さいことから、そのまま用いても、高エネルギーの荷電粒子を通過させる領域を確保するのに十分な磁場を得ることが不可能である。希土類永久磁石の寸法を大きくすることで、この問題は解決されるが、実際には、希土類永久磁石作製のための磁化装置および励磁電源が巨大となることから、コストおよび技術の両面において実用化は難しいと考えられる。
【００２４】
そこで、この出願の発明の円形荷電粒子加速器においては、まず、希土類永久磁石を、任意の形状を持つ棒状に加工する。希土類永久磁石は、形状および大きさについて複数種類および複数個用意される。次いで、これらを組み合わせて形成することで、荷電粒子加速器用磁石として利用するのに十分な寸法を確保する。
【００２５】
希土類永久磁石の多角形断面が持つ形状としては、加工や磁化方向を簡略化できることから多角形が好ましい。例えば、図１に示すように、六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石（１１）と四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石（１２）とを複数個組み合わせることで、図２に示すようなドーナッツ型の断面を持つ荷電粒子加速器用磁石が構成される。荷電粒子加速器用磁石が生成する磁場の分布の調整は、希土類永久磁石の磁化方向を組み合わせることで可能である。磁化の方向は、例えば前述の六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石を用いた場合には、１辺の回転により６０度づつ調整することが可能である。角数を増やすことで、磁化方向の微妙な調整が可能となり磁場を高強度にすること可能となるが、一方で、１辺の長さが短くなることから、磁化の方向の設定精度は低くなると考えられる。
【００２６】
この出願の発明においては、図２に示したようなドーナッツ型の断面を持つ荷電粒子加速器用磁石を実現するために、図３に示すような八角形の断面を持つ棒状の希土類永久磁石と四角形の断面を持つ棒状の希土類永久磁石とが最密に接するようにハニカム型に設計された高強度材料による構造体を、希土類永久磁石の固定具として用いることができる。この希土類永久磁石の固定具として用いられる複数の格子からなる構造体を、以下ではハニカムカラーと呼ぶ。
【００２７】
また、希土類永久磁石の多角形断面が持つ形状としては、扇形または台形であってもよい。扇形または台形の希土類永久磁石は、荷電粒子輸送ダクトに直角な径方向に多層構造を構成するように組み合わされ、荷電粒子加速器用磁石を形成することになる。この場合、希土類永久磁石の磁化方向を何種類か用意する必要があるが、形状は１種類でよく、また、占積率が高いという利点を持つ。
【００２８】
もちろん、この発明の円形荷電粒子加速器用の磁石は、図１、図２並びに図３の例示によって限定されるものではない。前記ハニカム型の構造の他に、各種の形状、構造であってもよい。
【００２９】
この出願の発明の円形荷電粒子加速器においては、以上の荷電粒子加速器用磁石を備えることから、荷電粒子輸送ダクトに生成される磁場は直流となる。そこで、この出願の発明の円形荷電粒子加速器として、ＦＦＡＧシンクロトロンが最適であると考えられる。荷電粒子輸送ダクトに生成される磁場が直流であることから、永久磁石を用いることが可能となり、通常のシンクロトロンで用いられる交流磁場よりも、高強度の磁場の生成が可能となる。同様の理由でこの出願の高磁場永久磁石は各種のサイクロトロンにも適している．
ＦＦＡＧシンクロトロンに用いられる主磁石には荷電粒子の進行方向に正負の極率を交互に備え付けるラジアル型と、荷電粒子の進行方向に螺旋状の形状をもたせるスパイラル型の２種類がある。シンクロトロンの小型化を考慮すると、スパイラル型が好ましい。ＦＦＡＧシンクロトンにおいては、荷電粒子輸送ダクトに生成される磁場が直流であることから、荷電粒子の加速とともに平行軌道半径が大きくなっていき、これに伴い加速周波数が変化する。この軌道の変化に対応するために、ＦＦＡＧシンクロトロンに用いられる荷電粒子輸送ダクトは横広の構造を持つ。この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石を用いることで、このような構造に対しても、対応することができる。この出願の発明においては、ＦＦＡＧシンクロトロンで用いられる主磁石は、たとえば、端部が螺旋形状をもつように、荷電粒子輸送ダクトの主軸方向に螺旋状に旋回するよう希土類永久磁石を固定することで構成される。固定にハニカムカラーを使う場合には、ハニカムカラーを構成する複数の格子からなる構造体が、荷電粒子輸送ダクトの主軸方向に螺旋状に旋回するように設定される。また、複数種類の長さの希土類永久磁石を用意しておき、螺旋の内側から外側方向にいくにつれて希土類永久磁石の長さが長くなるように希土類永久磁石を組み合わせることで、主磁石を形成する。
【００３０】
この出願の発明の荷電粒子加速器用磁石により、従来技術と比較して高強度な磁場を荷電粒子に印可することが可能となり、また、荷電粒子加速器の小型化および軽量化が実現する。したがって、この出願の発明の荷電粒子加速器用磁石を備えるＦＦＡＧシンクロトロンを組み込むことで、たとえば、従来技術では実現不可能であった小型軽量型医療用粒子線照射装置が実現する。この出願の発明の医療用粒子線照射装置は、小型かつ軽量であることから、既存の病院などの医療施設への導入が容易であるという利点を持つばかりか、図４に示すような回転機構を備えることで、医療用粒子線照射装置（４１）全体が粒子線照射対象である患者（４２）の周囲を回転し、ビーム照射口（４３）を患者に対して任意の方向に向けることが可能となる。したがって、出力される粒子線ビームを任意の方向から患部に照射することが可能となる。
【００３１】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００３２】
【実施例】
実施例１
この出願の発明の医療用粒子線照射装置について、重イオン照射に関する実施例を示す。
【００３３】
図５は、医療用粒子線照射装置に備えられるＦＦＡＧシンクロトロンの構成例を示した概要図である。小型サイクロトロン（５１）から収束・発散四極電磁石系（５２）を通じて重イオンを入射セプタム（５３）へ入射する。収束・発散四極電磁石系（５２）と入射セプタム（５３）との間にはフォイル（５４）が設置されており、重イオンは完全電離状態に置かれる。重イオン輸送ダクト（５５）には、キッカー（５６）、ＲＦ空洞（５７）、取り出しセプタム（５８）、および、主磁石（５９）が設置される。この構成の小型サイクロトロン（５１）はさらに小型のＦＦＡＧシンクロトロンでもよいがいずれにしても本出願の高磁場永久磁石を用いることが望ましい．
このＦＦＡＧシンクロトロンにおいて主磁石が生成する磁場について、コンピュータシミュレーションにより算出した。図６中の矢印は磁化の方向を示したものである。図６に示したように、主磁石における右部の弧の半径ｒ1 を５００ｍｍ、左部の弧の半径ｒ2 を２００ｍｍと設定した。また、荷電粒子輸送用ダクトが入る空隙については、断面横方向の長さｈを６００ｍｍ、縦方向の長さｖを５０ｍｍと設定した。図７は、主磁石が生成する磁場の分布を濃淡として示した等高線図である。この主磁石においては、最も磁場の強い部分において磁束密度が約２．７Ｔであった。
【００３４】
なお、一部に鉄を使用してさらに磁場強度を上げることが可能である。
【００３５】
このＦＦＡＧシンクロトロンにビーム引き出しライン、ワブラー磁石、コリメーター、シャッター、レンジシフター、Ｘ線管などの照射ポート機器を加え、一体として共通架台に固定することで、医療用粒子線照射装置が構成される。
【００３６】
本実施例の医療用粒子線照射装置により医療用として必要な仕様のイオンビームエネルギーである３５０ＭｅＶ／ｕの炭素イオンを照射するためには、ＦＦＡＧシンクロトロンの直径は６ｍ程度必要であると試算される。放射線医学総合研究所のＨＩＭＡＣ(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) シンクロトロンは、最大８００ＭｅＶ／ｕの重イオン照射が可能であるが、直径は４２ｍ強である。イオンビームエネルギーが異なるものの、単純にスケールだけを検討すれば、約１／７の小型化が実現する。
【００３７】
また、本実施例の医療用粒子線照射装置についての全構成の総重量を試算すると、およそ１００トンとなると考えられる。その内、永久磁石部分は５０トン程度である。従来の回転ガントリーの重量が、加速器部分を除いても１５０トン前後であることを考えれば、シンクロトロンをも含む本実施例の医療用粒子線照射装置全構成を回転機構により、患者の周囲を回転させることは十分に可能であると考えられる。
実施例２
この出願の発明の荷電粒子加速器用磁石は上記のようにＦＦＡＧシンクロトロンのみならず、あらゆる円形荷電粒子加速器に用いることが可能であり、例えば、貯蔵リングに用いてもよい。貯蔵リング用磁石を設計し、この貯蔵リング用磁石が生成する磁場について、コンピュータシミュレーションにより算出した。図８中の矢印は磁化の方向を示したものである。図８に示したように、貯蔵リング用磁石における左右の半円の半径ｒを５００ｍｍと設定し、また、荷電粒子輸送用ダクトが入る空隙については、断面横方向の長さｈを６００ｍｍ、縦方向の長さｖを５０ｍｍと設定した。図９は、主磁石が生成する磁場の分布を濃淡として示した等高線図である。この主磁石においては、最も磁場の強い部分において磁束密度が約２．９Ｔであった。いずれの場合も磁場強度は部分的に鉄を追加することでさらに効率よくあげることが可能である．
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳しく説明した通り、この出願の発明により、大きな電力や付加設備を必要とせず、装置全体が既存の医療機関等の建造物に設置可能である程度に小型かつ軽量である円形荷電粒子加速器が提供される。
【００３９】
この出願の発明により提供される医療用粒子線照射装置は、癌などの難病治療に極めて有効であると考えられる。特に、小型かつ軽量であることから、患部へのビーム照射を任意の方向から行うための機構への組み込みが現実的なものとなった。また、永久磁石を用いることから、低コストな導入が可能であるばかりか、外部に電源や冷却機構を必要としないため運用の低コスト化にも貢献する。
【００４０】
この出願の発明により最先端の放射線治療がより多くの医療機関に普及すると考えられることから、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石の構成を示した概要図である。
【図２】この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石の構成を示した概要図である。
【図３】この出願の発明である荷電粒子加速器用磁石の構成する希土類永久磁石を固定するためのハニカムカラーの構造を示した概要図である。
【図４】この出願の発明である医療用粒子線照射装置の構成を示した概要図である。
【図５】この出願の発明であるＦＦＡＧシンクロトロンの構成を示した概要図である
【図６】この出願の発明の実施例において設計されたＦＦＡＧシンクロトロンの主磁石の寸法および磁化方向を示す概要図である。
【図７】この出願の発明の実施例におけるシミュレーション結果であるＦＦＡＧシンクロトロンの主磁石が生成する磁場分布を示した等高線図である。
【図８】この出願の発明の実施例において設計された貯蔵リング用磁石の寸法および磁化方向を示す概要図である。
【図９】この出願の発明の実施例におけるシミュレーション結果である貯蔵リング用磁石が生成する磁場分布を示した等高線図である。
【符号の説明】
１１  六角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石
１２  四角形断面を持つ棒状の希土類永久磁石
４１  医療用粒子線照射装置
４２  患者
４３  ビーム照射口
５１  小型サイクロトロンあるいは小型FFAGシンクロトロン入射器
５２  収束・発散四極電磁石系
５３  入射セプタム
５４  フォイル
５５  重イオン輸送ダクト
５６  キッカー
５７  ＲＦ空洞
５８  取り出しセプタム
５９  主磁石
【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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