磁体组件以及用于制造磁体组件的方法

摘要

本发明涉及一种在磁共振仪器中的磁体组件，所述磁体组件具有用于在测量体积中垂直于z轴的方向上产生均匀磁场的永磁体系统，所述永磁体系统包括在环形平面中的至少两个绕z轴同轴地布置的、包含磁性材料的环形的磁体元件，所述至少两个磁体元件以Halbach排列的方式由多个单个的磁体区段构成，其中，至少两个环形的磁体元件的磁化方向与环形平面偏离成，使得垂直于环形平面的分量随着相应的环形的磁体元件的方位角变化，并且所述磁体区段相对于该磁体区段的外表面的磁化方向分别与在环形的磁体元件中与该磁体区段相邻的两个磁体区段的磁化方向不同。此外，本发明涉及一种用于制造磁体组件的方法。

权利要求

1.一种在磁共振仪器中的磁体组件(1)，所述磁体组件具有用于在测量体积(0)中在垂直于z轴的方向上产生均匀磁场的永磁体系统，其中，所述永磁体系统包括在环形平面中的至少两个绕z轴同轴地布置的、包含磁性材料的环形的磁体元件(2、2’)，所述至少两个磁体元件以Halbach排列的方式由多个单个的磁体区段(3)构成，其中，至少两个环形的磁体元件(2、2’)的磁化方向与环形平面偏离成，使得垂直于环形平面的分量随着相应的环形的磁体元件(2、2’)的方位角变化，其中，3D角度α确定所述至少两个环形的磁体元件的磁化方向与平面的Halbach环的磁化方向的偏差，并且，分别两个环形的磁体元件(2、2’)的磁化彼此镜像对称，其中，镜像平面是垂直于z轴的中心的x-y平面，其特征在于，所述环形的磁体元件(2、2’)由彼此相邻设置的磁体区段(3)构成并且由磁性材料制成，并且所述磁体区段(3)相对于该磁体区段的平行于相应的环形平面的外表面的磁化方向分别与在环形的磁体元件(2、2’)中与该磁体区段相邻的两个磁体区段(3)的磁化方向不同。

2.如权利要求1所述的磁体组件，其特征在于，所述磁体区段(3)构造成，使得各单个磁体区段(3)的磁化方向遵循公式Mr＝MCos[α]Cos[φ0],Mφ＝MSin[φ0],Mz＝MCos[φ0]Sin[α]其中，在柱坐标系中描述磁化矢量的分量，M是在相应的环形的磁体元件(2、2’)中使用的磁性材料的剩磁，φ0是区段中心点的方位角，并且α是对于整个环形的磁体元件(2、2’)的固定的参数，即确定所述至少两个环形的磁体元件的磁化方向与平面的Halbach环的磁化方向的偏差的3D角度。

3.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，所述磁体区段(3)由具有高的剩磁M的硬磁材料制成，其中，1.5T>M>0.7T，并且所述硬磁材料具有在1.0<μ<1.5的范围中的较小的导磁率μ，所述磁体区段尤其是由NdFeB制成。

4.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，布置在高磁场强度的区域中的磁体区段(3)由具有在2800kA/m>HcJ>1500kA/m的范围中的矫顽力HcJ的高矫顽力材料制成。

5.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，所述磁体区段(3)由温度补偿的、具有在0％/K>Tk>-0.05％/K的范围中的温度系数Tk的永磁材料制成，尤其是由SmCo制成。

6.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，同轴于所述至少两个绕z轴同轴地布置的、环形的磁体元件(2、2’)设置有至少一个另外的环形的磁体元件(2a；2a’)作为具有α＝0的平面的Halbach环。

7.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，同轴于所述至少两个绕z轴同轴地布置的、环形的磁体元件(2、2’)设置有至少一个另外的环形的磁体元件(2b)作为具有α＝π的横向均匀磁化的环。

8.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，所述环形的磁体元件(2、

2’)构造成，使得低阶的n≤6的远场系数、尤其是偶极矩消失。

9.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，所述环形的磁体元件(2、

2’)绕z轴同心地布置，并且径向内部的环形的磁体元件(2’)具有比径向外部的环形的磁体元件(2)更高的矫顽磁场强度。

10.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，每个环形的磁体元件(2、

2’)的磁体区段(3)具有相同的外部形状。

11.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，每个环形的磁体元件(2、

2’)的磁体区段(3)具有梯形棱柱的形状。

12.如上述权利要求中任一项所述的磁体组件，其特征在于，每个环形的磁体元件(2、

2’)的磁体区段(3)在装配的状态下布置成直接彼此相邻。

13.一种用于制造如上述权利要求中任一项所述的磁体组件(1)的方法，所述方法包括以下步骤：a)预定目标磁场B0以及所需数量的环形的磁体元件(2、2’)，所述环形的磁体元件由已知的磁性材料制成并且具有期望的中心孔内直径；

b)通过将中心场或远场扩展的至少一个场阶设为零，确定期望的均匀性和漏磁场特性；

c)通过在步骤a)和b)的限制条件下优化磁体体积，确定自由的设计参数，即，环形的磁体元件(2、2’)的几何结构参数和环形的磁体元件(2、2’)的3D角度α；

d)将期望的重量确定为在步骤c)中确定的设计参数的函数。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，通过解析公式直接从设计参数中计算场阶和磁体体积。

15.如权利要求13或14所述的方法，其中，在将单个磁体区段装配成环形的磁体元件(2、2’)之前，在遵守3D角度α以及Halbach角度的情况下以限定的磁化方向制造单个的磁体区段(3)。

说明书

磁体组件以及用于制造磁体组件的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在磁共振仪器中的磁体组件，该磁体组件具有用于在测量体积中垂直于z轴的方向上产生均匀磁场的永磁体系统，其中，永磁体系统包括在环形平面中的至少两个绕z轴同轴地布置的、由磁性材料制成的环形的磁体元件，这两个磁体元件以Halbach排列的方式由多个单个的磁体区段构成，其中，至少两个环形的磁体元件的磁化方向与环形平面偏离成，使得垂直于环形平面的分量随着相应的环形的磁体元件的方位角变化，3D角度α确定所述至少两个环形的磁体元件的磁化方向与平面的Halbach环的磁化方向的偏差，并且，分别两个环形的磁体元件的磁化彼此镜像对称，其中，镜像平面是垂直于z轴的中心的x-y平面。

[0002] 此外，本发明涉及一种用于制造磁体组件的方法。

背景技术

[0003] 从专利文献US10018694B2(＝参考文献[1])中已知这种磁体组件。

[0004] 总地来说，本发明涉及磁体构造、尤其是磁体组件的制造和运行的领域。但是此外，本发明也包括磁共振(MR)的领域，尤其是为此提供的合适的永磁体系统，该永磁体系统确定用于产生用于NMR测量的均匀的磁场。然而，本发明的应用可能性不限制在这些领域中。

[0005] 不仅在核磁共振波谱(NMR)的领域中而且在磁共振成像(MRI)的应用中，在待定义的样品体积中需要非常均匀的且时间上恒定的磁场，这种磁场可通过电阻的或超导的线圈或合适的永磁体组件产生。当在2T以下的通量密度足够并且期望相对紧凑的结构时，使用永磁体的优选的。

[0006] 台式NMR设备需要高度均匀的磁场，该磁场例如可通过超导的磁体线圈组件产生，但是也可通过永磁体组件产生。

[0007] Halbach设计是已知的可用于所述目的的布置方案。在现有技术中描述了具有磁化作用的环形的永磁体作为Halbach偶极的应用(例如件参考文献[2])。

[0008] 在理论上，也可通过这种磁体组件实现为了NMR测量所需的高的磁场均匀性，然而在以Halbach排列的磁体环中恰好很难产生这种均匀的B0磁场。典型地，如此构造环形的Halbach偶极，使得各个磁体区段以变化的磁化方向彼此接合，其中，磁化方向在方位角中变化。

[0009] 为了在试样体积中实现用于NMR测量所需的磁场均匀性，必须在无磁轭(joch)的Halbach磁体中设置修正机制，以能够补偿磁性材料的公差或单个磁块的位置，这使机械结构变得复杂。通常，以磁轭为基础的磁体具有由具有相应高的饱和通量密度的软磁材料制成的平行的极靴对。通过合适地选择极靴几何结构和专门的表面加工，可以相对简单且有效的方式优化磁场分布。

[0010] 阻碍磁场均匀性的主要原因总结如下：

[0011] 1.组件在轴向方向上的有限性，即，原则上偏离在轴向方向上无限伸长的柱体。

[0012] 2.磁化方向沿着柱周边的离散性，即，原则上偏离连续地随着方位角变化的磁化方向。

[0013] 3.通过在磁体区段的大小、定位和磁性力矩中的机械公差引起的附加干扰。

[0014] 专利文献US4,837,542A(＝参考文献[3])公开了一种球形的永磁体，该永磁体由多个单个区段构成，其中，这些区段朝向中心点楔形地变细并且朝向极区域变小(球区段)。这种Halbach球的结构非常复杂，由具有相同几何结构的区段的平面的环组成的结构没有被公开。单个区段在绕球的旋转中的磁化方向在传统的Halbach排列(α＝2θ)中。磁体的中心孔在纵向沿着极轴在B0磁场的方向上延伸。在平面的、由分段的环构成的Halbach磁体中，孔横向地、即垂直于中心磁场的方向延伸。在纵向的孔中，B0磁场更小并且由此效率更低。此外，根据参考文献[3]的基础磁体通常产生不均匀的磁场。

[0015] 专利文献US2015/0061680A1(＝参考文献[4])描述了一种磁体组件以及一种用于产生磁场的方法。该专利文献包括具有多个多面磁体的磁体组件，多面磁体以格栅排列的方式布置并且至少部分地包围测试体积，其中，磁体组件具有相关联的具有确定的磁场方向的磁场。如此设计各个多面磁体的磁化方向及其布置方案，使得产生的磁场与Halbach球近似。即，描述了这样的组件，即，在其中，磁化方向相应于三维的Halbach设计的磁化方向。然而，未提及柱形的环，仅仅多面的磁体区段彼此接合。此外，根据在此描述的方法的基础磁体的磁场通常不均匀并且由此不适合用于MR应用。

[0016] 简单的Halbach设计需要大的轴向长度并且由此需要大量磁性材料，以产生具有足够均匀性的磁场。具有槽(＝“Notch”)的平面的Halbach设计也需要不必要的多的磁性材料，因为磁体的沿轴向远离的部分在其在试样位置上的磁场产生方面具有不利的磁化方向。

[0017] 在开头引用的专利文献US2010/013473A1(＝参考文献[2])中，提出一种NMR永磁体，该NMR永磁体具有由三个环组成的Halbach构架，其中，两个头部环位于中心的磁体环的侧面。为了磁场均匀化目的，可借助于螺钉或螺母使这些环在纵向上彼此移动。在专利文献US2010/013473A1中还公开了，环交替地由梯形的和矩形的单个区段组成，其中，为了磁场均匀化，各单个区段可在径向方向上移动。磁体具有64个机械自由度。无论如何，调整这些自由度相当复杂。单个磁体的磁化总是仅仅在方位角方向上变化并且没有从相应的磁体环的平面中指出的角度分量。

[0018] 在引言中引用的US10018694B2(＝参考文献[1])提出了一种具有永磁体系统的磁共振设备。立方形磁体环形地布置在磁共振设备的壳体上，以在测量容积中产生均匀的磁场。通过壳体中的相应磁体的交替定向实现相对于测量体积的类Halbach定向的磁化。立方体磁体相对于其表面均匀地磁化。这种磁共振设备的缺点是制造起来很昂贵，因为为了根据Halbach条件的定向，用于单个磁体的保持容器在壳体中的表达必须非常精确。另外，通过磁体到测量容积的空间距离，在可实现的磁场强度方面产生了低的效率。由于单个磁体的立方体形状，也不可能实现紧凑的设计。

发明内容

[0019] 相对地，本发明提出的目的是，以简单的技术措施且在没有增加体积的情况下提供用于MR装置的尽可能紧凑的且重量轻的开头定义的类型的永磁体组件，该永磁体组件(在预定的磁场强度下)在磁体的大部分区域中具有在其在试样位置上的磁场产生方面适宜的磁化方向，并且在此同时产生具有尤其均匀的磁场分布的区域以及(尤其是在高的磁场强度下)尽可能小的漏磁场。

[0020] 以同样非常出人意料的方式，通过本发明通过以下方式简单且有效地实现该目的，即，环形磁体元件由彼此相邻布置的磁体区段构成，并且由磁性材料构成，并且磁体区段相对于该磁体区段的平行于相应的环形平面的外表面的磁化方向分别与在环形的磁体元件中与该磁体区段相邻的两个磁体区段的磁化方向不同。

[0021] 本发明包括三维的Halbach环的组件，目的是，在尽可能低的材料投入下在预定义的试样体积中产生尽可能强的均匀的磁场。三维的(3D)Halbach环以如下方式包括传统的平面的Halbach环，即，磁化矢量绕方位角矢量的方向旋转3D角度度α(用于整个磁体环的固定的参数)。这些环布置成，使得磁化方向几乎在整个磁体系统中以有利于加强主场的方式定向。仅仅在小的试样附近的区域中，允许与这种有利的磁化定向有较大偏差，以改善在试样体积中的磁场均匀性。

[0022] 根据本发明的三维的Halbach环的组件的重要优点是，与平面的Halbach相比，在相同的材料投入下磁场强度更高。例如，如果考察在轴向方向上无限延伸的平面的Halbach磁体，则得到Br*log(ra/ri)的磁场B0，其中，Br是磁性材料的剩磁，ra是磁体环的外半径并且ri是磁体环的内半径，并且对于最优的3D-Halbach(α＝2*极角-π)，B0为4/3*Br*log(ra/ri)，其中，极角是在相应考察的磁体元件的位置矢量和孔轴线之间的角度。因此，在材料投入相同时，3D-Halbach在潜在地比平面的Halbach高4/3倍。

[0023] 根据本发明的永磁体系统包括两个或多个具有共同的轴线的三维的Halbach环。在此，三维的Halbach环是由具有矩形的横截面的硬磁材料制成的环。

[0024] 如此选择环的尺寸、环的彼此相对位置及其3D角度，使得在轴(带状)场阶(Feldordnung)消失直至预定的阶、“设计阶”，并且同时中心场的值最大化。于是，离轴(田状)场阶同样消失直至预定的阶。

[0025] 在Halbach环中(无论是平面的Halbach还是3D-Halbach)，原则上仅仅出现带状的和双周期的(田状的)场阶。在相同阶n的带状(＝在轴)和双周期的、即田状(＝离轴)项之间，还存在比例关系，其中，比例系数与n相关。因此，由Halbach环(已经设计成确定的带状的项消失)组成的布置在该阶中也不具有田状的项。这两种特性(原则上仅仅双周期的项以及在带状的和双周期的项之间的比例关系)对于平面的Halbach环从Maxwell公式中导出，并且对于3D-Halbach环进行检验，这至今未普遍已知。

[0026] 于是，具有小于或等于设计阶的阶的剩余不均匀性归因于机械公差和材料不均匀性并且可通过已知的匀磁(Shim)技术修正。

[0027] 每个三维的Halbach环都由一致的永磁体材料组成。在此，不同环的材料可为不同的。

[0028] 本发明的优选的实施方式和改进方案：

[0029] 如下根据本发明的磁体组件的实施方式是相当尤其优选的，即，在其中，磁体区段构造成，使得单个磁体区段的磁化方向遵循公式

[0030] Mr＝MCos[α]Cos[φ0],Mφ＝MSin[φ0],Mz＝MCos[φ0]Sin[α]

[0031] 其中，在柱坐标系中描述磁化矢量的分量，M是在相应的磁体环中使用的磁性材料的剩磁，φ0是区段中心点的方位角，并且α是对于整个磁体环的固定的参数，即，确定磁化方向与平面的Halbach环的磁化方向的偏差的3D角度。

[0032] 在合适地选择环尺寸、环位置和3D角度时，接近参考文献[3]中的3D-Halbach组件，然而具有横向的孔，即，垂直于磁场方向的孔。该组件比具有沿磁场方向的孔的纵向钻孔的3D-Halbach效果更好，即，在相同的磁性材料投入下产生更多的磁场。

[0033] 其它有利的实施方式的特征在于，磁体区段由具有高的剩磁M的硬磁材料制成，其中，1.5T>M>0.7T，并且具有在1.0<μ<1.5的范围中的较小的导磁率μ，尤其是由NdFeB制成。由此，可在低的重量下实现高的磁场强度，并且各磁体部分的相互影响很小。

[0034] 另一有利的实施方式规定，布置在高磁场强度的区域中的磁体区段由具有在2800kA/m>HcJ>1500kA/m的范围中的矫顽力HcJ的高矫顽力材料制成。由此，显著减小了部分退磁的风险。

[0035] 本发明的一种优选的实施方式的特征在于，磁体元件由温度补偿的、具有在0％/K>Tk>-0.05％/K的范围中的温度系数Tk的永磁材料制成，尤其是由SmCo制成。以这种方式，磁体相对于温度更稳定并且降低了调温所需的成本。

[0036] 一种根据本发明的磁体组件的尤其优选的实施方式的特征在于，除了镜像对称的3D-Halbach环之外，环形的磁体元件中的一个或多个构造成具有α＝0的平面的Halbach环。
附加的平面的Halbach环主要用于进一步加强B0磁场。优选地，这涉及被两个镜像对称的
3D-Halbach环包围的中心的环。主要的优点是，在中心的试样附近的区域中不出现始终与不准确性并且由此与均匀性的干扰相关的分界面。但是也可设想的是，具有α＝0的平面的Halbach环位于3D-Halbach环的侧面。

[0037] 在一种补充的或备选的实施方式的系列中，除了镜像对称的3D-Halbach环之外，环形的磁体元件中的一个或多个构造成具有α＝π的横向均匀磁化的环。横向均匀磁化的环可如任意三维的Halbach环那样由区段构成。但是由于磁化方向一致，也存在的可能性是，由连续的管制成该磁体环，随后将该管一体地进行磁化。优选地，这种具有α＝π的横向均匀磁化的环布置在孔附近的区域中，即，同心地设置于内部。

[0038] 在这两种实施方式中，均可尤其简单地制造该组件，存在较少的彼此不同类型的区段并且由此也得到更高的对称性。

[0039] 本发明的如下实施方式也是尤其有利的，其特征在于，环形的磁体元件构造成，低阶的n≤6的远场系数、尤其是偶极矩消失。由此，可在运行中显著减少磁体组件的漏磁场。

[0040] 在实际中也证实为有利的实施方式的特征在于，环形的磁体元件绕z轴同心地布置，并且径向内部的环形的磁体元件具有比径向外部的环形的磁体元件更高的矫顽磁场强度。当存在多于两个环，所述环成对地同心地构造并且磁体环对彼此同轴地布置时，这是尤其有意义的。由此减小了部分退磁的风险。

[0041] 在特别简单并可不昂贵地制造的实施形式中，每个环形的磁体元件的磁体区段具有相同的外部形状。

[0042] 由于几何结构上的原因，本发明的如下实施方式是有利的，其中，每个环形的磁体元件的磁体区段具有梯形棱柱的形状。这种梯形棱柱的形状特别容易装配成大致的空心柱环。

[0043] 在如下实施方式中可实现特别高的磁场强度或特别紧凑的布置，其中，每个环形的磁体元件的磁体区段在装配的状态下布置成直接彼此相邻。

[0044] 在每个环形的磁铁元件内，磁体区段由一致的永磁材料构成。磁体区段优选地在环形的磁体元件内直接相邻，尤其是，各磁体区段之间的间隙显著小于磁体区段的外部尺寸。为了稳定环形的磁铁元件，所述间隙有利地用粘合剂填充。

[0045] 此外，磁体区段有利地相对于z轴对称地设置在磁性元件内，就是说，环形的磁体元件相对于z轴以磁体区段角度范围的旋转改变结构，但不一定改变环形的磁体元件本身的磁化方向。此外，环形的磁体元件中的相邻磁体区段的磁化方向也相对于磁体区段的外部形状而变化。在将磁体区段组装成环形的磁体元件之前，相邻的磁体区段必须在相对于它们的外部形状的不同方向上单独磁化，其中所选择的方向符合3D角度α和Halbach角度。

[0046] 磁性材料通常具有优选的轴线，沿该轴线的磁化可以是特别有效的。因此，有利的是，各单个磁体区段由磁性材料单独形成，使得该优选的轴线在磁化方向的方向上延伸，以用于环形磁体元件中的布置。

[0047] 通常，环形的磁体元件布置成在z方向上上下堆叠，其中，永磁体系统具有至少两个环形的磁体元件，并且环形的磁体元件固定地粘接成整体并且可作为整体横向地彼此移动。与根据参考文献[3]的Halbach球相反地，该组件实现了将各单个环形部件(可选地由不同的材料构成)装配成自身封闭的部件。

[0048] 根据本发明的磁体组件的如下实施方式是尤其优选的，即，在其中，环形的磁体元件以可绕z轴旋转的方式支承。环形地组合的区段的由于制造引起的波动可引起整个环的磁性轴的角度偏差。通过所描述的实施方式，可借助于以相反的方式调整相应的角度修正该角度偏差。

[0049] 本发明的如下实施方式是相当尤其优选的，即，在其中，存在用于使磁场均匀化的装置，优选地用于匀磁较高的场阶的匀磁管。以这种方式，通过另一更精确的用于均匀化的器件补充前文所述的机制。由此，实现了更精确地进行修正。

[0050] 通过被动的匀磁元件，可显著改善在磁体孔的内部中、尤其是在匀磁管中的均匀性。此外，也可通过在孔的内部中的电的匀磁线圈实现均匀性的改善。

[0051] 在本发明的范围中，也包括一种用于制造根据以上描述的实施方式的或其改进方案的磁体组件的方法，该方法包括以下步骤：

[0052] a)预定目标磁场B0以及所需数量的环形的磁体元件，所述环形的磁体元件由已知的磁性材料制成并且具有期望的中心孔内直径；；

[0053] b)通过将中心场或远场扩展的至少一个阶设为零，确定期望的均匀性和漏磁场特性；

[0054] c)通过在步骤a)和b)的限制条件下优化磁体体积，确定自由的设计参数，即，环的几何结构参数和环的3D角度α；

[0055] d)将期望的重量确定为在步骤c)中确定的设计参数的函数。

[0056] 在根据本发明的方法的一种有利的变型方案中，在步骤c)中，通过解析公式直接从设计参数中计算场阶和磁体体积。以这种方式，尤其快速地进行优化计算，并且实现了全面的参数研究。

[0057] 在另一优选的方法变型方案中，在将单个磁体区段装配成磁体环之前，在遵守3D角度α以及Halbach角度的情况下以限定的磁化方向制造单个的磁体区段。这些区段具有预定的尺寸，该尺寸例如在步骤a)中预定并且在步骤c)和d)中确定。每个环的区段的数量优选地在8至32之间，尤其优选地在16至24之间。每个环的区段数量对于离轴均匀性来说是决定性的。此外，更多的区段数量使得更加接近设计磁场强度。

[0058] 从说明书和附图中得到本发明的其它优点。同样，根据本发明，以上所述的和还将阐述的特征分别可单独地或者多个以任意组合应用。所示出和描述的实施方式不理解成绝对的列举，而是更准确地说是用于说明本发明的特征。

附图说明

[0059] 在附图的图的图表中示出本发明并且根据实施例详细解释本发明。

[0060] 其中：

[0061] 图1a示出了根据本发明的磁体组件的简单的实施方式的示意性的空间的垂直截面半部视图，同时示出了两个相对于x-y平面镜像对称地布置的环形的磁体元件以及分别通过箭头指出的各单个磁体区段的3D-Halbach磁化；

[0062] 图1b示出了完整的根据本发明的环形的磁体元件的、示意性的空间图，其中示出了方位角φ和3D角度α；

[0063] 图2a示出了通过用于相应的磁化方向的箭头示出的根据本发明的空间3D-Halbach排列的示意性的空间图；

[0064] 图2b示出了与图2a相同的图示，然而示出了根据现有技术的在环形平面中的平面的2D-Halbach排列；

[0065] 图3a示出了穿过磁体组件的环形平面的示意性的截面图，其中示出了根据现有技术的局部磁化方向的平面的2D-Halbach排列；

[0066] 图3b以示意性的竖直截面示出了图3a中的根据现有技术的磁体组件；

[0067] 图4a示出了用于根据本发明的磁体组件的优化的设计方案的设计变量“外半径”、“3D角度”和“半长度”的关系的空间简图；

[0068] 图4b示出了用于根据本发明的磁体组件的优化的设计方案的与设计变量“外半径”和“半长度”相关的参数“重量”的函数的空间简图；

[0069] 图5示出了具有以镜像对称的布置方案的两个3D-Halbach环的本发明的一种简单的实施方式的示意性的竖直截面(＝实施例1)；

[0070] 图6示出了具有三个Halbach环的本发明的另一实施方式的示意性的竖直截面，其中，中间的环具有α＝0的3D角度，而两个外部的环彼此镜像对称地布置(＝实施例2)；以及[0071] 图7示出了具有八个磁体环的根据本发明的磁体组件的更加复杂的实施方式(＝实施例3)。

具体实施方式

[0072] 例如在图中以不同实施方式分别示意性地示出的根据本发明的磁体组件1的主要应用是(在图中未单独示出的)磁共振设备的组成部分，磁共振设备具有用于在(图3b中指出的)测量体积0中在z轴的方向上产生均匀磁场的永磁体系统，其中，永磁体系统包括在一个环形平面中的至少两个绕z轴同轴地布置的、由磁性材料制成的环形的磁体元件2、2’，这两个磁体元件以Halbach排列的方式由单个的、相邻设置的磁体区段3构成。

[0073] 在图3a和3b中示意性地示出了也已经在现有技术中描述的“传统的”Halbach排列：

[0074] 图3a示出了穿过这种磁体组件的环形平面的截面，磁体组件具有在具有方位角φ的位置上分别2φ的局部磁化方向的平面(2D)的Halbach排列。

[0075] 图3b以示意性的竖直截面示出了图3a中的磁体组件。

[0076] 虽然本发明也涉及由多个以Halbach排列的环组成的磁体环系统，然而其中，外部的环在磁化方向上包括从环形平面中向外指向的空间分量(3D)。作为重要的效果，这种布置方案实现了在较高的磁场强度下以及在较小的漏磁场下磁体的更紧凑的结构形式。

[0077] 一般地，根据本发明的磁体组件1(如在图1a和1b中直观地示出的那样)的突出之处在于，至少两个环形的磁体元件2、2’的磁化方向偏离环形平面，使得垂直于环形平面的分量余弦形地随着相应的环形的磁体元件2、2’的方位角变化，其中，3D角度α确定磁化方向与平面的(2D)Halbach环的磁化方向的偏差，并且分别两个环形的磁体元件2、2’的磁化镜像对称地彼此关联，其中，镜像平面是垂直于z轴的中心的x-y平面。

[0078] 在图1b中绘出了3D角度α，其作为在x轴和在x方向上定位的区段的磁化方向之间的角度。

[0079] 在图2a中示出了在3D-Halbach环中的磁化方向的三维分布，在其中，根据本发明，根据本发明磁化矢量部分地从环形平面中向外伸出。

[0080] 为了对比，图2b示出了根据现有技术的在“传统的”2D-Halbach环中的磁化方向分布，在其中，磁化矢量始终位于环形平面之内。

[0081] 优选地，在根据本发明的磁体组件中，如此构造磁体区段3，使得各单个磁体区段3的磁化方向遵循公式

[0082] Mr＝MCos[α]Cos[φ0],Mφ＝MSin[φ0],Mz＝MCos[φ0]Sin[α]

[0083] 其中，在柱坐标系中描述磁化矢量的分量，M是在相应的环形的磁体元件2、2’中使用的磁性材料的剩磁，φ0是区段中心的方位角，并且α是用于整个环形的磁体元件2、2’的固定的参数，即，确定磁化方向与平面的Halbach环的磁化方向的偏差的3D角度。

[0084] 图5示出了尤其简单的第一实施例：

[0085] 示例1：

[0086] 在此，根据本发明的Halbach磁体的最优的几何结构的确定仅仅包括两个具有镜像对称的磁化的环形的磁体元件2。为了说明根据本发明的设计过程，考察最简单可行的情况。具有相同磁性材料的两个三维的Halbach环相对于初始平面对称。内孔是固定预定的。

[0087] 于是，作为自由的设计变量，剩下(半)磁体长度、外半径以及(同样对称的)3D角度α。现在，如果要求确定的目标场B0(在该示例中，在具有24mm半径的孔的情况下选择了B0＝Br＝1.4T)以及在最低阶中的均匀性(第二场阶消失，B2＝0)，则自由度减小到1。

[0088] 这在图4a中的图表中示出：第一面A示出设计变量的所有组合，针对这些变量组合实现目标场B0，第二面B示出了所有使第二场阶B2消失的变量组合。在X轴上以[mm]为单位示出了Halbach环的外半径。Y表示以[mm]为单位的磁体的半长度。在Z轴上以弧度给出了3D角度。

[0089] 作为相交线，得到满足两种需求的曲线。为了确定当前设计，目前寻找在所述线上的使磁体的总重量最小的点。

[0090] 图4b的图示出了作为磁体长度和外半径的函数的磁体组件的重量。在X轴上以[mm]为单位示出了Halbach环的外半径，Y再次表示以[mm]为单位的磁体的半长度，并且在Z轴上给出了得到的重量。如果将以上获得的曲线转移到该图中，则可看出，该曲线向着边缘增加，而在中间的区域中具有最小值。在本发明的思想中，该点相应于最优的设计。

[0091] 图6示出了另一、也还是相对简单的实施例：

[0092] 示例2：

[0093] 在此，以Halbach排列的永磁体包括在预定的剩磁M＝B0＝1.4T下的三个环，其中，中间的环2a具有3D角度α＝0。两个外部的环2再次在磁化中彼此镜像对称。

[0094] 用于实施例2的重要边界条件是：

[0095] ·B0＝1.4T(60MHz)，48mm的孔

[0096] ·第二和第四场阶消失

[0097] ·Br＝1.4T(NdFeB)

[0098] ·重量13kg

[0099] ·在外部的环中α＝0.15，在中间平面的Halbach环

[0100] 最后，图7示出了稍微复杂的实施例：

[0101] 示例3：

[0102] 在此，以Halbach排列的永磁体包括在预定的M＝B0＝1.9T下的八个环，其中，中间的环具有3D角度α＝0。横向外部的环2、2’成对地分别在磁化方向上彼此镜像对称。不仅在径向最外部的而且横向在中间的环2a具有3D角度α＝0，在该环上镜像内部地连接有另一横向中间的环2a’，环2a’同样具有3D角度α＝0。平面的径向最内部的环形的磁体元件2b(其从内部连接到径向内部的3DHalbach环2’上)在该示例中具有3D角度α＝π的均匀的磁化。这些环补充了总磁场并且此外导致所产生的磁场的还要更高的均匀性。

[0103] 实施例3的重要边界条件：

[0104] ·B0＝1.9T(80MHz)，24mm孔

[0105] ·第二、第四和第六场阶消失

[0106] ·在径向内部的环中Br＝1.4T或1.3T(NdFeB)

[0107] ·重量14kg

[0108] ·在轴向外部的环2或2’中α＝0.62或0.80，在径向最内部的环2b中横向均匀的磁化，轴向在中间的平面的Halbach环2a、2a’

[0109] 在示例2和3中明显可看出，通过根据本发明的磁体环的排列以及在磁化方向中相匹配的3D角度α，可制造在非常低的重量(在此：14kg)时具有直至1.9T的大的剩磁的磁体。由“传统的”平面的Halbach环组成的相似的设计重量为14kg(示例2)和20kg(示例3)。同时，在示例3中的磁体设计成，直至6阶的磁场不均匀性消失，在示例2中直至4阶的磁场不均匀性消失。

[0110] 附图标记列表

[0111] 0        测量体积

[0112] 1        磁体组件

[0113] 2；2‘    具有3D-Halbach磁化的环形的磁体元件

[0114] 2a；2a‘  具有2D-Halbach磁化的环形的磁体元件

[0115] 2b       具有2D-Halbach磁化的另外的环形的磁体元件

[0116] 3        磁体区段

[0117] 物理参数

[0118] x,y,z    笛卡尔坐标

[0119] φ0      区段中心点的方位角

[0120] α        3D角度

[0121] M        剩磁

[0122] Μ       导磁率

[0123] HcJ      矫顽力

[0124] Tk       温度系数

[0125] N        远场系数的阶

[0126] B0       目标磁场

[0127] A        第一面

[0128] B        第二面

[0129] 参考文献列表：

[0130] 为评价专利性参考的公开文献

[0131] [1]US10018694B2

[0132] [2]US2010/013473A1

[0133] [3]US-A4,837,542

[0134] [4]US2015/0061680A1