突破性磁体设计可能彻底改变磁共振成像与磁悬浮技术

一种磁场匀化的新方法

通过永久磁体的目标化排列，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Halbach阵列。然而，该方法基于理想化假设，即可以将非常长——理想情况下为无限长——的磁体（线偶极子）排列成一个圆形，使得各个磁体的贡献叠加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，产生的磁场会显著偏离这一理想状态：圆内的磁场强度随位置变化很大。因此，当目标是实现尽可能强和/或最均匀的磁场时，对于紧凑、可实际实施的磁体排列而言，经典的Halbach几何结构显然不是最优的。

Peter Blümler和Ingo Rehberg在他们的工作中提出了由点偶极子理想化的、非常紧凑磁体的最佳三维排列方案。考虑到潜在应用，他们研究了两种实用几何结构（单环和堆叠双环）中磁体的最佳取向。此外，一种所谓的“聚焦”设计还能在磁体平面外产生均匀磁场，例如位于磁体上方的物体内部。

针对这些新排列，Rehberg和Blümler开发了解析公式，并随后通过实验进行了验证。为此，他们用安装在3D打印支架上的16块FeNdB长方体构建了磁体阵列。测量了产生的磁场并与理论预测值进行比较，结果显示出极好的一致性。无论是在磁场强度还是均匀性方面，这些新构型都明显优于经典Halbach阵列及其文献中描述的改进方案。

众多应用潜力

这些新设计理念为需要强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来极化组织中的氢原子核。这些原子核随后被无线电波激发，在人体周围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，使得该技术在世界许多地区难以普及。针对此类情况，正在进行深入研究以开发使用永久磁体产生均匀磁场的替代方法——本研究正是为该领域做出了有前景的贡献。其他潜在应用领域还包括粒子加速器和磁悬浮系统。