[發明專利]一種新型的在自由空間中實現均勻強靜磁場的方法

有效

• 申請號: 201310063549.0
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103223209A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 孫非;何賽靈
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: A61N2/02
• 分類號: A61N2/02;G01R33/38
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于電磁場與電磁波應用領域，涉及到一種可以在很大的自由空間區域內實現很強的均勻靜態磁場的無源的靜磁場增強器。

背景技術

在自由空間內實現強磁場在科研，醫療，軍事等領域都有非常重要的作用。在醫學上，靜磁場在癥狀檢查，治療和醫學研究中都起到了非常重要的作用。比如：經顱磁刺激是一種將磁場穿過人腦，可以用于研究腦科學，治療與腦有關疾病的方法。但是受限于磁場強度無法做得很高，使得只能將磁場穿透到人腦表面皮層區域。而對于人腦更深的區域，基底神經節，神經中樞等無法被磁場進入【1】。實現強靜磁場的技術將會對該方法起到巨大的推動作用。在目前醫學上使用的核磁共振成像系統中，為了提高成像的空間分辨率，可以借助于提高靜磁場的方法來實現。目前商用的核磁共振設備使用的靜磁場從1.5T，3T，最高可以達到7T【2】。實現強靜磁場的技術將會很大程度上提高核磁共振系統的空間分辨率，有助于更早地發現病變位置和更精準地對病變位置定位。在10?T以上的強磁場下，磁場對化學反應體系的影響非常顯著，甚至可以影響到化學反應的反應熱、PH值、化學反應進行的方向、反應速率、活化能、熵等諸多方面。強磁場的實現將對生物化學研究領域起到很大的推動作用。

目前，人們可以在空心螺線圈的導線上通入強電流，進而在螺線圈的內部自由空間內實現強磁場。即通過大的電流來實現強磁場。但是這種方法受限于導線中允許通過的最大電流（電流過大則產生過多熱量，從而燒壞導線）。在使用冷卻線圈的技術下，也無法在自由空間中實現大于50T的靜磁場。目前世界上實現的最強的人造靜磁場是45T，是通過給超導體或者抗磁體施加很強的電能實現的【3，4】。這種方法也只能在很小的空間內（32mm的直徑的空氣孔區域）實現45T的靜磁場。同時這種方法需要消耗很多的電能。近期也有學者提出，可以借助于超導體材料和鐵磁體材料交錯排列的方法在自由空間內實現很強的靜磁場【5】。但是這種方法也有很大的局限性，基于該項技術要在給定的空間區域內實現很強的磁場，必須將器件尺寸做得很大（要實現50T以上的磁場，該器件的內外半徑幾何尺寸比例要大于50）。

【1】??????M.?Kobayashi?and?A.?Pascual-Leone,?‘Transcranial?magnetic?stimulation?in?neurology,’?Lancet?Neurology?2,?145?(2003).

【2】??????M.?A?Brown?and?R.?C.?Semelka,?MRI:?basic?principles?and?applications.?(2010,?Wiley-Blackwell).

【3】??????F.?Gomory,?M.?Solovyov,?J.?Souc,?C.?Navau,?J.?Prat-Camps,?and?A.?Sanchez,?Science?335,?1466?(2012).

【4】??????H.?J.?Schneider-Muntau,?B.?L.?Brandt,?L.?C.?Brunel,?T.?A.?Cross,?A.?S.?Edison,?A.?G.?Marshall,?and?A.?P.?Reyes,?‘The?National?High?Magnetic?Field?Laboratory,’?Physica?B?346–347,?643?(2004).

【5】??????C.?Navau,?J.?Prat-Camps,?and?A.?Sanchez,?PRL?109,?263903?(2012).

發明內容

本發明針對現有技術的不足，設計了一種可以在很大的自由空間中實現50T或者更高的均勻靜磁場的無源靜磁場增強器。

本發明的理論基礎是近幾年才被提出和深入研究的變換光學理論，需要借助于近幾年發展十分迅速的新型人工特異介質來實現。

本發明采用的技術方案是：二維空間中的一個環形器件作為靜磁場增強器，其中填充了負磁導率的各向異性的非均勻磁性材料。在環形器件之外的內部和外部區域都是空氣。其中構成該器件的磁性材料是各向異性的，也就是在徑向方向和切向方向上的磁導率是不一樣的。并且構成該器件的磁性材料是非均勻的（也就是材料參數要隨空間位置變換而變化）。將環形器件所處的整個環境中加一個弱的均勻背景靜磁場，此時在環形器件之外的內部區域內實現均勻強靜磁場。