Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP117

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
MAGNETIC FIELD MEASUREMENTS OF SUPERCONDUCTING MAGNETS FOR A
ROTATING-GANTRY AND OPTIMIZATION OF GANTRY OPTICS
鈴木伸司 ∗A) 、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) 、新井弘樹 B) 、藤本哲也 B) 、折笠朝史 C) 、高山茂貴 C) 、長本義史 C) 、矢澤孝 C)

Shinji Suzuki∗ A) , Yoshiyuki IwataA) , Koji NodaA) , Toshiyuki ShiraiA) , Takuji FurukawaA) , Takashi FujitaA) ,Koichi ShoudaA) , Shinichiro MoriA) , Kota MizushimaA) , Yosuke HaraA) , Hiroki AraiB) , Tetsuya FujimotoB) ,Tomofumi OrikasaC) , Shigeki TakayamaC) , Yoshifumi NagamotoC) , Takashi YazawaC) ,A)
National Institute of Radiological SciencesB)
Accelerator Engineering CorporationC)
TOSHIBA Corporation

Abstract
Manufacture of a superconducting rotating-gantry for heavy-ion radiotherapy is currently in progress. This rotating
gantry can transport heavy ions having 430 MeV/nucleon to an isocenter with irradiation angles of over 0-360 degrees,and enables advanced radiation therapy. To reduce the size and weight of the rotating gantry, we designed superconducting
magnets that can independently excite dipole and quadrupole ﬁeld. The three-dimensional scanning-irradiation method isperformed in this rotating gantry. Therefore, uniformity of magnetic ﬁeld is quite important, since scanned beams traverse
through these superconducting magnets before reaching to the isocenter. In the present work, we precisely measured themagnetic-ﬁeld distributions of the superconducting magnets for the rotating gantry. We used Hall probes to measure themagnetic-ﬂux density. The magnetic-ﬁeld distributions were determined by measuring Hall voltage, while moving theHall probes on a rail, which has the same curvature as a center trajectory of beams. The measured-ﬁeld distributions werecompared with designed distributions by using a three-dimensional electromagnetic-ﬁeld solver, the OPERA-3D code.
Furthermore, beam-tracking simulations were performed by using the measured magnetic-ﬁeld distributions to verify thedesign of the superconducting magnets.

BM05SCM-Y

BM06

BM07
BM08

ST01
BM03

5.45m

BM04

BM012.

SCM-X

放射線医学総合研究所では 1993 年に重粒子線治療を目的とした重粒子加速装置 HIMAC (Heavy Ion MedicalAccelerator in Chiba) が建設され、翌年の 1994 年から炭素線を用いてがん治療の臨床試験が行われてきた。これまでに治療が行われた患者数はおよそ 7 千名にもなり、重粒子を用いたがん治療の有効性を実証した [1] 。さらに我々は三つの治療室を備えた新しい治療棟を建設し[2] 、これまでの治療法よりもさらに高度な三次元スキャニング照射法によるがん治療を固定ポートである二つの治療室で行っている [3, 4, 5] 。そして残る一つの治療室には、0 度から 360 度とあらゆる角度から重粒子ビームの照射を可能とする回転ガントリーが設置される予定である。これまでの固定ポートを用いた治療よりも精度の高い照射治療が可能となり、さらに患者の位置決め時間の短縮にもつながり、患者の負担を大きく軽減することにもなる。現在は、回転ガントリーの設計及び製造を進めている段階である。

伝導偏向電磁石を設計し [7] 、製作を進めている。この超伝導偏向電磁石を用いることにより、回転ガントリーの半径は約 5.5 m、全長は約 13 m となり、陽子線回転ガントリーと同等の大きさとなると見込んでいる。回転ガントリー用超伝導偏向電磁石群からなるビームラインの概要図を Fig. 1 に示す。超伝導磁石による高磁場化と四極電磁石を配置する必要がないため、非常にコンパクトなガントリーとなっている。

ST02

はじめにPRN02

1.

PRN01

BM09

BM10BM02
ISO-Center

ビームラインの概要

13m

現在、炭素線回転ガントリーはドイツハイデルベル
グに唯一存在するが、その総重量は約 600 t と報告されている [6] 。回転ガントリーを小型・軽量化するために、二極成分と四極成分を独立に励磁可能な機能連結型超Figure 1: Schematic drawing of the beam-line for the rotating gantry.

∗ ssuzuki@nirs.go.jp- 1357 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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3.

いに起因すると結論づけた。また、二極磁場 (I = 231.2A) の BL 積の均一度を Fig. 4 に示す。測定した二極磁3.1 中心磁場測定
場中に設計よりも大きな四極成分が観測された。設計
回転ガントリー用超伝導電磁石の性能評価、及び設 では Δx = Δy = ±0.1 m の領域で 1 × 10−4 であるが、計と比較するため磁場測定を行った。超伝導磁石全て 測定された均一度はおよそ ±2 × 10−3 であった。しかについて行う予定であるが、今回は既に製造が完了し しながら、この設計値以上の四極成分は弱く、四極コイた大口径の BM10 の磁場測定を行った。まずはじめに、 ルを適切に励磁すれば二極コイルを励磁した際に生じNMR プローブを用いて磁石中心付近の二極磁場の電流 る四極成分を打ち消すことができる。
依存性を測定した。Fig. 2 に測定結果と OPERA-3D を用いた三次元磁場計算による設計値を示す。磁場 B の測定値と三次元磁場計算の結果は一致していることが1
Measuredわかる。また、Fig. 2 中に電磁石の磁場の飽和性を表す
DesignB/I の測定値と設計値もプロットしてある。B/I は測定値、及び設計値がほぼ平坦となる励磁電流での磁場の値との比をとったものである。B/I の測定値は最大電0.1
流値に近づくにつれて計算値よりもわずかに下回っていることがわかった (最大で 0.4%の減少率)。これは三次元磁場計算で用いた、電磁鋼板を積層して製造される鉄0.01
心のパッキングファクター、あるいは B − H 曲線の値の相違に起因すると考えられる。
B/Bmax

回転ガントリー用超伝導磁石の磁場測定

2.51.006

B (Measured)
B (Design)
B/I (Measured)
B/I (Design)

2.00.001
-1500

1.004

1.0

1.000

0.50.998

00.996

B [T]

1.002

B/I [arb.]

1.5-1000-500

0Distance [mm]

0.002

50

250

Figure 2: Excitation current dependence of magnetic ﬁeld
(BM10). Left and right axes show B and B/I, respectively.
Plotted B/I are normlized by the constant value aroundI = 160 A.

0.000500-0.0005-50BL 積の測定

各ビーム軌道での BL 積を測定するため各軌道で磁場分布を測定した。測定では複数のホール素子を用い、電磁石の中心軌道に沿わせたレール上を移動させながらホール電圧を測定した。そしてホール電圧を磁束密度へ校正して磁場分布を導出した。このような方法で測定した、二極コイルの最大電流値 231.2 A(12 C のエネ
ルギー 430 MeV/nucleon 相当) での中心軌道に沿った磁場分布 (Δx = Δy = 0) の測定値を Fig. 3 に示す。ただし、設計磁場と比較するため最大磁場 (約 2.4 T) で各々を規格化してある。設計値の方が磁石外側の領域で測定値よりも裾を引いているのがわかる。磁石中心を 0 mmとする距離 -700 mm から 700 mm 以外の領域でこの分布を積分すると、測定値と設計値の積分値の差はおよそ-0.15% となった。これは BL 積から決定される二極磁場の有効磁極長 (測定値:1.0914 m、設計値:1.0931 m)の差と一致することがわかった。したがって、測定値と設計値の有効磁極長の差は磁石外側の領域での分布の違0.000250.000200.00015
0.0001-505e-05-100-100-5e-05-0.001-100-100-0.0015-50

0Δx [mm]

3.20.0003
500.001Δy [mm]2000.00035
231.2A0.0015

Δy [mm]100150
Dipole current [A]

1500

100

231.2A

50

1000

Figure 3: Magnetic ﬁeld along center trajectory. Each
distribution is normalized by maximum ﬁeld value. The
length of BM10 is ± 550 mm.

1000500

50

1000-50050100

Δx [mm]Figure 4: Uniformity of BL products along beam trajectries of dipole ﬁeld (I= 231.2 A). Left ﬁgure shows measured values, and right ﬁgure shows designed values

4.

ビームトラッキングシミュレーション

ガントリー用超伝導磁石の性能を確かめるため、測定した磁場データを用いてビームトラッキングシミュレーションを行った。今回のシミュレーションでは、スキャニ
ング電磁石 (SCM-Y) からアイソセンターまでの約 8.3mの距離での各粒子の飛行軌跡を計算した。粒子の出発点とした SCM-Y におけるビームのツイスパラメータはマッチング条件を満たすように、βx = 9.97 m, αx =−0.96, βy = 13.52 m, αy = 0.74 と決定し [Fig.5]、ビームエミッタンスは x = y = 2 πmm · mrad とした。各粒子の任意の距離 s での水平位置 x(s)、垂直位置 y(s) は次の直交曲線座標系の運動方程式を 4 次の Runge-Kutta- 1358 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, JapanPASJ2014-SUP117法を用いて数値積分することによって導出した。

60.0with g = x2 + y 2 + (1 + kx)2 ,BM1BM2BM3BM4BM50BM6BM7BM8BM9BM1020.294

distance [m]まとめDispersion functions [m]7.0

BM1BM2BM3BM4BM5BM6BM7BM8BM90BM1020.294
Horizontal
Vertical-7.0

Figure 5: Betatron functions and dispersion functions ofthe calculated beam optics for the matching condition. Inthe isocenter, βx = βy = 2 m.
100

10 27550Δy [mm]ここで k = 1/ρ(s) (ρ(s) は基準軌道の曲率半径) である。
粒子の位置する座標での磁束密度は、その座標近傍での磁場データを内挿することで決定した。現在のところ、BM07-BM09 の製造は完了していないため磁場測定は行えていない。したがって、BM07-BM09 の磁場デー
タについては、BM10 の測定した磁場データを用いることとした。BM09 は BM10 と同じ仕様であり BM07 とBM08 は BM10 よりも小口径であるから、BM10 の磁場データと大きく異なることはないと考えられる。今回のトラッキングシミュレーションでは、二極磁場については最大二極コイル電流値である 231.2 A で測定した磁場データ、四極磁場については最大四極コイル電流値の200 A で測定した磁場データをマッチング条件を満たすK 値になるようにスケーリングして用いた。また、粒子の運動エネルギーは二極磁場で測定した BL 積に相当するように決めた。上記のような条件において、スキャ
ニング電磁石 SCM-X, SCM-Y で様々なビームキック角度 (それぞれ最大で ±18 mrad, ±21 mrad) を与えた場合のトラッキングシミュレーションの結果を Fig. 6 に示す。およそ 200 mm × 200 mm の照射野において、どの照射位置においてもビームスポットの形がほぼ変わらないことを確認した。また、特に Δy が大きい位置で最大約 −10 mm ほどのスポットのずれが見られた。これは、Δy が大きい領域で磁場が高くなることに起因しているが、スキャニング電磁石のキック角を微調整することで十分に補正することができる。そして水平方向だけでなく、垂直方向に対してもスポットのずれが見られる。
これは四極コイルを励磁した際の磁場の水平方向成分の均一度に起因していると考えられるが、水平方向の位置ずれと同様にスキャニング電磁石のキック角で補正することができる。

5.

Betatron amplitude functions [m]dx x
x − k(1 + kx) −(2kx + k  x)
ds 1 + kx√ gx y (1 + kx)2 + x2−Bs y + Bx− By= 0,Bρ
1 + kx
1 + kxy(2kx + k  x)y  −
1 + kx√ g(1 + kx)2 + y 2x y 
Bs x + Bx= 0,−− ByBρ
1 + kx
1 + kxHorizontal
Vertical25100-25
1-50-75-100-100-75-50-25

0255075

100

10-1

Δx [mm]Figure 6: Beam proﬁle at the isocenter calculated by tracking simulations. Each of beam spots was made up of5000 particles, and the difference of the spots positions wasgiven by respective kick angles of SCM-X and SCM-Y.

参考文献

回転ガントリーの小型・軽量化に大きく貢献している
二極コイルと四極コイルを独立に励磁可能な超伝導磁石の磁場測定を行った。二極コイルを励磁した際に予期しなかった四極成分が観測されたが、多くの測定結果は設計値とほぼ一致することがわかった。さらに測定した磁場データを用いたビームトラッキングシミュレーションの結果からどのビーム照射位置においてもビームの大きさ・位置は制御可能であることを確認し、問題なく重粒子線治療を行うことができると考えている。今後は残りの超伝導磁石の製造を進め、製造された磁石について磁場測定を行っていく予定である。

[1] H. Tsujii, Carbon-Ion Radiotherapy, Springer, 3 (2014).
[2] K. Noda, et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 266 (2008)2182.
[3] T. Furukawa, et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 266
2186 (2008).
[4] T. Furukawa, et al., Med. Phys. 34, 1085 (2007).
[5] T. Furukawa, et al., Med. Phys. 37, 5672 (2010).
[6] https://www.klinikum.uni-heidelberg.de/First-heavy-iongantry.112987.0.html?&L=1[7] Y. Iwata, et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 15 (2012)
044701.

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