超导电磁铁装置以及带电粒子束照射装置的制作方法

1.本发明涉及超导电磁铁装置以及带电粒子束照射装置。


背景技术：

2.以往，不断进行将被加速成高能量的带电粒子束对癌等恶性肿瘤进行照射来治疗恶性肿瘤的粒子射线治疗。
3.在专利文献1记载的粒子射线照射装置中，能够针对照射目标连续地选择照射角度，然而需要用于使巨大的照射装置旋转的旋转机架(gantry)(专利文献1)。专利文献2中公开了一种不使用旋转机架而从任意角度将带电粒子束向目标照射的带电粒子束照射装置。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.【专利文献1】日本特表2013－505757号公报
7.【专利文献2】日本特许第6387476号
8.在通过超导电磁铁将带电粒子束偏转并使其以连续的照射角θ收敛于等中心的情况下，需要在带电粒子束所经过的范围中产生一样的磁场，与通常的超导电磁铁装置相比蓄积能量(＝li2/2：l是电感，i是电流)变大。关于蓄积能量大的超导电磁铁，由于产生磁场时的电压变高，因此一般需要进行提高电流而将电压降低到能够容许的范围的设计。然而，由于超导冷却热负荷的关系，提高电流存在界限，降低电压也存在界限。
9.若导致具有比较大的蓄积能量的超导电磁铁使淬火(quench)(超导特性的消失)发生，则在超导电磁铁的超导线圈产生电阻。若在那里流过线圈电流，则会发生局部的温度上升，其结果，超导线圈可能会破损。这样，在超导电磁铁中需要淬火对策。作为淬火对策，例如使用与超导线圈并联连接的保护电阻。该情况下，在淬火时产生的淬火电压(＝保护电阻
×
蓄积的淬火前的电流)由超导线圈的转储(dump)时间常数l/r(r是保护电阻。转储时间常数是消耗电流的时间。)与蓄积能量(li2/2)而决定。
10.在产生一样的高磁场的超导电磁铁中，需要将与高磁场相当的磁通限制在该空间中，因此，蓄积能量变大。若蓄积能量变大，则超导线圈端子间的电压或淬火时产生的淬火电压也变大，因此，需要使蓄积能量尽可能地小。此外，在蓄积能量大的超导电磁铁中，从超导线圈发生的漏磁场也变大。


技术实现要素：

11.因此，本发明的目的在于提供能够对等中心(isocenter)以连续的照射角θ进行带电粒子束的照射，并且与以往相比降低了超导电磁铁的蓄积能量的超导电磁铁装置以及具备其的带电粒子束照射装置。
12.本发明中包括以下的方式〔1〕～〔9〕。
13.〔方式1〕
14.一种超导电磁铁装置，具备超导电磁铁组，该超导电磁铁组包括第1超导电磁铁、以及与所述第1超导电磁铁相邻配置的第2超导电磁铁，其中，
15.所述第1超导电磁铁的被配置成隔着带电粒子束的路径的超导线圈对被构成为生成磁场朝向与带电粒子束的行进方向(x轴)正交的方向(z轴)的第1有效磁场区域，其中，将与x轴和z轴这二者正交的轴设为y轴，
16.所述第2超导电磁铁的被配置成隔着带电粒子束的路径的超导线圈对被构成为生成磁场朝向与带电粒子束的行进方向(x轴)正交的方向(z轴)的第2有效磁场区域，
17.所述第1超导电磁铁的磁场的方向与所述第2超导电磁铁的磁场的方向相同，
18.所述第1有效磁场区域与所述第2有效磁场区域被相邻配置，所述第2有效磁场区域的y轴位置的绝对值大于所述第1有效磁场区域的y轴位置的绝对值，
19.(i)关于所述第1有效磁场区域，在xy面中，
20.在偏转起点q以相对于x轴的偏转角偏转并入射到所述第1有效磁场区域的带电粒子束通过所述第1有效磁场区域被偏转，以相对于x轴的照射角θ向等中心照射，
21.所述第1有效磁场区域的带电粒子束的出射侧的边界上的任意的点p2位于相距所述等中心等距离r1的位置，
22.所述第1有效磁场区域的带电粒子束的入射侧的边界上的点p1和所述点p2位于半径r2以及中心角的圆弧上，
23.若将所述偏转起点q与所述等中心之间的距离设为l，则所述偏转起点q与所述点p1之间的距离r满足关系式(4)：
24.【式1】
[0025][0026]
(ii)关于所述第2有效磁场区域，在xy面中，
[0027]
在偏转起点q以相对于x轴的偏转角偏转并入射到所述第2有效磁场区域的带电粒子束通过所述第2有效磁场区域被偏转，以相对于x轴的照射角θ向所述等中心照射，
[0028]
所述第2有效磁场区域的带电粒子束的出射侧的边界上的任意的点p4位于相距所述等中心等距离r1的位置，
[0029]
所述第2有效磁场区域的带电粒子束的入射侧的边界上的点p3和所述点p4位于半径r3以及中心角的圆弧上，
[0030]
所述偏转起点q与所述点p3之间的距离r满足关系式(4a)：
[0031]
【式2】
[0032][0033]
〔方式2〕
[0034]
根据方式1中所述的超导电磁铁装置，若将所述第1有效磁场区域中位于最靠近所述第2有效磁场区域侧的所述点p1与所述偏转起点q的偏转角设为并将以偏转角入射到所述第1有效磁场区域的带电粒子束的相对于所述等中心的照射角θ设为θ
max
，
[0035]
则所述第2有效磁场区域在xy面中针对所述第1有效磁场区域以相对于x轴的角度
倾斜，与所述第1有效磁场区域相邻配置。
[0036]
〔方式3〕
[0037]
根据方式1或2中所述的超导电磁铁装置，所述第1超导电磁铁的电感与所述第2超导电磁铁的电感相等。
[0038]
〔方式4〕
[0039]
根据方式1～3中任一方面所述的超导电磁铁装置，在所述第1超导电磁铁的超导线圈内部或者所述第2超导电磁铁的超导线圈内部装入磁极。
[0040]
〔方式5〕
[0041]
根据方式1～4中任一项所述的超导电磁铁装置，所述第2有效磁场区域与所述第1有效磁场区域一部分重叠。
[0042]
〔方式6〕
[0043]
根据方式1～4中任一项所述的超导电磁铁装置，所述超导电磁铁组还具备第3超导电磁铁，该第3超导电磁铁与所述第2超导电磁铁相邻配置，
[0044]
所述第3超导电磁铁的被配置成隔着带电粒子束的路径的超导线圈对被构成为生成磁场朝向与带电粒子束的行进方向即x轴正交的方向即z轴的第3有效磁场区域，
[0045]
所述第2超导电磁铁的磁场的方向与所述第3超导电磁铁的磁场的方向相同，
[0046]
所述第2有效磁场区域与所述第3有效磁场区域被相邻配置，所述第3有效磁场区域的y轴位置的绝对值大于所述第2有效磁场区域的y轴位置的绝对值，
[0047]
(iii)关于所述第3有效磁场区域，在xy面中，
[0048]
在偏转起点q以相对于x轴的偏转角偏转并入射到所述第3有效磁场区域的带电粒子束通过所述第3有效磁场区域被偏转，以相对于x轴的照射角θ向等中心照射，
[0049]
所述第3有效磁场区域的带电粒子束的出射侧的边界上的任意的点p6位于相距所述等中心等距离r1的位置，
[0050]
所述第3有效磁场区域的带电粒子束的入射侧的边界上的点p5和所述点p6位于半径r4以及中心角的圆弧上，
[0051]
所述偏转起点q与所述点p5之间的距离r满足关系式(4b)：
[0052]
【式3】
[0053][0054]
所述第2有效磁场区域与所述第1有效磁场区域以及所述第3有效磁场区域一部分重叠。
[0055]
〔方式7〕
[0056]
根据方式1～6中任一项所述的超导电磁铁装置，所述超导电磁铁装置还具备：
[0057]
两个以上的电源，用于对所述第1超导电磁铁以及第2超导电磁铁供给电流并使其励磁；以及
[0058]
切换器，对应所述照射角θ，在所述第1超导电磁铁以及第2超导电磁铁之间切换来自所述电源的电流的供给。
[0059]
〔方式8〕
[0060]
一种带电粒子束照射装置，具备方式1～7中任一方式所述的超导电磁铁装置。
[0061]
〔方式9〕
[0062]
根据方式8所述的带电粒子束照射装置，所述超导电磁铁装置还具备偏转电磁铁(swiching magnet)，该偏转电磁铁在所述偏转起点q将来自加速器的带电粒子束以10度以上的偏转角进行偏转。
[0063]
通过本发明的一实施方式所涉及的超导电磁铁装置，能够对等中心以连续的照射角θ进行带电粒子束的照射，并且与以往的使用单一的超导电磁铁的超导电磁铁装置相比能够降低蓄积能量，其结果，还能够降低淬火电压以及漏磁场的影响。
附图说明
[0064]
图1是带电粒子束照射装置的概略结构图。
[0065]
图2是超导电磁铁装置的概略结构图。
[0066]
图3是超导电磁铁装置的概略结构剖视图。
[0067]
图4的(a)～(c)是用于说明有效磁场区域的形成的图。
[0068]
图5的(a)～(b)是用于说明超导电磁铁的倾斜配置的图。
[0069]
图6是用于说明具有相同电感的超导电磁铁的图。
[0070]
图7是电源以及切换器与超导电磁铁的框图。
[0071]
图8是电源以及切换器与超导电磁铁的框图。
[0072]
图9的(a)～(b)是表示磁通密度与有效磁场区域的关系的图。
[0073]
图10是超导电磁铁装置的概略结构剖视图。
[0074]
图11是用于说明现有技术的超导电磁铁装置的图。
[0075]
标号说明
[0076]
10 带电粒子束照射装置
[0077]
20 加速器
[0078]
30 带电粒子束输送系统
[0079]
31 带电粒子束调整单元
[0080]
32 真空导管
[0081]
33 偏转电磁铁
[0082]
34 扇型真空导管
[0083]
100 超导电磁铁装置
[0084]
105 低温恒温器
[0085]
111～115、121～125 超导电磁铁
[0086]
111a～113a、121a～123a 超导线圈
[0087]
111b～113b、121b～123b 磁极
[0088]
131～133、141～143 有效磁场区域
[0089]
150、150a、150b 电源
[0090]
151 切换器。
具体实施方式
[0091]
＜第1实施方式＞
[0092]
图1是具备本发明的第1实施方式所涉及的超导电磁铁装置100的带电粒子束照射装置10的概略结构图。带电粒子束照射装置10具备超导电磁铁装置100。带电粒子束照射装置10还可以进一步具备加速器20、带电粒子束输送系统30、以及照射喷嘴40。照射喷嘴40被配置于具备承载患者的治疗台的治疗室内。
[0093]
超导电磁铁装置100的超导电磁铁组110、120被内包于低温恒温器105。低温恒温器105内被保持成极低温。也可以设为一边维持供带电粒子束经过的超导电磁铁装置100的超导状态，一边尽可能将有效磁场区域保持成真空。在低温恒温器105中使用的冷媒例如是氦气、液氦、或者液氮等。
[0094]
加速器20是生成带电粒子束的装置，例如是同步加速器、回旋加速器、或者线性加速器。由加速器20生成的带电粒子束经过带电粒子束输送系统30而被引导至超导电磁铁装置100。
[0095]
在带电粒子束输送系统30中包括一个或多个带电粒子束调整单元31、真空导管32、偏转电磁铁33、以及扇型真空导管34等。加速器20、带电粒子束调整单元31、以及偏转电磁铁33由真空导管32连接，偏转电磁铁33以及超导电磁铁装置100由扇型真空导管34连接。通过使xy面(参照图2)中的扇型真空导管34的形状为扇型形状，从而即使是以10度以上的偏转角偏转了的带电粒子束，也能够在所述真空导管内经过，能够与矩形状的真空导管相比而小型化且能够降低设置空间。
[0096]
带电粒子束由上流侧的加速器20生成，为了避免或降低衰减而前进到真空导管32、34内，一边受到基于带电粒子束调整单元31的调整一边被引导至下流侧的超导电磁铁装置100。
[0097]
在带电粒子束调整单元31中，根据规格可适当包括：用于调整带电粒子束的射束形状以及/或者剂量的射束狭缝；用于调整带电粒子束的行进方向的电磁铁；用于调整带电粒子束的射束形状的四极电磁铁；以及用于微调整带电粒子束的射束位置的转向电磁铁等。
[0098]
带电粒子束的从偏转电磁铁33到等中心o(患者的患处)的路径对应于后述的照射角θ而不同。因此，有时受到带电粒子束的光学要素也对应于照射角θ而变化，在等中心o的带电粒子束的射束形状对应于照射角θ而变化。对此，例如还可以设为按每个照射角θ来控制在比超导电磁铁装置100更靠上流侧设置的带电粒子束调整单元31，并进行调整以使在等中心o处的带电粒子束的射束形状变得合适。
[0099]
偏转电磁铁33被构成为以后述的偏转角连续地偏转带电粒子束，向超导电磁铁装置100出射带电粒子束。超导电磁铁装置100被构成为，接受对应于偏转各而入射来的带电粒子束，连续地改变朝向等中心o的带电粒子束的照射角θ。
[0100]
照射喷嘴40位于进行使用带电粒子束的治疗等的治疗室内，在xy面中以沿着超导电磁铁组110、120所生成的有效磁场区域的出射侧的形状(边界形状)的方式连续地移动。从该有效磁场区域的出射侧朝向等中心o的带电粒子束经过照射喷嘴40内，通过照射喷嘴40，带电粒子束的行进方向等被微调整。
[0101]
照射喷嘴40具备扫描电磁铁、射束监视器、以及能量调制单元(均未图示)。扫描电
磁铁通过调整流动的电流量、电流的方向，对从照射喷嘴40出射的带电粒子束的行进方向进行微调整，能够使带电粒子束在比较窄的范围内扫描(扫描)。射束监视器监视带电粒子束，测量剂量监视器或射束的位置以及平坦度。能量调制单元调整带电粒子束的能量，来调整带电粒子束到达患者内的深度。能量调制单元例如是范围调节器、散射体、脊形滤波器、患者准直器、患者推注器(bolas)、施加器、或者它们的组合。
[0102]
图2是超导电磁铁装置100的概略结构图。在图2中，将带电粒子束的行进方向设为x轴，将超导电磁铁装置100所生成的磁场的方向设为z轴，将与x轴以及z轴正交的方向设为y轴。超导电磁铁装置100被构成为，在xy面，使从相对于x轴的偏转角的宽范围入射的带电粒子束收敛到等中心o。
[0103]
此外，在图2～图10中，省略了照射喷嘴40，为了简单地说明，将等中心o设为xyz空间的原点，将上流侧(加速器侧)设为x轴的正方向。此外，偏转角是在xy面中偏转电磁铁33相对于在偏转起点q偏转的x轴的角度。
[0104]
偏转角的范围处于超过－90度～不足+90度的范围，正(+y轴方向)的偏转角范围与负(－y轴方向)的偏转角范围也可以不同(非对称)。例如，也可以将正侧的最大偏转角设为10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、60度、70度、80度、以及85度中的任一个，将负侧的最大偏转角设为－10度、－15度、－20度、－25度、－30度、－35度、－40度、－45度、－50度、－60度、－70度、－80度、以及－85度中的任一个。
[0105]
超导电磁铁装置100具备1组以上的超导电磁铁组。如图2以及图3所示那样，本实施方式的超导电磁铁装置100虽然具备超导电磁铁组110以及超导电磁铁组120这两组超导电磁铁组，但具备一个以上的超导电磁铁组即可。
[0106]
超导电磁铁组110由多个超导电磁铁111～113构成，超导电磁铁组120由多个超导电磁铁121～123构成。在本实施方式中，各超导电磁铁组中包括的超导电磁铁的数量是三个，然而并不限定于此。为了降低蓄积能量，各超导电磁铁组中包括的超导电磁铁的数量是两个以上即可。
[0107]
超导电磁铁111～113分别生成朝向与带电粒子束的行进方向和带电粒子束的偏转角的扩展方向正交的方向(图中z轴方向)的多个一样的磁场(有效磁场区域131～133)。超导电磁铁121～123分别生成朝向与带电粒子束的行进方向和带电粒子束的偏转角的扩展方向正交的方向(图中z轴方向)的多个一样的磁场(有效磁场区域141～143)。能够通过调整超导线圈以及磁极的形状，并调整流动的电流，来调整有效磁场区域的形状以及磁通密度。
[0108]
超导电磁铁组110的超导电磁铁111与超导电磁铁112被相邻地配置，超导电磁铁112与超导电磁铁113被相邻配置。超导电磁铁111～113各自的被配置成隔着带电粒子束的路径的超导线圈对111a～113a分别被构成为，生成磁场朝向与带电粒子束的行进方向(x轴)正交的方向(z轴)的有效磁场区域131～133。有效磁场区域131相邻于有效磁场区域132来配置，有效磁场区域132相邻于有效磁场区域133来配置。有效磁场区域132的y轴位置的绝对值比有效磁场区域131的y轴位置的绝对值大，有效磁场区域133的y轴位置的绝对值比有效磁场区域132的y轴位置的绝对值大。
[0109]
同样地，超导电磁铁组120的超导电磁铁121与超导电磁铁122被相邻配置，超导电磁铁122与超导电磁铁123被相邻配置。超导电磁铁121～123各自的被配置成隔着带电粒子束的路径的超导线圈对121a～123a分别被构成为，生成磁场朝向与带电粒子束的行进方向(x轴)正交的方向(z轴)的有效磁场区域141～143。有效磁场区域141相邻于有效磁场区域142来配置，有效磁场区域142相邻于有效磁场区域143来配置。有效磁场区域142的y轴位置的绝对值比有效磁场区域141的y轴位置的绝对值大，有效磁场区域143的y轴位置的绝对值比有效磁场区域142的y轴位置的绝对值大。
[0110]
此外，由于带电粒子束所经过的、对置的超导线圈间的间隙(z轴方向的距离)与xy面中的带电粒子束的扩展范围相比足够小，因此，带电粒子束的z轴方向的扩展并不考虑。此外，在附图上，为了说明，在相邻的有效磁场区域间存在明显的间隔，然而，在本实施方式中，因该间隔造成的影响设为小到能够忽略的程度。
[0111]
图3是超导电磁铁装置100的a－a线剖视图。超导电磁铁装置100具备两组超导电磁铁组110、120，超导电磁铁组110、120分别由多个超导电磁铁111～113、121～123构成。
[0112]
超导电磁铁111具备对置的超导线圈对111a，在超导线圈对111a的内部装入有磁极(极点)111b。同样地，其他超导电磁铁112～113、121～123也分别具备对置的超导线圈对112a～113a、121a～123a，并在其内部装入有磁极(极点)112b～113b、121b～123b。
[0113]
此外，磁极(极点)112b～113b、121b～123b分别为了提高超导线圈对112a～113a、121a～123a的磁场强度而使用，然而也可以是不使用磁极的方式。此外，还可以设为不必对多个超导线圈对112a～113b、121a～123a中的全部使用磁极，而根据需要仅对所期望的超导线圈使用。例如，还可以对应于有效磁场区域中的带电粒子束的圆周运动所需要的曲率半径，来改变磁场的有无。
[0114]
在超导电磁铁装置100连接有电源(未图示)，通过从电源对超导电磁铁111～113、121～123供给电流(励磁电流)，来形成有效磁场区域131～133、141～143。
[0115]
此外，还可以设为使超导电磁铁组110中的超导电磁铁的数量与超导电磁铁组120中的超导电磁铁的数量不同。例如，还可以设为将正(+y轴方向)的超导电磁铁组110的超导电磁铁数设为三个来形成有效磁场区域131～133，将负(－y轴方向)的超导电磁铁组120的超导电磁铁数设为两个来形成有效磁场区域141～142。此外，如果正(+y轴方向)的偏转角的范围与负(－y轴方向)的偏转角的范围是非对称的，则可以与此对应地非对称地形成有效磁场区域。由此，能够消减不被使用的有效磁场区域，能够降低制造成本、消耗电力。
[0116]
被偏转电磁铁33偏转的、向超导电磁铁装置100的有效磁场区域131～133、141～143入射的带电粒子束的偏转角的范围是从正的最大偏转角的范围是从正的最大偏转角到负的最大偏转角的范围，正的最大偏转角是10度以上且不足90度的角度，负的最大偏转角－是超过－90度且－10度以下的角度。偏转角以及后述的照射角θ是在xy面相对于x轴的带电粒子束的路径的角度。
[0117]
以正的偏转角范围(超过)入射的带电粒子束对应于偏转角向有效磁场区域131～133的任一个进行入射。设定有效磁场区域131～133的形状以及磁通密度b，以使得即使带电粒子束向有效磁场区域131～133的任一个进行入射，带电粒子束也被偏转而收敛于等中心o。此外，关于有效磁场区域141～143也同样地，以负的偏转角范围(不足
)入射的带电粒子束对应于偏转角向有效磁场区域141～143的任一个进行入射。设定有效磁场区域141～143的形状以及磁通密度b，以使得即使带电粒子束向有效磁场区域141～143的任一个进行入射，带电粒子束也被偏转而收敛于等中心o。有效磁场区域131～133与有效磁场区域141～143的磁场的方向是相互相反的方向。
[0118]
向超导电磁铁装置100入射的带电粒子束的偏转角通过偏转电磁铁33来控制。偏转电磁铁33具备：生成朝向与从加速器(未图示)供给的带电粒子束的行进方向(图中x轴)正交的方向(图中z轴)的磁场，并将经过的带电粒子束偏转的电磁铁；以及控制该磁场的强度以及方向的控制部(未图示)。偏转电磁铁33通过后述的电磁铁控制部(未图示)控制偏转电磁铁33的磁场的强度以及方向(z轴方向)，从而在xy面将带电粒子束偏转，并将在偏转起点q以偏转角偏转了的带电粒子束向超导电磁铁装置100出射。这里，偏转起点q与等中心o位于x轴上。
[0119]
参照图4，对用于形成超导电磁铁装置100的各有效磁场区域131～133、141～143的计算式进行说明。此外，由于不考虑带电粒子束向z轴方向的偏转，因此，对在xy面中的各有效磁场区域131～133、141～143的形成进行说明。对超导电磁铁装置100的超导电磁铁组110的有效磁场区域131～133进行说明，然而，由于关于超导电磁铁组120的有效磁场区域141～143也是同样的，因此说明省略。此外，在本实施方式中，相邻的有效磁场区域间的间隙与有效磁场区域的面积相比足够小，因此并不考虑。
[0120]
如图4的(a)所示那样，与带电粒子束的出射侧e对应的有效磁场区域131～133各自的边界被决定为，位于相距等中心o而对应等距离r1的位置的范围。
[0121]
带电粒子束的入射侧i的有效磁场区域131～133各自的边界根据后述的关系式(1)～(5)被决定为，在位于相距等中心o而规定的距离l的位置的虚拟的偏转起点q，以偏转角偏转而入射的带电粒子束收敛于等中心o。这里，虚拟的偏转起点q是假定成在偏转电磁铁33的中心带电粒子束在极短距离之间受到偏转角的突跳(kick)的点。
[0122]
关于xy面中的有效磁场区域131的形状，以偏转角被输送来的带电粒子束从入射侧i的有效磁场区域131的边界上的任意的(任一个)点p1进入，在有效磁场区域131内进行曲率半径r2的圆周运动(此时的中心角成为)，从出射侧e的有效磁场区域131的边界上的点p2射出，朝向等中心o照射。也就是说，点p1和点p2位于半径r2以及中心角的圆弧上。向有效磁场区域131入射的带电粒子束的偏转角的范围成为超过0～的范围
[0123]
在xy面设想以等中心o为原点的xy坐标系。若设将出射侧e的点p2与等中心o连结的直线与x轴所成的角度为照射角θ，则根据以下的关系式(1)～(4)来求取入射侧i的点p1的坐标(x，y)、偏转角以及点q与点p1之间的距离r。
[0124]
【式4】
[0125]
x＝r1cosθ+r2(sinθ+sinφ)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0126]
y＝r1sinθ
‑
r2(cosθ
‑
cosφ)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0127][0128][0129]
这里，在有效磁场区域131内产生了一样的磁通密度b的磁场，若将带电粒子束的运动量设为p(大致依赖于加速器)、将电荷设为q，则由式(5)来表示在磁场中被偏转的带电粒子束的曲率半径r2(圆周运动的半径)。
[0130]
【式5】
[0131][0132]
根据上述式(1)～(5)，调整超导电磁铁111的超导线圈对111a以及磁极111b的形状以及配置，并调整在超导电磁铁111中流过的电流，由此，能够调整有效磁场区域131的边界的形状。
[0133]
即，决定边界以使出射侧e的有效磁场区域131的边界上的任意的点p2与等中心o之间的距离成为等距离r1，调整有效磁场区域131的磁通密度b并根据式(5)来决定r2，并决定入射侧i的有效磁场区域131的边界以使入射侧i的有效磁场区域131的边界上的点p1与偏转起点q之间的距离r具有式(4)的关系。此外，若调整偏转起点q、超导电磁铁装置100、以及等中心o的配置，以使经过偏转起点q的带电粒子束即使不受到基于超导电磁铁装置100的偏转也会收敛于等中心o，则能够使装置结构进一步简化，因此是优选的。
[0134]
如上述那样求取的超导电磁铁装置100的超导电磁铁111的有效磁场区域131的边界，是用于使带电粒子束收敛于等中心o的理想的形状。此外，实际上，即使存在与该理想的形状的偏差或磁场分布的不均一性，也将超导电磁铁装置100的励磁量(磁通密度b)按每个偏转角预先进行微调整，使该信息存储于电源装置(未图示)，并对它们进行控制以使偏转角与超导电磁铁装置100的电流量进行连动，由此，能够使带电粒子束与等中心o相匹配地进行偏转。此外，在能够提前预测磁场分布的不均一性的情况下，也能够通过调整超导线圈对111a以及磁极111b的形状以及配置，从而对带电粒子束的轨道进行微调整。
[0135]
关于超导电磁铁组110的超导电磁铁112的有效磁场区域132，也是同样的。然而，在有效磁场区域132中，通过调整发生的一样的磁场的磁通密度b(调整电流)，来调整在有效磁场区域132内的带电粒子束的曲率半径r3(圆周运动的半径)，使得带电粒子束收敛于等中心o。在图4所示的方式中，曲率半径r3与r2不同，是r3＞r2。此外，因有效磁场区域的形状等的不同，有时还成为r3＝r2或r3＜r2。
[0136]
即，如图4的(b)所示那样，关于xy面中的有效磁场区域132的形状，以偏转角被输送来的带电粒子束从入射侧i的有效磁场区域132的边界上的任意的(任一个)点p3进入，在有效磁场区域132内进行曲率半径r3的圆周运动(中心角)，从出射侧e的有效磁场区域132的边界上的点p4射出，朝向等中心o来照射。也就是说，点p3和点p4位于半径r3以及中心角的圆弧上。向有效磁场区域132入射的带电粒子束的偏转角的范围成为
的范围若设将出射侧e的点p4与等中心o连结的直线与x轴所成的角度为照射角θ，则根据以“r
3”置换上述式(1)～(5)中的“r
2”而得的以下关系式(1a)～(5a)，来求取入射侧i的点p3的坐标(x，y)、偏转角以及点q与点p3之间的距离r。式(5a)中的“b”是有效磁场区域132的磁通密度b。
[0137]
【式6】
[0138]
x＝r1cosθ+r3(sinθ+sinφ)
ꢀꢀꢀ
(1a)
[0139]
y＝r1sinθ
‑
r3(cosθ
‑
cosφ)
ꢀꢀꢀ
(2a)
[0140][0141][0142][0143]
根据上述式(1a)～(5a)，调整超导电磁铁112的超导线圈对112a以及磁极112b的形状以及配置，并调整在超导电磁铁112中流过的电流，由此，能够调整有效磁场区域132的边界的形状。即，决定边界以使出射侧e的有效磁场区域132的边界上的任意的点p4与等中心o之间的距离成为等距离r1，调整有效磁场区域132的磁通密度b，根据式(5a)来决定r3，并决定入射侧i的有效磁场区域132的边界，以使入射侧i的有效磁场区域132的边界上的点p3与偏转起点q之间的距离r具有式(4a)的关系。
[0144]
关于超导电磁铁组110的超导电磁铁113的有效磁场区域133，也是同样的。然而，在有效磁场区域133中，通过调整发生的一样的磁场的磁通密度b(调整电流)，来调整在有效磁场区域133内的带电粒子束的曲率半径r4(圆周运动的半径)，使得带电粒子束收敛于等中心o。在图4所示的方式中，曲率半径r4与r2或r3不同，是r4＞r3＞r2。此外，因有效磁场区域的形状的不同，有时还成为r4＝r3＝r2、或者r4＜r3＜r2等。
[0145]
即，如图4的(c)所示那样，关于xy面中的有效磁场区域133的形状，以偏转角被输送来的带电粒子束从入射侧i的有效磁场区域133的边界上的任意的(任一个)点p5进入，在有效磁场区域133内进行曲率半径r4的圆周运动(中心角)，从出射侧e的有效磁场区域133的边界上的点p6射出，朝向等中心o来照射。也就是说，点p5和点p6位于半径r4以及中心角的圆弧上。向有效磁场区域133入射的带电粒子束的偏转角的范围成为的范围。若设将出射侧e的点p6与等中心o连结的直线与x轴所成的角度为照射角θ，则根据以“r
4”置换上述式(1)～(5)中的“r
2”而得的以下关系式(1b)～(5b)，来求取入射侧i的点p5的坐标(x，y)、偏转角以及点q与点p5之间的距离r。式(5b)中的“b”是有效磁场区域133的磁通密度b。
[0146]
【式7】
[0147]
x＝r1cosθ+r4(sinθ+sinφ)
ꢀꢀꢀ
(1b)
[0148]
y＝r1sinθ
‑
r4(cosθ
‑
cosφ)
ꢀꢀꢀ
(2b)
[0149][0150][0151][0152]
根据上述式(1b)～(5b)，调整超导电磁铁113的超导线圈对113a以及磁极113b的形状以及配置，并调整在超导电磁铁113中流过的电流，由此能够调整有效磁场区域133的边界的形状。即，决定边界以使出射侧e的有效磁场区域133的边界上的任意的点p6与等中心o之间的距离成为等距离r1，调整有效磁场区域133的磁通密度b，根据式(5b)来决定r4，并决定入射侧i的有效磁场区域133的边界，以使入射侧i的有效磁场区域133的边界上的点p5与偏转起点q之间的距离r具有式(4b)的关系。
[0153]
关于超导电磁铁组120的超导电磁铁121～123在有效磁场区域141～143的xy面中的形状，是与有效磁场区域131～133同样的，省略说明。
[0154]
如以上那样，通过规定xy面中的超导电磁铁111～113的有效磁场区域131～133的形状，能够以对应于偏转角的照射角θ的照射角度，使带电粒子束向等中心o收敛。
[0155]
此外，相比于如图11所示的现有技术那样通过单一的超导电磁铁形成使带电粒子束收敛于等中心o的有效磁场区域的情况，在使用本实施方式所涉及的超导电磁铁组110、120的情况下，能够降低蓄积能量。即，超导线圈的蓄积能量(＝li2/2)与超导线圈的电感l(＝bs/i)(s是磁通所交叉的面积、即在xy面中的有效磁场区域的面积。)成比例，其结果，与现有的单一的超导电磁铁相比，能够降低超导电磁铁111～113、121～123各自的面积s。因此，与以往的单一的超导电磁铁相比，各超导电磁铁111～113、121～123的蓄积能量能够降低。其结果，能够降低超导线圈端子问的电压、淬火时发生的淬火电压，此外还能够降低从超导线圈发生的漏磁场。
[0156]
＜第2实施方式＞
[0157]
本发明的第2实施方式涉及超导电磁铁组110中的各超导电磁铁111～113在xy面中相对于相邻的超导线圈而倾斜地配置的结构。此外，不考虑向z轴方向的倾斜。此外，关于超导电磁铁组120也是同样的，因此省略说明。
[0158]
如图5的(a)所示那样，在xy面中，将构成有效磁场区域132的超导电磁铁112，与相邻的超导电磁铁111的有效磁场区域131的形状相匹配地，相对于x轴以角度ψ倾斜地配置。即，将有效磁场区域132相对于有效磁场区域131以角度ψ倾斜，相邻于有效磁场区域131来配置。
[0159]
例如，将穿过有效磁场区域131中的、位于最靠近有效磁场区域132侧的入射点p1与出射点p2的直线(将以偏转角入射到有效磁场区域131的带电粒子束所穿过的路径的入射点p1与出射点p2相连的直线)，相对于x轴以角度ψ1倾斜。ψ1是(将时的θ设为θ
max1
)。这样，在xy面中，以相对于x轴的角度ψ1将超导电磁铁112倾斜，相邻于超导电磁铁111来配置。即，将有效磁场
区域132相对于有效磁场区域131以角度ψ1倾斜，相邻于有效磁场区域131来配置。
[0160]
同样地，如图5的(b)所示那样，在xy面中，将构成有效磁场区域133的超导电磁铁113，与相邻的超导电磁铁112的有效磁场区域132的形状相匹配地，以相对于x轴的角度ψ倾斜地配置。即，将穿过有效磁场区域132中的、位于最靠近有效磁场区域133侧的入射点p3与出射点p4的直线(将以偏转角入射到有效磁场区域132的带电粒子束所穿过的路径的入射点p3与出射点p4相连的直线)，相对于x轴以角度ψ2倾斜。ψ2由由表示(将时的θ设为θ
max2
)。这样，在xy面中，以相对于x轴的角度ψ2将超导电磁铁113倾斜，相邻于超导电磁铁112来配置。即，将有效磁场区域133相对于有效磁场区域132以角度ψ2倾斜，相邻于有效磁场区域132来配置。
[0161]
在xy面中，对于超导电磁铁111～113、121～123的每一个，针对相邻的超导电磁铁以相对于x轴的角度ψ倾斜地配置，由此，能够将相邻的有效磁场区域间无缝相连。此外，在附图上，为了说明，在相邻的有效磁场区域间存在明显的间隔，然而在本实施方式中，因该间隔造成的影响设为小到能够忽略的程度。
[0162]
＜第3实施方式＞
[0163]
在本发明的第3实施方式中，涉及将在低温恒温器105中内包的超导电磁铁组110中包括的超导电磁铁111～115的数量设为5个，并使超导电磁铁111～115各自的电感l相等的方式(图6)。此外，关于超导电磁铁组120也是同样的，说明省略。此外，在本实施方式中超导电磁铁的数量并不限定于5个。此外，在图6中，有效磁场区域131～135的面积也许看起来并不严格相同，然而，这并不是刻意为之的。
[0164]
在本实施方式中，多个超导电磁铁111～115的每一个具有在xy面中相互相等的面积的有效磁场区域131～135。此外，也将有效磁场区域131～135各自的磁通密度b设定得相互相等。由此，超导电磁铁组110的超导电磁铁111～115各自的电感l变得相互相等。此外，在各有效磁场区域131～135内，构成为带电粒子束进行相互相同的曲率半径的圆周运动，并收敛于等中心o。
[0165]
通过超导电磁铁111～115的电感l一致，从与超导电磁铁111～115连接的电源观察到的阻抗变得相互相等，按每个超导电磁铁111～115的电源的调整变得不必要，能够减少电源的数量。在本实施方式中，能够设为使用一个电源150和一个切换器151，分别与超导电磁铁111～115进行通电的结构。
[0166]
图7是电源150、切换器151、超导电磁铁111～115以及有效磁场区域131～135的框图。
[0167]
对应于相对于等中心o的照射角θ，来选择所使用的超导电磁铁111～115，并通过切换器151来切换来自电源150的电流的供给，由此能够对带电粒子束所经过的有效磁场区域131～135有效地供给电流。例如，在带电粒子束向有效磁场区域132入射的情况下，还可以设为利用切换器151切换来自电源150的电流，仅将产生有效磁场区域132的超导电磁铁112励磁，不将其他超导电磁铁111、113～115励磁。此外，例如在带电粒子束向有效磁场区域134入射的情况下，还可以设为，利用切换器151切换来自电源150的电流，仅将产生有效磁场区域134的超导电磁铁114励磁，不将其他超导电磁铁111～113、115励磁。通过这样选择性地将超导电磁铁励磁，能够抑制无用的磁场的发生，降低能量消耗，并减少淬火或漏磁
场的发生。
[0168]
在本实施方式中，使超导电磁铁组中包括的各超导电磁铁的有效磁场区域的磁通密度b与xy面中的有效磁场区域的面积s相互相等，并使电感l固定，由此能够降低超导电磁铁的电源的数量或要励磁的超导电磁铁的数量，电源管理变得容易。
[0169]
＜第4实施方式＞
[0170]
在本发明的第4实施方式中，尽管与第3实施方式是同样的，然而使用用于将超导电磁铁励磁的两个电源(图8)。本实施方式涉及带电粒子束经过相邻的两个有效磁场区域来收敛于等中心o的结构。
[0171]
与第3实施方式同样地，超导电磁铁组110中包括的超导电磁铁111～115各自的电感l相等，然而在本实施方式中构成为，为了使带电粒子束收敛于等中心o，各有效磁场区域131～135的磁通密度b以及xy面中的有效磁场区域131～135的面积相互不同。
[0172]
即，若将有效磁场区域131～135各自的磁通密度设为b1～b5，将xy面中的面积设为s1～s5，则在本实施方式中，当电流值i在各超导电磁铁111～115中固定的情况下，成为l＝b1s1＝b2s2＝b3s3＝b4s4＝b5s5。决定有效磁场区域131～135的面积s1～s5，以便满足该关系。由于各超导电磁铁111～115的电感相互相等，因此，从电源观察的情况下的阻抗也变得相等。其结果，关于电源，按每个超导电磁铁111～115的调整变得不需要，电源管理变得容易。
[0173]
在带电粒子束入射到有效磁场区域132后并进入有效磁场区域133之后，返回有效磁场区域132，并向等中心o照射的情况下，电源150a将超导电磁铁112励磁，电源150b将超导电磁铁113励磁。由于其他的超导电磁铁111、114、115并不被励磁，因此，能够降低漏磁场的影响。
[0174]
将对应于相对于等中心o的照射角θ而电流的供给被切换器151切换的模式、即超导电磁铁111～115的励磁模式的例i～v示出在表1中。
[0175]
【表1】
[0176][0177]
励磁模式i是带电粒子束经过超导电磁铁114的有效磁场区域134以及/或者超导电磁铁115的有效磁场区域135的情况(即，对应带电粒子束经过有效磁场区域134、135的照射角θ)，通过切换器151，超导电磁铁114以及115分别被电源150a以及电源150b励磁，其他超导电磁铁111～113不被励磁。
[0178]
励磁模式ii是带电粒子束经过超导电磁铁113的有效磁场区域133以及/或者超导电磁铁114的有效磁场区域134的情况(即，对应带电粒子束经过有效磁场区域133、134的照射角θ)，超导电磁铁113以及114分别被电源150b以及电源150a励磁，其他超导电磁铁111、112、115不被励磁。
[0179]
励磁模式iii是带电粒子束经过超导电磁铁112的有效磁场区域132以及/或者超导电磁铁113的有效磁场区域133的情况(即，对应带电粒子束经过有效磁场区域132、133的照射角θ)，超导电磁铁112以及113分别被电源150a以及电源150b励磁，其他的超导电磁铁111、114、115不被励磁。
[0180]
励磁模式iv是带电粒子束经过超导电磁铁111的有效磁场区域131以及/或者超导电磁铁112的有效磁场区域132的情况(即，对应带电粒子束经过有效磁场区域131、132的照射角θ)，超导电磁铁111以及112分别被电源150b以及电源150a励磁，其他的超导电磁铁113～115不被励磁。
[0181]
励磁模式v是带电粒子束仅经过超导电磁铁111的有效磁场区域131的情况(即，对应带电粒子束经过有效磁场区域131的照射角θ)，超导电磁铁111被电源150a励磁，其他超导电磁铁112～115不被励磁。
[0182]
这样，在本实施方式中，通过选择性地将超导电磁铁励磁，从而能够抑制无用的磁场的发生，降低能量消耗，并减少淬火或漏磁场的发生。此外，通过设计成在超导电磁铁组中包括的各超导电磁铁的电感变得相互相等，能够使对超导电磁铁的电源简单化，并能够降低所使用的电源的数量或要励磁的超导线圈的数量，电源管理变得容易。
[0183]
＜第5实施方式＞
[0184]
在本发明的第5实施方式中，涉及在如下情况下进行处理的结构：超导电磁铁组110中包括的三个超导电磁铁111～113所生成的有效磁场区域131～133的相邻的有效磁场区域之间相对分离，产生在相邻的有效磁场区域间磁场强度变低的影响。此外，超导电磁铁组110中的超导电磁铁的数量不限定于三个。
[0185]
图9是表示超导电磁铁111～113的有效磁场区域131～133的与磁通密度b(在aa线处)的关系的说明图。在图9的(a)中，表示了相邻的有效磁场区域131以及132与相邻的有效磁场区域132以及133之间相对开放，在其之间磁通密度b变得比较低的状态。
[0186]
在本实施方式中，如图9的(b)所示那样，调整超导电磁铁112的形状以及配置，以使超导电磁铁112的有效磁场区域133a与相邻的有效磁场区域131以及133一部分重叠。此外，在图9中省略了超导电磁铁组120，然而与超导电磁铁组110是同样的。
[0187]
图10是图9的(b)的bb线剖视图。如图10所示那样，构成为与超导电磁铁111、113在z方向上错开地配置超导电磁铁112，有效磁场区域132a与相邻的有效磁场区域131以及133一部分重叠。关于超导电磁铁122，也同样地构成为，与超导电磁铁121、123在z方向上错开地配置，有效磁场区域142a与相邻的有效磁场区域141以及143一部分重叠。
[0188]
通过本实施方式所涉及的结构，在相邻的有效磁场区域间磁场强度变低的问题被消除或者降低。
[0189]
在上述中说明的尺寸、材料、形状、结构要素的相对位置等可对应于适用本发明的装置的构造或者各种条件而变更。并不意在受限定于在说明中使用的特定的用语以及实施方式，若是本领域技术人员，则能够使用其他同等的结构要素，上述实施方式只要不脱离本
发明的主旨或者范围，则还能够进行其他变形以及变更。此外，即使并未明确地前述，然而，还能够将与本发明的一个实施方式关联地说明的特征连同其他方式一起来使用。