JP2020013646A - 永久磁石型偏向磁石装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術に比べて装置の小型化と低コスト化を実現可能な永久磁石型偏向磁石装置を提供すること。【解決手段】第１永久磁石１１と第２永久磁石１２が電子ビームの軌道を挟んで対向配置される永久磁石型偏向磁石装置であって、第１永久磁石１１の周囲に設置される第１着磁用コイル４１と、第２永久磁石１２の周囲に設置される第２着磁用コイル４２と、第１着磁用コイル４１と第２着磁用コイル４２を含む磁気回路と、を備え、磁気回路により第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２の再着磁を可能にしたことを特徴とする永久磁石型偏向磁石装置。【選択図】図３

Description

本発明は、第１永久磁石と第２永久磁石が電子ビームの軌道を挟んで対向配置される永久磁石型偏向磁石装置及びその製造方法に関するものである。

放射光施設の電子ビーム蓄積リング等において、荷電粒子を所定の円軌道を描きつつ加速させるために偏向磁石装置が用いられている。偏向磁石装置では、磁場の調整が容易な電磁石方式が広く用いられている。しかしながら、電磁石方式では、大型の電源装置が必要であると共に、発熱を抑えるための冷却装置が必要になり、装置全体が大型化するという問題がある。さらに、膨大な電力を消費するため維持コストが高くなるという問題もある。

そこで、残留磁束密度や保磁力が高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｃｏ系磁石などの希土類永久磁石を用いた永久磁石型偏向磁石装置が、下記特許文献１，２に開示されている。電磁石方式とは異なり、大型の電源装置や冷却装置が不要になり、コストを抑制できるという利点がある。

特開平４−３３４８９９号公報 特開平１０−２７０１９７号公報

しかしながら、希土類磁石、特に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石は、偏向磁石で必要とされる高い残留磁束密度と保磁力を有しているが、放射線によって減磁することが知られている。この点が、偏向磁石に希土類磁石を採用することの障壁になっている。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石と比較して、放射線減磁の少ないＳｍ−Ｃｏ系磁石を偏向磁石に採用する考え方もあるが、放射線減磁をすることに変わりはない。また、永久磁石を用いる場合は、電流の大きさを変えることによって磁場強度を調整できる電磁石方式では不要であった、磁場強度を微調整する機構の付設が必要となる。

例えば、特許文献１では、バイパス用磁性体を水平移動させることで永久磁石との間隔を調整して磁場強度を調整している。特許文献２では、永久磁石との間隔を調整するボールネジ駆動機構により磁石相互間の距離を調整する間隙調整機構が用いられている。これらの調整機構は、永久磁石や磁性体を機械的に移動させる機構であり、複雑で大型な機構にならざるを得ず、また調整にも時間がかかる。この放射線減磁と磁場強度調整の問題を解決して希土類磁石を偏向磁石に採用することができれば、さらなる装置の小型化と低コスト化が可能になる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、従来技術に比べて装置の小型化と低コスト化を実現可能な永久磁石型偏向磁石装置及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る永久磁石型偏向磁石装置は、
第１永久磁石と第２永久磁石が電子ビームの軌道を挟んで対向配置される永久磁石型偏向磁石装置であって、
第１永久磁石の周囲に設置される第１着磁用コイルと、第２永久磁石の周囲に設置される第２着磁用コイルと、第１着磁用コイルと第２着磁用コイルを含む磁気回路と、を備え、
前記磁気回路により前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の再着磁を可能にしたことを特徴とするものである。

かかる構成による永久磁石型偏向磁石装置の作用・効果を説明する。この装置は、第１永久磁石と第２永久磁石の周囲にそれぞれ第１着磁用コイルと第２着磁用コイルが設けられている。従って、第１永久磁石と第２永久磁石が減磁した場合は、いつでも再着磁をすることが可能になる。また、着磁するときの印加磁界を調整することにより、第１永久磁石と第２永久磁石の最大磁場強度以下であれば所望の磁場強度に着磁することができるので、磁場強度を微調整する機構が必要ない。着磁用コイルを使用して磁場強度を調整する構成であるから、機械的に移動する部分がなく、装置の大型化を抑制すると共に調整も効率よく行うことができる。その結果、装置の小型化と低コスト化を実現可能な永久磁石型偏向磁石装置を提供することができる。

本発明において、前記第１着磁用コイルと第２着磁用コイルは、取り外し可能に構成されていることが好ましい。

取り外し可能にすることで、複数の永久磁石型偏向磁石装置に対して少ない数の着磁用コイルで対応することができ、コストを抑制することができる。

本発明に係る永久磁石型偏向磁石装置の製造方法は、
着磁前の第１永久磁石と着磁前の第２永久磁石を電子ビームの軌道を挟んで対向配置する工程と、
前記第１永久磁石の周囲に第１着磁用コイルを設置する工程と、
前記第２永久磁石の周囲に第２着磁用コイルを設置する工程と、
前記着磁前の第１永久磁石および第２永久磁石を着磁して着磁済みの第１永久磁石および第２永久磁石を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。

かかる構成による永久磁石型偏向磁石装置の製造方法の作用・効果を説明する。まず、第１永久磁石と第２永久磁石を対向配置し、次に、それぞれの永久磁石の周囲に第１着磁用コイルと第２着磁用コイルを設置する。次に、設置された着磁用コイルを用いて、それぞれの永久磁石の着磁を行う。着磁は印加磁界を調整して、所望の磁場強度となるように行うことができる。また、電子ビームによる放射線減磁が生じた場合は、適宜のタイミングで同じ着磁用コイルを用いて再着磁を行うことができる。従って、第１永久磁石と第２永久磁石が減磁した場合は、いつでも再着磁をすることが可能になる。また、再着磁も所望の磁場強度となるように行うことができる。着磁用コイルを駆動する構成であるから、機械的に移動する部分がなく、装置の大型化を抑制すると共に調整も効率よく行うことができる。

さらに、着磁された永久磁石を組み立てる場合、これらの反発力や吸着力に抵抗しながら行なう必要があり、その作業も困難であり慎重に行わなければならないので、組み立てに長い時間を要するが、本発明の場合は、組み立てた後に着磁できるので、上記のような組み立て時の問題がない。また、組み立てに要する時間も短くすることができる。

本実施形態に係る永久磁石型偏向磁石装置の外観斜視図 図１に示す永久磁石型偏向磁石装置の側面図 図１に示す永久磁石型偏向磁石装置の垂直方向の断面図

本発明に係る永久磁石型偏向磁石装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る永久磁石型偏向磁石装置の外観斜視図である。図２は側面図である。図３は、垂直方向の断面図である。なお、図１は着磁用コイルを取り外した状態を示す。

図３等に示すように、第１永久磁石１１と第２永久磁石１２が空間１０を挟んで対向配置される。上側の第１永久磁石１１は、下方の磁極がＳ極であり上方の磁極がＮ極である。一方、下側の第２永久磁石１２は、上方の磁極がＮ極であり下方の磁極がＳ極である。なお、磁極の配置は上記に限定されるものではなく、Ｓ極とＮ極が逆であってもよい。

第１永久磁石１１と第２永久磁石１２は、好ましくは希土類磁石であり、さらに好ましくはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｃｏ系磁石が使用される。第１・第２永久磁石１１，１２の全体形状は、ｚ方向に伸びる角柱形状である。

空間１０は、荷電粒子の電子ビーム（放射線）の軌道を構成する。図示はしていないが、実際は空間には真空チャンバーが挿入され、その内部空間が電子ビームの軌道になる。電子ビームの移動方向は、図３の紙面に垂直な方向であり、図２のｚ方向である。

第１永久磁石１１のＳ極側には第１ポールピース２１が取り付けられ、第２永久磁石１２のＮ極側には、第２ポールピース２２が取り付けられる。第１・第２ポールピース２１，２２は、ＳＳ４００等の強磁性体により製作される。

第１・第２ポールピース２１，２２は、空間１０に近づくほど、幅（図３のｘ方向）が小さくなる円錐台形状の断面形状を有する。かかる形状にすることで、空間１０に磁束を集中させて強い磁場を形成することができる。第１ポールピース２１の先端部には平面部２１ａが形成され、第２ポールピース２２の先端部にも同じ平面部２２ａが形成される。平面部２１ａ，２２ａ同士が対向し、その間に空間１０が形成される。かかる第１・第２ポールピース２１，２２を用いることで、磁束を集中させて所定の磁場強度を得ることができる。

第１永久磁石１１のＮ極側には第１ヨーク３１が取り付けられ、第２永久磁石１２のＳ極側には第２ヨーク３２が取り付けられる。第１ヨーク３１の端部と第２ヨーク３２の端部は、垂直方向（ｙ方向）に伸びる支持柱３３により結合される。これら第１・第２ヨーク３１，３２と支持柱３３は、強磁性体の素材により製作される。

第１永久磁石１１と第１ポールピース２１はボルト５１により第１ヨーク３１に固定される。第２永久磁石１２と第２ポールピース２２はボルト５２により第２ヨーク３２に固定される。第１ヨーク３１と第２ヨーク３２は、支持柱３３にボルト５３，５４により固定される。各ボルトの配置や個数は適宜設定することができる。

なお、第１・第２永久磁石１１，１２の固定はボルトのみではなく、接着も併用することが好ましい。後述するように、永久磁石の着磁を行うときには大きな衝撃力が作用する。かかる衝撃に耐えうるような固定方法を採用する必要がある。

第１永久磁石１１の周囲には第１着磁用コイル４１が配置され、第２永久磁石１２の周囲には第２着磁用コイル４２が配置される。これら第１・第２着磁用コイル４１，４２は、着磁前の第１・第２永久磁石１１，１２を着磁する機能と、放射線減磁が起こった時に第１・第２永久磁石１１，１２を再着磁する機能を有している。着磁は、コンデンサー着磁により行う。すなわち、第１・第２着磁用コイル４１，４２とコンデンサー等により着磁のための磁気回路が構成される。

第１・第２着磁用コイル４１，４２は、治具などを用いた適宜の方法により、第１・第２永久磁石１１，１２の周囲に設置されるが、取り付け・取り外し自在に設置できるように設置することが好ましい。取り外し自在とすることで、同じ着磁用コイルを多数の永久磁石型偏向磁石装置に用いることができ、高価な着磁用コイルの保持個数を少なくすることができる。

着磁用コイルの取り付け・取り外しを行うときは、空間１０の隙間を利用して行うことができる。また、図３に示すように、第１着磁用コイル４１は、２つの着磁用コイル４１ａ，４１ｂで構成することができ、同様に、第２着磁用コイル４２も、２つの着磁用コイル４２ａ，４２ｂで構成することができる。着磁用コイルは単一で構成してもよいし、図３に示すような２つ、あるいはそれ以上の着磁用コイルを積み重ねて構成してもよい。

第１・第２着磁用コイル４１，４２は、永久磁石１１，１２の周囲と間隙を設けて設置してもよいし、密着させて設置してもよい。

それぞれの着磁用コイルを薄くすることができれば、着磁用コイルが空間１０を通過可能な厚さにすることができ、また、必要とされる磁場強度に対応して、着磁用コイルによる着磁能力を調整することができる。

＜製造方法＞
次に、図１に示す永久磁石型偏向磁石装置の製造方法（組立方法）について説明する。まず、第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、支持柱３３をボルト５３，５４で固定する。次に、着磁前の第１・第２永久磁石１１，１２と第１・第２ポールピース２１，２２をボルト５１、５２で固定する。また、必要に応じて接着も併用する。着磁されていない状態であるから、ボルトでの固定作業において永久磁石同士の反発力、吸着力は作用しない。

次に、第１永久磁石１１の周囲に第１着磁用コイル４１を設置し、第２永久磁石１２の周囲に第２着磁用コイル４２を設置する。これら第１・第２着磁用コイル４１，４２は、空間１０を利用してそれぞれの第１・第２永久磁石１１，１２の周囲に設置することができる。

次に、第１・第２着磁用コイル４１，４２を用いて第１・第２永久磁石１１，１２を着磁する。すなわち、第１・第２永久磁石１１，１２を組み立てたのちに、着磁が行われる。着磁された永久磁石どうしの間には大きな反発力・吸着力が作用する。特に、希土類磁石は、その程度が大きくなる。従って、着磁された永久磁石を組み立てる場合、これらの反発力や吸着力に抵抗しながら行なう必要があり、その作業も困難であり慎重に行わなければならないので、組み立てに長い時間（日数）を要する。それに対して、本発明の場合は、組み立てた後に着磁できるので、上記のような組み立て時の問題がない。また、組み立てに要する時間（日数）も短くすることができる。

着磁は、前述のようにコンデンサー着磁により行う。所望の磁場強度に応じて、例えば、１０００μＦ、５００Ｖの着磁条件で行う。ただし、コンデンサー着磁に限定されるものではない。磁場強度の調整は、正磁界による着磁と逆磁界による着磁を組み合わせることにより、所望の磁場強度に調整することができる。たとえば、最初に正磁界で大き目の磁場強度に着磁した後、逆磁界をかけて減磁させてもよいし、正磁界の磁場を少しずつかけて段階的に磁場強度を大きくしてもよい。磁場強度の調整は、例えば空間１０の中心における第１・第２永久磁石１１，１２が対向する方向の磁場強度を測定しながら行うとよい。また、着磁の時に、第１・第２永久磁石１１，１２には、大きな衝撃力が作用するが、ボルトによる結合と必要によりあわせて接着を行うことで、耐えることができる。

第１・第２着磁用コイル４１，４２は、取り外し自在であるので、着磁を行った後は外しておいてもよいし、装着したままにしてもよい。取り外した場合は、再着磁の時に再度設置するようにする。

放射線減磁が生じた場合は、第１・第２着磁用コイル４１，４２を用いて再着磁する。放射線減磁が生じたか否かは、磁気センサーを適宜の位置に配置して磁場強度の変化をモニターすればよい。着磁用コイルによる再着磁であるから、従来技術のような複雑な磁場調整機構は不要であり、しかも、短時間で調整することができる。すなわち、蓄積リングの停止期間も短くすることができる。

永久磁石の素材としては、前述のように希土類磁石が用いられる。同じ希土類磁石でもＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の方がＳｍ−Ｃｏ系よりも残留磁束密度が大きいので、同じ磁場特性を得ようとした場合は、Ｓｍ−Ｃｏ系のほうが磁石寸法が少し大きくなる。従って、着磁するときの印加磁界は、Ｓｍ−Ｃｏ系はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系よりも２倍の着磁磁界が必要になる。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系は、Ｃｏを多く含有し入手が困難なＳｍ−Ｃｏ系に比べて安価であるため、低コストで装置を製造することができる。ただし、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系は放射線減磁が生じやすいが、本発明による着磁構成を用いれば、放射線減磁が生じるたびに再着磁を行うことができるので性能的な問題はない。

また、同じ磁場特性であればＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の方が小さくできるので、永久磁石型偏向磁石装置も小型化できる。これにより、蓄積リングの高輝度化にも貢献できる。

１１ 第１永久磁石
１２ 第２永久磁石
２１ 第１ポールピース
２２ 第２ポールピース
３１ 第１ヨーク
３２ 第２ヨーク
４１ 第１着磁用コイル
４２ 第２着磁用コイル
５１，５２，５３，５４ ボルト

Claims (4)

1. 第１永久磁石と第２永久磁石が電子ビームの軌道を挟んで対向配置される永久磁石型偏向磁石装置であって、
   第１永久磁石の周囲に設置される第１着磁用コイルと、
   第２永久磁石の周囲に設置される第２着磁用コイルと、
   第１着磁用コイルと第２着磁用コイルを含む磁気回路と、を備え、
   前記磁気回路により前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の再着磁を可能にしたことを特徴とする永久磁石型偏向磁石装置。
2. 前記第１着磁用コイルと第２着磁用コイルは、取り外し可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型偏向磁石装置。
3. 前記第１永久磁石および第２永久磁石は、希土類系永久磁石であることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型偏向磁石装置。
4. 着磁前の第１永久磁石と着磁前の第２永久磁石を電子ビームの軌道を挟んで対向配置する工程と、
   前記第１永久磁石の周囲に第１着磁用コイルを設置する工程と、
   前記第２永久磁石の周囲に第２着磁用コイルを設置する工程と、
   前記着磁前の第１永久磁石および第２永久磁石を着磁して着磁済みの第１永久磁石および第２永久磁石を形成する工程と、を有することを特徴とする永久磁石型偏向磁石装置の製造方法。
   

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