专利名称：永磁型磁场发生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及偶极环形磁场发生装置。
现有技术偶极环形磁场发生装置是一种包括多个磁体元件的磁场发生装置，磁体元件排列成环形，使得磁体元件的磁化方向围绕所述环形的半个圆周旋转，其中，磁体元件在所述环形内的空间中产生一个基本单向的磁场，如同下面详细描述的那样，优选地，磁体元件具有相同的最大能量乘积。因此，沿着圆周有规律地排列磁体元件，就能够在环形的内部空间产生单向、而且强度相同的磁场。这样的偶极环形磁场发生装置被广泛地用于核磁共振成像(MRI)以及半导体元件制造工艺，以及用于基础研究的均匀磁场发生工具上。按照惯例，普通电磁元件或者超导电磁元件通常用作产生单轴均匀磁场的工具。然而，由于最近对高性能稀土永磁体的研究，稀土永磁体(下面简称为“永磁体”)正成为均匀磁场发生装置的主流，用来产生不超过1T(特斯拉kg·s-2·A-1)的弱磁场。
参考图7和图8，以下是一种传统偶极环形磁场发生装置以及用于构成这个装置的磁体元件的解释。
图7是偶极环形磁场发生装置1的剖视图，该剖视图沿垂直于径向的方向截取。如图7所示，偶极环形磁场发生装置1包括多个排列为环形的磁体元件101-124，优选地，它们外圆周被一个环形磁轭2密封。优选地，单个磁体元件101-124沿着方程(1)和(2)确定的方向被磁化，如同下面详细描述的那样，从中心轴观察，与对面磁体元件相对应的磁体元件(例如，磁体元件101和113)以180o的角差进行磁化，当这些磁体元件排列为环形时就具有相同的磁化方向。因此，当磁体元件101-124排列为环形时，磁体元件的磁化方向就围绕所述环形的半个圆周旋转，利用这个结构，在偶极环形磁场发生装置1所述环形内的空间中产生了磁场，该磁场为单向而且具有相同的强度。应当指出的是，优选地，磁体元件101-124具有与单向磁场强度一样的磁场。
对于磁体元件101-124，可以使用梯形或者扇形Nd-Fe-B，Sm-Co或者Sm-N-Fe永磁元件或者相同的元件。对于外面部分，可以使用环形铁磁或者非磁性材料作为磁轭2。尤其是当铁磁材料被用做外磁轭2时，能够稍稍地增加磁化效率。此外，磁体元件可以分为4到60个部分。特别地，考虑到磁化效率和线圈制造的难度，优选地，磁体元件的数量设定在12到36之间。如上所述，磁体元件101到124由永磁体制造，磁体元件分别在一个特定周期沿径向磁化，从内侧中心轴观察，与反向极相对应的磁体元件以180o的角差被磁化。此外，优选地，临近的磁体元件按方程(1)和(2)确定的角差进行磁化。应当指出的是，根据使用条件和最优化情况，磁化方向可以变化±5o。
θn=-360N*n(n=1,2,···N/2)---(1)]]>θn=360(nN-1)(n=1N2+1,N/2+2,···N)---(2)]]>θn第N个磁体元件的磁化方向N磁场发生装置的总分段数(整数)n分段数(整数)图8是偶极环形磁场发生装置的示意性剖面图，该剖面图从垂直于中心轴的平面截取。如图8中所示的那样，当Z轴被定义为磁场发生装置的中心轴时，Y轴就被定义为垂直于Z轴，并且与所述环形内空间中(即NS磁场方向，图8中主磁场元件的方向)产生的单向磁场方向(在径向内侧)平行的方向，而X轴则定义为垂直于Z轴和Y轴(EW方向)的方向，当沿着偶极环形磁场发生装置径向内侧产生的NS磁场方向(Y轴方向)被设定为零度，由于磁场发生装置的特性，圆柱内侧径向上任何一点的磁场矢量角度(以下称作斜交角)就是径向中心的零度。另一方面，越靠近线圈的内壁，可以看到斜交角的角度进一步增加。
当使用普通偶极环形磁场发生装置时，斜交角较大的那部分磁场分量通常被看作杂质，也就是看作噪音。尤其是园柱内侧径向XY平面上的斜交角(skew angle)分量，如图8中所示的那样，能够强烈地影响元件的性能，这些元件利用为半导体或者类似材料的基片的制造工艺、尤其是有加热步骤的工艺来制造。由于这个原因，斜交角分量应当尽可能的小。
除了偶极环形磁场发生装置的内侧，这些斜交角分量比线圈外侧的主磁场分量，也就是孔口部分的磁场减弱得缓慢，所以斜交角在孔口部分外侧变得更大。针对这个原因，当为了增加大规模生产时的产量，将仍然高温的基片重新装到线圈的外侧，那么斜交角分量会造成相当大的损害。
此外，Shin-Etsu化学有限公司已经就等离子处理装置申请了一个专利，磁体设在偶极环形装置的侧壁上，以减低从偶极环中泄漏的磁场(参见JP 10-041284A)。但是，即使可以减少泄漏到周围的磁场，但是不能降低柱面内径向空间延伸范围内的噪音磁场。

发明内容
本发明的目的是要提供一种偶极磁场发生装置，该偶极磁场发生装置不会对晶片或者类似的元件造成强烈的影响，不仅从线圈内侧的径向上而且在外侧即线圈的外侧降低了有害噪音磁场中的斜交角分量。
根据本发明，磁场发生装置包括多个磁体元件，排列为环形磁体元件，使得磁体元件的磁化方向围绕所述环形的半个圆周旋转，其中，磁体元件在所述环形内的空间中产生基本单一方向的磁场；一个或者多个矫正磁体元件排列在外缘部分，在磁场发生装置的Z轴方向形成一个孔口，其中，Z轴定义为磁场发生装置的中心轴，Y轴被定义为垂直于Z轴而平行于所述单向磁场的方向，而X轴被定义为垂直于Z轴和Y轴的那个方向。
利用本发明的磁场发生装置，就可以减少内部空间Z轴延伸方向上XY平面中产生的斜交角分量，而且通过布置矫正磁体能够减少仍保持热烫的线圈对基片产生的不利影响，矫正磁体用来矫正磁场发生装置Z轴方向线圈外侧区域、也就是靠近孔口部分的斜交角分量。
如下面详细描述的那样，利用本发明，就能够消除靠近孔口部分的噪音磁场，从而得到低斜交角、具有高均匀性的磁场，不会对偶极环形磁场发生装置的均匀磁场空间产生影响。
附图简述

图1显示了本发明偶极磁场发生装置的俯视图。
图2为一示意图，显示了本发明的偶极环形磁场发生装置孔口部分矫正磁体的排列方式。
图3为一示意图，显示了本发明的偶极环形磁场发生装置孔口部分矫正磁体的排列方式。
图4显示了本发明工作范例偶极环形磁场发生装置实施例的剖面图，该剖面图从垂直于中心轴的平面上截取。
图5显示了本发明工作范例偶极环形磁场发生装置实施例的剖面图，该剖面图从通过中心轴的平面上截取。
图6显示了本发明工作范例偶极环形磁场发生装置线圈边缘部分的示意图。
图7显示了传统偶极环形磁场发生装置的剖面图，该剖面图从垂直于中心轴的平面上截取。
图8显示了传统偶极环形磁场发生装置的剖面图，该剖面图从垂直于中心轴的平面上截取。
优选实施例详述参考附图，以下是对本发明优选实施例的解释。但是，本发明的范围并不局限于此实施例。
本专利申请的发明者发现，如图1所示，在偶极环形磁场发生装置1中，当Z轴被定义为磁场发生装置内侧径向中心轴时，Y轴就被定义为磁场发生装置的NS方向，而X轴被定为EW方向，通过设置在磁场发生装置Z轴方向末端的矫正磁体，也就是靠近孔口部分的矫正磁体201-204，减小了靠近孔口部分不纯磁场的斜交角，优选地，这些位置沿YZ平面成镜面对称，而ZX面则用做参考面，利用各种类型的数学算法比如准牛顿方法或者搜索法来优化矫正磁体的尺寸和位置以及它们的磁场的大小和方向。这样，发明者构想出了本发明。
更为明确地，即使没有具体的限制，任何适当形状的磁体比如矩形块、圆柱体或者其它通过优化计算获得的形状都可以用于矫正磁体。例如，如果矫正磁体为矩形块，那么，把磁场发生装置的外径看作1，优选地，矫正磁体底面一侧的长度为0.05-0.2之间，当磁场发生装置在Z轴方向上的长度看作1时，优选地，矫正磁体的高度为0.01-0.1之间。此外，当磁场发生装置一个方向的磁场尺寸被看作1时，优选地，可以使用磁场尺寸为0.005-0.02之间的这种形状的矫正磁体。
此外，如上所述，矫正磁体排列在磁场发生装置的外缘部分，孔口沿磁场发生装置的Z轴方向在外缘部分形成。这里，除了磁场发生装置在Z轴方向上的边缘部分，“外缘部分”还包括位于磁场发生装置外圆周表面上的侧面以及位于磁场发生装置内圆周表面上的侧面。此外，矫正磁体还可以设在位于磁场发生装置末端的内圆周侧面或者外圆周侧面上。此外，矫正磁体不能直接与磁场发生装置的磁体元件直接接触。而且，矫正磁体应当这样排列使得它们至少与X轴、Y轴和Z轴中的一个轴相对称。优选地，矫正磁体至少覆盖磁场发生装置一个末端表面积的2％到10％。这里，磁场发生装置Z轴方向末端部分的表面积是指图1中布置磁场发生装置1矫正磁体201-204的表面面积，不包括孔口部分的表面面积。此外，如同下面详细描述的那样，优选地，按照这样的磁化方向来排列矫正磁体，使得矫正磁体的位置和它们磁场的方向至少与X轴、Y轴、Z轴中的一个轴相对称。
本发明的偶极环形磁场发生装置的基本构造和原理与利用图7解释的传统偶极环形磁场发生装置的结构和原理一致。而图7中偶极环形磁场发生装置1已经在上面进行了解释，所以不再对与偶极环形磁场发生装置一致的结构特点进行解释，或者只进行简要解释。应当指出的是，如同在传统的偶极环形磁场发生装置中那样，Nd-Fe-B，Sm-Co或者Sm-N-Fe稀土永磁体或者类似的元件可以用做磁体元件和矫正磁体。更加明确地，可以使用相对廉价而且具有较高能量乘积的Nd-Fe-B，虽然没有对该磁体的限制。
图2为一个示意图，显示了本发明的偶极环形磁场发生装置孔口部分的矫正磁体的排列。参考图2，下面是本发明的一个实施例。优选地，布置在偶极环形磁场发生装置1孔口部分的矫正磁体201-204应当这样排列，使得它们的磁化方向沿着从中心延伸出的YZ平面成镜面对称。那也就是说，将矫正磁体201-204排列在沿YZ平面对称布置的位置上，能够有效地降低斜交角分量，使得它们的磁场指向与X轴相反的方向(与Y轴在同一方向)。这是由于在偶极环形磁场发生装置1孔口部分的斜交角布置方式造成的，那也就是，在X轴方向(下面称作“Bx”)的磁场分量的布置相对于上面提到的参考平面(YZ平面)镜面对称。
Bx分量从偶极环形磁场发生装置1在Z轴方向上一致空间开始，独立于Z轴坐标分布在基本相同的方向上。如果Y轴方向上的磁场被定义为图2中所示的方向，即使Z轴方向上的位置发生了变化，X轴上的磁场也不会突然变化，。因此，如果布置了矫正磁体201-204来取消偶极环形磁场发生装置1孔口部分X轴方向上的磁场，那么就可以消除在孔口部分整个邻近区域中X轴方向上的磁场。此外，X轴方向上的磁场布置在相同的方向上，而与Z轴坐标无关，所以，将矫正磁体排列在适当位置并使磁化方向沿XY平面成镜面对称，就能够有效地减少斜交角分量。
此外，如上所述，偶极环形磁场发生装置1的磁体元件101-124被这样布置，使得它们的磁化方向围绕所述环形的半个圆周旋转。那也就是说，当从中心轴(Z轴)方向观察，与异性极相对应的磁体元件以180o的角差被磁化并且排列成环形时，这些磁体元件的磁化方向就变得相同。为此，偶极环形磁场发生装置1的磁场具有基本相同的尺寸，并且在从中心轴(Z轴)方向观察时，在与异性极相对应的位置上具有相同的方向。因此，在沿着Z轴成点对称的位置上排列具有同向磁场的矫正磁体，就能够有效的减少斜交角分量。
此外，因为偶极环形磁场发生装置1沿YZ平面成镜面对称，而沿Z轴成点对称，如同上面解释的那样，当考虑到偶极环形磁场发生装置1的磁场相对于ZX平面的关系时，非常明显，位于沿着ZX平面对称位置上的磁场具有指向相同方向的Y向磁场，以及指向相反方向的X向磁场。为此，当布置矫正磁体来取消磁场在X轴方向上的磁场，让那些位于沿着ZX平面对称布置位置上的磁体元件在Y轴方向上具有同向的磁场，在X轴方向上具有反向的磁场，就能够有效地减少斜交角分量。
因此，如果为了降低邻近孔口部分X轴方向上的磁场而设置了矫正磁体，那么，优选地，矫正磁体应当这样排列使得它们的磁化方向相对于参考轴对称。这里，沿参考轴对称(至少是X轴、Y轴和Z轴之一)的布置方式还包括相对于X轴反向、相对于Y轴同向的磁场在沿YZ平面对称的位置上的布置方式；具有相同方向的磁场在沿XY平面对称的位置上的布置方式；具有相同方向的磁场在相对于Z轴成点对称的位置上的布置方式；以及相对于X轴反向和相对于Y轴同向的磁场在沿ZX平面对称的位置上的布置方式。应当指出的是，更加准确的定位以及磁体的尺寸和数量，磁场的尺寸和方向等等都可以由一种包括数学算法的最优化计算方法来确定，有时，要使这种计算结果与磁场发生装置的实际测量磁场相适应，所以在这些情况下有时会在某种程度上失去对称。
更加明确地，矫正磁体201-204可有相同强度的磁场，而且可以这样布置矫正磁体使得位于X＞0和Y＞0位置上的矫正磁体201的磁通量指向负X轴的方向，矫正磁体202(X＜0，Y＞0)的磁通量指向正X轴的方向，矫正磁体203(X＜0，Y＜0)的磁通量指向负X轴的方向，而矫正磁体204(X＞0，Y＜0)的磁通量指向正X轴的方向。如上面指出的那样，这是因为，邻近偶极环形磁场发生装置1孔口部分磁场中X轴方向的磁场通常都指向相反的方向。利用这样的一种布置方式，可以使位置和磁通量方向都沿YZ平面成镜面对称，以及位置沿ZX平面成镜面对称。至于ZX平面的镜面对称，相应矫正磁体的磁通量方向与Y轴方向一致，而与X轴方向相反。换言之，在这种情况下，矫正磁体设在沿Z轴呈对称布置的位置上，而且它们的磁通量方向对于相应的校正磁体都相同。
此外，这些矫正磁体可以通过任何方法设在磁场发生装置Z轴方向上形成开口的外缘部分上，只要布置矫正磁体后X轴方向上的磁场能够被取消，如上述的那样。例如，矫正磁体可以在线圈完后成再进行连接。至于连接方法，没有特殊的限制，可以使用粘合剂来固定矫正磁体，使用螺栓或者类似的元件来对矫正磁体进行机械连接，或者利用不锈钢或者类似材料制造的外壳来保护磁体。此外，在这种情况下，在孔口部分将产生一个非常强的磁场，所以连接一个极强磁体就非常困难。在这种情况下，还可以将矫正磁体分为大量适当的小磁体，而不是使用四个矫正磁体，如图3那样，图3显示了矫正磁体在偶极环形磁场发生装置孔口部分的布置示意图。
更加具体地，除了上述图2中描述的矫正磁体201-204，矫正磁体205和206被设置在X轴的正负方向位置上，矫正磁体205和206的磁通量指向正Y轴方向；矫正磁体207被设置在X＞0和Y＞0位置上，但是比矫正磁体201更靠近Y轴，矫正磁体207的磁通量指向负X轴方向和负Y轴方向；矫正磁体208被设置在X＜0和Y＞0的位置上，但是比矫正磁体202更靠近Y轴，矫正磁体208的磁通量指向正X轴方向和负Y轴方向；矫正磁体209被设置在X＜0和Y＜0的位置上，但是比矫正磁体203更靠近Y轴，矫正磁体209的磁通量指向负X轴方向和负Y轴方向；矫正磁体210被设置在X＞0和Y＜0的位置上，但是比矫正磁体204更靠近Y轴，矫正磁体210的磁通量指向正X轴方向和负Y轴方向。在这种情况下，可以使各矫正磁体磁通量的强度比图2中显示的磁通量小，而且在磁体元件布置到偶极环形磁场发生装置上后，再将这些矫正磁体连接上去就变得更加容易。
例子图4显示了本发明工作范例偶极环形磁场发生装置1的剖面图，该剖面图通过垂直于中心轴的一个平面截取，在这个工作范例中，偶极环形磁场发生装置1制造成图4中所示的形状。那就是说，在这个偶极环形磁场发生装置1中，24个梯形的磁体元件101-124被排列成环形，它们的外圆周被一个环形外磁轭围住。各磁体元件101-124按照方程(1)和方程(2)确定的方向被磁化，从中心轴方向观察，与异性极相对应的磁体元件按照180o的角差被磁化。这样，当磁体元件101-124排列成环形，磁体元件的磁化方向就围绕所述环形的半个圆周旋转。利用这种构造，就在偶极环形磁场发生装置1的环形空间内产生了基本单向的磁场。这个偶极环形磁场发生装置1的外径包括外磁扼在内为350mm，由磁体元件101-124构成的内部空间的内径为100mm，而线圈的深度定为300mm。此外，磁场测量空间3的直径为50mm，深度为100mm，其形状为圆柱形，利用位于线圈径向内侧的中心轴作为主轴，而位于径向内侧的中心与均匀空间(磁场测量空间3)的中心相同，当使用普通偶极环形磁场发生装置时，这是最通常的空间设计方式。钕稀土烧结磁体(最大能量乘积为350KJ/m-3)被用来制作磁体元件101-124，非磁材料如铝用来制作外磁扼2。
第一，使用这个偶极环，在没有矫正磁体的情况下对靠近孔口部分X轴方向的磁场进行测量。图5是本发明工作范例偶极环形磁场发生装置的剖面图，该剖面图从通过中心轴的平面上截取。表1显示了磁场测量空间3中从Z＝0到Z＝300的不同Z轴高度上各平面X轴方向磁场的最大强度，取线圈磁场测量空间3的中心为Z＝0处，线圈边缘部分(孔口部分)为Z＝150，如图5中所示的那样。应当指出的是，X轴方向磁场的单位为高斯(1特斯拉＝10,000高斯)。
表1

图6显示了本发明工作范例的偶极环形磁场发生装置1的线圈边缘部分简图。矫正磁体201-204(总表面积大约为7.2％)按照图6中所示的尺寸和位置设在图4中所示磁场发生装置孔口部分。那就是说，矫正磁体201-204为长40mm、宽40mm、厚20mm的矩形块，排列在距X轴和Y轴均为40mm的地方，使矫正磁体的侧面分别平行于X、Y和Z轴。矫正磁体201-204中的每一个都包括一个钕稀土烧结磁体(最大能量乘积为350KJ/m-3)。布置在位置X＞0和Y＞0位置上的矫正磁体201应当这样排列使得它的磁通量指向负X轴方向，矫正磁体202(X＜0，Y＞0)应当这样排列使得它的磁通量指向正X轴方向，矫正磁体203(X＜0，Y＜0)应当这样排列使得它的磁通量指向负X轴方向，而矫正磁体204(X＞0，Y＜0)应当这样排列使得它的磁通量指向正X轴方向。表2显示了当矫正磁体201-204都以这种方式排列时，与没有矫正磁体的情况下相比，从孔口部分到X轴方向更外侧位置上的磁场大量地减少。此外，将矫正磁体201-204沿X轴对称排列，使它们的磁通量指向相反的方向，X轴方向上的磁场就能够比非对称布置时降低更多。
表2

权利要求
1.一种磁场发生装置包括多个磁体元件，磁体元件排列成环形，使得磁体元件的磁化方向围绕所述环形的半个圆周旋转，其中，磁体元件在环形空间中产生基本单向的磁场；一个或者多个矫正磁体，排列在外缘部分，构成一个在磁场发生装置的Z轴方向上的孔口，其中，Z轴被定义为磁场发生装置的中心轴，Y轴被定义为垂直于Z轴而平行于所述单向磁场的方向，X轴被定义为垂直于Z轴和Y轴的方向。
2.如权利要求1所述的磁场发生装置，其中，矫正磁体的排列使得矫正磁体的磁化方向至少相对于X、Y和Z轴中的一个轴对称。
3.如权利要求1或者2所示的磁场发生装置，其中，矫正磁体覆盖了磁场发生装置Z轴方向上至少一个末端的表面面积的2％-10％。
全文摘要
为了减少偶极环形磁场发生装置产生的斜交角分量，提供了一种磁场发生装置1，该磁场发生装置包括多个磁体元件101－124，磁体元件101－124排列为环形，使得磁体元件的磁化方向围绕所述环形的半个圆周旋转，其中，磁体元件在环形内的空间中产生基本单向的磁场；矫正磁体201－204排列在外缘部分，构成磁场发生装置Z轴方向上的孔口，其中，Z轴被定义为磁场发生装置的中心轴，Y轴定义为垂直于Z轴并且平行于单向磁场的一个方向，X轴被定义为垂直于Z轴和Y轴的一个方向。
文档编号G01R33/383GK1581373SQ200410055889
公开日2005年2月16日 申请日期2004年8月5日 优先权日2003年8月5日
发明者樋口大 申请人:信越化学工业株式会社