JP2784616B2 - 磁場発生装置 - Google Patents

磁場発生装置

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JP2784616B2
JP2784616B2 JP4040136A JP4013692A JP2784616B2 JP 2784616 B2 JP2784616 B2 JP 2784616B2 JP 4040136 A JP4040136 A JP 4040136A JP 4013692 A JP4013692 A JP 4013692A JP 2784616 B2 JP2784616 B2 JP 2784616B2
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菜穂子 菅原
博文 高林
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、電子スピン共鳴装置
や質量分析装置等に用いる永久磁石磁気回路からなる磁
場発生装置の改良に係り、リング状の整磁合金を永久磁
石内に貫通配置しかつ断熱材を効果的に配置することに
より、発生磁場の温度変化を補償した磁場発生装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】電子スピン共鳴装置( 以下ESR装置
という )は、化学分析用として研究、開発の分野で多
用されている。かかる用途に用いるESR装置は磁場発
生装置とこれに接続するマイクロ波の受発信装置とから
なり、その主要部分を構成する磁場発生装置は、被測定
物を配置する空隙内に、被測定物の物性値、マイクロ波
の周波数等に応じて決定される強度でかつ高精度に均一
な磁場を発生させる必要がある。
【0003】また、ESR装置は、前記被測定物の自然
放射線損傷による不対電子を検出することができ、遺物
や地質鉱物、化石類の年代を正確に測定することができ
るため、最近、考古学や地球科学の分野でも活用されて
いる。従って、ESR装置に用いる磁場発生装置の小
型、軽量化が強く求められている。しかし、ESR装置
は測定に際して、発生させた高精度に均一な磁場を連続
的に変化させて磁気共鳴を起こす磁場強度を測定するた
め、磁場強度の連続変化を、電磁石への印加電流を連続
的に変化させることで容易に実施できる電磁石磁気回路
が使用されていた。
【0004】そこで、出願人は永久磁石磁気回路を使っ
たESR装置として、永久磁石の対向距離を変化させる
ことなく、所要空隙内の磁場強度を連続的に変化させる
可動ヨークを用い、かつ変調磁場及び/またはスイープ
磁場を印加するコイルを配置した構成を種々提案(実開
平1−104574号、特願平1−263328号)し
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ESRの現象中に授受
されるエネルギーはごく微量であるため、キャビティの
共振が必要となり、固有の共振周波数を有するキャビテ
ィ内のESRのスペクトルの測定の場合には、静磁場強
度のスイープが不可欠である。また、スペクトル形を正
確に測定するにはスイープ磁場の直線性が確保される必
要がある。
【0006】ところが永久磁石が発生する磁場強度は温
度に対して変化する性質を持っているため、永久磁石磁
気回路の発生磁場は磁石の温度によって変化する。ま
た、永久磁石磁気回路を用いたESR装置は、小型軽量
で持運びが自在であるため、使用環境の温度変化が大き
く影響することになる。
【0007】磁石の温度による磁場の変化を防止する方
法として、従来、整磁合金材料を永久磁石の外周部に巻
いてそのショート磁束の温度変化で磁場の変化を補償す
る方法があった。しかし、磁石外側の磁束しかショート
しないため、中心磁場の温度特性に対する効果が小さ
く、周囲温度変化に対する磁場の変化を十分に補償でき
ない。
【0008】また、磁石にタップを立てて、整磁合金ボ
ルトを出し入れして温度補償する方法が提案(特開昭6
0−88408号)されているが、磁石にタップを立て
ることは困難であり、実用性に欠ける。
【0009】さらに、ESR装置は、変調磁場及び/ま
たはスイープ磁場を印加するコイルを配置しているた
め、発熱体であるコイルの温度影響を大きく受けること
になる。すなわち、最初に磁石の温度が上昇するので、
コイル通電直後の磁場の低下が大きい。そこで、発熱体
であるコイルと永久磁石との間を離すことも可能である
が、永久磁石とコイルのいずれかが磁場を要する空隙か
ら離れることになるので、発生する磁場を効果的に利用
できない。また、磁場の時間的安定性を得ようとすると
装置が大型化する問題がある。
【0010】この発明は、ESR装置や質量分析装置等
に用いる永久磁石磁気回路からなる磁場発生装置におい
て、磁石の温度によって変化する発生磁場を補償でき、
スイープ磁場などのコイル通電による磁場発生を利用す
る場合その直線性を確保できる構成を目的とし、また磁
場強度の温度依存変化特性が調整可能な構成からなる磁
場発生装置の提供を目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明は、空隙を介し
て対向配置した一対の継鉄の各々の対向面に永久磁石を
配置しかつ永久磁石に磁極片を着設し、変調磁場及び/
またはスイープ磁場を印加するコイルを付設した磁場発
生装置において、少なくとも1つのリング状整磁合金を
各永久磁石内にその磁化方向に貫通させて配置したこと
を特徴とする磁場発生装置である。
【0012】また、この発明は、上記構成のうち、変調
磁場及び/またはスイープ磁場を印加するコイルを磁極
片外周部に巻回配置した磁気共鳴用の磁場発生装置にお
いて、永久磁石の磁極面に断熱材を介して磁極片を着設
し、あるいはさらにリング状整磁合金の露出面に熱伝導
材料薄板を配置したことを特徴とする磁場発生装置であ
る。
【0013】また、この発明は、上記構成のうち、変調
磁場及び/またはスイープ磁場を印加するコイルを永久
磁石外周部に巻回配置した磁気共鳴用の磁場発生装置に
おいて、コイルと永久磁石外周部間に断熱材を配置した
ことを特徴とする磁場発生装置である。
【0014】また、この発明は、上記の各構成におい
て、永久磁石内に貫通配置した整磁合金に整磁合金片を
挿入出可能に配置したことを特徴とする磁場発生装置で
ある。
【0015】この発明において、永久磁石を配設する継
鉄は、方形板状等、永久磁石の形状や磁気特性等に応じ
て任意に選定することができる。磁場発生源となる永久
磁石には、希土類系磁石、フェライト磁石等、要求され
る磁場強度、装置の大きさ等に応じて、公知の材料並び
にその形状等を選定することが望ましい。特に、Rとし
てNdやPrを中心とする資源的に豊富な軽希土類を用
い、B、Feを主成分として30MGOe以上の極めて
高いエネルギー積を示す、R−Fe−B系永久磁石を使
用することにより、著しく小型化することができる。
【0016】この発明の特徴である永久磁石内にその磁
化方向に貫通させて配置する少なくとも1つのリング状
の整磁合金は、永久磁石の形状や磁気特性等に応じて任
意の形状や寸法並びに任意の配置位置を採用することが
できる。また、整磁合金リングを同心円状で間隔をあけ
て複数のリングを配置することができ、大型磁気回路を
構成する際に特に有効である。リング状の整磁合金は必
ずしも一体構成である必要はなく、種々の組み立て体を
利用でき、さらにこの整磁合金に設ける種々形状の穴部
や分断箇所にボルト状などの整磁合金片を挿入出可能に
配置したり、穴部に細ピンなどを充填して調整時に複数
本を抜き取る構成を採用することもできる。
【0017】永久磁石に着設する磁極片は、公知の種々
の構成が採用できるが、特に円盤状磁極片の周縁部に断
面台形状または矩形状等の環状突起を設ける構成が望ま
しい。
【0018】また、磁路の磁気抵抗を連続可変とするた
めの可動ヨークは、例えば、大径の粗動ねじに小径の微
動ねじを同軸配置して、まず、粗動ねじを進退させて磁
場強度を粗調整後、微動ねじを進退させて微調整するも
ので、所要空隙Bgの変化を緩やかにすることができ
る。ネジ部材の外径寸法、ネジピッチ等を選定すること
により高精度の磁場調整が可能である。
【0019】
【作用】この発明は、リング状の整磁合金を各永久磁石
内にその磁化方向に貫通させて配置することを特徴と
し、具体的には実施例に示す如く、円柱形の磁石を大小
2つの円筒に分割してその間に整磁合金を入れ、これに
よって磁石の内部に整磁合金による磁束のショートが行
き渡るようにし、中心磁場の温度係数に対する効果を上
げたものである。すなわち、磁石の内部に整磁合金によ
る磁束のショートがあるため、中心磁場の温度変化に対
する効果が大きい利点がある。
【0020】また、この発明では上記の整磁合金に穿孔
して、所要形状の整磁合金片を挿入出可能にし、整磁合
金片の挿入量あるいは引出し量を調整することにより、
磁気回路の組立後にその温度特性を調整することが可能
になる。従って、磁気回路の組立後の温度特性の調整が
整磁合金内でできるため、磁石にタップを立てるような
必要がなく、整磁合金にタップを立てて整磁合金ボルト
を螺合進退させるなどの極めて実用的な構成を採用する
ことができる。
【0021】この発明において、断熱材は永久磁石の温
度変化を防止できるよう任意に配置できるが、コイルを
磁極片外周部に巻回配置した構成においては、磁極片と
永久磁石間にギャップを設けかつギャップの中に断熱材
を配置することにより磁石の温度変化を減少させてい
る。しかし、このギャップによりコイルから発生する熱
が整磁合金に伝導する前に永久磁石に伝導して、整磁合
金がショートするより早く永久磁石が熱減磁してしまう
ことから、磁場が不規則な変化をすることもある。従っ
て、必要に応じて整磁合金と磁極片間、すなわち整磁合
金の露出面に銅材などの高熱伝導性薄板を配置すること
ができる。
【0022】また、コイルを永久磁石外周部に巻回配置
した構成においては、コイルと永久磁石外周部間に断熱
材を配置することにより、磁石への熱伝導が減少して磁
石の温度が上昇する前にコイルの熱は放熱され、磁石の
温度変化が小さくなる。
【0023】
【実施例】
実施例1 図1に示すこの発明による磁場発生装置は一対の板状継
鉄1,2が、磁性材からなる継鉄支持材3,4を介在さ
せて対向配置してあり、板状継鉄1,2の対向面にそれ
ぞれ着設した円板状の永久磁石5,6は、異磁極を対向
させて配置されるとともに各対向面に磁極片7,8を固
着し、磁極片7,8間に所要の空隙9を形成する。
【0024】円板状の永久磁石5,6は、大小2つの直
径からなる偏平円筒状の間に同様形状の整磁合金リング
10,11を挟み一体化してある。なお、中心部は空洞
部である。永久磁石5,6と磁極片7,8との間には断
熱材12,13により所要のギャップが設けてあり、さ
らに、整磁合金リング10,11と磁極片7,8との間
に断熱材に代えて銅板14,15が介在させることがで
きる。また、磁極片7,8の周りには変調磁場印加用コ
イル16,17を周設してある。
【0025】上記構成(但し整磁合金リング10,11
を挟み一体化した永久磁石5,6と、磁極片7,8との
間に断熱材及びギャップを設けない場合)の発明による
磁場発生装置において、温度0℃の時の中心磁束密度の
変化を0とした際の温度変化による中心磁束密度の変化
を3次元積分法のシュミレション実験により測定した。
測定結果は図3のグラフに×印でプロットして示す。ま
た、比較のため整磁合金リングを全く入れない磁場発生
装置の場合(○印)と、整磁合金を永久磁石の外周に巻
き付けた磁場発生装置の場合(△印)の中心磁束密度の
変化を調べた。実験結果は図3のグラフに示す。図3の
グラフから明らかなように、整磁合金リングを永久磁石
の磁化方向に貫通した磁場発生装置は、磁石温度による
中心磁束密度の変化が著しく減少することが分かる。
【0026】実施例2 実施例1の図1に示すこの発明による磁場発生装置にお
いて、永久磁石5,6と磁極片7,8との間に断熱材1
2,13を介在させてギャップを設けた場合と断熱材な
しで直接永久磁石に磁極片を着設した場合の経時的な磁
場変化を測定した。コイルはともに磁極片に直接300
巻した場合、断熱材を設けない比較例では通電量1.0
01Aで、1時間あたりの磁場変化量は1.16Gであ
ったのに対し、この発明例では通電量1.006Aで、
1時間あたりの磁場変化量は0.94Gと経時的な磁場
変化が大きく減少することが分かった。
【0027】実施例3 図2に示すこの発明による磁場発生装置は、実施例1の
図1に示す構成例と同等構成を有し、磁極片7,8が永
久磁石5,6に直接着設してあり、永久磁石5,6の外
周側にケース入りのコイル18,19が配置され、永久
磁石5,6の外周部とコイル18,19間に断熱材2
0,21が充填してある。比較のため断熱材20,21
を除く以外は全く同一構成の磁場発生装置と上記図2の
磁場発生装置の経時的な磁場変化を測定した。コイル巻
数は841巻で、比較例では通電量0.362Aで、1
時間あたりの磁場変化量は0.76Gであったのに対
し、この発明例では通電量0.373Aで、1時間あた
りの磁場変化量は0.48Gと経時的な磁場変化が著し
く少ないことが分かった。
【0028】
【発明の効果】この発明は、実施例に明らかなようにリ
ング状の整磁合金を永久磁石内に貫通配置しあるいはさ
らに断熱材を効果的に配置することにより、発生磁場の
温度変化を著しく減少させることができ、発生磁場の温
度補償が可能でスイープ磁場の直線性を確保でき、ま
た、整磁合金に整磁合金片を挿入出可能に配置すること
により、磁場強度の温度係数が調整可能になる
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による磁場発生装置の縦断説明図であ
る。
【図2】この発明による他の磁場発生装置の縦断説明図
である。
【図3】温度変化による中心磁束密度の変化を示すグラ
フである。
【符号の説明】
1,2 板状継鉄 3,4 継鉄支持材 5,6 永久磁石 7,8 磁極片 9 空隙 10,11 整磁合金リング 12,13,20,21 断熱材 14,15 銅板 16,17,18,19 変調磁場印加用コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01F 7/20 A61B 5/055 G01R 33/20

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空隙を介して対向配置した一対の継鉄の
    各々の対向面に永久磁石を配置しかつ永久磁石に磁極片
    を着設し、変調磁場及び/またはスイープ磁場を印加す
    るコイルを付設した磁場発生装置において、少なくとも
    1つのリング状整磁合金を各永久磁石内にその磁化方向
    に貫通させて配置したことを特徴とする磁場発生装置。
  2. 【請求項2】 変調磁場及び/またはスイープ磁場を印
    加するコイルを磁極片外周部に巻回配置し、永久磁石の
    磁極面に断熱材を介して磁極片を着設し、あるいはさら
    にリング状整磁合金の露出面に熱伝導材料薄板を配置し
    たことを特徴とする請求項1記載の磁場発生装置。
  3. 【請求項3】 変調磁場及び/またはスイープ磁場を印
    加するコイルを永久磁石外周部に巻回配置し、コイルと
    永久磁石外周部間に断熱材を配置したことを特徴とする
    請求項1記載の磁場発生装置。
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