1.1 课题研究目的及意义

Halbach阵列由Klaus Halbach于1980年在劳伦斯伯克利国家实验室提出，最初应用于新一代粒子加速器、自由电子激光装置和同步辐射装置等。Halbach阵列是一组具有特定磁场排列的永磁体阵列，相比传统的永磁体阵列来说具有较优的特性。不同磁化方向的永磁体按一定的顺序排列，呈现明显的单边效应，约翰·C·马林森在1973年发现了这一现象。

经过长期的发展，Halbach阵列已经得到了广泛的应用，从磁性标签、冰箱磁铁等生活用品到汽车、发电机、能量采集器、磁引导靶向给药、细胞和生物分子的磁分离、用于医疗、材料分析、水和食品质量监测的核磁共振系统等领域，再到高温超导(HTS)磁悬浮系统，机器人等高科技领域。

然而，在现有的Halbach阵列制造过程中，阵列磁体内部的均匀磁场是建立在每块永磁材料的充磁方向能够均匀连续变化和无漏磁的假设基础上，实际制造过程中无法满足上述假定条件，并且由于永磁材料个体性能的差异，充磁后的各个磁块无法达到理想的一致和对称。除此之外，由于磁场力作用，拼装时某些位置的磁块难以完全拼接在一起，并且胶粘缝隙所产生的漏磁无法消除。这些问题极大地限制了其在各种场合的应用，尤其是在生物传感器的设计和开发方面。在传感器制造领域，磁性元件作为接口单元，可实现组件便利地更换和组装。在生物实验过程中，磁吸附也被应用于复杂溶液中样品的分离和富集，如细胞、抗体和DNA等。

本研究开发了一种新型柔性Halbach阵列，验证了其优异的磁性能，并将其应用于生物样品的磁吸附，拓宽了其在生物传感器方面的应用。

1.2 国内外研究现状

Halbach阵列是一种特殊的永磁体排列方式，它通过具有空间旋转的磁化模式，明显增强阵列一侧的磁场，同时极大地削弱了另一侧的磁场。Halbach阵列一般有三种形式：直线型Halbach阵列、圆柱型Halbach阵列以及球型Halbach阵列。

1.2.1. 直线型Halbach阵列

直线型是最基础的Halbach阵列组成形式，可以视为一种径向阵列与切向阵列的结合体，如图1。关键的一点是，磁通量将在平面下方抵消，并在平面上方加强自身，原理图如图2。理想的直线型Halbach阵列的磁化矢量是按正弦曲线连续变化，其强磁场一侧的场强大小也是按正弦分布，而另一侧是零场强。在实际应用中，由于无法实现永磁体充磁方向的连续变化，常采用将离散磁块拼接在一起近似正弦充磁的情况。

虽然单边磁通分布较为抽象，但其应用极其广泛，从冰箱磁铁到工业应用，如无刷交流电机、音圈、磁药靶向，再到高科技应用，如用于粒子加速器和自由电子激光器的扭摆磁铁。

该装置也是电动式磁悬浮列车和感应轨道火箭发射系统的关键部件。电动式磁悬浮列车的悬浮机理之一是运动磁体和它在导体中感应电流产生的磁场相互作用产生悬浮力，同时伴有磁阻力，提高浮力与阻力比是改善悬浮系统性能的关键，这就需要车载磁体务求其重量轻、磁场强、磁场均匀（谐波小）和可靠性高等。例如在Magplane公司设计的磁悬浮列车系统中，悬浮用Halbach阵列水平安装在车体两侧，推进用Halbach阵列安装在车体中央，与轨道中央的绕组作用产生推进力。另外，直线型Halbach阵列的单边磁性可使乘客避免暴露在强磁场之中。

1.2.2 圆柱型Halbach阵列

圆柱型Halbach阵列是由铁磁材料组成的磁化圆柱体(在理想情况下)，产生的磁场完全限制在圆柱体内，且外场为零。这些圆柱体也可以被磁化，使得磁场完全在圆柱体外面，里面为零场。图3给出了几种磁化强度分布：