蘇州醫(yī)工所在Halbach磁體設(shè)計仿真研究中取得進(jìn)展
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核磁共振技術(shù)的無損檢測特點使其在生物、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，核磁共振成像檢測更是成為臨床診斷必不可少的手段之一。大型的超導(dǎo)高場磁共振儀器是當(dāng)今磁共振技術(shù)發(fā)展的一個熱點，但是小型化、便攜式的永磁低場核磁共振設(shè)備更適用于工業(yè)和食品檢測、探礦、考古、大分子結(jié)構(gòu)分析等方面。常規(guī)的小型便攜核磁共振儀器多采用傳統(tǒng)永磁體，其磁體一般由鐵軛、永磁磁塊及勻場極板等構(gòu)成，這類磁體由于鐵軛的存在，體積大，比較笨重，且通常可利用的磁場空間有限、漏磁嚴(yán)重、磁場強度有限。針對這一問題，在上世紀(jì)80年代，美國加利福尼亞大學(xué)的物理學(xué)家K. Halbach 設(shè)計了一種使用稀土材料的新型無鐵軛多級磁體結(jié)構(gòu)，這種永磁體結(jié)構(gòu)是由多個磁塊按照一定的規(guī)律組合成的，相鄰的磁塊具有不同的充磁方向，且產(chǎn)生較理想的單邊磁場。相對于傳統(tǒng)的永磁體，Halbach磁體不僅具有能產(chǎn)生高強度和高均勻性磁場的優(yōu)點，而且還具有體積比較小的優(yōu)點，容易實現(xiàn)小型化和便攜化。但當(dāng)磁體體積進(jìn)一步減小時，磁場的均勻性會變得更差，兩者不可兼得。為了使磁體既具有較高均勻的磁場，又具有體積小的優(yōu)勢，近期，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所磁共振課題組的陳巧燕等人首次提出了一種奇數(shù)層的Halbach磁體。
根據(jù)由三個同軸線圈構(gòu)成的改進(jìn)型Helmholtz線圈，研究人員建立了奇數(shù)層Halbach磁體相應(yīng)的磁場等效數(shù)學(xué)計算模型。通過優(yōu)化每層磁體之間的距離，使得感興趣區(qū)域內(nèi)的磁場實現(xiàn)了比較好的均勻性，同時磁體還具有比較小的體積。而且該奇數(shù)層Halbach磁體等效計算模型的準(zhǔn)確性在仿真實驗中得到了驗證（使用軟件Ansoft Maxwell進(jìn)行仿真）。此外，研究團(tuán)隊還分析了磁體材料性能誤差和磁化角度誤差對感興趣區(qū)域內(nèi)的磁場均勻性的影響。作為一個理想結(jié)果，在直徑為5 mm的球區(qū)域內(nèi)，磁場的均勻性實現(xiàn)了46 ppm。
這種具有高強度和高均勻性磁場、體積較小的奇數(shù)層Halbach磁體非常適用于小型化、便攜式的核磁共振系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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