突破性的磁体设计可以改变 MRI 和磁悬浮
物理学家 教授 博士。 拜罗伊特大学的 Ingo Rehberg 博士和 来自美因茨约翰内斯古腾堡大学的 Peter Blümler 开发并实验验证了一种使用永磁体产生均匀磁场的创新方法。 他们的方法优于经典的 Halbach 排列——后者仅适用于无限长且因此无法实现的磁体——通过在紧凑、有限尺寸中产生更高的场强和改进的均匀性配置。 该研究发表在著名的跨学科期刊《物理评论应用》上，该期刊显示了物理学与工程、材料科学、化学、生物学和医学交叉领域的应用科学的重大进展。 磁场均匀化的新方法 通过永磁体的定向布置，可以在相对较大的空间区域内产生均匀的磁场。 一个众所周知的design 就是所谓的 Halbach 数组。 然而，这种方法基于一个理想化的假设，即非常长的磁体（理想情况下是无限长的磁体）可以排列成一个圆，使得各个贡献叠加在一起，从而在中心区域产生均匀的磁场。 在实际应用中，使用有限长度的磁体，产生的磁场与这个理想值明显不同：圆内的磁场强度变化很大取决于位置。 因此，当目标是实现尽可能强和/或最均匀的磁场时，经典的 Halbach 几何形状显然不是紧凑的、实际可实现的磁体布置的最佳选择。 在他们的工作中，Peter Blümler 和 Ingo Rehberg 提出了非常紧凑的磁体的最佳三维排列，由点偶极子理想化。 为了研究可能的应用，他们研究了用于两种与实际应用相关的几何形状的磁铁：单环和堆叠双环。 所谓的 “聚焦 ”设计还允许在磁体平面外产生均匀的磁场，例如在位于磁体上方的物体中。 对于这些新安排，Rehberg 和 Blümler 开发了分析公式，随后他们通过实验验证了这些公式。 为此，他们用安装在 3D 打印支架上的 16 个 FeNdB 长方体构建了磁体阵列。 这测量产生的磁场并与理论预测进行比较，显示出极好的一致性。 在磁场强度和均匀性方面，新配置明显优于经典的 Halbach 排列以及文献中描述的修改。 众多应用的潜力 新的设计理念为需要强大和均匀磁场的应用提供了巨大的潜力。 在常规磁共振成像 （MRI），例如，强大的超导磁体用于极化组织中的氢原子核。 然后这些原子核被无线电波激发，在身体周围的探测器中产生可测量的电压。 算法使用这些信号来计算详细的横截面图像，使医生能够根据密度、水或脂肪含量和扩散等特性来区分组织类型。 然而，超导磁体在技术上很复杂，并且成本极高，使得这项技术在世界许多地方几乎不可用。 对于这种情况，正在进行深入的研究，以开发使用永磁体产生均匀磁场的替代方法——本研究对这个领域做出了有希望的贡献。 其他潜在应用领域包括粒子加速器和磁悬浮系统。