CN102136337B - 高磁场高均匀度核磁共振超导磁体*** - Google Patents
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Abstract
一种高磁场高均匀度核磁共振超导磁体***,包括主线圈(1)和具有正反电流组合的磁场均匀度补偿线圈(19),由24个使用NbTi/Cu低温超导线材绕制的超导线圈组成,在800mm的室温空间内产生9.4T磁场,可实现在300mm的范围内磁场的不均匀度小于0.1ppm。所述的超导磁体***内部装有超导磁体和液氦(4)的低温容器(2)提供超导磁体正常运行所要求的4K低温环境。铁磁屏蔽***使超导磁体具有好的电磁兼容性。本发明超导磁体***具有结构紧凑,运行费用低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于核磁共振成像装置的磁体***,特别涉及一种用于核磁共振成像装置的高磁场高均匀度超导磁体***。
背景技术
磁共振成像(MRI)***主要由磁体***、谱仪***、计算机***和图像显示***组成。其中,磁体***的作用是产生在500mm的球形范围内不均匀度小于1ppm的磁场。目前核磁共振成像***的磁场强度一般在0.35到3T,已经在世界各地医院广泛使用。而高于7T磁场的MRI***主要应用于科学研究。MRI信号的强度对图像信噪比有决定性的影响,而信号强度同磁场强度基本上呈平方关系。因此,提高磁场强度就成为MRI技术上一个最重要的发展目标。
随着超导磁体与低温技术的发展,将先进制造技术和大规模的数值优化技术应用于核磁共振磁体***的制造与磁场分析。将超级计算机与高磁场核磁共振超导磁体***结合起来,实现整体***的可视化。将超高磁场核磁共振所获得的海量信息通过超级计算机快速处理,实现分子水平的快速诊断,从而成为临床影像诊断中不可缺少的现代化诊断设备。由于超高磁场带来新功能,磁共振成像技术在生命探测领域里扮演着越来越重要的角色,它可以通过影像的方式展示人体新陈代谢过程,探测神经***的作用原理,探查极早期的人体疾病等。随着计算机技术的飞速发展,现在可以通过其超高速的计算能力,进行超高分辨率的四维磁共振图像重建,并进行多尺度人体模拟。将超级计算机和超高磁场磁共振成像结合,形成了所谓超级磁共振成像概念。
在生命研究和临床应用方面,高场颅脑MRI中可以获得更高的对血流信号和氧气利用度的灵敏性,能够更加精确地探测低浓度含量的分子,并能精确定位分子“栖息聚积”的环境。超高磁场强度的MRI可获更高的分辨率,随着更高磁场MRI以及更好的阵列或超导线圈的研发,可以使目前临床常用的1mm等级解析度,推进到300μm甚至100μm。从而具有更好的对比度、更丰富的图像信息。在高解析度及超高磁场下,会有更丰富有趣的细微结构被观察到,再加上原本的弥散、灌注、功能等,资讯量的增加会超过单纯的解析度增加,可能到达影像学家无法负担的地步。如何更自动化地处理、整合这些大量资讯,协助更快速、精确的诊断及早期预测将越来越重要。
高均匀度超导磁体具有高磁场稳定度,可以适应用户的需要,提供各种不同磁场形态和磁场的空间分布特性。例如,多个同轴螺管线圈组合可实现非对称高均匀度磁体,形成两个或多个均匀区高磁场高均匀度的超导磁共振成像***。目前国内外研制应用的核磁共振磁体场强为1.5-3T,对于高磁场高均匀度核磁共振磁体***还在研究发展之中。
发明内容
本发明的目的是克服现有的低磁场超导磁体的不足,提出一种高均匀度、高磁场超导磁体***。本发明超导磁体***具有结构紧凑,运行费用低廉和易于制造的优点。
本发明超导磁体***包括主线圈、低温容器、室温空间、液氦、吊装拉杆、第一制冷机、液氦冷凝制冷机、失超***阀门、第二制冷机、外真空容器、80K防辐射屏、40K防辐射屏、环形梁支撑结构、吊装轮、抽气孔、底部鞍形支架、轴向限制拉杆、热辐射屏、磁场均匀度补偿线圈和液氦冷凝器。
所述的主线圈和磁场均匀度补偿线圈组成超导磁体,主线圈和磁场均匀度补偿线圈均由NbTi/Cu超导线材绕制形成。磁场均匀度补偿线圈在主线圈的外表面同轴绕制形成。通过吊装拉杆将超导磁体吊装放置于低温容器内部。低温容器用于存储液氦,实现超导磁体运行所要求的低温。低温容器具有室温空间。在低温容器外表面周围放置40K防辐射屏,在40K防辐射屏外表面周围放置80K防辐射屏,80K防辐射屏的外表面通过拉杆与外真空容器连接,外真空容器上面安装有第一制冷机、液氦冷凝制冷机、失超***阀门和第二制冷机。其中第一制冷机与40K防辐射屏连接,第二制冷机和80K防辐射屏连接,液氦冷凝制冷机与低温容器及其内部的液氦冷凝器连接。外真空容器通过环形梁支撑结构和底部鞍形支架获得稳定支撑。在低温容器与外真空容器之间的连接部分的外表面包有热辐射屏。外真空容器外表面底部开有抽气孔获得真空。超导磁体通过轴向限制拉杆进行轴向定位,超导磁体通过吊装轮进行径向定位。
所述的主线圈用于产生中心磁场,所述的补偿线圈用于补偿磁体磁场均匀度。主线圈由从内到外同轴布置的第一组线圈,第二组线圈,第三组线圈,第四组线圈和第五组线圈组成。主线圈按径向方向从内到外线圈线径分为8个等级逐渐减小。磁场均匀度补偿线圈由位于第五组线圈外表面两端,与主线圈同轴对称布置的2个端部补偿线圈和位于第五组线圈外表面中间位置,与主线圈同轴布置的3个中部补偿线圈组成,其中两个端部补偿线圈通正向电流,产生所需要磁场补偿,三个中部补偿线圈通反向电流,用来补偿高次谐波参数以提高超导磁体的均匀度。补偿后可以实现在300mm的范围内磁场的不均匀度小于0.1ppm。超导磁体的长度为3100mm,超导磁体的最大磁场Bm与中心磁场B0的比值1.0185,每一个线圈的运行电流与当地磁场导致失超的临界电流之比小于90%。
本发明的超导线圈采用高强度的6061-T6铝合金作为线圈骨架的制作材料,以提供***的结构支撑和加速线圈的失超传播速度,从而保证线圈失超后能量可以均匀释放在超导线圈内以减小***的平均温升,保证磁体的安全性。
本发明超导磁体的主线圈的最内层一组线圈,第二组线圈,第三组线圈,第四组线圈和第五组线圈从内到外同轴组装在一起,采用整体真空浸渍技术,线圈组间的间隙精度在±0.5mm以内,保证线圈具有较好的整体刚性。
本发明的超导磁体在没有屏蔽条件下,5高斯(G)线在半径方向是17m,在轴线方向是22m。
本发明在距离超导磁体中心6m的外部区域布置有内部是圆形结构的软铁材料构成的铁磁屏蔽***来屏蔽超导磁体的磁场,屏蔽后磁场的5G线在半径方向4m,轴线方向7m范围上,以保证外部杂散磁场不至于过大,使得整个超导磁体具有良好的电磁兼容性。本发明的铁磁屏蔽***的厚度为600mm,铁磁屏蔽***的内壁与超导磁体中心的距离为6m。
本发明采用三台制冷机为超导磁体提供冷源。低温***具有20K和80K的冷屏提供液氦容器的低温环境,使用一台4K制冷机提供***的低温冷凝。低温***采用负压运行以降低液氦的温度,运行温度达到3~3.8K。当超导磁体冷却到4K温度时,继续冷却使得低温容器内的压强进一步减小,使超导磁体运行在3-3.5K的温度。当超导磁体***运行电流和磁场达到预先设定的要求后,再调节控制低温容器内的压强值保持恒定。
本发明的超导磁体***可产生9.4-11.75T场强,具有大孔径,高均匀度,被动屏蔽的特点,用于超高磁场磁共振成像科学研究仪器与装置,也可以用于其他高磁场成像的MRI装置。
附图说明
图1高磁场高均匀度超导磁体***结构图,图中:1主线圈,2低温容器,3室温空间,4液氦,5吊装拉杆,6第一制冷机,7液氦冷凝制冷机,8失超***阀门,9第二制冷机,10外真空容器,1180K防辐射屏,1240K防辐射屏,13环形梁支撑结构,14吊装轮,15抽气孔,16底部鞍形支架,17轴向限制拉杆,18热辐射屏,19磁场均匀度补偿线圈,20液氦冷凝器,30超导磁体。
图2具体化的超导磁体结构图;图中:21主线圈的最内层一组线圈,22第二组线圈,23第三组线圈,24第四组线圈,25第五组线圈,28端部补偿线圈,29中部补偿线圈;
图3在球体空间均匀区内场强为9.4T的磁场均匀度等位线图;
图4不带铁磁屏蔽超导磁体在空间5G线的磁场分布图;
图5超导磁体与铁磁屏蔽***组装形成的整体结构图;图中26超导磁体***,27外铁轭结构铁磁屏蔽***
图6带铁磁屏蔽***的5G线的分布图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
图1所示为本发明超导磁体***的主体结构和空间配置。超导磁体室温孔径为800mm,超导磁体长度为3100mm。超导磁体30由主线圈1和磁场均匀度补偿线圈19组成,主线圈1和磁场均匀度补偿线圈19由NbTi/Cu超导线材绕制形成。磁场均匀度补偿线圈19是在主线圈1的外表面同轴绕制形成。主线圈1用于提供9.4T的主磁场。超导磁体重量为25吨,通过8根吊装拉杆5将超导磁体30吊装放置于低温容器2内部,低温容器2用于存储1000升液氦4,实现超导磁体30运行所要求的低温。低温容器2具有室温空间3。在低温容器2外表面周围放置40K防辐射屏12,在40K防辐射屏外表面周围放置80K防辐射屏11,80K防辐射屏的外表面通过拉杆与外真空容器10连接,外真空容器10表面安装有第一制冷机6、液氦冷凝制冷机7、失超***阀门8和第二制冷机9。其中第一制冷机6与40K防辐射屏连接,第二制冷机9和80K防辐射屏12连接。液氦冷凝制冷机7与低温容器2及其内部的液氦冷凝器20连接。外真空容器10通过环形梁支撑结构13和底部鞍形支架16获得稳定支撑。在低温容器2与外真空容器10之间的连接部分的外表面包有热辐射屏18。外真空容器10外表面底部开有抽气孔15获得真空。超导磁体30通过轴向限制拉杆17进行轴向定位,超导磁体30通过吊装轮14进行径向定位。
液氦4由于低温容器2与外真空容器10的连接传热导致内部的液氦4挥发,为保证液氦4能够在低温容器2内自循环,液氦冷凝制冷机7提供1.5W的制冷量,运行在4K,维持液氦4从气态变为液态。主线圈1在运行时可能会产生失超,此时,液氦4吸收热后将产生汽化,使液氦4的体积在短时间内快速膨胀,因此需要通过失超***阀门8释放压力,失超***阀门8的驱动压力为3.5个大气压。第二制冷机9进一步提供620W的冷量冷却80K辐射屏。低温容器2放置在外真空容器10内部,通过高真空保温。80K防辐射屏11和40K防辐射屏12由铝合金1100构成。由于主线圈1和低温容器2的重量超过40吨,为了提高吊装强度保证***的整体刚性,使用不锈钢环形梁支撑结构13,通过吊装拉杆5将主线圈1和低温容器2,以及80K防辐射屏11和40K防辐射屏12的重力传递给环形梁支撑结构13。为了阻止主线圈1横向运动,在水平方向设有吊装轮14。外真空容器10通过抽气孔15与外真空泵相连获得所要求的真空。内部包含低温容器2和主线圈1的外真空容器10放置在底部鞍形支架16上,获得稳定的支撑。轴向限制拉杆17阻止主线圈1可能的轴向运动和获得主线圈1的轴线定位,同时在运输是保证主线圈1的结构稳定性。在低温容器2与外接连接的部件,为减少外界的热量流入低温容器2内,使用多层热辐射屏18防止辐射漏热,与主线圈1外层同轴布置有磁场均匀度补偿线圈19以保持磁场的均匀度。液氦4通过液氦冷凝制冷机7和液氦冷凝器20相连增大冷却的热交换面积获得液氦冷凝。***整体漏热在4K温度下小于1W。当线圈冷却到4K温度时,保持***继续冷却,使得***的压强进一步减小,线圈运行在3-3.5K的运行温度。当超导磁体***充电和电流调制使得线圈的运行磁场和电流达到预先设定的要求后,再在低温冷头上安装加热控制与液氦4的压强值反馈控制平衡。
如图2所示,主线圈1由从内到外同轴布置的最内层一组线圈21,第二组线圈22,第三组线圈23,第四组线圈24和第五组线圈25组成,提供9.4T的中心磁场。磁场均匀度补偿线圈19由端部补偿线圈28和中部补偿线圈29组成,通过补偿线圈对磁场均匀度进行校正。
主线圈1和磁场均匀度补偿线圈19使用矩形结构的NbTi/Cu超导线材。其中,股线的最大直径应小于1.5mm,满足最大最小失超能,股线的Cu/SC比例小于1.5。主线圈的最内层一组线圈21包含2个线圈,使用两种规格的矩形导线绕制在铝合金骨架上,铝合金骨架使用6061-T6为制作材料,以提供线圈的结构支撑。当线圈失超后电流变化在6061-T6铝合金骨架内产生涡流加热,实现磁体被动触发,将热量均匀释放以减小***的平均温升,保证超导磁体的安全性。超导磁体最大磁场可达9.588T,主线圈1最大内半径约47.0cm,使用具有较高传输电流的NbTi/Cu超导线材,主线圈1轴向长度约3.096m。超导磁体的最大磁场Bm与中心磁场B0的比值1.0185,主线圈1的每一个线圈的运行电流与当地磁场导致失超的临界电流之比小于90%。超导磁体在径向方向上从内向外磁场逐渐减小,第二组线圈22包含有4个同轴密绕的超导线圈,使用4种不同截面的矩形超导线材绕制形成,线圈长度和主线圈的最内层一组线圈21的长度相等,最大磁场约为9.1T。第三组线圈23包含有6个同轴密绕的超导线圈,线圈由三种矩形导体线材绕制形成。第四组线圈24由6个同轴密绕的超导线圈构成,使用两种规格的超导线材。其中第三组线圈23和第四组线圈24所选用股线的RRR值应该大于200,稳定基材RRR值在80左右。整体线材的低温抗拉强度大于250MPa。第五组线圈25有1个超导线圈构成,使用一种规格的超导线材。每一个线圈组都是使用铝合金骨架支撑。每一组线圈绕制完成后在进行同轴组装,每一组线圈组装间隙精度达到±0.5mm。将从内到外同轴布置的主线圈的最内层一组线圈21,第二组线圈22,第三组线圈23,第四组线圈24和第五组线圈25组装在一起,采用整体真空浸渍技术,保证线圈具有较好的整体刚性。在主线圈1的外表面采用通以正向电流的端部补偿线圈28和通以反向电流的中部补偿线圈29构成,超导线材所选择的基材对于超导体的比例超过10以上。
图3为球体空间均匀区,场强为9.4T的磁场均匀度等位线;端部补偿线圈28和中部补偿线圈29提供主线圈1的磁场修正,已达到在300mm范围内磁场均匀度小于0.1ppm。
图4提供线圈漏磁场分布,不带铁磁屏蔽***的超导磁体在空间5G线的磁场分布,在径向方向小于17m和在轴线方向小于22m。
图5是超导磁体与的铁磁屏蔽***的整体布置图,超导磁体***26提供磁场强度和磁场均匀度,为实现超导磁体***具有较好的电磁兼容特性,在超导磁体***26外安装厚度为600mm的大型外铁轭结构铁磁屏蔽***27,铁轭由软铁材料制成,其内部为圆形,对内部磁场进行屏蔽,同时对超导磁体的中心磁场增加约1/1000。
图6是带有铁磁屏蔽***的超导磁体在空间5G线的分布,在径向方向上半径小于4m和在轴向方向上半径小于7m。以保证外部杂散磁场不至于过大,使得整个超导磁体具有良好的电磁兼容性。铁磁屏蔽***的厚度为600mm,铁磁屏蔽的内壁与磁体中心的距离为6m。有效降低漏磁场,最大限度的避免周围人体和仪器设备受到电磁损害。
Claims (6)
1.一种高磁场高均匀度核磁共振超导磁体***,其特征在于所述超导磁体***包括主线圈(1)、低温容器(2)、室温空间(3)、液氦(4)、吊装拉杆(5)、第一制冷机(6)、液氦冷凝制冷机(7)、失超***阀门(8)、第二制冷机(9)、外真空容器(10)、80K防辐射屏(11)、40K防辐射屏(12)、环形梁支撑结构(13)、吊装轮(14)、抽气孔(15)、底部鞍形支架(16)、轴向限制拉杆(17)、热辐射屏(18)、磁场均匀度补偿线圈(19)和液氦冷凝器(20);主线圈(1)和磁场均匀度补偿线圈(19)组成超导磁体(30),主线圈(1)和磁场均匀度补偿线圈(19)采用NbTi/Cu超导线材绕制;磁场均匀度补偿线圈(19)在主线圈(1)的外表面同轴绕制;超导磁体(30)通过吊装拉杆(5)吊装放置于低温容器(2)内部,低温容器(2)存储液氦(4);低温容器(2)具有室温空间(3);在低温容器(2)外表面周围放置40K防辐射屏(12),在40K防辐射屏(12)外表面周围放置80K防辐射屏(11),80K防辐射屏(11)的外表面通过吊装拉杆(5)与外真空容器(10)连接,外真空容器(10)上面安装有第一制冷机(6)、液氦冷凝制冷机(7)、失超***阀门(8)和第二制冷机(9);其中第一制冷机(6)与40K防辐射屏(12)连接,第二制冷机(9)和80K防辐射屏(11)连接,液氦冷凝制冷机(7)与低温容器(2)及位于低温容器(2)内的液氦冷凝器(20)连接;外真空容器(10)通过环形梁支撑结构(13)和底部鞍形支架(16)获得稳定支撑;在低温容器(2)与外真空容器(10)之间的连接部分的外表面包有热辐射屏(18);外真空容器(10)外表面底部开有抽气孔(15);超导磁体(30)通过轴向限制拉杆(17)进行轴向定位,超导磁体(30)通过吊装轮(14)进行径向定位;主线圈(1)由从内到外同轴布置的主线圈的最内层一组线圈(21),第二组线圈(22),第三组线圈(23),第四组线圈(24)和第五组线圈(25)组成;主线圈(1)按径向方向从内到外线圈线径分为8个等级逐渐减小;所述磁场均匀度补偿线圈(19)包括位于第五组线圈(25)外表面的两端、与主线圈(1)同轴对称布置的2个端部补偿线圈(28)和位于第五组线圈(25)外表面中间位置、与主线圈(1)同轴布置的3个中部补偿线圈(29)组成,其中两个端部补偿线圈(28)通正向电流,产生所需要的磁场补偿,三个中部补偿线圈(29)通反向电流,用来补偿高次谐波参数以提高超导磁体(30)的均匀度。
2.按照权利要求1所述的高磁场高均匀度核磁共振超导磁体***,其特征在于,主线圈的最内层一组线圈(21)由2个同轴的密绕线圈组成,使用2种不同截面尺寸的矩形超导线绕制;第二组线圈(22)由4个同轴的密绕线圈组成,使用4种不同截面尺寸的矩形超导线材绕制;第三组线圈(23)由6个同轴的密绕线圈组成,使用3种不同截面尺寸的矩形超导线材绕制;第四组线圈(24)由6个同轴的密绕线圈组成,使用2种不同截面尺寸的矩形超导线材绕制;第五组线圈(25)由1个同轴的密绕线圈组成,使用1种截面尺寸的矩形超导线材绕制。
3.按照权利要求1所述的高磁场高均匀度核磁共振超导磁体***,其特征在于,所述超导磁体(30)的主线圈(1)的骨架采用高强度的6061-T6铝合金材料。
4.按照权利要求1所述的高磁场高均匀度核磁共振超导磁体***,其特征在于,所述主线圈(1)由从内到外同轴布置的主线圈的最内层一组线圈(21),第二组线圈(22),第三组线圈(23),第四组线圈(24)和第五组线圈(25)以间隙为±0.5mm以下的精度,采用整体真空浸渍技术组装在一起。
5.按照权利要求1所述的高磁场高均匀度核磁共振超导磁体***,其特征在于,在超导磁体***(26)外部区域布置有软铁材料制作的外铁轭结构铁磁屏蔽***(27)。
6.按照权利要求1所述的高磁场高均匀度核磁共振超导磁体***,其特征在于,当超导磁体(30)冷却到4K温度时,继续冷却使得低温容器(2)内的压强进一步减小,使超导磁体(30)运行在3-3.5K的温度下;当超导磁体***运行电流和磁场达到预先设定的要求后,再控制低温容器(2)内的压强保持恒定。
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