JP2016083344A - 荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制することができるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供する。
【解決手段】本実施形態による荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームが入射する第１方向に実質的に直交する第２方向に前記荷電粒子ビームを偏向する第１走査電磁石部と、前記第１方向および前記第２方向に実質的に直交する第３方向に前記荷電粒子ビームを偏向する第２走査電磁石部と、を備え、前記第１および第２走査電磁石部は、前記第１方向に対して並列に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、荷電粒子ビーム照射装置に関する。

癌などの患者の患部に重粒子線等の荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置が知られている。この荷電粒子ビーム照射装置は、ビーム発生装置で生成された荷電粒子ビームをビーム加速装置で加速し、ビーム輸送装置を経て治療室内のビーム照射装置によって患部に照射する装置である。このビーム照射装置は照射目標である患部の立体形状に合わせて照射する装置である。このビーム照射装置においては、２組の走査電磁石、例えば一組みの水平方向走査電磁石および一組の垂直方向走査電磁石を直列に配置することにより、荷電粒子ビームを直交する２方向に走査する。

様々な部位および大きさの異なる癌部に照射するため、照射可能な領域(照射野)は広く確保することが望ましい。照射野を広くする方式は大きく分けて二通りある。１つは、直列配置された２組の走査電磁石の位置と、荷電粒子ビームが照射される患者の位置とを大きく離す方式、もう１つは２組の走査電磁石の出力する磁場強度を上げるか、または軸長を延長する方式である。

広い照射野を確保するために、直列に配置された２組の走査電磁石と患者の位置とを大きく離した場合、荷電粒子ビーム照射装置の設置に必要な空間が大きくなってしまい、これらの装置を収納する建屋等が大きくなる。

一方、走査電磁石が出力する磁場強度を上げるか軸長を延長した場合、ビーム進行方向下流の走査電磁石による磁場発生効率が低下し、十分な照射野を確保することができなくなってしまう。

特開２０１０−１２５０１２号公報

本実施形態は、大型化を抑制することができるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供する。

本実施形態による荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームが入射する第１方向に実質的に直交する第２方向に前記荷電粒子ビームを偏向する第１走査電磁石部と、前記第１方向および前記第２方向に実質的に直交する第３方向に前記荷電粒子ビームを偏向する第２走査電磁石部と、を備え、前記第１および第２走査電磁石部は、前記第１方向に対して並列に配置される。

第１実施形態による荷電粒子ビーム照射装置を示す図。 第１実施形態に用いられる走査電磁石を説明する図。 図３（ａ）乃至３（ｃ）は、第１実施形態の垂直走査電磁石を説明する図。 図４（ａ）乃至４（ｃ）は、第１実施形態の水平走査電磁石を説明する図。 図５（ａ）乃至５（ｃ）は、第１実施形態の変形例による走査電磁石を説明する図。 第２実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石を示す図。 第３実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石を示す図。 第３実施形態の垂直走査電磁石を説明する図。 第４実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石を示す図。 第４実施形態の垂直走査電磁石を説明する図。 第４実施形態の水平走査電磁石を説明する図。 第５実施形態の垂直走査電磁石を説明する図。 第５実施形態の水平走査電磁石を説明する図。 第６実施形態の垂直走査電磁石を説明する図。 第６実施形態の水平走査電磁石を説明する図。 第７実施形態の垂直走査電磁石を説明する図。 第７実施形態の水平走査電磁石を説明する図。 第８実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石を示す図。 第８実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石の上面図。 第８実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石の断面図。

実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による荷電粒子ビーム照射装置を図１に示す。本実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１は、荷電粒子、例えば、負パイ中間子、陽子、ヘリウムイオン、炭素イオン、ネオンイオン、シリコンイオン、またはアルゴンイオンを治療照射用の粒子ビーム源とする照射装置１である。

荷電粒子ビーム照射装置１は、図１に示すように、ビーム発生装置１０、ビーム加速装置２０、ビーム輸送装置３０、ビーム照射装置４０、および照射制御装置６０を備え、例えば患者の患部９０に荷電粒子ビーム１０４を照射する。

ビーム発生装置１０は、荷電粒子ビームを発生する。

ビーム加速装置２０は、荷電粒子ビーム１０４を所定のエネルギーに加速する装置である。この構成の一例として、前段加速装置と後段加速装置とで構成されることがある。例えば、前段加速装置として直線加速器、後段加速装置としてシンクロトンで構成される例がある。構成要素としては、真空容器（配管）、高周波加速空洞、ビーム偏向装置（二極電磁石）、ビーム集束・発散装置（四極電磁石）、ビーム軌道補正装置（ステアリング電磁石）、入射装置、出射装置、および制御装置などがある。ビーム加速装置２０の構成は任意とすることができるので、ここでは、詳述しない。加速器としてサイクロトロン等を選択しても構わない。

ビーム輸送装置３０は、加速された荷電粒子ビーム１０４を被照射物へと、すなわち照射治療室内の患者の患部９０へ輸送する装置である。その構成要素としては、真空容器（配管）、ビーム偏向装置（二極電磁石）、ビーム集束・発散装置（四極電磁石）、ビーム軌道補正装置（ステアリング電磁石）、および制御装置などである。

ビーム照射装置４０は、ビーム輸送装置３０の荷電粒子ビーム出口側に設けられ、ビーム輸送装置３０を通過した特定エネルギーの荷電粒子ビーム１０４ｃが患者の患部９０の設定された照射点９０２に正しく入射するように、荷電粒子ビーム１０４ｃの軌道を調節する。また、患部９０における荷電粒子ビーム１０４ｃの照射位置および照射線量を監視する。このビーム照射装置４０は、走査電磁石４０１、走査電磁石電源４０２、位置モニタ４０３、線量計４０４および線量計回路４０５を有する。

走査電磁石４０１は、励磁電流の制御を受け、荷電粒子ビーム１０４ｃの垂直方向の軌道調節を行う一対の垂直走査電磁石４０１ａと、荷電粒子ビーム１０４ｃの水平方向の軌道調節を行う一対の水平走査電磁石４０１ｂと、を有する。走査電磁石電源４０２は電磁石電源４０２ａ、４０２ｂを有している。電磁石電源４０２ａは、走査電磁石４０１ａに対して荷電粒子ビーム１０４ｃの走査に必要な励磁電流を供給する。電磁石電源４０２ｂは、走査電磁石４０１ｂに対して荷電粒子ビーム１０４ｃの走査に必要な励磁電流を供給する。一対の垂直走査電磁石４０１ａおよび一対の水平走査電磁石４０１ｂについては、後で詳細に説明する。

位置モニタ４０３は、これを通過した荷電粒子ビーム１０４ｃの位置すなわち患者の患部９０における荷電粒子ビームの入射位置の指標となる信号を出力し、照射制御装置６０に送信する。なお、位置モニタ４０３としては、電離箱式などを用いることができる。

線量計４０４は、これを通過した荷電粒子ビーム１０４ｃの強度或いは線量すなわち患者の患部９０に照射された荷電粒子ビームの強度ないし線量に応じた電気信号を出力する。なお、線量計４０４としては、電離箱式などを用いることができる。

線量計回路４０５は、線量計４０４から出力される電気信号を受信し、受け取った電気信号が予め設定された積算出力値に到達したとき、患者の患部９０に設定された照射点９０２の線量満了を示す線量満了信号を照射制御装置６０に送信する。

照射制御装置６０は、患者の治療照射をどのように行うかを示す照射パターンデータを記録可能に構成され、この照射パターンデータを参照して荷電粒子ビーム照射装置１の全体制御を行う。なお、照射パターンデータは、治療照射の事前に行われる治療計画にて作成される最適照射情報を元にして作成される。

この照射パターンデータには、患者の患部９０を仮想的に切り分けた照射スライス９０１ごとに設定された照射点９０２の位置指標となる基準位置からみた水平方向の相対位置および垂直方向の相対位置、照射スライス９０１の位置指標すなわち体内深度の指標となる体内飛程、体内におけるビーム停止幅の指標となるビーム停止幅、各照射点９０２に照射すべきビーム強度および設定線量から構成されるもので、ビーム発生装置１０、ビーム加速装置２０、ビーム輸送装置３０、およびビーム照射装置４０の一部あるいはすべての動作制御に必要な情報が収められる。なお、ビーム停止幅は、荷電粒子ビームのエネルギー幅に基づく体内飛程の差により生ずるものである。また、照射パターンデータの内容は適宜変更できる。

照射制御装置６０は、ビーム集束制御部６０１、エネルギー選択制御部６０２および走査制御部６０３を有する。

走査制御部６０３は、所定の照射点９０２に対し荷電粒子ビーム１０４ｃが入射するよう、走査電磁石電源４０２の出力を制御し、走査電磁石４０１に印加する励磁電流を調節する。

（垂直走査電磁石および水平走査電磁石）
次に、垂直走査電磁石および水平走査電磁石について詳細に説明する。一対の垂直走査電磁石４０１ａおよび一対の水平走査電磁石４０１ｂは、図２に示すように、荷電粒子ビーム１０４ｃの進行に対して並列に配置されている。すなわち一対の垂直走査電磁石４０１ａは垂直方向に配置され、一対の水平走査電磁石４０１ｂは、一対の垂直走査電磁石４０１ａが配置された位置と同じ位置でかつ水平方向に配置される。そして、一対の垂直走査電磁石４０１ａおよび一対の水平走査電磁石４０１ｂは、直交する２方向、すなわち垂直方向および水平方向の走査を同時に行うように配置されている。

一対の垂直走査電磁石４０１ａの詳細について図３（ａ）乃至３（ｃ）を参照して説明する。図３（ａ）は一対の垂直走査電磁石４０１ａの上面図を示し、図３（ｂ）は一対の垂直走査電磁石４０１ａの側面図を示し、図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す切断面Ａ−Ａで切断した断面図を示す。

一対の垂直走査電磁石４０１ａは、中空形状の構造体４０１ａ３と、この構造体４０１ａ３の上側の表面に設けられたコイル部４０１ａ１と、構造体４０１ａ３の下側の表面に設けられたコイル部４０１ａ２と、を備えている。構造体４０１ａ３は、渦電流が生じない材料、例えば、非磁性金属、ＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastic)等が用いられる。

コイル部４０１ａ１は、構造体４０１ａ３の上側の表面に設けられサドル形状のコイル４０１ａ１_１と、このコイル４０１ａ１_１の外側に設けられたコイル４０１ａ１_２と、このコイル４０１ａ１_２の外側に設けられたコイル４０１ａ１_３と、を備えている、なお、各コイル４０１ａ１_１、４０１ａ１_２、４０１ａ１_３は絶縁材で被覆されている。

コイル部４０１ａ２は、構造体４０１ａ３の下側の表面に設けられサドル形状のコイル４０１ａ２_１と、このコイル４０２ａ１_１の外側に設けられたコイル４０１ａ２_２と、このコイル４０１ａ２_２の外側に設けられたコイル４０１ａ２_３と、を備えている、なお、各コイル４０１ａ２_１、４０１ａ２_２、４０１ａ２_３は絶縁材で被覆されている。各コイル４０１ａ１_１〜４０１ａ１_３、４０１ａ２_１〜４０１ａ２_３に励磁電流を流すことにより、垂直方向に磁場を発生する。なお、図３（ａ）乃至３（ｃ）では、コイルは上側および下側にそれぞれ３個設けられていたが、それぞれ１個、２個、または４個以上設けてもよい。
なお、図３（ｃ）において、符号１０４ｃは荷電粒子ビームを示す。

一対の水平走査電磁石４０１ｂの詳細について図４（ａ）乃至４（ｃ）を参照して説明する。図４（ａ）は一対の水平走査電磁石４０１ｂの上面図を示し、図４（ｂ）は一対の水平走査電磁石４０１ｂの側面図を示し、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示す切断面Ａ−Ａで切断した断面図を示す。

一対の水平走査電磁石４０１ｂは、一対の垂直走査電磁石４０１ａの外側に設けられた中空形状の構造体４０１ｂ３と、この構造体４０１ｂ３の一対の側面のうちの一方の側面に設けられたコイル部４０１ｂ１と、構造体４０１ｂ３の他方の側面に設けられたコイル部４０１ｂ２と、を備えている。構造体４０１ｂ３は、構造体４０１ａ３と同様に渦電流が生じない材料、例えば、非磁性金属、ＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastic)等が用いられる。また、この時水平走査電磁石４０１ｂは垂直走査電磁石４０１ａの内側に設けても良い。

コイル部４０１ｂ１は、構造体４０１ａ３の一方の側面に設けられサドル形状のコイル４０１ｂ１_１と、このコイル４０１ｂ１_１の外側に設けられたコイル４０１ｂ１_２と、このコイル４０１ｂ１_２の外側に設けられたコイル４０１ｂ１_３と、を備えている、なお、各コイル４０１ｂ１_１、４０１ｂ１_２、４０１ｂ１_３は絶縁材で被覆されている。

コイル部４０１ｂ２は、構造体４０１ａ３の他方の側面に設けられサドル形状のコイル４０１ｂ２_１と、このコイル４０１ｂ２_１の外側に設けられたコイル４０１ｂ２_２と、このコイル４０１ｂ２_２の外側に設けられたコイル４０１ｂ２_３と、を備えている、なお、各コイル４０１ｂ２_１、４０１ｂ２_２、４０１ｂ２_３は絶縁材で被覆されている。各コイル４０１ｂ１_１〜４０１ｂ１_３、４０１ｂ２_１〜４０１ｂ２_３に励磁電流を流すことにより、水平方向に磁場を発生する。なお、図４（ａ）乃至４（ｃ）では、コイルは一対の側面にそれぞれ３個設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。なお、図４（ｃ）において、符号１０４ｃは荷電粒子ビームを示す。

なお、本実施形態においては、図５（ａ）乃至５（ｃ）に示すように、水平走査電磁石４０１ｂの外側にヨーク４０１ｃを設けることが好ましい。図５（ａ）は走査電磁石４０１からヨーク４０１ｃを除いた上面図を示し、図５（ｂ）は走査電磁石４０１からヨーク４０１ｃを除いた側面図を示し、図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示す切断面Ａ−Ａで切断した断面図を示す。このように、ヨーク４０１ｃを設けることにより、外部に磁場が漏れるのを抑制することができる。なお、図５（ｃ）において、符号１０４ｃは荷電粒子ビームを示す。

（荷電粒子ビーム照射装置１の動作）
次に、荷電粒子ビーム照射装置１の動作を説明する。

以下の動作用説明は、いわゆるスポットスキャニング照射法を用いて治療照射を行う例に基づくものである。スポットスキャニング照射法は、すでに加速器駆動型の粒子線照射技術にあっては確立されており、治療効果が高いことが確認されている照射方法である。

このスポットスキャニング照射法は、患者の患部を仮想的に３次元格子点、すなわち、照射スライスおよびその照射スライスに設定される照射点に切り分け、患部の深さ方向（荷電粒子ビーム軸の方向）、患部の断面方向（荷電粒子ビーム軸と交わる方向）の各方向に荷電粒子ビームを走査する方法である。

１つの照射点に照射された線量がその照射点に対する設定線量に到達したことを示す線量満了信号が生成されたタイミングで荷電粒子ビームの照射を一旦停止させる。その後、荷電粒子ビームを次の照射点ないし照射スライスへと走査して照射を再開する。この操作を繰り返すことにより患部全域の照射が行われる。

例えば、ターゲットとしてスライス面９０１ａ〜９０１ｃのそれぞれに照射スポット（図ではスライス面９０１ａ上の照射点９０２）があるとする。まず始めに設定照射スポットに応じて各機器の調整が行われる。スライス面の変更は、ビームのエネルギーを変えることでなされる。エネルギーが高いほど深い側（図１の場合は、スライス面９０１ａ）にビームが届き、エネルギーが低いほど浅い側（図１の場合は、スライス面９０１ｃ）に移動する。ビームのエネルギー変更はビーム加速装置２０で加速するビームのエネルギーを低減させることで行う方法や、ビーム加速装置２０で加速したビームに対しビーム輸送装置３０またはビーム照射装置４０で適当なフィルターを掛けることで行ってもよい。

荷電粒子ビームのエネルギー選択に応じて、ビーム輸送装置３０を構成する電磁石の励磁量も調節される。これにより、患者の患部９０に到達する荷電粒子ビームの必要な強度が確保される。

そして、ビーム照射装置４０における走査電磁石４０１の励磁電流が調節され、所定のエネルギーの荷電粒子ビームが照射点（たとえば照射点９０２ａ）に正しく入射するよう設定される。

以上のようにして、各構成装置が調節された後、照射制御装置６０の制御を受けて、ビーム発生装置１０から荷電粒子ビーム１０４が射出される。

ビーム発生装置１０から射出された荷電粒子ビーム１０４は、ビーム加速装置２０による加速を受けた後、ビーム輸送装置３０に案内される。このビーム輸送装置３０では、荷電粒子ビーム１０４は例えばビーム偏向装置（図示せず）により形成される磁場に入射して運動量に応じて軌道を偏向することによって安定的にビーム照射装置４０に案内される。ビーム照射装置４０では、荷電粒子ビーム１０４ｃが走査電磁石４０１により形成される磁場に入射して水平方向および垂直方向の軌道が調節され、各スライス面上の照射点(照射スライス９０１ａの例では、設定された照射点９０２ａ)に向かって進み、照射点９０２ａの治療照射が行われる。

このとき、照射制御装置６０により、位置モニタ４０３の出力信号に基づいて軌道調節された荷電粒子ビーム１０４ｃが照射点９０２ａに正しく入射しているか否かが監視される。

この照射点９０２ａに対する荷電粒子ビームの照射は、線量計回路４０５から線量満了信号が出力されるまで継続して行われる。線量満了信号が出力され照射制御装置６０に入力されたときは、次の照射点（例えば照射点９０２ｂ）の照射に移行する。すなわち、照射制御装置６０により照射パターンデータが参照され、次の照射点９０２ｂに荷電粒子ビームが入射するように走査電磁石４０１の励磁電流が調節され、再び照射制御装置６０に線量満了信号が入力されるまで、照射点９０２ｂに対し荷電粒子ビームの照射が継続して行われる。このような操作が順次繰り返されることで、照射スライス９０１ａに設定された全ての照射点９０２に対する照射が行われる。

照射スライス９０１ａの照射が完了したときは、次の照射スライス９０１ｂの照射に移行する。すなわち、照射制御装置６０により照射パターンデータが参照され、照射スライス９０１ｂの位置で荷電粒子ビームが停止するようにビーム加速装置２０の調節が行われ、この照射スライス９０１ｂの各照射点（図示省略）に荷電粒子ビームが入射するようにビーム照射装置４０の調節が行われる。このような操作が順次繰り返されていき、最浅の照射スライス９０１ｃの照射へと移行する。

次に、本実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１の作用を説明する。

様々な部位および大きさの異なる癌部に照射するため、照射野は広く確保することが望ましい。照射野を大きくする方式は大きく分けて二通りある。１つは、直列配置された２組の走査電磁石の位置と、荷電粒子ビームが照射される患者の位置とを大きく離す方式、もう１つは２組の走査電磁石の出力する磁場強度を上げるか、または軸長を延長する方式である。

広い照射野を確保するために、直列に配置された２組の走査電磁石と患者の位置とを大きく離した場合、荷電粒子ビーム照射装置の設置に必要な空間が大きくなってしまい、これらの装置を収納する建屋等が大きくなる。一方、走査電磁石が出力する磁場強度を上げるか軸長を延長した場合、ビーム進行方向下流の走査電磁石による磁場発生効率が低下し、十分な照射野を確保することができなくなってしまう。

そこで本発明者は、ビーム照射装置４０として、並列に配置された一対の垂直走査電磁石４０１ａおよび一対の水平走査電磁石４０１ｂを用いることにより、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図６を参照して説明する。図６は第２実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石４０１Ａを示す図である。この第２実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、図１に示す第１実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１において、走査電磁石４０１を図６に示す走査電磁石４０１Ａに置き換えた構成を有している。

この走査電磁石４０１Ａは、図２に示す走査電磁石４０１を３段、荷電粒子ビーム１０４ｃの進行に対して直列に配置した構成を有している。すなわち、走査電磁石４０１Ａは、荷電粒子ビーム１０４ｃの進行に対して並列に配置された一対の垂直走査電磁石４０１ａ_１および一対の水平走査電磁石４０１ｂ_１と、これらの走査電磁石４０１ａ_１および４０１ｂ_１の後段に設けられかつ並列に配置された一対の垂直走査電磁石４０１ａ_２および一対の水平走査電磁石４０１ｂ_２と、これらの走査電磁石４０１ａ_２および４０１ｂ_２の後段に設けられかつ並列に配置された一対の垂直走査電磁石４０１ａ_３および一対の水平走査電磁石４０１ｂ_３と、を備えている。

そして、後段の走査電磁石の口径は前段の走査電磁石の口径よりも大きい。すなわち、 一対の垂直走査電磁石４０１ａ_２および一対の水平走査電磁石４０１ｂ_２の口径は、一対の垂直走査電磁石４０１ａ_１および一対の水平走査電磁石４０１ｂ_１の口径よりも大きく、一対の垂直走査電磁石４０１ａ_３および一対の水平走査電磁石４０１ｂ_３の口径は、一対の垂直走査電磁石４０１ａ_２および一対の水平走査電磁石４０１ｂ_２の口径よりも大きい。

図２に示す走査電磁石を複数段直列に配置し、かつ後段の走査電磁石の口径は前段の走査電磁石の口径よりも大きいように構成することにより、第１実施形態と同様に、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図７を参照して説明する。図７は第３実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石４０１Ｂを示す図である。この第３実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、図１に示す第１実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１において、走査電磁石４０１を図７に示す走査電磁石４０１Ｂに置き換えた構成を有している。

この走査電磁石４０１Ｂは、並列に配置された一対の垂直走査電磁石４０１ａおよび一対の水平走査電磁石４０１ｂを備えている。一対の垂直走査電磁石４０１ａおよび一対の水平走査電磁石４０１ｂは、荷電粒子ビーム１０４ｃの入射側から出射側に向かうにつれて口径が広がる形状を有している。なお、図７では、口径の広がる形状はビームの偏向に応じた形状であって楽器のラッパのそれと同じとなっているが、口径は、荷電粒子ビーム１０４ｃの入射側から出射側に向かうにつれて線形的に増加する形状であってもよい。

この第３実施形態における垂直走査電磁石４０１ａの上側のコイル部４０１ａ１を図８に示す。この垂直走査電磁石４０１ａは、荷電粒子ビーム１０４ｃの入射側から出射側に向かうにつれて口径が増加する中空形状を有する構造体４０１ａ３を備えている。上側のコイル部４０１ａ１は、構造体４０３ａ３の上側の表面に設けられている。

上側のコイル部４０１ａ１は、構造体４０３ａ３の上側の表面に設けられたコイル４０１ａ１_１と、このコイル４０１ａ１_１の外側に設けられたコイル４０１ａ１_２と、このコイル４０１ａ１_２の外側に設けられたコイル４０１ａ１_３とを備えている。

なお、図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示した場合と同様に、垂直走査電磁石４０１ａは、構造体４０１ａ３の下側の表面に設けられた下側のコイル部（図示せず）を備えており。
この下側のコイル部も上側のコイル部４０１ａ１と同様に、複数のコイルを有し、これらのコイルは構造体の下側の表面に設けられる。なお、図８では、コイルは一対の側面にそれぞれ３個設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。

そして、図４（ａ）乃至４（ｃ）に示した場合と同様に、垂直走査電磁石４０１ａの外側または内側に、水平走査電磁石のコイル部が設けられる。

このように構成された第３実施形態も第１実施形態と同様に、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図９を参照して説明する。図９は第４実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石４０１Ｃを示す図である。この第４実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、図１に示す第１実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１において、走査電磁石４０１を図９に示す走査電磁石４０１Ｃに置き換えた構成を有している。

この走査電磁石４０１Ｃは、第１走査電磁石部４０１Ｃ_１と、この第１走査電磁石部４０１Ｃ_１の後段に設けられた第２走査電磁石部４０１Ｃ_２と、を備えている。第１走査電磁石部４０１Ｃ_１は、この第１走査電磁石部４０１Ｃ_１に入射する荷電粒子ビーム１０４ｃに対して並列に配置された、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１を備え、口径が入射側から出射側まで実質的に一定であるかまたは線形に増大する構造である。すなわち、第１走査電磁石部４０１Ｃ_１においては、口径が入射側から出射側に向かうにつれて変化率が実質的に０であるかまたは正の一定値であるように変化する構造を有している。ここで、口径の変化率とは、入射側から出射側に向かって距離Δｚ移動したときに口径がΔＤ増大する場合に、比ΔＤ／Δｚを意味する。

第２走査電磁石部４０１Ｃ_２は、並列に配置された、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２を備え、口径が入射側から出射側に向かうにつれて第１走査電磁石部４０１Ｃ_１と異なる変化率で線形に増大するように構成されている。なお、第１走査電磁石部４０１Ｃ_１の出射側の口径と第２走査電磁石部４０１Ｃ２の入射側の口径は実質的に等しい。

この第４実施形態における垂直走査電磁石４１０ａ_１および垂直走査電磁石４１０ａ_２に関する構造体４１０ａ３およびこの構造体４１０ａ３の上側の表面に設けられた第１コイル部４１０ａ１の一具体例を図１０に示す。構造体４１０ａ３は、第１部分４１０ａ３_１と、この第１部分４１０ａ３_１に接続する第２部分４１０ａ３_２とを備えている。第１コイル部４１０ａ１は、垂直走査電磁石４１０ａ_１および垂直走査電磁石４１０ａ_２を一体のコイルで形成した構成を有している。

この第１コイル部４１０ａ１は、構造体４１０ａ３の上側の表面に設けられたコイル４１０ａ１_１と、このコイル４１０ａ１_１の外側に設けられたコイル４１０ａ１_２と、このコイル４１０ａ１_２の外側に設けられたコイル４１０ａ１_３と、を備えている。なお、第１実施形態と同様に、各コイル４１０ａ１_１、４１０ａ１_２、４１０ａ１_３は、それぞれ絶縁材で被覆されている。各コイル４１０ａ１_１、４１０ａ１_２、４１０ａ１_３に、図１に示す電磁石電源４０２ａを用いて励磁電流を流すことにより、垂直方向に磁場を発生する。なお、図１０では、コイルは構造体の上側の表面に３個設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。

第１部分４１０ａ３_１は、図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態における構造体４０１ａ３と同様に、中空形状を有している。第２部分４１０ａ３_２は、口径が入射側から出射側に向かうに連れて線形に増加するチューブ形状を有している。第１部分４１０ａ３_１の出射側の口径は第２部分４１０ａ３_２の入射側の口径と実質的に等しい。コイル４１０ａ１_１、４１０ａ１_２、４１０ａ１_３は、第１部分４１０ａ３_１および第２部分４１０ａ３_２に渡って形成される。

なお、垂直走査電磁石４１０ａ_１および垂直走査電磁石４１０ａ_２のそれぞれの対となる第２コイル部（図示せず）は、図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１および第２部分４１０ａ３_２の下側の表面に設けられる。この第２コイル部も、図１０に示す第１コイル部４１０ａ１と同様に、３つのコイルから構成される。図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１０ａ１の各コイル４１０ａ１_１、４１０ａ１_２、４１０ａ１_３と同じサイズでかつ第１部分４１０ａ３_１および第２部分４１０ａ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１０ａ１の各コイル４１０ａ１_１、４１０ａ１_２、４１０ａ１_３と対称の位置に形成される。

また、第４実施形態における水平走査電磁石４１０ｂ_１および水平走査電磁石４１０ｂ_２は、図１１に示すように、構造体４１０ｂ３と、この構造体４１０ｂ３の一方の側面に設けられた第１コイル部４１０ｂ１と、他方の側面に設けられた第２コイル部（図示せず）と、を有している。

構造体４１０ｂ３は、垂直走査電磁石４１０ａ_１および垂直走査電磁石４１０ａ_２の外側に設けられ、第１部分４１０ｂ１_１と、この第１部分４１０ｂ１_１に接続する第２部分４１０ｂ１_２とを備えている。第１部分４１０ａ３_１は、図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態における構造体４０１ａ３と同様に、中空形状を有している。第２部分４１０ａ３_２は、口径が入射側から出射側に向かうに連れて線形に増加するチューブ形状を有している。第１部分４１０ａ３_１の出射側の口径は第２部分４１０ａ３_２の入射側の口径と実質的に等しい。なお、水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２は、垂直走査電磁石４１０ａ_１、４１０ａ_２の内側に設けてもよい。

第１コイル部４１０ｂ１は、構造体４１０ｂ３の一方の側面に設けられたコイル４１０ｂ１_１と、このコイル４１０ｂ１_１の外側に設けられたコイル４１０ｂ１_２と、このコイル４１０ｂ１_２の外側に設けられたコイル４１０ｂ１_３と、を備えている。コイル４１０ｂ１_１、４１０ｂ１_２、４１０ｂ１_３は、第１部分４１０ｂ３_１および第２部分４１０ｂ３_２に渡って形成される。なお、第１実施形態と同様に、各コイル４１０ｂ１_１、４１０ｂ１_２、４１０ｂ１_３は、それぞれ絶縁材で被覆されている。各コイル４１０ｂ１_１、４１０ｂ１_２、４１０ｂ１_３に、図１に示す電磁石電源４０２ｂを用いて励磁電流を流すことにより、水平方向に磁場を発生する。なお、図１１では、コイルは構造体の一方の側面にそれぞれ３個設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。

水平走査電磁石４１０ｂ_１および水平走査電磁石４１０ｂ_２の対となる第２コイル部（図示せず）は、図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ｂ３_１および第２部分４１０ｂ３_２の他方の側面に設けられる。この第２コイル部も、図１１に示す第１コイル部４１０ｂ１と同様に、３つのコイルから構成される。図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１０ｂ１の各コイル４１０ｂ１_１、４１０ｂ１_２、４１０ｂ１_３と実質的に同じサイズでかつ第１部分４１０ｂ３_１および第２部分４１０ｂ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１０ｂ１の各コイル４１０ｂ１_１、４１０ｂ１_２、４１０ｂ１_３と対称の位置に形成される。

図９に示す第４実施形態のように、走査電磁石４０１Ｃは、荷電粒子ビーム１０４ｃに対して並列に配置された一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と、これらの走査電磁石４１０ａ_１および４１０ｂ_１の後段に設けられかつ並列に配置された一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２と、を備え、これらの走査電磁石４１０ａ_２および４１０ｂ_２は口径が入射側から出射側に向かうにつれて線形に増大するように構成されているので、第１実施形態と同様に、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。
なお、第４実施形態では、走査電磁石４０１Ｃは、第１走査電磁石部４０１Ｃ_１と、この第１走査電磁石部４０１Ｃ_１の後段に設けられた第２走査電磁石部４０１Ｃ_２と、からなる２段構造を有していたが、３段以上の構造を有していてもよい。例えば、第１走査電磁石部４０１Ｃ_１と、この第１走査電磁石部４０１Ｃ_１の後段に設けられた第２走査電磁石部４０１Ｃ_２と、この第２走査電磁石部４０１Ｃ_２の後段に設けられた第３走査電磁石と、からなる３段構造を有し、第３走査電磁石においては、入射側から出射側に向かうにつれて口径が前段の走査電磁石と異なる変化率で線形に増大する構造を有している。また、このような３段以上の構造は、後述する第５乃至第８実施形態においても適用することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図１２および図１３を参照して説明する。この第５実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、第５実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１において、図９に示す垂直走査電磁石４１０ａ_１、４１０ａ_２のコイルをそれぞれの垂直走査電磁石に対応して設け、水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２のコイルをそれぞれの水平走査電磁石に対応して設けた構成を有している。

図１２は、第５実施形態の垂直走査電磁石４１０ａ_１、４１０ａ_２それぞれの、構造体４１０ａ３の上側の表面に設けられた第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２を示す図である。第１コイル部４１１ａ１_１は、第１部分４１０ａ３_１の上側の表面に設けられ、コイル４１１ａ１_１１と、このコイル４１１ａ１_１１の外側に設けられたコイル４１１ａ１_１２と、このコイル４１１ａ１_１２の外側に設けられたコイル４１１ａ１_１３と、を備えている。第１コイル部４１１ａ１_２は、第２部分４１０ａ３_２の上側の表面に設けられ、コイル４１１ａ１_２１と、このコイル４１１ａ１_２１の外側に設けられたコイル４１１ａ１_２２と、このコイル４１１ａ１_２２の外側に設けられたコイル４１１ａ１_２３と、を備えている。すなわち、第５実施形態の第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２は、図１０に示す第１コイル部４１０ａ１を２つに分割した構成を有している。図１２では、コイルは構造体の上側の表面にそれぞれ３個設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。

なお、これらの第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２のそれぞれと対になる第２コイル部（図示せず）はそれぞれ、図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１および第２部分４１０ａ３_２の下側の表面に設けられる。この第２コイル部もそれぞれ、図１２に示す第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２と同様に、３つのコイルから構成される。図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１の下側の表面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ａ１_１の各コイル４１１ａ１_１１、４１１ａ１_１２、４１１ａ１_１３と同じサイズでかつ第１部分４１０ａ３_１の中心軸に対して、第１コイル部４１１ａ１_１の各コイル４１１ａ１_１１、４１１ａ１_１２、４１１ａ１_１３と対称の位置に形成される。また、第２部分４１０ａ３_２の下側の表面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ａ１_２の各コイル４１１ａ１_２１、４１１ａ１_２２、４１１ａ１_２３と同じサイズでかつ第２部分４１０ａ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１１ａ_２の各コイル４１１ａ１_２１、４１１ａ１_２２、４１１ａ１_２３と対称の位置に形成される。

図１３は、第５実施形態の水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２それぞれの、構造体４１０ｂ３の一方の側面に設けられた第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２を示す図である。第１コイル部４１１ｂ１_１は、第１部分４１０ｂ３_１の一方の側面に設けられ、コイル４１１ｂ１_１１と、このコイル４１１ｂ１_１１の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１２と、このコイル４１１ｂ１_１２の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１３と、を備えている。第１コイル部４１１ｂ１_２は、第２部分４１０ｂ_２の一方の側面に設けられ、コイル４１１ｂ１_２１と、このコイル４１１ｂ１_２１の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_２２と、このコイル４１１ｂ１_２２の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_２３と、を備えている。すなわち、第５実施形態の第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２は、図１１に示す第１コイル部４１０ｂ１を２つに分割した構成を有している。図１３では、コイルは構造体の一方の側面にそれぞれ３個設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。

なお、これらの第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２のそれぞれと対になる第２コイル部（図示せず）はそれぞれ、図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ｂ３_１および第２部分４１０ｂ３_２の他方の側面に設けられる。この第２コイル部もそれぞれ、図１３に示す第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２と同様に、３つのコイルから構成される。図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ｂ３_１の他方の側面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ｂ１_１の各コイル４１１ｂ１_１１、４１１ｂ１_１２、４１１ｂ１_１３と同じサイズでかつ第１部分４１０ｂ３_１の中心軸に対して、第１コイル部４１１ｂ１_１の各コイル４１１ｂ１_１１、４１１ｂ１_１２、４１１ｂ１_１３と対称の位置に形成される。また、第２部分４１０ｂ３_２の他方の側面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ｂ１_２の各コイル４１１ｂ１_２１、４１１ｂ１_２２、４１１ｂ１_２３と同じサイズでかつ第２部分４１０ｂ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１１ｂ_２の各コイル４１１ｂ１_２１、４１１ｂ１_２２、４１１ｂ１_２３と対称の位置に形成される。

このように構成された第５実施形態においては、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１と、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２の励磁電流の強さを変えることが可能となるとともに、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２の励磁電流の強さを変えることが可能となる。これにより、口径が入射側から出射側に向かって線形に増大する一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２によって形成される磁場の強さを第４実施形態に比べて調整することができる。なお、この場合、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１に励磁電流を供給する第１電磁石電源と、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２に励磁電流を供給する第２電磁石電源を用意することが好ましく、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１に励磁電流を供給する第３電磁石電源と、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２に励磁電流を供給する第４電磁石電源を用意することが好ましい。

この第５実施形態も第４実施形態と同様に、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。

（第６実施形態）
第６実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図１４および図１５を参照して説明する。この第６実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、第５実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１において、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２の構成するコイルの巻き線数を、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１の構成するコイルの巻き線数よりも多くした構造を有している。

図１４は、第６実施形態の垂直走査電磁石４１０ａ_１、４１０ａ_２それぞれの、構造体４１０ａ３の上側の表面に設けられた第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２を示す図である。第１コイル部４１１ａ１_１は、第１部分４１０ａ３_１の上側の表面に設けられ、コイル４１１ａ１_１１と、このコイル４１１ａ１_１１の外側に設けられたコイル４１１ａ１_１２と、このコイル４１１ａ１_１２の外側に設けられたコイル４１１ａ１_１３と、を備えている。第１コイル部４１１ａ１_２は、第２部分４１０ａ３_２の上側の表面に設けられ、コイル４１１ａ１_２１と、このコイル４１１ａ１_２１の外側に設けられたコイル４１１ａ１_２２と、このコイル４１１ａ１_２２の外側に設けられたコイル４１１ａ１_２３と、このコイル４１１ａ１_２３の外側に設けられたコイル４１１ａ１_２４と、このコイル４１１ａ１_２４の外側に設けられたコイル４１１ａ１_２５と、を備えている。図１４では、第１コイル部４１１ａ１_１は第１部分４１０ａ３_１の上側の表面に３個のコイルが設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。また、第１コイル部４１１ａ１_２は第２部分４１０ａ３_２の上側の表面に５のコイルが個設けられていたが、第１コイル部４１１ａ１_１よりも多くのコイルを設ければよい。

これらの第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２のそれぞれと対になる第２コイル部（図示せず）はそれぞれ、図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１および第２部分４１０ａ３_２の下側の表面に設けられる。この第２コイル部もそれぞれ、図１４に示す第１コイル部４１１ａ１_１および第１コイル部４１１ａ１_２と同様にそれぞれ、３つおよび５つのコイルから構成される。図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１の下側の表面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ａ１_１の各コイル４１１ａ１_１１、４１１ａ１_１２、４１１ａ１_１３と同じサイズでかつ第１部分４１０ａ３_１の中心軸に対して、第１コイル部４１１ａ１_１の各コイル４１１ａ１_１１、４１１ａ１_１２、４１１ａ１_１３と対称の位置に形成される。また、第２部分４１０ａ３_２の下側の表面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ａ１_２の各コイル４１１ａ１_２１、４１１ａ１_２２、４１１ａ１_２３、４１１ａ１_２４、４１１ａ１_２５と、同じサイズでかつ第２部分４１０ａ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１１ａ_２の各コイル４１１ａ１_２１、４１１ａ１_２２、４１１ａ１_２３、４１１ａ１_２４、４１１ａ１_２５と対称の位置に形成される。

図１５は、第６実施形態の水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２それぞれの、構造体４１０ｂ３の一方の側面に設けられた第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２を示す図である。第１コイル部４１１ｂ１_１は、第１部分４１０ｂ３_１の一方の側面に設けられ、コイル４１１ｂ１_１１と、このコイル４１１ｂ１_１１の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１２と、このコイル４１１ｂ１_１２の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１３と、を備えている。第１コイル部４１１ｂ１_２は、第２部分４１０ｂ３_２の一方の側面に設けられ、コイル４１１ｂ１_２１と、このコイル４１１ｂ１_２１の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_２２と、このコイル４１１ｂ１_２２の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_２３と、このコイル４１１ｂ１_２３の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_２４と、このコイル４１１ｂ１_２４の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_２４と、を備えている。図１５では、第１コイル部４１１ｂ１_１は第１部分４１０ｂ３_１の一方の側面に３個設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。また、第１コイル部４１１ｂ１_２は第２部分４１０ｂ３_２の一方の側面に５個のコイルが設けられていたが、第１コイル部４１１ｂ１_１よりも多くのコイルを設ければよい。

なお、これらの第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２のそれぞれと対になる第２コイル部（図示せず）はそれぞれ、図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ｂ３_１および第２部分４１０ｂ３_２の他方の側面に設けられる。この第２コイル部もそれぞれ、図１５に示す第１コイル部４１１ｂ１_１および第１コイル部４１１ｂ１_２と同様にそれぞれ、３つおよび５つのコイルから構成される。図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１の他方の側面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ｂ１_１の各コイル４１１ｂ１_１１、４１１ｂ１_１２、４１１ｂ１_１３と同じサイズでかつ第１部分４１０ｂ３_１の中心軸に対して、第１コイル部４１１ｂ１_１の各コイル４１１ｂ１_１１、４１１ｂ１_１２、４１１ｂ１_１３と対称の位置に形成される。また、第２部分４１０ｂ３_２の他方の側面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ｂ１_２の各コイル４１１ｂ１_２１、４１１ｂ１_２２、４１１ｂ１_２３、４１１ｂ１_２４、４１１ｂ１_２５と同じサイズでかつ第２部分４１０ｂ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１１ｂ_２の各コイル４１１ｂ１_２１、４１１ｂ１_２２、４１１ｂ１_２３、４１１ｂ１_２４、４１１ｂ１_２５と対称の位置に形成される。

このように構成された第６実施形態においては、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１と、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２では、コイルの巻き線数を変えたので、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１と一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２に同じ励磁電流を流しても、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２によって形成される磁場を一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１によって形成される磁場よりも強くすることができる。すなわち、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１と一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２に対して同じ電磁石電源を用いて励磁電流を供給することができる。

また、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２では、コイルの巻き線数を変えたので、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２に同じ励磁電流を流しても、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２によって形成される磁場を一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１によって形成される磁場よりも強くすることができる。すなわち、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２に対して同じ電磁石電源を用いて励磁電流を供給することができる。

この第６実施形態も第５実施形態と同様に、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。

（第７実施形態）
第７実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図１６および図１７を参照して説明する。この第７実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、第４実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１において、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２の構成するコイルの巻き線数を、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１および一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１の構成するコイルの巻き線数よりも多くした構造を有している。

図１６は、第７実施形態の垂直走査電磁石４１０ａ_１、４１０ａ_２それぞれの、構造体４１０ａ３の上側の表面に設けられた第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２を示す図である。第１コイル部４１１ａ１_２は、第２部分４１０ａ３_２の上側の表面に設けられ、コイル４１１ａ１_１と、このコイル４１１ａ１_１の外側に設けられたコイル４１１ａ１_２と、このコイル４１１ａ１_２の外側に設けられたコイル４１１ａ１_３と、このコイル４１１ａ１_３の外側に設けられたコイル４１１ａ１_４と、このコイル４１１ａ１_４の外側に設けられたコイル４１１ａ１_５と、を備えている。なお、コイル４１１ａ１_３、コイル４１１ａ１_４、およびコイル４１１ａ１_５は、第１部分４１０ａ３_１の上側の表面に延在し、第１コイル部４１１ａ１_１を構成する。図１６では、第１コイル部４１１ａ１_１は３個のコイルが設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。また、第１コイル部４１１ａ１_２は５個のコイルが設けられていたが、第１コイル部４１１ａ１_１よりも多くのコイルを設ければよい。

これらの第１コイル部４１１ａ１_１、４１１ａ１_２のそれぞれと対になる第２コイル部（図示せず）はそれぞれ、図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１および第２部分４１０ａ３_２の下側の表面に設けられる。この第２コイル部もそれぞれ、図１６に示す第１コイル部４１１ａ１_１および第１コイル部４１１ａ１_２と同様にそれぞれ、３つおよび５つのコイルから構成される。図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ａ３_１の下側の表面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ａ１_１の各コイル４１１ａ１_３、４１１ａ１_４、４１１ａ１_５と同じサイズでかつ第１部分４１０ａ３_１の中心軸に対して、第１コイル部４１１ａ１_１の各コイル４１１ａ１_３、４１１ａ１_４、４１１ａ１_５と対称の位置に形成される。また、第２部分４１０ａ３_２の下側の表面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ａ１_２の各コイル４１１ａ１_１、４１１ａ１_２、４１１ａ１_３、４１１ａ１_４、４１１ａ１_５と、同じサイズでかつ第２部分４１０ａ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１１ａ１_２の各コイル４１１ａ１_１、４１１ａ１_２、４１１ａ１_３、４１１ａ１_４、４１１ａ１_５と対称の位置に形成される。

図１７は、第６実施形態の水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２それぞれの、構造体４１０ｂ３の一方の側面に設けられた第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２を示す図である。第１コイル部４１１ｂ１_２は、第２部分４１０ｂ３_２の一方の側面に設けられ、コイル４１１ｂ１_１１と、このコイル４１１ｂ１_１１の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１２と、このコイル４１１ｂ１_１２の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１３と、このコイル４１１ｂ１_１３の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１４と、このコイル４１１ｂ１_１４の外側に設けられたコイル４１１ｂ１_１５と、を備えている。なお、コイル４１１ｂ１_１３、コイル４１１ｂ１_１４、およびコイル４１１ａ１_１５は、第１部分４１０ｂ３_１の上側の表面に延在し、第１コイル部４１１ｂ１_１を構成する。図１７では、第１コイル部４１１ｂ１_１は３個のコイルが設けられていたが、１個、２個、または４個以上設けてもよい。また、第１コイル部４１１ｂ１_２は５個のコイルが設けられていたが、第１コイル部４１１ｂ１_１よりも多くのコイルを設ければよい。

これらの第１コイル部４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２のそれぞれと対になる第２コイル部（図示せず）はそれぞれ、図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ｂ３_１および第２部分４１０ｂ３_２の他方の側面に設けられる。この第２コイル部もそれぞれ、図１６に示す第１コイル部４１１ｂ１_１および第１コイル部４１１ｂ１_２と同様にそれぞれ、３つおよび５つのコイルから構成される。図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示す第１実施形態と同様に、第１部分４１０ｂ３_１の他方の側面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ｂ１_１の各コイル４１１ｂ１_３、４１１ｂ１_４、４１１ｂ１_５と同じサイズでかつ第１部分４１０ｂ３_１の中心軸に対して、第１コイル部４１１ｂ１_１の各コイル４１１ｂ１_３、４１１ｂ１_４、４１１ｂ１_５と対称の位置に形成される。また、第２部分４１０ｂ３_２の下側の表面に形成された第２コイル部の各コイルは、第１コイル部４１１ｂ１_２の各コイル４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２、４１１ｂ１_３、４１１ｂ１_４、４１１ｂ１_５と、同じサイズでかつ第２部分４１０ａ３_２の中心軸に対して、第１コイル部４１１ｂ１_２の各コイル４１１ｂ１_１、４１１ｂ１_２、４１１ｂ１_３、４１１ｂ１_４、４１１ｂ１_５と対称の位置に形成される。

このように構成された第７実施形態においては、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１と、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２では、コイルの巻き線数を変えたので、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１と一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２に同じ励磁電流を流しても、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２によって形成される磁場を一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１によって形成される磁場よりも強くすることができる。すなわち、一対の垂直走査電磁石４１０ａ_１と一対の垂直走査電磁石４１０ａ_２に対して同じ電磁石電源を用いて励磁電流を供給することができる。

また、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２では、コイルの巻き線数を変えたので、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２に同じ励磁電流を流しても、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２によって形成される磁場を一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１によって形成される磁場よりも強くすることができる。すなわち、一対の水平走査電磁石４１０ｂ_１と一対の水平走査電磁石４１０ｂ_２に対して同じ電磁石電源を用いて励磁電流を供給することができる。

この第７実施形態も第４実施形態と同様に、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。

（第８実施形態）
第８実施形態による荷電粒子ビーム照射装置について図１８を参照して説明する。図１８は第８実施形態の荷電粒子ビーム照射装置に用いられる走査電磁石４０１Ｄを示す図である。この第８実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、図１に示す第１実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１において、走査電磁石４０１を図９に示す走査電磁石４０１Ｄに置き換えた構成を有している。

この第８実施形態の走査電磁石４０１Ｄは、第４乃至第７実施形態のいずれかの走査電磁石において、水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２の外側にヨーク４０１ｃを設けた構成を有している。なお、水平走査電磁石の口径が垂直走査電磁石の口径よりも小さい場合は、ヨーク４０１ｃは垂直走査電磁石の外側に設けられる。図１８は、第４実施形態の水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２の外側にヨーク４２０を設けた場合の断面図である。

本実施形態においては、ヨーク４２０は、内部の口径が、水平走査電磁石４１０ｂ_１、４１０ｂ_２の外形に沿った形状を有している。すなわち、水平走査電磁石４１０ｂ_１に対応する部分の口径は実質的に一定であるかまたは線形に増大する構造であり、水平走査電磁石４１０ｂ２に対応する部分の口径は水平走査電磁石４１０ｂ_１と異なる変化率で線形に増加する。また、ヨーク４２０の外径は実質的に一定である。このため、荷電粒子１０４ｃが出射される出射側では、入射側に比べてヨーク４２０の肉厚は薄くなっている。

本実施形態の走査電磁石４０１Ｄの上面図および断面図を図１９および図２０に示す。この図１９は、ヨーク４２０の一部分を切断した上面図である。ヨーク４２０は、垂直走査電磁石のコイル部４１０ａ１と長手方向の長さはほぼ同じ長さを有している。なお、図２０において、符号１０４ｃは荷電粒子ビームを示す。

ヨーク４２０は少なくとも２つ以上に分割される。一般的にはＹ方向またはＸ方向に２分割される。図２０では、矢印で示すようにＹ方向に２分割される。ヨーク４２０の内周面の加工およびコイル組立が容易となる構造をしている。ヨーク４２０の内周面はコイル部４１０ａ１の外周面と接触するか近接する大きさであり、鉄などの磁性体で構成されることで磁場の強度を増大すると共に、漏れ磁場を低減している。

本実施形態の走査電磁石４０１Ｄは交流で駆動するため、ヨーク４２０は、電磁鋼板などの薄い鉄板を長手方向に複数枚積層し樹脂で接着した構成を有している。これによりヨーク４２０の発熱や渦電流による誤差磁場を低減することができる。

また、ヨーク４２０においては、上記の通りヨーク４２０の内周面はコイル部４１０ａ１の外周面と接触するか近接する大きさである。しかし、ヨーク４２０の外周面は外径一定としている。このような形状をヨーク４２０が有することで、口径が小さく磁場強度が強い位置ではヨーク４２０は肉厚に、口径が大きく磁場強度が弱い位置ではヨーク４２０は肉薄になり、ヨーク４２０の磁場強度を高める効果を効率的に得ると共に製作性の良いヨークを得ることができる。

第８実施形態も第４実施形態と同様に、荷電粒子ビーム照射装置が荷電粒子ビームの進行方向に長くなることを抑制することができるとともに、口径の増加を必要最小限に抑えることができる。これにより、大型化を抑制することが可能になるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。更に、ヨーク４２０を設けたことにより、外部に磁場が漏れるのを抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１……荷電粒子ビーム照射装置、１０……ビーム発生装置、１０４，１０４ｃ……荷電粒子ビーム、２０……ビーム加速装置、３０……ビーム輸送装置、４０……ビーム照射装置、４０１……走査電磁石、４０１ａ……垂直走査電磁石、４０１ｂ……水平走査電磁石、４０２（４０２ａ，４０２ｂ）……走査電磁石電源、４０３……位置モニタ、４０４……線量計、４０５……線量計回路、６０……照射制御装置、６０３……走査制御部、９０……患者の患部、９０１（９０１ａ〜９０１ｃ）……照射スライス、９０２（９０２ａ〜９０２ｃ）……照射点。

Claims (17)

1. 荷電粒子ビームが入射する第１方向に実質的に直交する第２方向に前記荷電粒子ビームを偏向する第１走査電磁石部と、
   前記第１方向および前記第２方向に実質的に直交する第３方向に前記荷電粒子ビームを偏向する第２走査電磁石部と、
   を備え、前記第１および第２走査電磁石部は、前記第１方向に対して並列に配置される荷電粒子ビーム照射装置。
2. 前記第１走査電磁石部は、中空形状の第１構造体と、前記第１構造体の前記第２方向において対向する第１および第２面にそれぞれ設けられた第１および第２コイルと、を備え、
   前記第２走査電磁石部は、前記第１構造体および前記第１コイルならびに前記第２コイルを覆う中空形状の第２構造体と、前記第２構造体の前記第３方向において対向する第３および第４面にそれぞれ設けられた第３および第４コイルと、を備えている請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
3. 前記第１走査電磁石部は、前記第１方向に沿って配列された複数段の第１走査電磁石を有し、
   前記第２走査電磁石部は、前記第１方向に沿って配列され、前記複数段の第１走査電磁石に対応して設けられた複数段の第２走査電磁石を有し、
   各第１走査電磁石は対応する第２走査電磁石と共に前記第１方向に並列に配置され、
   前記第１走査電磁石および前記第２走査電磁石は、前段よりも後段の口径が大きい、請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
4. 各第１走査電磁石は、中空形状の第１構造体と、前記第１構造体の前記第２方向において対向する第１および第２面にそれぞれ設けられた第１および第２コイルと、を備え、
   各第２走査電磁石は、前記第１構造体および前記第１コイルならびに前記第２コイルを覆う中空形状の第２構造体と、前記第２構造体の前記第３方向において対向する第３および第４面にそれぞれ設けられた第３および第４コイルと、を備えている請求項３記載の荷電粒子ビーム照射装置。
5. 前記第１および第２走査電磁石部は、前記第１方向に沿って前記荷電粒子ビームの入射側から口径が連続的に大きくなるように構成されている請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
6. 前記第１走査電磁石部は、前記第１方向に沿って前記荷電粒子ビームの入射側から口径が連続的に大きくなる中空形状の第１構造体と、前記第１構造体の前記第２方向において対向する第１および第２面にそれぞれ設けられた第１および第２コイルと、を備え、
   前記第２走査電磁石部は、前記第１構造体および前記第１コイルならびに前記第２コイルを覆い、前記第１方向に沿って前記荷電粒子ビームの入射側から口径が連続的に大きくなる中空形状の第２構造体と、前記第２構造体の前記第３方向において対向する第３および第４面にそれぞれ設けられた第３および第４コイルと、を備えている請求項５記載の荷電粒子ビーム照射装置。
7. 前記第１走査電磁石部および前記第２走査電磁石部の外側に設けられた中空形状のヨークを更に備えた請求項１乃至６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射装置。
8. 前記第１走査電磁石部は、前記荷電粒子ビームの入射側から出射側まで実質的に一定であるかまたは線形に増大する口径を有する第１走査電磁石と、前記第１走査電磁石の後段に配置され前記荷電粒子ビームの入射側から出射側まで線形に増大する口径を有する第２走査電磁石と、を備え前記第１走査電磁石の出射側の口径と前記第２走査電磁石の入射側の口径が実質的に同じであり、
   前記第２走査電磁石部は、前記荷電粒子ビームの入射側から出射側まで実質的に一定であるかまたは線形に増大する口径を有する第３走査電磁石と、前記第３走査電磁石の後段に配置され前記荷電粒子ビームの入射側から出射側まで線形に増大する口径を有する第４走査電磁石と、を備え前記第３走査電磁石の出射側の口径と前記第４走査電磁石の入射側の口径が実質的に同じである請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
9. 前記第１および第２走査電磁石は、中空形状の第１構造体と、前記第１構造体の前記第２方向において対向する第１および第２面のうちの前記第１面に設けられた第１コイル部と、前記第２面に設けられたおよび第２コイル部と、備え、
   前記第３および第４走査電磁石は、前記第１構造体および前記第１コイル部および第２コイル部を覆う中空形状の第２構造体と、前記第２構造体の前記第３方向において対向する第３および第４面のうちの前記第３面に設けられた第３コイル部と、前記第４面に設けられた第４コイル部と、を備え、
   前記第１構造体は、入射側の口径が出射側の口径と実質的に同一であるかまたは線形に増大する第１部分と、前記第１部分に接続しかつ口径が出射側に向かって線形に増大する第２部分と、を有し、
   前記第２構造体は、入射側の口径が出射側の口径と実質的に同一であるかまたは線形に増大する第３部分と、前記第３部分に接続しかつ口径が出射側に向かって線形に増大する第４部分と、を有している請求項８記載の荷電粒子ビーム照射装置。
10. 前記第１コイル部は前記第１構造体の前記第１部分および第２部分に渡って設けられた第１コイルを有し、
    前記第２コイル部は前記第１構造体の前記第１部分および第２部分に渡って設けられた第２コイルを有し、
    前記第３コイル部は前記第２構造体の前記第３部分および第４部分に渡って設けられた第３コイルを有し、
    前記第４コイル部は前記第２構造体の前記第３部分および第４部分に渡って設けられた第４コイルを有する請求項９記載の荷電粒子ビーム照射装置。
11. 前記第１コイルは、前記第２部分に設けられた部分の巻き線数が前記第１部分に設けられた部分の巻き線数よりも多く、
    前記第２コイルは、前記第２部分に設けられた部分の巻き線数が前記第１部分に設けられた部分の巻き線数よりも多く、
    前記第３コイルは、前記第４部分に設けられた部分の巻き線数が前記第３部分に設けられた部分の巻き線数よりも多く、
    前記第４コイルは、前記第４部分に設けられた部分の巻き線数が前記第３部分に設けられた部分の巻き線数よりも多い請求項９記載の荷電粒子ビーム照射装置。
12. 前記第１コイル部は、前記第１構造体の前記第１部分に設けられた第１コイルと、前記第２部分に設けられた第２コイルと、を有し、
    前記第２コイル部は、前記第１構造体の前記第１部分に設けられた第３コイルと、前記第２部分に設けられた第４コイルと、を有し、
    前記第３コイル部は、前記第２構造体の前記第３部分に設けられた第５コイルと、前記第４部分に設けられた第６コイルと、を有し、
    前記第４コイル部は、前記第２構造体の前記第３部分に設けられた第７コイルと、前記第４部分に設けられた第８コイルと、を有する請求項９記載の荷電粒子ビーム照射装置。
13. 前記第２コイルは前記第１コイルよりも巻き線数が多く、前記第４コイルは前記第３コイルよりも巻き線数が多く、前記第６コイルは前記第５コイルよりも巻き線数が多く、前記第８コイルは前記第７コイルよりも巻き線数が多い請求項１２記載の荷電粒子ビーム照射装置。
14. 前記第１走査電磁石部および前記第２走査電磁石部の外側に設けられた中空形状のヨークを更に備えた請求項８乃至１３のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射装置。
15. 前記ヨークは、前記第１走査電磁石部および前記第２走査電磁石部のうちの口径大きな方の電磁石部の外形に沿って形状の口径を有する請求項１４記載の荷電粒子ビーム照射装置。
16. 前記ヨークは、前記荷電粒子ビームの出射側における厚さが、前記荷電粒子ビームの入射側における厚さよりも薄い請求項１４または１５記載の荷電粒子ビーム照射装置。
17. 前記ヨークは、前記第１方向に沿って鉄板が積層された構造を有している請求項１４乃至１６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射装置。

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