TW201340142A - 螺旋磁場產生器 - Google Patents

Abstract

本發明之螺旋磁場產生器，其特徵在於包含：一第一磁性結構體、一第二磁性結構體以及一第三磁性結構體，一第一磁場產生線圈、一第二磁場產生線圈以及一第三磁場產生線圈，第一、第二與第三磁場產生線圈分別配置於第一磁性結構體、第二磁性結構體以及第三磁性結構體之外部表面，以形成S-N-S三磁極。

Description

螺旋磁場產生器

本發明係關於磁場產生器，特別係一種螺旋磁場產生器。

一個隨時間變化或不隨時間變化的磁場有一定的大小和一定的方向，此二者可能在空間中任何二點都不相同。隨時間變化的磁場，在同一點不同時間也可能有不同的方向和大小；不隨時間變化的磁場在同一點是保持一常數。二個最普通的巨觀磁源是永久磁鐵與帶電流之導體。目前實驗和理論證明皆指出在此二磁源所生的場中並無基本上的差別，事實上磁場產生的主要機構對此二種形式的磁源而言是相同的。

均勻磁場空間在物理實驗、材料科學以及醫療的應用上扮演著重要的角色。磁場空間的均勻度係該磁場空間中磁場的最大值與最小值的差值除以平均值。習知的產生均勻磁場空間之技術係藉由螺線管線圈磁場產生器(solenoid coil magnetic field generator)或亥姆霍茲線圈(Helmholtz coil)磁場產生器來達到。

眾所周知，磁場及電場會影響生物組織。磁場及電場已經應用於對抗疾病以及創傷的身體部位，而且也希冀其能做得最好。美國專利第3,915,151號揭示此類治療的範例，其主要適用於治療破裂的骨頭，並且使用較佳的平坦線圈來產生磁場，磁場流之方向係縱向於治療物體，亦即平行於腳或手。在一個實施例中，除了磁場之外，尚引進一靜電場。此乃是藉由兩個正相反相對的電極，並以相對高電位差的電壓施加至該電極來實現。此處所提供之電場係以實質上相對於磁場流的直角角度而流經治療物體。藉由供應一振幅規律變動的電壓，將治療區域中帶電的粒子帶至一種振盪的運動狀態。由於一磁場以及一電場的流動方向，帶電的粒子僅會以相對於骨骼架構的直角角度振盪，並因而垂直於治療物體的主要血液之流動方向。靜脈血液流，亦即流向心臟的血液流，因而不會受到此一治療的影響。

電磁治療設備的功能乃是基於一般所公認的物理與化學定律以及在醫學研究範圍內的發現。該理論基礎尤其係由磁流體動力學以及原形質物理所集合者，其揭示於普林斯頓大學的Jackson所著之“古典電動力學”以及Lyman Spitzer所著之“真空氣體電物理學”。

基於上面所述之磁場產生器及其應用，本發明進一步提供一種新穎的螺旋磁場產生器。

鑒於上述之缺點，本發明之一目的在於提供一螺旋磁場產生器，其可以產生一高效能螺旋磁場。

本發明之再一目的在於提供一螺旋磁場產生器，由於此可以產生磁場共振效應。

本發明提供一種螺旋磁場產生器，其特徵在於包含：一第一磁性結構體、一第二磁性結構體以及一第三磁性結構體，一第一磁場產生線圈、一第二磁場產生線圈以及一第三磁場產生線圈，第一、第二與第三磁場產生線圈分別配置於第一磁性結構體、第二磁性結構體以及第三磁性結構體之外部表面，以形成S-N-S三磁極。

其中第一磁性結構體、第二磁性結構體以及第三磁性結構體係分別藉由一第一、一第二及一第三矽鋼片堆疊而成方形柱體。其中第二磁性結構體及第三磁性結構體分別置於第一磁性結構體之二側，當通電於第一、第二與第三磁場產生線圈時，得以量測出S-N-S三磁極呈現螺旋波形磁場的輸出。

在一實施例中，本發明之螺旋磁場產生器可以應用於治療生物組織中。

本發明將配合實施例與隨附之圖式詳述於下。應可理解者為本發明中所有之實施例僅為例示之用，並非用以限制。因此除文中之實施例外，本發明亦可廣泛地應用在其他實施例中。且本發明並不受限於任何實施例，應以隨附之申請專利範圍及其同等領域而定。

第一圖顯示一電流中磁力線方向之示意圖。當電流通過一載體，其載體之周圍所產生的磁場可以根據必歐-沙伐定律(Biot-Savart Law)而求得。採用靜磁近似，當電流緩慢地隨時間而改變時(例如當載流導線緩慢地移動時)，利用必歐-沙伐定律，可以約略得到磁場大小相依於電流的大小、方向及距離。此外，在一載流導線中，磁力線方向及電流於迴路中的方向可以根據安培右手來決定。舉例而言，在一垂直往下之電流中，該電流所產生的磁力線方向係為順時針方向；而在一由下往上輸入電流之螺線管線圈中，該電流線圈所產生的磁力線方向係為由左至右之方向。

依照物質的基本原子模型，可以得知所有的物質皆由原子組合而成，而每一個原子都包含了一個帶正電了核子及許多依軌道運行而帶負電的電子。這些依軌道運行的電子會產生迴旋的電流，並且會形成為小的磁雙極(N極-S極)。一般而言，原子中的電子若呈現靜止狀態，其周遭環境即為零動態，而若電子運(或移)動即產生磁場現象-分為N極、S極。換言之，原子核外部的電子層運動會產生磁場，其磁力線分佈如第二a圖所示。

另外，原子中的電子與核子會以特定的磁雙極矩在它們自己的軌道上旋轉。因為核子的質量比電子大的很多，且其角速度比電子小。一個自轉之核子的磁雙極矩與一個自轉(或依軌道運行)之電子的磁雙極矩比較起來，可以不計。

在缺乏外在磁場的情況下，大部分的物質，其原子之磁雙極矩的方向並不一定，使得淨磁雙極矩為零。倘若應用外在的磁場，不僅可以使自轉電子的磁矩排成一線，另一方面由於電子軌道運行的改變也會產生感應磁矩。因此，由於磁性物質的出現，使得磁通密度會發生定量的改變。

在一些物質中，由依軌道進行且自轉之電子所產生的磁矩並不完全互相抵消，因此在這些物質中的原子及分子含有淨值的平均磁矩。外加磁場會使得分子的磁矩順著該外加磁場的方向排成一線，如此一來就增加了磁通密度。然而，分子的磁矩在進行排列時，會受到隨機熱振動的力而受到阻礙。該效應會產生些許的黏結作用，同時在磁通密度方面所能增加的量也相當少。具有上述特性的物質即為一弱磁性材質。弱磁性材質通常具有非常小的正值磁化常數(magnetic susceptibility)，例如鋁、鎂、鈦、鎢等物質，其磁化常數大約在10^-5階次(order)。

弱磁性材質之弱磁的產生主要是由於自轉之電子的磁雙極距。藉著外加的磁場產生驅動力來使得分子磁雙極距(magnetic dipole moment)排成一線。然而，該驅動力會因為熱振動所產生的干擾效應而受到抵制。弱磁的效應與溫度息息相關。在溫度較低而有少量的熱碰撞時，弱磁的強度較強。

強磁性材料的磁化常數比弱磁形材料的磁化常數大上好幾個階次。強磁性材料，例如鐵、鈷、鎳等物質，是由許多小磁域組合而成，這些小磁域的線性大小可以從幾微米(micron)直到大約1釐米(mm)，每一塊小磁域大約包含了10¹⁵或10¹⁶個原子，這些小磁域由於受到自轉電子的影響，甚至在無外加磁場的情況下，使得其內的磁雙極距排成一線。在這種情況下，使得這些小磁域完全受到磁化。如第二b圖所示，其顯示一些磁化的鐵原子50，其磁鐵內部原子的磁極排列方式，其磁雙極距排成一線。而當外加一磁場至強磁性材料時，那些磁域(含有隨著外加磁場而排成一線的磁距)邊界就會移動而增加那些含有磁矩之磁域的體積，使得其他磁域的體積減少。最後，磁通密度就會增加。換言之，強磁性材料之強磁性是由於在磁域之內的原子，其磁雙極矩之間產生強大的耦合效應而引起的。

第三圖顯示一本發明之螺旋磁場產生器之結構之示意圖。如第三圖所示，在本實施例中，螺旋磁場產生器10包括：一第一磁性結構體100、一第二磁性結構體101以及一第三磁性結構體102，一第一磁場產生線圈100a、一第二磁場產生線圈101b以及一第三磁場產生線圈102b。其中第一磁性結構體100、第二磁性結構體101以及第三磁性結構體102分別配置磁場產生線圈100a、101a以及102a於其外部表面。舉一實施例而言，第一磁性結構體100、第二磁性結構體101以及第三磁性結構體102均為方形柱體，其中第一磁性結構體100置於中央，而第二磁性結構體101及第三磁性結構體102分別置於第一磁性結構體100之二側。在一實施例中，三個磁性結構體之排列位置可以調整。舉一實施例而言，磁場產生線圈100a、101a以及102a為一螺線管線圈。

本發明之第一磁性結構體100、第二磁性結構體101以及第三磁性結構體102可以採(選)用一弱磁性材質或一強磁性材質，其端視實際的應用而決定使用弱磁性材質或強磁性材質。

本發明之螺旋磁場產生器10係使用三個磁性結構體(100、101、102)，每一磁性結構體之表上分別纏繞一線圈。舉一實施例而言，磁性結構體(100、101、102)係為矽鋼薄板或矽鋼片堆疊成一方形柱體，將各方形柱體之表面上分別纏繞一線圈(100a、101a、102a)，其線圈(100a、101a、102a)通電流以產生磁場；例如，可以利用繞線方向的不同(或者是輸入電流方向的改變)使三個磁性結構體(100、101、102)之磁極形成S-N-S的排列，亦即形成S-N-S三磁極結構體，如第三圖所示。如前所述，在一由左(右)至右(左)輸入電流之螺線管線圈，於螺線管線圈所產生的磁力線方向係為由下(上)往上(下)之方向。在線圈(100a、101a、102a)所產生的磁場以及三個磁性結構體(100、101、102)所產生的磁場之下，兩磁場的相互作用之下產生磁場共振效應；在本發明中，施加適當的電流於線圈(100a、101a、102a)，量測此S-N-S三磁極呈現螺旋波形磁場的輸出。因此，欲產生高效能的螺旋磁場，需要饋入一電壓於螺旋磁場產生器10之螺線管線圈(100a、101a、102a)中。舉例而言，使用平均約在162 w/s(焦耳)之輸入電力施加於螺線管線圈(100a、101a、102a)，得以使得S-N-S三磁極產生磁場強度大約為1.3T(13,620高斯)。

如前所述，磁性結構體(100、101、102)係為矽鋼薄板或矽鋼片，堆疊成一方形柱體。舉例而言，此矽鋼片含矽0.8%~4.8%，一般厚度在1釐米(mm)以下。矽鋼片(薄板)具有優良的電磁性能，是一重要的磁性材料。矽鋼片按其含矽量不同可分為低矽鋼片和高矽鋼片兩種；低矽鋼片含矽2.8%以下，其具有一定的機械強度；高矽鋼片含矽量為2.8%~4.8%，其具有良好的磁性，但較脆。矽鋼片可經由熱、冷軋而製成，以形成熱軋矽鋼片和冷軋矽鋼片兩種；冷軋矽鋼片可分為晶粒無取向及晶粒取向兩種。冷軋矽鋼片厚度均勻、表面品質好、磁性較高。在相同磁場下能獲得較高磁感的矽鋼片，用它製造螺旋磁場產生器的體積和重量較小，相對而言可節省矽鋼片以及線圈(銅線圈)的材料。

在物理環境中，任何物質在高湧動螺旋磁場的作用下，物質會產生分子化，例如非鐵之金屬會造成導磁現象，亦即該物質介質因而具有一相對的導磁係數(relative permeability)。大部分物質的導磁係數都非常接近真空的導磁係數μ ₀ 。然而，對於含有鐵的磁性物質(例如：鐵、鈷、鎳等)，其相對的磁導係數μ _r 相當大(例如：50~5000，對於特殊合金甚至高達10⁶以上)。因此，在本發明中，一物體(質)置於螺旋磁場產生器10之中會產生分子化而造成導磁現象。換言之，分子鍵結受外力作用(例如螺旋磁場產生器10所產生磁場之作用)，鍵結的分子會有解離狀況產生。因此，藉由本發明螺旋磁場產生器10，此效果可以應用於(治療)生物組織中。

對熟悉此領域技藝者，本發明雖以實例闡明如上，然其並非用以限定本發明之精神。在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改與類似的配置，均應包含在下述之申請專利範圍內，此範圍應覆蓋所有類似修改與類似結構，且應做最寬廣的詮釋。

10．．．螺旋磁場產生器

50．．．磁化鐵原子

100．．．第一磁性結構體

101．．．第二磁性結構體

102．．．第三磁性結構體

100a、101a、102a．．．磁場產生線圈

第一圖顯示一電流中磁力線方向之示意圖。

第二a圖顯示原子核外部的電子層運動產生之磁力線分佈之示意圖。

第二b圖顯示一些磁化的鐵原子之磁鐵內部原子的磁極排列方式之示意圖。

第三圖顯示根據本發明之螺旋磁場產生器之示意圖。

10．．．螺旋磁場產生器

100．．．第一磁性結構體

101．．．第二磁性結構體

102．．．第三磁性結構體

100a、101a、102a．．．磁場產生線圈

Claims (10)

1. 一種螺旋磁場產生器，其特徵在於包含：一第一磁性結構體、一第二磁性結構體以及一第三磁性結構體，一第一磁場產生線圈、一第二磁場產生線圈以及一第三磁場產生線圈，該第一、該第二與該第三磁場產生線圈分別配置於該第一磁性結構體、該第二磁性結構體以及該第三磁性結構體之外部表面，以形成S-N-S三磁極。
2. 如請求項1之螺旋磁場產生器，其中該第一磁性結構體、該第二磁性結構體以及該第三磁性結構體係分別藉由一第一、一第二及一第三矽鋼片堆疊而成。
3. 如請求項2之螺旋磁場產生器，其中該第一、該第二及該第三矽鋼片分別堆疊成各自的方形柱體。
4. 如請求項1、2或3之螺旋磁場產生器，其中該第二磁性結構體及該第三磁性結構體分別置於該第一磁性結構體之二側。
5. 如請求項1、2、3或4之螺旋磁場產生器，當通電於該第一、該第二與該第三磁場產生線圈時，得以使該S-N-S三磁極呈現螺旋波形磁場的輸出。
6. 一種應用於生物組織之螺旋磁場產生器，其特徵在於包含：一第一磁性結構體、一第二磁性結構體以及一第三磁性結構體，一第一磁場產生線圈、一第二磁場產生線圈以及一第三磁場產生線圈，該第一、該第二與該第三磁場產生線圈分別配置於該第一磁性結構體、該第二磁性結構體以及該第三磁性結構體之外部表面，以形成S-N-S三磁極。
7. 如請求項6之應用於生物組織之螺旋磁場產生器，其中該第一磁性結構體、該第二磁性結構體以及該第三磁性結構體係分別藉由一第一、一第二及一第三矽鋼片堆疊而成。
8. 如請求項7之應用於生物組織之螺旋磁場產生器，其中該第一、該第二及該第三矽鋼片分別堆疊成各自的方形柱體。
9. 如請求項6、7或8之應用於生物組織之螺旋磁場產生器，其中該第二磁性結構體及該第三磁性結構體分別置於該第一磁性結構體之二側。
10. 如請求項6、7、8或9之應用於生物組織之螺旋磁場產生器，當通電於該第一、該第二與該第三磁場產生線圈時，得以使該S-N-S三磁極呈現螺旋波形磁場的輸出。