CN1014942B - 大气隙高均匀度永磁磁体 - Google Patents

Abstract

有大气隙高均匀度磁场的永磁磁体，适用于核磁共振人体组织断层扫描成象装置或类似要求的设备中。横断面为单层“口”字形，有水平和垂直对称线。由上下两块平行的纯铁极板和分立左右的主磁块垛围成气隙，四角是横断面为矩形的补偿磁块垛。各磁块垛用根同尺寸的正六面体单元磁块码装而成。主磁块垛内侧面有调整磁场均匀度的铁片阵。磁体结构简单，加工安装容易，重量轻，在磁场工作区域内，磁密量大偏差仅为数十毫高斯。

Description

本发明是一种在大气隙中获得高均匀度恒定磁场的永磁磁体，适用于核磁共振人体组织断层扫描成象装置（以下简称MRI-CT）中，也可以用于对磁体有类似要求的仪器设备中。

MRI-CT是继X-CT之后发展起来的医用临床诊断设备，这种装置中都有一台大气隙高均匀度磁体，要求在其气隙中一个直径为30-40厘米的球域内，各点磁通量密度（以下简称为磁密）的差值不超过数十毫高斯。

有三种磁体可供采用，即电流线圈磁体，超导线圈磁体和永磁磁体。电流线圈磁体功率消耗很大。超导线圈磁体附属设备复杂，运行维护费用高。永磁磁体因其工作可靠、价格较低、不需要附属设备、运行和维护简单、节约能源等优点，越来越得到重视和发展。

目前，大气隙高均匀度永磁磁体面临两大技术问题：重量太大和磁场均匀度差。美国佛尔纳（Fonar）公司设计制造的QEDBeta3000是最早实际应用于MRI-CT的永磁磁体。其工作磁密为3000高斯，以恒磁铁氧体材料为磁源，总重100吨。

中国专利85103498是常见的有铁轭的框式磁体的改进结构，其端视图如图2。常见的框式磁体由铁轭[11]、主磁块[12]和纯铁极板[13]组成。该专利中增加了侧磁块[15]和堵漏磁块[14]，其作用是：（1）用侧磁块阻止了两极板之间磁力线向两侧的膨出;（2）用堵漏磁块堵住了主磁块和侧磁块漏向铁轭的磁通。采用该专利制造的磁体，磁源为恒磁铁氧体，工作区为直径30厘米的球，磁密1500高斯，总重22吨。按照有关磁学定律推算，若采用中国专利85103498制造技术指标与佛尔纳公司的QEDBeta3000相近的磁体时，估计总重量将超过60吨，绝对重量仍然很大，而且由于增加了侧磁块和堵漏磁块，磁体的加工和安装更加复杂了。

1986年，美国海军电子技术及装置试验室（U.S.Army    Electronics    Techonlogy    and    Devices    Laboratory（缩写为LABCOM））提出可称之为双层“口”字形永磁磁体（见IEEE    Transaction    an    Magneics    Vol.May-22，No.5，P1078-1080），图 3是它的端视图。该磁体内层是上下极板[23]和分立左右的主磁块垛[22]，所围成的空间的中部是磁体工作区。极板的宽度是两主磁块垛的宽度与气隙宽度之和。主磁块垛的高度与气隙的高度相等。磁体的外层由4块辅助磁块[21]，上下两块极外罩磁块[24]和4块调整磁块[25]围成矩形框。极外罩磁块[24]装在极板之外并与之紧贴，其宽度与极板的宽度相等。调整磁块[25]基本上呈直角三角形，左右各为二块，以长直角边与主磁块垛外侧紧贴，左侧和右侧的两个直角三角形，各以小锐角顶点重合于磁体的水平对称轴，两长直角边的长度之和等于主磁块垛的高度和两块极板的高度之和。4块辅助磁块[25]横断面呈正方形，分别装在磁体的四角，各以相邻的两面与极外罩磁块[24]和调整磁块[25]紧贴。

LABCOM的上述双层“口”字形永磁磁体中左右主磁块垛磁性取向方向垂直向上;两块极外罩磁块磁性取向都是由上向下;两块上调整磁块磁性取向由外向内，两块下调整磁块磁性取向由里向外;位于上方的两块补偿磁块的磁性取向以对角线方向指向工作区，位于下方的两块补偿磁块的磁性取向以对角线方向从工作区指向外。工作区磁场由磁块组[22]、[24]、[21]、[25]共同产生，它们在磁体外面的作用一定程度上互相抵消。工作区内，从中心向两侧，磁场强度有一定变化，如图4所示。

LABCOM的上述磁体方案如果付诸实施，将遇到两个问题：

（1）磁体中，除去两块纯铁极板外，有磁性取向方向各异的磁块组四种共12组（块），它们在彼此靠近时有强大的相互作用力和力矩，不仅装配十分困难，而且需要用高强度有色金属夹件固定和夹紧这些磁块，因此磁体结构复杂，重量加大，成本增加。

（2）如图4所示的磁场不均匀性是该方案所固有的。该文作者提出，用改变调整磁块组[25]的剩磁的方法改善磁场的不均匀性。众所周知，磁场的不均匀性只能在磁体装配完成后通过测量才能确定，而改变调整磁块的剩磁，不外采用不同材质的磁性材料，改变磁块尺寸或充磁的程度等方法，它们都只能在磁块设计制造阶段实现，一旦磁体装配完成，需要改变调整磁块组的剩磁，只能将调整磁块拆下来重做。因此这种方案实用上是不现实的或有困难的。

本发明的目的是改进前述磁体结构，提供一种没有铁轭，结构简单，加工安装方便，易于调整，重量轻轻的大气隙高均匀度永磁磁体。

本发明永磁磁体是一种单层的、横断面呈“口”字形的、有水平和垂直两条对称轴线的有限长空心筒状结构。图1是其端视图。两块用纯铁制成的正六面体极板[1]一上一下平行对称放置，构成“口”字的上缘和下缘的中段。由相同尺寸的正六面体单元磁块码装而成的两组主磁块垛[2]一左一右对称布置，构成“口”字的左缘和右缘。上下两极板和左右主磁块垛围成磁体的气隙。上下两极板的垂直方向外侧没有磁块，左右主磁块垛的水平方向外侧没有磁块。磁体横断面外轮廓为矩形，四角空间以四组横断面为矩形的补偿磁块垛[3]填补。补偿磁块垛也由相同尺寸的正六面体单元磁块码装而成。在上的二组补偿磁块组成“口”字上缘的左右两端，在下的二组补偿磁块垛组成“口”字下缘的左右两端。紧贴左右主磁体块垛的内侧面上，有两组垫补铁片阵[4]。

本发明磁体纯铁极板的横向宽度与气隙横向宽度b（即左右主磁块垛横向之间的距离）相等，主磁块垛的高度与气隙高度δ相等，补偿磁块垛在磁性取向方向上（水平横向）的尺寸与左右主磁块垛的宽度bm相等;补偿磁块垛的高度（厚度）与极板厚度h相等。垫补铁片阵[4]所含的垫补铁片的数目和各铁片位置通过磁场均匀性调整来决定。磁体两端面平齐并且互相平行。磁体的纵向长度L取为气隙高度δ的三倍左右。

本发明磁体各磁块垛的磁性取向方向是这样的：左右主磁块垛的磁性取向方向为垂直向上;左上角补偿磁块垛和右下角补偿磁块垛一水平向右;右上角补偿磁块垛和左下角补偿磁块垛一水平向左。本发明提供的单层“口”字形磁体。保证了几乎在整个极板上都产生由上极板垂直指向下极板的磁场。在磁体轴向长度的中部，极板中部相当大的范围内，为磁体的工作区。

一左一右对称布置的主磁块垛，向气隙提供绝大部分磁通，它们的内侧面限制了两极板间向外膨出的磁通，主磁块垛又是磁体的左右壁。四角的补偿磁块垛向气隙提供小部分磁通，并且减弱了磁体外部的漏磁场。

在主磁块垛内侧面中部布置的垫补铁片阵[4]是由许多铁片构成的，是本发明磁体的一个组成部分，其作用有二：（1）不带垫补铁片阵的“口”字形磁路，气隙磁场有中心较强、两侧较弱的趋势（如图5所示）。设置垫补铁片阵，有将气隙磁通向两侧吸引的作用，可以削弱上述趋势，加宽均匀区。（2）主磁块垛内侧面面向气隙，其材质的不均匀影响气隙磁场的均匀性。根据对气隙磁场的测量结果，按实际需要在主磁块垛内侧面设置垫补铁片（构成整个铁片阵[4]），可以纠正场的畸变。

制造本发明磁体磁块垛的材料（磁源），采用去磁特性近似为线性的永磁材料，如恒磁铁氧体，钐钴永磁，钕铁硼永磁等。气隙磁密按下式估算：

B≈1.7× (Br)/(1.7+b/bm)

式中：

B-气隙磁密，高斯;

Br-永磁材料剩磁磁密，高斯;

b-气隙横向宽度，厘米;

bm-主磁块垛宽度，厘米。

在给定了B、b、并选定了磁性材料之后，即可由此式确定主磁块垛的宽度bm。

和任何其他永磁磁路的设计一样，本磁体中磁性材料的工作点也应力求落在最大磁能积附近。当工作点偏高时，可以在码装主磁块垛时，沿垛的整个高度，均匀地夹垫适当厚度的纯铁板，以降低磁性材料的工作点。

纯铁极板[1]的厚度h主要由通过气隙的磁密和极板是否有足够的刚度来决定。允许通过气隙的磁密以不产生饱和（包括局部饱和）为度。极板的刚度要求，则是在其自重、磁作用力、装配压紧力的共同作用下，以不超过允许的形位公差为度。此外，由于补偿磁块垛的厚度与极板厚度相等，当总体设计要求补偿磁块有较大厚度时，极板厚度也要随之增加。前面已述，补偿磁块垛的宽度，与主磁块垛的宽度bm相等。

本发明的特点是：

（1）磁体重量轻，本发明磁体没有磁轭，并且左右主磁块垛充作磁体侧壁，简化了结构，又无需高强度有色金属夹件，致使磁体重量大为减轻。按本发明制造工作区为直径30厘米的球，磁密1500高斯，以铁氧体为磁源的磁体，总重接近9吨，仅为按中国专利85103498所制磁体重量的40%。

（2）部件种类少，加工安装容易。主磁块垛和补偿磁块垛都是用相同尺寸的正六面体单元磁块码装而成，加工容易，安装方便。再者，由于极板与气隙宽度相等，既可以降低极板和主磁块垛的加工安装要求，又便于精确地调整上下极板间的平行。

（3）磁性材料用量少。本发明磁体的左右主磁块垛和补偿磁块垛，除了可以采用同一种永磁材料的单元磁块分别码装之外，可以根据需要，采用单元磁块和单元铁块分别混合码装，还可以采用不同永磁材料的单元磁块分别混合码装，做到在满足给定磁场强度的前提下，使用的磁块总用量最少，降低制造成本。

图1    本发明单层“口”字形磁体端视图。

图2    改进的有铁轭框式磁体端视图。

图3、LABCOM的双层“口”字形磁体端视图。

图4    LABCOM磁体工作区磁密分布图。

图5    单层“口”字形磁体未安放垫补偿铁片阵时，磁体中部横断面上的磁密分布（1/4断面图）。

以下是如图1所示本发明的几个实施例，这里使用的部分符号的含义如前文所述。

实施例1

工作区磁密    B＝600高斯

磁源    锶钙恒磁铁氧体

剩磁密度    Br＝3800高斯

矫顽力    Hc＝2700奥斯特

最大磁能积（BH）max＝3.2×10⁶高斯.

奥斯特

气隙高度    δ＝12厘米

气隙宽度    b＝23厘米

主磁块垛宽度bm＝8.5厘米

磁体总高度    H＝14厘米

磁体纵向长度    L＝34厘米

磁体总重量    W＝46.8公斤

在气隙中心6厘米×6厘米的水平平面上，磁密最大值与最小值之差与中心点磁密值之比为200ppm。

实施例2

工作区磁密    B＝1500高斯

磁源    锶钙恒磁铁氧体

剩磁密度    Br＝3800高斯

矫顽力    Hc＝2700奥斯特

最大磁能积（BH）max＝3.2×10⁶高斯.

奥斯特

气隙高度    δ＝50厘米

气隙宽度    b＝100厘米

主磁块垛宽度bm＝100厘米

磁体总高度    H＝70厘米

磁体纵向长度    L＝170厘米

磁体有效材料重量7.9吨

磁体总重量    W＝9.0吨

均匀度在工作区，磁场均匀度不劣于100ppm

实施例3

工作区磁密    B＝720高斯

磁源    锶钙恒磁铁氧体

剩磁密度    Br＝3800高斯

矫顽力    Hc＝2700奥斯特

最大磁能积（BH）max＝3.2×10⁶高斯.

奥斯特

气隙高度    δ＝50厘米

气隙宽度    b＝100厘米

主磁块垛宽度bm＝100厘米

磁体总高度    H＝70厘米

磁体纵向长度    L＝170厘米

主磁块垛和补偿磁块垛采用铁氧体单元磁块和纯铁块（大小形状与单元磁块相同）分别混合码装，二者块数比例1∶1。

磁体有效材料重量9.87吨（其中，磁块总重仅2.7吨，其余为纯铁块重量和纯铁极板重量）。

磁体总重量    W＝11吨

均匀度在工作区，磁场均匀度不劣于100ppm。

Claims (5)

1、有大气隙高均匀度磁场的永磁磁体，横断面有水平和垂直两条对称轴线，气隙由上下两块平行的纯铁极板[1]和左右主磁块垛[2]围成，其特征在于：

(1)磁体横断面呈单层“口”字形，上下两级板(1)分别构成“口”字的上缘和下缘的中段，左右主磁块垛[2]构成“口”字的左缘和右缘。

(2)上下两块纯铁极板[1]的横向宽度与气隙的横向宽度b向等，主磁块垛的高度与气隙高度δ相等，两块横断面为矩形的主磁块垛左右平行，

(3)磁体四角空间以四组横断面为矩形的补偿磁块垛[3]填补，在上的二组补偿磁块组成“口”字上缘的左右两端，在下的二组补偿磁块垛组成“口”字下缘的左右两端，

(4)补偿磁块垛的横向宽度与主磁块垛的宽度bm相等，高度与极板厚度h相等，

(5)紧贴左右主磁块垛的内侧面上，有用于调整工作区磁场不均匀性的两组垫补铁片阵[4]，

(6)各磁块垛的磁性取向是这样的：左右主磁块垛的磁性取向方向为垂直向上、左上角补偿磁块垛和右下角补偿磁块垛磁性取向为水平向右，右上角补偿磁块垛和右下角补偿磁块垛磁性取向为水平向左。

2、如权利要求1所述的永磁磁体，其特征是左右主磁块垛[2]由相同尺寸的正六面体单元磁块码装而成，补偿磁块垛[3]也由相同尺寸的正六面体单元磁块码装而成。

3、如权利要求1和2所述的永磁磁体，其特征在于左右主磁块垛[2]和补偿磁块垛[3]各用同一种永磁材料的单元磁块码装，或用不同永磁材料的单元磁块分别混合码装，还可以用单元磁块和单元铁块分别混合码装。

4、如权利要求1或2所述的永磁磁体，其特征是组成主磁块垛[2]和补偿磁块垛[3]所用的单元磁块，采用去磁特性比较线性的铁氧体永磁、或钐钴永磁，或钕铁硼永磁。

5、如权利要求3所述的永磁磁体，其特征是组成主磁块垛[2]和补偿磁块垛[3]所用的单元磁块，采用去磁特性比较线性的铁氧体永磁，或钐钴永磁，或钕铁硼永磁。

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