CN111220937B - 具有槽的海尔贝克磁体布置系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振设备中的磁体布置系统(1)，所述磁体布置系统具有由磁体段构成的围绕z轴同心设置的、空心圆柱形的环状磁体元件(2a；2b；2c)，所述磁体元件具有轴向长度L_z,M和内半径R_in，所述环形磁体元件具有海尔贝克磁化结构，其特征在于，至少一个环状磁体元件具有绕z轴环绕的槽状的、空心圆柱形凹部(3a；3b)，所述凹部关于平面z＝0是对称的，所述凹部的轴向延伸尺寸L_z,A小于环状磁体元件的轴向长度L_z,M，所述凹部具有径向深度T＝T_A以及在z位置z＝‑z_A至z＝+z_A之间的轴向长度L_z,A<L_z,M，并且所述槽状的凹部径向深度T_A以及轴向长度L_z,A选择成，使得在预先规定的在磁共振设备的磁体布置系统的中央具有轴向的坪长L_P的测量体积(O)中所述均匀磁场B₀的剩余不均匀性不超过10ppm。由此提供了一种用于MR设备的非常紧凑和低重量的海尔贝克布置系统，这种布置系统在规定的场强下在轴向坪长LP上形成具有特别均与的场分布的区域，这种布置系统的外部尺寸以及其重量相对于已知的海尔贝克布置系统明显降低。

Description

具有槽的海尔贝克磁体布置系统

技术领域

本发明涉及一种磁共振设备中的磁体布置系统，所述磁共振设备具有永磁体系统，用于沿垂直于z轴线的方向在测量体积中产生均匀的磁场B0，永磁体系统包括至少一个同心地绕z轴设置的、空心圆柱形的环状磁体元件，所述磁体元件由磁性材料制成，并具有轴向长度L_z,M和内直径R_in，所述环状磁体元件由单个磁体段构成并且设置成，使得所述磁体元件具有海尔贝克磁化，所述海尔贝克磁化产生偶极磁场。

背景技术

这种磁体布置系统由US 4,931,760 A(＝文献[1])或由US 2010/013473 A1(＝文献[2])已知。

本发明一般而言涉及磁体结构领域，特别是磁体布置系统的设计和制造领域。此外，本发明还涉及磁共振(＝“MR”)领域，特别是提供适用于磁共振的海尔贝克配置的永磁体系统，所述永磁体系统确定为用于产生用于核磁共振测量的均匀磁场。但本发明的可应用性不仅限于这些领域。

在核磁共振波谱法(＝“NMR”)领域以及在成像应用(＝“MRI”)中，在要确定的样品体积中需要非常均匀并且在时间上恒定的磁场，所述磁场可以利用电阻线圈或超导线圈或适当的永磁体系统产生。当低于2T的磁通密度就足够了并且希望有较为紧凑的结构时，采用永磁体是优选的。

台式NMR仪器需要高度均匀的磁场，所述磁场一方面可以利用电磁线圈布置系统产生，但也可以利用永磁体布置系统产生。

由EP 3 217 186 B1(＝文献[3])已知一种用于MR设备的低杂散场的永磁体布置系统，所述永磁体布置系统具有部分分段的环状几何结构的用于对磁通量进行回引和成束的极靴元件和磁轭元件。但这里恰好没有涉及所述类型的海尔贝克配置，而是“传统的”、闭合的基于磁轭的磁体。这里在中央的鼓元件的外周面上设有环绕的槽作为导轨和/或安装辅助结构。

无磁轭的海尔贝克设计是完全不同的已知布置系统，但这种布置系统同样用于这个目的。在现有技术中(例如见文献[1]或[2])记载了使用具有作为海尔贝克偶极的磁化结构的环状永磁体。

理论上，利用这种磁体布置系统也可以产生NMR测量所需的高磁场均匀性，但特别是对于海尔贝克配置的磁体环特别困难的是，产生这种均匀的磁场B₀。通常，这样构成环状的海尔贝克偶极，使得具有变化的磁化方向的单个磁体段相互拼接，这里，磁化方向按方位角(Azimutwinkel)改变。

为了在测量体积内实现NMR测量所需的磁场均匀性，对于海尔贝克磁体必须设置修正机构，以便能够补偿磁体材料的误差或各个磁体块的位置误差，这使得机械结构复杂化。在US 2010/013473 A1(＝文献[2])对这个主题进行了说明。

US 2015/0061680 A1(＝文献[4])记载了用于产生磁场的磁体布置系统和方法。该文献包括具有多个多面体磁体的磁体布置系统，这些磁体按网格构型设置并且至少部分地包围测试空间，所述磁体布置系统具有相配的磁场，所述磁场具有确定的磁场方向。各多面体磁体和其设置是这样的，使得所形成的磁场近似于海尔贝克球体。根据这里所述的方法，基本磁体的磁场通常不是均匀的并且因此对于MR应用是不适当的。

在开始引用的US 2010/013473 A1(＝文献[2])中，提出了一种NMR永磁体，所述永磁体具有由三个环体组成的海尔贝克结构，中央的磁环沿轴向由两个顶部环包夹。这些环体为了实现磁场均匀化能通过螺栓或螺母沿纵向方向相对于彼此移动。在文献[2]中还公开了，这些环体由单部段组成，这些单部段交替地为梯形和矩形，其中各个部段为了磁场均匀化能沿径向方向移动。这三个磁环的孔沿z轴都具有相同的内半径R_in，而中央磁环的外半径小于两个侧翼的顶环的外半径。

最后，同样在前面已经引用的US 4,931,760 A(＝文献[1])也记载了一种海尔贝克配置的永磁体，用于在MRI仪器中产生均匀的磁场。为了提供磁场均匀性而提出，在环状的磁体元件的外周面上以到平面z＝0的轴向间距+z₁和–z₁设置两个凹部，所述凹部分别具有比其余环体中低的径向高度h₂。但没有公开绕z轴环绕的槽状的、空心圆柱形的、绕平面z＝0对称地设置的中央凹部，当然也没有公开对这种中央槽的具体尺寸的建议。

发明内容

与此相对，本发明的目的在于，利用尽可能简单的技术措施并且在不增大体积的情况下提供前面所述类型的用于MR装置的尽可能紧凑并且轻重量的永磁体布置系统，对于预先规定的磁场强度，所述永磁体布置系统在磁体布置系统的中央在一个轴向的坪长/平线区长度

L_P上产生一个具有特别均匀的磁场分布的区域，所述布置系统的外部尺寸、即轴向长度和径向宽度以及其重量相对于已知的海尔贝克布置系统明显降低。

所述目的通过本发明以同样出人意料简单且有效的方式这样来实现，即所述环状磁体元件具有绕z轴环绕的槽状的、空心圆柱形的凹部，所述凹部关于平面z＝0对称地设置并且所述凹部的轴向延伸尺寸L_z,A小于环状磁体元件的轴向长度L_z,M，环状磁体元件的环绕的槽状凹部具有径向深度T＝T_A以及在z位置z＝-z_A至z＝+z_A之间的轴向长度L_z,A<L_z,M，并且所述槽状凹部径向深度T_A以及轴向长度L_z,A选择成，使得在预先规定的具有轴向的坪长L_P的测量体积中在磁共振设备的磁体布置系统的中央所述均匀磁场B₀的剩余不均匀性不超过10ppm。

本发明包含由一个或多个海尔贝克环的布置系统，其目的是在预先确定的测量体积内在材料用量尽可能小的同时产生尽可能强的、特别均匀的磁场。根据本发明的设计的主要优点是，可以通过一个中央的槽在技术上特别简单地实现，所述槽的具体几何尺寸由于根据本发明的设定可以根据需求状况单独地计算。

对于k＝2的海尔贝克偶极环，原则上会出现附带区域性(zonal)的(轴向的)、也是双周期式的(等轴的)场阶。在磁共振应用中对于均匀性要求必要的是，在测量体积的区域内，区域性(＝轴上)以及等轴(tesseral)(＝离轴)的项消失或至少是可忽略的，从而在测量体积中不会出现不均匀性。

剩余的阶数小于或等于设计阶数的不均匀性此时可能是由于机械误差和材料不均匀性导致的并且可以用已知的匀场技术来修正。

每个海尔贝克环通常都由统一的永磁材料组成，但对于不同的环可以不同地选择所述永磁材料。

本发明的优选实施形式和改进方案

根据本发明的一类实施形式是特别优选的，其中，径向深度T_A以及轴向长度L_z,A选择成，使得形成至少6阶的海尔贝克磁体，就是说，在磁共振设备中直至N≤8的所有区域性的场项(Feldterm)N沿轴向坪长L_P不超过10ppm的值，优选形成8阶的海尔贝克磁体，就是说，所有直至N＝10的所有区域性场项不超过10ppm的值。利用这种处理方式便于实现符合需求的设计。这意味着，在磁体设计中，可以优化重量地完成工作，因为利用槽状的凹部可以实现良好的均匀性，这种实施形式不会过于复杂并且因此在制造上不会不必要地昂贵。

对于根据本发明的具有根据所述定义的凹部的磁体布置系统的这些设计规则，双周期的场阶可以忽略，因为双倍周期场阶<N在测量体积中沿平线区半径R_P也不超过值10ppm。通过这个特性对于这些场阶不需要另外的校正机构。

优选在根据本发明的磁体布置系统中在环状磁体元件中仅存在唯一的环绕的槽状凹部。这可以很容易地利用可接受的结构成本实现。

其他有利的实施形式的特征在于，环绕的槽状的空心圆柱形的凹部作为沿径向内部的槽通过单独的中央的磁环构成，所述磁环具有轴向延伸尺寸L_z,A和内半径R_in+T_A，所述磁环沿轴向在两侧分别由另一个磁环包夹。就是说通过适当的分配，所述槽不必通过改动环组件来建立，而是通过相邻环组件的径向台阶部形成。就是说保持各个环组件(圆环)具有较低的构件复杂性。

在本发明的实施形式中，环状磁体元件中单个部段的磁化方向可以基本上平行地在垂直于z轴的x-y平面中延伸，这里可选地可以设置海尔贝克布置结构的平坦构型或者也可以选择3维的海尔贝克磁体。3维的海尔贝克磁体的特征在于，环状磁体元件的磁化方向偏离x-y环平面，使得垂直于环平面的分量以相应环状磁体元件的方位角变化一个倾斜角。通过对于磁化方向引入相对于z-y平面的附加倾斜角，可以在均匀性保持相同的情况下进一步降低材料用量，就是说可以实现更为高效的磁体设计。

另一个有利的实施形式设定，多个环形的磁体元件同心地绕z轴设置，其中至少一个磁体元件具有绕z轴环绕的槽状的空心圆柱形凹部。这种径向的分体结构对于制造是有利的。此外，例如还使得可以在半径较小的区域内使用高抗磁的材料，以便对去磁力加以考虑。

可以有利地这样改进这个实施形式，所述n个环状磁体元件的轴向长度L_z,M1…Mn是不同的，优选是从径向内部向径向外部升高的。由此带来了可供优化使用的另外的几何形状上的自由度。

本发明的一个优选实施形式的特征在于，沿z方向相互堆叠地设置多个环状磁体元件，其中至少一个磁体元件具有绕z轴环绕的槽状的空心圆柱形凹部。

最后提及的两个实施形式的改进方案在实践中得到了验证，所述改进方案的特征在于，至少其中几个环状磁体元件由不同的、优选分别为永磁的材料构成，特别是也可以在单个环状磁体元件内部存在不同的材料。在靠近中央的区域内，磁场强度并且由此还有去磁力是最大的。为了避免发生永久性去磁，可以在必要的位置使用具有相应较高抗磁性的材料。

特别优选的是本发明这样的实施形式，其中，存在用于使磁场均匀化的装置，优选是匀场管，用于对较高的场阶进行匀场。以这种方式给主要描述的机构补充了另一个更为精确的仪器。由此可以实现分辨率更为精细的修正。

通过被动的匀场元件可以明显改善磁体孔内部、特别是匀场管中的均匀度。此外，也可以通过孔内部的匀场线圈实现改善均匀度。

本发明的范围内还包括一种用于根据上面所述的实施形式和其改进方案计算磁体布置系统的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)预先规定所述磁体布置系统(1)的最小内半径R_in以及最小的不可消失的区域性场阶N以及在所述磁体布置系统的中央处的均匀磁场B₀的希望的磁场强度，所述最小内半径限定孔的尺寸，N是正偶数；

(b)按海尔贝克配置用具有已知剩磁的预先规定的磁材料作为基本圆柱磁体设计环状磁体，环状磁体具有最大外半径R_out和轴向长度L_z,M，基本圆柱磁体的外半径R_out与长度的比值R_out/L_z,M为10:1至1:10、优选为3:1至1:3，从而在中央实现目标磁场强度B₀，

(c)通过确定基本圆柱磁体的最高至少到N阶的区域性场阶的值来检测在测量体积的范围中形成的磁场分布；

(d)利用计算机将在至少一个环绕的槽状的空心圆柱形凹部关于平面Z＝0对称地设置在基本圆柱磁体中，所述凹部有低剩磁，并计算径向深度T_A以及在z位置z＝-z_A至z＝+z_A之间的轴向长度L_z,A<L_z,M以及L_N，使得在通过凹部改变的基本圆柱磁体中阶数小于N的区域性磁场阶的和消失；

(e)通过改变基本圆柱磁体的外半径R_out和/或轴向长度L_z,M而使由经改变的基本圆柱磁体在所述磁体布置系统的中央处产生的磁场强度与希望的磁场强度B₀相适配。

在步骤(b)中对磁体元件的设计能通过利用计算机程序进行的优化来实现。首先一次性地任意选择比值R_out:L_M。

在步骤(c)中进行的检测可以是物理的测量步骤，但这通常并不是特别实用的。因此，优选利用在相关专业领域已知的算法进行模拟。

在步骤(d)中，利用计算机显示环状环绕的凹部。这里一般性地定义所述槽，这是因为，所述槽可以特别简单地通过切除基本环的磁材料来建立(“全槽口(Full Notch)”)或者通过添加/用其他具有较小剩磁的磁性材料来替代中央环来实现。

这个步骤(d)可以通过可供使用的“求解程序”来完成。对于前面所述的规定设置，求解器可以设计这样的槽，在所述槽中，所有小于N的偶数的区域性阶数的总和消失。这里，得到一种非常有利的、出人意料的效果：在海尔贝克环中存在中央的环绕的区域的条件下，所述区域具有与基本磁体环相同的、但为负值的场阶B_N，在测量体积内双周期的<N的场阶同样消失。“消失”在这种情况下不是指这些场阶恰好等于0。但这些场阶变得很小，以至于其对于总磁场的影响实际上可以忽略。

在根据本发明的方法的一个优选的变型方案中，在步骤(e)中，通过重复步骤(b)至(d)，检测由步骤(d)得到的磁场强度B_0R并使其与所述磁体布置系统(1)中央的目标磁场强度B₀相适配，直到B_0R＝B₀。以这种方式可以特别快速地进行优化计算并且可以实现范围广泛的参数分析。

在另一个优选的方法变型，在另一个方法步骤(f)中，利用计算机由至少N+2个圆弧状的磁体段构成环状磁体元件。由此确保了，抑制通过这种分段沿周边出现的直至包括阶数N的高阶数。

这样的方法变型也是有利的，其中，环绕的槽状的空心圆柱形的凹部沿径向在内部设置在基本圆柱磁体中，并且凹部的外半径R_out,A和内半径R_in,A符合以下比例关系(R_in,A+R_out,A)/(R_in,A)～1+0.003*((R_in,A)/(L_P))^N，其中，L_P是所述磁体布置系统中央处的测量体积的坪长，即是指所述磁体布置系统的轴向延伸尺寸。由此，所述槽可以特别简单地通过相邻环组件的径向台阶部以较低的构件复杂性建立。

另一个优选的方法变型的特征在于，基本圆柱磁体中的环绕的槽状的空心圆柱形凹部在单独的中央磁环中实现，所述磁环具有轴向长度L_z,A和内半径R_in+T_A，从而所述磁体布置系统包括至少三个同轴地沿z轴设置的单环。由此，抑制了通过这种分段沿周边出现的直至包括阶数N的高阶数。

同样优选的是这样的方法方案，其中，首先将圆弧状的磁体段粘合成固定的单环并且沿z方向相互堆叠，并且为了进一步均匀化磁场使单独的中央磁环在垂直于z方向的x-y平面内移动。这样预装配成刚性的单个组件主要在布置系统的机械牢固性和可靠性方面具有明显的优点。

这个变型方案还可以附加地这样来改进，即，沿轴向靠外的磁环为了进一步均匀化磁场而相对于彼此绕z轴转动和/或倾斜。通过引入机械的调节机构可以毫无问题地补偿非设计来源而是由于制造上的不足导致的干扰性阶数(例如制造公差和材料特性上的波动)。

本发明其他的优点由说明书和附图得出。同样前面所述的以及还将详细说明的特征根据本发明分别单独地或多个任意组合地应用。所示和所述的实施形式不应理解为穷尽的，而是更多地具有示例性的性质，以便说明本发明。

附图说明

在附图的图示和图线中示出本发明并参考实施例来详细说明本发明。

其中：

图1示出根据本发明的磁体布置系统的一个实施形式的示意性空间竖直剖视图，所述磁体布置系统具有径向内部的第一环状磁体元件、第二环状磁体元件以及径向包围第二环状磁体元件的第三环状磁体元件，所述第一环状磁体元件具有环绕的内槽，第二环状磁体元件具有内槽并包围第一环状磁体元件，第三环状磁体元件没有环绕的槽状凹部；

图2a示出一个特别简单的实施形式的半部的示意性剖视图，所述实施形式具有磁体元件和沿径向位于内部的环绕的槽状凹部；

图2b示出如图2a中的磁体元件，但具有沿径向位于外部的环绕的槽状凹部；

图2c示出如图2a中的磁体元件，所述磁体元件具有沿径向位于内部的环绕的槽状凹部，但由三个分环构成，这些分环包括一个中央的沿径向向外偏移的磁环，这个磁环在两侧沿轴向由两个另外的磁体环包夹；

图3a示出一个实施形式的两个半部的示意性剖视图，这个实施形式如图2a中那样具有沿径向位于内部的环绕的槽状凹部；

图3b示出一个实施形式的两个半部的示意性剖视图，这个实施形式如图2b中那样具有沿径向位于外部的环绕的槽状凹部；

图3c示出如图2c中那样由三个分环构成的磁体元件，这里，与两个侧面的另外的分环相比，中央的分环具有较小的径向壁直径；

图4a示出类似于图3c中的由三个分环组成的磁体元件，其中中央的磁环由两个同心的环构成，这两个环沿径向相互隔开间距；

图4b示出类似于图3c的具有由三个分环组成的磁体元件的实施形式，但附加地还具有同心于磁体元件沿径向设置在内部的另一个磁体元件，这个磁体元件没有槽状凹部；

图5示出具有三个沿轴向相互堆叠的磁体元件的实施形式，其中只有中间的磁体元件具有环绕的沿径向位于内部的槽状凹部；

图6示出立体半剖视图，以便示出如在图2a和3a中示出的根据本发明磁体元件的一个实施形式的形成：

a)没有槽的原始磁环

b)希望的槽状凹部

c)具有相应的环绕的、沿径向位于内部的槽状凹部的磁体元件；

图7a示出立体的半剖视图，以及

图7b示出相关的竖直剖视图，用于示出类似于图2c和3c的由三个分环构成的根据本发明的磁体元件的一个实施形式的结构；

图8a示出类似于图5的实施形式的立体半剖视图；

图8b示出类似于图8a的实施形式的立体半剖视图，这里，带有沿径向位于内部的槽状凹部的中央的磁体元件具有小于两个轴向包夹的没有槽的磁体元件的外半径；

图9示出类似于在图2a和3a中所示的具有沿径向位于内部的槽状凹部的磁体元件的实施形式的半剖视图，但附加地具有另一个沿径向设置在外部的没有槽的磁体元件；

图10围绕z＝0的具有6阶抛物线和在磁体布置系统中央的轴向坪长L_P的B₀磁场分布，这里剩余的不均匀度不超过10ppm；

图11a示出根据实施例1的磁体元件沿z轴的示意性竖直半剖视图；

图11b示出图11a的实施例1的平线区；

图12a示出根据实施例2的磁体元件沿z轴的示意性竖直半剖视图；

图12b示出图12a的实施例2的平台区域；

图13a示出在具有单一的带有内槽的磁体元件的简单实施形式的作为规格化的坪长L_p/R_in的函数的规格化的磁体长度L_M/R_in，用于显示对于不同的剩磁的磁场相关性；

图13b作为规格化的坪长L_p/R_in的函数的规格化槽长度L_z/R_in，用于显示对于不同的剩磁磁场和坪长的弱相关性；

图13c示出作为规格化的坪长L_p/R_in的函数的磁体元件的规格化外半径R_out/R_in，用于估算磁体元件必要的结构尺寸以及用于显示对于不同的剩磁外半径与坪长的弱相关性；

图13d示出在不同的剩磁下作为规格化的坪长L_p/R_in的函数的环绕的凹部的规格化的外半径R/R_in，用于显示磁场与坪长的弱相关性；以及

图13e示出在不同的剩磁下作为规格化的坪长L_p/R_in的函数的磁体元件的规格化的体积V/R_in ³，用于显示对于轴向较短的磁体元件磁场与坪长逐渐变强的相关性以及由此显示特别是对于较为紧凑的磁体设计根据本发明的环绕的槽状的空心圆柱形凹部的重要性。

具体实施方式

如在附图中以不同的实施形式分别示意性示出的那样，根据本发明的磁体布置系统1主要用作在附图中没有示出的磁共振设备的组成部件，所述磁共振设备具有永磁体系统，用于沿垂直于z轴在测量体积O中产生均匀的磁场B₀，这里，永磁体系统包括至少一个同心地绕z轴设置的、空心圆柱形环状磁体元件2a；2b；2c；2d；2e；2f’；2f”，所述磁体元件由磁性材料制成，并具有轴向长度L_z,M和内半径R_in，环状磁体元件2a-f”由单个磁体段构成并且设置成，使得所述磁体元件具有海尔贝克磁化结构，所述海尔贝克磁化结构产生偶极磁场。

在理论上，具有无限轴向长度和完美的磁化分布的海尔贝克磁体产生完美的均匀磁场。但在实用中，这种海尔贝克布置系统由具有有限长度的磁体段构成，这些磁体段中每个都具有均匀的磁化结构。这种布置系统无疑会产生磁场不均匀性，由于磁体布置系统有限的长度以及海尔贝克环的分段结构，这种不均匀性有时是设计方案固有的。但这种不均匀性有时也是由于机械上的缺陷和所使用的磁性材料的不均匀的特性导致的。

设计方案固有的不均匀性是这样形成的，即，磁场朝磁体孔的端部减弱，这在测试样品的长度上引起磁场变化。为了保持干扰性的磁场变化较低，必须将海尔贝克环的轴向长度选择得足够大，但此时必然导致整个磁体布置系统具有较大的重量。与必要的磁屏蔽结构一起，这会导致磁共振设备具有大重量以及大结构高度，特别是当希望产生B>1.8T的强磁场时。此外，由于设备大的结构高度，不能方便且符合人机工程学地操作测量样品。

因此本发明提出了，实现一种海尔贝克环，所述海尔贝克环一开始就在布置系统给定的轴向长度下实现了使所产生的磁场具有明显更高的基本均匀度。这又会导致相对于前面讨论的已知布置系统明显降低永磁体系统必要的结构高度和重量。

根据本发明这是这样来实现的，即，环状磁体元件2a；2b；2d具有绕z轴环绕的槽状的空心圆柱形凹部3a；3b；3d，所述凹部关于平面z＝0对称设置并且其轴向长度L_z,A小于环状磁体元件2a；2b；2d的轴向长度L_z,M，所述环状磁体元件2a；2b；2d的环绕的槽状凹部3a；3b；3d具有径向深度T＝T_A以及在z位置z＝-z_A至z＝+z_A之间的轴向长度L_z,A<L_z,M。槽状凹部3a；3b；3d的径向深度T_A以及轴向长度L_z,A选择成，使得在磁共振设备的磁体布置系统的中央具有坪长L_P的规定的测量体积O中均匀磁场B₀的剩余不均匀性不超过10ppm。

根据本发明的永磁体系统也可以具有多个环状磁体元件2a；2b；2c；2d；2e。在图1中示出的实施形式，这些环状磁体元件例如同心地绕z轴设置。这里，这些磁体元件中总是有至少一个磁体元件必须具有绕z轴环绕的槽状的空心圆柱形凹部3a；3b；3d。在根据图1的实施形式中，这是沿径向最靠内的磁体元件2a和第二靠内的磁体元件2b。

此外，至少几个所述环状磁体元件2a；2b；2c；2d；2e；2f’；2f”可以由不同的、优选分别为永磁性的材料构成，特别是在单个环状磁体元件2a；2b；2c；2d；2e；2f’；2f”的内部也可以存在不同的材料。

在图2a中示出一个特别简单的实施形式。这里，磁体元件2a仅有基本环组成，所述基本环通过其内半径R_in和其外半径R_out以及其轴向长度L_z,M限定。所述磁体元件2a具有径向位于内部的槽状凹部3a，所述凹部由其在z位置z＝-z_A在z＝+z_A之间的轴向槽长度L_z,A以及由其径向深度T_A限定。图2a示出这种磁环的剖视图，其中只能看到该磁环的一半。这是一个优选的实施形式，因为这里可以将槽的尺寸设计得特别小并且由此不会有较大的材料损失，这种材料损失可能导致较小的总磁场。

将所述槽定位得距离ROI(“关注区域(Region of Interest)”或测量体积)越远，则所述槽的尺寸必须设计得越大，由此所述槽满足使低场阶<N消失的标准。

图2b示意性示出磁体元件2d，其中，槽状凹部3d关于ROI沿径向在外部设置在基本磁环上。

为了简化根据本发明的磁体布置系统的制造，也可以这样进行处理，即，这样来产生磁体元件中的凹部，在纵向上沿z轴将基本磁体分解成三个单环或者甚至等同于由三个这样的单环构成所述基本磁体，这里轴向中间环的长度经事先计算等于槽状凹部的轴向长度L_z,A。这个轴向的中间环此时可以沿径向移动，直至达到希望的槽外半径。

这个实施形式在图2c中示意性示出。这里，环绕的槽状的空心圆柱形凹部3’作为沿径向位于内部的槽通过单独的具有轴向延伸长度L_z,A和内半径R_in+T_A的中央磁环4a构成。这个中央磁环4a沿轴向在两侧分别由另一个具有内半径R_in的磁化4b’、4b”包夹。这此时使得获得更大的总场强，但沿径向更为靠外设置的其他单环或另外的构件可能会造成妨碍。

图3a示出类似于图2a具有沿径向位于内部的环绕的槽状凹部3a的磁体元件2a的两个半部。

图3b示出类似于图2b具有沿径向位于外部的环绕的槽状凹部3d的磁体元件2d的两个半部。

图3c示出由三个分环构成的磁体元件，包括一个中央的沿径向向内偏移的磁环4a，该磁环在两侧沿轴向由两个另外的磁环4b’、4b”包夹，中央的分环4a具有比两个侧面的另外的分环4b’、4b”小的径向壁直径。

图4a示出另一个磁体元件，类似于图3c，该磁体元件由三个分环构成，其中，中央的磁环由两个同轴的环4a、4a’构成，这两个环沿径向相互隔开间距并且由此在它们之间围成环绕的槽状间隙。

图4b示出类似于图2c或3c具有由三个分环4a、4b’、4b”构成的磁体元件的实施形式，但附加地具有与该磁体元件同心地沿径向设置在内部的另一个磁体元件2e，这个磁体元件没有槽状的凹部。中央的磁环4a沿径向与磁体元件2e隔开间距并且由此在中央的磁环4a与所述另外的磁体元件2e之间围成一个环绕的槽状间隙。

在图5中示出具有三个沿轴向相互堆叠的磁体元件2a、2f’、2f”的实施形式，其中只有中间的磁体元件2a具有绕z轴环绕的、沿径向位于内部的槽状凹部3a。

在图6a-c中示出的立体半剖视图用于显示根据本发明的磁体元件的一个简单的实施形式的形成，如例如在图2a至3a中示出的磁体元件。首先，由简单的没有槽的轴向长度为L_z,M的海尔贝克磁环出发。以此为基础，以轴向长度为L_z,A<L_z,M的小环的形式分离形成希望的、实现用设计程序计算出的槽状凹部。以这种方式形成具有相应的环绕的、沿径向位于内部的槽状凹部的根据本发明的磁体元件。

图7a的立体半剖视图和图7b中对应的竖直剖视图用于显示由三个分环构成的根据本发明的磁体元件的一个实施形式的结构，类似于图2c和3c的实施形式。

图8a直观地示出类似于图5中的实施形式的立体半剖视图。

在图8b中示出类似于图8a中的实施形式，但其中中央的、即沿轴向中间的、带有沿径向位于内部的槽状凹部的磁体元件具有小于两个轴向侧面的没有槽的磁体元件的外半径。这个措施用于使测量体积中的磁场进一步均匀化以及附加节省材料并由此降低重量。

图9作为立体半剖视图示出根据本发明的具有沿径向位于内部的槽状凹部的磁体元件的另一个实施形式，类似于图2a和3a中的实施形式，但附加地具有沿径向围绕其设置的没有槽并且轴向长度较大的磁体元件。

原则上对于根据本发明的磁体布置系统的所有实施形式都适用的是，环绕的凹部可以设计成所谓的“全槽口”，就说是基本环中的凹部。但所述凹部也可以通过具有降低的剩磁的区域形成，此时，所述凹部例如用不同的磁性材料填充。

原则上也可以设想采用连续的凹部。此时得到的是，只有两个镜像对称的“Helmholtz布置结构”的环。在这种处理方式中，为了计算所述凹部，两个实施形式是类似的：首先，以希望的剩磁定义一个基本环。以此为基础，然后扣除在计算过程中仅作为“逆环”存在的凹部。如果这是一种“全槽口”，则必须利用计算机扣除具有与基本环相同的剩磁的相应的环。如果涉及具有与基本环不同的磁性材料的环，则必须扣除具有“剩磁差”的相应的环，即基本环的剩磁减去凹部的剩磁。对于相应的场阶，所述差必须在计算结束是是可忽略的。当场阶小于自行定义的值时，则将其视为可忽略的。如果例如设定22mm的10ppm轮廓长度，则n阶场阶以10⁶*B_n/B₀*(11mm)ⁿ ppm产生影响。如果这个值小于10ppm，则可以认为相应的场阶是“可忽略的”。

当磁场变化的偏差沿z方向不大于10ppm，则在磁体中央沿使用体积L_P(＝坪长)的B₀场被认为是(充分)均匀的，如图10中示出的那样，这里示出了在磁体布置系统中央绕z＝0以6阶抛物线和轴向坪长L_P的B₀磁场分布，这里剩余的不均匀性不超过10ppm。

当构成6阶(N＝6)的海尔贝克磁环并且根据本发明设有环绕的凹部时，通常就满足了这个均匀性要求。对于具有较高阶数的磁体，例如8阶(N＝10)，有利的是，设置至少两个凹部。利用另一个凹部提高了设计上和制造上的自由度。如果仍仅采用一个凹部，则在制造时要求有很高的精度，这又意味着附加成本。优选对于这种永磁体布置系统也采用三个同心设置的基本环(例如见图1的实施形式)。

实施例1

ROI(关注区域)中具有22mm的10ppm轮廓长度的磁体。

这种由Nd-Fe-B制成的磁体被优化到10ppm的范围上，这个范围关于磁体的中心沿z方向延伸22mm。在图11a中示出磁体在x-z平面中的半部的剖视图。槽用阴影线示出并关于z＝0居中地设置。x轴在这个附图中与磁体元件的半径重合。所述z轴这里从-130mm延伸到+130mm。

在设计这种磁体时的规定是在ROI中得到场强B₀、内半径R_in以及10ppm范围应在至少22mm上延伸。这是通过一个槽状的凹部来限定的，所述凹部沿轴向从z＝0处的中心出发沿z方向和径向以外半径RN延伸。此外场阶N<8应是最小的。

为了对参数略加限制，由此使得求解程序得出合理的结果，可以输入磁体可能的长度L_M。求解器此时对于磁体和槽的尺寸提供了一种数值上的近似解。

在下面的表格中给出磁环的尺寸。这里计算出的轴向场阶小到可以忽略。特别出人意料的是，双周期项也小到几乎消失。

总磁体的梯度:

轴向[(T/m)N]:

双周期[(T/m)N]:

B₂₂ 3.84341×10^-20

B₄₂ -4.76275×10^-24

B₆₂ 1.60714×10^-13

在图11b的图形中可以清楚地看出，10ppm区域沿轴向在z方向上在大于22mm上延伸。

实施例2：

重量优化的磁体，场强为B₀＝1.8T

由Nd-Fe-B制成的磁体的这种设计在与实施例1相同的场强下以磁体重量最小化为目的进行优化，但在10ppm区域方面进行了折中，所述区域关于磁体在z＝0处的中心沿z方向在轴向上仅延伸约15mm。

在图12a中示出磁体元件半部在xz平面中的剖视图。槽也用阴影线示出并且绕z＝0居中地设置。x轴在这个附图中与磁体元件的半径重合。所述z轴这里从-75mm延伸到+75mm。

在设计这种磁体时的规定是在ROI中得到的场强B₀、内半径R_in以及应使重量最小的要求。这是通过一个槽状的凹部来限定的，所述凹部沿轴向从z＝0处的中心出发沿z方向和径向以外半径RN延伸。此外场阶N<8应是最小的。这里并不关注10ppm区域的长度。

这里也可以对确定参数，如磁体的长度L_M进行限制。求解器此时对于磁体和槽的尺寸提供数值上的近似解

在下面的表格中列出所得到的磁环的尺寸和梯度。这里计算出的轴向场阶小到可以忽略。这里也特别出人意料的是，双周期项也小到几乎消失。

总磁体的梯度

轴向[(T/m)N]:

双周期[(T/m)N]:

B₂₂ 5.0822×10^-21

B₄₂ -4.80799×10^-24

B₆₂ 1.54842×10^-12

在图12b的图形中可清楚地看到，10ppm区域小于实施例1中的情况。

图13a-e的图形基于最小方案的假定，就是说具有根据图2a的中央的位于内部的槽的空心圆柱形的海尔贝克磁体。这里用孔径R_i对长度尺寸规格化，用孔径的三次幂对体积尺寸进行规格化。图13a至13e的草图示出经规格化的坪长L_p/R_in，就是说z轴(孔轴线)要求的与标称值B₀的磁场偏差低于10ppm(L_P)的长度段除以前面确定的孔半径(R_in)。曲线簇以作为簇参数的剩磁示出样品体积中的磁通量相对于所使用的稀土材料的剩磁通量的比例。

图13a首先示出作为规格化的坪长L_p/R_in的函数的规格化的磁体长度L_m/R_in。示例：例如剩磁B_r＝1.4T的稀土材料和所要求的磁通密度B₀＝1.4T得到直线“B₀/B_r＝1”。根据对例如L_P＝12mm的坪长的要求和R_in＝15mm的孔半径的要求，得到规格化的坪长0.8。相应地可以用一次近似得到规格化的磁体长度为8，就是说，磁体必须具有孔半径八倍的长度。这样就已经能够获得节省空间的出发点。

图13b的图形示出所得到的规格化槽长度L_z/R_in，图13d的图形示出所得到的规格化槽半径R/R_in。因此有利的是，槽状凹部的长度大致是孔半径的1.5倍。

图13c示出规格化的外半径R_out/R_in。由此可以估算结构尺寸。对于所示示例，外半径必须约为内半径的2.8倍。此外还示出，外半径仅在很短的坪长的范围内并且由此对于结构较短的实施形式与轴向的坪长L_P相关。

图13e最后示出规格化的体积V/R_in ³。再次可以看到对于较短的轴向坪长L_P以及由此还有根据本发明的磁体元件的结构较短的实施形式增强的相关性。

此外可以看出，槽状的凹部随着磁体长度的增加并且由此还有轴向坪长L_P的增加作用不断变弱。其原因在于，随着长度增大也是对轴线无限延展的结构的极端情况的近似。但槽特别是实现了这样的目的，即实现了较短的磁体组件，所述磁体组件在尺寸非常有限的部段中具有均匀性，这种均匀性否则只能用非常长的组件来实现。

附图标记列表

0 测量体积

1 磁体布置系统

2a-2f’ 环状磁体元件

3a、3b、3d、3’ 环绕的、槽状的空心圆柱形凹部

4a、4a’ 中央磁环

4b、4b” 另外的磁环

物理量

x、y、z 笛卡尔坐标

B₀ 均匀磁场

N 纬向场项

L_z,M 环状磁体元件的轴向长度

R_in 环状磁体元件的内半径

R_out 环状磁体元件的最大外半径

L_z,A 槽状凹部的轴向长度

T_A 槽状凹部的径向深度

L_P 测量体积中的均匀磁场的轴向坪长

L_p/R_in 规格化的坪长

L_M/R_in 规格化的磁体长度

L_z/R_in 规格化的槽长度

R_out/R_in 磁体元件规格化的外半径

R/R_in 环绕的凹部的规格化的外半径

V/R_in3 磁体元件规格化的体积

文献列表：

为了评价可专利性而参考的文献：

[1]US 4,931,760 A

[2]US 2010/013473 A1

[3]EP 3 217 186 B1

[4]US 2015/0061680 A1

Claims (20)

1.磁共振设备中的磁体布置系统(1)，所述磁共振设备具有用于沿垂直于z轴的方向在测量体积(O)中产生均匀磁场B₀的永磁体系统，所述永磁体系统具有围绕z轴同心设置的、空心圆柱形的至少一个环状磁体元件，所述磁体元件由磁性材料制成并具有轴向长度L_z,M和内半径R_in，

所述环状磁体元件由单个磁体段构成并且设置成，使得所述环状磁体元件具有海尔贝克磁化，所述海尔贝克磁化产生偶极磁场，

其特征在于，

所述至少一个环状磁体元件中的具有凹部的环状磁体元件具有绕z轴环绕的槽状的、空心圆柱形的凹部(3a；3b；3d)，所述凹部关于平面z＝0对称地设置并且所述凹部的轴向延伸尺寸L_z,A小于所述至少一个环状磁体元件中的具有凹部的环状磁体元件的轴向长度L_z,M，所述至少一个环状磁体元件中的具有凹部的环状磁体元件的环绕的槽状的凹部(3a；3b；3d)具有径向深度T＝T_A以及在z位置z＝-z_A至z＝+z_A之间的轴向长度L_z,A<L_z,M，

并且槽状的凹部(3a；3b；3d)的径向深度T_A以及轴向长度L_z,A选择成，使得在预先规定的在磁共振设备的磁体布置系统的中央处具有轴向的坪长L_P的测量体积(O)中所述均匀磁场B₀的剩余不均匀性不超过10ppm。

2.根据权利要求1所述的磁体布置系统，其特征在于，槽状的凹部(3a；3b；3d)的径向深度T_A以及轴向长度L_z,A选择成，使得形成至少6阶的海尔贝克磁体，也就是说在磁共振设备的测量体积(O)中所有区域性磁场项N直到N≤8都不超过10ppm的值。

3.根据权利要求2所述的磁体布置系统，其特征在于，双周期的<N的场阶不超过10ppm的值。

4.根据权利要求1至3之一所述的磁体布置系统，其特征在于，环绕的槽状的空心圆柱形的凹部设置在所述至少一个环状磁体元件中的具有凹部的环状磁体元件的朝向z轴的内侧上。

5.根据权利要求1至3之一所述的磁体布置系统，其特征在于，环绕的槽状的空心圆柱形的凹部作为沿径向处于内部的槽通过单独的中央的磁环(4a)构成，所述磁环具有轴向延伸长度L’_z,A和内半径R’_in+T’_A，所述磁环沿轴向在两侧分别由另一个具有内半径R’_in的磁环(4b’、4b”)包夹。

6.根据权利要求1所述的磁体布置系统，其特征在于，同心地绕z轴设置多个环状磁体元件，其中至少一个环状磁体元件具有绕z轴环绕的、槽状的空心圆柱形的凹部。

7.根据权利要求1所述的磁体布置系统，其特征在于，沿z方向相互堆叠地设置多个环状磁体元件，其中至少一个环状磁体元件具有绕z轴线环绕的、槽状的空心圆柱形的凹部。

8.根据权利要求6或7所述的磁体布置系统，其特征在于，环状磁体元件中的至少一些环状磁体元件由不同的材料构成。

9.根据权利要求2所述的磁体布置系统，其特征在于，槽状的凹部(3a；3b；3d)的径向深度T_A以及轴向长度L_z,A选择成，使得形成8阶的海尔贝克磁体，也就是说直到N＝10所有区域性磁场项不超过10ppm的值。

10.根据权利要求8所述的磁体布置系统，其特征在于，环状磁体元件中的至少一些环状磁体元件分别由永磁的材料构成。

11.根据权利要求8所述的磁体布置系统，其特征在于，也可以在单个环状磁体元件内部存在不同的材料。

12.用于制造根据权利要求1至11之一所述的磁体布置系统(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)预先规定所述磁体布置系统(1)的最小内半径R_in以及最小的不可消失的区域性场阶N以及在所述磁体布置系统(1)的中央处的均匀磁场B₀的希望的磁场强度，所述最小内半径限定孔的尺寸，N是正偶数；

(b)按海尔贝克配置用具有已知剩磁的预先规定的磁材料作为基本圆柱磁体设计环状磁体，环状磁体具有最大外半径R_out和轴向长度L_z,M，基本圆柱磁体的外半径R_out与轴向长度L_z,M的比值R_out/L_z,M为10:1至1:10，从而在中央处实现目标磁场强度B₀，

(c)通过确定基本圆柱磁体的最高至少到N阶的区域性场阶的值来检测在测量体积(O)的范围中形成的磁场分布；

(d)利用计算机将至少一个环绕的槽状的空心圆柱形的凹部关于平面Z＝0对称地设置在基本圆柱磁体中，所述凹部有低剩磁，并计算径向深度T_A以及在z位置z＝-z_A至z＝+z_A之间的轴向长度L_z,A<L_z,M；以及所述凹部有L_N，使得在通过凹部改变的基本圆柱磁体中阶数小于N的区域性磁场阶的和消失；

(e)通过改变基本圆柱磁体的外半径R_out和/或轴向长度L_z,M而使由经改变的基本圆柱磁体在所述磁体布置系统(1)的中央处产生的磁场强度与希望的磁场强度B₀相适配。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，通过重复步骤(b)至(d)，检测由步骤(d)得到的磁场强度B_0R并使其与所述磁体布置系统(1)中央处的目标磁场强度B₀相适配，直到B_0R＝B₀。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在另一个方法步骤(f)中，利用计算机由至少N+2个圆弧状的磁体段构成所述环状磁体元件。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，环绕的槽状的空心圆柱形的凹部沿径向在内部设置在基本圆柱磁体中，并且凹部的外半径R_out,A和内半径R_in,A符合以下比例关系：(R_in,A+R_out,A)/(R_in,A)～1+0.003*((R_in,A)/(L_P))^N，其中，L_P是所述磁体布置系统(1)中央处的测量体积(O)的坪长，即是指所述测量体积(O)的轴向延伸尺寸。

16.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，基本圆柱磁体中的环绕的槽状的空心圆柱形的凹部在单独的中央磁环中实现，所述磁环具有轴向长度L’_z,A和内半径R’_in+T’_A，从而所述磁体布置系统(1)包括至少三个同轴地沿z轴设置的单环。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，圆弧状的磁体段首先粘合成固定的单环并且沿z方向相互堆叠，并且为了进一步均匀化磁场，使单独的中央磁环在垂直于z方向的x-y平面内移动。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，基本圆柱磁体中的环绕的槽状的空心圆柱形的凹部在单独的中央磁环中实现，所述磁环具有轴向长度L’_z,A和内半径R’_in+T’_A，从而所述磁体布置系统(1)包括至少三个同轴地沿z轴设置的单环，圆弧状的磁体段首先粘合成固定的单环并且沿z方向相互堆叠，并且为了进一步均匀化磁场，使单独的中央磁环在垂直于z方向的x-y平面内移动。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，沿轴向靠外的磁环为了进一步均匀化磁场而相对于彼此绕z轴转动和/或倾斜。

20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，基本圆柱磁体的外半径R_out与轴向长度L_z,M的比值R_out/L_z,M为3:1至1:3。

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