偶极环磁场产生器的制作方法

本发明涉及偶极环磁场产生器。
背景技术：
：典型的偶极环磁场产生器包括多个永磁块，这些永磁块排列成环，各永磁块的磁化方向在该环的半个圆周上旋转一圈，从而在内部空间产生大致单向磁场，其中每个永磁块和该单向磁场具有相同的磁场强度。这种偶极环磁场产生器被广泛地应用，包括磁共振成像仪(MRI)、半导体器件制造工艺、用于基础研究的均匀磁场产生器(例如JP2005-56903A)。传统上，正常导电的电磁体、超导电磁体等被用作用来产生单轴均匀磁场的手段。然而，在例如1T以下的低磁场的应用中，高性能的稀土永磁体的最新发展正导致稀土永磁体(下文中可简称为“永磁体”或“磁体”)主要地被用作均匀磁场产生器。参照图4说明传统的偶极环磁场产生器、该产生器所包含的永磁块等。图4展示了在垂直于传统偶极环磁场产生器6的中心轴的平面上的示意剖视图。传统偶极环磁场产生器6包括多个永磁块701至724以及围绕着永磁块的外缘磁轭8。例如，使用每个具有近似梯形形状或扇形形状的Nd-Fe-B基、Sm-Co基或Sm-N-Fe基稀土永磁体作为图4中的永磁块701至724。此外，使用环形铁磁或非磁性材料作为外缘磁轭8。磁场产生器所包含的磁体的分割个数，即永磁块的个数，可以是大约四个到大约六十个。考虑到高的磁效率和简单的电路制造，永磁块的个数通常在大约十二到大约三十六之间的范围内选择。图4展示二十四个分块的实施例。在径向方向上以特定的周期分别磁化永磁块701至724。相对于磁场产生器6所包含的圆环的中心轴彼此完全相反的永磁块以彼此360度的角度差来磁化。相邻的永磁体通常由公式(1)和(2)表示的角度差来磁化。其中“θn”表示第n个磁体的磁化方向，“N”表示磁路的分割个数(自然数)，以及“n”表示区段编号(自然数)。作为上述磁体配置的结果，在偶极环磁场产生器6的圆环的内部空间中产生大致单向磁场，如具有图4中主磁场分量(A)方向的磁场。如果将在偶极环磁场产生器6的圆环的内部空间产生的图4中X轴方向上的主磁场分量(A)的方向定义为零度，那么在内部空间的任何给定点的磁场矢量的角度(下文中可简称为“倾斜角”)在内部空间的中心几乎是零度，而由于磁场产生器的特性，磁场矢量的角度向着磁场产生器的内壁趋于恶化，即增大。当使用典型的偶极环磁场产生器时，具有大的倾斜角的磁场分量常常被认为是杂质，即噪声。特别是图4中垂直于磁场产生器的中心轴的平面上的倾斜角分量(B)被认为显著影响在比如半导体衬底等的制造工艺中生产的元件的性能。由于这个原因，要求把倾斜角分量(B)控制在最小值。技术实现要素：通常认为，除非偶极环磁场产生器所包含的永磁块在如图4所示的垂直于磁场产生器的中心轴的平面上的截面具有扇形形状或近似扇形形状的梯形形状，否则无法产生具有足够强度和提高均匀性的磁场并且无法获得减小的倾斜角。另一方面，永磁体，例如稀土永磁体，是通过粉末冶金工艺制造的，因此希望以截面为矩形形状生产永磁体，比如整体上是长方体(柱状形状)，以提高效率。具有不同截面形状的永磁体，比如扇形形状或梯形形状，导致低产率，促使成本更高。诸如稀土永磁体等各向异性磁体的磁化方向是在制造过程中通过在磁场内形成来确定的。例如，Nd-Fe-B基磁体在磁化方向和非磁化方向之间具有明显不同的收缩比，所以具有长方体形状的磁 体的磁化方向主要选择为平行于某一边。更具体来说，如果以沿着磁体截面的矩形形状的一边磁化磁体的方式形成磁体，那么可以将磁体烧结后的形变控制为最小。例如，对于内部空间中的磁场均匀性不是很重要但是磁场的高方向性，即低倾斜角，是主要关心内容的磁场产生器，希望通过仅使用具有矩形截面的磁体而不是通过使用包含有不同形状的磁块的梯形磁体，例如传统的偶极环磁场产生器中的梯形磁体，以简单的方式和低成本来配置设备的磁路。因此，本发明的目的是提供一种偶极环磁场产生器，该偶极环产生器包括具有矩形的简化截面形状的永磁块并且能够在环的内部空间产生大致单向磁场，而不使用会导致高成本的具有扇形或梯形截面的传统永磁块。本发明人为解决上述问题进行了认真地研究，发现通过采用矩形截面形状的由偶极环磁场产生器所包含的永磁块并且把这些具有矩形截面形状的永磁块安排在预定位置上可以减小偶极环磁场产生器的倾斜角，从而完成本发明。本发明涉及偶极环磁场产生器，包括：圆柱形磁轭，其中在所述圆柱形磁轭的内圆周和外圆周之间的圆周方向上环形地设置有至少四个磁体内插孔，各所述磁体内插孔的深度方向平行于所述圆柱形磁轭的中心轴；以及至少四个永磁单元，其插入到所述至少四个磁体内插孔，所述偶极环磁场产生器适合于在所述圆柱形磁轭的内部空间中在所述圆柱形磁轭的径向方向上产生大致单向磁场，其中，在将所述中心轴定义为Z轴，将垂直于所述中心轴的截面中的垂直于Z轴并且平行于所述单向磁场的轴定义为X轴，并且将垂直于Z轴和X轴的轴定义为Y轴的情况下，所述至少四个永磁单元排列成使得它们在所述截面中的形状关于作为对称轴的X轴呈线对称并且关于作为对称轴的Y轴呈线对称，所述至少四个永磁单元中的每一个包括一个或多个永磁块，每 一个永磁块在所述截面中的形状为矩形，关于每一个永磁单元，所述一个或多个永磁块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边，并且所述一个或多个永磁块排列成使得所述至少四个永磁单元中每一个在所述截面中的磁化方向关于作为对称轴的X轴呈线对称，所述至少四个永磁单元包括第一、第二、第三和第四永磁单元，并且在所述截面中将与所述单向磁场方向相同的X轴的正方向定义为0°和360°，从X轴的正方向起，往逆时针方向，将Y轴的正方向定义为90°，将X轴的负方向定义为180°，并且将Y轴的负方向为270°的情况下，(i)所述第一永磁单元配置在0°到20°和340°到360°的范围内，所述第二永磁单元配置在70°到110°的范围内，所述第三永磁单元配置在160°到200°的范围内，以及所述第四永磁单元配置在250°到290°的范围内，(ii)所述第一和第三永磁单元中每一个所包含的所述一个或多个永磁块是平行于Y轴线性排列的五个以上的永磁块，所述第二和第四永磁单元中每一个所包含的所述一个或多个永磁块是平行于X轴线性排列的五个以上的永磁块，所述第一到第四永磁单元中每一个所包含的所述一个或多个永磁块中每一个的所述矩形的边平行或垂直于X轴，(iii)所述第一和第三永磁单元中每一个所包含的所述五个以上的永磁块的磁化方向都与所述单向磁场的磁化方向相同，并且所述第二和第四永磁单元中每一个所包含的所述五个以上的永磁块的磁化方向都与所述单向磁场的磁化方向相反，以及(iv)所述第一到第四永磁单元中每一个具有如下结构：关于所述永磁单元中的每一个所包含的所述五个以上的永磁块，在两端的永磁块比其余的永磁块更加向所述内部空间突出。根据本发明，多个具有矩形截面的永磁块相组合并且布置在预定位置，以形成偶极环磁场产生器。这使得与传统的偶极环磁场产生器相比，能够以低成本生产偶极环磁场产生器并且能够提高方向 性，即，实现倾斜角减小。附图说明图1展示根据本发明的偶极环磁场产生器(1)在垂直于其中心轴的平面上的示意剖视图，其中箭头“A”代表所产生的磁场的主磁场分量的方向，在永磁块(201到240)上的箭头代表永磁块的磁化方向；图2A展示了根据本发明的偶极环磁场产生器在垂直于其中心轴的平面上的示意剖视图，以及图2B展示了根据本发明的偶极环磁场产生器在穿过其中心轴的平面上的示意剖视图；图3展示了本发明的实施例中的偶极环磁场产生器在垂直于其中心轴的平面上的示意剖视图；以及图4展示了传统偶极环磁场产生器在垂直于其中心轴的平面上的示意剖视图，其中箭头“A”代表所产生的磁场的主磁场分量的方向，箭头“B”代表倾斜角分量的方向，永磁块(701到724)上的箭头代表永磁块的磁化方向。具体实施方式根据本发明，在垂直于偶极环磁场产生器中心轴的平面上具有矩形截面(在下文中可简称为“截面”)，并且具有平行或垂直于该矩形截面的边的磁化方向的多个永磁块环形地排列在圆柱形磁轭的内圆周和外圆周之间的预定范围内的位置上。在本发明中使用的所有永磁块优选具有矩形截面。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)的规则限定的磁化方向的永磁块的传统偶极环磁场产生器，能够以较低的成本高效地生产包含具有矩形截面并且具有平行或垂直于该矩形截面的边的磁化方向的永磁块的能够产生单向磁场的偶极环磁场产生器。在根据本发明的偶极环磁场产生器(下文中可简称为“磁场产生器”)中，要求将具有矩形截面的多个永磁块排列在磁场产生器中预定范围内的位置上，以产生具有高方向性和减小的倾斜角的单 轴磁场。将参照图1和图2解释本发明的实施例中的磁场产生器中永磁块的位置等。然而，本发明不限于该实施例。如图1和图2所示，通过将磁场产生器中心轴(即磁轭的中心轴)定义为Z轴，将垂直于Z轴并且平行于在磁场产生器内部空间中产生的大致单向磁场(对应于NS磁场的方向，即，主磁场分量的方向“A”)的轴定义为磁场产生器的垂直于中心轴的截面上的X轴，以及将垂直于Z轴和X轴(对应于EW方向)的轴定义为Y轴，来解释永磁块的位置等。为了产生具有高方向性的单轴磁场，必须精确地确定永磁块的位置。同时，永磁块对称地放置，使得一旦确定了一些永磁块的位置，其他永磁块的位置也将被明确地确定。磁体位置的对称性明显有助于减小倾斜角。更具体地说，永磁块被布置为，在平行于与磁场产生器中心轴垂直的平面(XY平面)的截面上，关于X轴和Y轴对称。例如，一旦只确定了图2的右上区域所示出的正方形虚线框包围的部分的永磁块的位置，剩下区域内的永磁块的位置也可以被确定。此外，永磁块最好布置为关于每个基准(X轴、Y轴和Z轴中的至少一个)都对称。在该磁场产生器的截面中，关于每个基准对称的布置包括，例如，(I)相同形状(尺寸)的永磁块以其磁化方向在平行于X轴的方向上相同而在平行于Y轴的方向上相反的方式布置在关于X轴呈线对称的位置，以及(II)相同形状(尺寸)的永磁块以其磁化方向在平行于X轴的方向上相同而在平行于Y轴的方向上相反的方式的放置在关于Y轴呈线对称的位置。也就是说，永磁块布置为使得截面上的形状(尺寸)关于作为对称轴的X轴呈线对称并且关于作为对称轴的Y轴也呈线对称，并且截面上的磁化方向关于作为对称轴的X轴呈线对称。图1中示出实施例中的永磁块的大概位置，但是这些位置根据磁场产生器的尺寸、所需磁场强度和所需磁场均匀性水平等而变化。如图1所示，永磁块的磁化方向最好是磁场产生器的径向方向或圆周方向(即圆柱形磁轭的外圆周的切线方向)。对于每一个永磁单元，永磁块的磁化方向是相同的，这将稍后讨论。此外，正如 稍后将讨论到的，例如可以通过最优化计算来确定对应于每个磁体的更具体位置和尺寸的值、对应于每个磁体的磁场大小和磁化方向的值、使用的磁体的数量等。此外，在磁场产生器的实施例中，一个或多个永磁块适当地结合来构成一个永磁单元，并且至少四个这样的永磁单元在圆柱形磁轭的内圆周和外圆周之间的圆周方向上环形地排列。在磁场产生器的截面中提供的永磁单元的数量优选为4到24，更优选为8到16，尽管其理想数量根据磁场产生器的尺寸、所需磁场强度和所需磁场均匀性等而变化。更进一步地，在截面中，每个永磁单元所包含的永磁块的数量优选为1到10，更优选为3到6。在磁场产生器的截面中提供的永磁块的总数优选为20到240，更优选为24到100。在如图1所示实施例中，在截面中，作为主永磁单元401到404和辅助永磁单元505到512的12个永磁单元，在磁轭的内圆周和外圆周之间的圆周方向上环形排列，并且每一个永磁单元包括一到六个永磁块(201到240)。在截面中永磁块的总数是四十。这些永磁单元最好布置为关于每个基准(X轴、Y轴和Z轴中的至少一个)对称。永磁单元关于每个基准对称的布置与前述永磁块的情况中的(I)和(II)相同。更具体地说，如前述永磁块的情况，在平行于与磁场产生器的中心轴垂直的平面(XY平面)的截面中，永磁块以其磁化方向关于作为对称轴的X轴呈线对称的方式布置为使得其形状(尺寸)关于作为对称轴的X轴呈线对称并且也关于作为对称轴的Y轴呈线对称。此外，对于每个永磁单元来说，每个永磁单元所包含的一个或多个永磁块的磁场方向是相同的。磁场产生器包括至少四个永磁单元(第一、第二、第三和第四永磁单元401到404)，这些永磁单元在圆柱形磁轭的圆周方向上环形排列。第一、第二、第三和第四永磁单元是磁场产生器所包含的必不可少的永磁单元(主永磁单元)并且具有以下特征(i)到(iv)。第一、第二、第三和第四永磁单元的磁化方向平行于在内部空间中产生的磁场的单一径向方向，使得这些永磁单元对于产生具有高方向性的单轴磁场是必不可少的。其中具有与单向磁场的方向相同的 磁化方向的第一和第三永磁单元尤其重要。(i)第一到第四永磁单元的位置例如，关于图1中平行于磁场产生器1的XY平面的截面，如果将与在磁场产生器内产生的单向磁场的方向相同的X轴的正方向定义为0°和360°，并且从该X轴的正方向起，往逆时针方向，将Y轴的正方向定义为90°，将X轴的负方向定义为180°，将Y轴的负方向定义为270°，则第一永磁单元(401)配置在0°到20°和340°到360°的范围内，第二永磁单元(402)配置在70°到110°的范围内，第三永磁单元(403)配置在160°到200°的范围内，第四永磁单元(404)配置在250°到290°的范围。换句话说，第一永磁单元(401)和第三永磁单元(403)关于中心轴彼此相反地配置，第二永磁单元(402)和第四永磁单元(404)关于中心轴彼此相反地配置。在此情况下，关于角度的词组“配置在…范围内”意思是每一个永磁单元所包含的所有永磁块都布置在关于平行于磁场产生器的XY平面的截面的磁轭的内圆周和外圆周之间的前述角度范围内的位置。(ii)第一到第四永磁单元所包含的磁块第一和第三永磁单元(401和403)中每一个包括平行于Y轴呈线性排列的五个以上，优选五个到十个永磁块。第一和第三永磁单元排列的方向垂直于这些永磁单元所包含的永磁块的磁化方向。此外，第一和第三永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块排列成使得这些永磁块的每个磁化方向与单向磁场的方向相同。另一方面，第二和第四永磁单元(402和404)中每一个包括平行于X轴呈线性排列的五个以上，优选五个到十个永磁块。第二和第四永磁单元排列的方向平行于这些永磁单元所包含的永磁块的磁化方向。此外，第二和第四永磁单元所包含的永磁块排列成使得这些永磁块的每个磁化方向与单向磁场的方向相反。如果作为主永磁单元的第一到第四永磁单元中的每一个如上文所述包括五个以上的磁体，则可以增强内部空间中产生的磁场的强度。相比于单个永磁块，具有调整尺寸的五个以上的永磁块的结合使倾斜角更加容易调整。另外，不需要让单个矩形磁体具有极高的宽高比，这有利于制造。在图1 中所示的实施例中，第一到第四永磁单元中每一个所包含的磁块的数量是六个。如上文所述，第一到第四永磁单元中每一个所包含的一个或多个永磁块都具有矩形截面，并且排列成使得矩形的每一边平行或垂直于X轴。(iii)第一到第四永磁单元的磁化方向第一和第三永磁单元(401和403)中每一个所包含的五个以上的永磁块布置为使得它们的磁化方向都与在磁场产生器的内部空间中产生的单向磁场的磁化方向，即X轴的正方向相同。此外，第二和第四永磁单元(402和404)中每一个所包含的五个以上的永磁块布置为使得它们的磁化方向与在磁场产生器的内部空间中产生的单向磁场的磁化方向，即X轴的负方向相反。关于第一到第四永磁单元，相邻的永磁单元(例如，第一永磁单元和第二永磁单元)布置为使得它们的磁化方向彼此相差180°。(iv)第一到第四永磁单元的形状第一、第二、第三和第四永磁单元(401、402、403和404)中每一个具有这样结构：关于每一个永磁单元所包含的五个以上的永磁块，两端的永磁块比其余永磁块更加向内部空间突出。换句话说，配置在X轴或Y轴上并且关于中心轴彼此相反放置的一对永磁单元，更具体来说，第一和第三永磁单元对或第二和第四永磁单元对，可具有彼此相对的凹形。作为选择，这样的永磁单元对可具有彼此相对的E形。该E形具有这样的结构：关于每一个永磁单元所包含的五个以上的永磁块，至少位于中心的一个永磁块比除了两端和中心以外的永磁块更加向内部空间突出，但是不如两端的永磁块突出。当所述五个以上的永磁块是奇数时，所述在中心的至少一个永磁块优选是一个永磁块，而当所述五个以上的永磁块是偶数时，所述在中心的至少一个永磁块优选是两个永磁块。在图1中所示的实施例中，第一到第四永磁单元具有E形。将第一、第二、第三和第四永磁单元配置成凹形或E形以使两端径向向内突出，这使得可以确保磁通量的单向性并获得减小的倾斜角。在两端和中心的永磁块仅在磁场产生器的径向上向内突出，而不在径向上向外突出。这意味着 第一到第四永磁单元在径向上的外侧是平坦的，并且仅在径向上的内侧是不平的。这是因为调整永磁单元在产生磁场的内部空间侧的形状会对磁场的变化施加更多的影响。对于第一、第二、第三和第四永磁单元中的每一个，两端的永磁块突出多少是没有具体限制的。关于第一和第三永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块，两端的永磁块的平行于X轴的每一边优选具有第一和第三永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块的平行于X轴的每一边的平均长度(100％)的101％到150％的长度，更优选110％到140％的长度。此外，关于第二和第四永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块，两端的永磁块的平行于Y轴的每一边优选地具有第二和第四永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块的平行于Y轴的每一边的平均长度(100％)的101％到150％的长度，更优选110％到140％的长度。在此情况下，平行于X轴或Y轴的每一边的平均长度是指每个永磁单元所包含的所有五个以上的永磁块(包括两端的永磁块)中所有平行于X轴或Y轴的边的平均长度。此外，在E形的永磁单元的情况中，在所述五个以上的永磁块中处于中心的所述至少一个永磁块不如两端的永磁块更向内部空间突出，但是比中心和两端以外的永磁块更向内部空间突出。更具体地说，关于第一和第三永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块，处于中心的至少一个永磁块的平行于X轴的每一边优选地具有第一和第三永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块的平行于X轴的每一边的平均长度(100％)的80％到140％的长度，更优选90％到130％的长度。另外，关于第二和第四永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块，处于中心的至少一个永磁块的平行于Y轴的每一边优选地具有第二和第四永磁单元中每一个所包含的五个以上的永磁块的平行于Y轴的每一边的平均长度(100％)的80％到140％的长度，更优选90％到130％的长度。在此情况下，平行于X轴或Y轴的每一边的平均长度是每一个永磁单元所包含的五个以上的永磁块(包括两端和中心的永磁块)中所有平行于X轴或Y轴的 边的平均长度。由于通过包含比位于中心的至少一个永磁块更突出的两端的永磁块的长度来计算平均长度，所以位于中心的至少一个永磁块的长度可以比所述五个以上的永磁块的平均长度短。此外，第一、第二、第三或第四永磁单元不限于仅两端的永磁块突出的凹形，或两端和中心的永磁块都突出的E形，也可以是具有更多凹陷和凸起的形状。凹陷或凸起的数量可以适当调整，以便减小倾斜角。即使使用具有更多凹陷和凸起的形状时，从减小倾斜角的观点来看，在所有永磁块中两端的永磁块在径向上最向内突出的形状也是优选的。为了减小倾斜角和提高磁场强度，除了第一、第二、第三和第四永磁单元的主永磁单元外，优选还布置辅助永磁单元。辅助永磁单元适当放置在第一、第二、第三和第四永磁单元之间，以便获得期望的低倾斜角。更具体地说，在截面的圆周方向上，在主永磁单元之间的每个间隔内优选放置一个到四个辅助永磁单元，最好是两个或三个辅助永磁单元。可以考虑到磁场的期望强度或倾斜角的期望减小量，适当地调整磁场产生器的整个截面中辅助永磁单元的总数。辅助永磁单元的总数优选地是4到16个，更优选地是8到12个。每一个辅助永磁单元包括一个或多个永磁块。永磁块的数量优选地是1到5个，更优选地是1到3个。放置辅助永磁单元来微调倾斜角或磁场强度，使得每个辅助永磁单元不必包括多个永磁块。例如，每个辅助永磁单元可包含一个永磁块。另一方面，第一到第四主永磁单元由于它们的位置而与倾斜角的减小或产生的磁场强度密切相关，第一到第四主永磁单元优选比辅助永磁单元(例如第五到第十二永磁单元)包括更多的永磁块。优选地，辅助永磁单元还配置为使得在截面上它们的形状(尺寸)相对于作为对称轴的X轴呈线对称，以及相对于作为对称轴的Y轴也呈线对称，并且在截面上它们的磁化方向相对于作为对称轴的X轴呈线对称。在图1的实施例中，除了四个主永磁单元(第一、第二、第三和第四永磁单元401到404)以外，还配置了八个辅助永磁单元(第五到第十二永磁单元505到512)。在截面的圆周方向上，在主永磁 单元之间的每个间隔内布置第五到第十二辅助永磁单元中的两个。每个辅助永磁单元包括一个或三个永磁块并且适当地布置在可获得期望的低倾斜角的位置上。更具体来说，在图1的实施例中，第五永磁单元布置在25°到35°的范围内，第六永磁单元布置在45°到65°的范围内，第七永磁单元布置在115°到135°的范围内，第八永磁单元布置在145°到155°的范围内，第九永磁单元布置在205°到215°的范围内，第十永磁单元布置在225°到245°的范围内，第十一永磁单元布置在295°到315°的范围内，第十二永磁单元布置在325°到335°的范围内。但是，永磁单元的布置不局限于此。为了减小倾斜角，第五、第八、第九和第十二辅助永磁单元中每一个包括一个永磁块，并且布置在第一和第三主永磁单元每一侧，而第六、第七、第十和第十一辅助永磁单元中的每一个包括三个永磁块，并且布置在第二和第四主永磁单元的每一侧。根据要减小倾斜角的内部空间的形状和尺寸，适当地选择辅助永磁单元的位置和辅助永磁单元所包含的永磁块的数量。在磁场产生器的径向或圆周方向(即磁轭的外圆周的切线方向)上磁化辅助永磁单元。更具体来说，位于第一主永磁单元两侧的辅助永磁单元(第五和第十二辅助永磁单元)在径向往外的方向上磁化，其中该第一主永磁单元与在内部空间中产生的单向磁场具有相同的磁化方向。位于第二主永磁单元两侧的辅助永磁单元(第六和第七辅助永磁单元)在与该单向磁场的方向相反的切线方向上磁化，其中该第二主永磁单元与在内部空间中产生的单向磁场具有相反的磁化方向。位于第三主永磁单元两侧的辅助永磁单元(第八和第九辅助永磁单元)在径向往内的方向上向着内部空间磁化，其中该第三主永磁单元与在内部空间中产生的单向磁场具有相同的磁化方向。位于第四主永磁单元两侧的辅助永磁单元(第十和第十一辅助永磁单元)在与该单向磁场的方向相反的切线方向上磁化，其中该第四主永磁单元与在内部空间中产生的单向磁场具有相反的磁化方向。对于每个辅助永磁单元来说，每个辅助永磁单元所包含的一个或多个永磁块也在相同的方向上磁化。可以通过使用各种类型的数学编程方法，比如准牛顿(quasi-Newton)法或搜索法，更详细地确定永磁块的尺寸和位置以及永磁块的磁场的大小和磁化方向等。例如，可以使用优化计算来确定每个具有长方体或立方体形状的永磁块的纵向和横向尺寸和厚度以及每个永磁块的位置。用于优化计算的优化技术可以包括各种类型的数学编程方法，其中非线性编程方法，比如准牛顿法或搜索法，是优选使用的。可以结合两种以上的优化技术来避免局部最优解或缩短计算时间。优化计算的因素可以是在磁场产生器的内部空间中的倾斜角，tan-1(By/Bx)，并且可以确定设计变量以获得倾斜角的最小值。在此，Bx和By分别代表磁场产生器产生的磁场的X轴方向磁场分量(主磁场分量)和Y轴方向磁场分量(倾斜角分量)。设计变量是1)磁体尺寸：(纵向尺寸：磁化方向)乘以(横向尺寸：非磁化方向)乘以(厚度：Z轴方向上的高度)，以及2)磁体位置：由到磁场产生器的中心轴的半径和与在内部空间产生的磁场的被定义为零度的方向所成的角度θ确定。可以针对每一个永磁块确定该设计变量。连接多个永磁块使生产磁场产生器变得更容易，从而更好地增加连接有三个或更多个永磁块的磁体单元的数量。但是，如果可以减小倾斜角的话，也可使用包括一个永磁块的永磁单元或包括两个相连的永磁块的磁体单元。该磁场产生器可以进一步包括可选的一个或更多永磁块或者可选的一个或多个永磁单元，比如关于X轴或Y轴不对称的永磁块或永磁单元，只要它们不影响倾斜角减小即可。该磁场产生器所使用的永磁块可包括Nd-Fe-B基、Sm-Co基、Sm-N-Fe基等的稀土永磁体，这些与传统偶极环磁场产生器中的永磁体相同。更具体地说，相对便宜而且具有高磁能积的Nd-Fe-B基永磁体更适宜使用，但是永磁块不限于此。如上文所述，整个永磁块制呈现长方体或立方体(棱柱状)的形状。换句话说，在垂直于磁场产生器中心轴的平面上，每个永磁块的截面形状(图1至3中所示的形状)是矩形的。“矩形的”一词可以是长方形或正方形。优选地，磁场产生器所包含的所有永磁块都 具有矩形的截面。每个永磁块的尺寸是这样的，在垂直于磁场产生器的中心轴的平面上，它的矩形截面的每一边优选地是50mm或更小，更优选地是5mm到40mm，进一步优选地是5mm到30mm。具有上述尺寸的矩形截面的两个以上的永磁块相结合使得形成具有期望的尺寸和形状的永磁单元成为可能。每个永磁块的矩形截面的长边长度与短边长度的长宽比可分别地适当调整，同时保持期望的倾斜角减小。从生产的角度来看，矩形的长边长度与短边长度的比值优选地是1:1到8:1，并且考虑到磁化方向的分辨率，更优选地是1.1:1到4:1。与上文所述同样的方式，每个永磁块在轴向方向的长度优选地是50mm以下，更优选地是5mm到45mm。多个具有这样长度的永磁块可在轴向方向上排列，这样，例如，永磁块可以在磁场产生器的轴向方向上从一端延伸到另一端(从一个开口到另一个开口)。从生产的角度来看，所有永磁块在轴向方向的长度最好是相同的。例如，在图2B中所示实施例中，在轴向方向上具有相同截面形状和相同长度的六个永磁块在轴向方向上从磁场产生器的一个开口排列到另一个开口。不是必须从磁场产生器的一端到另一端布置永磁块，并且可以只在需要在内部空间产生磁场的部分中在轴向方向上布置永磁体。可以根据所需的磁场强度、磁场产生器的内径和外径等在上述范围内适当调整永磁块的具体尺寸。所有永磁块都布置为安装在磁轭的内圆周和外圆周之间，即容纳在磁轭内。此外，每个永磁块的磁化方向平行或垂直于矩形截面的每一边。这使得可以容易地加工永磁块，从而可以降低加工成本。永磁块配置在其中的圆柱形磁轭可以由非磁性材料制成。非磁性材料可以包括但不限于铝和不锈钢(SUS)。基于上述永磁块的布置，将非磁性材料用于磁轭可以保持磁场的方向性。磁轭具有圆柱形形状。可以根据所需的磁场强度、与安装在磁场产生器的内部或外部的装置的关系等确定圆柱形磁轭的内径和外径。例如，磁轭的内径被选择为允许将使用在内部空间产生的磁场的装置能插入其中。磁轭具有至少四个磁体插入孔(至少与截面中的永磁单元的 数量相同)，这些磁体插入孔平行于磁轭中心轴，在圆周方向上呈环形设置在磁轭的内圆周和外圆周之间。优选地，这些磁体插入孔被形成为从具有一个开口的一端贯通到具有另一个开口的另一端的贯穿孔。作为选择，这些磁体插入孔可以形成为只穿过磁轭的一端而不穿过另一端，只要这些永磁块能插入其中即可的。作为进一步的选择，这些磁体插入孔可以形成为不穿过端部(形成为存在于磁轭内部的孔)。在本说明书中，磁场产生器的中心轴和磁轭的中心轴指的是相同的轴。此外，磁场产生器的中心点和磁轭的中心点指的是相同的点，该点在磁场产生器和磁轭的中心轴上并且被认为是中心轴方向上的中点。可以通过把每个永磁单元所包含的一个或更多永磁块插入到磁轭的每个磁体插入孔并且把插入的永磁块固定到磁轭来生产磁场产生器。可以例如使用装配工具根据传统方法将永磁块插入到磁轭中。可以将一个或多个永磁块结合在一起以提前制备每个永磁单元，然后可以将永磁单元插入到磁场产生器的磁体插入孔。可以例如使用公知的粘合剂将永磁块结合在一起。把插入的永磁块或永磁单元固定到磁轭上的方法是没有具体限制的。例如，粘合剂或螺栓可用于固定。例如，如图1中所示，同一永磁单元所包含的多个永磁块结合到称作背板310的单一非磁性板，以构成要插入的永磁单元。在此情况下，背板310放置在所述多个永磁块的外径侧。将要插入的永磁单元磁化，然后插入到磁轭的磁体插入孔中。例如，将导轨装配到磁轭，并且沿着导轨将永磁单元插入到磁体插入孔中。可选择地，可以由与磁轭连接的定位螺栓等通过导轨推动每个永磁单元，以把永磁单元放置在孔内的预定位置。如果永磁单元在轴向方向上是分开的，那么可以对多个分开部分执行相同的操作。可以在背板上提前设置螺孔，该螺孔可以与设置在磁轭中的磁体插入孔匹配，通过螺栓将背板固定到磁轭，从而把永磁单元固定在预定位置。此外，如图1中的320所示，在同一永磁单元包含的多个永磁块的内径侧还可以设置盖。在需要增加磁轭3的内径或者在需要保护组装过程中 的磁体的情况下，可以通过设置盖320防止磁体的内径侧暴露来保护磁体。与背板一样，要求盖是非磁性的。背板和盖的材料可包括铝合金、非磁性不锈钢、黄铜和树脂。可以结合多个永磁块用来制作永磁单元，并且在磁化之前将背板和封中的一个或二者结合到永磁单元，然后磁化并且插入到磁轭3中。可以根据要插入的永磁单元中背板或盖的存在与否适当调整磁轭中磁体插入孔的大小。如上所述，该磁场产生器包括圆柱形磁轭和环形排列在磁轭内部，即在圆周方向上磁轭的内圆周和外圆周之间的多个永磁块。可以根据所需的磁场强度，通过增加永磁体相对于磁轭的占用比来增强磁场强度。例如，可以通过增加截面中永磁单元的数量和/或永磁块的数量来增加具有指定的内径和外径的磁轭的截面中被矩形磁块占有的面积。为进一步增强磁场强度，增加永磁单元和/或永磁块在轴向方向上的长度也是有效的。利用上述配置，通过仅使用具有矩形截面的永磁块，就可以在磁场产生器的内部空间中产生大致单向磁场。在根据本发明的磁场产生器中，整个内部空间内倾斜角可以减小。可以如下确定磁场产生器的环的内部空间中随机挑选的位置的倾斜角。倾斜角[deg]＝tan-1(By/Bx),其中Bx表示主磁场的X轴方向磁场分量，By表示副磁场的Y轴方向磁场分量。可以使用特斯拉计来测量每个磁场分量，其中该特斯拉计采用霍尔元件。在单轴霍尔元件的情况中，可以通过将方向改变90度执行两次测量来测量X和Y分量。最近，包括多个元件的测量装置是可得到的，该测量装置能够通过单个探头同时测量三个分量，也就是，X、Y和Z分量。在磁场产生器的内部空间中随机挑选的位置的倾斜角(deg)优选地是在-2°到2°范围内，最优选地是在-1°到1°的范围内。倾斜角不必在磁场产生器的内部空间中的每个位置都是小的并落在前述范围内。至少在靠近内部空间中心的空间内的随机挑选的位置，要求倾斜角落在前述范围内。更具体来说，靠近中心的空间是指例如 在内部空间中定义的并且与圆柱形磁轭具有相同的中心轴和相同的中心点的圆柱形空间，该圆柱形空间的直径是磁轭的整个内部直径的50％以下，轴向方向的长度是磁轭在轴向方向上全长的20％以下。换句话说，在所定义的圆柱形空间内最大倾斜角[deg]最好落在前述的范围内。由于该磁场产生器的特性，倾斜角向着磁场产生器的内壁，也就是向着内部空间的外径侧，趋于增大，并且向着内部空间的中心趋于减小。因此，如果在上文定义的圆柱形空间以外的外径侧的内部空间中测得的倾斜角落在前述优选范围内，那么可以说在上文定义的圆柱形空间内随机挑选的位置的倾斜角也落在前述优选范围内。根据本发明，该磁场产生器是具有环形布置的多个永磁块并且在环的内部空间中能够产生大致单向磁场的偶极环磁场产生器，与传统的偶极环磁场产生器一样，该磁场产生器适用于广泛的应用。根据本发明，该磁场产生器可被用作比如磁共振成像仪(MRI)；用于对例如在半导体器件制作工艺中使用的半导体晶片等基片的表面执行预定处理的等离子体处理设备；以及用于基础研究的均匀磁场产生装置。此外，能够低成本制造和具有较小倾斜角的特性，使得该磁场产生器特别适合于高精度等离子体控制或磁性薄膜定向。实例<实例1>在实例1中，制作了图3中所示的偶极环磁场产生器。图3展示在垂直于中心轴并穿过磁场产生器的中心点的平面上的偶极环磁场产生器的示意剖视图。使用具有矩形截面(整体形状是长方体)的钕基烧结的稀土磁体(信越化学有限公司的N45，1.28T的磁力)。非磁性材料(不锈钢，SUS304)用于磁轭。磁轭是圆柱形，并且具有500mm的外径，430mm的内径和648mm的深度(轴向方向的长度)。如图3所示，位于关于中心轴相反的两侧的一对永磁单元之间的距离是490mm，该距离是从一个永磁单元的外径侧的一边到另一 个永磁单元的外径侧的一边的最短距离。把永磁块结合用以制作每个永磁单元，然后每个单元被磁化并且插入到磁轭的磁体插入孔中。结果是，永磁单元所包含的永磁块合并到磁轭中，来组装实际的磁场产生器。图3中的磁体布局和图1中的磁体布局相同，所以在图3中省略了一些附图标记。关于图3中磁场产生器所包含的四十个永磁块201至240当中布置在X轴正方向和Y轴正方向的磁块(201至210)，每个永磁块的纵向尺寸和横向尺寸在下表1中列出。纵向尺寸是平行于每个磁块的磁化方向的方向上的尺寸，而横向尺寸是垂直于每个磁块的磁化方向的方向上的尺寸。每个磁块的厚度固定在36mm，该厚度是磁场产生器的深度方向上的长度。十八个磁块布置在深度方向上，用以匹配磁场产生器的深度(648mm)。磁块的磁化方向平行或垂直于每个磁块的每一边，并且在图3中由画在磁块上的箭头来表示。如图3所示，磁块关于X轴和Y轴对称地布置，使得四十个磁块(201至240)作为整体环形地排列。如图3所示，四十个永磁块201至240单独地或者由三个或六个组合成第一到第十二永磁单元来使用，它们是第一到第四主永磁单元401至404和第五到第十二辅助永磁单元505至512；并且布置在磁轭3中，更具体地说，布置在磁轭3的内圆周和外圆周之间。永磁块是这样放置的，第一永磁单元(401)落在0°至20°范围内和340°至360°范围内，第二永磁单元(402)落在70°至110°范围内，第三永磁单元(403)落在160°至200°范围内，第四永磁单元(404)落在250°至290°范围内。在此，与磁场产生器内产生的单向磁场的方向相同的方向上的X轴的正方向被定义为0°和360°，并且作为逆时针方向的角度θ，Y轴的正方向被定义为90°，X轴的负方向被定义为180°，Y轴的负方向被定义为270°。此外，第一和第三永磁单元中每一个包括六个平行于Y轴线性排列的永磁块，而第二和第四永磁单元中每一个包括六个平行于X轴线性排列的永磁块。第一和第三永磁单元所包含的永磁块的磁化方向与内部空间内产生的单向磁场的方向完全相同，而第二和第四永磁单元所包含的永磁块的磁化 方向与内部空间内产生的单向磁场的方向完全相反。第一、第二、第三和第四永磁单元中每一个具有的结构是，关于每个永磁单元所包含的六个永磁块，在两端的两个永磁块比其他永磁块更加向内部空间突出。另外，处于中心的两个永磁块比除了两端的永磁块以外的其他永磁块更加向内部空间突出。这样，处于中心的两个永磁块不如两端的永磁块突出。更具体来说，关于包括磁块201、202、203、238、239和240的第一永磁单元401，位于两端的磁块203和238具有35mm的纵向长度(在磁化方向上，在此情况中是X轴方向)，与它们相邻的磁块202和239具有14mm的纵向长度(在磁化方向上，在此情况中是X轴方向)，位于中心的磁块201和240具有26mm的纵向长度(在磁化方向上，在此情况中是X轴方向)(见表1)。这样，第一永磁单元401配置为E形，其中在它的两端和中心处存在向着内部空间的凸起。这同样适用于第二、第三和第四永磁体402、403和404。此外，第五至第十二永磁单元505至512布置在如图3中所示的位置。由于在图3中省略一些附图标记，所以关于永磁单元的附图标记还应该参考图1。尤其是，各自包括一个永磁块的第五和第十二永磁单元(505和512)布置在第一永磁单元401的圆周方向上的两侧。各自包括三个永磁块的第六和第七永磁单元(506和507)布置在第二永磁单元402的圆周方向上的两侧。各自包括一个永磁块的第八和第九永磁单元(508和509)布置在第三永磁单元403的圆周方向上的两侧。各自包括三个永磁块的第十和第十一永磁单元(510和511)布置在第四永磁单元404的圆周方向上的两侧。具体地，在磁轭3的内圆周和外圆周之间的永磁单元是这样放置的，第五永磁单元(505)落在25°至35°的范围内，第六永磁单元(506)落在45°至65°的范围内，第七永磁单元(507)落在115°至135°的范围内，第八永磁单元(508)落在145°至155°的范围内，第九永磁单元(509)落在205°至215°的范围内，第十永磁单元(510)落在225°至245°的范围内，第十一永磁单元(511)落在295°至315°的范围内，以及第十二永磁单元(512)落在325°至335°的范围内。每一个永磁块(201至240)的具体尺寸以及位置是通过优化计 算确定的。搜索法被用于该优化，并且图3中所示的四个估测点的倾斜角被采用作为优化因子。在图3中，由点划线指示的具有300mm的直径的圆周上，用四个黑点表示这四个估测点。在实例1的磁场产生器中，所获得的最大倾斜角(deg)评估结果在表1中列出。最大倾斜角(deg)是这四个估测点的最高值。用于测量每个估测点的倾斜角(deg)的方法和上文所述的一样。实例1的磁场产生器中的最大倾斜角小到0.9°。因此，已经证实，通过仅使用具有矩形截面的磁块就可以产生大致单向的磁场。表1<比较例1>为对比的目的，制作了与实例1的偶极环磁场产生器具有相同性能的图4中所示的传统偶极环磁场产生器。图4中的传统偶极环磁场产生器6包括二十四个磁块701至724，它们近似梯形并且环形布置。磁块的外圆周被环形外缘磁轭8包围。在这个比较例中，磁块701至724在由上述公式(1)和(2)所给的方向上分别磁化，并且关于中心轴彼此相反的两侧的磁块以180度的角度差磁化。利用该配置，在偶极环磁场产生器6的环的内部空间中产生大致单向的磁场。偶极环磁场产生器6的外直径，包括外缘磁轭8，是700m，它的内直径(即由磁块601至624形成的内部空间的直径)是600mm，该磁场产生器的中心轴方向上的深度是620mm。钕基烧结的稀土磁体(信越化学有限公司的N45，具有1.28T的磁力)用于近似梯形的磁块701至724。非磁性材料(不锈钢，SUS304)用于外缘磁轭8。 在比较例1的磁场产生器中得到的最大倾斜角(deg)是0.9°。因此，根据本发明的实例1的偶极环磁场产生器中的最大倾斜角是0.9°，这与比较例1的传统偶极环磁场产生器中的最大倾斜角0.9°是相同的。换句话说，通过仅使用具有矩形截面的并且布置在预定位置的磁块，而不使用制作起来困难又昂贵的梯形磁体，就可以获得与传统偶极环磁场产生器一样小的倾斜角。<成本比较>在根据本发明的实例1的偶极环磁场产生器和比较例1的传统偶极环磁场产生器之间做成本比较。结果如表2所示。该成本是基于生产一百个产生器并且假定单位时间内生产成本(即工作单位价格)相同来计算的。实例1的磁场产生器的成本是用相对于比较例1的磁场产生器的成本的百分比表示的，其中比较例1的磁场产生器的成本定义为100％。在表2中，“磁体”一行表示制作实例1中具有矩形截面的磁体相比于比较例1中具有梯形截面的磁体所需的材料和加工成本(或进货价，若采购的话)的对比。“磁轭”一行表示制作每个磁轭所需的材料和加工成本(或进货价，若采购的话)的对比。“组装成本”一行表示组装磁场产生器所需人工成本的对比。“其他”一行表示除了磁体和磁轭以外的诸如导轨、定位螺栓和粘合剂之类的辅助材料的成本对比。“产品价格”一行表示成品估价的对比。从对比结果明显看出，与比较例1的传统偶极环磁场产生器相比，根据本发明的实例1的偶极环磁场产生器能够获得成本上的显著减小，比如成品价格减少50％。特别是关于“磁体”，揭示出，与比较例1中使用的具有梯形截面的永磁块的情况相比，实例1中具有矩形截面的永磁块可以显著地减少材料用量和加工所需的成本。表2项目比较例1实例1磁体1008磁轭10090组装成本10033其他10075成品价格10050因此，与传统偶极环磁场产生器相比，在预定位置的多个具 有矩形截面的永磁块可以降低生产成本，并且也可以带来期望的小倾斜角。当前第1页1 2 3