JP2003007500A

JP2003007500A - 強度可変型多極ビームライン磁石

Info

Publication number: JP2003007500A
Application number: JP2002094853A
Authority: JP
Inventors: Stephen C Gottschalk; シー．ゴッツチャルクスティーブン
Original assignee: STI Optronics Inc
Current assignee: STI Optronics Inc
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-01-10
Also published as: EP1246513A3; US6573817B2; EP1246513B1; EP1246513A2; DE60229686D1; US20020158736A1; ATE413797T1

Abstract

(57)【要約】【課題】電源や配管工事を必要としないにも関わら
ず、高品質の磁界を発生させるビームライン磁石を提供
する。【解決手段】多極ビームライン磁石（１０）は、複数
の固定式強磁性磁極（１２）及びそれら磁極の間に配置
される１つ以上の永久磁石（１４）を有する。各永久磁
石は、近接する２つの磁極に起磁力を供給し、それによ
り磁極は、磁極により形成される中央空間内に磁界を発
生させる。機械軸線（１８）は、中央空間を通って、磁
極及び永久磁石により形成される面に垂直に伸びる。さ
らにビームライン磁石は、永久磁石を機械軸線に対して
垂直に移動させるリニアドライブを有する。このような
構成により、ビームライン磁石は、固定式磁極を用いて
高品質の磁界を発生させ、さらに永久磁石を集合的又は
選択的に動かすことによって、磁界強度及び磁気中心線
を選択的に調節することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強度可変型多極ビ
ームライン磁石、さらに具体的には磁界強度だけでなく
磁気中心線の調節も可能とするビームライン磁石に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】可変強度型磁石を作製する方法は多数あ
る。それらは、荷電粒子加速器におけるビームの偏向、
焦点調節及び高次制御において特に有用である。大概の
荷電粒子ビーム加速器は、磁石を使用してビームを制御
する。このことは、高エネルギー加速器すなわち相対論
的な粒子加速器に特に当てはまる。磁石は、ビームに影
響を与えるが、その方法は、光学レンズ及びミラーが光
学ビームに影響する方法と数学的に類似しているが同一
ではない。本発明においては、磁石が有する擬似的な光
学特性に基づく装置をビームライン磁石と呼ぶ。

【０００３】通常のビームライン磁石は、双極型、４極
型及び６極型がある。双極型は、レンズ付きのライトパ
イプのように、焦点合わせや焦点外しをすると同時にビ
ームの方向を変える。４極型は、レンズと同様にビーム
の焦点を調節する。６極型は、ある種の光学収差を補正
するために使用できる。さらに一般的には、双極、４極
及び６極を含む複数の磁極を備えるビームライン磁石を
多極磁石と呼ぶ。例えば８つの磁極を使用する８極型も
多極磁石であり、ビームの高次歪の補正に適している。

【０００４】多くのビームライン磁石は電磁石である。
これらの装置においては、一般的又は超伝導コイルが、
特殊な形状の磁極に巻かれて所要の磁界を発生する。コ
イルを通って流れる電流の調節により、磁界強度が制御
される。このことは、磁極の形状が磁界の質を制御する
という望ましい特性を有する。コイルは、磁界を発生さ
せるために必要な起磁力を簡易に供給する。室温で使用
するコイルは、コイルが有する有限抵抗により発生する
熱を放散するための冷却を必要とする。このことは、フ
ァン、冷却回路又はコイル状に形成できる水冷された銅
管材料の使用により達成される。銅管材料をコイル状に
形成して使う場合は、電流が銅を通って流れている間
は、脱イオン水が管材料の内部を循環する。電磁石には
多数の制限がある。第１に、それらの磁石を操作するた
めには高価な電力と特別な配管工事が必要とされる。さ
らに、電磁石には寸法的な制限がある。なぜなら、消費
電力がその２乗に比例する電流密度は、磁石の長さ寸法
に反比例するからである。従って、冷却の問題を回避す
るために低減された電流を使用する、より小さい電磁石
が必要とされ、またそのような電磁石は強い磁界を有す
ることができない。

【０００５】第２に、やや一般的でない種類のビームラ
イン磁石は、特殊形状の磁石の配列によって作製され
る。これらの装置は、磁極を使わずに特殊な配列の磁石
を使用して、所要の磁界を発生させる。この種類の磁石
の実例は、Ｈｏｌｓｉｎｇｅｒの米国特許４，３５５，
２３６号並びにＧｌｕｃｋｓｔｅｒｎの米国特許４，４
２９，２２９号及び４，５３８，１３０号に見ることが
できる。これらの装置においては、環状または円板状の
磁石を回転させることによって磁界強度を調節する。磁
極がないことにより、個々の磁石の磁界は互いに重畳
（スーパーインポーズ）し、それらの性能の解析がより
容易になる。またこれらの磁石には、電磁石の場合とは
異なり、コイル内に電流を発生させる電源やコイルを冷
却するための配管工事が必要ないという長所がある。し
かし、これらの磁石により発生する磁界の質は電磁石に
よる磁界の質より劣る。磁石が機械的に不完全であった
り不均一に磁化されたりすると、それらは全て磁界の質
の低下につながる。

【０００６】第３の種類のビームライン磁石は、磁石を
使用して、電磁石により発生するものに似た高品質の磁
界を発生させるのであるが、電磁石に使われるコイルの
代わりに永久磁石を使用する。この種類の装置の実例
は、Ｈａｌｂａｃｈの米国特許４，５４９，１５５号に
見ることができ、そこにおいては、磁界強度は磁石の回
転によって調節される。しかし磁石の回転は、回転角度
の関数として正弦波的かつ非線形に磁界強度を変化させ
るため、磁界強度を高い精度で調節することが難しい。
磁極及び永久磁石を用いた種類のビームライン磁石のも
う１つの例がＫａｉｓｅｒ等の米国特許２，８８３，５
６９号に見ることができる。この特許においては、磁束
分流器が円柱状磁石の一部を覆って選択的に摺動して、
種々の量の磁界を短絡させる。しかしこの構造は、対と
なる磁極間に大きな磁束漏れ経路があるため、本質的に
あまり有効でない。加えて、この構造も非線形の磁界調
節を行い、高精度の強度調節としては望ましくない。さ
らに、もう１つの例によるこの種類のビームライン磁石
は、それぞれの対称軸について個別に回転する円柱状の
磁石を使用する。これらの構造においては、各磁極に１
つの回転する磁石がある。磁界強度は、各磁極それぞれ
に関連する各磁石の角度位置の調節により変化する。前
述のように、この種の磁石は磁界強度の正弦波的な変化
を発生させ、また、回転装置におけるバックラッシュを
除去して磁界強度を正確に調節することが難しい。さら
に、多くの装置は磁界強度の最小変化幅（ΔＢ／Ｂ）を
１／１００００（０．０１％）にすることが要求され
る。これは、極端に細かい角度分解能を意味する。角度
エンコーダは、１／５００００ラジアンの分解能すなわ
ち３６０°内に約３００，０００のエンコーダ刻みを有
することが必要であり、これを達成することは、不可能
でないにしても極めて困難であろう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電源や配管工事を必要
としないにも関わらず、高品質の磁界を発生させるビー
ムライン磁石が必要とされる。そのようなビームライン
磁石は、高精度の調節を可能とするために、非正弦波的
な磁界強度調節を行うことができることが好ましい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁界強度及び
磁気中心線を調節できる多極ビームライン磁石を提供す
る。特に、ビームライン磁石は、強磁性体から形成され
る複数の固定式磁極と、その複数の固定式磁極間に位置
する１つ以上の永久磁石とを有する。各永久磁石は、近
接する２つの固定式磁極に起磁力を供給するため、その
磁極は、その磁極によって形成された中央空間に磁界を
発生させる。ビームライン磁石の機械軸線は、その中央
空間を通って、永久磁石及び磁極により形成される面に
垂直に伸びる。ビームライン磁石はさらに、機械軸線に
垂直な放射状の線、すなわち機械軸線に対して放射状に
内部又は外部へ向かう線に沿って永久磁石を動かすリニ
アドライブを有する。このように構成されたビームライ
ン磁石は、それら固定式磁極を使って高品質の磁界を発
生させ、さらに、永久磁石を集合的又は選択的に動かす
ことで磁界強度及び磁気中心線を正確に調節することを
可能にする。

【０００９】本発明のある態様によると、ビームライン
磁石はさらに、磁極及び永久磁石を間に挟むために提供
される一対の非磁性のエンドキャップを有する。ある実
施形態において、少なくとも１つのエンドキャップが、
１つ以上の永久磁石をそれぞれ移動可能に取付けるため
の１つ以上のガイド溝を形成する。ガイド溝は、永久磁
石の直線的な移動を高度に制御するために提供される。

【００１０】本発明の他の態様によると、ビームライン
磁石はさらに、非磁性エンドキャップに取付けられて非
磁性エンドキャップを間に挟む一対の強磁性の遮蔽板を
有し、次に非磁性エンドキャップは、磁極及び永久磁石
を挟む。遮蔽板は、ビームライン磁石と、その近くにあ
る機器又は他のビームライン磁石と間の磁気相互作用を
効果的に消去するために使用される。

【００１１】本発明のさらなる他の態様によると、ビー
ムライン磁石はさらに、固定式磁極により形成された中
央空間の磁界強度を測定するために配置される磁界セン
サーを有する。感知された磁界強度のデータは、永久磁
石を集合的又は選択的に動かすためのリニアドライブを
制御するために使用することができる。

【００１２】本発明のさらなる他の態様によると、ビー
ムライン磁石はさらに、固定式磁極により形成された中
央空間内の荷電粒子ビームの位置を検出するために配置
されるビーム位置センサーを有する。検出されたビーム
の位置は、永久磁石を集合的又は選択的に動かして磁界
強度又は磁気中心線を調節するためのリニアドライブを
制御するために使用することができる。

【００１３】本発明のさらなる他の態様によると、ビー
ムライン磁石は、操作温度の変化に関わらず磁界強度を
概ね一定に維持する消極的な温度補償手段を有する。具
体的には、低いキュリー温度を有する強磁性体が、平行
な磁束分流形状にて永久磁石に磁気的に接合されて、永
久磁石が有する温度依存性の磁束変化を補償する。低温
時は、永久磁石が高温時よりも強いため、高温時よりも
多い磁束が中央空間に供給される。しかし低温時は、強
磁性体が、高温時よりも大きい割合の有効な磁束を中央
空間から分流させる。結果として、中央空間内の最終的
な磁束は、低温時及び高温時の双方において実質的に等
しくなる。すなわち、低温時は、永久磁石は強いがより
多くの磁束が中央空間から分流し、高温時は、永久磁石
は弱いがより少ない磁束しか中央空間から分流しない。
強磁性体並びにその寸法及び配置の適切な選定により、
磁界強度は、操作温度の変化に関わらず本質的に一定の
レベルに維持される。

【００１４】本発明のさらなる他の態様によると、ビー
ムライン磁石は、熱的に引き起こされる磁気中心線の移
動を補正する消極的な温度補償手段を有する。中心線の
移動は、種々の熱的な理由、例えば、ビームライン磁石
が有する全ての材料の熱膨張又は熱収縮、永久磁石が有
する磁気的性質の温度依存性及びビームライン磁石が取
付けられている支持用プラットホームの温度による移動
によって発生する。本発明によると、中心線の移動の熱
的な補償は、異なる量の温度補償材料（すなわち低いキ
ュリー温度を有する強磁性体）を各永久磁石に接続する
ことによって達成される。材料並びにその寸法及び配置
の適切な選定により、磁気中心線は、操作温度の変化に
関わらず本質的に一定の位置に維持される。

【００１５】本発明のさらなる他の態様によると、ビー
ムライン磁石はさらに、磁気中心線及び磁界強度の少な
くとも一方を小幅に調節する電磁式補正コイルを有す
る。１つ以上の補正コイルは、計画的に配置され、予め
定めた量及び極性の起磁力を１つ以上の固定式磁極に選
択的に供給する。電磁式補正コイルを用いた調節は、コ
イルの巻線及びそこを流れる電流を修正することのみで
達成されるため、その調節は迅速かつ正確に行うことが
できる。磁界強度及び磁気中心線の少なくとも一方を微
調整するためには、永久磁石の直線的移動を利用する本
発明の機械式調節よりも、電磁式調節の方がより有利た
り得る。

【００１６】本発明のさらなる他の態様によると、ビー
ムライン磁石は、複数の磁極及び複数の永久磁石を有す
る。磁極及び永久磁石は、それぞれ同数提供され、３６
０°に渡り等角度に配置することができる。磁極は、種
々の材料から種々の形状に作製することができる。ビー
ムライン磁石が有する全ての磁極は、同一に又は互いに
異なるように作製できる。同様に、永久磁石は、種々の
材料から種々の形状に、異なる磁化方向を有するように
作製できる。ビームライン磁石が有する全ての永久磁石
は、同一に又は互いに異なるように作製できる。さら
に、各永久磁石は、同一又は異なる形状若しくは特性を
有する複数の副磁石部分を形成することができる。各磁
極及び各永久磁石（又は副磁石部分）が有する形状及び
特性は、各装置に従って所定の磁界分布を発生させるよ
うに決定される。

【００１７】さらなる他の態様によると、本発明による
ビームライン磁石はさらに、磁極により形成された中央
空間と１つ以上の永久磁石との間にそれぞれ配置された
１つ以上の固定式補助磁石を有する。換言すれば、補助
磁石は、機械軸線に対して、径方向に見た永久磁石の内
側に配置される。補助磁石は、径方向に見た補助磁石の
外側に配置された永久磁石が動かされている間は、固定
状態に維持される。

【００１８】さらなる態様によると、本発明によるビー
ムライン磁石は、強磁性の調整シムを有する。そのシム
は、例えば、固定式補助磁石と接し、永久磁石、磁極、
末端磁石又は非磁性エンドキャップを動かす。シムは、
永久磁石及び磁極の少なくとも一方が不完全に作製され
ることにより発生する磁界の誤差を補償するときに役立
つ。

【００１９】本発明はさらに、多極ビームライン磁石の
磁界を選択的に調節する方法を提供する。この方法は、
３つのステップを含む。第１に、複数の固定式強磁性磁
極を備える。第２に、複数の永久磁石が複数の固定式強
磁性磁極間に配置され、その各永久磁石が、近接する２
つの固定式強磁性磁極に起磁力を供給する。その結果、
固定式強磁性磁極は、固定式強磁性磁極により形成され
た中央空間に磁界を発生させる。その中央空間を通っ
て、ビームライン磁石の機械軸線が、永久磁石及び磁極
により形成される面に垂直に伸びるように決定される。
最後に、１つ以上の永久磁石が機械軸線に対して垂直に
移動する。

【００２０】その方法は、磁界強度及び磁気中心線の調
節のような、所要の磁界調節を達成する様々な方法で行
うことができる。一般的な場合では、永久磁石は、個別
に移動して磁界強度及び磁気中心線を選択的に調節す
る。

【００２１】さらに特殊な場合では、磁界分布を変化さ
せずに磁界強度を調節する方法を行うことができる。こ
のことは、例えば、全ての永久磁石を機械軸線に対して
放射状に内側又は外側へ動かして、全ての磁極につなが
る磁束を均一に増加又は減少させる方法により可能であ
る。強度調節は線形的に行うことができるため、高精度
の調節が可能である。

【００２２】もう１つの特殊な場合では、磁界強度を変
化させずに磁気中心線を調節することができる。例え
ば、中心角１８０°離れて相対する一対の永久磁石を一
方向へ移動させる方法がある。そのような移動は、磁気
線を単に移す（すなわち平行にシフトさせる）だけであ
り、磁気中心線は事実上直線的に移動する。

【００２３】本発明は、多くの長所を備える。第１に、
本発明によるビームライン磁石は電源や配管工事を必要
としないにも関わらず、固定式磁極の使用によって高品
質の磁界を発生させる。第２に、本発明は、磁界強度及
び磁気中心線の線形的な調節を可能にし、それにより磁
界強度及び磁気中心線の高精度の調節が可能である。第
３に、本発明においては、永久磁石は、回転式に対立す
るものとして直線的に移動して種々の調節を行うため、
永久磁石を正確に調節することが容易になる。このこと
は、１〜２０ミクロンの分解能を有する市販のリニアエ
ンコーダを用いて、極めて正確に磁界強度（０．０１
％）及び磁気中心線（ミクロン）を調節することを可能
にする。前述したように、回転動作を用いた構造におい
ては、０．０１％の精度のためには３６０°内に約３０
０，０００のエンコーダ刻みを有する角度分解能が典型
的に要求される。このことは、市販のいかなるエンコー
ダを用いても容易に達成できない。

【００２４】第４に、本発明は、磁界の種々の調節を可
能にする点において汎用性が高い。例えば、本発明は、
磁気中心線を変化させずに磁界強度を調節すること又は
磁界強度を変化させずに磁気中心線を調節する（シフト
させる）ことができる。第５に、前述した汎用性の高い
磁界調節が可能であることは、ビームライン磁石の作製
中に導かれるビームライン磁石の磁気的性質（すなわち
磁界強度、磁気中心線及び磁界分布）のいかなる誤差も
容易に補償することができる。例えば、仮に複数の永久
磁石が異なる強度を有する場合は、それらを直線的に移
動させて、その差を補償することができる。仮に永久磁
石の磁化方向が均一でない場合は、調整シムを用いて補
償することができる。同様に、磁極の形状又は磁極の磁
化特性が不完全であるときは、永久磁石の直線的動作と
強磁性調整シムの使用との併用によって補償可能であ
る。さらに、電磁式補正コイルを備えるときは、コイル
の巻線及びコイルへの通電を選択的に行うことで、磁界
強度又は磁気中心線の微調節を容易に実行できる。従っ
て本発明は、永久磁石及び磁極の少なくとも一方の品質
が変化することに対して高度に耐性があり、それにより
全体の製造コストが低減される。

【００２５】最後に、ビームライン磁石の構造は、１つ
以上の永久磁石を除去することによってビームライン磁
石の中央空間にアクセスすることを可能にするものであ
る。このことは、その中央空間に近接して、ビームライ
ン磁石を通過する電子ビームの挙動を監視する電子ビー
ムセンサーを、ビームライン磁石が受容することを有利
に可能にする。

【００２６】前述した本発明の態様及びそれに伴う多く
の長所は、添付図面とともに以下の詳細な説明を参照し
て、より容易に理解されるであろう。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、磁界強度及び
磁気中心線を選択的に調節できる多極ビームライン磁石
１０が提供される。さらに図２（Ａ）を参照すると、多
極ビームライン磁石１０は、複数の固定式強磁性磁極１
２ａ〜１２ｄと、その複数の固定式強磁性磁極１２ａ〜
１２ｄ間に位置する１つ以上の永久磁石１４ａ〜１４ｄ
とを有する。本発明の説明においては、強磁性という用
語は「軟磁性」及び「磁気透過性」と同じ意味で用いら
れ、少なくとも１０μ_０（μ_０は自由空間の透磁率）の
適度に高い透磁率をいう。各永久磁石１４は、近接する
２つの固定式強磁性磁極１２に起磁力を供給するため、
磁極１２は、その磁極１２によって形成される中央空間
１６内に磁界を発生させる。ビームライン磁石１０の機
械軸線１８は、中央空間１６を通って、おそらく中央
に、磁極１２及び磁石１４により形成される平面（すな
わち図１におけるｘ−ｙ平面）に対して垂直に伸びる。
ビームライン磁石１０はさらに、永久磁石１４を機械軸
線１８に対して垂直に（すなわち機械軸線１８に対して
放射状に内側又は外側へ）動かすように形成されてい
る、リニアドライブ２０（図３（Ａ）参照）を有する。
例えば、図２（Ｂ）は、矢印にて示されるように、４つ
の磁石１４の全てが集合的に、機械軸線１８に対して放
射状に外部へ移動すなわち放射状に引込まれることを図
示している。

【００２８】このように構成されたビームライン磁石
は、固定式磁極１２を用いて高品質の磁界を発生させ、
さらに、磁石１４を集合的かつ選択的に動かすことによ
り、磁界強度及び磁気中心線を選択的に調節することを
可能にする。

【００２９】本発明によるビームライン磁石の数学的解
析を以下に説明する。マックスウェルの方程式による
と、多極ビームライン磁石によって生成されるｘ方向及
びｙ方向の磁界成分Ｂ_ｘ及びＢ_ｙは、以下の式で表され
る。

【数１】ここでｚ＝０平面におけるビームライン磁石の磁気的中
心は（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）で定義される。ｎ
は磁場の序数であり、特に（ｎ＝０）である一様な磁場
を双極場、（ｎ＝１）である１次の磁場を４重極場、
（ｎ＝２）である２次の磁場を６重極場という。ここで
ｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2、ｔａｎφ＝ｙ／ｘである。また
ａ_n及びｂ_nは、多極ビームライン磁石の強度を示す多極
係数であり、磁極の形状並びに永久磁石の強度及び磁化
方向のような種々の要因により特定される。実用的な双
極型、４極型及び６極型は、ａ_nとｂ_nのどちらか一方の
みが０でない磁界を得るために使用される。典型的に
は、磁気中心線は、荷電粒子ビームを進行させようとす
る経路に沿う。セクターマグネットと呼ばれる種類の双
極型においては、磁気中心線は実際には弧線であり、ｘ
軸及びｙ軸はその弧線を軸として回転する。従って磁気
中心線は、（ｘ，ｙ）＝（０，０）である線（又は弧
線）である。（１）式の展開式を調和関数という。これ
は、強磁性体又は磁石を通過しない半径ｒの円に関して
数学的妥当性を表しているに過ぎない。例えある特殊な
装置が（１）式に従わない場合であっても、この技術分
野に熟練した者にとっては明らかであるように、ビーム
ライン磁石１０が有する中央空間１６内に、磁気中心線
として示される唯一の線を特定することが可能である。

【００３０】本発明に従う多極ビームライン磁石１０の
構成を以下に詳細に説明する。以下は４つの固定式磁極
１２を有する４極ビームライン磁石の説明であるが、こ
の技術分野に熟練した者にとっては、本発明が双極型、
６極型及び８極型のような他の多極ビームライン磁石に
も同様に適用できることが容易に理解されるであろう。

【００３１】さらに図３（Ａ）を参照すると、固定式強
磁性磁極１２ａ〜１２ｄは、通常は磁気飽和効果を最小
化する目的で選定されるような、軟磁性又は磁気透過性
を有するいかなる材料からも作製される。磁極材料の例
としては、バナジウムパーメンジュール及び一般的に電
気用鋼と呼ばれる低炭素鋼がある。大概の装置において
は、異なる磁極１２ａ〜１２ｄは同じ材料から作製さ
れ、いくつかの装置においては、それらの磁極は異なる
材料から作製される。さらに、いくつかの装置において
は、各磁極１２の作製について複数の種類の鋼材を使用
することがコスト低減に効果的である場合がある。例え
ば、高磁界領域には高価なバナジウムパーメンジュール
を使用し、それ以外の場所には低コストの電気用鋼を使
用する場合である。

【００３２】磁極１２を使用する一般的な長所は、磁極
１２によって発生する磁界の質は、磁極面２２がどの程
度適切に機械加工されているかによって主として特定さ
れることである。一般的に磁極面２２の形状は、磁極１
２によって形成される中央空間１６内の磁界分布（又は
磁界プロファイル）を特定する。従って磁極１２は、磁
石１４が有する局所的な磁化の斑を均質にするために作
用する。換言すれば、磁極１２の使用は、磁石１４が有
する磁化の斑の補償に役立つ。実際に、磁極を用いたビ
ームライン磁石は、磁極を用いない場合に比べて、永久
磁石の不完全性に対して約１０倍低い感度で設計でき
る。

【００３３】大概の装置においては、磁極面２２は磁気
飽和しない。このことは、各磁極１２の表面２２が特別
な磁気ポテンシャル値になるように設計されていること
を意味する。後に十分に説明するが、本発明によると、
磁極１２の磁気ポテンシャル値は、磁石１４を選択的に
動かして、磁石１４に近接する磁極１２につながる磁束
を変化させることで容易に調節できる。次にポテンシャ
ル値の変化は、磁界の変化を発生させる。換言すれば、
磁気ポテンシャル値の変化は、磁界強度及び磁気中心線
の調節に用いられる。

【００３４】高品質の磁界を発生させるためには、磁極
面２２が磁気的な等ポテンシャル面を形成することが好
ましい。例えば、４極ビームライン磁石１０の場合は、
図３（Ａ）に示すような双曲線からなる面である。図示
された具体例においては、機械軸線１８から放射状に離
れた磁極１２の部分２３は概ね正方形であるため、ビー
ムライン磁石１０の外形２５は平面により定義されて、
基準位置の特定が容易になる。特に、磁極１２の後方部
分２３が概ね正方形であるときは、磁極１２及び磁石１
４が取付けられている（以降に詳細に説明されている）
エンドキャップ３４（図１も参照のこと）もまた同様
に、４つの平坦な側面を含む外形２５を有する正方形形
状となる。４つの基準点２４は、４つの側面にそれぞれ
標示されており、ビームライン磁石１０を適切な基準位
置に特定（すなわち配置）するときに使用される。実際
には、基準点２４は、ビームライン磁石１０の位置の正
確な測定に必要なものによって特定されるいかなる場所
にも配置される。しかし、中央空間１６から離れた磁極
１２の部分２３は多くの磁界を生じないため、部分２３
の形状は磁極面２２の形状と比べて重要でない。この技
術分野に熟練した者には理解されるであろうが、各装置
において所要の磁界分布を発生させるために、磁極１２
の形状は自由に変更できる。各磁極の所要の形状は、例
えばポテンシャル理論、等角写像及び有限要素解析のよ
うな種々の解析的又は実験的モデルに基づいて形成でき
る。いくつかの装置においては、全ての磁極１２が同じ
形状であることが要求される場合があり、一方、他の装
置においては、所要の磁界分布を発生させるためには磁
極１２がそれぞれ異なった形状である方が有利な場合が
ある。異なる磁極形状が必要とされる装置の例として
は、矩形の外表面を有する真空チャンバーを囲繞する６
極磁石がある。この種の真空チャンバーは、いくつかの
粒子加速器に使用される。この装置の効果的な多極磁石
の構造には、この技術分野に熟練した者には理解される
ように、異なる２つの磁極形状が用いられる。

【００３５】永久磁石１４は、近接する磁極１２に起磁
力を供給するために提供される。磁石１４は、いかなる
永久磁石材料からも作製できる。好適な実施形態におい
ては、磁石１４は、正の電磁誘導Ｂ及び負の励磁場Ｈと
の関係を示す線形的なＢ−Ｈ曲線を有する。磁石１４に
おける中央空間１６に最も近い部分は磁界強度に実質的
に貢献するが、磁石１４におけるこの部分はまた、Ｈが
負の最大値である場所にて操作される。好適な実施形態
においては、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｅＦｅＢ）及び
希土類−コバルト（ＲＥＣ）のような異方性の希土類永
久磁石材料（ＲＥＰＭ）が使用できる。等方性の磁石
は、強度が低く減磁に対する抵抗力が低いため、あまり
好ましくない。アルニコ及びフェライトのような非線形
の磁性材料は、そのような材料からなる磁石１４が完全
に挿入された場合、部分的に減磁されるであろう。

【００３６】磁極１２に付帯するときは、複数の磁石１
４は、機械軸線１８に対する垂直な直線的移動を妨害し
ない形状である限り、同一形状でも異なる形状でもよ
い。同様に、複数の磁石１４の磁化方向は、各装置によ
るが、全て同一方向でも異なる方向でもよい。各磁石に
ついての所要の形状及び磁化方向は、種々の解析的なモ
デル又は実験方法によって特定されることが、この技術
分野に熟練した者には理解されるであろう。図３（Ａ）
は、４つの磁石１４ａ〜１４ｄ全てが同一形状に形成さ
れた状態を示している。磁石１４ａ〜１４ｄは、それぞ
れの長手方向の側面に対して同一の磁化方向を有し、そ
れらの磁化方向は矢印で示される方向に向くように回転
させられる。

【００３７】各磁石１４は、様々な性質（材質、形状及
び磁化方向）を有する複数の副磁石（サブマグネット）
から成形することができる。例えば、図３（Ａ）をまた
参照すると、各磁石１４は、台形形状の第１部分２６、
矩形形状の第２部分２８及び矩形形状の第３部分３０の
３つの副磁石部分を有することができる。これら３つの
各副磁石部分２６、２８及び３０は、同一又は異なる材
料から成形することができ、同一又は異なる磁化方向を
有することができ、また適当な接着剤を用いて互いに接
合されることができる。

【００３８】磁石１４ａ〜１４ｄ又は副磁石部分２６、
２８及び３０の形状は、作製がより容易であるように選
定されることが好ましい。各磁石１４は、例えば、矩形
形状、その４つの角の少なくとも１つが面取りされた矩
形形状、楔形状又は図３（Ａ）に示すような矩形形状と
台形形状との組合わせのような形状に成形することがで
きる。副磁石部分２６、２８及び３０もまた、様々な形
状に成形することができる。台形形状は、矩形形状に比
べて、磁性材料の使用に関して僅かに効果的であるが、
その作製並びに磁気的及び幾何学的特性の分析が僅かに
困難である。

【００３９】図３（Ａ）に示された好適な実施形態にお
いては、第１台形部分２６及び第２矩形部分２８は、矢
印で示されるような同一の磁化方向を有し、磁石１４ａ
〜１４ｄの長手方向軸に対して垂直な方向を向く。この
ような場合は、第１及び第２副磁石部分２６及び２８
は、互いに接合する別個の部品に成形するよりも、１つ
の部品として一体的に成形できる。第３矩形部分３０
は、磁界強度を高めるために、第２正方形部分２８と同
一の磁化方向又は図３（Ａ）にて矢印で示されるような
異なる磁化方向を有することができる。特に、図３
（Ａ）に示す第３矩形部分３０のような機械軸線１８か
ら放射状に最も離れた副磁石を、他の磁石とは異なる磁
化方向を有するように配置して、望ましくない磁気漏れ
を低減することは、多くの場合有利である。このような
方法で使用されるこの最も遠い副磁石は、「修正用磁
石」と呼ばれる。従って、この場合、最も遠い磁石３０
は修正用磁石として使用される。

【００４０】いくつかの装置においては、異なる磁性材
料を使用して種々の副磁石部分２６、２８及び３０を作
製することが好ましい。図３（Ａ）に示された構成にお
いては、磁極１２によって形成される中央空間に対して
径方向に最も近い位置にある第１台形部分２６は、荷電
粒子が機械軸線１８に沿って中央空間１６を通過したと
きに、大きな減磁界に曝され、また高レベルの放射線を
受ける場合もある。従って、副磁石の第１部分２６は、
高い保磁性及び高い放射線耐性の少なくとも一方を有す
ることが好ましい。この技術分野に熟練した者には、最
高度の保磁性を有するネオジム−鉄−ボロン磁石は、図
３（Ａ）に示すビームライン磁石１０内に存する減磁界
に実質的に抗することが理解されるであろう。さらに、
これらのグレードのネオジム−鉄−ボロン磁石は、ネオ
ジム−鉄磁石の全グレードの中で最も放射線耐性が高
い。これらは減少した残留磁気を有するが、許容できる
であろう。

【００４１】副磁石の第１部分２６の作製に使用できる
他の材料はサマリウムコバルトであり、減磁及び放射線
の双方に対して高い残留磁気と耐性を有する。この材料
に使われるコバルトは、放射線によって活性化される
が、放射線が安全なレベルに下がるまでビームライン磁
石１０を作動不能にする際に役立てることができる。使
用可能な第３の材料はフェライトである。フェライト
は、サマリウムコバルトと同程度の耐性を有するが、容
易に減磁されるので、その点に関しては望ましくない。
最後の選択肢は、副磁石の第１部分２６の表面を覆う鉛
製の遮蔽物を使用することである。大概の荷電粒子加速
器においては、ビームライン磁石１０は円形の真空管を
囲繞する。この場合、鉛遮蔽物は真空管と永久磁石１４
との間に同軸状に挿入される。鉛遮蔽物は、主として低
い荷電粒子エネルギー（１００メガ電子ボルト）に対し
て有効である。加速器の一部の非常に高いエネルギー
（１０００メガ電子ボルト）に対しては、鉛遮蔽物の効
果は大幅に少なくなる。

【００４２】副磁石の第２部分２８は、副磁石の第１部
分２６に比べて高い残留磁気を有するが減磁に対する安
定性は低い材料から作製することができる。さらに、副
磁石の第３部分３０は、副磁石の第１及び第２部分２
６、２８に比べて高い残留磁気を有するが減磁に対する
安定性は低い材料から作製することができる。特に、よ
り低い放射線及び減磁の影響しか受けない副磁石の第３
部分３０は、低コストでかつ低残留磁気及び放射線耐性
を有するフェライトから有利に作製できる。この技術分
野に熟練した者には、特別に企図した装置のための最適
な材料選定を行うことを可能にする、様々な解析及び実
験的手法があることが認められるであろう。

【００４３】図３（Ｂ）を参照すると、副磁石の第１部
分２６における中央空間１６に面する面３２は、凹み又
は反りを有する。この凹み又は反りを有する面３２の目
的は、第１部分２６内の減磁界を低減すること及び軟磁
性の調整シム３３を磁石面３２に接触させることの少な
くとも一方である。シム３３は、磁界強度誤差、磁気中
心線誤差又は磁界分布誤差（歪）のような様々な種類の
磁界誤差の補正に使用される。これらの誤差は、磁石１
４及び磁極部品１２の少なくとも一方の作製過程におけ
る不完全性により発生するものであり、通常は多極誤差
と呼ばれる。シム３３を用いた誤差の補償方法は、後に
詳細に説明する。

【００４４】複数の副磁石が使用されているときは、機
械軸線１８に対して径方向に最も近い１つ以上の副磁石
を固定式補助磁石として固定することが有利となり得
る。例えば、図３（Ａ）において、副磁石の第１部分２
６は固定されて固定式補助磁石を形成し、一方、副磁石
の第２及び第３部分２８、３０は、互いに接合されて可
動磁石１４を形成し、機械軸線１８に対して放射状に外
側又は内側へ移動可能である。この配置は、例えば副磁
石の第１部分２６がサマリウムコバルトのような脆い材
料から作製されているときに有利となり得る。

【００４５】図３（Ａ）に関して先に説明した４極ビー
ムライン磁石１０においては、４つの磁極１２ａ〜１２
ｄは、中心に対して３１５°、４５°、１３５°、２２
５°の角度に点対称に等角度配置され、また４つの磁石
１４ａ〜１４ｄは、磁極間の中程にそれぞれ０°、９０
°、１８０°、２７０°の角度に配置される。各装置の
所要磁界分布によるが、磁極１２及び磁石１４は、この
技術分野に熟練した者には明らかであろうが、それぞれ
の間に異なる角度間隔にて配置されてもよい。

【００４６】再び図１を参照すると、永久磁石１４と磁
界に敏感な装置又は近くの磁石との間の相互作用を除去
するためには、ビームライン磁石１０は、磁石１４を挟
むための、非磁性のエンドキャップ３４と、鋼材のよう
な軟磁性材料からなる遮蔽板３６とをさらに有すること
が好ましい。エンドキャップ３４及び遮蔽板３６は、中
央開口部３８及び３９をそれぞれ形成し、それら開口部
は、荷電粒子ビームがそこを通過できるように、複数の
磁極１２により形成される中央空間１６に整合配置され
る。中央開口部３８、３９の形状は、磁界強度歪を最小
化するために、図１に示すように、磁極１２及び磁石１
４の外形に一致することが好ましいが、荷電粒子ビーム
がそこを通過できる限りにおいて任意の形状であっても
よい。

【００４７】図１に示す具体例においては、非磁性エン
ドキャップ３４は、磁石１４が移動可能に取付けられる
複数のガイド溝３７を形成する。ガイド溝３７は、１つ
のエンドキャップ３４にのみ設けられてもよいが、図示
された具体例では、磁石１４の移動をより確実に制御す
るために双方のエンドキャップ３４に設けられている。
図１の４極磁石においては、４つのガイド溝３７は、各
エンドキャップ３４により形成され、磁石１４の動きを
それぞれ０°、９０°、１８０°及び２７０°の角度の
線に沿うように制限している。（図３（Ａ）も参照のこ
と。）ガイド溝３７の横方向寸法「Ｔｇ」は、磁石の横
方向寸法「Ｔｍ」よりも僅かに大きくすることができ、
摺動摩擦を低減する。ガイド溝３７はまた、摺動摩擦を
低減して可動部材の摩耗を最小化するために、低摩擦材
料で被覆されてもよい。

【００４８】ビームライン磁石１０は、磁極１２に接し
て配置される末端磁石４０及び磁石１４に接して配置さ
れる末端磁石４１の少なくとも一方をさらに有すること
ができ、また末端磁石４０、４１の磁化方向は、永久磁
石１４の磁化方向と異なる方向に沿うように向けられて
いる。末端磁石４０及び４１は、磁石１４と遮蔽板３６
との間の相互作用を低減するために使用される。

【００４９】さらに加えて、ビームライン磁石１０は、
近傍の装置を漂遊磁界から保護する軟磁性のエンクロー
ジャ４２を周囲に有することができる。さらにエンクロ
ージャ４２は、図４に示すように、全ての磁石１４がエ
ンクロージャ４２に極めて接近するように引出されたと
きに、ビームライン磁石１０を非作動状態にする手段と
して機能し得る。図４において、全ての磁石１４ａ〜１
４ｄが磁極１２ａ〜１２ｄから離れてエンクロージャ４
２へ向けて十分に引込まれることにより、磁極１２ａ〜
１２ｄはもはや磁気的に接続されない（すなわちビーム
ライン磁石は非作動状態にある）。その代わり、磁石１
４からの磁束は、短絡されてエンクロージャ４２と磁気
的に接続する。しかし同時に、各磁石１４ａ〜１４ｄと
エンクロージャ４２との間に間隙「Ｓ」が維持されてい
るため、ビームライン磁石１０を作動させるために磁石
１４ａ〜１４ｄをエンクロージャ４２から離すように移
動させるときは、リニアドライブ２０に対して過剰な力
がかからない（図３（Ａ）参照）。図４において、空間
４８は、（遮蔽板３６と一体化している）非磁性エンド
キャップ３４とエンクロージャ４２との間に設けられ
る。この配置は、遮蔽板３６とエンクロージャ４２とが
異なる磁気ポテンシャル値になることを必要とするよう
な装置において必要とされる場合がある。他の装置にお
いては、これらの構成要素は空間４８が無い状態で互い
に接続されてもよい。

【００５０】永久磁石１４を機械軸線１８に対して垂直
に移動させるためのリニアドライブ２０（図３（Ａ））
は、種々の形状を有することができる。例えば、リニア
ドライブ２０は各磁石１４に接続する送りねじを有する
ことができ、そのねじの回転は、磁石１４の長手方向の
直線的な移動に変換される。さらに非限定的な例とし
て、リニアドライブ２０は、リニアモーター、リニアス
テッパーモーター、油圧アクチュエーター及びカムから
作製することができる。機械軸線１８に対して垂直な方
向、すなわち磁極１２により形成される中央空間１６に
対して放射状に遠ざかったり近づいたりする方向に磁石
１４を直線的に移動させる機能を有するいかなる種類の
装置も、本発明に従うリニアドライブとして使用でき
る。どのようなリニアドライブを選択するかは、各装置
において要求される力及び調節精度による。さらに、リ
ニアドライブ２０は、磁石１４と様々な方法で取付ける
ことができる。例えば、１つのリニアドライブ２０を２
つ以上の磁石１４ａ〜１４ｄと取付けることにより、リ
ニアドライブ２０は取付けられた磁石を同時に集合的に
移動させることができる。他の例では、図３（Ａ）に示
すように、各磁石１４ａ〜１４ｄは別々のリニアドライ
ブ２０に取付けられているため、各磁石は選択的に個別
に動かすことができる。

【００５１】磁界強度及び磁気中心線の少なくとも一方
を調節するための磁石１４の直線的な移動は、簡潔であ
り、かつ回転磁石を使用する装置に伴うポテンシャルの
バックラッシュ問題がない。また、磁石１４の直線的な
移動は、磁石１４の調節度合いを正確に表現するととも
に角度エンコーダよりも取付け及び扱いが容易なリニア
エンコーダ４３（すなわちデジタルマイクロメーターの
ような電子定規）の使用を可能にする。例えば、強度調
節可能なビームライン磁石に典型的に要求される、強度
の最小変化刻み（ΔＢ／Ｂ）を０．０１％に設定するこ
とは、本発明によれば２０ミクロンの分解能を有するリ
ニアエンコーダによって達成でき、これは容易に実現可
能である。図３（Ａ）に示すように、リニアエンコーダ
４３は、可動磁石１４ａが有する径方向に見た背面に接
続する長手方向の一方の端部と、エンドキャップ３４の
外形２５によって形成される固定点に接続するもう一方
の端部とを有する。

【００５２】任意に、磁界センサー４４を、図３（Ａ）
に示すように磁極１２に対して又は中央空間１６に近い
他の場所に取付けて、磁界強度を監視することができ
る。感知された磁界強度は、磁界強度及び磁気中心線の
少なくとも一方を所要の状態に調節するために、１つ以
上の磁石１４の移動制御に使用することができる。例え
ば、センサー４４は、磁界の閾値が検出されるまでリニ
アドライブ２０の移動を自動的に制御するために、リニ
アドライブ２０に接続（図示されていない）されること
ができる。

【００５３】磁極１２ａ〜１２ｄは、接着剤又はステン
レス鋼ボルトのような他の非磁性的手段によってエンド
キャップ３４と厳密に接合する。図３（Ａ）をまた参照
すると、各磁石１４の横方向寸法「Ｔｍ」は、２つの近
接する磁極間にある空間の横方向寸法「Ｔｓ」より僅か
に小さいため、各磁極１２とそれらに近接する磁石１４
との間に小さな空隙が生じる。この小さな空隙は、実質
的には磁界強度に影響しないが、磁極１２と磁石１４と
の間の誘引力を低減させるため、それにより磁石１４を
固定式磁極１２に対して相対的に動かすことが容易にな
り、また固定式磁極が偶然に移動することが防止され
る。

【００５４】作業者は、装置の運転中は、１つ以上の磁
石１４を機械軸線１８に対して垂直な方向に直線的に
（すなわち磁極１２により形成される中央空間１６に対
して放射状に遠ざかったり近づいたりするように）動か
すことにより、中央空間１６内の磁界強度を自由に操作
することができる。磁石１４の寸法及び強度、磁極１２
の寸法並びに磁石１４と磁極１２との間の隙間の寸法を
含む種々の構成要素に基づいて初期の磁界が与えられる
と、磁界強度及び磁気中心線は、磁石１４を単に直線的
に移動させることで容易に調節可能となる。本発明によ
ると、１つの磁石を動かすことは、それに近接する２つ
の磁極につながる磁束の量を増減させ、故にそれら磁極
における磁気ポテンシャル値を増減させる。一般的に、
磁石１４の選択的移動は以下の式に従って磁界分布に影
響を与える。Ｂ_new（ｘ＋ｋ₂，ｙ＋ｋ₃，ｚ）＝ｋ₁＊Ｂ_old（ｘ，ｙ，ｚ）（２）ここでｋ₁、ｋ₂及びｋ₃は全て任意数である。しかし実
際には、ｋ₁は典型的には０．５〜１．０であり、ｋ₂及
びｋ₃は典型的に中央空間１６の直径の１／１０以下で
ある。

【００５５】さらに特殊な場合では、本発明によるビー
ムライン磁石１０は、磁界分布を変えずに磁界強度を調
節するために使用できる。例えば、図２（Ｂ）に示すよ
うに、全ての磁石１４ａ〜１４ｄが径方向に等しい量だ
け均一に引込まれたときは、磁石１４は、近接する磁極
１２に対してより少ない磁束を結合させて、それにより
磁極１２における磁気ポテンシャル値を低減する。その
結果、磁界は引込量（すなわち各磁石１４の直線変位）
の関数として本質的に線形的に減少する。しかしこの時
は、全ての磁極１２におけるポテンシャル値が均一に減
少するので、磁界分布は実質的には変化しない。この場
合における磁界強度の線形的な調節は以下の式で表され
る。Ｂ_new（ｘ，ｙ，ｚ）＝ｋ₁＊Ｂ_old（ｘ，ｙ，ｚ）（３）

【００５６】図２（Ｂ）に示す配置によって可能となる
磁界強度の線形的な調節は、図６のグラフにも示されて
いる。４重極場は、磁気中心線（この場合は機械軸線１
８と一致）からの距離の関数として変化するため、磁気
中心線（ｘ，ｙ）＝（０，０）においては磁界値は０で
あり、また（０，０）から特定の半径Ｒ_poleだけ離れた
場所においてＢ_pole＝Ｂ（Ｒ_pole）として特定される磁
界を「磁極端磁界」と呼ぶ。図６において、縦軸は磁極
端磁界（磁界の相対強度を百分率で表示）の減少を示し
ており、横軸は各磁石１４の引込距離をｃｍで表したも
のである。図示されるように、磁極端磁界の変化は、特
定の引込範囲において線形的である。磁石１４ａ〜１４
ｄが反対の方向に均一に（すなわち機械軸線１８に対し
て放射状に内側へ）移動すると、磁界強度は線形的に増
加する。より大きな調節が要求される場合は、磁極端磁
界の減少は非線形となる場合がある。このことは、磁界
がその最大値の約半分以下に低減されたときに発生す
る。

【００５７】磁界分布を本質的に変えずに磁界強度を線
形的に調節する他の方法は、例えば図２（Ｂ）に示す磁
石１４ａ及び１４ｃのような相対する一対の磁石のみを
動かし、一方、磁石１４ｂ及び１４ｄは動かさないこと
である。この調節方法が有効であるのは、磁石１４ａ及
び１４ｃのそれぞれが、それらに近接する２つの磁極
（それぞれ１２ａ及び１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄ）を励
磁するからである。このように、一対の磁石を動かすこ
とは、４つの磁極１２全てに対して供給される起磁力を
調節する。磁石１４ａ及び１４ｃのみが引込まれた（す
なわち機械軸線１８に対して放射状に外側へ移動した）
場合は、磁極端磁界は、図６に示す割合の半分の割合で
減少する。

【００５８】多くの装置においては、磁気中心線の位置
を調節することが望まれる。本発明においては、一対の
相対する磁石１４を移動することによって磁気中心線を
調節できる。特に、（２）式の特別な場合として、磁気
中心線は、以下の式に従って、磁界強度を変えずにシフ
トさせることができる。Ｂ_new（ｘ＋ｋ₂，ｙ＋ｋ₃，ｚ）＝Ｂ_old（ｘ，ｙ，ｚ）（４）

【００５９】例えば、図２（Ｃ）を参照すると、磁石１
４ａ及び１４ｃを、機械軸線１８に対して垂直に、それ
ぞれ距離Ｘ１及びＸ２だけ右側へ移動させることによ
り、磁気中心線（この場合は機械軸線１８と一致）をＸ
１及びＸ２の関数である量だけ移動させることができ
る。この場合、磁石１４ａの移動は、磁極１２ａ及び１
２ｂの磁気ポテンシャルを減らし、一方磁石１４ｃの移
動は、磁極１２ｃ及び１２ｄの磁気ポテンシャルを増や
す。実際に、このことにより磁極１２ａ〜１２ｄ間の等
ポテンシャル線は簡単に移動し、これは磁気中心線のシ
フトに等しい。図２（Ｃ）に示す４極の幾何学的形状に
おいては、磁界強度は機械軸線１８からの距離に従って
線形的に変化する。故に、図示されるように、２つの磁
石１４ａ及び１４ｃが直線的に等しい量（Ｘ１＝Ｘ２）
シフトしたときは、磁気中心線は、磁界強度が変わるこ
となく１８から４５へシフトされる。磁気中心線は、磁
石１４ａ及び１４ｃの移動と同方向に直線的にシフトさ
れる。３６０°に渡り均等に配置された偶数かつ多数の
磁極を有する、本発明による多極ビームライン磁石の通
常の場合においては、中心角１８０°離れた一対の相対
する磁極を同方向に等量動かすことにより、上記と同様
の磁気中心線の調節が可能である。他の多極配置の場合
は、同様の結果を得るためには磁石を異なる量移動させ
る必要がある。

【００６０】この技術分野に熟練した者は、種々の解析
方法や実験的手法に基づいて、磁界強度及び磁気中心線
の少なくとも一方を調節する正確な方法を特定できる。
さらに、磁界強度及び磁気中心線の少なくとも一方を調
節する本発明による方法は、容易に適用可能であり、磁
石１４の作製時に発生する誤差によって導かれ得る磁界
強度又は磁化方向のいかなる偏差をも補償する。例え
ば、所要の磁界分布を生じさせるための、磁極における
所要の磁気ポテンシャル値は、「より高い」ポテンシャ
ル値を有する磁極に近接する「より強い」磁石を、それ
らの磁極において所要のポテンシャル値に到達するまで
放射状に外部へ選択的に移動させ、一方、残りの磁石は
動かさないことで達成できる。

【００６１】それらの多目的な調整能力とは別に、本発
明によるビームライン磁石１０は、ビームライン磁石１
０の内部に側面からアクセスできる構造を有する点でも
有利である。具体的には、図４を参照すると、１つ以上
の磁石１４（図４では磁石１４ａ）を除去することによ
って、機械軸線１８に対して垂直な方向に沿って、ビー
ムライン磁石１０の側面から中央空間１６にアクセスで
きる。このことは、特殊な電子ビームセンサー４６を、
磁気中心線１８に沿って使用することを可能にする。電
子ビームセンサー４６は、ビームライン磁石１０を通過
する電子ビームの挙動に関する情報を提供するために使
用できる。

【００６２】厳密に言えば、磁界分布は、ビームライン
磁石１０が使用される周囲温度に依存する。多くの磁性
材料に関して、永久磁石１４の磁気的性質は温度によっ
て線形的に変化するからである。例えば、いずれも常温
付近において、ネオジム−鉄−ボロンは磁束の発生が１
℃当たり−０．１％（−０．１％／℃）変動し、フェラ
イトは磁束の発生が１℃当たり−１％（−１％／℃）変
動する。さらに、ビームライン磁石に使用される全ての
材料は、温度によって収縮又は膨張し得る。再び図３
（Ａ）を参照すると、磁界の温度依存性を制御しかつ最
小化するために、低いキュリー温度を有する温度補償材
料４７ａ〜４７ｄを、「平行な磁束分流器」形状にて磁
石１４ａ〜１４ｄに磁気的に接続することができる。

【００６３】温度補償材料４７は、典型的には鋼材であ
り、例えば、カーペンター社の温度補償３０合金は、強
磁性体から常磁性体に転移する温度であるキュリー温度
が低い。そのような材料４７が平行な磁束分流形状にて
永久磁石１４に磁気的に接続された場合、材料４７は、
比較的低温のときに、接続されていなければ有効であっ
たであろう中央空間１６付近のある量の磁束を分流させ
るために機能する。このような方法による磁束分流は、
磁石１４が有する温度依存性の磁束変化を補償する。特
に図５を参照すると、低温時は、磁石１４は、高温時よ
りも強いため、より多い磁束４９を中央空間１６に供給
する。しかし低温時は、温度補償材料４７は、高温時よ
りも大きい割合の磁束５０ａを中央空間から分流させ
る。一方、高温時は、磁石１４が弱いのでより少ない磁
束しか中央空間１６付近に供給されない。しかし高温時
は、温度補償材料４７はより少ない磁束しか中央空間１
６から分流させないので、より多くの磁束５０ｂが中央
空間１６付近に有効に残る。結果として、中央空間１６
内の最終的な磁束は低温時及び高温時の双方において概
ね等しくなり、故に、周囲温度のいかなる変化にも関わ
らず、磁界強度は本質的に変化しない状態に維持され
る。

【００６４】温度補償材料４７は、広範な位置に配置す
ることができる。図３（Ａ）に示すように、好ましい位
置の１つは永久磁石１４（又は副磁石３０）が有する径
方向から見た背面であり、その位置においては、材料４
７をビームライン磁石１０が有する他の部分に干渉され
ないようにすることが容易である。選択的又は付加的
に、温度補償材料４７は、永久磁石１４及び磁極１２が
接する非磁性エンドキャップ３４の内部に包埋されるこ
とができる。同様の効果を有する温度補償材料４７の他
の形状は、破線５２にて図示するように、近接する磁極
１２の外表面５１を橋絡するような形状である。しか
し、これは前者より複雑な配置である。なぜなら、温度
補償材料４７は、磁石１４の直線的移動を妨害しない形
状でなければならないからである。

【００６５】温度補償材料４７が使用されているとき
は、それにより（１）式におけるビームライン磁石１０
の多極強度ａ_n、ｂ_nに関する線形的な温度依存性が生
じ、次にその多極強度が、ビームライン磁石１０の磁界
強度に関する非温度依存性を生じさせる。前述したよう
に、温度補償材料の一例はカーペンター社の温度補償３
０合金である。この材料の透磁率は、５〜５０℃の間で
は概ね線形である。この合金４７が、図３（Ａ）に示す
ように、永久磁石１４（又は副磁石３０）の背面に接す
る位置で使用されるときは、４極の磁界強度ｂ₁は、温
度Ｔ及び補償鋼材厚さｔ（図５参照）によって、次式の
ように線形的に変化する。ｂ₁（Ｔ，ｔ）＝（ｂ₁（０，０）＋（ａｔ−ｂ）（Ｔ−Ｔ₀）−ｃｔ）（５）ここでｂ₁（０，０）は温度補償されていない４極磁界
強度、ａは補償材料４７による温度依存変化量、ｔは補
償材料の厚さ、ｂは磁石１４の強度の線形的温度依存
量、Ｔは磁石１４及び補償材料４７の温度、Ｔ₀は公称
の操作温度及びｃは補償材料４７によるその厚さ当たり
の磁界強度損失量である。

【００６６】係数ａ、ｂ及びｃは全て０より大きい。例
えば、ＮｄＦｅＢ磁性材料のｂは０．１％／℃である。
ａ値及びｃ値は、選択した補償材料と、材料４７が接す
るとともに磁石１４が有する径方向から見た背面におけ
る磁界強度と、磁石１４及び磁極１２の実際の形状とに
依存する。それらの値は、解析又は直接測定により決定
される。補償材料厚さｔが０である場合は、４極磁界強
度ｂ₁（Ｔ，０）は線形的な温度依存性を有する。補償
材料厚さｔがｂ／ａである場合は、４極磁界強度は、温
度に依存しないが、ｃ＊ｂ／ａだけ低減されるであろ
う。ＮｄＦｅＢ磁石における特殊な構造においては、ｂ
は０．１％／℃、ａは０．０１１１％／（ｍｍ＊℃）、
そしてｃは０．４４４４％／ｍｍであり、また本質的に
一定レベルである非温度依存性の磁界強度を維持する完
全な温度補償のためには、４つの磁石１４それぞれに、
磁界強度を４％低減する厚さ９ｍｍの補償材料４７（カ
ーペンター社の温度補償３０合金）が配置されることが
要求される。

【００６７】磁石１４の強度の温度依存性によって変化
する４極磁界強度ｂ₁を補正するためには、１つ以上の
磁石３０に配置される補償材料４７の合計厚さのみが問
題となることが、（５）式から明らかであろう。特に、
補償材料４７が磁気的に接続される磁石３０の数に分割
された合計厚さ、すなわち磁石１つ当たりの補償材料の
平均厚さが問題となる。従って、いかなる数の磁石に対
しても等量又は異なる量の補償材料４７を配置すること
ができる。平均厚さが同一のままである限りは、温度補
償材料４７を配置する効果も同一に維持される。

【００６８】いくつかの装置においては、磁気中心線の
極めて厳しい制御が要求される。しかし、磁界強度に関
して前述したように、磁気中心線は周囲温度の変化によ
ってシフトする。例えば、ビームライン磁石１０を支持
するプラットホーム５３（図３（Ａ）参照）の収縮及び
膨張は、中心線のシフトに至る。例として、仮にプラッ
トホーム５３がアルミニウムから作製されて高さ「Ｈ」
が１０ｃｍとなっている場合は、磁気中心線は、例えば
一定量の花崗岩から作製された固定底面５４に対して１
℃当たり２ミクロン移動し得る。

【００６９】本発明によると、磁気中心線のシフトに対
する熱的な補償は、異なる量の温度補償材料４７を各磁
石に接続することで達せられる。仮に、磁石１４（又は
図３（Ａ）における副磁石３０）が有する径方向から見
た背面に接する温度補償材料４７の厚さｔが磁石１４間
で異なる場合は、磁石１４の強度（磁束カップリング）
は、温度によって異なる割合で変化する。このことは、
磁気中心線の等価移動を可能にし、温度によって誘発さ
れる望ましくない磁気中心線の移動を補償するために構
成できる。特に、再び図２（Ｃ）を参照すると、磁石１
４ｃが挿入されるとともにその反対側の磁石１４ａが同
じ量だけ引込まれて、磁極１２ｃ／１２ｄ及び磁極１２
ａ／１２ｂの磁気ポテンシャル値が等しい量だけそれぞ
れ増加及び低減されたときに、磁気中心線が点１８から
点４５へシフトされている。従って、中心線のシフト
は、実質的に相対する磁石１４ｃと１４ａとの強度差に
依存する。同様に、磁石１４ａに対してはより多量の温
度補償材料４７ａを取付け、磁石１４ｃに対してはより
少量の温度補償材料４７ｃを取付けることにより、磁気
中心線は温度上昇に伴って直線的に（図３（Ａ）におい
ては右へ）シフトする。このような調節は、図３（Ａ）
において温度上昇に伴い左側へ向かうような磁気中心線
の望ましくない移動を補償するために使用できる。作業
者は、適切な解析的又は実験的方法を用いることによっ
て中央線のシフト度合いを調節でき、温度によって誘発
される望ましくないいかなる中心線のシフトも補償でき
る。温度補償材料４７とその寸法及び配置との好適な選
択により、磁気中心線は、操作温度の変化にも関わら
ず、本質的に一定の位置に維持されることができる。

【００７０】４７ａ及び４７ｃの平均補償材料厚さが、
（５）式におけるｂ／ａと等しい値になるように選択さ
れている限りにおいては、磁界強度ｂ₁は、中心線が温
度に伴って直線的に移動する間も、温度の影響を受けな
い。

【００７１】次に、図７を参照して、本発明による磁界
強度及び磁気中心線の少なくとも一方を調節するさらな
る方法を説明する。

【００７２】図７において、ビームライン磁石は、電磁
式補正コイル５５ａ、５５ｂ、５６ａ、５６ｂ、５７
ａ、５７ｂ、５８ａ及び５８ｂをさらに有する。補正コ
イルは、磁石１４の直線的な移動に加えて、磁界強度及
び磁気中心線の少なくとも一方について微調整又はトリ
ム調整を素早く行うために使用することができる。大概
の装置においては、コイル５５ａ〜５８ｂには、小幅な
調整を行うために低い電流が流れる。従って、コイル５
５ａ〜５８ｂは容易に空冷でき、水冷のようなより複雑
な冷却手段を必要としない。

【００７３】操作中は、コイル５５ａ〜５８ｂは、選択
的に励磁されて、適当な起磁力をそれらが近接する磁極
１２に供給する。このために、コイル５５ａ〜５８ｂ
は、導線５９ａ〜６６ｂによって磁極１２ａ〜１２ｄの
周囲に巻かれることができる。図７において、実線５９
ａ〜６６ａは磁極１２の「上」を横切り、破線５９ｂ〜
６６ｂは磁極１２の「下」を横切る。選択的に、コイル
５５ａ〜５８ｂは、選択的な励磁のために端子板に接続
されることができる。いずれにしても、全てのコイルが
適当な電源（図示されていない）に接続される。

【００７４】中心線の鉛直方向（ｙ方向）の調節が要求
される場合は、コイルは、上方の２つの磁極１２ａ及び
１２ｄに対して等量の起磁力を供給できるように巻かれ
る。下方の２つの磁極１２ｂ及び１２ｃには、等量であ
るが反対の極性の起磁力が供給される。これらの極性を
起磁力に与える方法の１つは、コイル５５ａ、導線５９
ａ、コイル５５ｂ及び導線５９ｂと、コイル５６ａ、導
線６０ａ、コイル５６ｂ及び導線６０ｂとを通る電流を
連続的に流すことである。この技術分野に熟練した者に
とっては明らかであるように、他の巻線形状も同様に可
能である。また、コイル５５ａ〜５８ｂの方向は、図７
に示されたものに限定されるものではなく、永久磁石１
４の磁化方向が変化し得ることと同様に、各装置によっ
て変化し得るものであることが認められるであろう。

【００７５】中心線の水平方向（ｘ方向）の調節が要求
される場合は、コイルは、右側の２つの磁極１２ａ及び
１２ｂに対して等量の起磁力を供給できるように巻かれ
る。左側の２つの磁極１２ｃ及び１２ｄには、等量であ
るが反対の極性の起磁力が供給される。これらの極性を
起磁力に与える方法の１つは、コイル５７ａ、導線６１
ａ、コイル５７ｂ及び導線６１ｂと、コイル５８ａ、導
線６２ａ、コイル５８ｂ及び導線６２ｂとを通る電流を
連続的に流すことである。前記のように、他の巻線形状
及びコイル方向が同様に可能である。

【００７６】磁気中心線をシフトさせずに磁界強度を調
節することが要求される場合は、４つの磁極全てのポテ
ンシャル値を全体的に上げたり下げたりするために、コ
イルが、４つの磁極全てに対して等量の起磁力を供給で
きるように巻かれる。これらの極性を起磁力に与える方
法の１つは、コイル５５ａ、導線６３ａ、コイル５７ｂ
及び導線６３ｂと、コイル５８ｂ、導線６５ａ、コイル
５５ｂ及び導線６５ｂと、コイル５６ｂ、導線６４ａ、
コイル５８ａ及び導線６４ｂと、コイル５７ａ、導線６
６ａ、コイル５６ａ及び導線６６ｂとを通る電流を連続
的に流すことである。前記のように、他の巻線形状及び
コイル方向が同様に可能である。

【００７７】コイル５５ａ〜５８ｂを流れる電流を単に
変化させることにより、磁気中心線を鉛直及び水平いず
れの方向にも調節することと、磁界強度を調節すること
とが迅速かつ正確に達成できる。中心線及び強度の双方
の調節が要求されているときは、図７に示すように、各
コイル５５ａ〜５８ｂを副コイルに分離することができ
ることが、この技術分野に熟練した者にとっては明らか
であろう。例えば、仮にコイル５５ａの巻数が１００で
あるときは、３０回は強度補正電流を流すために巻き、
残りの７０回は中心線の鉛直方向調節をする電流を流す
ために巻くことが可能である。補正コイル５５ａ〜５８
ｂの位置は、図示されたような磁極１２の背面５１に限
定されるものではなく、またコイル５５ａ〜５８ｂは、
予め定めた起磁力を磁極１２に供給して必要な調節を行
うことができる限りにおいて、他の場所に配置されるこ
とができることは明らかであろう。

【００７８】再び図３（Ｂ）とさらに図８（Ａ）を参照
して、調整シム３３をより詳細に説明する。先に簡単に
説明したように、シム３３は、磁界強度誤差、磁気中心
線誤差又は磁界分布誤差（歪）のような様々な種類の磁
界誤差を補正するために使用される。これらの誤差は、
磁石１４及び磁極部品１２の少なくとも一方の作製過程
における不完全性により発生するものである。シムは、
低炭素鋼、ニッケル又はニッケル合金鋼のような強磁性
体から作製される。数％という大きい磁界強度補正が必
要であるときは、低炭素鋼が好ましい。より小さい補正
の場合は、ニッケル又はニッケル合金鋼が好ましい。シ
ム３３は、図８（Ａ）に示すように、磁石１４の面３２
に接して配置されることが好ましい。その理由は、シム
３３（又はそれらの磁気モーメント）は、磁石面３２に
対して平行である局所磁場に伴って整合配置されるから
である。従って、図８（Ａ）に示すように磁石面３２が
平面であるときは、単純な平面から形成されるシム３３
は、磁気吸引によって磁石１４により自然に適所に保持
される。シム３３はまた、必要であれば接着剤を用いて
磁石１４と接してもよい。このことは、等ポテンシャル
の磁極面２２に対して局所磁場が垂直となる場所である
固定式磁極１２とは対照的である。よって、シムが磁極
面２２に近接して配置されると、シムは磁極面２２に対
して（中央空間１６内へ突き出るように）垂直に整合配
置されることになり、これは好ましくない。従って、磁
極１２に対して磁極面２２と平行にシムを接触させるこ
とは、接着剤のような付加的な接触手段を必要とする。
磁極１２に取付けられたシムは、磁石１４に取付けられ
たシムより約１０倍大きい補正効果を生じさせるが、大
概の装置は、そのような大きい補正を必要としない。以
下に十分に説明するように、シムによって生じた磁界の
方向が、誤差を含む補正すべき磁界の方向と反対である
限りは、このシムは、非磁性エンドキャップ３４又は末
端磁石４０、４１のような他の場所に取付けられてもよ
い。

【００７９】特に図８（Ａ）を参照すると、４つのシム
３３ａ〜３３ｄは、４つの磁石１４ａ〜１４ｄの面３２
にそれぞれ取付けられる。以下の説明は、１つのシム３
３ｄに注目しているが、当然、同じ説明が他のシム３３
ａ〜３３ｃにも同様に適用される。シム３３ｄにより発
生した磁界の形状は、主として１４ｄに接するシム３３
ｄの幅「Ｗ」及びシム３３ｄの磁気中心線に沿う（ｚ軸
に沿う）方向の長さにより決定される。シム３３ｄは、
磁石１４ｄによって極性を与えられた本質的に均一な磁
石と考えることができる。シム３３ｄは分流器である
（すなわち中央空間１６から磁束を分散させる）から、
シム３３ｄにより生じた磁界の方向は、シム３３ｄが接
する磁石１４ｄにより生じる磁界の方向とは反対とな
る。例えば、概略的に図示したように、シムが使われて
いないときは磁束線６７及び６８ａが中央空間１６の近
くでは有効である一方、シム３３ｄが磁石１４ｄに接続
されると、磁束線６８ａは磁束線６８ｂによって分流す
る。従って、シム３３ｄの長さ及び幅「Ｗ」は、発生す
る磁界の形状に影響する。シム３３ｄは磁気飽和状態に
あるので、シム３３ｄの補正効果（すなわち補正の大き
さ）は、径方向厚さＴに対して本質的に線形である。シ
ム３３ｄにより分流した磁束は、シム３３ｄを作製する
ために選択された鋼材の飽和磁気誘導と、シムの断面積
（長さと径方向厚さＴとの積）との積である。

【００８０】シム３３ａ〜３３ｄにより発生した磁界は
重畳（スーパーインポーズ）する。１つのシムからなる
磁界が実験的又は解析的方法により特定されれば、多数
のシムからなる磁界はそれにベクトルを加えることによ
り特定できる。このことを実行する際の特に便利な方法
は、（１）式を使うことである。特に、（１）式は、シ
ムそれ自体に関して設定した多極係数ａ_n及びｂ_nにより
特徴付けられた磁界の説明に使用できる。これらの係数
は、実験又は解析のいずれによっても特定できる。シム
に関する係数がわかれば、同一のシムが異なる永久磁石
に配置されたときに生じる効果は、複数の磁極それぞれ
に関する積分磁界ベクトルを表す（１）式を使うことに
よって明らかになる。シムにより生じる補正磁界は、そ
のシムとともに回転し、また磁石の方向が変わったとき
も常に回転させられる。

【００８１】シムを使用して中心線誤差及び磁界強度誤
差を補正する方法をこれより説明する。図８（Ａ）にお
いて、シム３３ｄは、１つの磁石１４ｄの幅「Ｗ」を有
する面３２全体を覆う。このことによって１４ｄは弱く
なり、これは最も内側の位置から１つの軸に沿って径方
向に１４ｄを引込ませることと等価である。従って、本
質的に、ある磁石の引込みを必要とするいかなる調節
も、シム３３ａ、３３ｂ、３３ｃ及び３３ｄの少なくと
も１つを、それぞれに対応する磁石１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ及び１４ｄに接触させることで達成できる。シムの
径方向厚さＴは、引込量に相当する。シムが厚い程、そ
のシムが接する磁石は弱くなる。例えば、相対する面
（３３ａ及び３３ｃ並びに３３ｂ及び３３ｄの少なくと
も１組）に取付けられた同一の径方向厚さＴを有する一
対のシムは、磁気中心線を変えずに磁界強度を下げると
きに使用でき、このことは、相対する一対の永久磁石１
４を放射状に外側へ均等かつ同時に引込ませることに等
しい。磁気中心線をシフトさせる場合は、異なる径方向
厚さのシムを一対の相対する面に使用することができ、
このことは、複数の磁石について異なる量を引込ませる
ことに等しい。

【００８２】いくつかの装置においては、磁界分布の局
所歪に至る高次の誤差を補正することが必要となる。こ
のような補正もまた、シムにより可能である。図８
（Ｂ）を参照すると、仮にシム３３ｄが全面３２を磁石
１４の幅で覆っていない（面３２の幅の一部「Ｗ’」を
覆う）ときは、磁界の局所歪の補正に適した高次の補正
磁界が発生する。例えば、仮に４つのシムが、（機械軸
線１８に平行にｚ方向に伸びるような、各磁石における
軸方向中心線６９に関して）対称に、４極ビームライン
磁石が有する４つの全ての磁石に各々取付けられるが、
シム３３ｄに示すように各磁石面の幅の５０％のみ覆う
場合は、８極の補正磁界が生じる。同様に、磁石面の幅
の５０％のみ覆う部分的なシムが１組の相対する磁石に
配置された場合は、それらのシムが異なる径方向厚さで
あるときは、磁気中心線がシフトされて６極の補正磁界
が発生する。３３ｄのような部分的なシムは、磁石面３
２をその軸方向中心線６９に沿う（すなわちｚ方向に沿
う）方向に全長に渡って覆っても覆わなくてもよいこと
は、注目されるべきである。例えば、シム３３ｄは、磁
石面３２をその軸方向中心線６９に沿う長さの一部のみ
覆うことができ、さらに、各装置において要求される所
要の補正磁界によるが、軸方向中心線６９に沿ういかな
る位置にも動かすことができる。同様に、磁石面３２の
全幅を覆ういかなるシム（すなわち図８（Ａ）における
シム３３ａ〜３３ｄ）もまた、ｚ方向に沿う磁石面３２
の全長を覆っても覆わなくてもよい。一般的に、軸方向
中心線６９（ｚ方向）に沿ってシムを動かすことによ
り、シムによって発生した補正磁界もまた同じ方向に沿
って動かされる。

【００８３】さらに、図８（Ｂ）をまた参照すると、仮
にシムの部分的な覆いが磁石１４ａの軸方向中心線６９
に対して対称でない（シム３３ａを参照）ときは、補正
磁界もまた非対称となる。例えば、補正磁界が軸方向中
心線６９に対して（シム３３ａの場合においてはｙ方向
に沿って）動かされたときは、磁極１２ａ及び１２ｂの
強度に対するシムの影響は非対称となる。このことは、
（１）式における係数ａ_n及びｂ_nを混合するときに効果
的な方法である。特に、理想的な４極ビームライン磁石
においては、０でない多極係数はｂ₁だけである。しか
し実際には、多くの０でない係数がある。作業者は、各
シムの幅及び径方向厚さを注意深く調節すると同時に、
軸方向中心線６９に対して選択的に位置をずらして配置
されたシムによって、磁極１２ａ〜１２ｄの相対的強度
を調節して、０でない多極係数をほぼ０と認められるレ
ベルまで低減できる。前記のように、軸方向中心線６９
に対して対称でないいかなるシムもまた、それが接する
磁石面３２の全長を覆っても覆わなくてもよい。例え
ば、部分的なシム３３ａは、磁石面３２をその軸方向中
心線６９に沿う長さの一部のみ覆うことができ、さら
に、各装置において要求される特殊な補正磁界によっ
て、軸方向中心線６９に沿ういかなる位置にも配置され
ることができる。

【００８４】異なる磁界の補正を要求通りに達成するた
めに、様々なシムの形状及び配置が可能である。この技
術分野に熟練した者にとっては明らかであるように、磁
極強度及び磁界に対する特殊なシムの正確な影響は、例
えば対称モデルのような種々の解析的モデル又は直接測
定に基づいて特定される。一般にシムを用いた装置のさ
らなる詳細、特にシムの効果の測定方法及びシムの形状
及び配置を最適化するための測定を用いる方法は、ここ
に引用する米国特許５，０１０，６４０号に見ることが
できる。

【００８５】先の説明は特定の４極装置に対してなされ
たものであるが、この技術分野に熟練した者にとっては
明らかであるように、他の全ての多極装置も、本発明に
従って同様に実施できかつ容易に構成できる。具体例と
して、図９を参照すると、６極のビームライン磁石７０
は、中心角３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７
０°、３３０°に配置された６つの磁極７２を含んで形
成される。６つの磁石７４ａ〜７４ｆは、中心角０°、
６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°に配
置される。６極ビームライン磁石７０においては、磁極
７２により形成される中央空間７８に面する磁極面７６
は、高品質の６極磁界パターンを発生させる「Ｒ³＊ｓ
ｉｎ（３θ）」（一定値）を満足する形状を有すること
が好ましい。ここでθは、この技術分野ではよく知られ
ているように、ｘ軸に対する角度である。

【００８６】４極の装置の場合と同様に、６つの磁石７
４ａ〜７４ｆを放射状に均一に外側及び内側へ動かすこ
とは、磁石７４ａ〜７４ｆが移動した距離の関数とし
て、磁界を線形的にそれぞれ減少及び増加させる。仮
に、０°の位置にある磁石７４ａが機械軸線８０から離
れる方向に１単位移動し、かつ１２０°及び２４０°に
それぞれ位置する磁石７４ｃ及び７４ｅが機械軸線８０
へ向かう方向に２単位移動した場合は、初期は機械軸線
８０と一致していた磁気中心線は、その１単位に比例し
た量だけ、０°の軸に沿って新たな位置８２へ移動す
る。より一般的に言うと、仮に、１２０°の位置にある
磁石７４ｃが機械軸線８０へ向けてｘだけ移動し、２４
０°の位置にある磁石７４ｅが機械軸線８０から離れて
ｙだけ移動し、かつ０°の位置にある磁石７４ａが機械
軸線８０へ向けて（ｘ−ｙ）／２だけ移動した場合は、
初期は機械軸線８０と一致していた磁気中心線は、（ｘ
−ｙ）に比例した量だけ、９０°の軸に沿って新たな位
置８４へシフトされる。この最後に説明した磁気中心線
をシフトする方法においては、磁石の付加的かつ対称的
な（すなわち放射状に内側又は外側への）移動は、重畳
されることができ、６極磁界強度のいかなる減少又は増
加も補償できる。このことの実質的効果は、磁界強度を
一切変えずに６極の磁気中心線をシフトできることであ
る。

【００８７】本発明の好適な実施形態が図示されかつ説
明されているが、本発明の精神及び範囲から逸脱するこ
となしに様々な変更が可能であることが理解されるであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による、４つの固定式磁極及び４つの可
動磁石を有する４極ビームライン磁石の分解組立図であ
る。

【図２】（Ａ）図１に示す４極ビームライン磁石につい
て、４つの磁極及び４つの永久磁石を示した部分平面
図、（Ｂ）図２（Ａ）に示す４つの磁極及び４つの永久
磁石について、磁界強度を線形的に減少させるために、
４つの永久磁石が集合的かつ放射状に引込まれた状態を
示した図、（Ｃ）図２（Ａ）に示す４つの磁極及び４つ
の永久磁石について、磁気中心線を直線的に移動させる
ために、一対の相対する永久磁石が集合的に一方向に移
動する状態を示した図である。

【図３】（Ａ）図１に示す４極ビームライン磁石につい
て、エンドキャップに取付けられた４つの磁極及び４つ
の永久磁石をｘ−ｙ平面に沿って示した概略断面図、
（Ｂ）図３（Ａ）に示すビームライン磁石について、凹
んだ永久磁石面を示した部分拡大図である。

【図４】図１に示す４極ビームライン磁石について、４
つの磁極及び４つの永久磁石、エンドキャップ並びにエ
ンクロージャをｘ−ｙ平面に沿って示した部分断面図で
ある。

【図５】図３の部分図であって、磁束の一部が中央空間
から分流している状態における平行な磁束分流構造を図
式的に示した図である。

【図６】磁界強度の変化を永久磁石の引込量の関数とし
て表し、本発明によるビームライン磁石を用いることで
磁界の線形的な調節が達成されたことを示すグラフであ
る。

【図７】図４に示すビームライン磁石について、さらに
電磁式補正コイルを概略的に示した図である。

【図８】（Ａ）永久磁石面に接するシムを含む、図１に
示す４つの磁極及び４つの永久磁石の部分平面図、
（Ｂ）永久磁石面に接するシムを含む、図１に示す４つ
の磁極及び４つの永久磁石の部分平面図である。

【図９】本発明による、６つの固定式磁極及び６つの可
動磁石を有する６極ビームライン磁石の平面図である。

【符号の説明】

１０…４極ビームライン磁石１２…磁極１４…永久磁石１６…中央空間１８…機械軸線２０…リニアドライブ３３…シム３４…エンドキャップ３６…遮蔽板４４…磁界センサー４６…電子ビームセンサー４７…温度補償材料５５，５６，５７，５８…補正コイル７０…６極ビームライン磁石７２…磁極７４…永久磁石７８…中央空間８０…機械軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者スティーブンシー．ゴッツチャルクアメリカ合衆国，ワシントン 98072，ウッドインビル，ノースイーストワンハンドレッドナインティーンエイスストリート 14918 Ｆターム(参考） 2G085 BA14 BC08 BC11 CA16 CA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】選択的に磁界を調節できる多極ビームラ
イン磁石であって、複数の固定式強磁性磁極と、前記複
数の固定式強磁性磁極の間に配置される１つ以上の永久
磁石であって、該永久磁石のそれぞれは、近接する２つ
の固定式強磁性磁極に起磁力を供給し、それにより前記
固定式強磁性磁極は、前記固定式強磁性磁極により形成
される中央空間に磁界を発生させ、前記ビームライン磁
石が有する機械軸線は、前記磁極及び前記永久磁石によ
り形成される面に垂直に前記中央空間を通って伸びてい
る、永久磁石と、前記１つ以上の永久磁石を前記機械軸
線に対して垂直に動かすためのリニアドライブと、を有
する多極ビームライン磁石。
【請求項２】前記磁極及び前記永久磁石を挟む非磁性
のエンドキャップをさらに有する請求項１に記載の多極
ビームライン磁石。
【請求項３】前記エンドキャップが、前記１つ以上の
永久磁石をそれぞれ移動可能に取付けるための１つ以上
のガイド溝を形成する請求項２に記載の多極ビームライ
ン磁石。
【請求項４】前記リニアドライブが、送りねじ、リニ
アモーター、リニアステッパーモーター、油圧アクチュ
エーター及びカムを含むグループから選択されている請
求項１に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項５】前記中央空間内に発生した前記磁界の強
度を測定する磁界センサーをさらに有する請求項１に記
載の多極ビームライン磁石。
【請求項６】少なくとも２つの永久磁石を備える請求
項１に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項７】少なくとも２つのリニアドライブを備え
るとともに、前記永久磁石の各々が前記リニアドライブ
の各々に取付けられている請求項６に記載の多極ビーム
ライン磁石。
【請求項８】前記永久磁石の全てが、等しい形状に作
製されている請求項６に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項９】少なくとも２つの永久磁石が異なる磁化
方向を有する請求項６に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項１０】前記永久磁石が、等角度に配置されて
いる請求項６に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項１１】前記１つ以上の永久磁石のうち少なく
とも１つが、矩形形状、その４つの角の少なくとも１つ
が面取りされた矩形形状、楔形状並びに矩形形状及び台
形形状の組合わせを含むグループから選択された形状に
作製される請求項１に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項１２】前記１つ以上の永久磁石のうち少なく
とも１つが、該永久磁石を形成するように接合された複
数の副磁石を有する請求項１に記載の多極ビームライン
磁石。
【請求項１３】前記永久磁石を形成するための前記複
数の副磁石が、異なる形状に作製されている請求項１２
に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項１４】前記機械軸線から最も離れて配置され
ている第１副磁石が、第１磁化方向を有して補正磁石を
形成し、前記第１副磁石に隣接する第２副磁石が、前記
第１方向とは異なる第２磁化方向を有する請求項１２に
記載の多極ビームライン磁石。
【請求項１５】前記中央空間と前記１つ以上の永久磁
石との間にそれぞれ提供される１つ以上の固定式補助磁
石をさらに有する請求項１に記載の多極ビームライン磁
石。
【請求項１６】前記補助磁石とそれに近接する永久磁
石とが等しい磁化方向を有する請求項１５に記載の多極
ビームライン磁石。
【請求項１７】前記補助磁石とそれに近接する永久磁
石とが異なる形状を有する請求項１５に記載の多極ビー
ムライン磁石。
【請求項１８】磁界誤差を補正するための調整シムを
さらに有する多極ビームライン磁石であって、前記調整
シムによって発生した磁界の方向が、誤差を含む磁界の
方向と反対である請求項１に記載の多極ビームライン磁
石。
【請求項１９】前記調整シムが、前記１つ以上の永久
磁石の１つに対して、前記中央空間に面する前記永久磁
石の面に接合されている請求項１８に記載の多極ビーム
ライン磁石。
【請求項２０】前記調整シムが、前記中央空間に面す
る前記永久磁石の面の全幅を覆うように形成されている
請求項１９に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項２１】前記調整シムが、前記中央空間に面す
る前記永久磁石の面の幅の一部を覆うように形成されて
いる請求項１９に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項２２】前記調整シムが、前記永久磁石の軸方
向中心線に対して非対称に取付けられている請求項２１
に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項２３】前記調整シムが、前記永久磁石の軸方
向中心線に対して対称に取付けられている請求項２１に
記載の多極ビームライン磁石。
【請求項２４】前記調整シムが、前記中央空間に面す
る前記永久磁石の面の全長を覆うように形成されている
請求項１９に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項２５】前記調整シムが、前記中央空間に面す
る前記永久磁石の面の長さの一部を覆うように形成され
ているとともに、前記永久磁石の軸方向中心線に沿って
予め定めた場所に配置されている請求項１９に記載の多
極ビームライン磁石。
【請求項２６】末端磁石をさらに有する請求項１に記
載の多極ビームライン磁石。
【請求項２７】前記磁極及び前記永久磁石を挟むよう
な一対の強磁性遮蔽板をさらに有する請求項１に記載の
多極ビームライン磁石。
【請求項２８】少なくとも１つの前記固定式磁極の磁
極面が等ポテンシャル面を有する請求項１に記載の多極
ビームライン磁石。
【請求項２９】平行な磁束分流形状にて前記１つ以上
の永久磁石に磁気的に接続される温度補償材料をさらに
有する請求項１に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項３０】前記温度補償材料が、径方向に見た前
記１つ以上の永久磁石の背面に取付けられる請求項２９
に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項３１】前記温度補償材料が、前記複数の固定
式磁極に取付けられる請求項２９に記載の多極ビームラ
イン磁石。
【請求項３２】少なくとも２つの永久磁石を備え、該
少なくとも２つの永久磁石に対して等しい量の温度補償
材料が取付けられる請求項２９に記載の多極ビームライ
ン磁石。
【請求項３３】少なくとも２つの永久磁石を備え、該
少なくとも２つの永久磁石に対して異なる量の温度補償
材料が取付けられる請求項２９に記載の多極ビームライ
ン磁石。
【請求項３４】複数の電磁式補正コイルをさらに有す
る多極ビームライン磁石であって、前記コイルが、前記
複数の固定式磁極に予め定めた起磁力を供給するため
に、選択的に巻かれるとともに前記コイルを通して選択
的に電流を流すように形成されている請求項１に記載の
多極ビームライン磁石。
【請求項３５】前記電磁式補正コイルが、前記固定式
磁極が有する径方向に見た外表面に近接して配置されて
いる請求項３４に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項３６】前記中央空間に近接するビーム位置セ
ンサーをさらに有する請求項１に記載の多極ビームライ
ン磁石。
【請求項３７】前記固定式強磁性磁極が等角度配置さ
れている請求項１に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項３８】前記固定式強磁性磁極及び前記永久磁
石を同数備えている請求項１に記載の多極ビームライン
磁石。
【請求項３９】前記固定式強磁性磁極を偶数個備える
請求項１に記載の多極ビームライン磁石。
【請求項４０】多極ビームライン磁石における磁界を
選択的に調節する方法であって、複数の固定式強磁性磁
極を用意するステップと、前記複数の固定式強磁性磁極
の間に配置される複数の永久磁石であって、該永久磁石
のそれぞれは、近接する２つの固定式強磁性磁極に起磁
力を供給し、それにより前記固定式強磁性磁極は、前記
固定式強磁性磁極により形成される中央空間に磁界を発
生させ、機械軸線は、前記磁極及び前記永久磁石により
形成される面に垂直に前記中央空間を通って伸びてい
る、複数の永久磁石を用意するステップと、１つ以上の
前記永久磁石を前記機械軸線に対して垂直に直線的に動
かすステップと、を有する方法。
【請求項４１】前記永久磁石を動かす前記ステップ
が、前記永久磁石を動かして、前記中央空間内の前記磁
界の強度を線形的に増加又は減少させることを有する請
求項４０に記載の方法。
【請求項４２】前記永久磁石を動かす前記ステップ
が、前記永久磁石を動かして、前記磁界の分布を変えず
に、前記中央空間内の前記磁界の強度を増加又は減少さ
せることを有する請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】前記永久磁石を動かす前記ステップ
が、前記永久磁石の全てを放射状に内側又は外側の方向
へ集合的に動かして、前記中央空間内の前記磁界の強度
をそれぞれ増加又は減少させることを有する請求項４０
に記載の方法。
【請求項４４】前記永久磁石を動かす前記ステップ
が、前記永久磁石を動かして、磁気中心線を直線的にシ
フトさせることを有する請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】前記永久磁石を動かす前記ステップ
が、前記永久磁石を動かして、前記磁界強度を変えず
に、磁気中心線をシフトさせることを有する請求項４０
に記載の方法。
【請求項４６】一対の相対する永久磁石が中心角１８
０°離れて位置するとともに、前記永久磁石を動かす前
記ステップが、前記一対の相対する永久磁石を一方向に
動かして、磁気中心線を前記方向と同じ方向にシフトさ
せることを有する請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】前記１つ以上の永久磁石に磁気的に接
合されて前記中央空間から磁束を分流させる調整シムを
用意することをさらに有する請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】平行な磁束分流形状にて前記１つ以上
の永久磁石に磁気的に接合される温度補償材料を用意す
ることをさらに有する請求項４０に記載の方法。
【請求項４９】前記温度補償材料が前記１つ以上の永
久磁石に選択的に取付けられ、それにより前記中央空間
付近の磁界強度が周囲温度の変化に関わらず実質的に一
定に保たれる請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】前記温度補償材料が前記１つ以上の永
久磁石に選択的に取付けられ、それにより磁気中心線が
周囲温度の変化に関わらず実質的に固定された位置に保
たれる請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】複数の電磁式補正コイルを用意するス
テップと、と、前記複数の電磁式補正コイルを選択的に
巻くステップと、前記固定式強磁性磁極に予め定めた起
磁力を供給するために、前記巻かれたコイルを通して選
択的に電流を流すステップと、をさらに有する請求項４
０に記載の方法。
【請求項５２】前記中央空間内に発生した前記磁界の
強度を測定するステップをさらに有する請求項４０に記
載の方法。
【請求項５３】前記１つ以上の永久磁石を直線的に動
かす前記ステップが、前記磁界の前記測定された強度に
基づいて、前記１つ以上の永久磁石を動かすことを有す
る請求項５２に記載の方法。