本發(fā)明涉及一種核磁共振永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能在較小體積磁體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生用于NMR檢測的均勻靜磁場。

背景技術(shù)：

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技術(shù)在近年來發(fā)展迅速，以其快速性、無損性、準(zhǔn)確性和高靈敏性而被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生命醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)食品安全、地質(zhì)勘探、測井等領(lǐng)域。但是，目前應(yīng)用的核磁共振磁體為了提高磁場強(qiáng)度和均勻性而增加磁性材料使用量，導(dǎo)致整體龐大笨重，不符合未來便攜式、微型化的發(fā)展需求。Halbach陣列結(jié)構(gòu)永磁體(魔環(huán)磁體)自提出以來受到了廣泛的關(guān)注，該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是磁環(huán)一側(cè)磁場強(qiáng)度增加而另一側(cè)較小，這種聚磁效果能減少磁體外圍漏磁，從而能實(shí)現(xiàn)小體積磁體獲得較高磁場強(qiáng)度，為核磁共振磁體微型化提供一種新方法。

Halbach陣列結(jié)構(gòu)永磁體有磁場強(qiáng)度高、漏磁少、無需鐵軛等性能優(yōu)勢，引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)磁體高度減小時(shí)，端部效應(yīng)對中心磁場的影響顯著，導(dǎo)致磁場均勻性嚴(yán)重變差，亟待解決。專利CN 100568016C公開了一種用于便攜式核磁共振儀器的永磁體，利用半圓柱形永磁體補(bǔ)償圓柱形永磁體端部的軸向磁場，但是半圓柱形永磁體的兩端部磁場在空間中發(fā)散分布，漏磁大且結(jié)構(gòu)笨重；專利CN 100568017C則對專利CN 100568016C公開的磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將底下半圓柱形永磁體改成半球形永磁體，補(bǔ)償圓柱形永磁體端部效應(yīng)的同時(shí)減小了外圍的漏磁。在國際上Blümler實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)對Halbach結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，Raich等(Raich H,Blümler P.Design and construction of a dipolar Halbach array with a homogeneous field from identical bar magnets:NMR Mandhalas[J].Concepts in Magnetic Resonance Part B Magnetic Resonance Engineering,2004,23B(23B):16-25.)設(shè)計(jì)了一種NMR Mandhalas(Magnet Arrangements for Novel Discrete Halbach Layout)永磁體結(jié)構(gòu)，采用完全相同矩形磁塊構(gòu)成Halbach陣列并多層堆疊，降低加工裝配難度并一定程度上減小端部效應(yīng)；Soltner等(Soltner H,P.Blümler.Dipolar Halbach magnet stacks made from identically shaped permanent magnets for magnetic resonance[J].Concepts in Magnetic Resonance Part A,2010,36A(4):211–222.)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探索了圓形和多邊形等不同截面是Mandhalas磁體的性質(zhì)，并研究說明多層磁環(huán)堆疊時(shí)調(diào)整層間距可以提高中心磁場均勻性。

綜上，利用半球形磁體結(jié)構(gòu)等外加裝置補(bǔ)償磁體軸向磁場，會(huì)導(dǎo)致永磁體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且增大磁體體積，不利于磁體結(jié)構(gòu)的微型化；Mandhalas多層陣列結(jié)構(gòu)調(diào)整層間距改善磁場均勻性，但是隨著間隙增大漏磁增加，而且磁體高度仍然太大導(dǎo)致磁體體積較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種徑向調(diào)整均勻場的便攜式NMR檢測永磁磁體，實(shí)現(xiàn)小體積磁體產(chǎn)生高均勻性磁場，結(jié)構(gòu)簡單、開放性好，在便攜式核磁共振系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：本發(fā)明的具體方案如下：一種徑向調(diào)整均勻場的便攜式核磁共振檢測永磁磁體，包括徑向調(diào)整永磁磁體和基底板，所述徑向調(diào)整永磁磁體是由M層不同內(nèi)外徑比值的子磁環(huán)陣列堆疊構(gòu)成，所述M>2；每層子磁環(huán)陣列由N塊完全相同的磁塊沿圓周陣列排布后對應(yīng)固定在一個(gè)基底板上，N＝2n，n>2。

進(jìn)一步的，所述子磁環(huán)陣列的組成磁塊相鄰之間留有間隙，能夠徑向調(diào)整磁體大小和位置，同時(shí)隔離磁塊降低磁環(huán)裝配難度。

進(jìn)一步的，所述基底板為M+1個(gè)，包括上蓋板、下蓋板和中間基板，上蓋板下表面、下蓋板上表面和中間基板的上下表面均加工有凹槽，M每層子磁環(huán)陣列分別嵌入上蓋板與中間基板之間、兩個(gè)中間基板之間和中間基板與上蓋板之間。

進(jìn)一步的，所述基底板材料選用鋁合金材料或者其他不導(dǎo)磁材料。

進(jìn)一步的，所述的子磁環(huán)陣列的組成磁塊橫截面形狀為梯形、矩形、圓形、橢圓形或者規(guī)則多邊形。

進(jìn)一步的，所述的子磁環(huán)陣列的組成磁塊材料選用釹鐵硼、釤鈷永磁材料或者其它永磁體材料。

進(jìn)一步的，磁化方向隨磁塊位置規(guī)律旋轉(zhuǎn)，第i個(gè)磁塊的位置偏轉(zhuǎn)角θ＝i·2π/N，則對應(yīng)磁塊的磁化偏轉(zhuǎn)角β_i＝2θ，i＝0,1,…,N-1。

進(jìn)一步的，所述永磁磁體結(jié)構(gòu)由多層已嵌入磁塊的基底板堆疊構(gòu)成，每層子磁環(huán)陣列的內(nèi)外徑比值不同，最后配合銅制螺桿和銅制螺母固定整個(gè)磁體結(jié)構(gòu)。

有益效果：本發(fā)明提供的徑向調(diào)整均勻場的便攜式NMR檢測永磁磁體，在傳統(tǒng)圓柱形磁體的基礎(chǔ)上，調(diào)整各層磁環(huán)內(nèi)外徑大小，增大外層磁環(huán)對磁體中心磁場的補(bǔ)償，均勻化中心磁場分布，有效解決傳統(tǒng)磁體由于高度降低而導(dǎo)致的端部效應(yīng)。而且，該結(jié)構(gòu)無需引入外加磁場補(bǔ)償裝置，整體結(jié)構(gòu)簡單，利用鋁合金基板定位并固定磁環(huán)磁體，極大降低了磁體的裝配難度。因此，本發(fā)明提供永磁磁體可以在小體積結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較高強(qiáng)度和高均勻性的磁場，通用于便攜式、微型化核磁共振檢測系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的單層磁環(huán)結(jié)構(gòu)的磁化方向旋轉(zhuǎn)示意圖。

圖3為本發(fā)明的單層磁環(huán)結(jié)構(gòu)局部示意圖。

圖4為本發(fā)明的軸線方向剖示圖。

圖5為本發(fā)明的單層磁環(huán)結(jié)構(gòu)裝配爆炸示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的工作氣隙中心y＝0時(shí)x-z坐標(biāo)平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B_z等高線圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的工作氣隙中心x＝0時(shí)y-z坐標(biāo)平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B_z等高線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種徑向調(diào)整均勻場的便攜式NMR檢測永磁磁體，磁體結(jié)構(gòu)包括永磁磁環(huán)(501,…,508)、基底板(201,301…,310,601)以及銅制螺桿(401)和螺母(101)。該實(shí)施例中永磁磁體是由M＝11層子磁環(huán)陣列堆疊而成，每層子磁環(huán)內(nèi)外徑比值經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整。子磁環(huán)是由N＝8個(gè)完全相同的梯形磁塊(501,…,508)按圓周陣列排列，嵌入基底板(201,301…,310,601)的凹槽中用專用膠水固定，再將基底板(201,301,…,310,601)層層堆疊起來后用螺桿(401)和螺母(101)固定。

如圖2所示是本發(fā)明的單層磁環(huán)結(jié)構(gòu)磁化方向旋轉(zhuǎn)示意圖，由N＝8塊梯形磁塊(501,…,508)沿圓周陣列排布，相鄰磁塊之間留有間隙，磁塊的磁化方向隨其位置規(guī)律變化，具體規(guī)律如圖3所示。將永磁環(huán)均勻分成N塊小磁塊組合而成，理論上能在中心區(qū)域產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為B₀的靜磁場，

$B_0=B_r\frac{sin(2\mathrm{\π}/N)}{2\mathrm{\π}/N}ln(r_{out}/r_{in})$

其中：

B_r：永磁性材料的剩磁；

r_out：永磁環(huán)的外徑；

r_in：永磁環(huán)的內(nèi)徑；

本發(fā)明中還要考慮有限高度磁體端部效應(yīng)和相鄰磁塊間隙的影響，因此修正后，

$B_0=B_r\frac{sin(2\mathrm{\π}/N)}{2\mathrm{\π}/N}\[ln(r_{out}/r_{in})-f\]$

其中：

f：考慮實(shí)際因素的修正因子；

圖3是本發(fā)明的單層磁環(huán)結(jié)構(gòu)局部示意圖，第i(i＝0,1,…,N-1)個(gè)磁塊的位置偏轉(zhuǎn)角θ＝i·2π/N，則該磁塊的磁化偏轉(zhuǎn)角β_i＝2θ。

如圖4所示是本發(fā)明提供永磁磁體的軸線方向剖視圖，徑向調(diào)整永磁磁體的各層內(nèi)外徑大小經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，第一、二、三層(L1,L2,L3)和第九、十、十一層(L9,L10,L11)磁環(huán)內(nèi)外徑比值(r_out/r_in)比中間層(L4,L5,L6,L7,L8)大，增大中心磁場強(qiáng)度的同時(shí)補(bǔ)償磁體的端部效應(yīng)。再徑向微調(diào)中間層磁環(huán)的磁塊位置，改善磁場均勻性。各層子磁環(huán)嵌套在鋁質(zhì)基底板的凹槽中，層與層之間間距為d_m。如圖5所示是本發(fā)明的單層磁環(huán)結(jié)構(gòu)裝配爆炸示意圖。

本實(shí)施例子磁環(huán)層數(shù)M＝11，每層子磁環(huán)的梯形磁塊個(gè)數(shù)N＝8，高度為7.2mm，層間距d_m＝2mm，完整的裝配體尺寸為φ150×100mm，中間孔徑為φ60mm。如圖6-7所示，分別是本發(fā)明實(shí)施例的工作氣隙中心y＝0時(shí)x-z坐標(biāo)平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B_z等高線圖和x＝0時(shí)y-z坐標(biāo)平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B_z等高線圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為mT。計(jì)算中心氣隙平面20mm×20mm區(qū)域內(nèi)z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度，由圖示可以看出磁場強(qiáng)度能達(dá)到447mT，不均勻度能控制在10^-2量級(jí)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，應(yīng)當(dāng)指出：本發(fā)明中永磁體的子磁環(huán)層數(shù)、層高度和層間距可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)整，構(gòu)成子磁環(huán)磁塊的個(gè)數(shù)也不受限制，截面形狀不必拘泥于梯形，各層子磁環(huán)的內(nèi)外徑大小根據(jù)設(shè)計(jì)確定。故在不脫離本發(fā)明原理的前提下，可以做出適當(dāng)改進(jìn)和潤飾，但所做改進(jìn)和潤飾均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。