KR20210096189A - 세타 자석 고리들을 갖춘 경량 비대칭 자석 배열체들 - Google Patents

Abstract

자석 배열체(700)는 다수의 자석(711-720) 고리들 및 프레임을 포함한다. 상기 다수의 자석 고리들은 길이 방향 축을 따라 상기 길이 방향 축과 동축으로 배치되고, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나(712, 713, 719)는 회전 대칭성을 보유하고 방위각(θ) 좌표를 따르는 유한 자화 성분과 길이 방향-반경 방향 평면 내의 유한 자화의 둘 모두를 가진다. 상기 다수의 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 평행한 방향을 따르는 자기장을 함께 발생시키도록 구성된다. 상기 프레임은 상기 다수의 자석 고리들을 제자리에 고정되게 지지하도록 구성된다.

Description

세타 자석 고리들을 갖춘 경량 비대칭 자석 배열체들

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 2018년 11월 29일자 출원된 미국 특허가출원 제62/772,638호, 및 2019년 1월 23일자 출원된 미국 특허가출원 제62/795,575호의 우선권을 주장하는바, 그 특허가출원들의 개시서들은 본 개시서에 참조 병합된다.

기술분야

본 발명은 전체적으로 자석 조립체들에 관한 것이고, 구체적으로는 영구 자석들을 포함하는 경량 자석 조립체들 및 그 설계 방법들에 관한 것이다.

강하고 균일한 자기장을 달성함을 목표로 하는 영구 자석 배열체들의 설계는 예전에 특허 문헌에서 보고된 바 있다. 예를 들어, 미국 특허 제7,423,431호에는 영구 자석 몸체를 구비한 영상화 장치를 위한 영구 자석 조립체가 개시되는데, 그 영구 자석 몸체는 제1 표면, 및 상기 영상화 장치의 영상화 부피(imaging volume)에 면하도록 적합화된 단차 있는 제2 표면을 구비하되, 상기 단차 있는 제2 표면은 적어도 4개의 단차를 포함한다.

다른 예시로서, 미국 특허 제6,411,187호에는 의료에서의 이용 및 기타 용례들을 위한 조절 가능한 하이브리드 자기 장치가 설명되는바, 이는 영상화 부피 내에 제1 자기장을 발생시키기 위한 전자기 플럭스 발생기, 및 상기 영상화 부피 내에 개선된 크기(magnitude)를 가지는 실질적으로 균일한 자기장을 제공하기 위하여 상기 제1 자기장에 중첩되는 제2 자기장을 발생시키기 위한 영구 자석 조립체들을 포함한다. 상기 영구 자석 조립체는 복수개의 환형 또는 원반 유사의 동심(concentric) 자석들을 포함할 수 있는바, 그 자석들은 그것들의 대칭 축을 따라 이격된다. 상기 하이브리드 자기 장치는 상기 하이브리드 자기 장치의 영상화 부피 내의 자기장의 세기를 증가시키기 위하여 고투자율 요크(high magnetic permeability yoke)를 포함할 수 있다.

미국 특허 제10,018,694호에는 자기 공명 영상(MRI) 기기를 위한 자석 조립체가 설명되는데, 상기 자석 조립체는 자석 분절들이 동일한 고리 내에서 인접한 자석 분절들로부터 고르게 이격되도록 두 개 이상의 고리에 배치된 복수개의 자석 분절들을 포함한다. 일 실시 예에 따르면, 복수개의 자석 분절들은, 상기 자석 분절들 중 적어도 몇몇의 자화 방향이 그 각각의 고리에 의하여 정의되는 평면과 정렬되지 않은 채로 2개 이상의 고리들 내에 배치되어 결과적인 자기장 윤곽(profile)에 대한 더 큰 제어를 제공한다.

미국 특허 제5,900,793호에는 대칭 축을 따라 이격된 복수개의 환형 동심 자석들로 구성된 조립체들, 및 영구 자화된 등각 분절들을 이용하여 그러한 조립체들을 구성하기 위한 방법이 설명된다.

본 발명의 일 실시 예에는 다수의 자석 고리들 및 프레임를 포함하는 자석 배열체가 제공된다. 상기 다수의 자석 고리들은 길이 방향 축을 따라 상기 길이 방향 축과 동축으로 배치되고, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나는 회전 대칭성을 보유하고 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 유한 성분과 길이 방향-반경 방향 평면 내의 유한 자화의 둘 모두를 가진다. 상기 다수의 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 평행한 방향을 따라 자기장을 함께 발생시키도록 구성된다. 상기 프레임은 상기 다수의 자석 고리들을 제자리에 고정되게 지지하도록 구성된다.

몇몇 실시 예들에서, 회전 대칭성을 보유하고 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리를 포함한 상기 다수의 자석 고리들은 미리 정해진 내부 부피 내측에 적어도 주어진 수준의 균일성을 가지는 자기장을 함께 발생시키도록 구성된다.

몇몇 실시 예들에서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리를 포함한 상기 다수의 자석 고리들은 상기 자석 배열체 외측의 주변 자기장(fringe field)을 함께 최소화하도록 구성된다.

일 실시 예에서, 각각의 자석 고리는 상기 길이 방향 축을 중심으로 한 상기 고리의 평면내(in-plane) 회전에 대해 회전 대칭성을 가진다.

다른 실시 예에서, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나는 상기 미리 정해진 내부 부피를 둘러싸고, 상기 길이 방향 축을 따라 상기 내부 부피의 중심의 일측에 배치된 상기 자석 고리들의 최소 내측 반경은 상기 내부 부피의 중심의 타측에 배치된 상기 자석 고리들의 최소 반경과 상이하다.

몇몇 실시 예들에서, 상기 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 대해 반사 비대칭성을 가지도록 구성된다.

몇몇 실시 예들에서, 상기 내부 부피는 상기 길이 방향 축을 중심으로 한 회전타원체(ellipsoid of revolution)이다.

일 실시 예에서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리는 단일의 고체 요소로서 만들어진다. 다른 실시 예에서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리는 등간격으로 이격된 동일한 분절들을 가진 분절화 고리로서 만들어진다.

몇몇 실시 예들에서, 상기 자석 고리들 각각은 타원, 원 및 다각형 중 하나를 포함하는 형상을 가진다.

몇몇 실시 예들에서, 상기 자석 배열체는 자석 고리들로 된 하나 이상의 추가적인 배열체들을 더 포함하고, 상기 추가적인 배열체들 내 상기 자석 고리들은 상기 길이 방향 축으로부터 각각의 각도로 세팅된 개별 길이 방향 축들과 동축이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 자석 배열체를 제조하기 위한 방법이 추가로 제공되는바, 그 방법은, 다수의 자석 고리들을 길이 방향 축을 따라 상기 길이 방향 축과 동축으로 배치하되, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나는 회전 대칭성을 보유하고 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 유한 성분과 길이 방향-반경 방향 평면 내의 유한 자화의 둘 모두를 가지며, 상기 다수의 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 평행한 방향을 따라 자기장을 함께 발생시키도록 구성되게 함을 포함한다. 상기 다수의 자석 고리들은 프레임을 이용하여 제자리에 고정되게 지지된다.

본 발명은 도면들과 함께 취해진 본 발명의 상기 실시 예들에 대한 아래의 상세한 설명으로 더 완전히 이해될 것인바, 그 도면들에 있어서:
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제1 자석 조립체 및 제2 자석 조립체를 포함하는 비대칭 자석 배열체의 사시도이며,
도 2a 및 도 2b 내지 도 2d는 각각 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비대칭 자석 배열체의 사시도, 그 조립체들에 의하여 개별적으로 발생하는 자기장 선들의 도표(plot) 및 그 조립체들에 의하여 함께 발생하는 자기장 선들의 도표이고,
도 3은 분절화 자석 고리의 사시도인바, 그 분절화 자석 고리는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1 및 도 2의 자석 배열체들 내 고리들 중 하나일 수 있으며,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3개의 세타 자석 고리들을 포함하는 비대칭 자석 배열체의 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 4의 자석 배열체에 의하여 발생하는 자기장 선들의 도표이고,
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 도 4의 자석 배열체 내 고리들 중 하나일 수 있는 세타 자석 고리들의 사시도이다.

개관

강하고 균일한 자기장은 의학 산업, 항공 우주 산업, 전자 산업, 및 자동차 산업에 이르는 다양한 분야에서 필요하다. 일 예시로서, 인간 뇌의 자기 공명 영상(MRI)에 이용되는 자석들은 전형적으로 0.1 내지 3 테슬라의 강도를 가진 자기장을 제공하는데, 이는 약 3000 세제곱센티미터의 영상화 부피 내부, 예컨대 반경 9 cm의 구의 내부에서 수 ppm으로 균일하다. 그런데 그러한 자석은 상당한 크기와 무게로 인해 한정된 용례들을 가진다. 게다가, 일반적으로 자석 설계에서는 무게, 자기장의 균일성, 및 주어진 균일성을 달성할 수 있는 내부 부피의 크기 간에 극도로 제한적인 절충(trade-off)이 있다.

이하에 설명되는 본 발명의 실시 예들에는 (예를 들어, 0.1 내지 1 테슬라 범위의) 강하고 균일한 자기장들을 발생시키는 경량 영구 자석 배열체가 제공된다. 그 개시된 자석 배열체 중 몇몇은 구급차 내부의 두부 MRI 시스템과 같은 응급-치료 뇌 휴대용 MRI 시스템 용으로 구성된다. 그러나 일반적으로 그 개시된 기술들은 임의의 다른 적절한 시스템 내에 적용될 수 있다.

본 개시서의 설명에 있어, 길이 방향 (Z) 좌표, 반경 방향 (r) 좌표 및 방위각 (θ) 좌표로 구성된 원통 기준계를 이용하여 내부 부피는 상기 길이 방향 축을 중심으로 한 회전하는 회전타원체의 부피로 정의된다. 내부 부피의 예시들에는 상기 길이 방향 축을 따라 장축을 가지는 장축 타원체(prolate), 및 상기 길이 방향 축을 따라 단축을 가지는 편평 타원체(oblate)가 있다. 종단면(lateral plane)은 임의의 r-θ 평면 (즉, 상기 길이 방향 z-축에 직교하는 평면)으로 더 정의된다. 내부 부피의 구체적인 정의는 내부의 자기장이 적어도 주어진 균일성 수준을 가지는 MRI 시스템의 영상화 부피이다.

본 발명의 몇몇 실시 예들에서, 프레임을 포함하는 자석 배열체가 제공되는데, 그 프레임은 중심 길이 방향 축을 따라 상이한 위치들에 다수의 자석 고리들을 상기 중심 길이 방향 축과 동축으로 제자리에 고정되게 지지하도록 구성되며, 여기에서 상기 길이 방향 축이 통과하는 내부 부피 내에 포함되는 영역을 적어도 하나의 고리가 둘러싸는 채로 (즉, 그 고리가 상기 내부 부피와 교차함) 상기 자석 고리들이 종단면 내에 놓인다. 본 설명에서 프레임은 상기 고리들을 제자리에 지지하는 기계적 기능으로 정의되는바, 이는 다양한 방식으로, 예를 들어 요크(yoke)를 이용하거나, 포위하는 재료 내에 (예컨대, 에폭시 내에) 상기 고리들을 매립함으로써, 만들어질 수 있다.

상기 다수의 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 대해 반사 비대칭성을 가지도록 배치된다. 본 개시서의 맥락 및 청구범위에서, "상기 길이 방향 축에 대한 반사 비대칭성"이라는 용어는 상기 길이 방향 축에 직각인 평면이 상기 자석 배열체에 대한 대칭면이 아니라는 점을 의미한다. 달리 말하자면, 상기 자석 배열체는 상기 길이 방향 축을 따라 어떠한 점에서도 상기 길이 방향 축에 대한 뒤집기에 있어서 대칭적이지 않다. 반사 비대칭성은 점 비대칭성 또는 거울-상 비대칭성으로도 지칭된다. 간결함을 위해, 아래 본 설명에 있어 상기 자석 배열체의 "비대칭성"에 대한 어떠한 언급도 위에서 정의된 반사 비대칭성을 의미한다.

상기 다수의 자석 고리들은 상기 내부 부피 내측에 적어도 주어진 균일성 수준의 자기장을 상기 길이 방향 축에 평행한 방향을 따라 함께(공동으로) 발생시키도록 구성된다. 상기 자석 배열체는 각각의 자석 고리를 구비하는데, 그 각각의 자석 고리는 상기 길이 방향 축을 중심으로 상기 고리의 평면내 회전에 대해 (연속 또는 이산) 회전 대칭성을 가지는 자기장을 발생시킨다.

몇몇 실시 예들에서, 상기 개시된 자석 배열체들 중 어느 것의 상기 자석 고리들 각각은 타원, 가장 흔하게는 원, 또는 다각형 중 하나를 포함하는 형상을 가진다. 상기 자석 고리들은 각각 단일의 고체 요소 또는 개별 자석 분절들의 조립체 중 하나로 만들어진다. 상기 자석 고리들은 내부 부피 내부의 자기장의 균일성을 최대화하도록, 그리고 선택적으로는 상기 자기장이 5 가우스를 초과하는 상기 자석 주위의 영역에 의해 한정되는 안전 구역(safety zone)을 최소화하도록 설계된 자화 방향을 가지도록 미리 자화된다.

전형적으로 두부 MRI 용례들을 위해 구성되는 몇몇 실시 예들에서, 개시된 비대칭 영구 자석 배열체는 제1 내경을 가지는 2개 이상의 자석 고리들을 포함하는 제1 자석 조립체, 및 제2 내경을 가지는 2개 이상의 자석 고리들을 포함하는 제2 자석 조립체를 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 상기 제1 내경은 상기 영상화 부피의 최대 측면 직경(maximal lateral diameter)보다 크고 상기 제2 내경은 상기 영상화 부피의 최대 측면 직경과 같거나 그보다 작다.

전형적으로, 상기 자석 고리들은 길이 방향 축 상 상이한 위치에 놓인다. 제2 자석 조립체는 상기 영상화 부피에 상대적으로 비대칭적으로 배치됩니다. 따라서 상기 개시된 자석 배열체의 비대칭 구조는 인간의 머리에 알맞게 최적화되는바, 여기에서 뇌를 포함하는 (상기 영상화 부피와 동일한) 내부 부피에 대한 물리적 접근은 제1 조립체를 통하지만 제2 조립체를 통하지는 않는다. 상기 제1 자석 조립체 및 상기 제2 자석 조립체는 상기 내부 부피 내측에 적어도 주어진 균일성 수준의 상기 길이 방향 축에 평행한 자기장을 함께 발생시키도록 구성된다.

몇몇 실시 예들에서, 회전 대칭이고 M=(M_r, M_θ, M_Z)인 자화 성분들로 특징지어지는 적어도 하나의 자석 고리를 포함하는 자석 배열체가 제공되는바, 그 자석 고리는 길이 방향-반경 방향 평면 내에 유한 성분(즉, 상기 자화의 0이 아닌 사영)의 자화를 가지는 것에 덧붙여 방위각(θ) 좌표를 따라 유한 성분(즉, 상기 자화의 0이 아닌 방위각 사영)의 자화를 가진다. 그러한 자석 고리는 이하 "세타(theta) 자석 고리"로 명명된다. 상기 비대칭 배열체에 적어도 하나의 그러한 세타 자석 고리를 포함하는 것은, 길이 방향-반경 방향 평면 내의 자화만을 가지는 회전 대칭의 고체 고리 또는 분절로 된 고리들만으로 만들어진 동일한 무게의 자석 배열체에 의해 얻어지는 것에 비해 상기 내부 부피의 내측의 균일성을 향상시킬 수 있다.

위에서 개시된 다양한 유형의 자석 고리들은 전형적으로 그 퀴리 온도가 최대 주위 동작 온도(maximum ambient operating temperature)보다 훨씬 높은 네오디뮴, 철 및 붕소의 합금(NdFeB)과 같은 강한 강자성 재료로 만들어진다. 기타 재료의 옵션들에는 페라이트, 사마륨-코발트(SmCo) 자석들 또는 임의의 기타 영구 자석 재료가 포함된다. 고리의 설계 및 유형에 따라, 고리 분절들은 구, 원통, 타원체, 또는 직육면체, 쐐기 또는 각진 분절(angular segment)과 같은 형상을 가진 다각 프리즘의 형상을 가질 수 있다.

따로따로 또는 결합되어 자석 배열체들을 실현하는 (예컨대, 비대칭 구조를 이용하고, 세타 자석 고리를 이용하는) 2가지 개시된 기법들은 경량 자석 솔루션들을 특별히 요구하는 용례들에 있어서 강하고 균일한 자석 배열체들을 이용할 수 있게 한다.

두부 MRI 용례들을 위한 비대칭 자석 배열체

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제1 자석 조립체(110) 및 제2 자석 조립체(120)를 포함하는 비대칭 자석 배열체(100)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 제1 자석 조립체 및 제2 자석 조립체(110 및 120)는 내부 부피(130)를 통과하는 "Z-축"으로 표시된 중심 길이 방향 축과 동축인 적어도 2개의 자석 고리들을 각각 포함한다. 상기 다수의 자석 고리들은 상기 Z-축을 따라 가변의 변위들(variable displacements) 및 가변의 가로 치수들(variable transverse dimensions)을 가진다. 도 1에서, 예시로써, 제1 조립체(110)는 4개의 자석 고리들(111 내지 114)로 구성된 것으로 도시되고, 제2 조립체(120)는 4개의 자석 고리들(121 내지 124)로 구성된 것으로 도시된다. 조립체들(110 및 120) 내 상기 고리들 각각은 고체 고리 또는 분절로 된 고리, 즉, 개별 분절들을 포함하는 고리이다. 상기 분절들은 구, 원통, 타원체 또는 다각 프리즘, 바람직하게는 직육면체의 형상을 가질 수 있다. 상기 고리들이 불규칙적인(non-regular) 형상의 단면을 포함하는 임의의 단면을 가질 수 있다는 점이 이해될 것이다. 단일 고리에 속하는 모든 분절들은 공통의 형상 및 재료 조성들뿐만 아니라 상기 길이 방향(Z), 반경 방향, 및 방위각 방향으로 동일한 자기 모멘트 성분들을 공유한다. 그러나 이들 특성 중 하나 이상은 하나의 고리와 다른 고리 간에 상이할 수 있다.

분절로 된 고리의 경우, 분절의 자기 모멘트를 언급하는 것은 그 분절이 공간 내 특정 방향으로 균일하게 자화되고 그 반경 방향, 길이 방향 및 방위각 방향이 상기 분절의 질량 중심에서 계산되었음을 의미한다.

고체 고리의 경우, M은 상기 방위각 좌표에 독립적인 방위각 방향, 반경 방향 및 길이 방향 성분들을 가지고 공간 내에서 연속적으로 변화한다. 복잡한 형상을 가진 고체 자석 조각이 M_r, M_θ, 또는 M_Z가 Z 또는 R의 함수로서 점진적으로 또는 계단식으로 변화하는 방식으로 자화되어, 기계적으로는 하나의 연속적인 조각으로 구성되었더라도, 자화의 관점에서 효과상으로는(effectively) 여러 고리들이 만들어질 수 있다는 점이 이해될 것이다. 본 문맥에서 이러한 종류의 구현은 기계적 분절화보다는 자화의 관점에 의하여 그 경계가 결정되는 다수의 고리을 가지는 것으로 간주된다.

상기 고리들의 외주 형상(peripheral shape)은 원, 타원 또는 다각형과 같은 임의의 폐곡선일 수 있다. 몇몇 경우에, 외주 형상의 선택은 내부 부피(130)의 단면 형상에 의존한다. 고리의 회전 대칭성은 다른 무엇보다도 그 외주 형상도 회전 대칭적(예를 들어, 원의 형상, 또는 등각-등변 다각형)이라는 점을 시사한다는 점이 이해될 것이다. 모든 고리들이 원형인 특수한 경우에, 제1 조립체(110)의 고리들(111 내지 114)의 최소 내측 반경은 R1로 표시되고, 제2 조립체(120)의 고리들(121 내지 124)의 최소 내측 반경은 R2로 표시된다. 예시로서, 영상화에 이용되는 내측의 회전타원체 부피의 최대 반경을 한정하는 내부 부피(130)의 측면 반경(140)을 가지고 상기 자기장이 적어도 주어진 균일성 수준을 가지는 주어진 표적 반경 Ri에 대해, R1 및 R2의 값은 Ri < R1 및 0 ≤ R2 ≤ Ri 관계를 만족한다. R2 = 0의 경우, 제2 조립체(120)의 상기 고리들 중 적어도 하나는 고체 원반이다. 조립체(120)가 R2보다 크고 심지어 R1보다 큰 내측 반경을 가지는 고리들을 포함할 수 있음이 이해된다. 상기 조립체들은 전형적으로 0 내지 10cm의(그러나 이에 한정되지 않는) 간격으로 Z 방향으로 분리된다. 본 목적을 위해, 하나의 고리가 Z 방향으로 두 조립체들 모두로 연장된다면, 상기 고리의 일 부분은 상기 제1 조립체에 포함된 것으로 여겨지는 반면, 상기 고리의 다른 부분은 상기 제2 조립체에 포함된 것으로 여겨질 것이다. 이 경우에 배열체들 사이의 간격은 0이 될 것이다.

일 실시 예에서는, 상기 비대칭 배열체 내에, 상기 내부 부피의 중심의 일측에 배치된 상기 고리들의 최소 반경은 상기 중심의 타측에 배치된 상기 고리들의 최소 반경과 상이하다. 상기 내부 부피의 중심은 임의의 적절한 방식으로 정의될 수 있는데, 예컨대, 상기 내부 부피 내에 놓인 상기 길이 방향 축의 단면의 중심이다. 덧붙여, 그 내부 영상화 부피가 상기 배열체에 의해 부분적으로만 둘러싸인 때에, 상기 중심은 상기 내부 부피 내에, 그리고 상기 배열체 내측에 놓인 상기 길이 방향 축의 단면의 중심으로 간주될 것이다. 전자의 실시 예를 따르는 배열체는 전술한 바와 같이 상이한 최소 내측 반경을 가지는 2개의 부-조립체들로 구성되는 것으로 설명될 수 있다.

내부 부피(130)는 전형적으로 타원체 또는 구형인 조립체(110)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 단일 연결 영역(simply-connected region)이다. 도시된 바와 같이, 상기 내부 부피(130)는 내부 부피(130)를 둘러싸는 고리들(112 내지 113)을 가지는 상기 자석 배열체(110)에 의해 포위된다. 일 실시 예에서, 내부 부피(130)는 대략 0.5 R1, 0.5 R1 및 0.3 R1과 대략 동일한 반축들(semi-axes)을 가지는 편평 타원체이다. 그러한 고리들의 파라미터들은 고리의 내측 반경 및 외측 반경, Z 변위, 또는 Z-축 두께에 한정되지 않는다. 덧붙여, 자기 모멘트 각도들은 경사 하강 최적화 알고리즘과 결합된 유한 요소, 유한 차분, 또는 분석 접근법과 같은 계산 방법을 이용하여 모두 최적화되어, 상기 영상화 부피 내 주어진 장 세기에 대하여 최소의 무게로 최고의 균일성이 달성된다. 이는 각각의 조립체가 다수의 고리들을 포함하고, 그 모두가 최적화되어 있는 사실로 인해 가능해진다.

자석 배열체(100)의 비대칭성의 일 양상은 상이한 고리들이 상이한 가로 치수들 및 자기 모멘트 방향들을 가지되, 상기 고리들이 상기 길이 방향 축에 대하여 반사 비대칭성을 가진 배열체로 구성된다는 (즉, Z-축 반전에 대하여 비대칭적이라는) 점이다. 본 개시서 및 청구범위의 맥락에서, "상기 길이 방향 축에 대한 반사 비대칭"이라는 용어는 상기 길이 방향 축에 직각인 평면이 상기 자석 배열체에 대한 대칭면이 아니라는 것을 의미한다. 달리 말하자면, 상기 자석 배열체는 상기 길이 방향 축을 따라 임의의 점에서 상기 축에 대한 뒤집기에 있어서 대칭적이지 않다. 반사 비대칭성은 점 비대칭성 또는 거울-상 비대칭성으로도 지칭된다. 간결함을 위해, 아래 본 설명에 있어 상기 자석 배열체의 "비대칭성"에 대한 어떠한 언급도 위에서 정의된 반사 비대칭성을 의미한다.

그 설계에서의 비대칭성은 특히 인간의 머리와 같이 본질적으로 비대칭적인 표본을 영상화할 때 특히 유리하다. 예를 들어, 그러한 하나의 경우에, 조립체(110)에 속하는 고리들은 주로(primarily) 제1의 주어진 방향(예컨대, r-방향)으로 자화될 수 있는 반면, 조립체(120)에 속하는 고리들은 주로 다른 방향(예컨대, z-방향)으로 자화될 수 있음이 밝혀졌다.

마지막으로, 각각의 개별 고리의 자화 방향은, 상기 자석 고리에 가까운 장선(field line)들을 닫는 자기 회로가 생성되도록, 상기 내부 부피의 균일성과 주변 자기장의 감소의 둘 모두를 얻도록 최적화될 수 있다. 일 실시 예에서, 그 개별 자석 분절들은 상기 자석 배열체 외부의 주변 자기장을 최소화하는 각각의 자화 방향으로 각각 미리 자화된다.

도 2a 및 도 2b 내지 도 2d는 각각 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비대칭 자석 배열체(200)의 사시도, 및 그 조립체들에 의해 개별적으로 발생하는 자기장 선들의 도표 및 상기 조립체들에 의하여 함께 발생하는 자기장 선들의 도표이다. 균일성은 상기 선들의 균일한 밀도에 의해서가 아니라(더 나은 세부사항을 위해 그 영상화 구역 내에서 선들이 더 조밀하게 그려졌으므로) 상기 선들의 z-축 정렬에 의하여 분명하다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 내부 부피(230)는 전형적으로 타원체 또는 구형인 제1 자석 조립체(210)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 단일 연결 영역이다. 그 비대칭 배열체의 제2 자석 조립체(220)는 내부 부피(230)를 "덮는다(cap)". 앞서 언급된 바와 같이, 상이한 고리들은 상기 자석 배열체의 주변 자기장 및 균일성을 최적화하도록 상이한 자화 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 고리는 다른 고리와 (예컨대, 45도 이상만큼) 실질적으로 상이한 방향으로 된 자화 벡터를 가질 수 있다. 예를 들어, 그 영구 자석 분절들의 자화 벡터들은 하나의 고리에서는 r 방향을 주로 가리키고, 다른 고리에서는 Z 방향을 주로 가리킬 수 있다. 게다가, 동일한 조립체에 속하는 두 개의 고리들은 실질적으로 상이한 자화 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 조립체의 하나의 고리는 주로 상기 r 방향으로 된 자화를 가질 수 있고, 상기 제1 조립체의 또 다른 고리는 주로 상기 -z 방향으로 된 자화를 가질 수 있는 반면, 상기 제1 조립체의 제3 고리는 r-z 평면 내에서 -45도로 된 자화를 가질 수 있다. 일 실시 예에서, 그 2개 이상의 고리들은 서로로부터 45도 이상만큼 상이한 방향으로 된 자화 벡터를 가진다.

특정의 경우(미도시)에 조립체(210) 내의 고리들은 15 cm와 30 cm 사이의 내측 반경으로 분산되고, 그 Z 위치에 있어서 25 cm의 길이로 분산되는 반면, 조립체(220) 내의 고리들은 0.05 cm와 30 cm 사이의 내측 반경으로 분산되고, 그 Z 위치에 있어서 12 cm의 길이로 분산되며, 그 2개의 조립체들 사이의 Z 방향으로의 변위는 0 cm와 10 cm 사이라는 점이 밝혀졌다.

도 2b에는 내부 부피(230)의 내측 및 외측에서 제1 자석 조립체(210)(정사각형들에 의하여 단면 상으로 도시된 고리들로서, 그 각각이 r-z 평면 내 상기 고리의 자화 방향을 가지는 고리들)에 의해 발생한 장의 자기장 선들이 도시된다. 도시된 바와 같이, 내부 부피(230) 내측의 장 선들은 대체로 z-축을 따라 정렬되지만, 그 장 선들은 부피(230)의 상단 부분에서 예리하게 구부러지는바(sharply bend) 거기에서 그 장이 극도로 불균일해진다.

도 2c에는 내부 부피(230)의 내측 및 외측에서 제2 자석 조립체(220)에 의하여 발생하는 장의 자기장 선들이 도시된다. 여기에도 도시된 바와 같이, 내부 부피(230) 내측의 장 선들은 대체로 상기 z-축을 따라 정렬된다. 그런데, 그 장 선들은 상기 z-축에 대해 도 2b의 장 선들과 반대로 기울어지고, 부피(230)의 하단 부분에서 극도로 비균일해진다.

도 2d에 보여진 바와 같이, 전체 배열체(200)로 결합되는 때에 조립체들(210 및 220)은 서로의 장 비균일성을 보상하여, 상기 z-축을 따라, 미리 특정된 문턱값보다 더 나은 정도로 균일한 자기장을 달성한다.

도 2a 내지 도 2d에는 10개의 고리들을 포함하는 예시적인 배열체가 도시된다. 상기 배열체가 모두 앞서 설명된 바와 같이 최적화된 더 많은 고리들(예컨대, 수십 또는 수백 개의 고리들)을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 상기 배열체에 더 많은 고리들이 포함될수록 더 나은 자석 성능(예컨대, 더 높은 균일성 수준, 더 큰 자기장 또는 더 큰 영상화 부피)이 달성될 수 있다. 그 향상된 성능에는 많은 수의 요소들로 인해 상기 배열체의 복잡성 및 생산 비용이 증가한다는 단점이 뒤따른다. 따라서, 해당 기술분야에서 기술을 가진 현업자는 특정의 용례에 따라 요구되는 고리들의 개수를 고려해야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 분절화 자석 고리(300)의 사시도인바, 이는 도 1 및 도 2의 자석 배열체들(100 및 200) 내의 고리들 중 임의의 하나일 수 있다. 도 3에서, 각각의 자석 분절(310)은 유사한 길이 방향 성분(Z) 및 반경 방향 성분(r)을 가지는 r-Z 평면에 놓인 자화 벡터(320)를 가진다. 게다가, 각각의 분절로 된 고리는 360/N 도와 같은 방위각 주기를 가지는 회전 대칭성을 보유하는바, 여기에서 N은 상기 고리 내 분절들의 개수이다. (고체 고리에 대해, 즉, N→∞에 대해 상기 회전 대칭성은 연속적이다). 몇몇 실시 예들에서, 그 개시된 고리들은 N≥8 차수의 회전 대칭성을 가진다. 그 개시된 배열체가 회전 대칭성을 가진 고리들을 포함함으로써 그 결과인 자기장이 상기 길이 방향 축을 따른다는 점이 이해될 것이다. 그런데, 상기 내부 부피의 균일성 및 주변 자기장을 최적화하는 방식으로 비-회전 대칭인 고리들을 그 비대칭 배열체 내에 일체화하는 것이 가능하다. 그러한 경우 그 자기장은 임의의 축을 따를 수 있다. 그러한 배열체가 회전 대칭인 배열체보다 실질적으로 나쁠 수 있지만, 개시된 바와 같은 고리들로 비대칭성을 이용하는 것은 대칭적인 것에 비해 상기 배열체의 균일성을 실질적으로 향상시킬 수 있다.

이산 분절들(310)은, 예를 들어, 바람직하게는 전기 비전도성인 접착제를 이용하여 서로 균일하게 이격되어 서로 부착되거나, 바람직하게는 절연 재료(그러나 이에 한정되지 않는)로 채워진 인접 분절들 사이의 간격들(330)로써 기계적으로 함께 고정된다. 그 회전 대칭적 분절화 고리들은 하나 이상의 유형의 분절들의 조합을 포함할 수도 있음이 이해될 것이다. 고리(300) 모두의 열적 안정성을 위해, 상기 접착제 또는 간격들은 규소 산화물(silicon oxide), 규소 질화물(silicon nitride), 또는 알루미늄 산화물(aluminum oxide)과 같이 열 전도성이 있는 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 개개의 자석 분절들(310)은 앞서 언급된 강한 강자성 재료들로 만들어질 수 있는바, 그 퀴리 온도는, 예컨대, 배열체(200)와 같은 요소들을 포함하는 관련 시스템, 예컨대, 휴대용 MRI 시스템의 작동 온도보다 훨씬 높다.

도 1 내지 도 3에서의 설명이 예시들로만 기능한 것으로 의도되었고, 본 발명의 범위 내에서 다른 많은 실시 예들이 가능하다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, r-z-θ 평면에서 자석 모멘트 벡터의 회전은, 대안적인 실시 예에서, 상기 개개의 자석 분절들(310)을 개별의 회전 각도만큼 회전시킴으로써 달성될 수 있으며, 그 회전 각도는 상이한 고리들에 대해 상이할 수 있다. 더욱이, 자석 배열체들(100 및 200)은 내부 부피들(130 및 230) 각각의 내측의 장 균일성이 더 향상되도록 정적 또는 동적 시밍(shimming) 시스템과 결합될 수 있다. 동적 시밍 또는 경사 펄스 장(dynamic shimming or gradient pulse fields)이 이용되는 때에, 전기 절연성 접착제 또는 인접한 자석 분절들(310) 간의 빈 간격들의 존재는 장 균일성에 대한 와전류의 부정적 효과들을 최소화하는 데 도움이 된다. 게다가, 자석 배열체들(100 및 200)은 내부 부피들(130 및 230) 내측의 자기장 세기를 향상시키기 위해 z-축에 동심으로 배치된 저항성 코일들과 결합될 수 있다.

세타 자석 고리들을 포함하는 자석 배열체

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 3개의 세타 자석 고리들(712, 713, 719)을 포함하는 비대칭 자석 배열체(700)의 사시도이다. 예시로서, 자석 배열체(700)는 내부 부피(730)를 통과하는 축(Z)을 포위하는 10개의 자석 고리들(711 내지 720)을 포함한다. 상기 자석 고리들 중 몇몇은 고체(solid)일 수 있고, 몇몇은 분절화된 것일 수 있으며 임의선택적으로 인접한 자석 분절들 사이에 간격들을 가질 수 있다. 상기 고리들은 Z-축을 따라 상이한 위치에 자리잡고, 일반적으로, 상이한 가로 치수들, 반경 방향 두께들 및 축 방향 두께들을 가진다.

위에 도시된 배열체들에서와 같이, 자석 배열체(700)에 의해 표준 원통 좌표계가 정의된다. 각각의 자석 고리는, 회전 대칭이면서 M = (M_r, M_θ, M_Z)의 자화 성분들로 특징지어지는 자화를 가진다. 주어진 분절화 고리 내의 모든 분절들은 앞서 언급된 원통 기준 좌표계에서 M = (M_r, M_θ, M_Z)인 3 성분들의 자기 모멘트로 표시되는 같은 자화 성분들을 가진다. 결과적으로 각각 분절화 고리는 360/N 도와 동일한 방위각 주기를 가진 회전 대칭성을 보유하는바, 여기에서 N은 상기 고리 내 분절들의 개수이다.

분절화 고리의 경우, 한 분절의 자기 모멘트를 언급하는 것은 그 분절이 공간 내 특정 방향으로 균일하게 자화되고 그 반경 방향, 길이 방향 및 방위각 방향이 상기 분절의 질량 중심에서 계산되었음을 의미한다. 고체 고리의 경우, M은 세타(theta)에 독립적인 방위각 방향, 반경 방향 및 길이 방향 성분들을 가지고 공간 내에서 연속적으로 달라진다.

상이한 고리마다 일반적으로 그 자화 M은 상이하다. 상기 배열체 내 자석 고리들 중 적어도 하나는 "세타 자석 고리"인바, 즉, 그것은 상기 r-Z 평면 내에 상기 자화의 0이 아닌 사영을 가지는 것에 덧붙여 세타 방향으로 상기 자화의 0이 아닌 사영(M_θ≠0)을 가진다. 방위각 방향의 자화만을 가지는 자석 고리가 실질적으로 자기장을 생성하지 않기 때문에 상기 r-Z 평면 상 0이 아닌 사영은 필수적이다.

본질적으로, 주어진 고리에 0이 아닌 세타 성분을 도입하는 것은 상기 영상화 부피 내측의 총 자기장에 대한 그 고리의 상대적 기여를 감소시키는 효과를 가지기 때문에, 그 고리들의 구조(geometry)에 무관한 추가적인 자유도들이 제공된다. 이러한 추가적 자유도들은, 상기 배열체가 (상기 고리들의 위치, 반경 방향/축 방향 두께와 같은) 기하학적 제약조건들에 놓일 때 가장 유리한바, 그러한 기하학적 제약조건들은 흔히 기계적 또는 제조 상의 제한사항으로부터 생겨난다. 설계자는 높은 수준의 자기장 균일성, 또는 휴대용 두부 MRI 시스템에 요구되는 것과 같은 큰 내부 부피를 달성하기 위하여, 전산화된 자기장 시뮬레이션 도구들의 도움으로 세타 자석 고리(들) 내의 0이 아닌 세타 성분의 크기와 함께 (높이, 외측 반경, 내측 반경, 두께, 및 z-축 위치와 같은) 모든 자석 고리들의 기하학적 속성들을 조절, 또는 "조율(tune)"할 수 있다.

예를 들어, 고리들(712, 713 및 719)은 원통형 좌표 (M_r, M_θ, M_Z)에서 각각 (0,

/2, -1/2) (1/

, 1/

,―1/

), 및 (1/

, 1/

, 0)으로 주어진 자화 방향을 가지는 세타 고리들일 수 있다. 일 실시 예에서, 방위각(θ) 좌표를 따라 자화의 유한 성분을 가지는 상기 하나 이상의 자석 고리들 및 나머지 고리들은 상기 내부 부피의 내측에 적어도 주어진 수준의 균일성을 가진 자기장을 함께 발생시키도록 구성된다.

자석 고리들(711 내지 715)의 자석 분절들은 앞서 언급된 강한 자성 재료들로 만들어질 수 있다. 상기 분절들은 전형적으로 자기 모멘트의 성분들에 대해 특정한 값들을 가지도록 미리 자화된다. 상기 분절들의 형상은 앞서 언급된 분절 형상들{예컨대, 쐐기(wedge) 또는 각진 분절(angular segment)} 중 임의의 것일 수 있다.

개시된 바와 같이 자석 고리들의 배열체 내에 자화 벡터에 있어서 0이 아닌 세타 성분(M_θ≠0)을 가지는 적어도 하나의 고리를 도입하는 것은 상기 배열체의 내부 부피 내측의 자기장의 균일성을 크게 향상시킬 수 있거나, 대안으로서, 주어진 균일성 수준에 대해 상기 내부 부피를 크게 확대할 수 있다. 이 장점은 공간적으로 연속적인 자화를 가진 고체 자석 조각을 포함하는 고체 고리들에 적용된다. 그 장점은 간격 없이 근접한 분절들을 가진 분절화 자석 고리들뿐만 아니라 공기의 간격들 또는 비-자성 재료로 채워진 간격들에 의해 분리된 분절들을 가지는 고리들에도 적용된다. 상기 간격들은 영구 자석들은 아니지만 상자성체, 반강자성체, 반자성체, 강자성체, 및 페리 자성체와 같은(그러나 이에 한정되지 않는) 비자명 투자율을 가지는 재료들로 채워질 수도 있다는 점이 이해될 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 4의 자석 배열체(700)에 의해 발생한 자기장 선들의 도표이다. 균일성은 상기 선들의 균일한 밀도에 의해서가 아니라(더 나은 세부사항을 위해 그 영상화 구역 내에서 선들이 더 조밀하게 그려졌으므로) 상기 선들의 z-축 정렬에 의하여 분명하다. 보여진 바와 같이, 배열체(700)는 상기 z-축을 따라 균일한 자기장을 달성하는바, 그 z 축 정렬(z axis alignment)은 거의 상기 고리들로 연장된다. 보이지는 않지만 그 세타 고리들은 균일성을 개선한다. 따라서, 고리 자석들의 비대칭 배열체 내에 몇 개의 세타 자석 고리들을 포함시키는 것은 이에 따라 MRI 구급차와 같은 휴대용 MRI 용례들에 특히 유용할 수 있다.

도 4 및 도 5에는 총 10개의 고리들을 포함하는 예시적인 배열체가 도시되며, 그 중에서 3개는 세타 고리들이다. 상기 배열체가 위에서 설명된 바와 같이 모두 최적화된 더 많은 세타 고리들(예컨대, 수십 또는 수백 개의 고리들)을 포함 할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 상기 배열체에 더 많은 세타 고리들이 포함될수록 더 나은 자석 성능(예컨대, 더 높은 균일성 수준, 더 큰 자기장 또는 더 큰 영상화 부피)이 달성될 수 있다. 그 개선된 성능에는 많은 수의 요소들로 인해 상기 배열체의 복잡성 및 생산 비용이 증가한다는 단점이 뒤따른다. 따라서, 해당 기술분야에서 기술을 가진 현업자는 특정의 용례에 따라 요구되는 고리들의 개수를 고려해야 한다.

도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른, 도 4의 자석 배열체(700)의 고리들 중 임의의 하나일 수 있는 세타 자석 고리들의 사시도이다.

도 6 (I)에는 제1의 예시적 세타 자석 고리(900a)의 사시도가 도시된다. 도 6 (I)에서, 상기 세타 자석 고리는 20개의 직육면체 자석 분절들(910)을 포함한다. 각각의 분절(920)의 자기 모멘트는 0인 축(Z) 성분 및 0이 아닌 반경방향(r) 성분 및 세타(θ) 성분을 가지는바, 화살표(920)로 표시된 바와 같다.

도 6 (II)에는 20개의 직육면체 자석 분절들(930)을 포함하는 제2의 예시적 세타 자석 고리(900b)의 사시도가 도시된다. 각각의 분절(930)의 자기 모멘트는 0인 반경 방향(r) 성분 및 0이 아닌 축(Z) 성분 및 세타(θ) 성분을 가지는바, 화살표(940)로 표시된 바와 같다.

도 6 (III)에는 20개의 직육면체 자석 분절들(950)을 포함하는 제3의 예시적 세타 자석 고리(900c)의 사시도가 도시된다. 각각의 분절(950)의 자기 모멘트는 0이 아닌 반경 방향(r) 성분, 세타(θ) 성분 및 축(Z) 성분을 가지는바, 화살표(960)로 표시된 바와 같다.

위 설명이 예시들로만 기능하는 것으로 의도되었고, 본 발명의 범위 내에서 다른 많은 실시 예들이 가능하다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 자석 배열체(700)는 내부 부피(730) 내측의 장 균일성이 더 향상되도록 정적 또는 동적 시밍(shimming) 시스템과 결합될 수 있다. 덧붙여, 본 자석 배열체는 비대칭이지만, 상기 세타 고리들은 그 균일성을 향상시키기 위해 요크가 있거나 없는 대칭 배열체들 또는 임의의 다른 유형의 자석 배열체에서도 이용될 수 있다.

덧붙여, (공통 축과 동축인 다수의 고리들을 구비한) 그 설명된 배열체에는 그 제1 길이 방향 공통 축으로부터 각진 하나 이상의 상이한 축들과 동축인 고리들을 가지는 하나 이상의 추가적인 고리 배열체들을 결합할 수 있다. 그 배열체들의 조합은 공간 내에서 임의의 방향으로 된 자기장을 함께 생성한다. 그 추가적인 고리 배열체들은 세타 위상 고리들을 포함할 수도 있으나, 그 고리들은 그 고유의 공통된 동축성 축(common coaxiality axis)으로 정의된 z' 축을 가진 고유의 원통 좌표계에 따라 정의된다.

예를 들어, 서로 45도만큼 상이한 동축성 축들을 가진 두 개의 고리 배열체들을 가지는 것이 가능하다. 각각의 배열체는 하나 이상의 세타 고리들을 포함할 수 있으며 그 배열체 축들 각각을 따라 그 내부 부피 내에서 실질적으로 균일한 장을 획득하도록 최적화될 수 있다. 그 두 배열체들의 조합은 제1 길이 방향 축과 제2 길이 방향 축 사이의 방향으로 된 균일한 자기장으로 귀결된다.

동적 시밍 또는 경사 펄스 장(dynamic shimming or gradient pulse fields)이 이용되는 때에, 분절로 된 고리들에는 장 균일성에 대한 와전류의 해로운 효과들을 최소화하기 위하여, 인접한 자석 요소들 사이의 간격들 내 전기 절연성 재료의 존재가 바람직하다. 게다가, 자석 배열체(700)는 그 각각 정의된 내부 부피들의 내측의 자기장 세기를 향상시키기 위해 상기 Z-축에 동심으로 배치된 저항성 코일들과 결합될 수 있다.

비록 본 개시서에 설명된 실시 예들이 주로 휴대용 MRI 용례를 다루었으나, 본 개시서에서 설명된 방법들 및 시스템들은 주사 전자 현미경(SEM)과 같은 강하고 균일한 경량 자석들이 요구되는 항공 우주의 용례와 같은 기타 용례들에 이용될 수도 있다.

따라서, 위에서 설명된 실시 예들은 예시로서 인용되었고 본 발명이 위에서 구체적으로 보여지고 설명된 것으로 한정되지 않음이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 위에서 설명된 다양한 특징들의 조합들 및 부-조합들뿐만 아니라, 앞서의 설명을 읽은 해당 기술분야의 기술자들이 떠올릴, 선행 기술에 개시되지 않은 변형례들 및 수정물들을 포함한다. 본 특허의 용례에서 참조로 병합된 문서들에서 임의의 용어들이 본 명세서에서 명시적으로 또는 묵시적으로 된 정의와 충돌하는 방식으로 정의된 범위에서는 본 명세서에서의 정의만이 고려되어야 한다는 것을 제외하고, 이들 병합된 문서들은 상기 용례의 일체로 된 부분(integral part)으로 간주되어야 한다.

Claims (22)

1. 자석 배열체에 있어서:
   다수의 자석 고리들로서, 상기 다수의 자석 고리들은 길이 방향 축을 따라 상기 길이 방향 축과 동축으로 배치되고, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나는 회전 대칭성을 보유하고 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 유한 성분과 길이 방향-반경 방향 평면 내의 유한 자화의 둘 모두를 가지며, 상기 다수의 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 평행한 방향을 따라 자기장을 함께 발생시키도록 구성되는, 자석 고리들; 및
   프레임으로서, 상기 다수의 자석 고리들을 제자리에 고정되게 지지하도록 구성되는, 프레임
   을 포함하는, 자석 배열체.
2. 제1항에 있어서, 회전 대칭성을 보유하고 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리를 포함한 상기 다수의 자석 고리들은 미리 정해진 내부 부피 내측에 적어도 주어진 수준의 균일성을 가지는 자기장을 함께 발생시키도록 구성되는, 자석 배열체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리를 포함한 상기 다수의 자석 고리들은 상기 자석 배열체 외측의 주변 자기장(fringe field)을 함께 최소화하도록 구성되는, 자석 배열체.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 자석 고리는 상기 길이 방향 축을 중심으로 한 상기 고리의 평면내(in-plane) 회전에 대해 회전 대칭성을 가지는, 자석 배열체.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나는 상기 미리 정해진 내부 부피를 둘러싸고, 상기 길이 방향 축을 따라 상기 내부 부피의 중심의 일측에 배치된 상기 자석 고리들의 최소 내측 반경은 상기 내부 부피의 중심의 타측에 배치된 상기 자석 고리들의 최소 반경과 상이한, 자석 배열체.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 대해 반사 비대칭성을 가지도록 구성되는, 자석 배열체.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내부 부피는 상기 길이 방향 축을 중심으로 한 회전타원체(ellipsoid of revolution)인, 자석 배열체.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리는 단일의 고체 요소로서 만들어지는, 자석 배열체.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리는 등간격으로 이격된 동일한 분절들을 가진 분절화 고리로서 만들어지는, 자석 배열체.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석 고리들 각각은 타원, 원 및 다각형 중 하나를 포함하는 형상을 가지는, 자석 배열체.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석 배열체는 자석 고리들로 된 하나 이상의 추가적인 배열체들을 포함하고, 상기 추가적인 배열체들 내 상기 자석 고리들은 상기 길이 방향 축으로부터 각각의 각도로 세팅된 개별 길이 방향 축들과 동축인, 자석 배열체.
12. 자석 배열체를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    다수의 자석 고리들을 길이 방향 축을 따라 상기 길이 방향 축과 동축으로 배치하되, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나는 회전 대칭성을 보유하고 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 유한 성분과 길이 방향-반경 방향 평면 내의 유한 자화의 둘 모두를 가지며, 상기 다수의 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 평행한 방향을 따라 자기장을 함께 발생시키도록 구성되게 함; 및
    프레임을 이용하여 상기 다수의 자석 고리들을 제자리에 고정되게 지지함
    을 포함하는, 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리를 포함한 상기 다수의 자석 고리들은 미리 정해진 내부 부피 내측에 적어도 주어진 수준의 균일성을 가지는 자기장을 함께 발생시키도록 구성되는, 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 회전 대칭성을 보유하고 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리를 포함한 상기 다수의 자석 고리들은 상기 자석 배열체 외측의 주변 자기장(fringe field)을 함께 최소화하도록 구성되는, 방법.
15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 각각의 자석 고리는 상기 길이 방향 축을 중심으로 한 상기 고리의 평면내(in-plane) 회전에 대해 회전 대칭성을 가지는, 방법.
16. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 자석 고리들 중 적어도 하나는 상기 미리 정해진 내부 부피를 둘러싸고, 상기 길이 방향 축을 따라 상기 내부 부피의 중심의 일측에 배치된 상기 자석 고리들의 최소 내측 반경은 상기 내부 부피의 중심의 타측에 배치된 상기 자석 고리들의 최소 반경과 상이한, 방법.
17. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 자석 고리들은 상기 길이 방향 축에 대해 반사 비대칭성을 가지도록 구성되는, 방법.
18. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 내부 부피는 상기 길이 방향 축을 중심으로 한 회전타원체(ellipsoid of revolution)인, 방법.
19. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리는 단일의 고체 요소로서 만들어지는, 방법.
20. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 방위각(θ) 좌표를 따르는 자화의 상기 유한 성분을 가지는 상기 적어도 하나의 자석 고리는 등간격으로 이격된 동일한 분절들을 가진 분절화 고리로서 만들어지는, 방법.
21. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 자석 고리들 각각은 타원, 원 및 다각형 중 하나를 포함하는 형상을 가지는, 방법.
22. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 방법은 자석 고리들로 된 하나 이상의 추가적인 배열체들을 배치함을 포함하고, 상기 추가적인 배열체들 내 상기 자석 고리들은 상기 길이 방향 축으로부터 각각의 각도로 세팅된 개별 길이 방향 축들과 동축인, 방법.

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