Den beiden Physikern Prof. Dr. Ingo Rehberg von der Universität Bayreuth und Dr. Peter Blümler von der Johannes Gutenberg-Universität 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. In der renommierten interdisziplinären Fachzeitschrift Physical Review Applied, die bedeutende Entwicklungen in den angewandten Wissenschaften an den Schnittstellen der Physik mit Ingenieurwesen, Materialwissenschaft, Chemie, Biologie und Medizin präsentiert, wurde die Studie veröffentlicht.
Neuer Ansatz zur Magnetfeld-Homogenisierung
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 sogenannte Halbach-Arrangement. Dieser Ansatz basiert jedoch auf der idealisierten Annahme, dass sehr lange, im Grenzfall unendlich lange, Magnete (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.
Peter Blümler und Ingo Rehberg präsentieren in ihrer Arbeit optimale dreidimensionale Anordnungen sehr kompakter Magnete, die idealisiert als sogenannte Punkt-Dipole 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 sogenanntes „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 der magnetischen Feldstärke als auch der Homogenität zeigen sich die neuen Konfigurationen dem klassischen Halbach-Arrangement sowie dessen in der Literatur beschriebenen Modifikationen deutlich überlegen.
Potenzial für zahlreiche Anwendungen
Die neuen Designkonzepte bieten großes Potenzial für Anwendungen, bei denen starke und homogene Magnetfelder benötigt werden. In der konventionellen Magnetresonanztomografie (MRT) 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 Ärztinnen und Ärzte Gewebetypen anhand von Eigenschaften wie Wasser- oder Proteingehalt sowie Elastizität unterscheiden können. Da supraleitende Magnete jedoch technisch aufwendig 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.