Khái niệm thiết kế thành phần từ tính của máy MRI Halbach và phân tích tối ưu hóa từ trường

Tháng 7 14, 2025

Trong thiết kế các thành phần từ tính MRI, cường độ và tính đồng nhất của từ trường là các chỉ số hiệu suất quan trọng. Thông qua phân tích lý thuyết và mô hình mô phỏng, các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất từ trường có thể được tóm tắt như sau:

1. Thiết kế mẫu từ hóa

Linh kiện này sử dụng cấu trúc từ hóa NS xen kẽ (xem Hình 1). Mặc dù cấu trúc này tạo ra từ trường bề mặt thấp hơn một chút so với cấu trúc Halbach truyền thống, nhưng nó mang lại sự chuyển tiếp từ trường mượt mà hơn, có lợi cho tính đồng nhất và khả năng kiểm soát từ trường. Cấu trúc nam châm 12 đoạn được sử dụng (Hình 2), điều này đã được xác nhận bởi cả kết quả mô phỏng và tài liệu tham khảo. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ so sánh cấu trúc này với cấu trúc 16 đoạn thông qua thử nghiệm thực tế.

2. Thiết kế kích thước nam châm: Đường kính trong và ngoài

Đường kính bên trong và bên ngoài của nam châm ảnh hưởng đáng kể đến cường độ từ trường:

MỘT đường kính bên trong nhỏ hơnkết quả trong một từ trường cao hơnvà là thông số chính để điều chỉnh.
Trong khi tăng đường kính ngoàiban đầu cải thiện từ trường, lợi ích giảm dần khi đến một mức độ nhất định và kích thước quá lớn sẽ dẫn đến lãng phí vật liệu.

Do đó, bạn nên tuân theo hướng dẫn về tỷ lệ khung hình nam châm phổ biến: chiều dài/đường kính > 0,5, tốt nhất là > 0,7, để cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.

3. Hiệu ứng chiều cao nam châm

Chiều cao của nam châm ảnh hưởng đến cả cường độ và tính đồng nhất của từ trường. Do hạn chế về sản xuất, các nam châm đơn lẻ không thể đạt được chiều cao mong muốn, vì vậy cấu trúc ngăn xếp phân đoạn được sử dụng để củng cố thiết kế.

4. Hiệu suất và độ ổn định của nam châm

Xem xét môi trường hoạt động, nam châm phải thể hiện khả năng chịu nhiệt ổn định. Thiết kế này sử dụng nam châm được đánh giá cho 100°C để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy lâu dài.

5. Kiểm soát góc lệch từ tính

Độ lệch góc từ hóa (góc lệch từ) ảnh hưởng đến tính đồng nhất của từ trường. Hầu hết nam châm được tích điện ở một góc, đòi hỏi độ chính xác cao. Chúng tôi tối ưu hóa quy trình sản xuất để kiểm soát độ lệch góc trong giới hạn cho phép.

6. Xử lý khe hở lắp ráp trong mảng nam châm tròn

Mỗi lớp vòng từ bao gồm 12 đoạn nam châm được sắp xếp theo hình tròn. Độ chính xác của các khớp nối này ảnh hưởng trực tiếp đến từ trường. Để giảm sai số tích lũy:

Chúng tôi cặp nam châm dung sai âm và dươngđể căn chỉnh tốt hơn.
Chúng tôi kiểm soát chặt chẽ độ lệch góccủa mỗi mảnh để giảm thiểu lỗi lắp ráp.

7. Kiểm soát độ phẳng của ống khói

Các bề mặt đầu không bằng phẳng của các vòng nam châm xếp chồng lên nhau tạo ra các khe hở khi lắp đặt và làm giảm tính đồng nhất của từ trường. Chúng tôi sử dụng máy mài để gia công cả hai mặt đầu của các vòng nam châm nhằm đảm bảo:

Bề mặt phẳng;
Các mặt cuối song song;
Tích hợp xếp chồng chặt chẽ.

8. Góc lắp đặt và căn chỉnh trục trung tâm

Cần phải căn chỉnh chính xác giữa các vòng từ để tránh tình trạng lệch hướng, có thể làm mất ổn định từ trường:

Vòng ngoài được thiết kế với lỗ chốt định vị được cài đặt trướcđể đảm bảo góc lắp đặt đồng nhất.

Các phân bố trường trục trung tâmđược mô phỏng (xem Hình 3) và một lề 40mmđược dành riêng trong thiết kế để giữ cho các dao động từ trường trong vùng SR mục tiêu (20mm) ở mức tối thiểu.

Tài liệu tham khảo và kế hoạch mở rộng
Tạp chí tham khảo: Tạp chí Vật lý ứng dụng, Tập 104, 013910, 2008
Tiêu đề bài viết: Tối ưu hóa và cải tiến thiết kế xi lanh Halbach
Tác giả: R. Bjørk, CRH Bahl, A. Smith, N. Pryds
DOI: 10.1063/1.2952537

Giá trị lý thuyết so với giá trị đo được (Đơn vị: T / Gauss)

Vùng đất	Giá trị lý thuyết	Giá trị đo được	Phạm vi lỗi
SR10	0,4954T, ±20Gs	0,4853T, ±46Gs	Kiểm soát tốt, có chút chỗ cần cải thiện
SR1	0,4956T, ±0,2Gs (≈40ppm)	0,4853T, ±3Gs (≈618ppm)	Độ ổn định của trung tâm cần được tối ưu hóa hơn nữa

Bằng sáng chế và kết quả mô phỏng
Thiết kế này đi kèm với các thiết kế liên quan đơn xin cấp bằng sáng chếvà hoàn chỉnh mô phỏng từ trường và mô hình hóa cấu trúc 3D đã được hoàn thành. Bước cuối cùng là lắp ráp và xác minh nguyên mẫu vật lý.

Nếu bạn quan tâm đến việc tìm hiểu thêm về hoạt động nghiên cứu và phát triển linh kiện từ tính MRI, khả năng mô phỏng hoặc dịch vụ tối ưu hóa từ trường, vui lòng liên hệ với chúng tôi để thảo luận thêm!

CHIA SẺ: