CN103155720A

CN103155720A - 改进的多极磁铁

Info

Publication number: CN103155720A
Application number: CN2011800481947A
Authority: CN
Inventors: 詹姆士·安东尼·克拉克; 本杰明·约翰·亚瑟·谢佛德; 尼尔·马科斯; 诺伯特·科洛姆
Original assignee: SCIENCE AND TECHNOLOGY FACILIT
Current assignee: British research and innovation organization
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-10-04
Also published as: CN105530752A; JP2013541817A; US20130207760A1; DK3157309T3; CN103155720B; GB201016917D0; CN105530752B; DK2625934T3; US8829462B2; EP2625934A1; WO2012046036A1; EP2625934B1; EP3157309A1; EP3157309B1

Abstract

用于使带电粒子束偏转的多极磁铁包括：布置在极平面中的多个铁磁极；多个永久磁铁，每个永久磁铁具有磁化方向，且每个永久磁铁布置成将磁通势供应到所述多个铁磁极以在所述磁极之间的束线空间中沿着所述磁极平面产生磁场；以及多个铁磁通量传导构件，其布置成引导来自多个永久磁铁中的至少一个的磁通量；其中多极磁铁包括偶数数量的铁磁极，每个磁极布置成在极平面中沿着极轴与所述磁极中的另一个直径地相对，其中多个永久磁铁中的每个与多个磁极中的至少一个相关，且每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成至少45°的角。

Description

改进的多极磁铁

本发明涉及改进的多极磁铁，且更具体地，虽然不是排他地，涉及包括永久磁铁并适合于使带电粒子束偏转、聚焦或以另外方式改变带电粒子束的特征的改进的多极磁铁。

背景

多极磁铁由多个磁极组成，且除了别的以外还用于在粒子加速器中使带电粒子束偏转、聚焦或以另外方式改变带电粒子束的特征。多极磁铁可用于改变粒子束的总方向，使粒子束聚焦或散焦，或校正粒子束中的偏差。用于执行这些任务的多极磁铁的适合性在很大程度上由所存在的磁极的数量确定。具有四个磁极的四极磁铁例如特别适合于使带电粒子束聚焦和散焦。在现代粒子加速器束线中，可沿着单个束线部署数百个多极磁铁。在所提出的未来的束线中，对于单个束线可能需要数千个多极磁铁。

在多极磁铁布置中使用的磁铁可以是由卷绕在铁磁极周围的载流导线组成的电磁铁或被内在地磁化的永久磁铁。

电磁铁一般需要昂贵的电源，且也可能需要冷却装置来移除载流线圈所产生的热。冷却装置可包括例如能够使冷却剂循环的管道工程系统或用于使冷却的空气循环的气流系统。任何冷却系统将引起与每个多极磁铁相关的额外的设立和运行成本，且也将需要在多极磁铁周围的足够空间，多极磁铁在该空间中操作。

相反，永久磁铁多极磁铁不需要电源或冷却系统。在US-A-2002/0158736（Gottschalk C.C.）中描述了永久磁铁多极磁铁的例子。Gottschalk多极磁铁包括多个铁磁极和相对于这些极可移动以在磁极之间产生可变磁场的一个或多个永久磁铁。

本发明的目的是提供改进的多极磁铁，其包括永久磁铁且优于现有技术的多极磁铁。

本公开的简要概述

根据本发明的第一方面，提供了用于使带电粒子束偏转的多极磁铁，其包括：

布置在极平面中的多个铁磁极；

多个永久磁铁，每个永久磁铁具有磁化方向，且每个永久磁铁布置成将磁通势供应到多个铁磁极以在磁极之间的束线空间中沿着极平面产生磁场；以及

多个铁磁通量传导构件，其布置成引导来自多个永久磁铁中的至少一个的磁通量；

其中多极磁铁包括偶数数量的铁磁极，每个磁极布置成在极平面中沿着极轴与所述磁极中的另一个直径地相对，其中多个永久磁铁中的每个具有与其相关的多个磁极中的至少一个，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成至少45°的角。

在优选实施方式中，每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成小于或等于135°的角。在另一或可选的优选实施方式中，每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成75°的角。在另一可选的优选实施方式中，每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成至少90°的角。在另一可选的实施方式中，每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成120°的角。

在上面描述的实施方式中的任一个中，多极磁铁能够产生高质量磁场，其不需要电源或冷却系统，且可在最小体积内被构造。因此，多极磁铁特别适合于用在束线中，其中空间被特别限制（例如在屏蔽的外罩例如隧道中），或其中在周围空间中的热耗散的减少是约束。考虑到不需要电源，这些多极磁铁中的很大数量的磁铁与类似数量的电磁多极磁铁比较可以以明显更低的成本操作。

在优选实施方式中，多个永久磁铁和多个铁磁通量传导构件中的至少一个在极平面中相对于多个铁磁极是可移动的，以便改变束线空间中的磁场的强度。这个优选的特征给多极磁铁提供可调节性，由此，通过控制多个永久磁铁和多个铁磁通量传导构件中的至少一个的位移来控制束线空间中的磁通量密度。

优选地，每个铁磁通量传导构件处于与相关铁磁极间隔开的布置中，且只有多个永久磁铁在极平面中相对于铁磁极是可移动的。

在可选的优选实施方式中，每个永久磁铁在极平面中连同相关的铁磁通量传导构件相对于相关的铁磁极是可移动的，使得在每个永久磁铁和其相关的铁磁通量传导构件之间的相对运动实质上不被允许。此外优选地，多个永久磁铁和多个铁磁通量传导构件中的至少一个沿着极平面沿着定向成相对于相关磁极的极轴成45°的角的路径是可移动的。

在一个优选的实施方式中，每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成大于45°和小于135°的角，且多个永久磁铁中的每个与多个磁极之一相关；以及

铁磁通量传导构件中的至少一些包括引导两个相邻磁极的永久磁铁之间的磁通量的铁磁桥。

根据本发明的第二方面，提供了用于使带电粒子束偏转的多极磁铁，其包括：

布置在极平面中的多个铁磁极；

多个永久磁铁，其布置成将磁通势供应到多个铁磁极中的至少一个以在磁极之间的束线空间中沿着极平面产生磁场；以及

其中多个永久磁铁和多个铁磁通量传导构件中的至少一个在极平面中相对于多个铁磁极是可移动的，以便改变束线空间中的磁场的强度。

多极磁铁因此能够产生高质量可调节磁场，其不需要外部电源或冷却系统，且可在最小体积内被构造。因此，多极磁铁特别适合于用在束线中，其中空间被特别限制（例如在屏蔽的外罩例如隧道中），或其中在周围空间中的热耗散的减少是约束。考虑到不需要电源，这些多极磁铁中的很大数量的磁铁与类似数量的电磁多极磁铁比较可以以明显更低的成本操作。

在可选的优选实施方式中，每个永久磁铁在极平面中连同相关的铁磁通量传导构件相对于相关的铁磁极是可移动的，使得在每个永久磁铁和其相关的铁磁通量传导构件之间的相对运动实质上不被允许。

在特别优选的实施方式中，多极磁铁包括偶数数量的铁磁极，每个磁极布置成在极平面中沿着极轴与磁极中的另一个直径地相对。优选地，多个永久磁铁和多个铁磁通量传导构件中的至少一个沿着极平面沿着被定向成相对于相关磁极的极轴成至少45°的角的路径是可移动的。

在优选实施方式中，多个永久磁铁中的每个具有磁化方向，且每个永久磁铁具有与其相关的、多个磁极中的至少一个，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在极平面中相对于相关磁极的极轴成至少45°的角。

当永久磁铁远离磁极移动时，较少的磁通量穿过磁极并进入束线空间中。永久磁铁与通量传导构件的接近度提供用来减小束线空间中的磁通量密度的短路。因此，通量传导构件可移动而更接近于永久磁铁，以便产生短路并减小束线空间中的磁场强度。永久磁铁和通量传导构件的相对运动可产生也用于减小束线空间中的磁通量密度的空气间隙。

在一个优选的实施方式中，铁磁通量传导构件中的至少一些包括与永久磁铁中的至少一个相关的盖以从其引导磁通量。

在另一或可选的优选实施方式中，铁磁通量传导构件中的至少一些包括围绕极和永久磁铁的不连续外壳。

在一些优选实施方式中，铁磁极和铁磁通量传导构件的总数大于永久磁铁的数量。

在另一或可选的优选实施方式中，多极磁铁是包括四个铁磁极和两个永久磁铁的四极磁铁，其中这两个永久磁铁中的每个与极中的两个相关以向其供应磁通势。

附图的简要说明

在下文中参考附图进一步描述本发明的实施方式，其中：

图1是沿着根据本发明的实施方式的四极磁铁的极平面的横截面视图；

图2是沿着根据本发明的可选实施方式的四极磁铁的单个象限的极平面的横截面视图；

图3是根据本发明的另一可选实施方式的四极磁铁的单个象限的透视图；

图4是沿着根据本发明的另一可选实施方式的四极磁铁的单个象限的极平面的横截面视图；

图5是沿着根据本发明的另一可选实施方式的四极磁铁的单个象限的极平面的横截面视图，其中磁通量的线也被示出；

图6是沿着根据本发明的另一可选实施方式的四极磁铁的单个象限的极平面的横截面视图；

图7是沿着根据本发明的另一可选实施方式的四极磁铁的单个象限的极平面的横截面视图；

图8是沿着根据本发明的另一可选实施方式的四极磁铁的四个完整的象限的极平面的横截面视图；

图9是沿着根据本发明的实施方式的四极磁铁的极平面的横截面视图，磁通量的线被示出；

图10是指示图9的四极磁铁的束线空间中的磁通量密度相对于永久磁铁的位移的变化的梯度曲线；

图11和12是本发明的实施方式的另外的例子，且每个图示出沿着四极磁铁的单个象限的横截面视图；以及

图13是指示图4的四极磁铁的束线空间中的磁通量密度相对于永久磁铁和桥的位移的变化的梯度曲线。

详细描述

虽然本发明通常涉及具有任何数量的极的多极磁铁，它在下文中关于四极磁铁，即，具有四个极的磁铁而被描述。然而，本领域的读者将认识到，本发明不限于四极磁铁。本发明的实施方式可被设想为其它多极磁铁，例如偶极、六极和八极。

图1示出根据本发明的实施方式的四极磁铁10的横截面视图。四极磁铁10由四个象限10a、b、c、d组成，其中每个象限10a、b、c、d包括铁磁极12a、b、c、d和从每个磁极12a、b、c、d延伸的以极根13a、b、c、d的形式的铁磁通量传导构件。图1的横截面视图沿着四极磁铁10的极平面被截取，该极平面被定义为，关于该平面，四极磁铁是对称的（即，进入页面和从页面出来），且四极磁铁10的所有极12a、b、c、d位于该平面中。在图1中指示坐标系，其包括定义极平面的二维的x轴和y轴。第三z轴（未示出）垂直于x轴和y轴而延伸（即，进入页面和从页面出来）。

在极平面中，极12a和12c沿着第一极轴100ac彼此直径相对地布置，而极12b和12d沿着第二极轴100bd彼此直径相对地布置，其中第一极轴100ac与极平面中的第二极轴100bd正交。在极平面内，四极12a、b、c、d定义其间的以第一和第二极轴100ac、bd的交叉点200为中心的束线空间。在操作中，带电粒子例如电子或正电子的粒子束穿过束线空间实质上垂直于极平面，即，实质上平行于z轴而行进。

可移动永久磁铁14ab布置在两个极根13a和13b之间，且实质上相同的可移动永久磁铁14cd布置在两个极根13c和13d之间。在可选的实施方式中，永久磁铁14ab和14cd中的每个可每个由彼此独立地可移动的两个或多个单独的永久磁铁构成。此外，其它永久磁铁可布置在多极磁铁10周围的其它位置上。因此，永久磁铁的数量可以或可以不等于极的数量。

铁磁通量传导构件16ab相对于交叉点200从极12a和12b径向向外地布置。类似地，铁磁通量传导构件16cd相对于交叉点200从极12c和12d径向向外地布置。铁磁通量传导构件16ab和16cd是铁磁“盖”，并在下面被更详细地描述。在可选的实施方式中，通量传导构件16ab和16cd可每个由两个单独的盖部件构成。

在图1所示的实施方式中，象限10a、b、c、d中的每个在结构上与其它象限10a、b、c、d中的每个相同。为了方便起见，在下文中，本领域的读者可假设关于象限10a描述的四极磁铁10的特征可被解释为同等地可适用于四个象限10a、b、c、d中的任一个（除非另外说明），其中相似的数字用于等效的特征，字母a、b、c和d表示分别相关的象限10a、10b、10c和10d。在可选的实施方式中，象限可以不都彼此相同。实际上，在根据本发明的实施方式的任何通用多极磁铁中，极、永久磁铁和铁磁通量传导构件可彼此不同。

永久磁铁14ab在整个象限10a和10b中布置以将磁通势供应到铁磁极12a和12b（分别经由极根13a和13b）以产生沿着极平面延伸到束线空间中的磁场，从而能够使穿过其的带电粒子束偏转、聚焦或以另外方式改变带电粒子束的一个或多个特征。极12a和12b被成形为提供在整个束线空间中的磁通量密度的所需空间变化。在本发明的可选实施方式中，极形状可与图1的极12a稍微不同以提供磁通量的不同分布。具有横穿极平面的深度的极12a也将产生在极平面之外分布的磁通量（即，它将具有z分量），虽然分布的广度极大地取决于极12a的形状和方位。在图1所示的实施方式中，极12a远离极根13a在x和y方向上朝着束线空间延伸。

铁磁盖16ab与极根13a间隔开，使得盖16ab和极根13a彼此不接触。盖16ab布置成引导由永久磁铁14ab产生的磁通量，且本身不是极。盖16ab的目的是引导由永久磁铁14ab产生的磁通量以减小束线空间中的磁场强度。盖16ab越靠近永久磁铁14ab，束线空间中的磁场强度就越弱。

永久磁铁14ab在极平面内沿着方向18ab（其平行于y轴并定向成相对于极轴100ac成45°）是可移动的，以便改变永久磁铁14ab与极12a和12b及极根13a和13b的相对距离以及永久磁铁14ab与盖16ab之间的相对距离。永久磁铁14ab从可第一位置移动到第二位置，在第一位置，永久磁铁14ab的第一表面（实质上平行于y轴）接触极根13a和13b（如图1所示）中的每个的表面，在第二位置，永久磁铁14ab的第二表面（实质上平行于x轴）紧靠着盖16ab的表面。在第一位置中，永久磁铁14ab不与盖16ab物理接触，而在第二位置中，永久磁铁14ab不与极根13a和13b物理接触。然而，在第一和第二位置中，来自永久磁铁14ab的磁通量穿透盖16ab、极根13a和13b以及极12a和12b。永久磁铁14ab与极根13a和13b的接触表面形成滑动配合，使得第一和第二位置之间的运动是可能的。

永久磁铁14ab沿着方向18ab的运动改变在盖16ab、极根13a和13b以及极12a和12b中的磁通量的幅值，这最终改变整个束线空间中的磁通量。因此，可通过永久磁铁14ab沿着方向18ab的运动来调节束线空间内的磁场强度。相对于永久磁铁14ab沿着方向18ab的位移，磁场强度梯度的剖面被发现取决于极12a和12b、极根13a和13b、永久磁铁14ab以及盖16ab中的每个的布置和几何结构。

以实质上相同的方式，永久磁铁14cd相对于盖16cd、极根13c和13d以及极12c和12d是可移动的，以改变在整个束线空间中的磁通量的幅值。在图1所示的实施方式中，极12a和极根13a形成单个主体，而在可选的实施方式中，极12a和极根13a可单独地形成，使得极根13a相对于12a是可移动的。在另外的可选实施方式中，永久磁铁14ab和14cd、极根13a、b、c、d以及盖16ab、cd中的任一个或全部可布置成相对于极13a、b、c、d是可移动的，以改变在整个束线空间中的磁通量的幅值。

象限10a和10b形成磁通量的第一磁路，而象限10c和10d形成磁通量的第二磁路。由于象限10a与象限10b的成对以及象限10c与10d的成对，四极磁铁10沿着极平面中的y轴延伸到比它沿着极平面中的x轴延伸更大的范围。因此，图1的四极磁铁10具有在沿着极平面截取的横截面中的通常矩形的剖面。在可选的实施方式中，极和象限（或更一般地，在其它多极磁铁中的“扇区”）的其它成对在本发明的范围内是可能的。因此，在整个极平面中其它形状和几何结构是可能的。实际上，当与现有技术中的具有类似强度的多极磁铁比较时，本发明允许具有适当强度和（可选地）可调节性的多极磁铁在相对小的体积内产生。

在下文中参考图2到9描述了本发明的另外的实施方式，图2到9示出被发现是特别有利的特定布置和几何结构的例子。为了方便起见，参考四极磁铁的单个象限描述了另外的实施方式，然而，所有描述的特征可适用于四极磁铁的相应象限。

图2示出根据本发明的四极磁铁的可选实施方式的象限20a。与图1所示的实施方式一样，象限20a包括形成有极根23a或连接到极根23a的静止铁磁极22a、垂直地与极根23a间隔开的静止铁磁盖26a、以及沿着方向28a（平行于y轴）相对于极22a、极根23a和盖26a可移动的永久磁铁24ab的部分（因为它延伸到象限20b中）。在该实施方式中，额外的铁磁通量传导构件27a存在于象限20a（以及还有其它象限）中，铁磁通量传导构件27a也是沿着方向28a相对于极22a、极根23a和盖26a可移动的。永久磁铁24ab和通量传导构件27a可一起移动以当靠着极根23a移动时形成与极根23a的两个互补侧的紧密配合。永久磁铁24ab具有磁化的方向（或磁化方向）25ab，永久磁铁24ab的磁矩处于沿着该磁化方向的状态。磁化方向处于平行于与极轴100ac形成角θ（=45°）的磁化轴25ab'的状态，如图2所示。为了避免疑惑，角θ正对与磁化轴25ab和极轴100ac都交叉的抽象线，其至少部分地位于象限20b中。类似地，象限20b中的角θ正对与磁化轴25ab和极轴100bd都交叉的抽象线，其至少部分地位于象限20a中。等效地，在象限20c中的角θ将是正对与磁化轴25cd和极轴100ac都交叉的抽象线的角，其至少部分地位于象限20d中；以及在象限20d中的角θ将是正对与磁化轴25cd和极轴100bd都交叉的抽象线的角，其至少部分地位于象限20c中。

图3示出另一可选的象限30a，其包括形成有或连接到极根33a的静止铁磁极32a、以与极32a和极根33a间隔开的L形外壳零件39a的形式的静止铁磁通量传导构件、以及沿着方向38a（平行于y轴）相对于极32a和外壳零件39a可移动的永久磁铁34ab的部分。当一起考虑四个象限30a、b、c、d（未示出）时，外壳零件39a、b、c、d在极平面中的极32a、b、c、d周围形成不连续的外壳39。由于外壳零件在相应的极根之上或之下延伸，可考虑合并图1所示的盖16ab、cd。通量传导构件可包括盖16ab、cd和L形外壳零件，或可如图3所示整体地形成。

在图1到2所示的任一实施方式中，除了或代替永久磁铁14ab、24ab，铁磁通量传导构件16a、26a可移动，以改变束线空间中的磁场强度的幅值。在通量传导构件16a、26a和永久磁铁14ab、24ab都移动的情况下，它们可彼此独立地这么做，使得在其间的相对运动被允许，或它们可以一起这么做，使得在其间相对运动不被允许。

图4到7示出本发明的另外的优选实施方式，其展示永久磁铁的磁化方向可如何相对于极轴被定向的几个例子。

在图4中，示出了象限40a，其包括铁磁极42a和连接的极根43a、铁磁通量传导构件47ab和沿着极平面布置于其间的永久磁铁44a。在本实施方式中，象限40a包含单个永久磁铁44a，且等效的象限40b、c、d将分别包含实质上相同的永久磁铁44b、c、d。永久磁铁44a被定向成使得在极平面中，永久磁铁44a的磁化轴45’相对于极42a的极轴100ac形成θ的角（=95°）。铁磁通量传导构件47ab在整个这两个象限40a和40b中延伸，并在其间形成磁性“桥”。桥40a、b布置在相应的永久磁铁之间的间隙中。每个桥40a、b可由一个或多个铁磁部件形成。在图4所示的实施方式中，永久磁铁44a和桥47ab可连同桥47ab的其余部分（在象限40b中）和永久磁铁44b一起沿着方向48a相对于极42a和极根43a是可移动的。

图5示出类似于图4的象限40a的象限50a，其包括形成有或连接到极根53a的铁磁极52a、铁磁桥57a和沿着极平面布置在其间的永久磁铁54a。再次，在极平面中，永久磁铁54a的磁化方向55a与极42a的极轴100ac形成一个角。图5示出由永久磁铁54a产生的磁通量300的线，其展示它们穿透过的在铁磁极52a、极根53a和桥57a中的分布。图6示出包括铁磁极62a、铁磁桥67a和沿着极平面布置在其间的永久磁铁64a的可选的象限60a。永久磁铁64a的磁化方向65a’与极平面中的极轴100ac形成θ（=120°）的角。图7示出另一可选的象限70a。再次，象限70a包括铁磁极72a、铁磁桥77a和在极平面中布置在其间的永久磁铁74a。在该实施方式中，永久磁铁74a的磁化方向75a’与极中的极轴100ac形成θ（=75°）的角。

在图4到7的实施方式中，极42a、52a、62a、72a每个连接到极根43a、532a、632a、73a，然而由于永久磁铁44a、54a、64a、74a的相对方位，与图1到3的实施方式的极12a、22a、32a比较，极根43a、53a、63a、73a和极42a、52a、62a、72a之间的差别较不明确。

伴有或不伴有永久磁铁的桥部分的运动产生空气间隙，其具有减小束线空间中的磁场的强度的效应。

优选地，永久磁铁和/或通量传导构件相对于极和极根是可移动的（虽然极根也可以是可移动的）。在特别优选的实施方式中，通量传导构件（例如，桥）和永久磁铁可一起移动，使得在其间的相对运动不被允许。优选地，通量传导构件和永久磁铁沿着极平面的运动的方向相对于极轴成45°（即，在图4到7中所示的实施方式中平行于y轴）。在任一实施方式中，永久磁铁和/或通量传导构件的运动可由安装到多极磁铁的一个或多个电动机驱动。在可选的实施方式中，可移动部分可通过任何适当的致动构件移动，并且可以是例如液压或气动的。移动永久磁铁和/或通量传导构件所需的力将取决于永久磁铁的磁场强度和磁化方向、极、永久磁铁和通量传导构件的相对方位、以及永久磁铁和/或通量传导构件的运动方向。

永久磁性材料通常被已知在拉力下是机械上差的。因此，为了提高本发明的永久磁铁的机械强度，一个或多个钢板可由胶或任何其它适当的粘附装置粘附到永久磁铁。这在永久磁铁相对于磁极机械地移动时最小化了永久磁铁在结构上被损坏的风险。粘附装置可此外或可选地包括缠绕在钢板和永久磁铁周围的带子。

图8示出根据本发明的四极磁铁80的可选实施方式的四个象限80a、b、c、d的完整横截面。图8所示的实施方式在很大程度上类似于图1所示的实施方式，只不过图8的实施方式包括四个分开的盖86a、b、c、d且另外包括四个外壳零件89a、b、c、d（其都是铁磁通量传导构件），形成具有围绕极82a、b、c、d的盖86a、b、c、d的连续外壳。虽然盖86a、b、c、d相对于极82a、b、c、d是可移动的，外壳零件89a、b、c、d不是。当永久磁铁84ab、84cd移动到完全从极根93a、b、c、d出来的位置（且可能与盖86a、b、c、d接触）时，外壳89a、b、c、d实际上使来自永久磁铁84ab、84cd的磁通量“短路”。此外，外壳89a、b、c、d帮助减少在四极磁铁80外部的杂散场的量。

图9示出四极磁铁90（没有示出盖或外壳零件）的类似实施方式，并指示磁通量300的线。如上所述，永久磁铁94ab和94cd产生磁通势，其产生极92a和92b以及92c和92d之间的通量回路。极对之间的通量回路彼此不隔离，但沿着图9中所指示的线300流动，使得该回路连接所有极92a、b、c、d并穿过束线空间。

图10示出束线空间中的磁场强度相对于图9的永久磁铁平行于方向98的位移的变化的曲线。如可从图10中看到的，当永久磁铁远离磁极移动得更远时，束线空间中的磁场强度降低，如可预期的。然而，从图10中也可看到，当永久磁铁移动时，本发明的布置有利地允许束线空间中的磁场强度的平稳和稳定的变化。在图11和12中示出本发明的另外的实施方式，每个图示出四极磁铁的象限（分别是110a和120a）。在图11中，在磁化轴115a’和极轴100ac之间的角θ是90°。在图12的实施方式中，在磁化轴125a’和极轴100ac之间的角θ是135°。这两个实施方式都包括桥117ab和127ab，其分别完成象限110a和110b以及120a和120b之间的磁路。

图13示出束线空间中的磁场强度相对于图4的永久磁铁平行于方向48的位移的变化的曲线。与图10的曲线形成对比的是，在图13的曲线中的磁场强度响应于永久磁铁44a从极42a的初始位移而下降得更剧烈，当永久磁铁44a的绝对位移增加时，下降的速率逐渐降低。然而始终，磁场强度的变化是平稳的。与现有技术的多极磁铁比较，上面描述的实施方式允许多极磁铁产生高度可调节的磁场。作为上述布置和几何结构的结果，本发明提供生产可产生高质量可调节磁场的多极磁铁的可能性，所述多极磁铁与现有技术多极磁铁比较在体积上相对紧凑。当考虑在很多粒子加速器所存在于的受限空间例如隧道中的多极磁铁的使用时，这特别重要。在本发明的特别优选的实施方式中，多极磁铁沿着极平面的最大尺寸小于预定的尺寸，例如390mm。本发明的特征允许这个尺寸的多极磁铁能够产生足够强度的可调节磁场。

自始至终在本说明书的描述和权利要求中，词“铁磁”及其变形与术语“软磁的”和“在磁性上是可穿透的”是同义的，并且指至少10μ_o的合理地高的磁导率，其中μ_o是自由空间的磁导率。为了本发明的目的，一种适当的铁磁材料是钢，然而也可使用其它适当的铁磁材料。

自始至终在本说明书的描述和权利要求中，为了本申请的目的，词“磁场强度”和“场振幅”及这些术语的变形实质上等效于磁通量密度，而不考虑其空间分布。

自始至终在本说明书的描述和权利要求中，词“包括”和“包含”及它们的变形意指“包括但不限于”，且它们并不是用来（且不）排除其它成分、添加剂、部件、整体或步骤。自始至终在本说明书的描述和权利要求中，单数包括复数，除非另外要求。特别是，在不定冠词被使用的场合，说明书应被理解为设想复数以及单数，除非上下文另外要求。

结合本发明的特定方面、实施方式或例子描述的特征、整体、特性、化合物、化学成分或族应被理解为可适用于本文所述的任何其它方面、实施方式或例子，除非与其不相容。在本说明书（包括任何附随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征和/或这样公开的任何方法或过程的所有步骤可以按任何组合来组合，除了这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排他的组合以外。本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展到任何新颖的发明或在本说明书（包括任何附随的权利要求、摘要和附图）中公开的特征的任何新颖的组合，或任何新颖的发明或这样公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的组合。

读者的注意力目的在于与关于本申请的本说明书同时或在本说明书之前提交的且对本说明书的公众查阅开放的所有文件和文档，且所有这样的文件和文档的内容通过引用被并入。

Claims

1.一种用于使带电粒子束偏转的多极磁铁，包括：

多个铁磁极，其布置在极平面中；

多个永久磁铁，每个永久磁铁具有磁化方向，且每个永久磁铁布置成将磁通势供应到所述多个铁磁极，以在所述磁极之间的束线空间中沿着磁极平面产生磁场；以及

多个铁磁通量传导构件，其布置成引导来自所述多个永久磁铁中的至少一个的磁通量；

其中所述多极磁铁包括偶数数量的铁磁极，每个磁极布置成在所述磁极平面中沿着极轴与所述磁极中的另一个直径地相对，其中所述多个永久磁铁中的每个与所述多个磁极中的至少一个相关，且每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于相关磁极的极轴成至少45°的角。

2.如权利要求1所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成小于或等于135°的角。

3.如权利要求1或2所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成75°的角。

4.如权利要求1或2所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成至少90°的角。

5.如权利要求4所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成120°的角。

6.如任一前述权利要求所述的多极磁铁，其中所述多个永久磁铁和所述多个铁磁通量传导构件中的至少一个在所述磁极平面中相对于所述多个铁磁极是可移动的，以便改变所述束线空间中的磁场的强度。

7.如权利要求6所述的多极磁铁，其中每个铁磁通量传导构件处于与相关铁磁极的间隔开的布置中，且只有所述多个永久磁铁在所述磁极平面中相对于所述铁磁极是可移动的。

8.如权利要求6所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁在所述磁极平面中连同相关的铁磁通量传导构件相对于相关的铁磁极是可移动的，使得在每个永久磁铁和其相关的铁磁通量传导构件之间的相对运动实质上不被允许。

9.如权利要求6或8所述的多极磁铁，其中所述多个永久磁铁和所述多个铁磁通量传导构件中的所述至少一个沿着所述磁极平面沿着定向成相对于所述相关磁极的极轴成45°的角的路径是可移动的。

10.如权利要求2或如当从属于权利要求2时的权利要求3到9中的任一项所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成大于45°的角，且所述多个永久磁铁中的每个与所述多个磁极之一相关；以及

所述铁磁通量传导构件中的至少一些包括引导两个相邻磁极的永久磁铁之间的磁通量的铁磁桥。

11.一种用于使带电粒子束偏转的多极磁铁，包括：

多个铁磁极，其布置在极平面中；

多个永久磁铁，其布置成将磁通势供应到所述多个铁磁极中的至少一个，以在所述磁极之间的束线空间中沿着磁极平面产生磁场；以及

其中所述多个永久磁铁和所述多个铁磁通量传导构件中的至少一个在所述磁极平面中相对于所述多个铁磁极是可移动的，以便改变所述束线空间中的磁场的强度。

12.如权利要求11所述的多极磁铁，其中每个铁磁通量传导构件处于与相关铁磁极间隔开的布置中，且只有所述多个永久磁铁在所述磁极平面中相对于所述铁磁极是可移动的。

13.如权利要求11所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁在所述磁极平面中连同相关的铁磁通量传导构件相对于相关的铁磁极是可移动的，使得在每个永久磁铁和其相关的铁磁通量传导构件之间的相对运动实质上不被允许。

14.如权利要求11或13所述的多极磁铁，包括偶数数量的铁磁极，每个磁极布置成在所述磁极平面中沿着极轴与所述磁极中的另一个直径地相对。

15.如权利要求14所述的多极磁铁，其中所述多个永久磁铁和所述多个铁磁通量传导构件中的所述至少一个沿着所述磁极平面沿着定向成相对于相关磁极的极轴成至少45°的角的路径是可移动的。

16.如权利要求14或15所述的多极磁铁，其中所述多个永久磁铁中的每个具有磁化方向，且每个永久磁铁具有与其相关的、所述多个磁极中的至少一个，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成至少45°的角。

17.如权利要求16所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成小于或等于135°的角。

18.如权利要求16或17所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成75°的角。

19.如权利要求16或17所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成至少90°的角。

20.如权利要求19所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成120°的角。

21.如权利要求17或如从属于权利要求17时的权利要求18到20中的任一项所述的多极磁铁，其中每个永久磁铁的磁化方向被定向成在所述磁极平面中相对于所述相关磁极的极轴成大于45°的角，且所述多个永久磁铁中的每个与所述多个磁极之一相关；以及

22.如任一前述权利要求所述的多极磁铁，其中所述铁磁通量传导构件中的至少一些包括与所述永久磁铁中的至少一个永久磁铁相关的盖，以引导来自该至少一个永久磁铁的磁通量。

23.如任一前述权利要求所述的多极磁铁，其中所述铁磁通量传导构件中的至少一些包括围绕所述磁极和所述永久磁铁的不连续外壳。

24.如任一前述权利要求所述的多极磁铁，其中铁磁极和铁磁通量传导构件的总数大于永久磁铁的数量。

25.如任一前述权利要求所述的多极磁铁，其中所述多极磁铁是包括四个铁磁极和两个永久磁铁的四极磁铁，其中所述两个永久磁铁中的每个与所述磁极中的两个相关以向其供应磁通势。

26.如权利要求1到24中的任一项所述的多极磁铁，其中所述多极磁铁是包括四个铁磁极和四个永久磁铁的四极磁铁，其中所述永久磁铁中的每个与所述磁极中的一个相关以向其供应磁通势。

27.一种实质上如在上文中参考附图描述的用于使带电粒子束偏转的多极磁铁。