Разработка многослойных усовершенствованных магнитных сборок Халбаха для ПМР-релаксометра на основе оптимизации параметров магнита

Актуальность. Магнит является важным блоком в конструкции измерительноаналитической техники, основанной на методах ядерного (протонного) магнитного резонанса. Большой объем межполюсного пространства и однородность магнитного поля являются – желательными качествами магнита, непосредственно влияющие на точность измерений. Магнитная сборка Халбаха (МСХ) являются перспективным типом магнитов и приоритетно исследуются для применения в новых поколениях портативных ПМРрелаксометров. Они обладают меньшими габаритами и массой, но создают значительно большее магнитное поле в зазоре по сравнению с дипольными магнитами той же массы и расстоянием между полюсами. Поэтому исследование и поиск решений для оптимизации параметров МСХ является актуальной задачей в рамках разработки усовершенствованных портативных ПМР-релаксометров.

Цель. Целью работы является исследование и определение факторов, влияющих на такие важные параметры магнита, как: масса, габариты, плотность магнитного потока и однородность магнитного поля в зазоре магнита и разработка математические уравнения для описания влияния этих факторов на параметры магнита. На основе результатов расчетов и моделирования в программном обеспечении практической целью было создать экспериментальный прототип MCX для оценки и калибровки величин в математических уравнениях.

Метод. В качестве примененного метода была использована теория магнитных комбинаций, составленных из одинаковых магнитов, предложенная Клаусом Халбахом и другими исследователями в области магнитов, на основе которой разрабатываются соответствующие математические уравнения. Программное обеспечение для моделирования магнитных полей ANSYS Maxwell использовался для предварительной оценки теоретических расчетов. Применялся метод экспериментального исследования в сочетании со статистическим анализом для сбора и обработки данных в процессе испытаний на прототипе MCX.

Результаты. Результатом является разработка метода оптимизации параметров MСX путем определения влияния факторов на параметры MCX на основе расчетов и программного моделирования прототипа MCX для проверки оптимизации. В рамках исследования было также разработано устройство для измерения значений магнитного поля в диапазоне 0–1.25 Т с разрешением 4 мВ/мТ, основанное на датчике Холла и плате Arduino, что стало дополнением исследований.

Заключение. На основе расчетов оптимизированных параметров по математической модели был разработан прототип MCX. Он имеет массу 4.5 кг, размеры 140×140×120 мм и состоит из 10 уложенных друг на друга слоев кубических магнитов. Разработанный MCX низкую цену, прост в изготовлении и сборке, а также обладает гибкостью изменения конструкции для регулировки значений магнитного поля в зазоре. При конструкции из 10 слоев плотность магнитного потока в зазоре достигает B₀ = 0.344 Тл с неоднородностью ΔB/B₀ = 2000 ppm в объёме 6 см³ в центре зазора диаметре d = 30 мм. Значение плотности магнитного потока в зазоре MCX аналогична величине в дипольных магнитах, используемых в релаксометрах ПМР-NP1 и ПМР-NP2, при этом масса и гарабиты значительно меньше.

1. М. А. Юрчик, Н. В. Дукмасова. Цифровизация: новая эра для нефти и газа // Система управления экологической безопасностью: сборник трудов XIV международной научно-практической конференции (Екатеринбург, 20-21 мая 2020 г.). — Екатеринбург: УрФУ, 2020 г. - С. 281-286.

2. Азиева Р.Х., Таймасханов Х.Э.. Необходимость И Возможности Использования Цифровых Технологий В Нефтегазовой Отрасли В Условиях Цифровой Трансформации Экономики.// Известия Санкт-Петербургского Государственного Экономического Университета. Номер: 5 (125) Год: 2020 C. 178-185.

3. Воробьев А.Е., Тчаро Х., Воробьев К.А. Цифровизация нефтяной промышленности: «интеллектуальный» нефтепромысел // Вестник Евразийской науки, 2018, №3. С. 71-87.

4. Сафиуллин Б.Р., Козелкова В.О., Кашаев Р.С.,и др. Очистка нефти от асфальтено-смол и парафинов // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т.24. № 5. С. 166-178.

5. Козелков Олег Владимирович. Методы и средства экспресс-контроля характеристик скважинной жидкости и нефти на базе протонной магнитной резонансной релаксометрии: Дис.докт. техн. наук. Казань; 2022.

6. Кашаев Р.С., Свинин А. Ю., Козелков О.В.. Минимизация ошибок эксперимента в методе ПМР и возможности получения спектра времен релаксации. // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018, №11-12, т.20. с.152-160.

7. K. Halbach, “Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material,” Nucl. Instrum. Methods. Feb. 1980, vol. 169, no. 1, pp. 1–10.

8. H. Raich and P. Blümler, “Design and construction of a dipolar Halbach array with a homogeneous field from identical bar magnets: NMR Mandhalas,” Concepts Magn. Reson. Part B Magn. Reson. Eng., Oct. 2004, vol. 23B, no. 1, pp. 16–25.

9. Нгуен Дык Ань, Кашаев Р.С. Усовершенствованние модели магнита хальбаха для релаксометра протонного магнитного резоанса/ VIII Национальной н/пр. конф. Приборостроение и автоматизированный элекропривод в ТЭК и ЖКХ. (Казань 8-9 декабря 2022г.). – Казань, 2022. – Т.1. – С.82-87.

10. Amir D. Arslanov, Rustem S. Kashaev, Oleg V. Kozelkov. System of Oil Express Flow Control on the Basis of Proton Magnetic Resonance Relaxometry. 2024 International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon 2024), 24-30 March 2024. Sochi, Russia . pp. 214-219.

11. G. Moresi, R. Magin. Miniature permanent magnet for table – top NMR. Concepts in Magnetic Resonance Part B Magnetic Resonance Engineering 19B (1). 2003. pp: 35-43. https://doi.org/10.1002/cmr.b.10082.

12. Soltner, H. and Blümler, P., Dipolar Halbach magnet stacks made from identically shaped permanent magnets for magnetic resonance. Concepts Magn. Reson., 36A(4), pp: 211-222, 2010 https://doi.org/10.1002/cmr.a.20165.

13. Bernhard Blümich, Ernesto Danieli, Federico Casanova, et al. Mobile sensor for high resolution NMR spectroscopy and imaging. Journal of Magnetic Resonance, Volume 198, Issue 1, 2009, Pages 80-87. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2009.01.022.

14. Cooley, C.Z., Stockmann, J.P., Armstrong, B.D., et al. Two – dimensional imaging in a lightweight portable MRI scanner without gradient coils. Magn. Reson. Med. 73(2), Pages 872–883 (2015). .https://doi.org/10.1002/mrm.25147.

15. A. Bogaychuk, V. Kuzmin; Accounting for material imperfections in the design and optimization of low cost Halbach magnets. Rev. Sci. Instrum. 1 October 2020; 91 (10): 103904. https://doi.org/10.1063/5.0013274.

16. Свинин А.Ю., Кашаев Р.С., Козелков О.В. Разработка магнитной системы датчика для ПМР-анализатора. // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 4 С. 115-122. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-4-115-122.

17. O'Reilly, T., et al., In vivo 3D brain and extremity MRI at 50 mT using a permanent magnet Halbach array. Magnetic Resonance in Medicine, 2021. 85(1): p. 495-505.

18. C. Z. Cooley et al., "Design of Sparse Halbach Magnet Arrays for Portable MRI Using a Genetic Algorithm," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 54, no. 1, pp. 1-12, Jan. 2018, Art no. 5100112, doi: 10.1109/TMAG.2017.2751001.