[发明专利]一种高均匀度的多层霍尔巴赫磁体的设计方法

说明书

本发明公开了一种高均匀度的多层霍尔巴赫磁体的设计方法，属于核磁共振技术领域。本发明提供的方法通过使用z轴不均匀度作为整个球体空间不均匀度的约束条件，同时考虑磁体体积的因素，实现了磁体各层的几何尺寸的优化。根据该设计方法获得多层霍尔巴赫磁体具有磁场均匀度高、磁体体积小、重量轻的优点，适用于小型化、便携式的核磁共振装置，具有广泛的应用前景。同时，本发明还提供了多层霍尔巴赫磁体的安装方法，采用本发明提供的方法操作简便，能够精准地进行安装，降低了霍尔巴赫磁体的成本。

技术领域

本发明属于永磁技术领域。具体而言，本发明涉及一种高均匀度的多层霍尔巴赫磁体的设计方法。

背景技术

核磁共振波谱(NMR)技术已经被广泛的应用于生命科学、医学、化学、工业等领域。高均匀性磁体是核磁共振波谱仪的核心部件，其主要包括超导磁体和永磁体两种。基于超导磁体的高场波谱仪已得到广泛应用，其场强最高可达11Tesla，谱分辨率高，由于超导磁体需要液氦冷却，其重量、体积以及维护成本等约束了NMR在部分场景中的使用，特别是在一些对于体积要求比较小、可移动、可实时在线检测的场景，比如部分化学合成、催化实验和在线质量监控等场景需要实时监测反应结果。基于永磁体的桌面核磁共振波谱仪，场强及谱分辨率还无法与基于超导磁体的波谱仪匹敌，但其磁体体积小，无需液氦、维护成本低，其安装成本在20～80万元，远小于基于超导磁体的波谱仪(成本为200～600万元)，可以弥补基于超导磁体的波谱仪的在部分应用场景中的限制。近几年，永磁体的设计理论以及基于永磁体的桌面式波谱仪得到迅速的发展，特别是Halbach(霍尔巴赫)磁体，由于其具有单位质量磁体可产生更高场强的特性，更是研究中的热点。

与其他永磁体相比，Halbach磁体构型具有大场强-质量比(与其他构型相比，单位质量可产生的磁场强度)，无杂散磁场、无需铁轭等优点。但是，当磁体体积进一步减小时，磁场的均匀性会变得很差。因此，如何对于磁体进行设计和优化，在保持磁体较高均匀性的同时能够兼具体积小是目前Halbach磁体需要解决的技术问题，特别是针对多层Halbach磁体而言。同时，由于多层Halbach磁体之间存在吸引力和排斥力，如何进行多层Halbach磁体的精准装配也是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高均匀度的多层Halbach磁体的设计优化方法。该方法能够保证磁体具有较高均匀度的同时具有较小的体积。

本发明的另一个目的在于提供一种按照本发明所述的设计优化方法设计得到的高均匀度的多层Halbach磁体。本发明提供的磁体兼具较高的均匀性和较小的磁体体积。

本发明的另一个目的在于提供一种所述高均匀度的多层Halbach磁体的装配方法。本发明提供的安装方法操作简便，通过对径向和轴向同时进行精准定位。

本发明的另一目的在于提供一种核磁共振装置，所述核磁共振装置中含有本发明所述的高均匀度的多层Halbach磁体。

本发明还提供了所述高均匀度的多层Halbach磁体或所述核磁共振装置在成像或者波谱分析中的应用。

本发明的发明人发现，现有技术中对于单层Halbach磁体的磁场分布做了研究，见式(III)，由式(III)可知，在球体感兴趣空间中，对于单层磁体来说，z轴的磁场不均匀度最大。但是，式(III)中虽然描述了单层Halbach磁体的三维分布，然而方程在磁体的外部空间不收敛，无法用于构建多层Halbach磁体磁场分布方程。

式(III)，其中：