CN102426897B

CN102426897B - 一种半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构

Info

Publication number: CN102426897B
Application number: CN 201110429691
Authority: CN
Inventors: 徐征; 郭盼; 何晓龙; 何为
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102426897A

Abstract

本发明公开了一种半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，包括由至少一对间隔设置的副磁体构成的主磁体，各副磁体之间的间隙形成静态磁场均匀区域，每个副磁体包括九个永磁体块和两个安装板，各永磁体块中心点沿椭圆曲线等弧长对称分布，每相邻的两块永磁体块的磁化方向之间的夹角为45度，排列在副磁体的两端的永磁体块的中心连线为椭圆曲线的短轴，各副磁体通过金属螺杆同轴相连，本发明提供永磁体结构所产生的静态磁场均匀区域位于永磁体结构的外部，所以样品不需要放入永磁体结构内部进行测量，从而实现了大体积样品的无损核磁共振检测，克服现有核磁共振永磁体结构不能对大体积样品进行无损检查的缺点，该永磁体结构体积小，重量轻，便于工程现场检测。

Description

一种半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构

技术领域

本发明涉及一种永磁机构，特别涉及一种核磁共振仪器中的静态磁场装置。

背景技术

核磁共振技术作为一种无损检测手段，广泛应用于生命医疗，食品分析，质量控制，材料科学领域和地球物理领域等。产生静态磁场的主磁体是核磁共振仪器的核心部件，目前主磁体可分为三种类型：电磁体，超导磁体和永磁体。其中电磁体产生的磁场能力有限且耗能较大。超导磁体虽然能够产生很强的磁场，但维持超导的低温环境所需费用较高。永磁体产生的磁场虽然在强度上不能达到超导磁体的量级，但是我国的永磁稀土材料储量丰富，构建永磁体型的主磁体所需费用相对低廉，且稳定可靠。这就是本申请采用永磁体结构构建核磁共振仪主磁场的原因。

1979年，美国劳伦斯伯克利国家实验室K.Halbach博士提出一种永磁体结构，该磁体阵列由稀土永磁材料构成，将充磁方向连续变化的磁体模块按一定的规律排列成圆筒状结构，可在圆筒状磁体结构的内侧得到均匀磁场，而在其外侧几乎没有磁场分布。学术界将这种阵列方式的永磁体称为Halbach阵列磁体。随着永磁装置不断向小型化和便携化的发展趋势，Halbach阵列的出色特性得到了学术界和工业界的广泛关注。专利200510011970.2改进了Halbach磁体的端部效应，提出在Halbach磁体的下端粘上一个半圆环状的永磁体结构，补偿圆柱形Halbach磁体腔内的轴向磁场。专利200510086407.1对专利200510011970.2的结构实施了进一步改进，用半球状永磁体结构代替半圆环状的永磁体结构，减少了漏磁，进一步提高了永磁体模块的使用效率。专利201010237804.5对Halbach结构进行了改进，提出使用等腰三角形永磁体模块，方便了磁体结构的安装，提高了永磁体模块的使用效率。专利201020225285.6设计一种可移动的低场核磁共振成像系统，其低场磁体装于移动式磁体架上，可旋转。但其磁体产生的均匀区域位于旋转磁体的内部，不适合检测磁体之外的物体。

专利200910012128.9设计了一种单边核磁共振磁体，通过修改极面的倾斜角和调整磁极的间距，构建出薄片形均匀磁场，该磁体结构由4个永磁体块和相应的铁轭构成。

然而，Halbach阵列，磁体结构封闭，被测物体必须放置在圆筒状磁体结构腔内，当被测样品体积比较大，不能放入磁体结构腔体内时，测量无法进行。实际中，对大体积样品进行无损测量的需求是一直存在的。在文物保护领域，人们需要对油画的表面涂层进行扫描测量，以确定是否需要及时修补，但是油画的尺寸远远大于现有封闭式磁体结构的容积，使得测量不能实现，而且也不可能对油画进行取样测量，这样会损坏文物的完整性。在建筑材料寿命的评估领域，人们需要对已建成建筑物的混凝土和木材的使用年限进行无损实时评估，这种需求也是封闭式磁体结构不能满足的。像上述对大体积样品的无损核磁共振检测需求还有很多，但目前还没有一种合适的磁体结构能够满足这种需求，这就是本专利需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种对大体积样品进行无损检查的核磁共振永磁体结构，克服现有核磁共振永磁体结构不能对大体积样品进行无损检查的缺点，实现大体积样品的无损核磁共振检测。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，包括由至少一对间隔设置的副磁体构成的主磁体，所述各副磁体之间的间隙形成静态磁场均匀区域。

进一步，所述副磁体包括至少一个永磁体块和安装板，所述永磁体块中心点沿椭圆曲线等弧长的分布，所述每相邻的两块永磁体块的磁化方向沿椭圆曲线依次偏转且对称分布在椭圆曲线上，所述安装板与永磁体块连接用于固定各永磁体块。

进一步，所述各永磁体块均为相同长条状矩形永磁体块，其横截面为正方形，各矩形永磁体块剩磁相同，各矩形永磁体块的磁化方向沿矩形永磁体块的横截面设置，且与矩形永磁体块的短边平行。

进一步，所述各永磁体块均为相同永磁体块，其横截面为圆形，各永磁体块剩磁相同，各永磁体块的磁化方向沿永磁体块的横截面设置。

进一步，所述矩形永磁体块由铷铁硼材料制作而成的永磁体块。

进一步，所述每个副磁体包括九个永磁体块和两个安装板，所述安装板设置于永磁体块两端用于固定各永磁体块，所述每相邻的两块永磁体块的磁化方向之间的夹角为45度，所述每相邻的两块永磁体块的磁化方向沿椭圆曲线对称分布，排列在所述主磁体的两端的永磁体块的中心连线为椭圆曲线的短轴。

进一步，所述主磁体包括第一副磁体和第二副磁体，所述第一副磁体和第二副磁体通过金属螺杆同轴相连，所述金属螺杆上还设置有用于调节第一副磁体和第二副磁体之间间距的螺母。

本发明的优点在于：本发明提供一种半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，该永磁体结构所产生的静态磁场均匀区域位于永磁体结构的外部，所以样品不需要放入永磁体结构内部进行测量，从而实现了大体积样品的无损核磁共振检测，克服现有核磁共振永磁体结构不能对大体积样品进行无损检查的缺点，该永磁体结构体积小，重量轻，便于工程现场检测。

并且该片状均匀静态磁场区域距离主磁体结构表面的高度可调，该高度的调节可以通过下列两种方式实现：（1）调节主磁体中9个矩形永磁体块中心点所在的半椭圆曲线的形状，半椭圆曲线的形状设置通过改变椭圆曲线长轴a和短轴b的大小来实现；（2）调节两主磁体之间的间隔，该间隔的调节通过调节金属螺杆上的螺母来实现。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的主磁体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的副磁体结构横截面示意图；

图3为本发明实施例提供的单个安装板结构示意图；

图4为本发明实施例提供的总体安装结构示意图；

图5为本发明实施例提供的静态磁场均匀区域纵向截面磁场分布图；

图6为本发明实施例提供的静态磁场均匀区域横向截面磁场分布图。

图中，1表示主磁体、2表示永磁体块、3表示安装板、4表示椭圆曲线、5表示横截面、6表示第一副磁体、7表示第二副磁体、8表示金属螺杆、9表示螺母。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的主磁体结构示意图，图2为本发明实施例提供的副磁体结构横截面示意图，图3为本发明实施例提供的单个安装板结构示意图，图4为本发明实施例提供的总体安装结构示意图，图5为本发明实施例提供的静态磁场均匀区域纵向截面磁场分布图，图6为本发明实施例提供的静态磁场均匀区域横向截面磁场分布图，如图所示：本发明提供的一种半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，包括由至少一对间隔设置的副磁体构成的主磁体1，所述各副磁体1之间的间隙形成静态磁场均匀区域。

所述副磁体包括至少一个永磁体块2和安装板3，所述永磁体块2中心点沿椭圆曲线4等弧长的分布，所述每相邻的两块永磁体块2的磁化方向沿椭圆曲线4依次偏转且对称分布在椭圆曲线4上，所述安装板3与永磁体块2连接，用于固定各永磁体块。

所述各永磁体块均为相同长条状矩形永磁体块，其横截面5为正方形，各矩形永磁体块剩磁相同，各矩形永磁体块的磁化方向沿矩形永磁体块的横截面5设置，且与矩形永磁体块的短边平行。所述矩形永磁体块由铷铁硼材料制作而成的永磁体块2。

所述每个副磁体1包括九个永磁体块2和两个安装板3，所述安装板3设置于永磁体块2两端用于固定各永磁体块2，所述每相邻的两块永磁体块2的磁化方向之间的夹角为45度，所述每相邻的两块永磁体块的磁化方向沿椭圆曲线4对称分布，排列在所述主磁体的两端的永磁体块的中心连线为椭圆曲线的短轴。

所述主磁体1包括第一副磁体6和第二副磁体7，所述第一副磁体6和第二副磁体7通过金属螺杆8同轴相连，所述金属螺杆8上还设置有用于调节第一副磁体6和第二副磁体7之间间距的螺母9。

下面详细描述本发明实施例所提供的半椭圆分布的开放式核磁共振的永磁体结构：

本发明具体实施方式的是由18个矩形永磁体块构成的。如图1所示，横截面为正方向的永磁体块，分别用符号M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8和M9来表示，9个永磁体块构成副磁体F1，同样，横截面为正方向的永磁体块M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17和M18构成副磁体F2。两副磁体之间的间距为d。每个矩形永磁体块上的黑色箭头符号表示该磁体块的磁化方向。在三维直角坐标系XYZ中，M1号磁体块的磁化方向与Z轴平行，并指向负Z轴方向。其他8块矩形永磁体块的磁化方向与负Z轴的夹角分别为（n-1）×45°，其中n是这8个矩形永磁体块的编号，紧挨着M1号矩形永磁体块的右侧为M2号，其磁化方向与负Z轴的夹角为45°，紧挨着M2号矩形永磁体块的右侧为M3号，其磁化方向与负Z轴的夹角为90°，以此类推。副磁体F1和副磁体F2的结构完全相同。

图1中，两个副磁体的间隙上方的矩形区域即为本发明实施例所提供的永磁体结构所产生的静态磁场均匀区域，该区域位于磁体结构之外。

图2为副磁体结构F1的横截面图，结合该图，将本发明调节副磁体中9个矩形永磁体块中心点所在的半椭圆曲线形状的原理详细描述如下：

图2中，9个矩形永磁体块中心点等弧长的分布在YOZ平面内的椭圆曲线的下半部分曲线上。M1号永磁体块和M9号永磁体块中心点的连线是Y轴所在的直线，这两个中心点连线的中点为坐标系的原点O点。该椭圆曲线的方程为：

Figure 2011104296913100002DEST_PATH_IMAGE001

，

其中a是该椭圆曲线长轴的长度，即原点O点到M9号永磁体块中心点的直线距离。a是该椭圆曲线短轴的长度，即原点O点到M5号永磁体块中心点的直线距离。通过调节a和b的大小，改变椭圆曲线的形状，实现静态磁场均匀区域高度的调节，使得静态磁场均匀区域位于M1号和M9号永磁体块上表面所在的平面，从而使该磁体结构产生的均匀磁场区域位于磁体结构之外，可以实现大体积样品的测量。这里是以副磁体F1为例进行说明，副磁体F2与副磁体F1结构相同。

图2中的箭头与图1中的箭头一样，均表示磁体的磁化方向。

图3是用来固定主磁体结构的安装板的具体实施方式。安装板结构A1由两片铝材料薄板A1-1和A1-2构成。A1-1与A1-2厚度形状相同，都是如图所示半弧形。A1-1上切割出如图3所示的9个正方形贯穿孔，9个正方形贯穿孔的排列方式与构成主磁体的9个矩形永磁体块的排列方式一致，这样可以固定住永磁体块的相对位置。薄板A1-2上对应的位置没有穿孔，A1-2与A1-1用强力胶粘在一起，形成整体安装板结构A1。

图4是总体安装结构示意图，由4个安装板，分别用符号A1、A2、A3和A4表示，8个主磁体安装螺母，分别用符号FA1、FA2、FA3、FA4、FA5、FA6、FA7和FA8来表示，4个主磁体安装螺母，分别用符号ZA1、ZA2、ZA3和ZA4来表示，和前述18个矩形永磁体块构成。

安装板A1和A2分别位于副磁体结构F1的两端，副磁体安装螺母FA1、FA2、FA3和FA4连接安装板A1和A2，使副磁体结构F1被紧紧的夹在安装板A1和A2之间。安装板A3和A4分别位于副磁体结构F2的两端，副磁体安装螺母FA5、FA6、FA7和FA8连接安装板A3和A4，使副磁体结构F2被紧紧的夹在安装板A3和A4之间。

4个主磁体安装螺母ZA1、ZA2、ZA3和ZA4连接副磁体结构F1和F2，通过调节主磁体安装螺母，可以实现两副磁体之间间距的调整。

图5为本发明具体实施例所产生的静态磁场均匀区域纵向截面磁场分布图，该实施例中矩形永磁体块的尺寸为30mm×30mm×100mm，正方形横截面的边长为30mm，剩磁为1.28T。主磁体中各永磁体模块中点所在的椭圆方程的长轴a=109.6mm，短轴b=90.6mm，两个主磁体之间的距离为12mm。

图6为本发明具体实施例所产生的静态磁场均匀区域横向截面磁场分布图。

该磁体结构在z=1mm的层面上，20mm×20mm区域内产生均匀度为765ppm的均匀磁场，如图5所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1. 一种半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，其特征在于：包括由至少一对间隔设置的副磁体构成的主磁体，两个副磁体的间隙上方的矩形区域形成静态磁场均匀区域；

所述副磁体包括九个永磁体块和两个安装板，所述永磁体块中心点沿椭圆曲线等弧长的分布，每相邻的两块所述永磁体块的磁化方向沿椭圆曲线依次偏转且对称分布在椭圆曲线上，所述安装板与永磁体块连接用于固定各永磁体块。

2. 根据权利要求1所述的半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，其特征在于：所述永磁体块均为相同长条状矩形永磁体块，其横截面为正方形，各矩形永磁体块剩磁相同，各矩形永磁体块的磁化方向沿矩形永磁体块的横截面设置，且与矩形永磁体块的短边平行。

3. 根据权利要求1所述的半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，其特征在于：所述永磁体块均为相同永磁体块，其横截面为圆形，各永磁体块剩磁相同，各永磁体块的磁化方向沿永磁体块的横截面设置。

4. 根据权利要求2所述的半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，其特征在于：所述矩形永磁体块由钕铁硼材料制作而成的永磁体块。

5. 根据权利要求4所述的半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，其特征在于：每个所述副磁体包括九个永磁体块和两个安装板，所述两个安装板分别设置于永磁体块两端用于固定各永磁体块，每相邻的两块所述永磁体块的磁化方向之间的夹角为45度，每相邻的两块所述永磁体块的磁化方向沿椭圆曲线对称分布，排列在所述主磁体的两端的永磁体块的中心连线为椭圆曲线的短轴。

6. 根据权利要求5所述的半椭圆分布的开放式核磁共振永磁体结构，其特征在于：所述主磁体包括第一副磁体和第二副磁体，所述第一副磁体和第二副磁体通过金属螺杆同轴相连，所述金属螺杆上还设置有用于调节第一副磁体和第二副磁体之间间距的螺母。