一种径向调整均匀场的便携式核磁共振检测永磁磁体的制作方法

本发明涉及一种核磁共振永磁体结构设计，能在较小体积磁体结构中产生用于NMR检测的均匀静磁场。

背景技术：

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技术在近年来发展迅速，以其快速性、无损性、准确性和高灵敏性而被广泛应用于物理、化学、生命医学、农业食品安全、地质勘探、测井等领域。但是，目前应用的核磁共振磁体为了提高磁场强度和均匀性而增加磁性材料使用量，导致整体庞大笨重，不符合未来便携式、微型化的发展需求。Halbach阵列结构永磁体(魔环磁体)自提出以来受到了广泛的关注，该结构特点是磁环一侧磁场强度增加而另一侧较小，这种聚磁效果能减少磁体外围漏磁，从而能实现小体积磁体获得较高磁场强度，为核磁共振磁体微型化提供一种新方法。

Halbach阵列结构永磁体有磁场强度高、漏磁少、无需铁轭等性能优势，引起了国内外众多学者的广泛关注。在研究过程中发现，传统磁体高度减小时，端部效应对中心磁场的影响显著，导致磁场均匀性严重变差，亟待解决。专利CN 100568016C公开了一种用于便携式核磁共振仪器的永磁体，利用半圆柱形永磁体补偿圆柱形永磁体端部的轴向磁场，但是半圆柱形永磁体的两端部磁场在空间中发散分布，漏磁大且结构笨重；专利CN 100568017C则对专利CN 100568016C公开的磁体结构进行了改进，将底下半圆柱形永磁体改成半球形永磁体，补偿圆柱形永磁体端部效应的同时减小了外围的漏磁。在国际上Blümler实验室团队对Halbach结构进行了大量研究，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.)设计了一种NMR Mandhalas(Magnet Arrangements for Novel Discrete Halbach Layout)永磁体结构，采用完全相同矩形磁块构成Halbach阵列并多层堆叠，降低加工装配难度并一定程度上减小端部效应；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.)在此基础上继续探索了圆形和多边形等不同截面是Mandhalas磁体的性质，并研究说明多层磁环堆叠时调整层间距可以提高中心磁场均匀性。

综上，利用半球形磁体结构等外加装置补偿磁体轴向磁场，会导致永磁体结构更为复杂且增大磁体体积，不利于磁体结构的微型化；Mandhalas多层阵列结构调整层间距改善磁场均匀性，但是随着间隙增大漏磁增加，而且磁体高度仍然太大导致磁体体积较大。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种径向调整均匀场的便携式NMR检测永磁磁体，实现小体积磁体产生高均匀性磁场，结构简单、开放性好，在便携式核磁共振系统中有广泛的应用前景。

本发明的技术方案是：本发明的具体方案如下：一种径向调整均匀场的便携式核磁共振检测永磁磁体，包括径向调整永磁磁体和基底板，所述径向调整永磁磁体是由M层不同内外径比值的子磁环阵列堆叠构成，所述M>2；每层子磁环阵列由N块完全相同的磁块沿圆周阵列排布后对应固定在一个基底板上，N＝2n，n>2。

进一步的，所述子磁环阵列的组成磁块相邻之间留有间隙，能够径向调整磁体大小和位置，同时隔离磁块降低磁环装配难度。

进一步的，所述基底板为M+1个，包括上盖板、下盖板和中间基板，上盖板下表面、下盖板上表面和中间基板的上下表面均加工有凹槽，M每层子磁环阵列分别嵌入上盖板与中间基板之间、两个中间基板之间和中间基板与上盖板之间。

进一步的，所述基底板材料选用铝合金材料或者其他不导磁材料。

进一步的，所述的子磁环阵列的组成磁块横截面形状为梯形、矩形、圆形、椭圆形或者规则多边形。

进一步的，所述的子磁环阵列的组成磁块材料选用钕铁硼、钐钴永磁材料或者其它永磁体材料。

进一步的，磁化方向随磁块位置规律旋转，第i个磁块的位置偏转角θ＝i·2π/N，则对应磁块的磁化偏转角β_i＝2θ，i＝0,1,…,N-1。

进一步的，所述永磁磁体结构由多层已嵌入磁块的基底板堆叠构成，每层子磁环阵列的内外径比值不同，最后配合铜制螺杆和铜制螺母固定整个磁体结构。

有益效果：本发明提供的径向调整均匀场的便携式NMR检测永磁磁体，在传统圆柱形磁体的基础上，调整各层磁环内外径大小，增大外层磁环对磁体中心磁场的补偿，均匀化中心磁场分布，有效解决传统磁体由于高度降低而导致的端部效应。而且，该结构无需引入外加磁场补偿装置，整体结构简单，利用铝合金基板定位并固定磁环磁体，极大降低了磁体的装配难度。因此，本发明提供永磁磁体可以在小体积结构中产生较高强度和高均匀性的磁场，通用于便携式、微型化核磁共振检测系统。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的单层磁环结构的磁化方向旋转示意图。

图3为本发明的单层磁环结构局部示意图。

图4为本发明的轴线方向剖示图。

图5为本发明的单层磁环结构装配爆炸示意图。

图6为本发明实施例的工作气隙中心y＝0时x-z坐标平面内磁感应强度B_z等高线图。

图7为本发明实施例的工作气隙中心x＝0时y-z坐标平面内磁感应强度B_z等高线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种径向调整均匀场的便携式NMR检测永磁磁体，磁体结构包括永磁磁环(501,…,508)、基底板(201,301…,310,601)以及铜制螺杆(401)和螺母(101)。该实施例中永磁磁体是由M＝11层子磁环阵列堆叠而成，每层子磁环内外径比值经过优化调整。子磁环是由N＝8个完全相同的梯形磁块(501,…,508)按圆周阵列排列，嵌入基底板(201,301…,310,601)的凹槽中用专用胶水固定，再将基底板(201,301,…,310,601)层层堆叠起来后用螺杆(401)和螺母(101)固定。

如图2所示是本发明的单层磁环结构磁化方向旋转示意图，由N＝8块梯形磁块(501,…,508)沿圆周阵列排布，相邻磁块之间留有间隙，磁块的磁化方向随其位置规律变化，具体规律如图3所示。将永磁环均匀分成N块小磁块组合而成，理论上能在中心区域产生磁感应强度为B₀的静磁场，

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

其中：

B_r：永磁性材料的剩磁；

r_out：永磁环的外径；

r_in：永磁环的内径；

本发明中还要考虑有限高度磁体端部效应和相邻磁块间隙的影响，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：考虑实际因素的修正因子；

图3是本发明的单层磁环结构局部示意图，第i(i＝0,1,…,N-1)个磁块的位置偏转角θ＝i·2π/N，则该磁块的磁化偏转角β_i＝2θ。

如图4所示是本发明提供永磁磁体的轴线方向剖视图，径向调整永磁磁体的各层内外径大小经过优化调整，第一、二、三层(L1,L2,L3)和第九、十、十一层(L9,L10,L11)磁环内外径比值(r_out/r_in)比中间层(L4,L5,L6,L7,L8)大，增大中心磁场强度的同时补偿磁体的端部效应。再径向微调中间层磁环的磁块位置，改善磁场均匀性。各层子磁环嵌套在铝质基底板的凹槽中，层与层之间间距为d_m。如图5所示是本发明的单层磁环结构装配爆炸示意图。

本实施例子磁环层数M＝11，每层子磁环的梯形磁块个数N＝8，高度为7.2mm，层间距d_m＝2mm，完整的装配体尺寸为φ150×100mm，中间孔径为φ60mm。如图6-7所示，分别是本发明实施例的工作气隙中心y＝0时x-z坐标平面内磁感应强度B_z等高线图和x＝0时y-z坐标平面内磁感应强度B_z等高线图，磁感应强度单位为mT。计算中心气隙平面20mm×20mm区域内z方向磁感应强度，由图示可以看出磁场强度能达到447mT，不均匀度能控制在10^-2量级。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出：本发明中永磁体的子磁环层数、层高度和层间距可以根据设计需求调整，构成子磁环磁块的个数也不受限制，截面形状不必拘泥于梯形，各层子磁环的内外径大小根据设计确定。故在不脱离本发明原理的前提下，可以做出适当改进和润饰，但所做改进和润饰均包含在本发明的保护范围之内。