CN112162225B - 一种单边磁体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及永磁机构技术领域，公开了一种单边磁体结构，即通过左右主磁块及左右调节磁块的尺寸和位置优化调整，可在距离线圈表面较深的区域形成一个场强适中的低梯度场，以及可配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，得到合适的场强等势线分布，扩大在射频线圈表面的检测等势线面积，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比，进而可利于完成对较深入的样本区域进行核磁共振探测，使得新设计的单边磁体结构具有磁体探测深度深、磁体体积小、结构简单、方便制作及工装和造价低等优点，便于应用在小型化、便携式和低成本的核磁共振设备中，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于永磁机构技术领域，具体涉及一种用于实现高深度检测的单边磁体结构。
背景技术
相比较于传统的核磁共振设备，单边核磁共振设备具有成本低、便携和无损检测等优点，受到广泛关注，其中，单边磁体是实现单边核磁共振设备的关键部件。单边磁体的实现是通过设计磁块的构型，形成特定的梯度场及类均匀场，来完成对指定样本区域的驰豫检测，广泛地应用在医疗保健、材料分析、食物测量、考古、电力系统以及天然气行业等领域。
由于单边磁体的周围磁场大小是随距离的增加而迅速衰减，使得目前基于单边磁体设计的核磁共振检测应用一般是对距离磁体表面较近区域进行信号探测，而对于较深的样本检测，存在场强衰减快和信噪比低(因来自有射频线圈近距离的非样本信号干扰)的问题，因此单边磁体的探测深度有待提高。
发明内容
为了解决现有基于单边磁体设计的核磁共振检测应用存在场强衰减快和信噪比低的问题，本发明目的在于提供一种新型的且用于实现高深度检测的单边磁体结构。
本发明所采用的技术方案为：
一种单边磁体结构，包括左主磁体、右主磁体、左调节磁块、右调节磁块和铁轭，其中，所述左主磁体与所述右主磁体在形状、尺寸及材质上均相同，所述左调节磁块与所述右调节磁块在形状、尺寸及材质上均相同；
所述左主磁体和所述右主磁体以所述铁轭的中心线为对称轴，左右对称地固定在所述铁轭的上表面上；
所述左调节磁块和所述右调节磁块以所述铁轭的中心线为对称轴，左右对称地固定在所述铁轭的上表面上，并且分别位于所述左主磁体与所述右主磁体之间；
所述左主磁体及所述左调节磁块的充磁方向和所述右主磁体及所述右调节磁块的充磁方向，分别垂直于所述铁轭的上表面且相逆。
基于上述发明内容，提供了一种用于实现高深度检测的单边磁体结构，即通过左右主磁体及左右调节磁块的尺寸和位置优化调整，可在距离线圈表面较深的区域形成一个场强适中的低梯度场，以及可配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，得到合适的场强等势线分布，扩大在射频线圈表面的检测等势线面积，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比，进而可利于完成对较深入的样本区域进行核磁共振探测，使得新设计的单边磁体结构具有磁体探测深度深、磁体体积小、结构简单、方便制作及工装和造价低等优点，便于应用在小型化、便携式和低成本的核磁共振设备中，具有广泛的应用前景，例如应用于人或动物体内检测、树干水分分析和包装实物测量等。
优化的，所述左主磁体和所述右主磁体分别呈由尺寸不同的多个磁块构成的U型结构，其中，所述左主磁体的U型结构开口与所述右主磁体的U型结构开口左右相对设置。
优化的，所述左主磁体的右侧面与水平面的夹角和所述右主磁体的左侧面与水平面的夹角分别介于30度至60度之间。
优化的，所述左主磁体和所述右主磁体有多对且使同侧主磁体之间的间隙可调。
优化的，所述左主磁体与所述左调节磁块之间的间隙和所述右主磁体与所述右调节磁块之间的间隙可调。
优化的，所述左调节磁块和所述右调节磁块有多对且使同侧调节磁块之间的间隙可调。
优化的，所述左调节磁块和所述右调节磁块的形状分别为长方体、三角形柱体、圆柱体、正多边形柱体、椎体或锥台体。
优化的，所述铁轭由下部的倒梯形块和上部的矩形块一体化成型，其中，所述倒梯形块的左右竖切面呈倒置等腰梯形，所述矩形块的左右竖切面呈矩形。
优化的，所述左主磁体及所述右主磁体与所述左调节磁块及所述右调节磁块由相同或不同的硬磁材质制成。
优化的，所述铁轭由高磁导率材质制成。
本发明的有益效果为：
(1)本发明创造提供了一种用于实现高深度检测的单边磁体结构，即通过左右主磁体及左右调节磁块的尺寸和位置优化调整，可在距离线圈表面较深的区域形成一个场强适中的低梯度场，以及可配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，得到合适的场强等势线分布，扩大在射频线圈表面的检测等势线面积，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比，进而可利于完成对较深入的样本区域进行核磁共振探测，使得新设计的单边磁体结构具有磁体探测深度深、磁体体积小、结构简单、方便制作及工装和造价低等优点，便于应用在小型化、便携式和低成本的核磁共振设备中，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的单边磁体结构的立体结构示意图。
图2是本发明提供的在核磁共振检测应用时单边磁体结构与射频线圈的位置关系示意图。
图3是与本发明提供的单边磁体结构同尺寸的单边磁体U型结构的立体结构示意图。
图4是本发明提供的单边磁体结构与图3所示结构在深度方向上的磁场梯度对比图。
图5是图3所示结构在射频线圈表面样本激发频率的场强等势线分布图，其中，场强等势线仅显示激发频率段所对应的场强大小。
图6是本发明提供的单边磁体结构在射频线圈表面样本激发频率的场强等势线分布图，其中，场强等势线仅显示激发频率段所对应的场强大小。
上述附图中：1-左主磁体；2-右主磁体；3-左调节磁块；4-右调节磁块；5-铁轭；6-射频线圈；10-检测区域。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例一
如图1～2所示，本实施例提供的所述单边磁体结构，包括左主磁体1、右主磁体2、左调节磁块3、右调节磁块4和铁轭5，其中，所述左主磁体1与所述右主磁体2在形状、尺寸及材质上均相同，所述左调节磁块3与所述右调节磁块4在形状、尺寸及材质上均相同；所述左主磁体1和所述右主磁体2以所述铁轭5的中心线为对称轴，左右对称地固定在所述铁轭5的上表面上；所述左调节磁块3和所述右调节磁块4以所述铁轭5的中心线为对称轴，左右对称地固定在所述铁轭5的上表面上，并且分别位于所述左主磁体1与所述右主磁体2之间；所述左主磁体1及所述左调节磁块3的充磁方向和所述右主磁体及所述右调节磁块4的充磁方向，分别垂直于所述铁轭5的上表面且相逆。
如图1和2所示，在所述单边磁体结构的具体结构中，所述左主磁体1、所述右主磁体2和所述铁轭5用于构成在左右竖切面上呈U型结构的主磁体结构，其中，所述左主磁体1的充磁方向垂直向上(即图1中用箭头表示的磁化方向)，所述右主磁体2的充磁方向垂直向下(即图1中用箭头表示的磁化方向)。所述左调节磁块3和所述右调节磁块4分别用于通过尺寸和位置的优化调整(根据具体需求进行优化)，可配合单边核磁共振设备中射频线圈6(其用于向检测区域10发射射频激励信号和接收来自检测区域10的磁共振信号，其设置在被所述左主磁体1、所述右主磁体2、所述左调节磁块3、所述右调节磁块4和所述铁轭5所包围的空间中)的尺寸及位置，得到合适的场强等势线分布，从而避免引入非检测区域信号的干扰误差。
如图3所示，对照与本实施例提供的单边磁体结构同尺寸的单边磁体U型结构(即由左主磁体1、右主磁体2和铁轭5构成的且在左右竖切面上呈U型结构的主磁体结构)，在射频线圈6的尺寸为10cm*10cm且磁体材质均采用汝铁硼N54型(Br＝1.44T，Hc＝836kA/m)的情况下，本实施例提供的单边磁体结构的性能对比结果可如图4～6所示(图5和图6皆是采用恒定磁场有限元分析与形状优化和自适应网格仿真相结合得出的)：单片磁体U型结构的场强为0.078T，检测区域(即图4中的梯度磁场区)的梯度为85G/cm，但由于射频线圈表面的且与激发频率对应的场强等势线宽12.7cm，使得与激发区域所需线圈尺寸相近，从而会引进非激发区域信号(即非检测区域信号)的干扰误差。而本实施例提供的单边磁体结构的场强为0.07T，检测区域(即图4中的梯度磁场区)的梯度为75G/cm，并在距离线圈表面6cm～8cm处形成一个场强适中的低梯度场，同时射频线圈表面的且与激发频率对应的场强等势线宽大于或等于18cm，使得在射频线圈表面扩大了检测等势线面积，进而可有效避免非样本信号(即非检测区域信号)的干扰误差。此外，如图4所示，在距离线圈表面较深的区域可作为梯度磁场区，并通过改变所述射频线圈6的激发频率来进行层选检测；而在距离线圈表面较近的且梯度处于零值附近的区域可作为类均匀场区。
由此通过前述单边磁体结构的详细描述，提供了一种用于实现高深度检测的单边磁体结构，即通过左右主磁体及左右调节磁块的尺寸和位置优化调整，可在距离线圈表面较深的区域形成一个场强适中的低梯度场，以及可配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，得到合适的场强等势线分布，扩大在射频线圈表面的检测等势线面积，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比，进而可利于完成对较深入的样本区域进行核磁共振探测，使得新设计的单边磁体结构具有磁体探测深度深、磁体体积小、结构简单、方便制作及工装和造价低等优点，便于应用在小型化、便携式和低成本的核磁共振设备中，具有广泛的应用前景，例如应用于人或动物体内检测、树干水分分析和包装实物测量等。
优化的，所述左主磁体1和所述右主磁体2分别呈由尺寸不同的多个磁块构成的U型结构，其中，所述左主磁体1的U型结构开口与所述右主磁体2的U型结构开口左右相对设置。如图1所示，所述左主磁体1和所述右主磁体2分别由三个磁块构成，并使中间磁块被挖空一部分(即三个磁块呈缺口朝另一主磁体的“凹”型结构)，可在一定程度上进一步降低场强梯度。
优化的，所述左主磁体1的右侧面与水平面的夹角和所述右主磁体2的左侧面与水平面的夹角分别介于30度至60度之间。如图2所示，所述左主磁体1和所述右主磁体2分别由下部的矩形体和上部的直角梯形体一体成型，并使对应的直角梯形体斜面与水平面的夹角α或β为45度，通过前述设计，可利于根据样本尺寸适当调节左右主磁体间的开放度，方便检测使用。
优化的，所述左主磁体1和所述右主磁体2有多对且使同侧主磁体之间的间隙可调。如图1所示，所述左主磁体1和所述右主磁体2分别有三对，并由于使得同侧的任意两左主磁体1之间的间隙和任意两右主磁体2之间的间隙可调，可以进一步利于对左右主磁体的位置进行优化调整，配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，进一步得到合适的场强等势线分布，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比。
优化的，所述左主磁体1与所述左调节磁块3之间的间隙和所述右主磁体2与所述右调节磁块4之间的间隙可调。通过前述设计，可以进一步利于对同侧的主磁体及调节磁块的位置进行优化调整，配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，进一步得到合适的场强等势线分布，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比。
优化的，所述左调节磁块3和所述右调节磁块4有多对且使同侧调节磁块之间的间隙可调。如图1所示，所述左调节磁块3和所述右调节磁块4分别有两对，其中一对设置在靠前侧的一对所述左主磁体1和所述右主磁体2之间，其中另一对设置在靠后侧的一对所述左主磁体1和所述右主磁体2之间，并由于使得同侧的两左调节磁块3之间的间隙和两右调节磁块4之间的间隙可调，由此可以进一步利于对左右调节磁块的位置进行优化调整，配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，进一步得到合适的场强等势线分布，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比。
优化的，所述左调节磁块3和所述右调节磁块4的形状可以但不限于分别为长方体、三角形柱体、圆柱体、正多边形柱体、椎体或锥台体等形状。如图1和2所示，所述左调节磁块3和所述右调节磁块4的形状分别举例为长方体。
优化的，所述铁轭5由下部的倒梯形块和上部的矩形块一体化成型，其中，所述倒梯形块的左右竖切面呈倒置等腰梯形，所述矩形块的左右竖切面呈矩形。如图1和2所示，通过前述铁轭结构设计，可适配铁轭磁通密度分布，在一定程度上降低整个单边磁体的重量，进一步方便制作及工装和降低造价，以及利于降低核磁共振设备中磁体系统的造价。
优化的，所述左主磁体1及所述右主磁体2与所述左调节磁块3及所述右调节磁块4由相同或不同的硬磁材质制成。例如都采用汝铁硼N54型磁体材质制成。
优化的，所述铁轭5由高磁导率材质制成。所述高磁导率材料是指磁导率大约在100以上的铁磁性材料，例如硅钢片、铁板(网)和坡莫合金(含镍45～80％,少量钼、铜、铬、钒、锰等)等。
综上，采用本实施例所提供的单边磁体结构，具有如下技术效果：
(1)本实施例提供了一种用于实现高深度检测的单边磁体结构，即通过左右主磁体及左右调节磁块的尺寸和位置优化调整，可在距离线圈表面较深的区域形成一个场强适中的低梯度场，以及可配合单边核磁共振设备中射频线圈的尺寸及位置，得到合适的场强等势线分布，扩大在射频线圈表面的检测等势线面积，避免引入非检测区域信号的干扰误差，提升信噪比，进而可利于完成对较深入的样本区域进行核磁共振探测，使得新设计的单边磁体结构具有磁体探测深度深、磁体体积小、结构简单、方便制作及工装和造价低等优点，便于应用在小型化、便携式和低成本的核磁共振设备中，具有广泛的应用前景。
以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (5)
1.一种单边磁体结构，其特征在于，包括左主磁体(1)、右主磁体(2)、左调节磁块(3)、右调节磁块(4)和铁轭(5)，其中，所述左主磁体(1)与所述右主磁体(2)在形状、尺寸及材质上均相同，所述左调节磁块(3)与所述右调节磁块(4)在形状、尺寸及材质上均相同；
所述左主磁体(1)和所述右主磁体(2)以所述铁轭(5)的中心线为对称轴，左右对称地固定在所述铁轭(5)的上表面上；
所述左调节磁块(3)和所述右调节磁块(4)以所述铁轭(5)的中心线为对称轴，左右对称地固定在所述铁轭(5)的上表面上，并且分别位于所述左主磁体(1)与所述右主磁体(2)之间；
所述左主磁体(1)及所述左调节磁块(3)的充磁方向和所述右主磁体及所述右调节磁块(4)的充磁方向，分别垂直于所述铁轭(5)的上表面且相逆；
所述左主磁体(1)和所述右主磁体(2)分别呈由尺寸不同的多个磁块构成的U型结构，其中，所述左主磁体(1)的U型结构开口与所述右主磁体(2)的U型结构开口左右相对设置；
所述左主磁体(1)的右侧面与水平面的夹角和所述右主磁体(2)的左侧面与水平面的夹角分别介于30度至60度之间；
所述左主磁体(1)和所述右主磁体(2)有多对且使同侧主磁体之间的间隙可调；
所述左主磁体(1)与所述左调节磁块(3)之间的间隙和所述右主磁体(2)与所述右调节磁块(4)之间的间隙可调；
所述左调节磁块(3)和所述右调节磁块(4)有多对且使同侧调节磁块之间的间隙可调。
2.如权利要求1所述的单边磁体结构，其特征在于，所述左调节磁块(3)和所述右调节磁块(4)的形状分别为长方体、三角形柱体、圆柱体、正多边形柱体、椎体或锥台体。
3.如权利要求1所述的单边磁体结构，其特征在于，所述铁轭(5)由下部的倒梯形块和上部的矩形块一体化成型，其中，所述倒梯形块的左右竖切面呈倒置等腰梯形，所述矩形块的左右竖切面呈矩形。
4.如权利要求1所述的单边磁体结构，其特征在于，所述左主磁体(1)及所述右主磁体(2)与所述左调节磁块(3)及所述右调节磁块(4)由相同或不同的硬磁材质制成。
5.如权利要求1所述的单边磁体结构，其特征在于，所述铁轭(5)由高磁导率材质制成。
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