利用两种磁性材料在自由空间实现静态磁场增强的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用两种磁性材料在自由空间实现静磁场增强的方法。本发明专利技术将二维空间中的一个矩形器件作为静磁场增强器，在矩形器件的内部有一个正方形的区域，该区域内部为空气，对应了磁场增强的区域；正方形和矩形之间的区域填充了交错排列的两种各向同性的磁性材料，矩形器件的外部为空气；其中填充磁性材料的区域以正方形为中心，对称分为四部分，四部分中的两种磁性材料以特定的角度交错排列；将整个矩形器件置于一个弱的均匀背景静磁场的环境中，则可在矩形器件中间的正方形区域中获得一个增强的静磁场。本发明专利技术不需要消耗大量的电能就可以实现磁场的增强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁场与电磁波应用领域，涉及到一种可以在相对较大的自由空间区域内实现静态磁场增强的无源的静磁场增强器。
技术介绍
在自由空间内实现静态磁场的增强在医疗，军事，基础科学的研究等很多领域都有非常重要的作用。在生物科学研究中，强静磁场背景下对人体生物细胞，人脑以及人体内各个组织器官的研究对未来生命科学的发展起着推动性作用。在医学上，很多治疗和检测技术都需要涉及到静态磁场的使用，比如核磁共振检查中需要将人体至于一个均匀度非常高的背景静磁场中。这个静态背景磁场强度越高，核磁共振系统的空间分辨率就越高，这将有助于更早地发现病变位置和更精准地对病变位置定位。目前医学研究还发现，可以借助于在磁性颗粒上附着基因药物进入人体细胞内部进行DNA修复。而这些磁性颗粒需要借助于高梯度的强静态磁场来控制。目前，实现静态磁场增强的方法主要分为两类:一类是借助于有源的磁铁，通过消耗大量的电能来实现较强的静磁场。另外一种是通过使用无源的磁透镜，使得静磁场聚焦以实现较强的静磁场。使用磁透镜的方法不需要消耗电能就可以实现静磁场的增强，在传感等领域都有重要的应用。目前虽然有新的研究表明借助于新型电磁材料，可以实现在较大的自由空间内实现很强磁场的磁透镜，但是这些方法要求的材料参数非常苛刻，比如要求各向异性的磁导率在一个主值方向上为0，另一个主值方向上为无穷大，或者要求负的磁导率。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，设计了一种可以在相对较大的自由空间中实现静磁场增强的无源静磁场增强器。和其他技术相比，本专利技术可以不需要涉及到磁导率为无穷，零或者负值的要求。本专利技术只需要用两种磁性材料(一种顺磁性材料，另外一种抗磁性材料)按照特定的角度交错排列就可以实现在相对较大的空间区域内的静态磁场增强。本专利技术的理论基础是近几年才被提出和深入研究的变换光学理论。设计的核心思想是空间压缩变换。本专利技术采用的技术方案是:将二维空间中的一个矩形器件作为静磁场增强器，在矩形器件的内部有一个正方形的区域，该区域内部为空气，对应了磁场增强的区域，正方形的区域的中心与矩形器件中心重合；正方形和矩形之间的区域填充了交错排列的两种各向同性的磁性材料，一种为顺磁性材料，另外一种为抗磁性材料，矩形器件的外部为空气；其中填充磁性材料的区域以正方形为中心，对称分为四部分，分别是左上区域、左下区域、右上区域和右下区域；左上区域和右下区域中的两种各向同性的磁性材料按照设定的-口角交错排列，左下区域和右上区域中的两种各向同性的磁性材料则按照设定的□角交错排列；将整个矩形器件置于一个弱的均匀背景静磁场的环境中，则可在矩形器件中间的正方形区域中获得一个增强的静磁场，静磁场增强的倍数由使用的两种材料的磁导率和占空比决定。本专利技术具有的有益效果是:与现有技术相比，本专利技术的磁场增强器件是一个无源器件，不需要消耗大量的电能就可以实现磁场的增强。本专利技术设计的磁场增强器，对实现的材料要求不是非常苛刻(可以不需要要求磁导率为无穷大，零或者负数的材料)。利用本器件可以在相对较大的区域内实现相对均匀的磁场增强。【附图说明】图1为器件的结构图。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术做进一步详述:`如图1所示，本器件是一个二维器件(工作时磁场在该平面内)，矩形器件的宽度(垂直方向尺度)为2?，长度(水平方向尺度)为2H2。中间区域1-1的对角线长度为2?的正方形区域内介质为空气，静磁场就是在这个区域内增强的，矩形器件的外部为空气1-4。区域1-2、1-3内填充了交错排列的各向异性磁性材料。下面给出一个基于变换光学理论设计的例子，设两种交错排列的各向同性的磁性材料的磁导率分别为41和μ2，器件实现的磁场增强倍数为M(M> 1)，f为两种材料的占空比。而对于两种材料的排列方向(即平行于两种材料的分界面的方向)和整个矩形的长度方向(图中的水平方向)的夹角:在区域1-2为口 =0.5*arctan(l/M);在区域1_3为□’ =-0.5*arctan(l/M);这里给出一个具体设计，M=2.5时，占空比取f = 0.5，此时有μ !=0.145, μ 2=6.854, □ =10.9 度，□ ’ =_10.9 度。对于器件的几何尺寸 H1=0.2m, H2 =1.4m，注意器件的几何尺寸H1可以根据实际需要进行选取，其不影响磁场增强倍数Μ。而对于H2在理论上要求H2为无穷大时，器件恰好在区域1-1内产生均匀度较高，并且增强倍数为M的静磁场。而在实际中H2应尽可能往大取。模拟结果表明，即使H2为有限大，该器件仍然能保持较好的静磁场增强性。H2越大器件增强性能越好，内部增强的静磁场均匀度越高。另外，模拟结果还表明，当两种材料交错排列的角度稍微变化后，仍然能够得到一定的磁场增强效果，但增强倍数也有所下降。本专利技术的磁场增强器的优点包括:(I)本器件可以在相对较大的自由空间内实现静磁场增强。参数H1决定了磁场增强的空气正方形区域的对角线半长度。(2)本专利技术的器件是无源器件，不需要消耗大量电能。(3)本器件内实现的强静磁场是均匀度非常高的磁场。H2取值越大，内部增强的磁场均匀度越高。(4)本器件不需要非常苛刻的材料参数(可以不需要磁导率为无穷大，零或者负数的材料)。借助于一种顺磁性材料(μ>ι)和一种抗磁性材料(ο〈μ〈ι)按照特定的角度交错排列，就可以实现本器件。本专利技术陈述了一种新型的磁场增强器，可以在相对较大的自由空间区域内实现静磁场增强。利用本器件实现的增强静磁场的均匀度也可以很高。与此同时，本专利技术得到的器件是一个无源器件，不需要消耗大量电能来维持其工作，只需要将其置于一个弱的背景磁场环境中就可以实现静磁场的增强。本器件对实现的材料要求不是非常苛刻，仅需要一种顺磁性材料和一种抗磁性材料按照特定的角度交错排列就可以实现。交错排列的角度略微变化时，本器件仍然可以得到一定的增强效果，只是增强倍数会有所下降。本专利技术将在提高静磁场传感器的灵敏度，提高核磁共振成像的分辨率等领域有重要应用前景。本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用两种磁性材料在自由空间实现静态磁场增强的方法，其特征在于该方法具体是：将二维空间中的一个矩形器件作为静磁场增强器，在矩形器件的内部有一个正方形的区域，该区域内部为空气，对应了磁场增强的区域，正方形的区域的中心与矩形器件中心重合；正方形和矩形之间的区域填充了交错排列的两种各向同性的磁性材料，一种为顺磁性材料，另外一种为抗磁性材料，矩形器件的外部为空气；其中填充磁性材料的区域以正方形为中心，对称分为四部分，分别是左上区域、左下区域、右上区域和右下区域；左上区域和右下区域中的两种各向同性的磁性材料按照设定的‑𝜃角交错排列，左下区域和右上区域中的两种各向同性的磁性材料则按照设定的𝜃角交错排列；将整个矩形器件置于一个弱的均匀背景静磁场的环境中，则可在矩形器件中间的正方形区域中获得一个增强的静磁场，静磁场增强的倍数由使用的两种材料的磁导率和

【技术特征摘要】
1.利用两种磁性材料在自由空间实现静态磁场增强的方法，其特征在于该方法具体是: 将二维空间中的一个矩形器件作为静磁场增强器，在矩形器件的内部有一个正方形的区域，该区域内部为空气，对应了磁场增强的区域，正方形的区域的中心与矩形器件中心重合；正方形和矩形之间的区域填充了交错排列的两种各向同性的磁性材料，一种为顺磁性材料，另外一种为抗磁性材料，矩形器件的外部为空气；其中填充磁性材...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙非，何赛灵，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33