CN101075488A - 用于超导磁体的低交流损失单丝超导体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种低交流损失电导体包括围绕彼此纵向缠绕的多个单丝超导股线(92)。绝缘外罩(94)围绕多个单丝超导股线(92)。

Description

用于超导磁体的低交流损失单丝超导体及其制造方法

技术领域

本发明通常涉及超导磁体系统，尤其涉及在交流(AC)环境中工作的超导磁体。

背景技术

在一个例子中，一种MR系统包括冷物质，所述冷物质包括超导磁体，励磁线圈支撑结构，和氦容器(vessel)。本领域的技术人员将会理解，包含在氦容器中的液氦为超导磁体提供冷却并且将超导磁体保持在低温以供超导操作。液氦近似地和/或基本上将超导磁体保持在4.2开尔文(K)的液氦温度。为了绝热，包含液氦的氦容器在一个例子中包括在真空容器之内的压力容器。

MR超导磁体典型地包括几个线圈，一组初级线圈在成像体积中产生均匀B₀场，而一组补偿线圈限制磁体的边缘场。这些线圈缠有诸如NbTi或Nb3Sn导体这样的超导体。磁体被冷却到液氦温度(4.2K)从而导体在它们的超导状态中工作。例如由来自环境的辐射和传导产生的磁体的热负荷由“开放系统”中液氦的蒸发或由“封闭系统”中的4K低温冷却机消除。由于替换液氦很昂贵并且由于低温冷却机的冷却能力有限，所以磁体典型地放置在低温恒温器中以使其热负荷最小化。如果线圈暴露于交流场，例如由MR系统的梯度线圈生成的交流场，则在超导体中产生交流损失。也就是说，当超导线圈暴露于交流场时，在其中引起导致交流损失的滞后损失和涡流，交流损失能够升高导体温度并且可能导致淬熄。交流损失也增加了制冷系统的总热负荷。热负荷的升高需要附加的低温制冷能力，这增加了操作成本。

所以，希望具有一种装置，所述装置被配置成减小滞后损失和在超导励磁线圈中感应的涡流所导致的交流损失。

发明内容

本发明提供了一种用于减小超导线圈中的交流损失且克服前述缺陷的超导体。

根据本发明的一个方面，一种低交流损失电导体被公开并且包括围绕彼此纵向缠绕的多个单丝超导股线。所述电导体还包括被配置成封闭多个单丝超导股线的绝缘外罩。

根据本发明的另一方面，一种构造导体的方法也被给出并且包括形成多个单股超导体，其包括用铜层围绕单股超导细丝芯体并且围绕铜层放置绝缘涂层。所述方法还包括围绕彼此缠绕多个单股超导体并且将被缠绕的多个单股超导体放置在绝缘护套内部。

根据本发明的又一方面，一种超导电缆包括布置在绝缘护套中的多个超导束。每个超导束由围绕彼此缠绕的多个单丝超导股线组成。

将从以下具体描述和附图显而易见本发明的各种其他特征和优点。

附图说明

附图示出了当前打算用于实现本发明的一个优选实施方式。

在附图中：

图1是能够从本发明的结合受益的MR成像系统的示意框图。

图2是根据本发明的超导体的横截面图。

图3是捆扎在一起的多个图2的超导体的剖开透视图。

图4是根据本发明的多个超导股线的剖开透视图。

图5是沿着线5-5的图4的超导股线的横截面图。

具体实施方式

参考图1，超导磁体系统10在一个例子中包括在交流(AC)环境中工作的超导磁体系统。典型的超导磁体系统包括变压器，发电机，电动机，超导磁体能量存储器(SMES)，和/或磁共振(MR)系统。尽管传统的MR磁体在直流模式中工作，但是当泄漏到磁体的梯度场高时一些MR磁体可以在来自梯度线圈的交流磁场下工作。这样的交流磁场在磁体中产生交流损失。为了解释，给出了磁共振和/或磁共振成像(MRI)装置和/或系统的典型细节的图解说明。

从操作者控制台12控制MR系统的工作，所述操作者控制台包括键盘或其他输入设备13，控制面板14，和显示屏16。控制台12通过链路18与独立计算机系统20通信，所述计算机系统20允许操作者控制图像在显示屏16上的产生和显示。计算机系统20包括通过底板20a彼此通信的许多模块。这些包括图像处理器模块22，CPU模块24和存储器模块26，所述存储器模决在本领域中被称为用于存储图像数据阵列的帧缓冲器。计算机系统20链接到用于存储图像数据和程序的存储器28和磁带驱动器30，并且通过高速串行链路34与独立系统控制32通信。输入设备13可以包括鼠标，操纵杆，键盘，跟踪球，触摸屏，光棒，语音控制，或任何类似或等效的输入设备，并且可以用于交互几何指令(interactive geometry prescription)。

系统控制32包括由底板32a连接在一起的一组模块。这些包括CPU模块36和脉冲发生器模块38，所述脉冲发生器38模块通过串行链路40连接到操作者控制台12。系统控制32正是通过链路40接收来自操作者的命令以指示将被执行的扫描序列。脉冲发生器模决38操作系统部件以执行希望的扫描序列和产生数据(所述数据指示产生的射频脉冲的定时、强度和形状)和数据采集窗的定时和长度。脉冲发生器模块38连接到一组梯度放大器42以指示扫描期间产生的梯度脉冲的定时和形状。脉冲发生器模块38也可以接收来自生理采集控制器44的患者数据，所述生理采集控制器接收来自连接到患者的许多不同传感器的信号，诸如来自连接到患者的电极的ECG信号。最后，脉冲发生器模块38连接到扫描室接口电路46，所述扫描室接口电路接收来自与患者和磁体系统的条件关联的各种传感器的信号。患者定位系统48也正是通过扫描室接口电路46接收命令以将患者移动到理想位置以供扫描。

脉冲发生器模块38产生的梯度波形被应用于具有Gx，Gy和Gz放大器的梯度放大器系统42。每个梯度放大器激励总体上标识为50的梯度线圈组件中的相应物理梯度线圈以产生用于空间编码被采集信号的磁场梯度。梯度线圈组件50形成包括极化磁体54和整体射频线圈56的磁体组件52的一部分。系统控制32中的收发器模块58产生脉冲，所述脉冲由射频放大器60放大并且通过发射/接收开关62耦合到射频线圈56。患者中的受激核发出的作为结果的信号可以被相同的射频线圈56感测并且通过发射/接收开关62耦合到前置放大器64。放大MR信号在收发器58的接收器部分中被解调、滤波和数字化。发射/接收开关62由来自脉冲发生器模块38的信号控制以在发射模式期间将射频放大器60电连接到线圈56和在接收模式期间将前置放大器64连接到线圈56。发射/接收开关62也可以允许独立射频线圈(例如表面线圈)用在发射或接收模式中。

射频线圈56拾取的MR信号由收发器模块58数字化并且被转送到系统控制32中的存储器模块66。当原始k空间数据的阵列已经被采集到存储器模块66中之时，扫描就完成了。该原始k空间数据为待重建的每个图像而被重排成独立的k空间数据阵列，并且这些k空间数据阵列中的每一个都被输入到阵列处理器68，所述阵列处理器操作来将数据傅立叶变换成图像数据的阵列。该图像数据通过串行链路34被输送到计算机系统20，在那里它被存储到存储器中，例如盘存储器28。响应从操作者控制台12接收的命令，该图像数据可以存档在长期存储器中，例如磁带驱动器30上，或者它可以由图像处理器22进一步处理并且被输送到操作者控制台12和呈现在显示器16上。

图2示出了在交流场中具有低交流损失的超导电导体70的横截面。导体70具有由第一层74径向围绕的铜芯72，所述第一层具有多个超导细丝76，所述超导细丝形成布置在铜基体78中的超导细丝束。细丝76优选地由铌钛合金(NbTi)构造；然而，本领域的技术人员将理解细丝76可以由其他超导材料构造。细丝76围绕铜芯72纵向缠绕在第一层74内。优选地，多个超导细丝76的缠绕节距大于或等于100mm。细丝76也在直径上优选地为几微米，使得由于高交流场幅度而减小滞后损失。

当导体70暴露于递增交流频率时，其中的电传导开始集中在第一层74中。照这样，导体70的电传导透入深度减小。透入深度可以由下式计算：

$t=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}$ (公式1)

其中ρ是电阻率，μ是渗透率，f是频率。细丝76和铜基体78之间的电阻与交流损失比例相关。也就是说，细丝76和铜基体78之间的电阻越低，电传导的透入深度越低。随着透入深度减小，在电传导中感应的涡流也减小。照这样，由感应的涡流导致的交流损失也减小。

外部壳体80围绕第一层74，并且绝缘涂层82围绕外部壳体80。如果外部壳体80是导电的，则外部壳体80就能够产生显著的交流损失，在高频下尤其如此。所以外部壳体80优选地由电阻材料构造，例如CuNi或CuMn，以减小感应涡流和交流损失。绝缘涂层82使一个导体70与另一个绝缘或者当缠绕在自身之上时使导体70与自身绝缘。以该方式，每个导体70或其一部分在产生交流损失中单独起作用。

图3示出了在绝缘套管86内部的图2的导体70的束84。在更高的频率下，随着每个导体70的直径减小，由在其中感应的涡流导致的交流损失也减小。束84中的每个导体70与其他导体70相平行，并且束84中导体70的数目可以增加到使束84运载希望的电流。优选地，去除每个导体70的绝缘涂层82的一部分，并且在被去除的绝缘涂层82的部位将电桥88焊接到每个导体70，以使得导体70彼此电连接。许多电桥88沿着束84的长度周期性地焊接到导体70。以该方式将导体70电连接在一起增强了它们之间的电流转移和共享并且提高了束84的稳定性和淬熄性能。

图4示出了绝缘单丝超导股线92的束90。股线92以绞合(Litz)式布置缠绕在一起并且通过绝缘护套94捆扎在一起。股线92优选地在绝缘护套94内部完全易位(transpose)。为了减小在每个股线92中产生的交流损失，其直径可以减小，例如减小到小于0.15mm。股线92并行传导电流，使得束90运载希望的电流。

许多电桥96沿着束90的长度周期性地焊接到股线92。以该方式，去除每个股线92的绝缘涂层98的一部分，并且在被去除的绝缘涂层98的部位将电桥96焊接到每个股线92，使得股线92彼此电连接。电桥96增强了股线92之间的电流转移和共享并且提高了束90的稳定性和淬熄性能。

图5示出了沿着图4的线5-5的一个单丝超导股线92的横截面。股线92具有由铜稳定器102围绕的单一超导细丝100。股线92优选地由NbTi构造；然而，本领域的技术人员将理解股线92可以由其他超导材料构造。为了使一个股线92与另一个绝缘，稳定器102由绝缘涂层围绕。

由如上所述的导体70和/或束84、90构造的超导线圈减小由感应的涡流所产生的交流损失。在梯度脉冲交流场下的MR超导磁体中和在高速发电机或电动机的超导电枢或场线圈中减小了交流损失。

所以，一种低交流损失电导体被公开并且包括围绕彼此纵向缠绕的多个单丝超导股线。所述电导体还包括被配置成封闭多个单丝超导股线的绝缘外罩。

一种构造导体的方法也被给出并且包括形成多个单股超导体，其包括用铜层围绕单股超导细丝芯体并且围绕铜层放置绝缘涂层。所述方法还包括围绕彼此缠绕多个单股超导体并且将被缠绕的多个单股超导体放置在绝缘护套内部。

本发明也体现为一种超导电缆，所述超导电缆包括布置在绝缘护套中的多个超导束。每个超导束由围绕彼此缠绕的多个单丝超导股线组成。

按照优选实施方式描述了本发明，并且可以认识到除了那些被清楚说明的之外，等效物、替换选择和修改是可能的并且落在后附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种低交流损失电导体，包括：

围绕彼此纵向缠绕的多个单丝超导股线(92)；和

被配置成封闭多个单丝超导股线(92)的绝缘外罩(94)。

2.根据权利要求1所述的导体，进一步包括围绕多个单丝超导股线(92)的每一个的铜层(102)。

3.根据权利要求2所述的导体，进一步包括绝缘层，所述绝缘层封闭多个单丝超导股线(92)的每一个的铜层(102)。

4.根据权利要求3所述的导体，进一步包括将多个单丝超导股线(92)互连在一起的多个电分流器(96)，所述多个电分流器(96)沿着多个单丝超导股线(92)的长度彼此间隔开。

5.根据权利要求1所述的导体，其中多个单丝超导股线(92)由铌钛合金(NbTi)形成。

6.根据权利要求1所述的导体，其中多个单丝超导股线(92)被缠绕在多个股线束中。

7.根据权利要求1所述的导体，其中多个单丝超导股线(92)在绝缘外罩(94)内完全易位。

8.根据权利要求1所述的导体，其中多个单丝超导股线(92)的每一个的直径小于0.15mm。

9.根据权利要求1所述的导体，其中多个单丝超导股线(92)被平行地布置。

10.根据权利要求1所述的导体，其被包含在磁共振系统(10)中。

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