本发明专利技术提供了一种用于圆柱型Halbach磁体(俗称魔环式磁体)的匀场线圈设计的目标场方法。本发明专利技术设计的各阶次匀场线圈分别固定于这种永磁体内侧各个同轴圆柱面上。对图3～图10所示闭合环线在适当位置切割成为“开环”后，临近开环相继串联最后形成一个阶次匀场线圈。每一阶次匀场线圈通入电流后在磁体中心感兴趣区内产生精确的相应阶次谐波磁场。设计时流函数的取值满足线圈磁场偏离目标谐波场不超过一定阈值，并且线圈功耗函数达到最小值，流函数的等值线投影得到导线分布。本发明专利技术设计的各阶次谐波匀场线圈，通入适当反向电流后能精确抵消磁场中的有害谐波成分，达到对魔环式永磁体横向磁场Bx匀场的目的，同时具备线圈功耗低，匀场效率高的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及圆柱型Halbach磁体(亦称魔环式磁体)的勻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。
技术介绍
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勻磁场。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勻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，配备高精度的勻场线圈成为核磁共振谱仪应用魔环磁体的一项关键技术。目前核磁共振磁体勻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，将这些系列勻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，从而达到勻场的目的。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勻场线圈。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勻场线圈(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)，以及双平面永磁体勻场线圈(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勻场线圈(Liu WT Zu DL and Tang X 2010 Chin. Phys. B19 No. 1)和双平面永磁体勻场线圈(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，能满足更多类型的勻场线圈设计要求；三、线圈面内导线紧密排布，空间利用率高，相当于多匝走线，提高勻场效率。然而在魔环磁体勻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，对于魔环磁体其勻场线圈为圆柱面，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勻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。
技术实现思路
为了克服一般目标场方法不适用于魔环磁体勻场线圈的设计问题，本专利技术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勻场线圈，能够精确补偿横向主磁场中的非均勻谐波项。本专利技术提供一种设计魔环式圆柱型永磁体勻场线圈的方法，根据魔环磁体横向主磁场用谐波展开的特定非均勻项设计勻场线圈，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勻场的谐波成分(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专利技术方法设计对应的勻场线圈，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，最后只剩下均勻的零阶谐波，即均勻场，达到对魔环磁体勻场的作用。一般目标场方法的步骤是1.理论上得到感兴趣空间磁场分布与线圈面连续电流分布之间的关系式；2.通过在感兴趣空间内设置一系列目标点和相应的磁感应强度值的方式来规定目标磁场；3.将第2步中设定的目标参数代入第1步得到的关系式，计算得到线圈面连续电流分布；4.由第3步得到的电流分布计算线圈面流函数；5.通过作等高线的方法将流函数离散化得到实际线圈导线的位置。本专利技术改进后的技术方案是将线圈面网格化细分，当网格尺度足够小的时候可以将单个网格电流对空间磁场的作用等效为磁偶极子，并可以用该网格处的流函数值来表达，从而直接得到感兴趣空间磁场分布与线圈面流函数之间的解析关系式，代替一般方法中第1步的关系式。在同样进行第2步之后，将设定的目标参数代入新的关系式可以直接得到线圈面流函数，从而可以省略一般方法中的第 4步，直接进入第5步得到最后的线圈导线分布结果。本专利技术的原理如下如附图说明图1所示的坐标系中，魔环磁体的主磁场为横向场，可以设其沿X轴方向。磁场X分量在原点附近作傅立叶谐波展开为(1) /=0 m=-l L J 其中Zf(X)为第1阶m次的连带勒让德函数，sgn (χ)为符号函数，bu为第1阶m 次的谐波系数。除了 \ m其它系数都为零的磁场称为T1, m谐波场，能抵消这个谐波的线圈称为Tb勻场线圈。当所有除开Tu外的谐波都被消除后即得到均勻场。由于魔环磁体腔空间有限，不可能装配所有阶次的勻场线圈，一般把主要的多余谐波抵消即可，需要设计包括三组一阶线性勻场线圈T1,^ Tuo, Tia,以及五组二阶勻场线圈T2,_2，T2,_1; T2,0, T2a, T2,2共八组线圈。感兴趣区域为球心位于坐标原点，一定直径的球形区域(DSV)。设计I^m勻场线圈时，在感兴趣空间内设置N个目标场点，对于其中每个目标场点都有固定的坐标(rn，θη，Φη)，根据坐标和谐波函数确定该处的磁场的X分量作为目标值。由于本方案中打破了轴对称关系，故目标场点的设置不能集中在感兴趣DSV中的某几个卦限，需要在所有卦限平均分布，设置的时候以靠近DSV最大半径处更为密集，而在靠近球心原点处稀疏分布，这主要考虑到设计磁场和目标场的偏离往往出现在感兴趣区域的外层边界处。 图1中，线圈面为一个长L底面圆半径为a的圆柱表面，电流在线圈面上连续流动，电流密度满足连续流动方程▽. 7 = 0 ,因此可以引入一个标量流函数S ( Ψ，Z)来表达电流密度矢量J = VxlS./i。将线圈面平均的网格化分割本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘文韬，俎栋林，B·布鲁梅奇，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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