[发明专利]一种新型的在自由空间中实现均匀强静磁场的方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁场与电磁波应用领域，涉及到一种可以在很大的自由空间区域内实现很强的均匀静态磁场的无源的静磁场增强器。

背景技术

在自由空间内实现强磁场在科研，医疗，军事等领域都有非常重要的作用。在医学上，静磁场在症状检查，治疗和医学研究中都起到了非常重要的作用。比如：经颅磁刺激是一种将磁场穿过人脑，可以用于研究脑科学，治疗与脑有关疾病的方法。但是受限于磁场强度无法做得很高，使得只能将磁场穿透到人脑表面皮层区域。而对于人脑更深的区域，基底神经节，神经中枢等无法被磁场进入【1】。实现强静磁场的技术将会对该方法起到巨大的推动作用。在目前医学上使用的核磁共振成像系统中，为了提高成像的空间分辨率，可以借助于提高静磁场的方法来实现。目前商用的核磁共振设备使用的静磁场从1.5T，3T，最高可以达到7T【2】。实现强静磁场的技术将会很大程度上提高核磁共振系统的空间分辨率，有助于更早地发现病变位置和更精准地对病变位置定位。在10 T以上的强磁场下，磁场对化学反应体系的影响非常显著，甚至可以影响到化学反应的反应热、PH值、化学反应进行的方向、反应速率、活化能、熵等诸多方面。强磁场的实现将对生物化学研究领域起到很大的推动作用。

目前，人们可以在空心螺线圈的导线上通入强电流，进而在螺线圈的内部自由空间内实现强磁场。即通过大的电流来实现强磁场。但是这种方法受限于导线中允许通过的最大电流（电流过大则产生过多热量，从而烧坏导线）。在使用冷却线圈的技术下，也无法在自由空间中实现大于50T的静磁场。目前世界上实现的最强的人造静磁场是45T，是通过给超导体或者抗磁体施加很强的电能实现的【3，4】。这种方法也只能在很小的空间内（32mm的直径的空气孔区域）实现45T的静磁场。同时这种方法需要消耗很多的电能。近期也有学者提出，可以借助于超导体材料和铁磁体材料交错排列的方法在自由空间内实现很强的静磁场【5】。但是这种方法也有很大的局限性，基于该项技术要在给定的空间区域内实现很强的磁场，必须将器件尺寸做得很大（要实现50T以上的磁场，该器件的内外半径几何尺寸比例要大于50）。

【1】      M. Kobayashi and A. Pascual-Leone, ‘Transcranial magnetic stimulation in neurology,’ Lancet Neurology 2, 145 (2003).

【2】      M. A Brown and R. C. Semelka, MRI: basic principles and applications. (2010, Wiley-Blackwell).

【3】      F. Gomory, M. Solovyov, J. Souc, C. Navau, J. Prat-Camps, and A. Sanchez, Science 335, 1466 (2012).

【4】      H. J. Schneider-Muntau, B. L. Brandt, L. C. Brunel, T. A. Cross, A. S. Edison, A. G. Marshall, and A. P. Reyes, ‘The National High Magnetic Field Laboratory,’ Physica B 346–347, 643 (2004).

【5】      C. Navau, J. Prat-Camps, and A. Sanchez, PRL 109, 263903 (2012).

发明内容

本发明针对现有技术的不足，设计了一种可以在很大的自由空间中实现50T或者更高的均匀静磁场的无源静磁场增强器。

本发明的理论基础是近几年才被提出和深入研究的变换光学理论，需要借助于近几年发展十分迅速的新型人工特异介质来实现。

本发明采用的技术方案是：二维空间中的一个环形器件作为静磁场增强器，其中填充了负磁导率的各向异性的非均匀磁性材料。在环形器件之外的内部和外部区域都是空气。其中构成该器件的磁性材料是各向异性的，也就是在径向方向和切向方向上的磁导率是不一样的。并且构成该器件的磁性材料是非均匀的（也就是材料参数要随空间位置变换而变化）。将环形器件所处的整个环境中加一个弱的均匀背景静磁场，此时在环形器件之外的内部区域内实现均匀强静磁场。