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    • 专利摘要:
    本实用新型公开了一种用于核磁共振的阵列磁体，包括：中央环形磁体、设置在所述中央环形磁体内的内八角环和设置在所述中央环形磁体外的外八角环，其中，所述中央环形磁体包括：一起形成基本环形的几何形状的八块磁体，且每块磁体可径向向内和/或向外移动。所述八块磁体的极化以哈尔巴赫Halbach构型布置，通过磁体阵列结构可使给定重量的磁性材料产生的磁通密度最大，对于给定的场强，可以用最少的材料构造磁体结构，从而降低成本，减少磁铁重量，并且移动性好，方便运输。
    公开号:CN214335194U
    申请号:CN202120294375.9U
    申请日:2021-02-02
    公开日:2021-10-01
    发明作者:盛子锴
    申请人:Shenzhen Liangxuan Technology Co ltd；
    IPC主号:G01R33-383
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及磁场应用技术领域，尤其涉及一种用于核磁共振的阵列磁体。
    [n0002] 磁场应用经常需要具有非常高的强度，即高的通量密度的场。这些应用所需的通量密度通常超过1至2特斯拉(T)。例如，固态磁性制冷剂在存在1T 或更高的磁场时表现出磁热效应，而MRI机器采用的磁通密度约为2T。为了获得高于1或2T的高磁通密度，电磁体被使用。采用超导螺线管也是很常见的，它可以大大降低电阻并提供高功率的超导磁体。
    [n0003] 但是，电磁铁需要大量的电源来充电，超导磁铁需要大量的冷却系统以将螺线管保持在某些临界低温以下。通常使用液氦，并且必须定期补充液氦以冷却磁体，这使磁体变大且昂贵。这些属性不仅增加了高功率电磁体的成本，而且由于其尺寸大，重量大，尤其是那些能够产生非常强磁场的电磁体。永磁体提供了电磁体的替代磁通量源，并且不需要大型电源或冷却系统。但是，永磁体不能产生与电磁体相当的磁通密度。目前为增加永磁体的磁通密度，使用稀土金属如钕(Nd)和(Sm)，以增加永磁体的磁场强度。当前使用最广泛的永磁体是Nd-Fe-B和SmCo。此外，采用这些材料的布置技术已经可以产生具有2T的磁通密度的磁场。
    [n0004] 关于永磁体布置技术，基本概念是以一定方式构造磁体段的阵列，由此使它们的磁化矢量对准并协作以产生更大强度的相干磁场。换句话说，组合磁场的磁通密度大于磁性材料本身的剩余磁通密度(剩磁)。例如，“磁环”，也称为中空圆柱磁通量源，是一种常规构造，其在限定穿过中心的开口或间隙的盘状或管状结构中组合了少至8个磁段。对齐磁化矢量以在中心间隙中产生磁场，该磁场的磁通密度比磁体段的剩余磁通密度高。
    [n0005] 已经构造了使用稀土永磁以产生每单位磁性材料净重具有高通量密度的强磁场。尽管这些永磁体在重量、成本和移动性方面都优于超导电磁体，但它们的大量生产将需要大量消耗稀土。此外，与铁、镍和钴相比，稀土非常昂贵。因此，理想的是使用一种磁体阵列结构，该结构可使给定重量的磁性材料产生的磁通密度最大。对于给定的场强，用最少的材料构造磁体结构降低成本是非常重要的。
    [n0006] 本实用新型的目的在于提供一种用于核磁共振的阵列磁体，通过磁体阵列结构可使给定重量的磁性材料产生的磁通密度最大，对于给定的场强，用最少的材料构造磁体结构，以降低成本，减少磁铁重量，方便运输。
    [n0007] 为实现上述目的，本实用新型提出一种用于核磁共振的阵列磁体，包括：中央环形磁体、设置在所述中央环形磁体内的内八角环，和设置在所述中央环形磁体外的外八角环，其中，所述中央环形磁体包括：一起形成基本环形的几何形状的八块磁体，且每块磁体可径向向内和/或向外移动。
    [n0008] 其中，所述八块磁体的极化以哈尔巴赫Halbach构型布置。
    [n0009] 其中，所述内八角环的中心环形适配直径为5mm的NMR管。
    [n0010] 其中，所述八块磁体的几何形状均为梯形，形成八个梯形磁体。
    [n0011] 其中，所述梯形磁体的梯形横截面上设有螺柱调节孔，每个螺柱调节孔配置有一螺柱；所述内八角环和外八角环的每个面上对应设有螺纹孔，用于调节梯形磁体的位置。
    [n0012] 其中，所述螺纹孔为四个，所述内八角环和外八角环为无磁铝合金材质。
    [n0013] 其中，所述内八角环和外八角环的中间距离大于所述梯形磁体的梯形高度。
    [n0014] 其中，所述八个梯形磁体和中心环形在垂直于中心轴线方向上具有径向调节范围。
    [n0015] 本实用新型提出的用于核磁共振的阵列磁体，包括：中央环形磁体、设置在所述中央环形磁体内的内八角环和设置在所述中央环形磁体外的外八角环，其中，所述中央环形磁体包括：一起形成基本环形的几何形状的八块磁体，且每块磁体可径向向内和/或向外移动。所述八块磁体的极化以哈尔巴赫 Halbach构型布置，通过磁体阵列结构可使给定重量的磁性材料产生的磁通密度最大，对于给定的场强，可以用最少的材料构造磁体结构，从而降低成本，减少磁铁重量，并且移动性好，方便运输。
    [n0016] 图1为本实用新型用于核磁共振的阵列磁体的主视图；
    [n0017] 图2为本实用新型用于核磁共振的阵列磁体的立体图；
    [n0018] 图3为八块梯形磁体的磁场方向指示示意图。
    [n0019] 附图编号：
    [n0020] 磁体-1、内八角环-2、外八角环-3、螺柱-4
    [n0021] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
    [n0022] 参照图1-图3所示，图1为本实用新型用于核磁共振的阵列磁体的主视图；
    [n0023] 图2为本实用新型用于核磁共振的阵列磁体的立体图；图3为八块梯形磁体1的磁场方向指示示意图，本实用新型提出一种用于核磁共振的阵列磁体，包括：中央环形磁体1、设置在所述中央环形磁体1内的内八角环2，和设置在所述中央环形磁体1外的外八角环3，其中，所述中央环形磁体1包括：一起形成基本环形的几何形状的八块磁体1，且每块磁体1可径向向内和/或向外移动。
    [n0024] 其中，所述八块磁体1的极化以哈尔巴赫Halbach构型布置。所述内八角环 2的中心环形可以适配直径为5mm的NMR管。
    [n0025] 作为一种实施方式，所述八块磁体1的几何形状均为梯形，形成八个梯形磁体1。其中，八个梯形磁体1的梯形横截面上设有螺柱调节孔，每个螺柱调节孔配置有一螺柱4；所述内八角环2和外八角环3的每个面上对应设有螺纹孔，用于调节梯形磁体1的位置。
    [n0026] 作为一种实施方式，所述螺纹孔为四个。
    [n0027] 其中，所述内八角环2和外八角环3为无磁铝合金材质。
    [n0028] 其中，所述内八角环2和外八角环3的中间距离大于所述梯形磁体1的梯形高度。
    [n0029] 其中，所述八个梯形磁体1和中心环形在垂直于中心轴线方向上具有径向调节范围。
    [n0030] 以下对本实用新型方案进行详细阐述。
    [n0031] 本实用新型用于核磁共振的阵列磁体用于NMR光谱学，该阵列磁体可以在敏感体积中提供磁场均匀性，磁体1易于运输放置于桌面。
    [n0032] 其中，八个磁体1构成八个磁头环形磁体1，每个磁头相对于中心轴线具有大致圆形的几何形状，相对于中心轴线具有基本上圆形的几何形状的中央环形磁体1。
    [n0033] 该中央环形磁体1包括一起形成基本环形的几何形状的八块磁体1，且每块磁体1可以向中心调节运动。八块磁体1优选为梯形磁体1。
    [n0034] 本方案的阵列磁体被设计成使得8个磁体1的极化以哈尔巴赫(Halbach) 构型布置，从而导致环形磁体1内的中央开放空间中产生非常大的磁场。根据本方案的磁体1布置允许在环形磁体1内产生高度均匀的场，从而允许插入常规的5mmNMR管。可以使用线宽小于1ppm的常规NMR技术研究这些样品。通过使8个磁体1运动，环形磁体1内的磁场在相应的NMR设备的敏感体积之内，可以更改。通过移动磁体1，可以使磁场匀场，增加了圆形磁体 1内部的敏感体积内的磁场的均匀性。本方案的阵列磁体可以是手掌大小，从而允许同时测量最大5mm直径的样品。磁体1可以径向向内和/或向外移动。
    [n0035] 八个优选地成形为梯形件的磁体1之间，八个成形为矩形件磁体1的径向自由度允许敏感体积的大小大于用矩形获得的区域。
    [n0036] 具有梯形横截面的磁体1允许通过所述梯形磁体1的两个平面的螺柱4 调节孔引导。
    [n0037] 根据本方案实施例，8个环形磁体1和中心环形在垂直于中心轴线方向上具有径向调节范围，通过这种构造，可以实现磁场的高均匀性。
    [n0038] 其中，磁环有内八角环2和外八角环3，八角环材质为无磁铝合金。八角金属环的每个面上有四个螺纹孔，用于调解梯形磁体1的位置，磁体1外所有材料均为无磁材料。外环和内环中间为梯形永磁体1，且内外环的中间距离大于梯形磁体1的梯形高度。
    [n0039] 关于中心磁场强度计算公式如下：
    [n0040] 其中，H为中心磁场强度，M为磁体本身剩磁强度，rext为磁体外径、rint为磁场内径。
    [n0041] 当八块梯形磁体1按照图3中要求的磁场方向放入阵列磁体装置后，首先要把磁体1调解到紧靠在外八角铝环的一边，对中心磁场进行初测均匀度，如图3所示1号、5号磁体1方向为主磁场方向，首先对主磁场方向上的磁体 1进行调节，同时测试中心区域磁场的均匀度。因为磁体1的轻微移动，在 ppm级别的磁场波动会很大，所以调节螺丝不能手动调节，需要高精度伺服电机对其进行机械调节匀场。
    [n0042] 其中，基于模式搜素算法下的机械调节原理如下：
    [n0043] 每个八角铝环的面上有调节螺纹孔，可机械调节磁极，每个都有一个螺栓，可以调节磁铁块的位置精度约为0.1毫米。重要的是，通过移动磁性块，即在进行磁化后，可以进行机械匀场，而无需添加其他匀场磁铁的材料。
    [n0044] 此外，适当调节磁体1的位置块可以有效抵消线性失真项，从而大大改善了整个场同质性。
    [n0045] “模式搜索”是指执行从预定方向上的特定点开始搜索最佳值。一种模式搜索算法简单易行，对于一个良好的初始起点，很可能需要仅有少量计算量的仿真和成本函数评估，渲染。对于非线性多变量优化问题，这是一个非常好的、可靠的和灵活的选择。如模式搜索算法的目标函数，使用以下表达式：
    [n0046]
    [n0047] 其中，f表示在NMR测试域中最大相对不均匀度，以百万分之几(ppm) 为单位，Bmax和Bmin分别是(ROI)中磁场的最大和最小绝对值，Bave是ROI 中的平均B。定义不均匀性的另一种方法是使用归一化为其平均值的磁场的标准偏差。用模式搜索算法获得可行解的另一个重要点是定义一组轮询点，即对设计变量的不等式约束。然后，模式搜索算法可以在定义的边界内改变磁体1块组的位置，以最大化定义的ROI内的场均匀性。该算法继续搜索最佳值，直到步长减小到小于给定公差的值为止，比如，该公差设置为百万分之一。对于具有优化变量的当前问题，使用此终止条件。
    [n0048] 为了测试每次匀场过程后磁场均匀性的改善，使用NMR实验测量NMR 光谱的特征。在这些实验中5mm外径NMR中包含的水样品的半峰全宽可以直接转换为因为场的不均匀性会导致光谱的峰宽。使用这个方法对机械匀场的磁体1测得的场均匀性达到10ppm。
    [n0049] 以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
    权利要求:
    Claims (8)
    [0001] 1.一种用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，包括：中央环形磁体、设置在所述中央环形磁体内的内八角环，和设置在所述中央环形磁体外的外八角环，其中，所述中央环形磁体包括：一起形成基本环形的几何形状的八块磁体，且每块磁体可径向向内和/或向外移动。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，所述八块磁体的极化以哈尔巴赫Halbach构型布置。
    [0003] 3.根据权利要求1所述的用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，所述内八角环的中心环形适配直径为5mm的NMR管。
    [0004] 4.根据权利要求1所述的用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，所述八块磁体的几何形状均为梯形，形成八个梯形磁体。
    [0005] 5.根据权利要求4所述的用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，所述梯形磁体的梯形横截面上设有螺柱调节孔，每个螺柱调节孔配置有一螺柱；所述内八角环和外八角环的每个面上对应设有螺纹孔，用于调节梯形磁体的位置。
    [0006] 6.根据权利要求5所述的用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，所述螺纹孔为四个，所述内八角环和外八角环为无磁铝合金材质。
    [0007] 7.根据权利要求4所述的用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，所述内八角环和外八角环的中间距离大于所述梯形磁体的梯形高度。
    [0008] 8.根据权利要求4所述的用于核磁共振的阵列磁体，其特征在于，所述八个梯形磁体和中心环形在垂直于中心轴线方向上具有径向调节范围。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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