專利名稱：一種用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于核磁共振儀器的永磁體，特別涉及用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體。
背景技術(shù)：
近年來，在核磁共振設(shè)備領(lǐng)域已經(jīng)獲得了不斷的發(fā)展，提出了許多重要的應(yīng)用方向，并且不斷在實現(xiàn)。
當前對鉆探巖心樣品的測量，采用的方法是先通過野外鉆探獲得巖心，再將巖心帶回對測量環(huán)境要求較高的實驗室中測量。這種方法的缺陷在于從巖心的獲得到測量完成所需的時間過長，以致所得分析結(jié)果因其實效性差，不能有效地應(yīng)用于指導現(xiàn)場勘探與開發(fā)。因此實現(xiàn)快速獲取巖心樣本的物理化學特性具有現(xiàn)實的意義。也由于同樣的原因，農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量檢測以及化工產(chǎn)品的現(xiàn)場測量等，亦需要便攜式核磁共振儀器。
靜磁場發(fā)生裝置(磁源)是核磁共振儀器(NMR)的重要組成部分。構(gòu)建便攜式NMR裝置的首要問題不是磁場強度有多高，而是需要適合的磁場強度、均勻度和整個設(shè)備的尺寸、重量。便攜式核磁共振儀器要求磁體能夠提供適合的磁場強度和均勻度，并盡可能減少整個設(shè)備的尺寸和重量。
經(jīng)檢索七份中國專利1)專利號為92112454.6“永磁式核磁共振波譜儀釹鐵硼磁體”；2)專利號為98113543.9“核磁共振成像儀永磁體”；3)專利號為98318945.5“核磁共振C形永磁體”；4)專利號為01128381.5“一種用于核磁共振成像儀的永磁體”；5)專利號為02290346.1“稀土永磁式核磁共振質(zhì)譜儀磁場裝置”；6)專利號為200410030688.4“適于便攜式核磁共振裝置使用的永磁體”；
7)專利號為200510011970.2“用于便攜式核磁共振儀器的永磁體”。
前六份專利的磁體由磁鋼，極板或者勻場環(huán)，軛鐵等構(gòu)成，一對永磁磁塊被安裝在兩塊相對的上、下軛鐵上，所述一對永磁磁體彼此相對的表面上分別安裝極板。上述現(xiàn)有技術(shù)均采用極板式的架構(gòu)，其特征是通過磁路閉合構(gòu)造兩個相反磁極獲得所需的磁場空間。其不足之處在于(1)均勻磁場空間體積小，磁場空間浪費太大。由于對磁場的均勻性要求非常嚴格，現(xiàn)有的符合場強要求的均勻區(qū)域一般為兩磁極之間磁體截面內(nèi)氣隙磁場的30％左右甚至更低。如果考慮四周端部效應(yīng)，磁場空間的利用率更低。這是磁體造價費用很高的根本原因之一。
(2)磁場強度難以提高。永磁磁塊被安裝在兩塊相對的上、下軛鐵上，因此磁源的分布受到限制，根據(jù)磁場的疊加原理，磁體中心場強的提高有限。由于磁場向外泄露，磁場強度小于永磁材料剩余磁密。
(3)在磁體的設(shè)計中，需要通過軛鐵構(gòu)成閉合磁場回路，而且還需要采用極板或者勻場環(huán)提高磁體間隙內(nèi)的磁場均勻度，這就不可避免增添許多鐵磁材料，不僅增加了儀器的造價，更是在很大的程度上增加了磁體體積和重量，不利于攜帶。
第七份專利文獻，專利號為200510011970.2的“用于便攜式核磁共振儀器的永磁體”，由一個中空的圓柱形永磁體和一半圓柱形磁體構(gòu)成，半圓柱形磁體的軸截面疊加在圓柱形永磁體的一個端面上，半圓柱形磁體和圓柱形磁體在圓柱腔內(nèi)軸線上的磁場方向一致，用以補償圓柱磁體端部的磁場。該專利應(yīng)用在便攜式核磁共振儀器時，克服了極板式架構(gòu)的不足，有效地減小了的磁體的體積，減輕了重量，磁體中空腔體內(nèi)的磁場獲得補償。但是該專利設(shè)計的永磁體采用的是半圓柱形永磁體補償圓柱磁體端部的磁場，存在如下兩點不足1)只有無限長的半圓柱形磁體在沿其軸向上，磁場的各個量才能均勻分布，從而實現(xiàn)對圓柱形磁體中空腔體內(nèi)的磁場進行有效的補償，但是實際中，半圓柱形磁體的軸向長度是有限的，因此這種補償方案不可避免的存在系統(tǒng)誤差；
2)半圓柱形磁體的兩端部磁場在空間中成發(fā)散分布，具有很大的漏磁，因此對實際使用環(huán)境要求較高，仍然未能很好的滿足便攜式NMR儀器對磁體設(shè)計提出的少漏磁或者是無漏磁的要求。
在當前進行核磁共振測量時，絕大多數(shù)的試驗手段都是將樣品裝入試管進行測量，因此便攜式核磁共振儀器需要一種磁場空間利用率高、均勻度高、體積小、重量輕、漏磁少，適用于對試管中樣品進行測量的永磁磁體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有便攜式核磁共振儀器磁體的缺點，提供一種試管形永磁體。該永磁體的磁場空間利用率高、磁體的體積小、重量輕、漏磁少。適用于便攜式核磁共振儀器對試管中樣品的檢測。
為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明試管形永磁體由一個中空的圓柱形永磁體和一個中空的半球形永磁體構(gòu)成，圓柱形永磁體和半球形永磁體的外直徑相同，半球形永磁體的軸截面疊加在圓柱形永磁體的一個端面上。中空的圓柱形永磁體沿圓周方向等分為N＝2M(M為大于2的整數(shù))塊柱面永磁體，每塊柱面永磁體形狀相同，軸截面為扇形，磁場強度相等，在圓柱坐標系(r，，z)中，圓柱形磁體取Z軸作為圓柱體的軸向，柱面永磁體的磁化方向與Z軸垂直，將N塊柱面永磁體其中的任意一塊中心的磁化方向定為徑向方向(＝0)，其它N-1塊柱面永磁體按照β()＝2變化，為每塊柱面永磁體的在圓柱坐標系中的坐標分量。N塊柱面永磁體之間通過強力膠粘連構(gòu)成一個完整的中空的圓柱形永磁體，在中空的圓柱形永磁體內(nèi)形成磁場方向為＝0與軸相垂直的二極磁場，在制造中每塊柱面永磁體沿軸向等分為一組若干小塊柱面永磁體。
在圓柱形永磁體一個端面上，以與圓柱形永磁體內(nèi)磁場方向平行的直徑為軸，將端面上圓環(huán)截成兩個半圓環(huán)，每個半圓環(huán)由N/2+1塊扇形圓環(huán)組成。取半圓環(huán)外徑等于圓柱形永磁體的外徑，半圓環(huán)的內(nèi)徑小于圓柱形永磁體的內(nèi)徑。以上述直徑為軸，將半圓環(huán)旋轉(zhuǎn)π，該半圓環(huán)掃過的空間構(gòu)成一個半球體，將半球形磁體分為U組，那么每組半球體是由半圓環(huán)旋轉(zhuǎn)π/U角度形成的，每組為(N/2+1)小塊球面永磁體。半球形永磁體的軸截面疊加在圓柱形永磁體的一個端面上。在半球形永磁體與圓柱形永磁體疊加的軸截面上，與柱面永磁體相接的U小塊球面永磁體的磁化方向與其相接的柱面永磁體的磁化方向相同，其余的小塊球面永磁體磁化方向按下述規(guī)律；在球面坐標系(r，，θ)中，同一組小塊球面永磁體中的每個磁塊在θ方向上具有相同的α(θ)＝θ磁化方向；在方向上，同一組中的磁塊的磁化方向按照β()＝2變化。這(N/2+1)×U塊球面永磁體之間通過強力膠粘連構(gòu)成一個完整的中空的半球形永磁體，在中空的半球形永磁體內(nèi)形成磁場方向為＝0，θ＝π/2的二極磁場。
該半球形永磁體位于中空式圓柱形磁體的外側(cè)封閉圓柱形磁體的端部。半球形永磁體和圓柱形永磁體在圓柱腔內(nèi)的橫向磁場方向一致，兩者的橫向磁場沿著各自的軸向向外逐漸衰減，且具有相同的衰減曲線，因此半球形永磁體可用以補償圓柱形永磁體空腔內(nèi)一側(cè)的橫向磁場。組合后的整個磁體構(gòu)成試管形。試管形永磁體的空腔內(nèi)是均勻的橫向磁場。
本發(fā)明原理如下在r球外＞球內(nèi)的球體中填入稀土永磁體，在球面坐標系(r，，θ)中，永磁體的磁化方向按照下式變化β()＝2 (1)α(θ)＝θ (2)，θ永磁體本身旋轉(zhuǎn)方向，得到球體內(nèi)部磁場 其中r球外球體的外徑；r球內(nèi)球體的內(nèi)徑；
Br稀土永磁材料的剩磁。
球形永磁體能夠在球形腔內(nèi)產(chǎn)生一個均勻的的磁場，球體外部的漏磁場為零。理想情況下，對于強度和均勻度來說，球形永磁體的內(nèi)腔中磁場處處相等。
在r柱外＞r柱內(nèi)的圓柱體中填入稀土永磁體，在圓柱面坐標系(r，，z)中，永磁體的磁化方向按照下式變化β()＝2(4)永磁體本身旋轉(zhuǎn)方向，得到圓柱體內(nèi)部磁場B柱＝Brln(r柱外/r柱內(nèi)) (5)其中r柱外圓柱體的外徑；r柱內(nèi)圓柱體的內(nèi)徑；這樣的圓柱形永磁體能夠在圓柱腔內(nèi)產(chǎn)生一個正交于圓柱軸線的橫向磁場，圓柱體圓周外部的漏磁場為零。對于強度和均勻度來說，這個磁場在二維空間是獨特的而且完美的，在圓柱形永磁體的內(nèi)腔中磁場處處相等。在保證相同的勻場大小時，由半球形和圓柱形磁體構(gòu)成的試管形磁體的磁場空間遠遠小于極板式磁體的磁場空間，磁場空間利用率大，必然導致試管形磁體重量輕，體積小。非常適合作為便攜式核磁共振儀器的靜磁場發(fā)生裝置。
這里需要說明的是若磁體中每一點的磁化方向能按給定的磁體本身旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)變化，理論上整個中空圓柱體內(nèi)磁場空間的不均勻性為零，實際工程中由于加工制造工藝原因，目前無法做到磁化方向按給定的磁體本身旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)變化，因此采用磁體分塊的方法。磁體等分的塊數(shù)越多，越接近理想狀況。
但是，在圓柱形永磁體的三維空間中，沿軸線方向，磁場分布從磁體的中心向兩端逐漸衰減，如果磁體足夠長，那么在兩端面上磁場等于磁體中心場強的一半。
在實際使用中為了獲得足夠的均勻度空間，需要保證一定軸向尺寸長度。但是實際使用的磁場空間只有滿足均勻度要求的圓柱體中間一段。當試管中的樣品放入探頭測量時，磁體下端的空間被浪費，既增加體積，也增加了重量。削弱了圓柱形永磁體在便攜式核磁共振儀器中應(yīng)用的優(yōu)勢。
因此，為了補償圓柱形永磁體的橫向磁場沿軸向逐漸衰減，我們對圓柱形永磁體分析如下。當無限長圓柱形永磁體在z＝0的位置，被x-y平面所截。如果Vz(rr，r，zr)是由z＞0的圓柱形永磁體產(chǎn)生的標量位，Vz(rl，l，zl)是由z＜0的圓柱形永磁體產(chǎn)生的標量位，如果Vz(r，，z)是無限長圓柱形永磁體的標量位，那么下式顯然成立Vz(rr，r，zr)+Vz(rl，l，zl)＝Vz(r，，z) (6)應(yīng)用一定的算子到(4)式，得到感興趣的場量函數(shù)Fz(r，，z)，F(xiàn)z(rr，r，zr)+Fz(rl，l，zl)＝Fz(r，，z) (7) 同理，得到球形永磁體x-y平面所截時，感興趣的場量函數(shù)Fr(r，，θ)，F(xiàn)r(ru，u，θu)+Fr(rd，d，θd)＝Fr(r，，θ)(9) 當圓柱形永磁體的端面場強與半球形永磁體截面的場強相等，且方向相同時，才能有效的補償圓柱形永磁體的橫向磁場沿軸向衰減。因此，我們選擇Fr(rd，d，0)＝Fz(rr，r，0) (11)Fr(rd，d，0)+Fz(rr，r，0)＝Fz(r，，z) (12)由(3)，(5)式可得
由上式可得 因此，只要選取的半球形磁體的內(nèi)外半徑與圓柱形磁體的內(nèi)外半徑滿足(14)式的關(guān)系，就能夠補償圓柱形永磁體橫向磁場沿軸向衰減。圓柱形永磁體的內(nèi)徑r柱內(nèi)的大小取決于盛裝樣品的試管和射頻線圈的大小，圓柱形永磁體的外徑r柱外由儀器的設(shè)計場強通過(5)式來決定，為了減少磁體外部漏磁場強度，通常選擇球形磁體的外徑等于圓柱形磁體的外徑，然后通過(14)式來確定球形磁體的內(nèi)徑。
由此可見如果將兩種磁體的磁場疊加，相當于將圓柱形永磁體的軸向長度延長一倍，因此能夠有效改善軸向磁場均勻度，同時也減輕磁體的重量，減小體積。
本發(fā)明試管形磁體的磁場在周向被限制在圓周內(nèi)，不能向外發(fā)散，漏磁較少，呈現(xiàn)一種聚磁效應(yīng)，因而，試管形磁體內(nèi)的磁場強度可設(shè)計得比極板式磁體的磁場強度高，從而提高儀器的分辨率。
由于半球形永磁體的加入，磁場的中心截面的勻場區(qū)增加，而且偏離圓柱形永磁體的中心，向下半球形永磁體偏移。正是由于這種組合磁體中心勻場區(qū)的偏移和軸向尺寸的增加，因此本發(fā)明可使這種試管形磁體更加適合對試管中樣品的檢測。
本發(fā)明的優(yōu)點在于磁場空間利用率大、均勻度高、體積小、重量輕、漏磁小、適合對試管中樣品的測量。


圖1是本發(fā)明具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中圓柱形永磁體由Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8共8組柱面形永磁體構(gòu)成；半球形永磁體由Q1、Q2、Q3、Q4、Q5共5組球面形永磁體構(gòu)成。
圖2是8組磁體組成的圓柱形永磁體的本發(fā)明具體實施方式
示意圖。
圖3是5組磁體組成半球形永磁體的本發(fā)明具體實施方式
示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步的說明。
圖1是本發(fā)明具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，將具有相同的磁化方向的磁塊分為一組，共得到8組軸截面為扇形的柱面磁體Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8；以與圓柱形永磁體內(nèi)磁場方向平行的直徑為軸，將端面上圓環(huán)截成兩個半圓環(huán)，將半圓以上述直徑為軸，旋轉(zhuǎn)一定的角度得到的球面形永磁體分為一組，共得到5組球面形永磁體Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。圓柱形永磁體內(nèi)的磁場方向與半球形永磁體內(nèi)的橫向磁場方向相同。圓柱形永磁體的一個端面與半球形永磁體的軸截面相疊加，采用螺栓緊固連接，組合成試管形磁體。
圖2所示為本發(fā)明8組磁體組成的圓柱形永磁體的具體實施方式
。圓柱形磁體由圓周方向等分為8組的橫截面為扇形的永磁體Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8構(gòu)成。每組磁體由磁化方向相同，大小一致的柱面磁塊，沿軸向通過強力膠粘連稱一組磁體。8組磁化方向不相同，大小一致的柱面磁體，沿周向通過強力膠粘連，構(gòu)成一個中空的圓柱形永磁體。
如圖2所示，圓柱形永磁體中按順時針方向依次為各組磁塊編號Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8，各組磁體的磁場強度大小相同。取編號為Z1的磁塊組，將該磁塊的磁化方向取為指向圓心的徑向。那么按照按順時針方向，則第Zi個磁塊的磁化方向順時針旋轉(zhuǎn)角度βi＝(i-1)π/2(i＝1，2，3，…8)。圖2中實箭頭所示為各組磁塊磁化方向，空心箭頭為圓柱形永磁體內(nèi)磁場方向。
圖3所示為本發(fā)明5組磁體組成的半球形永磁體的具體實施方式
。半球形永磁體由Q1、Q2、Q3、Q4、Q5共5組球面形永磁體構(gòu)成。因此，在球面坐標系(r，，θ)中，同一組磁體中的每個磁塊在θ方向上具有相同的α(θ)＝θ磁化方向；在方向上，同一組中的磁塊的磁化方向按照β()＝2變化。通過強力膠粘連構(gòu)成一個半球形永磁體。
如圖3所示，半球形永磁體中按順時針方向依次為各磁塊組編號Q1、Q2、Q3、Q4、Q5，各組磁塊的磁場強度大小相同。在圖3中，給出編號為Q1的磁塊組各磁塊磁化方向，如實箭頭所示，將該磁塊組的在θ方向上的磁化方向取為α(θ)＝0。那么按照按順時針方向，則第Qi個磁塊的θ方向上磁化方向順時針旋轉(zhuǎn)角度αi＝(i-1)π/4(i＝1，2，…5)。圖3中空心箭頭為圓柱形永磁體內(nèi)磁場方向。在方向上，同一組中的磁塊的磁化方向按照β()＝2變化。半球形永磁體的外半徑與圓柱形永磁體的外半徑相等，半球形永磁體的內(nèi)徑按照(14)式獲得，以保證在最小漏磁的條件下，試管形磁體內(nèi)的磁場均勻度。
將圖3所示的半球形永磁體疊加在圖2所示的圓柱形永磁體的一個端面上，使兩個磁體在圓柱腔內(nèi)軸線上的磁場方向一致，構(gòu)成如圖1所示的試管形磁體。
本發(fā)明具體實施例的積極效果如下1、本發(fā)明試管形磁體的均勻磁場區(qū)向半球形磁體方向偏離圓柱形磁體的中心，在使用試管形磁體的NMR儀器測量試管中的樣品時，磁體的形狀與試管的形狀相符，均勻磁場區(qū)在試管形磁體中空間位置與測試樣品在試管中的空間位置相符合，磁體結(jié)構(gòu)更加合理，因此顯著提高了磁場空間利用率，從而有效的減小磁體尺寸，減輕磁體重量。
2、本發(fā)明試管形磁體實際設(shè)計時，通過增加周向磁塊數(shù)來提高橫截面上的橫向磁場均勻度。半球形和圓柱形兩種磁體的磁場相互作用，在試管形磁體的中空腔體內(nèi)，各磁場分量獲得有效的補償，克服中國專利200510011970.2“用于便攜式核磁共振儀器的永磁體”中采用半圓柱形永磁體補償時存在的系統(tǒng)誤差，從而提高軸向上橫向磁場的均勻度，相對減小了磁體的體積，減輕了儀器的重量。
3、本發(fā)明試管形磁體在圓柱形磁體的周向，以及半球形磁體的外側(cè)漏磁很小，故磁能利用率高，獲得同樣的磁場強度所需的永磁材料少。
4、本發(fā)明試管形磁體的設(shè)計，無需鐵磁材料構(gòu)成閉合回路以及提高中空腔體內(nèi)的磁場均勻度，克服了極板式磁體龐大和笨重，不利于攜帶的缺點，極大的減少了鐵磁材料的用量，減輕了磁體的重量。
上述本發(fā)明的積極效果充分體現(xiàn)了新穎的試管形磁體在便攜式NMR儀器中的應(yīng)用優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體，其特征在于由一個中空的圓柱形永磁體和一中空的半球形永磁體構(gòu)成，半球形永磁體的軸截面疊加在圓柱形永磁體的一個端面上；中空的圓柱形永磁體由形狀相同扇形永磁體，通過強力膠粘連構(gòu)成，沿圓柱形永磁體圓周方向等分為N＝2M(M為大于2的整數(shù))塊，每個磁塊軸截面為扇形；半球形永磁體是用外徑等于圓柱形永磁體的外徑，內(nèi)徑小于圓柱形永磁體的內(nèi)徑，軸平行于磁場方向的半圓環(huán)，繞平行于磁場方向的軸旋轉(zhuǎn)得到的，半球形永磁體位于中空式圓柱形磁體的外側(cè)封閉圓柱形磁體的端部；半球形永磁體和圓柱形永磁體在圓柱腔內(nèi)軸線上的橫向磁場方向一致，組合后的整個磁體構(gòu)成試管形；試管形的空腔內(nèi)為均勻的磁場。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體，其特征在于組成中空的圓柱形永磁體的各磁塊形狀相同、磁場強度相等，磁化方向是磁塊本身旋轉(zhuǎn)方向的兩倍。
3.按照權(quán)利要求1所述的用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體，其特征在于，在球面坐標系(r，，θ)中，組成半球形永磁體的各組磁塊中，每組磁體中的每個磁塊，在θ方向上，具有相同的α(θ)＝θ磁化方向；同一組中的磁塊的磁化方向，在方向上，按照β()＝2變化。
4.按照權(quán)利要求1所述的適用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體，其特征在于半球形永磁體的內(nèi)外半徑與圓柱形永磁體的內(nèi)外半徑滿足
5.按照權(quán)利要求1所述的適用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體，其特征在于，當半球形永磁體的軸截面與圓柱形永磁體的一個端面疊加時，圓柱形永磁體一個端面的圓心應(yīng)與半球形永磁體的軸截面的圓心同心。
全文摘要
一種用于便攜式核磁共振儀器靜磁場發(fā)生裝置的永磁體，由一個中空的圓柱形永磁體和一中空的半球形永磁體構(gòu)成，半球形永磁體的軸截面疊加在圓柱形永磁體的一個端面上。中空的圓柱形永磁體是由形狀相同，磁場強度相等，磁化方向為磁體本身旋轉(zhuǎn)方向兩倍的扇形永磁體組成。半球形永磁體是用外徑等于圓柱形永磁體的外徑，內(nèi)徑小于圓柱形永磁體的內(nèi)徑，軸平行于磁場方向的半圓環(huán)，繞平行于磁場方向的軸旋轉(zhuǎn)得到的，該半球形永磁體剛好在中空式圓柱形磁體的外側(cè)封閉圓柱形磁體的端部。半球形永磁體和圓柱形永磁體在圓柱腔內(nèi)軸線上的磁場方向一致，用以補償圓柱形永磁體端部的橫向磁場。
文檔編號G01R33/383GK1932545SQ20051008640
公開日2007年3月21日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日
發(fā)明者陳繼忠, 張一鳴 申請人:中國科學院電工研究所