CN1649041A - 磁场发生组件 - Google Patents

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Abstract

一种磁场发生组件，其包括：一个超导磁体(6)，该超导磁体设置在一个低温恒温器(1)内并限定有一个可由低温恒温器外部进入的孔(7)。一个机械式致冷器(10)设置有至少两个冷却阶段(11－13)并用于对低温恒温器(1)至少进行局部冷却。一个冷却剂路径从致冷器(10)延伸到磁铁孔(7)内，该冷却剂路径与一个不是最冷的冷却阶段相连接，以进行热交换，这样就使该致冷器还适合于对冷却剂路径内的冷却剂进行冷却。

Description

磁场发生组件
技术领域
本发明涉及一种包括有一超导磁铁的磁场发生组件，该超导磁铁设置在一个低温恒温器中并限定了一个可从低温恒温器外部进入的孔。这种部件可应用到包括NMR、MRI和FTICR在内的许多领域中。本发明还可应用到其它要求低温环境的测量装置上，例如用于测定材料特性的测量装置。
背景技术
常规的低温恒温器包括多个辐射热保护罩和一种象液态氦这样的冷却剂，在冷却剂内设置有超导磁铁。一个样本或多个部件例如RF线圈和/或梯度线圈一般在室温条件下设置在该孔内，而且在多个部件的情况下，它们可被永久性安装到该孔内或安装到一个可拆式探头上。为提高信号噪声比等，通常需要对这些部件和/或样本进行冷却，而且可通过将这些部件连接到冷却剂路径内而使这一点得以实现，其中冷却剂路径又与一个独立的冷却***相连接。2003年9月22-26日在美国阿拉斯加州的Anchorage镇Wang等人提出的一篇论文“A Single-Stage Pulse Tube Cryocooler For Horizontally Cooling HTS MRIProbe”公开了一种为MRI探头而设计的低温冷却机。另外，如WO03/023433所述，这些部件可被放置在低温恒温器内(但通过一个独立的冷却剂路径进行冷却)。但是，由于一旦将这些部件安装在低温恒温器内就很难更换这些部件，因此这一点并非总是可行的。此外，在WO03/023433所公开的***中，也不是总能达到足够的冷却能力。
发明内容
因此，为降低成本和结构的复杂性，就需要对这些公知的***进行简化。
根据本发明，一种磁场发生组件包括一个超导磁铁，该超导磁铁设置在一个低温恒温器中并限定了一个可从低温恒温器外部进入的孔；一个机械式致冷器，该致冷器具有至少两个冷却阶段用于对低温恒温器进行局部冷却；一个冷却剂路径，该路径从致冷器延伸到磁铁孔内，该冷却剂路径与不是最冷的冷却阶段的一个致冷器冷却阶段相接合，以进行热交换，这样就使该致冷器还适合于对冷却剂路径中的冷却剂进行冷却。
利用本发明可以从同样的致冷器(一般为低温冷却机)中获得足够的冷却能力，以用于对低温恒温器和冷却剂路径进行冷却，其中该冷却剂路径通向通常处于室温下的孔。这样不仅可以降低成本并提高整个***的可靠性，由于一个低温冷却机和一个压缩机能够相互替代进行工作，因此无需对致冷器结构作出很大的改动，这一点尤其有利。这一点可通过不采用最冷的冷却阶段就可以实现(与WO03/023433所述的技术方案相同)。在WO03/023433中，从最冷阶段获得的4.2K的冷却能力不能大于1W，其中至少部分冷却能力要用于对低温恒温器内的氦气进行重新冷凝。其余的冷却能力不足以将冷却剂路径中的其它路径气体冷却至4K，而且来自探头的可用冷却能力不能低于0.5瓦，仅通过这点儿冷却能力是不够的。要求NMR探头的冷却能力在约20-25K时需要约为2-5W。为使这一点成为可能，仅仅从中间阶段抽取冷却能力，而不是从最冷的阶段获取冷却能力。
在某些情况下，该冷却剂路径用于对将被永久性安装在孔内的那些部件(例如RF和/或梯度线圈)进行冷却。
在其它情况下，该冷却剂路径用于对安装在一个探头上的多个部件和/或一个样本进行冷却，该探头可插装到孔内并可从孔内拆卸下来。在这种情况下，至少部分冷却剂路径最好由一种柔性导管构成。
阶段的数量决定于该孔所需的温度。如果保护罩的温度和线圈的温度与可用的致冷能力相匹配，那么两个阶段就足够了。这一点同样适用于某些领域：如果要求线圈的温度约为40-50K，而且致冷器的第一阶段能够对探头的电子件/样本进行冷却。但是，对于NMR而言，如果要求线圈的温度约为20-30K，那么就需要设置另外一个约为15K-20K的中间阶段，以用于对冷却剂路径进行冷却。一个三(或更多)阶段的致冷器能够更加灵活地应用到许多当对探头的温度要求不同时能够采用象MRI、NMR和FTICR这样的部件的领域内。一个两阶段的致冷器不能完成这项工作，因为两个阶段的温度都是固定的-其中一个阶段用于对辐射保护罩进行冷却，而另一个阶段用于进行重新冷凝，除非该保护罩和线圈的温度能够相互匹配。该技术还能够与其它需要低温环境的测量装置(例如用于对材料特性进行测定的装置)一起使用。
一般情况下，一阶段或多阶段的致冷器将与低温恒温器(例如40-50K)上相应数量的热保护罩相连接。冷却剂路径也可与一个或多个冷却阶段连接在一起。在某些情况下，致冷器的其中一个冷却阶段可单独用于对冷却路径进行冷却，而其它阶段则用于对低温恒温器进行冷却。
附图说明
下面将参照附图对根据本发明的磁场发生组件的某些实例加以说明，其中：
图1为第一实例的示意图；
图2为第二实例的示意图；
图3更加详细地示出了用于图1和图2所示实例上的安装结构。
具体实施方式
图1所示的实例包括一个低温恒温器1，该低温恒温器由一个外部真空腔体2限定而成，而且该腔体还设置有一个向上延伸的颈部部分3。在腔体2内设置有一个冷却保护罩4，该保护罩包围着一个液态氦气的容器5，在该容器内设置有一个超导磁铁6。该磁铁6包围在一孔7周围，该孔7在室温下设置在低温恒温器外部。
为对低温恒温器1进行冷却，一个以三阶段脉冲管式致冷器(PTR)(未示出)之形式存在的低温冷却机10安装在一个三段式袋囊中，而该袋囊又位于低温恒温器的颈部3内。PTR10的结构已经在图3中详细示出。
从图3可以清楚地看到：致冷器10的三个阶段由11-13表示。第一阶段11保持在约为50K的温度下，第二阶段保持在20-25K的温度下，而第三阶段保持在约为4.2K的温度下。
第一阶段11通过柔性编织型连接件14与防护罩4相连接，以将该保护罩的温度保持在约50K。
第三阶段13设置在液态氦容器5内并将重新对汽化的氦气进行冷凝处理。
PTR10与一个气体压缩机15相连接，该气体压缩机用于沿一个进送管路16将压缩气体送向PTR10的一个高压入口17内，而压缩气体一般为氦气，但也可以采用其它气体，例如氩气、氮气、氙气等。这种压缩气体用于以传统的方式对阶段11-13进行冷却，接着，这些气体会沿管路18返回压缩机15。在1994年出版的Cryogenics第34卷第4期第259-262中，一篇题为“Novel Configuration Of Three-Stage Pulse Tube Refrigerator For Temperature Below 4K”的文章公开了一种合适的PTR。可以采用的其它致冷器包括Stirling Gifford-McMahon和Joule-Thomson型致冷器。
在该实例中，来自进送管路16的一小部分压缩气体经过阀20流出并通过一个气体净化器21进送给热交换器22。该热交换器22对流入的压缩气体进行预先冷却(如下所述)，接着，压缩气体被进送到低温恒温器的颈部3内，如图3所示。这些气体沿管道23流动，直到其到达PTR10的第一阶段11，接着继续进送到第二阶段12，然后沿管道24返回。这样，这些气体就会被冷却到20-25K的温度下。接着，该气体沿管道25进送给探头26。该探头26一般携带有一个样本和/或RF和/或梯度线圈，而且能够以可拆卸的方式插装到孔7内，如图所示。这样，就可以利用导管25内的冷却气体对位于探头26上或位于探头26内的部件和/或样本进行冷却，然后，这些气体沿返回管路27返回热交换器22，在该热交换器内，这些气体有利于对进入的压缩气体进行预冷却。接下来，返回的气体就会回到与压缩机15相连接的返回管路18内。
导管25和以毛细管形式存在的返回管路17设置在盘卷的铜套管(未示出)内，而该铜套管又设置在一个柔性的不锈钢管(也未示出)内。
在探头26内，冷却***由多个小型毛细管(未示出)构成，因此，有一点很重要：应该设置气体净化器21，以防止气体内的污染物或湿气阻塞这些毛细管并使流动停止。
避免出现该问题的另一种方法已经在图2中示出。图2所示的结构与图1所示的结构基本相同，除了探头26的冷却剂路径与PTR10的压缩气体路径完全隔开外。另一个气冷压缩机或泵30用于将冷却剂路径的进送管路和返回管路25、27与探头26连接在一起。

Claims (18)

1.一种磁场发生组件，其包括：超导磁体，该超导磁体设置在低温恒温器内并限定有一个可由低温恒温器外部进入的孔；以及机械式致冷器，该致冷器具有至少两个冷却阶段，以用于对低温恒温器至少进行局部冷却；冷却剂路径，该路径由致冷器延伸到所述磁体的孔内，与致冷器上的一个不是最冷的冷却阶段相连接，以进行热交换，这样就使该致冷器还适合于对冷却剂路径中的冷却剂进行冷却。
2.根据权利要求1的组件，其特征在于：所述孔支撑着一个或多个与冷却剂路径相连接的部件。
3.根据权利要求1的组件，还包括：一个适合于以可拆卸的方式插装到所述孔内的探头，使用时，该探头携带有一个或多个部件和/或一个样本并与冷却剂路径相连接，从而在使用过程中冷却剂路径对这些部件和/或样本进行冷却。
4.根据权利要求3的组件，其特征在于：所述冷却剂路径至少局部由一个柔性导管限定而成。
5.根据上述权利要求2至4之一的组件，其特征在于：所述或每个部件都包括一个或多个RF和梯度线圈。
6.根据上述权利要求之一的组件，其特征在于：所述低温恒温器包括多个热保护罩，所述致冷器与一个或多个所述热保护罩相连接。
7.根据上述权利要求之一的组件，其特征在于：所述致冷器具有三个冷却阶段。
8.根据上述权利要求7的组件，其特征在于：所述冷却剂路径与致冷器的一个中间冷却阶段相连接。
9.根据权利要求8的组件，其特征在于：所述冷却剂路径与致冷器的不是最冷的冷却阶段之外的两个冷却阶段相连接。
10.根据权利要求7至9之一的组件，其特征在于：所述最冷的第三阶段设置在冷却剂容器中，以对容器内的汽化冷却剂例如氦气进行重新冷却。
11.根据权利要求10的组件，其特征在于：所述冷却剂容器还容纳有所述超导磁体。
12.根据权利要求1至6之一的组件，其特征在于：所述冷却剂路径与致冷器的一个冷却阶段相连接。
13.根据权利要求12的组件，其特征在于：所述低温恒温器由致冷器的一个或多个其它冷却阶段来冷却。
14.根据上述权利要求之一的组件，还包括：一个气体压缩机，该压缩机用于将压缩气体进送到致冷器内，以用于对每个阶段进行冷却；和用于将部分压缩气体进送到冷却剂路径内的部件。
15.根据权利要求14的组件，还包括：一个气体净化器，压缩气体通过该气体净化器进送到冷却剂路径内。
16.根据权利要求1至13之一的组件，还包括：一个第一气体压缩机，该压缩机用于将压缩冷却剂气体进送到致冷器内，以用于对各个阶段进行冷却；和一个第二气体压缩机或泵，其用于将冷却剂气体进送到冷却剂路径内。
17.根据上述权利要求之一的组件，其特征在于：所述冷却剂路径包括一个进送管路和一个返回管路，该部件还包括一个热交换器，该热交换器在一个能够使进送管路内的冷却剂在到达致冷器之前进行预冷却的位置处与进送管路和返回管路相连接。
18.根据上述权利要求之一的组件，其特征在于：所述致冷器包括一个脉冲管式致冷器。
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