Физики профессор доктор Инго Реберг из Байройтского университета и доктор Петер Блюмлер из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце разработали и экспериментально подтвердили инновационный подход к созданию однородных магнитных полей с использованием постоянных магнитов. Их метод превосходит классическую схему Хальбаха, которая оптимальна только для бесконечно длинных и, следовательно, нереализуемых магнитов, за счет создания более высокой напряженности поля и улучшенной однородности в компактных конфигурациях конечного размера. Исследование было опубликовано в известном междисциплинарном журнале Physical Review Applied, который демонстрирует значительные достижения в прикладных науках на стыке физики с инженерией, материаловедением, химией, биологией и медициной.
Новый подход к гомогенизации магнитного поля
Однородные магнитные поля могут генерироваться в относительно больших пространственных областях за счет целенаправленного расположения постоянных магнитов. Хорошо известным примером эффективной конструкции является так называемая решетка Хальбаха. Однако этот подход основан на идеализированном предположении, что очень длинные - в идеале бесконечно длинные - магниты (линейные диполи) могут быть расположены по кругу таким образом, что индивидуальные вклады накладываются друг на друга, создавая однородное магнитное поле в центральной области. В практических приложениях, использующих магниты конечной длины, результирующее поле значительно отклоняется от этого идеала: напряженность поля внутри круга значительно меняется в зависимости от положения. Таким образом, классическая геометрия Хальбаха явно неоптимальна для компактных, практически реализуемых магнитных устройств, когда целью является достижение максимально сильного и/или максимально однородного магнитного поля.
В своей работе Питер Блюмлер и Инго Реберг представляют оптимальное трехмерное расположение очень компактных магнитов, идеализированных точечными диполями. С целью возможного применения они исследовали, среди прочего, оптимальную ориентацию магнитов для двух геометрий, имеющих отношение к практическому использованию: одиночного кольца и сложенного в стопку двойного кольца. Так называемая "сфокусированная" конструкция дополнительно позволяет генерировать однородные поля вне плоскости магнита, например, в объекте, расположенном над магнитами.
Для этих новых устройств Реберг и Блюмлер разработали аналитические формулы, которые впоследствии были подтверждены экспериментально. С этой целью они сконструировали магнитные матрицы из 16 кубоидов FeNdB, установленных на подставках, напечатанных на 3D-принтере. Полученные магнитные поля были измерены и сравнены с теоретическими предсказаниями, показав отличное соответствие. Как по напряженности магнитного поля, так и по однородности новые конфигурации явно превосходят классическую схему Хальбаха, а также ее модификации, описанные в литературе.
Потенциал для многочисленных применений
Новые конструктивные решения открывают большой потенциал для применений, в которых требуются сильные и однородные магнитные поля. Например, в обычной магнитно-резонансной томографии (МРТ) мощные сверхпроводящие магниты используются для поляризации ядер водорода в тканях. Затем эти ядра возбуждаются радиоволнами, генерируя измеримое напряжение в детекторах, окружающих тело. Алгоритмы используют эти сигналы для расчета подробных изображений поперечного сечения, которые позволяют врачам различать типы тканей на основе таких свойств, как плотность, содержание воды или жира и диффузия. Однако сверхпроводящие магниты технически сложны и чрезвычайно дороги, что делает эту технологию малодоступной во многих частях мира. Для таких случаев ведутся интенсивные исследования по разработке альтернативных методов генерации однородных магнитных полей с использованием постоянных магнитов - области, в которую настоящее исследование вносит многообещающий вклад. Другие потенциальные области применения включают ускорители частиц и системы магнитной левитации.
Комментарии