CN1683938A - 一种用于核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体 - Google Patents

Abstract

一种用于核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体。该永磁体采用圆环式永磁磁体架构，其特征是由形状相同，磁化方向为磁体本身旋转方向两倍的扇形永磁体通过强力胶粘连构成一个中空的圆柱体，扇形永磁体外径沿轴向由中部向两端逐渐加厚。该发明结构简单，磁场空间利用率高，漏磁少，场强易提高，可大大减少磁体体积，降低仪器造价，特别适用于实时监测的核磁共振仪器。

Description

一种用于核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体

技术领域

本发明涉及用于核磁共振仪器的永磁体，特别涉及用于核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体。

背景技术

静磁场发生装置(磁源)是核磁共振仪器的重要组成部分。由于对静磁场场强的均匀性要求非常严格，且核磁共振回波信号的信噪比约与静磁场场强的平方成正比，为获得足够的分辨率，静磁场的场强值应足够大，所以磁源的造价一般为整个仪器造价的一半以上。采用永磁体作为核磁共振仪器的静磁场发生装置一般采用磁极式的基本架构。

经检索四份中国专利，A、专利号为98113543.9“核磁共振成像仪永磁体”，B、专利号为01128381.5，“一种用于核磁共振成像仪的永磁体”，C、专利号为98318945.5，“核磁共振C形永磁体”，D、专利号为02290346.1，“稀土永磁式核磁共振质谱仪磁场装置”。四件专利的磁体均由轭铁，磁钢，极板等构成，采用磁极式的架构，其特征是通过磁路闭合构造两个相反磁极获得所需的磁场空间。其不足之处在于：

(1)磁场空间浪费太大。由于对磁场的均匀性要求非常严格，现有的符合场强要求的均匀区域一般为两磁极之间磁体截面内气隙磁场的30％左右甚至更低。如果考虑四周端部效应，磁场空间的利用率更低。这是磁体造价费用很高的根本原因之一。

(2)磁场强度难以提高。由于磁场向外泄露，磁场强度小于永磁材料剩余磁密。

(3)由于磁场要通过周围环境构成闭合回路，磁场向外泄露严重。为使磁体周围达到5高斯安全磁场环境需要添加屏蔽装置，这不仅使磁体更加庞大和笨重，也增加了仪器的造价。

发明内容

本发明的目的是，克服上述现有技术的缺点，提供一种新的核磁共振仪器用的永磁体。该永磁体的磁场空间利用率高，工作点场强能比磁极式高，漏磁少，可大大减少磁体的体积。特别适合于在线实时监测的核磁共振仪器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明永磁体为中空圆柱体形永磁体，由沿其圆周方向等分为N＝2^M(M为大于2的整数)块，轴向横截面为扇形的磁块组成，磁块之间用强力胶粘接在一起。中空圆柱体的空腔内是均匀的磁场。

本发明的优点在于：磁场空间利用率比磁极式大，磁体的漏磁也很小。工作点场强能比磁极式大，从而提高核磁共振仪器的分辨率。

附图说明

图1是由8块磁体组成的本发明具体实施方式的结构示意图。图中：1、2、3、4、5、6、7、8为扇形永磁体。

图2是本发明具体实施方式的纵截面示意图。

图3是本发明具体实施方式的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明具体实施方式为由沿圆柱体圆周方向等分为8块的横截面为扇形的永磁体1、2、3、4、5、6、7、8，通过强力胶粘连构成一个中空的圆柱体。各磁块形状相同。

如图3，各磁块的磁场强度大小相同，任取其中一个磁块编号为1，顺时针方向依次为各磁块编号。Y轴取在第一块和最后一块磁体中间，X轴与Y轴垂直。Z轴垂直于X、Y轴所在的平面。若第i块磁体横截面中心与圆心的连线和Y轴夹角定义为磁块旋转方向θ_i， ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{8}+\frac{(i-1)\mathrm{\π}}{4}(i=\mathrm{1,2}\·\·\·\·\·\·8),$ 则第i个磁块的磁化方向与Y轴夹角 ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{(i-1)\mathrm{\π}}{2}(i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·8)$ (图中实箭头所示为各磁块磁化方向)。一般而言，若磁体等分为N块(N＝2^M，M＞2)，且磁块旋转方向 ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{N}+\frac{2(i-1)\mathrm{\π}}{N}(i=\mathrm{1,2}\·\·\·\·\·\·N),$ 则第i个磁块的

磁化方向与Y轴夹角 ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{2\mathrm{\π}}{N}+\frac{4(i-1)\mathrm{\π}}{N}.$ 即ω_i＝2θ_i，磁块的磁化方向是磁块本身旋转方向的两倍。需要说明的是：若磁体中每一点的磁化方向能按磁体本身旋转2倍方向连续变化，理论上整个中空圆柱体内磁场空间的不均匀性为零，实际工程中由于加工困难，目前无法办到，因此采用磁体分块的方法。磁体等分的块数越多，越接近理想状况。

为了分析方便，假设磁体结构为一无限长中空圆柱体，取轴向为坐标轴的z轴方向，若磁体在Z方向足够长，则磁化矢量 没有Z分量，可把问题简化为一个平面二维场的问题。采用复数坐标，记

z＝x+iy＝re^iψ，其共轭复数记为 z^*＝x-iy，考虑具有恒定电流的一般情况，通过电流I，在z点的无限长直导线在空间任意点z₀产生的磁场记为 B( z₀)，据Biot-Savart定理得：

${{\stackrel{\‾}{B}}_z}^{*}\left({\stackrel{\‾}{z}}_0\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{2\mathrm{\πj}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{z}}_0-\stackrel{\‾}{z}}---\left(1\right)$

相应地，对于无限长永磁体，由于

没有Z分量，可记 B_r＝B_rx+iB_ry，则束缚体电流密度在空间任意点z为

由(1)式可得磁体上z点在空间任意点z₀产生的磁场为 若

方向任意，则上式可写成：

${{\stackrel{\‾}{B}}_z}^{*}\left({\stackrel{\‾}{z}}_0\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\stackrel{\‾}{B}}_r}{{({\stackrel{\‾}{z}}_0-\stackrel{\‾}{z})}^2}\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

则整个磁体在z₀点产生的磁场为 ${\stackrel{\‾}{B}}^{*}\left({\stackrel{\‾}{z}}_0\right)=\∫\∫\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\stackrel{\‾}{B}}_r}{{({\stackrel{\‾}{z}}_0-\stackrel{\‾}{z})}^2}\mathrm{dxdy}---\left(3\right)$

把泰勒展开式 $\frac{1}{{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0-z}=-\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0^{n-1}}{{\stackrel{\&OverBar;}{z}}^n},\left|{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0\right|<\left|\stackrel{\&OverBar;}{z}\right|$ 两边分别对z求导，则有： $\frac{1}{{({\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0-\stackrel{\&OverBar;}{z})}^2}=\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{n{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0^{n-1}}{{\stackrel{\&OverBar;}{z}}^{n+1}},\left|{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0\right|<\left|\stackrel{\&OverBar;}{z}\right|,$ 把上式代入(3)则有：

${\stackrel{\&OverBar;}{B}}^{*}\left({\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\&Integral;\&Integral;{\stackrel{\&OverBar;}{B}}_r\left(\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{n{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0^{n-1}}{{\stackrel{\&OverBar;}{z}}^{n+1}}\right)\mathrm{dxdy}={\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0^{n-1}\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\&Integral;\&Integral;{\stackrel{\&OverBar;}{B}}_r\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{n}{{\stackrel{\&OverBar;}{z}}^{n+1}})\mathrm{dxdy}=\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{b}}_n{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0^{n-1}---\left(4\right)$

其中 ${\stackrel{\&OverBar;}{b}}_n={\&Integral;\&Integral;\stackrel{\&OverBar;}{B}}_r\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{n}{{\stackrel{\&OverBar;}{z}}^{n+1}}\mathrm{dxdy}$

为了得到与空间坐标位置无关的磁场，即使得中空圆柱磁体的磁场各点都是相等的匀强磁场，只需(5)式满足b_n＝0(n≥2)，对 B_r和z点取极坐标，由于磁体上各点的 B_r大小相同，只是方向不同，则可设 B_r＝B_re^jω，而 z＝re^jθ，有

$b_n=\&Integral;\&Integral;\frac{n}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{B_r{r}^{\mathrm{j\&omega;}}}{r^{n+1}\&CenterDot;e^{j(n+1)\mathrm{\&theta;}}}\mathrm{rdrd\&theta;}$ 化简得， $b_n=\frac{n}{2\mathrm{\&pi;}}\&Integral;\frac{B_r}{r^n}\mathrm{dr}{\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}{e}^{j[\mathrm{\&omega;}-(n+1)\mathrm{\&theta;}]}\mathrm{d\&theta;}---\left(5\right)$

从(6)式可知，当ω＝2θ时，b_n＝0，(n≥2)。且此时b_l为最大。

$b_1=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{r_1}^{r_2}\frac{B_r}{r}\mathrm{dr}{\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{d\&theta;}=B_r\ln \frac{r_2}{r_1},$ 其中，r₁，r₂是磁体的内外径。，由(4)式知，此时：

${\stackrel{\&OverBar;}{B}}^{*}\left({\stackrel{\&OverBar;}{z}}_0\right)=B_r\ln \frac{r_2}{r_1}$ (6)得到了

与空间坐标z₀无关的磁场，即使得中空圆柱磁体空腔内各点都是相等的匀强磁场。

中空圆柱体内磁场在周向被限制在圆周内，不能向外发散，漏磁较少，呈现一种聚磁效应，因而，中空圆柱体内磁场场强可设计得比磁极式高，从而提高仪器的分辨率。

如图1、2所示，把磁块沿轴向由中部向两端逐渐加厚，使磁体外径沿轴向由中部向两端逐渐增加。由(6)式可知，理想情况下，磁场沿轴向由中部向两个端口增强，可以抵消中空圆柱体内磁场场强沿轴向由中部向两个端口的衰减，从而提高了磁场空间利用率。另外，磁场空间为圆柱形，特别适合化工流程管道或送料带通过，因此适合在线实时监测的核磁共振仪器。

Claims (3)

1、一种用于核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体，其特征在于该永磁体为中空圆柱体形，由沿其圆周方向等分为N＝2^M(M为大于2的整数)块，轴向横截面为扇形的磁块组成，磁块之间用强力胶粘接在一起，中空圆柱体的空腔内是均匀的磁场。

2、按照权利要求1所述的用于核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体，其特征在于组成永磁体的各磁块形状相同、磁场强度大小相等，磁化方向是磁块本身旋转方向的两倍。

3、按照权利要求1和2所述的用于核磁共振仪器静磁场发生装置的永磁体，其特征在于，永磁体外径沿轴向由中部向两端逐渐增加。

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