CN104252944A - 高磁场均匀度、高温度稳定性的单边环形磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单边环形磁体，包括由铝合金结构支承且同心的第一磁环和第二磁环；所述第一磁环由八个周向间隔均布的梯形磁钢块组成，各个矩形磁钢块由铝合金结构紧固；所述第二磁环由八个周向间隔均布的矩形磁钢块组成；每一个矩形磁钢块设置于一对相邻梯形磁钢块间，且该对相邻梯形磁钢块间设有供该单个矩形磁钢块沿第二磁环径向微调的间隔；所述第一磁环的环内磁场方向，与第二磁环的环内磁场方向相反。本发明单边环形磁体，其磁场均匀度和温度稳定性可以调节，以便获得高磁场均匀度、高温度稳定性。

Description

高磁场均匀度、高温度稳定性的单边环形磁体

技术领域

本发明涉及永磁体，具体涉及一种高磁场均匀度、高温度稳定性的单边环形磁体，可应用于核磁共振。

背景技术

核磁共振及相关磁体技术，在医学影像和化学分析领域有着广泛的用途。通常，核磁共振所需的磁体，根据其磁场产生原理的不同，可以分为超导磁体、永久磁体(简称永磁体)和电磁磁体。超导磁体广泛用于包括躯干和头部在内的人体各个部位的MRI断层扫描成像(nuclear Magnetic Resonance Imaging)；对于场强甚高的超导磁体，还用于化学分析实验中的分子结构和分子动力学研究。而电磁磁体作为磁体技术发展史上的阶段性产物，由于其高功耗、性能稳定性差，基本已不再使用。

目前，由于成本和技术因素，医用的低场超导磁体设备庞大、运行成本高、设计复杂，不适合在某些特定的应用场合下使用，比如皮肤组织高分辨率层析成像。而作为超导磁体在影像学方面替代技术的C型永久磁体，同样存在上述缺点、且不适用于各种便携式应用的场合。因此，开发一种重量轻、磁场稳定性高、场强适中的小型磁体，将在核磁共振领域有很大的应用空间。

中国专利“单边永磁体的磁定位器”(申请号：201210066874.8)，其涉及单边永磁体技术，但其既不适用于核磁共振领域，而且其磁体的对磁场均匀度极低。

另外，在现有技术中，存在一种单边永磁魔环磁体，其英文名称是Halbach Array。一般地，该磁体采用钕铁硼或钐钴等稀土材料为原料加工而成，由若干个矩形或扇形磁块按照特定的角度和方位排列而成。该永磁魔环最大的特点是，以最少的磁能供应获得中间孔径中最大的磁场强度。但是，这种磁体存在一个严重的问题，由于稀土材料的温度不稳定性，产生的磁场也是不稳定的，不论是磁共振成像还是波谱学分析，其应用都受到很大限制。

由于核磁共振技术的特点，所需静磁场条件的营造，必须是高温度稳定性和高空间均匀度的，就决定了相关磁体技术必须适应这一需求。从上述介绍可知，现有技术具有如下缺陷：

1.超导磁体价格昂贵，能耗高，需要定期进行液氮和液氦补给，而后者的全球唯一供货来源在美国；

2.现有的大型超导磁体不适合做小尺寸目标成像扫描，另外磁体周围的杂散磁场较强，对人和物进抵检查前的准备工作有严格的要求；

3.前述的传统的永磁魔环磁体虽然所产生的磁场具有较高的空间均匀度，但是温漂现象十分明显，进而导致共振频率发生变化，失去相关信号检测的条件；

4.目前，传统永磁魔环磁体的匀场方法简单且不具有规律性、不好操作，即不能像匀场线圈那样，将不均匀磁场分量首先展开为一系列正交球谐分量，然后再有针对性地实施匀场操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单边环形磁体，其磁场均匀度和温度稳定性可以调节，以便获得高磁场均匀度、高温度稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种高磁场均匀度、高温度稳定性的单边环形磁体，包括由铝合金结构支承且同心的第一磁环和第二磁环；

所述第一磁环由八个周向间隔均布的梯形磁钢块/片组成，各个矩形磁钢块由铝合金结构紧固；

所述第二磁环由八个周向间隔均布的矩形磁钢块/片组成；

每一个矩形磁钢块设置于一对相邻梯形磁钢块间，且该对相邻梯形磁钢块间设有供该单个矩形磁钢块沿第二磁环径向微调的间隔；

所述第一磁环的各个梯形磁钢块充磁方向相互配合，以使第一磁环的环内磁场方向沿单一方向均匀分布；

所述第二磁环的各个矩形磁钢块充磁方向相互配合，以使第二磁环的环内磁场方向沿单一方向均匀分布；

所述第一磁环的环内磁场方向，与第二磁环的环内磁场方向相反。

优选的，各梯形磁钢块的上底边构成第一磁环的环孔。

本发明单边环形磁体由第一磁环和第二磁环组成，在将第一磁环和第二磁环相配合之前，二者各自是一种传统的单边永磁魔环磁体，但在相互配合时，保证二者产生磁场的方向相反。

装配时，第一磁环的各梯形磁钢块位置一旦装好，就固定不动，而第二磁环的各矩形磁钢块位置可以进行径向微调ΔR，那么在磁钢块温度为T、孔径内某一位置r处的由第一磁环单独产生的磁场B^I ₀(r)可以表示为：

$B^I(\stackrel{\→}{r},T,R^I\left(T\right))=B^I(\stackrel{\→}{r},T_0,R_0^I)[1+(k^I+k_R^I)\mathrm{\ΔT}]+o\left(T^2\right)$

式中，T₀为初始磁钢块温度，T₀和T时刻磁钢块距离场点r的平均距离分别为R^I ₀和R^I(T)，k^I为磁钢块的磁场温度系数，k^I _R为磁钢块与铝合金结构热膨胀系数相关的、包含磁钢块位置移动因素的磁场变化系数，o(T²)为与二阶和二阶以上、温度变化相关的磁场变化量。同理，可以得到第二磁环的磁场、随磁钢块位置微动和温度变化而产生的变化量的表达式B^II ₀(r)。

根据磁场的空间叠加定理，将上面分析的B^I ₀(r)的B^II ₀(r)相加，可以得到：

$\begin{array}{c}B(\stackrel{\→}{r},T)=[B_0^I\left(\stackrel{\→}{r}\right)+B_0^{\mathrm{II}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)]\\ +[B_0^I\left(\stackrel{\→}{r}\right)(k^I+k_R^I)+B_0^{\mathrm{II}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)(k^{\mathrm{II}}+k_R^{\mathrm{II}})]\mathrm{\ΔT}\\ +0\left(T^2\right).\end{array}$

进一步地，当忽略二次项和更高次项，以及考虑到磁材的负温度效应(剩磁随温度的升高而降低、或随温度的降低而升高，即该过程在一定温度范围内、是正反向变化可逆的)，那么，本发明找到这样一个比例公式：

$\frac{B_0^{\mathrm{II}}}{B_0^{\mathrm{II}}}=-\frac{k^{\mathrm{II}}+k_R^{\mathrm{II}}}{k^I+k_R^I}$

当第一磁环和第二磁环的磁场温度系数和结构系数满足上面比例公式的条件时，即当磁体的外部组件和各磁钢磁场强度一定时，如果工作温度T₀时B^I ₀和B^II ₀取某一数值，则总磁体结构的磁场是不随温度变化而变化的；而这样一种条件的满足，具体操作中，是以先固定第一磁环各磁钢块的位置、然后微调第二磁环各磁钢块径向位移来实现的。

另一方面，第二磁环本质上是起到一个对第一磁环磁场匀场的作用，由于几何结构的对称性，本发明区别于常规单边永磁魔环磁体无规律的磁片匀场方法，当第二磁环包含八块磁钢块时，可以有针对性地对第一磁环的磁场不均匀分量，进行最高至8/2＝4阶的不同球谐分量的系统化校正。

本发明通过调节磁体的磁场均匀度和温度稳定性，可以获得高磁场均匀度、高温度稳定性，以适用于核磁共振成像和波谱学检测分析领域，实现检测信号较高的信噪比、以及材料波谱较高的分辨率。具体涉及到以下几个方面：

1.提高传统单边永磁魔环磁体的磁场空间分布均匀度；

2.提高传统单边永磁魔环磁体的磁场-温度稳定度；

3.解决目前传统单边永磁魔环磁体匀场技术中，不能根据各阶球谐展开分量来进行精确匀场的问题。

和传统单边永磁魔环磁体相比，由于本发明采用了反向磁场的嵌套磁环匀场子结构，克服了温度漂移带来的磁场随时间的波动性，所以提高了进行核磁共振试验时的监测信噪比和波谱分辨率。

和超导磁体相比，由于采用了稀土永磁材料，本发明没有能源消耗以及无需液氦/液氮等消耗品；由于采用了温度变化磁场自校正方法，和常规C型和单边永磁魔环磁体相比，本发明不需要额外提供恒温装置，就能保证各种核磁共振检测顺利进行。

基于永磁材料的伸缩型磁场特性，即只要磁块的充磁/剩磁相同，而体积不论大小，都具有等量的磁通密度，所以，本发明可以在使用少量磁材的条件下，依然营造出十分可观的磁通密度，这在超导磁体或电磁磁体技术中是不可能实现的。

本发明还具有如下特点：

1.由于稀土永磁材料固有的磁场温度不稳定性，以及这种不稳定性具有可逆性，那么采用两个磁场方向相反的魔环磁体相嵌套，根据相关的温度系数和热膨胀系数之比，对魔环磁体的初始场强进行合理选取，就可以消除温度变化带来的磁场变化。

2.由于匀场用磁体第二磁环的几何对称性以及与第一磁环的配置成比例性，首次提出并实现了基于磁场球谐分量的系统化永磁体匀场方法，可以实现1至4阶分量的精确主磁场校正。

3.本发明磁钢块所用稀土材料，包括一代钐钴、二代钐钴以及钕铁硼磁性材料。

附图说明

图1是第一磁环磁钢块组的阵列模式和磁场方向说明；

图2是第二磁环磁块钢组的阵列模式和磁场方向说明；

图3是第一磁环、第二磁环组合以后的单边永磁魔环磁体结构和磁场方向说明；

图4为第一磁环为钐钴磁材、第二磁环为钕铁硼磁材的磁场不均匀度变温实验数据；

图5所示为利用有限元电磁场仿真软件，对组合磁环的空间磁场分布进行的计算结果；

图6为利用本发明磁体，分别完成水和甲苯样品的核磁共振波谱检测试验的试验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施的技术方案是：

如图1-图3所示，一种高磁场均匀度、高温度稳定性的单边环形磁体，包括由铝合金结构支承且同心的第一磁环1和第二磁环2；

所述第一磁环1由八个周向间隔均布的梯形磁钢块/片11组成，各个矩形磁钢块21由铝合金结构紧固；

所述第二磁环2由八个周向间隔均布的矩形磁钢块/片21组成；

每一个矩形磁钢块21设置于一对相邻梯形磁钢块11间，且该对相邻梯形磁钢块11间设有供该单个矩形磁钢块21沿第二磁环2径向微调的间隔；

所述第一磁环1的各个梯形磁钢块11充磁方向相互配合，以使第一磁环1的环内磁场方向沿单一方向均匀分布；

所述第二磁环2的各个矩形磁钢块21充磁方向相互配合，以使第二磁环2的环内磁场方向沿单一方向均匀分布；

所述第一磁环1的环内磁场方向，与第二磁环2的环内磁场方向相反。

各梯形磁钢块11的上底边构成第一磁环1的环孔。

为了验证本发明磁场温度补偿磁体实施方案的可行性，根据计算得到的磁块充磁强度，进行组合磁环的变温试验。

图4所示为第一磁环为钐钴磁材、第二磁环为钕铁硼磁材的磁场不均匀度变温实验，[23，31]摄氏度；从图4中可以看出，单纯的钐钴磁环或钕铁硼磁环，其磁场不均匀度都随温度的升高而增加，相反，组合以后的磁环ΔB₀则基本上为一水平线。

图5所示为利用有限元电磁场仿真软件，对组合磁环的空间磁场分布进行的计算结果，由上至下依次为子图(1)、子图(2)、子图(3)、子图(4)。子图(1)为产生第三阶球谐分量、第二磁环磁环各磁块的径向位置，子图(2)为对应的磁场分布示意图。同理，子图(3)为产生第四阶球谐分量、第二磁环磁环各磁块的径向位置，子图(4)为对应的四阶分量磁场分布示意图。

相关磁块/磁体的几何参数为，磁体内直径15mm、外直径35mm、高度80mm；钐钴磁块的表磁为0.7Tesla。

利用上述磁体，分别完成了水和甲苯样品的核磁共振波谱检测试验，结果如图6所示，采用了标准5mm核磁试管进行样品制备，左图A)水峰由16次扫描获得：信号采集时间536ms，循环等待时间10s；右图B)甲苯峰经64次扫描/信号累加而获得，谱线分辨率达到4.5Hz。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.高磁场均匀度、高温度稳定性的单边环形磁体，其特征在于，包括由铝合金结构支承且同心的第一磁环和第二磁环；

所述第一磁环由八个周向间隔均布的梯形磁钢块组成，各个矩形磁钢块由铝合金结构紧固；

所述第二磁环由八个周向间隔均布的矩形磁钢块组成；

每一个矩形磁钢块设置于一对相邻梯形磁钢块间，且该对相邻梯形磁钢块间设有供该单个矩形磁钢块沿第二磁环径向微调的间隔；

所述第一磁环的各个梯形磁钢块充磁方向相互配合，以使第一磁环的环内磁场方向沿单一方向均匀分布；

所述第二磁环的各个矩形磁钢块充磁方向相互配合，以使第二磁环的环内磁场方向沿单一方向均匀分布；

所述第一磁环的环内磁场方向，与第二磁环的环内磁场方向相反。

2.根据权利要求1所述的高磁场均匀度、高温度稳定性的单边环形磁体，其特征在于，各梯形磁钢块的上底边构成第一磁环的环孔。