高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性的單邊環(huán)形磁體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單邊環(huán)形磁體，包括由鋁合金結(jié)構(gòu)支承且同心的第一磁環(huán)和第二磁環(huán)；所述第一磁環(huán)由八個(gè)周向間隔均布的梯形磁鋼塊組成，各個(gè)矩形磁鋼塊由鋁合金結(jié)構(gòu)緊固；所述第二磁環(huán)由八個(gè)周向間隔均布的矩形磁鋼塊組成；每一個(gè)矩形磁鋼塊設(shè)置于一對(duì)相鄰梯形磁鋼塊間，且該對(duì)相鄰梯形磁鋼塊間設(shè)有供該單個(gè)矩形磁鋼塊沿第二磁環(huán)徑向微調(diào)的間隔；所述第一磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向，與第二磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向相反。本發(fā)明單邊環(huán)形磁體，其磁場(chǎng)均勻度和溫度穩(wěn)定性可以調(diào)節(jié)，以便獲得高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性。
【專利說明】高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性的單邊環(huán)形磁體

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及永磁體，具體涉及一種高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性的單邊環(huán)形磁體，可應(yīng)用于核磁共振。

【背景技術(shù)】
[0002]核磁共振及相關(guān)磁體技術(shù)，在醫(yī)學(xué)影像和化學(xué)分析領(lǐng)域有著廣泛的用途。通常，核磁共振所需的磁體，根據(jù)其磁場(chǎng)產(chǎn)生原理的不同，可以分為超導(dǎo)磁體、永久磁體(簡(jiǎn)稱永磁體)和電磁磁體。超導(dǎo)磁體廣泛用于包括軀干和頭部在內(nèi)的人體各個(gè)部位的MRI斷層掃描成像(nuclear Magnetic Resonance Imaging);對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)甚高的超導(dǎo)磁體,還用于化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中的分子結(jié)構(gòu)和分子動(dòng)力學(xué)研究。而電磁磁體作為磁體技術(shù)發(fā)展史上的階段性產(chǎn)物，由于其高功耗、性能穩(wěn)定性差，基本已不再使用。
[0003]目前，由于成本和技術(shù)因素，醫(yī)用的低場(chǎng)超導(dǎo)磁體設(shè)備龐大、運(yùn)行成本高、設(shè)計(jì)復(fù)雜，不適合在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合下使用，比如皮膚組織高分辨率層析成像。而作為超導(dǎo)磁體在影像學(xué)方面替代技術(shù)的C型永久磁體，同樣存在上述缺點(diǎn)、且不適用于各種便攜式應(yīng)用的場(chǎng)合。因此，開發(fā)一種重量輕、磁場(chǎng)穩(wěn)定性高、場(chǎng)強(qiáng)適中的小型磁體，將在核磁共振領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。
[0004]中國(guó)專利“單邊永磁體的磁定位器”(申請(qǐng)?zhí)?201210066874.8)，其涉及單邊永磁體技術(shù)，但其既不適用于核磁共振領(lǐng)域，而且其磁體的對(duì)磁場(chǎng)均勻度極低。
[0005]另外,在現(xiàn)有技術(shù)中，存在一種單邊永磁魔環(huán)磁體,其英文名稱是Halbach Array。一般地，該磁體采用釹鐵硼或釤鈷等稀土材料為原料加工而成，由若干個(gè)矩形或扇形磁塊按照特定的角度和方位排列而成。該永磁魔環(huán)最大的特點(diǎn)是，以最少的磁能供應(yīng)獲得中間孔徑中最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度。但是，這種磁體存在一個(gè)嚴(yán)重的問題，由于稀土材料的溫度不穩(wěn)定性，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是不穩(wěn)定的，不論是磁共振成像還是波譜學(xué)分析，其應(yīng)用都受到很大限制。
[0006]由于核磁共振技術(shù)的特點(diǎn)，所需靜磁場(chǎng)條件的營(yíng)造，必須是高溫度穩(wěn)定性和高空間均勻度的，就決定了相關(guān)磁體技術(shù)必須適應(yīng)這一需求。從上述介紹可知，現(xiàn)有技術(shù)具有如下缺陷:
[0007]1.超導(dǎo)磁體價(jià)格昂貴，能耗高，需要定期進(jìn)行液氮和液氦補(bǔ)給，而后者的全球唯一供貨來源在美國(guó)；
[0008]2.現(xiàn)有的大型超導(dǎo)磁體不適合做小尺寸目標(biāo)成像掃描，另外磁體周圍的雜散磁場(chǎng)較強(qiáng)，對(duì)人和物進(jìn)抵檢查前的準(zhǔn)備工作有嚴(yán)格的要求；
[0009]3.前述的傳統(tǒng)的永磁魔環(huán)磁體雖然所產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有較高的空間均勻度，但是溫漂現(xiàn)象十分明顯，進(jìn)而導(dǎo)致共振頻率發(fā)生變化，失去相關(guān)信號(hào)檢測(cè)的條件；
[0010]4.目前，傳統(tǒng)永磁魔環(huán)磁體的勻場(chǎng)方法簡(jiǎn)單且不具有規(guī)律性、不好操作，即不能像勻場(chǎng)線圈那樣，將不均勻磁場(chǎng)分量首先展開為一系列正交球諧分量，然后再有針對(duì)性地實(shí)施勻場(chǎng)操作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種單邊環(huán)形磁體，其磁場(chǎng)均勻度和溫度穩(wěn)定性可以調(diào)節(jié)，以便獲得高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性的單邊環(huán)形磁體，包括由鋁合金結(jié)構(gòu)支承且同心的第一磁環(huán)和第二磁環(huán)；
[0013]所述第一磁環(huán)由八個(gè)周向間隔均布的梯形磁鋼塊/片組成，各個(gè)矩形磁鋼塊由鋁合金結(jié)構(gòu)緊固；
[0014]所述第二磁環(huán)由八個(gè)周向間隔均布的矩形磁鋼塊/片組成；
[0015]每一個(gè)矩形磁鋼塊設(shè)置于一對(duì)相鄰梯形磁鋼塊間，且該對(duì)相鄰梯形磁鋼塊間設(shè)有供該單個(gè)矩形磁鋼塊沿第二磁環(huán)徑向微調(diào)的間隔；
[0016]所述第一磁環(huán)的各個(gè)梯形磁鋼塊充磁方向相互配合，以使第一磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向沿單一方向均勻分布；
[0017]所述第二磁環(huán)的各個(gè)矩形磁鋼塊充磁方向相互配合，以使第二磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向沿單一方向均勻分布；
[0018]所述第一磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向，與第二磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向相反。
[0019]優(yōu)選的，各梯形磁鋼塊的上底邊構(gòu)成第一磁環(huán)的環(huán)孔。
[0020]本發(fā)明單邊環(huán)形磁體由第一磁環(huán)和第二磁環(huán)組成，在將第一磁環(huán)和第二磁環(huán)相配合之前，二者各自是一種傳統(tǒng)的單邊永磁魔環(huán)磁體，但在相互配合時(shí)，保證二者產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向相反。
[0021]裝配時(shí)，第一磁環(huán)的各梯形磁鋼塊位置一旦裝好，就固定不動(dòng)，而第二磁環(huán)的各矩形磁鋼塊位置可以進(jìn)行徑向微調(diào)AR，那么在磁鋼塊溫度為T、孔徑內(nèi)某一位置r處的由第一磁環(huán)單獨(dú)產(chǎn)生的磁場(chǎng)B1tlOO可以表示為:
[0022]Br(l ZR1(T)) = B1H Γ0,/-- I + (κ1 + 4)ΔΓ] + ο(?°.)
[0023]式中，Ttl為初始磁鋼塊溫度，T0和T時(shí)刻磁鋼塊距離場(chǎng)點(diǎn)r的平均距離分別為R1q和R1(T)，k1為磁鋼塊的磁場(chǎng)溫度系數(shù)，k1,為磁鋼塊與鋁合金結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)相關(guān)的、包含磁鋼塊位置移動(dòng)因素的磁場(chǎng)變化系數(shù)，o(T2)為與二階和二階以上、溫度變化相關(guān)的磁場(chǎng)變化量。同理，可以得到第二磁環(huán)的磁場(chǎng)、隨磁鋼塊位置微動(dòng)和溫度變化而產(chǎn)生的變化量的表達(dá)式 B11。(r)。
[0024]根據(jù)磁場(chǎng)的空間疊加定理，將上面分析的B1tlOO的BnQ(r)相加，可以得到:
B(l t)=[與(?) + B卿
[0025]+ [Bi0(T)W + 4) ++ 40]ΔΓ

+ ο(Τ2).
[0026]進(jìn)一步地，當(dāng)忽略二次項(xiàng)和更高次項(xiàng)，以及考慮到磁材的負(fù)溫度效應(yīng)(剩磁隨溫度的升高而降低、或隨溫度的降低而升高，即該過程在一定溫度范圍內(nèi)、是正反向變化可逆的)，那么，本發(fā)明找到這樣一個(gè)比例公式:
Bi Ku + K1J
[0027]礦—
[0028]當(dāng)?shù)谝淮怒h(huán)和第二磁環(huán)的磁場(chǎng)溫度系數(shù)和結(jié)構(gòu)系數(shù)滿足上面比例公式的條件時(shí)，即當(dāng)磁體的外部組件和各磁鋼磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，如果工作溫度Ttl時(shí)B1tl和B11tl取某一數(shù)值，則總磁體結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)是不隨溫度變化而變化的；而這樣一種條件的滿足，具體操作中，是以先固定第一磁環(huán)各磁鋼塊的位置、然后微調(diào)第二磁環(huán)各磁鋼塊徑向位移來實(shí)現(xiàn)的。
[0029]另一方面，第二磁環(huán)本質(zhì)上是起到一個(gè)對(duì)第一磁環(huán)磁場(chǎng)勻場(chǎng)的作用，由于幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，本發(fā)明區(qū)別于常規(guī)單邊永磁魔環(huán)磁體無規(guī)律的磁片勻場(chǎng)方法，當(dāng)?shù)诙怒h(huán)包含八塊磁鋼塊時(shí)，可以有針對(duì)性地對(duì)第一磁環(huán)的磁場(chǎng)不均勻分量，進(jìn)行最高至8/2 = 4階的不同球諧分量的系統(tǒng)化校正。
[0030]本發(fā)明通過調(diào)節(jié)磁體的磁場(chǎng)均勻度和溫度穩(wěn)定性，可以獲得高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性，以適用于核磁共振成像和波譜學(xué)檢測(cè)分析領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)較高的信噪比、以及材料波譜較高的分辨率。具體涉及到以下幾個(gè)方面:
[0031]1.提高傳統(tǒng)單邊永磁魔環(huán)磁體的磁場(chǎng)空間分布均勻度；
[0032]2.提高傳統(tǒng)單邊永磁魔環(huán)磁體的磁場(chǎng)-溫度穩(wěn)定度；
[0033]3.解決目前傳統(tǒng)單邊永磁魔環(huán)磁體勻場(chǎng)技術(shù)中，不能根據(jù)各階球諧展開分量來進(jìn)行精確勻場(chǎng)的問題。
[0034]和傳統(tǒng)單邊永磁魔環(huán)磁體相比，由于本發(fā)明采用了反向磁場(chǎng)的嵌套磁環(huán)勻場(chǎng)子結(jié)構(gòu)，克服了溫度漂移帶來的磁場(chǎng)隨時(shí)間的波動(dòng)性，所以提高了進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)時(shí)的監(jiān)測(cè)信噪比和波譜分辨率。
[0035]和超導(dǎo)磁體相比，由于采用了稀土永磁材料，本發(fā)明沒有能源消耗以及無需液氦/液氮等消耗品；由于采用了溫度變化磁場(chǎng)自校正方法，和常規(guī)C型和單邊永磁魔環(huán)磁體相t匕，本發(fā)明不需要額外提供恒溫裝置，就能保證各種核磁共振檢測(cè)順利進(jìn)行。
[0036]基于永磁材料的伸縮型磁場(chǎng)特性，即只要磁塊的充磁/剩磁相同，而體積不論大小，都具有等量的磁通密度，所以，本發(fā)明可以在使用少量磁材的條件下，依然營(yíng)造出十分可觀的磁通密度，這在超導(dǎo)磁體或電磁磁體技術(shù)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。
[0037]本發(fā)明還具有如下特點(diǎn):
[0038]1.由于稀土永磁材料固有的磁場(chǎng)溫度不穩(wěn)定性，以及這種不穩(wěn)定性具有可逆性，那么采用兩個(gè)磁場(chǎng)方向相反的魔環(huán)磁體相嵌套，根據(jù)相關(guān)的溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)之比，對(duì)魔環(huán)磁體的初始場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行合理選取，就可以消除溫度變化帶來的磁場(chǎng)變化。
[0039]2.由于勻場(chǎng)用磁體第二磁環(huán)的幾何對(duì)稱性以及與第一磁環(huán)的配置成比例性，首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于磁場(chǎng)球諧分量的系統(tǒng)化永磁體勻場(chǎng)方法，可以實(shí)現(xiàn)I至4階分量的精確主磁場(chǎng)校正。
[0040]3.本發(fā)明磁鋼塊所用稀土材料，包括一代釤鈷、二代釤鈷以及釹鐵硼磁性材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是第一磁環(huán)磁鋼塊組的陣列模式和磁場(chǎng)方向說明；
[0042]圖2是第二磁環(huán)磁塊鋼組的陣列模式和磁場(chǎng)方向說明；
[0043]圖3是第一磁環(huán)、第二磁環(huán)組合以后的單邊永磁魔環(huán)磁體結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)方向說明；
[0044]圖4為第一磁環(huán)為釤鈷磁材、第二磁環(huán)為釹鐵硼磁材的磁場(chǎng)不均勻度變溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；
[0045]圖5所示為利用有限元電磁場(chǎng)仿真軟件，對(duì)組合磁環(huán)的空間磁場(chǎng)分布進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果;
[0046]圖6為利用本發(fā)明磁體，分別完成水和甲苯樣品的核磁共振波譜檢測(cè)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0048]本發(fā)明具體實(shí)施的技術(shù)方案是:
[0049]如圖1-圖3所示，一種高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性的單邊環(huán)形磁體，包括由鋁合金結(jié)構(gòu)支承且同心的第一磁環(huán)I和第二磁環(huán)2 ；
[0050]所述第一磁環(huán)I由八個(gè)周向間隔均布的梯形磁鋼塊/片11組成，各個(gè)矩形磁鋼塊21由鋁合金結(jié)構(gòu)緊固；
[0051]所述第二磁環(huán)2由八個(gè)周向間隔均布的矩形磁鋼塊/片21組成；
[0052]每一個(gè)矩形磁鋼塊21設(shè)置于一對(duì)相鄰梯形磁鋼塊11間，且該對(duì)相鄰梯形磁鋼塊11間設(shè)有供該單個(gè)矩形磁鋼塊21沿第二磁環(huán)2徑向微調(diào)的間隔；
[0053]所述第一磁環(huán)I的各個(gè)梯形磁鋼塊11充磁方向相互配合，以使第一磁環(huán)I的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向沿單一方向均勻分布；
[0054]所述第二磁環(huán)2的各個(gè)矩形磁鋼塊21充磁方向相互配合，以使第二磁環(huán)2的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向沿單一方向均勻分布；
[0055]所述第一磁環(huán)I的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向，與第二磁環(huán)2的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向相反。
[0056]各梯形磁鋼塊11的上底邊構(gòu)成第一磁環(huán)I的環(huán)孔。
[0057]為了驗(yàn)證本發(fā)明磁場(chǎng)溫度補(bǔ)償磁體實(shí)施方案的可行性，根據(jù)計(jì)算得到的磁塊充磁強(qiáng)度，進(jìn)行組合磁環(huán)的變溫試驗(yàn)。
[0058]圖4所示為第一磁環(huán)為釤鈷磁材、第二磁環(huán)為釹鐵硼磁材的磁場(chǎng)不均勻度變溫實(shí)驗(yàn)，[23,31]攝氏度；從圖4中可以看出，單純的釤鈷磁環(huán)或釹鐵硼磁環(huán)，其磁場(chǎng)不均勻度都隨溫度的升高而增加，相反，組合以后的磁環(huán)Λ基本上為一水平線。
[0059]圖5所示為利用有限元電磁場(chǎng)仿真軟件，對(duì)組合磁環(huán)的空間磁場(chǎng)分布進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果，由上至下依次為子圖(I)、子圖(2)、子圖(3)、子圖(4)。子圖(I)為產(chǎn)生第三階球諧分量、第二磁環(huán)磁環(huán)各磁塊的徑向位置，子圖(2)為對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分布示意圖。同理，子圖
(3)為產(chǎn)生第四階球諧分量、第二磁環(huán)磁環(huán)各磁塊的徑向位置，子圖(4)為對(duì)應(yīng)的四階分量磁場(chǎng)分布不意圖。
[0060]相關(guān)磁塊/磁體的幾何參數(shù)為，磁體內(nèi)直徑15mm、外直徑35mm、高度80mm ;衫鈷磁塊的表磁為0.Hesla。
[0061]利用上述磁體，分別完成了水和甲苯樣品的核磁共振波譜檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，采用了標(biāo)準(zhǔn)5mm核磁試管進(jìn)行樣品制備，左圖A)水峰由16次掃描獲得:信號(hào)采集時(shí)間536ms，循環(huán)等待時(shí)間1s ;右圖B)甲苯峰經(jīng)64次掃描/信號(hào)累加而獲得，譜線分辨率達(dá)到 4.5Hz。
[0062] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性的單邊環(huán)形磁體，其特征在于，包括由鋁合金結(jié)構(gòu)支承且同心的第一磁環(huán)和第二磁環(huán)； 所述第一磁環(huán)由八個(gè)周向間隔均布的梯形磁鋼塊組成，各個(gè)矩形磁鋼塊由鋁合金結(jié)構(gòu)緊固； 所述第二磁環(huán)由八個(gè)周向間隔均布的矩形磁鋼塊組成； 每一個(gè)矩形磁鋼塊設(shè)置于一對(duì)相鄰梯形磁鋼塊間，且該對(duì)相鄰梯形磁鋼塊間設(shè)有供該單個(gè)矩形磁鋼塊沿第二磁環(huán)徑向微調(diào)的間隔； 所述第一磁環(huán)的各個(gè)梯形磁鋼塊充磁方向相互配合，以使第一磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向沿單一方向均勻分布； 所述第二磁環(huán)的各個(gè)矩形磁鋼塊充磁方向相互配合，以使第二磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向沿單一方向均勻分布； 所述第一磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向，與第二磁環(huán)的環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高磁場(chǎng)均勻度、高溫度穩(wěn)定性的單邊環(huán)形磁體，其特征在于，各梯形磁鋼塊的上底邊構(gòu)成第一磁環(huán)的環(huán)孔。
【文檔編號(hào)】H01F7/02GK104252944SQ201410487161
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】李曉南, 陳國(guó)華 申請(qǐng)人:蘇州露宇電子科技有限公司