專利名稱：改進的多極磁鐵的制作方法
改進的多極磁鐵
本發(fā)明涉及改進的多極磁鐵，且更具體地，雖然不是排他地，涉及包括永久磁鐵并適合于使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)、聚焦或以另外方式改變帶電粒子束的特征的改進的多極磁鐵。
背景
多極磁鐵由多個磁極組成，且除了別的以外還用于在粒子加速器中使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)、聚焦或以另外方式改變帶電粒子束的特征。多極磁鐵可用于改變粒子束的總方向，使粒子束聚焦或散焦，或校正粒子束中的偏差。用于執(zhí)行這些任務(wù)的多極磁鐵的適合性在很大程度上由所存在的磁極的數(shù)量確定。具有四個磁極的四極磁鐵例如特別適合于使帶電粒子束聚焦和散焦。在現(xiàn)代粒子加速器束線中，可沿著單個束線部署數(shù)百個多極磁鐵。在所提出的未來的束線中，對于單個束線可能需要數(shù)千個多極磁鐵。
在多極磁鐵布置中使用的磁鐵可以是由卷繞在鐵磁極周圍的載流導線組成的電磁鐵或被內(nèi)在地磁化的永久磁鐵。
電磁鐵一般需要昂貴的電源，且也可能需要冷卻裝置來移除載流線圈所產(chǎn)生的熱。冷卻裝置可包括例如能夠使冷卻劑循環(huán)的管道工程系統(tǒng)或用于使冷卻的空氣循環(huán)的氣流系統(tǒng)。任何冷卻系統(tǒng)將引起與每個多極磁鐵相關(guān)的額外的設(shè)立和運行成本，且也將需要在多極磁鐵周圍的足夠空間，多極磁鐵在該空間中操作。
相反，永久磁鐵多極磁鐵不需要電源或冷卻系統(tǒng)。在US-A-2002/0158736(Gottschalk C.C.)中描述了永久磁鐵多極磁鐵的例子。Gottschalk多極磁鐵包括多個鐵磁極和相對于這些極可移動以在磁極之間產(chǎn)生可變磁場的一個或多個永久磁鐵。
本發(fā)明的目的是提供改進的多極磁鐵，其包括永久磁鐵且優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的多極磁鐵。
本公開的簡要概述
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)的多極磁鐵，其包括:
布置在極平面中的多個鐵磁極；
多個永久磁鐵,每個永久磁鐵具有磁化方向，且每個永久磁鐵布置成將磁通勢供應(yīng)到多個鐵磁極以在磁極之間的束線空間中沿著極平面產(chǎn)生磁場；以及
多個鐵磁通量傳導構(gòu)件，其布置成引導來自多個永久磁鐵中的至少一個的磁通量;
其中多極磁鐵包括偶數(shù)數(shù)量的鐵磁極，每個磁極布置成在極平面中沿著極軸與所述磁極中的另一個直徑地相對，其中多個永久磁鐵中的每個具有與其相關(guān)的多個磁極中的至少一個，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成至少45。的角。
在優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成小于或等于135°的角。在另一或可選的優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成75°的角。在另一可選的優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成至少90°的角。在另一可選的實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成120°的角。
在上面描述的實施方式中的任一個中，多極磁鐵能夠產(chǎn)生高質(zhì)量磁場，其不需要電源或冷卻系統(tǒng)，且可在最小體積內(nèi)被構(gòu)造。因此，多極磁鐵特別適合于用在束線中，其中空間被特別限制(例如在屏蔽的外罩例如隧道中)，或其中在周圍空間中的熱耗散的減少是約束。考慮到不需要電源，這些多極磁鐵中的很大數(shù)量的磁鐵與類似數(shù)量的電磁多極磁鐵比較可以以明顯更低的成本操作。
在優(yōu)選實施方式中，多個永久磁鐵和多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一個在極平面中相對于多個鐵磁極是可移動的，以便改變束線空間中的磁場的強度。這個優(yōu)選的特征給多極磁鐵提供可調(diào)節(jié)性，由此，通過控制多個永久磁鐵和多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一個的位移來控制束線空間中的磁通量密度。
優(yōu)選地，每個鐵磁通量傳導構(gòu)件處于與相關(guān)鐵磁極間隔開的布置中，且只有多個永久磁鐵在極平面中相對于鐵磁極是可移動的。
在可選的優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵在極平面中連同相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件相對于相關(guān)的鐵磁極是可移動的，使得在每個永久磁鐵和其相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件之間的相對運動實質(zhì)上不被允許。此外優(yōu)選地，多個永久磁鐵和多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一個沿著極平面沿著定向成相對于相關(guān)磁極的極軸成45°的角的路徑是可移動的。
在一個優(yōu)選的實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成大于45°和小于135°的角，且多個永久磁鐵中的每個與多個磁極之一相關(guān)；以及
鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括引導兩個相鄰磁極的永久磁鐵之間的磁通量的鐵磁橋。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)的多極磁鐵，其包括:
布置在極平面中的多個鐵磁極；
多個永久磁鐵，其布置成將磁通勢供應(yīng)到多個鐵磁極中的至少一個以在磁極之間的束線空間中沿著極平面產(chǎn)生磁場；以及
多個鐵磁通量傳導構(gòu)件，其布置成引導來自多個永久磁鐵中的至少一個的磁通量;
其中多個永久磁鐵和多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一個在極平面中相對于多個鐵磁極是可移動的，以便改變束線空間中的磁場的強度。
多極磁鐵因此能夠產(chǎn)生高質(zhì)量可調(diào)節(jié)磁場，其不需要外部電源或冷卻系統(tǒng)，且可在最小體積內(nèi)被構(gòu)造。因此，多極磁鐵特別適合于用在束線中，其中空間被特別限制(例如在屏蔽的外罩例如隧道中)，或其中在周圍空間中的熱耗散的減少是約束。考慮到不需要電源，這些多極磁鐵中的很大數(shù)量的磁鐵與類似數(shù)量的電磁多極磁鐵比較可以以明顯更低的成本操作。
優(yōu)選地，每個鐵磁通量傳導構(gòu)件處于與相關(guān)鐵磁極間隔開的布置中，且只有多個永久磁鐵在極平面中相對于鐵磁極是可移動的。
在可選的優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵在極平面中連同相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件相對于相關(guān)的鐵磁極是可移動的，使得在每個永久磁鐵和其相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件之間的相對運動實質(zhì)上不被允許。
在特別優(yōu)選的實施方式中，多極磁鐵包括偶數(shù)數(shù)量的鐵磁極，每個磁極布置成在極平面中沿著極軸與磁極中的另一個直徑地相對。優(yōu)選地，多個永久磁鐵和多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一個沿著極平面沿著被定向成相對于相關(guān)磁極的極軸成至少45°的角的路徑是可移動的。
在優(yōu)選實施方式中，多個永久磁鐵中的每個具有磁化方向，且每個永久磁鐵具有與其相關(guān)的、多個磁極中的至少一個，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成至少45°的角。
在優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成小于或等于135°的角。在另一或可選的優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成75°的角。在另一可選的優(yōu)選實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成至少90°的角。在另一可選的實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成120°的角。
在上面描述的實施方式中的任一個中，多極磁鐵能夠產(chǎn)生高質(zhì)量磁場，其不需要電源或冷卻系統(tǒng)，且可在最小體積內(nèi)被構(gòu)造。因此，多極磁鐵特別適合于用在束線中，其中空間被特別限制(例如在屏蔽的外罩例如隧道中)，或其中在周圍空間中的熱耗散的減少是約束?？紤]到不需要電源，這些多極磁鐵中的很大數(shù)量的磁鐵與類似數(shù)量的電磁多極磁鐵比較可以以明顯更低的成本操作。
在一個優(yōu)選的實施方式中，每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成大于45°和小于135°的角，且多個永久磁鐵中的每個與多個磁極之一相關(guān)；以及
鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括引導兩個相鄰磁極的永久磁鐵之間的磁通量的鐵磁橋。
當永久磁鐵遠離磁極移動時，較少的磁通量穿過磁極并進入束線空間中。永久磁鐵與通量傳導構(gòu)件的接近度提供用來減小束線空間中的磁通量密度的短路。因此，通量傳導構(gòu)件可移動而更接近于永久磁鐵，以便產(chǎn)生短路并減小束線空間中的磁場強度。永久磁鐵和通量傳導構(gòu)件的相對運動可產(chǎn)生也用于減小束線空間中的磁通量密度的空氣間隙。
在一個優(yōu)選的實施方式中，鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括與永久磁鐵中的至少一個相關(guān)的蓋以從其引導磁通量。
在另一或可選的優(yōu)選實施方式中，鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括圍繞極和永久磁鐵的不連續(xù)外殼。
在一些優(yōu)選實施方式中，鐵磁極和鐵磁通量傳導構(gòu)件的總數(shù)大于永久磁鐵的數(shù)量。
在另一或可選的優(yōu)選實施方式中，多極磁鐵是包括四個鐵磁極和兩個永久磁鐵的四極磁鐵，其中這兩個永久磁鐵中的每個與極中的兩個相關(guān)以向其供應(yīng)磁通勢。
附圖的簡要說明
在下文中參考附圖進一步描述本發(fā)明的實施方式，其中:


圖1是沿著根據(jù)本發(fā)明的實施方式的四極磁鐵的極平面的橫截面視圖2是沿著根據(jù)本發(fā)明的可選實施方式的四極磁鐵的單個象限的極平面的橫截面視圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一可選實施方式的四極磁鐵的單個象限的透視圖4是沿著根據(jù)本發(fā)明的另一可選實施方式的四極磁鐵的單個象限的極平面的橫截面視圖5是沿著根據(jù)本發(fā)明的另一可選實施方式的四極磁鐵的單個象限的極平面的橫截面視圖，其中磁通量的線也被示出；
圖6是沿著根據(jù)本發(fā)明的另一可選實施方式的四極磁鐵的單個象限的極平面的橫截面視圖7是沿著根據(jù)本發(fā)明的另一可選實施方式的四極磁鐵的單個象限的極平面的橫截面視圖8是沿著根據(jù)本發(fā)明的另一可選實施方式的四極磁鐵的四個完整的象限的極平面的橫截面視圖9是沿著根據(jù)本發(fā)明的實施方式的四極磁鐵的極平面的橫截面視圖，磁通量的線被示出；
圖10是指示圖9的四極磁鐵的束線空間中的磁通量密度相對于永久磁鐵的位移的變化的梯度曲線；
圖11和12是本發(fā)明的實施方式的另外的例子，且每個圖示出沿著四極磁鐵的單個象限的橫截面視圖；以及
圖13是指示圖4的四極磁鐵的束線空間中的磁通量密度相對于永久磁鐵和橋的位移的變化的梯度曲線。
詳細描述
雖然本發(fā)明通常涉及具有任何數(shù)量的極的多極磁鐵，它在下文中關(guān)于四極磁鐵，即，具有四個極的磁鐵而被描述。然而，本領(lǐng)域的讀者將認識到，本發(fā)明不限于四極磁鐵。本發(fā)明的實施方式可被設(shè)想為其它多極磁鐵，例如偶極、六極和八極。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的四極磁鐵10的橫截面視圖。四極磁鐵10由四個象限10a、b、C、d組成,其中每個象限10a、b、C、d包括鐵磁極12a、b、C、d和從每個磁極12a、b、c、d延伸的以極根13a、b、C、d的形式的鐵磁通量傳導構(gòu)件。圖1的橫截面視圖沿著四極磁鐵10的極平面被截取，該極平面被定義為，關(guān)于該平面，四極磁鐵是對稱的(即，進入頁面和從頁面出來)，且四極磁鐵10的所有極12a、b、c、d位于該平面中。在圖1中指示坐標系，其包括定義極平面的二維的X軸和y軸。第三z軸(未示出)垂直于X軸和y軸而延伸(即，進入頁面和從頁面出來)。
在極平面中，極12a和12c沿著第一極軸IOOac彼此直徑相對地布置，而極12b和12d沿著第二極軸IOObd彼此直徑相對地布置，其中第一極軸IOOac與極平面中的第二極軸IOObd正交。在極平面內(nèi)，四極12a、b、C、d定義其間的以第一和第二極軸lOOac、bd的交叉點200為中心的束線空間。在操作中，帶電粒子例如電子或正電子的粒子束穿過束線空間實質(zhì)上垂直于極平面，即，實質(zhì)上平行于z軸而行進。
可移動永久磁鐵14ab布置在兩個極根13a和13b之間，且實質(zhì)上相同的可移動永久磁鐵14cd布置在兩個極根13c和13d之間。在可選的實施方式中，永久磁鐵14ab和14cd中的每個可每個由彼此獨立地可移動的兩個或多個單獨的永久磁鐵構(gòu)成。此外,其它永久磁鐵可布置在多極磁鐵10周圍的其它位置上。因此，永久磁鐵的數(shù)量可以或可以不等于極的數(shù)量。
鐵磁通量傳導構(gòu)件16ab相對于交叉點200從極12a和12b徑向向外地布置。類似地，鐵磁通量傳導構(gòu)件16cd相對于交叉點200從極12c和12d徑向向外地布置。鐵磁通量傳導構(gòu)件16ab和16cd是鐵磁“蓋”，并在下面被更詳細地描述。在可選的實施方式中，通量傳導構(gòu)件16ab和16cd可每個由兩個單獨的蓋部件構(gòu)成。
在圖1所示的實施方式中，象限10a、b、c、d中的每個在結(jié)構(gòu)上與其它象限10a、b、c、d中的每個相同。為了方便起見，在下文中，本領(lǐng)域的讀者可假設(shè)關(guān)于象限IOa描述的四極磁鐵10的特征可被解釋為同等地可適用于四個象限10a、b、c、d中的任一個(除非另外說明)，其中相似的數(shù)字用于等效的特征，字母a、b、c和d表示分別相關(guān)的象限10a、10b、IOc和10d。在可選的實施方式中，象限可以不都彼此相同。實際上，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式的任何通用多極磁鐵中，極、永久磁鐵和鐵磁通量傳導構(gòu)件可彼此不同。
永久磁鐵14ab在整個象限IOa和IOb中布置以將磁通勢供應(yīng)到鐵磁極12a和12b(分別經(jīng)由極根13a和13b)以產(chǎn)生沿著極平面延伸到束線空間中的磁場，從而能夠使穿過其的帶電粒子束偏轉(zhuǎn)、聚焦或以另外方式改變帶電粒子束的一個或多個特征。極12a和12b被成形為提供在整個束線空間中的磁通量密度的所需空間變化。在本發(fā)明的可選實施方式中，極形狀可與圖1的極12a稍微不同以提供磁通量的不同分布。具有橫穿極平面的深度的極12a也將產(chǎn)生在極平面之外分布的磁通量(B卩，它將具有z分量)，雖然分布的廣度極大地取決于極12a的形狀和方位。在圖1所示的實施方式中，極12a遠離極根13a在x和y方向上朝著束線空間延伸。
鐵磁蓋16ab與極根13a間隔開，使得蓋16ab和極根13a彼此不接觸。蓋16ab布置成引導由永久磁鐵14ab產(chǎn)生的磁通量，且本身不是極。蓋16ab的目的是引導由永久磁鐵14ab產(chǎn)生的磁通量以減小束線空間中的磁場強度。蓋16ab越靠近永久磁鐵14ab，束線空間中的磁場強度就越弱。
永久磁鐵14ab在極平面內(nèi)沿著方向18ab (其平行于y軸并定向成相對于極軸IOOac成45° )是可移動的，以便改變永久磁鐵14ab與極12a和12b及極根13a和13b的相對距離以及永久磁鐵14ab與蓋16ab之間的相對距離。永久磁鐵14ab從可第一位置移動到第二位置，在第一位置，永久磁鐵14ab的第一表面(實質(zhì)上平行于y軸)接觸極根13a和13b (如圖1所示)中的每個的表面，在第二位置，永久磁鐵14ab的第二表面(實質(zhì)上平行于X軸)緊靠著蓋16ab的表面。在第一位置中，永久磁鐵14ab不與蓋16ab物理接觸,而在第二位置中，永久磁鐵14ab不與極根13a和13b物理接觸。然而，在第一和第二位置中，來自永久磁鐵14ab的磁通量穿透蓋16ab、極根13a和13b以及極12a和12b。永久磁鐵14ab與極根13a和13b的接觸表面形成滑動配合，使得第一和第二位置之間的運動是可能的。
永久磁鐵14ab沿著方向18ab的運動改變在蓋16ab、極根13a和13b以及極12a和12b中的磁通量的幅值，這最終改變整個束線空間中的磁通量。因此，可通過永久磁鐵14ab沿著方向18ab的運動來調(diào)節(jié)束線空間內(nèi)的磁場強度。相對于永久磁鐵14ab沿著方向18ab的位移,磁場強度梯度的剖面被發(fā)現(xiàn)取決于極12a和12b、極根13a和13b、永久磁鐵14ab以及蓋16ab中的每個的布置和幾何結(jié)構(gòu)。
以實質(zhì)上相同的方式，永久磁鐵14cd相對于蓋16cd、極根13c和13d以及極12c和12d是可移動的，以改變在整個束線空間中的磁通量的幅值。在圖1所示的實施方式中，極12a和極根13a形成單個主體，而在可選的實施方式中，極12a和極根13a可單獨地形成，使得極根13a相對于12a是可移動的。在另外的可選實施方式中，永久磁鐵14ab和14cd、極根13a、b、c、d以及蓋16ab、cd中的任一個或全部可布置成相對于極13a、b、c、d是可移動的，以改變在整個束線空間中的磁通量的幅值。
象限IOa和IOb形成磁通量的第一磁路，而象限IOc和IOd形成磁通量的第二磁路。由于象限IOa與象限IOb的成對以及象限IOc與IOd的成對，四極磁鐵10沿著極平面中的I軸延伸到比它沿著極平面中的X軸延伸更大的范圍。因此，圖1的四極磁鐵10具有在沿著極平面截取的橫截面中的通常矩形的剖面。在可選的實施方式中，極和象限(或更一般地，在其它多極磁鐵中的“扇區(qū)”)的其它成對在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的。因此，在整個極平面中其它形狀和幾何結(jié)構(gòu)是可能的。實際上，當與現(xiàn)有技術(shù)中的具有類似強度的多極磁鐵比較時，本發(fā)明允許具有適當強度和(可選地)可調(diào)節(jié)性的多極磁鐵在相對小的體積內(nèi)產(chǎn)生。
在下文中參考圖2到9描述了本發(fā)明的另外的實施方式，圖2到9示出被發(fā)現(xiàn)是特別有利的特定布置和幾何結(jié)構(gòu)的例子。為了方便起見，參考四極磁鐵的單個象限描述了另外的實施方式，然而，所有描述的特征可適用于四極磁鐵的相應(yīng)象限。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的四極磁鐵的可選實施方式的象限20a。與圖1所示的實施方式一樣，象限20a包括形成有極根23a或連接到極根23a的靜止鐵磁極22a、垂直地與極根23a間隔開的靜止鐵磁蓋26a、以及沿著方向28a (平行于y軸)相對于極22a、極根23a和蓋26a可移動的永久磁鐵24ab的部分(因為它延伸到象限20b中)。在該實施方式中，額外的鐵磁通量傳導構(gòu)件27a存在于象限20a(以及還有其它象限)中，鐵磁通量傳導構(gòu)件27a也是沿著方向28a相對于極22a、極根23a和蓋26a可移動的。永久磁鐵24ab和通量傳導構(gòu)件27a可一起移動以當靠著極根23a移動時形成與極根23a的兩個互補側(cè)的緊密配合。永久磁鐵24ab具有磁化的方向(或磁化方向)25ab，永久磁鐵24ab的磁矩處于沿著該磁化方向的狀態(tài)。磁化方向處于平行于與極軸IOOac形成角Θ (=45° )的磁化軸25ab’的狀態(tài)，如圖2所示。為了避免疑惑，角Θ正對與磁化軸25ab和極軸IOOac都交叉的抽象線，其至少部分地位于象限20b中。類似地,象限20b中的角Θ正對與磁化軸25ab和極軸IOObd都交叉的抽象線，其至少部分地位于象限20a中。等效地，在象限20c中的角Θ將是正對與磁化軸25cd和極軸IOOac都交叉的抽象線的角，其至少部分地位于象限20d中；以及在象限20d中的角Θ將是正對與磁化軸25cd和極軸IOObd都交叉的抽象線的角，其至少部分地位于象限20c中。
圖3示出另一可選的象限30a，其包括形成有或連接到極根33a的靜止鐵磁極32a、以與極32a和極根33a間隔開的L形外殼零件39a的形式的靜止鐵磁通量傳導構(gòu)件、以及沿著方向38a (平行于y軸)相對于極32a和外殼零件39a可移動的永久磁鐵34ab的部分。當一起考慮四個象限30a、b、C、d (未示出)時,夕卜殼零件39a、b、C、d在極平面中的極32a、b、c、d周圍形成不連續(xù)的外殼39。由于外殼零件在相應(yīng)的極根之上或之下延伸,可考慮合并圖1所不的蓋16ab、cd。通量傳導構(gòu)件可包括蓋16ab、cd和L形外殼零件,或可如圖3所示整體地形成。
在圖1到2所示的任一實施方式中，除了或代替永久磁鐵14ab、24ab,鐵磁通量傳導構(gòu)件16a、26a可移動，以改變束線空間中的磁場強度的幅值。在通量傳導構(gòu)件16a、26a和永久磁鐵14ab、24ab都移動的情況下，它們可彼此獨立地這么做，使得在其間的相對運動被允許，或它們可以一起這么做，使得在其間相對運動不被允許。
圖4到7示出本發(fā)明的另外的優(yōu)選實施方式，其展示永久磁鐵的磁化方向可如何相對于極軸被定向的幾個例子。
在圖4中，示出了象限40a，其包括鐵磁極42a和連接的極根43a、鐵磁通量傳導構(gòu)件47ab和沿著極平面布置于其間的永久磁鐵44a。在本實施方式中，象限40a包含單個永久磁鐵44a，且等效的象限40b、C、d將分別包含實質(zhì)上相同的永久磁鐵44b、C、d。永久磁鐵44a被定向成使得在極平面中，永久磁鐵44a的磁化軸45’相對于極42a的極軸IOOac形成Θ的角(=95° )。鐵磁通量傳導構(gòu)件47ab在整個這兩個象限40a和40b中延伸，并在其間形成磁性“橋”。橋40a、b布置在相應(yīng)的永久磁鐵之間的間隙中。每個橋40a、b可由一個或多個鐵磁部件形成。在圖4所不的實施方式中，永久磁鐵44a和橋47ab可連同橋47ab的其余部分(在象限40b中)和永久磁鐵44b —起沿著方向48a相對于極42a和極根43a是可移動的。
圖5示出類似于圖4的象限40a的象限50a，其包括形成有或連接到極根53a的鐵磁極52a、鐵磁橋57a和沿著極平面布置在其間的永久磁鐵54a。再次,在極平面中,永久磁鐵54a的磁化方向55a與極42a的極軸IOOac形成一個角。圖5示出由永久磁鐵54a產(chǎn)生的磁通量300的線，其展示它們穿透過的在鐵磁極52a、極根53a和橋57a中的分布。圖6示出包括鐵磁極62a、鐵磁橋67a和沿著極平面布置在其間的永久磁鐵64a的可選的象限60a。永久磁鐵64a的磁化方向65a’與極平面中的極軸IOOac形成Θ (=120° )的角。圖7示出另一可選的象限70a。再次，象限70a包括鐵磁極72a、鐵磁橋77a和在極平面中布置在其間的永久磁鐵74a。在該實施方式中,永久磁鐵74a的磁化方向75a’與極中的極軸IOOac 形成 Θ (=75° )的角。
在圖4到7的實施方式中，極42a、52a、62a、72a每個連接到極根43a、532a、632a、73a，然而由于永久磁鐵44a、54a、64a、74a的相對方位，與圖1到3的實施方式的極12a、22a,32a比較，極根43a、53a、63a、73a和極42a、52a、62a、72a之間的差別較不明確。
伴有或不伴有永久磁鐵的橋部分的運動產(chǎn)生空氣間隙，其具有減小束線空間中的磁場的強度的效應(yīng)。
優(yōu)選地,永久磁鐵和/或通量傳導構(gòu)件相對于極和極根是可移動的(雖然極根也可以是可移動的)。在特別優(yōu)選的實施方式中，通量傳導構(gòu)件(例如，橋)和永久磁鐵可一起移動，使得在其間的相對運動不被允許。優(yōu)選地，通量傳導構(gòu)件和永久磁鐵沿著極平面的運動的方向相對于極軸成45° (即，在圖4到7中所示的實施方式中平行于y軸)。在任一實施方式中，永久磁鐵和/或通量傳導構(gòu)件的運動可由安裝到多極磁鐵的一個或多個電動機驅(qū)動。在可選的實施方式中，可移動部分可通過任何適當?shù)闹聞訕?gòu)件移動，并且可以是例如液壓或氣動的。移動永久磁鐵和/或通量傳導構(gòu)件所需的力將取決于永久磁鐵的磁場強度和磁化方向、極、永久磁鐵和通量傳導構(gòu)件的相對方位、以及永久磁鐵和/或通量傳導構(gòu)件的運動方向。
永久磁性材料通常被已知在拉力下是機械上差的。因此，為了提高本發(fā)明的永久磁鐵的機械強度，一個或多個鋼板可由膠或任何其它適當?shù)恼掣窖b置粘附到永久磁鐵。這在永久磁鐵相對于磁極機械地移動時最小化了永久磁鐵在結(jié)構(gòu)上被損壞的風險。粘附裝置可此外或可選地包括纏繞在鋼板和永久磁鐵周圍的帶子。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的四極磁鐵80的可選實施方式的四個象限80a、b、C、d的完整橫截面。圖8所示的實施方式在很大程度上類似于圖1所示的實施方式，只不過圖8的實施方式包括四個分開的蓋86a、b、c、d且另外包括四個外殼零件89a、b、c、d (其都是鐵磁通量傳導構(gòu)件)，形成具有圍繞極82a、b、C、d的蓋86a、b、C、d的連續(xù)外殼。雖然蓋86a、b、C、d相對于極82a、b、C、d是可移動的,外殼零件89a、b、C、d不是。當永久磁鐵84ab、84cd移動到完全從極根93a、b、C、d出來的位置(且可能與蓋86a、b、C、d接觸)時,外殼89a、b、c、d實際上使來自永久磁鐵84ab、84cd的磁通量“短路”。此外，外殼89a、b、C、d幫助減少在四極磁鐵80外部的雜散場的量。
圖9示出四極磁鐵90 (沒有示出蓋或外殼零件)的類似實施方式，并指示磁通量300的線。如上所述，永久磁鐵94ab和94cd產(chǎn)生磁通勢，其產(chǎn)生極92a和92b以及92c和92d之間的通量回路。極對之間的通量回路彼此不隔離，但沿著圖9中所指示的線300流動，使得該回路連接所有極92a、b、c、d并穿過束線空間。
圖10示出束線空間中的磁場強度相對于圖9的永久磁鐵平行于方向98的位移的變化的曲線。如可從圖10中看到的，當永久磁鐵遠離磁極移動得更遠時，束線空間中的磁場強度降低，如可預(yù)期的。然而，從圖10中也可看到，當永久磁鐵移動時，本發(fā)明的布置有利地允許束線空間中的磁場強度的平穩(wěn)和穩(wěn)定的變化。在圖11和12中示出本發(fā)明的另外的實施方式，每個圖示出四極磁鐵的象限(分別是IlOa和120a)。在圖11中，在磁化軸115a’和極軸IOOac之間的角Θ是90°。在圖12的實施方式中，在磁化軸125a’和極軸IOOac之間的角Θ是135°。這兩個實施方式都包括橋117ab和127ab，其分別完成象限IlOa和IlOb以及120a和120b之間的磁路。
圖13示出束線空間中的磁場強度相對于圖4的永久磁鐵平行于方向48的位移的變化的曲線。與圖10 的曲線形成對比的是，在圖13的曲線中的磁場強度響應(yīng)于永久磁鐵44a從極42a的初始位移而下降得更劇烈，當永久磁鐵44a的絕對位移增加時，下降的速率逐漸降低。然而始終，磁場強度的變化是平穩(wěn)的。與現(xiàn)有技術(shù)的多極磁鐵比較，上面描述的實施方式允許多極磁鐵產(chǎn)生高度可調(diào)節(jié)的磁場。作為上述布置和幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)果，本發(fā)明提供生產(chǎn)可產(chǎn)生高質(zhì)量可調(diào)節(jié)磁場的多極磁鐵的可能性，所述多極磁鐵與現(xiàn)有技術(shù)多極磁鐵比較在體積上相對緊湊。當考慮在很多粒子加速器所存在于的受限空間例如隧道中的多極磁鐵的使用時，這特別重要。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施方式中，多極磁鐵沿著極平面的最大尺寸小于預(yù)定的尺寸，例如390mm。本發(fā)明的特征允許這個尺寸的多極磁鐵能夠產(chǎn)生足夠強度的可調(diào)節(jié)磁場。
自始至終在本說明書的描述和權(quán)利要求中，詞“鐵磁”及其變形與術(shù)語“軟磁的”和“在磁性上是可穿透的”是同義的，并且指至少 ο μ。的合理地高的磁導率，其中μ。是自由空間的磁導率。為了本發(fā)明的目的，一種適當?shù)蔫F磁材料是鋼，然而也可使用其它適當?shù)蔫F磁材料。
自始至終在本說明書的描述和權(quán)利要求中，為了本申請的目的，詞“磁場強度”和“場振幅”及這些術(shù)語的變形實質(zhì)上等效于磁通量密度，而不考慮其空間分布。
自始至終在本說明書的描述和權(quán)利要求中，詞“包括”和“包含”及它們的變形意指“包括但不限于”，且它們并不是用來(且不)排除其它成分、添加齊U、部件、整體或步驟。自始至終在本說明書的描述和權(quán)利要求中，單數(shù)包括復(fù)數(shù)，除非另外要求。特別是，在不定冠詞被使用的場合，說明書應(yīng)被理解為設(shè)想復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文另外要求。
結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實施方式或例子描述的特征、整體、特性、化合物、化學成分或族應(yīng)被理解為可適用于本文所述的任何其它方面、實施方式或例子，除非與其不相容。在本說明書(包括任何附隨的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征和/或這樣公開的任何方法或過程的所有步驟可以按任何組合來組合，除了這樣的特征和/或步驟中的至少一些相互排他的組合以外。本發(fā)明不限于任何前述實施方式的細節(jié)。本發(fā)明擴展到任何新穎的發(fā)明或在本說明書(包括任何附隨的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的特征的任何新穎的組合，或任何新穎的發(fā)明或這樣公開的任何方法或過程的步驟的任何新穎的組合。
讀者的注意力目的在于與關(guān)于本申請的本說明書同時或在本說明書之前提交的且對本說明書的公眾查閱開放的所有文件和文檔，且所有這樣的文件和文檔的內(nèi)容通過弓I用被并入。
權(quán)利要求
1.一種用于使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)的多極磁鐵，包括: 多個鐵磁極，其布置在極平面中； 多個永久磁鐵，每個永久磁鐵具有磁化方向，且每個永久磁鐵布置成將磁通勢供應(yīng)到所述多個鐵磁極，以在所述磁極之間的束線空間中沿著磁極平面產(chǎn)生磁場；以及 多個鐵磁通量傳導構(gòu)件，其布置成引導來自所述多個永久磁鐵中的至少一個的磁通量; 其中所述多極磁鐵包括偶數(shù)數(shù)量的鐵磁極，每個磁極布置成在所述磁極平面中沿著極軸與所述磁極中的另一個直徑地相對，其中所述多個永久磁鐵中的每個與所述多個磁極中的至少一個相關(guān)，且每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成至少45°的角。
2.如權(quán)利要求1所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成小于或等于135°的角。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成75°的角。
4.如權(quán)利要求1或2所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成至少90°的角。
5.如權(quán)利要求4所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極 軸成120°的角。
6.如任一前述權(quán)利要求所述的多極磁鐵，其中所述多個永久磁鐵和所述多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一個在所述磁極平面中相對于所述多個鐵磁極是可移動的，以便改變所述束線空間中的磁場的強度。
7.如權(quán)利要求6所述的多極磁鐵，其中每個鐵磁通量傳導構(gòu)件處于與相關(guān)鐵磁極的間隔開的布置中，且只有所述多個永久磁鐵在所述磁極平面中相對于所述鐵磁極是可移動的。
8.如權(quán)利要求6所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵在所述磁極平面中連同相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件相對于相關(guān)的鐵磁極是可移動的，使得在每個永久磁鐵和其相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件之間的相對運動實質(zhì)上不被允許。
9.如權(quán)利要求6或8所述的多極磁鐵，其中所述多個永久磁鐵和所述多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的所述至少一個沿著所述磁極平面沿著定向成相對于所述相關(guān)磁極的極軸成45°的角的路徑是可移動的。
10.如權(quán)利要求2或如當從屬于權(quán)利要求2時的權(quán)利要求3到9中的任一項所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成大于45°的角，且所述多個永久磁鐵中的每個與所述多個磁極之一相關(guān)；以及 所述鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括引導兩個相鄰磁極的永久磁鐵之間的磁通量的鐵磁橋。
11.一種用于使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)的多極磁鐵，包括: 多個鐵磁極，其布置在極平面中； 多個永久磁鐵，其布置成將磁通勢供應(yīng)到所述多個鐵磁極中的至少一個，以在所述磁極之間的束線空間中沿著磁極平面產(chǎn)生磁場；以及多個鐵磁通量傳導構(gòu)件，其布置成引導來自所述多個永久磁鐵中的至少一個的磁通量; 其中所述多個永久磁鐵和所述多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一個在所述磁極平面中相對于所述多個鐵磁極是可移動的，以便改變所述束線空間中的磁場的強度。
12.如權(quán)利要求11所述的多極磁鐵，其中每個鐵磁通量傳導構(gòu)件處于與相關(guān)鐵磁極間隔開的布置中，且只有所述多個永久磁鐵在所述磁極平面中相對于所述鐵磁極是可移動的。
13.如權(quán)利要求11所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵在所述磁極平面中連同相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件相對于相關(guān)的鐵磁極是可移動的，使得在每個永久磁鐵和其相關(guān)的鐵磁通量傳導構(gòu)件之間的相對運動實質(zhì)上不被允許。
14.如權(quán)利要求11或13所述的多極磁鐵，包括偶數(shù)數(shù)量的鐵磁極，每個磁極布置成在所述磁極平面中沿著極軸與所述磁極中的另一個直徑地相對。
15.如權(quán)利要求14所述的多極磁鐵，其中所述多個永久磁鐵和所述多個鐵磁通量傳導構(gòu)件中的所述至少一個沿著所述磁極平面沿著定向成相對于相關(guān)磁極的極軸成至少45°的角的路徑是可移動的。
16.如權(quán)利要求14或15所述的多極磁鐵，其中所述多個永久磁鐵中的每個具有磁化方向，且每個永久磁鐵具有與其相關(guān)的、所述多個磁極中的至少一個，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成至少45°的角。
17.如權(quán)利要求16所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁 極的極軸成小于或等于135°的角。
18.如權(quán)利要求16或17所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成75°的角。
19.如權(quán)利要求16或17所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成至少90°的角。
20.如權(quán)利要求19所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成120°的角。
21.如權(quán)利要求17或如從屬于權(quán)利要求17時的權(quán)利要求18到20中的任一項所述的多極磁鐵，其中每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在所述磁極平面中相對于所述相關(guān)磁極的極軸成大于45°的角，且所述多個永久磁鐵中的每個與所述多個磁極之一相關(guān)；以及 所述鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括引導兩個相鄰磁極的永久磁鐵之間的磁通量的鐵磁橋。
22.如任一前述權(quán)利要求所述的多極磁鐵，其中所述鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括與所述永久磁鐵中的至少一個永久磁鐵相關(guān)的蓋，以弓I導來自該至少一個永久磁鐵的磁通量。
23.如任一前述權(quán)利要求所述的多極磁鐵,其中所述鐵磁通量傳導構(gòu)件中的至少一些包括圍繞所述磁極和所述永久磁鐵的不連續(xù)外殼。
24.如任一前述權(quán)利要求所述的多極磁鐵，其中鐵磁極和鐵磁通量傳導構(gòu)件的總數(shù)大于永久磁鐵的數(shù)量。
25.如任一前述權(quán)利要求所述的多極磁鐵，其中所述多極磁鐵是包括四個鐵磁極和兩個永久磁鐵的四極磁鐵，其中所述兩個永久磁鐵中的每個與所述磁極中的兩個相關(guān)以向其供應(yīng)磁通勢。
26.如權(quán)利要求1到24中的任一項所述的多極磁鐵，其中所述多極磁鐵是包括四個鐵磁極和四個永久磁鐵的四極磁鐵，其中所述永久磁鐵中的每個與所述磁極中的一個相關(guān)以向其供應(yīng)磁通勢。
27.一種實質(zhì)上如在上文中參考附圖描述的用 于使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)的多極磁鐵。
全文摘要
用于使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)的多極磁鐵包括布置在極平面中的多個鐵磁極；多個永久磁鐵，每個永久磁鐵具有磁化方向，且每個永久磁鐵布置成將磁通勢供應(yīng)到所述多個鐵磁極以在所述磁極之間的束線空間中沿著所述磁極平面產(chǎn)生磁場；以及多個鐵磁通量傳導構(gòu)件，其布置成引導來自多個永久磁鐵中的至少一個的磁通量；其中多極磁鐵包括偶數(shù)數(shù)量的鐵磁極，每個磁極布置成在極平面中沿著極軸與所述磁極中的另一個直徑地相對，其中多個永久磁鐵中的每個與多個磁極中的至少一個相關(guān)，且每個永久磁鐵的磁化方向被定向成在極平面中相對于相關(guān)磁極的極軸成至少45°的角。
文檔編號H01F7/20GK103155720SQ201180048194
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
發(fā)明者詹姆士·安東尼·克拉克, 本杰明·約翰·亞瑟·謝佛德, 尼爾·馬科斯, 諾伯特·科洛姆 申請人:科學技術(shù)設(shè)備委員會