[发明专利]圆柱型Halbach磁体匀场线圈

说明书

技术领域

本发明涉及圆柱型Halbach磁体(亦称魔环式磁体)的匀场线圈设计的目标场方法。这种高场永磁磁体特别适合用作可移动或便携式核磁共振谱仪磁体和加速器放疗设备中被控移动臂束流偏转磁体。

背景技术

随着核磁共振谱仪在化学、生物、医学、质量控制等领域的广泛应用，开发将魔环式圆柱型高场永磁体作为核磁共振谱仪主磁体已经成为一个重要的研究方向，相比于传统圆柱式超导磁体，魔环永磁体(俎栋林等，静磁边值问题和魔球魔环式永磁体，大学物理，18(3)：17-20，2001)不需要低温设备，体积重量小，成本低廉，便于携带；而相比于传统双平面永磁体，魔环永磁体能在圆柱腔内产生高强度的横向均匀磁场。然而由于磁钢块间存在微小差异和在装配过程中带来的误差，魔环磁体腔内磁场均匀度往往达不到核磁共振测谱的要求，特别是对于高分辨率测谱，配备高精度的匀场线圈成为核磁共振谱仪应用魔环磁体的一项关键技术。

目前核磁共振磁体匀场线圈设计主要分为正方法和目标场方法(逆方法)，设计的目标都是得到尽可能多阶次的正交谐波场线圈，将这些系列匀场线圈安装到主磁体上，有选择地通入适当反向电流抵消主磁场中的多余谐波成分，从而达到匀场的目的。两种方法的区别在于，正方法是采用一组或多组已知磁场特性的特型线圈(如马鞍型线圈、麦克斯韦线圈对、或者“8”字型线圈)，根据经验或者理论计算调整各个线圈的位置参数，组合得到能产生很有限的低阶次谐波的匀场线圈。而目标场方法则是通过预设的目标磁场反推线圈面(一般为双平面或圆柱面)上的连续表面电流分布，然后将其离散化得到线圈导线的分布。目标场方法最早用于圆柱式超导磁体梯度线圈的设计(Turner R 1986 J.Phys.D：Appl.Phys.19147-51)，因为其拥有设计的线圈产生磁场精确，便于对线圈性能进行优化等特点，很快成为核磁共振线圈设计的主流方法，经过后人进一步的改进，使目标场方法也适用于圆柱式超导磁体匀场线圈(线圈为圆柱面型，主磁场沿轴线方向为纵向场)的设计(Forbes L K and Crozier S 2001 J.Phys.D：Appl.Phys.343447-55)，以及双平面永磁体匀场线圈(线圈为双平面型，主磁场垂直线圈平面)的设计(Forbes LK and Crozier S 2004IEEE Trans.Magn.401929-38)；结合磁场谐波展开的概念，目标场方法已经成为设计圆柱式超导磁体匀场线圈(Liu WT Zu DL and Tang X 2010 Chin.Phys.B19 No.1)和双平面永磁体匀场线圈(W Liu X Tang and D Zu 2010 Concept.Magn.Reson.B37B(1)29-38)的成熟技术。相比于正方法，它具有以下几点优势：一、以目标磁场为计算和设计的出发点，不仅得到的谐波线圈数目多，而且在确定的感兴趣体积内产生的实际磁场与目标磁场吻合度更高，更加精确；二、连续表面电流可以在线圈面内按一定规则任意分布，得到的线圈形式灵活多样，能满足更多类型的匀场线圈设计要求；三、线圈面内导线紧密排布，空间利用率高，相当于多匝走线，提高匀场效率。然而在魔环磁体匀场线圈设计中一般目标场方法运用得并不成功，主要原因在于，一般目标场方法需要根据电流与磁场的对称性选择一组函数集预先限定电流的分布形式，对于魔环磁体其匀场线圈为圆柱面，而主磁场为垂直轴线的横向场，轴对称关系被打破，设计时就很难选出有效的函数集来表示电流分布，因此，魔环式圆柱型永磁体的匀场线圈的设计主要还是使用正方法(唐晓英，赵微.中国专利：200810176587.6，2009-05-20)，局限性较大，目标场方法尚属空白。

发明内容

为了克服一般目标场方法不适用于魔环磁体匀场线圈的设计问题，本发明提供了一种新的目标场方法能够设计用于魔环式圆柱型磁体的圆柱面型匀场线圈，能够精确补偿横向主磁场中的非均匀谐波项。

本发明提供一种设计魔环式圆柱型永磁体匀场线圈的方法，根据魔环磁体横向主磁场用谐波展开的特定非均匀项设计匀场线圈，线圈的导线分布于魔环磁体圆柱腔内侧表面的圆柱面上，通过对导线位置分布和通入电流走向的控制，使得线圈在磁体腔中心位置的感兴趣区域内产生的磁场精确符合某一谐波项，当实际测量魔环磁体的磁场数据后，分析出造成偏离理想均匀场的谐波成分(称谓“多余谐波”)，对线圈通入恰当反向电流，可以精确抵消该多余谐波成分。对于不同的高阶次多余谐波用本发明方法设计对应的匀场线圈，都依照磁场谐波分析结果通入恰当反向电流，将这些高阶次多余谐波一一消除，最后只剩下均匀的零阶谐波，即均匀场，达到对魔环磁体匀场的作用。