專利名稱：開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種核磁共振成像磁體系統，特別涉及具有開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統。
背景技術：
與圓柱形封閉式的核磁共振磁體系統相比較，開放式核磁共振磁體系統具有適合于醫療診斷和介入治療的優點，減小病人產生幽閉癥的風險。磁共振成像磁體系統要求產生較高的均勻磁場，即在40cm球形范圍內磁場的不均勻度小于lppm(10_6)。由于永磁材料特征磁場的限制，磁場通常運行在0. 35T，磁場在0. 5T以上，其磁體系統造價和重量已經接近極限程度，因此需要發明新的技術和方法來克服這種問題。隨著新型超導材料和低溫技術的發展，使用傳導冷卻技術取代現有的液氦浸泡冷卻技術，使用超導磁體技術取代永磁磁體技術，同時使用鐵軛來校正、屏蔽磁場和提供磁場回路，可以形成新型結構的磁體，即具有鐵軛屏蔽的開放式超導C形結構的磁體系統。新型結構的磁體的重量較小、結構較為緊湊。系統內對稱分布的超導線圈與上下鐵軛之間產生幾十噸的相互作用力，磁體使用外支撐結構保證系統的穩定性。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術采用液氦制冷、操作復雜，成本高等缺點，提出一種具有鐵軛屏蔽的開放式C形結構的傳導冷卻超導磁體系統。本發明超導磁體系統可提供 0. 7T以上的磁場，結構緊湊，不需要液氦制冷，重量輕，特別適用于醫學診斷和介入治療。本發明核磁共振超導磁體系統包括制冷機，低溫真空容器，防熱輻射屏，高壓氦氣容器，氦氣冷卻熱交換器，上超導線圈，上線圈骨架，磁體傳熱交換器，線圈之間內支撐桿， 吊裝拉桿，下超導線圈，下線圈骨架，上線圈應力支撐結構，下線圈應力支撐結構，上磁極， 下磁極，C形結構支撐梁。本發明核磁共振超導磁體系統的制冷機安裝在低溫真空容器上端，制冷機的一級冷頭連接防熱輻射屏，制冷機的二級冷頭連接高壓氦氣容器，制冷機的二級冷頭下端面上還裝有氦氣冷卻熱交換器，低溫真空容器和高壓氦氣容器均為各自封閉的一個腔體，高壓氦氣容器安裝在低溫真空容器內部，在高壓氦氣容器內上下對稱布置有上超導線圈和下超導線圈。上超導線圈和下超導線圈之間裝有線圈之間內支撐桿，所述的線圈之間內支撐桿支撐上超導線圈和下超導線圈，承受上超導線圈和下超導線圈在軸向方向上相互之間的電磁排斥力。上線圈骨架和下線圈骨架采用鋁合金材料制作。上線圈骨架的表面和下線圈骨架的表面上均焊接有磁體傳熱交換器，磁體傳熱交換器采用銅管結構，銅管內流通有一定壓強傳熱氣體。銅管一圈一圈地焊接在上線圈骨架和下線圈骨架上。上超導線圈和下超導線圈由高壓氦氣容器作為外支撐和應力支撐骨架。上線圈應力支撐結構和下線圈應力支撐結構均環向布置在高壓氦氣容器的外壁上。上線圈應力支撐結構用于支撐上超導線圈徑向方向的電磁力。下線圈應力支撐結構用于支撐下超導線圈徑向方向的電磁力。高壓氦氣容
3器、上超導線圈和下超導線圈通過吊裝拉桿的支撐，安裝在低溫真空容器內部。下超導線圈繞制在下線圈骨架上，下線圈應力支撐結構用于支撐下超導線圈徑向方向的電磁力。上磁極和下磁極由高磁導率的鐵磁材料制成，分別布置在低溫真空容器的上下兩端，提供所述的核磁共振超導磁體系統的均勻磁場，上磁極和下磁極的一側由鐵磁材料制成的C型結構的支撐梁連接，所述的支撐梁支撐整個核磁共振超導磁體系統的重量。上磁極、下磁極、C 型結構支承梁與低溫真空容器一起形成本發明傳導冷卻核磁共振超導磁體系統的開放式C 形結構。本發明超導磁體系統的磁體傳熱交換器的銅管內充有氦氣進行換熱，管內氦氣的壓強大約為0. IMpa，磁體傳熱交換器內裝有采用螺旋結構的銅管，銅管一圈一圈地焊接在上線圈骨架和下線圈骨架上，用于增大磁體傳熱交換器和上超導線圈、下超導線圈之間的熱交換效率。本發明上超導線圈和下超導線圈均通過磁體傳熱交換器內的氦氣進行傳熱，高壓氦氣容器分為上下兩部分，上下兩部分由空心的線圈之間內支撐桿連通。磁體傳熱交換器分為上下兩部分，上下兩部分由磁體熱交換器連接管連接，磁體熱交換器連接管從所述的線圈之間內支撐桿的內孔中穿過，將高壓氦氣容器上部的冷量傳導到下超導線圈，提供下超導線圈正常運行的低溫環境。本發明上超導線圈和下超導線圈使用NbTi或1%化超導線材繞制形成，與鐵磁材料構成的上磁極和下磁極共同形成C形結構的磁場回路，使本發明超導磁體系統結構變得簡單。本發明超導磁體采用環流0. IMpa氦氣循環和高壓氦氣容器冷卻上、下超導線圈。 使用一臺GM制冷機提供系統的冷源，結構緊湊，無需液氦。本發明的上、下線圈骨架采用高強度的6061-T6鋁合金結構，提供系統的結構支撐，失超時加熱線圈，可提高失超傳播速度。同時熱交換器可以很好對骨架傳熱，從而提高超導線圈的冷卻效率。
圖1為開放式超導磁體的主體結構示意圖，圖中1制冷機，2低溫真空容器，3防熱輻射屏，4高壓氦氣容器，5氦氣冷卻熱交換器，6上超導線圈，7上線圈骨架，8磁體傳熱交換器，9線圈之間內支撐桿，10吊裝拉桿，11下超導線圈，12下線圈骨架，13上線圈應力支撐結構，14上磁極，15下磁極，16C形結構支撐梁；17下線圈應力支撐結構；圖2為超導線圈和低溫容器導熱結構圖，圖中18線圈與骨架之間的絕緣隔離層， 19磁體熱交換器連接管；圖3開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統實施例的外形圖。
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施方式
進一步說明本發明。圖1所示為本發明開放式核磁共振超導磁體系統。如圖1所示，本發明開放式核磁共振超導磁體系統包括制冷機1，低溫真空容器2，防熱輻射屏3，高壓氦氣容器4，氦氣冷卻熱交換器5，上超導線圈6，上線圈骨架7，磁體傳熱交換器8，線圈之間內支撐桿9，吊裝拉桿10，下超導線圈11，下線圈骨架12，上線圈應力支撐結構13，上磁極14，下磁極15，C形結構支撐梁16，下線圈應力支撐結構17。所述的制冷機1安裝在低溫真空容器2的上端，制冷機1的一級冷頭連接防熱輻射屏3，制冷機1的二級冷頭連接高壓氦氣容器4，制冷機1的二級冷頭下端面上裝有氦氣冷卻熱交換器5，低溫真空容器2和高壓氦氣容器4均為各自封閉的一個腔體，高壓氦氣容器4安裝在低溫真空容器2內部，在高壓氦氣容器4內上下對稱布置有上超導線圈6和下超導線圈11。上超導線圈6和下超導線圈11之間裝有連接上、下超導線圈11的線圈之間內支撐桿9，所述的線圈之間內支撐桿9支撐上超導線圈6和下超導線圈11，承受上超導線圈6和下超導線圈11在軸向方向上相互之間的電磁排斥力。上線圈骨架7和下線圈骨架 12采用6061-T6鋁合金材料制作，上線圈骨架7的表面和下線圈骨架12的表面上焊接有磁體傳熱交換器8。磁體傳熱交換器8采用銅管結構，銅管內流通有一定壓強傳熱氣體氦氣。 銅管一圈一圈地焊接在上線圈骨架7和下線圈骨架12上。上超導線圈6和下超導線圈11 由高壓氦氣容器4作為外支撐和應力支撐骨架。高壓氦氣容器4、上超導線圈6和下超導線圈11通過吊裝拉桿10支撐在低溫真空容器2內部。上線圈應力支撐結構13用于支撐上超導線圈6徑向方向的電磁力。下超導線圈11繞制在下線圈骨架12上，下線圈應力支撐結構17用于支撐下超導線圈11，承受下超導線圈11徑向方向的電磁力。上磁極14和下磁極15由高磁導率的鐵磁材料制成，分別布置在低溫真空容器2的上下兩端，提供系統的均勻磁場。上磁極14和下磁極15的一側由鐵磁材料制成的C型結構的支撐梁16連接，C型結構的支撐梁16支撐整個系統的重量，上磁極、下磁極、C型結構的支承梁與低溫真空容器 2一起形成本發明傳導冷卻核磁共振超導磁體系統的開放式C形結構。如圖2所示，本發明超導磁體的上超導線圈6和上線圈骨架7，下超導線圈11和下線圈骨架12之間有線圈與骨架之間的絕緣隔離層18，線圈與骨架之間的絕緣隔離層18 是具有光滑結構的中間層，可保證所述線圈在受電磁力作用，產生結構形變時不會與支撐結構之間產生相互作用力。上線圈應力支撐結構13支承上超導線圈6，上線圈應力支撐結構13和下線圈應力支撐結構17支撐下超導線圈11，提高線圈骨架的支撐強度，減小線圈變形。上超導線圈6和下超導線圈17通過磁體傳熱交換器8來傳遞冷量冷卻。由于磁體傳熱交換器8的銅管內有0. IMpa左右壓強的氦氣，因此能夠有效將高壓氦氣容器4內的冷量傳到上超導線圈6上。高壓氦氣容器4的上下部分由空心的線圈之間內支撐桿9連通，磁體傳熱交換器8分為上下兩部分，上下兩部分之間由磁體熱交換器連接管19連接，磁體熱交換器連接管19從線圈之間內支撐桿9的內孔中穿過，將高壓氦氣容器4上部的冷量傳導到下超導線圈11，提供下超導線圈11正常運行的低溫環境。如圖3所示，本發明開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統實施例使用一臺GM制冷機1提供系統的冷源，結構緊湊，無需液氦。重量輕，特別適用于醫學診斷和介入治療。
權利要求
1.一種開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統，包括超導磁體、制冷機(1)，低溫真空容器O)，防熱輻射屏(3)，所述的制冷機⑴安裝在低溫真空容器(2)的上端，制冷機⑴ 的一級冷頭連接防熱輻射屏(3)，其特征在于，所述的超導磁體系統還包括高壓氦氣容器 (4)、氦氣冷卻熱交換器(5)、上超導線圈(6)、上線圈骨架(7)、磁體傳熱交換器(8)、線圈之間內支撐桿(9)、吊裝拉桿(10)、下超導線圈(11)、下線圈骨架(12)、上線圈應力支撐結構 (13)、上磁極(14)、下磁極(15)、C形結構支撐梁(16)和下線圈應力支撐結構(17)；制冷機(I)的二級冷頭連接高壓氦氣容器G)，制冷機(1)的二級冷頭下端面上還裝有氦氣冷卻熱交換器(5)；上超導線圈(6)和下超導線圈(11)之間安裝有線圈之間內支撐桿(9)；上線圈骨架(7)和下線圈骨架(1 的表面上焊接有磁體傳熱交換器(8)，上超導線圈(6)和下超導線圈(11)由高壓氦氣容器(4)作為外支撐和應力支撐骨架；高壓氦氣容器、上超導線圈(6)和下超導線圈(11)通過吊裝拉桿(10)支撐，安裝在低溫真空容器(2)內部，高壓氦氣容器內上下對稱布置有上超導線圈(6)和下超導線圈(11)；上超導線圈(6)繞制在上線圈骨架(7)上，上線圈應力支撐結構(13)用于支撐上超導線圈(6)；下超導線圈(II)繞制在下線圈骨架(12)上，下線圈應力支撐結構(17)用于支撐下超導線圈(11)；上線圈應力支撐結構(13)和下線圈應力支撐結構(17)均環向布置在高壓氦氣容器(4)的外壁上；上磁極(14)和下磁極(1 分別布置在低溫真空容器O)的上下兩端，上磁極(14) 和下磁極(1 的一側由鐵磁材料制成的C型結構支撐梁(16)連接，上磁極、下磁極、C型結構支撐梁(16)與低溫真空容器(2)共同形成所述的超導磁體系統的開放式C形結構。
2.按照權利要求1所述的開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統，其特征在于，所述的磁體傳熱交換器(8)裝有采用螺旋結構的銅管，銅管一圈一圈地焊接在上線圈的骨架 (7)和下線圈的骨架(1 上；磁體傳熱交換器(8)的銅管內充有氦氣進行換熱。
3.按照權利要求1所述的開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統，其特征在于，所述的上超導線圈(6)和下超導線圈(11)采用NbTi或Mg^超導線材繞制形成；所述的上線圈骨架(7)和下線圈骨架(1 采用鋁合金材料制作；所述的上磁極(14)和下磁極(1 由鐵磁材料制成。
4.按照權利要求1所述的開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統，其特征在于，所述磁體傳熱交換器(8)的上下部分由磁體熱交換器連接管0 從線圈之間內支撐桿(9)的內孔中穿過，將高壓氦氣容器(4)上部的冷量傳導到下超導線圈(11)，提供下超導線圈 (11)正常運行的低溫環境。
全文摘要
一種開放式傳導冷卻核磁共振超導磁體系統，其上、下超導線圈(6、11)之間裝有線圈之間內支撐桿(9)。上、下線圈骨架(7、12)上焊有磁體傳熱交換器(8)。上、下超導線圈(6、11)以高壓氦氣容器(4)作為外支撐和應力支撐骨架。高壓氦氣容器(4)和上、下超導線圈(6、11)安裝在低溫真空容器(2)內，上、下超導線圈(6、11)上下對稱布置在高壓氦氣容器(4)內。上線圈應力支撐結構(13)支撐上超導線圈(6)，下線圈應力支撐結構(17)支撐下超導線圈(11)。上、下線圈應力支撐結構環向布置在低溫容器的外壁上。C形結構支撐梁支撐整體重量。
文檔編號H01F6/00GK102360689SQ20111014758
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者嚴陸光, 戴銀明, 汪建華, 王厚生, 王暉, 王秋良, 胡新寧 申請人:中國科學院電工研究所