众所周知，插入装置是一种插入电子加速器的直线部分或电子储存环 中以发射高亮度同步辐射的装置。正如图3A的透视图所示，现有技术的 插入装置是具有这样结构的装置，即磁铁块组件由至少两列永磁铁块构 成，它们被面对面放置以在它们中间形成一个气隙。当单个的永磁铁块的 磁化方向如图3A中相应的磁铁块端面上的小箭头所指示的那样时，在相 对的两列磁铁块之间的气隙里，一个如图3A中由Z轴和Y轴确定的平面 里的正弦曲线形的周期性磁场，如图3B所示。这种产生这样一个周期性 磁场的插入装置被分成下列两类，一类Halbach型的由20、30、40、 50、……块永磁铁块组成，正如图4A中示意表示的其侧视图那样，和另 一类混合型，即由交替放置的永磁铁块30、50、……和软磁材料块或磁极 片32组成。
当在电子加速器中运行的高速电子沿图3A中的Z方向进入两列磁铁 块之间的周期性磁场时，电子就如图3C所示在Z轴和X轴确定的平面内 曲折运动而在弯点发射同步辐射，正象Halbach在Nuclear Instruments and Methods，第187卷109页(1981)中所报告的那样。同步辐射的发射 模式依据电子曲折的范围被称为摆动器模式或波荡器模式。在摆动器模式 发射中，在各弯点上发出的辐射叠加起来，给出总强度为从一个弯曲的电 磁铁发出的辐射强度的10至1000倍的白色同步辐射。另一方面，在波荡 器模式辐射中，从各弯点上发出的辐射之间互相干涉，针对基频辐射和较 高的谐波给出比摆动器模式辐射高10至1000倍的辐射强度。摆动器模式 辐射和波荡器模式辐射的区别可以用参数K＝0.934λm(m)·Bg(特斯拉) 的值来表示，其中λm是周期长度，Bg是周期磁场的峰值。就是说，当 K值大约为1或更小时得到波荡器模式，当K为其它值时辐射是摆动器模 式。为简单方便起见，本发明中使用波荡器和插入装置这两个词将两种模 式都包括在内。进而，在下面的描述中，“气隙方向”指的是从第一磁铁 块列中的磁铁块指向与第一磁铁块列中的磁铁块相对的第二磁铁块列中的 磁铁块，或者说，是图3A中的Y轴方向。在下面的描述中，“轴向”指 的是电子进入并在磁铁列之间的周期性磁场中穿行的轨道方向，或者 说，是图3A中的Z轴方向。
那么，正如上面所述，插入装置大体上分为Halbach型和混合型， 它们在磁场值和分布方面没有大的差别。可是一般说来，混合型装置中的 磁铁块总重量比Halbach型要小一些。另外，在发展的早期，当制造技术 还处于低水平时，不能提供具有高精度磁化强度值和磁化角的磁铁块，由 于混合型所要求的上述精度比Halbach型所要求的要低，所以更倾向于用 混合型插入装置。可是，近年来由于磁铁制造技术的改进和磁铁块对的重 新组合方法的引进，使得在Halbach型和混合型插入装置中都能获得满意 的磁场分布。混合型装置带有的软磁性磁极片32所具有的非线性能引起 较大的电子轨道偏移，相比之下由于Halbach型的良好线性，因气隙距离 改变引起的电子轨道偏移比混合型小。图4A和4B中示意的是传统的磁 铁块列，被称为平面波荡器。因此选择这些类型中的哪一个都无优劣之 分，而完全取决于插入装置的具体应用意向。
图5示意地画出了在图3的X-Y平面内的将永磁铁块固定及组装成 列的最常规的方法的横截面图。因此，磁铁块20被置于一个非磁性材料 的坚硬的盒子21里，并用胶粘或机械的方法以压盘23和螺栓24定位。胶 粘方法和机械方法可以同时使用。基本上机械方法比胶粘连结具有更高的 可靠性。由磁铁块产生的磁场可以用在盒21的底部或侧壁上形成的调节 洞22来调节。由于盒21能用精密的机器工具靠机械加工制备，与磁铁块 20相比，盒21的尺寸精度一般较高。磁铁块20沿磁铁块列长度方向的位 置精确度特别重要，只要确保盒21和螺栓24的螺孔的尺寸精度就能获得 所要求的磁铁块的位置精度。由这些优点起见，大多数情况下常常用盒 21来固定及组装永磁铁块20。
但是，上述使用盒子来组装大量磁铁块所带来的好处在插入装置的周 期长度(见图3A)变小，继而使得各磁铁块的厚度也变小时就不复存在 了。设一个周期长度为10mm的Halbach型的插入装置，其中由四块磁铁 块构成一个周期，各磁铁块的厚度仅为2.5mm。由于在插入装置中被加速 的电子的轨道形状被单个的永磁铁块的磁学特性的非均匀性极大地干 扰，把剩余磁化强度误差和磁化角误差减至最小就很重要。不过当单个的 磁铁块的厚度非常小时，由于以下几个因素的叠加，磁学特性的误差不可 避免地增加。这几个因素包括(1)在厚度方面磁铁块的尺寸误差增加， (2)由磁铁块的机械加工导致的加工衰退层的体积比相对增加，和(3) 抗腐蚀表面层的相对厚度的误差增加。这些误差都叠加在制备永磁铁块所 采用的粉末冶金方法带来的通常的磁学性能的误差上。
对于磁铁块的安装精度，还会导致其它问题。由于插入装置通常被设 计成在两列面对面放置的磁铁块之间的气隙大小约选为周期长度的一半， 被用于一个周期为10mm的插入装置的气隙大小约为5mm。在一个用机 械加工制备的永磁铁块的尺寸误差不会比±0.05mm小多少时，在气隙方向 预期磁场误差的最大值可能达±2％，而在轴向预期累积的磁场误差的最 大值可能达±4％。因此，在具有10mm周期长度的插入装置中需要其中的 永磁铁块的尺寸精度方面的误差不能超过常规的具有30mm或更长的周期 长度的插入装置中的误差的二分之一到三分之一。
上述对单个的永磁铁块尺寸上的高精度要求只有在提出磁铁块成列安 装的高精度要求时才有意义，而办到这点还有困难。例如，假设象图5所 示的那样用非磁性的盒子21把各个厚度为2.5mm的磁铁块20装起来以形 成周期长度为10mm的Halbach型插入装置，压板23的宽度必须很小， 相应地，螺栓24的尺寸也必须很小，因为装有单一磁铁块的盒21的厚度 也只有2.5mm。考虑到螺孔攻丝的困难和螺栓头的大小，拧入2.5mm厚 的盒中的螺孔中的螺栓24不能是大于M1大小的螺栓。由于在两列中对面 的两个永磁铁块之间的磁引力如此之强以至于以如此弱的固定装置，就是 说用很细小的螺栓24，不可能保证磁铁块的可靠组装。虽然将永磁铁块直 接固定在一个基板上而不用分离的盒似乎是一个可能的办法，但这个办法 并不总是可行的，因为由于相邻磁铁块之间的斥力和旋转力有时使得它们 之间形成空隙，这种空隙导致沿磁铁块列的长度方向上磁铁块定位的不精 确，也就增加了磁铁块列之间的气隙中磁场分布的误差。
在具有不超过10mm周期长度的插入装置的永磁铁块组件的制备 中，现有技术存在着上述问题和缺点，从这个角度看，迫切需要发展一种 组装薄永磁铁块的新方法，而不是仅仅对现有技术方法的改进或扩展。
本发明的发明者之一，与一位合作发明者一起，在日本专利公开8- 255726中提出过一种短周期插入装置用的磁铁块组件，其中正如图6中示 意的那样，多个磁铁块被组装成一列，并沿与列的长度方向垂直的方向被 以高精度交替反向磁化。那里提出的磁铁块列是为了实现一种周期长度不 超过20mm的插入装置。这种磁铁块组件的优点包括对单个磁铁块的尺 寸精度的要求降低，因为这里的一个永磁铁块覆盖了在传统的Halbach型 插入装置中由四个或更多磁铁块构成的一个周期或更大范围；减少了磁铁 块的加工衰退表面层所导致的问题；传统的用非磁性盒子组装方法的适用 性以及伴随着磁铁块数目的减少而来的对磁铁块组装精度要求的降低。可 是，这种方法在对磁铁块进行磁化的磁场分布的精度方面和对磁化位置的 精确控制方面有不同的困难。
当磁铁块被带有线圈的磁化头用磁场脉冲连续进行磁化时，由于线圈 中产生的热导致其温度上升，线圈的电阻就不可避免地随之上升，这会引 起脉冲磁场分布的漂移。由于稀土基永磁体的磁化行为对于磁化磁场是非 线性的，从而永磁铁块的磁化模式也因此而改变。这种现象在N极和S极 的边界上特别明显，如磁铁块20和相邻块40之间的边界区域。结果在由 组装永磁铁块形成的波荡器周围的磁场中引起一个扰动，导致插入装置中 电子轨道的不规则性。
在对波荡器的磁铁块的磁化中重要的是精确地控制磁化位置。磁铁块 的磁化位置的任何不规则性都会导致单个磁铁单元的不规则厚度分布。因 此磁化头的位置或磁化头与永磁铁块的相对位置需要具有误差为 ±0.05mm，或更可取地，为±0.02mm或更小的精度。只有使用精确控制 的磁化头驱动系统才能满足这种非常严格的要求。

因此，本发明的目的是提供一种新颖的用于小周期长度的，例如不超 过10mm的插入装置的永磁铁块组件，它能用简单和方便的方法克服上述 现有技术中的困难和缺点。
因此，本发明提供的用于插入装置的磁铁块组件包括：
(A)至少两个面对的复合磁铁块，其中的每一个都由一个永磁铁基 块构成，这个基块带有多个以等间距从两个悬臂部分之间横穿过基块的槽 各悬臂部分被沿垂直或平行于基块的长度方向交替反向磁化；以及
(B)多个镶嵌磁铁片或软磁性材料的镶嵌磁极片，各片分别被插入 基块上的一个槽里，镶嵌磁铁片的磁化方向垂直于基块上悬臂部分的磁化 方向。
附图说明
图1A和1B分别表示了一个Halbach型和混合性型插入装置用的细长 的复合磁铁块的长度方向横截面视图。
图2是一个用于根据本发明的插入装置的复合磁铁块的磁化的磁化系 统的示意图。
图3A是表示一个传统的Halbach型插入装置的磁铁块列的透视图。
图3B是表示在图3A中的两磁铁块列之间的气隙中产生的正弦曲线形 周期性磁场的曲线图。
图3C是在图3B所示的周期性磁场中运行的曲折的电子轨道的示意 图。
图4A显示了在Halbach型插入装置中的永磁铁块组件的基本安排。
图4B显示了在混合型插入装置中的永磁铁块和软磁极片的基本安 排。
图5是一个为建立平面波荡器而固定在非磁性盒子里的磁铁块的横截 面视图。
图6示意了在一个小周期长度的波荡器中的永磁铁块的磁化模式。

虽然以上定义的本发明的用于插入装置的磁铁块组件的原理可以应用 于任何尺寸的插入装置，但将本发明应用于具有周期长度不超过，比如 10mm的插入装置则特别有用和有利。
下面是参考附图对根据本发明的插入装置的磁铁块组件的详细描述。
图1A和1B分别示意地表示了一个Halbach型和混合性型插入装置的 平面波荡器1A和1B的复合磁铁块的长度方向的横截面视图。
毋需说明，作为复合磁铁块1A、1B的基础的永磁铁基块10A或 10B必须有至少相当于插入装置的一个周期的长度。当基础磁铁块10A 是磁各向异性时，它的易磁化轴应该沿气隙方向，意即垂直于在气隙里的 电子运动方向，也即垂直于轴向，正如基础磁铁块10A中的箭头所指的方 向。
磁铁块10A是用一种带有磨石的合适的加工工具对磁铁块进行机加工 制备成的。就是说，在一个磁铁块上进行机械加工形成多个横过该块的 槽，各镶嵌磁铁片3A、5A、7A、……被以等间距分别插入位于两个相 邻的悬臂部分2A、4A、6A、8A、……之间的槽里，以限定波荡器的 周期长度。各横过基础磁铁块形成的槽都具有正好适合于镶嵌磁铁片 3A、5A、7A、……插入其中不能活动的厚度，这些镶嵌磁铁片被固 定在其中，比如用胶粘结起来，以完成复合磁铁块1A。
带有多个槽的基础磁铁块10A的悬臂部分2A、4A、6A、 8A、……被沿气隙方向交替反向磁化，如相应部分中的箭头所示，同时 镶嵌磁铁片3A、5A、7A、……被沿轴向交替反向磁化，也如其中箭 头所示。基础磁铁块10A和镶嵌磁铁片3A、5A、7A、……可以在被 组装成一个复合磁铁块1A之前分别进行磁化。另一种可选的方法是在磁 化前先将这些构件组装成复合磁铁块1A的形式，然后在用脉冲磁化磁场 的方法将这些构件一次磁化。在这种情况下，相对的复合磁铁块1A、1A 上的两个相对的悬臂部分被沿气隙方向同向磁化，同时，各插在一个复合 磁铁块中的镶嵌磁铁片被沿轴向磁化，并与它对面的插在另一个复合磁铁 块中的镶嵌磁铁片的磁化方向相反。
当然，关于用于Halbach型插入装置的复合磁铁块中的各磁铁块的磁 化方向还有一种可选择的，虽然不是较优选的方案是悬臂部分2A、 4A、6A、8A、……被沿轴向交替反向磁化，而镶嵌磁铁片3A、5A、 7A、……被沿气隙方向交替反向磁化。下面是此磁化方案并非优选的原 因。当磁铁构件的磁化方向如图1A所示时，各沿轴向磁化的镶嵌磁铁片 3A、5A、7A、……所受到的来自沿气隙方向磁化的悬臂部分2A、 4A、6A、8A、……的斥力具有这样的方向，即使得镶嵌磁铁片被推向 相应的槽的底部从而可以不用任何胶粘而自发地实现镶嵌磁铁片的定位。
图1B是一个用于混合性型插入装置的复合磁铁块1B的长度方向的 横截面视图。这里的基础磁铁块10B与图1A中所示的用于Halbach型的 基础磁铁块10A相似，也带有多个横穿基础磁铁块10B的槽，在悬臂部分 2B、4B、6B、8B、……之间的各个槽里都插着一个软磁材料的镶嵌磁极 片3B、5B、7B、……，而不是图1A中的镶嵌磁铁片3A、5A、 7A、……。在这种情况下，悬臂部分2B、4B、6B、8B、……最好被沿轴 向交替反向磁化。如果细长的磁铁块10B是磁各向异性的，因此它的易磁 化轴最好沿轴向。在两个这样的复合磁铁块1B、1B的组装中，各悬臂部 分的磁化方向与对面的另一个复合磁铁块1B中的悬臂部分的磁化方向是 沿轴向相反的。
正如从上面给出的描述中所理解的那样，以单一的基础磁铁块10A、 10B为基础，将镶嵌磁铁片或镶嵌磁极片插入基础磁铁块的槽中构成复合 磁铁块1A、1B代替了现有技术中大量单元磁铁块的结合，有利于消除现 有技术中的单个单元磁铁块的厚度误差叠加所造成的轴向尺寸误差。这个 优点对小周期长度，例如10mm或更小的插入装置特别重要。
下面参考图2详细描述一种上述复合磁铁块的磁化的方法，其中复 合磁铁块1A是图1A中所示的Halbach型的。
图2是一个带有用作磁化头的电磁铁6的横截面图的、用来为复合磁 铁块1A的磁化产生脉冲磁场的系统的示意图。
如图2所示，磁化头6被装在复合磁铁块1A上，累积在电容器组7 上的电荷靠闸流开关8瞬间放电，产生一个非常大的电流，流过电磁铁6 的线圈9，以产生一个沿箭头B所指示的脉冲式强磁场，从电磁铁6的N1 极到S1极，通过悬臂部分4A、镶嵌磁铁片3A和悬臂部分2A，形成了一 个闭合的磁回路，这样它们就沿着相应的箭头指示的方向被磁化。由于悬 臂部分2A和4A之间的距离被形成用来插镶嵌磁铁块3A的槽的机加工精 度所确定而不可变，对磁化头的磁极位置的精度要求就不严格。在这种情 况下，用于磁化的磁场应至少为15kOe(1193655A/m)，或最好，至少为 18kOe(1432386A/m)，以便可靠地完成磁化。脉冲磁场的脉冲宽度应至 少为0.5毫秒，或最好至少2毫秒。如果可以使用电磁铁和一个如此大容 量的直流电源而不在乎因此带来的高成本的话，当然也可以用静磁场来完 成磁化。
虽然在上面的描述的获得复合磁铁块1A的过程中，磁化是在将带槽 的基础磁铁块10A与镶嵌磁铁片3A、5A、7A、……组装成复合磁铁块 10A后进行的，但当然也可以选择先将带槽的基础磁铁块10A与镶嵌磁铁 片3A、5A、7A、……分别进行磁化，然后再将这些磁化后的构件组装成 磁化的复合磁铁块1A。可是在这组装前磁化的后一种情况下，困难不可 避免，因为比起组装后磁化的前一种情况来，已被磁化的各镶嵌磁铁片 3A、5A、7A、……必须在有斥力或引力的条件下被插入已被沿垂直于镶 嵌磁铁片3A、5A、7A、……的磁化方向磁化的基础磁铁块10A的槽内。
在图2所示的组装后磁化的过程中，用来磁化的磁通量从磁化头6的 N1极到它的S1极通过通过悬臂部分4A、镶嵌磁化头片3A和悬臂部分 2A，如被相应的箭头B1、B2、B3所指示的那样，形成一个闭合的回 路，使得悬臂部分2A、4A和镶嵌磁铁片3A被一次磁化而给出复合磁铁 1A，其中的镶嵌磁铁片3A、5A、7A、……能被悬臂部分2A、4A、6A、 8A、……的斥力或引力自发定位。
混合型的复合磁铁1B的磁化过程基本上与上述的Halbach型复合磁 铁1A的磁化过程相同。
形成复合磁铁块1A、1B的永磁体的类型没有特别的限制，但从在复 合磁铁块之间的气隙中产生强磁场的角度看，用粉末冶金方法从稀土合 金，如钐-钴合金和稀土-铁-硼合金制备的各向异性的可磁化磁铁是优 选的。当用组装后磁化过程使复合磁铁块1A或1B磁化时，稀土-铁-硼 合金更为优选，因为它容易被脉冲磁场磁化。将各磁化的复合磁铁块固定 在盒子里是没有问题的。构成固定盒子的材料是没有被特别限制，只要该 材料是坚硬的，并且非磁性的材料，包括铝或铝基合金、不锈钢和黄铜， 其中不锈钢由于其滑动阻力而优先。被插入用于混合型复合磁铁块1B的 基础磁铁块10B上的槽中的镶嵌磁极片的材料最好是铁或铁基合金，如 低碳钢SS400，SUY和铁-钴合金。
两个或更多的复合磁铁块1A或1B被组装成一个用于插入装置的小 周期长度的波荡器，其中根据本发明，假设周期长度为10mm，100cm长 的磁铁块中的周期数N能高达100。由于从插入装置中发出的辐射的理论 强度与数N的平方成正比，即使是小型的装备有根据本发明的插入装置的 加速器环也能发出非常强的同步辐射。
下面以一个例子的方式详细描述本发明的一个实施例。
四十个40mm乘40mm宽，20mm厚烧结的钕-铁-硼合金块，它 的易磁化轴沿20mm厚度方向，被用磨石进行机械加工出平行于表面的一 条边的宽2mm，深15mm，等间距2mm的槽作为基础磁铁块。
镶嵌磁铁片分别具有40mm乘15mm乘2mm的尺寸，它的易磁化轴 沿2mm厚度方向，被用同样的稀土磁性合金制备。这些镶嵌磁铁片被插 入基础磁铁块上的槽里被固定不动就做成了四十个复合磁铁块。
另一方面，制备带有五个周期跨度的磁化齿的磁化头，以便一次磁化 一个前面准备好了的复合磁铁块。磁化头的电磁铁芯是用层压冲压成型的 0.5mm厚的纯铁片制成，并装有一个线圈。磁化头的磁化齿被引至与复合 磁铁块表面相接触，用一个4000伏×5000μF容量的电容器组为线圈供能 以产生峰值至少为20kOe(1591540A/m)的脉冲磁场来进行复合磁铁块的 磁化。
各磁化的复合磁铁块被插入用非磁性不锈钢SUS316L做的固定盒子 中，并且盒子被20个一组组装起来以形成一个沿这样的方向的800mm长 的细长的复合磁铁块列，使得所有复合磁铁块中的各镶嵌磁铁片都处于穿 过这个列的一个平面内。一对复合磁铁列被这样面对面放置，使得一个列 中的各镶嵌磁铁片正好对着另一列中的镶嵌磁铁片，它们之间的气隙为 4mm。
这样制备的100个周期、800mm长的波荡器的气隙中的周期性磁场的 分布被用小面积霍尔传感器测量，发现周期性磁场的峰值是非常均匀的， 在未使用任何调节装置的情况下其变化仅为±1.5％。