Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP077

重粒子線回転ガントリー用超伝導磁石の性能評価
STATUS OF SUPERCONDUCTING MAGNETS FOR A HEAVY-ION
ROTATING-GANTRY
松葉俊哉#A), 鈴木伸司 B), 岩田佳之 A), 野田耕司 A), 白井敏之 A), 古川卓司 A), 藤田敬 A)
正田光一 A), 森慎一郎 A), 水島康太 A), 原洋介 A), 荻津透 C), 新井弘樹 D), 藤本哲也 D),
折笠朝史 E), 高山茂貴 E), 長本義史 E), 矢澤孝 E)#, A)
Shunya Matsuba , Shinji SuzukiB), Yoshiyuki IwataA), Koji NodaA), Toshiyuki ShiraiA), Takuji FurukawaA), TakashiFujitaA), Koichi ShoudaA), Shinichiro MoriA), Kota MizushimaA), Yosuke HaraA), Toru OgitsuC), Hiroki AraiD), TetsuyaFujimotoD), Tomofumi OrikasaE), Shigeki TakayamaE), Yoshifumi NagamotoE), Takashi YazawaE)
A)
National Institute of Radiological Sciences
B)
Tsukuba UniversityC)High Energy Accelerator Research OrganizationD)
Accelerator Engineering CorporationE)
TOSHIBA Corporation

Abstract
More sophisticated heavy-ion radiotherapy will be realized by a superconducting rotating-gantry which can irradiate atumor from arbitrary direction in 0-360 degree. In National Institute of Radiological Science, construction of thesuperconducting rotating-gantry for heavy-ion radiotherapy will be finished at September 2015. For compactness, wedesigned the rotating-gantry consisting combined-function superconducting magnets. However, for changing penetration
depth, the operation energy varies from 430 MeV/u to 56 MeV/u in about 1 minute. Therefore, tests of fast slewing arenecessary for thermal issue. Measurements of magnetic field stabilization time are also required. In this presentation, weintroduce results of fast slewing tests, measurements of magnetic field stabilization time and magnetic field measurements
for all the magnets.

1.

はじめに

2.

ビームラインおよび電磁石の概要

放射線医学総合研究所では重粒子線回転ガント
Fig. 1 にガントリービームラインの概略図を示す。
リーの建設が行われている[1]。これにより 0-360 度の ビ ー ム ラ イ ン を 構 成 す る 超 伝 導 電 磁 石 の 緒 元 を任意の方向から重粒子線が照射できるようになり、 Table 1 に BM01-03 の写真を Fig.2 に示す。
これまでの固定ポートによる照射に比べて高精度な BM01-06 を通過し、円筒の外縁部に運ばれたビーム治療が可能となる。重粒子線ガントリーは、陽子線 は続くスキャニング電磁石によって蹴られる。続いに比べて磁気剛性が大きく磁石等が巨大になるため、 て BM07-10 で 90 度曲げられ、アイソセンターに輸2 極と 4 極を独立に励磁できる機能結合型の超伝導 送される。BM07-10 はスキャニング照射に必要なア電磁石を用いることで小型化が図られている。過去 パーチャーを確保するため BM01-06 に比べて大口径にも電磁石の測定データを発表してきておりビーム の電磁石となっている。４極は BM07, 08 には備わっが通過する有効磁場領域での積分磁場の均一度が ておらず BM09,10 の 4 極はスキャンの照射野を正方0.2%であった[2]。本発表では 10 台分の全電磁石の磁 形にするような調整のために使用する。
場測定が終了したためその結果についてまとめて報BM06BM05
告する。また、ガントリーではレンジシフターを用いず、深部線量分布をビームエネルギーだけで調整
BM07
BM04BM08する方式であるため、治療時間を従来と同等の時間内に収めるには、430-56 MeV/u の間を 202 段、一段
BM09
ST02あたり数百 ms 程度で下げる必要がある。その際、
PRN02
BM10BM03
超伝導磁石の交流損失によりクエンチしないこと、
BM02
電流に対して磁場が追随するまでの時間、整定時間BM01
ISO-CENTERがその時間内に収まることが求められる。そのため
13m
高速励磁試験や磁場整定時間の測定を行った。
Figure 1: Schematic viewing of the rotating-gantry
beamline.
___________________________________________# matsuba@nirs.go.jp- 1189 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 1: Design Parameters of Magnets
BM01, 06
BM02-05
BM07
Bending angle [degree]
1826
22.5
Bending Radius [m]
2.3
2.3
2.8
Magnetic field of dipole [T]
2.88
2.88
2.37
Field gradient of quadrupole [T/m]
9.19.1−
Duct aperture [mm]
Φ 60Φ 60□122BM08
22.52.82.37−□170

BM09, 1022.52.82.371.3□206のと考えている。Table 2, 2 列目に各２極電磁石中の定格電流における積分磁場勾配を示す。磁場勾配は最大で 0.22 T 程度になるが、4 極コイルにより補正できる。
B/I (Right Axis)
B/I calculation

BM02 (Left Axis)
BM10

1.002

2110.998

Figure 2: Perspective picture of BM01-03.

3.

B/I [arb. unit]

Magnetic field [T]300

磁場測定および高速励磁試験の結果

100200Current [A]

2 極電磁石2 極電磁石では中心磁場の電流依存性、積分磁場の位置および電流依存性を測定している。磁石中心磁場を Nuclear Magnetic Resonance (NMR)で測定した結果を Fig. 3 に示す。小口径の BM02 と大口径のBM10 データを示す。BM10 番では B/I の測定値と計算値を右軸に示した。Table 2, 1 列目に各電磁石の定格電流における設計値との差を示す。B/I の下がり方が測定のほうが早いのは鉄のパッキングファクターの違いで飽和が起きていると考えられる。こういった原因で NMR における測定誤差に比べて大きな個体差があるようだが、0.3% 未満であるので電流値で調整可能な範囲であった。
積分磁場測定はホール素子でビーム軌道に沿った磁場を測定することで行われた。Fig.4, Fig.5 に磁石中心積分磁場に対する、水平方向における均一度をTOSCA による計算結果とともに示す。BM09 のデー
タだけ違う傾向にあるが、測定の際のホール素子の据付が反転して電圧から磁場を計算するときの校正曲線が異なっているため、ばらつきが大きくなっているものと思われる。ΔBL/BL が均一となるようにコイル設計を行ったが、ほぼすべての電磁石で磁石の外側で積分磁場が高くなっており、収束４極成分が見られる。これらはコイル製作誤差に起因するも

0BM02
BM03BM04BM05−0.001−40−2002040

Horizontal position [mm]Figure 4: Magnetic field integrals of small aperturemagnets. Vertical axis shows deviation from magnetic
field integral at central orbit.

0
Δ BL / BL

3.1

Δ BL / BL

組み込み前の試験として、ホール素子、NMR 素 Figure 3: Magnetic field at a center of BM02, BM10 and子による全電磁石の磁場測定を行い、そのうち 2, 3 B/I of BM10 as a function of coil current.
台で高速励磁試験を行い、温度変化をモニターした。
また 202 段のエネルギー1 段ごとの整定時間をピッ0.001
Calculation
クアップコイルで測定した。

−0.002−0.004−0.006

Calculation
BM09BM10−1000100

Horizontal position [mm]Figure 5: Magnetic field integrals of large aperturemagnets. Vertical axis shows deviation from magnetic
field integral at central orbit.

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Table 2: Measurement results by rated current. ΔB/B andΔGL/GL are deviation from design values.
Magnet Number01020304050607080910ΔB/B [%]
0.231
0.190
−−0.17 0.252 0.276 0.205 0.123 −0.01 −0.03
GL in dipole [T]
0.163
0.007
0.087 0.006 0.222 0.126 0.099 0.051 −0.04 0.036
ΔGL/GL [%] ofQuadrupole

−0.70

−0.62

−0.42

−0.51

−0.53

−0.73

−−−0.87

−1.93

6.5

3.2

4 極電磁石6.0

4 極電磁石では 2 極同様にホール素子で積分磁場の水平位置依存性を測定し、結果を 1 次関数でフィッティングし、中心の磁場勾配、積分磁場勾配、有効長を求めた。Fig.6 に積分磁場の測定結果を計算結果とともに示す。全電磁石について同様に測定し積分磁場勾配 GL を求め、計算結果と比較したものをTable 2, 3 列目に示す。系統的に測定値は計算値より小さい傾向を示す。原因は調査中であるが、軌道計算によれば 4 極に±0.5 %程度のランダムな誤差による影響は補正可能である。

4.50

inner coil

4.0

middle coilouter coil

3.50500

1500

1000

Figure 7: Results of tests of fast slewing by BM05.

0.4

137.0

pick-up coildipole current

136.5

0.3

136.0
0.2

135.5
135.0

0.1

Dipole current [A]

0.2
BL [T m]5.0

Induced voltage [V]

0.4

5.5

134.5

−0.2
−0.4

Calculation
BM02
BM10
−1000
4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

Figure 8: Coil current and voltage of pick-up coil.
01000.35Horizontal position [mm]Figure 6: Magnetic field integral in quadrupole magnet.

0.30

1x10-45x10-4Stabilization time [s]3.3 高速励磁試験および磁場整定時間測定
0.25
治療ではビームエネルギーを 430-56 MeV/u まで短時間で変化させる必要があるため、交流損失による0.20温度上昇と磁場の整定時間を確認する必要があった。
0.15
高速励磁試験は BM05 で行った。インダクタンスが大きく励磁速度の遅い BM09,10 の最大電流変化速0.10度に合わせて励磁、減磁したときのコイル温度の変0.05化を Figure 7 に示す。電流波形は三角波の形状で上げ速度が 1.8 A/s, 下げ速度が 15 A/s で 136 A から 400A まで上げ下げを繰り返している。30 分程度で温度50100150200RID
上昇は飽和しており高速励磁に耐えることが確認さ
Figure 9: Stabilization time of superconducting magnet.
れた。
電磁石中に挿入したピックアップコイルにより磁Figure 9 に 202 段のエネルギー(RID 0-202)に対してそ場の整定時間を測定した。Figure 8 に電磁石電流とれぞれの磁場整定時間をプロットした。RID 値が大ピックアップコイルに生じた誘導起電力を示す。誘きくなると一段ごとの電流変化量が増えるため、整導起電力を時間で積分し、変化がある範囲に収まる定時間が遅くなる。1×10-4 の精度が必要であれば時間を磁場整定時間として採用した。
300 ms の待ち時間が必要となることが明らかとなった。

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August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 THP0774.

まとめ
重粒子線回転ガントリーの超伝導電磁石の磁場測定、高速励磁試験、磁場整定時間の測定を行った。
観測された個体差や、2 極中の 4 極成分、計算との誤差等はそれらを含めた補正が現在の電磁石構成で可能であると考えている。また治療を想定した電磁石電流パターンでの熱や磁場整定時間の問題を試験し、こちらも治療に支障ないことが確認された。
回転ガントリーはこの 9 月に建設が完了しその後ビーム試験が開始される予定である。

参考文献[1] Y. Iwata, et. al. “Construction of a superconducting
rotating gantry” in these proceedings.
[2] S. Suzuki, et. al “回転ガントリー用超伝導電磁石の磁場測定及びガントリーオプティクスの最適化”
Proceedings of 11th annual meeting of particle
accelerator society of Japan.

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