CN105408970B - 磁体组件 - Google Patents

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Abstract

本文公开了磁体阵列以及用于产生磁场的方法。在实施例中，磁体阵列包括多个多面体磁体，该多个多面体磁体设置在晶格结构中并且至少部分地包围测试体积，所述磁体阵列具有相关的磁场，该磁场具有为公式(I)的指定的场方向，其中通过公式(IV)来确定位于与测试体积中的原点相距位移矢量(公式(III))处的单个的多面体磁体的磁场方向(公式(II))。在实施例中，阵列包含在磁共振装置中。在实施例中，多面体磁体是截头立方体或者是菱形十二面体。

Description

磁体组件
技术领域
本发明涉及用于磁体阵列的设计，并且尤其涉及用于磁共振应用的磁体阵列。
背景技术
相关的背景文件包括：
1.K.Halbach，"Design of permanent multipole magnets with oriented rareearth cobalt material,"(“具有定向的稀土钴材料的永磁多极磁体的设计”)，NuclearInstruments and Methods(《核仪器和方法》)169，1，1980。
2.J.Mallinson，"One-sided fluxes—a magnetic curiosity？"(“单向通量——磁的猎奇”)，IEEE Transactions on Magnetics(《磁的IEEE汇报》)9，678，1973年。
3.F.Bertora、A Trequattrini、M.G.Abele和H.Rusinek，"Shimming of yokelesspermanent magnets designed to generate uniform fields,"(“设计用于产生均匀场的无磁轭的永磁体的填隙，”)，Journal of Applied Physics(《应用物理学杂志》)73,6864，1993年。
4.E.Danieli、J.Mauler、J.Perlo，B.Blumich和F.Casanova，"Mobile sensor forhigh resolution NMR spectroscopy and imaging"(“用于高分辨率核磁共振光谱和成像的移动传感器”)，Journal of Magnetic Resonance(《磁共振杂志》)198,80，2009年。
5.E.Lord，"Tiling space with regular and semi-regular polyhedra,"(“具有正多面体和半正多面体的平铺空间，”)http://met.iisc.ernet.in/～lord/webfiles/clusters/andreini.pdf，网上刊登日期：2013年5月29日。
6.F.Bloch、O.Cugat、G.Meunier、J.Toussaint，"Innovating approaches to thegeneration of intense magnetic fields:design and optimization of a 4teslapermanentmagnet flux source,"(“产生强磁场的新方法：4特斯拉永久磁通量的源的设计和优化，”)，IEEE Transactions on Magnetics(《磁的IEEE汇报》)，34,2465，1998年。
7.H.Leupold的美国专利4,837,542，"Hollow substantially hemisphericalpermanent magnet high-field flux source for producing a uniform high field,"(“用于产生均匀的高场的中空大致半球形永磁高磁场通量源”)，1989年。
8.美国专利申请2011/0137589，G.Leskowitz、G.McFeetors和S.Pernecker"Method and apparatus for producing homogeneous magnetic fields,"(“用于制造均匀的磁场的方法和设备”)，2011年。
9.美国专利申请2011/0137589，G.Leskowitz、G.McFeetors和S.Pernecker"Method and apparatus for producing homogeneous magnetic fields,"(“用于制造均匀的磁场的方法和设备”)，2011年。
10.Ras的美国专利7,373,716"Method for Constructing Permanent MagnetAssemblies"(“用于建造永磁体组件的方法”)，2008年。
11.H.A.Leupold等，Journal of Applied Physics(《应用物理学杂志》)，第87卷，第9号，p.4730-4(2000)。
12.J.Chen、Y Zhang和J Xiao，"Design and analysis of the novel test tubemagnet for portable NMR device,"(“用于便携式核磁共振装置的新的试管磁体的设计和分析，”)，Progress in Electromagnetics Research Symposium(PIERS)Online(《网上电磁学研究进展研讨会(PIERS)》)，3(6)，900-904(2007)。
用于在小体积内制造大体上的强磁场的一个设计是哈尔巴赫(Halbach)圆柱，其中位于高矫顽力的永磁体材料中的磁偶极子围绕中部腔体排列。图1示出了理想的哈尔巴赫(Halbach)圆柱10的剖视图，以及用于计算和选择位于围绕中部体积12的区域内的磁偶极子的定向(其用箭头11示出)的坐标系。在理想的哈尔巴赫(Halbach)圆柱中，磁化方向根据以下公式而取决于位置：
在柱极坐标ρ、θ、z中，在最普遍的情况下整数系数k＝1，在中部体积12中产生了大体均匀的场。k的其他选择提供了不同的、非均匀的场结构。在具体的实施方案中，使用离散的组成磁体来作为图1中提出的连续变化的磁化的近似。
图2A、图2B和图2C示出了基于哈尔巴赫(Halbach)柱体的磁体结构的示例性的现有技术的实施方式。来自Bertora等的文献的图2A示出了围绕空间24的标记为20的磁体的柱形结构，其能有效地利用空间，但是在其设计中采用了许多斜的形状21、22、23。来自Danieli的文献的图2B是使用简单的形状31来封闭空间32的阵列30，但是其具有低的堆积密度。当围绕中部体积的空间被打断成区域，则放置在其中的各个组成磁体可能具有倾斜的形状，例如在图2A中示出的那些，其难以制造成具有高的公差，或制造成本昂贵。还可能很难以足够高的精度来控制组成磁体内所需要的磁化以确保中部体积内的磁场的品质。如果替代地使用较简单的组成磁体、例如立方体，如图2B中所示，则其能够直接地以高精度来制造和磁化，但是一些设计的几何约束条件会导致低的堆积密度，同时可能会导致伴随着场强的降低。图2C是哈尔巴赫(Halbach)圆柱40的实施例的剖视图，该哈尔巴赫(Halbach)圆柱40包括围绕中心空间42紧密地堆积的六方棱41的阵列，其在Leskowitz等人的美国专利申请2011/0137589中公开。
在哈尔巴赫(Halbach)圆柱模型中，理想的设计是无限长的圆柱。实践中，圆柱的长度是有限的，这会导致各种技术问题以及在阵列的主磁场中的不需要的特征，并且试图克服这些缺陷的设计可能很复杂。因此用于制造均匀的场的备选方法使用了哈尔巴赫(Halbach)球形，其具体实施例已经由Leupold提出。
图3A示出了包围中心腔体51并且具有局部磁偶极子定向52的球形50。一旦选择了所需的磁场轴线则可以通过建立沿着磁场方向余纬度角θ＝0的球极坐标系来计算组件中的组成磁体的所需的磁化方向，随后计算给定的磁体的磁化方向的中心坐标。
为了最接近理想情况下的匀强磁场，围绕中心腔体的球形壳内的磁化方向根据以下公式而取决于位置：
其在球形极坐标r,θ,φ中，同样在匀场的情况下系数k＝1。将观察到，球形情况中的磁化不同于圆柱情况中的磁化。在哈尔巴赫(Halbach)球形模型中，处于的位置处的偶极子的磁化位于和所跨越的子午平面上，但是在哈尔巴赫(Halbach)圆柱模型中，磁化位于和所跨越的平面上，前一单位向量的指向远离圆柱对称轴。具体地，在理想的哈尔巴赫(Halbach)圆柱的情况下，磁化方向不具有(沿着圆柱对称轴的)分量并且独立于偶极子位置的坐标。可能有很多种这类取决于位置的磁化的数字表示，并且这是本领域技术人员容易确定并且理解的。
如图3B中示出，来自Leupold的文献的这类球形组件通常由具有复杂的形状的磁体的结合而组成。在图3B中，将看到，球形60包括多个主组分磁体61，所述多个主组分磁体61具有选择的偶极子定向62并且围绕中心腔体63。为了得到所需要的构造和场，需要具有不同形状和磁定向的大量的不同的主磁体。
发明内容
根据实施例，提供了一种磁体阵列，其包括一个或多个多面体磁体。在实施例中，这类阵列提供了设计环境，在该设计环境中可具有哈尔巴赫(Halbach)球形的具体实施方式或其他紧凑的磁体结构。在实施例中，磁体由高矫顽力材料制成并且基于晶格来构造。
在实施例的第一系列中，公开了一种磁体阵列，其包括多个多面体磁体，所述多面体磁体以晶格结构设置，并且至少部分地包围测试体积，所述磁体阵列具有带有指定的场方向的关联的磁场，其中位于从测试体积中的原点起的位移矢量处的各个多面体磁体的磁化方向由以下公式来确定：
在其他实施例中，多面体磁体中单个的个体由下述组中选择，所述组包括：截头立方体；菱形十二面体；柏拉图立体；阿基米德立体；约翰逊立体；倒角多面体以及截头多面体。
在其他实施例中，晶格是布拉维晶格。
在其他实施例中，晶格是简单立方晶格、体心立方晶格、面心立方晶格或六方晶格。
在其他实施例中，多面体磁体包括多个第一多面体磁体和多个第二多面体磁体，第二多面体磁体比第一多面体磁体小，并且多个第二多面体磁体至少部分地限定了样品通道。
在其他实施例中，方向对应于磁体阵列的体对角线、磁体阵列的面法向轴线或磁体阵列的面对角线。
在其他实施例中，样品通道沿着磁体阵列的体对角线定向。
在其他实施例中，第一多面体磁体中的单独个体具有磁化方向该磁化方向选自与具有所需的磁场方向的阵列相兼容的可能值的有限集合。
在其他实施例中，磁体阵列还包括样品旋转器。
在其他系列的实施例中，公开了一种包括根据其他实施例的磁体阵列的磁共振装置。
在其他实施例中，公开了一种用于生成具有场方向的磁场的方法，所述方法包括提供位于晶格结构中的多面体磁体的阵列，其中位于从原点起的位移矢量处的单个的多面体磁体的磁化方向由下述公式来确定：
在其他实施例中，多面体磁体中的单独的个体是从下述群组中选择的，所述群组包括：截头立方体；菱形十二面体；柏拉图立体；阿基米德立体；约翰逊立体；倒角多面体以及截头多面体。
在实施例中，多面体磁体是截头立方体并且方向对应于磁体阵列的体对角线、磁体阵列的面法向轴线或磁体阵列的面对角线。
在实施例中，晶格是布拉维晶格。
在实施例中，晶格是简单立方晶格、体心立方晶格、面心立方晶格或六方晶格。
在实施例中，该方法还包括提供位于磁体阵列内的测试体积，并且其中多面体磁体包括多个第一多面体磁体和多个第二多面体磁体，第二多面体磁体比第一多面体磁体小，并且其中多个第二多面体磁体至少部分地限定了样品通道。
在其他的实施例中，公开了一种用于确定样品的磁共振性能的方法，所述方法包括将样品放置在根据其他实施例的磁场中。
在其他系列的实施例中，公开了一种用于根据实施例的磁体组件的填隙组件，所述填隙组件包括设置成晶格结构的多面体磁体，所述磁体能够在磁体组件内移动。
在其他系列的实施例中，公开了一种用于根据实施例的磁体阵列的填隙组件，所述填隙组件包括包含于磁体阵列内的多面体填隙磁体，所述填隙磁体可以由用户驱动以在磁体组件内移动。
在其他系列的实施例中，磁体阵列包括占据所述晶格结构内的位置的多个填隙磁体。
在实施例中，还公开了一种对由根据实施例的磁体阵列所产生的磁场进行填隙的方法，所述方法包括以下步骤：a)获得移动多个填隙磁体中的一个对磁场的影响的函数表示；b)对于多个填隙磁体中的每一个重复步骤a)；c)导出步骤a)和b)的结果的总和函数；并且d)监测磁场，同时对填隙磁体中的个体的位置进行调节。
在实施例中，公开了一种磁共振装置，其包括磁体阵列，所述磁体阵列具有设置在晶格结构中的第一多面体磁体和第二多面体磁体并且至少部分地包围测试体积，其中，第一多面体磁体和第二多面体磁体为截头立方体，第二多面体磁体比第一多面体磁体小并且至少部分地限定沿磁场阵列的体对角线延伸的样品通道。
如附图所示，通过下面对所选择的实施例的详细描述，本文的主题的特征和优点将更清楚。所公开的主题能够在多个方面进行修改，只要不脱离权利要求的范围。相应地，附图和说明书应当被看作其性质是示意性的，而不是限制性的。
附图说明
图1是一种理想的哈尔巴赫(Halbach)圆柱的剖视图。
图2A～图2C是基于哈尔巴赫(Halbach)圆柱的磁体组件的应用例的剖视图。
图3A图示了哈尔巴赫(Halbach)球形的理想的磁化方案。
图3B示出了哈尔巴赫(Halbach)球形的实际的实施例。
图4A～图4D示出了示例的点晶格的单胞。
图5A～图5N示出了多面体形状的示例。
图6至图9图示了带有用于组装成阵列的框架的根据图10的第一实施例的磁体阵列的主磁体层。
图6A是在其支承框架中的第一实施例的示例的第零层或中心层的俯视图。
图6B是用于保持根据图6A的层的框架的侧视图。
图7A是在其支承框架中的第一实施例的第一层的俯视图。
图7B是用于保持根据图7A的层的框架的侧视图。
图8A是在其支承框架中的第一实施例的第二层的俯视图。
图8B是用于保持根据图8A的层的框架的侧视图。
图9是在其支承框架中的第一实施例的第三层的俯视图。
图9B是用于保持根据图9A的层的框架的侧视图。
图10是由图6至图9的层所组装成的阵列的角落视图，其示出了可能的样品通道的位置。
图11A～图11C示出了单个的立方体磁体的磁偶极子的可能的定向。
图12A～图12C示出了大致为立方体的磁体阵列内的可能的主磁场定向。
图13A是基于菱形十二面体的第二实施例的分解图。
图13B是根据图13A的第二实施例的中心层的俯视图。
图14是根据第三实施例的阵列结构。
图15是根据第四实施例的阵列结构。
图16是根据第五实施例的阵列结构。
图17是根据第六实施例的阵列结构。
图18A～图18D是对应于另一个备选的实施例的正多面体和半正多面体的空间填充组件的示例的图示。
具体实施方式
用语的定义
在本发明中，对元件的具体数目的叙述应当理解为包括这类元件的任何更大数量的可能性。因此，例如，“磁体阵列或者磁体阵列的层包括两个磁体”的叙述表示阵列或层包括至少两个磁体，但也可以包括三个、四个、五个或任何大于二的数量的磁体。同样地，提及一组元件中的单独个体表示这类元件中的任何单独一个或多于一个具有特定的性质或特征。用语“或”是包括性的而不是排他性的，并且表示一个特征“或”另一个特征的声明应当被理解为包括存在两者的特征的可能性。换言之，短语“A或B”应当被理解为考虑存在特征A和B这两者。
在本发明中，用语“磁共振”或“MR”指磁场或场中的样品的磁矩的谐振重新定向，并包括核磁共振(NMR)、电子自旋共振(ESR)、磁共振成像(MRI)和铁磁共振(FMR)。实施例也可以在离子回旋共振(ICR)中应用。在具体的应用和实施例中，所公开的装置和方法应用于核磁共振(NMR)，并且在实施例中其应用于核磁共振光谱仪或核磁共振成像仪。在暴露于磁场中时呈现磁共振的材料称作磁共振的或MR活性的核素或材料。
在本发明中，用语“填隙”指用于抑制磁场非均匀性或对场的一个方面进行调制的任何方法。在具体的实施例中，磁场是主磁场，并且在磁共振装置内产生并保持。在实施例中，该磁共振装置是NMR机、是光谱仪或是紧凑的NMR机。在具体的实施例中，通过对位于磁体阵列内的或磁体阵列的晶格结构内的选定位置处的所选择的磁体或填隙元件进行移动来实现填隙。在包括包含在用于此目的的设计中的电流路径的实施例中，还可以通过在填隙算法的控制下调制所述电流来实现填隙。为了明确地区分这类填隙和上述通过移动所选择的磁体而实现的填隙，使用用语“电子填隙”来表示使用了调制电流。
在本发明中，用语“主磁体”指形成磁体阵列的一部分或贡献于在磁共振应用中使用的主磁场的磁体中的一个。在实施例中，有两个或更多个这类的主磁体，所述主磁体包含在磁体阵列中，并且通过使用填隙技术可以调制或改进由磁体阵列在其之间产生的整个场(称为“主场”)的均匀性。在本文中将进一步描述磁体阵列以及其组主成磁体的实施例的可能的结构和磁体的几何形状。通过示例而非限制的方式，图6至图10示出了根据第一系列的实施例的示例的磁体的可能排列，并且在实施例中磁体可以是截头立方体。
在本发明中，用语“填隙磁体”或“填隙块”指在磁体阵列内的或与磁体阵列相关联的，并且可用于对与阵列相关联的磁场填隙的磁体或其它结构。例如，在图6到图10示出的磁体阵列中，可以看出，某些层含有多个填隙磁体或填隙位置120。应当理解的是，在备选的实施例中，可以使用不同数量的这类填隙磁体，其位置可以调节，并且其可以设置于磁体阵列之内或之外。在示出的实施例中，可以可控地移动填隙磁体以对场进行调制，因此可以理解的是，在这样的情况下，填隙磁体的尺寸设置成允许这类移动。
在本发明中，用语“磁极片”指设置在用于贡献于主磁场或使主磁场成形的主磁体的附近的磁可渗透的材料的片。在实施例中，磁极片由任何合适的材料和设计来制成，其全部都是本领域技术人员很容易理解、选择和实施的。通过示例而非限制的方式，在实施例中，磁极片由HipercoTM或软铁材料制成。应当理解的是，在实施例中，磁极片可以应用于多对相对的磁体面，并且在实施例中磁极片可以包括填隙路径以承载可由用户控制的填隙电流。
在本发明中，用语“主要场”、“主场”、“主要磁场”、和“主磁场”指由磁体阵列所产生的磁场。在实施例中，阵列包含在磁共振装置中。在一系列的实施例中，实现了位于1.0-2.5特斯拉的范围内的场强，但是场强将取决于晶格格位的层的数量、单个的组成磁体的强度、磁极片的存在与否和磁极片类型、以及所使用的构成材料和其他变量。本领域的技术人员将理解所有的这类变量以及其起因和影响，并对其作出适当的折让。
在备选实施例中，将产生达到或低于或约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5或更大的场强。应当理解的是，测试体积中的场将取决于许多变量，所述变量包括所使用的晶格层的数量、主磁体的性质、所使用的任何磁极片的材料以及其它变量，这些全部都是本领域技术人员容易确定的。在具体的实施例中，主要场将位于约1.0和2.5特斯拉之间。在具体的实施例中，阵列的磁性的主磁场或测试体积中的磁场位于约0.1和2.5特斯拉之间、位于1.0和2.5特斯拉之间、位于约1.2和2.3特斯拉之间，或位于约1.5和2.0特斯拉之间。
在本发明中，“测试体积”指位于磁体阵列内的、被指定用于保持待测样品的腔体。在实施例中，测试体积位于晶格结构内的晶格点处，并且在实施例中其中包含有其他材料、或其中包含有包括在与磁体组件相关联的装置内的子系统，如填隙器件、用于保持或旋转的样品的器件、用于调制或维持其温度或其它物理特征的器件、用于施加场梯度的器件、或用于施加或检测脉冲磁场或瞬态磁场的器件。其它可能的修改对于本领域技术人员来说将是明白的。
在本发明中，提及对磁场或对可能包括在其中的不均匀性进行“调制”指在空间中的任意点处在场的结构上施加一个或多个所需的约束。因此，调制通常指实现了所期望的变化。
在本发明中，“抑制”不均匀性指任何对磁场的几何部件所进行的调整，以修正或平滑或以其他方式克服场中的不希望的不规则或变化。
在本发明中，当用语“几何形状”用于针对填隙路径、填隙电流、磁场等时，其指所考虑的部件的空间排列和结构的整体位置这两者。
在本发明中，用语“晶格”指空间中的点的规则的阵列，每一个点距离原点位移矢量的整数倍的总和，该矢量一起构成三维基础。在本发明中，用语“三维基础”指一组三个矢量使得而这意指a、b和c都是同样等于零。在本领域中，这样的一组矢量称作线性不相关。
可以通过其单胞的重复来使晶格形象化，单胞即可以用来构造整个晶格的重复图案的最小体积。可能的晶格的说明性示例为：简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格、以及六方晶格(例如简单六方晶格或六方密排晶格)。在图4A～图4D中示出了上述晶格，即：(4A)简单立方晶格、(4B)面心立方晶格、(4C)体心立方晶格、(4D)简单六方晶格。
在其他实施例中，晶格可以是上述晶格类型中的一个的变化版本，例如简单四方晶格，其是沿一个维度伸长或缩短的简单立方晶格。其他实施例包括两个或更多个相互穿插的晶格，且非限定性地包括相互穿插的上述指定类型的晶格。
在本发明中，用语“晶格结构”或“晶格排列”指这样的对象排列：其中单个的对象放置为使其中心与晶格的点的有限集合大体一致。更具体地，当用于提及一组磁体或磁体阵列或其一部分时，用语“晶格结构”或“晶格排列”指的是这样的排列，其中单个的组成磁体设置成使其中心与晶格所限定的点的有限集合大体一致。为避免产生疑问并为简单起见，应当理解的是，提及晶格结构将必定反映基础的晶格结构，因此，例如布拉维晶格结构表示基于基础的布拉维晶格的晶格结构。应当理解的是，在备选实施例中，可以通过根据基础的晶格模式添加附加的磁体来将磁体阵列扩大到用户所希望的程度。还应当理解的是，在实施例中，如用户所期望的，晶格结构中的由第一多面体磁体所占据的单个位置可以可选地由适当修改的第一多面体磁体或由多个第二多面体磁体占据，以适应具体的目的。
在实施例中，一些晶格格位由包括较小的第二多面体磁体的复合磁体占据，并且在实施例中包含于这样的复合磁体中的单个的第二磁体中的一部分会被省略以容纳样品管的入口、一个或多个样品通道，或其他到达组件的内部并且特别是到达测试体积的接入端口。应该理解的是，在实施例中该排列允许保持主磁场尽可能接近磁体阵列的理论上的理想场。
在本发明中，用语“磁体阵列”或“磁体组件”指构造成产生可用于本文所考虑的应用的共同磁场的主磁体的排列。在实施例中，磁体阵列包括排列在晶格结构中的单个的主磁体。在所选择的实施例中，单个的组成磁体的形状和位置大体上填充围绕指定的中部体积或测试体积的体积。在实施例中形成了磁体阵列的主磁体是单一磁体或是复合磁体，或者包括单一磁体和复合磁体两者，并且在实施例中，所述形成了磁体阵列的主磁体成形为或设置成提供到达阵列的内部的途径。在实施例中，主磁体的形状、尺寸和排列避免了许多具有倾斜的磁化轴线的歪斜的或非对称的形状。在实施例中，主磁体是多面体形的。应当理解的是，由于磁体阵列包括主磁体的晶格结构，因此可以通过简单地扩展由合适的磁体所占据的晶格部分来扩大阵列的尺寸。应该理解的是，在实施例中晶格结构的多个单胞可由单个的主磁体来占据，并且在备选的实施例中，单个的单胞可由包括多个较小的第二多面体磁体的复合主磁体占据。
从图6至图9将看到，通常在结构框架的帮助下组装磁体阵列，以将阵列的组成磁体保持在其位置。在实施例中，磁体阵列的每个层均组装在框架中，并且随后组装框架以及其伴随的磁体以形成阵列。在具体的实施例中，用于这类框架的合适的材料通常会是非磁性的，并且示例性的实施例中的这类框架由铝、黄铜、强塑料(例如PEEKTM或DelrinTM)、或陶瓷材料(例如MACORTM)制成。本领域技术人员将容易地确定并实施一系列可能的备选方案。
为方便起见，可以仅具有少量的不同类型的主磁体，其均以直接经过严格的和经济的质量控制程序的方式(例如垂直于平面)来磁化。在实施例中，还可以具有这样的设计原则，即允许在磁体阵列内包含一个或多个样品通道或到达中部体积或测试体积中的接入点。因此，在实施方式中，磁体构造成特定的多面体，所述多面体组合式应用以大体上填满围绕中部体积的空间，并且放置在规则的或略微变化的点晶格(例如简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格或六方晶格)的一部分上。在实施例中，利用对称性以将单独的组成部分的类型的数量保持在最低。
在基于立方晶格结构的磁体阵列内，在无限种方向的可能性中，存在三个优选的磁场的轴线或方向。这些在图12A、图12B和图12C中示出并且示意性地显示。在本发明中，磁体阵列通常是立方的，用语“体对角线”指磁体阵列的直线或对称轴线，其在磁体阵列的几何学上的相对角之间延伸并且穿过阵列的中心点。该方向用图12C中的简单立方晶格90的一部分内的箭头92表示。用语“面法轴线”指穿过磁体阵列的相对的面心并且通过阵列的中心点的直线或对称轴线，如图12A中的简单立方晶格的侧视图94所示。用语“面对角线”指穿过磁体阵列的相对的边中点并且穿过阵列的中心点的直线或对称轴线，如图12B中的简单立方晶格的侧视图96所示。在与立方晶格相关联的形式术语中，例如在晶体学和固体物理中，体对角线、面法线和面对角线方向分别称为(111)轴线，(100)轴线，和(110)轴线。
在本发明中，用语“样品旋转器”指用于旋转位于测试体积内的待测样品的机构或器件。本领域的技术人员将认识到用于引入、移动和旋转各种样品的多种常规器件，并且将容易地实施并调整这样的器件以适应具体的目的。
在本发明中，用语“多面体”指包括大体上平坦的面的立体，并且用语“多面体磁体”指具有多面体形状的磁体。可以看出的是，在实施例中，排列多个单个的多面体磁体以形成磁体阵列。在实施例中，多面形状可变化，通过示例而非限制的方式，例如变化为正方平行六面体。在具体实施方式中，多面体从下列可能性中选择：倒角多面体、截头多面体(包括优选的实施例中的截头立方体)、菱形十二面体、柏拉图立体、阿基米德立体或约翰逊立体。柏拉图立体(通常也称为正多面体)具有相同的顶点并具有一致的面，每一个面都是正多边形。阿基米德立体(通常称为半正多面体)是具有相同的顶点的多面体。约翰逊立体具有正多边形面，但不相同的顶点。在实施例中，磁体还包括球形或圆柱形磁体并且在实施例中其位于晶格点处。
在实施例中，由多个多面体磁体来组装磁体阵列。在实施例中，包含在阵列中的所有多面体磁体具有相同的形状。在实施例中，形成阵列的多面体磁体的尺寸相同。在备选的实施例中，形成阵列的多面体磁体具有不同的尺寸，或者具有不同的形状，或者具有不同的形状和不同的尺寸。在实施例中，磁体是单一的，或者是复合的，或包括单一磁体和复合磁体两者。
图5示出了多个多面体形状，它们全部在多面体磁体的备选实施例中考虑到，即：(A)立方体、(B)四面体、(C)八面体、(D)立方八面体、(E)截头立方体、(F)截头四面体、(G)截头八面体、(H)截头立方八面体(大斜方截半立方体)、(I)小斜方截半立方体、(J)六方柱、(K)四方反棱柱、(L)正方平行六面体(正方棱柱)、(M)倒角立方体、(N)菱形十二面体。应该理解的是，这些可能性仅仅是对较广的范围的潜在的多面体形状的说明，并且不以任何方式进行限制。应当理解的是，提及任何多面体时还要考虑并包括通过将边缘制圆或倒角、通过钻孔、通过使尺寸沿轴线变化、或通过本领域技术人员容易理解的其他各种方式而源自所提名的多面体衍生所得到的形状。应该理解的是，在实施例中，所堆积的多面体磁体的截头、倒角或大致形状会留下可用于形成或部分地形成通道或开口的空间。
在本发明中，用语“第一多面体磁体”和“第二多面体磁体”意指形状不同或尺寸不同，或者形状和尺寸均不同的多面体磁体的分类。通常，磁体阵列的整体几何形状将最佳地描述或理解为通常会是主磁体的这类第一磁体的组合。使用用语第二多面体磁体来表示大体上小于第一多面体磁体的多面体磁体，并且在实施例中这类第二磁体用于在磁体阵列中形成样品通道或填补阵列中的空间或扩展阵列。说明性而非限制性地，磁体阵列是截头立方体的阵列时，则在实施例中，阵列的第二多面体磁体将具有这样的直径：其允许多个这样的第二多面体磁体堆积以占据基本上等同于第一磁体的空间。本领域技术人员应当理解的是，在实施例中，这样的排列允许将多个第二磁体堆积在由缺失的第一磁体所留下的空间中，并允许在磁体阵列内提供开口、例如样品通道，同时大体上保留晶格结构的连续性。因此在实施例中，堆积多个第二磁体以形成复合磁体，所述复合磁体的尺寸大体上等于较大的第一磁体中的磁体，并且在实施例中，这样的第二磁体设置成在其之间留下空间。
根据具体的实施例的磁体由任何适合的材料制成或包括任何适合的材料，所述适合的材料全部都是本领域技术人员容易确定和使用的。示例性而非限制性的，在实施例中，磁体将是高矫顽力材料或包括高矫顽力材料。在实施例中，磁体是稀土基磁体。再次为示例性而非限制性的，钕-铁-硼合金和钐-钴合金也是可行的。本领域技术人员将容易地确定和实施一系列可能的替代方案。
在具体的实施例中，单个的主磁体具有达到、小于或约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0英寸或更多英寸的直径。应当理解的是，阵列包括较大的第一磁体和较小的第二磁体的混合时，则形成包含在磁体阵列中的复合磁体的组成第二磁体是形成阵列的较大的第一磁体的尺寸的合适的增量或部分。在具体的实施例中，截头立方主磁体或第一磁体的面面之间尺寸是约1.25英寸。在实施例中，构成这类阵列的复合磁体的第二磁体的面面之间尺寸是约0.50英寸。
在本发明中，用语“磁场轴线”或“场轴线”或“磁场方向”或“场方向”在用于提及磁体阵列时意指相对于磁体的晶格结构的坐标系的轴线或方向，其将用作磁体阵列的中部腔体或测试体积内的均匀场的所需定向。原则上可随意地选择该方向，但在实践中，通常希望利用晶格和磁体的对称性，并选择与对称元素(如立方单胞的四重或三重对称轴线)相关的某些特殊方向。应该理解的是，根据语境决定，上述用语可以用于描述由包含在阵列中的单个磁体或单个复合磁体所产生的场。在所需的磁场结构明确地包括场梯度的情况下，用语“梯度轴线”将用于表示限定所需的场结构的梯度张量分量、主分量或其它方向量。
在实施例中，本文所公开的磁体阵列的主磁场近似于由哈尔巴赫(Halbach)球形体所产生的场。如在图12中示意性地示出并且在本文的其余部分所进一步解释的，大致的立方磁体阵列的可能的磁场方向包括：垂直于晶格的单胞的面的方向；沿着从晶格的单胞的中心连到边的中点的线的方向；沿着晶格的单胞的体对角线的方向。
在本发明中，用语“样品通道”意指位于磁体阵列中的开口，该开口可用于到达测试体积，例如以将样品引入到测试体积中，或以从其中移除样品。在具体的实施例中，样品通道将具有任何所需的定向，并且示例性而非限制性的，在实施例中，样品通道可以如图10所示从磁体阵列的面、角或边延伸出来。在实施例中，样品通道的至少一部分通过设置相对于组成阵列的另外的第一磁体具有减小的尺寸或具有不同的几何形状的第二磁体来限定。在实施例中，可以将样品引入到合适的样品管中。示例性而非限制性的，样品管可以是含有液体样品的长玻璃管、流管，或固态核磁共振(NMR)中常见的小的“转子”类型的管。本领域技术人员将容易认识并实施多种可能性。
一旦建立了磁场方向并且计算出单个的组成磁体的磁化轴线，则可以选择需要沿其插入样品管的轴线。对于磁场轴线而言，充分地利用对称性，可以从样品管进入轴线的无限的可能性中选择某些优选的方向，并且其中的一些将在下文中列出。其他的考虑对样品通道轴线的选择可能很重要。例如，磁场方向和样品管进入轴线的特别有用的结合是使磁场方向垂直于立方晶格的单胞的面，并且使样品管进入轴线沿着体对角线。在这种情况下，这些轴线之间的角度是即固态核磁共振的从业者已知的所谓的“神奇角度”。已知样品围绕该轴线的快速旋转允许使用某些非常有用的实验技术。
用于样品通道的轴线一旦选择，则考虑至少三种构造方法，其允许将样品或样品管引入磁体阵列的中部腔体或测试体积中。在备选的实施例中，包括但不限于如下可能性：扩大晶格以在组成磁体之间留出空间；钻孔贯穿磁体，可选地这可以对称的模式来进行；以及省略磁体的对称设置的子集或省略构成一个或多个复合磁体的组成第二磁体的子集。在实施例中，能够以本领域的技术人员容易理解的方式对上述的可能性进行组合。
第一实施例
大体参考图6到10对第一系列的实施例进行描述，第一系列的实施例的示例的更详细的解释如下所示。
广义上，公开了一种磁体阵列，其包括排列成晶格结构的多个多面体磁体。在实施例中，磁体阵列具有相关联的磁场，该磁场具有指定的场方向在实施例中，磁体阵列至少部分地包围着测试体积，并且在实施例中，磁体阵列完全地或几乎完全地包围测试体积。在实施例中，位于与测试体积中的原点相距位移矢量处的单个的多面体磁体的磁化方向由下式确定：
在实施例中，如图10所示，多面体磁体101为截头立方体，并且磁体阵列基于简单立方晶格。
第一实施例还包括用于产生具有场方向的磁场的方法。该方法包括提供位于晶格结构中的多面体磁体的阵列，其中，位于与原点相距位移矢量处的单个的多面体磁体的磁化方向由下式确定：
本领域技术人员可以理解，上述公式是下述公式的独立于坐标系的表示：
在k＝1的情况下，适于在中部体积内产生基本上均匀的场，其中相对于所选择的场方向来定义余纬度角
在第一实施例的变体中，从由下述群组中选择多面体磁体中的单独个体，所述群组包括：截头立方体；菱形十二面体；柏拉图立体；阿基米德立体；约翰逊立体；倒角多面体；以及截头多面体。在本文其它地方对其他可能的变体形状进行说明，并且本领域技术人员将容易地确定另外的可能的形状，全部的上述形状在本文所公开和权利要求所要求保护的主题的一个或多个可能的实施例中进行考虑。
在实施例中，阵列所基于的晶格是布拉维晶格，并且因此阵列的磁体具有布拉维晶格结构。在其他的实施例中，晶格是简单的立方晶格、体心立方晶格、面心立方晶格或六方晶格，并且阵列的磁体的晶格结构遵循这类基本的晶格结构。
在第一实施例的一个示例中，尤其如图6到图10所示，组成阵列的多面体磁体包括多个第一多面体磁体101和第二多面体磁体106，第二多面体磁体比第一多面体磁体小。在该结构的一个实施例中，如图10中的立体图所示，多个第二多面体磁体至少部分地限定样品通道107。显而易见地，在所示实施例中，样品通道沿限定磁体阵列的晶格的体对角线来定向。该定向特别适于由截头立方体组成的阵列。应当理解的是，通过适当调整，也可有其他定向，并且定向将根据用于构建阵列的晶格的类型而变化。
在第一实施例的实施例中，磁场的方向对应于磁体阵列的体对角线、磁体阵列的面法轴线或磁体阵列的面对角线。可以在图12的示意图中看到这些一般定向。
应当理解的是，在实施例中，第一多面体磁体中的单独的个体具有磁化方向磁化方向选自与具有所需的磁场方向的阵列相兼容的可能值的有限集合。因此随着适当的计算，用户将确定的一系列的可能值，并且用户将容易地确定其中哪些这样的值将最适配于所需的磁场方向并将相应地选择合适的值。应该理解的是，在实施例中，本文所考虑的结构将允许仅使用相对小数量的备选的组成主磁体的类型来产生合适的主磁场。例如，可以利用一组磁体来有效地接近所需的磁化方向，磁体中的每一个自身具有如图11所示的三个磁化定向之一。在图11A中以侧视图的形式示出了立方磁体，其中其磁化位于“面法线”结构中。在图11B中以侧视图的形式示出了立方磁体，其中其磁化位于“面对角线”结构中。在图11C中以立体图的形式示出了立方磁体，其具有“体对角线”磁化。这些磁化用语不变地应用于如在图10的晶格结构中所使用的那些截头立方磁体，并且还通常应用于复合磁体或包含多个组成磁体的阵列。
单个的多面体磁体在堆积的阵列内具有有限数目的可能的定向。为了促进或改善质量控制过程，或使其更具有成本效益，可能希望限制可能的磁化的选择以便单个的磁体仅具有有限数目的可能的偶极子定向。当组装磁体阵列时，用户可以从可能的定向的集合中选择这样的定向：与阵列中的其他磁体相结合，该定向将使得最接近所需的主磁场。例如，单个主磁体可以具有这样的偶极子，所述偶极子定向在图11中示出的三个方向中的任意一个上，并且所述主磁体可以通过沿着对应于立方体的六个面的六个方向的任一个的给定面法线在晶格内定向，并且所述主磁体随后还可以通过围绕面法线旋转而以四种可能性中的任意一个来进一步定向，给出有限但很大的磁化方向的可能性的集合。因此，对于立方阵列而言，可以仅使用三个组件来组装阵列，所述组件即具有在图11中示出的三个偶极子定向之一的单个磁体。应当理解的是，同样的原理可以应用于较广范围的其它多面体形状。还应当理解的是，在实施例或一部分实施例中，单个磁体可以是单一的磁体或者可以是复合磁体。为了清楚起见，与单个磁体相关联的场也可以称作偶极子。
在磁体阵列的具体的实施例中，阵列还包括样品旋转器。在其他的实施例中，第一实施例的阵列包括在磁共振装置中。
在实施例中，多面体的形状选择成使得当设置在晶格上时多面体相互联锁并且大体上填充体积。在实施例中，形状选择并且排列成使得组件作为一个整体显示出高的对称性，并且特别地使得需要有限数量的单个的磁体设计来组装阵列。应当理解的是，如果单个的磁体设计的相对有限的数量足够，则相比于在每个磁体的设计都独特的情况下的零件的类型的数量，组成零件的不同类型的数量很小。
在第一实施例和其他实施例的例子中，阵列包括填隙件，并且提供了用于对与阵列相关联的主磁场进行填隙的方法。在实施例中，使用设置在阵列中或围绕阵列设置的填隙磁体来进行填隙。在实施例中，使用电子填隙结构来实现填隙。在实施例中，提供了合适的磁极片，以提供对场进行的精细填隙。
如在图10中将看到的，包括在晶格结构中的组成磁体阵列102的磁体101中的一些是较大的第一磁体103，其它的是较小的第二磁体106。较小的第二磁体在阵列中的特定的点处形成复合磁体104。如在图10中将看到的，这样的较小的第二磁体106用来提供样品通道107，在本例子中样品通道107沿体对角线定向。
应该理解的是，当单个的主磁体101为截头立方体的形状，并且晶格结构基于简单立方晶格时，可以通过形成并且设置单个的磁体101的单个的层来形成实施例的磁体阵列102。
广义上，将中心层指定为层0，并且中心层在其中心处包括形成测试体积的空缺空间110。图6示出了第一实施例的第一示例的磁体阵列的层0的俯视图。可看到，这些磁体是主磁体，并且是在本发明的定义部分中所解释“第一磁体”。如图6B中以剖面图所示意性地显示，层0组装在具有面151、152和端部153、154的支撑框架150中。应当理解的是，根据用户的要求可包括附加的开口，以用于接线路和其他结构。
层0在第一侧被层1限制边界，接着是第2层，最后是层3。在层0相反侧上，层-1、层-2和层-3的相同的排列在相反的方向上延伸。应当理解的是，阵列是大体对称的。每个层都组装在框架中，并且框架将固定在一起以形成组装的阵列102。层1在图7中示出，可以看出，中部体积或测试体积在所有侧上均被限制边界并且其大体上是立方体。
在实施例中，磁体阵列包括与阵列相关联的多个填隙磁体120。在实施例中，填隙磁体占据了晶格结构内的位置，并且在实施例中其尺寸设置成可在阵列内移动。在实施例中，填隙磁体120是多面体并且包含在磁体阵列内。在实施例中，填隙磁体设置在阵列内的晶格点处，并且在实施例中，填隙磁体设置在磁体阵列之外。在实施例中，填隙磁体可以由用户驱动以在磁体组件内移动。
组成磁体阵列的单个的磁体101形成为有序的排列，并且该排列包括填隙磁体120以及具有较小的第二磁体106的复合磁体104。填隙磁体120比其它主磁体103等略小，这允许它们根据用户的需要而移动，以有效地调节测试体积中的磁场。在实施例中，这些磁体是单独可移动的，或者成对相连接或多个相连接。在实施例中，填隙磁体在框架的平面上移动。实施例中的可能的运动路径由箭头125来标示。磁体安装在框架160上。框架160中的通道168的尺寸设置成容纳填隙磁体120并允许它们移动。
层2的结构在图8中示出。将看到，在包括截头立方体的主磁体的实施例中，该层的排列大体是沿着每个边具有五个主磁体101的正方形。将看出，层2还在四个位置处包括填隙磁体120。在实施例中，其与相邻层中的相应的磁体成对地相关联。因此，在所示的实施例中，层2中的填隙磁体4与图9的层3中的对应的磁体成对地相连。在这些实施例中，成对的填隙磁体一起的移入和移出图中的平面。应当理解的是，在图示的实施例中，阵列包括七个层并且因此包括用于填隙的24对的磁体。在实施例中，提供任意合适的数量的填隙磁体或电子填隙件。在实施例中，填隙磁体或电子填隙件大体围绕测试体积对称设置。在实施例中，提供了1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个、20个、21个、22个、23个、24个、25个、26个、27个、28个、29个、30个、31个、32个、33个、34个、35个、36个、37个、38个、39个、40个、41个、42个、43个、44个、45个、46个、47个、48个或更多的填隙件或填隙磁体。在实施例中，填隙磁体的移动是以1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或更多个填隙磁体的群组来协调的。
在实施例中，还公开了对由根据实施例的磁体阵列所产生的磁场进行填隙的方法。大体上，该方法包括一个或多个步骤。在实施例中，所述步骤包括：a)获得移动多个填隙磁体中的一个对磁场的影响的函数表示；b)对于多个填隙磁体中的每一个重复步骤a)；c)导出步骤a)和步骤b)的结果的总和函数；以及d)监测磁场，同时调整填隙磁体中的磁体的位置。
提供填隙磁体作为对测试体积内的磁场进行“粗略”填隙的一种方式。在实施例中，用于填隙的过程包括以下步骤中一个或多个或全部：
1)获得移动指定的成对可移动磁体中的给定的一对对测试体积中的磁场的影响的函数表示。合适的函数表示可以采取的形式，其中x，y和z表示测试体积内的需要对场进行估算的位置坐标，并且其中ηi表示允许填隙磁体i沿其可控制地移动的坐标变量。当磁体i沿着坐标ηi移动时，可以通过静磁模拟或者通过对所发生的磁场的变化进行绘图来多方面地获得该函数表示，绘图例如可使用高斯计探头。本领域的技术人员将容易地理解备选的函数表示和用于确定其的方法。
2)将函数结合成总和函数。在实施例中，该总和函数作为对主磁场的影响的表示的有用性部分地取决于单个的影响的相互独立程度，即其取决于填隙磁体和其他磁体的磁化对由运动所引发的变化的抗逆程度。在实施例中，控制该抗逆性的重要物理因素是用于制作阵列中的填隙磁体和其它组成磁体这两者的磁性材料的矫顽力。因此，应当理解的是，在实施例中优选使用高矫顽力的磁性材料。
3)在实施例中，随后将总和函数分解成关于空间变量x、y、z和磁体-坐标变量ηi这两者的分量函数。备选地，在实施例中，可以将磁体-坐标变量ηi线性地合并成新的变量ξi，该变量ξi可能适用于填隙磁体定位的对称性，并且关于空间变量x、y、z和适于对称性的变量来表达的总和函数。填隙领域的技术人员将选择空间变量x、y、z的函数形式(例如多项式)以适应具体的应用。
4)在实施例中，确定测试体积内的磁场的响应函数。在实施例中，该响应函数可以是磁场图或核磁共振(NMR)参数，例如共振线的宽度，或者该响应函数可以是本领域技术人员容易确定并从中选择的其他函数。
5)在实施例中，用户将调整或将迭代调整填隙磁体的位置，并监视响应函数中的变化，直到实现所期望的场结构。填隙领域的技术人员将使用每次迭代改变时场中出现的改进或线宽度数据，以根据应用的需要来调制主磁场。应该理解的是，用户可以根据需要协同地或单独地移动填隙磁体。本领域技术人员将容易地理解使得填隙磁体的上述调节最优化所必须或所期望的调节。
本领域的技术人员将认识到并实施各种方法以实现上述各步骤。
现在返回到图8中的零件的结构，将进一步看到，在该层的每个角部处设置有复合磁体104，复合磁体104包括一系列较小的磁体或第二磁体106。
层2安装在框架170中，框架170具有外表面171和内表面172，以及倾斜的边缘173、174。中部区域175包括内表面172上的凹陷部分178，并且该框架的周部是增厚部176。凹陷部分178与托持相邻的层1的框架160的加厚的中部部分165紧密配合。提供了开口177以允许相邻的框架例如通过螺栓相互固定。
在图9中以平面图的方式示出了层3。将看到，层3是沿每个边具有三个磁体的正方形，其包括中心主磁体101和位于正方形角部的位置处的四个再次标记为120的填隙磁体。再次，这些填隙磁体比其他主磁体略小并且可以移动以对主要场进行填隙。该层组装在框架180中，框架180具有倾斜的边缘183、184、外表面181和内表面182，其将紧贴相邻框架170。再次，提供了开口187以允许相邻的框架相互固定。
如图10所示，包括由第二磁体106组成的复合磁体104的复合磁体的位置允许形成可从阵列的角落通入其中的样品通道107。
如上所示，图6A、图7A、图8A、图9A以平面图的方式显示了被框架限位的磁体。图6B、图7B、图8B和图9B分别显示了用于图示的层的相应框架的剖视端视图。框架材料可以由用户从一系列合适的材料中选出，并且在示例性实施例中其由任何合适的材料制成。
若需要或希望，则在框架中设置开口以容纳线路、配件、螺栓、螺钉等，并且以允许根据用户需要进入阵列。应当理解的是，在实施例中主磁体和填隙磁体均是单一磁体，在备选的实施例中主磁体和填隙磁体是复合磁体。
在第一系列的实施例的一个实施例中，截头立方体的主磁体或第一磁体的面到面尺寸为约1.250英寸。组成复合磁体的第二磁体的面到面尺寸为约0.500英寸。其结果是，这类较小的磁体之间的空间可容纳在沿着主磁体阵列的体对角线的空间或孔中向下深入的5毫米的核磁共振(NMR)管。阵列的测试体积与较大的第一磁体或主磁体中的一个的尺寸大致相同。应当理解的是，可以使用一些尺寸，并且用户可以调节第一磁体与第二磁体的尺寸的特定的比例以适应具体的目的。
虽然大体参照截头立方体的主磁体以及为简单立方晶格的晶格对第一系列的实施例进行了说明和解释，但是本领域的技术人员容易理解各种其他可能的结构。以下将示出使用了不同的多面体形状的实施例的一些示例。
多种备选的实施例也是可行的，以下将示出示例性的变体。应当理解的是，这些不会以任何方式对本发明的主题进行限制。
以下考虑适用于备选实施例和变体实施例的所有方式，所述考虑关于：选择性地移除磁体的子集或复合磁体的组件的子集；倒角；使磁体的子集附着于可移动的结构以提供对所选择的场梯度函数的适应于对称性的控制；以及填隙。本领域技术人员将容易地明白可能的变体以及其实施方式，并且将对说明性的变体和其他变体进行选择和实施以适应特定的需要。
本领域的技术人员将认识到并且改变框架的几何形状、填隙磁体的移动模式、所使用的任何算法和计算以及任何其他变量，需要调整这些方面以适应阵列的几何形状、晶格结构、磁体和其他要求的变化。本领域技术人员还将容易理解并且实施对实施例的修改以并入磁极片和其他改进，目的是进一步对测试体积中的场进行调整。
示例
特别地参照图6到图10对第一实施例的第一示例进行说明，并且第一实施例的第一示例仅仅是说明性的实施例，其不以任何方式的对所要求保护的主题进行限制。
在通常标记为102并且在图10中以立体图的形式示出的第一实施例的示例形式中，主磁体101的形状为截头立方体。有些是本文通常称作第一磁体的单一磁体103，并且其它的是包括多个较小的第二磁体106的复合磁体104。截头立方体设置成其中心放置在如图4A中所示的简单立方晶格的点上。如果晶格格位用三个一组的整数标识，例如[+1,0,0]、[1,-2,0]等，其中根据三个相互垂直的笛卡尔坐标轴的三个一组的整数中的每一组均对应于晶格格位的坐标，则我们将在中心[0,0,0]处的晶格格位指定为样品位置。这个位置是空的，不含有磁体，并构成测试体积，能够容纳所研究的样品、检测线圈，温度稳定器件或场均匀化器件、用于旋转的样品的旋转机构和/或用户所需的其他这类部件。
可以选择[x,y,z]位置处的磁体的磁化作为与理想的磁体化方向最接近的单位向量，理想的磁体化方向为
其与下述选择一致，所述选择位于向量的有限集合内，可通过将组成磁体旋转成将磁体插入晶格中所允许的若干取向中的一个来获得。应当理解的是，沿着限定晶格和晶格间距a的笛卡尔轴线，可以由位置指数x，y和z计算出位置矢量
应当理解的是，由于组成磁体为高对称性的多面体而不是楔形或其他倾斜形状，使得这些若干取向的集合非常多。因此，可以使用有限数量的组成磁体结构来构成阵列。当组装磁体阵列时，用户可以从可能的定向的集合中选择这样的定向，其使得与阵列中的其他磁体相结合后可导致最接近所需的主磁场。例如，单个主磁体可以具有这样的偶极子，其定向在图11中图示的三个方向中的任一个上，并且可以在立方晶格中以若干不同的方式来定向。因此，对于立方阵列而言，可以仅使用三个部件来组装阵列，三个部件即具有在图11中示出的三个偶极子定向中的一个的单个的磁体。应当理解的是，同样的原理可以应用于多种的其它多面体形状。还应当理解的是，在实施例或部分实施例中，单个磁体可为单一磁体或者可以是复合磁体。
在该示例中，利用了对称性，并且优选地沿着体对角线、平行于面对角线，或垂直于面来定向在具体的实施例中，沿着磁体阵列的体对角线来定向场方向并且在具体的实施例中垂直于磁体阵列的面来定向场方向
再次，为了最大化的对称性，将磁体包含于组件中，使得包括了所有的族成员。例如，族包括六个磁体位置，即[1,0,0]、[0,1,0]、[0,0,1]、[-1,0,0]、[0,-1,0]和[0,0,-1]。族包括与数字的排列和符号的变化相对应的24个磁体位置。
如在图10中看到的，组成磁体阵列102的包含在晶格结构中的一些磁体101是较大的第一磁体103，其他的是较小的第二磁体106。较小的第二磁体在阵列中的特定点处形成复合磁体104。如在图10中看到的，这类较小的第二磁体106用于提供样品通道107，在该例子中样品通道107沿体对角线定向。
应当理解的是，当单个的主磁体101为截头立方体的形状并且晶格结构基于简单立方晶格时，可以通过形成并且设置单个磁体101的单个层来形成实施例的磁体阵列102。
广义上，中心层指定为层0并且在其中心处包括空缺空间110，空缺空间110形成测试体积。图6示出了第一实施例的第一示例的磁体阵列的层0的平面图。可以看到，这些磁体是主磁体并且是如本发明的定义部分所说明的“第一磁体”。如在图6B中以剖视图的方式示意性地示出，层0组装在具有面151、152和端部153、154的支撑框架150中。可看到，框架包括较薄的中部部分155和较厚的周部156，并且其大体是八角形的。在框架中包括有孔157，以允许插入螺栓螺钉或其它支承或固定结构。应当理解的是，根据用户的需要可以设置附加开口，以用于线路和其他结构。
层0在第一侧由层1限制边界，接着是层2，最后是层3。在层0的相反侧，层-1、层-2和层-3以相同的排列在相反的方向上延伸。应当理解的是，实施例的该示例的阵列大体是对称的。各层组装在框架中并且将框架固定在一起以形成组装好的阵列102。
在图7中示出了层1，并且可以看出，较内的层1和层-1与中心层0对齐但是没有中部腔体，因此中部体积或测试体积在所有侧被限制边界并且大体是立方体。
单个的磁体101形成有序的排列，并且该排列包括用点状来区分的填隙磁体120以及具有较小的第二磁体106的复合磁体104。填隙磁体120比其它主磁体103等略小，这允许它们根据用户需要移动，以有效地调节测试体积中的磁场。在实施例中，这些磁体成对相连，并且可以沿着箭头125所指定的路径在框架的平面上移动。
磁体安装在框架160中，框架160具有边缘163、164、顶面161和底面162、增厚中部部分165和较薄的周部166。通道168的尺寸设置成容纳填隙磁体120并允许它们如本文所述那样移动，以对组装好的阵列的主磁场进行填隙。应该理解的是，在框架中包括孔167以允许相邻的框架相互固定，并且用户将引入附加的开口以容纳线路等。
图8中示出了层2的结构。可看出，该层的排列大体是沿着每个边具有五个主磁体101的正方形。将看出，层2还在四个位置处包括填隙磁体120。这些填隙磁体比其它主磁体101略小，允许它们根据用户需要移动以有效调节测试体积中的磁场。这四个磁体与图9中的层3中的相应的磁体成对地相连，并且这些磁体对一起移入和移出图中的平面。应当理解的是，组成好的阵列的七个层一起包括用于填隙的24对磁体。
该第一实施例中的24对可移动磁体示出了对测试体积内的磁场进行“粗”填隙的潜力。用于所述填隙的代表性过程将按照下述步骤进行：
1)获得对指定的成对可移动磁体中的给定的一对进行移动时对测试体积中的磁场的影响的函数表示。合适的函数表示可以采取的形式，其中x，y和z表示测试体积内的要对场进行估算的位置坐标，而其中ηi表示允许填隙磁体i沿其可控制地移动的坐标变量。当磁体i沿着坐标ηi移动时，可以通过静磁模拟或者通过对所发生的磁场的变化绘图来多方面地获得该函数表示，所述绘图例如使用高斯计探头。
2)将函数结合成总和函数。作为对主磁场的影响的表示的该总和函数的有用性部分地取决于单个的影响的相互独立程度，即取决于填隙磁体和其他磁体的磁化对由运动所引发的变化的抗逆程度。控制该抗逆的原则性物理因素是用于制作阵列中的填隙磁体和其它组成磁体这两者的磁性材料的矫顽力。应当理解的是，因此优选使用高矫顽力的磁性材料。
3)随后将总和函数分解成关于空间变量x、y、z和磁体-坐标变量ηi这两者的分量函数。备选地，可以将磁体-坐标变量ηi线性地合并成新的变量ξi，该变量ξi可能适于填隙磁体定位的对称性，并且关于空间变量x、y、z和适于对称性的变量来表达总和函数。填隙领域的技术人员将选择空间变量x、y、z的函数形式(例如多项式)以适应具体的应用。
4)测量测试体积内的待填隙的磁场的响应函数。该响应函数可以是磁场图或核磁共振(NMR)参数、例如共振线的宽度。
5)迭代地调整填隙磁体的位置，并监视响应函数中的变化，直到实现所期望的场结构。填隙领域技术人员将使用每次迭代改变时场中出现的改进或线宽度数据，以根据应用的需要来调制主磁场。应该理解的是，可以根据用户需要协同地或单独地移动填隙磁体。
现在返回到图8中的零件的结构。将进一步看到，在该层的每一个角部处设置有复合磁体104，复合磁体104包括一系列的较小的磁体或第二磁体106。
层2安装在框架170中，框架170具有外表面171和内表面172，以及倾斜的边缘173、174。中部区域175包括位于内表面172上的凹陷部分178，并且框架的周部是增厚部176。凹陷部分178与托持相邻的层1的框架160的增厚的中部部分165紧密配合。提供了开口177以允许相邻的框架例如使用螺栓来相互固定。
在图9中以平面图的方式示出了层3。将看到，层3是沿每个边具有三个磁体的正方形，其包括中部主磁体101和位于正方形角部的位置处的四个再次标记为120的填隙磁体。再次，这些填隙磁体比其他主磁体略小，并且可以被移动以对主要场进行填隙。该层组装在框架180中，框架180具有倾斜的边缘183、184以及外表面181和内表面182，其将与相邻框架170紧密配合。再次，提供了开口187以允许相邻的框架相互固定。
如在图10中看到的，包括由第二磁体106组成的复合磁体104的复合磁体的位置允许形成可从阵列的角落到达其中的样品通道107。
如上所示，图6A、图7A、图8A、图9A以平面图的方式显示了被框架限位的磁体。图6B、图7B、图8B和图9B分别显示了用于图示的层的相应框架的剖视端视图。框架材料可以由用户从一些合适的材料中选出，并且在示例性实施例中其由任何合适的材料制成。
若需要或希望，则在框架中设置开口以容纳线路、配件、螺栓、螺钉等，并且以允许根据用户需要进入阵列。在示例中，主磁体和填隙磁体均是单一磁体。在备选的实施例中，应当理解的是，也可以使用复合磁体。
在第一实施例的该示例中，截头立方体的主磁体或第一磁体的面到面尺寸为约1.250英寸。组成复合磁体的第二磁体的面到面尺寸为约0.500英寸。其结果是，这种较小的磁体之间的空间可容纳在沿着主磁体阵列的体对角线的空间或孔中向下5毫米的核磁共振(NMR)管。阵列的测试体积与较大的第一磁体或主磁体中的一个的尺寸大致相同。
在该例子中，用于支撑和组织组成磁体的框架由任何合适的材料制成。在具体的应用中，合适的材料包括铝、黄铜、强塑料(例如PEEKTM或DelrinTM)、或陶瓷材料(例如MacorTM)。本领域技术人员将容易地认识到并且实施一些可能的备选方案。
在该例子中，磁体自身由任何合适的材料制成。高矫顽力的材料是合适的，例如是强的稀土基磁体。例如钕-铁-硼合金和钐钴合金也是可行的。本领域技术人员将容易地确认并且实施一些可能的备选方案。
在该示例的实施例中，可以实现1.0～2.5特斯拉范围内的场，但任何具体的实施例的场强将取决于晶格格位的层的数量、单个的组成磁体的强度、磁极片的存在和类型以及所使用的构成材料和其他变量。本领域技术人员将理解所有的这类变量，并且对其作出适当的折让。
没有示出的磁极片是本领域中的一般常识的一部分。应该理解的是，本领域技术人员可能希望将磁极片并入示例的阵列中以进一步修改场。在对包含并入到阵列中的磁极片的示例进行修改以对测试体积中的磁场进行填隙时，已经发现，用于这类磁极片的合适的材料包括HipercoTM、软铁材料或其它合适的材料，所有这些都是本领域技术人员容易确定并且使用的。
第二实施例
在通常标记为130并且在图13中示出的一个备选实施例中，磁体阵列130的主磁体131是菱形十二面体，其形状示于图5N中。
图13A以分解图的形式示出了基于该结构的阵列，并且图13B示出了这类阵列的中心层。菱形十二面体构造在层520、540、560中，其中每一个层均基于三角形的点的二维晶格。中心层520由第一层540和540’限定边界，随后是第二层560和560’。二维晶格一起组成面心立方晶格。再次，中心层包括位于中部的、标记为测试体积132的晶格格位。在实施例中，可以对菱形十二面体进行倒角或扩展晶格，以允许到达中部的测试体积。
使用与第一实施例的示例相同的原理，本领域的技术人员可以容易地理解任何结构支撑件或框架的排列和结构的全部性质。
第三实施例
第三备选实施例在图14中示出并且通常标记为600。在图14中示出的磁体阵列600是基于仅由简单立方晶格的一部分中的立方体601构成的空间填充结构。移除中部的立方体以提供中部腔体或测试体积604。扩展晶格并且移除结构的角部上的立方体(数量为八个)以容纳样品管，样品管未示出。如果选择垂直于该块体的面的矢量作为球形坐标系统的(余纬度)θ＝0的轴线，并且根据上面说明的方程来选择磁化，则样品管的进入轴线将相对于中部腔体中的均匀场的轴线成“神奇角度”。
第四实施例
第四备选实施例在图15中示出并且通常标记为620。在该实施例中，图14的设计600补充有正方平行六面体621。在实施例中，如果将较外的元件固定在可移动结构上，则这提供了较高的中部腔体内的场强以及粗略的填隙能力。本领域技术人员将容易地理解如何支撑和连接磁体以实现预期目的。
第五实施例
第五备选实施例在图16中示出并且通常标记为71。在图17的设计中，该实施例的磁体块711基于包括四个相互穿插的面心立方(fcc)晶格的部分的空间填充结构，但是具有不同的多面体。截头立方八面体占据了磁体块711的角部712和面心713，并且截头立方体设置在边中心714处，同时移除中部的截头立方体以提供中部腔体。这两个晶格由两个其他的面心立方晶格填充，该面心立方晶格的格位的每一个由截头四面体715占据，该截头四面体715位于两个不同的定向上。
如果移除边中心的截头立方体714并且将晶格扩展到必要的程度，并且如果最内侧的截头四面体制作为较小或对其倒角，则可创造通道，其可以用作通入结构的内部的进入端口。备选地，可以钻孔贯穿截头立方八面体或截头立方体以容纳样品管的插入。在这种情况下，如果将截头立方体固定在允许其朝向和远离组件的中心移动的结构上，则可以实现粗略的填隙能力。该粗略的填隙能力将具有十二个自由度，并且可以将这十二个单独的运动结合成所有的十二个磁体的协同运动，这可有利于基于对称性的考虑而将运动分配到待填隙的场梯度的具体的函数分量(例如，x、yz、y2-z2等)。
第六实施例
另一个实施例在图17中示出并且通常标记为800。
图17A示出了通常标记为800的磁体阵列801的实施例，磁体阵列801基于包括四个相互穿插的面心立方晶格的一部分的空间填充结构。截头八面体802占据了所示出的磁体块的角部803和面心804。立方八面体805设置在边的中心，并且随后移除中部的立方八面体808，以为样品、核磁共振检测线圈、电子场填隙器件、样品离心器或其他装置提供中部腔体。这两个晶格由两个其他晶格补充，其晶格格位中的每一个均被截头四面体809(位于两个不同的定向上)占据。
图17B示出了如果移除边中心的立方八面体805并且将晶格扩展到所需要程度，或者如果将最内的截头四面体810制作成较小或进行倒角，则如何将样品通道并入到阵列中。备选地，可以钻孔贯穿立方八面体以容纳样品管的插入。在这种情况下，如果立方八面体固定在允许其朝向和远离组件的中心移动的结构上，则可以实现粗略的填隙能力。该粗略的填隙能力将具有十二个自由度，并且可以将这十二个单独的运动结合成所有的十二个磁体的协同运动，这可有利于基于对称性的考虑而将运动分配到待填隙的场梯度的具体的函数分量(例如，x、yz、y2-z2等)。
其他的实施例
其他的备选实施例在图18中示出。为了清楚起见，仅示出了部分晶格结构。应当理解的是，与第一实施例一样，可以通过从限定基本的晶格的无限的点集合中选择位于由最大半径所限定的邻近区域内的最接近所指定的“原”点[0,0,0]的那些点来限定晶格结构。所选择的用于晶格结构的点将通常包括源于给定的点考虑对称性而产生的所有那些点。也就是说，例如，包括晶格点[3,2,0]将导致包括整个族中的对称性相关的点，即点[3,-2,0]，[3,0,2]，[3,0,-2]，[2,3,0]，[2,-3,0]和所有其他的点，其总共的个数是24个，通过数字的排列和改变符号来获得。还应当理解的是，点的这些族中的一些将被排除在晶格结构之外，以有利于到达测试体积。
图18A示出了通常标记为73的磁体阵列的实施例，其包括两个相互穿插的简单立方晶格，一个具有截头立方731并且另一个具有八面体732。
图18B示出了通常标记为75的磁体阵列的实施例，其包括四个相互穿插的面心立方晶格，一个具有斜方截半立方体751，一个具有立方体752，并且两个具有分别为两个定向之一的四面体753。在图中未示出后者的部件。
图18C示出了通常标记为72的磁体阵列的实施例，其包括五个相互穿插的简单立方晶格，一个具有截头立方八面体721，一个具有截头八面体723，并且三个具有分别为三个定向之一的立方体722。
图18D示出了通常标记为74的磁体阵列的实施例，其包括五个相互穿插的简单立方晶格，一个具有立方八面体741，一个具有斜方截半立方体742，并且三个具有分别为三个定向之一的立方体743。
本文所提出的实施例和示例是所公开并且要求保护的主题的一般性质的举例说明并且其是非限制性的。本领域的技术人员应可理解这些实施例是如何容易地修改和/或以各种方式适于各种应用，而不偏离要求保护的主题的主旨和范围。本文所采用的短语、词和用语是说明性的，而不是限制性的。在法律允许的范围内，本文引用的所有参考文献的全部内容都通过引用并入本文。应当理解的是，本文所公开的不同实施例的任何方面可以与一系列可能的备选实施例以及备选的特征相结合，所有的特征的各种结合都应当被理解为形成所要求保护的主题的一部分。具体的实施例可以备选地包括或含有或排除所公开的元素中的一个或多个。

Claims (23)

1.一种磁体阵列，其包括：
多个多面体磁体，其设置在晶格结构中，其中单个的多面体磁体设置成其中心与由晶格所限定的点的有限集合大体一致，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，
所述磁体阵列具有带有指定的场方向的关联的磁场，
其中位于与所述测试体积中的原点相距位移矢量处的单个的多面体磁体的磁化方向由下述公式来确定：
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2.根据权利要求1所述的磁体阵列，其特征在于，所述多面体磁体中的单独的个体从下述群组中选择，所述群组包括：
截头立方体，
菱形十二面体，
柏拉图立体，
阿基米德立体，
约翰逊立体，
倒角多面体，以及
截头多面体。
3.根据权利要求1所述的磁体阵列，其特征在于，所述晶格是布拉维晶格。
4.根据权利要求3所述的磁体阵列，其特征在于，所述晶格是简单立方晶格、体心立方晶格、面心立方晶格或六方晶格。
5.根据权利要求1所述的磁体阵列，其特征在于，所述多面体磁体包括多个第一多面体磁体和多个第二多面体磁体，所述第二多面体磁体比所述第一多面体磁体小，并且其中多个所述第二多面体磁体至少部分地限定了样品通道。
6.根据权利要求2所述的磁体阵列，其特征在于，所述方向对应于所述磁体阵列的体对角线、所述磁体阵列的面法轴线或所述磁体阵列的面对角线。
7.根据权利要求5所述的磁体阵列，其特征在于，所述样品通道沿着所述磁体阵列的体对角线定向。
8.根据权利要求5所述的磁体阵列，其特征在于，还包括样品旋转器。
9.一种磁共振装置，其特征在于，包括根据权利要求1所述的磁体阵列。
10.一种用于生成具有场方向的磁场的方法，所述方法包括提供位于晶格结构中的多面体磁体的阵列，其中单个的多面体磁体设置成其中心与由晶格所限定的点的有限集合大体一致，其中位于与原点相距位移矢量处的单个的所述多面体磁体的磁化方向由下述公式来确定：
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11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多面体磁体中的单独的个体从下述群组中选择，所述群组包括：
截头立方体，
菱形十二面体，
柏拉图立体，
阿基米德立体，
约翰逊立体，
倒角多面体，以及
截头多面体。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多面体磁体是截头立方体并且所述方向对应于所述磁体阵列的体对角线、所述磁体阵列的面法轴线或所述磁体阵列的面对角线。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述晶格是布拉维晶格。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述晶格是简单立方晶格、体心立方晶格、面心立方晶格或六方晶格。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括提供位于所述磁体阵列内的测试体积，并且其中所述多面体磁体包括多个第一多面体磁体和多个第二多面体磁体，所述第二多面体磁体比所述第一多面体磁体小，并且其中多个所述第二多面体磁体至少部分地限定了样品通道。
16.一种用于确定样品的磁共振性能的方法，所述方法包括将所述样品放置在根据权利要求10所述的方法所得到的磁场中。
17.一种用于根据权利要求1所述的磁体阵列的填隙组件，所述填隙组件包括包含在所述磁体阵列内的多面体填隙磁体，所述填隙磁体能够由用户驱动以在所述填隙组件内移动。
18.根据权利要求1所述的磁体阵列，其特征在于，还包括占据所述晶格结构内的位置的多个填隙磁体，所述填隙磁体能够由用户驱动以在所述磁体阵列内移动。
19.一种对由根据权利要求18所述的磁体阵列所产生的磁场进行填隙的方法，所述方法包括以下步骤：
a)获得移动所述多个填隙磁体中的一个对所述磁场的影响的函数表示其中x、y和z指代测试体积内的位置坐标，而ηi表示坐标变量，填隙磁体i能够沿着坐标变量ηi可控移动；
b)对于所述多个填隙磁体中的每一个重复步骤a)；
c)导出步骤a)和步骤b)的结果的总和函数并且
d)监测所述磁场，同时对所述填隙磁体中的个体的位置进行调节。
20.一种磁共振装置，其包括磁体阵列，所述磁体阵列具有设置在晶格结构中的第一多面体磁体和第二多面体磁体，并且至少部分地包围测试体积，
其中，所述第一多面体磁体和所述第二多面体磁体为截头立方体，所述第二多面体磁体比所述第一多面体磁体小，并且至少部分地限定沿所述磁场阵列的体对角线延伸的样品通道。
21.根据权利要求1所述的磁体阵列，其特征在于，所述磁体阵列还包括两个或更多的相互穿插的晶格。
22.根据权利要求21所述的磁体阵列，其特征在于，所述磁体阵列包括两个或五个相互穿插的简单立方晶格。
23.根据权利要求21所述的磁体阵列，其特征在于，所述磁体阵列包括四个相互穿插的面心立方晶格。
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