一种用于核磁共振探头的永磁体装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及核磁共振技术领域，尤其涉及一种用于核磁共振探头的永磁体装置，包括柱状永磁体和锥状永磁体，柱状永磁体的中部设有柱形空腔；锥状永磁体的中部设有锥形空腔，锥状永磁体的底面与柱状永磁体的轴向横截面的形状相同且大小相等，柱状永磁体的一端面与锥状永磁体的底面同轴连接，以将柱形空腔与锥形空腔连通。本发明的结构更加合理，均匀磁场区向锥状永磁体方向偏离柱状永磁体的中心，显著提高了磁场空间利用率，从而有效的减小磁体尺寸，减轻磁体重量。克服了极板式磁体庞大和笨重的缺点，柱状永磁体与锥状永磁体连接组合形成的铅笔形永磁体漏磁很小，故磁能利用率高，减少了铁磁材料的用量，同时提高了中空腔体内的磁场均匀度。
【专利说明】
一种用于核磁共振探头的永磁体装置
技术领域
[0001] 本发明涉及核磁共振技术领域，尤其涉及一种用于核磁共振探头的永磁体装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，在核磁共振设备领域已经获得了不断的发展，提出了许多重要的应用方 向，并且不断在实现。
[0003] 当前对钻探岩心样品的测量，采用的方法是先通过野外钻探获得岩心，再将岩心 带回对测量环境要求较高的实验室中测量。这种方法的缺陷在于从岩心的获得到测量完成 所需的时间过长，以致所得分析结果因其时效性差，不能有效地应用于指导现场勘探与开 发。因此实现快速获取岩心样本的物理化学特性具有现实的意义。也由于同样的原因，农产 品和食品质量检测以及化工产品的现场测量等，亦需要便携式核磁共振仪器。
[0004] 静磁场发生装置(磁源)是核磁共振仪器(NMR)的重要组成部分。构建便携式NMR装 置的首要问题不是磁场强度有多高，而是需要适合的磁场强度、均匀度和整个设备的尺寸、 重量。便携式核磁共振仪器要求磁体能够提供适合的磁场强度和均匀度，并尽可能减少整 个设备的尺寸和重量。
[0005]在当前进行核磁共振测量时，绝大多数的试验手段都是将样品装入试管进行测 量，因此便携式核磁共振仪器需要一种磁场空间利用率高、均匀度高、体积小、重量轻、漏磁 少，适用于对试管中样品进行测量的永磁磁体。
【发明内容】
[0006] (一)要解决的技术问题
[0007] 本发明要解决的技术问题是解决现有核磁共振仪器的永磁体无法提供适合的磁 场强度、均匀度，而且整个设备的尺寸和重量较大，对试管中样品进行测量造成不便的问 题。
[0008] (二)技术方案
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于核磁共振探头的永磁体装置，包 括柱状永磁体和锥状永磁体，所述柱状永磁体的中部设有柱形空腔，所述锥状永磁体的中 部设有锥形空腔，所述锥状永磁体的底面与所述柱状永磁体的轴向横截面的形状相同且大 小相等，所述柱状永磁体的一端面与所述锥状永磁体的底面同轴连接，以将所述柱形空腔 与所述锥形空腔连通。
[0010] 其中，所述柱状永磁体的轴向横截面为正N边形，N = 2M，M为大于2的整数，所述柱 状永磁体由N个相同的三棱柱永磁块沿圆周方向依次连接组成，所述三棱柱永磁块的横截 面为等腰三角形;在所述柱状永磁体的轴向横截面中，每个所述等腰三角形的一条腰和与 其相邻的等腰三角形的底边重合，另一条腰所在的所述三棱柱永磁块的侧面构成所述柱状 永磁体的侧面。
[0011] 其中，所述锥状永磁体由N个相同的且与所述三棱柱永磁块--对应的三棱锥永 磁块沿圆周方向依次连接组成，所述三棱锥永磁块的底面组成所述锥状永磁体的底面，且 所述三棱锥永磁块的底面为与所述三棱柱永磁块的横截面形状相同且大小相等的等腰三 角形;在所述锥状永磁体的底面中，每个所述等腰三角形的一条腰和与其相邻的等腰三角 形的底边重合，另一条腰边所在所述三棱锥永磁块的侧面构成所述锥状永磁体的侧面。
[0012] 其中，所述锥状永磁体的底面的磁场强度与其所连接的所述柱状永磁体的端面的 磁场强度大小相等。
[0013] 其中，每个所述三棱柱永磁块和与其相邻的所述三棱柱永磁块粘接在一起。
[0014] 其中，每个所述三棱锥永磁块和与其相邻的所述三棱锥永磁块粘接在一起。
[0015] 其中，所述柱状永磁体与所述锥状永磁体粘接在一起。
[0016] 其中，若所述柱状永磁体的轴线为空间坐标系的z轴，则每个所述三棱柱永磁块的 磁化方向与空间坐标系的y轴的夹角为其横截面的中心与所述柱状永磁体的轴向横截面的 中心的连线与空间坐标系的y轴的夹角的两倍。
[0017]其中，每个所述三棱锥永磁块的磁化方向与其所对应的所述三棱柱永磁块的磁化 方向相同。
[0018]其中，所述柱状永磁体与所述锥状永磁体在所述柱状永磁体的轴线方向上的磁场 方向相同。
[0019](三)有益效果
[0020] 本发明的上述技术方案具有如下优点:本发明用于核磁共振探头的永磁体装置提 供了一种铅笔形永磁体，该永磁体的锥状永磁体的底面叠加在柱状永磁体的一个端面上， 其内部设有柱形空腔与锥形空腔连通形成的铅笔形空腔，本发明的均匀磁场区向锥状永磁 体方向偏离柱状永磁体的中心，在使用带有本发明的NMR仪器测量试管中的样品时，永磁体 的形状与试管的形状相似，均匀磁场区在铅笔形永磁体中空间位置与测试样品在试管中的 空间位置相符合，永磁体装置的结构更加合理，因此显著提高了磁场空间利用率，从而有效 的减小磁体尺寸，减轻磁体重量。同时，无需铁磁材料构成闭合回路以及提高了中空腔体内 的磁场均匀度，克服了极板式磁体庞大和笨重，不利于携带的缺点，极大的减少了铁磁材料 的用量，磁场空间利用率高，本发明的铅笔形永磁体在柱状永磁体的周向，以及锥状永磁体 的外侧漏磁很小，故磁能利用率高，获得同样的磁场强度所需的永磁材料少。适用于便携式 核磁共振仪器对试管中样品的检测。
[0021] 除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这 些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的 优点，将结合附图作出进一步说明。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明实施例用于核磁共振探头的永磁体装置的结构示意图；
[0023] 图2是本发明实施例用于核磁共振探头的永磁体装置的柱状永磁体的结构示意 图；
[0024] 图3是本发明实施例用于核磁共振探头的永磁体装置的锥状永磁体的结构示意 图；
[0025] 图4是本发明实施例用于核磁共振探头的永磁体装置的柱状永磁体的轴向截面 图；
[0026]图5是本发明实施例用于核磁共振探头的永磁体装置的锥状永磁体的俯视图。 [0027]图中：10:柱状永磁体;20:锥状永磁体;30:柱形空腔;40:锥形空腔；101:三棱柱永 磁块;201:三棱锥永磁块。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人 员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0029]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可 以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0030] 此外，在本发明的描述中，除非另有说明，"多个"、"多根"、"多组"的含义是两个或 两个以上，"若干个"、"若干根"、"若干组"的含义是一个或一个以上。
[0031] 如图1所示，本发明实施例提供的用于核磁共振探头的永磁体装置，包括柱状永磁 体10和锥状永磁体20,柱状永磁体10的中部设有柱形空腔30,柱形空腔30的轴向横截面与 柱状永磁体10的轴向横截面的形状相同；锥状永磁体20的中部设有锥形空腔40,锥状永磁 体20的底面与柱状永磁体10的轴向横截面的形状相同且大小相等，锥形空腔40在锥状永磁 体20的底面处的截面与柱形空腔30的轴向横截面的形状相同且大小相等;柱状永磁体10的 一端面与锥状永磁体20的底面同轴连接，以将柱形空腔30与锥形空腔40连通。
[0032] 本发明用于核磁共振探头的永磁体装置提供了一种铅笔形永磁体，该永磁体的锥 状永磁体的底面叠加在柱状永磁体的一个端面上，其内部设有柱形空腔与锥形空腔连通形 成的铅笔形空腔，本发明的均匀磁场区向锥状永磁体方向偏离柱状永磁体的中心，在使用 本发明的NMR仪器测量试管中的样品时，永磁体的形状与试管的形状相似，均匀磁场区在铅 笔形永磁体中空间位置与测试样品在试管中的空间位置相符合，永磁体装置的结构更加合 理，因此显著提高了磁场空间利用率，从而有效的减小磁体尺寸，减轻磁体重量。同时，无需 铁磁材料构成闭合回路以及提高了中空腔体内的磁场均匀度，克服了极板式磁体庞大和笨 重，不利于携带的缺点，极大的减少了铁磁材料的用量，磁场空间利用率高，本发明的铅笔 形永磁体在柱状永磁体的周向，以及锥状永磁体的外侧漏磁很小，故磁能利用率高，获得同 样的磁场强度所需的永磁材料少。适用于便携式核磁共振仪器对试管中样品的检测。
[0033]其中，如图2和图4所示，柱状永磁体10的轴向横截面为正N边形，N=2m，M为大于2 的整数，柱状永磁体10由N个相同的三棱柱永磁块101沿圆周方向依次连接组成，三棱柱永 磁块101的横截面为等腰三角形;在柱状永磁体10的轴向横截面中，每个等腰三角形的一条 腰和与其相邻的等腰三角形的底边重合，另一条腰所在的三棱柱永磁块101的侧面构成柱 状永磁体10的侧面。其中，每个三棱柱永磁块101与其相邻的三棱柱永磁块101粘接在一起。 柱状永磁体设计为正N棱柱的形式，中空的柱状永磁体根据其正N边形的轴向横截面沿圆周 方向等分为的N个横截面为等腰三角形的三棱柱永磁块，便于实际生产制造加工与使用时 的安装拆卸，且相邻的两个等腰三角形位置关系是其中一个等腰三角形的腰和另外一个等
腰三角形的底边重合，等腰三角形的腰与底边的夹角为，为永磁体装置沿圆周方向等分 ，' 的块数。如图2所示，本实施例的中空的柱状永磁体由大小相等、形状相同的8块横截面为等 腰三角形的三棱柱永磁块1、2、3、4、5、6、7和8组成，通过强力胶粘连构成一个中空的柱状 体，中空柱状体的空腔内是均匀的磁场，图2中实箭头所示为各三棱柱永磁块的磁化方向， 空心箭头为柱状永磁体内磁场方向。
[0034]其中，如图3和图5所不，锥状永磁体20由N个相同的且与三棱柱永磁块101 对 应的三棱锥永磁块201沿圆周方向依次连接组成，三棱锥永磁块201的底面组成锥状永磁体 20的底面，且三棱锥永磁块201的底面为与三棱柱永磁块101的横截面形状相同且大小相等 的等腰三角形；在锥状永磁体20的底面中，每个等腰三角形的一条腰和与其相邻的等腰三 角形的底边重合，另一条腰边所在三棱锥永磁块201的侧面构成锥状永磁体20的侧面。其 中，每个三棱锥永磁块201与其相邻的三棱锥永磁块201粘接在一起。其中，柱状永磁体10与 锥状永磁体20粘接在一起。中空的锥状永磁体根据其正N边形的端面沿圆周方向等分为N个 底面为等腰三角形的三棱锥永磁块，且相邻的两个等腰三角形位置关系是其中一个等腰三 角形的腰和另外一个等腰三角形的底边重合，等腰三角形的腰与底边的夹角为
N为永 磁体装置沿圆周方向等分的块数。如图3所示，中空的锥状永磁体由大小相等、形状相同的8 块底面为等腰三角形的三棱锥永磁块1'、2'、3'、4'、5'、6'、7'和8'组成，通过强力胶粘连构 成一个中空的锥状体，且分别对应三棱柱永磁块1、2、3、4、5、6、7和8通过强力胶粘连，图3中 实箭头所示为各三棱锥永磁块的磁化方向，空心箭头为锥状永磁体内磁场方向。
[0035]本发明的中空的柱状永磁体的轴向横截面和中空的锥状永磁体的底面均为中空 的正N边形，边长为分别等分成三棱柱和三棱锥永磁块后等腰三角形横截面的腰。本发明通 过增加周向永磁块数来提高横截面上的横向磁场均匀度。柱状和锥状两种永磁体的磁场相 互作用，在铅笔形磁体的中空腔体内，各磁场分量获得有效的补偿。从而提高轴向上横向磁 场的均匀度，相对减小了磁体的体积，减轻了仪器的重量。本发明等腰三角形横截面的三棱 柱永磁块和三棱锥永磁块的设置，使组成柱状体和锥状体的周向相邻磁块之间不存在很明 显的同性相斥的行为，提高了永磁材料的利用率，降低加工成本，也因此使安装方便快捷。 [0036]其中，锥状永磁体20的底面的磁场强度与其所连接的柱状永磁体10的端面的磁场 强度大小相等。其中，若柱状永磁体10的轴线为空间坐标系的Z轴，则每个三棱柱永磁块101 的磁化方向与空间坐标系的y轴的夹角为其横截面的中心与柱状永磁体10的轴向横截面的 中心的连线与空间坐标系的y轴的夹角的两倍。其中，每个三棱锥永磁块201的磁化方向与 其所对应的三棱柱永磁块101的磁化方向相同。组成中空的柱状永磁体的各三棱柱永磁块 形状相同、磁场强度大小相等，组成中空的锥状永磁体的各三棱锥永磁块形状相同、磁场强 度大小相等，且每个三棱锥永磁块的磁场强度与其所连接的三棱柱永磁块的磁场强度大小 相等，由此锥状永磁体的底面与其所连接的柱状永磁体的端面的磁场强度大小相等，每个 三棱锥永磁块内的磁场强度分布均匀，所以N个三棱锥永磁块组成的锥状永磁体的锥形空 腔的磁场强度由底面至顶端逐渐变大。各三棱柱永磁块的磁场强度大小相同，任取其中一 个编号为1，顺时针方向依次为各三棱柱永磁块编号，y轴取在第一块和最后一块三棱柱永 磁块粘接处的中间位置，X轴与y轴垂直。柱状永磁体的轴线作为空间坐标系的z轴垂直于x 轴与y轴所在的平面。若第i块三棱柱永磁块的横截面中心与柱状永磁体的轴向横截面的中 心的连线和y轴夹角定义为磁块旋转方向Q i，
则第i块磁体的磁 化方向与y轴夹角
，一般而言，若永磁体被等分为N块(N= 2M，M 为大于2的整数)永磁块，且永磁块的旋转方向为
，则第i个永磁 块的磁化方向与y轴夹角
即《i = 20i，永磁块的磁化方向是磁体本身旋转方 向的两倍。
[0037]若永磁体中每一点的磁化方向能按给定的永磁体本身旋转2倍方向连续变化，理 论上整个中空柱状体内磁场空间的不均匀性为零，因此采用磁体分块的方法。磁体等分的 块数越多，越接近理想状况。
[0038]其中，如图1所示，柱状永磁体10与锥状永磁体20在柱状永磁体10的轴线方向上的 磁场方向相同。本发明的中空的锥状永磁体刚好在中空的柱状永磁体的外侧封闭柱状永磁 体的端部，锥状永磁体和柱状永磁体在柱形空腔内轴线上的磁场方向一致，用以补偿柱状 永磁体端部的横向磁场。
[0039] 综上所述，本发明用于核磁共振探头的永磁体装置提供了一种铅笔形永磁体，该 永磁体的锥状永磁体的底面叠加在柱状永磁体的一个端面上，其内部设有柱形空腔与锥形 空腔连通形成的铅笔形空腔，本发明的均匀磁场区向锥状永磁体方向偏离柱状永磁体的中 心，在使用本发明的NMR仪器测量试管中的样品时，永磁体的形状与试管的形状相似，均匀 磁场区在铅笔形永磁体中空间位置与测试样品在试管中的空间位置相符合，永磁体装置的 结构更加合理，因此显著提高了磁场空间利用率，从而有效的减小磁体尺寸，减轻磁体重 量。同时，无需铁磁材料构成闭合回路以及提高了中空腔体内的磁场均匀度，克服了极板式 磁体庞大和笨重，不利于携带的缺点，极大的减少了铁磁材料的用量，磁场空间利用率高， 本发明的铅笔形永磁体在柱状永磁体的周向，以及锥状永磁体的外侧漏磁很小，故磁能利 用率高，获得同样的磁场强度所需的永磁材料少。适用于便携式核磁共振仪器对试管中样 品的检测。
[0040] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和 范围。
【主权项】
1. 一种用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:包括柱状永磁体和锥状永磁体， 所述柱状永磁体的中部设有柱形空腔，所述锥状永磁体的中部设有锥形空腔，所述锥状永 磁体的底面与所述柱状永磁体的轴向横截面的形状相同且大小相等，所述柱状永磁体的一 端面与所述锥状永磁体的底面同轴连接，以将所述柱形空腔与所述锥形空腔连通。2. 根据权利要求1所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:所述柱状永磁 体的轴向横截面为正N边形，N = 2M，M为大于2的整数，所述柱状永磁体由N个相同的三棱柱 永磁块沿圆周方向依次连接组成，所述三棱柱永磁块的横截面为等腰三角形;在所述柱状 永磁体的轴向横截面中，每个所述等腰三角形的一条腰和与其相邻的等腰三角形的底边重 合，另一条腰所在的所述三棱柱永磁块的侧面构成所述柱状永磁体的侧面。3. 根据权利要求2所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:所述锥状永磁 体由N个相同的且与所述三棱柱永磁块一一对应的三棱锥永磁块沿圆周方向依次连接组 成，所述三棱锥永磁块的底面组成所述锥状永磁体的底面，且所述三棱锥永磁块的底面为 与所述三棱柱永磁块的横截面形状相同且大小相等的等腰三角形;在所述锥状永磁体的底 面中，每个所述等腰三角形的一条腰和与其相邻的等腰三角形的底边重合，另一条腰边所 在所述三棱锥永磁块的侧面构成所述锥状永磁体的侧面。4. 根据权利要求1所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:所述锥状永磁 体的底面的磁场强度与其所连接的所述柱状永磁体的端面的磁场强度大小相等。5. 根据权利要求2所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:每个所述三棱 柱永磁块和与其相邻的所述三棱柱永磁块粘接在一起。6. 根据权利要求3所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:每个所述三棱 锥永磁块和与其相邻的所述三棱锥永磁块粘接在一起。7. 根据权利要求1所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:所述柱状永磁 体与所述锥状永磁体粘接在一起。8. 根据权利要求2所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:若所述柱状永 磁体的轴线为空间坐标系的z轴，则每个所述三棱柱永磁块的磁化方向与空间坐标系的y轴 的夹角为其横截面的中心与所述柱状永磁体的轴向横截面的中心的连线与空间坐标系的y 轴的夹角的两倍。9. 根据权利要求8所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于:每个所述三棱 锥永磁块的磁化方向与其所对应的所述三棱柱永磁块的磁化方向相同。10. 根据权利要求1-9任意一项所述的用于核磁共振探头的永磁体装置，其特征在于： 所述柱状永磁体与所述锥状永磁体在所述柱状永磁体的轴线方向上的磁场方向相同。
【文档编号】H01F7/02GK105957686SQ201610457515
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】高俊侠, 张鸣, 张一鸣, 田甲申, 庞连路
【申请人】北京工业大学