(57)【要約】【課題】電磁石が発生する磁場内に永久磁石を設置して所定の磁場分布を発生する電磁石を提供する。【解決手段】電磁石にかかわり、軸対象な特定の空間に２重極成分を発生する一対の永久磁石を配置することにより必要とする磁場分布を精度良くかつ簡単に生成できる特徴があり、設計が容易な電磁石である。完全円形であるシンクロトロン、サイクロトロン、ベータトロン、マイクロトロン等にも適用できる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石にかかわり、電磁石が発生する磁場中に永久磁石を所定の位置と傾きに配置することにより必要とする磁場分布を成形したことを特徴とする電磁石。
【請求項２】
前記電磁石が軸対象な円形電磁石である場合に、軸対象な特定の空間に２重極成分を発生する一対以上の永久磁石を配置したこと特徴とする請求項１に記載の電磁石。
【請求項３】
前記電磁石内部に永久磁石を設置する場合、永久磁石のつくる磁力線が４重極性分を含む多重極性分であることを特徴とする請求項１に記載の電磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、磁場を発生する磁場発生用の電磁石に関するものであり、とりわけ加速器、ＭＲＩ、モーター等の電磁石を使用する産業分野に利用できる電磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より電磁石の磁場を調整する方法として、電磁石のポールピースの形状やフィールドクランプを用いて成形する方法等が良く知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法は、理想的な磁場をデザインするのに時間を要すると共に、必要かつ精密な磁場を成形するのに限界があった。
【０００４】
そこで本発明は、必要かつ精密な磁場を生成するために、電磁石が発生する磁場中に成形した永久磁石を所定の位置と方向に設置することにより精密な磁場形成が可能な電磁石を提供し、上記問題点を解決することを目的とする。
本発明は電磁石が軸対象な円形電磁石である場合に、軸対象な特定の空間に２重極成分を発生する一対の永久磁石を配置することにより所定の磁場分布を発生できるようにしたことを特徴としており、また、電磁石内部に永久磁石を設置する方法として、永久磁石のつくる磁力線が４重極性分を含む多重極性分を発生するようにしたことを特徴としており、これにより、磁場を精度良く発生させることができるとともに、複雑な磁場を成分に分解できる点で設計所要時間を短縮することができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
電磁石にかかわり、電磁石が発生する磁場中に永久磁石を所定の位置と傾きに配置することにより必要とする磁場分布を成形したことを特徴とする電磁石である。
また、前記電磁石が軸対象な円形電磁石である場合に、軸対象な特定の空間に２重極成分を発生する一対以上の永久磁石を配置したこと特徴とする電磁石である。　また、前記電磁石内部に永久磁石を設置する場合、永久磁石のつくる磁力線が４重極性分を含む多重極性分であることを特徴とする電磁石である。
【０００６】
【実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る円形シンクロトロンのための電磁石の断面図、図２は電磁石で生成する磁場のメディアンプレーン上での動径方向磁場分布を示す図、図３は永久磁石で生成する磁場の動径方向磁場分布の図、図４は電磁石で生成した磁場と永久磁石で生成した磁場の重ね合わせにより作られた磁場分布の図、図５は永久磁石を設置した電磁石の平面図、図６は永久磁石でできた４極磁石を設置した円形シンクロトロンの平面図である。
【０００７】
図１において電磁石は、鉄でできたヨーク１、コイル２、電磁軟鉄でできたポールピース３、永久磁石４及び永久磁石５、トリムコイル６，７，８、９、１０、１１で構成され、平面視において円形をしている。なお、電磁石の基本的な構成は従来の電磁石と同様である。
この電磁石は、メディアンプレーン１２内に電子ビームを蓄積するために使用されるものであり、このためメディアンプレーンにおける動径方向磁場分布を必要に応じて成形することが必要である。必要な磁場の発生は、従来は通常ポールピース３の形状を調整すると共にトリムコイルを用いることにより行っていた。
【０００８】
即ち、上記電磁石においてポールピース３とトリムコイル６、７、８、９、１０、１１だけで成形した磁場の動径方向磁場分布は図２に示すようになる。図から明らかなように磁場は、ヨークの影響で外側にゆくほど減衰する。この場合に必要な磁場は、半径２００ｍｍまで緩やかに減衰し、その外側で急激に減衰するのが好ましい。急激に減衰する磁場を成形する一つの方法は、鉄でできたフィールドクランプを使用する方法である。しかしながら、フィールドクランプでも十分に急激な磁場の減衰を作ることは難しい。
【０００９】
このため、本発明では求める磁場分布の成形のために、電磁場内に永久磁石４、５を所定の位置と傾斜を持って配置することにより電磁石全体の磁場分布をコントロールできるようにしている。なお、図５は、環状の永久磁石を電磁石内に設置した状態の平面図であり、この場合、永久磁石は環状に連続するものとして配置しているが、連続しない永久磁石を所定の位置および傾きをもって配置することも可能である。
前記永久磁石４及び５は、ポールピース３の間隙に配置され、断面コ字状をしたステンレスの真空槽１３の上下面および側面に固定して環状にかつメディアンプレーンに対して対向する対として配置する。対向する永久磁石により発生する磁場は、その間隙を広げれば分布が広がり、影響が広がる。しかし、磁場強度は減衰する。永久磁石の幅を広げれば、フラットな磁場分布が発生する。注意しなければならないのは、対向する永久磁石の外では逆向きの磁場が発生することである。本実施例では、永久磁石５がつくる逆向きの磁場を打ち消すために永久磁石５を使用している。なお、永久磁石４及び５の配置は上記説明した配置に限定されることなく、必ずしも軸対称に配置することはなく、求める磁場分布が得られるようにその位置や傾きを変えて配置することが可能である。
このように電磁場中に永久磁石を挿入することは従来行われていない。しかし実は、永久磁石の透磁率は、鉄とは異なり空気に近い。従って、電磁石でできた磁場は永久磁石により影響を受けない。この結果、電磁石全体の磁場は、電磁石により発生した磁場とそれぞれの永久磁石が作る磁場の単純な重ね合わせとなる。このことは磁場をデザインする上できわめて好都合である。
【００１０】
図３の白及び黒の曲線は、それぞれ永久磁石４及び５がメディアンプレーン上につくる動径方向磁場分布である（図中黒線が永久磁石４の磁場分布、図中白線が永久磁石５の磁場分布）。図３の磁場分布と図２の電磁石がつくる磁場分布を重ね合わせたのが、図４である。図４の磁場分布半径２００ｍｍの外側で急激に減衰していることがわかる。この様に本発明では、電磁石により発生した磁場と永久磁石が作る磁場の単純な重ね合わせにより、容易に必要とする磁場分布を設計することができる。
なお、理想の磁場を発生する電磁石は、もちろんシンクロトロンのための電磁石と限らず、サイクロトロン、マイクロトロン、ベータトロン等の電磁石にも適用できる。
【００１１】
この手法は、図１に示したように磁場のフリンジ部分を成形するために用いるとは限らない。中心部分の磁場分布を成形するために用いることができるし、また配置の仕方として、環状に配置しない場合もあるし、対向させて２重極成分を発生するように配置せず、傾きをつけて配置する場合もある。傾きをつけて配置する一つの例は、４重極成分を発生するような４極磁石を形成することである。永久磁石でできた４極磁石を、電磁石内部に設置し、電子やイオンビームを収束することができる。
【００１２】
図６は、この様な永久磁石でできた４極磁石２０を円形シンクロトロン２１の中に設置した例に関する平面図である。磁場は紙面に垂直に発生している。永久磁石付４極磁石２０を磁場中の入射電子軌道２２上に設置して電子ビームを収束している。電子軌道２２は、電磁石により決まっていて永久磁石の影響は受けない。　永久磁石の設計は、従って電磁石とは独立に単独で行うことが出来る点で都合がよい。上記のような永久磁石を有する電磁石の設置場所は、もちろん入射電子軌道上とは限らず、周回電子軌道２３上に設置して、周回ビームを収束することもできる。
なお、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならなず、また本発明はその精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、
本発明の電磁石は、電磁石が発生する磁場内に永久磁石を設置することで目的とする所定の磁場分布を発生することができ、また磁場の微調に永久磁石を用いたことにより、必要磁場を精度良くかつ簡単に生成することができる。具体的には、電磁石磁場と永久磁石磁場を単に重ね合わせるという手法で磁場を成形できるために、精度が良く、設計が容易である。また複雑な磁場を成分に分解できる点で設計所要時間を短縮できる、等の優れた効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電磁石の断面図である。
【図２】電磁石で生成する磁場のメディアンプレーン上での動径方向磁場分布を示す図である。
【図３】永久磁石で生成する生成する磁場の動径方向磁場分布を示す図である。
【図４】電磁石で生成した磁場と永久磁石で生成した磁場の重ね合わせにより作られた磁場分布を示す図である。
【図５】永久磁石を設置した電磁石の平面図である。
【図６】永久磁石でできた４極磁石を設置した円形シンクロトロンの平面図である。
【符号の説明】
１　　　電磁石ヨーク
２　　　コイル
３　　　ポールピース
４　　　永久磁石
５　　　永久磁石
６　　　トリムコイル
７　　　トリムコイル
８　　　トリムコイル
９　　　トリムコイル
１０　　トリムコイル
１１　　トリムコイル
１２　　メディアンプレーン
１３　　ステンレス真空槽
２０　　４極永久磁石付電磁石
２１　　円形シンクロトロン
２２　　入射軌道
２３　　周回軌道
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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