蘇州醫工所楊曉冬團隊提出一種用于Halbach磁體的被動勻場方法

作者:王亞 時間:2022-04-20

  高分辨磁共振波譜儀可實現對化合物定量檢測以及結構和動力學分析,廣泛應用于分析化學、結構生物學、食品和植物科學等諸多領域。常規超導高場磁共振波譜儀價格貴,維護成本高,目前僅在大型實驗室或服務機構配置。桌面式核磁共振波譜設備(Benchtop NMR)利用稀土永磁體產生靜磁場,無需液氦等冷卻液,維護成本低,更容易被普通用戶接受,在食品安全、制藥/生物/化學實驗室的在線快速成分分析、毒品檢測及教育教學等領域應用場景巨大。

  Halbach陣列是美國加利福尼亞大學的物理學家 K. Halbach1980年提出的一種使用稀土材料組成的新型無鐵軛多極磁體。其中,偶極圓柱形Halbach磁體(本文簡稱為Halbach磁體)作為一種高性能的磁體構型,由于高磁材利用率和高磁場均勻性,成為桌面式核磁共振波譜設備的主要磁體結構。但在實際制造中,由于Halbach磁體結構復雜,其在加工過程的各種誤差導致磁場均勻度變差,嚴重影響磁共振設備的信號質量,限制了我國基于Halbach磁體的桌面磁共振波譜儀設備的發展。

  針對此問題,蘇州醫工所楊曉冬桌面磁共振波譜組提出了一種基于構建勻場陣列的被動勻場方法。該方法基于諧波函數分解和構造,設計產生3階內各項諧波的勻場磁片陣列,構建不同尺寸和位置的勻場陣列的場圖分析,實現快速磁場補償。研究中還給出該方法在Halbach磁體上的實際操作和測試結果。在0.5T-Halbach勻場實驗中,磁場均勻度相比初始場提高了兩個數量級,改善均勻度至4.7ppm。而在另外一套0.93T-Halbach磁體上均勻度也實現了一個數量級的提升,磁場均勻度從1103ppm提升至125ppm,驗證了所提方法對提升磁場均勻度的有效性和可重復性。

  此工作提出的被動勻場磁片陣列實現了對Halbach磁體的磁場的高效補償,為我國自主研發高分辨永磁磁共振波譜儀提供有力支撐。目前,團隊已基于被動勻場后的0.5T-Halbach磁體搭建了高分辨磁共振平臺,下一步將針對相關應用展開實驗,以促進該研究成果在相關應用領域的發展。

  相關的研究成果以題為“A passive shimming method for Halbach magnet based on magnetic sheet arrays”發表在期刊Journal of magnetic resonance上。第一作者為王亞,楊曉冬研究員、徐雅潔副研究員及溫州市人民醫院余穎聰院長為共同通訊作者。

  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1090780722000684 DOIhttps://doi.org/10.1016/j.jmr.2022.107210 

   基于被動勻場陣列的被動勻場研究,a)被動勻場陣列;b)實驗平臺以及勻場結果。 

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