CN101178967A - 用于超导磁体的高温超导电流引线 - Google Patents

用于超导磁体的高温超导电流引线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于斜升超导磁体的电流引线组件，该组件包括真空容器壁，其具有暴露于大气压的第一侧和暴露于真空压力的第二侧。池壁从该真空容器壁的第一侧延伸出来，并且形成坝区域。第一导体被固定到该真空容器壁并且密封地穿透该真空容器壁，该第一导体具有延伸到该坝区域中的第一部分。第二导体被固定到该真空容器壁并且密封地穿透该真空容器壁，该第二导体具有延伸到该坝区域中的第一部分。在该真空容器壁的第二侧上的超导磁体具有第一低温超导(LTS)引线和第二LTS引线。第一超导体把第一导体电连接到第一LTS引线，第二超导体把第二导体电连接到第二LTS引线。

Description

用于超导磁体的高温超导电流引线
技术领域
本发明总体涉及超导磁体系统，更具体来说，本发明涉及最小化在磁体斜升(magnet ramping)期间对超导磁体系统的热负荷。本发明还涉及减小在磁体的持续操作期间在所述磁体上的热负荷。
背景技术
当诸如人体组织的物质受到均匀磁场(极化场B0)时，所述组织中自旋的各单独磁矩试图与该极化场对准，但是在其特征Larmor频率下按照随机顺序围绕该极化场旋进。如果所述物质或组织受到处在x-y平面中并且接近Larmor频率的磁场(激发场B1)，则净对准矩(或“纵向磁化”)Mz可能被旋转或“倾斜(tip)”到该x-y平面中，以便产生净横向磁矩Mt。在所述激发信号B1被终止之后，由所激发的自旋发射一个信号，该信号可以被接收并且被处理以便形成一个图像。
当利用所述信号产生图像时，采用磁场梯度(Gx、Gy和Gz)。一般来说，通过一个测量循环序列来扫描待成像的区域，在所述测量循环序列中，所述梯度根据所使用的具体定位方法而改变。所得到的一组接收NMR信号被数字化并且被处理，以便利用许多公知的重建技术的其中之一来重建所述图像。
MR系统典型地使用超导磁体，其常常利用多个线圈来生成均匀磁场。这些超导磁体是由液态氦冷却的冷物质(cold mass)的一部分。所述磁体通常由铌-钛材料制成，其被利用液态氦冷却到4.2K的温度。操作在MRI系统中的示例性超导磁体系统需要偶尔斜升所述超导磁体以对该磁体进行充电，从而用于该MRI系统。在所述超导磁体被斜升之后，用于磁体斜升的供电被断开，并且在必须进行进一步的磁体斜升之前都不再需要供电，这例如是为了对所述超导磁体进行去磁化，或者用于在例如预定的服务、磁体失超(quench)等等之后对所述超导磁体进行重新磁化。
常常使用可缩回的电流引线，所述电流引线只有在磁体斜升期间才被连接到所述超导磁体。在所述超导磁体被斜升之后，在正常操作期间，所述电流引线被缩回，以便去除从所述电流引线到所述超导磁体的传导热负荷。这种可缩回的电流引线通常被保持在室温下，并且当被连接到所述超导磁体时，其与被用来为所述导线供电的设备一起充当在所述超导磁体上的热负荷。
因此，期望具有一种能够在斜升超导磁体的同时最小化该超导磁体上的热负荷的系统和方法。
发明内容
本发明提供一种克服了上述缺陷的斜升超导磁体组件的系统和方法。一对引线从超导磁体系统的真空容器延伸出来，并且电连接到超导磁体，以用于把该超导磁体斜升到特定操作条件或者从特定操作条件斜升该超导磁体。
根据本发明的一方面，提供一种用于斜升超导磁体的电流引线组件，该组件包括真空容器壁，所述真空容器壁具有暴露于大气压的第一侧和暴露于真空压力的第二侧。池壁从该真空容器壁的第一侧延伸出来，并且形成一个坝区域。第一导体被固定到该真空容器壁并且密封地穿透该真空容器壁，该第一导体具有延伸到所述坝区域中的第一部分。第二导体被固定到该真空容器壁并且密封地穿透该真空容器壁，该第二导体具有延伸到该坝区域中的第一部分。在该真空容器壁的第二侧上的超导磁体具有第一低温超导(LTS)引线和第二LTS引线。第一超导体把第一导体电连接到第一LTS引线，第二超导体把第二导体电连接到第二LTS引线。
本发明还针对一种制造用于超导磁体的引线组件的方法。该方法包括提供一个真空容器的步骤，该真空容器包括一个外壳，该外壳具有内表面和外表面，该内表面封闭内部容积。该方法还包括以下步骤：把坝壁附着到环绕制冷剂池区域的外表面；在所述内部容积内提供超导磁体，该超导磁体具有一对LTS引线；把该内部容积内的一对超导引线当中的每一个的第一端电连接到所述超导磁体的LTS引线；以及把该对超导引线当中的每一个的第二端电连接通过所述外壳并且穿透到所述制冷剂池区域中。
本发明还针对一种包括真空容器的MRI设备，该真空容器围绕真空空间并且包括封闭罩，该封闭罩具有大气压侧和真空侧，池壁密封地附着到该封闭罩的大气压侧并且形成深冷池区域。超导磁体被封闭在该真空空间内，其具有第一LTS引线和第二LTS引线。多个梯度线圈被定位成围绕所述超导磁体的一个孔以便施加极化磁场，RF收发器系统和RF开关受到脉冲模块的控制，以便把RF信号发送给RF线圈组件，从而采集MR图像。磁体斜升系统包括第一导体、第二导体、第一超导引线和第二超导引线，其中第一导体穿透所述封闭罩并且延伸到所述深冷池区域中，第二导体穿透该封闭罩并且延伸到该深冷池区域中，第一超导引线电连接到第一LTS引线和第一导体，第二超导引线电连接到第二LTS引线和第二导体。
通过下面的详细描述和附图，本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
附图说明了当前被构想来实施本发明的一个优选实施例。
在附图中：
图1是可以通过合并本发明而受益的MR成像系统的示意方框图。
图2是根据本发明的一个实施例的磁体斜升组件的示意图。
图3是沿着线3-3取得的图2的磁体斜升组件的横截面图。
具体实施方式
参照图1，在一个例子中，超导磁体系统10包括操作在交流电(AC)环境中的超导磁体系统。示例性的超导磁体系统包括变压器、发电机、电动机、超导磁体能量存储装置(SMES)和/或磁共振(MR)系统。虽然传统的MR磁体操作在DC模式下，但是当到磁体的梯度泄漏场较高时，某些MR磁体可以操作在来自梯度线圈的AC磁场下。这种AC磁场在所述磁体中产生AC损失。出于解释性的目的，提供了对于磁共振和/或磁共振成像(MRI)设备和/或系统的示例性细节的说明性讨论。
所述MR系统的操作受到操作员控制台12的控制，其包括键盘或其他输入装置13、控制面板14和显示屏16。该控制台12通过链接18与单独的计算机系统20通信，该计算机系统使得操作员能够控制在该显示屏16上产生和显示图像。该计算机系统20包括多个模块，所述各模块通过底板20a彼此通信。所述模块包括图像处理器模块22、CPU模块24和存储器模块26(其在本领域中已知是用于存储图像数据阵列的帧缓冲器)。该计算机系统20链接到盘存储装置28和可移动存储装置30以用于存储图像数据和程序，并且通过高速串行链接34与单独的系统控制器32通信。所述输入装置13可以包括鼠标、操纵杆、键盘、轨迹球、触摸屏、光棒、语音控制或者任何类似的或等效的输入装置，并且可以被用于交互式几何规定。
所述系统控制器32包括一组通过底板32a连接在一起的模块。所述模块包括CPU模块36和脉冲发生器模块38，该脉冲发生器模块通过串行链接40连接到所述操作员控制台12。该系统控制器32通过链接40从操作员接收到表明将要执行的扫描序列的命令。该脉冲发生器模块38操作各系统组件来实施所期望的扫描序列，并且产生表明所产生的RF脉冲的定时、强度和形状以及数据采集窗口的定时和长度的数据。该脉冲发生器模块38连接到一组梯度放大器42，以便指示在所述扫描期间产生的梯度脉冲的定时和形状。该脉冲发生器模块38还可以从生理采集控制器44接收患者数据，该控制器从连接到所述患者的多个不同传感器接收信号，比如来自附着到患者身上的电极的ECG信号。最后，该脉冲发生器模块38连接到扫描室接口电路46，该电路从与所述患者和磁体系统的状况相关联的多个传感器接收信号。患者定位系统48还通过该扫描室接口电路46接收命令，以便把患者移动到所期望的位置以进行扫描。
由所述脉冲发生器模块38产生的梯度波形被施加到所述梯度放大器系统42，该系统具有Gx、Gy和Gz放大器。每个梯度放大器激发总体被标记为50的梯度线圈组件中的相应的物理梯度线圈，以便产生用于对所采集的信号进行空间编码的磁场梯度。该梯度线圈组件50形成磁体组件52的一部分，该磁体组件包括极化磁体54和整体RF线圈56。所述系统控制器32中的收发器模块58产生脉冲，所述脉冲被RF放大器60放大并且通过发送/接收开关62耦合到RF线圈56。由患者体内的受激发的原子核发射的所得到的信号可以被相同的RF线圈56感测到，并且通过该发送/接收开关62被耦合到前置放大器64。经过放大的MR信号在所述收发器58的接收器部分中被解调、滤波和数字化。该发送/接收开关62受到来自所述脉冲发生器模块38的信号的控制，以便在发送模式期间把所述RF放大器60电连接到所述线圈56，并且在接收模式期间把所述前置放大器64连接到该线圈56。该发送/接收开关62也可以是单独的RF线圈(例如表面线圈)，其将被用在所述发送或接收模式下。
由所述RF线圈56拾取的MR信号被所述收发器模块58数字化，并且被传送到所述系统控制器32中的存储器模块66。当已经在该存储器模块66中采集了未经处理的k空间数据的阵列时，扫描完成。该未经处理的k空间数据被重新排列到对应于每个将被重建图像的各单独的k空间数据阵列中，并且每一个所述单独的阵列被输入到阵列处理器68中，该阵列处理器用来把所述数据傅立叶变换成图像数据阵列。该图像数据通过所述串行链接34被传递到所述计算机系统20，所述图像数据在该处被存储在存储器(比如盘存储装置28)中。响应于从操作员控制台12接收的命令，所述图像数据可以在长期存储装置中(比如在可移动存储装置30上)被归档，或者其可以被所述图像处理器22进一步处理，并且被传递到所述操作员控制台12并被显示在显示器16上。
图2示出了根据本发明的一个实施例的磁体斜升组件70的示意图。真空容器72包括封闭内部容积76的壁74，该壁74具有该真空容器72的真空侧78和暴露于大气的外侧或大气压侧80。诸如图1中的磁体组件52的超导磁体82被包含在真空容器72的内部容积76内。磁体斜升组件70把该超导磁体82电连接到电流源或空负载(未示出)，以用于把该超导磁体82斜升到特定操作条件或者从特定操作条件斜升该超导磁体82。
磁体斜升组件70包括一对引线84、86，其穿透所述壁74并且从该处在每一侧78、80上延伸。引线84、86由诸如铜的导电并且导热的材料制成。引线84、86密封地接合所述壁74，以便最小化在那附近从大气到真空容器72的内部容积76的压力流。引线84、86还与所述壁74电隔离，从而电流不从一条引线84通过所述壁74流到另一条引线86。
在真空容器72的内部容积76中，引线84、86附着到顶端板88，该顶端板连接到圆柱体90。圆柱体90优选地是电绝缘的。顶端板88被分成第一部分92和第二部分94，这两个部分通过电绝缘分离器96彼此电隔离。引线84电连接到顶端板88的第一部分92，引线86电连接到顶端板88的第二部分94。顶端板88通过一对超导体100、102电连接到圆柱体90的底端板98。底端板98被分成第一部分104和第二部分106，这两个部分通过电绝缘分离器108彼此电隔离。该对超导体100、102优选地由诸如BSCCO类、YBCO类等等高温超导材料制成。顶端板88和底端板98优选地由铜制成。
超导体100、102把顶板部分92、94分别电连接到底板部分104、106。在一个优选实施例中，超导体100、102缠绕圆柱体90，并且通过使用诸如聚酰亚胺(kapton)之类的塑料与之电隔离。超导体100、102缠绕成螺旋图案，以便在其中延长端板88、98之间的导热路径。此外，超导体100、102优选地以双股绕组的方式缠绕。按照这种方式，由超导体100、102中产生的电流引入的磁场和力往往会抵消。圆柱体90优选地由电和热绝缘的绝缘材料制成，比如塑料、纤维复合材料等等。
底端板98的第一和第二部分104、106通过超导磁体82的一对低温超导(LTS)引线110、112电连接到该超导磁体82。因此形成从引线84到引线86的电路。也就是说，引线84通过顶端板88的第一部分92、第一超导体100、底端板98的第一部分104和LTS引线110电连接到该超导磁体82。引线86通过顶端板88的第二部分94、第二超导体102、底端板98的第二部分106和LTS引线112电连接到该超导磁体82。
仍然参照图2，坝114(或池壁)密封地附着到壁74的大气压侧80，并且环绕引线84、86，从而形成一个池区域或坝区域116。为了斜升超导磁体82，操作员或技师把电流源(未示出)连接到引线84、86，并且利用诸如液态氮的致冷剂118填充池区域或坝区域116。按照这种方式，把引线84、86沉浸在该致冷剂118中，并且其温度开始降低。致冷剂118的沸点温度低于第一和第二超导体100、102的临界温度，从而降低引线84、86的温度。引线84、86以传导方式冷却顶端板88，从而又以传导方式把第一和第二超导体100、102冷却到低于其临界温度。所述超导磁体82的LTS引线110、112帮助把第一和第二超导体100、102冷却到其临界温度以下。
通过使得引线84、86低于所述临界温度，在第一和第二超导体100、102改变到超导状态之后，通过向引线84、86施加电流来斜升所述超导磁体82。由于第一和第二超导体100、102处在超导状态下，在所述斜升期间，所述引线84、86、顶端板88、底端板98、第一和第二超导体100、102以及超导磁体82中的电阻性加热被减小。在所述磁体的斜升完成之后，使得致冷剂118在所述池区域或坝区域116中沸腾，操作员从引线84、86去除电流源，并且超导磁体82操作在正常操作模式下。
为了斜降(ramp down)超导磁体82，操作员或技师把电流源或空负载(未示出)连接到引线84、86，并且利用致冷剂118填充池区域或坝区域116。在第一和第二超导体100、102如上所述的那样改变到超导状态之后，该电流源或空负载用来把该超导磁体82中的电流减小到0。同样地，使得致冷剂118在所述池区域或坝区域116中沸腾，并且如果需要的话可以使得该超导磁体82适于使用。
现在参考图2和3，圆柱体90包括位于顶端板88和底端板98之间的热沉或拦热器120，以用于在引线84、86的温度高于其临界温度(比如室温)时拦截从引线84、86通过第一和第二超导体100、102传导到超导磁体82的热量。热链接122将热沉或拦热器120热连接到低温冷却机124。在一个优选实施例中，低温冷却机124是用于把所述热沉或拦热器120冷却到第一和第二超导体100、102的临界温度(比如40K)以下的专用单元。然而，可以设想把不同级的低温冷却机124同时连接到超导磁体82和热沉或拦热器120。热沉或拦热器120以及热链接122优选地由具有高热导率的材料制成，比如铜。
根据本发明的一个实施例的磁体斜升组件最小化在磁体斜升期间到超导磁体系统的热负荷，并且在所述真空容器外部的电流引线暴露于环境温度时，在所述超导磁体的正常操作期间最小化到超导磁体系统的热负荷。
因此，本发明包括一种用于斜升超导磁体的电流引线组件，该组件包括真空容器壁，所述真空容器壁具有暴露于大气压的第一侧和暴露于真空压力的第二侧。池壁从该真空容器壁的第一侧延伸出来，并且形成一个坝区域。第一导体被固定到该真空容器壁并且密封地穿透该真空容器壁，该第一导体具有延伸到所述坝区域中的第一部分。第二导体被固定到该真空容器壁并且密封地穿透该真空容器壁，该第二导体具有延伸到该坝区域中的第一部分。在该真空容器壁的第二侧上的超导磁体具有第一低温超导(LTS)引线和第二LTS引线。第一超导体把第一导体电连接到第一LTS引线，第二超导体把第二导体电连接到第二LTS引线。
本发明还针对一种制造用于超导磁体的引线组件的方法。该方法包括提供一个真空容器的步骤，该真空容器包括一个外壳，该外壳具有内表面和外表面，该内表面封闭内部容积。该方法还包括以下步骤：把坝壁附着到环绕制冷剂池区域的外表面；在所述内部容积内提供超导磁体，该超导磁体具有一对LTS引线；把该内部容积内的一对超导引线当中的每一个的第一端电连接到所述超导磁体的LTS引线；以及把该对超导引线当中的每一个的第二端电连接通过所述外壳并且穿透到所述制冷剂池区域中。
本发明还针对一种包括真空容器的MRI设备，该真空容器围绕真空空间并且包括封闭罩，该封闭罩具有大气压侧和真空侧，池壁密封地附着到该封闭罩的大气压侧并且形成深冷池区域。超导磁体被封闭在该真空空间内，其具有第一LTS引线和第二LTS引线。多个梯度线圈被定位成围绕所述超导磁体的一个孔以便施加极化磁场，RF收发器系统和RF开关受到脉冲模块的控制，以便把RF信号发送给RF线圈组件，从而采集MR图像。磁体斜升系统包括第一导体、第二导体、第一超导引线和第二超导引线，其中第一导体穿透所述封闭罩并且延伸到所述深冷池区域中，第二导体穿透该封闭罩并且延伸到该深冷池区域中，第一超导引线电连接到第一LTS引线和第一导体，第二超导引线电连接到第二LTS引线和第二导体。
已经根据优选实施例描述了本发明，但应当认识到，除了明确阐述的之外，多种等效方案、替换方案和修改都是可能的，并且落在所附权利要求书的范围内。
部件列表
10优选的MR系统
12操作员控制台
13键盘或其他输入装置
14控制面板
16显示屏
18链接
20单独的计算机系统
20a底板
22图像处理器模块
24CPU模块
26存储器模块
28盘存储装置
30带驱动器
32单独的系统控制器
32a底板
34高速串行链接
36CPU模块
38脉冲发生器模块
40串行链接
42梯度放大器组
44生理采集控制器
46扫描室接口电路
48对象定位系统
50梯度线圈组件
52磁体组件
54极化磁体
56整体RF线圈
58收发器模块
60RF放大器
62发送/接收开关
64前置放大器
66存储器模块
68阵列处理器
70磁体斜升组件
72真空容器
74壁
76内部容积
78真空侧
80大气压侧
82超导磁体
84引线
86引线
88顶端板
90圆柱体
92第一部分
94第二部分
96分离器
98底端板
100第一超导体
102第二超导体
104第一部分
106第二部分
108分离器
110LTS引线
112LTS引线
114坝
116池区域
118致冷剂
120拦热器
122热链接
124低温冷却机。

Claims (10)

1.一种用于斜升超导磁体(82)的电流引线组件(70)，该组件包括：
真空容器壁(74)，其具有暴露于大气压的第一侧(80)和暴露于真空压力的第二侧(78)；
池壁(114)，其从该真空容器壁(74)的第一侧(80)延伸出来，并且形成坝区域(116)；
第一导体(84)，其被固定到该真空容器壁(74)并且密封地穿透该真空容器壁(74)，该第一导体具有延伸到该坝区域(116)中的第一部分；
第二导体(86)，其被固定到该真空容器壁(74)并且密封地穿透该真空容器壁，该第二导体具有延伸到该坝区域(116)中的第一部分；
在该真空容器壁(74)的第二侧(78)上的超导磁体(82)，其具有第一低温超导(LTS)引线(110)和第二LTS引线(112)；
第一超导体(100)，其把第一导体(84)电连接到第一LTS引线(110)；以及
第二超导体(102)，其把第二导体(86)电连接到第二LTS引线(112)。
2.权利要求1的组件，其中，所述第一和第二导体(84，86)包括导热材料。
3.权利要求2的组件，其中，所述第一和第二导体(84，86)是铜。
4.权利要求1的组件，其中，所述池壁(114)被配置成在所述坝区域(116)中包含致冷剂(118)，该致冷剂(118)的沸点温度低于所述第一和第二超导体(100，102)的临界温度。
5.权利要求4的组件，其中，所述致冷剂(118)是液态氮。
6.权利要求1的组件，其中，所述第一和第二导体(84，86)与所述真空容器壁(74)电绝缘。
7.权利要求1的组件，还包括：
圆柱体(90)，其被定位成邻近所述真空容器壁(74)的第二侧(78)；
顶端板(88)，其附着到该圆柱体的第一端并且具有电连接到所述第一导体(84)的第一部分(92)和电连接到所述第二导体(86)的第二部分(94)，其中，所述第一部分(92)和第二部分(94)彼此电隔离；以及
底端板(98)，其附着到该圆柱体的第二端并且具有第一部分(104)和第二部分(106)，其中，所述第一部分(104)和第二部分(106)彼此电隔离；
其中，所述第一超导体(100)电连接到该顶端板(88)的第一部分(92)以及该底端板(98)的第一部分(104)；以及
其中，所述第二超导体(102)电连接到该顶端板(88)的第二部分(94)以及该底端板(98)的第二部分(106)。
8.权利要求7的组件，其中，所述第一超导体(100)和第二超导体(102)被螺旋缠绕在围绕所述圆柱体(90)的双股绕组中。
9.权利要求7的组件，其中，所述第一超导体(100)和第二超导体(102)是包括BSCCO型和YBCO型的其中之一的高温超导体。
10.权利要求7的组件，还包括附着在所述圆柱体(90)的第一端与第二端之间的拦热器(120)，其中该拦热器(120)热连接到低温冷却机(124)。
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