Neue Magnetanordnungen mit Permanentmagneten liefern starke und homogene Felder

Den beiden Physikern Ingo Rehberg von der Uni Bayreuth und Peter Blümler von der Uni Mainz ist es gelungen, einen innovativen Ansatz zur Erzeugung homogener Magnetfelder mithilfe von Permanentmagneten zu entwickeln und experimentell zu validieren. Dieser übertrifft das klassische Halbach-Arrangement, das nur für unendlich lange – und damit nicht realisierbare – Magnete optimal ist, indem er bei realisierbaren Anordnungen kompakter Magnete endlicher Größe eine höhere Feldstärke und eine verbesserte Homogenität erzeugt.

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Homogene Magnetfelder lassen sich durch eine gezielte Anordnung von Permanentmagneten auch über vergleichsweise große räumliche Bereiche erzeugen. Ein bekanntes Beispiel für ein effektives Design ist das Halbach-Arrangement. Dieser Ansatz basiert jedoch auf der idealisierten Annahme, dass sehr lange, im Grenzfall unendlich lange, Magnete oder Liniendipole kreisförmig angeordnet werden können, sodass sich im Zentrum ein homogenes Magnetfeld durch Überlagerung der Einzelbeiträge einstellt. In der praktischen Anwendung mit Magneten endlicher Länge weicht das resultierende Feld jedoch deutlich vom Ideal ab: Die Feldstärke im Inneren des Kreises variiert merklich in Abhängigkeit vom Ort. Die klassische Halbach-Geometrie ist daher für kompakte, realistisch umsetzbare Magnetanordnungen offenkundig nicht optimal, wenn ein möglichst gleichförmiges Magnetfeld angestrebt wird.

Blümler und Rehberg präsentieren jetzt optimale dreidimensionale Anordnungen sehr kompakter Magnete, die idealisiert als Punktdipole modelliert werden. Mit Blick auf mögliche Anwendungen haben sie unter anderem die optimale Ausrichtung der Magnete für zwei praxisrelevante Geometrien untersucht: einen einzelnen Ring sowie einen gestapelten Doppelring. Ein „fokussiertes“ Design erlaubt es zudem, homogene Felder außerhalb der Magnetebene zu erzeugen, beispielsweise in einem darüber liegenden Objekt.

Für die neuen Anordnungen entwickelten Rehberg und Blümler analytische Formeln, die sie anschließend experimentell validierten. Dazu fertigten sie die Magnetanordnungen aus 16 FeNdB-Quadern, die auf 3D-gedruckte PLA-Halterungen montiert wurden. Die resultierenden Magnetfelder wurden vermessen und mit den theoretischen Vorhersagen verglichen, wobei eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt wurde. Sowohl hinsichtlich magnetischer Feldstärke als auch Homogenität zeigen sich die neuen Konfigurationen dem klassischen Halbach-Arrangement sowie dessen in der Literatur beschriebenen Modifikationen deutlich überlegen.

Die neuen Designkonzepte bieten großes Potenzial für Anwendungen, bei denen starke und homogene Magnetfelder benötigt werden. In der konventionellen Magnetresonanztomografie etwa werden leistungsstarke supraleitende Magnete eingesetzt, um Wasserstoffkerne im Gewebe zu polarisieren. Radiowellen regen diese an, sodass messbare Spannungen in Detektoren um den Körper entstehen. Aus diesen Signalen berechnen Algorithmen detailreiche Schnittbilder, auf deren Basis Ärzte Gewebetypen anhand von Eigenschaften wie Wasser- oder Proteingehalt sowie Elastizität unterscheiden können. Da supraleitende Magnete jedoch technisch aufwändig und sehr teuer sind, ist diese Technologie in vielen Regionen der Welt kaum verfügbar. In solchen Fällen wird intensiv an Alternativen gearbeitet, bei denen homogene Magnetfelder mithilfe von Permanentmagneten erzeugt werden – ein Bereich, zu dem die vorgestellte Arbeit einen vielversprechenden Beitrag leisten kann. Weitere potenzielle Anwendungsfelder finden sich unter anderem in der Beschleunigerphysik sowie in Magnetschwebesystemen.

JGU Mainz / RK