CN105280325A - 一种用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：该永磁磁体包括一对永磁极构成的主磁体、导磁铁轭架和多级匀场装置；所述的导磁铁轭框架包括相对设置的上导磁盖(1)和下导磁盖(7)，以及相对设置的左导磁支撑架(5)和右导磁支撑架(12)；所述的主磁体包括相对设置的上永磁极(2)和下永磁极(8)；所述的多级匀场装置包括第一辅助匀场磁块(4)、第二辅助匀场磁块(6)、第三辅助匀场磁块(11)、第四辅助匀场磁块(13)和第一梯度匀场环(9)、第二梯度匀场环(10)。本发明具有磁场均匀度高、结构简单、开放性好、易于生产加工装配等优点，在便携式、微型化核磁共振检测系统中具有很好的应用前景。

Description

一种用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体

技术领域

本发明涉及一种永磁体结构设计，能在气隙较大区域内产生应用于NMR检测的高强度、高均匀性静磁场。

背景技术

NMR(nuclearmagneticresonance)检测即核磁共振检测，是利用一定频率的电磁波激发处于检测磁场中的样品，样品原子核在电磁波作用下发生核磁共振，从而采集核磁共振信号来分析物质的结构成分及其密度分布等信息。NMR检测技术以其快速性、无损性、准确性和高灵敏性而被广泛应用于生命科学、农业食品安全、能源勘测等领域。

主磁体是NMR检测系统中不可或缺的组成部分，产生检测所需的静态磁场，目前应用广泛的主磁体分为超导磁体和永磁体。超导磁体虽然能提供较高的磁场强度和均匀度，但是需要外部提供足够的低温环境，导致整个系统庞大、造价贵且难以维修。永磁磁体结构相对简单，永磁材料在国内资源丰富，故本发明采用永磁磁体作为核磁共振检测的主磁体。

永磁体系统产生的磁场受外界环境影响极大，所以通过研究通常采用有源匀场和无源匀场两种方式改变静磁场分布，提高均匀度。有源匀场通过在磁场区域中添加匀场线圈进行匀场，不仅需要配备电流控制部分，而且线圈工作发热容易对永磁体造成影响。无源匀场则可避免由通电线圈引起的问题，CN2404130公开了一种用于磁共振成像系统的磁体装置，运用匀场环进行匀场，但是斜线或者弧线匀场环加工误差大，影响匀场效果；CN203299363U公开了一种永磁型磁共振设备无源匀场结构，但是此结构加工装配难度高且调节方法复杂。

因此，对本专利发明提出要求：①主磁体装置结构简单，便于加工装配；②采用多级匀场方法，逐层提高目标区域均匀度；③磁体结构开放性好，通用型高。

发明内容：

技术问题：本发明的目的是提供一种用于NMR检测的多级无源匀场永磁磁体，具有结构简单、便于加工装配、匀场效果好、开放性高等优点。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，该永磁磁体包括一对永磁极构成的主磁体、导磁铁轭架和多级匀场装置；

所述的导磁铁轭框架包括相对设置的上导磁盖和下导磁盖，以及相对设置的左导磁支撑架和右导磁支撑架；

所述的主磁体包括相对设置的上永磁极和下永磁极；

所述的多级匀场装置包括第一辅助匀场磁块、第二辅助匀场磁块、第三辅助匀场磁块、第四辅助匀场磁块和第一梯度匀场环、第二梯度匀场环，其中，

上导磁盖和下导磁盖的两侧通过左导磁支撑架和右导磁支撑架连接；上导磁盖、下导磁盖、左导磁支撑架和右导磁支撑架连接并支撑整个磁体，形成有效磁路；

上永磁极设置在上导磁盖内表面，下永磁极设置在下导磁盖的内表面；

第一辅助匀场磁块和第二辅助匀场磁块平行设置在左导磁支撑架的内表面，第三辅助匀场磁块和第四辅助匀场磁块平行设置在右导磁支撑架的内表面；

第一梯度匀场环和第二梯度匀场环嵌套固定在下永磁极上。

优选的，上永磁极和下永磁极的形状和磁化方向完全相同，其横截面为圆形、方形、椭圆形、梯形、规则多边形中的任一种，两相对极面平行。

优选的，第一辅助匀场磁块、第二辅助匀场磁块、第三辅助匀场磁块第四辅助匀场磁块的材料选用钕铁硼或者钐钴永磁材料，其磁化方向由主磁场磁化方向决定，数量两对为一组。

优选的，第一辅助匀场磁块、第二辅助匀场磁块、第三辅助匀场磁块、第四辅助匀场磁块组成了辅助匀场磁块组，所述的辅助匀场磁块沿中心轴对称分布。

优选的，第一辅助匀场磁块、第二辅助匀场磁块、第三辅助匀场磁块、第四辅助匀场磁块的形状为方形、梯形、弧线中的任一种。

优选的，第一辅助匀场磁块、第二辅助匀场磁块构成第一组磁块对；第三辅助匀场磁块、第四辅助匀场磁块构成第二组磁块对。

优选的，第一梯度匀场环、第二梯度匀场环材料为工业纯铁或坡莫合金，第一梯度匀场环比第二梯度匀场环高且窄第二梯度匀场环嵌套在一级匀场环中，呈梯度分布，

第一梯度匀场环、第二梯度匀场环高度比为3:2，宽度比为1:2。

有益效果：本发明具有的优点和积极效果是：

本发明提供的用于NMR检测的多级无源匀场永磁磁体，利用辅助磁块组进行粗匀场，再通过两级匀场环逐层匀场，逐步提高气隙中心的静磁场均匀性，特别是径向方向的磁场均匀度得到极大提高，而且简化磁体结构，加工和装配难度都得到降低。该磁体结构具有磁场均匀度高、结构简单、开放性好、易于生产加工装配等优点，在便携式、微型化核磁共振检测系统中具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的竖直方向剖面示意图。

图3a为本发明未加匀场装置时的二维磁场磁感应线分布示意图。

图3b为本发明添加匀场装置时的二维磁场磁感应线分布示意图。

图4为工作气隙中心区域x＝0时y-z坐标平面内磁感应强度等高线图。

图5为工作气隙中心区域z＝0时x-y坐标平面内磁感应强度等高线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的具体方案为：磁体结构包括一对永磁极构成的主磁体、导磁铁轭架和多级匀场装置。主磁体由上下两永磁极组成，导磁铁轭框架由导磁盖和导磁支撑架组成，相对应的铁轭两两对称，多级匀场装置包括辅助匀场磁块和梯度匀场环。

上述构成主磁体的两永磁极形状和磁化方向完全相同，其横截面为圆形，也可以为方形、椭圆形、梯形、规则多边形等其他形状。永磁极材料选择钕铁硼或者钐钴永磁材料，其尺寸大小由所需工作区域的磁感应强度决定，两永磁极之间距离根据所需工作区域的大小决定。

上述导磁铁轭框架由上下导磁盖和左右导磁支撑架组成，上下和左右结构分别对称，其中导磁盖与永磁极接触表面设有凹槽，永磁极可嵌入并用胶粘合固定。左右导磁支撑架连接磁路并支撑整个磁体，导磁支撑架与永磁极保持适当距离，高度由永磁极距离决定。导磁铁轭框架可选择工业纯铁、坡莫合金或其他导磁性高的材料。

上述多级匀场装置包括辅助匀场磁块组和梯度匀场环。

上述的辅助匀场磁块组由两个方形磁块对组成，至少由两对构成一组匀场组，材料可选用钕铁硼或者钐钴永磁材料，其磁化方向与主磁场磁化方向有关。辅助匀场磁块组可以为多组，沿中心轴对称分布。

上述的梯度匀场环由一级匀场环和二级匀场环嵌套组成，一级匀场环比二级匀场环高且窄，二级匀场环嵌套在一级匀场环中，呈梯度分布，高度比为3:2，宽度比为1:2。匀场环固定在永磁极极靴上。

本发明提供的用于NMR检测的多级无源匀场永磁磁体，利用辅助磁块组进行粗匀场，再通过两级匀场环逐层匀场，逐步提高气隙中心的静磁场均匀性，特别是径向方向的磁场均匀度得到极大提高，而且简化磁体结构，加工和装配难度都得到降低。该磁体结构具有磁场均匀度高、结构简单、开放性好、易于生产加工装配等优点，在便携式、微型化核磁共振检测系统中具有很好的应用前景。

如图1-2所示，本发明提供的用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，该永磁磁体包括一对永磁极构成的主磁体、导磁铁轭架和多级匀场装置；

所述的导磁铁轭框架包括相对设置的上导磁盖1和下导磁盖7，以及相对设置的左导磁支撑架5和右导磁支撑架12；

所述的主磁体包括相对设置的上永磁极2和下永磁极8；

所述的多级匀场装置包括第一辅助匀场磁块4、第二辅助匀场磁块6、第三辅助匀场磁块11、第四辅助匀场磁块13和第一梯度匀场环9、第二梯度匀场环10，其中，

上导磁盖1和下导磁盖7的两侧通过左导磁支撑架5和右导磁支撑架12连接；上导磁盖1、下导磁盖7、左导磁支撑架5和右导磁支撑架12连接并支撑整个磁体，形成有效磁路；

上永磁极2设置在上导磁盖1内表面，下永磁极8设置在下导磁盖7的内表面；

第一辅助匀场磁块4和第二辅助匀场磁块6平行设置在左导磁支撑架5的内表面，第三辅助匀场磁块11和第四辅助匀场磁块13平行设置在右导磁支撑架12的内表面；

第一梯度匀场环9和第二梯度匀场环10嵌套固定在下永磁极8上。

上永磁极2和下永磁极8的形状和磁化方向完全相同，其横截面为圆形、方形、椭圆形、梯形、规则多边形中的任一种，两相对极面平行。

第一辅助匀场磁块4、第二辅助匀场磁块6、第三辅助匀场磁块11、第四辅助匀场磁块13的材料选用钕铁硼或者钐钴永磁材料，其磁化方向由主磁场磁化方向决定，数量两对为一组。

第一辅助匀场磁块4、第二辅助匀场磁块6、第三辅助匀场磁块11、第四辅助匀场磁块13组成了辅助匀场磁块组，所述的辅助匀场磁块沿中心轴对称分布。

第一辅助匀场磁块4、第二辅助匀场磁块6、第三辅助匀场磁块11、第四辅助匀场磁块13的形状为方形、梯形、弧线中的任一种。

第一辅助匀场磁块、第二辅助匀场磁块构成第一组磁块对；第三辅助匀场磁块、第四辅助匀场磁块构成第二组磁块对。

第一梯度匀场环9、第二梯度匀场环10材料为工业纯铁或坡莫合金，第一梯度匀场环9比第二梯度匀场环10高且窄第二梯度匀场环10嵌套在一级匀场环9中，呈梯度分布，

第一梯度匀场环9、第二梯度匀场环10高度比为3:2，宽度比为1:2。

本发明提供的用于NMR检测的多级匀场永磁磁体利用辅助磁块和匀场环逐层匀场，逐步提高气隙中心的静磁场均匀性，特别是径向方向的磁场均匀度得到极大提高，而且简化磁体结构，加工和装配难度都得到降低。该磁体结构具有磁场均匀度高、结构简单、开放性好、易于生产加工装配等优点，在便携式、微型化核磁共振检测系统中具有很好的应用前景。

如图3a-3b所示，未加匀场装置时中间工作气隙磁感应线明显由中心向外侧鼓起，工作区域均匀性差。加入辅助匀场磁块组和匀场环后，外鼓的磁感应线得到补偿，进而极大地提高了工作区域的均匀性。

如图4-5所示，分别为工作气隙中心区域x＝0时y-z坐标平面内磁感应强度等高线图和z＝0时x-y坐标平面内磁感应强度等高线图，本实例中永磁极直径为100mm，高度为20mm，中间气隙高度为35mm，计算中心气隙平面10mm×10mm区域内的磁感应强度Z方向分量，单位为mT。由图示可以看到在较大范围内，静磁场拥有较大的磁场强度和较高的均匀性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：本发明中的辅助匀场磁块组数量可以据实际要求增加，提高磁场均匀度的同时可能会牺牲整体的开放性，而且其形状不必拘泥于规则形状，可以设计梯形或者带曲面形状，匀场环的级数和具体参数都是可以有所变化。故在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出适当改进和润饰，所做改进和润饰均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：该永磁磁体包括一对永磁极构成的主磁体、导磁铁轭架和多级匀场装置；

所述的导磁铁轭框架包括相对设置的上导磁盖(1)和下导磁盖(7)，以及相对设置的左导磁支撑架(5)和右导磁支撑架(12)；

所述的主磁体包括相对设置的上永磁极(2)和下永磁极(8)；

所述的多级匀场装置包括第一辅助匀场磁块(4)、第二辅助匀场磁块(6)、第三辅助匀场磁块(11)、第四辅助匀场磁块(13)和第一梯度匀场环(9)、第二梯度匀场环(10)，其中，

上导磁盖(1)和下导磁盖(7)的两侧通过左导磁支撑架(5)和右导磁支撑架(12)连接；上导磁盖(1)、下导磁盖(7)、左导磁支撑架(5)和右导磁支撑架(12)连接并支撑整个磁体，形成有效磁路；

上永磁极(2)设置在上导磁盖(1)内表面，下永磁极(8)设置在下导磁盖(7)的内表面；

第一辅助匀场磁块(4)和第二辅助匀场磁块(6)平行设置在左导磁支撑架(5)的内表面，第三辅助匀场磁块(11)和第四辅助匀场磁块(13)平行设置在右导磁支撑架(12)的内表面；

第一梯度匀场环(9)和第二梯度匀场环(10)嵌套固定在下永磁极(8)上。

2.根据权利要求1所述的用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：上永磁极(2)和下永磁极(8)的形状和磁化方向完全相同，其横截面为圆形、方形、椭圆形、梯形、规则多边形中的任一种，两相对极面平行。

3.根据权利要求1所述的用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：第一辅助匀场磁块(4)、第二辅助匀场磁块(6)、第三辅助匀场磁块(11)、第四辅助匀场磁块(13)的材料选用钕铁硼或者钐钴永磁材料，其磁化方向由主磁场磁化方向决定，数量两对为一组。

4.根据权利要求1所述的用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：第一辅助匀场磁块(4)、第二辅助匀场磁块(6)、第三辅助匀场磁块(11)、第四辅助匀场磁块(13)组成了辅助匀场磁块组，所述的辅助匀场磁块沿中心轴对称分布。

5.根据权利要求4所述的用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：第一辅助匀场磁块(4)、第二辅助匀场磁块(6)、第三辅助匀场磁块(11)、第四辅助匀场磁块(13)的形状为方形、梯形、弧线中的任一种。

6.根据权利要求1或4所述的用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：第一辅助匀场磁块(4)、第二辅助匀场磁块(6)构成第一组磁块对；第三辅助匀场磁块(11)、第四辅助匀场磁块(13)构成第二组磁块对。

7.根据权利要求1所述的用于核磁共振检测的多级无源匀场永磁磁体，其特征在于：第一梯度匀场环(9)、第二梯度匀场环(10)材料为工业纯铁或坡莫合金，第一梯度匀场环(9)比第二梯度匀场环(10)高且窄第二梯度匀场环(10)嵌套在一级匀场环(9)中，呈梯度分布，

第一梯度匀场环(9)、第二梯度匀场环(10)高度比为3:2，宽度比为1:2。