Halbach磁体设计仿真研究中取得进展

核磁共振技术的无损检测特点使其在生物、物理、化学、医学等领域得到广泛的应用，核磁共振成像检测更是成为临床诊断必不可少的手段之一。大型的超导高场磁共振仪器是当今磁共振技术发展的一个热点，但是小型化、便携式的永磁低场核磁共振设备更适用于工业和食品检测、探矿、考古、大分子结构分析等方面。常规的小型便携核磁共振仪器多采用传统永磁体，其磁体一般由铁轭、永磁磁块及匀场极板等构成，这类磁体由于铁轭的存在，体积大，比较笨重，且通常可利用的磁场空间有限、漏磁严重、磁场强度有限。针对这一问题，在上世纪80年代，美国加利福尼亚大学的物理学家K. Halbach 设计了一种使用稀土材料的新型无铁轭多级磁体结构，这种永磁体结构是由多个磁块按照一定的规律组合成的，相邻的磁块具有不同的充磁方向，且产生较理想的单边磁场。相对于传统的永磁体，Halbach磁体不仅具有能产生高强度和高均匀性磁场的优点，而且还具有体积比较小的优点，容易实现小型化和便携化。但当磁体体积进一步减小时，磁场的均匀性会变得更差，两者不可兼得。为了使磁体既具有较高均匀的磁场，又具有体积小的优势，近期，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所磁共振课题组的陈巧燕等人首次提出了一种奇数层的Halbach磁体。

根据由三个同轴线圈构成的改进型Helmholtz线圈，研究人员建立了奇数层Halbach磁体相应的磁场等效数学计算模型。通过优化每层磁体之间的距离，使得感兴趣区域内的磁场实现了比较好的均匀性，同时磁体还具有比较小的体积。而且该奇数层Halbach磁体等效计算模型的准确性在仿真实验中得到了验证（使用软件Ansoft Maxwell进行仿真）。此外，研究团队还分析了磁体材料性能误差和磁化角度误差对感兴趣区域内的磁场均匀性的影响。作为一个理想结果，在直径为5 mm的球区域内，磁场的均匀性实现了46 ppm。

相关工作已经发表在Concepts in Magnetic Resonance Part B: Magnetic Resonance Engineering（Volume 45, Issue 3, pages 134–141），题为Design and simulation of a multilayer Halbach magnet for NMR。这种具有高强度和高均匀性磁场、体积较小的奇数层Halbach磁体非常适用于小型化、便携式的核磁共振系统，具有广泛的应用前景。