JP2013541817A

JP2013541817A - 改良された多極マグネット

Info

Publication number: JP2013541817A
Application number: JP2013532263A
Authority: JP
Inventors: クラーク，ジェイムズ・アンソニー; シェファード，ベンジャミン・ジョン・アーサー; マークス，ニール; コロンブ，ノルベルト
Original assignee: Science and Technology Facilities Council
Current assignee: Science and Technology Facilities Council
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2013-11-14
Also published as: EP2625934A1; DK2625934T3; EP3157309B1; CN105530752A; EP2625934B1; GB201016917D0; US8829462B2; US20130207760A1; EP3157309A1; CN103155720B; CN103155720A; WO2012046036A1; DK3157309T3; CN105530752B

Abstract

荷電粒子のビームを偏向させるための多極マグネットであって、この多極マグネットは、極面内に配置された複数の強磁性体形磁極と、それぞれが磁化方向を有し、かつそれぞれが複数の強磁性体形磁極に起磁力を提供するように配置されて、磁極間のビームライン空間内の極面に沿って磁界を発生する複数の永久磁石と、複数の永久磁石の少なくとも１つから磁束を導くように構成された複数の強磁性体形磁束伝導部材と、を具備し、多極マグネットは偶数の強磁性体形磁極を有し、各磁極は極軸に沿って極面内で他の磁極に対して互いに正反対の位置に配置され、複数の永久磁石のそれぞれは、複数の磁極の少なくとも１つに関連付けられ、各永久磁石の磁化方向は対応する磁極の極軸に対して少なくとも４５°の角度で極面に向けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は多極マグネットに関し、さらに具体的に言うと、これに限定されることはないが、永久磁石を含み、荷電粒子のビームを偏向、集束又は他の特性を変更するために好適な改良された多極マグネットに関する。

多極マグネットは、複数の磁極から構成され、とりわけ粒子加速器の中で荷電粒子ビームの偏向、集束又は他の特性を変更するために使用される。多極マグネットは、ビームの全体的な方向を変更するため、ビームをフォーカス又はデフォーカスするため、又はビーム内の収差を補正するために使用することができる。これらのタスクを実行するための多極マグネットの適合性は、現在の磁極の数によって大きく決定される。４つの磁極を有する４極マグネットは、例えば、荷電粒子のビームをフォーカス及びデフォーカスするために特に適している。現代の粒子加速器ビームラインでは、数百の多極マグネットを単一のビームラインに沿って使用することができる。提案された将来のビームラインでは、数千の多極マグネットが単一のビームラインに必要とされる可能性がある。

多極マグネット装置に使用されるマグネットは、強磁性体の磁極の周りに巻き付けられた電流伝送線から成る電磁石、又は生まれながらに磁化されている永久磁石とすることができる。

電磁石は、一般に、高価な電源を必要とし、また、電流伝送コイルで発生した熱を取り除く冷却手段を必要とすることがある。この冷却手段は、例えば、冷却水を循環することができる配管システム又は冷却された空気を循環する空気流システムを備えることができる。どのような冷却システムも、それぞれの多極マグネットに関連した付加的なセットアップ費用やランニング費用がかかり、また多極マグネットの周りに動作するための十分な空間も必要である。

対照的に、永久磁石形多極マグネットは、電源装置または冷却システムを必要としない。永久磁石形多極磁石の一例は、ＵＳ−Ａ−２００２／０１５８７３６（Gottschalk S.C.）に記載されている。ゴットシャールク形多極マグネットは、複数の強磁性体形磁極と磁極間に可変磁界を生成するための磁極に対して移動可能な１つ又は複数の永久磁石とを備えている。

本発明の目的は、永久磁石を含み、従来技術の多極マグネットに対して利点がある改良された多極マグネットを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、荷電粒子のビームを偏向させるための多極マグネットが提供される。この多極マグネットは、
極面内に配置された複数の強磁性体形磁極と、
それぞれが磁化方向を有し、かつそれぞれが複数の強磁性体形磁極に起磁力を提供するように配置されて、磁極間のビームライン空間内の極面に沿って磁界を発生する複数の永久磁石と、
複数の永久磁石の少なくとも１つから磁束を導くように配置された複数の強磁性体形磁束伝導部材と、
を具備し、
多極マグネットは偶数の強磁性体形磁極を有し、各磁極は極軸に沿って極面内で他の磁極に対して互いに正反対の位置に配置され、複数の永久磁石のそれぞれは、それに関連した複数の磁極の少なくとも１つを有し、ここで各永久磁石の磁化方向は対応する磁極の極軸に対して少なくとも４５°の角度で極面に向けられている。

好ましい実施形態では、各永久磁石の磁化方向は、関連した磁極の極軸に対して１３５°以下の角度で極面に向けられている。別の好ましい実施形態では、各永久磁石の磁化方向は、関連した磁極の極軸に対して７５°の角度で極面に向けられている。別の代替の好ましい実施形態では、各永久磁石の磁化方向が対応する磁極の極軸に対して少なくとも９０°の角度で極面に向けられている。別の代替の実施形態では、各永久磁石の磁化方向が対応する磁極の極軸に対して１２０°の角度で極面に向けられている。

任意の上述した実施形態では、この多極マグネットは、電源又は冷却システムを必要とすることなく、高品質の磁界を発生することができ、かつ最小限の体積で構成することができる。このため、多極マグネットは、空間が特に限定されている場所（例えば、トンネルなどの遮蔽空間）又は周囲の空間への熱放散が減少するように制約されている場所であるビームライン内で使用するのに特に適している。電源が不要であることを考えると、多数のこれらの多極マグネットは、同様の数の電磁形多極マグネットと比較すると、かなり低コストで操作することができる。

好ましい実施形態では、複数の永久磁石及び複数の強磁性体形磁束伝導部材の少なくとも１つが、ビームライン空間内の磁界の強度を変化させるように、複数の強磁性体形磁極に対して極面内で移動可能である。この好ましい機構は、調整機能を有する多極マグネットを提供するため、ビームライン空間内の磁束密度は、複数の永久磁石及び複数の強磁性体形磁束伝導部材の少なくとも１つの変位を制御することによってコントロールされる。

好ましいことに、各強磁性体形磁束伝導部材は、関連した強磁性体形磁極から間隔を空けて配置されて、複数の永久磁石のみが強磁性体形磁極に対して極面内で移動することができる。

別の好ましい実施形態では、各永久磁石は、関連した各強磁性体形磁束伝導部材と一緒に関連した強磁性体形磁極に対して極面内で移動可能であり、各永久磁石とその関連した強磁性体形磁束伝導部材との間の相対的な移動が実質的に許容されないようにされる。さらに好ましいことに、複数の永久磁石及び複数の強磁性体形磁束伝導部材のうちの少なくとも１つが、関連した磁極の極軸に対して４５°の角度で指向された経路に沿った極面に沿って移動可能である。

１つの好ましい実施形態では、各永久磁石の磁化方向は、関連した磁極の極軸に対して４５°よりも大きく１３５°よりも小さい角度で極面に向けられ、複数の永久磁石のそれぞれは複数の磁極の１つに関連付けられ、かつ
強磁性体形磁束伝導部材の少なくとも幾つかは、２つの隣接した磁極の永久磁石の間に磁束を向ける強磁性体形ブリッジを含む。

本発明の第２の態様によれば、荷電粒子のビームを偏向するための多極マグネットが提供される。この多極マグネットは、
極面内に配置された複数の強磁性体形磁極と、
起磁力を複数の強磁性体形磁極のうちの少なくとも１つに与えて、磁極間のビームライン空間内の極面に沿って磁界を発生するように構成された複数の永久磁石と、
複数の永久磁石のなかの少なくとも１つからの磁束を指向するように構成された複数の強磁性体形磁束伝導部材と、
を具備し、
複数の永久磁石及び複数の強磁性体形磁束伝導部材のうちの少なくとも１つが、複数の強磁性体形磁極に対して極面内で移動して、ビームライン空間内の磁界の強度を変化させることができる。

この多極マグネットは、その結果、外部電源や冷却システムを必要とせず、高品質で調節可能な磁界を生成することができ、かつ最小限の体積の中で構成することができる。このように、この多極マグネットは、空間が特に限定されている場所（例えば、トンネルなどの遮蔽空間）又は周囲の空間への熱放散が減少するように制約されている場所であるビームライン内で使用するのに特に適している。電源が不要であることを考えると、多数のこれらの多極マグネットは、同様の数の電磁形多極マグネットと比較すると、かなり低コストで操作することができる。

好ましいことに、各強磁性体形磁束伝導部材は、関連した強磁性体形磁極から間隔を空けて配置されており、複数の永久磁石のみが強磁性体形磁極に対して極面内で移動することができる。

別の好ましい実施形態では、各永久磁石は、関連した強磁性体形磁束伝導部材と一緒に関連した強磁性体形磁極に対して極面内で移動可能であり、各永久磁石とその関連した強磁性体形磁束伝導部材との間の相対的な移動は実質的に許容されない。

特に好ましい実施形態では、多極マグネットは偶数の強磁性体形磁極を有し、各磁極は極軸に沿って極面内で他の磁極に対して互いに正反対の位置に配置される。好ましいことに、複数の永久磁石及び複数の強磁性体形磁束伝導部材のうちの少なくとも１つが、関連した磁極の極軸に対して４５°の角度で指向された経路に沿った極面に沿って移動することができる。

好ましい実施形態では、複数の永久磁石のそれぞれは磁化方向を有し、かつ各永久磁石はそれに関連した複数の磁極のなかの少なくとも１つを有し、ここで各永久磁石の磁化方向は対応する極の極軸に対して少なくとも４５°の角度で極面に向けられている。

永久磁石が磁極から離れるにつれて、磁極を通ってビームライン空間に入る磁束は少なくなる。永久磁石が磁束伝導部材に接近していると、ビームライン空間内の磁束密度を減らすように作用する短絡をもたらす。このため、短絡を作ってビームライン空間内の磁束の強度を減らすために、磁束伝導部材を永久磁石に近付くように移動することができる。永久磁石と磁束伝導部材との相対的な移動はまた、ビームラインの空間内の磁束密度を減らすように作用するエアギャップを作ることができる。

１つの好ましい実施形態では、少なくとも幾つかの強磁性体形磁束伝導部材は、そこから磁束を導くための少なくとも１つの永久磁石に関連したキャップを備えている。

さらに別の又は代替の好ましい実施形態では、少なくとも幾つかの強磁性体形磁束伝導部材は、磁極と永久磁石とを取り囲む不連続シェルを備えている。

幾つかの好ましい実施形態では、強磁性体形磁極と強磁性体形磁束伝導部材との合計は、永久磁石の数よりも大きい。

さらに別の又は代替の好ましい実施形態では、多極マグネットは、４つの強磁性体形磁極と２つの永久磁石とを備えた４極子形マグネットであり、２つの永久磁石はそれぞれ２つの磁極に関連付けられて、そこに起磁力を与えている。

添付した図面を参照して、本発明を以後さらに説明する。

本発明の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの極面に沿った断面図である。本発明の別の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントの極面に沿った断面図である。本発明のさらに別の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントの斜視図である。本発明のさらに別の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントの極面に沿った断面図である。本発明のさらに別の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントの極面に沿った断面図であり、磁束線も示されている。本発明のさらに別の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントの極面に沿った断面図である。本発明のさらに別の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントの極面に沿った断面図である。本発明のさらに別の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの４つの全てのクォードラントの極面に沿った断面図である。本発明の実施形態による４磁極の４極子形マグネットの極面に沿った断面図であり、磁束線も示されている。永久磁石の変位に関連した、図９の４極子形マグネットのビーム空間内の磁束密度の変化を示す勾配曲線である。本発明のさらに別の実施例であり、４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントに沿った断面図である。本発明のさらに別の実施例であり、４磁極の４極子形マグネットの単一クォードラントに沿った断面図である。永久磁石及びブリッジの変位に関連した、図４の４極子形マグネットのビーム空間内の磁束密度の変化を示す勾配曲線である。

本発明は、全体的に、任意の数の磁極を有する多極マグネットに関するが、以下では、４極子形マグネットすなわち４個の磁極を有するマグネットに関連して説明する。しかしながら、技術を身に付けた読者は、本発明が４極子形マグネットに限定されないことは理解されよう。本発明の実施形態は、双極子、６極子及び８極子などの別の多極マグネットとして考えることができる。

本発明の実施形態による４磁極の４極子形マグネット１０の断面図を図１に示す。この４極子形マグネット１０は、各クォードラント１０ａ、ｂ、ｃ、ｄが強磁性体形磁極１２ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びポールルート(pole root)１３ａ、ｂ、ｃ、ｄの形状で各磁極１２ａ、ｂ、ｃ、ｄから延びる強磁性体形磁束伝導部材を有する４個のクォードラント１０ａ、ｂ、ｃ、ｄから構成している。図１の断面図は、４極子形マグネット１０の極面に沿って切り取られている。この極面は、４極子形マグネットが対称的（すなわち、このページに入る及びページから離れる）であり、また４極子形マグネット１０の全ての磁極１２ａ、ｂ、ｃ、ｄが存在する面として画定されている。極面の二次元を画定するｘ軸とｙ軸とを含む座標系が、図１に示されている。第３のｚ軸（図示せず）は、ｘ軸及びＹ軸の両方に直交して（すなわち、このページに入る及びページから離れる方向に）延びている。

極面では、磁極１２ａ及び１２ｃは、第１の極軸１００ａｃに沿って互いに正反対の位置に配置され、一方、磁極１２ｂ及び１２ｄは、第２の極軸１００ｂｄに沿って互いに反対側に配置されている。ここで、第１の極軸１００ａｃは、極面の中で第２の極軸１００ｂｄに直交している。極面の中で、４個の磁極１２ａ、ｂ、ｃ、ｄは、第１又は第２の極軸１００ａｃ、ｂｄの交点２００を中心にして、その間のビームライン空間を画定している。動作に当たっては、電子又は陽電子などの荷電粒子のビームは、ビームライン空間を通って極面に対してほぼ垂直に、すなわち、ｚ軸に対してほぼ平行に移動する。

可動永久磁石１４ａｂは、２つのポールルート１３ａ及び１３ｂの間に配置され、実質的に同一の可動永久磁石１４ｃｄは、２つのポールルート１３ｃ及び１３ｄの間に配置されている。別の実施形態では、各永久磁石１４ａｂ及び１４ｃｄは、互いに独立に移動できる２つ以上の別個の永久磁石から構成することができる。さらに、他の永久磁石は、多極マグネット１０の周りの他の位置に配置することができる。このため、永久磁石の数は、磁極の数に等しい又は等しくないことがある。

強磁性体形磁束伝導部材１６ａｂは、交差点２００に対して磁極１２ａ及び１２ｂから半径方向外側に配置されている。同様に、強磁性体形磁束伝導部材１６ｃｄは、交差点２００に対して磁極１２ｃ及び１２ｄから半径方向外側に配置されている。強磁性体形磁束伝導部材１６ａｂ及び１６ｃｄは強磁性体の「キャップ」であり、以下でさらに詳細に説明する。別の実施形態では、磁束伝導部材１６ａｂ及び１６ｃｄは、それぞれ２つの別個のキャップ構成部品から構成することができる。

図１に示す実施形態では、クォードラント１０ａ、ｂ、ｃ、ｄの各々は、他のクォードラント１０ａ、ｂ、ｃ、ｄの各々と構造的に同一である。便宜上、以後、熟練した読者は、クォードラント１０ａに関連して説明した４極子形マグネット１０の構造は、（特に明記しない限り）任意の４個のクォードラント１０ａ、ｂ、ｃ、ｄに等しく適用可能であると理解することができると想定できる。ここで、同じ数字は、それぞれ関連するクォードラント１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄを示す文字ａ、ｂ、ｃ及びｄが付いた関連する機能に対して使用される。別の実施形態では、クォードラントは互いに全て同一でない可能性がある。実際に、本発明の実施形態による任意の一般的な多極マグネットでは、磁極、永久磁石及び強磁性体形磁束伝導部材が互いに異なっていても良い。

永久磁石１４ａｂは、クォードラント１０ａ及び１０ｂにわたって配置され、起磁力を（それぞれ、ポールルート１３ａ及び１３ｂを介して）強磁性体形磁極１２ａ及び１２ｂに与えて、極面に沿ってビームライン空間に延びる磁束を発生し、これにより、そこを通過する荷電粒子のビームを偏向又は集束する、又は場合によっては、ビームの１つ又は複数の特性を変更することができる。磁極１２ａ及び１２ｂは、ビームライン空間にわたって磁束密度に必要な空間変動を与えるように成形される。本発明の別の実施形態では、磁極の形状は、磁束の異なる分布を提供するために、図１の磁極１２ａと多少異なっていても良い。磁極１２ａは極面を横断する深さを有して、分布の程度は磁極１２ａの形状及び向きに大きく依存するが、極面を超えて分布する（すなわち、ｚ成分を有する）磁束も発生する。図１に示す実施形態では、磁極１２ａは、ｘ方向及びｙ方向の両方でポールルート１３ａから離れてビームライン空間に向かって延びている。

強磁性体形キャップ１６ａｂは、キャップ１６ａｂとポールルート１３ａが互いに接触しないように、ポールルート１３ａから離間している。キャップ１６ａｂは、永久磁石１４ａｂが発生した磁束を導くように構成されており、それ自体は磁極ではない。キャップ１６ａｂの目的は、永久磁石１４ａｂが発生した磁束を方向付けて、ビームライン空間内の磁束の強度を低減することである。キャップ１６ａｂが永久磁石１４ａｂに近ければそれだけ、ビームライン空間内の磁界の強度は弱くなる。

永久磁石１４ａｂは、方向１８ａｂ（これはｙ軸に平行であり、極軸１００ａｃに対して４５°に配向されている）に沿って極面内で移動可能であり、永久磁石１４ａｂと磁極１２ａ及び１２ｂ及びポールルート１３ａ及び１３ｂとの間、及び永久磁石１４ａｂとキャップ１６ａｂとの間の相対距離を変化させることができる。永久磁石１４ａｂは、第１の位置から第２の位置まで移動可能である。ここで、第１の位置は、永久磁石１４ａｂの（ｙ軸にほぼ平行な）第１の面が、（図１に示すように）ポールルート１３ａ及び１３ｂのそれぞれの面と接触する位置であり、第２の位置は、永久磁石１４ａｂの（ｘ軸にほぼ平行な）第２の面が、キャップ１６ａｂの面に接触する位置である。第１の位置では、永久磁石１４ａｂはキャップ１６ａｂと物理的に接触していない、また第２の位置では、永久磁石１４ａｂはポールルート１３ａ及び１３ｂと物理的に接触していない。しかしながら、第１及び第２の位置の両方において、永久磁石１４ａｂからの磁束はキャップ１６ａｂ、ポールルート１３ａ及び１３ｂ、並びに磁極１２ａ及び１２ｂを透過する。永久磁石１４ａｂは、ポールルート１３ａ及び１３ｂの接触面と滑りばめを形成するため、第１及び第２の位置の間で移動が可能である。

方向１８ａｂに沿って永久磁石１４ａｂが移動すると、キャップ１６ａｂ、ポールルート１３ａ及び１３ｂ、並びに磁極１２ａ及び１２ｂ内の磁束の大きさが変化し、最終的に、ビームライン空間の全体にわたって磁束が変化することになる。このため、ビームライン空間内の磁界強度は、方向１８ａｂに沿って永久磁石１４ａｂを移動することによって調整することができる。方向１８ａｂに沿った永久磁石１４ａｂの変位に対する磁界強度の勾配の特徴は、磁極１２ａ及び１２ｂ、ポールルート１３ａ及び１３ｂ、永久磁石１４ａｂ並びにキャップ１６ａｂの各々の配置及び形状に依存することが見出されている。

ほぼ同様な方法で、永久磁石１４ｃｄは、ビームライン空間の全体にわたって磁界の大きさを変化させるために、キャップ１６ｃｄ、ポールルート１３ｃ及び１３ｄ並びに磁極１２ｃ及び１２ｄに対して移動可能である。図１に示す実施形態では、磁極１２ａ及びポールルート１３ａは単一のボディを形成する、一方で、別の実施形態では、磁極１２ａ及びポールルート１３ａを別個に形成して、ポールルート１３ａが磁極１２ａに対して移動可能にすることができる。さらに別の実施形態では、幾つかの又は全ての永久磁石１４ａｂ及び１４ｃｄ、ポールルート１３ａ、ｂ、ｃ、ｄ並びにキャップ１６ａｂ、ｃｄは、磁極１３ａ、ｂ、ｃ、ｄに対して移動可能にして、ビームライン空間の全体にわたって磁束の大きさを変化するように構成することができる。

クォードラント１０ａ及び１０ｂは、磁束の第１の磁気回路を形成し、他方では、クォードラント１０ｃ及び１０ｄは磁束の第２の磁気回路を形成する。クォードラント１０ａがクォードラント１０ｂとペアリングすること及びクォードラント１０ｃがクォードラント１０ｄとペアリングすることにより、４極子形マグネット１０は、極面内でｘ軸に沿って延びる場合よりも大きな範囲まで、極面内でｙ軸に沿って延在する。このため、図１の４極子形マグネット１０は、極面に沿って切り取った断面内で全体的に長方形の外形を有する。別の実施形態では、磁極とクォードラントとの他のペアリング（又は、より一般的には、他の多極マグネット内の「セクタ」）が本発明の範囲の中で可能である。その結果、他の形状や構造が、極面の全体にわたって可能である。実際に、本発明は、適当な強度及び（必要に応じた）調整能力を有する多極マグネットを、従来技術における類似強度の多極マグネットと比較した場合比較的小さい体積で製造できるようにする。

本発明のさらに別の実施形態を、図２〜図９を参照して以下で説明する。これらの図面は、特に好適であることが判明している特定の構成及び形状の実施例を示している。便宜上、さらに別の実施形態を４極子形マグネットの単一クォードラントを参照して説明するが、説明した全ての機能は４極子形マグネットの対応するクォードラントに適用することができる。

図２は、本発明による４極子形マグネットの別の実施形態のクォードラント２０ａを示している。図１に示した実施形態と同様に、クォードラント２０ａは、ポールルート２３ａを用いて形成された又はそれに接続された固定の強磁性体形磁極２２ａと、ポールルート２３ａから垂直方向に離間した固定の強磁性体形キャップ２６ａと、並びに（ｙ軸に平行な）方向２８ａに沿って磁極２２ａ、ポールルート２３ａ及びキャップ２６ａに対して移動可能な永久磁石２４ａｂの一部（それがクォードラント２０ｂの中に延びているため）と、を備えている。この実施形態では、方向２８ａに沿って磁極２２ａ、ポールルート２３ａ及びキャップ２６ａに対して移動可能な付加的な強磁性体形磁束伝導部材２７ａが、クォードラント２０ａ内に（及び他のクォードラントにも）存在する。永久磁石２４ａｂ及び磁束伝導部材２７ａは一緒に移動可能で、ポールルート２３ａに向かって移動するとき、ポールルート２３ａの２つの相補的な側部と締まりばめを形成する。永久磁石２４ａｂは、磁化の方向（すなわち、「磁化方向」）２５ａｂを有しており、それに沿って永久磁石２４ａｂの磁気モーメントが存在する。磁化方向は磁化軸２５ａｂ’に対して平行であり、図２に示すように、磁化軸２５ａｂ’は極軸１００ａｃと角度θ（＝４５°）を形成する。誤解を避けるために、角度θは、磁化軸２５ａｂと少なくとも一部がクォードラント２０ｂ内に存在する極軸１００ａｃとの両方が交差する想定線で範囲が定められている。同様に、クォードラント２０ｂ内の角度θは、磁化軸２５ａｂと少なくとも一部がクォードラント２０ａ内に存在する極軸１００ｂｄとの両方が交差する想定線で範囲が定められている角度である。同様な意味合いで、クォードラント２０ｃ内の角度θは、磁化軸２５ｃｄと少なくとも一部がクォードラント２０ｄ内に存在する極軸１００ａｃとの両方が交差する想定線で範囲が定められている角度である。また、クォードラント２０ｄ内の角度θは、磁化軸２５ｃｄと少なくとも一部がクォードラント２０ｃ内に存在する極軸１００ｂｄとの両方が交差する想定線で範囲が定められている角度である。

図３は、さらに別のクォードラント３０ａを示している。このクォードラント３０ａは、ポールルート３３ａを用いて形成された又はそれに接続された固定の強磁性体形磁極３２ａと、磁極３２ａ及びポールルート３３ａから離間したＬ字形のシェル部品の形状の固定した強磁性体形磁束伝導部材３９ａと、並びに（ｙ軸に平行な）方向３８ａに沿って磁極３２ａ及びシェル部品３９ａに対して移動可能な永久磁石３４ａｂの一部と、を備えている。全ての４つのクォードラント３０ａ、ｂ、ｃ、ｄを一緒（図示せず）に考えると、シェル部品３９ａ、ｂ、ｃ、ｄは極面内の磁極３２ａ、ｂ、ｃ、ｄの周りに不連続なシェル３９を形成する。シェル部品がそれぞれのポールルートの上側又は下側に延びるため、図１に示したキャップ１６ａｂ、ｃｄを組み込むことを考えることができる。磁束伝導部材は、キャップ１６ａｂ、ｃｄ及びＬ字形のシェル部品を含むこと、又は図３に示すように一体形成することができる。

図１〜図２に示した実施形態のいずれにおいても、強磁性体形磁束伝導部材１６ａ、２６ａは、永久磁石１４ａｂ、２４ａｂに加えて又はその代わりに移動して、ビームライン空間内の磁界強度の大きさを変化させることができる。磁束伝導部材１６ａ、２６ａ及び永久磁石１４ａｂ、２４ａｂの両方が移動する場合は、それらは相対移動が両者の間で可能なように互いに独立して移動することができるか、又は一緒に移動することができるが両者の間の相対移動は許容されない。

永久磁石の磁化方向を極軸に対して配向することができる方法の幾つかの実施例を例示する、本発明のさらに別の好ましい実施形態を図４〜図７に示す。

図４に、クォードラント４０ａを示す。このクォードラント４０ａは、強磁性体形磁極４２ａ及び接続されたポールルート４３ａと、強磁性体形磁束伝導部材４７ａｂと、並びに極面に沿ってそれらの間に配置された永久磁石４４ａとを備えている。この実施形態では、クォードラント４０ａは単一の永久磁石４４ａを含み、同等のクォードラント４０ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ、ほぼ同一の永久磁石４４ｂ、ｃ、ｄを備えている。永久磁石４４ａは、極面内で、永久磁石４４ａの磁化軸４５ａ’が磁極４２ａの極軸１００ａｃに対して角度θ（＝９５°）を形成するように配向される。強磁性体形磁束伝導部材４７ａｂはクォードラント４０ａ及び４０ｂの両方にわたって延在し、両者の間で磁気「ブリッジ」を形成する。ブリッジ４０ａ、ｂは、それぞれの永久磁石の間のギャップの中に配置される。各ブリッジ４０ａ、ｂは、１つ又は複数の強磁性体形構成部品によって形成することができる。図４に示した実施形態では、永久磁石４４ａ及びブリッジ４７ａｂは、磁極４２ａ及びポールルート４３ａに対してブリッジ４７ａｂの（クォードラント４０ｂ内の）残りの部分及び永久磁石４４ｂと一緒に移動することができる。

図５は、図４のクォードラント４０ａに類似したクォードラント５０ａを示しており、このクォードラント５０ａは、ポールルート５３ａと一緒に形成された又はそれに接続された強磁性体形磁極５２ａと、強磁性体形ブリッジ５７ａと、並びに極面に沿ってそれらの間に配置された永久磁石５４ａとを備えている。また一方で、極面では、永久磁石５４ａの磁化方向５５ａは、磁極４２ａの極軸１００ａｃとある角度を形成する。図５は、永久磁石５４ａが発生した磁束線３００を示している。この磁束線は、磁束線が透過する強磁性体形磁極５２ａ、ポールルート５３ａ、及びブリッジ５７ａ内の分布を例示している。別のクォードラント６０ａを図６に示す。このクォードラント６０ａは、強磁性体形磁極６２ａ、強磁性体形ブリッジ６７ａ、及び極面内のそれらの間に配置された永久磁石６４ａを備えている。永久磁石６４ａの磁化軸６５ａ’は、極面内で極軸１００ａｃと共に角度θ（＝１２０°）を形成する。さらに別のクォードラント７０ａを図７に示す。この場合もやはり、クォードラント７０ａは、強磁性体形磁極７２ａ、強磁性体形ブリッジ７７ａ、及び極面内のそれらの間に配置された永久磁石７４ａを備えている。この実施形態では、永久磁石７４ａの磁化軸７５ａ’が、磁極内で極軸１００ａｃと角度θ（＝７５°）を形成する。

図４〜図７の実施形態では、磁極４２ａ、５２ａ、６２ａ、７２ａはそれぞれポールルート４３ａ、５３２ａ、６３２ａ、７３ａに接続されているが、永久磁石４４ａ、５４ａ、６４ａ、７４ａの相対的な向きによりポールルート４３ａ、５３ａ、６３ａ、７３と磁極４２ａ、５２ａ、６２ａ、７２ａとの間の区別が、図１〜図３の実施形態の磁極１２ａ、２２ａ、３２ａと比べるとあまり明確にされていない。

ブリッジ部分の動きにより、永久磁石の有無にかかわらず、ビームライン空間内の磁界の強さを低減させる効果を有するエアギャップが作られる。

好ましいことに、永久磁石及び／又は磁束伝導部材は、磁極及びポールルートに対して（ポールルートも移動できる可能性がある）移動可能である。特に好ましい実施形態では、磁束伝導部材（例えば、ブリッジ）及び永久磁石は一緒に移動可能であり、両者の間の相対的な動きは許容されない。好ましいことに、磁束伝導部材及び永久磁石の極面に沿った移動方向は、極軸に対して４５°（すなわち、図４〜図７で示した実施形態におけるｙ軸に平行）である。任意の実施形態では、永久磁石及び／又は磁束伝導部材の移動は、多極マグネットに取り付けた１つ又は複数のモータで駆動することができる。別の実施形態では、可動部分は任意の適当な作動手段によって動かすことができ、例えば、水圧式又は空気圧式とすることができる。永久磁石及び／又は磁束伝導部材を移動するのに必要な力は、永久磁石の磁性強度及び磁化方向、磁極の相対的な向き、永久磁石及び磁束伝導部材、並びに永久磁石及び／又は磁束伝導部材の移動方向に依存する。

永久磁石の材料は、一般に、張力を受けた状態では機械的に貧弱であることが知られている。このため、本発明の永久磁石の機械的強度を向上させるために、１つ又は複数の鋼板を接着剤又は任意の他の適当な取り付け手段によって永久磁石に取り付けることができる。これにより、永久磁石が磁極に対して機械的に移動するときに、永久磁石が構造的に損傷される危険が最小にされる。取り付け手段は、さらに又はその代わりに、鋼板及び永久磁石の周りに巻き付けるストラップを含むことができる。

図８は、本発明による４磁極の４極子形マグネット８０の別の実施形態の４個のクォードラント８０ａ、ｂ、ｃ、ｄの完全な断面を示している。図８に示した実施形態は、以下の点を除いて、図１に示した実施形態に大部分は類似している、すなわち、図８の実施形態が、４つの別個のキャップ８６ａ、ｂ、ｃ、ｄを含み、またさらに、磁極８２ａ、ｂ、ｃ、ｄを囲むキャップ８６ａ、ｂ、ｃ、ｄが付いた連続的なシェルを形成する４つのシェル部品８９ａ、ｂ、ｃ、ｄ（全て強磁性体形磁束伝導部材）を備えていることを除く。キャップ８６ａ、ｂ、ｃ、ｄは磁極８２ａ、ｂ、ｃ、ｄに対して移動可能であるが、シェル部品８９ａ、ｂ、ｃ、ｄは移動可能ではない。シェル８９ａ、ｂ、ｃ、ｄは、永久磁石８４ａｂ、８４ｃｄがポールルート９３ａ、ｂ、ｃ、ｄの間から完全に外れる位置に移動される（場合によっては、キャップ８６ａ、ｂ、ｃ、ｄと接触する）とき、永久磁石８４ａｂ、８４ｃｄからの磁束を効果的に「短絡」する。さらに、シェル８９ａ、ｂ、ｃ、ｄは、４極子形マグネット８０の外側の漂遊磁界の量を低減する効果がある。

図９は、４極子形マグネット９０の同様の実施形態を示しており（キャップ又はシェル部品は示していない）、また磁束線３００を示している。前述したように、永久磁石９４ａｂ及び９４ｃｄは、磁極９２ａと９２ｂとの間、及び９２ｃと９２ｄとの間に磁束回路を生み出す起磁力を作る。対の磁極間の磁束回路は互いに分離されていないが、図９に示した線３００に沿って流れて、回路は磁極９２ａ、ｂ、ｃ、ｄの全てを接続し、ビームライン空間を通過する。

図１０は、方向９８に平行な、図９の永久磁石の移動に対するビームライン空間内の磁界強度の変化のプロットを示している。図１０から分かるように、ビーム空間内の磁界強度は、予想されるように、永久磁石が磁極からさらに離れて移動すると低下する。しかしながら、本発明の構成が、好ましいことに、永久磁石が移動するにつれて、ビームライン空間内の磁界強度をスムーズにかつ着実に変化させることができることも、図１０で見ることができる。本発明のさらに別の実施形態を、図１１及び図１２に示す。これらの図面は、それぞれ、４磁極形多極マグネットのクォードラント（それぞれ、１１ａ及び１２０ａ）を示している。図１１では、磁化軸１１５ａ’と極軸１００ａｃとの間の角度θは９０°である。図１２の実施形態では、磁化軸１２５ａ’と極軸１００ａｃとの間の角度θは１３５°である。これらの実施形態は両方とも、クォードラント１１０ａと１１０ｂとの間及び１２０ａと１２０ｂとの間で完成するブリッジ１１７ａｂ及び１２７ａｂを備えている。

図１３は、方向４８に平行な、図４の永久磁石の移動に対するビームライン空間内の磁界強度の変化のプロットを示している。図１０のプロットとは対照的に、図１３のプロット内の磁界強度は、磁極４２ａから永久磁石４４ａの初期の変位に応答してより急速に低下するが、下落率は永久磁石４４ａの絶対変位が増加するにつれて徐々に減少する。しかしながら、その間の磁界強度の変化は滑らかである。上記の実施形態では、多極マグネットは、従来技術の多極マグネットに比べて大きく調整可能な磁界を発生することができる。説明した構成及び形状の結果、本発明は、従来技術の多極マグネットに比べて体積が比較的小さい、高品質で調整可能な磁界を発生できる多極マグネットを製造する可能性を与える。多くの粒子加速器が存在するトンネルなどの限られた空間内で多極マグネットを使用することを考える場合、このことは特に重要である。本発明の特に好ましい実施形態では、極面に沿った多極マグネットの最大寸法は、３９０ｍｍといった所定の寸法よりも小さい。本発明の特徴は、このサイズの多極マグネットが十分な強度の調整可能な磁界を発生可能にすることである。

本明細書の説明及びクレームの全体を通して、単語「強磁性体」及びその変形例は、用語「軟磁性」及び「透磁性」と同義であり、少なくとも１０μ_ｏという適度に高い透磁率を参照されたい。ここでμ_ｏは、自由空間の透磁率である。本発明の目的に対して、１つの好適な強磁性体材料は鋼鉄であるが、他の適当な強磁性体材料も使用できる。

本明細書の説明及びクレームの全体を通して、用語「磁界強度」及び「磁界振幅」及びこれらの用語の変形例は、本出願の目的に対して、その空間分布のいかんを問わず、磁界密度とほぼ等価である。

本明細書の説明及びクレームの全体を通して、単語「備えている」及び「含む」及びそれらの変形例は、「含むがこれに限定されない」を意味し、他の部分、付加物、構成要素、完全体又はステップを除外することを意図しない（また除外しない）。本明細書の説明及びクレームの全体を通して、文脈上異なる解釈を要する場合を除き、単数形は複数形を包含する。特に、不定冠詞を使用する場合、本明細書は、文脈上異なる解釈を要する場合を除き、単数形に加えて複数形も考慮すると理解すべきである。

本発明の特定の態様、実施形態又は実施例に関連して説明した特徴、完全体、特性、化合物、化学的部分又はグループは、矛盾しない限り、本願で説明した任意の他の態様、実施形態又は実施例に適用できると理解すべきである。この明細書（任意の添付したクレーム、要約書及び図面を含む）の中で開示した全ての機能、及び／又はそのように開示した任意の方法又はプロセスの全てのステップは、少なくとも幾つかのそのような機能及び／又はステップが互いに排他的になる組合せを除いて、任意の組合せで組み合わせることができる。本発明は、任意の前述した実施形態の詳細に限定されない。本発明は、この明細書（任意の添付したクレーム、要約書及び図面を含む）の中で開示した機能の任意の新規なもの又は任意の新規な組合せ、又はそのように開示した任意の方法又はプロセスの任意の新規なもの又は任意の新規な組合せにまで及ぶ。

読者の注意は、この出願に関連してこの明細書と同時に又はこの明細書の前に出願された、またこの明細書と一緒に公衆の検査に開かれている全ての書類及び文書に向けられている。全てのそのような書類及び文書の内容は、引用することによって明細書の一部をなすものとする。

Claims

極面内に配置された複数の強磁性体形磁極と、
それぞれが磁化方向を有し、かつそれぞれが前記複数の強磁性体形磁極に起磁力を提供する、前記磁極間のビームライン空間内の極面に沿って磁界を発生する複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石の少なくとも１つから磁束を導く、複数の強磁性体形磁束伝導部材と、
を具備し、
前記多極マグネットは偶数の強磁性体形磁極を有し、各磁極は極軸に沿って前記極面内で別の磁極に対して正反対の位置に配置され、複数の永久磁石のそれぞれは、前記複数の磁極の少なくとも１つに関連付けられ、各永久磁石の磁化方向が対応する磁極の極軸に対して少なくとも４５°の角度で前記極面に向けられる、荷電粒子のビームを偏向させる多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、対応する磁極の極軸に対して１３５°以下の角度で前記極面に向けられる、請求項１に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、対応する磁極の極軸に対して７５°の角度で前記極面に向けられる、請求項１又は請求項２に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、対応する磁極の極軸に対して少なくとも９０°の角度で前記極面に向けられる、請求項１又は請求項２に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、対応する磁極の極軸に対して１２０°の角度で前記極面に向けられる、請求項４に記載の多極マグネット。
前記複数の永久磁石及び前記複数の強磁性体形磁束伝導部材のうちの少なくとも１つが、前記ビームライン空間内の磁界の強度を変化させるように、前記複数の強磁性体形磁極に対して極面内で移動可能である、請求項１〜５のいずれかに記載の多極マグネット。
前記強磁性体形磁束伝導部材の各々が、関連した強磁性体形磁極から間隔を空けて配置されて、前記複数の永久磁石のみが前記強磁性体形磁極に対して極面内で移動可能である、請求項６に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々が、前記関連した前記強磁性体形磁束伝導部材の各々と一緒に前記関連した強磁性体形磁極に対して前記極面内で移動可能であり、前記永久磁石の各々とその関連した強磁性体形磁束伝導部材との間の相対的な移動が実質的に許容されない、請求項６に記載の多極マグネット。
前記複数の永久磁石及び前記複数の強磁性体形磁束伝導部材のうちの少なくとも１つが、前記関連した磁極の極軸に対して４５°の角度で指向された経路に沿った前記極面に沿って移動可能である、請求項６又は８に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、前記関連した磁極の極軸に対して４５°よりも大きい角度で前記極面に向けられ、かつ前記複数の永久磁石のそれぞれは前記複数の磁極の１つに関連付けられ、
前記強磁性体形磁束伝導部材の少なくとも幾つかが、２つの隣接した磁極の永久磁石の間に磁束を向ける強磁性体形ブリッジを含む、請求項２又は、請求項２に依存する場合は請求項３〜９のいずれかに記載の多極マグネット。
極面内に配置された複数の強磁性体形磁極と、
起磁力を前記複数の強磁性体形磁極のうちの少なくとも１つに与えて、前記磁極間のビームライン空間内の極面に沿って磁界を発生する配置された、複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石のなかの少なくとも１つからの磁束を指向するように配置された、複数の強磁性体形磁束伝導部材と、
を具備し、
前記複数の永久磁石及び前記複数の強磁性体形磁束伝導部材のうちの少なくとも１つが、前記複数の強磁性体形磁極に対して極面内で移動して、前記ビームライン空間内の磁界の強度を変化させることができる、荷電粒子のビームを偏向する多極マグネット。
前記強磁性体形磁束伝導部材の各々が、前記関連した強磁性体形磁極から間隔を空けて配置され、前記複数の永久磁石のみが前記強磁性体形磁極に対して極面内で移動可能にした、請求項１１に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々が、前記関連した前記強磁性体形磁束伝導部材の各々と一緒に関連した前記強磁性体形磁極に対して極面内で移動可能であり、前記永久磁石の各々とその関連した前記強磁性体形磁束伝導部材との間の相対的な移動が実質的に許容されない、請求項１１に記載の多極マグネット。
偶数の強磁性体形磁極を有し、前記磁極の各々が極軸に沿って極面内で他の磁極に対して互いに正反対の位置に配置される、請求項１１又は１３に記載の多極マグネット。
前記複数の永久磁石及び前記複数の強磁性体形磁束伝導部材のうちの少なくとも１つが、前記関連した磁極の極軸に対して４５°の角度で指向された経路に沿った極面に沿って移動可能である、請求項１４に記載の多極マグネット。
前記複数の永久磁石のそれぞれが磁化方向を有し、かつ前記永久磁石の各々がそれに関連した複数の磁極のなかの少なくとも１つを有し、ここで前記永久磁石の各々の磁化方向が関連した磁極の前記極軸に対して少なくとも４５°の角度で前記極面に向けられる、請求項１４又は１５に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、前記関連した磁極の前記極軸に対して１３５°以下の角度で前記極面に向けられている、請求項１６に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、前記関連した前記磁極の極軸に対して７５°の角度で前記極面に向けられている、請求項１６又は１７に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が関連した磁極の前記極軸に対して少なくとも９０°の角度で前記極面に向けられている、請求項１６又は１７に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が前記関連した磁極の前記極軸に対して１２０°の角度で前記極面に向けられている、請求項１９に記載の多極マグネット。
前記永久磁石の各々の磁化方向が、前記関連した磁極の前記極軸に対して４５°よりも大きい角度で前記極面に向けられ、前記複数の永久磁石のそれぞれが複数の磁極の１つに関連付けられ、かつ
前記強磁性体形磁束伝導部材の少なくとも幾つかが、２つの隣接した磁極の前記永久磁石の間に磁束を向ける強磁性体形ブリッジを含む、請求項１７又は、請求項１７に従属し、請求項１８〜２０のいずれかに記載の多極マグネット。
前記強磁性体形磁束伝導部材の少なくとも幾つかが、そこから磁束を導くための前記少なくとも１つの永久磁石に関連したキャップを備える、請求項１〜２１のいずれかに記載の多極マグネット。
強磁性体形磁束伝導部材の少なくとも幾つかが、前記磁極と前記永久磁石とを取り囲む不連続シェルを備える、請求項１〜２２のいずれかに記載の多極マグネット。
強磁性体形磁極と強磁性体形磁束伝導部材との前記合計は、永久磁石の前記数よりも大きい、請求項１〜２３のいずれかに記載の多極マグネット。
前記多極マグネットが、４つの強磁性体形磁極と２つの永久磁石とを備えた４極形マグネットであり、前記２つの永久磁石はそれぞれ２つの前記磁極に関連付けられて、そこに起磁力を与える、請求項１〜２４のいずれかに記載の多極マグネット。
前記多極マグネットが、４つの強磁性体形磁極と４つの永久磁石とを備えた４極子形マグネットであり、前記永久磁石は、それぞれ前記磁極の１つに関連付けられて、そこに起磁力を与える、請求項１〜２４のいずれかに記載の多極マグネット。
添付した図面を参照して実質的に上述した荷電粒子のビームを偏向させるための多極マグネット。