一种磁场均匀度可调的低成本、微型Halbach磁体的制作方法

本发明涉及一种磁场均匀度可调的低成本、微型halbach磁体，属于永磁体设计、加工和组装等领域。

背景技术：

随着低场核磁共振技术的成熟，越来越多的领域开始使用低场核磁共振仪。不同于高场核磁共振使用体积庞大、价格昂贵的超导磁体，低场核磁共振主要使用的是成本相对较低的稀土永磁体，虽然永磁体的磁场性能弱于超导磁体，但随着新型材料的应用和加工技术的提高，永磁体的磁场性能有了很大的提高，完全能够满足低场核磁共振仪的使用。

目前，低场核磁共振仪使用的永磁体类型主要是双极板型磁体，双极板型永磁体具有良好的加工性能，但是由于需要使用额外的软磁材料导引磁场和支撑固定，其质量难以满足便携的要求，一般只能用于质量较重的台式核磁共振仪。而随着halbach磁体结构的成熟，这种具有最大场强-质量比的磁体由于能够实现磁体阵列一侧聚磁的效果，能够在小体积质量下实现远大于双极板型磁体的磁场强度和磁场均匀度，正成为众多学者的研究对象。虽然halbach磁体具有优异的磁场性能，但是其结构的复杂性和加工精度的要求限制了其使用。目前的加工技术只能使halbach磁体的磁场均匀度达到量级，但对于一款用于低场核磁共振仪内的磁体来说，其磁场均匀度需要达到量级。因此为了促进halbach磁体的应用和便携式低场核磁共振仪的发展，研究一种磁场均匀度可调的低成本、微型halbach磁体具有非常重要的研究意义和经济意义。

便携式核磁共振仪是低场核磁共振的发展方向，在环境监控、生物检测、有机化学、医药学方面具有良好的应用前景。然而，传统的台式低场核磁共振仪由于质量较重，使得该仪器只能用于固定实验室，不能满足科研人员的即时检测。因此，为了提高低场核磁共振仪器的便携性及克服目前加工的局限性，需要一种磁场均匀度可调的低成本、微型halbach磁体。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种磁场均匀度可调的低成本、微型halbach磁体。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种磁场均匀度可调的低成本、微型halbach磁体，包括上密封盖、下密封盖、外壳、主磁体和中心匀场，所述外壳为内空的筒状结构，其两端为开口，所述主磁体位于外壳内，所述中心匀场位于主磁体内，所述上密封盖和下密封盖分别设在外壳两端；所述主磁体为内空的柱状结构，主磁体包括若干横截面为梯形的第一磁体，若干第一磁体的上底相对呈环形，相邻两个第一磁体之间设有第二磁体，第二磁体为纵向布置的长条结构；所述上密封盖和下密封盖朝向主磁体的一面上分别设有一圈磁条槽，磁条槽位于上密封盖或下密封盖上半径的位置上，所述磁条槽内安装有磁条，磁条与主磁体之间具有间隙；所述中心匀场为管状结构，中心匀场的内壁上分布有若干盲孔，盲孔内设有磁片。

作为进一步的优选方案，所述上密封盖和下密封盖上分别设置有16个磁条槽，一圈磁条槽等距设置。

作为进一步的优选方案，所述磁条槽内设置有10根磁条，每5根连续摆放，形成扇形结构，两个扇形结构相对摆放。

作为进一步的优选方案，所述上密封盖的内侧设置有上固定盖，上固定盖覆盖磁条，所述下密封盖的内侧设置有下固定盖，下固定盖覆盖磁条。

作为进一步的优选方案，所述主磁体包括八块第一磁体以及八块第二磁体。

作为进一步的优选方案，所述磁条的磁化方向与其对应的主磁体端部的磁化方向相同。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：小体积、低质量下实现高磁场强度，及充分考虑了加工、定位误差对磁场均匀度的影响，增加了调整磁场均匀度的结构，从而避免磁体实际性能与理论相差太大影响磁体的使用和最终仪器的检测精度。有利于推动halbach磁体在低场便携式核磁共振仪的使用，从而推动核磁共振仪在实际性能不变的基础上小型化、便携化，有利于提高科研工作者的检测便利性。

附图说明

图1是本发明内部结构示意图；

图2是本发明内部结构爆炸图；

图3是主磁体的磁化方向示意图；

图4是上密封盖结构爆炸图；图5是外壳结构示意图；

图6是中心匀场结构示意图；

图7是本发明的不同主磁体高度对应的磁场性能图；

图8是磁条对主磁场性能的影响示意图；

图9是本发明外部示意图；

其中，1-上密封盖，2-下密封盖，3-外壳，4-主磁体，41-第一磁体，42-第二磁体，5-中心匀场，6-磁条槽，7-磁条，8-磁片，9-上固定盖，10-下固定盖。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

一种磁场均匀度可调的低成本、微型halbach磁体，包括主磁体4、中心匀场5、端部匀场（磁条7）、磁体结构支撑件上密封盖1、下密封盖2和外壳3。

主磁体4即静磁场的主要来源，是衡量低场核磁共振仪器的检测性能的重要参数之一，包含8块横截面为梯形的磁体（第一磁体41）和8块板状的钐钴磁体（第二磁体42），两种形状的磁体间隔紧密排列，围成一个圆环，如图3，主磁体产生的磁场位于圆环内。

匀场结构是根据磁体加工制造误差及装配误差提出的新型结构，可用来弥补上述误差带来磁场均匀度的损失，匀场结构根据匀场功能不同分为端部匀场和中心匀场5。

端部匀场针对的是halbach磁体中心磁场不均匀主要是由于主磁体4两端截断所引起端部磁场强度骤减而导致的，理论上，若是halbach磁体端部磁场强度与中心磁场强度相等，则磁场均匀度将大大提高，但是受限于磁材的种类，目前剩磁强度最大的是钕铁硼材料，因此为了形成较强的端部磁场，端部匀场采用包含20根截面为矩形的磁条7，材料为钕铁硼磁条，磁条7对称分布在主磁体4两端，并在端部排列形成对称的扇形，其效果如图8所示，从图8仿真结果可以看出，实线是加了端部匀场磁条7，虚线是未加端部匀场磁条7，可见端部匀场磁条对端部磁场的提升效果是显著的，进而提高了磁体中心的磁场均匀度。

中心匀场4是直接使用永磁材料阵列分布在目标区域四周，改变局部区域磁场分布，包含固定结构和磁片8。

结构支撑件包括上密封盖1、下密封盖2和外壳3。上密封盖1、下密封盖2分别由相同的铝合金金属组件构成。

外壳3壁上具有固定主磁体4的螺纹及与上密封盖1、下密封盖2连接的螺纹，螺纹尺寸为m3。

主磁体4使用smco32材料，钐钴材料具有优异的温度系数，磁场性能在温度波动过程中变化较小，材料剩磁强度可达1.11t，主磁体4高度是halbach磁体中一个重要参数，其值的大小直接影响了基础磁体的磁场性能，不同磁体高度尺寸所对应的磁场性能亦不相同。

主磁体4高度一共设置8组参数，分别是70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm，对目标区域磁场强度和均匀度进行仿真，选取磁体中心区域为目标区域。图7中三根曲线根据线的种类可分为，虚线代表不同磁体高度所对应中心磁场强度值的大小，细实线代表不同磁体高度所对应中心磁场均匀度值的大小，粗实线代表对不同高度磁场均匀度一阶差分的结果。根据仿真结果可得，halbach磁体中心磁场强度随着磁体高度的增加而有所增强，目标区域磁场均匀度值随着磁体高度的增加先迅速降低后缓慢减小，一阶差分结果显示了磁场均匀度的改善在磁体高度为120mm时效果不在显著，考虑到磁体的制造成本随着高度的增加将显著提升，因此本发明提出的halbach磁体高度设置为120mm。

主磁体4上下两端放置有磁条7，从上文可知，磁条7具有改善磁场均匀度的作用，为了最大化这种效果，磁条7使用n52材料构成，n52是目前钕铁硼材料所能达到最大剩磁强度的一种材料，是非常理想的一种端部磁条材料。

根据halbach磁体强度计算公式，磁体中心磁场强度与磁体的内外径之比有关，因此在同样外径的基础上，端部的磁条7围成扇形的内径小于主磁体4内径，可产生较高的磁场，每个扇形由5根匀场磁条构成。

端部的磁条7作为磁场来源的一部份，组成扇形的每根磁条7的磁化方向必须与其对应位置的smco32主磁体4磁化方向相同，其产生的磁场才能与主磁体的磁场有叠加效果。

中心匀场5中的固定结构上配有均匀分布，尺寸大小一致的盲孔，用于安装固定磁片8，磁片8的数量可根据需要组合使用。

用于中心匀场用的磁片8由于距离目标区域的距离很小，若剩磁强度和矫顽力过大，则对磁场分布的调整也会非常大，难以满足需求，因此磁片8使用smco18材料，其矫顽力和剩磁强度大小能够方便的用于磁场的微调。

本磁体结构可在磁体中心产生磁场强度高达1t的磁场，磁体整体尺寸为∅64×132mm³，其外形如图9所示。

一种磁场均匀度可调的低成本、微型halbach磁体，其安装步骤如下：

步骤1，将加工好的smco32单个磁体根据图2相应的每个磁体对应的磁化方向组装成halbach圆环；

步骤2，将n52材料的端部匀场磁条7分别插入上密封盖1和下密封盖2中对应的磁条槽6中；

步骤3，将匀场的磁片8放入中心匀场5结构的盲孔中，并将剩余空间使用聚四氟乙烯填满，确保磁片8位置固定；

步骤4，将组装完毕的中心匀场5结构固定到habalch磁体圆环（主磁体4）中心；

步骤5，将装有上密封盖1、下密封盖2及导引口和外壳与主磁体4通过螺栓固定在一起。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。