ଵ強力永久磁石による四極磁石
三原貴憲1,A)、岩下芳久A)、熊田雅之B)、ো木雅昭C)、E.Antokhin D)A)
京ற大学化学研究所ൂ属原子核科学研究施০
〒611-0011 京ற府宇治市五ヶ庄B)
独立行政法人放射線医学総合研究所 加速器物理工学൉
〒263-8555千葉市稲毛区穴川 4-9-1
C)
住友特殊金属株式会社 マグネット応用開発൉
D)
BINP,Novosibirsk、Russia

概要
Halback型の磁気回路配列に磁気飽和鉄を導入して発生磁束密度を上げる手法を用いて永久四極磁石をࠟ作した。この磁石と、その測定結果について報告する。また、温度補償、集束強度の可変化を検討している。

最大磁場勾配ではなく最大GL積を達成するためには、option magnet൉分を磁石ではなくఫ鉄で埋めた方がよい(これについては後述する)。
Fig3は現物の写真である[3] 。へこんだ൉分にoptionmagnetが入る構造になっている。

１．はじめに永久磁石 の改良 型Halbach磁気 回路 [1] により 、4.45Tというଵ஢導並みの二極磁場を発生できる事が立証された[2]。この技術を応用し、改良型Halbach
磁気回路を用いた四極磁石によってリニアコライダー用最終集束レンズを構成する事を検討している。
現在までに、ࠟ作機を作り、ＳＬＡＣにおいて磁場測定も行なった。その測定結果を元に、その性能について報告する。
この永久磁石を用いた四極レンズの利点は小型で೪常に強い集束力を持つことである。ӕ決すべき問
題点としては主に二つが挙げられる。一つには永久磁石の発生磁場が温度依存性を持つことで、一般には整磁合金が使われる。もう一つは、集束強度の可変性が必要になるという点である。これはࡃ方向に磁石を分割してそれぞれを回転することによって実現することを考えている。

Fig.1
四極レンズの断面図。左がࡃに平行に、右がࡃに垂直に切った図。左の図で、ࡃ方向の端にある磁石は漏れ磁場を押さえ込む働きをする。

２．永久磁石による四極レンズ
ＮｄＦｅＢを用いた強力な永久磁石ＮＥＯＭＡＸを用いて、改良型Halbach磁気回路を用いた四極磁石を製作した。Fig.1は概観図である。構成要素は永久磁石とఫ鉄。強く飽和した鉄は同じ動作点において、永久磁石よりも強い磁束密度を持つ。Fig2の左は磁場‫ڐ‬算コードPANDIRAによる磁束の様子がプロットされているが、ఫ鉄൉分の磁束が೪常に強く、そろっていることがわかるであろう。
ࠟ作機では特に、この原理による磁場勾配の到達点を確認する必要性がのため、中心൉での勾配に注目して構成を行なっている。端までఫ鉄を入れておくと磁束がࡃ方向に௣げるため、内側に磁化方向を持つ永久磁石を入れて磁場勾配の極大化を図っている。(この磁石をoption magnetと呼んでいる。)
1

E-mail: mihara@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp

Fig 2 飽和鉄を含んだ永久磁石四極レンズ

Fig.3

永久磁石四極レンズ。

３ .ࠟ 作 機 の 性 能3.1 SLACでの測定結果
ࠟ作した四極レンズはSLACで、rotatingcoilによる磁場測定を行なった。測定結果から、GL積は28.5[T]である事がӕった。磁場‫ڐ‬算コードによる‫ڐ‬算値が29.7[T]で、誤差５％以内に収まっており、比Ԕ的よくあっている。
同時に多極成分についての測定も行なった。その結果がFig.4である。対称性から、発生多極成分としては4極の上は12極であり、2,6,8,10極成分等は出ないはずである。実際にはこれらの成分が観測された。

BLn[%]

100

Fig.5 測定値の、sextupole以上の‫ݗ‬次成分のplot。

Harmonics@r=4mm

1010.10.010.001
1 2 3

4 5 6 7 8n

9 10 11

Fig.4 多極成分。左が測定値、右が‫ڐ‬算値。
測定値では四極成分と十二極成分以外の値が予想よりも大きい。

3.2 多極成分の֬源と対策Fig.6 磁石のうちの一つの磁化方向を時‫ڐ‬回りに20 回転させた‫ڐ‬算値。

４．温度補償約-0.11[%/Ｋ]という温度係数を持つ永久磁石では、周囲の温度変化によって発生磁場が変わるという欠dipole,sextupole,octupole,decapole等の多極成分の原因を探るべく、以下の仮定を置いて分析を行なった。 点がある。この変化を整磁合金を用いて補正することを検討した。
・特定の磁石の減磁(着磁の不具合)
この磁気回路の場合、鉄が入っているため、温度・特定の磁石の磁化方向のずれ
係数は永久磁石のみの場合に比べて小さくり、温度‫ڐ‬算には二次元磁場コードPANDIRA、三次元磁場係数は約0.09[%/k]になる。ここではGL積を大きくすコードTOSCAを用いた。
るためにoption magnet൉分をఫ鉄で埋めたものを基特定の磁石の不具合準としている。様々な配置について、TOSCAを用いて最適化を行なった（Fig.7参照）。整磁合金の量は四極磁石は、１２個の磁石と四つの鉄で構成されかなり多くなり、場所をとるのが難であるが、温度ている。そのうちの特定の一つの磁石に不具合が係数は約0.005[%/Ｋ]まで下がる。一方、GL積は約あった時の振る舞いを調べた。
4%減る。
まず最初に、測定された磁場の‫ݗ‬次成分のࡃ中心の円周上での振舞いを見るために、sextupole以上の‫ݗ‬次成分をplotした。
Fig.5と比べるために、PANDIRAを用いて、磁石のうち一つの磁力を10%下げて‫ڐ‬算してみたが、大きい影‫؜‬は見られなかった。次に、一つの磁石の磁化方向を20 回転して、Fig.5と同じ様にsextupole以上をplotしたのがFig.6である。
このグラフは、１２個の磁石の中で、怪しいと思われるいくつかの磁石の磁化方向を変えてみたもののうちの一つであるが、グラフの形状が೪常によくFig.7 温度補償材を装備した四極磁石。
似ている。グラフの触れ幅は回転Ԓに大体比例して四極磁石を挟んでいるのが温度補償材いる。これが原因だとすれば、予備の磁石を作って(MS-1)であるおいて、素性のよいものを選べば改善できる。

Fig.8はgradientのplotである。ここでは、・ Fig.7のMS合金モデルで、20℃の時・
〃、40℃の時・ 基準モデル

緩和するために、Fig.10のような形状(ダブルリング構造)にすることを考えた。

を比べている。
20℃と40℃の時の値を比べてみると、内側では磁石の温度係数に対応して40℃の時のgradient が弱くなっているのがわかる。対して、外側ではMS合金の効果で強度が逆転している。GL積にすると、これらがキャンセルして温度係数を補償している。

Fig.10 ダブルリング構造をした四極磁石。
外側だけを90度回転する。

Fig.8 種々の形状、温度でのgradientのplot。
縦ࡃの単位はG/cm。横ࡃは四極磁石の中心を0cmとしたビームࡃ方向の‫״‬離。

５．強度可変性
強度を可変にするために考えているのは、ࡃ方向に磁石を分割してそれぞれを回転する方法である。
リニアコライダーではskewは೪常に小さく抑えないといけないため、回転といっても0度、90度の二値に制限する。これにより、原理的にはFとDが入れ替わるだけになり、skewは出ない事になる。

Fig.11 二重リング型可変PMQ。
Gap間隔は1cmで、8cmy1cmy2cm,4cmに分割されている。
ࡃずれやskew成分によく効いてくるのは内側の൉分なので、内側と外側に分けて外側だけ回転させる事によって、駆動によるずれの影‫؜‬を緩和する。

６．まとめ
ࠟ作された四極磁石の性能は、gradientの強度に関しては期待された値と5%程度しか違わず、飽和鉄を使わない物に比べて約1.2倍という೪常に強い値を示した。‫ݗ‬次多極成分については、磁化方向のずれを仮定した‫ڐ‬算値と磁場分布が೪常に似ており、主要因であろうと考えている。
温度補償については、MS合金で補償する場合スペースをとり、発生磁場も約４％下がる。このため、他の方法についても模索中である。
強度可変化については、単純ࡃ方向分割型に加えてダブルリング構造も検討中である。

７．参考文献Fig.9

単純ࡃ方向分割型PMQ。20cm毎に上記の分割を施す事で、全体として1%の分ӕ能を持つ

この手法は、ࡃのずれySkew成分を抑えるために೪常に精度のよい回転機構が要求される。要求精度を[1]

K.Halbach, IEEE, Trans., NS26(1979),3882,
NIM169(1989)1 NIM 187(1981)109 NIM
198(1982)213[2] M.Kumada et al.,patent pending.CERN Courier, volume41,number7,September 2001,p.9,M[3] Y.Iwashita,T.Mihara,E.Antokin,M.Kumada,M.Aoki“Permanent Magnet Quadrupole for Final Focus for LinearCollider”,PAC03,MAY,12-16,2003,Portland,Or