[发明专利]一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法

说明书

本发明公开了一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法，包括以下步骤：分别根据霍尔巴赫磁体的结构，进行元线圈在圆柱形曲面轴向等间隔、角向等间隔和等角度的均匀分布，为每一个元线圈匹配独立的驱动电路，供电电流彼此独立，或者把元线圈分为多组，每组元线圈施加相同的驱动电流，根据所需产生的非均匀磁场强度分布，计算各元线圈中电流分布方向及大小。通过上述方式，本发明所述的利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法能够快速方便调节磁场均匀度，产生能够抵消非均匀磁场分布的匀场效果，缩小了匀场线圈所占空间，增加了测量口径尺寸。

技术领域

本发明涉及磁体匀场领域，特别是涉及一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法。

背景技术

霍尔巴赫磁体由于其小型化和便捷性，自上世纪八十年代被提出以来，受到各界广泛的关注，在NMR、磁悬浮和永磁电机等方面都有所发展，尤其在NMR的应用中，霍尔巴赫型磁体能够产生单一横向的均匀场，且由于其闭合磁路，漏磁场小，能够利用较少的磁材产生较大的磁场强度。

相关研究已有在环形圆柱空腔中产生4T的横向强磁场，我国研究人员也制造出了2.6T 的霍尔巴赫磁体， 故其在小型化NMR应用潜力巨大，但均匀度低是制约霍尔巴赫磁体应用于NMR中的主要问题。研究人员试图通过优化磁体设计以及利用铁片进行无源匀场等方式提高其磁体均匀度，但仍很难达到NMR仪器对磁场均匀度的要求，因此利用附加有源匀场线圈，提高磁场均匀性十分必要。

传统的匀场线圈设计主要针对永磁体或者超导磁体等传统磁体，而霍尔巴赫磁体与传统磁体都存在不同。首先，它是一种圆柱型结构，与超导磁体类似，其次它的主磁场方向沿横向方向，与传统磁体都不同，这里我们将之定义为y方向电磁场By，故霍尔巴赫磁体匀场线圈的设计与传统的线圈设计方法都存在差异，传统的设计算法不再适用，我们需要针对磁体的结构和主磁场方向进行特别考虑。

目前已有的霍尔巴赫匀场线圈设计方法包括：利用分离导线法(赵微等，电工技术学报，2010-6-13)，基于鞍形线圈结构，根据磁场在笛卡尔坐标系中的对称性设计了各阶匀场线圈；Liu Wentao等(Wentao L, et al, Appl Magn Reson (2012)，101~112)根据流函数法给出了霍尔巴赫匀场线圈的设计方案，将电流源理想化成流函数元，利用流函数与目标场的关系对源点进行优化。专利（申请号：201410629525.1）给出了一种利用谐波磁场分布与电流密度函数之间的关系，针对各阶次谐波磁场分布设计匀场线圈的方法。上述方法都是针对带匀场磁场分布中各阶次谐波场分布分别进行匀场线圈设计然后叠加使用，而对于霍尔巴赫磁体来说，内部空间有限，多组匀场线圈会使得射频线圈和样品空间被挤占。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法，高效调节磁场均匀度，缩小匀场线圈所占的空间。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法，包括以下步骤：

利用一组元线圈进行阵列分布，针对霍尔巴赫磁体的磁场分布进行匀场，分别根据霍尔巴赫磁体的结构，进行元线圈在圆柱形曲面轴向等间隔、角向等间隔和等角度的均匀分布，或者在霍尔巴赫磁体局部匀场时进行贴合匀场曲面的非均匀分布;

为每一个元线圈匹配独立的驱动电路，供电电流彼此独立，或者把元线圈分为多组，每组元线圈施加相同的驱动电流；

根据所需产生的非均匀磁场强度分布，利用模拟退火优化算法或者Levenberg-Marquardt优化算法计算各元线圈中电流分布方向及大小；

对于模拟退火优化算法或者Levenberg-Marquardt优化算法计算出的电流函数值，通过外部电路控制驱动元线圈工作，利用叠加磁场抵消主磁场的不均匀度，得到目标磁场。

在本发明一个较佳实施例中，所述元线圈为圆形、马鞍形或者多边形结构的线圈。