KR100487082B1 - 삽입장치용자석블럭조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 예컨대 전자가속기의 선형부품에 삽입되어 대면하고 있는 복합 자석블록 어레이 사이의 공극내에 사인곡선의 주기적인 자기장을 생성하는 할버크형 또는 하이브리드형 삽입장치용의 새로운 복합 자석 조립체에 관한 것이다. 복수의 영구자석블록 또는 영구자석블록과 연질 폴편이 교대로 배치된 조립체로 이루어진 종래 자석블록 조립체와의 차이점은, 본 발명의 자석블록 조립체가 복수의 대면하고 있는 복합 자석블록으로 구성되고, 각각의 복합 자석블록은 삽입자석편 또는 삽입극편이 삽입되는 복수의 슬릿이 형성된 단일 베이스 자석블록으로 형성되어, 자석블록 조립체의 길이방향내 치수 정밀도를 크게 저하시켜 주기적인 자기장의 균일성을 향상시킬 수 있다. 할바크형 조립체내 삽입 자석편 뿐만 아니라 베이스 자석블록 역시 펄스 자기장을 인가하여 조립후 자화할 수 있다.

Description

삽입장치용 자석블록 조립체

본 발명은, 고강도의 싱크로트론 방사선을 방출하는 전자가속기 또는 전자축적링의 직선 부분에 삽입되는 삽입장치용의 새로운 자석블록 조립체에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 조립체내 자석블록을 자화하는 방법뿐 아니라, 소형화에도 불구하고 주기수가 크고 주기길이가 짧은 소형 삽입장치용 영구자석블럭 조립체에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 삽입장치는 고강도의 싱크로트론 방사선을 방출하기 위해 전자가속기 또는 전자축적링의 직선 부분에 삽입되어지는 장치이다. 도 3의 (A)에 사시도에 나타낸 바와 같이, 종래기술의 삽입장치는, 서로 대면하도록 배치되어 그사이에 공극을 형성하고 있는 2개 이상의 영구자석블록 어레이로 이루어진 자석블록 조립체 구조로 되어 있다. 각 영구자석블록의 자화방향이 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 각 자석블록의 끝면상의 작은 화살표에 의해 지시되는 방향일 때, 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이 축(Z,Y)에 의해 규정된 평면내에 사인곡선에 의해 지시되는 바와 같이 자석블록의 양 어레이 사이의 공극에 주기적인 자기장이 생성된다.이런 주기적인 자기장을 생성하는 삽입장치는, 도 4의 (A)에 측면도로서 개략적으로 나타낸 바와 같이, 영구자석 블록(20, 30, 40, 50,…)으로 구성된 할바크형 및,영구자석블록(30, 50,…)과 연질 자석재료 또는 폴편(pole)(32)의 블록을 교대로 배열한 하이브리드형을 포함한 두가지로 분류된다.

전자가속기내에서 주행하는 고속전자가 도 3의 (A)의 Z방향을 따라 자석블록 어레이 사이의 주기적인 자기장에 진입하면, 전자는 도 3의 (C)에 나타낸 바와 같이 Z축 및 X축으로 규정된 평면내에서 굴곡동작을 하면서, 할바크에 의해 Nuclear Instruments and Methods의 제187권 109페이지(1981)에서 기록된 바와 같이, 각각의 굴곡점에 싱크로트론 방사선을 방출한다. 싱크로트론 방사선 방출에 대한 모드는 전자 굴곡정도에 따라서 위글러(wiggler) 모드나 언듈레이터(undulator) 모드라고 불린다. 위글러 모드 방출에 있어서, 각각의 굴곡점에서 방출된 방사선이 중첩하여, 밴딩 전자석으로부터의 방사선보다 10 내지 1000배 높은 전체강도를 갖는 흰색 싱크로트론 방사선을 제공한다. 한편, 언듈레이터 모드에서, 각각의 굴곡점으로부터 방출된 방사선이 다른 방사선과 충돌하여 원래의 방사선에 대한 위글러 모드및 그의 고조파(harmonics)보다 10 내지 1000배의 높은 방사선 강도를 제공한다. 위글러 모드 방사선과 언듈레이터 모드 방사선 사이의 차이점은, 매개변수 K=0.934λm(m)·Bg(Tesla)로 나타낼 수 있고, 여기서, λm는 주기의 길이이고, Bg는 주기적인 자기장의 피이크 값이다. 즉, 언듈레이터 모드는 K값이 약1 이하일 때 얻어지고, K가 이외의 값일 때는, 방사선은 위글러 모드이다. 편의상, 언듈레이터 및 삽입장치가 본 발명에 사용되고 이들 두 형식 모두에 적용된다. 또한, 다음 설명에서, "공극 방향" 이란 제1 자석블록 어레이내의 자석블록으로부터, 제1 어레이의 블록 어레이와 반대하는 제2 자석블록 어레이내의 자석블록으로의 방향 즉, 도 3의 (A)의 Y축 방향을 의미한다. 다음 설명에서의 "축 방향" 은, 전자가 자석블록 어레이 사이의 주기적인 자기장에 진입하여 주행하는 궤도방향, 즉, 도 3의 (A)의 Z축 방향을 의미한다.

상술한 바와 같이, 삽입장치가 할바크형 및 하이브리드형의 삽입장치로 크게 분류되는 반면, 자기장의 값과 분포에 대하여서는 이들간에 큰 차이가 없음을 발견했다. 그러나, 일반적으로 자석블록의 전체 중량은 할바크형 보다 하이브리드형에서 더 작아질 수 있다. 게다가, 하이브리드형 삽입장치는, 제조기술이 자석블록의자화의 값 및 각도에 관하여 높은 정밀도를 가지는 자석블록을 제공하지 못하는 낮은 레벨에 있을 때, 개발 초기단계에서 바람직하고, 반면 상기 정밀도에 관한 요구는 할바크형 보다 하이브리드형에서 더 낮다. 그러나, 최근 자석생산기술 향상 및 자석블록 쌍 재결합 방법의 도입 결과, 충분한 자기장 분포가 할바크형 및 하이브리드형 각각의 삽입장치에서 얻어질 수 있다. 공극공간내 변화에 의해 유발된 전자궤도의 변위는, 비교적 큰 전자궤도의 변위를 일으키는 연질 폴편(32)의 비선형성을 갖는 하이브리드형과 비교해서, 그곳에 유지된 선형성에 의해 하이브리드형 보다 할바크형에서 더 작다. 도 4의 (A) 및 도 4의 (B)에 나타낸 자석블록 어레이는 각각 종래의 것 및 평면 언듈레이터를 나타낸다. 따라서, 이들 타입 중 하나의 선택은 우등 또는 열등의 문제가 아니라 삽입장치의 특정 용도에 전적으로 달려있다.

영구자석 블록을 어레이에 고정 및 조립하는 가장 일반적인 방법을 도 3의 (A)의 X-Y평면의 단면도로써 도 5에 나타낸다. 따라서, 자석블록(20)이 비자성 재료의 강성 카세트(21) 내에 설치되고, 접착제 수단을 사용하거나 압착기 플레이트(23) 및 볼트(24)를 갖는 기계적 수단에 의해 그 위치에 고정된다. 접착제 수단 및 기계적 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 기본적으로는, 기계적 수단이 접착결합 보다 높은 안정성을 갖는다. 자석블록에 의해 생성된 자기장은 카세트(21)의 측벽또는 바닥에 형성된 조절구멍(adjustment hole)(22)에 의해 조절된다. 카세트(21)가 정밀기구를 사용하는 기계 공작에 의해 제조될 수 있기 때문에, 카세트(21)의 치수의 정밀도는 자석블록(20)과 비교하여 높은 것이 일반적이다. 자석블록 어레이의 길이방향에서의 자석블럭(20)의 위치결정 정밀도가 특히 중요하기 때문에, 요구되는 자석블럭의 위치결정 정밀도는, 카세트(21)의 치수 정밀도 및 스크류 볼트(23)에 대한 수나사의 돌려 끼우기가 보장될 때 얻어질 수 있다. 이러한 장점의 관점에서, 삽입장치내 영구자석 블록(20)들은 대부분의 경우 카세트(21)를 사용하여 고정 및 조립되는 것이 일반적이다.

그러나, 다수의 자석블록을 조립하기 위해 카세트를 사용함으로써 얻어진 상술한 이점은 삽입장치의 주기 길이(도3A에 도시)가 각 자석블록의 얇은 두께로 인하여 짧을 경우, 더 이상 유지되지 않는다. 10mm의 주기 길이를 가지는 할바크형의 삽입장치라고 가정하면, 단일 주기가 네 개의 자석블록으로부터 형성되고, 각각의 자석블록의 두께가 단지 2.5mm이다. 삽입장치에서 가속화된 전자의 궤도형이 각 영구자석 블록의 자기특성의 비 균일성에 의해 크게 산란되기 때문에, 잔류 자화에서의 오차 및 자화 각도 오차를 최소화할 필요가 있다. 각 자석블록 두께가 매우 작은 경우에도, 자기 특성에서의 오차는 (1) 두께에 대한 자석블록의 치수에 있어서의 증가된 오차, (2) 자석블록의 기계적 가공에 의해 유발되는 열화층(work-degradation layers)의 부피비의 상대적인 증가 및 (3) 내부식면층의 상대적인 두께의 오차의 증가를 포함한 몇몇 요인에 의해 증가되는 것을 피할 수 없다. 이들 오차는 영구자석 블록의 제조를 위한 분말야금법의 결과로서 자기특성에 있어서 일반적인 오차로 부여된다.

자석블록 조립의 정밀도의 관점에서도 또 다른 문제가 발생한다. 두 개의 어레이 내에서 대면하고 있는 자석블록 사이에 형성된 공극이 주기 길이의 약 1/2로 되도록 선택되는 삽입장치의 설계가 일반적이기 때문에, 주기 길이가 10mm인 삽입장치는 약 5mm의 공극공간을 갖고 사용된다. 기계적 작업에 의해 제조된 영구자석블록 어레이에서의 치수오차가 士0.05mm보다 작아질 수는 없지만, 공극방향내 자기장에 있어서는 최대 ±2%의 오차가 기대되고, 축방향내 자기장에서는 최대 ±4%의 통합오차가 기대된다. 따라서, 주기길이 10mm의 삽입장치에 사용된 영구자석블록의 치수 정밀도에서의 오차는, 주기길이 30mm 이상을 가지는 종래의 삽입장치의 1/2 또는 1/3을 초과해서는 안된다.

각 영구자석 블록의 치수에 있어서의 상술한 높은 정밀도 요구는 어레이에 자석블록을 정밀하게 조립하는 것에 의해 수행되지 않으면 크게 중요하지 않고, 이는 단지 곤란함만을 줄 수 있다. 도 5에서 나타낸 바와 같이 비자성 카세트(21)를 사용하여 각각 2.5mm 두께의 자석블록(20)이 조립되어 주기 길이가 10mm인 할바크형 삽입장치를 형성한다고 할 때, 단일 자석블록(20)을 지지하는 카세트(21)의 두께가 2.5mm이기 때문에, 동반하는 스크류 볼트(24)도 매우 작고, 압착기판(23)의 폭도 작다. 2.5mm 두께의 카세트내 암형에 들어가는 스크류 볼트(24)가 암나사산 가공의 곤란함 및 볼트 머리의 크기를 고려할 때 M1 크기의 스크류 볼트 보다 클 수 없다. 두 개의 어레이내에서 대면하고 있는 두 개의 영구자석블록 사이의 자력이 대단히 강하기 때문에, 작은 스크류 볼트(24)를 사용하는 약한 고정수단으로는 자석블록의 신뢰성 있는 조립은 보장할 수 없다. 분리된 카세트를 사용하는 것 대신에 영구자석블록을 단일 기부 판에 직접 부착하는 방법이 가능할 수 있으나, 이 방법은 인접한 자석블록 사이의 반발력 및 회전력에 기인하여 인접 블록 사이에 때때로 간극이 형성되기 때문에 자석 블록 배열의 길이 방향으로 자석 블록을 위치시키는데 부정확이 발생할 수 있고, 그 결과 자석 블록 매열 사이의 공극 내에 자가 장 분포에 오차가 증가하게 되어 항상 실용적인 것은 아니다.

10mm를 넘지 않는 주기 길이를 가지는 삽입장치용 영구자석블록 조립체의 제조에 있어서의 종래 기술의 상술한 문제점 및 단점의 관점에서, 종래 기술의 단순한 향상 또는 그 연장이 아니라, 박형 영구자석블록 조립에 대한 새로운 방법의 개발이 강하게 요구되고 있다.

보조 발명자와 함께 본 발명자 중 한 명이 종례에 제안한 일본 특허 제 8-255726호에서 있어서, 도 6에 개략적으로 나타낸 바와 같은 단주기 삽입장치용 자석블록 조립체에서는, 다수의 자석블록이 어레이로 조립되고 어레이의 길이방향에 대해 수직한, 교대 역방향으로 고정밀도로 자화된다. 여기에서 제안된 자석블록 어레이는 20mm를 넘지 않는 주기 길이의 삽입장치를 실현하도록 제공된다. 본 자석 블록 조립체에서 얻어지는 고유한 잇점은, 단일 영구자석블록이 한 주기 이상을 커버하기 때문에(네 개 이상의 자석블록으로 구성된 종래의 할바크형 삽입장치에 상당) 각 자석블록에 대한 치수 정밀도에 대한 요구의 감소, 자석블록의 열화 표면층에 기인한 문제의 감소, 비자성 카세트를 사용한 종래 조립방법의 적용성, 및 자석블록수의 감소의 결과로서 자석블록 조립의 정밀도 감소를 포함한다. 그러나, 이 방법은 자석블록의 자화를 위한 자기장 분포의 정밀도 및 자화의 위치 결정의 정밀제어와 관련한 다른 어려움도 가지고 있다.

자석블록의 자화가 코일을 갖는 자화헤드를 사용함으로써, 자기장의 펄스로 연속적으로 수행될 때, 코일의 전기저항성이 그 열발생의 결과로서 그 온도가 증가함에 따라 점차 증가되어, 펄스 자기장 분포내 쉬프트가 유발되는 것을 피할 수 없다. 희토류계 영구자석의 자화반응이 자화용 자기장에 대하여 비선형이기 때문에,영구자석블록의 자화패턴이 그에 따라 변화하기 쉽다. 이러한 현상은 자석블록(20)과 인접한 블록(40) 사이의 경계영역과 같은, N극 및 S극의 경계에서 특히 두드러진다. 결과적으로, 영구자석블록의 조립에 의해 형성된 언듈레이터 주변의 자기장의 분포에 교란이 발생하여, 삽입장치내 전자궤도의 불규칙성이 야기된다.

언듈레이터의 자석블록 자화에 있어서 자화 위치를 정확하게 조절하는 것이중요하다. 자석블록의 자화 위치가 조금이라도 불규칙하게 되면, 각 자석유니트의두께의 불규칙적인 분포를 유발한다. 자화헤드의 배치 또는 자화헤드 및 영구자석블록의 상대위치는, ±0.05mm, 바람직하게 ±0.02mm 이하의 오차 정밀도를 갖는다. 이러한 매우 정밀한 요구는 자화헤드를 위한 정밀구동 시스템의 사용에 의해서만 만족되어질 수 있다.

따라서, 본 발명은 간단하고 편리한 수단을 사용하여 상술한 종래기술의 난점 및 단점을 극복할 수 있는, 예컨대 10mm를 초과하지 않는 단주기 길이의 삽입장치용 영구자석 블록의 새로운 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러므로, 본 발명에 의해 제공된 삽입장치를 위한 자석블록 조립체는,

(A)일정한 간격으로 베이스 블록내 두 캔틸레버 단면부 사이에서 각각 베이스 블록을 가로지르는 복수의 슬릿이 구비된 영구자석의 베이스 블록으로 각각 이루어져 있고, 사이의 공극에 의해 대면하고 있는 둘 이상의 복합자석블럭으로서, 상기 캔틸레버 단면부가 상기 공극과 교차하여 교대로 역방향으로 자화되어 있거나, 또는 상기 베이스 블록의 길이방향예 대하여 평행하게 자화되어 있는 둘 이상의 복합 자석블록; 및

(B) 상기 베이스 블록내 상기 슬릿들 중 하나에 각각 삽입되어지고, 상기 베이스 블록의 캔틸레버 단면부의 자화방향에 직교하는 자화방향을 갖는 복수의 삽입 자석편, 또는 상기 베이스 블록내 상기 슬릿들 중 하나에 삽입되어지는 연질 자석재료의 복수의 삽입 폴편을 포함하는 삽입장치용 자석블록 조립체이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 삽입장치용 자석블록 조립체의 이론은 임의의 크기의 삽입장치에 적용가능한 것이지만, 본 발명은 예컨대 10mm를 초과하지 않는 주기 길이를 가지는 삽입장치에 적용할 때에 특히 유용하다.

다음으로, 본 발명에 따른 삽입장치의 자석블록 조립체를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

도 1의 (A) 및 도 1의 (B)는 할바크형 및 하이브리드형 삽입장치의 평면 언듈레이터(1A 및 1B)의 복합 자석블록의 종단면도를 각각 개략적으로 나타낸다.

물론, 복합 자석블록(1A 또는 1B)의 베이스로서 영구자석(10A 또는 10B)의 베이스 블록은 삽입장치의 하나 이상의 주기에 대응하는 충분한 길이를 가져야만 한다. 베이스 자석블록(10A)이 이방성 자석일 때, 그의 자화가 용이한 축은 공극 방향에 있거나, 베이스 자석블록(10A)에 나타낸 화살표가 가리키는 공극에 있어서 전자 주행 방향에 대해 수직인 방향인 축방향에 있어야 한다.

자석블록(10A)은 연삭숫돌을 보유하는 적당한 기구를 사용하여 자석블록에 기계적으로 작업하여 제조한다. 즉, 자석블록은 일정 간격으로 인접한 두 개의 캔틸레버 단면부(2A, 4A, 6A, 8A,…) 사이에 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)들이 각각 삽입되어지는 블록과 교차하는 복수의 슬릿을 형성하도록 기계적으로 가공되어 언듈레이터의 주기 길이를 규정한다. 베이스 자석블록(10A)과 교차하여 형성된 각각의 슬릿은 삽입 자기편(3A, 5A, 7A,…)과 정합하는 두께를 가지며, 어떠한 작업도없이 삽입되어 지고, 예컨대 복합 자석블록(1A)에 접착제를 사용하여 그곳에 고정된다.

삽입 자석편(3A, 5A, 7A…)이 화살표로서 나타내어진 바와 같이 교대로 반대축 방향으로 자화될 때, 다수의 슬릿을 가지는 베이스 자석블록(10A)은 각 부분을 화살표로 나타낸 바와 같이 교대로 반대의 공극 방향으로 캔틸레버 단면부(2A, 4A, 6A, 8A,…)에서 자화된다. 베이스 자석블록(10A) 및 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)은복합 자석블록(1A)으로 그의 조립에 앞서서 개별적으로 자화될 수 있다. 자화 전에 이들 부재가 복합 자석블록(1A) 형태로 조립되고, 부재들이 자화를 위해 펄스자기 장에 의해 한번에 자화되는 것이 대체가능한 방법이다. 이 경우에, 복합 자석블록중 하나의 각 삽입 자석편이 또 다른 복합 자석블록 단편을 대면하고 있는 삽입 자석편부에 축방향 반대쪽으로 자화될 때, 대면하는 복합 자석블록(1A, 1A)상의 두 개의 반대편 캔틸레버 단면부가 동일한 공극 방향으로 자화된다.

다소 바람직하지 않더라도, 캔틸레버 단면부(2A, 4A, 6A, 8A, …)를 교대로반대방향의 축방향으로 자화하고, 삽입 자석편(3A, 5A, 7A, …)을 교대로 반대방향의 공극방향으로 자화하는 것도, 할바크형 삽입장치용 복합 자석블록내의 각 자석블록의 자화방향에 대한 대체가능한 방법이다. 다음은 상기 자화방법이 보다 덜 바람직한 이유이다. 자기 부재의 자화 방향이 도 1의 (A)에 나타낸 바와 같을 때, 축방향으로 자화된 각각의 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)이 공극 방향으로 자화된 캔틸레버 단면부(2A, 4A, 6A, 8A,…)로부터 받아들이는 반발력은, 각 슬릿의 바닥에 대항하여 삽입 자석편이 밀어지는 방향으로 되어, 삽입 자석편의 배치가 어떠한 접착제도 사용하지 않는 경우에도 삽입 자석편의 배치가 자발적으로 이루어질 수 있다.

도 1의 (B)는 하이브리드형의 삽입장치에 대한 복합 자석블록(1B)의 종단면도를 개략적으로 나타낸다. 여기에서의 베이스 자석블록(10B)은, 도 1의 (A)에 있어서, 각 캔틸레버단면부(2B, 4B, 6B, 8B,…) 사이의 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)을 대신하여, 연질 자석재료(3B, 5B, 7B,…)의 삽입 폴편이 각각 삽입되어지고, 베이스 자석블록(10B)을 교차하는 복수의 슬릿을 갖는 할바크형에 대하여 도 1의 (A)에 나타낸 베이스 자석블록(10A)과 등각을 이룬다. 이 경우에, 각 캔틸레버 단면부(2B, 4B, 6B, 8B,…)는 교대로 상반되는 축 방향으로 자화되는 것이 바람직하다. 신장된 자석블록(10B)이 이방성 자성이라면, 따라서 그 자화하기 쉬운 축은 축방향인 것이 바람직하다. 이러한 두 개의 복합 자석블록(1B,1B)의 조립시, 각 캔틸레버단면부의 자화 방향은 다른 복합 자석블록(1B)내 대면하고 있는 캔틸레버 단면부에대하여 반대축 방향이다.

상술한 설명으로부터 알 수 있듯이, 종래 기술에서 다수의 자석 블록을 일체화시키는 것 대신에 단일 베이스 자석블록(10A,10B)의 베이스 상에 구성되어 있고,베이스 자석블록 내의 슬릿에 삽입된 삽입 자석편 또는 삽입 폴편이 삽입되어 있는 복합 자석블록(1A,1B)은, 종래 기술에서의 각 유니트 자석블록내 두께 에러의 중첩으로 인한 축방향에서의 치수오차가 없는 이점을 갖는다. 이러한 이점은, 예컨대 주기 길이가 10mm 이하로 작은 삽입장치에서 특히 중요하다.

다음에, 상술한 복합 자석블록의 자화를 위한 방법을 도 2를 참조하여 상세히 설명하고, 여기서 복합 자석블록(1A)은 도 1의 (A)에 나타낸 할바크형이다.

도 2는 자화 헤드로써 전자석(6)의 횡단면도를 사용하여 복합 자석블록(1A)의 자화용 펄스 자기장을 생성하는 시스템을 개락적으로 도시한 것이다.

도 2에 나타낸 바와 같은 복합 자석블록(1A)상에 장착된 자화 헤드를 사용하여, 캐패시터 뱅크(7)에 축적된 전하는 사이리스터 스위치(8)에 의해 순간적으로 방전되고, 전자석(6) 코일(9)을 통해 매우 큰 전류를 일으켜, 화살표B에 의해 지시된 펄스방향의 큰 자기장이 생성되어 캔틸레버 단면부(4A), 삽입 자석편(3A) 및 캔틸레버 단면부(2A)를 통해 N1극으로부터 S1극 까지의 경로를 따라 폐쇄자기회로를 형성함에 따라, 각각의 화살표로 나타낸 방향으로 그들이 자화된다. 캔틸레버 단면 부(2A,4A) 사이의 거리는 삽입 자석편(3A)이 삽입되는 슬릿을 형성하는 가공 정밀도에 의해 결정되는 바와 같이 일정하기 때문에, 자화 헤드의 폴의 배치에 있어서의 엄격한 정밀도가 요구되지는 않는다. 이 경우의 자화를 위한 자기장은 우수한 정밀도를 가지는 자화를 달성하기 위해 적어도 15kOe, 또는 바람직하게 18kOe 이상이어야 한다. 펄스 자기장의 펄스 폭은 0.5msecond 이상 또는 2msecond 이상인 것이 바람직하다. 큰 용량의 전자석 및 DC전력원을 그 고비용을 무시한 채로 사용할수 있다면, 정전기 자기장으로 자화를 수행하는 것도 가능하다.

복합 자석블록(1A)을 얻기 위한 상술한 공정에서, 슬릿을 가지는 베이스 자석블록(10A)과 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)을 복합 자석블록(1A)로 조립한 후 자화를 수행하나, 슬릿을 가지는 베이스 자석블록(10A) 및 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)을 미리 각각 자화하고, 이와 같이 자화된 부재를 자화된 복합 자석블록(1A)으로 조립하는 것도 선택가능하다. 그러나, 조립전 자화하는 후자의 경우는 조립 후 자화하는 전자의 경우에 반해, 이미 자화된 각각의 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)을 삽입 자석편(3A, 5A, 7A,…)에 수직 방향으로 자화된 베이스 자석블록(10A)의 슬릿중 한곳에 반발력 또는 인력 하에서 삽입해야하는 어려움이 있다.

도 2에 나타낸 조립후 자화 공정에 있어서, 자화를 위한 자기 플럭스는 각각화살표(B1, B2, 및 B3)로 나타낸 바와 같이 캔틸레버 단면부(4A), 삽입 자석편(3A)및 캔틸레버 단면부(2A)를 통해 자화헤드(6)의 N1극으로부터 그 S1극까지 폐쇄회로를 형성하고, 따라서 캔틸레버 단면부(2A, 4A) 및 삽입 자석편(3A)이 동시에 자화 되어, 삽입 자석편(3A, 5A, 7A…)이 캔틸레버 단면부(2A, 4A, 6A, 8A,…)와 함께 반발력 또는 인력의 수단에 의해 자연스럽게 배치되어지는 자화된 복합 자석블록(1A)을 제공할 수 있다.

하이브리드형 복합 자석블록(1B)의 자화를 위한 공정은 상술한 할바크형 복합 자석블록(1A)과 거의 동일하다.

복합 자석블록(1A,1B)을 형성하는 영구자석의 형태는 특별하게 제한되어 있지는 않지만, 사마륨-코발트 합금 및 희토류-철-붕소 합금 등의 희토류금속계 합금으로부터의 분말 야금공정으로 제조된 이방성으로 자화 가능한 자석이, 복합 자석블록 사이의 공극에 생성된 강한 자기장의 관점에서 바람직하다. 복합 자석블록(1A또는 1B)이 조립후 자화 공정으로 이루어질 때, 특히, 희토류-철-붕소 합금은 펄스 자기장으로 자화를 용이하게 하기 때문에 더욱 바람직하다. 자화된 복합 자석블록은 지지(holding) 카세트내에 아무런 문제없이 고정된다. 지지카세트를 형성하는 재료는, 알루미늄 또는 알루미늄계 합금, 스테인레스강 및 놋쇠를 포함하고, 슬라이딩 저항이 높다는 관점에서 스테인레스강이 바람직하며, 특별하게 제한되는 것은아니다. 하이브리드형 복합 자석블록(1B)에 대해 베이스 자석블록(10B)의 슬릿에 삽입하는 삽입 폴단편을 위한 연질 자석재료는 철 또는 저탄소강철SS400, SUY 및 철-코발트합금 등의 철 기초 합금이 바람직하다.

두 개 이상의 복합 자석블록(1A 또는 1B)가 삽입장치용 단주기의 언듈레이터에 조립되고, 100cm 길이의 복합 자석블록의 주기수N는 본 발명에 따라서 주기길이를 10mm 라고 가정하여 100으로 될 수 있다. 삽입장치로부터의 방사선 방출의 이론상 강도가 N의 제곱에 비례하기 때문에, 매우 강한 싱크로트론 방사선이 본 발명에 따른 삽입장치가 설치된 소형 가속기 링에서도 방출될 수 있다.

다음으로, 본 발명을 특정 실시예로써 더욱 상세하게 설명한다.

(실시예)

자화가 쉬운 축이 20mm두께의 방향에 있고, 40mm×40mm폭 및 20mm 두께의 네오디뮴-철-붕소 자기 합금의 소결블럭을 연삭숫돌을 사용하여 기계 가공하여, 베이스 자석블록으로 작용하는 일측면에 평행하게 2mm의 규칙적인 간격으로 두께 2mm,깊이 15mm를 가지는 슬릿을 형성하였다.

각각, 자화가 쉬운 축이 2mm 두께 방향에 있고 40mm×15mm×2mm의 치수를 가지는 각각의 삽입자석편을 동일한 희토류계 자석합금으로 제조한다. 이들 삽입 자석편을 베이스 자석블록의 슬릿에 삽입하여 움직이지 않도록 그 곳에 고정시켜 40개의 복합 자석블록을 제공한다.

한편, 5주기 스팬의 자화 톱니(teeth)를 가지는 자화 헤드를 제조하여, 한번에 상기 마련된 복합 자석블록 중 하나의 자화를 가능하게 한다. 자화 헤드용 전자석 요크는 펀칭하여 형성한 0.5mm 두께의 순강판을 적층하여 형성되고, 요크에는 코일을 설치하였다. 자화 헤드용 자화 톱니는 복합 자석블록의 표면과 접촉하게 되고, 그 자화는 4000볼트× 5000㎌ 용량의 캐패시터 뱅크를 갖는 코일을 기동(energizing)하여 수행되어, 피이크 값으로써 20kOe 이상의 펄스 자기장을 생성한다.

각각이 자화된 복합 자석블록을, 비자성 스테인레스강 SUS 316L로 제조된 지지 카세트로 삽입하고, 20개 한 그룹의 카세트들을 선형으로 조립하여 모든 복합 자석블록 삽입 자석편 각각이 어레이와 교차하는 평면 내에 있도록 하는 방향으로 80mm의 장형 복합 자석블록 어레이를 형성한다. 한쌍의 복합 자석블록 어레이를, 하나의 어레이내 각각의 삽입 자석편이 다른 어레이 내의 삽입 자석편과 대면하는 방식으로, 4mm의 공극을 갖고 서로 대면 배치시킨다.

이와 같이 제조된 주기 100의 길이 800mm의 언듈레이터의 공극내 주기적인 자기장의 분포를 소구역 홀(Hall) 센서를 사용 및 측정하여, 주기적인 자기장내 피이크의 피이크 값이 어떠한 조절 장치 수단을 작동시키지 않고도 ±1.5의 편차내에서 매우 균일하다는 것을 발견하였다.

본 발명의 자석블록 조립체는 삽입 자석편 또는 삽입 폴편이 삽입된 것으로 다수의 슬릿을 제공한 단일 베이스 자석블록으로 각각 형성된 대면하고 있는 다수의 복합 자석블록으로 구성됨으로써, 길이방향 자석블록 조립체의 치수의 정밀도가 크게 감소되어 주기적인 자기장의 규칙성을 향상시킬 수 있다. 할바크형 조립체의 삽입 자석편 뿐 아니라 베이스 자석블록을 펄스자기장에 적용함으로써 조립 후에 자화를 행할 수 있다.

도 1의 (A) 및 도 1의 (B)는, 각각 본 발명에 따른 할바크형 및 하이브리드형의 삽입장치에 대한 연장된 복합자석블록을 개략적으로 나타내는 종단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 삽입장치용 복합자석블록의 자화를 위한 자화 시스템의 개략도이다.

도 3의 (A)는 종래의 삽입장치에 대한 할바크형 자석블록 어레이의 개략적인사시도이다.

도 3의 (B)는 도 3의 (A)의 자석블록 어레이 사이의 공극에 생성된 사인 곡선으로 된 주기적인 자기장을 나타내는 그래프이다.

도 3의 (C)는 도 3의 (B)에 나타낸 주기적인 자기장내를 주행하는 전자의 굴곡진 궤도를 나타내는 도면이다.

도 4의 (A)는 할바크형 삽입장치내 영구자석블록 조립체의 기본 배열을 나타내는 도면이다.

도 4의 (B)는 하이브리드형 삽입장치내 영구자석블록 및 연질 폴편의 기본 배열을 나타내는 도면이다.

도 5는 평면 언듈레이터를 형성하기 위해 비자성 카세트 안에 유지된 영구자석블록의 단면도이다.

도 6은 단주기 길이의 언듈레이터내 영구자석블록의 자화 패턴을 나타내는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

20, 30, 40 , 50 : 영구자석블럭

21 : 카세트

22 : 조절구멍

23 : 플레이트

24 : 볼트

Claims (6)

1. (A)일정간격으로 베이스 블록내 두 캔틸레버 단면부 사이에서 각각 상기 베이스 블록을 가로지르는 복수의 슬릿이 구비된 영구자석의 베이스 블록으로 각각 이루어져 있고, 사이의 공극에 의해 대면하고 있는 둘 이상의 복합자석 블럭으로서, 상기 캔틸레버 단면부가 상기 공극과 교차하여 교대로 역방향으로 자화되거나, 또는 상기 베이스 블록의 길이방향에 대하여 평행하게 자화되어 있는 둘 이상의 복합 자석블록; 및

   (B) 상기 베이스 블록내 상기 슬릿들 중 하나에 각각 삽입되어지고, 상기 베이스 블록의 상기 캔틸레버 단면부의 자화방향에 직교하는 자화방향을 갖는 복수의 삽입 자석편; 또는 상기 베이스 블록내 상기 슬릿들 중 하나에 삽입되어지는 연질자석 재료의 복수의 삽입 폴편을 포함하는 것을 특징으로 하는 삽입장치용 자석블록 조립체.
2. (A1)일정간격으로 베이스 블록내 두 캔틸레버 단면부 사이에서 각각 상기 베이스 블록을 가로지르는 복수의 슬릿이 구비된 영구자석의 베이스 블록으로 각각 이루어져 있고, 사이의 공극에 의해 대면하고 있는 둘 이상의 복합자석블럭으로서, 상기 캔틸레버 단면부가 상기 공극과 교차하여 교대로 역방향으로 자화되어 있는 둘 이상의 복합 자석블록; 및

   (B1) 상기 베이스 블록내 상기 슬릿들 중 하나에 각각 삽입되어지고, 상기 베이스 블록의 상기 캔틸레버 단면부의 자화방향에 직교하는 자화방향을 갖는 복수의 삽입 자석편을 포함하는 것을 특징으로 하는 할바크형의 삽입장치용 자석블록 조립체.
3. 제2항에 있어서, 상기 베이스 자석블록(A1)은 상기 공극과 교차하는 방향으로 쉽게 자화되는 축을 가지는 희토류계 자석합금의 이방성으로 자기 소결된 자석블록으로 제조되고, 상기 삽입 자석편(B1) 각각은 상기 베이스 블록의 길이방향과 평행한 방향으로 쉽게 자화되는 축을 가지는 희토류계 자석합금의 이방성으로 자기 소결된 자석블록으로 제조되는 것을 특징으로 하는 할바크형의 삽입장치용 자석블록 조립체.
4. (A2)일정한 간격으로 베이스 블록내 두 캔틸레버 단면부 사이에서 각각 상기 베이스 블록을 가로지르는 복수의 슬릿이 형성된 영구자석 베이스 블록으로 각각 이루어져 있고, 사이의 공극에 의해 대면하고 있는 둘 이상의 복합자석블럭으로서, 상기 캔틸레버 단면부가 상기 베이스 블록의 길이방향에 대하여 평평하게 교대로 역방향으로 자화되어 있는 둘 이상의 복합 자석블록; 및

   (B2)상기 베이스 블록내 상기 슬릿들 중 하나에 각각 삽입되어지는 연질자석재료의 복수의 삽입 폴편을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형의 삽입장치용 자석블록 조립체.
5. 제4항에 있어서, 상기 베이스 자석블록(A2)은 상기 베이스 블록의 길이방향에 대해 평행한 방향으로 쉽게 자화되는 축을 가지는 희토류계 자석합금의 이방성으로 자기 소결된 자석블록으로 제조되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형의 삽입장치용 자석블록 조립체.
6. (a) 복수의 비자화된 삽입 자석편 또는 연질 자석재료의 복수의 삽입폴편 각각을, 영구자석의 비자화된 베이스 블록의 한쌍의 캔틸레버 단면부 사이의 복수의 슬릿들 중 하나에 삽입하여 복합 자석블록을 형성하는 단계;

   (b) 상기 베이스 자석블록, 또는 상기 베이스 자석블록 및 상기 삽입 자석편을 자화시키기에 충분한 펄스 자기장을 인가하여, 상기 자기장이 상기 캔틸레버 단면부 중 하나, 상기 삽입 자석편 또는 상기 삽입폴편, 및 상기 캔틸레버 단면부 중 다른 하나를 통과하는 폐쇄 자기회로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 삽입장치용 자화 자석블록 조립체의 제조방법.