偶極環磁場產生器的制作方法

本發明涉及偶極環磁場產生器。
背景技術：
：典型的偶極環磁場產生器包括多個永磁塊，這些永磁塊排列成環，各永磁塊的磁化方向在該環的半個圓周上旋轉一圈，從而在內部空間產生大致單向磁場，其中每個永磁塊和該單向磁場具有相同的磁場強度。這種偶極環磁場產生器被廣泛地應用，包括磁共振成像儀(MRI)、半導體器件制造工藝、用于基礎研究的均勻磁場產生器(例如JP2005-56903A)。傳統上，正常導電的電磁體、超導電磁體等被用作用來產生單軸均勻磁場的手段。然而，在例如1T以下的低磁場的應用中，高性能的稀土永磁體的最新發展正導致稀土永磁體(下文中可簡稱為“永磁體”或“磁體”)主要地被用作均勻磁場產生器。參照圖4說明傳統的偶極環磁場產生器、該產生器所包含的永磁塊等。圖4展示了在垂直于傳統偶極環磁場產生器6的中心軸的平面上的示意剖視圖。傳統偶極環磁場產生器6包括多個永磁塊701至724以及圍繞著永磁塊的外緣磁軛8。例如，使用每個具有近似梯形形狀或扇形形狀的Nd-Fe-B基、Sm-Co基或Sm-N-Fe基稀土永磁體作為圖4中的永磁塊701至724。此外，使用環形鐵磁或非磁性材料作為外緣磁軛8。磁場產生器所包含的磁體的分割個數，即永磁塊的個數，可以是大約四個到大約六十個。考慮到高的磁效率和簡單的電路制造，永磁塊的個數通常在大約十二到大約三十六之間的范圍內選擇。圖4展示二十四個分塊的實施例。在徑向方向上以特定的周期分別磁化永磁塊701至724。相對于磁場產生器6所包含的圓環的中心軸彼此完全相反的永磁塊以彼此360度的角度差來磁化。相鄰的永磁體通常由公式(1)和(2)表示的角度差來磁化。其中“θn”表示第n個磁體的磁化方向，“N”表示磁路的分割個數(自然數)，以及“n”表示區段編號(自然數)。作為上述磁體配置的結果，在偶極環磁場產生器6的圓環的內部空間中產生大致單向磁場，如具有圖4中主磁場分量(A)方向的磁場。如果將在偶極環磁場產生器6的圓環的內部空間產生的圖4中X軸方向上的主磁場分量(A)的方向定義為零度，那么在內部空間的任何給定點的磁場矢量的角度(下文中可簡稱為“傾斜角”)在內部空間的中心幾乎是零度，而由于磁場產生器的特性，磁場矢量的角度向著磁場產生器的內壁趨于惡化，即增大。當使用典型的偶極環磁場產生器時，具有大的傾斜角的磁場分量常常被認為是雜質，即噪聲。特別是圖4中垂直于磁場產生器的中心軸的平面上的傾斜角分量(B)被認為顯著影響在比如半導體襯底等的制造工藝中生產的元件的性能。由于這個原因，要求把傾斜角分量(B)控制在最小值。技術實現要素：通常認為，除非偶極環磁場產生器所包含的永磁塊在如圖4所示的垂直于磁場產生器的中心軸的平面上的截面具有扇形形狀或近似扇形形狀的梯形形狀，否則無法產生具有足夠強度和提高均勻性的磁場并且無法獲得減小的傾斜角。另一方面，永磁體，例如稀土永磁體，是通過粉末冶金工藝制造的，因此希望以截面為矩形形狀生產永磁體，比如整體上是長方體(柱狀形狀)，以提高效率。具有不同截面形狀的永磁體，比如扇形形狀或梯形形狀，導致低產率，促使成本更高。諸如稀土永磁體等各向異性磁體的磁化方向是在制造過程中通過在磁場內形成來確定的。例如，Nd-Fe-B基磁體在磁化方向和非磁化方向之間具有明顯不同的收縮比，所以具有長方體形狀的磁 體的磁化方向主要選擇為平行于某一邊。更具體來說，如果以沿著磁體截面的矩形形狀的一邊磁化磁體的方式形成磁體，那么可以將磁體燒結后的形變控制為最小。例如，對于內部空間中的磁場均勻性不是很重要但是磁場的高方向性，即低傾斜角，是主要關心內容的磁場產生器，希望通過僅使用具有矩形截面的磁體而不是通過使用包含有不同形狀的磁塊的梯形磁體，例如傳統的偶極環磁場產生器中的梯形磁體，以簡單的方式和低成本來配置設備的磁路。因此，本發明的目的是提供一種偶極環磁場產生器，該偶極環產生器包括具有矩形的簡化截面形狀的永磁塊并且能夠在環的內部空間產生大致單向磁場，而不使用會導致高成本的具有扇形或梯形截面的傳統永磁塊。本發明人為解決上述問題進行了認真地研究，發現通過采用矩形截面形狀的由偶極環磁場產生器所包含的永磁塊并且把這些具有矩形截面形狀的永磁塊安排在預定位置上可以減小偶極環磁場產生器的傾斜角，從而完成本發明。本發明涉及偶極環磁場產生器，包括：圓柱形磁軛，其中在所述圓柱形磁軛的內圓周和外圓周之間的圓周方向上環形地設置有至少四個磁體內插孔，各所述磁體內插孔的深度方向平行于所述圓柱形磁軛的中心軸；以及至少四個永磁單元，其插入到所述至少四個磁體內插孔，所述偶極環磁場產生器適合于在所述圓柱形磁軛的內部空間中在所述圓柱形磁軛的徑向方向上產生大致單向磁場，其中，在將所述中心軸定義為Z軸，將垂直于所述中心軸的截面中的垂直于Z軸并且平行于所述單向磁場的軸定義為X軸，并且將垂直于Z軸和X軸的軸定義為Y軸的情況下，所述至少四個永磁單元排列成使得它們在所述截面中的形狀關于作為對稱軸的X軸呈線對稱并且關于作為對稱軸的Y軸呈線對稱，所述至少四個永磁單元中的每一個包括一個或多個永磁塊，每 一個永磁塊在所述截面中的形狀為矩形，關于每一個永磁單元，所述一個或多個永磁塊具有相同的磁化方向，所述磁化方向平行或垂直于所述矩形的邊，并且所述一個或多個永磁塊排列成使得所述至少四個永磁單元中每一個在所述截面中的磁化方向關于作為對稱軸的X軸呈線對稱，所述至少四個永磁單元包括第一、第二、第三和第四永磁單元，并且在所述截面中將與所述單向磁場方向相同的X軸的正方向定義為0°和360°，從X軸的正方向起，往逆時針方向，將Y軸的正方向定義為90°，將X軸的負方向定義為180°，并且將Y軸的負方向為270°的情況下，(i)所述第一永磁單元配置在0°到20°和340°到360°的范圍內，所述第二永磁單元配置在70°到110°的范圍內，所述第三永磁單元配置在160°到200°的范圍內，以及所述第四永磁單元配置在250°到290°的范圍內，(ii)所述第一和第三永磁單元中每一個所包含的所述一個或多個永磁塊是平行于Y軸線性排列的五個以上的永磁塊，所述第二和第四永磁單元中每一個所包含的所述一個或多個永磁塊是平行于X軸線性排列的五個以上的永磁塊，所述第一到第四永磁單元中每一個所包含的所述一個或多個永磁塊中每一個的所述矩形的邊平行或垂直于X軸，(iii)所述第一和第三永磁單元中每一個所包含的所述五個以上的永磁塊的磁化方向都與所述單向磁場的磁化方向相同，并且所述第二和第四永磁單元中每一個所包含的所述五個以上的永磁塊的磁化方向都與所述單向磁場的磁化方向相反，以及(iv)所述第一到第四永磁單元中每一個具有如下結構：關于所述永磁單元中的每一個所包含的所述五個以上的永磁塊，在兩端的永磁塊比其余的永磁塊更加向所述內部空間突出。根據本發明，多個具有矩形截面的永磁塊相組合并且布置在預定位置，以形成偶極環磁場產生器。這使得與傳統的偶極環磁場產生器相比，能夠以低成本生產偶極環磁場產生器并且能夠提高方向 性，即，實現傾斜角減小。附圖說明圖1展示根據本發明的偶極環磁場產生器(1)在垂直于其中心軸的平面上的示意剖視圖，其中箭頭“A”代表所產生的磁場的主磁場分量的方向，在永磁塊(201到240)上的箭頭代表永磁塊的磁化方向；圖2A展示了根據本發明的偶極環磁場產生器在垂直于其中心軸的平面上的示意剖視圖，以及圖2B展示了根據本發明的偶極環磁場產生器在穿過其中心軸的平面上的示意剖視圖；圖3展示了本發明的實施例中的偶極環磁場產生器在垂直于其中心軸的平面上的示意剖視圖；以及圖4展示了傳統偶極環磁場產生器在垂直于其中心軸的平面上的示意剖視圖，其中箭頭“A”代表所產生的磁場的主磁場分量的方向，箭頭“B”代表傾斜角分量的方向，永磁塊(701到724)上的箭頭代表永磁塊的磁化方向。具體實施方式根據本發明，在垂直于偶極環磁場產生器中心軸的平面上具有矩形截面(在下文中可簡稱為“截面”)，并且具有平行或垂直于該矩形截面的邊的磁化方向的多個永磁塊環形地排列在圓柱形磁軛的內圓周和外圓周之間的預定范圍內的位置上。在本發明中使用的所有永磁塊優選具有矩形截面。相比于包含具有扇形或梯形截面并且具有由上述公式(1)和(2)的規則限定的磁化方向的永磁塊的傳統偶極環磁場產生器，能夠以較低的成本高效地生產包含具有矩形截面并且具有平行或垂直于該矩形截面的邊的磁化方向的永磁塊的能夠產生單向磁場的偶極環磁場產生器。在根據本發明的偶極環磁場產生器(下文中可簡稱為“磁場產生器”)中，要求將具有矩形截面的多個永磁塊排列在磁場產生器中預定范圍內的位置上，以產生具有高方向性和減小的傾斜角的單 軸磁場。將參照圖1和圖2解釋本發明的實施例中的磁場產生器中永磁塊的位置等。然而，本發明不限于該實施例。如圖1和圖2所示，通過將磁場產生器中心軸(即磁軛的中心軸)定義為Z軸，將垂直于Z軸并且平行于在磁場產生器內部空間中產生的大致單向磁場(對應于NS磁場的方向，即，主磁場分量的方向“A”)的軸定義為磁場產生器的垂直于中心軸的截面上的X軸，以及將垂直于Z軸和X軸(對應于EW方向)的軸定義為Y軸，來解釋永磁塊的位置等。為了產生具有高方向性的單軸磁場，必須精確地確定永磁塊的位置。同時，永磁塊對稱地放置，使得一旦確定了一些永磁塊的位置，其他永磁塊的位置也將被明確地確定。磁體位置的對稱性明顯有助于減小傾斜角。更具體地說，永磁塊被布置為，在平行于與磁場產生器中心軸垂直的平面(XY平面)的截面上，關于X軸和Y軸對稱。例如，一旦只確定了圖2的右上區域所示出的正方形虛線框包圍的部分的永磁塊的位置，剩下區域內的永磁塊的位置也可以被確定。此外，永磁塊最好布置為關于每個基準(X軸、Y軸和Z軸中的至少一個)都對稱。在該磁場產生器的截面中，關于每個基準對稱的布置包括，例如，(I)相同形狀(尺寸)的永磁塊以其磁化方向在平行于X軸的方向上相同而在平行于Y軸的方向上相反的方式布置在關于X軸呈線對稱的位置，以及(II)相同形狀(尺寸)的永磁塊以其磁化方向在平行于X軸的方向上相同而在平行于Y軸的方向上相反的方式的放置在關于Y軸呈線對稱的位置。也就是說，永磁塊布置為使得截面上的形狀(尺寸)關于作為對稱軸的X軸呈線對稱并且關于作為對稱軸的Y軸也呈線對稱，并且截面上的磁化方向關于作為對稱軸的X軸呈線對稱。圖1中示出實施例中的永磁塊的大概位置，但是這些位置根據磁場產生器的尺寸、所需磁場強度和所需磁場均勻性水平等而變化。如圖1所示，永磁塊的磁化方向最好是磁場產生器的徑向方向或圓周方向(即圓柱形磁軛的外圓周的切線方向)。對于每一個永磁單元，永磁塊的磁化方向是相同的，這將稍后討論。此外，正如 稍后將討論到的，例如可以通過最優化計算來確定對應于每個磁體的更具體位置和尺寸的值、對應于每個磁體的磁場大小和磁化方向的值、使用的磁體的數量等。此外，在磁場產生器的實施例中，一個或多個永磁塊適當地結合來構成一個永磁單元，并且至少四個這樣的永磁單元在圓柱形磁軛的內圓周和外圓周之間的圓周方向上環形地排列。在磁場產生器的截面中提供的永磁單元的數量優選為4到24，更優選為8到16，盡管其理想數量根據磁場產生器的尺寸、所需磁場強度和所需磁場均勻性等而變化。更進一步地，在截面中，每個永磁單元所包含的永磁塊的數量優選為1到10，更優選為3到6。在磁場產生器的截面中提供的永磁塊的總數優選為20到240，更優選為24到100。在如圖1所示實施例中，在截面中，作為主永磁單元401到404和輔助永磁單元505到512的12個永磁單元，在磁軛的內圓周和外圓周之間的圓周方向上環形排列，并且每一個永磁單元包括一到六個永磁塊(201到240)。在截面中永磁塊的總數是四十。這些永磁單元最好布置為關于每個基準(X軸、Y軸和Z軸中的至少一個)對稱。永磁單元關于每個基準對稱的布置與前述永磁塊的情況中的(I)和(II)相同。更具體地說，如前述永磁塊的情況，在平行于與磁場產生器的中心軸垂直的平面(XY平面)的截面中，永磁塊以其磁化方向關于作為對稱軸的X軸呈線對稱的方式布置為使得其形狀(尺寸)關于作為對稱軸的X軸呈線對稱并且也關于作為對稱軸的Y軸呈線對稱。此外，對于每個永磁單元來說，每個永磁單元所包含的一個或多個永磁塊的磁場方向是相同的。磁場產生器包括至少四個永磁單元(第一、第二、第三和第四永磁單元401到404)，這些永磁單元在圓柱形磁軛的圓周方向上環形排列。第一、第二、第三和第四永磁單元是磁場產生器所包含的必不可少的永磁單元(主永磁單元)并且具有以下特征(i)到(iv)。第一、第二、第三和第四永磁單元的磁化方向平行于在內部空間中產生的磁場的單一徑向方向，使得這些永磁單元對于產生具有高方向性的單軸磁場是必不可少的。其中具有與單向磁場的方向相同的 磁化方向的第一和第三永磁單元尤其重要。(i)第一到第四永磁單元的位置例如，關于圖1中平行于磁場產生器1的XY平面的截面，如果將與在磁場產生器內產生的單向磁場的方向相同的X軸的正方向定義為0°和360°，并且從該X軸的正方向起，往逆時針方向，將Y軸的正方向定義為90°，將X軸的負方向定義為180°，將Y軸的負方向定義為270°，則第一永磁單元(401)配置在0°到20°和340°到360°的范圍內，第二永磁單元(402)配置在70°到110°的范圍內，第三永磁單元(403)配置在160°到200°的范圍內，第四永磁單元(404)配置在250°到290°的范圍。換句話說，第一永磁單元(401)和第三永磁單元(403)關于中心軸彼此相反地配置，第二永磁單元(402)和第四永磁單元(404)關于中心軸彼此相反地配置。在此情況下，關于角度的詞組“配置在…范圍內”意思是每一個永磁單元所包含的所有永磁塊都布置在關于平行于磁場產生器的XY平面的截面的磁軛的內圓周和外圓周之間的前述角度范圍內的位置。(ii)第一到第四永磁單元所包含的磁塊第一和第三永磁單元(401和403)中每一個包括平行于Y軸呈線性排列的五個以上，優選五個到十個永磁塊。第一和第三永磁單元排列的方向垂直于這些永磁單元所包含的永磁塊的磁化方向。此外，第一和第三永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊排列成使得這些永磁塊的每個磁化方向與單向磁場的方向相同。另一方面，第二和第四永磁單元(402和404)中每一個包括平行于X軸呈線性排列的五個以上，優選五個到十個永磁塊。第二和第四永磁單元排列的方向平行于這些永磁單元所包含的永磁塊的磁化方向。此外，第二和第四永磁單元所包含的永磁塊排列成使得這些永磁塊的每個磁化方向與單向磁場的方向相反。如果作為主永磁單元的第一到第四永磁單元中的每一個如上文所述包括五個以上的磁體，則可以增強內部空間中產生的磁場的強度。相比于單個永磁塊，具有調整尺寸的五個以上的永磁塊的結合使傾斜角更加容易調整。另外，不需要讓單個矩形磁體具有極高的寬高比，這有利于制造。在圖1 中所示的實施例中，第一到第四永磁單元中每一個所包含的磁塊的數量是六個。如上文所述，第一到第四永磁單元中每一個所包含的一個或多個永磁塊都具有矩形截面，并且排列成使得矩形的每一邊平行或垂直于X軸。(iii)第一到第四永磁單元的磁化方向第一和第三永磁單元(401和403)中每一個所包含的五個以上的永磁塊布置為使得它們的磁化方向都與在磁場產生器的內部空間中產生的單向磁場的磁化方向，即X軸的正方向相同。此外，第二和第四永磁單元(402和404)中每一個所包含的五個以上的永磁塊布置為使得它們的磁化方向與在磁場產生器的內部空間中產生的單向磁場的磁化方向，即X軸的負方向相反。關于第一到第四永磁單元，相鄰的永磁單元(例如，第一永磁單元和第二永磁單元)布置為使得它們的磁化方向彼此相差180°。(iv)第一到第四永磁單元的形狀第一、第二、第三和第四永磁單元(401、402、403和404)中每一個具有這樣結構：關于每一個永磁單元所包含的五個以上的永磁塊，兩端的永磁塊比其余永磁塊更加向內部空間突出。換句話說，配置在X軸或Y軸上并且關于中心軸彼此相反放置的一對永磁單元，更具體來說，第一和第三永磁單元對或第二和第四永磁單元對，可具有彼此相對的凹形。作為選擇，這樣的永磁單元對可具有彼此相對的E形。該E形具有這樣的結構：關于每一個永磁單元所包含的五個以上的永磁塊，至少位于中心的一個永磁塊比除了兩端和中心以外的永磁塊更加向內部空間突出，但是不如兩端的永磁塊突出。當所述五個以上的永磁塊是奇數時，所述在中心的至少一個永磁塊優選是一個永磁塊，而當所述五個以上的永磁塊是偶數時，所述在中心的至少一個永磁塊優選是兩個永磁塊。在圖1中所示的實施例中，第一到第四永磁單元具有E形。將第一、第二、第三和第四永磁單元配置成凹形或E形以使兩端徑向向內突出，這使得可以確保磁通量的單向性并獲得減小的傾斜角。在兩端和中心的永磁塊僅在磁場產生器的徑向上向內突出，而不在徑向上向外突出。這意味著 第一到第四永磁單元在徑向上的外側是平坦的，并且僅在徑向上的內側是不平的。這是因為調整永磁單元在產生磁場的內部空間側的形狀會對磁場的變化施加更多的影響。對于第一、第二、第三和第四永磁單元中的每一個，兩端的永磁塊突出多少是沒有具體限制的。關于第一和第三永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊，兩端的永磁塊的平行于X軸的每一邊優選具有第一和第三永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊的平行于X軸的每一邊的平均長度(100％)的101％到150％的長度，更優選110％到140％的長度。此外，關于第二和第四永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊，兩端的永磁塊的平行于Y軸的每一邊優選地具有第二和第四永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊的平行于Y軸的每一邊的平均長度(100％)的101％到150％的長度，更優選110％到140％的長度。在此情況下，平行于X軸或Y軸的每一邊的平均長度是指每個永磁單元所包含的所有五個以上的永磁塊(包括兩端的永磁塊)中所有平行于X軸或Y軸的邊的平均長度。此外，在E形的永磁單元的情況中，在所述五個以上的永磁塊中處于中心的所述至少一個永磁塊不如兩端的永磁塊更向內部空間突出，但是比中心和兩端以外的永磁塊更向內部空間突出。更具體地說，關于第一和第三永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊，處于中心的至少一個永磁塊的平行于X軸的每一邊優選地具有第一和第三永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊的平行于X軸的每一邊的平均長度(100％)的80％到140％的長度，更優選90％到130％的長度。另外，關于第二和第四永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊，處于中心的至少一個永磁塊的平行于Y軸的每一邊優選地具有第二和第四永磁單元中每一個所包含的五個以上的永磁塊的平行于Y軸的每一邊的平均長度(100％)的80％到140％的長度，更優選90％到130％的長度。在此情況下，平行于X軸或Y軸的每一邊的平均長度是每一個永磁單元所包含的五個以上的永磁塊(包括兩端和中心的永磁塊)中所有平行于X軸或Y軸的 邊的平均長度。由于通過包含比位于中心的至少一個永磁塊更突出的兩端的永磁塊的長度來計算平均長度，所以位于中心的至少一個永磁塊的長度可以比所述五個以上的永磁塊的平均長度短。此外，第一、第二、第三或第四永磁單元不限于僅兩端的永磁塊突出的凹形，或兩端和中心的永磁塊都突出的E形，也可以是具有更多凹陷和凸起的形狀。凹陷或凸起的數量可以適當調整，以便減小傾斜角。即使使用具有更多凹陷和凸起的形狀時，從減小傾斜角的觀點來看，在所有永磁塊中兩端的永磁塊在徑向上最向內突出的形狀也是優選的。為了減小傾斜角和提高磁場強度，除了第一、第二、第三和第四永磁單元的主永磁單元外，優選還布置輔助永磁單元。輔助永磁單元適當放置在第一、第二、第三和第四永磁單元之間，以便獲得期望的低傾斜角。更具體地說，在截面的圓周方向上，在主永磁單元之間的每個間隔內優選放置一個到四個輔助永磁單元，最好是兩個或三個輔助永磁單元。可以考慮到磁場的期望強度或傾斜角的期望減小量，適當地調整磁場產生器的整個截面中輔助永磁單元的總數。輔助永磁單元的總數優選地是4到16個，更優選地是8到12個。每一個輔助永磁單元包括一個或多個永磁塊。永磁塊的數量優選地是1到5個，更優選地是1到3個。放置輔助永磁單元來微調傾斜角或磁場強度，使得每個輔助永磁單元不必包括多個永磁塊。例如，每個輔助永磁單元可包含一個永磁塊。另一方面，第一到第四主永磁單元由于它們的位置而與傾斜角的減小或產生的磁場強度密切相關，第一到第四主永磁單元優選比輔助永磁單元(例如第五到第十二永磁單元)包括更多的永磁塊。優選地，輔助永磁單元還配置為使得在截面上它們的形狀(尺寸)相對于作為對稱軸的X軸呈線對稱，以及相對于作為對稱軸的Y軸也呈線對稱，并且在截面上它們的磁化方向相對于作為對稱軸的X軸呈線對稱。在圖1的實施例中，除了四個主永磁單元(第一、第二、第三和第四永磁單元401到404)以外，還配置了八個輔助永磁單元(第五到第十二永磁單元505到512)。在截面的圓周方向上，在主永磁 單元之間的每個間隔內布置第五到第十二輔助永磁單元中的兩個。每個輔助永磁單元包括一個或三個永磁塊并且適當地布置在可獲得期望的低傾斜角的位置上。更具體來說，在圖1的實施例中，第五永磁單元布置在25°到35°的范圍內，第六永磁單元布置在45°到65°的范圍內，第七永磁單元布置在115°到135°的范圍內，第八永磁單元布置在145°到155°的范圍內，第九永磁單元布置在205°到215°的范圍內，第十永磁單元布置在225°到245°的范圍內，第十一永磁單元布置在295°到315°的范圍內，第十二永磁單元布置在325°到335°的范圍內。但是，永磁單元的布置不局限于此。為了減小傾斜角，第五、第八、第九和第十二輔助永磁單元中每一個包括一個永磁塊，并且布置在第一和第三主永磁單元每一側，而第六、第七、第十和第十一輔助永磁單元中的每一個包括三個永磁塊，并且布置在第二和第四主永磁單元的每一側。根據要減小傾斜角的內部空間的形狀和尺寸，適當地選擇輔助永磁單元的位置和輔助永磁單元所包含的永磁塊的數量。在磁場產生器的徑向或圓周方向(即磁軛的外圓周的切線方向)上磁化輔助永磁單元。更具體來說，位于第一主永磁單元兩側的輔助永磁單元(第五和第十二輔助永磁單元)在徑向往外的方向上磁化，其中該第一主永磁單元與在內部空間中產生的單向磁場具有相同的磁化方向。位于第二主永磁單元兩側的輔助永磁單元(第六和第七輔助永磁單元)在與該單向磁場的方向相反的切線方向上磁化，其中該第二主永磁單元與在內部空間中產生的單向磁場具有相反的磁化方向。位于第三主永磁單元兩側的輔助永磁單元(第八和第九輔助永磁單元)在徑向往內的方向上向著內部空間磁化，其中該第三主永磁單元與在內部空間中產生的單向磁場具有相同的磁化方向。位于第四主永磁單元兩側的輔助永磁單元(第十和第十一輔助永磁單元)在與該單向磁場的方向相反的切線方向上磁化，其中該第四主永磁單元與在內部空間中產生的單向磁場具有相反的磁化方向。對于每個輔助永磁單元來說，每個輔助永磁單元所包含的一個或多個永磁塊也在相同的方向上磁化。可以通過使用各種類型的數學編程方法，比如準牛頓(quasi-Newton)法或搜索法，更詳細地確定永磁塊的尺寸和位置以及永磁塊的磁場的大小和磁化方向等。例如，可以使用優化計算來確定每個具有長方體或立方體形狀的永磁塊的縱向和橫向尺寸和厚度以及每個永磁塊的位置。用于優化計算的優化技術可以包括各種類型的數學編程方法，其中非線性編程方法，比如準牛頓法或搜索法，是優選使用的。可以結合兩種以上的優化技術來避免局部最優解或縮短計算時間。優化計算的因素可以是在磁場產生器的內部空間中的傾斜角，tan-1(By/Bx)，并且可以確定設計變量以獲得傾斜角的最小值。在此，Bx和By分別代表磁場產生器產生的磁場的X軸方向磁場分量(主磁場分量)和Y軸方向磁場分量(傾斜角分量)。設計變量是1)磁體尺寸：(縱向尺寸：磁化方向)乘以(橫向尺寸：非磁化方向)乘以(厚度：Z軸方向上的高度)，以及2)磁體位置：由到磁場產生器的中心軸的半徑和與在內部空間產生的磁場的被定義為零度的方向所成的角度θ確定。可以針對每一個永磁塊確定該設計變量。連接多個永磁塊使生產磁場產生器變得更容易，從而更好地增加連接有三個或更多個永磁塊的磁體單元的數量。但是，如果可以減小傾斜角的話，也可使用包括一個永磁塊的永磁單元或包括兩個相連的永磁塊的磁體單元。該磁場產生器可以進一步包括可選的一個或更多永磁塊或者可選的一個或多個永磁單元，比如關于X軸或Y軸不對稱的永磁塊或永磁單元，只要它們不影響傾斜角減小即可。該磁場產生器所使用的永磁塊可包括Nd-Fe-B基、Sm-Co基、Sm-N-Fe基等的稀土永磁體，這些與傳統偶極環磁場產生器中的永磁體相同。更具體地說，相對便宜而且具有高磁能積的Nd-Fe-B基永磁體更適宜使用，但是永磁塊不限于此。如上文所述，整個永磁塊制呈現長方體或立方體(棱柱狀)的形狀。換句話說，在垂直于磁場產生器中心軸的平面上，每個永磁塊的截面形狀(圖1至3中所示的形狀)是矩形的。“矩形的”一詞可以是長方形或正方形。優選地，磁場產生器所包含的所有永磁塊都 具有矩形的截面。每個永磁塊的尺寸是這樣的，在垂直于磁場產生器的中心軸的平面上，它的矩形截面的每一邊優選地是50mm或更小，更優選地是5mm到40mm，進一步優選地是5mm到30mm。具有上述尺寸的矩形截面的兩個以上的永磁塊相結合使得形成具有期望的尺寸和形狀的永磁單元成為可能。每個永磁塊的矩形截面的長邊長度與短邊長度的長寬比可分別地適當調整，同時保持期望的傾斜角減小。從生產的角度來看，矩形的長邊長度與短邊長度的比值優選地是1:1到8:1，并且考慮到磁化方向的分辨率，更優選地是1.1:1到4:1。與上文所述同樣的方式，每個永磁塊在軸向方向的長度優選地是50mm以下，更優選地是5mm到45mm。多個具有這樣長度的永磁塊可在軸向方向上排列，這樣，例如，永磁塊可以在磁場產生器的軸向方向上從一端延伸到另一端(從一個開口到另一個開口)。從生產的角度來看，所有永磁塊在軸向方向的長度最好是相同的。例如，在圖2B中所示實施例中，在軸向方向上具有相同截面形狀和相同長度的六個永磁塊在軸向方向上從磁場產生器的一個開口排列到另一個開口。不是必須從磁場產生器的一端到另一端布置永磁塊，并且可以只在需要在內部空間產生磁場的部分中在軸向方向上布置永磁體。可以根據所需的磁場強度、磁場產生器的內徑和外徑等在上述范圍內適當調整永磁塊的具體尺寸。所有永磁塊都布置為安裝在磁軛的內圓周和外圓周之間，即容納在磁軛內。此外，每個永磁塊的磁化方向平行或垂直于矩形截面的每一邊。這使得可以容易地加工永磁塊，從而可以降低加工成本。永磁塊配置在其中的圓柱形磁軛可以由非磁性材料制成。非磁性材料可以包括但不限于鋁和不銹鋼(SUS)。基于上述永磁塊的布置，將非磁性材料用于磁軛可以保持磁場的方向性。磁軛具有圓柱形形狀。可以根據所需的磁場強度、與安裝在磁場產生器的內部或外部的裝置的關系等確定圓柱形磁軛的內徑和外徑。例如，磁軛的內徑被選擇為允許將使用在內部空間產生的磁場的裝置能插入其中。磁軛具有至少四個磁體插入孔(至少與截面中的永磁單元的 數量相同)，這些磁體插入孔平行于磁軛中心軸，在圓周方向上呈環形設置在磁軛的內圓周和外圓周之間。優選地，這些磁體插入孔被形成為從具有一個開口的一端貫通到具有另一個開口的另一端的貫穿孔。作為選擇，這些磁體插入孔可以形成為只穿過磁軛的一端而不穿過另一端，只要這些永磁塊能插入其中即可的。作為進一步的選擇，這些磁體插入孔可以形成為不穿過端部(形成為存在于磁軛內部的孔)。在本說明書中，磁場產生器的中心軸和磁軛的中心軸指的是相同的軸。此外，磁場產生器的中心點和磁軛的中心點指的是相同的點，該點在磁場產生器和磁軛的中心軸上并且被認為是中心軸方向上的中點。可以通過把每個永磁單元所包含的一個或更多永磁塊插入到磁軛的每個磁體插入孔并且把插入的永磁塊固定到磁軛來生產磁場產生器。可以例如使用裝配工具根據傳統方法將永磁塊插入到磁軛中。可以將一個或多個永磁塊結合在一起以提前制備每個永磁單元，然后可以將永磁單元插入到磁場產生器的磁體插入孔。可以例如使用公知的粘合劑將永磁塊結合在一起。把插入的永磁塊或永磁單元固定到磁軛上的方法是沒有具體限制的。例如，粘合劑或螺栓可用于固定。例如，如圖1中所示，同一永磁單元所包含的多個永磁塊結合到稱作背板310的單一非磁性板，以構成要插入的永磁單元。在此情況下，背板310放置在所述多個永磁塊的外徑側。將要插入的永磁單元磁化，然后插入到磁軛的磁體插入孔中。例如，將導軌裝配到磁軛，并且沿著導軌將永磁單元插入到磁體插入孔中。可選擇地，可以由與磁軛連接的定位螺栓等通過導軌推動每個永磁單元，以把永磁單元放置在孔內的預定位置。如果永磁單元在軸向方向上是分開的，那么可以對多個分開部分執行相同的操作。可以在背板上提前設置螺孔，該螺孔可以與設置在磁軛中的磁體插入孔匹配，通過螺栓將背板固定到磁軛，從而把永磁單元固定在預定位置。此外，如圖1中的320所示，在同一永磁單元包含的多個永磁塊的內徑側還可以設置蓋。在需要增加磁軛3的內徑或者在需要保護組裝過程中 的磁體的情況下，可以通過設置蓋320防止磁體的內徑側暴露來保護磁體。與背板一樣，要求蓋是非磁性的。背板和蓋的材料可包括鋁合金、非磁性不銹鋼、黃銅和樹脂。可以結合多個永磁塊用來制作永磁單元，并且在磁化之前將背板和封中的一個或二者結合到永磁單元，然后磁化并且插入到磁軛3中。可以根據要插入的永磁單元中背板或蓋的存在與否適當調整磁軛中磁體插入孔的大小。如上所述，該磁場產生器包括圓柱形磁軛和環形排列在磁軛內部，即在圓周方向上磁軛的內圓周和外圓周之間的多個永磁塊。可以根據所需的磁場強度，通過增加永磁體相對于磁軛的占用比來增強磁場強度。例如，可以通過增加截面中永磁單元的數量和/或永磁塊的數量來增加具有指定的內徑和外徑的磁軛的截面中被矩形磁塊占有的面積。為進一步增強磁場強度，增加永磁單元和/或永磁塊在軸向方向上的長度也是有效的。利用上述配置，通過僅使用具有矩形截面的永磁塊，就可以在磁場產生器的內部空間中產生大致單向磁場。在根據本發明的磁場產生器中，整個內部空間內傾斜角可以減小。可以如下確定磁場產生器的環的內部空間中隨機挑選的位置的傾斜角。傾斜角[deg]＝tan-1(By/Bx),其中Bx表示主磁場的X軸方向磁場分量，By表示副磁場的Y軸方向磁場分量。可以使用特斯拉計來測量每個磁場分量，其中該特斯拉計采用霍爾元件。在單軸霍爾元件的情況中，可以通過將方向改變90度執行兩次測量來測量X和Y分量。最近，包括多個元件的測量裝置是可得到的，該測量裝置能夠通過單個探頭同時測量三個分量，也就是，X、Y和Z分量。在磁場產生器的內部空間中隨機挑選的位置的傾斜角(deg)優選地是在-2°到2°范圍內，最優選地是在-1°到1°的范圍內。傾斜角不必在磁場產生器的內部空間中的每個位置都是小的并落在前述范圍內。至少在靠近內部空間中心的空間內的隨機挑選的位置，要求傾斜角落在前述范圍內。更具體來說，靠近中心的空間是指例如 在內部空間中定義的并且與圓柱形磁軛具有相同的中心軸和相同的中心點的圓柱形空間，該圓柱形空間的直徑是磁軛的整個內部直徑的50％以下，軸向方向的長度是磁軛在軸向方向上全長的20％以下。換句話說，在所定義的圓柱形空間內最大傾斜角[deg]最好落在前述的范圍內。由于該磁場產生器的特性，傾斜角向著磁場產生器的內壁，也就是向著內部空間的外徑側，趨于增大，并且向著內部空間的中心趨于減小。因此，如果在上文定義的圓柱形空間以外的外徑側的內部空間中測得的傾斜角落在前述優選范圍內，那么可以說在上文定義的圓柱形空間內隨機挑選的位置的傾斜角也落在前述優選范圍內。根據本發明，該磁場產生器是具有環形布置的多個永磁塊并且在環的內部空間中能夠產生大致單向磁場的偶極環磁場產生器，與傳統的偶極環磁場產生器一樣，該磁場產生器適用于廣泛的應用。根據本發明，該磁場產生器可被用作比如磁共振成像儀(MRI)；用于對例如在半導體器件制作工藝中使用的半導體晶片等基片的表面執行預定處理的等離子體處理設備；以及用于基礎研究的均勻磁場產生裝置。此外，能夠低成本制造和具有較小傾斜角的特性，使得該磁場產生器特別適合于高精度等離子體控制或磁性薄膜定向。實例<實例1>在實例1中，制作了圖3中所示的偶極環磁場產生器。圖3展示在垂直于中心軸并穿過磁場產生器的中心點的平面上的偶極環磁場產生器的示意剖視圖。使用具有矩形截面(整體形狀是長方體)的釹基燒結的稀土磁體(信越化學有限公司的N45，1.28T的磁力)。非磁性材料(不銹鋼，SUS304)用于磁軛。磁軛是圓柱形，并且具有500mm的外徑，430mm的內徑和648mm的深度(軸向方向的長度)。如圖3所示，位于關于中心軸相反的兩側的一對永磁單元之間的距離是490mm，該距離是從一個永磁單元的外徑側的一邊到另一 個永磁單元的外徑側的一邊的最短距離。把永磁塊結合用以制作每個永磁單元，然后每個單元被磁化并且插入到磁軛的磁體插入孔中。結果是，永磁單元所包含的永磁塊合并到磁軛中，來組裝實際的磁場產生器。圖3中的磁體布局和圖1中的磁體布局相同，所以在圖3中省略了一些附圖標記。關于圖3中磁場產生器所包含的四十個永磁塊201至240當中布置在X軸正方向和Y軸正方向的磁塊(201至210)，每個永磁塊的縱向尺寸和橫向尺寸在下表1中列出。縱向尺寸是平行于每個磁塊的磁化方向的方向上的尺寸，而橫向尺寸是垂直于每個磁塊的磁化方向的方向上的尺寸。每個磁塊的厚度固定在36mm，該厚度是磁場產生器的深度方向上的長度。十八個磁塊布置在深度方向上，用以匹配磁場產生器的深度(648mm)。磁塊的磁化方向平行或垂直于每個磁塊的每一邊，并且在圖3中由畫在磁塊上的箭頭來表示。如圖3所示，磁塊關于X軸和Y軸對稱地布置，使得四十個磁塊(201至240)作為整體環形地排列。如圖3所示，四十個永磁塊201至240單獨地或者由三個或六個組合成第一到第十二永磁單元來使用，它們是第一到第四主永磁單元401至404和第五到第十二輔助永磁單元505至512；并且布置在磁軛3中，更具體地說，布置在磁軛3的內圓周和外圓周之間。永磁塊是這樣放置的，第一永磁單元(401)落在0°至20°范圍內和340°至360°范圍內，第二永磁單元(402)落在70°至110°范圍內，第三永磁單元(403)落在160°至200°范圍內，第四永磁單元(404)落在250°至290°范圍內。在此，與磁場產生器內產生的單向磁場的方向相同的方向上的X軸的正方向被定義為0°和360°，并且作為逆時針方向的角度θ，Y軸的正方向被定義為90°，X軸的負方向被定義為180°，Y軸的負方向被定義為270°。此外，第一和第三永磁單元中每一個包括六個平行于Y軸線性排列的永磁塊，而第二和第四永磁單元中每一個包括六個平行于X軸線性排列的永磁塊。第一和第三永磁單元所包含的永磁塊的磁化方向與內部空間內產生的單向磁場的方向完全相同，而第二和第四永磁單元所包含的永磁塊的磁化 方向與內部空間內產生的單向磁場的方向完全相反。第一、第二、第三和第四永磁單元中每一個具有的結構是，關于每個永磁單元所包含的六個永磁塊，在兩端的兩個永磁塊比其他永磁塊更加向內部空間突出。另外，處于中心的兩個永磁塊比除了兩端的永磁塊以外的其他永磁塊更加向內部空間突出。這樣，處于中心的兩個永磁塊不如兩端的永磁塊突出。更具體來說，關于包括磁塊201、202、203、238、239和240的第一永磁單元401，位于兩端的磁塊203和238具有35mm的縱向長度(在磁化方向上，在此情況中是X軸方向)，與它們相鄰的磁塊202和239具有14mm的縱向長度(在磁化方向上，在此情況中是X軸方向)，位于中心的磁塊201和240具有26mm的縱向長度(在磁化方向上，在此情況中是X軸方向)(見表1)。這樣，第一永磁單元401配置為E形，其中在它的兩端和中心處存在向著內部空間的凸起。這同樣適用于第二、第三和第四永磁體402、403和404。此外，第五至第十二永磁單元505至512布置在如圖3中所示的位置。由于在圖3中省略一些附圖標記，所以關于永磁單元的附圖標記還應該參考圖1。尤其是，各自包括一個永磁塊的第五和第十二永磁單元(505和512)布置在第一永磁單元401的圓周方向上的兩側。各自包括三個永磁塊的第六和第七永磁單元(506和507)布置在第二永磁單元402的圓周方向上的兩側。各自包括一個永磁塊的第八和第九永磁單元(508和509)布置在第三永磁單元403的圓周方向上的兩側。各自包括三個永磁塊的第十和第十一永磁單元(510和511)布置在第四永磁單元404的圓周方向上的兩側。具體地，在磁軛3的內圓周和外圓周之間的永磁單元是這樣放置的，第五永磁單元(505)落在25°至35°的范圍內，第六永磁單元(506)落在45°至65°的范圍內，第七永磁單元(507)落在115°至135°的范圍內，第八永磁單元(508)落在145°至155°的范圍內，第九永磁單元(509)落在205°至215°的范圍內，第十永磁單元(510)落在225°至245°的范圍內，第十一永磁單元(511)落在295°至315°的范圍內，以及第十二永磁單元(512)落在325°至335°的范圍內。每一個永磁塊(201至240)的具體尺寸以及位置是通過優化計 算確定的。搜索法被用于該優化，并且圖3中所示的四個估測點的傾斜角被采用作為優化因子。在圖3中，由點劃線指示的具有300mm的直徑的圓周上，用四個黑點表示這四個估測點。在實例1的磁場產生器中，所獲得的最大傾斜角(deg)評估結果在表1中列出。最大傾斜角(deg)是這四個估測點的最高值。用于測量每個估測點的傾斜角(deg)的方法和上文所述的一樣。實例1的磁場產生器中的最大傾斜角小到0.9°。因此，已經證實，通過僅使用具有矩形截面的磁塊就可以產生大致單向的磁場。表1<比較例1>為對比的目的，制作了與實例1的偶極環磁場產生器具有相同性能的圖4中所示的傳統偶極環磁場產生器。圖4中的傳統偶極環磁場產生器6包括二十四個磁塊701至724，它們近似梯形并且環形布置。磁塊的外圓周被環形外緣磁軛8包圍。在這個比較例中，磁塊701至724在由上述公式(1)和(2)所給的方向上分別磁化，并且關于中心軸彼此相反的兩側的磁塊以180度的角度差磁化。利用該配置，在偶極環磁場產生器6的環的內部空間中產生大致單向的磁場。偶極環磁場產生器6的外直徑，包括外緣磁軛8，是700m，它的內直徑(即由磁塊601至624形成的內部空間的直徑)是600mm，該磁場產生器的中心軸方向上的深度是620mm。釹基燒結的稀土磁體(信越化學有限公司的N45，具有1.28T的磁力)用于近似梯形的磁塊701至724。非磁性材料(不銹鋼，SUS304)用于外緣磁軛8。 在比較例1的磁場產生器中得到的最大傾斜角(deg)是0.9°。因此，根據本發明的實例1的偶極環磁場產生器中的最大傾斜角是0.9°，這與比較例1的傳統偶極環磁場產生器中的最大傾斜角0.9°是相同的。換句話說，通過僅使用具有矩形截面的并且布置在預定位置的磁塊，而不使用制作起來困難又昂貴的梯形磁體，就可以獲得與傳統偶極環磁場產生器一樣小的傾斜角。<成本比較>在根據本發明的實例1的偶極環磁場產生器和比較例1的傳統偶極環磁場產生器之間做成本比較。結果如表2所示。該成本是基于生產一百個產生器并且假定單位時間內生產成本(即工作單位價格)相同來計算的。實例1的磁場產生器的成本是用相對于比較例1的磁場產生器的成本的百分比表示的，其中比較例1的磁場產生器的成本定義為100％。在表2中，“磁體”一行表示制作實例1中具有矩形截面的磁體相比于比較例1中具有梯形截面的磁體所需的材料和加工成本(或進貨價，若采購的話)的對比。“磁軛”一行表示制作每個磁軛所需的材料和加工成本(或進貨價，若采購的話)的對比。“組裝成本”一行表示組裝磁場產生器所需人工成本的對比。“其他”一行表示除了磁體和磁軛以外的諸如導軌、定位螺栓和粘合劑之類的輔助材料的成本對比。“產品價格”一行表示成品估價的對比。從對比結果明顯看出，與比較例1的傳統偶極環磁場產生器相比，根據本發明的實例1的偶極環磁場產生器能夠獲得成本上的顯著減小，比如成品價格減少50％。特別是關于“磁體”，揭示出，與比較例1中使用的具有梯形截面的永磁塊的情況相比，實例1中具有矩形截面的永磁塊可以顯著地減少材料用量和加工所需的成本。表2項目比較例1實例1磁體1008磁軛10090組裝成本10033其他10075成品價格10050因此，與傳統偶極環磁場產生器相比，在預定位置的多個具 有矩形截面的永磁塊可以降低生產成本，并且也可以帶來期望的小傾斜角。當前第1頁1 2 3