使用紧凑型磁铁和 3D 打印环，科学家们释放了更强、更均匀的磁场，这可能会彻底改变 MRI 和磁悬浮。图片来源：Shutterstock

两位德国物理学家推出了一种紧凑的磁体布局，其性能优于著名的哈尔巴赫阵列，无需笨重的超导体即可提供更强、更均匀的磁场。

他们的 3D 打印环堆与分析预测相匹配，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。

磁场生成的突破

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 推出了一种使用日常永磁体产生平滑、均匀磁场的新方法。它们紧凑的设置击败了经典的 Halbach 布置，后者仅适用于不可能的无限长度的磁铁。

在实际的有限尺寸中，新设计可提供更强的磁场和更好的均匀性。这一突破出现在《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、生物学和医学相结合的进步。

经典哈尔巴赫阵列的局限性

当工程师需要整洁、均匀的磁场时，他们经常求助于 Halbach 阵列。这个想法假设你可以将很长的磁铁排列成一个圆圈，以便它们的磁场在中心完美地融合在一起。在实践中，真正的磁铁是有限的。一旦您将阵列缩小到可用尺寸，魔力就会消失：场强从一个点摆动到另一个点，并且设置无法再声称最佳性能。Rehberg 和 Blümler 优化的三维排列修复了这些缺陷，为科学家和工程师提供了一种强大的新工具，适用于需要强大、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 毫米）。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之 5 的均匀性。图片来源：Peter Blümler

创新的 3D 磁铁配置

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，以点偶极子为理想化。为了实现可能的应用，他们研究了与实际使用相关的两种几何形状的磁铁的最佳方向：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的磁场，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，结果显示出极好的一致性。在磁场强度和均匀性方面，新配置的性能明显优于经典的哈尔巴赫布置及其文献中描述的修改。

现实世界的影响和应用

新的设计理念为需要强磁场和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、水或脂肪含量以及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，使得这项技术在世界许多地方几乎无法使用。对于这种情况，正在进行深入研究，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。

参考文献：“使用有限尺寸磁体创建均匀场的分析方法”，作者：Ingo Rehberg 和 Peter Blümler，2025 年 6 月 11 日，物理评论应用。