JP4623848B2

JP4623848B2 - 磁界発生装置

Info

Publication number: JP4623848B2
Application number: JP2001086098A
Authority: JP
Inventors: 勉幸田; 雅之熊田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; National Institute of Radiological Sciences
Current assignee: Hitachi Metals Ltd; National Institute of Radiological Sciences
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: EP1378920B1; EP1378920A4; US6768407B2; DE60235073D1; JP2002289425A; EP1378920A1; US20040104794A1; WO2002078018A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁界発生装置に関し、より特定的には、偏向磁石、粒子加速器、磁気共鳴画像診断装置、癌治療用装置、癌診断装置および元素分析装置等に用いられる永久磁石型の磁界発生装置に関する。
【従来の技術】
従来、高磁界を発生させる永久磁石型の磁気回路としては、特開２０００−２４３６２１号に示されるような略三角形の永久磁石を環状に配置したハールバッハ型の磁気回路が提案されている。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
このような磁気回路では、磁界発生空間において永久磁石の固有保磁力以上の磁界強度を得ることは難しいと考えられてきた。また、通常用いられる永久磁石の固有保磁力は２７００ｋＡ／ｍ程度であるため、永久磁石型の磁気回路では、磁界発生空間において３Ｔ以上の磁界強度を得ることは困難であった。
しかし近年、粒子の加速器等において３Ｔ以上の高磁界を必要とするものがあり、それには現在超伝導タイプの電磁石が用いられているが、液体ヘリウムや冷凍機を必要としその取扱いが煩雑であり、ランニングコストが高くなるという問題点があった。
それゆえにこの発明の主たる目的は、磁界発生空間において３Ｔ以上の強磁界を発生させることができる永久磁石型の磁界発生装置を提供することである。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載の磁界発生装置は、環状に配置される複数の第１永久磁石を含む第１磁気回路、ならびに第１磁気回路の内部に設けられ磁界発生空間を形成するために対向配置されかつそれぞれ１．６Ｔ以上の飽和磁化を有するＳ極側のポールピースおよびＮ極側のポールピースと、Ｓ極側のポールピースおよびＮ極側のポールピースを磁気的に結合する複数の第２永久磁石とを含む第２磁気回路を備え、複数の第２永久磁石は、Ｓ極側のポールピースからＮ極側のポールピースに向かうように磁化され、複数の第１永久磁石は、Ｓ極側のポールピースの外面に設けられかつＳ極側のポールピースからみて外方に磁化された複数の永久磁石と、Ｎ極側のポールピースの外面に設けられかつＮ極側のポールピースに向かうように内方に磁化された複数の永久磁石と、複数の第２永久磁石の外面に設けられ、外方に磁化された複数の永久磁石から内方に磁化された複数の永久磁石に向かうように磁化されかつ外方に磁化された複数の永久磁石と内方に磁化された複数の永久磁石とを磁気的に結合する複数の永久磁石とを含み、第２永久磁石の保磁力は第１永久磁石の保磁力より大きく設定されることを特徴とする。
請求項２に記載の磁界発生装置は、請求項１に記載の磁界発生装置において、第２永久磁石の磁化方向と磁界発生空間の磁界方向とのなす角度が０度を超えることを特徴とする。
請求項３に記載の磁界発生装置は、請求項１または２に記載の磁界発生装置において、第１永久磁石の長手方向両端部にそれぞれ配置される第３永久磁石をさらに含むことを特徴とする。
【０００４】
請求項１に記載の磁界発生装置では、第１磁気回路によって発生する磁束を、第２磁気回路によってさらに一対のポールピースの間に集中させることができるので、磁界発生空間に永久磁石の固有保磁力を大幅にこえる、すなわち３Ｔ以上の強力な磁界を発生させることができる。また、電磁石ではなく永久磁石を用いるのでランニングコストを抑えることができる。さらに、第２永久磁石の保磁力は第１永久磁石の保磁力より大きいので、第２永久磁石は磁界発生空間の磁界による減磁を生じにくい。したがって、第２永久磁石の減磁を一層少なくでき、磁界発生空間に強い磁界を発生させることができる。
請求項２に記載の磁界発生装置では、第２永久磁石の磁化方向が磁界発生空間の磁界方向とは正反対にならないので第２永久磁石に対する反磁界が小さくなり、磁界発生空間の磁界による第２永久磁石の減磁が生じにくくなる。したがって、結果的に磁界発生空間に強い磁界を発生させることができる。
【０００５】
請求項３に記載の磁界発生装置では、第１永久磁石の長手方向両端部をそれぞれ第３永久磁石で挟むことによって漏れ磁束を小さくできる。したがって、磁界発生空間に強力な磁界を発生できるとともに、磁界発生装置の外部に強力な磁界が形成されるのを防止できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
図１および図２を参照して、この発明の一実施形態の磁界発生装置１０は十二角柱状に形成され、その軸方向中央部に細長い円筒状の磁界発生空間１２を有する。
磁界発生回路１０は、外周中央部に形成されるハールバッハ型の第１磁気回路１４と、第１磁気回路１４の内側において磁界発生空間１２を包囲するように形成される第２磁気回路１６と、外周両端部にそれぞれ形成される第３磁気回路１８ａおよび１８ｂとを含む。
【０００７】
図３および図４を参照して、磁界発生装置１０は、オベリスク形状をした永久磁石２０ａ〜２０ｆおよび２２ａ〜２２ｆを含む。永久磁石２０ａ〜２０ｃの内側には略三角柱状のパーメンジュールからなるＳ極側のポールピース２４ａがそれぞれ設けられ、永久磁石２０ｄ〜２０ｆの内側には略三角柱状のパーメンジュールからなるＮ極側のポールピース２４ｂがそれぞれ設けられる。なお、ポールピース２４ａおよび２４ｂによって、発生する磁束が磁界発生空間１２に集められる。永久磁石２２ａ〜２２ｆの内側には略四角柱状の永久磁石２６ａ〜２６ｄが設けられる。永久磁石２６ａ〜２６ｄによって、ポールピース２４ａと２４ｂとが磁気的に結合される。ポールピース２４ａおよび２４ｂはそれぞれ１．６Ｔ以上の飽和磁化を有する。
【０００８】
さらに、ポールピース２４ａが固定された永久磁石２０ａ〜２０ｃのそれぞれの両端部には、磁界発生空間１２の軸方向外向きに磁化された永久磁石２８が設けられ、ポールピース２４ｂが固定された永久磁石２０ｄ〜２０ｆのそれぞれの両端部には、磁界発生空間１２の軸方向内向きに磁化された永久磁石３０が設けられる。ここで、永久磁石２０ａ〜２０ｆは同一寸法であり、永久磁石２２ａ〜２２ｆも同一寸法であるが、永久磁石２２ａ〜２２ｆは永久磁石２０ａ〜２０ｆよりも長く形成され、永久磁石２２ａ〜２２ｆにおいて斜線で示す中央部分Ａが永久磁石２０ａ〜２０ｆに相当する。そして、永久磁石２０ａ〜２０ｆのそれぞれの両面に永久磁石２８または３０が取り付けられたときの全長が、永久磁石２２ａ〜２２ｆの全長と等しくなるように設定される。
【０００９】
したがって、永久磁石２０ａ〜２０ｆと、永久磁石２２ａ〜２２ｆにおいて斜線で示す中央部分Ａとによって環状の第１磁気回路１４が形成される。また、計６つのポールピース２４ａおよび２４ｂと、永久磁石２６ａ〜２６ｄにおいて斜線で示す中央部分Ｂ（永久磁石２６ｃ、２６ｄについては図示せず）とによって第２磁気回路１６が形成される。さらに、永久磁石２０ａ〜２０ｆの一端側に設けられる永久磁石２８および３０と、永久磁石２２ａ〜２２ｆの一端部と、永久磁石２６ａ〜２６ｄの一端部とによって、第３磁気回路１８ａが形成される。同様に、永久磁石２０ａ〜２０ｆの他端側に設けられる永久磁石２８および３０と、永久磁石２２ａ〜２２ｆの他端部と、永久磁石２６ａ〜２６ｄの他端部とによって、第３磁気回路１８ｂが形成される。
【００１０】
第２磁気回路１６に用いられる永久磁石２６ａ〜２６ｄとしては、第１磁気回路１４に用いられる永久磁石２０ａ〜２０ｆおよび２２ａ〜２２ｆよりも保磁力の大きいものが望ましい。たとえば、永久磁石２０ａ〜２０ｆおよび２２ａ〜２２ｆには、住友特殊金属社製のＮＥＯＭＡＸ−４４Ｈ等の保磁力が１２７３ｋＡ／ｍ以上の永久磁石材料が用いられ、永久磁石２６ａ〜２６ｄには、同社製のＮＥＯＭＡＸ−３２ＥＨ等の保磁力が２３８７ｋＡ／ｍ以上の永久磁石材料が用いられる。
【００１１】
このように永久磁石２６ａ〜２６ｄの保磁力を永久磁石２０ａ〜２０ｆおよび２２ａ〜２２ｆの保磁力より大きくすれば、永久磁石２６ａ〜２６ｄは磁界発生空間１２に発生する磁界の影響をさほど受けず、永久磁石２６ａ〜２６ｄの減磁を一層少なくでき、磁界発生空間１２に強い磁界を発生させることができる。
なお、図３は磁界発生装置１０の理解を容易にするための分解斜視図であり、各部材の組み立て順序を示すものではない。
また、図１ないし図４において矢印は各永久磁石の磁化方向を示す。
【００１２】
永久磁石２０ａの磁化方向は、図５（ａ）に示す底面Ｃ１に対して６０度の角度を有する。同様にそれぞれの底面に対して、永久磁石２０ｃ，２０ｄおよび２０ｆの磁化方向は６０度の角度を有し、永久磁石２０ｂおよび２０ｅの磁化方向は９０度の角度を有する。永久磁石２２ａの磁化方向は、図５（ｂ）に示す底面Ｃ２に対して３０度の角度を有する。同様にそれぞれの底面に対して、永久磁石２２ｃ，２２ｄおよび２２ｆの磁化方向は３０度の角度を有する。また、永久磁石２６ａの磁化方向は、図５（ｂ）に示す底面Ｃ３に対して３０度の角度を有し、同様にそれぞれの底面に対して、永久磁石２６ｂ〜２６ｄの磁化方向は３０度の角度を有する。さらに、永久磁石２２ｂの磁化方向は、図５（ｃ）に示す底面Ｃ４に対して平行であり、同様に底面に対して、永久磁石２２ｅの磁化方向は平行である。なお、上述の各永久磁石の磁化方向は一例であり、これに限定されるものではない。
【００１３】
このような部材を用いて磁界発生装置１０はたとえば次のようにして組み立てられる。
まず、図５（ａ）を参照して、永久磁石２０ａにポールピース２４ａが接着され略三角柱形状の部材が形成される。さらに、その部材の両端部に永久磁石２８が接着され、さらに底面Ｃ１にたとえば非磁性のステンレスベース３２が取り付けられ、セグメントＳ１が得られる。永久磁石２０ｂ〜２０ｆに関しても同様にしてセグメントＳ１が得られる。
また、図５（ｂ）を参照して、永久磁石２２ａ上に永久磁石２６ａが接着され、永久磁石２２ａの底面Ｃ２にステンレスベース３２が取り付けられ、セグメントＳ２が得られる。同様にして、永久磁石２２ｃ，２６ｂおよびステンレスベース３２が一体化されセグメントＳ２が得られる。さらに、図５（ｃ）を参照して、永久磁石２２ｂの底面Ｃ４にステンレスベース３２が取り付けられ、セグメントＳ３が得られる。そして、２つのセグメントＳ２間にセグメントＳ３を挟んで一体化される。
【００１４】
上述と同様に、永久磁石２２ｄおよび２２ｆに関してもセグメントＳ２が得られ、永久磁石２２ｅに関してもセグメントＳ３が得られ、２つのセグメントＳ２間にセグメントＳ３を挟んで一体化される。
このようにして得られた部材をさらに接着して磁界発生装置１０が組み立てられる。
なお、磁界発生装置１０は、図２に示すようなたとえば非磁性のホルダ３４内に嵌入され、磁界発生装置１０を構成する部材の飛び出しを防止する。
【００１５】
図２からわかるように、このようにして組み立てられる磁界発生装置１０の第１磁気回路１４では、各永久磁石２０ａ〜２０ｆおよび２２ａ〜２２ｆの磁化方向に沿って閉磁界が形成され、第２磁気回路１６では、各永久磁石２６ａ〜２６ｄに沿って閉磁界が形成される。このとき、磁石部材２６ａと磁石部材２６ａが隣接するポールピース２４ａとは同方向に磁化され、同様に、磁石部材２６ｃと磁石部材２６ｃが隣接するポールピース部材２４ａ、磁石部材２６ｂと磁石部材２６ｂが隣接するポールピース２４ｂ、磁石部材２６ｄと磁石部材２６ｄが隣接するポールピース部材２４ｂとは、それぞれ同方向に磁化される。ここでいう「同方向」とは、完全同一方向に限定されるのではなく、第２磁気回路１６による閉磁界の方向に逆らわない任意の方向を含む。
【００１６】
磁界発生装置１０によれば、第１磁気回路１４によって発生する磁束を、第２磁気回路１６によってさらに一対のポールピース２４ａおよび２４ｂ間に集中させることができるので、磁界発生空間１２に永久磁石の固有保磁力以上すなわち３Ｔ以上の強力な磁界を小型の装置で発生させることができる。また、電磁石ではなく永久磁石を用いるのでランニングコストを抑えることができる。
永久磁石２０ａ〜２０ｃの長手方向両端部にそれぞれ永久磁石２８を、永久磁石２０ｄ〜２０ｆの長手方向両端部にそれぞれ永久磁石３０を設けることによって、漏れ磁束を小さくできる。したがって、磁界発生空間１２に強力な磁界を発生できるとともに、磁界発生装置１２の外部に強力な磁界が形成されるのを防止できる。
【００１７】
また、磁界発生装置１０の右上半分（図２参照）の磁界解析結果を図６に示す。図６において、白抜き矢印は磁化方向を示す。
図６を参照して、Ｓ極側のポールピース２４ａに隣接する永久磁石２６ｃ内では、４本の矢印Ｄで示すように、磁束が右斜め上方向に走っている。第２磁気回路１６を構成する上では、一方のポールピース２４ａを流れる磁束を磁界発生空間１２を挟んで対向する他方のポールピース２４ｂに効率よく回帰させることが必要であるが、永久磁石２６ｃの磁化方向を２点鎖線矢印Ｅで示すように図面向かって真下方向（つまり、磁界発生空間の磁界方向と第２永久磁石の磁化方向とのなす角度が０度）に設定した場合には、永久磁石２６ｃが矢印Ｄで示す強い磁束によって減磁されてしまう。
【００１８】
そのため、永久磁石２６ｃの磁化方向を矢印Ｆで示すように第２磁気回路１６の外向きに設定することによって、永久磁石２６ｃの磁化方向に対する反磁界を減少させ永久磁石２６ｃの減磁を抑制した。図２に示すように、永久磁石２６ａの磁化方向についても同様に第２磁気回路１６の外側に設定される。また、Ｎ極側のポールピース２４ｂに隣接する永久磁石２６ｂおよび２６ｄの磁化方向については、第２磁気回路１６の内側に設定することによって減磁を抑制した。すなわち、磁界発生空間の磁界方向と第２永久磁石の磁化方向とのなす角度が０度を超えるように設定することによって、第２永久磁石の減磁を抑制した。
【００１９】
これによって、一対のポールピース２４ａおよび２４ｂ間に発生する磁界によって永久磁石２６ａ〜２６ｄが減磁するのを抑制できる。また、永久磁石２６ａ〜２６ｄの磁化方向が磁界発生空間１２の磁化方向とは正反対にならないので、永久磁石２６ａ〜２６ｄに対する反磁界が小さくなり、磁界発生空間１２の磁界によって永久磁石２６ａ〜２６ｄが減磁されにくくなる。したがって、磁界発生空間１２に強い磁界を発生させることができる。
さらに、図７に、磁界発生装置１０の磁界発生空間１２内における磁界強度を示す。なお、この場合における磁界発生装置１０の寸法は、直径が略２４０ｍｍ、軸方向の長さが略１７０ｍｍ、磁界発生空間１２の直径が６ｍｍである。
図７において、横軸は磁界発生空間１２内の軸方向における一方端からの距離を示し、縦軸は磁界強度を示す。
【００２０】
磁界発生装置１０によれば、図７からわかるように、磁界発生空間１２の中央部すなわち第１磁気回路１４および第２磁気回路１６が形成される部分において略３．８Ｔという高磁界を発生させることができる。
なお、ポールピース２４ａおよび２４ｂとしては、パーメンジュールに代えてたとえば純鉄等の飽和磁化の高い磁性材を用いてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
この発明によれば、磁界発生空間に３Ｔ以上の強力な磁界を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の実施形態の第１磁気回路および第２磁気回路を示す断面図解図である。
【図３】図１に示す一実施形態を示す分解斜視図である。
【図４】図１に示す一実施形態の内部構造を示す図解図である。
【図５】図１の一実施形態に用いられるセグメント等を示す斜視図である。
【図６】図１に示す一実施形態における磁束分布図である。
【図７】実験結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０磁界発生装置
１２磁界発生空間
１４第１磁気回路
１６第２磁気回路
１８ａ，１８ｂ第３磁気回路
２０ａ〜２０ｆ，２２ａ〜２２ｆ，２６ａ〜２６ｄ，２８，３０永久磁石
２４ａ，２４ｂポールピース

Claims

環状に配置される複数の第１永久磁石を含む第１磁気回路、ならびに
前記第１磁気回路の内部に設けられ磁界発生空間を形成するために対向配置されかつそれぞれ１．６Ｔ以上の飽和磁化を有するＳ極側のポールピースおよびＮ極側のポールピースと、前記Ｓ極側のポールピースおよび前記Ｎ極側のポールピースを磁気的に結合する複数の第２永久磁石とを含む第２磁気回路を備え、
前記複数の第２永久磁石は、前記Ｓ極側のポールピースから前記Ｎ極側のポールピースに向かうように磁化され、
前記複数の第１永久磁石は、
前記Ｓ極側のポールピースの外面に設けられかつ前記Ｓ極側のポールピースからみて外方に磁化された複数の永久磁石と、
前記Ｎ極側のポールピースの外面に設けられかつ前記Ｎ極側のポールピースに向かうように内方に磁化された複数の永久磁石と、
前記複数の第２永久磁石の外面に設けられ、前記外方に磁化された複数の永久磁石から前記内方に磁化された複数の永久磁石に向かうように磁化されかつ前記外方に磁化された複数の永久磁石と前記内方に磁化された複数の永久磁石とを磁気的に結合する複数の永久磁石とを含み、
前記第２永久磁石の保磁力は前記第１永久磁石の保磁力より大きく設定される、磁界発生装置。
前記第２永久磁石の磁化方向と前記磁界発生空間の磁界方向とのなす角度が０度を超える、請求項１に記載の磁界発生装置。
前記第１永久磁石の長手方向両端部にそれぞれ配置される第３永久磁石をさらに含む、請求項１または２に記載の磁界発生装置。