WO2020153389A1

WO2020153389A1 - 永久磁石装置、及び磁場発生装置

Info

Publication number: WO2020153389A1
Application number: PCT/JP2020/002054
Authority: WO
Inventors: 和久田　毅; 千葉　知雄; 篤堀越; 義治森
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2020-07-30
Also published as: JP7170068B2; JPWO2020153389A1

Abstract

同一形状の複数の永久磁石片（２）が円柱状の磁場評価空間（１）を取り囲むように配置されたことを特徴とする永久磁石装置（６）であって、永久磁石片（２）の磁化方向は、永久磁石片（２）の環状配列の周方向成分を有している。永久磁石片（２）の磁化方向は、基準となる一の永久磁石片（２）と円柱中心軸Ｏとを結ぶ基準線（ｘ軸）と他の永久磁石片、及び円柱中心軸を結ぶ線分との成す角φの（ｎ＋２）倍の角度を修正した方向であり、修正角は、複数の永久磁石片の磁化のばらつきによる磁場分布を修正する角度に設定されている。

Description

永久磁石装置、及び磁場発生装置

　本発明は、永久磁石装置、及び磁場発生装置に関し、例えば、ビーム輸送を対象とした高精度の磁場を発生させる永久磁石装置、及び磁場発生装置に関する。

　高エネルギー物理実験用の加速器、Ｘ線光源、医療用粒子線治療装置などでビーム(加速された荷電粒子)が利用されている。発生源で叩き出された荷電粒子は、線形加速器、円形加速器などで所定エネルギーまで加速される。その加速されたビームが実験や治療で利用されている。ビームの利用には、エネルギーが散逸しないようにビームを収斂させて輸送することが必要であり、そのためにさまざまな磁場(分布)が使用されている。

　このようなビームを利用する装置には、さまざまな磁石が使われており、例えば、ビームを曲げるプリズムの役割をする偏向磁石(二極磁石)、ビームを収束する役割を行う四極磁石、ビームの色収差を補正する六極磁石などが使用されている。これらの磁石を正しく機能させるためには、所定の磁場空間分布を高精度に形成することが必須であり、またその形成された磁場分布が時間的に安定であることが必要である。磁場分布の精度や磁場強度の制御性の観点から、これらの磁石は電磁石が採用されている（特許文献１参照）。

　磁場強度が強いほど、ビームに対する作用力は大きいため、装置全体としてのサイズを小さく抑えることができる。電磁石としては特に強い磁場強度や強い空間磁場勾配が必要となる用途では、超電導磁石が利用されるが、それ以外では鉄心を有する常電導の電磁石(銅コイル)が使われている。

特開２０１７－１６７０１２号公報

　しかしながら、超電導磁石は、直流電気抵抗がゼロのため損失は発生しないものの、超電導状態に維持しておくための運用コストがかかり、クエンチリスクもある。一方、常電導の電磁石では、超電導磁石のような運転上のデメリットはないが、逆に通電によるロス(ジュール損)が大きな課題となる。ビーム輸送用の磁石として、近年省エネの観点から永久磁石の利用が検討されている。

　本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、永久磁石片のみで所定の磁場分布を形成することができる永久磁石装置及び磁場発生装置を提供することを目的とする。

　前記目的を達成するために、本発明の永久磁石装置は、同一形状の複数の永久磁石片（２）が円柱状の磁場評価空間（１）を取り囲む様に配置されたことを特徴とする永久磁石装置（６）であって、前記永久磁石片の磁化方向は、前記永久磁石片の環状配列の周方向成分を有していることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

　本発明によれば、磁化方向は永久磁石片の環状配列の周方向成分を有しているので、永久磁石片のみで所定の磁場分布を形成することができる。また、基準となる位置の永久磁石片と円柱状の空間の中心軸（Ｏ）とを結ぶ基準線（ｘ軸）と他の永久磁石片、及び円柱中心軸を結ぶ線分との成す角（φ）の（ｎ＋２）倍の角度に対して、永久磁石片の磁極の方向を修正することにより、永久磁石片の着磁のバラツキの磁場分布への影響を低減することができる。また、複数の永久磁石装置を積層し、互い違いに回転方向を変えることにより、スキュー成分を打ち消すことができ、回転角に応じて、ノーマル成分の磁場強度を可変することができる。

本発明の永久磁石装置の基本構成を示す模式図である。永久磁石装置で使用される永久磁石片の磁化の方向を示す模式図である。永久磁石装置が発生する磁場を評価する評価点と磁場発生源との位置関係を説明する説明図である。ノーマル４極磁場の磁力線の形状を示す図である。スキュー４極磁場の磁力線の形状を示す図である。ノーマル６極磁場の磁力線の形状を示す図である。スキュー６極磁場の磁力線の形状を示す図である。４極磁場を形成する場合の永久磁石片の磁化配置を示す模式図である。６極磁場を形成する場合の永久磁石片の磁化配置を示す模式図である。永久磁石１列構成における永久磁石片の磁化バラツキを考慮した回転角度を計算した表である。永久磁石１列構成での不正磁場抑制を説明する説明図（１）である。永久磁石１列構成での不正磁場抑制を説明する説明図（２）である。永久磁石１列構成での不正磁場抑制を説明する説明図（３）である。永久磁石２列構成の１列目における永久磁石片のバラツキを考慮した回転角度を計算した表である。永久磁石２列構成の２列目における永久磁石片のバラツキを考慮した回転角度を計算した表である。永久磁石２列配置での不正磁場抑制ができることを示した説明図（１）である。永久磁石２列配置での不正磁場抑制ができることを示した説明図（２）である。永久磁石２列配置での不正磁場抑制ができることを示した説明図（３）である。本発明の第１実施形態の永久磁石装置を示す斜視図である。本発明の第１実施形態の永久磁石装置の磁場分布を補正するための補正方法を説明するためのフローチャートである。本発明の第２実施形態である磁場発生装置の断面を示す図である。本発明の第２実施形態である磁場発生装置で使用される他の永久磁石装置の磁化方向と装置回転方向（正方向）を示す模式図である。本発明の第２実施形態である磁場発生装置で使用される他の永久磁石装置の磁化方向と装置回転方向（逆方向）を示す模式図である。本発明の第３実施形態である磁場発生装置の磁石回転機構を説明する斜視図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

（基本構成）
　図１は、本発明の永久磁石装置の基本構成を示す模式図である。
　永久磁石装置としての磁気モジュール６は、同一形状の複数の永久磁石片２が円柱状の磁場評価空間１を取り囲むように配設されたものである。つまり、磁石モジュール６は、同一形状の複数の永久磁石片２が円環状に等間隔に配列されたものである。円柱状の磁場評価空間１の中心軸（円柱中心軸Ｏ）は、複数の永久磁石片２が配列された円環の中心軸に一致する。それぞれの永久磁石片２は、後記する所定の磁場分布を形成するように配設されている。なお、円柱状の磁場評価空間１の外周面は、円環状に配列された複数の永久磁石片２の内周面から離間している。

　永久磁石片２は、回転体（例えば、円柱）であり、その回転軸３が円柱中心軸Ｏに平行になるように配設されている。永久磁石片２は、希土類元素を含む原料粉末を加圧成形し焼結、研削により形状を整えた後に着磁が行われたものである。永久磁石片２は、円柱であることがもっとも自然な実装形態であるが、永久磁石を固定するために穴があけられた固定用プレートに圧入、固定に有利なように若干テーパをつけた円錐台形状であっても構わない。

　磁石モジュール６は、複数層（例えば、２層）に、同心円状に配列されており、永久磁石片２の最密状態が好ましい。つまり、外層の永久磁石片２は、内層の隣接する永久磁石片２，２の中間近傍に配設されている。なお、図１は、２列構成であるが、３列（図８，９）や８列（図１５）のように、より多層にしても構わない。

　図２は、永久磁石装置で使用される永久磁石片の磁化の方向を示す模式図である。
　永久磁石片２の着磁方向は、永久磁石片２の回転軸３に対して垂直な面内に有する（横磁化）。そのため、永久磁石片２を回転軸３を中心に回転させることにより、磁場評価空間１（図１）に発生する磁場強度を連続的に変化させることが可能となる。

　永久磁石片２は、磁場評価空間１の円柱中心軸Ｏを中心として同心円状に配設される。磁場形成のしやすさから、その同心円状に配置される永久磁石片２の間隔は等間隔であることが好ましい。同心円内に配設される永久磁石片２の個数により、円柱中心軸Ｏに対して周方向の磁場の変化ピッチが影響を受けるため、永久磁石片２の設置個数は、一つの同心円あたり３２個以上とすることが好ましい。

　永久磁石片２は、なるべく残留磁束密度の高い永久磁石を使いことが好ましく、例えば、ネオジム磁石などが好ましい。一方、高温領域では、減磁により残留磁束密度が低下するおそれがあるから、このような領域ではサマリウムコバルト磁石を使うことが必要になる。両者を組み合わせることにより、長期減磁がなく磁場強度の高い磁石モジュール６（図１）を提供することができる。

　ビーム輸送に用いられる２極、４極、６極磁場は、磁場評価空間の中心軸に対し同心円状に配置される永久磁石片２の磁化の向きを適切に配置することにより形成可能である。永久磁石片２の磁化の大きさが一定であれば、数学的に理想的な磁石配置(磁化の配置向き)が決定される。しかし、永久磁石片２には、着磁のばらつきがあるために、その理想的配置では不正磁場が発生することになる。そこで、予め、永久磁石の磁化の大きさを計測しておき、磁化方向（永久磁石の向き）の最適化計算を行う。これにより、永久磁石片６の磁化の方向を調整しながら、高精度の磁場分布を形成可能な磁石モジュール６を製作することができる。

　また、高精度に磁場が形成された磁石モジュール６を積層して磁石を構成することにより任意の長さの高精度な磁石を構成することが可能である。また、磁石モジュール６を積層して、回転可能に構成することによって、磁場の強度を変化させることも可能である。
　例えば、積層する磁石モジュール６から不要な磁場成分が発生しないように高精度に磁場を形成しておき、隣接する磁石モジュール６の回転方向を互いに逆向きとしその回転量を等しくすることにより、不要磁場成分がビーム輸送に影響を与えることを抑制しながら所望の磁場強度を変化させることが可能である。

(多極磁場発生のための磁化配置法)
　本発明の磁場発生装置は、ビーム輸送のために必要な磁場を形成し、その磁場は磁場分布の形状によって、２極磁場、４極磁場、６極磁場などと呼ばれる。

　図３は、永久磁石装置が発生する磁場を評価する評価点と磁場発生源との位置関係を説明する説明図である。円柱中心軸Ｏを基準にｘ座標及びｙ座標を定義したときに、磁場評価空間１の位置（磁場評価位置）は、円柱中心軸Ｏから距離ｒ＝√（ｘ^２＋ｙ^２）、ｘ座標の軸（基準線）からの角度θで規定される。また、任意の永久磁石片２は、ｘ座標の軸（基準線）から位相角φ、円柱中心軸Ｏからの距離ｆの位置に配設されているものとする。また、永久磁石片２の磁気モーメントＭは、ｘ軸方向成分Ｍ_ｘ、ｙ軸方向成分Ｍ_ｙで表現されるものとする。

　磁場評価位置(r,θ)でのｎ次の多極展開磁場のノーマル成分は、数１で表現され、スキュー成分は、数２で表現される。

　次数ｎ（正の整数）は、中心からの磁場評価位置までの距離ｒに対する磁場分布の変化の仕方を記述するもので、次数ｎ＝０の場合が距離によらない一定磁場で２極磁場を意味し、次数ｎ＝１の場合が距離に対し線形に磁場強度が変わる４極磁場を意味し、次数ｎ＝２の場合が距離に対し自乗で磁場強度が変わる６極磁場を意味している。次数ｎの磁場は、２（ｎ＋１）極磁場と呼ばれるが、それはその形状の磁場分布を生成するために、２（ｎ＋１）極の磁石が必要であることに由来している。

　ビームの輸送には、通常、ノーマル成分の磁場（２極、４極など）が利用される。ノーマル成分は、磁場評価位置θに対し磁場強度がsin（ｎ＋１）θで変化する磁場であり（数１参照）、スキュー成分は、磁場評価位置θに対し磁場強度がcos(ｎ＋１)θで変化する磁場である（数２参照）。なお、後記するように、スキュー成分は、磁石モジュール６を積層し、互いに逆方向に回転することにより、打ち消される成分である。

　具体的に、図４は、ノーマル４極磁場の磁力線の形状を示す図であり、図５は、スキュー４極磁場の磁力線の形状を示す図である。また、図６は、ノーマル６極磁場の磁力線の形状を示す図であり、図７は、スキュー６極磁場の磁力線の形状を示す図である。

　図４－６から分かるように、ノーマル成分磁場とスキュー成分磁場とは、９０／（ｎ＋１）度だけ回転した形となっている。

　無限長磁気モーメントが原点回りに、等距離、等間隔で配置される場合、２（ｎ＋１）極磁場のノーマル成分のみを生成するためには、磁気モーメントがＭ＝（Ｍ sin（（ｎ＋２）φ)，-Ｍ cos (（ｎ＋２）φ））となるように配設させられればよい。

　言い換えれば、永久磁石片２によって、２（ｎ＋１）極磁場を生成するためには、永久磁石片２の位相角φに応じて、永久磁石片２を－y軸から（ｎ＋２）φだけ、回転して配設すればよい。

　図８は、４極磁場を形成する場合の永久磁石片の磁化配置を示す模式図であり、図９は、６極磁場を形成する場合の永久磁石片の磁化配置を示す模式図である。
　図８の４極磁場（ｎ＝１）では、永久磁石片２の位相角φのとき、永久磁石片２の磁化の方向は－ｙ軸から３φである。図９の６極磁場（ｎ＝２）では、永久磁石片２の位相角φのとき、永久磁石片２の磁化の方向は－ｙ軸から４φである。つまり、各々の永久磁石片２は、複数の永久磁石片２の断面視環状の配列（環状配列）の周方向成分（接線方向成分）を有するように配設されている。

(不正磁場の発生)
　磁石モジュール６は、永久磁石片２の磁化が理想的に配置されている場合には、不正磁場(不要な多極成分磁場)は発生しない。しかしながら、永久磁石片２には、一般に着磁のばらつき(残留磁束密度のばらつき)が７％から１０％程度存在している。このため、磁石モジュール６は、２（ｎ＋１）極磁場を発生させるために単に、永久磁石片２を（ｎ＋２）φ回転させて配置するだけでは、２（ｎ＋１）極磁場以外の不正磁場が発生してしまう。

　また、たとえ同一ロットの永久磁石片２で残留磁束密度が仮に完全に等しく不正磁場が発生しない場合であっても、その発生すべき２（ｎ＋１）極磁場の強度は、磁石モジュール間でばらつきが生じてしまう。

(不正磁場の補償)
　永久磁石装置としての磁石モジュール６は、多数の回転体である永久磁石片２から構成されており、その永久磁石片２は回転方向の配置自由度を有している。（１）式、（２）式から分かるように、磁化の大きさ（絶対値）は同じであっても、回転させて角度方向の磁化の成分（円筒形状の接線方向成分）を変化させることにより、展開磁場の強度は変化する。少なくとも永久磁石片２の個数分だけ磁場調整の自由度を有しているので、その個数の多極磁場成分に対して磁場補償ができることになる。

　本実施例の磁石モジュール６ａは、磁石１列構成とし、直径１８ｍｍの円柱状の永久磁石片２を円柱中心軸Ｏからの距離ｆ＝１３３ｍｍところに等間隔に３９個配置したものである。つまり、磁石モジュール６ａ（図示せず）は、図１の磁石モジュール６において、１列構成とし、３９個の永久磁石片２を円形に配設したものである。

　図１０は、永久磁石１列構成における永久磁石片の磁化バラツキを考慮した回転角度を計算した表である。この表は、縦方向に「磁石Ｎｏ」１～３９を付し、横方向に、「磁石位相φ［度］」、「位置ｘ［ｍｍ］」、「位置ｙ［ｍｍ］」、「磁化［Ｔ］」、「磁化方向３φ［度］」、「回転δθ［度］」を演算したものである。

　ここで、永久磁石片２は、サマリウムコバルト磁石を用い、カタログ値からその磁化（残留磁化）の強度を１．０［Ｔ］から１．１［Ｔ］の間でランダムに設定している。「回転δθ［度］」は、４極磁石の磁化配置で評価し、４極ノーマル成分磁場以外の多極磁場が１００［ｐｐｍ］以下になるように、永久磁石片２の設置角度の微調整を試みて算出した、磁化方向３φからの修正角である。また、多極展開磁場は、円柱中心軸Ｏからの距離ｒ＝１００ｍｍにおける値で評価している。

　図１１Ａ，図１１Ｂ，図１１Ｃは、永久磁石片１列構成での不正磁場抑制を説明する説明図である。横軸は、各次数のノーマル成分又はスキュー成分である。縦軸は、回転角修正前後での不正磁場強度比（ｐｐｍ）である。
　１００ｐｐｍ以下になるような永久磁石を探索したが、解がみつからないために、１９次～２４次において１００ｐｐｍを超える成分が残っている。しかしながら、永久磁石片２の個数は３９個、つまり、調整自由度は３９であるので、１９次～２０次の成分までは原理的には調整が効いている。

　本実施例の磁石モジュール６ｂは、磁石２列構成とし、直径１８ｍｍの円柱状の永久磁石片２を円柱中心軸Ｏからの距離ｆ＝１３３ｍｍのところに等間隔に３９個配置し、距離ｆ＝１５４ｍｍのところに等間隔に４６個配置したものである。つまり、磁石モジュール６ｂ（図示せず）は、図１の磁石モジュール６と同様の２列構成において、第一列に３９個の永久磁石片２を円形に配設し、第２列に４６個の永久磁石片２を同心円状に配設したものである。

　図１２は、永久磁石２列構成の１列目における永久磁石片のバラツキを考慮した回転角度を計算した表であり、図１３は、永久磁石２列構成の２列目における永久磁石片のバラツキを考慮した回転角度を計算した表である。ここで、永久磁石２は、サマリウムコバルト磁石を用い、カタログ値からその磁化（残留磁化）の強度を１．０［Ｔ］から１．１［Ｔ］の間でランダムに設定している。回転δθ［度］は、４極磁石の磁化配置で評価し、４極ノーマル成分磁場以外の多極磁場が１００［ｐｐｍ］以下になるように、永久磁石片２の設置角度の微調整を試みて算出した。また、多極展開磁場は、円柱中心軸Ｏからの距離ｒ＝１００ｍｍにおける値で評価している。

　多極磁場成分１００ｐｐｍ以下を目指すように、回転角度の最適化を試みた。永久磁石片２の個数は８５個であり、調整の自由度が８５と多く、１列構成に比べて、調整自由度が大きい。このため、１次～１９次において、多極磁場が１００［ｐｐｍ］以下とする解を見つけることができた。

　図１４Ａ，図１４Ｂ，図１４Ｃは、永久磁石２列配置での不正磁場抑制ができることを示した説明図である。
　２０次～３４次の高次の不正磁場をゼロにするためには、多数の永久磁石片２を回転させる必要がある。しかしながら、高次の不整磁場に対する永久磁石の感度は小さい。そのため、高次の不整磁場を小さくするよりも、低次の磁場を小さくする方が容易である。多極成分の残差が最小化されるような永久磁石配置を探す最適化（１００ｐｐｍ以下となる範囲で高次の多極磁場を発生させて、多極磁場の合計値トータルを小さくする磁石配置）により、低い次数（１次～１９次）の不整磁場がゼロになっている。

　(磁石の実装)
　図１５は、本発明の第１実施形態の永久磁石装置を示す斜視図である。
　磁石モジュール６は、複数の永久磁石片２と、保持プレート４と、バックヨーク５とから構成されている。複数の永久磁石片２は、前記したように、複数列に亘って同心円状に配設されている。保持プレート４は、円柱形状の永久磁石片２が圧入や嵌入により嵌合する穴や貫通孔４ａが複数形成されている。保持プレート４は、アルミやステンレスなどの非磁性金属である。永久磁石片２が円柱形状であり、貫通孔４ａが円形であるので、永久磁石片２は、穴や貫通孔４ａに所定の回転角で嵌合する。なお、永久磁石片２は、貫通孔４ａに嵌入されなくても、所定角度で挿通後、接着しても構わない。

　バックヨーク５は、保持プレート４の外周に配設される鉄製の磁気シールドである。バックヨーク５は、漏洩磁場を低減したり、磁場評価空間１の磁場を増強したりする。なお、保持プレート４は、複数の溝を形成しておき、その溝に永久磁石片２を接着で固定しても構わない。また、永久磁石片２は、圧入・固定のしやすさを考え、僅かにテーパが形成された円錐台のような形状も有効である。

　ところで、実施例１，２では、直径１８ｍｍの永久磁石片２で演算したが、永久磁石片２は、一般に、直径５ｍｍ～３０ｍｍ、長さ１０ｍｍ～５０ｍｍである。永久磁石片２の直径は、磁場評価空間１の大きさや磁石モジュール６の大きさに応じて、適切に選択すれば構わない。特に、周方向の永久磁石片２の個数は、周期的磁場分布と対応するので、角度分割数が３２を超えるように、永久磁石片２の直径を選択するべきである。

　また、永久磁石片２の材料は、特に、指定されるものではないが、サマリウムコバルト磁石やネオジム磁石などの残留磁束密度(Ｂｒ)が高い磁石が好ましい。また、ビームロスなどにより、磁石の温度が上昇することが想定される場合には、保持力の大きなサマリウムコバルト磁石を使うのが好適である。また、減磁の影響が無視できる場合には、残留磁束密度(Ｂｒ)の大きなネオジム磁石を使うのが好ましい。

(永久磁石片２の配設手順)
　永久磁石片２は、保持プレート４にロボットにより配設される。永久磁石片２の磁化は、設置前や設置時に計測され、磁化強度の情報を元に配置最適化プログラム(図示せず)により、２（ｎ＋１）極磁場を形成するときの設置位置（ｆ，φ）と回転角度［（ｎ＋２）φ］が決定される。所望の任意の磁場分布が生成されるようにプログラムを構成することが可能であるから、同一の手段、手法、磁石を用いて任意の磁場を生成することが可能である。

　４極磁場（ｎ＝１）を発生させるためには、基本的な永久磁石片２の回転配置は３φ配置をベースとするものになり、６極磁場（ｎ＝２）の場合には、４φ配置をベースとするものになる。任意磁場が構成可能であるから、２極磁場と４極磁場との双方を発生させる機能結合型の磁石も構成することが可能である。

　図１６は、本発明の第１実施形態の永久磁石装置の磁場分布を補正するための補正方法を説明するためのフローチャートである。このルーチンは、永久磁石装置としての磁石モジュール６を製作するときに、作業者又は製造装置が実行する。
　まず、全ての永久磁石片２の磁化が計測され、そのデータが計算機に保存される（Ｓ１）。次に、計算機によって、目標磁場分布を発生させる最適配置が計算され、最内層からｎ列まで永久磁石片２が配置される（Ｓ２）。Ｓ２の後、磁場分布が計測され、目標値からのずれが評価される（Ｓ３）。Ｓ３の後、Ｓ３の評価に基づいて、所定の磁場分布になったか否か判定する（Ｓ４）。所定の磁場分布になっていないと判定されたら（Ｓ４でＮｏ）、目標磁場分布からのずれを補償する永久磁石片２の配置（例えば、回転角）が計算される（Ｓ５）。Ｓ５の後、ｍ列分の永久磁石片２が追加で配設される（Ｓ６）。例えば、ｍ＝１のとき、（ｎ＋１）列目（図１５参照）に永久磁石片２が追加される。Ｓ６の後、処理をＳ３に戻し、磁場分布が再計算され、目標値からのずれが評価される（Ｓ３）。Ｓ３の後、所定の磁場分布になっていたら（Ｓ４でＹｅｓ）、処理を終了する。

　以上説明したように、本実施形態の磁石モジュール６は、複数の永久磁石片２によって、構成されている。また、磁石モジュール６は、永久磁石片２の着磁にバラツキがあっても、永久磁石片２を適切に回転させることにより、所定の磁場分布を発生させることができる。つまり、本実施形態の磁石モジュール６は、以下の問題点が解消される。

　永久磁石片２は、製造上及び着磁の制約から、大型の永久磁石を製造することは困難であり、大空間を有する磁石装置を実現するためには、多数の小型の永久磁石を組み合わせて構成する必要がある。一つのブロックとして形成可能な永久磁石の大きさは数十ｍｍ立方程度であり、所定の磁場を発生させる磁石体とするために、特殊な形状に整形された磁石にそれぞれの磁石に対して適切な方向に着磁する必要がある。

　また、ビームに対して所定の作用をするように、磁場空間分布が形成される必要がある。所望の磁場分布に対し、１／１０００から１／１００００程度の磁場ひずみしか許容されない。しかしながら、永久磁石の着磁(残留磁束密度)は、７から１０パーセント程度のばらつきがあり、このばらつきは、磁場歪みの許容値に対して、桁違いに大きい。このため、永久磁石を用いて所定の磁場分布を形成するためには磁場補正手段が必要となる。しかしながら、磁石モジュール６は、永久磁石片２を回転調整することにより、所定の磁場分布を発生させることができる。

　一般に、ビーム調整のために発生磁場強度を調整する必要がある。電磁石の発生磁場強度は、通電電流の変化によって、容易に変化させることができるが、永久磁石の発生磁場強度は、固定されているので、調整困難である。しかしながら、磁石モジュール６は、円柱中心軸Ｏを中心に回転させることにより、適切な磁場強度を発生させることができる。

（第２実施形態：磁場発生装置)
　このように構成された磁石モジュール６の厚さは、永久磁石片２の長さで制限されてしまう。このため、軸長の長い磁場発生装置を構成する場合には、必要長さの分だけ磁石モジュール６を積層する。

　図１７は、本発明の第２実施形態である磁場発生装置の断面を示す図である。
　磁場発生装置２０は、積層された複数の磁石モジュール６（６ａ，６ｂ）と、磁石回転機構１６と、ビームダクト１３と、磁石端部磁気シールド１５と、ケース１４とを備えて構成される。

　磁石モジュール６（６ａ，６ｂ）は、精密な磁場分布が得られるように構成されている。このため、積層された複数の磁石モジュール６は、軸長の長い高精度に制御された磁場空間を発生させる。磁石回転機構１６は、磁石モジュール６（６ａ）を１枚毎に正方向に回転させ、隣接する他の磁石モジュール６（６ｂ）を逆方向に同一角度回転させるリンク機構である。つまり、複数の磁石モジュール６，６，・・・は、正方向に回転する磁石モジュール６ａと、逆方向に同一角度回転する磁石モジュール６ｂとが交互に積層されて構成されている。

　ビームダクト１３は、複数の磁石モジュール６，６，・・・の円柱状の空洞（磁場評価空間１）に配設され、ビームを通過させるダクトである。
磁石端部磁気シールド１５は、隣接する装置やビームに影響を与えないようにするための鉄製シールドである。なお、前記したように、磁石モジュール６は、外周部にバックヨーク５が設けられている。

(磁場強度可変)
　磁石モジュール６（６ａ，６ｂ）は、例えば、四極磁石として所望の磁場(この場合にはノーマル四極磁場のみ)を形成するように構成されている。磁石回転機構１６は、正立した状態から磁石モジュール６ａを右回りに回転させ、磁石モジュール６ｂを左回りに回転させる。
　磁石回転機構１６が磁石モジュール６（６ａ，６ｂ）をθだけ回転させると、それぞれの磁石モジュール６ａ，６ｂが発生するノーマル４極磁場強度もcosθ倍にさせられる。したがって、磁石モジュール６が積層された磁石全体としての発生磁場強度も、同様にcosθ倍となり、磁場強度が変化させられる。しかしながら、単純に磁石モジュール６を回転させるだけでは、回転に伴ってビーム輸送に不要なスキュー成分の４極磁場が元のノーマル４極磁場のsinθ倍の大きさで発生してしまう。

　そこで、隣接する磁石モジュール６ａ，６ｂを互い違いに逆方向に同一角度、回転させることにする。回転角度はθ、－θ、θ、－θのようになるが、cos(－θ)＝cosθに対して、sin(－θ)＝－sinθであるから、積層された磁石モジュール６ａ，６ｂではノーマル成分は同様にcosθ倍で強度が変化するのに対して、スキュー成分は打ち消し合うこととなる。

　また、磁石モジュール６の開口に比べて磁石モジュール６の厚さが１／１０程度となるように磁石を構成すれば、スキュー成分を十分にキャンセルできる。厚さがそうでなくとも一般にビーム輸送には積分磁場が重要なので問題にならないが、短いピッチでスキュー成分磁場を積分量としてキャンセルすることが好ましい。

　磁石の強度を変更してもビーム輸送に有害な誤差磁場が発生しないのは、磁場発生装置２０が高精度に磁場が形成された磁石モジュール６(それ単体が不要な磁場を発生していない)の組合せだからである。したがって、磁場発生装置２０は、磁石モジュール６の各々が高精度に磁場が形成された後に、組み立てられる必要がある。

（第２実施形態の変形例）
　フラックスのループがオープンになっている単体の磁石モジュール６の場合には、外周に設けたバックヨーク５は有効である。しかしながら、第２実施形態の磁場発生装置２０は、ハルバッハ配置なので外側に鉄製のバックヨーク５をつけても発生磁場はそれほど増強されない。なお、磁石が積層された磁場発生装置２０でも、バックヨーク５は、外部に磁場を漏らさないシールドとしての役割をする。

　図１８は、本発明の第２実施形態である磁場発生装置で使用される他の永久磁石装置の磁化方向と装置回転方向（正方向）を示す模式図であり、図１９は、本発明の第２実施形態である磁場発生装置で使用される他の永久磁石装置の磁化方向と装置回転方向（逆方向）を示す模式図である。

　永久磁石装置としての磁石モジュール１１，１２は、複数（例えば、４８枚）の略台形状の永久磁石片１７，１７，・・・が隣接接合して構成される。台形は、平行な対辺（底辺）と非平行な対辺（脚）とを備えたものである。つまり、磁石モジュール１１，１２は、永久磁石片１７の脚部１７ａが隣接する永久磁石片１７の脚部１７ａに接合されて構成されている。

　磁石モジュール１１，１２は、前記実施形態と同様に、位相角φに対して、磁化の方向が３φとなるように、構成されている。また、磁石モジュール１１（図１９）は、回転角γだけ右回転させたものであり、磁石モジュール１２（図１８）は、回転角γだけ左回転させたものである。

(第３実施形態)
　前記第２実施形態では、複数の磁石モジュール６（６ａ，６ｂ）が積層された磁場発生装置２０について説明し、磁石モジュール６（６ａ，６ｂ）の回転により、磁場強度を可変すると共に、スキュー成分がキャンセルされることについて説明した。以下、複数の磁石モジュール６，６，・・・を回転させる磁石回転機構１６（図１７）について説明する。

　図２０は、本発明の第３実施形態である磁場発生装置の磁石回転機構を説明する斜視図である。
　磁場発生装置２０は、積層された複数の磁石モジュール６，６，・・・と、４本のガイドローラ２１と、複数のリンク２２と、複数の回転微調整軸２３と、磁石回転レバー２４と、固定ねじ２５，２６とを備えて構成される。なお、複数のリンク２２と複数の回転微調整軸２３と磁石回転レバー２４とは磁石回転機構１６（図１７）を構成する。

　４本のガイドローラ２１は、位置ズレを防止しつつ、積層された磁石モジュール６を回転可能に保持する。複数のリンク２２（２２ａ，２２ｂ）は、磁石モジュール６の一枚ごとに設けられている。リンク２２は、一端が磁石モジュール６の周面に取り付けられおり、他端にナット２７が回動可能に取り付けられている。リンク２２ａは、磁石モジュール６ａに取り付けられており、リンク２２ｂは、磁石モジュール６ａに隣接する磁石モジュール６ｂに取り付けられている。

　回転微調整軸２３は、リンク２２ａのナット２７とリンク２２ｂのナット２７とを個別に回転させるように構成されている。このため、ナット２７がスライドし、磁石モジュール６ａ，６ｂが個別に回転させられる。したがって、回転微調整軸２３は、全ての磁石モジュール６ａ，６ｂの基準線（ｘ軸）を一致させることができる。つまり、回転微調整軸２３は、磁石モジュール６ａ、６ｂの初期角度（初期基準線）の微調整を可能とする。また、回転微調整軸２３を用いて、積層方向（磁場発生装置２０の軸方向）に回転角度分布を付けることが可能である。これにより、磁場発生装置２０は、ビーム輸送特性上、磁場強度分布を軸方向に持たせることができる。

　磁石回転レバー２４は、全ての回転微調整軸２３を上下に移動させるものである。これにより、リンク２２ａ，２２ｂが上下に移動するので、磁石モジュール６ａ，６ｂが初期基準位置から互いに逆方向に回転させられる。これにより、磁石回転レバー２４は、ノーマル成分を所望の強度にすることができる。固定ねじ２５，２６は、磁場調整後、磁石モジュール６ａ、６ｂの位置を固定するものである。

　（変形例）
　本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態の磁石モジュール６は、永久磁石片２を回転体である円柱形状にしたが、回転体（円柱、円錐台、回転楕円体等）でなくても、三角柱、四角柱、六角柱、八角柱等のｎ角柱であっても構わない。つまり、永久磁石片２は、回転軸３に対して回転対称であれば構わない。

（２）本発明の磁場発生装置は、磁場変更可能な任意の磁場分布を生成することが可能であり、特に、ビーム輸送用途の高精度の磁場分布を必要とする磁石用途に最適である。

１　磁場評価空間
２　永久磁石片
３　回転軸
４　保持プレート
５　バックヨーク(環状磁性体)
６，６ａ，６ｂ　磁石モジュール（永久磁石装置）
１１，１２　磁石モジュール(永久磁石装置)
１６　磁石回転機構
１７　永久磁石片
２０　磁場発生装置

Claims

　同一形状の複数の永久磁石片が円柱状の磁場評価空間を取り囲む様に配置されたことを特徴とする永久磁石装置であって、
　前記永久磁石片の磁化方向は、前記永久磁石片の環状配列の周方向成分を有している
ことを特徴とする永久磁石装置。
　複数の前記永久磁石片は、同心円状に多層構造に配列されている
ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石装置。
　複数の前記永久磁石片は、断面視で回転対称の柱状体であり、
　前記回転対称の回転軸の各々は、前記円柱状の磁場評価空間の円柱中心軸に平行である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石装置。
　前記永久磁石片の磁化方向は、ｎを０以上の整数としたとき、基準となる一の前記永久磁石片と前記円柱中心軸とを結ぶ基準線と他の永久磁石片、及び前記円柱中心軸を結ぶ線分との成す角の（ｎ＋２）倍の角度を修正した方向であり、
　前記修正した方向の修正角は、前記複数の永久磁石片の磁化のばらつきによる磁場分布を修正する角度に設定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石装置。
　前記永久磁石片は、回転体であり、
　複数の前記回転体を保持する保持プレートをさらに備え、
　複数の前記回転体は、前記修正角を満たした状態で嵌入又は接着されている
ことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石装置。
　前記永久磁石片は、回転体又は円錐台形状であり、
　複数の前記永久磁石片を保持する保持プレートをさらに備え、
　複数の前記永久磁石片は、前記保持プレートに嵌入されている
ことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石装置。
　前記保持プレートの外周に形成された環状磁性体をさらに有する
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の永久磁石装置。
　複数の前記永久磁石片は、断面視台形形状であり、前記永久磁石片の一方の脚部と隣接する永久磁石片の他方の脚部とが連接されて、円筒形状に配列されている
ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石装置。
　複数の前記永久磁石片は、前記円柱中心軸に対して垂直な面内で磁化されている
ことを特徴とする請求項３乃至請求項７の何れか一項に記載の永久磁石装置。
　請求項４乃至請求項９の何れか一項に記載の永久磁石装置が複数積層されている
ことを特徴とする磁場発生装置。
　前記永久磁石装置の各々を回転させる磁石回転機構をさらに備える
ことを特徴とする請求項１０に記載の磁場発生装置。
　隣接する前記永久磁石装置は、所定の初期基準位置から互いに逆向きとなるように回転させられる磁石装置ペアを構成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁場発生装置。
　隣接する前記永久磁石装置は、複数の磁石装置ペアを構成し、
　前記磁石装置ペアの各々は、同じ角度で回転させられる永久磁石装置と、該同じ角度で逆方向に回転させられる永久磁石装置とから構成される
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁場発生装置。
　磁場発生装置の軸方向に発生磁場強度分布を持つように、前記複数の磁石装置ペアは、積層方向に回転角度分布をつけられている
ことを特徴とする請求項１３に記載の磁場発生装置。