突破性磁体设计有望变革MRI与磁悬浮技术

磁场均匀化的新方法

通过有针对性地排列永磁体，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，该方法基于一个理想化假设：可以将非常长（理想状态下无限长）的磁体（线偶极子）排列成环形，使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此理想状态：环形区域内的磁场强度随位置不同而变化很大。因此，当目标是实现尽可能强和/或尽可能均匀的磁场时，经典的哈尔巴赫几何结构对于紧凑、可实际实施的磁体排列显然不是最优选择。

Peter Blümler 和 Ingo Rehberg 在他们的工作中提出了由点偶极子理想化的、非常紧凑的磁体的最优三维排列方式。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外（例如位于磁体上方的物体中）产生均匀磁场。

针对这些新型排列结构，Rehberg 和 Blümler 推导了解析公式，并随后通过实验进行了验证。为此，他们使用安装在3D打印支架上的16块钕铁硼（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的哈尔巴赫排列以及文献中描述的其他改进方案。

众多应用潜力

这些新颖的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，采用强大的超导磁体使组织中的氢核极化。这些氢核随后被射频波激发，在围绕人体的探测器中产生可测量的电压。算法利用这些信号计算详细的横截面图像，使医生能够根据密度、水或脂肪含量以及扩散性等特性区分组织类型。然而，超导磁体技术复杂且成本极高，使得该技术在全球许多地区难以普及。针对此类情况，目前正在进行深入研究，旨在开发使用永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富有前景的贡献。其他潜在应用领域还包括粒子加速器和磁悬浮系统。