使用紧凑型磁铁和 3D 打印环，科学家们解锁了更强大、更均匀的磁场，这可能会彻底改变 MRI 和磁悬浮。

两位德国物理学家推出了一种紧凑的磁体布局，其性能优于著名的 Halbach 阵列，可在没有笨重超导体的情况下提供更强、更均匀的磁场。

他们的 3D 打印环形堆栈与分析预测相匹配，可以大幅降低 MRI 机器的成本，同时为悬浮技术和粒子加速器打开大门。

磁场产生的突破

拜罗伊特大学的物理学家 Ingo Rehberg 和美因茨约翰内斯古腾堡大学的 Peter Blümler 发明了一种使用日常永磁体产生平滑、均匀磁场的新方法。他们紧凑的设置击败了经典的 Halbach 编曲，后者仅适用于不可能的无限长度的磁铁。

在现实世界中，有限尺寸，新设计提供了更强的磁场和更好的均匀性。这一突破发表在《物理评论应用》上，这是一本领先的期刊，重点介绍物理学与工程、材料科学、化学、生物学和医学相遇的进展。

经典 Halbach 数组的局限性

当工程师需要整洁、均匀的磁场时，他们通常会求助于 Halbach 阵列。这个想法假设你可以将很长的磁体排列成一个圆圈，以便它们的磁场在中心完美融合。在实践中，真正的磁体是有限的。一旦您将阵列缩小到可用大小，魔力就会消失：场强从一个位置到另一个位置摇晃，并且设置不再声称具有最佳性能。Rehberg 和 Blümler 优化的三维布置修复了这些缺陷，为科学家和工程师提供了一个强大的新工具，用于需要强大、均匀磁场的技术。

“聚焦”磁体系统由两个堆叠环组成，每个环有 16 个 FeNdB 磁体长方体（边长 20 mm）。内径为 160 mm，20 mT 的磁场在直径为 50 mm 的球形体积上表现出大约每千分 5 的均匀性。

创新的 3D 磁体配置

在他们的工作中，Peter Blümler 博士和 Ingo Rehberg 教授提出了非常紧凑的磁体的最佳三维排列，由点偶极子理想化。为了研究可能的应用，他们研究了与实际使用相关的两种几何形状的磁体的最佳方向：单环和堆叠双环。所谓的聚焦设计还允许在磁体平面外产生均匀场，例如在位于磁体上方的物体中。

对于这些新的安排，Rehberg 和 Blümler 开发了分析公式，随后他们通过实验验证了这些公式。为此，他们用安装在 3D 打印支架上的 16 个 FeNdB 长方体构建了磁体阵列。测量所得磁场并与理论预测进行比较，显示出极好的一致性。在磁场强度和均匀性方面，新配置明显优于经典的 Halbach 排列以及文献中描述的修改。

实际影响和应用

新的设计理念为需要强而均匀磁场的应用提供了巨大的潜力。例如，在传统的磁共振成像 （MRI） 中，强大的超导磁体用于极化组织中的氢原子核。然后这些原子核被无线电波激发，在身体周围的探测器中产生可测量的电压。算法使用这些信号来计算详细的横截面图像，使医生能够根据密度、水或脂肪含量和扩散等特性来区分组织类型。然而，超导磁体技术复杂且成本极高，这使得这项技术在世界许多地方几乎不可用。对于这种情况，正在进行深入的研究，以开发使用永磁体产生均匀磁场的替代方法——本研究对这一领域做出了有希望的贡献。其他潜在应用领域包括粒子加速器和磁悬浮系统。