物理学家利用3D打印支架和16块微型钕磁体构建出更优磁体阵列。

德国物理学家克服了磁场设计领域一个长期存在的局限，他们开发出一种紧凑的装置，其性能超越了著名的哈尔贝克磁体阵列（Halbach array），能产生更便宜、更强且更均匀的磁场。

这项由拜罗伊特大学的英戈·雷贝格（Ingo Rehberg）教授和美因茨约翰内斯·古腾堡大学的彼得·布吕姆勒（Peter Blümler）博士共同开发的新设计，将永磁体按优化的三维方向排列，从而产生持续均匀的磁场。这是应用磁学领域长期追求的目标。

重新思考磁体完美性

这一发现为依赖强稳定磁场的广泛技术带来了希望，包括在医疗资源匮乏地区普及经济型核磁共振成像（MRI）设备、粒子加速器以及磁悬浮系统。

这是向使强大的磁学工具在医学、科学和工程领域更易获取迈出的重要一步，尤其是在成本、尺寸和简易性至关重要的环境中。

这种方法解决了哈尔贝克阵列一个长期存在的局限 —— 这种著名构型仅在理论上效果最佳。哈尔贝克阵列假设磁体可以排列成无限长的圆环，从而在中心产生均匀磁场。

但在实际应用中，只能使用有限尺寸的磁体，其产生的磁场往往会因在阵列中的位置不同而变得不均匀。

环、场与聚焦

相比之下，雷贝格和布吕姆勒的新布局即使在紧凑的实用系统中，也能同时保持磁场强度和均匀性。

他们测试了两种关键几何构型：单环和堆叠双环。他们还开发了一种“聚焦设计”，不仅能在磁体平面内产生均匀磁场，还能在其上方产生均匀磁场，这使得该设计对需要与附近放置的材料或元件相互作用的设备非常有用。

为验证结果，研究人员开发了分析模型，并使用16块安装在定制3D打印支架上的长方体钕铁硼（FeNdB）磁体构建了实物磁体阵列。这些钕磁体以其强度著称，是紧凑型实验装置的理想选择。

对最终磁场的测量结果与理论预测高度吻合。在强度和均匀性两方面，新构型都优于经典的哈尔贝克阵列及其已知的变体，标志着磁体设计取得了显著进步。

这种性能提升为依赖强均匀磁场的现实技术开辟了令人兴奋的可能性。其中最有前景的应用之一是医学成像。传统MRI设备使用强大的超导磁体来使体内的氢原子核排列一致。

然后用无线电波扰动这些原子核，产生信号以帮助生成详细的横截面图像。但超导系统技术复杂，需要低温冷却，且极其昂贵，这使得MRI在世界许多地区无法普及。

这正是本研究可能产生真正影响之处。这项新设计提供了一种使用永磁体的低成本、高能效替代方案，有望扩大核磁共振成像在乡村诊所、移动医疗单元和发展中国家的可及性。

除了医疗保健领域，这些新构型还能提升粒子加速器、磁悬浮系统、精密传感器以及其他依赖稳定、高质量磁场的技术的性能。

该研究已发表在跨学科期刊《物理评论应用》上。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！