蘇州醫工所提出高均勻度多層Halbach磁體設計理論

　　Halbach陣列磁體是由多個不同磁化方向磁塊按規律組裝而成的永磁體構型。得益于磁材利用率高、均勻性高、逸散場小的優勢，Halbach陣列磁體在一些對于體積要求緊湊、可移動、可實時和原位檢測的場景中得到廣泛應用。近年來，因高均勻度多層Halbach磁體的研究和發展，便攜型核磁共振系統成為低場磁共振系統的研究熱點。然而，由于設計理論不完善，現磁體設計方法多采用近似計算或有限元仿真，存在計算精度不高、仿真優化費時費力等問題。磁體幾何參數如何影響磁場強度及均勻度，以及磁塊自身誤差如何影響均勻度等核心科學問題尚待闡釋。因此，亟需為多層Halbach磁體設計提供較為普遍適用的設計理論方法。

　　中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所研究員楊曉冬團隊桌面磁共振波譜組構建了多層Halabch磁體優化理論，證明了多層Halbach陣列磁體中沿z軸的不均勻性最大；基于單層Halbach磁體磁場分布方程推導證明，建立多層Halbach磁體設計和優化模型。同時，該研究簡化了多層Halbach陣列磁體的設計，仿真驗證了基于不同半徑、每層Halbach陣列長度和各層磁體間距的優化結果。該工作設計了由三層Halbach磁體組成的1T-Halbach陣列磁體驗證理論結果。在調整磁體中可移動磁塊位置后，在5 mm標準核磁共振管內實現了220ppm的均勻性。

　　該研究為設計多層Halbach陣列磁體奠定了理論基礎，以最大化均勻性并最小化磁體材料的使用，提高磁體制作效率、降低磁體加工制作成本，推動高均勻性Halbach磁體在桌面波譜儀以及小型磁共振設備的研究和應用。

　　科研團隊基于這一設計理論，設計制作了0.5T、1T等多套Halbach磁體。該團隊為華中科技大學、華東師范大學等提供了基于多層Halbach的緊湊型永磁桌面波譜系統，磁體重量在6kg以內，被動勻場后場均勻度在20ppm以內；在另一套0.5T磁體系統上實施主動勻場，場均勻度可達0.5ppm。后續，有望基于該理論設計制作高達2 T的高均勻性Halbach磁體，為研制高性能桌面核磁共振波譜儀、桌面核磁共振成像儀奠定基礎。

　　相關研究成果以Theoretical foundation for designing multilayer Halbach array magnets for benchtop NMR and MRI，發表在Journal of Magnetic Reaonance上。研究工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金等的支持。