“聚焦”磁铁系统由两个叠放的环形结构组成，每个环形结构包含16个FeNdB磁铁立方体（边长20毫米）。内径为160毫米，磁场强度为20毫特斯拉，在直径为50毫米的球形体积内，磁场均匀度约为5‰。

拜罗伊特大学的物理学家英戈·雷伯格教授（Prof. Dr. Ingo Rehberg）与美因茨约翰内斯古腾堡大学的彼得·布吕姆勒博士（Dr. Peter Blümler）共同开发并通过实验验证了一种利用永磁体生成均匀磁场的创新方法。

他们的方法优于经典的哈尔巴赫排列，但该排列仅适用于无限长的磁体，因此在实际中无法实现，其通过在紧凑的有限尺寸配置中产生更高的磁场强度和更均匀的磁场分布。

该研究发表于《物理评论应用》期刊，展示了物理学与工程学、材料科学、化学、生物学及医学交叉领域应用科学的重要进展。

磁场均匀化的新方法

通过有针对性地布置永磁体，可在相对较大的空间区域内产生均匀的磁场。

一个广为人知的有效设计示例是所谓的哈尔巴赫阵列。然而，这种方法基于一个理想化的假设，即可以将非常长的——理想情况下是无限长的——磁铁（线性偶极子）以某种方式排列成一个圆，使得各个磁场的贡献叠加在一起，在中心区域产生一个均匀的磁场。

在实际应用中，由于使用的是长度有限的磁铁，产生的磁场与理想情况相差甚远：圆内磁场强度会因位置不同而显著变化。

因此，当目标是实现尽可能最强和/或最均匀的磁场时，经典的哈尔巴赫几何结构因此显然不适合用于实现最强和/或最均匀磁场的紧凑型、实际可行的磁体排列。

在他们的研究中，彼得·布吕姆勒和英戈·雷伯格提出了非常紧凑的磁体的最优三维排列，这些磁体被理想化为点偶极子。为了探索潜在应用，他们研究了与实际应用相关的两种几何结构中磁铁的最佳取向：单环结构和叠层双环结构。

所谓的“聚焦”设计还允许在磁铁平面外产生均匀磁场，例如在位于磁铁上方的物体中。

对于这些新结构，雷伯格和布吕姆勒开发了解析公式，并随后通过实验进行了验证。为此，他们使用16个FeNdB立方体构建了磁阵列，这些立方体安装在3D打印的支撑结构上。测量的磁场与理论预测进行了比较，结果显示两者高度吻合。

在磁场强度和均匀性方面，新结构明显优于经典的哈尔巴赫结构及其在文献中描述的修改版本。

广泛的应用潜力

新的设计概念为需要强且均匀磁场应用领域提供了巨大潜力。例如，在传统磁共振成像（MRI）中，会使用强大的超导磁体来极化组织中的氢核。

这些核随后被射频波激发，在包围身体的探测器中产生可测量的电压。算法利用这些信号计算出详细的横截面图像，使医生能够根据密度、水分或脂肪含量以及扩散等特性区分组织类型。

然而，超导磁体在技术上极为复杂且成本极高，导致这项技术在世界许多地区难以普及。

对于此类情况，目前正在开展深入研究，以开发利用永磁体生成均匀磁场的替代方法——本研究为此领域做出了有前景的贡献。潜在的应用领域还包括粒子加速器和磁悬浮系统。

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