突破性磁体设计可能变革MRI和磁悬浮技术

磁场均匀化的新方法

通过针对性布置永磁体，可在相对较大的空间区域产生均匀磁场。Halbach阵列是有效设计的知名范例。然而，该方法基于理想化假设：将无限长的磁体（线偶极子）环形排列时，个体磁场贡献叠加可在中心区域形成均匀磁场。实际应用中，有限长度磁体产生的磁场显著偏离理想状态：圆内磁场强度随位置剧烈波动。因此，当目标是在紧凑且可实施的磁体布置中获得最强和/或最均匀磁场时，经典Halbach几何结构显然并非最优解。

Peter Blümler与Ingo Rehberg在其工作中展示了基于点偶极子理想化的超紧凑磁体三维最优排列。针对潜在应用，他们重点研究了两种实用几何结构中磁体的最优取向：单环结构与堆叠双环结构。通过所谓"聚焦"设计，还能在磁体平面外（例如磁体上方物体内）产生均匀磁场。

针对这些新型排列，Rehberg和Blümler推导了解析公式，并通过实验进行验证。他们使用3D打印支架装配16块FeNdB长方体构建磁体阵列。实测磁场与理论预测高度吻合，证明新构型在磁场强度和均匀性上均显著优于经典Halbach阵列及其文献记载的改进方案。

众多应用的潜力

这些新设计理念对需要强均匀磁场的应用领域具有巨大潜力。传统磁共振成像（MRI）使用超导磁体极化组织中的氢原子核，随后通过无线电波激发这些原子核，在环绕人体的探测器中产生可测电压。算法依据这些信号生成详细断层图像，使医生能根据密度、水/脂肪含量及扩散特性区分组织类型。但超导磁体技术复杂且成本高昂，导致该技术在全球多数地区难以普及。当前研究聚焦于开发永磁体产生均匀磁场的替代方案——本成果为该领域提供了突破性贡献。其他潜在应用还包括粒子加速器和磁悬浮系统。