CN101571578A - 微型均匀磁场产生器 - Google Patents

Abstract

一种微型均匀磁场产生器，包括一上盖，一下盖，一第一磁铁单元和一第二磁铁单元，其特征在于：所述上盖由高导磁率物质制成；所述下盖由高导磁率物质制成；所述第一磁铁单元和所述第二磁铁单元，分别连接至所述上盖与所述下盖的两侧，用以产生一磁场，所述第一磁铁单元及所述第二磁铁单元的磁场方向相同，且所述上盖与所述下盖其中心部分为等距以引导所述磁场在所述上盖与所述下盖之间产生一均匀磁场空间，并形成屏蔽效应。

Description

微型均匀磁场产生器

技术领域

本发明涉及一种磁场产生器，具体地说，是一种微型均匀磁场产生器。

背景技术

均匀磁场空间在物理实验、中子束研究、材料科学以及医疗的应用上扮演着重要的角色，例如以光学激化核自旋交换法(spin exchange opticalpumping；SEOP)制备在核磁显影或中子束研究中使用的超偏极化贵重气体(hyperpolarized noble gas)时，需要一个均匀度约在10^-4等级的均匀磁场空间，使碱金属的原子能阶分裂以及使偏极化的碱金属与超偏极化贵重气体有遵循的方向。磁场空间的均匀度是所述磁场空间中磁场的最大值与最小值的差值除以平均值。此外，超偏极化贵重气体必须置于均匀磁场中以避免其去偏极化，而且超偏极化贵重气体的偏极量测需要在均匀的磁场空间中进行。

已知通过螺线管线圈磁场产生器(solenoid coil magnetic field generator)或亥姆霍兹线圈磁场产生器(Helmholtz coil magnetic field generator)产生均匀磁场空间。图1是螺线管线圈磁场产生器的示意图，如图所示，螺线管线圈磁场产生器100包括一金属管110，以及螺旋环绕在金属管110外部的电线112，通过电流供应器(图中未示出)提供电流I₁给电线112，在金属管110的中心部分130产生磁场强度为B₁的均匀磁场空间。由于螺线管线圈磁场产生器100产生的磁力线140穿透金属管110，因此其产生的均匀磁场空间为开放穿透性空间，容易受到周围电器产品、电磁场及铁磁性物质的干扰，欲在开放的系统中产生均匀的磁场，需要在螺线管线圈磁场产生器100的外围加上金属屏蔽120，以避免外围环境的电磁干扰。图2是亥姆霍兹线圈磁场产生器的示意图，如图所示，亥姆霍兹线圈磁场产生器150包括亥姆霍兹线圈160及162，以及分别环绕在亥姆霍兹线圈160及162上的电线164及166，通过电流供应器(图中未示出)提供电流I₂给电线164及166，以在亥姆霍兹线圈160及162的中心部分180产生磁场强度为B2的均匀磁场空间。同样亥姆霍兹线圈磁场产生器150产生的磁力线190穿透亥姆霍兹线圈160及162，其产生的均匀磁场空间亦为开放穿透性空间，因此需在亥姆霍兹线圈磁场产生器150的外围加上金属屏蔽170，以避免外围环境的电磁干扰。然而，若要求磁场空间的均匀度达到10^-4等级，则图1的螺线管线圈磁场产生器100与图2的亥姆霍兹磁场产生器150的体积及重量就会相当庞大，例如图2中亥姆霍兹线圈160及162的直径约为1米，以及亥姆霍兹线圈磁场产生器150的重量约为200-300公斤，因而需要较大的空间且不适于移动。此外，参考图1及图2，磁场产生器100及150通过接通电流产生均匀磁场，对环境条件的要求较高，需要稳定的电源供应器与周围温度的控制，以避免因电流或温度的改变而影响到磁场的稳定性，限制了其应用的范围。而且用来防止外围的电磁干扰的金属屏蔽120及170亦增加额外的重量和空间的需求，而增加了应用操作的难度。

因此已知的磁场产生器存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种微型均匀磁场产生器。

本发明的另一目的，在于提出一种可调整磁场强度的微型均匀磁场产生器。

本发明的又一目的，在于提出一种可调整磁场均匀度的微型均匀磁场产生器。

本发明的再一目的，在于提出一种可携式的均匀磁场产生器。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种微型均匀磁场产生器，包括一上盖，一下盖，一第一磁铁单元和一第二磁铁单元，其特征在于：

所述上盖由高导磁率物质制成；

所述下盖由高导磁率物质制成；

所述第一磁铁单元和所述第二磁铁单元，分别连接至所述上盖与所述下盖的两侧，用以产生一磁场，所述第一磁铁单元及所述第二磁铁单元的磁场方向相同，且所述上盖与所述下盖其中心部分为等距以引导所述磁场在所述上盖与所述下盖之间产生一均匀磁场空间，并形成屏蔽效应。

本发明的微型均匀磁场产生器还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述高导磁率物质包括镍铁合金。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述上盖与所述下盖具有相同的尺寸。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述上盖具有第一延伸边盖及第二延伸边盖，所述下盖具有第三延伸边盖及第四延伸边盖，所述第一磁铁单元位于所述第一延伸边盖及第三延伸边盖之间，以及所述第二磁铁单元位于所述第二延伸边盖及第四延伸边盖之间。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述第一磁铁单元及第二磁铁单元各包括一永久磁铁。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述第一磁铁单元及第二磁铁单元各包括一永久磁铁及一线圈环绕所述永久磁铁，所述线圈通过一电流以调整所述均匀磁场空间的均匀度及磁场强度。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述第一磁铁单元及第二磁铁单元各包括：

一第一永久磁铁；

一第二永久磁铁；

一侧壁，所述侧壁由高导磁率物质制成，且位于所述第一永久磁铁及第二永久磁铁之间，以串接所述第一永久磁铁及第二永久磁铁。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述侧壁具有第一延伸边盖及第二延伸边盖分别接合所述第一永久磁铁及第二永久磁铁。

前述的微型均匀磁场产生器，其中更包括一接合单元以接合所述侧壁与所述第一永久磁铁及第二永久磁铁。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述接合单元包括粘着物质。

前述的微型均匀磁场产生器，其中更包括：

一第一线圈，环绕所述第一永久磁铁；

一第二线圈，环绕所述第二永久磁铁；

其中，所述第一线圈及第二线圈分别通过第一电流及第二电流，以调整所述均匀磁场空间的均匀度及磁场强度。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述第一永久磁铁及第二永久磁铁具有相同的磁场强度。

前述的微型均匀磁场产生器，其中更包括一接合单元以接合所述上盖、所述下盖与所述第一磁铁单元及第二磁铁单元。

前述的微型均匀磁场产生器，其中所述接合单元包括粘着物质。

采用上述技术方案后，本发明的微型均匀磁场产生器具有以下优点：

1.大幅缩减均匀磁场产生器的体积和重量。

2.可以在较小的空间要求下，产生一个非常均匀的磁场空间。

3.提供对外界的电磁干扰的屏蔽，不需额外的金属屏蔽，达到微型化的均匀磁场产生器。

4.均匀磁场产生器成为便携式装置，增加其操作上的便利性及应用上的弹性。

附图说明

图1是螺线管线圈磁场产生器的示意图；

图2是亥姆霍兹线圈磁场产生器的示意图；

图3是本发明的第一实施例示意图；

图4是本发明的第一实施例的前视图；

图5是微型均匀磁场产生器的水平磁场分布图；

图6是本发明的第二实施例示意图；

图7是本发明的第二实施例的正视图；

图8是微型均匀磁场产生器的水平磁场分布图；

图9是应用本发明的贵重气体偏极化产生器的示意图；

图10是本发明的第三实施例示意图；

图11是本发明的第四实施例示意图；

图12是微型均匀磁场产生器的水平磁场分布图；

图13是微型均匀磁场产生器的水平磁场分布图；

图14是微型均匀磁场产生器的水平磁场分布图；

图15是微型均匀磁场产生器的垂直磁场分布图；

图16是微型均匀磁场产生器的垂直磁场分布图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

现请参阅图3和图4，图3是本发明的第一实施例示意图，图4是本发明的第一实施例的前视图，如图所示，所述微型均匀磁场产生器200的水平宽度为W1，垂直高度为H1以及深度为D1。所述微型均匀磁场产生器200包括一上盖210及一下盖220，二者皆由高导磁率物质(μ-metal)所制成，例如镍铁合金。上盖210及下盖220相对于微型均匀磁场产生器200的中心部分为等距，其水平宽度均为W1，深度均为D1，以及垂直高度h1、h2、h3及h4相等。磁铁单元230与232连接在上盖210与下盖220的两侧作为磁力源，其提供的磁场经上盖210与下盖220的引导，如磁力线234所示，在上盖210与下盖220之间产生一均匀磁场空间。上盖210及下盖220并形成磁场的屏蔽。所述均匀磁场空间的均匀度及磁场强度随着微型均匀磁场产生器200的垂直高度H1改变而变化，可通过改变磁铁单元230与232提供的磁场强度以及微型均匀磁场产生器200的垂直高度H1，在不改变所述均匀磁场空间的磁场强度的情况下，达到提高均匀度的目的。当磁铁单元230与232的磁场强度大于形成上盖210与下盖220的高导磁率物质的饱和磁场时，会破坏高导磁率物质的结构，而无法在上盖210与下盖220之间形成均匀的磁场空间，因此微型均匀磁场产生器200的垂直高度H1受限于所述高导磁率物质的饱和磁场的大小。在不同的实施例中，可通过改变上盖210的垂直高度h1及h2与下盖220的垂直高度h3及h4，调整磁铁单元230与232的位置，以及选用不同的磁铁单元230及232，产生所需的磁场空间。

如图3及图4所示，在本发明的一实施例中，微型均匀磁场产生器200的水平宽度W1约为36cm，垂直高度H1约为18cm以及深度D1约为40cm，上盖210具有延伸边盖212及214，下盖220具有延伸边盖222及224，磁铁单元230位于延伸边盖212与222之间，磁铁单元232位于延伸边盖214与224之间，磁铁单元230与232为磁场强度相同且N极方向240向上的永久磁铁，经由接合单元280与上盖210及下盖220接合在一起，接合单元280包括黏着剂、螺丝或夹钳等能将磁铁单元230、232与上盖210、下盖220接合在一起的材料或装置。在本实施例中，接合单元280系位于延伸边盖212、214、222、224与磁铁单元230、232之间的粘着剂，以粘合上盖210、下盖220与磁铁单元230及232。上盖210及下盖220引导磁铁单元230与232的磁场，在上盖210及下盖220之间形成磁场方向向下的均匀磁场空间，并自动形成屏蔽效应。其水平磁场的分布如图5所示，在中心点(18cm处)±3cm(即15-21cm之间)的均匀度约为4.719E-03。本发明以永久磁铁提供磁场，并以高导磁率物质作为导磁和屏蔽之用，可在不提供电源的情况下，产生均匀的磁场空间并形成屏蔽，而不需额外的金属屏蔽，达到降低对环境的要求，以及减少体积与重量的目的，进而增加应用的范围及操作的便利性。

再请参阅图6和图7，图6是本发明的第二实施例示意图，图7是本发明的第二实施例的正视图，如图所示，在本发明的另一实施例中，所述微型均匀磁场产生器300的水平宽度为W2，垂直高度为H2以及深度为D2，其包括由高导磁率物质(例如镍铁合金)制成的上盖210与下盖220，二者相对于微型均匀磁场产生器300的中心部分为等距，其水平宽度均为W2，深度均为D2，以及垂直高度h5、h6、h9及h10相等，以及磁铁单元230与232连接在上盖210与下盖220的两侧作为磁力源。磁铁单元230包括N极方向240向上的永久磁铁250及252，以及一位于永久磁铁250及252之间的侧壁260，侧壁260的垂直高度为h8，用以串接永久磁铁250及252。磁铁单元232包括N极方向240向上的永久磁铁254及256，以及一位于永久磁铁254及256之间的侧壁270，侧壁270的垂直高度为h7，用以串接永久磁铁254及256。永久磁铁250-256的磁场强度相同，侧壁260的垂直高度h8与侧壁270的垂直高度h7相等，以及侧壁260及270由例如镍铁合金的高导磁率物质制成。优选侧壁260具有延伸边盖262与264分别经由接合单元282接合永久磁铁250及252，以将其串接在一起，侧壁270具有延伸边盖272及274分别经由接合单元282接合永久磁铁254及256，以将其串接在一起，上盖210具有延伸边盖212及214，下盖220具有延伸边盖222及224，磁铁单元230位于延伸边盖212与222之间，经由接合单元280与上盖210及下盖220接合在一起，磁铁单元232位于延伸边盖214与224之间，经由接合单元280与上盖210及下盖220接合在一起。接合单元280及282包括粘着剂、螺丝或夹钳等能将上盖210、下盖220、永久磁铁250-256以及侧壁260、270接合在一起的材料或装置。在本实施例中，接合单元282位于延伸边盖262与264与永久磁铁250及252之间，以及延伸边盖272及274与永久磁铁254及256之间的粘着剂，接合单元280位于延伸边盖212、214、222、224与磁铁单元230、232之间的粘着剂，以粘合上盖210、下盖220与磁铁单元230及232。磁铁单元230与232提供的磁场经上盖210与下盖220的引导，在上盖210与下盖220之间产生一磁场方向向下的均匀磁场空间，并自动形成屏蔽效应。当微型均匀磁场产生器300的水平宽度W2约为36cm，垂直高度H2约为18cm以及深度D2约为40cm时，其水平磁场的分布如图8所示，在中心点(18cm处)±3cm(即15-21cm之间)的均匀度小于1.000E-04，已达到贵重气体偏极化时所要求的均匀磁场空间的均匀度，因此对于直径小于6cm且长度小于10cm的基瓶(cell)而言，微型均匀磁场产生器300可提供贵重气体偏极化时所需的均匀磁场空间。在本发明的另一实施例中，通过改变上盖210的垂直高度h5及h6、下盖220的垂直高度h9及h10、侧壁260的垂直高度h8以及侧壁270的垂直高度h7，调整磁铁单元230与232的位置，以及选用不同的永久磁铁250-256，产生所需的磁场空间。在不同的实施例中，通过调整磁铁单元230及232中侧壁及永久磁铁的数量，产生所需的磁场空间。

请参阅图9，图9是应用本发明的贵重气体偏极化产生器的示意图，微型均匀磁场产生器300应用于贵重气体偏极化产生器310，所述基瓶320中装填贵重气体(例如氦3或氙129)、碱金属(例如铷)以及缓冲气体(例如氮气)，加热源340连接保温单元(例如保温炉)330用以维持基瓶320的温度，使基瓶320中的碱金属蒸发为气态，圆偏极化雷射光370经反射单元(例如反射镜或棱镜)380，形成与均匀磁场空间的磁场方向390相同的激光路径通过基瓶320，使基瓶320中的碱金属激化到单一激态的自旋状态，再经由偏极化的碱金属共价电子与贵重气体原子核碰撞产生自旋偏极的转移，形成超偏极化贵重气体。基瓶320、保温单元330以及反射单元380均位于微型均匀磁场产生器300中，绝热层360位于微型均匀磁场产生器300与保温单元330之间，以有效带走外散的热，形成均匀的温度分布，避免因不均匀的温度分布导致微型均匀磁场产生器300产生的均匀磁场空间的均匀度劣化，影响偏极化的效率。隔热垫350位于绝热层360与保温单元330之间以进一步阻绝热的传递。此外，反射单元380、保温单元330以及绝热层360是可拆解的，在贵重气体被偏极化之后，拆除反射单元380及绝热层360，加装富有弹性的防碰撞装置于基瓶320、保温单元330与微型均匀磁场产生器300之间，例如适当形状、大小的泡棉，将基瓶320固定于微型均匀磁场产生器300中以避免碰撞，并使用微型均匀磁场产生器300作为运送箱，将超偏极化贵重气体运送到需要的地方。由于贵重气体偏极化产生器310的重量小(例如小于十公斤)且体积小型化，故可将其搬运到需要超偏极化贵重气体的地方，以实时(InSitu)产生超偏极化贵重气体，或者是作为提供均匀磁场与有效屏蔽的传送箱以运送超偏极化贵重气体。

如图3的微型均匀磁场产生器200以及图6的微型均匀磁场产生器300，其产生的均匀磁场空间的磁场强度为一固定值，但在实际的应用上，所述固定值未必与所需的磁场强度相同，因而限制了应用的范围，若因此重新设计并制造符合所需磁场强度的微型均匀磁场产生器，并不符合经济效益。此外，由于在一些应用上，例如贵重气体的偏极化，均匀磁场空间的均匀度要求小于1.000E-04，因此磁铁单元230及232与高导磁率物质存在的微小差异，即会导致均匀度大于1.000E-04，而不适合应用在贵重气体的偏极化上。为了增加应用的范围，在磁铁单元230及232中增加线圈，并通过调整通过所述线圈的电流，改变磁场的强度及改善均匀度。例如使用发射与接收固定射频(RF)频率的核磁共振(nuclear magnetic resonance；NMR)仪器与共振线圈量测超偏极化贵重气体的偏极化时，由于其发射与接受的RF频率为固定值，因此所需的磁场强度B为固定值。若经由磁铁单元230及232与上盖210及下盖220形成的均匀磁场空间的磁场强度为B’，其磁场差异ΔB＝B-B’，可经由调整通过所述线圈中的电流大小及方向，消除磁场差异ΔB，形成所需的磁场强度B。

请参阅图10，图10是本发明的第三实施例示意图，如图所示，在本发明的一实施例中，在图3的微型均匀磁场产生器200的磁铁单元230及232上分别缠绕线圈410及420，形成微型均匀磁场产生器400。磁铁单元230及232为磁场强度相同且N极方向240向上的永久磁铁。通过在线圈410及420中分别通过电流I₃及I₄产生额外的磁场，改变磁铁单元230及232的磁场强度，以调整微型均匀磁场产生器400产生的均匀磁场空间的磁场强度及均匀度。

请参阅图11，图11是本发明的第四实施例示意图，如图11所示，在另本发明的一实施例中，在图6、图7的微型均匀磁场产生器300的永久磁铁250、252、254及256上分别缠绕线圈510、520、530及540，形成微型均匀磁场产生器500。永久磁铁250-256的磁场强度相同且N极方向240向上。通过在线圈510、520、530及540中分别由电流I₅、I₆、I₇及I8产生额外的磁场，改变磁铁单元230及232的磁场强度，以调整微型均匀磁场产生器500产生的磁场强度及均匀度。例如，当电流I₅、I₆、I₇及I₈均为零时，微型均匀磁场产生器500产生的水平磁场的分布如图12所示，图12是微型均匀磁场产生器的水平磁场分布图，其磁场强度为12高斯(Gauss)。经由调整电流I₅、I₆、I₇及I₈的大小及方向，微型均匀磁场产生器500产生的水平磁场的分布如图13所示，其磁场强度为10高斯，其中，电流I₅、I₆、I₇及I₈的方向相同且大小均为I_A，或是产生如图14所示的水平磁场分布，其磁场强度为14高斯，其中，电流I₅、I₆、I₇及I₈的方向相同且大小均为I_B。又例如当永久磁铁250及254的磁场强度小于永久磁铁252及256的磁场强度的1％，且电流I₅、I₆、I₇及I₈均为零时，微型均匀磁场产生器500产生的垂直磁场的分布如图15所示，图15是微型均匀磁场产生器的垂直磁场分布图。经由调整电流I₅、I₆、I₇及I₈的大小及方向，例如电流I₅及I₇的方向相同且大小为I_C，以及电流I₆与I₈为零，微型均匀磁场产生器500产生的垂直磁场的分布如图16所示，图16是微型均匀磁场产生器的垂直磁场分布图，其中心点(9cm处)±5cm的均匀度从9.348E-04改善为8.420E-05。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

组件符号说明

100螺线管线圈磁场产生器

110金属管

112电线

120金属屏蔽

130中心部分

140磁力线

150亥姆霍兹线圈磁场产生器

160-162亥姆霍兹线圈

164-166电线

170金属屏蔽

180中心部分

190磁力线

200微型均匀磁场产生器

210上盖

212-214延伸边盖

220下盖

222-224伸边盖

230-232磁铁单元

234磁力线

240N极方向

250-256永久磁铁

260侧壁

262-264伸边盖

270侧壁

272-274延伸边盖

280-282接合单元

300微型均匀磁场产生器

310贵重气体偏极化产生器

320基瓶

330保温单元

340加热源

350隔热垫

360绝热层

370圆偏极雷射光

380反射单元

390磁场方向

400微型均匀磁场产生器

410-420线圈

500微型均匀磁场产生器

510-540线圈

Claims (14)

1.一种微型均匀磁场产生器，包括一上盖，一下盖，一第一磁铁单元和一第二磁铁单元，其特征在于：

所述上盖由高导磁率物质制成；

所述下盖由高导磁率物质制成；

所述第一磁铁单元和所述第二磁铁单元，分别连接至所述上盖与所述下盖的两侧，用以产生一磁场，所述第一磁铁单元及所述第二磁铁单元的磁场方向相同，且所述上盖与所述下盖其中心部分为等距以引导所述磁场在所述上盖与所述下盖之间产生一均匀磁场空间，并形成屏蔽效应。

2.如权利要求1所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述高导磁率物质包括镍铁合金。

3.如权利要求1所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述上盖与所述下盖具有相同的尺寸。

4.如权利要求1所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述上盖具有第一延伸边盖及第二延伸边盖，所述下盖具有第三延伸边盖及第四延伸边盖，所述第一磁铁单元位于所述第一延伸边盖及第三延伸边盖之间，以及所述第二磁铁单元位于所述第二延伸边盖及第四延伸边盖之间。

5.如权利要求1所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述第一磁铁单元及第二磁铁单元各包括一永久磁铁。

6.如权利要求1所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述第一磁铁单元及第二磁铁单元各包括一永久磁铁及一线圈环绕所述永久磁铁，所述线圈通过一电流以调整所述均匀磁场空间的均匀度及磁场强度。

7.如权利要求1所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述第一磁铁单元及第二磁铁单元各包括：

一第一永久磁铁；

一第二永久磁铁；

一侧壁，所述侧壁由高导磁率物质制成，且位于所述第一永久磁铁及第二永久磁铁之间，以串接所述第一永久磁铁及第二永久磁铁。

8.如权利要求7所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述侧壁具有第一延伸边盖及第二延伸边盖分别接合所述第一永久磁铁及第二永久磁铁。

9.如权利要求7所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，更包括一接合单元以接合所述侧壁与所述第一永久磁铁及第二永久磁铁。

10.如权利要求9所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述接合单元包括粘着物质。

11.如权利要求7所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，更包括：

一第一线圈，环绕所述第一永久磁铁；

一第二线圈，环绕所述第二永久磁铁；

其中，所述第一线圈及第二线圈分别通过第一电流及第二电流，以调整所述均匀磁场空间的均匀度及磁场强度。

12.如权利要求7所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述第一永久磁铁及第二永久磁铁具有相同的磁场强度。

13.如权利要求1所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，更包括一接合单元以接合所述上盖、所述下盖与所述第一磁铁单元及第二磁铁单元。

14.如权利要求13所述的微型均匀磁场产生器，其特征在于，所述接合单元包括粘着物质。

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