突破性磁体设计或将变革MRI与磁悬浮技术

磁场均匀化的新方法

通过永久磁体的定向排列，可以在相对较大的空间区域内产生均匀磁场。一个著名的有效设计实例是所谓的哈尔巴赫阵列。然而，这种方法基于理想化的假设：可将非常长（理想情况下无限长）的磁体（线偶极子）排列成圆形，使得各个贡献叠加后在中心区域产生均匀磁场。在实际应用中，使用有限长度的磁体时，产生的磁场会明显偏离此理想状态：圆内的磁场强度随位置不同而变化显著。因此，当目标是实现尽可能强和/或尽可能均匀的磁场时，对于紧凑、可实际实施的磁体排列而言，经典的哈尔巴赫几何结构显然并非最优。

彼得·布吕姆勒和英戈·雷贝格在他们的工作中提出了由非常紧凑的磁体（理想化为点偶极子）组成的最优三维排列方案。着眼于潜在应用，他们特别研究了两种实用几何结构中磁体的最优取向：单环结构和堆叠双环结构。一种所谓的“聚焦式”设计还能在磁体平面之外产生均匀磁场，例如在位于磁体上方的物体中。

针对这些新颖排列结构，雷贝格和布吕姆勒推导出了解析公式，并随后进行了实验验证。为此，他们使用安装在3D打印支架上的16个钕铁硼长方体构建了磁体阵列。测量所得磁场并与理论预测进行了对比，结果显示出高度吻合。无论在磁场强度还是均匀性方面，这些新构型都明显优于经典哈尔巴赫阵列以及文献中描述的其改进方案。

众多应用的潜力

这些新颖的设计理念为需要强而均匀磁场的应用提供了巨大潜力。例如，在传统磁共振成像（MRI）中，使用强大的超导磁体使组织中的氢原子核极化。这些原子核随后被无线电波激发，在围绕身体的探测器中产生可测量的电压。算法利用这些信号计算出详细的横截面图像，使医生能够根据密度、水或脂肪含量以及扩散等特性区分组织类型。然而，超导磁体技术复杂且成本极高，导致该技术在世界许多地区难以普及。针对此类情况，人们正深入研究开发使用永久磁体产生均匀磁场的替代方法——本研究为该领域做出了前景广阔的贡献。其他潜在应用领域包括粒子加速器和磁悬浮系统。