JP4622091B2

JP4622091B2 - Pulsed field deflection electromagnet

Info

Publication number: JP4622091B2
Application number: JP2000361132A
Authority: JP
Inventors: 晋徳良; 淳平田; 正史郎中島; 康行宮内
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2020-11-28
Also published as: JP2002164200A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空容器の偏向部に設けられ、加速された陽子を偏向させるための常伝導のパルス磁場偏向電磁石に係り、特に真空容器の偏向部に一様な磁場を発生させることができるパルス磁場偏向電磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、患者への負担の少ない陽子線がん治療装置の普及を図るため、敷地面積の縮小やコストダウンが求められている。陽子線がん治療装置は、陽子シンクロトロンが装置の中核であり、陽子シンクロトロンから高エネルギーとなった陽子ビームを取り出し、この高エネルギーの陽子ビームを、患者のがん細胞に当ててがん細胞のみを確実に破壊するものである。陽子線がん治療装置は、粒子である陽子を利用しているので、他の正常な細胞を傷つけることがなく、しかも放射線の影響もないという利点がある。
【０００３】
装置の中核をなす陽子シンクロトロンの大きさは、真空容器の偏向部に設けられ、加速された陽子を偏向させる偏向電磁石で発生する磁場の強度に反比例する。磁極の飽和を出来るだけ抑制し、常伝導で定常的に発生できる磁場は３Ｔが上限となっている。このため、陽子シンクロトロンは約７ｍ四方の大型のものとなり、価格も高価となる。
【０００４】
磁束密度が３Ｔ以上の磁場を得るには２つの方法がある。１つの方法は、超伝導磁石を利用することである。超伝導磁石は磁束密度が３Ｔ以上の磁場を発生可能であるが、シンクロトロンに適用するとコストが膨大となるため現実的でない。
【０００５】
もう１つの方法は、磁極の飽和を前提とした常伝導のパルス磁場電磁石を用いることである。
【０００６】
従来のパルス磁場電磁石を利用した陽子シンクロトロンとして、例えば、ロシアで５Ｔの磁場を発生する超小型のパルス型陽子シンクロトロンが試作された(L.Pidarde,C.Ronsivalle,A.Vignati,"Preliminary Design of a Technologically Advanced and Compact Synchrotron for Proton Therapy,"1994.11.) 。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のパルス磁場電磁石は、磁束密度が３Ｔ以上の磁場を発生させることができる一方で、そのように発生した磁場は時間的に大きく変動しているため、シンクロトロンに必要となる真空容器の偏向部における磁場の均一性を維持することが困難であるという問題がある。
【０００８】
上述のパルス型陽子シンクロトロンは、小型ではあるものの、真空容器の偏向部の磁場が性能上問題となるほど不均一であったため、未完成となっている。このロシアで試作された陽子線がん治療用の陽子シンクロトロンでは、最大加速エネルギーが２００ＭｅＶで、真空容器の偏向部の中心磁場が５Ｔであったが、真空容器の偏向部の磁場の多重極成分（間隙内の磁場の歪み）が１／１００のオーダーであったため、十分なビームが得られないという解析結果となった。陽子が真空容器の偏向部で十分に偏向されず、真空容器に衝突するなどしてエネルギーが失われてしまうのである。これにより、偏向電磁石で発生する多重極成分を減らし、真空容器の偏向部における磁場の均一性を維持することが要求されている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、真空容器の偏向部に一様な磁場を発生させることができ、加速された陽子の軌道半径を小さくして加速器の小型化・低価格化を図ったパルス磁場偏向電磁石を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、内部に陽子ビームの通路を有する環状の真空容器の偏向部に設けられ、加速された陽子を偏向させるための３Ｔ以上の磁場を発生するパルス磁場偏向電磁石において、前記偏向部において、真空容器の垂直な両外側面に沿って配置され、前記真空容器を挟んで対向に巻き付けられた、偏向コイルの真空容器側の表面と前記偏向コイル内部との電流密度分布の差を抑えて、前記偏向部に一様な磁場を発生させるべく、真空容器側から離れるにつれて、前記偏向コイルの陽子ビームと交差する磁場方向の幅を前記真空容器側の陽子ビームと交差する磁場方向の幅よりも広くしたパルス磁場偏向電磁石である。
【００１１】
請求項２の発明は、前記偏向コイルの真空容器側の陽子ビームと交差する磁場方向の両側部に段差部を形成して前記偏向コイルの陽子ビームと交差する磁場方向の幅を変化させた請求項１記載のパルス磁場偏向電磁石である。
【００１２】
請求項３の発明は、前記偏向部の偏向コイルを、前記真空容器に沿って巻き付け、その偏向部で対向した前記偏向コイルの陽子ビームと交差する磁場方向の両側部に段差部を形成すると共にヨークで覆い、その偏向コイルに、繰り返し周波数が約１Ｈｚ、立上がり時間が３．５ｍｓｅｃ、電流値が２００ｋＡのパルス電流を印加してヨークを飽和させ、前記真空容器の偏向部に磁束密度が約４Ｔの一様な磁場を発生させる請求項２記載のパルス磁場偏向電磁石である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１４】
まず、図２で陽子シンクロトロンを説明する。
【００１５】
図２は、本発明の適用例である陽子シンクロトロンの平面図を示したものである。
【００１６】
図２に示すように、陽子シンクロトロン２０は、環状に形成された真空容器２１と、真空容器２１内に入射された陽子ビームを加速する高周波加速空洞２２ａ、２２ｂと、真空容器２１の偏向部２３ａ〜ｄに設けられ、加速された陽子ビームを偏向させるための偏向電磁石２４ａ〜ｄと、偏向された陽子ビームを収束するための収束電極２５ａ〜ｄと、偏向電磁石２４ａ〜ｄに、電流通路２６ａ〜ｄを介してパルス電流を印加するパルス電流供給部２７とを備えている。
【００１７】
図では描いていないが、陽子シンクロトロン２０には、エネルギーが約１ＭｅＶの陽子ビームを陽子シンクロトロン２０に入射させるためのバンデグラーフ(Van de Graaff) 形加速器などが接続されている。
【００１８】
陽子シンクロトロン２０は、入射部２８に入射された約１ＭｅＶの陽子ビームを、高周波加速空洞２２ａ、２２ｂで加速しつつ、偏向部２３で偏向させて真空容器２１内を周回させ、数十ＭｅＶ〜数百ＭｅＶの陽子ビームとして出射部２９から取り出すものである。この陽子シンクロトロン２０を陽子線がん治療装置に組み込み、がん治療に使用する。
【００１９】
さて、図１は、本発明の好適実施の形態であるパルス磁場偏向電磁石の断面図を示したものである。
【００２０】
図１に示すように、本発明のパルス磁場偏向電磁石１は、内部に陽子ビームの通路を有する環状の真空容器２１の偏向部２３に設けられ、加速された陽子を偏向させるための３Ｔ以上の磁場を発生するものであり、偏向部２３において、真空容器２１の垂直な両外側面に沿って配置され、真空容器２１を挟んで対向に巻き付けられた、偏向コイル２の真空容器２１側の表面と偏向コイル２内部との電流密度分布の差を抑えて、偏向部２３に一様な磁場を発生させるべく、真空容器２１側から離れるにつれて、偏向コイル２の真空容器２１の反対側の図示上下の長さ（偏向コイル２の陽子ビームと交差する磁場方向の幅）を真空容器２１側の図示上下の長さ（真空容器２１側の陽子ビームと交差する磁場方向の幅）よりも長く（広く）したものである。
【００２１】
図では、偏向コイル２の上下に、真空容器２１からの距離に応じて偏向コイル２の高さが高くなるように階段状の段差部３ａ〜ｃを形成した例で描いているが、傾斜面を有する段差部３を形成してもよいし、滑らかな曲線状の段差部３を形成してもよい。すなわち、偏向コイル２の真空容器２１側の上下は、パルス電流のコイル２内への浸透深さに応じて高さを変化させればよい。
【００２２】
本実施の形態では、偏向コイル２を、真空容器２１の偏向部２３の周囲に沿って巻き付け、その偏向部２３で対向したコイル２の上下に段差部３ａ〜ｃを形成すると共にヨーク４で覆っている。真空容器２１、偏向コイル２、ヨーク４で囲まれた部分には、間隙５が区画形成される。
【００２３】
偏向コイル２としては、例えば、銅からなる１つの導体を、真空容器２１の偏向部２３の周囲に沿って１巻となるように巻き付けているが、数回巻きとしてもよい。
【００２４】
ヨーク４は、鉄などからなる磁性体で形成されている。ヨーク４は、偏向コイル２で発生した磁束が外部へ漏れるのを防ぐためのものであり、真空容器２１の上下では磁極４ａ，４ｂともなる。
【００２５】
本発明は、偏向コイル２に、後述するパルスの大電流を流すことにより、ヨーク４を飽和させ、真空容器２１の偏向部２３に磁束密度が約４Ｔの一様な磁場を発生させるものである。鉄は磁束密度が約２Ｔで飽和するために、それ以上の磁束密度下では空気と見なせるので、本発明では、磁極４ａ，４ｂの形状は不問であり、さらに言えば、ヨーク４の部分は空気でもよい。
【００２６】
真空容器２１内の真空度は、１０^-7Ｐａ以下にしている。真空容器２１の断面は、陽子が周回する軌道に直角方向（図では縦方向）が長くなるように略長穴状に形成されている。加速された陽子は、真空容器２１の偏向部２３において、自身の速度と、偏向コイル２が発生する周回軌道面に対して鉛直方向の磁束密度とによる電磁力によって偏向される。このとき陽子には、周回軌道の中心方向に働く電磁力と、この電磁力に対して反対方向に働く遠心力とがつり合って作用する。真空容器２１の断面形状は、陽子が電磁力や遠心力によって周回軌道の径方向に微動しても、真空容器２１内面に衝突しないようにして決定される。
【００２７】
本発明の作用を説明する。
【００２８】
まず、偏向コイル２にパルス電流を印加する。パルス電流は高周波電流なので偏向コイル２内に電流が一気に浸透することはなく、表皮効果により、パルス電流印加後の時間経過に伴って偏向コイル２内に徐々に浸透していく。この電流の浸透深さは一定である。
【００２９】
このとき、偏向コイル２は真空容器２１を挟んで対向するように配置されているため、従来のようにコイルの高さが一定のままでは、近接効果により、間隙５側の偏向コイル２表面では電流密度が極端に高く、偏向コイル２内部では電流密度が低いという状態となり、偏向コイル２の表面と内部とで電流密度分布の差が広がってしまう。
【００３０】
本発明のパルス磁場偏向電磁石１は、偏向コイル２の真空容器２１の反対側の上下の長さを真空容器２１側の上下の長さよりも長くしているので、すなわち、偏向コイル２の高さを、電流の浸透深さに応じて変えているので、電流が偏向コイル２内に浸透するにつれて偏向コイル２の高く形成した部分（段差部３ａ〜ｃ）にも呼び込まれ、間隙５側の偏向コイル２表面では電流密度が下がる。コイル断面で言えば、電流の浸透深さに応じてコイル断面積が増加するように偏向コイル２の高さを変えているので、偏向コイル２内部の電流密度の減少に伴い、間隙５側の偏向コイル２表面では電流密度が低くなって偏向コイル２全体の電流密度が下がる。
【００３１】
これにより、偏向コイル２の表面と内部とで電流密度分布の差を抑えることができ、真空容器２１の偏向部２３に磁束密度が一様な磁場を発生させることができる。
【００３２】
このパルス磁場偏向電磁石１を加速器に用いれば、加速された陽子に、周回軌道の中心方向に働く強力な電磁力を発生させることができるので、加速された陽子の軌道半径を小さくして加速器の小型化・低価格化を図ることができる。よって、陽子シンクロトロンを２ｍ四方ほどの大きさに小型化し、陽子線がん治療装置の敷地面積の縮小、コストダウンを実現することができる。
【００３３】
このように、本発明のパルス磁場偏向電磁石１は、常伝導で磁束密度が約４Ｔの一様な磁場を発生させることができるので、陽子シンクロトロンの小型化が図れ、医院程度の小さな施設にも陽子線がん治療装置を設置することが可能となり、医療サービスの充実化にも貢献することができる。
【００３４】
次に、本発明に係る偏向コイル２の形状を決定する手順を説明する。
【００３５】
まず、数値解析によって、偏向コイル２にパルス電流を印加したときのコイル２断面の電流密度分布を経時的に求める。
【００３６】
図３は、本発明に係る偏向コイルの形状を決定する数値解析のための概念図である。
【００３７】
図３に示すように、段差部を形成しない偏向コイル３０を想定し、その偏向コイル３０を用いたパルス磁場偏向電磁石１の断面図を、間隙５の中心点（真空容器２１の偏向部２３の中心点）を原点ＯとしてＸ−Ｙ平面としている。
【００３８】
ここでは、陽子の周回軌道の径方向をＸ軸にとり、偏向コイル２によって間隙５内に発生する磁場の方向をＹ軸にとって、間隙５内に発生する座標（ｒ，θ）におけるＹ方向成分の磁束密度Ｂｙとして極座標表示している。なお、図３ではヨーク４を支持部材６で覆ったものを描いている。
【００３９】
図４は、本発明に係る偏向コイルに印加するパルス電流の一例を示す波形図である。図では横軸を時間Ｔにとり、縦軸を電流値Ｉにとってパルス電流波形Ｐを示している。
【００４０】
図４に示すように、本実施の形態では、偏向コイル２に、繰り返し周波数が約１Ｈｚ（時間０から時間ｔ₂ までの周期が約１秒）、立上がり時間（時間０から時間ｔ₁ まで又は時間ｔ₂ からｔ₃ まで）が３．５ｍｓｅｃ、電流値Ｉｐが２００ｋＡのパルス電流を印加する。パルス電流波形Ｐは、略１／４正弦波である。本発明では、このパルス電流を偏向コイルに印加することによって、常伝導でヨーク（磁極）を３．５ｍｓｅｃという短時間で瞬時に飽和させ、間隙内に磁束密度が約４Ｔの一様な磁場を発生させるようにしている。
【００４１】
図５は、数値解析によって求めた偏向コイル３０（断面）内の電流密度分布図を示したものである。図５（ａ）はパルス電流印加開始から０．４２ｍｓｅｃ経過時、図５（ｂ）は１．４ｍｓｅｃ経過時、図５（ｃ）は３．５ｍｓｅｃ経過時の電流密度分布の経時変化をそれぞれコンタ（等高線）表示している。
【００４２】
図では、偏向コイル３０の断面右端Ｒがヨーク４側、断面左端Ｌが間隙５側となっている。断面右端Ｒと太線で囲まれた領域Ｄ₀ が最も電流密度の低い領域で、以下、太線と実線で囲まれた領域Ｄ₁ 、実線と点線で囲まれた領域Ｄ₂ 、点線と一点鎖線で囲まれた領域Ｄ₃ 、一点鎖線と二点鎖線で囲まれた領域Ｄ₄ となるにしたがって電流密度が高くなり、二点鎖線と断面左端Ｌで囲まれた領域Ｄ₅ が最も電流密度の高い領域である。なお、図中の断面円状の空間はコイル通電による発熱を冷却するための冷却水流路である。
【００４３】
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、パルス電流印加後の時間経過に伴い、電流はコイル３０断面において内部へと浸透し、間隙５側で電流密度が極端に高く、コイル３０内部で低いという分布となる。電流がコイル３０内に浸透するにつれてコイル３０の表面と内部とで電流密度分布の差が広がっていることがわかる。
【００４４】
この経時的に変化する電流密度分布は、電流の浸透深さに応じてコイルの高さを変えることで意図的に変化させることができ、ひいてはそれによって生じる間隙５内の磁束密度分布をも変化させることが可能となる。
【００４５】
図６は、図５の電流密度分布に基づき、間隙内の磁束密度分布図の経時的変化を求めて示したものである。図では、横軸を間隙５中心点からの距離Ｘ（ｃｍ）にとり、縦軸としては磁束密度Ｂｙを間隙中心点の磁束密度Ｂｙ0 で正規化（Ｂｙ／Ｂｙ0 ）した値にとっている。図中の曲線は、時間０ｍｓｅｃのときＢｙ／Ｂｙ0 が１で横軸に平行な直線であり、時間がたつにつれて曲率が大きくなっている。
【００４６】
図６に示すように、コイル３０では、コイル３０の表面と内部とで電流密度分布の差が広がっていることから、パルス電流印加後の時間経過に伴い、磁束密度分布図が間隙５中心点から離れるにつれて立ち上がっていることがわかる。これは、間隙５内の磁場の歪み（多重極成分）が大きいことを示している。
【００４７】
以上の結果を用いて、本発明に係る偏向コイル２の形状を決定する。偏向コイル３０内部への電流の浸透深さに応じてコイル３０の高さを変えることで、コイル３０内部の電流密度分布をコントロールし、間隙５内の磁場の多重極成分を減少させる。
【００４８】
一例を挙げると、間隙５断面において、その断面の中心の磁束密度Ｂｙ0 に対してコイル側の磁束密度Ｂｙが大きくなる場合は、コイル３０内部側のコイル３０の高さを高くすることで、浸透深さは一定で面積が増加するためコイル３０内部の電流密度が減少し、間隙５内のコイル３０側の磁束密度が小さくなり、間隙５内の磁束密度分布（あるいは磁場）を一様な方向に導くことができる。
【００４９】
図７は、図１に示したパルス磁場偏向電磁石１を用いた真空容器２１の偏向部２３（間隙内）における磁束密度分布図の経時的変化を示したものである。
【００５０】
図７に示すように、図６と比較すると、本発明のパルス磁場偏向電磁石１では、偏向コイル２の上下に段差部３ａ〜ｃを形成しているので、パルス電流印加後の時間経過に伴い、磁束密度分布図が間隙５中心点から離れるにつれて立ち下がっていることがわかる。これは、間隙５内の磁場の歪み（多重極成分）が小さくなったことを示している。
【００５１】
図８は、偏向コイル２（断面）内の電流密度分布図を示したものである。図８（ａ）はパルス電流印加開始から０．４２ｍｓｅｃ経過時、図８（ｂ）は１．４ｍｓｅｃ経過時、図８（ｃ）は２．８ｍｓｅｃ経過時、図８（ｄ）は３．５ｍｓｅｃ経過時の電流密度分布の経時変化をそれぞれコンタ表示している。
【００５２】
図８に示すように、図５と比較すると、本発明のパルス磁場偏向電磁石１では、電流が偏向コイル２内に浸透するにつれて段差部３ａ〜ｃにも呼び込まれることで、偏向コイル２の表面と内部とで電流密度分布の差を抑えていることがわかる。これにより、真空容器２１の偏向部２３に磁束密度が一様な磁場を発生させることができる。
【００５３】
次に、上述した内容を簡略化して本発明を図９〜図１５で説明する。
【００５４】
図９は、簡略化したコイル３０の断面図を示したものである。説明を簡単にするため、図９中のＸ軸上の磁束密度Ｂｙと電流密度についてのみ考慮する。さらに、コイル内Ｘ軸上を４等分し、それぞれの領域に電流が集中しており、コイル３０内Ｘ軸上に４本の無限線電流Ｉが流れていると考える。
【００５５】
コイル３０内Ｘ軸上の電流密度分布の経時的変化を簡略化して描くと、図１０のようになる。図１０（ａ）から図１０（ｃ）の順で時間が経過している。
【００５６】
ここで、無限線電流ＩがＸ軸上に作る磁束密度Ｂは透磁率をμとすると、ビオ・サバールの法則により、（μ／２π）・（Ｉ／ｘ）とあらわせるので、図１０に適用すると、それぞれの無限線電流が作る磁束密度Ｂｙは図１１のようになる。それらを重ね合わせると図１２のようになり、磁束密度Ｂｙ分布図が得られる。
【００５７】
図１２に示すように、コイル３０では高さが一定であるので、パルス電流印加後の経過時間に伴って電流がコイル３０の間隙５側に集中してしまい、磁束密度Ｂｙの曲線の両端が立ち上がってしまうことがわかる。
【００５８】
いま、電流の浸透深さに応じてコイル高さを高くしていくコイル２の場合を図１３〜図１５に示す。時間経過では、図１３〜図１５の各（ａ）、（ｂ）が、図１０〜図１２の各（ｂ）、（ｃ）にあたる。
【００５９】
図１５に示すように、ヨーク４側のコイルの高さを高くする（電流の浸透深さに応じて真空容器２１側のコイル２の上下に段差部３ａ，３ｂを形成する）と、電流がコイル２の間隙５側に集中することがなく、コイル２全体の電流密度（電流）が減少し、磁束密度Ｂｙの曲線の両端の立上がりを抑えることができることがわかる。
【００６０】
図１６は、本発明の第２の実施の形態であるパルス磁場偏向電磁石１６０の断面図とその間隙内の磁束密度分布図の経時的変化を図７と同様にして示したものである。また、図１７は、本発明の第３の実施の形態であるパルス磁場偏向電磁石１７０の断面図とその間隙内の磁束密度分布図の経時的変化を示したものである。
【００６１】
パルス磁場偏向電磁石１６０では、偏向コイル２の真空容器側２１の上下に段差部３ａを形成している。パルス磁場偏向電磁石１７０は、偏向コイル２の真空容器側２１の上下に段差部３ａ，３ｂを形成したものである。
【００６２】
図１６および図１７に示すように、偏向コイル２の上下に、１つの段差部３ａを形成しても、磁束密度Ｂｙの曲線の両端の立上がりを抑えることができ、２つの段差部３ａ，３ｂを形成すればより効果的であることがわかる。このことは、図１８に示したロシアで試作されたパルス磁場偏向電磁石１８０の磁束密度分布図と比較するとより明確になる。
【００６３】
また、多重極成分の経時的変化について本発明とロシアで試作されたパルス磁場偏向電磁石１８０とを比較してみる。
【００６４】
ロシアのパルス磁場偏向電磁石１８０では、多重極成分（ｎ＝２）が１／１００のオーダーになる。これに対し、本発明に係るパルス磁場偏向電磁石１では、多重極成分（ｎ＝２）を１／１００００のオーダーまで減少できる。
【００６５】
このように、電流の浸透深さを考慮してコイルの高さを変化させると、陽子シンクロトロンで性能上有害となる間隙内の磁場の多重極成分を抑制することが可能であることがわかる。
【００６６】
なお、上述の効果はコイル２が１巻であると効果的であるが、数回巻であっても本発明を適用することができる。
【００６７】
本発明は、常伝導のパルス磁場偏向電磁石において性能上有害となる、間隙内の磁場の歪み（多重極成分）をコイル形状を工夫することで抑制させるものである。この磁場は、短パルスの高電流を印加することで鉄（ヨーク）を瞬時に飽和させ、間隙内に鉄の飽和磁束密度約２Ｔを超える４Ｔ程度の磁場を発生させるものである。これほどの磁場で、しかも偏向電磁石を小型化すると従来の技術では間隙内の磁場の歪み（多重極成分）が大きくなりすぎて、陽子線がん治療に十分なビームを得ることができないが、本発明のパルス磁場偏向電磁石１によれば、真空容器の偏向部に一様な磁場を発生させることができる。
【００６８】
また、本発明は偏向部を有する加速器であればいかなる加速器にも適用することができる。例えば、シンクロトロン放射光を取り出すためのＳＯＲ装置(Synchrotoron Orbit Radiation)にも適用可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のごとき優れた効果を発揮する。
【００７０】
（１）真空容器の偏向部に一様な磁場を発生させることができる。
【００７１】
（２）加速された陽子の軌道半径を小さくすることで、加速器の小型化・低価格化が図れる。
【００７２】
（３）陽子シンクロトロンを小型化し、陽子線がん治療装置の敷地面積の縮小、コストダウンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の適用例である陽子シンクロトロンの平面図である。
【図３】本発明に係る偏向コイルの形状を決定する数値解析のための概念図である。
【図４】本発明に係る偏向コイルに印加するパルス電流の一例を示す波形図である。
【図５】段差部を形成しない偏向コイル内の電流密度分布図である。
【図６】段差部を形成しない偏向コイルを用いた真空容器の偏向部（間隙内）における磁束密度分布図である。
【図７】図１に示したパルス磁場偏向電磁石を用いた真空容器の偏向部（間隙内）における磁束密度分布図である。
【図８】図１に示したパルス磁場偏向電磁石の偏向コイル内の電流密度分布図である。
【図９】段差部を形成しない偏向コイルを簡略化した断面図である。
【図１０】図９に示した簡略化した段差部を形成しない偏向コイル内における電流密度分布図である。
【図１１】図１０に示した各無限線電流による磁束密度分布図である。
【図１２】図１１に示した磁束密度分布を重ね合わせた磁束密度分布図である。
【図１３】本発明に係る偏向コイルを簡略化した断面図である。
【図１４】図１３に示した各無限線電流による磁束密度分布図である。
【図１５】図１４に示した磁束密度分布を重ね合わせた磁束密度分布図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態を用いた真空容器の偏向部における磁束密度分布図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態を用いた真空容器の偏向部における磁束密度分布図である。
【図１８】従来のパルス磁場偏向電磁石を用いた真空容器の偏向部における磁束密度分布図である。
【符号の説明】
１パルス磁場偏向電磁石
２偏向コイル
２１真空容器
２３偏向部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention shall be provided in the deflection unit of the vacuum vessel, relates to a pulse magnetic field bending magnet in the normal conducting for deflecting the accelerated protons, in particular generates a uniform a magnetic field in the deflection of the vacuum chamber the present invention relates to pulse magnetic field deflection electromagnet that can.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a demand for reduction in site area and cost reduction in order to promote the use of proton beam cancer treatment devices with less burden on patients. The proton beam cancer treatment device has a proton synchrotron as the core of the device. The proton synchrotron takes out a high-energy proton beam and applies the high-energy proton beam to a patient's cancer cells to perform cancer. It will surely destroy only the cells. Since the proton beam cancer treatment apparatus uses protons that are particles, it has the advantage that it does not damage other normal cells and is not affected by radiation.
[0003]
The size of the proton synchrotron the core of the device is provided in the deflection portion of the vacuum vessel, is inversely proportional to the intensity of the magnetic field generated by the deflection electromagnet for deflecting the accelerated positive terminal. The magnetic field that can suppress the saturation of the magnetic pole as much as possible and can be generated normally in normal conduction has an upper limit of 3T. For this reason, the proton synchrotron has a large size of about 7 m square, and the price is high.
[0004]
Magnetic flux density are two ways to obtain a more magnetic field 3T. One method is to use a superconducting magnet. Although a superconducting magnet can generate a magnetic field having a magnetic flux density of 3T or more, it is not realistic because it is costly when applied to a synchrotron.
[0005]
Another method is to use a pulse magnetic field electromagnet normally conducting premised on the saturation of the pole.
[0006]
As proton synchrotron using a conventional pulse magnetic field electromagnet, for example, ultra-small pulsed proton synchrotron for generating a magnetic field of 5T in Russia is prototype (L.Pidarde, C.Ronsivalle, A.Vignati, "Preliminary Design of a Technologically Advanced and Compact Synchrotron for Proton Therapy," 1994.11.).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventional pulse magnetic field electromagnet, the magnetic flux density while it is possible to generate a magnetic field above 3T, fluctuates so the magnetic field generated is temporally larger, it is necessary to synchrotron There is a problem that it is difficult to maintain the uniformity of the magnetic field in the deflection unit of the vacuum vessel.
[0008]
Although the above-described pulse type proton synchrotron is small, it has not been completed because the magnetic field of the deflection unit of the vacuum vessel is not uniform enough to cause a problem in performance. In this proton synchrotron for proton beam cancer treatment manufactured in Russia, the maximum acceleration energy was 200 MeV and the central magnetic field of the deflection part of the vacuum vessel was 5T. Since the component (distortion of the magnetic field in the gap) was on the order of 1/100, the analysis result showed that a sufficient beam could not be obtained. The proton is not sufficiently deflected by the deflecting portion of the vacuum vessel, and energy is lost due to collision with the vacuum vessel. As a result, it is required to reduce the multipole component generated by the deflection electromagnet and maintain the uniformity of the magnetic field in the deflection section of the vacuum vessel.
[0009]
An object of the present invention, the deflection of the vacuum vessel can be generated - uniform magnetic field, the orbital radius of the accelerated protons with small pulse that reduced size and lower cost of the accelerator It is to provide a magnetic field deflection electromagnet.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been devised to achieve the above object, and the invention of claim 1 is provided in a deflecting portion of an annular vacuum vessel having a proton beam passage therein , and deflects accelerated protons. In the pulse magnetic field deflecting electromagnet that generates a magnetic field of 3T or more for the purpose, the deflection unit is disposed along both vertical outer surfaces of the vacuum vessel, and is wound around the vacuum vessel so as to face each other. by suppressing the difference in current density distribution of the vacuum container side surface and the deflection coil inner intersection, so as to generate a uniform magnetic field in the deflection unit, with increasing distance from the vacuum vessel side, positive terminal beam of the deflection coil and the magnetic field direction of the width of a pulse magnetic field deflection electromagnets wider than field width in the direction intersecting the proton beam of the vacuum container side.
[0011]
Billing billing invention in claim 2, obtained by changing the width of the magnetic field direction intersecting the proton beam of the deflection coil to form a stepped portion on both sides of the magnetic field direction intersecting the proton beam of the vacuum chamber side of the deflection coil The pulse magnetic field deflecting electromagnet according to Item 1.
[0012]
The invention according to claim 3, the deflection coil of the deflection unit, wound along the vacuum container, to form a stepped portion on both sides of the magnetic field direction intersecting the proton beam of the deflection coils facing with its deflecting portion covered with the yoke, on the deflection coils, the repetition frequency of about 1 Hz, the rise time is 3.5 msec, a current value by applying a pulse current of 200kA saturate the yoke, magnetic flux density in the deflection portion of the vacuum vessel to about 4T The pulse magnetic field deflecting electromagnet according to claim 2, wherein a uniform magnetic field is generated.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0014]
First, the proton synchrotron will be described with reference to FIG.
[0015]
FIG. 2 is a plan view of a proton synchrotron which is an application example of the present invention.
[0016]
As shown in FIG. 2, the proton synchrotron 20 includes an annular vacuum vessel 21, high-frequency acceleration cavities 22 a and 22 b that accelerate a proton beam incident on the vacuum vessel 21, and a deflection unit of the vacuum vessel 21. 23a-d, deflecting electromagnets 24a-d for deflecting the accelerated proton beam, converging electrodes 25a-d for converging the deflected proton beam, and the deflection electromagnets 24a-d, current paths And a pulse current supply unit 27 that applies a pulse current via 26a to 26d.
[0017]
Although not drawn in the drawing, the proton synchrotron 20 is connected to a van de Graaff accelerator for causing a proton beam having an energy of about 1 MeV to enter the proton synchrotron 20.
[0018]
The proton synchrotron 20 accelerates the proton beam of about 1 MeV incident on the incident part 28 by the high-frequency acceleration cavities 22a and 22b, deflects it by the deflecting part 23, makes it circulate in the vacuum vessel 21, and has several tens MeV˜ It is extracted from the emission part 29 as a proton beam of several hundred MeV. This proton synchrotron 20 is incorporated into a proton beam cancer treatment apparatus and used for cancer treatment.
[0019]
Now, Figure 1 shows a cross-sectional view of a preferred embodiment pulse magnetic field bending magnet of the present invention.
[0020]
As shown in FIG. 1, the pulse magnetic field deflecting electromagnet 1 according to the present invention is provided in a deflecting portion 23 of an annular vacuum vessel 21 having a proton beam passage inside, and has 3T or more for deflecting accelerated protons . The surface of the deflection coil 2 on the side of the vacuum vessel 21, which generates a magnetic field , is disposed along both vertical outer surfaces of the vacuum vessel 21 in the deflection unit 23, and is wound around the vacuum vessel 21. In order to suppress the difference in the current density distribution between the inside of the deflection coil 2 and to generate a uniform magnetic field in the deflection unit 23, as shown in FIG. (The width in the magnetic field direction intersecting the proton beam of the deflection coil 2 ) is longer (wider ) than the upper and lower lengths in the drawing (the width in the magnetic field direction intersecting the proton beam on the vacuum container 21 side ). ) the thing A.
[0021]
In the figure, although the stepped portions 3a to 3c are formed on the upper and lower sides of the deflection coil 2 so that the height of the deflection coil 2 is increased according to the distance from the vacuum vessel 21, the inclined surface is illustrated. The level | step difference part 3 which has may be formed, and the smooth curve-shaped level | step-difference part 3 may be formed. That is, the upper and lower sides of the deflection coil 2 on the vacuum container 21 side may be changed in height according to the penetration depth of the pulse current into the coil 2.
[0022]
In the present embodiment, the deflection coil 2 is wound around the periphery of the deflection portion 23 of the vacuum vessel 21, and step portions 3 a to 3 c are formed on the upper and lower sides of the coil 2 opposed by the deflection portion 23 and covered with the yoke 4. ing. A gap 5 is defined in a portion surrounded by the vacuum vessel 21, the deflection coil 2, and the yoke 4.
[0023]
As the deflection coil 2, for example, one conductor made of copper is wound so as to be one turn along the periphery of the deflection portion 23 of the vacuum vessel 21, but may be wound several times.
[0024]
The yoke 4 is made of a magnetic material made of iron or the like. The yoke 4 is for preventing the magnetic flux generated by the deflection coil 2 from leaking to the outside, and also serves as magnetic poles 4 a and 4 b above and below the vacuum vessel 21.
[0025]
The present invention relates to a deflection coil 2, by a large current which will be described later pulse, which the yoke 4 is saturated, the magnetic flux density in the deflection unit 23 of the vacuum chamber 21 to generate a - uniform magnetic field about 4T It is. Since iron is saturated at a magnetic flux density of about 2T, it can be regarded as air under a magnetic flux density higher than that. Therefore, in the present invention, the shape of the magnetic poles 4a and 4b is not limited. But you can.
[0026]
The degree of vacuum in the vacuum vessel 21 is set to 10 ⁻⁷ Pa or less. Cross-section of the vacuum chamber 21, is formed on Ryakucho hole shape so as to be longer (longitudinal direction in the drawing) perpendicular to the trajectory positive terminal circulates. Accelerated positive child, in the deflection portion 23 of the vacuum container 21, and its own speed and is deflected by the electromagnetic force generated by the magnetic flux density in the direction perpendicular to orbit plane deflection coil 2 is generated. At this time positive element, and the electromagnetic force acting on the center of the orbit, acting balanced and the centrifugal force acting in the opposite direction to the electromagnetic force. Cross-sectional shape of the vacuum container 21, positive terminal is also finely moved in the radial direction of the orbit by the electromagnetic force and the centrifugal force is determined so as not to collide with the vacuum chamber 21 interior surface.
[0027]
The operation of the present invention will be described.
[0028]
First, a pulse current is applied to the deflection coil 2. Since the pulse current is a high-frequency current, the current does not penetrate into the deflection coil 2 at once, and gradually penetrates into the deflection coil 2 with the passage of time after application of the pulse current due to the skin effect. The penetration depth of this current is constant.
[0029]
At this time, since the deflection coil 2 is disposed so as to face each other with the vacuum vessel 21 interposed therebetween, if the coil height remains constant as in the prior art, the proximity effect causes the deflection coil 2 surface on the gap 5 side. The current density is extremely high and the current density is low inside the deflection coil 2, and the difference in current density distribution between the surface and the inside of the deflection coil 2 widens.
[0030]
Pulse magnetic field bending magnet 1 of the present invention, since the opposite side of the length of the upper and lower vacuum vessels 21 of the deflection coil 2 is longer than the length of the upper and lower vacuum vessels 21 side, i.e., the deflection coils 2 Since the height is changed according to the penetration depth of the current, as the current penetrates into the deflection coil 2, the height is also drawn into the portion formed in the deflection coil 2 (stepped portions 3 a to 3 c), and the gap 5 On the surface of the deflection coil 2 on the side, the current density decreases. In terms of the coil cross section, the height of the deflection coil 2 is changed so that the coil cross-sectional area increases in accordance with the penetration depth of the current. Therefore, as the current density in the deflection coil 2 decreases, On the surface of the deflection coil 2, the current density is lowered, and the current density of the entire deflection coil 2 is lowered.
[0031]
This can suppress a difference in current density distribution at the surface and the inside of the deflection coil 2, the magnetic flux density in the deflection unit 23 of the vacuum chamber 21 can generate a uniform magnetic field.
[0032]
Using this pulse magnetic field bending magnet 1 to the accelerator, the accelerated protons, since a strong electromagnetic force acting toward the center of the orbit can be generated, to reduce the orbital radius of the accelerated protons It is possible to reduce the size and price of the accelerator. Therefore, the proton synchrotron can be downsized to a size of about 2 m square, and the site area of the proton beam cancer treatment apparatus can be reduced and the cost can be reduced.
[0033]
Thus, pulse magnetic field bending magnet 1 of the present invention is capable of magnetic flux density in the normal conducting generates the uniform a magnetic field about 4T, downsizing of the proton synchrotron, about clinic Proton beam cancer treatment equipment can be installed in small facilities, which can contribute to the enhancement of medical services.
[0034]
Next, a procedure for determining the shape of the deflection coil 2 according to the present invention will be described.
[0035]
First, the current density distribution of the cross section of the coil 2 when a pulse current is applied to the deflection coil 2 is obtained over time by numerical analysis.
[0036]
FIG. 3 is a conceptual diagram for numerical analysis for determining the shape of the deflection coil according to the present invention.
[0037]
As shown in FIG. 3, assume deflection coil 30 which does not form a step portion, a cross-sectional view of a pulse magnetic field bending magnet 1 with the deflection coil 30, the center point of the gap 5 (deflection of the vacuum chamber 21 23 is the XY plane with the origin O as the center point.
[0038]
Here, take the radial orbit positive terminal to the X axis, the direction of the magnetic field generated in the gap 5 by the deflection coil 2 to the Y-axis, Y-direction component at the coordinates (r, theta) generated in the gap 5 The magnetic flux density By is displayed in polar coordinates. In FIG. 3, the yoke 4 covered with the support member 6 is depicted.
[0039]
FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of a pulse current applied to the deflection coil according to the present invention. In the figure, the horizontal axis represents time T, and the vertical axis represents the current value I, and the pulse current waveform P is shown.
[0040]
As shown in FIG. 4, in this embodiment, the deflection coil 2 has a repetition frequency of about 1 Hz (a period from time 0 to time t ₂ is about 1 second) and a rise time (from time 0 to time t ₁ or A pulse current having a current value Ip of 200 kA is applied for 3.5 msec (from time t ₂ to t ₃ ). The pulse current waveform P is a substantially ¼ sine wave. In the present invention, by applying the pulse current to the deflection coil, the normal conducting instantaneously saturated in a short time of 3.5msec the yoke (magnetic pole), the uniform a magnetic field flux density of about 4T in the gap Is generated.
[0041]
FIG. 5 shows a current density distribution diagram in the deflection coil 30 (cross section) obtained by numerical analysis. FIG. 5 (a) shows the change over time in the current density distribution after 0.42 msec from the start of pulse current application, FIG. 5 (b) shows the change over time in the current density distribution after 1.4 msec, and FIG. (Contour line) is displayed.
[0042]
In the figure, the right end R of the cross section of the deflection coil 30 is the yoke 4 side, and the left end L of the cross section is the gap 5 side. A region D ₀ surrounded by the right end R of the cross section and a thick line is a region having the lowest current density. Hereinafter, a region D ₁ surrounded by a thick line and a solid line, a region D ₂ surrounded by a solid line and a dotted line, and a dotted line and a one-dot chain line. The current density increases as the region D ₃ surrounded and the region D ₄ surrounded by the one-dot chain line and the two-dot chain line, and the region D ₅ surrounded by the two-dot chain line and the left end L of the cross section has the highest current density. It is an area. In addition, the space with a circular cross section in the figure is a cooling water flow path for cooling heat generated by energization of the coil.
[0043]
As shown in FIGS. 5A to 5C, with the passage of time after the application of the pulse current, the current penetrates into the inside of the coil 30 cross section, and the current density is extremely high on the gap 5 side. The distribution is low. It can be seen that the difference in current density distribution increases between the surface and the inside of the coil 30 as the current penetrates into the coil 30.
[0044]
The current density distribution that changes over time can be changed intentionally by changing the height of the coil in accordance with the penetration depth of the current, and consequently the magnetic flux density distribution in the gap 5 caused thereby is also changed. It becomes possible to make it.
[0045]
FIG. 6 shows the time-dependent change of the magnetic flux density distribution diagram in the gap based on the current density distribution of FIG. In the figure, the horizontal axis is a distance X (cm) from the center point of the gap 5, and the vertical axis is a value obtained by normalizing (By / By0) the magnetic flux density By to the magnetic flux density By0 of the gap center point. The curve in the figure is a straight line with By / By0 of 1 at time 0 msec and parallel to the horizontal axis, and the curvature increases with time.
[0046]
As shown in FIG. 6, in the coil 30, the difference in current density distribution between the surface and the inside of the coil 30 is widened, so that the magnetic flux density distribution diagram becomes the center point of the gap 5 as time passes after the pulse current is applied. It turns out that it stands up as it leaves. This indicates that the distortion (multipole component) of the magnetic field in the gap 5 is large.
[0047]
The shape of the deflection coil 2 according to the present invention is determined using the above results. By changing the height of the coil 30 according to the penetration depth of the current into the deflection coil 30, the current density distribution inside the coil 30 is controlled and the multipole component of the magnetic field in the gap 5 is reduced.
[0048]
For example, when the magnetic flux density By on the coil side is larger than the magnetic flux density By0 at the center of the cross section in the gap 5 cross section, the permeation can be achieved by increasing the height of the coil 30 inside the coil 30. Since the depth is constant and the area increases, the current density in the coil 30 decreases, the magnetic flux density on the coil 30 side in the gap 5 decreases, and the magnetic flux density distribution (or magnetic field) in the gap 5 is in a uniform direction. Can lead to.
[0049]
Figure 7 is a graph showing the change over time of the magnetic flux density distribution diagram of the deflection unit 23 (in the gap) of the vacuum vessel 21 using the pulse magnetic field bending magnet 1 shown in FIG.
[0050]
As shown in FIG. 7, when compared with FIG. 6, the pulse magnetic field bending magnet 1 of the present invention, since the step is formed part 3a~c and below the deflection coils 2, time elapsed after the pulse current application Accordingly, it can be seen that the magnetic flux density distribution chart falls as the distance from the center point of the gap 5 increases. This indicates that the distortion (multipole component) of the magnetic field in the gap 5 is reduced.
[0051]
FIG. 8 shows a current density distribution diagram in the deflection coil 2 (cross section). 8A shows a time when 0.42 msec has elapsed from the start of pulse current application, FIG. 8B shows a time when 1.4 msec has passed, FIG. 8C shows a time when 2.8 msec has passed, and FIG. 8D shows 3.5 msec. Each time-dependent change in current density distribution over time is displayed as a contour.
[0052]
As shown in FIG. 8, when compared with FIG. 5, the pulse magnetic field bending magnet 1 of the present invention, since the current is invoked in step portion 3a~c as it penetrates into the deflection coil 2, the deflection coil It can be seen that the difference in the current density distribution is suppressed between the surface 2 and the inside. Accordingly, the magnetic flux density in the deflection unit 23 of the vacuum chamber 21 can generate a uniform magnetic field.
[0053]
Next, the present invention will be described with reference to FIGS.
[0054]
FIG. 9 shows a simplified cross-sectional view of the coil 30. In order to simplify the explanation, only the magnetic flux density By and the current density on the X axis in FIG. 9 are considered. Further, it is assumed that the X axis in the coil is divided into four equal parts, and currents are concentrated in the respective regions, and four infinite line currents I flow on the X axis in the coil 30.
[0055]
FIG. 10 is a simplified diagram of the temporal change in the current density distribution on the X axis in the coil 30. Time elapses in the order from FIG. 10A to FIG.
[0056]
Here, the magnetic flux density B generated on the X axis by the infinite line current I is expressed as (μ / 2π) · (I / x) according to Bio-Savart's law when the permeability is μ. When applied, the magnetic flux density By produced by each infinite line current is as shown in FIG. When these are superimposed, a magnetic flux density By distribution map is obtained as shown in FIG.
[0057]
As shown in FIG. 12, since the height of the coil 30 is constant, the current concentrates on the gap 5 side of the coil 30 with the elapsed time after applying the pulse current, and both ends of the curve of the magnetic flux density By are You can see that it stands up.
[0058]
The case of the coil 2 in which the coil height is increased according to the current penetration depth is shown in FIGS. In the passage of time, (a) and (b) in FIGS. 13 to 15 correspond to (b) and (c) in FIGS. 10 to 12.
[0059]
As shown in FIG. 15, when the height of the coil on the yoke 4 side is increased (steps 3a and 3b are formed above and below the coil 2 on the vacuum vessel 21 side according to the penetration depth of the current), the current is increased. It can be seen that the current density (current) of the coil 2 as a whole is not concentrated on the gap 5 side of the coil 2 and the rise of both ends of the curve of the magnetic flux density By can be suppressed.
[0060]
Figure 16 is a time course of the magnetic flux density distribution diagram of a cross-sectional view of a pulse magnetic field bending magnet 160 which is a second embodiment of the present invention and within the gap shown in the same manner as in FIG. 7 . Further, FIG. 17 shows the time course of the magnetic flux density distribution diagram of a third cross-sectional view of a pulse magnetic field bending magnet 170 is in the form of embodiment of the present invention and within the gap.
[0061]
In pulse magnetic field bending magnet 160, to form a stepped portion 3a at the top and bottom of the vacuum container side 21 of the deflection coil 2. Pulse magnetic field bending magnet 170, upper and lower step portion 3a of the vacuum container side 21 of the deflection coil 2, is obtained by forming a 3b.
[0062]
As shown in FIGS. 16 and 17, even if one step portion 3a is formed above and below the deflection coil 2, rising of both ends of the curve of the magnetic flux density By can be suppressed, and the two step portions 3a and 3b. It turns out that it is more effective if formed. This becomes more clear when compared with the magnetic flux density distribution diagram of pulse magnetic field bending magnet 180 which is trial in Russia shown in Figure 18.
[0063]
Furthermore, it compares the pulse magnetic field bending magnet 180 prototyped in the present invention and Russia for time course of multipole components.
[0064]
In Russian pulse magnetic field bending magnet 180, multipole component (n = 2) is 1/100 order. In contrast, in the pulse magnetic field bending magnet 1 according to the present invention, multipole components (n = 2) can be reduced to the order of 1/10000.
[0065]
Thus, when the coil height is changed in consideration of the penetration depth of the current, it is understood that the proton synchrotron can suppress the multipole component of the magnetic field in the gap, which is harmful to the performance. .
[0066]
In addition, although the above-mentioned effect is effective when the coil 2 is 1 turn, this invention is applicable even if it is several turns.
[0067]
The present invention will become performance detrimental in pulse magnetic field bending magnet of normally conducting, the magnetic field in the gap distortion (multipole component) is intended to be suppressed by devising the coil shape. This magnetic field is instantaneously saturated with iron (yoke) by applying a high current short pulses, is intended to generate a magnetic field of about 4T exceeding saturation magnetic flux density of about 2T iron into the gap. In this much magnetic field, moreover distortion of the magnetic field in the gap is a bending electromagnet with a small reduction to the prior art (multipole component) is too large, but it is impossible to obtain sufficient beam proton cancer therapy According to the pulse magnetic field bending magnet 1 of the present invention, it is possible to generate a uniform a magnetic field in the deflection portion of the vacuum vessel.
[0068]
In addition, the present invention can be applied to any accelerator as long as it has a deflecting unit. For example, the present invention can also be applied to an SOR device (Synchrotoron Orbit Radiation) for extracting synchrotron radiation.
[0069]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention exhibits the following excellent effects.
[0070]
(1) can be generated - uniform magnetic field in the deflection portion of the vacuum vessel.
[0071]
(2) by reducing the orbital radius of the accelerated positive child, it can be miniaturized and low cost of the accelerator.
[0072]
(3) The proton synchrotron can be downsized to reduce the site area and cost of the proton beam cancer treatment apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a proton synchrotron which is an application example of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram for numerical analysis for determining the shape of a deflection coil according to the present invention.
FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of a pulse current applied to the deflection coil according to the present invention.
FIG. 5 is a current density distribution diagram in a deflection coil in which a step portion is not formed.
FIG. 6 is a magnetic flux density distribution diagram in a deflection portion (in a gap) of a vacuum vessel using a deflection coil that does not form a stepped portion.
7 is a magnetic flux density distribution diagram of the deflection of the vacuum container using the pulse magnetic field bending magnet shown in FIG. 1 (the gap).
8 is a current density distribution diagram of the deflection coils of pulse magnetic field bending magnet shown in FIG.
FIG. 9 is a simplified cross-sectional view of a deflection coil that does not form a stepped portion.
10 is a current density distribution diagram in the deflection coil in which the simplified stepped portion shown in FIG. 9 is not formed. FIG.
11 is a magnetic flux density distribution diagram for each infinite line current shown in FIG.
12 is a magnetic flux density distribution diagram in which the magnetic flux density distributions shown in FIG. 11 are superimposed. FIG.
FIG. 13 is a simplified cross-sectional view of a deflection coil according to the present invention.
14 is a magnetic flux density distribution diagram for each infinite line current shown in FIG.
15 is a magnetic flux density distribution diagram obtained by superimposing the magnetic flux density distributions shown in FIG.
FIG. 16 is a magnetic flux density distribution diagram in the deflection section of the vacuum vessel using the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a magnetic flux density distribution diagram in a deflection unit of a vacuum vessel using a third embodiment of the present invention.
18 is a magnetic flux density distribution diagram of the deflection of the vacuum container using the conventional pulse magnetic field bending magnet.
[Explanation of symbols]
1 pulse magnetic field bending magnet 2 deflection coils 21 vacuum chamber 23 deflecting portion

Claims

In a pulsed field deflecting electromagnet that is provided in a deflection unit of an annular vacuum vessel having a proton beam passage inside and generates a magnetic field of 3 T or more for deflecting accelerated protons,
In the deflection unit, the current density distribution between the surface on the vacuum vessel side of the deflection coil and the inside of the deflection coil , which is disposed along both vertical outer surfaces of the vacuum vessel and wound oppositely across the vacuum vessel. suppressing the difference, so as to generate a uniform magnetic field in the deflection unit, with increasing distance from the vacuum vessel side, crosses the width of the magnetic field direction crossing the positive terminal beam of the deflection coil and the proton beam of the vacuum container side A pulsed field deflecting electromagnet characterized by being wider than the width in the magnetic field direction.

Pulsed magnetic field deflection of claim 1, wherein the changing the width of the magnetic field direction intersecting the proton beam of the deflection coil to form a stepped portion on both sides of the magnetic field direction intersecting the proton beam of the vacuum chamber side of the deflection coil electromagnet.

The deflection coils of the deflection unit, wound along the vacuum container is covered with the yoke to form a step portion on both sides of the magnetic field direction intersecting the proton beam of the deflection coils facing with its deflection unit, the deflection coil , the repetition frequency of about 1 Hz, the rise time is 3.5 msec, a current value to saturate the yoke by applying a pulse current of 200 kA, the magnetic flux density in the deflection portion of the vacuum vessel generates a uniform magnetic field of about 4T The pulse magnetic field deflecting electromagnet according to claim 2.