專利名稱：一種用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超導(dǎo)電工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體主要應(yīng)用于磁共振成像系統(tǒng)中，是醫(yī)療領(lǐng)域里的重要診療設(shè)備。磁共振成像系統(tǒng)中一般使用NbTi等低溫超導(dǎo)體制作低溫超導(dǎo)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(dǎo)磁體的應(yīng)用價值逐漸顯現(xiàn)出來。高溫超導(dǎo)磁體一般使用MgB2 (二硼化鎂)超導(dǎo)線、Bi(鉍)系超導(dǎo)線或第二代Y (釔) 系超導(dǎo)線制造。這些超導(dǎo)線材通常工作在10K-100K溫度之間，被稱為高溫超導(dǎo)體。因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)體電磁性能不很好，通常只用來制作中、低場磁體。因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)磁體保溫系統(tǒng)簡單、不使用液氦等昂貴的冷媒，系統(tǒng)制造、運(yùn)行成本非常經(jīng)濟(jì)。低場磁體一般采用鐵芯來制作磁路以提高系統(tǒng)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(cè)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(tǒng)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(tǒng)中比較有特色的一種形式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，包括鐵軛、導(dǎo)磁柱、勻場極板、制冷機(jī)、低溫容器、高溫超導(dǎo)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(gòu)成C形。鐵軛為磁體系統(tǒng)的主導(dǎo)磁回路，低溫容器包圍在鐵軛的立柱上，主要用于傳導(dǎo)由超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的磁通。鐵軛截面積大小的選擇要保證內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度不超過2T。超導(dǎo)繞組附近的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要保證繞組內(nèi)的磁場不超過超導(dǎo)體正常工作指標(biāo)的要求。為了加強(qiáng)受力結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shè)置在鐵軛的兩個懸臂內(nèi)側(cè)，導(dǎo)磁柱的直徑小于勻場極板的直徑，導(dǎo)磁柱主要是引導(dǎo)鐵軛內(nèi)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(chǎn)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(dǎo)磁柱上，勻場極板之間的空間為被檢測空間，監(jiān)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(dǎo)磁柱上，另一面需要加工成凹面。凹面尺寸要有利于產(chǎn)生均勻磁場。凹面內(nèi)可以放置更精細(xì)的勻場片，進(jìn)行高精度勻場。凹面內(nèi)還可以安置其它與磁共振成像相關(guān)的電子設(shè)備、器材和材料。所述制冷機(jī)安裝到低溫容器上，冷頭以高溫超導(dǎo)繞組相連，為高溫超導(dǎo)繞組提供低溫環(huán)境，低溫容器上還配置有其他電氣接口和預(yù)冷液體接口 ；制冷機(jī)是降溫的主要設(shè)備， 制冷機(jī)二級冷頭與高溫超導(dǎo)繞組相連，用于將超導(dǎo)線圈繞組的溫度降低到10K-100K的工作溫度。達(dá)到工作溫度之后，制冷機(jī)用于維持系統(tǒng)工作溫度。對于使用制冷機(jī)的傳導(dǎo)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(dǎo)管對高溫超導(dǎo)繞組進(jìn)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(nèi)部安置高溫超導(dǎo)繞組，低溫容器內(nèi)部采用制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻形式工作，在初始降溫過程中使用低溫液體進(jìn)行輔助降溫，保持超導(dǎo)繞組處于低溫工作環(huán)境。外殼通常采用不銹鋼材料，內(nèi)部要維持較高的真空狀態(tài)，減小氣體傳熱。低溫容器內(nèi)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(dǎo)繞組略高，用于遮擋外殼向內(nèi)部輻射的熱量。冷屏內(nèi)、外表面以及外殼的內(nèi)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(jī)、電源、電子檢測與控制信號線接口以及低溫液體進(jìn)出的管路接口。所述高溫超導(dǎo)繞組為產(chǎn)生磁場的關(guān)鍵部件，一個低溫容器內(nèi)采用至少一套高溫超導(dǎo)繞組，高溫超導(dǎo)繞組采用Mg4、Bi系超導(dǎo)向或第二代Y系等工作溫度高于4. 2K的高溫超導(dǎo)線帶材繞制，設(shè)置在低溫容器內(nèi)部，超導(dǎo)繞組與低溫容器之間通過支撐架連接，高溫超導(dǎo)繞組內(nèi)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(dǎo)繞組。為保持超導(dǎo)繞組與外部有良好的絕熱，同時承受超導(dǎo)繞組的重力和工作過程中的磁場力，支撐架必須強(qiáng)有力且導(dǎo)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(dǎo)熱差的材料如環(huán)氧樹脂等，懸吊高溫超導(dǎo)繞組的吊桿型支撐架可采用導(dǎo)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(dǎo)進(jìn)入超導(dǎo)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(cè)采用金屬導(dǎo)線，金屬導(dǎo)線一端與制冷機(jī)冷頭相連，二元電流引線與低溫接觸一側(cè)采用超導(dǎo)體，二元電流引線的超導(dǎo)體一端與制冷機(jī)冷頭溫度較高點(diǎn)相連，另一端與制冷機(jī)冷頭溫度較低端相連。所述超導(dǎo)電源通過二元電流引線對高溫超導(dǎo)繞組供電。所述失超監(jiān)測電路隨時監(jiān)測超導(dǎo)繞組的工作狀態(tài)。一旦出現(xiàn)溫度條件變差、停電等可能導(dǎo)致超導(dǎo)繞組無法正常工作的問題，超導(dǎo)保護(hù)系統(tǒng)將主動釋放超導(dǎo)繞組內(nèi)的電磁能量，避免永久性損壞。有益效果本發(fā)明精簡的高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)具備與傳統(tǒng)永磁磁體系統(tǒng)相似的成本優(yōu)勢。與傳統(tǒng)雙繞組超導(dǎo)磁體相比，采用單個高溫超導(dǎo)繞組省掉一套制冷機(jī)系統(tǒng)、低溫容器和電子系統(tǒng)，使磁體系統(tǒng)總體的經(jīng)濟(jì)性大幅提高。導(dǎo)磁柱與勻場極板結(jié)構(gòu)對產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場有很大幫助。


圖1是本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁體完整結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁體鐵軛與低溫系統(tǒng)實(shí)施例示意圖； 圖3是本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁體低溫系統(tǒng)內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)實(shí)施例之一示意圖；圖4是本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁體低溫系統(tǒng)內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)實(shí)施例之二示意圖； 圖中1鐵軛、2導(dǎo)磁柱、3勻場極板、4被檢測空間、5制冷機(jī)、6低溫容器、7高溫超導(dǎo)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(dǎo)電源、14失超監(jiān)測與保護(hù)電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)說明。一種用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，其特征在于包括鐵軛1、導(dǎo)磁柱2、勻場極板3、制冷機(jī)5、低溫容器6、高溫超導(dǎo)繞組7、支撐架和二元電流引線9，如圖1所示。鐵磁性能優(yōu)良的圓柱形導(dǎo)磁柱2設(shè)置在用鐵磁材料制造的C形鐵軛1的兩個懸臂內(nèi)側(cè)，導(dǎo)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(dǎo)磁柱2上，勻場極板3 —面嵌套在導(dǎo)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(nèi)部安置高溫超導(dǎo)繞組7，低溫容器6上安裝有制冷機(jī)5、電源、電子檢測與控制信號線接口以及低溫液體進(jìn)出的管路接口。制冷機(jī)5安裝到低溫容器6上，制冷機(jī)5 二級冷頭與高溫超導(dǎo)繞組7相連，采用 RD415型GM制冷機(jī)，為高溫超導(dǎo)繞組7提供一個足夠低的溫度環(huán)境。高溫超導(dǎo)繞組7設(shè)置在低溫容器6內(nèi)部，超導(dǎo)繞組7與低溫容器6之間通過支撐架8連接，高溫超導(dǎo)繞組7內(nèi)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(cè)采用金屬導(dǎo)線，金屬導(dǎo)線一端與制冷機(jī)冷頭相連，二元電流引線與低溫接觸一側(cè)采用超導(dǎo)體，二元電流引線9的超導(dǎo)體一端與制冷機(jī)冷頭溫度較高點(diǎn)相連，另一端與制冷機(jī)冷頭溫度較低端相連。支撐架用來固定高溫超導(dǎo)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(dǎo)電源13和失超監(jiān)測與保護(hù)電路14等電氣設(shè)備。超導(dǎo)電源13可以采用市售特制的高穩(wěn)定超導(dǎo)電源成品。失超監(jiān)測與保護(hù)電路14等電氣設(shè)備可以采用成品設(shè)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(yù)冷液體接口。本實(shí)施例是磁場強(qiáng)度0. 3T的高溫超導(dǎo)磁體，如圖2所示。對于高溫超導(dǎo)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(nèi)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)磁柱2可以做成可拆卸結(jié)構(gòu)，安裝在鐵軛1的上懸臂內(nèi)側(cè)，如圖2上半部分所示。如圖2下半部分所示，導(dǎo)磁柱2也可以與鐵軛1做成一體化結(jié)構(gòu)連接到鐵軛1的懸臂內(nèi)側(cè)。鐵軛總長度約2. 7米， 寬度約1.5米，高度約1.2米。因?yàn)槌瑢?dǎo)繞組加上工作電流以后，在兩個勻場極板3之間會產(chǎn)生特別大的吸引力。為了加強(qiáng)受力結(jié)構(gòu)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(dǎo)繞組與外部有良好的絕熱，同時承受超導(dǎo)繞組的重力和工作過程中的磁場力，支撐結(jié)構(gòu)必須強(qiáng)有力且導(dǎo)熱量盡可能小。本發(fā)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(dǎo)熱差的材料如環(huán)氧樹脂等，如圖3所示，懸吊高溫超導(dǎo)繞組的吊桿型支撐架采用導(dǎo)熱較差的材料如不銹鋼等，如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，其特征在于包括鐵軛、導(dǎo)磁柱、勻場極板、制冷機(jī)、低溫容器、高溫超導(dǎo)繞組、支撐架和二元電流引線；所述導(dǎo)磁柱設(shè)置在鐵軛的兩個懸臂內(nèi)側(cè)，導(dǎo)磁柱的直徑小于勻場極板的直徑，勻場極板安裝在導(dǎo)磁柱上，勻場極板一面嵌套在導(dǎo)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(nèi)部安置高溫超導(dǎo)繞組，低溫容器上安裝有制冷機(jī)、電源、電子檢測與控制信號線接口以及低溫液體進(jìn)出的管路接口；所述制冷機(jī)安裝到低溫容器上，制冷機(jī)冷頭與高溫超導(dǎo)繞組相連；所述高溫超導(dǎo)繞組設(shè)置在低溫容器內(nèi)部，超導(dǎo)繞組與低溫容器之間通過支撐架連接， 高溫超導(dǎo)繞組內(nèi)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(cè)采用金屬導(dǎo)線，金屬導(dǎo)線一端與制冷機(jī)冷頭相連， 二元電流引線與低溫接觸一側(cè)采用超導(dǎo)體，二元電流引線的超導(dǎo)體一端與制冷機(jī)冷頭溫度較高點(diǎn)相連，另一端與制冷機(jī)冷頭溫度較低端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，其特征在于所述超導(dǎo)電源通過二元電流弓I線對高溫超導(dǎo)繞組供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，其特征在于在一個低溫容器內(nèi)采用至少一套高溫超導(dǎo)繞組，高溫超導(dǎo)繞組采用MgB2、Bi系超導(dǎo)線或第二代Y 系超導(dǎo)線帶材繞制，超導(dǎo)線的工作溫度高于4.觀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，其特征在于所述導(dǎo)磁柱采用與鐵軛制成一體或可拆卸方式設(shè)置在鐵軛的兩個懸臂內(nèi)側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，其特征在于所述低溫容器內(nèi)部可以安置一套金屬殼冷屏，冷屏內(nèi)、外表面以及外殼的內(nèi)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(tǒng)的高溫超導(dǎo)磁體，包括鐵軛、導(dǎo)磁柱、勻場極板、制冷機(jī)、低溫容器、高溫超導(dǎo)繞組、支撐架和二元電流引線。導(dǎo)磁柱設(shè)置在鐵軛的兩個懸臂內(nèi)側(cè)，勻場極板安裝在導(dǎo)磁柱上，一面嵌套在導(dǎo)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(nèi)部安置高溫超導(dǎo)繞組，制冷機(jī)安裝到低溫容器上，制冷機(jī)二級冷頭與高溫超導(dǎo)繞組相連，高溫超導(dǎo)繞組設(shè)置在低溫容器內(nèi)部，超導(dǎo)繞組與低溫容器之間通過支撐架連接，兩條與制冷機(jī)冷頭連接在一起的二元電路引線，二元電流引線將超導(dǎo)電源的電流引入高溫超導(dǎo)繞組。本發(fā)明充分發(fā)揮高溫超導(dǎo)磁體經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)勢，經(jīng)過創(chuàng)新設(shè)計(jì)的高溫超導(dǎo)磁體具備與永磁磁體相同的效益優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者吳春俐, 白質(zhì)明 申請人:白質(zhì)明