專利名稱：一種用于磁共振成像系統的高溫超導磁體的制作方法
技術領域：
本發明屬于超導電工技術領域，特別涉及一種用于磁共振成像系統的高溫超導磁體。
背景技術：
超導磁體主要應用于磁共振成像系統中，是醫療領域里的重要診療設備。磁共振成像系統中一般使用NbTi等低溫超導體制作低溫超導磁體。這類磁體的磁場一般在 1.0T-3. OT之間，一般稱為高場磁體。個別也有使用這種低溫磁體制作低磁場磁體。通常使用永磁體制作0. 2T-0. 5T的低場磁體。隨著永磁材料釹鐵硼中的稀土材料大幅漲價，低場永磁磁體的成本越來越高。高溫超導磁體的應用價值逐漸顯現出來。高溫超導磁體一般使用MgB2 (二硼化鎂)超導線、Bi(鉍)系超導線或第二代Y (釔) 系超導線制造。這些超導線材通常工作在10K-100K溫度之間，被稱為高溫超導體。因為高溫超導體電磁性能不很好，通常只用來制作中、低場磁體。因為高溫超導磁體保溫系統簡單、不使用液氦等昂貴的冷媒，系統制造、運行成本非常經濟。低場磁體一般采用鐵芯來制作磁路以提高系統磁性能。受鐵芯限制磁體的重量比較大。一般在磁場成像空間兩側都配備勻場極板。勻場極板的形狀直接影響到成像磁場的均勻度和射頻、梯度磁場等系統的性能。這樣的成像磁場空間通常為開放型(Open)，便于開展介入治療等操作。是多種磁共振成像系統中比較有特色的一種形式。
發明內容
本發明目的在于提供一種用于磁共振成像系統的高溫超導磁體。本發明的技術方案是一種用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，包括鐵軛、導磁柱、勻場極板、制冷機、低溫容器、高溫超導繞組、支撐架和二元電流引線。所述鐵軛采用鐵磁材料，由兩個懸臂和立柱構成C形。鐵軛為磁體系統的主導磁回路，低溫容器包圍在鐵軛的立柱上，主要用于傳導由超導繞組產生的磁通。鐵軛截面積大小的選擇要保證內部磁感應強度不超過2T。超導繞組附近的結構設計，要保證繞組內的磁場不超過超導體正常工作指標的要求。為了加強受力結構的安全性，可以在鐵軛的兩個懸臂之間，或在兩個勻場極板之間增加非磁性支撐桿。所述導磁柱采用圓柱形，采用性能良好的鐵磁材料，采用以鐵軛制成一體或可拆卸方式設置在鐵軛的兩個懸臂內側，導磁柱的直徑小于勻場極板的直徑，導磁柱主要是引導鐵軛內的磁力線以對稱的形式聚集到勻場極板中心軸上，從而使勻場極板產生均勻磁場。所述勻場極板采用圓餅形，采用性能良好的鐵磁材料，安裝在導磁柱上，勻場極板之間的空間為被檢測空間，監測空間尺度要滿足被檢查對象(比如人體或肢體)磁共振成像要求；勻場極板一面嵌套在導磁柱上，另一面需要加工成凹面。凹面尺寸要有利于產生均勻磁場。凹面內可以放置更精細的勻場片，進行高精度勻場。凹面內還可以安置其它與磁共振成像相關的電子設備、器材和材料。所述制冷機安裝到低溫容器上，冷頭以高溫超導繞組相連，為高溫超導繞組提供低溫環境，低溫容器上還配置有其他電氣接口和預冷液體接口 ；制冷機是降溫的主要設備， 制冷機二級冷頭與高溫超導繞組相連，用于將超導線圈繞組的溫度降低到10K-100K的工作溫度。達到工作溫度之后，制冷機用于維持系統工作溫度。對于使用制冷機的傳導冷卻磁體，降溫過程比較漫長，常常使用液氮或液氦等低溫液體通過導管對高溫超導繞組進行加速降溫。所述低溫容器為中空的圓筒形，是真空密封容器，內部安置高溫超導繞組，低溫容器內部采用制冷機傳導冷卻形式工作，在初始降溫過程中使用低溫液體進行輔助降溫，保持超導繞組處于低溫工作環境。外殼通常采用不銹鋼材料，內部要維持較高的真空狀態，減小氣體傳熱。低溫容器內部通常安置一套與外殼形狀一樣尺寸略小的金屬殼冷屏。冷屏溫度比超導繞組略高，用于遮擋外殼向內部輻射的熱量。冷屏內、外表面以及外殼的內表面均包裹防輻射薄膜以減小熱輻射。低溫容器上安裝有制冷機、電源、電子檢測與控制信號線接口以及低溫液體進出的管路接口。所述高溫超導繞組為產生磁場的關鍵部件，一個低溫容器內采用至少一套高溫超導繞組，高溫超導繞組采用Mg4、Bi系超導向或第二代Y系等工作溫度高于4. 2K的高溫超導線帶材繞制，設置在低溫容器內部，超導繞組與低溫容器之間通過支撐架連接，高溫超導繞組內部配置有溫度傳感器、失超探測器和失超加熱器。所述支撐架用于固定高溫超導繞組。為保持超導繞組與外部有良好的絕熱，同時承受超導繞組的重力和工作過程中的磁場力，支撐架必須強有力且導熱量盡可能小。支撐架可以采用頂錐型支撐架或吊桿型支撐架，頂錐型支撐架可采用導熱差的材料如環氧樹脂等，懸吊高溫超導繞組的吊桿型支撐架可采用導熱較差的材料如不銹鋼等。所述二元電流引線主要是將外部電源的電流引導進入超導繞組中，同時需要盡量減少熱量的傳入。二元電流引線與室溫接觸一側采用金屬導線，金屬導線一端與制冷機冷頭相連，二元電流引線與低溫接觸一側采用超導體，二元電流引線的超導體一端與制冷機冷頭溫度較高點相連，另一端與制冷機冷頭溫度較低端相連。所述超導電源通過二元電流引線對高溫超導繞組供電。所述失超監測電路隨時監測超導繞組的工作狀態。一旦出現溫度條件變差、停電等可能導致超導繞組無法正常工作的問題，超導保護系統將主動釋放超導繞組內的電磁能量，避免永久性損壞。有益效果本發明精簡的高溫超導磁體系統具備與傳統永磁磁體系統相似的成本優勢。與傳統雙繞組超導磁體相比，采用單個高溫超導繞組省掉一套制冷機系統、低溫容器和電子系統，使磁體系統總體的經濟性大幅提高。導磁柱與勻場極板結構對產生勻強磁場有很大幫助。
圖1是本發明高溫超導磁體完整結構示意圖2是本發明高溫超導磁體鐵軛與低溫系統實施例示意圖； 圖3是本發明高溫超導磁體低溫系統內部支撐結構實施例之一示意圖；圖4是本發明高溫超導磁體低溫系統內部支撐結構實施例之二示意圖； 圖中1鐵軛、2導磁柱、3勻場極板、4被檢測空間、5制冷機、6低溫容器、7高溫超導繞組、8頂錐型支撐架、9 二元電流引線、10防輻射屏、11吊桿型支撐架、12支撐桿、13超導電源、14失超監測與保護電路。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明加以詳細說明。一種用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，其特征在于包括鐵軛1、導磁柱2、勻場極板3、制冷機5、低溫容器6、高溫超導繞組7、支撐架和二元電流引線9，如圖1所示。鐵磁性能優良的圓柱形導磁柱2設置在用鐵磁材料制造的C形鐵軛1的兩個懸臂內側，導磁柱2的直徑小于勻場極板3的直徑，圓餅形勻場極板3安裝在導磁柱2上，勻場極板3 —面嵌套在導磁柱2上，另一面加工成凹面。勻場極板3之間的空間為被檢測空間 4，其尺度要大到足以滿足被檢查對象(比如人體或肢體)磁共振成像要求。低溫容器6包圍在鐵軛1的立柱上，低溫容器6內部安置高溫超導繞組7，低溫容器6上安裝有制冷機5、電源、電子檢測與控制信號線接口以及低溫液體進出的管路接口。制冷機5安裝到低溫容器6上，制冷機5 二級冷頭與高溫超導繞組7相連，采用 RD415型GM制冷機，為高溫超導繞組7提供一個足夠低的溫度環境。高溫超導繞組7設置在低溫容器6內部，超導繞組7與低溫容器6之間通過支撐架8連接，高溫超導繞組7內部配置有溫度傳感器、失超探測器和失超加熱器。二元電流引線9與室溫接觸一側采用金屬導線，金屬導線一端與制冷機冷頭相連，二元電流引線與低溫接觸一側采用超導體，二元電流引線9的超導體一端與制冷機冷頭溫度較高點相連，另一端與制冷機冷頭溫度較低端相連。支撐架用來固定高溫超導繞組，把重力和電磁力傳遞到低溫容器6的外部；二元電流引線9用于連接超導電源13和失超監測與保護電路14等電氣設備。超導電源13可以采用市售特制的高穩定超導電源成品。失超監測與保護電路14等電氣設備可以采用成品設備，也可以用簡單電路另外制作。低溫容器6上還配置有其他必需的電氣接口和預冷液體接口。本實施例是磁場強度0. 3T的高溫超導磁體，如圖2所示。對于高溫超導繞組7， 如果線帶材工作電流為100A，大約需要2000匝，總長度在5km左右，繞組內的磁場不超過 0. 3T。為了便于低溫容器6的裝配，鐵軛1的上懸臂可以做成可拆卸結構，導磁柱2可以做成可拆卸結構，安裝在鐵軛1的上懸臂內側，如圖2上半部分所示。如圖2下半部分所示，導磁柱2也可以與鐵軛1做成一體化結構連接到鐵軛1的懸臂內側。鐵軛總長度約2. 7米， 寬度約1.5米，高度約1.2米。因為超導繞組加上工作電流以后，在兩個勻場極板3之間會產生特別大的吸引力。為了加強受力結構的安全性，可以在鐵軛1的兩個懸臂之間，或在兩個勻場極板3之間增加非磁性支撐桿12。為保持超導繞組與外部有良好的絕熱，同時承受超導繞組的重力和工作過程中的磁場力，支撐結構必須強有力且導熱量盡可能小。本發明支撐架采用頂錐型支撐架8或吊桿型支撐架11，頂錐型支撐架采用導熱差的材料如環氧樹脂等，如圖3所示，懸吊高溫超導繞組的吊桿型支撐架采用導熱較差的材料如不銹鋼等，如圖4所示。
權利要求
1.一種用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，其特征在于包括鐵軛、導磁柱、勻場極板、制冷機、低溫容器、高溫超導繞組、支撐架和二元電流引線；所述導磁柱設置在鐵軛的兩個懸臂內側，導磁柱的直徑小于勻場極板的直徑，勻場極板安裝在導磁柱上，勻場極板一面嵌套在導磁柱上，另一面加工成凹面；所述低溫容器包圍在鐵軛的立柱上，低溫容器內部安置高溫超導繞組，低溫容器上安裝有制冷機、電源、電子檢測與控制信號線接口以及低溫液體進出的管路接口；所述制冷機安裝到低溫容器上，制冷機冷頭與高溫超導繞組相連；所述高溫超導繞組設置在低溫容器內部，超導繞組與低溫容器之間通過支撐架連接， 高溫超導繞組內部配置有溫度傳感器、失超探測器和失超加熱器；所述二元電流引線與室溫接觸一側采用金屬導線，金屬導線一端與制冷機冷頭相連， 二元電流引線與低溫接觸一側采用超導體，二元電流引線的超導體一端與制冷機冷頭溫度較高點相連，另一端與制冷機冷頭溫度較低端相連。
2.根據權利要求1所述的用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，其特征在于所述超導電源通過二元電流弓I線對高溫超導繞組供電。
3.根據權利要求1所述的用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，其特征在于在一個低溫容器內采用至少一套高溫超導繞組，高溫超導繞組采用MgB2、Bi系超導線或第二代Y 系超導線帶材繞制，超導線的工作溫度高于4.觀。
4.根據權利要求1所述的用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，其特征在于所述導磁柱采用與鐵軛制成一體或可拆卸方式設置在鐵軛的兩個懸臂內側。
5.根據權利要求1所述的用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，其特征在于可以在所述鐵軛的兩個懸臂之間或在兩個勻場極板之間增加非磁性支撐桿。
6.根據權利要求1所述的用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，其特征在于所述低溫容器內部可以安置一套金屬殼冷屏，冷屏內、外表面以及外殼的內表面均包裹防輻射薄膜。
全文摘要
一種用于磁共振成像系統的高溫超導磁體，包括鐵軛、導磁柱、勻場極板、制冷機、低溫容器、高溫超導繞組、支撐架和二元電流引線。導磁柱設置在鐵軛的兩個懸臂內側，勻場極板安裝在導磁柱上，一面嵌套在導磁柱上，另一面需要加工成凹面，低溫容器包圍在鐵軛的立柱上，低溫容器內部安置高溫超導繞組，制冷機安裝到低溫容器上，制冷機二級冷頭與高溫超導繞組相連，高溫超導繞組設置在低溫容器內部，超導繞組與低溫容器之間通過支撐架連接，兩條與制冷機冷頭連接在一起的二元電路引線，二元電流引線將超導電源的電流引入高溫超導繞組。本發明充分發揮高溫超導磁體經濟效益高的優勢，經過創新設計的高溫超導磁體具備與永磁磁體相同的效益優勢。
文檔編號G01R33/3815GK102360692SQ201110224408
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者吳春俐, 白質明 申請人:白質明