磁体构造的制作方法

磁体构造
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年8月24日提交的美国临时专利申请62/891336的优先权，其说明书全文以引用方式并入本文。


背景技术：

3.(a)领域
4.本公开涉及磁体构造。更具体地说，其涉及改进的halbach磁体构造。
5.(b)相关现有技术
6.在核磁共振(nmr)实验中，将用于分析的样本置于偏置静磁场的影响下，这会部分地对齐样本的核自旋磁矩。静态场中的力矩进动的频率称为拉莫尔频率(larmor frequency)，该频率与场强成正比。样本的磁矩能够通过施加拉莫尔频率的横向射频(rf)磁场来控制。通过观察样本对射频场的反应，能够了解样本的化学成分。nmr作为一种分析方法的能力可能很大程度上取决于所施加磁场的特性能够被控制的程度。
7.匀场磁场(使磁场更均匀)的实践自nmr早期就存在，最初使用物理地放置在源磁体之后的薄金属片来调整这些磁体的位置以细化磁场。更现代的匀场技术使用电磁线圈。传统的高场磁共振谱仪通常使用布置在大致圆柱形线圈形式上的匀场线圈。相比之下，事实证明，在紧凑型nmr设备中使用匀场(匀场)线圈很困难，这主要是由于空间限制可能无法容纳可能具有多层的传统匀场线圈系统。在许多此类设备中，主磁体内部的可用空间可能太小，无法容纳一组典型的匀场线圈，所述匀场线圈的各个元件中的每个主要设计用于解决主磁场的残余不均匀性的一个且仅一个几何方面或几何分量。
8.图1a、1b和1c将典型高场光谱仪设计的主偏置场和样本管构造与用于基于圆柱形halbach阵列的紧凑磁体系统的设计进行了比较。标记为b的箭头表示主磁场方向。图中未示出匀场措施。图1a示意性地示出了高场磁体的超导场线圈、插入的圆柱形样本管以及由线圈产生的场b。样本体积内的磁场沿线圈和管的公共对称轴线对齐。
9.图1b和1c示出了插入到圆柱形halbach磁体阵列中的同一样本管，其产生垂直于管的对称轴线的场b。这个特殊的halbach阵列由呈圆形(如图1b所示)布置在管周围的八个磁体组成，其中，磁体的磁化矢量(如箭头所示)垂直于管的对称轴线。磁化矢量是材料中磁偶极子的极化的定量和方向性表示。对于一些应用，halbach阵列内部的场非常均匀，但对于一些高分辨率nmr实验来说可能过于不均匀。
10.为了显着减少磁场的不均匀性，对磁场不均匀性的不同几何方面进行独立控制可能会有所帮助。在许多磁共振应用中，主磁场沿特定方向强烈极化。在本技术中，如本领域的常见实践，该方向被理解为笛卡尔参考系中的z轴，其中原点位于某个固定点，例如在研究中的样本的中心附近。位于空间中一点处的磁自旋的拉莫尔频率由该点处的场大小确定，在相当均匀的场中，场的z分量bz非常接近该点处的场。能够将bz扩展为函数的缩放总和，
11.bz(x，y，z)＝b0 σ
kckfk
(x，y，z)，
12.其中，k是用于对集合中的各个函数fk进行索引的变量(或多个变量)，其中，x、y和z是笛卡尔坐标或其他空间坐标，从而限定包围样本的至少一部分的体积内的位置。b0是场的较大且空间均匀的部分，系数ck量化了场不均匀性的不同分量。如果两个函数之间的标量积为零，则例如x、z、xy、(x
2-y2)的这种函数集合称为正交(相对于函数的指定标量积)。两个函数之间的常见标量积是积分，
[0013][0014]
其中，v表示与计算积分的函数相关的体积，其中，星表示复共轭，并且其中，w表示在体积上限定的加权函数，其量化了(x,y,z)处的体积元素的对积分的贡献的重要性。
[0015]
例如，通常使用球谐函数的展开式，其中，函数为
[0016]fn，m
(x，y，z)＝n
n，m
p
n，m
(cosθ)exp(imφ)，
[0017]
其中，并且φ＝tan-1
(y/x)，其中，p
n,m
表示勒让德多项式或相关联的勒让德函数，并且其中，n
n,m
是归一化因子。这些函数被称为“在单位球面上正交”。有时，使用复值球谐函数的实值线性组合来代替。此外，如果每个函数fk与其自身的标量积等于1，则称该函数集合是正交的。使用正交或正交函数能够有助于描述和分析场缺陷，并且能够有助于设计和实施用于控制应用中的场质量的系统。
[0018]
良好控制的磁场在核磁共振(nmr)光谱和其他磁共振(mr)应用中尤为重要。在许多nmr光谱实验中，在包含正在研究的样本的空间区域中施加一个强大的静磁场，并且希望该场在空间上尽可能均匀，以便观察样本的磁响应中重要但细微的变化。在许多nmr应用中，还希望具有与实际一样强的静磁场。
[0019]
磁体中的至少三个类别已被用于在nmr设备中提供强静磁场：超导电磁体、电阻电磁体和永磁体。永磁体或其阵列(也称为组件或构造)在需要低成本、低维护和/或便携性的应用中能够是有利的。
[0020]
在实践中，永磁体通常伴随着磁极片，磁极片是放置在磁体附近的导磁材料片，用于促进磁场或形成磁场。在一些应用中，希望用于极片的材料是磁性“软的”，也就是说，它们具有相对较低的矫顽力。在一些应用中还希望极片材料在置于磁场中时被强烈磁化，即它们具有高饱和磁化强度。
[0021]
用于在小体积中产生相当强的磁场的一种设计是halbach圆柱体，其中，高矫顽力永磁材料内的磁偶极子围绕中心腔布置。图2示出了halbach圆柱体10的理想化的横截面图，以及用于计算和选择围绕中心体积16的区域内的磁偶极子的定向的坐标系12，如箭头14所示。在理想化的halbach圆柱体中，磁化方向根据以下等式与位置有关，
[0022][0023]
在圆柱极坐标中，对于最普遍的情况，整数参数k＝1，这在中心体积16中产生基本均匀的场。k的其他选择提供不同的、非均匀的场构造。在实际实施中，离散分量磁体用作图2所提出的连续变化磁化的近似值。
[0024]
图3a、3b、3c和3d示出了基于halbach圆柱体的磁体构造的示例性现有技术实施方式。图3a(改编自f.bertora、a.trequattrini、m.g.abele和h.rusinek，“shimming of yokeless permanent magnets designed to generate uniform fields(设计用于产生均匀磁场的无轭永磁体的匀场)”，journal of applied physics 73,6864,1993)示出了磁体
的围绕空间24的标记为20的圆柱形构造，这有效利用了空间并在其设计中采用了许多倾斜形状21、22、23。
[0025]
图3b(改编自e.danieli、j.mauler、j.perlo、b.blumich和f.casanova，“mobile sensor for high resolution nmr spectroscopy and imaging(用于高分辨率nmr光谱和成像的移动传感器)，journal of magnetic resonance 198,80,2009)示出了阵列30，其使用相同立方体形状的永磁体31来包围空间32。然而，这种实施方式受到低封装密度的影响。
[0026]
当围绕中心体积的空间被分割成多个区域时，放置在其中的个体分量磁体可能呈现出倾斜的形状，例如图3a中所示的那些，其难以或昂贵地以高公差制造。分量磁体内所需的磁化也可能难以以足以确保中心体积内的磁场质量的精度进行控制。相反，如图3b所示，如果使用诸如立方体之类的更简单的分量磁体，这些分量磁体能够直接以高精度制造和磁化，但对于一些设计的几何约束可能导致低封装密度，从而能够产生的场强的减少。
[0027]
图3c是halbach圆柱体40的实施例的横截面，该圆柱体包括围绕中心空间42的紧密堆积的六角棱柱41的阵列，其在leskowitz等人的美国专利no.8,712,706中公开，通过引用将其全部并入本文。图3d(也在美国专利no.8,712,706中公开)示出了围绕通道53的磁体阵列中的个体主磁体52的总体布置50，极片54和样本56定位在该通道中。图3d还示出了匀场板58在极片54上的定位。箭头59示出了该布置中每个主磁体52的主要磁化方向。
[0028]
在halbach圆柱模型中，理想的是无限长圆柱体。在实践中，圆柱体的长度有限，这能够导致阵列的主磁场出现各种技术问题和不良特征，并且试图克服这些缺点的设计可能很复杂。用于产生均匀场的另一种方法是使用halbach球体，h.leupold已经在美国专利no.4,837,542提出了该球体的实际实施例。
[0029]
图4a(改编自leskowitz的美国专利no.9,952,294，其通过引用将其全部并入本文)示出了球体60，该球体包围中心腔62并具有局部磁偶极子定向64。一旦选择了所需的磁场轴线能够通过沿磁场方向建立一个纬度角θ＝0的球极坐标系66来计算组件中分量磁体所需的磁化方向，然后根据在leskowitz的美国专利no.9,952,294中公开的公式计算给定磁体中心坐标的磁化方向
[0030]
为了在理想情况下最好地近似均匀场，在围绕中心腔的球形壳体内的磁化方向根据以下等式与位置有关，
[0031][0032]
在球极坐标r，θ，φ中，对于均匀场的情况，参数k＝1。
[0033]
可以观察到，球形外壳中的磁化与圆柱形外壳中的磁化不同。在halbach球体模型中，偶极子在位置处的磁化位于和所跨越的子午平面内，但在halbach圆柱体模型中，磁化位于所跨越的平面内，单位矢量远离圆柱对称轴线和方位角单位矢量。在理想化的halbach圆柱体的情况下，磁化方向没有分量(沿圆柱对称轴线)，并且与偶极子位置的z坐标无关。这种位置相关磁化的各种数字表示是可能的，并且将很容易识别和理解。
[0034]
如图4b所示(改编自leupold的美国专利no.4,837,542)，球形组件能够由具有复
杂形状的磁体组合组成。在图4b中能够看出，球体70包括具有选择的偶极子定向74和围绕中心腔76的多个分量初级磁体72。为了实现期望的构造和场，具有不同形状和磁化定向的大量不同初级磁体是必需的。同样，以高公差制造的这些磁体可能具有挑战性或不切实际。
[0035]
在leskowitz的美国专利no.9,952,294中公开了用于产生磁场的磁体阵列和方法，包括磁体阵列，该磁体阵列包括以点阵构造排列并且至少部分地包围测试体积的多个多面体磁体，该磁体阵列具有带有指定场方向的相关联的磁场，其中，位于与测试体积中的原点相距位移矢量处的个体多面体磁体的磁化方向由以下公式确定：
[0036][0037]
在实施例中，如图4c所示(改编自leskowitz的美国专利no.9,954,294)，多面体磁体101是截角立方体，并且磁体阵列100基于简单的立方点阵。正如图4c所示，包括在构成磁体阵列100的点阵构造中的一些多面体磁体101是较大的第一磁体103，而其他的是较小的第二磁体106。较小的第二磁体106在阵列中的特定位置形成复合磁体104。正如图4c所示，利用这种较小的第二磁体106的使用来提供样本通道107，在这种情况下沿着阵列的主体对角线定向。
[0038]
在实践中，halbach球体构造能够产生比halbach圆柱体构造产生的磁场更大的磁场。然而，与halbach圆柱体构造相比，halbach球体构造可能受到限制进入磁体的中心区域的影响。
[0039]
在诸如磁共振应用之类的应用中，使用实际的最大磁场可能是有利的。增加halbach圆柱体磁体构造内的磁场的一种方法是将极片插入到halbach圆柱体磁体构造的孔中。leskowitz和mcfeetors的美国专利no.9,341,690公开了圆柱形halbach磁体构造中的成形极片。虽然将极片插入圆柱形halbach磁体中可能会增加场，但它也可能会产生或加剧有害的磁场梯度，包括二次磁场梯度。这能够通过形成极片来部分缓解，使得每个极片在其后表面上具有通道，即，极片的第一面与最接近halbach圆柱体的中心的极片的第二面相对，其可以构造为样本位置。要解决的一个问题是在极片中引入该反向通道能够降低样本位置内的场强，因为在形成通道时磁性材料被有效地去除。
[0040]
增加halbach圆柱体磁体构造内部的场的另一种方法是增加用于构成磁体构造的分量磁体的数量。这样的分量磁体可以构造成同心环结构。例如，图3d展示了由六个磁体构成的单个六角形环，而图3c展示了由十二个磁体构成的六角形环所围绕的由六个磁体构成的六角形环。将容易理解的是，每个分量磁体都经受与由组件中的所有其他磁体产生的总磁场的磁相互作用的影响。特别地，分量磁体可以位于由其他磁体产生的总磁场与所述分量磁体的磁化基本对齐的位置。在那种情况下，所述分量磁体将处于相对低的矫顽应力下，因此将经受到弱去磁力的影响。相反，分量磁体可以位于由其他磁体产生的总磁场基本远离或与所述分量磁体的磁化相反的位置处。在这种情况下，所述分量磁体将处于相对高的矫顽应力下，因此将经受强去磁力。在确定应用中磁体阵列的稳定性和性能时，缓解或控制去磁力是关键问题。此外，矫顽力的提高能够与成本的增加相关联。
[0041]
仍然需要一种解决方案，该解决方案使得能够在保持圆柱形和球形halbach磁体构造的低成本、便利性和可制造性的同时增加磁场。


技术实现要素：

[0042]
本公开描述了改进的halbach磁体构造。在本公开中，磁体构造也可以称为磁体阵列或磁体组件。术语“改进的”halbach磁体构造是指包括两个或更多个磁体子集的个体分量磁体的构造(或布置)，至少一个子集被构造为halbach圆柱体磁体构造，并且至少一个其他的子集具有另一(非halbach)磁体构造，如本公开中所述。此外，改进的halbach磁体构造被理解为以某种方式增加由磁体构造产生的磁场的强度、均匀性或两者。
[0043]
在本公开中的其中halbach磁体构造已改变的实施例包括具有至少两组多面体磁体的磁体构造，其中一组以halbach圆柱体构造布置，一组以非halbach圆柱体构造布置。本公开中的其他实施例包括具有多面体磁体中的至少两组的磁体构造，所示多面体磁体具有不同磁矫顽力。本公开中的其中halbach磁体构造已经改变的其他实施例包括具有以halbach圆柱体构造布置的多面体磁体的磁体构造，并且其中，多面体磁体子集从标称位置横向移位以抵消磁体构造的磁场梯度。在本公开中的其中halbach圆柱形磁体构造已经改变的更进一步的实施例包括具有复合多面体磁体的磁体构造，其分量磁体中的每个具有其自己的磁化矢量定向。这些改进的halbach磁体构造可以提供由磁体构造产生的增加的磁场并且可以影响(强调或不强调)磁场梯度，包括通过将一个或更多个极片引入到磁体构造中产生的磁场梯度。这些改进的halbach磁体构造提供了一种解决方案，其使得能够在考虑成本、便利性和可制造性的同时增加磁场。
[0044]
在一个方面，提供了一种磁体阵列，该磁体阵列包括：以halbach磁体构造布置的第一多个多面体磁体，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体阵列的磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积；以及在磁体架中的第二多个多面体磁体，所述第二多个磁体以非halbach构造布置。
[0045]
在一个实施例中，磁体架中的第二多个多面体磁体包括具有平面内磁化矢量、平面外磁化矢量或其组合的磁体。
[0046]
在一个实施例中，磁体阵列具有带有指定场方向的相关联的磁场，其中，所示第二多个多面体磁体中的位于与测试体积中的原点相距位移矢量处的至少一个的磁化方向由以下公式确定：
[0047][0048]
其中是指向的单位矢量。
[0049]
在一个实施例中，所述多面体磁体中的个体多面体磁体选自以下：截角立方体、菱形十二面体、柏拉图立体、阿基米德立体、约翰逊立体、棱柱、倒角多面体和截角多面体。
[0050]
在一个实施例中，所述第二多个多面体磁体包括被倾斜边缘磁化、倾斜顶点磁化、轴向磁化或其组合的磁体。
[0051]
在一个实施例中，所述第一多个磁体包括径向面磁化、径向边缘磁化或其组合的磁体。
[0052]
在一个实施例中，所述第一多个多面体磁体和第二多个多面体磁体是六角棱柱磁体。
[0053]
在一个实施例中，磁体阵列包括布置成架堆叠的多个磁体架。在一个实施例中，磁体阵列包括四个磁体架。在另一个实施例中，磁体阵列包括五个磁体架。
[0054]
在一个实施例中，磁体架中的每个包括三十六个六角棱柱磁体。
[0055]
在一个实施例中，三十六个六角棱柱磁体分别布置成六个六角棱柱磁体的内环、十二个六角棱柱磁体的中间环和十八个六角棱柱磁体的外环，其中，内六角棱柱磁体最靠近测试体积。
[0056]
在一个实施例中，磁体架包括单元框架和框架外壳。
[0057]
在一个实施例中，磁体架以及第一多个多面体磁体和第二多个多面体磁体中的每个具有1.5”的高度。
[0058]
在一个实施例中，单元框架中的单元具有1.25”的宽度并且单元框架的壁具有0.030”的厚度。
[0059]
在一个实施例中，第一多个多面体磁体分别包括六个六角棱柱磁体的内环和十二个六角棱柱磁体的中间环。
[0060]
在一个实施例中，第二多个多面体磁体包括在十八个六角棱柱磁体的外环中的位置。
[0061]
在一个实施例中，架堆叠中的个体磁体架中的至少一个包括二十二个径向面磁化磁体、八个倾斜顶点磁化磁体、四个倾斜边缘磁化磁体和两个轴向磁化磁体。
[0062]
在一个实施例中，布置在架堆叠的中心磁反射平面之上的第一磁体架具有第一磁体构造，该第一磁体构造是布置在架堆叠的中心磁反射平面之下的第二磁体架的第二磁体构造的磁反射。
[0063]
在一个实施例中，架堆叠中的五个磁体架中的第一磁体架的磁体构造是所述架堆叠中的五个磁体架中的第五磁体架的磁体构造的磁反射。
[0064]
在一个实施例中，第一磁体架和第五磁体架中的每个中的第一多个多面体磁体包括具有平面内磁化矢量的十八个磁体，并且第一磁体架和第五磁体架中的每个中的第二多个多面体磁体包括具有平面外磁化矢量的十八个磁体。
[0065]
在一个实施例中，十八个平面内磁化磁体包括十四个径向面磁化磁体和四个径向边缘磁化磁体。
[0066]
在一个实施例中，具有平面外磁化矢量的十八个磁体被轴向磁化。
[0067]
在一个实施例中，架堆叠中的五个磁体架中的第二磁体架的构造是所述架堆叠中的五个磁体架中的第四磁体架的构造的磁反射。
[0068]
在一个实施例中，第二磁体架、第三磁体架和第四磁体架中的每个中的第一多个多面体磁体和第二多个多面体磁体包括具有平面内磁化矢量的磁体。
[0069]
在一个实施例中，第二磁体架和第四磁体架中的每个包括二十八个径向面磁化磁体和八个径向边缘磁化磁体。
[0070]
在一个实施例中，第三磁体架包括二十个径向面磁化磁体和十六个径向边缘磁化磁体。
[0071]
在一个实施例中，磁体阵列还包括第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集，其中，所述第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集具有不同的磁矫顽力。
[0072]
根据另一方面，提供了一种磁体阵列，包括：以halbach圆柱体构造布置的第一多个多面体磁体；所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体阵列的磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积；在磁体架中的第二多
个多面体磁体，所述第二多个磁体以非halbach构造布置；以及至少一个复合磁体。
[0073]
在一个实施例中，所述至少一个复合磁体包括两个或更多个磁体，所述两个或更多个磁体中的每个具有不同磁化矢量，并且所述两个或更多个磁体的尺寸和形状共同设置，以定位在所述磁体阵列的个体单元中。
[0074]
在一个实施例中，磁体阵列还包括至少一个复合磁体。
[0075]
在一个实施例中，所述至少一个复合磁体是六角棱柱磁体。
[0076]
在一个实施例中，所述至少一个复合磁体包括两个磁体，所述两个磁体中的每个具有不同磁化矢量。
[0077]
在一个实施例中，所述至少一个复合磁体包括两个以上的磁体，所述两个以上的磁体中的每个具有不同磁化矢量。
[0078]
在一个实施例中，磁化矢量选自：径向面磁化、径向边缘磁化、倾斜边缘磁化、倾斜顶点磁化和轴向磁化。
[0079]
在一个实施例中，所述两个或更多个磁体一起确定尺寸和形状以定位在磁体阵列的个体单元中。
[0080]
根据另一方面，提供了一种磁共振设备，其包括：以halbach圆柱体构造布置的第一多个多面体磁体；所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体阵列的磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积；以及在磁体架中的第二多个多面体磁体，所述第二多个磁体以非halbach构造布置。
[0081]
根据另一方面，提供了一种用于组装磁体阵列的方法，包括：提供第一多个多面体磁体；将所述第一多个多面体磁体以halbach圆柱体构造布置在磁体架中，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积；提供第二多个多面体磁体；将所述第二多个多面体磁体以非halbach构造布置在磁体架中；将磁体架布置在架堆叠中，以组装磁体阵列。
[0082]
根据另一方面，提供了一种磁体阵列，包括：以磁体构造布置的多个多面体磁体，所述多个多面体磁体包括第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积的磁体，并且其中，所述第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集具有不同的磁矫顽力。
[0083]
在一个实施例中，第一子集中的多面体磁体中的个体多面体磁体具有相似的磁矫顽力。
[0084]
在一个实施例中，磁体阵列包括一个或更多个另外的多面体磁体子集，其中，多面体磁体的子集中的每个具有不同的磁矫顽力，并且每个子集中的多面体磁体中的个体多面体磁体具有相似的磁矫顽力。
[0085]
在一个实施例中，当与给定子集中的多面体磁体中的个体多面体磁体相关联的磁矫顽力的变化不超过5％、优选不超过2％时，所述给定子集中的多面体磁体中的个体多面体磁体被称为具有彼此相似的磁矫顽力。
[0086]
在一个实施例中，当磁矫顽力之间的差超过10％的阈值并且优选地超过20％的阈值时，两个或更多个多面体磁体或多面体磁体子集被称为具有不同的磁矫顽力。
[0087]
在一个实施例中，第多面体磁体一子集具有比第二多面体磁体子集更高的矫顽力。
[0088]
在一个实施例中，多面体磁体的具有较高矫顽力的第一子集被定位为更靠近测试体积，并且多面体磁体的具有较低矫顽力的第二子集被定位为更远离测试体积。
[0089]
在一个实施例中，多面体磁体的数量以及所述第一子集和第二子集中的多面体磁体在磁体阵列中的位置是根据模拟来选择的。
[0090]
在一个实施例中，磁体阵列包括三十六个多面体磁体，所述三十六个多面体磁体分别布置成六个六角棱柱磁体的内环、十二个六角棱柱磁体的中间环和十八个六角棱柱磁体的外环，并且其中，内六角棱柱磁体中的四到六个最接近于测试体积并且具有最高的矫顽力。
[0091]
在一个实施例中，所述多个多面体磁体中的每一个具有超过阈值矫顽力h
t
的固有矫顽力h
c，i
。
[0092]
在一个实施例中，限定第一子集和第二子集的多面体磁体中的个体多面体磁体的选择基于与磁体阵列中的磁体位置相关联的对称性考虑。
[0093]
在一个实施例中，多面体磁体的至少一部分以halbach构造布置。
[0094]
根据另一方面，提供了一种确定磁体阵列中的一个或更多个磁体的阈值矫顽力的方法，所述磁体阵列包括以磁体构造布置的多个多面体磁体，所述多个多面体磁体包括第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，并且其中，所述第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集具有不同的磁矫顽力，所述方法包括：
[0095]
a.模拟磁体阵列中多个磁体的初始布置，每个个体多面体磁体具有给定的磁体阵列位置和初始磁化矢量定向；
[0096]
b.在磁体阵列中的至少一个个体多面体磁体的体积内选择点集合
[0097]
c.对于所述至少一个个体多面体磁体，模拟集合中点的每个处的磁场强度并且在集合中点的每个处分配磁化
[0098]
d.计算集合中点的每个处的点积
[0099]
e.为磁体阵列中的所述至少一个个体多面体磁体选择点积的最小(最负)值以及
[0100]
f.根据公式为磁体阵列中的所述至少一个个体多面体磁体确定阈值矫顽力。
[0101]
在一个实施例中，该方法还包括在执行步骤a之前，确定磁体阵列的一个或更多个对称类别，并将磁体阵列中的所述多个多面体磁体中的每个分配给对称类别的对应一个；以及将在步骤f中确定的阈值矫顽力h_t的值分配给与所述至少一个个体多面体磁体相关联的对称类别中的所有磁体。
[0102]
在一个实施例中，给定对称类别中的每个磁体位置通过选自以下的对称元素与同一对称类别中的其他磁体位置相关：反射平面、转动轴线、转动-反射轴线、反转中心、磁反射平面、磁转动轴线、磁转动-反射轴线、以及磁反转中心。
[0103]
在一个实施例中，该方法还包括确定用于至少一个个体多面体磁体的最大矫顽力h
max
；如果在步骤f中计算的阈值矫顽力h
t
超过最大矫顽力h
max
，则为所述至少一个个体多面体磁体选择初始磁化矢量定向的替代并重复步骤b至f。
[0104]
根据另一方面，提供了一种用于组装磁体阵列的方法，包括：根据权利要求44为磁体阵列中给定磁体阵列位置的所述多个多面体磁体中的每个确定阈值矫顽力h
t
；以及在磁体阵列中布置多面体磁体组，其中，所述多面体磁体组中的每个个体多面体磁体具有超过针对给定磁体阵列位置计算的阈值矫顽力h
t
的矫顽力，以组装磁体阵列。
[0105]
根据另一方面，提供了一种包括磁体阵列的磁共振设备，所述磁体阵列包括以磁体构造布置的多个多面体磁体，所述多个多面体磁体包括第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集，所述多个多面体磁体至少部分地封闭测试体积，并且其中，所述第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集具有不同的磁矫顽力。
[0106]
根据又一方面，提供了一种磁体阵列，包括：以halbach圆柱体构造布置的多个多面体磁体，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，并且其中，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集从磁体架中的标称位置横向移位以抵消磁体阵列的磁场梯度。
[0107]
在一个实施例中，磁体阵列包括极片。极片可以适于产生磁场梯度。
[0108]
在一个实施例中，所述多个多面体磁体是六角棱柱磁体。
[0109]
在另一个实施例中，磁体阵列包括布置成架堆叠的多个磁体架。在一个实施例中，磁体阵列可以包括四个磁体架。在另一个实施例中，磁体阵列可以包括五个磁体架。
[0110]
在一个实施例中，磁体架包括三十六个六角棱柱磁体。三十六个六角棱柱磁体可以分别布置成六个六角棱柱磁体的内环、十二个六角棱柱磁体的中间环和十八个六角棱柱磁体的外环，并且内六角棱柱磁体最靠近所述测试体积。
[0111]
在一个实施例中，六个六角棱柱磁体的内环中的两个的中心从磁体架中的标称位置横向移位以更远离测试体积，六个六角棱柱磁体的内环中的四个的中心从磁体架中的标称位置横向移位以更靠近测试体积。
[0112]
在一个实施例中，磁体阵列还可以包括第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集，其中，所述第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集具有不同的磁矫顽力。
[0113]
在一个实施例中，从磁体架中的标称位置横向移位的所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集被定位成更远离测试体积。
[0114]
在一个实施例中，从磁体架中的标称位置横向移位的所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集被定位成更靠近测试体积。
[0115]
在一个实施例中，从磁体架中的标称位置横向移位的所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集的第一部分被定位成更远离所述测试体积，从磁体架中的标称位置横向移位的所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集的第二部分被定位成更靠近测试体积。
[0116]
在另一方面，提供了一种用于组装磁体阵列的方法，所述方法包括：
[0117]-提供多个多面体磁体；
[0118]-在磁体阵列的磁体架中提供单元框架，所述单元框架用于容纳多面体磁体；
[0119]-将所述多个多面体磁体布置在磁体架中的单元框架中，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，并且其中，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集从磁体架中的标称位置横向移位以抵消磁体阵列的磁场梯度；以及
[0120]-将磁体架布置在架堆叠中，以组装磁体阵列。
[0121]
根据另一方面，提供了一种磁共振设备，该磁共振设备包括磁体阵列，所述磁体阵列包括以halbach圆柱体构造布置的多个多面体磁体，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，并且其中，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集从磁体架中的标称位置横向移位以抵消磁体阵列的磁场梯度。
[0122]
根据以下对所选实施例的详细描述，本主题的特征和优点将变得更加明显，如附图中所示。如将意识到的，所公开和要求保护的主题能够在各个方面进行修改，所有这些均不背离权利要求的范围。因此，附图和描述本质上应被视为说明性的，而不是限制性的，并且主题的全部范围在权利要求中阐明。
附图说明
[0123]
本公开的其他特征和优点将从以下结合附图的详细描述中变得显而易见，其中：
[0124]
图1a是示出了在用于产生沿样本管的对称轴线排列的强磁场的超导线圈的布置中的样本管的示意性侧视图；
[0125]
图1b是示出了沿管的对称轴线观察的圆柱形halbach磁体阵列中的样本管的示意性俯视图；
[0126]
图1c是示出了沿垂直于管的对称轴线的轴线观察的圆柱形halbach磁体阵列中的样本管的示意性透视图；
[0127]
图2是理想化的halbach圆柱体的横截面图；
[0128]
图3a-3c是现有技术的基于halbach圆柱体的磁体组件的实施方式的横截面图；
[0129]
图3d示出了在halbach圆柱体磁体阵列内的中心腔内的极片和匀场板的布置；
[0130]
图4a示出了halbach球体的理想磁体构造；
[0131]
图4b示出了halbach球体的实际现有技术实施例；
[0132]
图4c是基于多面体磁体的点阵构造的磁体组件的现有技术实施例的角视图；
[0133]
图5示出了根据本公开的实施例的包括磁体阵列的磁共振设备的框图；
[0134]
图6示出了磁体构造的实施例的俯视图；
[0135]
图7a示出了图6的实施例的透视图，示出了架堆叠中的四个磁体架；
[0136]
图7b示出了包括五个磁体架的磁体架堆叠的实施例的透视图；
[0137]
图8a示出了磁体单元框架的实施例的俯视图；
[0138]
图8b示出了磁体单元框架的另一实施例的俯视图；
[0139]
图8c示出了图8a的实施例的俯视图，其中，箭头示出了磁体子集的位置将如何从图8a的实施例中的相应位置改变到图8b的实施例中对应位置；
[0140]
图8d示出了磁体单元框架的又一实施例的俯视图；
[0141]
图8e示出了图8a的实施例的俯视图，其中箭头示出了磁体子集的位置将如何从图
8a的实施例中的相应位置改变到图8d的实施例中对应位置；
[0142]
图8f示出了磁体单元框架的又一实施例的俯视图；
[0143]
图8g示出了图8a的实施例的俯视图，其中箭头示出了磁体子集的位置将如何从图8a的实施例中的相应位置改变到图8f的实施例中对应位置；
[0144]
图9示出了包括图8a、8b和8d的磁体架的多个磁体架的架堆叠的分解视图；
[0145]
图10示出了具有不同磁化矢量的不同类型的六角棱柱磁体；
[0146]
图11示出了包括磁体子集的磁体构造的实施例的透视图，子集中的每个磁体具有平面外磁化；
[0147]
图12a示出了架堆叠中的多个磁体架的实施例的分解视图；
[0148]
图12b示出了图12a的第三(中央)磁体架的俯视图；
[0149]
图12c示出了图12a的第二(和第四)磁体架的俯视图；
[0150]
图12d示出了图12a的第五(底部)磁体架的俯视图；
[0151]
图12e示出了图12a的第一(顶部)磁体架的俯视图；
[0152]
图13示出了架堆叠中的多个磁体架的另一个实施例的分解视图；以及
[0153]
图14示出了复合多面体磁体的实施例的透视图。
[0154]
应注意，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。
具体实施方式
[0155]
在实施例中，公开了一种磁体阵列，该磁体阵列包括以halbach圆柱体构造布置的多个多面体磁体，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，并且包括以halbach圆柱体构造布置的第一多个多面体磁体和以非halbach构造布置的第二多个多面体磁体。在另一方面，公开了一种磁体阵列，其包括具有不同矫顽力的第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集。在又一方面，公开了一种磁体阵列，其中，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集从磁体架中的标称位置横向移位以抵消磁体阵列的磁场梯度。
[0156]
通过参考以下实施例将更容易理解本发明，这些实施例用于说明本发明而不是限制其范围。
[0157]
在本公开中，术语halbach圆柱体构造是指围绕包含轴的中心体积设置的个体磁体(通常称为分量磁体)的构造，其中每个磁体的磁化基本上根据以下等式定向
[0158][0159]
其中，是所述个体分量磁体的中心的相对于原点位置和φ＝0的优选轴线的圆柱极坐标，其中，k是整数参数。如果磁化是沿着一个方向“基本定向”的，或者如果它是从一组有限的可能性中(例如从连接固定多面体的顶点或边缘或面的中点的矢量所限定的一组方向)选择作为最接近的近似值，则磁化是沿着该方向“基本定向”的。本领域技术人员将认识到等式中的k＝1是最普遍的情况，其在构造的中心体积的一部分内产生沿优选的φ＝0的轴线定向的基本均匀的磁场。图2示出了在围绕中心体积16的区域11内根据k＝1情况选择的磁化矢量14。
[0160]
在本公开中，术语改进的halbach磁体构造是指包括两个或更多个磁体子集的个
体分量磁体的构造(或布置)，至少一个子集以halbach圆柱体磁体构造来构造，并且至少一个另外的子集具有如本公开中所讨论的另一种(非halbach)磁体构造。在本公开的实施例中，这种改进的halbach磁体构造提供了一种设计环境，在该设计环境中halbach圆柱体的实际实施能够被改进以提供在应用中具有改进特性的磁场。磁体的子集也可以称为多个磁体或一组磁体或一部分磁体。
[0161]
在本公开中，术语磁体架是指布置在保持结构中的个体(分量)磁体的集合，使得它们的中心位于一个平面内。举例来说，图6示出了磁体架250和个体分量磁体210的一个实施例的俯视图。如图8a所示，磁体架250包括单元框架215和框架外壳251。在这些示例中，个体分量磁体是六角棱柱，所述六角棱柱中的每个都具有在页面平面之外对齐的六重对称轴线。在实施例中，个体分量磁体可以被放置成使得它们的中心与点阵中的点重合。在本公开中，术语点阵指的是点集合，所述点集合中的每个从原点偏移选自基集合的矢量的整数倍之和。
[0162]
在本公开中，磁体架堆叠是指沿与包含磁体架的个体分量磁体的中心的所述平面垂直的轴线堆叠的磁体架的集合。举例来说，图7a示出了具有四个磁体架250的架堆叠230的实施例的透视图。在实施例中，例如出于设计或制造目的，架堆叠可以附接或安装到诸如顶部结构(未在图7a中所示)或底部结构(图6和图7a中所示的260)之类的附加结构。在实施例中，架堆叠可以包含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或任何数量的磁体架。
[0163]
在本公开中，磁体构造(阵列)中的多面体磁体中的个体多面体磁体选自以下：截角立方体；菱形十二面体；柏拉图(platonic)立体；阿基米德(archimedean)立体；约翰逊(johnson)立体；棱柱；倒角多面体；和截角多面体。棱柱被理解为表示包括两个相对的全等的n-边多边形面的多面体，该多边形面的对应边由n个矩形面连接。在本公开中使用的示例是六角棱柱，其中n等于6。
[0164]
在本公开中，磁场梯度是在其强度或方向上具有空间变化的磁场的特征。在许多实际应用中，尤其是在磁共振应用中，需要一种能产生强大的空间均匀场的磁体组件。在这种情况下，磁场很好地近似于其沿轴线的投影，使得磁场表示为标量值bz，即沿该轴线的场分量。
[0165]
在本公开中，二次场梯度是其中场的分量与某个空间坐标的二次方成比例地变化的磁场梯度。例如，具有基本为以下形式
[0166]bz
(x，y，z)＝b0 a(x
2-y2)
…
的z分量的磁场由于其空间上依赖于坐标x和y的二次方，因此具有二次场梯度。应当注意的是，在本公开中，例如由以下形式
[0167]bz
(x，y，z)＝b0 b(xy)
…
的场表现的“双线性”梯度根据该限定是形式上二次的，因为函数xy＝(u
2-v2)在线性相关坐标和中表示。
[0168]
在本公开中，术语磁共振或mr是指样本的磁矩在一个或更多个磁场中的共振重新定向，并且包括核磁共振(nmr)、电子自旋共振(esr)、磁共振成像(mri)以及铁磁共振(fmr)。实施例也可以应用于离子回旋共振(icr)。在特定应用和实施例中，所公开的装置和方法应用于nmr，并且在实施例中，它们应用于nmr光谱仪或nmr成像仪。当暴露于磁场时显示出磁共振的材料被称为磁共振或mr活性核素或材料。
[0169]
在本公开中，术语初级场、主场、初级磁场和主磁场是指由磁体阵列产生的磁场。
在一系列实施例中，实现了1.0至3.0特斯拉(tesla)范围内的场强。然而，在替代实施例中，场强可以低于1.0特斯拉或高于3.0特斯拉。场强将取决于磁体架的数量、个体分量磁体的强度、极片的存在或不存在以及类型、使用的构造材料和其他变量。
[0170]
在本公开的实施例中，磁体阵列可以包括在磁共振装置或设备中。例如，图5是根据本公开的实施例的磁共振设备150的示例性框图。设备150包括计算机151，该计算机可操作地连接到样本转动控制模块152，用于控制可选样本转动器154的转动，该可选样本转动器用于在磁体阵列159中提供的样本通道158内转动样本管157中的样本156。计算机151还可以可操作地连接到脉冲磁场控制和信号检测模块160，用于控制检测线圈162并从该检测线圈接收信号。设备150还可以包括场均匀性控制模块164，用于控制位于中心的测试体积165中的磁场。还可以提供温度控制模块166，用于控制磁体阵列159的温度和通道158内部的温度。
[0171]
在本公开的实施例中，公开了用于构建磁体架、磁体架堆叠以及包括磁体阵列的最终磁共振设备的方法。可以使用不同的术语来描述基于这些磁体阵列构建磁共振设备，例如，组装、构造、生产、制造或构建。这些术语指的是构建物理设备，而不是模拟磁体阵列特性。
[0172]
磁体位移
[0173]
图6以俯视图示出了磁体架250中磁体的示例构造。这些磁体能够根据halbach圆柱体构造进行磁化。磁体阵列(或者称为磁体组件)通常被指定为200。为了清楚起见，磁体阵列200可以包括在图6中未示出的附加磁体架中的磁体。个体六角磁体210形成围绕中心腔220的六角-圆柱形布置。在图6中，示出了最接近中心腔的六个磁体。额外的磁体位于离中心腔更远的位置处。个体六角磁体的尺寸和组成可以变化，例如，阵列中的一些磁体210可以大于阵列中的其他磁体240。在图6所示的示例中，较小的磁体240可以相对于较大的磁体210以不同的角度定向。磁体由定位在基座260上的磁体架250中的单元框架包围。在该示例中，在架中具有24个较大磁体210和十二个较小磁体240；然而，磁体数量的其他变化是可行的，并且两种以上类型和/或尺寸的磁体可以并入到基于halbach的阵列中。在使用中，样本通常将被定位在中心腔220的中心处或中心附近的限定的样本体积、样本空间或测试体积中。
[0174]
增加磁体阵列中磁场强度的一种方法是使用极片，当放置在磁场中时，极片能够获得磁极化。这种极化能够将靠近极片的空间区域中的磁场强度增加到比没有极片时更大的值。有时在应用中需要成对使用极片而不是单独使用。图3d示出了在由一组六个磁体52限定的六角形腔内的极片54的已知示例构造，所述六个磁体中的每个为六角棱柱的形状。
[0175]
图7a是图6的磁体组件的透视图，示出了基座260之上的四个圆柱形架250的堆叠230，每个架具有如图6所示的磁体布置。能够使用其他数量的架，例如，一个、两个、三个、四个或五个架，并且每个架中的磁体布置可以与其他架中的相同或不同。作为示例，图7b示出了五个架255的堆叠235的透视图。图中暴露的是顶部架，其具有图6和图7a中所示的磁体构造的替代磁体构造201。如图7b所示，三十六个六角棱柱磁体210可以分别布置成六个六角棱柱磁体的内环、十二个六角棱柱磁体的中间环和十八个六角棱柱磁体的外环，并且内六角棱柱磁体最靠近中心腔，在nmr光谱仪中，所述中心腔可以包括样本测试体积。正如不同数量的磁体架可以包括在磁体架堆叠中一样，尽管在该示例中示出了三十六个磁体，但是
其他数量、布置和类型的磁体可以用在本文所述的磁体构造中。
[0176]
图8a示出了包括单元框架215和框架外壳251的架250。单元框架215在本公开中被认为是标称框架，其他框架能够与所述标称框架进行比较。单元框架的功能的一个示例是在架的组装期间引导个体分量磁体在磁体架250中的放置。框架功能的另一个示例是在架中的一些或所有磁体之间提供分隔。换言之，单元框架限定了多个单元，每个单元用于将个体分量磁体容纳到磁体架中。在其他实施例中，单元框架中的单元可以容纳如本文所公开的复合磁体。
[0177]
在一个非限制性示例中，磁体架的高度为1.5”，架内的六角棱柱磁体也是如此(沿六角棱镜的六重对称轴线为1.5”)。单元框架中的单元跨度为1.25”(从一个边缘的中点到跨越六边形面的相对边缘的中点)，构成框架本身的壁的厚度为0.030”。在替代实施例中，取决于应用和期望的磁场强度，磁体尺寸和单元框架尺寸可以更大或更小。
[0178]
在图8a中，单元框架215限定了多个单元，其中围绕中心腔的最里面的六个为方便起见标记为a。框架215能够容纳围绕中心腔220定位的多达36个磁体。框架215包括框架部分217，所述框架部分通过框架顶点221相互连接。(注意：并非所有框架部分和顶点都在图中被明确标记)笛卡尔坐标轴系统如图8a所示，x轴指向页面平面之外，并且该轴系统能够理解为贯穿图8b-8g。
[0179]
图8b图示了架350内的改进的单元框架316。该框架316还能够容纳围绕中心腔320定位的多达36个磁体。然而，框架316包括比在图8a的框架215中所示的更少的框架部分317和更少的框架顶点321。特别地，标记为c的个体磁体单元之间的一些框架部分以及标记为c的磁体单元与框架的中心腔之间的一些框架部分不存在。这种移除使得放置在标记为c的单元中的磁体能够更靠近中心腔并且彼此更靠近。此外，在标记为b的单元与相邻单元在与中心腔320相对的标记为b的单元的侧上的框架部分也被移除。这种移除使得放置在标记为b的单元中的磁体能够更远离中心腔。在本公开的实施例中，框架部分(例如，部分318)可以具有比其他框架部分(例如，部分319)更薄的宽度。在一个非限制性示例中，如果标称框架壁的厚度为0.030”，那么这会将位移范围设置为大致在
±
0.030”范围内的值。在替代实施例中，位移范围将类似地受到针对框架而选择的机械特性的限制。
[0180]
磁体中心从图8a中所示的标称框架的这些平面内(横向)位移可以产生二次场梯度，其符号与通过将磁极片插入到磁体构造中产生的二次场梯度相反。因此，能够考虑将分量磁体放置到框架中，以抵消由极片产生的二次场梯度。与图8a中的框架215相比，图8c更清楚地示出了(以箭头的形式)刚刚针对图8b中的框架316描述的位移方向。
[0181]
能够对单元框架进行替代性改进以影响磁场和磁场梯度。通过说明而非限制的方式，图8d示出了架450内的改进的单元框架422的替代实施例。该框架422能够容纳围绕中心腔420定位的多个磁体。框架422不同于框架316和框架215。与框架215相比，框架422包括更少的框架部分417和相同数量的框架顶点421。与图8a中所示的框架相比，图8e示出了(以箭头的形式)由图8d所示的框架影响的磁体位移(磁体位置的变化)。
[0182]
图8f示出了改进的单元框架523的又一替代实施例。图8g利用箭头示出了磁体子集的位置将如何从图8a的框架改变到图8f的框架。
[0183]
图8b、8d和8f中所示的示例框架与图8a中所示的标称框架之间的差异可以被视为标称框架的畸变。标称框架在磁体之间呈现相等的间距，而畸变会导致磁体之间的间距不
相等。这种畸变可能会放大或减弱某些磁场梯度(这些磁场梯度会因插入极片而产生)，从而减轻梯度对主磁场的有害影响。这种能力可以允许与各种应用兼容的更大范围的极片形状。例如，畸变的框架可以抵消对位于中心腔中的极片的磁场梯度的有害影响，并产生磁场均匀性和强度的整体改善。
[0184]
在本公开的实施例中，磁体架堆叠可以包括个体磁体架，所述个体磁体架包括相同的框架或不同的框架。可根据例如对磁体阵列的磁场梯度的理解(以及哪些磁场梯度可能需要抑制)、磁体阵列组装的容易程度、组装成本或其他技术和/或实际因素来确定磁体架堆叠中对于每个个体磁体架的框架的选择。图9示出了包括五个磁体架的磁体架堆叠535的一个非限制性示例的分解图。顶部和底部(从顶部数第一个和第五个)磁体架被示出为包括图8a的标称框架215，而在该示例架堆叠535中，两个磁体架(第二和第四)包括图8b的畸变框架316，并且图9中的中央(第三)磁体架包括图8d中的畸变框架422。图9展示了在一些应用中可能是有利的从上到下的对称性，而其他应用可能需要或受益于反对称或非对称布置，例如其中每个架中的框架不同。
[0185]
公开的改进的halbach磁体阵列可以被物理组装(例如，组装到磁体架、磁体架堆叠或磁共振设备中)。在本公开的一个实施例中，一种用于组装磁体阵列的方法包括提供多面体磁体的物理组并在磁体阵列的磁体架中提供单元框架，所述单元框架用于容纳多面体磁体。该方法包括将这些多面体磁体布置在磁体架中的单元框架中。磁体架中的多面体磁体的中心可以基本上布置在磁体阵列的磁体架中的平面中，并且使得多面体磁体至少部分地包围测试体积，该测试体积在使用中将容纳用于分析的化学样本。在该方法中，多面体磁体中心的子集从磁体架中的标称位置横向移位(遵循单元框架的结构)以抵消磁体阵列的磁场梯度。该方法还可以包括将磁体架布置在架堆叠中，以组装磁体阵列。
[0186]
公开的改进的halbach磁体阵列(包括图6-9中所示的相关联的磁体架和磁体架堆叠示例)可以在如图5所示的磁共振设备中使用。磁共振设备可以包括磁体阵列，该磁体阵列包括以halbach圆柱体构造布置的多个多面体磁体，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，并且其中，所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心的子集从磁体架中的标称位置横向移位以抵消磁体阵列的磁场梯度。
[0187]
磁矫顽力
[0188]
当磁体被放置在强磁场中时，永磁材料能够经受到磁应力(去磁力)，例如，当磁体被放置成使得它们的磁化矢量与由附近强磁体产生的磁场方向相反。处于这种应力下的磁体可能会发生部分或全部去磁，并且这种有害影响会在高温下加剧。特定磁性材料对这种效应的抵抗力通过其固有磁矫顽力(也称为固有矫顽力)h
c，i
来量化。通常，当在不量化的情况下使用词语“矫顽力”时，该术语被理解为固有矫顽力。矫顽力的单位si是安培每米(a/m)，矫顽力的单位cgs是奥斯特(oersted)。通常情况下，与具有低矫顽力的磁体相比，具有高矫顽力(更大的抗去磁能力)的磁体成本较高。为了优化在构造用于包括nmr光谱的应用的磁体阵列时的性能和成本，因此有利的是知道在磁体构造内的哪些位置可以使用高矫顽力的磁体以及在哪些位置可以使用低矫顽力的磁体。例如，在磁场较强且与磁体自身的磁化相反的磁体阵列中，可能需要表现出高矫顽力的磁体。高矫顽力磁体的这种放置可以减少磁体在这些位置中去磁的趋势，或者可以增加可以使用包含磁体阵列的设备的实际温度
范围。
[0189]
商业制造商通常按等级指定磁体材料，该等级与矫顽力标签相关联。例如，可以购买等级n42、n42m、n42h、n42sh、n42uh、n42eh和n42ah。每个等级的矫顽力都会随着该列表而增加。在列表中的连续等级之间，矫顽力能够变化20％或更多。在一个等级内，矫顽力通常变化不到几个百分点。在本公开中，“相同”矫顽力的磁体被理解为是指具有相同商业等级的磁体，矫顽力变化不超过5％、优选不超过2％。在本公开中，“不同”矫顽力的磁体被理解为是指不同等级的磁体，其中，矫顽力之间的差至少超过10％的阈值并且优选地超过20％的阈值。
[0190]
磁性材料和由这些材料制成的分量磁体的另一个重要特性是剩余磁化。该量是磁性材料在制造过程中被磁化后存在的磁化。例如，制造商通常将指定一个比例量，即剩余场br，而不是剩余磁化。剩余磁化在磁体阵列设计和应用中很重要，因为它有效地表征了分量磁体的“强度”以及磁体在磁体占据的空间之外的位置处产生磁场的能力。
[0191]
通常情况下，最强的可用磁体(即具有最高“最大能量积”的磁体，即磁通量密度和磁场强度的最大可达到乘积)在高剩余磁化和高矫顽力之间进行权衡。因此，本发明的一个方面是利用磁体阵列中存在的整体磁场的知识，尤其是在个体组件磁体占据的体积内，以识别具有相对较弱的矫顽应力的位置(也称为阵列中的位置或地点)，以选择矫顽力较低且成本较低(或相应的高剩余磁化)的磁体，从而增加阵列的中心测试体积内产生的可用总磁场，或降低包含磁体阵列的设备的总成本。
[0192]
这里公开的是品质因数、阈值矫顽力h
t
。用于磁体阵列中给定位置处的分量磁体的磁性材料的固有矫顽力h
c，i
必须超过该阈值矫顽力。
[0193]
在磁性材料内部的点处，限定了三个矢量量：磁场强度磁化强度和磁通密度这些与关系有关，其中μ0是介电常数。当磁体处于矫顽应力下时，和在磁体内的大部分体积上指向大致相反的方向。在这种情况下，这些矢量的点积将为负数。因此，在存在去磁力的情况下稳定性的标准是量在磁体中的任何位置都不能太大。
[0194]
等人考虑了磁体阵列中的去磁问题，并给出作为估计磁体何时处于足以导致去磁的矫顽应力的标准。(参见a.smith和c.bahl，“the efficiency and the demagnetization field of a general halbach cylinder”，journal of magnetism and magnetic materials，第384卷，第128页，2015年，尤其是其中的等式(8)。
[0195]
对于可靠的磁体产品，该标准不够严格。磁体组件必须对温度变化(例如在商业产品运输期间)和与磁性材料、分量磁体、固定结构等与制造相关联的规范公差具有鲁棒性。
[0196]
考虑到这些因素，每个分量磁体都有一个制造商指定的矫顽力(在指定的标准温度θ
spec
下给出，例如20℃)必须满足以下不等式：
[0197][0198]
其中，是磁体内的点积的最小(最负)值，α是安全系数(例如90％(0.90))，k是磁性材料的矫顽力温度系数(例如0.0056℃-1
)，并且δt是矫顽力规格中使用的最高工作温度与最高标准温度之间的差值。本文还公开了限定阈值矫顽力的以下等式：
[0199][0200]
制造商指定的磁体在给定地点的矫顽力必须超过该地点的h
t
才能满足上述性能标准。
[0201]
在本公开的一个实施例中，一种矫顽力选择方法包括以下步骤：
[0202]
1.根据所提出的改进的halbach磁体构造，在指定位置和磁化矢量方向上使用分量磁体建立静磁模拟
[0203]
2.对于每个分量磁体位置
[0204]
2.1.在与所述磁体位置相关的磁体体积内选择点集合
[0205]
2.2.运行所述静磁模拟以获得所述点集合中每个点处的场强并根据所提出的改进的halbach构造将与方向相关联的磁化分配给
[0206]
2.3.计算所述点集中的每个点处的积
[0207]
2.4.为所述分量磁体位置选择最小(最负)值
[0208]
2.5.为所述分量磁体位置计算阈值矫顽力
[0209]
2.6.为所述位置选择矫顽力超过h
t
的可用(物理)分量磁体
[0210]
商业上可用的仿真软件能够适用于执行步骤1。此类软件的非限制性示例包括comsol的产品和ansys,inc.的产品。
[0211]
在第二实施例中，在第二实施例中，标称实施例的步骤之前是将每个部件磁体位置分配给对称类位置的步骤(步骤0)，每个位置通过作为整体的组件的对称元素与其分配的对称类别的其他构件相关，如反射平面、转动轴线、转动-反射轴线或反转中心，或磁反射平面、磁转动轴线、磁转动-反射轴线或磁反转中心。然后在每个对称类别的位置上执行标称方法的步骤2。
[0212]
如在磁性材料的对称理论中(参见例如m.hamermesh，group theory and its application to physical problems(群理论及其在物理问题中的应用)，dover，new york，1989)，在本公开中，包括磁反射平面、磁转动轴线、磁转动-反射轴线或磁反转中心的术语磁对称元素被理解为表示相应的对称元素，随后是电流的反转和磁化方向的相应反转。
[0213]
在另一实施例中，将第二个实施例中的步骤2.6替换为如下所示的条件步骤(2.6-a)：
[0214]
(2.6-a)如果阈值矫顽力高于所需的最大矫顽力h
max
，则为所述对称类位置处的磁化选择替代方向并重复步骤2。否则，为所述对称类别位置中的每个所述磁体选择矫顽力超过h
t
的可用(物理)分量磁体。
[0215]
在本公开的实施例中，磁体阵列可以包括两个多面体磁体子集，一个子集具有矫顽力相对较高的磁体，而对比第二子集具有相对较低的矫顽力。具有较高矫顽力的第一多面体磁体子集可以更靠近阵列中的测试体积来定位，并且具有较低矫顽力的第二多面体磁体子集可以远离测试体积来定位。
[0216]
可以根据诸如静磁模拟之类的模拟来选择第一子集中具有较高矫顽力的多面体磁体的数量、矫顽力值，以及在其中布置有第一子集的磁体阵列内的位置。同样地，也可以通过模拟来指定第二组中具有较低矫顽力的多面体磁体的数量、矫顽力值以及在其中布置有第二子集的磁体阵列内的位置。阵列中为矫顽力升高的磁体选择的位置可以被确定为与模拟中表现出更强去磁力的位置一致，阵列中为矫顽力降低的磁体选择的位置可以被确定为与模拟中表现出较弱去磁力的位置一致。下一节将讨论与矫顽力有关的更多示例。
[0217]
磁化矢量
[0218]
在本公开中，具有位于限定磁体架的平面中的磁化矢量(例如，在图8a中所示的yz平面中)的磁体被称为径向磁化。具有垂直于磁体架平面的磁化矢量的磁体被称为轴向磁化。具有不位于平面内但不垂直于平面的磁化矢量的磁体称为倾斜磁化。被轴向磁化或倾斜磁化磁体被称为具有平面外磁化。
[0219]
图10示出了六角棱柱形状的磁体的示例。在图10中，磁体a为径向面磁化磁体，其中磁化矢量(用箭头表示)垂直于磁体的矩形侧面并且垂直于磁体的六边形面的六重对称轴线。磁体b被径向边缘磁化，其中磁化矢量垂直于磁体六边形面的六重转动对称轴线，并从限定磁体矩形面的长边延伸到穿过磁体主体的相对边缘。将容易理解，该矢量也平行于磁体b的某些相对的矩形面。图10还示出了磁体e，其被轴向磁化，即沿着与磁体的六重对称轴线重合的矢量磁化。
[0220]
磁体c和d是倾斜磁化磁体的示例。更准确地说，磁体c被倾斜边缘磁化，其中，磁化矢量从界定磁体六角形面的一个边缘的中点延伸到界定磁体六角形面的另一个边缘的中点，并穿过磁体的中心。从图10可以看出，磁体c的磁化矢量垂直于所述边缘，并且磁化矢量与磁体c的六重对称轴线形成锐角。磁体d被倾斜顶点磁化，其磁化矢量从一个顶点穿过磁体中心延伸到另一个顶点。磁体d的磁化矢量也与磁体d的六重对称轴线形成锐角。
[0221]
在halbach圆柱体磁体构造中，例如图如图1b、3a-d和5所示，所有磁体都被径向磁化。也就是说，磁化矢量仅具有径向和方位分量，因此位于相应的磁体架或其他保持结构的平面内。
[0222]
在本公开中，描述了改进的halbach磁体配置，其包括halbach圆柱体构造的磁体的第一子集和磁体的第二子集，该磁体的第二子集可以包括轴向或倾斜磁化磁体，其偏离由严格的halbach圆柱体构造规定的磁化。将磁体的第二子集与磁体的第一子集包括在内可以有利地增加至少部分地由磁体构造包围的样本测试体积内的磁场强度。
[0223]
通过说明而非限制的方式，图11以透视图示出了根据本公开的实施例的包括两个六角棱柱磁体子集的架650。用黑色箭头表示并标记为631的第一磁体子集被径向磁化并形
成围绕中心体积620的halbach圆柱体构造。两个子集中的第二个子集中磁体不被径向磁化，而被轴向(641和645)磁化、倾斜边缘(670)磁化和倾斜顶点(661)磁化，如架650中所示。每个磁体通过单元框架615在固定位置处保持在磁体架650内。
[0224]
通常，根据本公开的实施例的磁体配置包括多个磁体子集。第一子集包括根据halbach圆柱体构造径向磁化和定向的磁体。磁体的第二子集(以及另外的第三或第四或更多子集)包括根据halbach圆柱体构造的未磁化磁体。这些第二子集和另外的子集包括可以被轴向磁化、倾斜磁化或径向磁化磁体。
[0225]
在实施例中，可以选择子集中位移处的磁体，使得其磁化基本上根据球形halbach构造对齐，即，由以下公式确定：
[0226][0227]
其中是首选场方向，其中是指向的单位矢量。在实施例中，在实施例中，磁化可以从有限的可能性集合中选择，该可能性集合与将磁体类型的选择限制为对称集合一致，例如图10中所示的六角棱柱磁体的对称集合。
[0228]
图12a-e共同示出了根据本公开的实施例的磁体架堆叠和相关联的磁体架的示例。图12a以分解图示出五个圆柱形架的磁体架堆叠700。架被堆叠，使得它们的中心沿中心轴710对齐。架堆叠包括第一(顶部)架750、两个中间架730(从架堆叠顶部依次开始的第二和第四)、第三(中央)架720和第五(底部)架740。每个架在图12b-e其中之一中以俯视图示出。在本示例中，第二和第四架具有相同类型和排列的磁体，因此，图12c以俯视图示出了两个架的共同构造。虽然顶部和底部架(分别为750和740)是不同的，但图12d(底部)和12e(顶部)示出这两个架是彼此的镜像，镜像平面位于图12a中的架720的中心，并垂直于轴线710。轴线710分别与图12b-e中所示的坐标框723、733、743、753中显示的x轴重合。
[0229]
图12b是图12a的中央架720的俯视图，该架整体具有与图12b中的页面平面重合的对称平面。由于第二和第四(中间)架具有相同类型和排列的磁体，并且顶部和底部架是彼此的镜像，所以架堆叠作为一个整体(图12a)呈现出垂直于轴710并与架720的中心重合的镜像对称平面。
[0230]
在图12b中以俯视图示出了第三(中央)架720，六角棱柱分量磁体布置在框架外壳721内，其中架中的每个磁体的磁化矢量由箭头722指示。磁体中的一些(例如725)属于磁体的子集，这些磁体是沿着矢量磁化的，该矢量是最接近于halbach圆柱构造的，给定的约束为从图10中所示的六角棱柱的有限可能性集合中选择磁化。位于中心的六个磁体726以halbach圆柱体构造示出，并且这些磁体属于相对于磁体组件中的其他磁体具有更高矫顽力的磁体子集。磁体的另一个子集(例如727)表现出不严格符合halbach圆柱体构造的磁化矢量，而是重新定向以降低磁体架中这些位置的阈值矫顽力。在这些位置，允许降低阈值矫顽力h
t
(和磁体成本)，但由于磁体727偏离严格的halbach圆柱体磁化方向，导致中心孔(中心体积)760中的磁场降低。
[0231]
总体而言，第三(中央)磁体架720包括二十个径向面磁化磁体和十六个径向边缘磁化磁体的布置，所有这些磁体都具有平面内磁化。
[0232]
图12c以俯视图示出了一个中间(第二和第四)架730。如同在中央架720中一样，在中间架730中，六角棱柱分量磁体被布置在框架外壳731内，其中对于架中的每个磁体的磁
化矢量由箭头732指示。磁体的子集(例如734)严格按照halbach圆柱体构造规定的矢量磁化。一些磁体(例如735)属于磁体的子集，其沿着最接近halbach圆柱体构造的矢量磁化，给定的约束为从图10中所示六角棱镜的有限可能性集合中选择磁化。位于中心的六个磁体736呈现出halbach圆柱体构造，并且这些磁体属于相对于磁体组件中的其他磁体具有提高的矫顽力的磁体子集。与图12b相反，磁体架730中的磁体737(其在中央架720中的对应物727表现出重新定向的磁化矢量以便降低那些位置的阈值矫顽力h
t
)在图12c中没有重新定向。在中间架中，阈值矫顽力要求没有在中央架中那么严格。总体而言，第二和第四(中间)磁体架730包括二十八个径向面磁化磁体和八个径向边缘磁化磁体的布置，所有这些磁体都具有平面内磁化。
[0233]
图12d以俯视图显示底部(第五)架740。如同在中央磁体架720和中间架730中一样，六角棱柱部件磁体被布置在框架外壳741内的架740中，架中的每个磁体的磁化矢量由箭头742指示。磁体的子集(例如，744)严格沿halbach圆柱体构造规定的矢量磁化。一些磁体(例如，745)属于磁体的子集，这些磁体沿着最接近于halbach圆柱体构造的矢量磁化，给定的约束为从图10所示的六角棱镜的有限可能性集合中选择磁化。位于中心的六个磁体746中的两个属于如下磁体的子集，所述磁体相对于磁体组件中的其他磁体具有更高的矫顽力。这些磁体746连同其他类型的磁体747和748表现出分别与中心和中间架720和730中的对应物基本上偏离的磁化矢量。这些磁体746、747和748属于如下磁体的子集，其磁化矢量基本上根据球形halbach构造和公式确定。同样，在上下文中，“基本上”意味着磁化矢量是从图10所示的有限可能性集合中选择的。该子集中的一些磁体(例如747和748)表现出平面外的磁化。特别是，这些磁体是轴向磁化的。在图12d中，磁体748用包围十字的圆表示(表示磁化进入页面平面)，磁体747用包围原点的圆表示(表示磁化离开页面平面)。
[0234]
图12e以俯视图示出了顶部(第一)架750。磁体架750是磁体架740的镜像，镜像平面是页面平面，即，根据坐标轴线743和753的yz平面。总体而言，第一磁体架和第五(分别为顶部750和底部740)磁体架各包括十四个径向面磁化磁体、四个径向边缘磁化磁体和十八个轴向磁化磁体的布置。换言之，在第一磁体架和第五磁体架中的每个中存在具有平面内磁化矢量的十八个磁体和具有平面外磁化矢量的十八个磁体。
[0235]
根据本公开的另一个实施例，在图13中以分解图的形式提供了磁体架堆叠的另一示例。在图13中，示出了具有五个相同架730的架堆叠800。架沿中心沿轴线810与它们的中心对齐。回到图12c中，磁体架730中的所有分量磁体基本上以halbach圆柱体构造磁化。根据磁体的矫顽力是相对升高(较高)还是相对不升高(较低)，将磁体分为(划分或分组)两个子集。
[0236]
在前述示例实施例中，磁体架中的位置由多面体磁体占据，尤其是六角棱柱磁体。在其他实施例中，选定的位置可以被多个磁体占据，其中所述多个磁体基本上一起成形为整体上符合该位置的形状。多个磁体中的每个磁体可以从有限的可能性集合中选择，例如图10中所示的六角棱镜的集合。图14示出了一个示例实施例，其中整个六角棱柱位置900被包含两个较小的六角棱柱磁体910和920的多个磁体所占据。磁体910和920分别具有两个不同的磁化矢量915和925，并且磁体910被轴向磁化，而磁体920被倾斜边缘磁化。在本公开中，术语复合磁体和复合多面体磁体被理解为表示磁体组件中的单元或点阵位置中的多个磁体，其中多个磁体中的每个具有其自己的磁化矢量。多个磁体一起成形以符合个体单元
或点阵位置。在位置中使用复合磁体能够增加单元或点阵位置内有效平均磁化矢量的有效可能性范围以及对磁体组件测试体积内的磁场的相应贡献。尽管图14示出了包含两个磁体的多个复合磁体，但其他复合磁体可以包括多个多于两个磁体。
[0237]
公开的改进的halbach磁体阵列可以被物理组装(例如，组装到磁体架、磁体架堆叠或磁共振设备中)。在本公开的实施例中，一种用于组装磁体阵列的方法包括提供第一物理组的多面体磁体并且将这些多面体磁体以halbach圆柱体构造布置在磁体架中。磁体架中的第一物理组的多面体磁体的中心可以基本上布置在磁体阵列中的平面中，并且使得多面体磁体至少部分地包围测试体积，该测试体积在使用中将容纳用于分析的化学样本。该方法还包括在磁体架中提供第二物理组的多面体磁体，以及在磁体架中以非halbach构造布置第二组多面体磁体。该方法还可以包括将磁体架布置在架堆叠中，以组装磁体阵列。
[0238]
公开的改进的halbach磁铁阵列(包括图11-14所示的相关联的磁体架和磁体架堆叠示例)可用于例如如图5所示的磁共振设备中。
[0239]
磁共振设备可以包括如下磁体阵列，该磁体阵列包括：以halbach圆柱体构造布置的第一多个多面体磁体；所述多个多面体磁体中的个体多面体磁体的中心基本上布置在磁体阵列的磁体架中的平面中，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积；以及在磁体架中的第二多个多面体磁体，所述第二多个磁体以非halbach构造布置。
[0240]
磁共振设备可以包括如下磁体阵列，该磁体阵列包括以磁体构造布置的多个多面体磁体，多个多面体磁体包括第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集，所述多个多面体磁体至少部分地包围测试体积，并且其中，所述第一多面体磁体子集和第二多面体磁体子集具有不同的磁矫顽力。
[0241]
尽管上面已经描述了优选实施例并且在附图中示出了，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本公开的情况下进行修改。这样的修改被认为是包括在本公开范围内的可能变型。