CN102360692B - 一种用于磁共振成像***的高温超导磁体 - Google Patents

Abstract

一种用于磁共振成像***的高温超导磁体，包括铁轭、导磁柱、匀场极板、制冷机、低温容器、高温超导绕组、支撑架和二元电流引线。导磁柱设置在铁轭的两个悬臂内侧，匀场极板安装在导磁柱上，一面嵌套在导磁柱上，另一面需要加工成凹面，低温容器包围在铁轭的立柱上，低温容器内部安置高温超导绕组，制冷机安装到低温容器上，制冷机二级冷头与高温超导绕组相连，高温超导绕组设置在低温容器内部，超导绕组与低温容器之间通过支撑架连接，两条与制冷机冷头连接在一起的二元电路引线，二元电流引线将超导电源的电流引入高温超导绕组。本发明充分发挥高温超导磁体经济效益高的优势，经过创新设计的高温超导磁体具备与永磁磁体相同的效益优势。

Description

一种用于磁共振成像***的高温超导磁体

技术领域

本发明属于超导电工技术领域，特别涉及一种用于磁共振成像***的高温超导磁体。

背景技术

超导磁体主要应用于磁共振成像***中，是医疗领域里的重要诊疗设备。磁共振成像***中一般使用NbTi等低温超导体制作低温超导磁体。这类磁体的磁场一般在1.0T-3.0T之间，一般称为高场磁体。个别也有使用这种低温磁体制作低磁场磁体。通常使用永磁体制作0.2T-0.5T的低场磁体。随着永磁材料钕铁硼中的稀土材料大幅涨价，低场永磁磁体的成本越来越高。高温超导磁体的应用价值逐渐显现出来。

高温超导磁体一般使用MgB₂(二硼化镁)超导线、Bi（铋）系超导线或第二代Y(钇)系超导线制造。这些超导线材通常工作在10K-100K温度之间，被称为高温超导体。因为高温超导体电磁性能不很好，通常只用来制作中、低场磁体。因为高温超导磁体保温***简单、不使用液氦等昂贵的冷媒，***制造、运行成本非常经济。

低场磁体一般采用铁芯来制作磁路以提高***磁性能。受铁芯限制磁体的重量比较大。一般在磁场成像空间两侧都配备匀场极板。匀场极板的形状直接影响到成像磁场的均匀度和射频、梯度磁场等***的性能。这样的成像磁场空间通常为开放型（Open），便于开展介入治疗等操作。是多种磁共振成像***中比较有特色的一种形式。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于磁共振成像***的高温超导磁体。

本发明的技术方案是：一种用于磁共振成像***的高温超导磁体，包括铁轭、导磁柱、匀场极板、制冷机、低温容器、高温超导绕组、支撑架和二元电流引线。

所述铁轭采用铁磁材料，由两个悬臂和立柱构成C形。铁轭为磁体***的主导磁回路，低温容器包围在铁轭的立柱上，主要用于传导由超导绕组产生的磁通。铁轭截面积大小的选择要保证内部磁感应强度不超过2T。超导绕组附近的结构设计，要保证绕组内的磁场不超过超导体正常工作指标的要求。为了加强受力结构的安全性，可以在铁轭的两个悬臂之间，或在两个匀场极板之间增加非磁性支撑杆。

所述导磁柱采用圆柱形，采用性能良好的铁磁材料，采用以铁轭制成一体或可拆卸方式设置在铁轭的两个悬臂内侧，导磁柱的直径小于匀场极板的直径，导磁柱主要是引导铁轭内的磁力线以对称的形式聚集到匀场极板中心轴上，从而使匀场极板产生均匀磁场。

所述匀场极板采用圆饼形，采用性能良好的铁磁材料，安装在导磁柱上，匀场极板之间的空间为被检测空间，监测空间尺度要满足被检查对象（比如人体或肢体）磁共振成像要求；匀场极板一面嵌套在导磁柱上，另一面需要加工成凹面。凹面尺寸要有利于产生均匀磁场。凹面内可以放置更精细的匀场片，进行高精度匀场。凹面内还可以安置其它与磁共振成像相关的电子设备、器材和材料。

所述制冷机安装到低温容器上，冷头以高温超导绕组相连，为高温超导绕组提供低温环境，低温容器上还配置有其他电气接口和预冷液体接口；制冷机是降温的主要设备，制冷机二级冷头与高温超导绕组相连，用于将超导线圈绕组的温度降低到10K-100K的工作温度。达到工作温度之后，制冷机用于维持***工作温度。对于使用制冷机的传导冷却磁体，降温过程比较漫长，常常使用液氮或液氦等低温液体通过导管对高温超导绕组进行加速降温。

所述低温容器为中空的圆筒形，是真空密封容器，内部安置高温超导绕组，低温容器内部采用制冷机传导冷却形式工作，在初始降温过程中使用低温液体进行辅助降温，保持超导绕组处于低温工作环境。外壳通常采用不锈钢材料，内部要维持较高的真空状态，减小气体传热。低温容器内部通常安置一套与外壳形状一样尺寸略小的金属壳冷屏。冷屏温度比超导绕组略高，用于遮挡外壳向内部辐射的热量。冷屏内、外表面以及外壳的内表面均包裹防辐射薄膜以减小热辐射。低温容器上安装有制冷机、电源、电子检测与控制信号线接口以及低温液体进出的管路接口。

所述高温超导绕组为产生磁场的关键部件，一个低温容器内采用至少一套高温超导绕组，高温超导绕组采用MgB₂、Bi系超导向或第二代Y系等工作温度高于4.2K的高温超导线带材绕制，设置在低温容器内部，超导绕组与低温容器之间通过支撑架连接，高温超导绕组内部配置有温度传感器、失超探测器和失超加热器。

所述支撑架用于固定高温超导绕组。为保持超导绕组与外部有良好的绝热，同时承受超导绕组的重力和工作过程中的磁场力，支撑架必须强有力且导热量尽可能小。支撑架可以采用顶锥型支撑架或吊杆型支撑架，顶锥型支撑架可采用导热差的材料如环氧树脂等，悬吊高温超导绕组的吊杆型支撑架可采用导热较差的材料如不锈钢等。

所述二元电流引线主要是将外部电源的电流引导进入超导绕组中，同时需要尽量减少热量的传入。二元电流引线与室温接触一侧采用金属导线，金属导线一端与制冷机冷头相连，二元电流引线与低温接触一侧采用超导体，二元电流引线的超导体一端与制冷机冷头温度较高点相连，另一端与制冷机冷头温度较低端相连。所述超导电源通过二元电流引线对高温超导绕组供电。

所述失超监测电路随时监测超导绕组的工作状态。一旦出现温度条件变差、停电等可能导致超导绕组无法正常工作的问题，超导保护***将主动释放超导绕组内的电磁能量，避免永久性损坏。

有益效果：本发明精简的高温超导磁体***具备与传统永磁磁体***相似的成本优势。与传统双绕组超导磁体相比，采用单个高温超导绕组省掉一套制冷机***、低温容器和电子***，使磁体***总体的经济性大幅提高。导磁柱与匀场极板结构对产生匀强磁场有很大帮助。

附图说明

图1是本发明高温超导磁体完整结构示意图；

图2是本发明高温超导磁体铁轭与低温***实施例示意图；

图3是本发明高温超导磁体低温***内部支撑结构实施例之一示意图；

图4是本发明高温超导磁体低温***内部支撑结构实施例之二示意图；

图中：1铁轭、2导磁柱、3匀场极板、4被检测空间、5制冷机、6低温容器、7高温超导绕组、8顶锥型支撑架、9二元电流引线、10防辐射屏、11吊杆型支撑架、12支撑杆、13超导电源、14失超监测与保护电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明加以详细说明。

一种用于磁共振成像***的高温超导磁体，其特征在于：包括铁轭1、导磁柱2、匀场极板3、制冷机5、低温容器6、高温超导绕组7、支撑架和二元电流引线9，如图1所示。

铁磁性能优良的圆柱形导磁柱2设置在用铁磁材料制造的C形铁轭1的两个悬臂内侧，导磁柱2的直径小于匀场极板3的直径，圆饼形匀场极板3安装在导磁柱2上，匀场极板3一面嵌套在导磁柱2上，另一面加工成凹面。匀场极板3之间的空间为被检测空间4，其尺度要大到足以满足被检查对象（比如人体或肢体）磁共振成像要求。

低温容器6包围在铁轭1的立柱上，低温容器6内部安置高温超导绕组7，低温容器6上安装有制冷机5、电源、电子检测与控制信号线接口以及低温液体进出的管路接口。

制冷机5安装到低温容器6上，制冷机5二级冷头与高温超导绕组7相连，采用RD415型GM制冷机，为高温超导绕组7提供一个足够低的温度环境。 

高温超导绕组7设置在低温容器6内部，超导绕组7与低温容器6之间通过支撑架8连接，高温超导绕组7内部配置有温度传感器、失超探测器和失超加热器。

二元电流引线9与室温接触一侧采用金属导线，金属导线一端与制冷机冷头相连，二元电流引线与低温接触一侧采用超导体，二元电流引线9的超导体一端与制冷机冷头温度较高点相连，另一端与制冷机冷头温度较低端相连。

支撑架用来固定高温超导绕组，把重力和电磁力传递到低温容器6的外部；二元电流引线9用于连接超导电源13和失超监测与保护电路14等电气设备。超导电源13可以采用市售特制的高稳定超导电源成品。失超监测与保护电路14等电气设备可以采用成品设备，也可以用简单电路另外制作。低温容器6上还配置有其他必需的电气接口和预冷液体接口。

本实施例是磁场强度0.3T的高温超导磁体，如图2所示。对于高温超导绕组7，如果线带材工作电流为100A，大约需要2000匝，总长度在5km左右，绕组内的磁场不超过0.3T。为了便于低温容器6的装配，铁轭1的上悬臂可以做成可拆卸结构，导磁柱2可以做成可拆卸结构，安装在铁轭1的上悬臂内侧，如图2上半部分所示。如图2下半部分所示，导磁柱2也可以与铁轭1做成一体化结构连接到铁轭1的悬臂内侧。铁轭总长度约2.7米，宽度约1.5米，高度约1.2米。

因为超导绕组加上工作电流以后，在两个匀场极板3之间会产生特别大的吸引力。为了加强受力结构的安全性，可以在铁轭1的两个悬臂之间，或在两个匀场极板3之间增加非磁性支撑杆12。

为保持超导绕组与外部有良好的绝热，同时承受超导绕组的重力和工作过程中的磁场力，支撑结构必须强有力且导热量尽可能小。本发明支撑架采用顶锥型支撑架8或吊杆型支撑架11，顶锥型支撑架采用导热差的材料如环氧树脂等，如图3所示，悬吊高温超导绕组的吊杆型支撑架采用导热较差的材料如不锈钢等，如图4所示。

Claims (2)

1.一种用于磁共振成像***的高温超导磁体，包括铁轭、导磁柱、匀场极板、高温超导绕组、低温容器、二元电流引线、支撑架和制冷机，导磁柱设置在铁轭的两个悬臂内侧，低温容器内部安置高温超导绕组；所述低温容器包围在铁轭的立柱上，低温容器上安装有制冷机、电源、电子检测与控制信号线接口以及低温液体进出的管路接口；所述制冷机安装到低温容器上，制冷机冷头与高温超导绕组相连； 所述高温超导绕组设置在低温容器内部，超导绕组与低温容器之间通过支撑架连接，高温超导绕组内部配置有温度传感器、失超探测器和失超加热器；所述二元电流引线与室温接触一侧采用金属导线，金属导线一端与制冷机冷头相连，二元电流引线与低温接触一侧采用超导体，二元电流引线的超导体一端与制冷机冷头温度较高点相连，另一端与制冷机冷头温度较低端相连；

其特征在于：所述铁轭采用铁磁材料，由两个悬臂和立柱构成C形；

所述导磁柱的直径小于匀场极板的直径，匀场极板安装在导磁柱上，匀场极板一面嵌套在导磁柱上，另一面加工成凹面；

在所述铁轭的两个悬臂之间或在两个匀场极板之间增加非磁性支撑杆。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振成像***的高温超导磁体，其特征在于：所述导磁柱采用与铁轭制成一体或可拆卸方式设置在铁轭的两个悬臂内侧。

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