CN100568016C - 用于便携式核磁共振仪器的永磁体 - Google Patents

Abstract

一种用于便携式核磁共振仪器的永磁体，由一个中空的圆柱形永磁体和一半圆柱形永磁体构成，半圆柱形永磁体的轴截面贴合在圆柱形永磁体的一个端面上。中空的圆柱形永磁体是由形状相同，磁场强度相等，磁化方向为磁体本身旋转方向角度两倍的扇形永磁体组成。半圆柱形永磁体是在与中空式圆柱形永磁体结构相同的圆柱形永磁体上，用沿轴向平行磁场方向的平面所截得，半圆柱形永磁体的内外半径分别与圆柱形永磁体的内外半径相等，其轴向长度大于圆柱形永磁体的外径。将半圆柱形永磁体的轴截面贴合在圆柱形永磁体的一个端面上，该半圆柱形永磁体和圆柱形永磁体在圆柱腔内轴线上的磁场方向一致，用以补偿圆柱形永磁体端部的轴向磁场。

Description

用于便携式核磁共振仪器的永磁体

技术领域

本发明涉及用于核磁共振仪器的永磁体，特别涉及用于便携式核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体。

背景技术

近年来，在核磁共振设备领域已经获得了不断的发展，提出了许多重要的应用方向，并且不断在实现。

当前对钻探岩心样品的测量，采用的方法是先通过野外钻探获得岩心，再将岩心带回对测量环境要求较高的实验室中测量。这种方法的缺陷在于从岩心的获得到测量完成所需的时间过长，以致所得分析结果因其实效性差，不能有效地应用于指导现场勘探与开发。因此实现快速获取岩心样本的物理化学特性具有现实的意义。同样的原因，对于农产品和食品质量检测以及化工产品的现场测量等，亦需要便携式核磁共振仪器。

静磁场发生装置(磁源)是核磁共振仪器的重要组成部分。构建便携式NMR装置的首要问题不是磁场强度有多高，而是需要适合的磁场强度、均匀度和整个设备的尺寸、重量。便携式核磁共振仪器要求磁体能够提供适合的磁场强度和均匀度，并尽可能减少整个设备的尺寸和重量。

经检索六份中国专利，A、专利号为92112454.6“永磁式核磁共振波谱仪钕铁硼磁体”；B、专利号为98113543.9“核磁共振成像仪永磁体”；C、专利号为98318945.5“核磁共振C形永磁体”；D、专利号为01128381.5“一种用于核磁共振成像仪的永磁体””；E、专利号为02290346.1“稀土永磁式核磁共振质谱仪磁场装置；F、专利号为200410030688.4“适于便携式核磁共振装置使用的永磁体”。六件专利的磁体均由磁钢，极板或者匀场环，轭铁等构成，一对永磁磁块被安装在两块相对的上、下轭铁上，所述一对永磁磁体彼此相对的表面上分别安装极板。采用极板式的架构，其特征是通过磁路闭合构造两个相反磁极获得所需的磁场空间。其不足之处在于：

(1)均匀磁场空间体积小，磁场空间浪费太大。由于对磁场的均匀性要求非常严格，现有的符合场强要求的均匀区域一般为两磁极之间磁体截面内气隙磁场的30％左右甚至更低。如果考虑四周端部效应，磁场空间的利用率更低。这是磁体造价费用很高的根本原因之一。

(2)磁场强度难以提高。永磁磁块被安装在两块相对的上、下轭铁上，因此磁源的分布受到限制，根据磁场的叠加原理，磁体中心场强的提高有限。相对于由于磁场向外泄露，磁场强度小于永磁材料剩余磁密。

(3)由于磁场要通过轭铁构成闭合回路，以及极板或者匀场环提高磁体间隙内的磁场均匀度。这不仅增加了仪器的造价，更使磁体庞大和笨重，不利于携带。

发明内容

本发明的目的是克服现有磁体技术的缺点，提供一种新的便携式核磁共振仪器用的永磁体。该永磁体的磁场空间利用率高、磁体的体积小、重量轻、漏磁少。适用于便携式核磁共振仪器对试管中样品的检测。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明采用中空试管形永磁磁体结构，其特征是由一个中空的圆柱形永磁体和一个中空的半圆柱形永磁体构成，半圆柱形永磁体的轴截面贴合在圆柱形永磁体的一个端面上。中空的圆柱形永磁体和中空的半圆柱形永磁体是由形状相同，磁场强度相等，磁化方向为磁体本身旋转方向角度两倍的扇形永磁体，通过强力胶粘连构成，沿圆柱形永磁体圆周方向等分为N＝2^M块M为大于2的整数，每个磁块轴截面为扇形。半圆柱形永磁体相当于在与中空式圆柱形永磁体结构相同的圆柱形永磁体上，用沿轴向平行磁场方向的轴截面所截得，半圆柱形永磁体的内外半径分别与圆柱形永磁体的内外半径相等，半圆柱形永磁体的轴向长度大于圆柱形永磁体的外径。组成半圆柱形永磁体的每个磁块轴截面为扇形，磁场强度相等，磁化方向为磁体本身旋转方向角度的两倍。将半圆柱形永磁体的轴截面贴合在圆柱形永磁体的一个端面上，该半圆柱形永磁体和圆柱形永磁体在圆柱腔内轴线上的磁场方向一致，用以补偿圆柱形永磁体端部的轴向磁场。组合后的整个磁体的空腔内是均匀

本发明原理如下：

在r₁＜r₂的圆环中填入稀土永磁体，永磁体的极化方向角度按照

变化(

永磁体本身旋转方向角度)，将得到圆环内部磁场：

B＝B_rln(r₁/r₂)                                (1)

其中：

r₁：圆环的内径；

r₂：圆环的外径；

Br：稀土永磁材料的剩磁。

这样的圆柱形永磁体能够在圆柱腔内产生一个正交于圆柱轴线的横向磁场，圆柱体外部的磁场为零。对于强度和均匀度来说，这个磁场在二维空间是独特的而且完美的，在圆柱形永磁体的内腔中磁场处处相等，因此，在理想情况下，圆柱形永磁体的内径r₁的大小取决于盛装样品的试管和射频线圈的大小。在保证相同的匀场大小时，所述中空形磁体的磁场空间远远小于极板式磁体的磁场空间，磁场空间利用率大，必然导致所述中空形磁体重量轻，体积小。非常适合作为便携式核磁共振仪器的静磁场发生装置。

这里需要说明的是：若磁体中每一点的磁化方向能按磁体方向角度本身旋转2倍方向角度连续变化，理论上整个中空圆柱体内磁场空间的不均匀性为零，实际工程中由于加工制造工艺原因，目前无法做到磁化方向按磁体本身旋转2倍方向角度连续变化，因此采用磁体分块的方法。磁体等分的块数越多，越接近理想状况。

但是，在圆柱形永磁体的三维空间中，沿轴线方向，磁场分布从磁体的中心向两端逐渐衰减，如果磁体足够长，那么在两端面上磁场等于磁体中心场强的一半。

在实际使用中为了获得足够的均匀度空间，需要保证一定轴向尺寸长度。但是实际使用的磁场空间只有满足均匀度要求的圆柱体中间那段。当试管中的样品放入探头测量时，磁体下端的空间被浪费，既增加体积，也增加了重量。削弱了圆柱形永磁体在便携式核磁共振仪器中应用的优势。

因此，为了补偿圆柱形永磁体的轴向磁场的衰减，对圆柱形永磁体分析如下：当无限长圆柱形永磁体在z＝0的位置，被x-y平面所截。如果

是由z＞0的圆柱形永磁体产生的标量位，

是由z＜0的圆柱形永磁体产生的标量位，如果是无限长圆柱形永磁体的标量位，那么下式显然成立：

应用一定的算子到(2)式，得到感兴趣的场量函数

同理，得到无限长圆柱形永磁体在x＝0的位置，被y-z平面所截时，感兴趣的场量函数

在同样半径时，上述截得的圆柱形永磁体的端面场强与截得的半圆柱形永磁体截面的场强相等，且方向相同。

由此可见如果将两种磁体的磁场叠加，相当将圆柱形永磁体的轴向长度延长一倍，因此能够有效改善轴向磁场均匀度，同时也减轻磁体的重量，减小了体积。

所述中空形磁体的磁场在轴向被限制在圆周内，不能向外发散，漏磁较少，呈现一种聚磁效应，因而，所述中空形磁体内的磁场强度可设计得比极板式磁体的磁场强度高，从而提高仪器的分辨率。

就磁体的制造工艺而言，虽然是由两种磁体组合而成，但是实际仍然只需要制备与圆柱形永磁体相同极化数量的离散磁块，采用相同的装配工艺，分别组装圆柱和半圆柱形永磁体后，再组合成所述中空形磁体，并没有增加制造工艺的复杂性，这也是这种新颖的中空形磁体的优点之一。

由于半圆柱形永磁体的加入，磁场的中心截面的匀场区增加，而且偏离圆柱形永磁体的中心，向下半圆柱形永磁体偏移。正是由于这种组合磁体中心匀场区的偏移和轴向尺寸的增加，因此本发明可使这种中空形磁体更加适合对试管中样品的检测。

本发明的优点在于：磁场空间利用率大、整体体积小、重量轻、磁体的漏磁小、制造工艺简单。

附图说明

图1是由13块磁体组成的本发明具体实施方式的结构示意图。图中：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8为构成圆柱形永磁体的扇形永磁体；B1、B2、B3、B4、B5为构成半圆柱形永磁体的扇形永磁体。

图2是本发明圆柱形永磁体的轴向补偿示意图。

图3是本发明中被平行磁场方向的轴截面截得的半圆柱形永磁体的磁场分布示意图。

图4是8块磁体组成的圆柱形永磁体具体实施方式示意图。

图5是用平行磁场方向的轴截面去截取8块磁体组成的圆柱形永磁体，所获得的5块磁体组成半圆柱形永磁体的本发明具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

图1是由13块磁体组成的本发明具体实施方式的结构示意图。如图1所示，轴截面为扇形的永磁体Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8构成中空圆柱形永磁体；扇形永磁体B1、B2、B3、B4、B5构成半圆柱形永磁体。圆柱形永磁体内的磁场方向与半圆柱形永磁体内的轴向磁场方向相同。圆柱形永磁体的一个端面与半圆柱形永磁体的轴截面相贴合，组合成中空形磁体。

图2是本发明圆柱形永磁体的轴向补偿示意图。假设无限长圆柱形永磁体在z＝0的位置，被x-y平面所截，Z＞0圆柱形永磁体轴线上磁场分布曲线如图2中实线所示，磁场沿轴线衰减，在端面处衰减到中心磁场的二分之一。同理，Z＜0圆柱形永磁体轴线上磁场分布曲线如图2中虚线所示。如果将Z＞0和Z＜0的两段磁体连接起来，那么由于无限长圆柱形永磁体轴线上磁场处处相等，从而实现了对Z＞0圆柱形永磁体端部轴线上磁场的补偿。

本发明中被平行磁场方向的轴截面截得的半圆柱形永磁体的磁场分布如图3所示。由于半圆柱形永磁体的内外半径分别与圆柱形永磁体的内外半径相等，所以半圆柱形永磁体在截面处的磁场衰减到无限长圆柱形永磁体中心磁场的二分之一，在半圆柱形永磁体截面外侧的磁场分布与圆柱形永磁体端平面外侧的磁场分布相同，即图3中，X＜0半圆柱形永磁体在X＞0区域中的轴线上磁场分布，与在图2中，Z＜0圆柱形永磁体在Z＞0区域中的轴线上磁场分布相同。因此采用半圆柱形永磁体替代Z＜0圆柱形永磁体，实现对Z＞0圆柱形永磁体轴线上磁场的补偿。

图4所示为8块磁体组成的圆柱形永磁体本发明具体实施方式。由沿圆柱体圆周方向等分为8块的横截面为扇形的永磁体Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8，通过强力胶粘连构成一个中空的圆柱形永磁体。

图5所示为本发明半圆柱形永磁体的具体实施方式。用平行磁场方向的轴截面去截取8块磁体组成的圆柱形永磁体，所获得的5块横截面为扇形的永磁体B1、B2、B3、B4、B5，通过强力胶粘连构成一个半圆柱形永磁体。

将图5所示的半圆柱形永磁体的轴截面贴合在图4所示的圆柱形永磁体的一个端面上，使两个磁体在圆柱腔内轴线上的磁场方向一致，圆柱形永磁体的一个端面的圆心位于半圆柱形永磁体的轴截面的中心上，构成如图1所示的磁体。

如图4所示，圆柱形永磁体中按顺时针方向依次为各磁块编号Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8，各磁块的磁场强度大小相同。取编号为Y1的磁块，将该磁块的磁化方向取为指向圆心的径向。那么按照按顺时针方向，则第Yi个磁块的磁化方向顺时针旋转角度 ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{(i-1)\mathrm{\π}}{2}$ (i＝1，2，3，...8)。图4中实箭头所示为各磁块磁化方向，空心箭头为圆柱形永磁体内磁场方向。一般而言，若磁体等分为N块(N＝2^M，M＞2)，且磁块旋转方向角度 ${\text{\θ}}_i=\frac{2(i-1)\mathrm{\π}}{N}$ (i＝1，2...N)，则第i个磁块的磁化方向与Y轴夹角 ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{4(i-1)\mathrm{\π}}{N},$ 即ω_i＝2θ_i，磁块的磁化方向角度是磁块本身旋转方向角度的两倍。

如图5所示，半圆柱形永磁体系将圆柱形永磁体被沿轴向平行磁场方向的平面所截得。半圆柱形永磁体中按顺时针方向依次为各磁块编号B1、B2、B3、B4、B5，各磁块的磁场强度大小相同。取编号为B1的磁块，将该磁块的极化方向取为指向圆心的径向。那么按照按顺时针方向，则第Bi个磁块的磁化方向顺时针旋转角度 ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{(i-1)\mathrm{\π}}{2}$ (i＝1，2，...4)。图5中实箭头所示为各磁块磁化方向，空心箭头为圆柱形永磁体内磁场方向。半圆柱形永磁体的内外半径分别与圆柱形永磁体的内外半径相等，半圆柱形永磁体的轴向长度要求要大于圆柱形永磁体的外径，以保证中空形磁体内的磁场均匀度。

Claims (4)

1、一种用于便携式核磁共振仪器的永磁体，其特征在于：由一个中空的圆柱形永磁体和一个中空的半圆柱形永磁体构成，所述的半圆柱形永磁体的轴截面贴合在圆柱形永磁体的一个端面上；中空的圆柱形永磁体是由形状相同扇形永磁体通过强力胶粘连构成，沿圆柱形永磁体圆周方向等分为N＝2^M块，M为大于2的整数，每个磁块轴截面为扇形；所述的半圆柱形永磁体是在与所述的中空式圆柱形永磁体结构相同的圆柱形永磁体上，用沿轴向平行磁场方向的轴截平面所截得的半圆柱形状的永磁体，所述半圆柱形永磁体的轴向长度大于圆柱形永磁体的外径；将半圆柱形永磁体的轴截面贴合在圆柱形永磁体的一个端面上，所述该半圆柱形永磁体和所述的圆柱形永磁体在圆柱腔内轴线上的磁场方向一致，组合后的整个磁体的空腔内为均匀的磁场。

2、按照权利要求1所述的用于便携式核磁共振仪器的永磁体，其特征在于：组成圆柱形永磁体的各磁块形状相同、磁场强度相等，各磁块磁化方向角度是磁块本身旋转方向角度的两倍。

3、按照权利要求1或2所述的用于便携式核磁共振仪器的永磁体，其特征在于：所述的半圆柱形永磁体的内外半径分别与所述的圆柱形永磁体的内外半径相等。

4、按照权利要求1所述的用于便携式核磁共振仪器的永磁体，其特征在于：当所述的半圆柱形永磁体的轴截面与所述的圆柱形永磁体的一个端面贴合时，所述的圆柱形永磁体一个端面的圆心位于所述的半圆柱形永磁体的轴截面的中心上。

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