JPH0334501A - 一様磁界発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の利用分野 本発明は、高度の一様磁界を生成する一様磁界発生装置
に係わる。

発明の背景 強磁性体磁気シールドは、外部磁場を消去するための最
も一般的手段である。また、１対の同径円形コイルを並
行にその半径だけ離して配置した構造からなるヘルムホ
ルツコイルが、一様磁界ヲ生成する手段として知られて
いる。しかしながら、これら２つを組合わせた場合、強
磁性体の影響で磁界の一様性が乱れる。

ヘルムホルツコイルにより発生した磁場が強磁性体によ
り影響を受ける様子を第２図を参照しつつ以下に説明す
る。

中心ｚ＝０に置かれた半径Ｒ６の円形コイル１０１１０
２に電流■が流れるときの２軸上での磁界をＨ（μ：ｚ
）とし、Ｚの偶関数で次のべき級数に展開できるものと
する。

Ｈ（μ ；ｚ）＝）Ｉ（μ ＝０）＋ Ｈ′ （μ ＝０） ２！ 十 Ｈ〜（μ ＝０〉＋ （１、ｌ） ４！ 上記のコイルを２組２＝±αにオフセットした場合の軸
方向磁界Ｈ２（μ；ｚ）は次式で与えられる。

Ｈ２（μ；　Ｚ）　＝Ｈ（μ；　ｚ＋ａ）　＋Ｈ（μ；
　ｚ−ａ）（１，２） ヘルムホルツコイルの原理はＨ’　（μ；ａ）＝０とな
るようにａを選ぶところにある。この場合磁界はｚ４の
一様性を示す。すなわち Ｌ（μ；　ｚ）　＝　２）１（μ；ａ）（ｉ＋ｕ＜（μ
）ｚ’）　（ｔ、３）であり、４次一様性係数と呼ぶＵ
、（μ）はで与えられる。特に空心、ルーμ。の場合の
通常のへルムホルツコイルの場合にはρ＝＼Ｆ「Ｔ「７
−（２は、Ｒ，で規格化した値）として ■ であるから、 １ となるａ。ニーに対しては 次に、第２図に示される様に一対のコイル１０１及び１
０２が円筒状強磁性体磁気シールド１００の内側面に接
して配置されている場合を考える。透磁率が非常に大き
くてμ＝■とみなせて、かつ軸長比が十分に大きいＺｏ
）１の場合を考える。Ｊイをｎ次Ｂｅ５ｓｅｌ関数、Ｊ
イ、１をそのに番目（原点は除く）の零点とし、１ｏ（
ｚ）　＝Ｊｏ（ｉｚ）　（Ｍｏｄｉｆ　１ｅｄＢｅｓｓ
ｅｌ）とすれば、軸上（ｒ＝０）の磁界はで与えられる
。この場合）１’　　（ＯＯ；ａｏｏ）＝Ｏで与えるオ
フセット値はａ。、＝０．４７１６とμ＝μ。空心の場
合より約５．７％小さい。またこの場合の（１，６）　
　と（１，７）に相当する値はそれぞれＨ２（ｏｏ；　
０　）　＝２８　（”　；　ａ　−）■ Ｕ　ａ　（ω）　　＝−０，８０（１，７）’となる。

同じ４次の一様性でもその係数はμ＝μ０の場合よりも
小さい。この様にコイルにより発生する磁界は強磁性体
磁気シールドにより影響を受ける。

また、有限軸長の場合には解析解は知られていないので
精密な値は数値的（又は実験的）に求めなければならな
いが、両端の影響はｅ−Ｊ　Ｏ＋　ｌ　Ｚ　Ｏのように
指数関数的に減少するので、磁界の有限軸長相対誤差は
○（ｅ　−Ｊ　ｏ・１２０）程度と見積られる。ｚ。

＝３（例えば径Ｒｏ；２０ｃｍ、半長Ｚｏ　＝　６　Ｑ
　ｃｍ）とするとｅ−」０・１２０翔８　Ｘ　１０−’
程度の値になる。

発明が解決しようとする課題 以上の説明した様に、ヘルムホルツコイルにより発生し
ｔこ磁界は磁気シールドにより影響を受け、また、有限
軸長の影響を受ける。更には、従来のへルムホルッコイ
ル同様一様磁場の得られる個所は中央の微小な個所に限
られており、その実用性にも問題がある。

課題を解決するための手段 上記課題は次の本発明により解決される。

ｉ）　底部を有する強磁性体からなる筒状磁気シ−ルド
内に、ソレノイドが、その外周面を前記磁気シード側面
に接し、その端部を前記底部に接して配置されているこ
とを特徴とする一様磁界発生装置、及び １１）　　底部を有する強磁性体からなる筒状磁気シー
ルドを有し、 前記磁気シールドの筒状部分においては、この筒状部分
の軸方向に沿い、底部においては、一様磁界を生成する
方向と直交して、コイルが前記シールド内面に接し・て
配されていることを特徴とする一様磁界発生装置。

作用 ソレノイドコイル（請求項（１）に対応する〉有限長誤
差が上述の様に指数関数的に減少する性質から有限長ソ
レノイドは有用な一様磁界生成コイルとなる。単位長当
りＮ回のソレノイドコイルは無限長ではＨ＝ＮＩの一様
軸方向磁界を生成する。その有限長打切り相対誤差もｅ
−Ｊｏ・ＩＺＯ〜８　Ｘ　１０−’　（ｚｏ＝　３　）
程度となる。実際のソレノイドコイルは有限ピッチＺｐ
””ＲＯＺｐを持つ。有限ピッチコイルの円筒面におけ
る２方向基本Ｆｏｕｒｉｅｒ戊分は、ｅ２　ｒｃｌｚ／
ＺＰであり、これに対応する磁気ポテンシャルは、φ＝
＝　Ｉｏ　（２ｒｒ　ｒ　／ｚ、　）　ｅ２　ｎ　ｌ　
Ｚ／ＺＰであるから有限ピッチの軸上磁界への影響は０
（１／Ｉｏ（２πｒ／ｚ、））程度と見積られる。１０
（Ｚ）〜ｅ２であるから、ｚｐ＝１／４（Ｚｐ＝Ｒｏ／
４）　ｌ：ｔしｌｆ　ｅ−８ｒｃ＝１．２　Ｘ　１０−
”　とまず無視できる値となる。円筒形の磁気シールド
が高透磁率の底面をもつ場合には底面の鏡像効果を考え
るとソレノイドは極めて有利になる。即ちシールド円筒
の長さが２倍の長さのものと同等の磁界の一様性が得ら
れる。上端の影響はｅ−Ｊｏ＋ｌｚ程度と見積られるの
でＲｏの２倍程度より内側の軸上磁界の非一様性は１％
以下になる。

径方向コイル（請求項（２）に対応する）径方向コイル
はμ−ωの強磁性体に内接するコイルの場合のみを考え
る。まず軸長が充分長くｚｏ＞　　１の場合にｙ＝±１
に±Ｉの軸方向電流が流れる場合の２次元複素磁気ポテ
ンシャルφはで与えられ複素磁界は、 ｔｌ（ｗ）＝−祝（１−ｗ２＋ｗ’　）　　　　　　　
（２，２）π となる。上記のコイル２組を±θ１だけオフセットした
場合の磁気ポテンシャルφ２（ｗ）と磁界Ｈ２（ｗ）は φ２（Ｗ）＝φ（ｅｉ　　０１ｗ）　　＋φ（ｅ−ｉ８
＋、、）Ｉ Ｌ（ｗ）＝　　　’Ｒ（ｃｏｓθ、−ｗ２ｃｏｓ３θ＋
＋ｗ’ｃｏｓ５θ拳）π （２，４） となる。θ１−π／６とするとｗ２の項は消えてπ Ｕ、　　＝　１　　　　　　　　　（２，５）と４次め
一様性を示す。さらにこれに重ねて±０２＝±π／１０
のオフセットを行って±α１−±π（１／６−１／１０
）　、±α２＝±π（１／６　＋　１／１０）の角度を
もつ４組のコイルを使えばｗ４の項が消えて、その磁界
Ｈ＜（ｗ）は Ｉ Ｌ（ｗ）　　＝　　　　　（ｃｏｓα＋　　＋　ｃｏｓ
α２）火　（１＋Ｕ６ｗ６）π と６次の一様性を示す。さらに±θ３＝±π／１４のオ
フセットを重畳して±β６．±β２．±β３゜±β４に
８組のコイルを配置する。ただし、て ２１ Ｈ，（ｗ）　　＝ （ｃｏｓβ、＋　ＣＯ３β２＋　　ｃｏｓβ３＋　　Ｃ
ｏＳβ４）π ×呪 （１＋ｌｌ　１ｏＷ　”　） と１０次の一様性が実現される。有限軸長Ｚ６による誤
差の相対値はｅ”−”’　１″’　＝　８　Ｘｌ０−’
（ｚｏ・３）程度と見積られる。それは円筒面でｅ１θ
の基本Ｆｏｕｒｉｅｒ　ａ分をもつ磁気ポテンシャルφ
１がφ１＝ｃｏｎｓ　ｔ　Ｘ　Ｊ　Ｉ（ＪＯ，ｌ　ｒ）
　ｅ−’　”　”　”　’　ｅ　’θの形をもつからで
ある。円筒形のシールドに高透磁率底面がある場合には
コイルを底面に直線状に巻けば（ｙ方向コイルはＸ軸に
平行、Ｘ方向コイルではｙ軸に平行〉底面の鏡像作用に
より底面では磁界の一様性が乱れないという大きな利点
がある。

実施例 第１図は、請求項（１）の実施例の断面図及び平面図を
示す。円筒状強磁性体磁気シールド１００の側面と底面
に内接するように、ソレノイドコイル２００を巻いた様
子を示している。

第３図に、請求項（１）の実施例で生成される軸方向磁
場の一様性をヘルムホルツコイルにより生成される磁場
との比較により示す。

第４図は、請求項（２）の実施例である。円筒状強磁性
体磁気シールド１００の側面と底面に内接するように、
コイル４００及び４０１が式（２，５）で示されている
位置に配置されている。この場合、Ｘ軸方向に４次の一
様性を持った磁場が生成される。

コイルの巻き方としては前記重畳オフセット以外に２ｎ
巻コイルで として±θヮに巻くものが考えられる。第５図は、この
場合の実施例である。円筒状強磁性体磁気シールド１０
０の側面と底面に内接するように、コイル５００，５０
１，５０２．５０３が式（２，９）で示されている位置
に配置されている（ただし、ｎ＝２の場合〉。

第６図は、請求項（２）の実施例で生成される径方向磁
場の一様性を示した図である。

第７図は、本発明の更に別の実施例であり、ソレノイド
コイル２００と径方向コイル６００．６０１７００．７
０１との組合わせから成る態様である。コイル６００．
６０１とコイル７００．７０１とは直交しており、これ
により、ｘＳｙ。

Ｚ３方向において磁場が一様化される。

本発明の詳細 な説明したように、本発明を用いれば、円筒状磁気シー
ルド内の空間を無駄にすることなく、強磁性体があって
も高度の一様磁場を生成することが可能である。一様磁
場の生成は、精密な磁場測定などさまざまな分野で必要
とされており、本発明は、その一様磁場の環境を提供す
るのに必要不可欠である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、請求項（１）の実施例の側断面図及び平面図
、第２図は、本発明を説明するためのへルムホルツコイ
ルの側断面図及び平面図、第３図は、請求項（１）の実
施例で生成される軸方向磁場の一様性を示した図、第４
図は、請求項（２）の実施例（ｎ＝１の場合〉の側断面
図及び平面図、第５図は、請求項（２）の実施例（ｎ＝
２の場合）、第６図は、請求項（２）の実施例で生成さ
れる径方向磁場の一様性を示した図、及び第７図は請求
項（１）と（２）を組み合わせて得られる実施例の側断
面図及び平面図。 １００　　円筒状強磁性体磁気シールド、１０１．１０
２　　円形コイル、 ２００・　ソレノイドコイル、 ４００．４０°１−・コイル、 ５００．５０１，５０２．５０３・・・コイル。 第１図 第２図 ２“Ｒｏｚ 本 第４図 ２ 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）底部を有する強磁性体からなる筒状磁気シールド
   を有し、 前記磁気シールドの筒状部分においては、この筒状部分
   の軸方向に沿い、底部においては、一様磁界を生成する
   方向と直交して、コイルが前記シールド内面に接して配
   されていることを特徴とする一様磁界発生装置。
2. （２）底部を有する強磁性体からなる筒状磁気シールド
   内に、ソレノイドが、その外周面を前記磁気シード側面
   に接し、その端部を前記底部に接して配置されているこ
   とを特徴とする一様磁界発生装置。