CN104183355B - 超导磁体***以及屏蔽线圈组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导磁体***，包括呈圆柱状的线圈骨架、缠绕在线圈骨架上的超导线圈以及设在超导线圈外侧的抗外部干扰的屏蔽线圈，该超导磁体***还包括固持在线圈骨架外侧的呈网状的线圈箍板，所述线圈箍板设有用于收容屏蔽线圈的圆形的绕线槽，所述绕线槽内设有用于固持屏蔽线圈的固持胶。本发明公开了一种用于该超导磁体***中的屏蔽线圈组件。本发明通过设置呈网状的线圈箍板以及固定在线圈箍板上的抗外部干扰的屏蔽线圈，可以使超导磁体***以及屏蔽线圈组件有更大的设计空间同时可以更好的屏蔽外部磁场。

Description

超导磁体***以及屏蔽线圈组件

【技术领域】

本发明是有关一种超导磁体***，尤其是指一种带有屏蔽线圈组件的超导磁体***。

【技术背景】

在医学MRI(磁共振成像)***中，超导磁体提供了成像所需要的磁场环境。有两个指标是衡量超磁体优劣的关键因素：第一，磁体中心场的大小，第二，磁场的均匀性。其中磁场的均匀性尤为重要，提高均匀性的方法除了磁体本身的设计以及主动被动匀场外，还需要有效的屏蔽外界干扰。通常建立屏蔽室能够有效屏蔽外界磁场以及自身杂散场的磁约束，而对于复杂的周围环境，如铁磁性物质的移动，附近变压器的工作等低频磁场同样会对磁场产生影响，所以需要有抗外部干扰屏蔽线圈。

美国专利公告第US5329266号专利揭示了一种超导磁体***，其包括超导线圈以及在各超导线圈的最外层表面绕制抗外界干扰的屏蔽线圈，将其串联起来构成电感回路。当外部铁磁性物质的移动或者其他低频变化磁场在磁体中产生干扰磁场的时候，屏蔽线圈由于感应电流而产生了同外界干扰磁场大小相等、方向相反的感应磁场来被动地抵消掉外界干扰来达到屏蔽的效果。屏蔽线圈在能够有效屏蔽外界电磁干扰的同时，可以减小自身对主磁场的干扰。

如图1所示是某些现有技术中屏蔽线圈产生的Bz磁场三维分布示意图，从图上可知在x方向随着x的增大Bz变化很小，但是在z方向的中心点附近Bz就有比较明显的两个峰。图2是此Bz磁场分布在50cm×40cm DSV椭球 体中的等值线示意图，偏差率δ=|B_max-B_min|/β₀=3.4％，其中偏差率δ越小表明均匀度越好。

现有技术是在超导线圈的外表面绕制若干匝线圈构成屏蔽线圈，由于主线圈骨架主要是为主线圈设计制造而成，所以屏蔽线圈只能在其基础上设计，从而具有一定的局限性，进而造成了图2所示的在z方向Bz有明显的两个对称峰的、均匀性不是很好的磁场。

因此，确有必要提供一种改进的超导磁体***，以克服上述超导磁体***存在的缺陷。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种可以有更多的设计空间、且屏蔽外部干扰磁场较好的超导磁体***。

本发明的超导磁体***是通过以下技术方案实现：一种超导磁体***，包括线圈骨架、缠绕在线圈骨架上的超导线圈以及设在超导线圈外侧的屏蔽线圈，该超导磁体***还包括固持在线圈骨架外侧的呈网状的线圈箍板，所述线圈箍板设有用于收容屏蔽线圈的环状的绕线槽。

在优选的实施方式中，所述绕线槽与线圈骨架同轴，所述绕线槽内设有用于固持屏蔽线圈的固持胶。

在优选的实施方式中，所述绕线槽包括位于X轴左侧的第一绕线槽、以X轴为对称中心与第一绕线槽对称的第二绕线槽以及中心线在X轴上的第三绕线槽。

在优选的实施方式中，所述屏蔽线圈包括位于第一绕线槽内的第一屏蔽线圈、第二绕线槽内的第二屏蔽线圈以及第三绕线槽内的第三屏蔽线圈，第一屏蔽线圈以及第二屏蔽线圈绕制匝数相等且都为N1，第三屏蔽线圈绕制匝数为N2.且N1>N2。

在优选的实施方式中，所述第一绕线槽、第二绕线槽以及第三绕线槽的底面位于同一圆柱面上。

在优选的实施方式中，所述线圈箍板包括第一线圈箍板与第二线圈箍板，所述第一线圈箍板与第二线圈箍板分别固定在线圈骨架上。

在优选的实施方式中，所述屏蔽线圈为一层，所述屏蔽线圈的两端分别与绕线槽的两侧边相接触。

本发明的屏蔽线圈组件是通过以下技术方案实现：所述屏蔽线圈组件包括呈网状的线圈箍板以及缠绕在线圈箍板上的抗外部干扰的屏蔽线圈，所述线圈箍板设有用于收容屏蔽线圈的圆形的绕线槽，所述绕线槽内设有用于固持屏蔽线圈的固持胶。

在优选的实施方式中，所述线圈箍板的外表面为圆柱面，所述圆形绕线槽自所述外表面向内凹陷。

在优选的实施方式中，所述绕线槽包括若干位于X轴左右侧且相互对称的绕线槽以及中心线在X轴上的一个绕线槽，每个绕线槽内均设有屏蔽线圈。

与现有技术相比，本发明的超导磁体***以及屏蔽线圈组件包括呈网状的线圈箍板以及固定在线圈箍板上的抗外部干扰的屏蔽线圈，可以使超导磁体***以及屏蔽线圈组件有更大的设计空间同时可以更好的屏蔽外部磁场。

【附图说明】

图1是现有技术磁场Bz分布三维示意图。

图2是现有技术中心点附近Bz磁场等值线。

图3是本发明超导磁体***的立体图。

图4是本发明超导磁体***的主视图。

图5是图4中A-A向的剖视图。

图6是图5中屏蔽线圈的示意图。

图7是本发明屏蔽线圈磁场Bz分布三维示意图。

图8是本发明屏蔽线圈中心点附件磁场Bz分布三维示意图。

图9是本发明屏蔽线圈中心点附件Bz磁场等值线。

【具体实施方式】

请参阅图3至图5所示，本发明为一种用于磁共振的超导磁体***100，包括呈圆柱状的线圈骨架10、缠绕在线圈骨架10上的超导线圈40、设在超导线圈40外侧的抗外部干扰的屏蔽线圈30以及固持在线圈骨架10外侧的网状的线圈箍板20。线圈骨架10内设有收容空间50。

请参阅图4以及图5所示，线圈箍板20包括由铝合金制成的第一线圈箍板21以及第二线圈箍板22，第一线圈箍板21与第二线圈箍板22分别用螺丝固定在线圈骨架10上。第一线圈箍板21与第二线圈箍板22组成圆柱形的线圈箍板，且其外侧形成用于收容屏蔽线圈30的圆形的绕线槽201，绕线槽201内设有用于固持屏蔽线圈30的固持胶，在本实施方式中，固持胶为环氧树脂。

线圈箍板20上设有若干个网孔状，在真空灌胶时，环氧树脂能够进入绕线槽201内固定超导线圈40，且大面积的线圈箍板20固定在线圈骨架10上对超导线圈40起到包裹固定约束的作用。超导磁体***100在励磁过程中径向方向会产生膨胀的电磁力，由于某些扰动会导致超导线圈40产生移动，从而导致超导磁体失超，所以采用这种网孔状带绕线槽的线圈箍板20能够很好地固定超导线圈40的移动，从而减少超导磁体***100励磁的次数，节约大量昂贵的液氦。

绕线槽201包括位于X轴左侧的第一绕线槽、以X轴为对称中心与第一绕线槽对称的第二绕线槽以及中心线在X轴上的第三绕线槽，其中，每个绕线槽内均设有屏蔽线圈30。屏蔽线圈30的两端分别与绕线槽201的两侧边相接触。第一绕线槽、第二绕线槽以及第三绕线槽的底面位于同一圆柱面上。在本实施方式中，屏蔽线圈30为单层多匝线圈。在其他实施方式中，屏蔽线圈30也可以为多层线圈。

请参阅图6所示，屏蔽线圈30包括第一屏蔽线圈31、第二屏蔽线圈33以及第三屏蔽线圈32。将第一屏蔽线圈31、第二屏蔽线圈33以及第三屏蔽线圈32同向串联短接成电感回路，其中接头可采取焊锡连接或超导连接。按照 同轴三螺线管组合能产生均匀的磁场的原理，通过设计不同的线槽参数和绕制一定匝数比的线圈来产生大小合适、且均匀的磁场。对于此发明采用单层超导线绕制，其中第一屏蔽线圈31以及第二屏蔽线圈33绕制匝数相等都为N1，第三屏蔽线圈32绕制匝数为N2，且N1>N2。

对于一个外界随时间变化的干扰磁场B(t)，由傅里叶变化可知，随时间变化的干扰磁场可看按正余弦变化的磁场，其中频率为k、α_k与b_k分别是对应的幅度常数，见公式(1)。此串联电感电路感应电流可用式(2)来表示，其中R为屏蔽线圈30的电阻，若是超导连接可忽略此电阻，L是屏蔽线圈30的总电感。N₁是线圈第一屏蔽线圈31的匝数(亦是第二屏蔽线圈33的匝数)，N₂为第三屏蔽线圈32的匝数，πr²为各线圈单环所表示的面积。正是由于此感应电流产生的磁场才会抵消掉外界干扰磁场。

如图6所示，第一屏蔽线圈31、第二屏蔽线圈33与第三屏蔽线圈32之间的间隔为d，各线圈内外半径都为a1与a2。第一屏蔽线圈31、第二屏蔽线圈33的长轴都为2b_e，第三屏蔽线圈32的长轴为2b_d。由公式(4)计算各螺线管线圈的中心点磁场，其中j为电流密度，μ₀为真空磁导率常数，因为在此设计中各线圈均采用单层螺线管组合，所以α为定值，第一屏蔽线圈31、第二屏蔽线圈33与第三屏蔽线圈32对应不同的β。在磁场中心点附近利用泰勒级数将Bz在球坐标系中展开成公式(3)所示，其中r代表中心点到场点的距离，θ为球坐标系的天顶角，为勒让德多项式。为了达到一定区域的均匀性，式(6)中分表代表第一屏蔽线圈31、第二屏蔽线圈33与第三屏蔽线圈32在中心点磁感应强度的二阶导数。让其式(6)恒等于零，即使得三个线圈磁场叠加后的二阶导数等于零。由于此计算涉及到椭圆积分等复杂计算，所以很难直接求出所有精确解，但是我们可以求得一系列组合数值解，即若干组β值(βc1，βd，βc2)，对应第一屏蔽线圈31、第二屏蔽线圈33与第三屏蔽线圈32，其中βc1=βc2>βd。将这些组合数值代入式(5)，B_EIS是按照屏蔽因子K大小比例要求，所需要屏蔽的磁场大小，分别表示第一屏蔽线圈31、第二 屏蔽线圈33与第三屏蔽线圈32在磁场中心点产生的磁感应强度。比较各个ΔB的大小，例如将108作为比较标准，只选取ΔB<10^-8的数值组合，这样优化选取这些数值就可以作为线圈设计的参数。

B_0c1+B_0c2+B_0D-B_EIS=ΔB (5)

B_zc1 ⁽²⁾(0，0)+B_zc2 ⁽²⁾(0，0)+B_zD ⁽²⁾(0，0)=0 (6)

如图7所示是此屏蔽线圈30所产生的感应磁场Bz三维分布图，对比图1可以明显看到中心点附近两个峰没有了，新型磁场分布更加均匀了。图8是缩小区域后在50cm×40cm椭球体DSV中Bz磁场分布图，可见整个Bz几乎成一平面分布，屏蔽线圈在DSV中产生更加均匀的磁场。图9中可以看到此种设计偏差率δ=1.1％，明显优于现有技术。

在其他实施方式中，可以将屏蔽线圈增多或减少，例如采用五线圈、七线圈组合或者亥姆霍兹线圈等；也可以将线圈箍板20分割成若干组合安装在线圈骨架10上。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变化，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种超导磁体***，包括线圈骨架、缠绕在线圈骨架上的超导线圈以及设在超导线圈外侧的屏蔽线圈，其特征在于：该超导磁体***还包括固持在线圈骨架外侧的呈网状的线圈箍板，所述线圈箍板设有用于收容屏蔽线圈的环状的绕线槽，所述屏蔽线圈包括第一屏蔽线圈、第二屏蔽线圈以及第三屏蔽线圈，第一屏蔽线圈、第二屏蔽线圈以及第三屏蔽线圈同向串联短接成电感回路，所述绕线槽包括位于X轴左侧的第一绕线槽、以X轴为对称中心与第一绕线槽对称的第二绕线槽以及中心线在X轴上的第三绕线槽。

2.如权利要求1所述的超导磁体***，其特征在于：所述绕线槽与线圈骨架同轴，所述绕线槽内设有用于固持屏蔽线圈的固持胶。

3.如权利要求1所述的超导磁体***，其特征在于：所述屏蔽线圈包括位于第一绕线槽内的第一屏蔽线圈、第二绕线槽内的第二屏蔽线圈以及第三绕线槽内的第三屏蔽线圈，第一屏蔽线圈以及第二屏蔽线圈绕制匝数相等且都为N1，第三屏蔽线圈绕制匝数为N2，且N1>N2。

4.如权利要求1或3所述的超导磁体***，其特征在于：所述第一绕线槽、第二绕线槽以及第三绕线槽的底面位于同一圆柱面上。

5.如权利要求1所述的超导磁体***，其特征在于：所述线圈箍板包括第一线圈箍板与第二线圈箍板，所述第一线圈箍板与第二线圈箍板分别固定在线圈骨架上。

6.如权利要求1所述的超导磁体***，其特征在于：所述屏蔽线圈为一层，所述屏蔽线圈的两端分别与绕线槽的两侧边相接触。

7.一种用于超导磁体***的屏蔽线圈组件，其特征在于：其包括呈网状的线圈箍板以及缠绕在线圈箍板上的抗外部干扰的屏蔽线圈，所述线圈箍板设有用于收容屏蔽线圈的圆形的绕线槽，所述绕线槽内设有用于固持屏蔽线圈的固持胶，所述屏蔽线圈包括第一屏蔽线圈、第二屏蔽线圈以及第三屏蔽线圈，第一屏蔽线圈、第二屏蔽线圈以及第三屏蔽线圈同向串联短接成电感回路；所述绕线槽包括若干位于X轴左右侧且相互对称的绕线槽以及中心线在X轴上的一个绕线槽，每个绕线槽内均设有屏蔽线圈。

8.如权利要求7所述的屏蔽线圈组件，其特征在于：所述线圈箍板的外表面为圆柱面，所述圆形绕线槽自所述外表面向内凹陷。