專利名稱：用于超導磁體的低交流損失單絲超導體及其制造方法
技術領域：
本發明通常涉及超導磁體系統，尤其涉及在交流(AC)環境中工作的超導磁體。
背景技術：
在一個例子中，一種MR系統包括冷物質，所述冷物質包括超導磁體，勵磁線圈支撐結構，和氦容器(vessel)。本領域的技術人員將會理解，包含在氦容器中的液氦為超導磁體提供冷卻并且將超導磁體保持在低溫以供超導操作。液氦近似地和/或基本上將超導磁體保持在4.2開爾文(K)的液氦溫度。為了絕熱，包含液氦的氦容器在一個例子中包括在真空容器之內的壓力容器。
MR超導磁體典型地包括幾個線圈，一組初級線圈在成像體積中產生均勻B0場，而一組補償線圈限制磁體的邊緣場。這些線圈纏有諸如NbTi或Nb3Sn導體這樣的超導體。磁體被冷卻到液氦溫度(4.2K)從而導體在它們的超導狀態中工作。例如由來自環境的輻射和傳導產生的磁體的熱負荷由“開放系統”中液氦的蒸發或由“封閉系統”中的4K低溫冷卻機消除。由于替換液氦很昂貴并且由于低溫冷卻機的冷卻能力有限，所以磁體典型地放置在低溫恒溫器中以使其熱負荷最小化。如果線圈暴露于交流場，例如由MR系統的梯度線圈生成的交流場，則在超導體中產生交流損失。也就是說，當超導線圈暴露于交流場時，在其中引起導致交流損失的滯后損失和渦流，交流損失能夠升高導體溫度并且可能導致淬熄。交流損失也增加了制冷系統的總熱負荷。熱負荷的升高需要附加的低溫制冷能力，這增加了操作成本。
所以，希望具有一種裝置，所述裝置被配置成減小滯后損失和在超導勵磁線圈中感應的渦流所導致的交流損失。
發明內容
本發明提供了一種用于減小超導線圈中的交流損失且克服前述缺陷的超導體。
根據本發明的一個方面，一種低交流損失電導體被公開并且包括圍繞彼此縱向纏繞的多個單絲超導股線。所述電導體還包括被配置成封閉多個單絲超導股線的絕緣外罩。
根據本發明的另一方面，一種構造導體的方法也被給出并且包括形成多個單股超導體，其包括用銅層圍繞單股超導細絲芯體并且圍繞銅層放置絕緣涂層。所述方法還包括圍繞彼此纏繞多個單股超導體并且將被纏繞的多個單股超導體放置在絕緣護套內部。
根據本發明的又一方面，一種超導電纜包括布置在絕緣護套中的多個超導束。每個超導束由圍繞彼此纏繞的多個單絲超導股線組成。
將從以下具體描述和附圖顯而易見本發明的各種其他特征和優點。
附圖示出了當前打算用于實現本發明的一個優選實施方式。
在附圖中圖1是能夠從本發明的結合受益的MR成像系統的示意框圖。
圖2是根據本發明的超導體的橫截面圖。
圖3是捆扎在一起的多個圖2的超導體的剖開透視圖。
圖4是根據本發明的多個超導股線的剖開透視圖。
圖5是沿著線5-5的圖4的超導股線的橫截面圖。
具體實施例方式
參考圖1，超導磁體系統10在一個例子中包括在交流(AC)環境中工作的超導磁體系統。典型的超導磁體系統包括變壓器，發電機，電動機，超導磁體能量存儲器(SMES)，和/或磁共振(MR)系統。盡管傳統的MR磁體在直流模式中工作，但是當泄漏到磁體的梯度場高時一些MR磁體可以在來自梯度線圈的交流磁場下工作。這樣的交流磁場在磁體中產生交流損失。為了解釋，給出了磁共振和/或磁共振成像(MRI)裝置和/或系統的典型細節的圖解說明。
從操作者控制臺12控制MR系統的工作，所述操作者控制臺包括鍵盤或其他輸入設備13，控制面板14，和顯示屏16。控制臺12通過鏈路18與獨立計算機系統20通信，所述計算機系統20允許操作者控制圖像在顯示屏16上的產生和顯示。計算機系統20包括通過底板20a彼此通信的許多模塊。這些包括圖像處理器模塊22，CPU模塊24和存儲器模塊26，所述存儲器模決在本領域中被稱為用于存儲圖像數據陣列的幀緩沖器。計算機系統20鏈接到用于存儲圖像數據和程序的存儲器28和磁帶驅動器30，并且通過高速串行鏈路34與獨立系統控制32通信。輸入設備13可以包括鼠標，操縱桿，鍵盤，跟蹤球，觸摸屏，光棒，語音控制，或任何類似或等效的輸入設備，并且可以用于交互幾何指令(interactive geometry prescription)。
系統控制32包括由底板32a連接在一起的一組模塊。這些包括CPU模塊36和脈沖發生器模塊38，所述脈沖發生器38模塊通過串行鏈路40連接到操作者控制臺12。系統控制32正是通過鏈路40接收來自操作者的命令以指示將被執行的掃描序列。脈沖發生器模決38操作系統部件以執行希望的掃描序列和產生數據(所述數據指示產生的射頻脈沖的定時、強度和形狀)和數據采集窗的定時和長度。脈沖發生器模塊38連接到一組梯度放大器42以指示掃描期間產生的梯度脈沖的定時和形狀。脈沖發生器模塊38也可以接收來自生理采集控制器44的患者數據，所述生理采集控制器接收來自連接到患者的許多不同傳感器的信號，諸如來自連接到患者的電極的ECG信號。最后，脈沖發生器模塊38連接到掃描室接口電路46，所述掃描室接口電路接收來自與患者和磁體系統的條件關聯的各種傳感器的信號。患者定位系統48也正是通過掃描室接口電路46接收命令以將患者移動到理想位置以供掃描。
脈沖發生器模塊38產生的梯度波形被應用于具有Gx，Gy和Gz放大器的梯度放大器系統42。每個梯度放大器激勵總體上標識為50的梯度線圈組件中的相應物理梯度線圈以產生用于空間編碼被采集信號的磁場梯度。梯度線圈組件50形成包括極化磁體54和整體射頻線圈56的磁體組件52的一部分。系統控制32中的收發器模塊58產生脈沖，所述脈沖由射頻放大器60放大并且通過發射/接收開關62耦合到射頻線圈56。患者中的受激核發出的作為結果的信號可以被相同的射頻線圈56感測并且通過發射/接收開關62耦合到前置放大器64。放大MR信號在收發器58的接收器部分中被解調、濾波和數字化。發射/接收開關62由來自脈沖發生器模塊38的信號控制以在發射模式期間將射頻放大器60電連接到線圈56和在接收模式期間將前置放大器64連接到線圈56。發射/接收開關62也可以允許獨立射頻線圈(例如表面線圈)用在發射或接收模式中。
射頻線圈56拾取的MR信號由收發器模塊58數字化并且被轉送到系統控制32中的存儲器模塊66。當原始k空間數據的陣列已經被采集到存儲器模塊66中之時，掃描就完成了。該原始k空間數據為待重建的每個圖像而被重排成獨立的k空間數據陣列，并且這些k空間數據陣列中的每一個都被輸入到陣列處理器68，所述陣列處理器操作來將數據傅立葉變換成圖像數據的陣列。該圖像數據通過串行鏈路34被輸送到計算機系統20，在那里它被存儲到存儲器中，例如盤存儲器28。響應從操作者控制臺12接收的命令，該圖像數據可以存檔在長期存儲器中，例如磁帶驅動器30上，或者它可以由圖像處理器22進一步處理并且被輸送到操作者控制臺12和呈現在顯示器16上。
圖2示出了在交流場中具有低交流損失的超導電導體70的橫截面。導體70具有由第一層74徑向圍繞的銅芯72，所述第一層具有多個超導細絲76，所述超導細絲形成布置在銅基體78中的超導細絲束。細絲76優選地由鈮鈦合金(NbTi)構造；然而，本領域的技術人員將理解細絲76可以由其他超導材料構造。細絲76圍繞銅芯72縱向纏繞在第一層74內。優選地，多個超導細絲76的纏繞節距大于或等于100mm。細絲76也在直徑上優選地為幾微米，使得由于高交流場幅度而減小滯后損失。
當導體70暴露于遞增交流頻率時，其中的電傳導開始集中在第一層74中。照這樣，導體70的電傳導透入深度減小。透入深度可以由下式計算t=ρπfμ]]>(公式1)其中ρ是電阻率，μ是滲透率，f是頻率。細絲76和銅基體78之間的電阻與交流損失比例相關。也就是說，細絲76和銅基體78之間的電阻越低，電傳導的透入深度越低。隨著透入深度減小，在電傳導中感應的渦流也減小。照這樣，由感應的渦流導致的交流損失也減小。
外部殼體80圍繞第一層74，并且絕緣涂層82圍繞外部殼體80。如果外部殼體80是導電的，則外部殼體80就能夠產生顯著的交流損失，在高頻下尤其如此。所以外部殼體80優選地由電阻材料構造，例如CuNi或CuMn，以減小感應渦流和交流損失。絕緣涂層82使一個導體70與另一個絕緣或者當纏繞在自身之上時使導體70與自身絕緣。以該方式，每個導體70或其一部分在產生交流損失中單獨起作用。
圖3示出了在絕緣套管86內部的圖2的導體70的束84。在更高的頻率下，隨著每個導體70的直徑減小，由在其中感應的渦流導致的交流損失也減小。束84中的每個導體70與其他導體70相平行，并且束84中導體70的數目可以增加到使束84運載希望的電流。優選地，去除每個導體70的絕緣涂層82的一部分，并且在被去除的絕緣涂層82的部位將電橋88焊接到每個導體70，以使得導體70彼此電連接。許多電橋88沿著束84的長度周期性地焊接到導體70。以該方式將導體70電連接在一起增強了它們之間的電流轉移和共享并且提高了束84的穩定性和淬熄性能。
圖4示出了絕緣單絲超導股線92的束90。股線92以絞合(Litz)式布置纏繞在一起并且通過絕緣護套94捆扎在一起。股線92優選地在絕緣護套94內部完全易位(transpose)。為了減小在每個股線92中產生的交流損失，其直徑可以減小，例如減小到小于0.15mm。股線92并行傳導電流，使得束90運載希望的電流。
許多電橋96沿著束90的長度周期性地焊接到股線92。以該方式，去除每個股線92的絕緣涂層98的一部分，并且在被去除的絕緣涂層98的部位將電橋96焊接到每個股線92，使得股線92彼此電連接。電橋96增強了股線92之間的電流轉移和共享并且提高了束90的穩定性和淬熄性能。
圖5示出了沿著圖4的線5-5的一個單絲超導股線92的橫截面。股線92具有由銅穩定器102圍繞的單一超導細絲100。股線92優選地由NbTi構造；然而，本領域的技術人員將理解股線92可以由其他超導材料構造。為了使一個股線92與另一個絕緣，穩定器102由絕緣涂層圍繞。
由如上所述的導體70和/或束84、90構造的超導線圈減小由感應的渦流所產生的交流損失。在梯度脈沖交流場下的MR超導磁體中和在高速發電機或電動機的超導電樞或場線圈中減小了交流損失。
所以，一種低交流損失電導體被公開并且包括圍繞彼此縱向纏繞的多個單絲超導股線。所述電導體還包括被配置成封閉多個單絲超導股線的絕緣外罩。
一種構造導體的方法也被給出并且包括形成多個單股超導體，其包括用銅層圍繞單股超導細絲芯體并且圍繞銅層放置絕緣涂層。所述方法還包括圍繞彼此纏繞多個單股超導體并且將被纏繞的多個單股超導體放置在絕緣護套內部。
本發明也體現為一種超導電纜，所述超導電纜包括布置在絕緣護套中的多個超導束。每個超導束由圍繞彼此纏繞的多個單絲超導股線組成。
按照優選實施方式描述了本發明，并且可以認識到除了那些被清楚說明的之外，等效物、替換選擇和修改是可能的并且落在后附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種低交流損失電導體，包括圍繞彼此縱向纏繞的多個單絲超導股線(92)；和被配置成封閉多個單絲超導股線(92)的絕緣外罩(94)。
2.根據權利要求1所述的導體，進一步包括圍繞多個單絲超導股線(92)的每一個的銅層(102)。
3.根據權利要求2所述的導體，進一步包括絕緣層，所述絕緣層封閉多個單絲超導股線(92)的每一個的銅層(102)。
4.根據權利要求3所述的導體，進一步包括將多個單絲超導股線(92)互連在一起的多個電分流器(96)，所述多個電分流器(96)沿著多個單絲超導股線(92)的長度彼此間隔開。
5.根據權利要求1所述的導體，其中多個單絲超導股線(92)由鈮鈦合金(NbTi)形成。
6.根據權利要求1所述的導體，其中多個單絲超導股線(92)被纏繞在多個股線束中。
7.根據權利要求1所述的導體，其中多個單絲超導股線(92)在絕緣外罩(94)內完全易位。
8.根據權利要求1所述的導體，其中多個單絲超導股線(92)的每一個的直徑小于0.15mm。
9.根據權利要求1所述的導體，其中多個單絲超導股線(92)被平行地布置。
10.根據權利要求1所述的導體，其被包含在磁共振系統(10)中。
全文摘要
一種低交流損失電導體包括圍繞彼此縱向纏繞的多個單絲超導股線(92)。絕緣外罩(94)圍繞多個單絲超導股線(92)。
文檔編號H01F6/00GK101075488SQ200710103480
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月18日 優先權日2006年5月19日
發明者X·黃, 徐民風 申請人:通用電氣公司