CN101512687A - 受支撑的超导磁体 - Google Patents

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Abstract

一种受支撑的超导磁体，包括：一个超导磁体，其布置在一个外部真空容器内；以及一个支撑结构，其抵靠一支撑表面而支承所述超导磁体的重量。所述支撑结构包括位于所述磁体与所述支撑表面之间的一个管状悬架元件，所述管状悬架元件通过复数个经布置以将所述超导磁体的所述重量传递到所述支撑结构的互补界面，而将所述磁体相对于所述外部真空容器保持在一固定的相对位置。所述管状悬架元件围绕一大体垂直的轴线布置，且支撑围绕一大体水平的轴线布置的螺管式磁体结构。

Description

受支撑的超导磁体
技术领域
(无)
背景技术
为了维持必要的低温温度，例如MRI扫描仪中使用的那些超导磁体必须悬架在真空器皿内。为了在操作和运输期间遇到的负载下完全约束悬架的器皿，常规设计采用复数个悬架元件。这些元件是复杂的且需要复数个对器皿的附接。结果是昂贵的悬架系统，其组装耗时且不适用于大量生产的条件。
图1说明一个核磁共振(NMR)或磁共振成像(MRI)系统的常规螺管式磁体布置的横截面图。若干超导电线线圈缠绕在线圈架1上。所得组合件容纳在一个致冷剂器皿2内，所述致冷剂器皿2至少部分填充有处于沸点的液体致冷剂2a。线圈借此保持在低于其临界点的温度。
图1还图示了一个外部真空容器4和一个热屏蔽件3。众所周知，这些用以将通常含有液体致冷剂2a的致冷剂器皿2与周围大气热隔离。固体隔热件5可放置在外部真空容器4与热屏蔽件3之间的空间内。提供一中心钻孔4a，其具有一定尺寸以允许病人或其它待成像物体进入。
常规上，若干支撑元件7连接于致冷剂器皿2与外部真空容器4之间以支承致冷剂器皿的重量。这些可以是张力带、张力杆、皮带、抗压支柱或任何已知的适用于所述目的的元件。在致冷剂器皿受支撑的情况下，所述元件应具有非常低的导热率。这是重要的，以便最小化从通常处于环境温度的外部真空容器4到致冷剂器皿2的热通量。悬架元件通常穿过热屏蔽件3和隔热件5中的孔。可提供类似的或替代的悬架布置以保持热屏蔽件3。
悬架元件必须具有最小横截面面积和最大长度，以便最小化进入磁体的热流。在例如图1所示的常规设计中，使用复数个仅张力元件或张力与抗压元件的组合。这些可由高强度钢或使用玻璃、碳或其它合适的承载纤维的高级复合材料制成。通常对于每一器皿使用最少八个元件，从而给出总共16个元件以支撑典型的磁体和辐射屏蔽系统。此系统将通常含有数百个必须独立组装的独立部分。由于MRI系统通常在完全组装且填充有致冷剂的情况下运输，因此悬架必须能够抵挡与运输和搬运相关联的高负载。悬架的器皿必须一直精确地受到约束，且当使用常规元件时，要求对所述元件预加载以确保其在所有可预见的设计负载下保持拉紧。由于需要实现最小的总体系统尺寸，因此用于悬架的空间有限，且入口进一步受到必须使用的隔热衬垫的限制。每一悬架元件穿过热屏蔽件3和隔热件5中的孔。一旦悬架元件处于适当位置，这些孔就必须在组装期间密封以维持有效的热绝缘和屏蔽。由此，组装程序是复杂的且耗时的，且不适用于大量制造。
EP 1001438描述了一种用于超导磁体中的管悬架布置，其中低温器皿可在从环境温度冷却到低温温度期间相对于热屏蔽件和OVC移动。
US 6,358,583描述了一种布置，其中磁体结构通过第一管状支撑件支撑在热屏蔽件上，所述热屏蔽件通过第二管状支撑件支撑在OVC上。
US 5,530,413描述一种低温恒温器布置中的冷却螺管式磁体，其中磁体和热屏蔽件由与螺管式磁体同轴的管状支撑结构支撑。
发明内容
本发明提供一种受支撑的超导磁体，其具有一大体上水平的轴线，其中常规布置的复数个悬架元件被替换为围绕一大体垂直的轴线(大体垂直于磁体轴线)布置的单个支撑元件。所述支撑元件优选能够抵抗在磁体将经受的所有预期力的方向上的可预见的负载，且经布置以在例如张力、压力和扭转的适当方向上具有适当强度。由此，悬架布置的复杂性大体上减小，因为所需组件的数目减少，不需要在热屏蔽件和隔热件中提供孔或密封所述孔以允许悬架元件穿过，且不需要预加载。组装过程因此显著简化。
本发明因此提供如所附权利要求书中限定的方法和设备。
附图说明
从以下结合附图对本发明特定实施例的描述中将更了解本发明的上述和其它目的、目标及特征，附图中：
图1展示用于保持外部容器内致冷剂器皿中水平布置的螺管式磁体的悬架元件的常规布置；
图2展示根据本发明实施例的一种悬架系统；
图3展示图2实施例的放大部分；
图4展示根据本发明另一实施例的一种悬架系统；
图5说明穿过图4所示实施例的横截面；以及
图6展示一种悬架系统布置。
具体实施方式
图2展示根据本发明的悬架系统的一个实施例。含有超导磁体线圈24的大体管状的器皿22(“致冷剂器皿”)由支承在一支撑表面(例如地板)上的一个支撑布置支撑。致冷剂器皿22由一个紧密配合的热辐射屏蔽件26包围，且整个组合件包含在一个外部真空容器(“OVC”)28内。大体管状的单个支撑元件30在一端32处通过适当界面构件接触致冷剂器皿22，且在另一端34处提供系统的地板安装。OVC 28在地板端34处或附近附接到管状悬架元件。在致冷剂器皿22中提供一凹入区段36，以通过将管状支撑元件30部分容纳在凹入区段内来为管状支撑元件30提供空间，而不增加总体系统自地板起的高度。通过磁体线圈24的布置使其成为可能。磁体线圈布置本身是常规的，其本质上由若干具有类似半径的初级线圈组成，其中具有显著较大半径的屏蔽线圈位于初级线圈的末端处或附近。管状支撑元件支撑并保持致冷剂器皿，所述致冷剂器皿的重量通过管状支撑元件30和致冷剂器皿22上的复数个互补界面而支承在管状支撑元件上。在最简单的布置中，所述互补面包括穿过支撑元件30的横截面(垂直于其轴线)以及在致冷剂器皿22的凹入部分36的末端32处的一个平坦表面。
热辐射屏蔽件26优选类似地由定位于管状支撑元件30上部某处的一个凸缘38支撑。管状支撑元件可用以借助于复数个经布置以将屏蔽件的重量传递到管状支撑元件的互补界面38，而将热辐射屏蔽件26相对于外部真空容器28和致冷剂器皿22保持在一固定位置。
为了仍在一紧凑配置中实现支撑系统的所需强度和热性质，管状支撑元件30优选以由保持在合适基质材料(例如环氧树脂或类似树脂等)中的玻璃纤维、碳纤维或其它高性能纤维组成的一种或一种以上合成材料制成。通过使用这些材料，纤维的取向可经优化以提供有效支撑受支撑的致冷剂器皿22、地板基座34以及热辐射屏蔽件26的负载并与其介接的结构强度、热传导和热收缩性质的所需组合。
图2的致冷剂器皿支撑布置可根据本发明的一方面在特定有利的组装过程中组装，借此磁体线圈24和致冷剂器皿22与凹入区段36的组合件首先定位在管状支撑元件30上，使得管状支撑元件30至少部分容纳在凹入区段36内。辐射屏蔽件26优选由组装在管状支撑元件30周围且与其附接的若干零部件制成。最后，OVC 28可以类似方式制造和安装。器皿22、28和热屏蔽件26的准确对准是通过器皿、屏蔽件和管状支撑元件30上的合适特征实现的。不需要预加载或其它调节。OVC 28可附接到一个类似于凸缘界面38(为保持热屏蔽件26而提供)的凸缘，该凸缘定位于较接近地板处。在此组装方法中，管状支撑元件30必须由至少一个封闭表面39封闭，所述封闭表面在OVC的其余部分组装在管状支撑元件30周围时有效地变为OVC的一部分。可在大约凸缘38的高度处提供另一封闭表面，以在热辐射屏蔽件26的零部件组装在管状支撑元件30周围时变为热辐射屏蔽件26的一部分。
图3展示图2的放大部分，其更详细说明管状支撑元件30、凹入部分36、凸缘38以及相关联的特征。为了提供完全的热辐射屏蔽，热辐射屏蔽件26通过一封闭表面(下文中称为屏蔽件部分26A)在管状支撑元件30A、30B的内部延续。屏蔽件部分26A优选通过凸缘38的内部延伸附接到管状支撑元件30。
类似地，为了提供完整的OVC，OVC 28通过一封闭表面(下文中称为OVC部分34)在管状悬架元件30A、30B的内部延续。OVC部分34可通过连接到OVC的其余部分的凸缘的内部延伸附接到管状支撑元件30。或者，更简单地且如图3所示，OVC部分34可为一个连续的板，这个板形成用于OVC的其余部分的凸缘。
对管状支撑元件的精整可通过将其划分为两个区段而实现，例如使其具有一个放置在OVC 28与热辐射屏蔽件26之间的下部区段30B以及一个放置在热辐射屏蔽件26与致冷剂器皿22之间的上部区段30A。这便利了针对每一区段使用不同的合成材料和构造。举例来说，可针对每一区段在使用时将遇到的温度范围而选择热传导性优化的材料。也就是说，针对上部区段30A处于低温温度以及针对下部区段30B处于较高温度。可通过根据每一区段必须支撑的机械负载而选择材料来实现进一步精整。下部区段30B必须支撑比上部区段30A稍高的机械负载，因为下部区段除了上部区段支撑的负载以外还必须支撑热辐射屏蔽件的重量。举例来说，可通过将碳纤维用于上部区段30A以及将玻璃纤维用于下部区段30B，从而给出在每一器皿的温度下相对低的热传导性，来实现每一温度下的适当热传导性。材料必须具有足够厚度、纤维取向以及此类材料的其它已知参数，以确保管状支撑元件具有充分的机械强度而足以支撑和保持所施加的负载。
根据本发明的一方面，提供单个支撑件30，其具有充分的机械强度，以将所支撑负载的质量保持到等效于若干G的加速度的力。
在本发明的优选实施例中，热辐射屏蔽件安装凸缘38在管状支撑元件的外部表面与内部表面之间是连续的，其中分立的区段30A、30B组装到凸缘以形成单个管状支撑元件30。优选提供在管状支撑元件内的屏蔽件部分26A还用以加强管状支撑元件以防止压曲。热辐射屏蔽件26可通过有效致冷而“热停置(heat stationed)”，经冷却至通常在70-90K范围内的中间低温温度。通过提供由相对传导性材料(例如铝或钢)制成的凸缘38，屏蔽件部分26A可冷却到与屏蔽件的其余部分相同的温度。
在替代实施例中，管状支撑元件可以是一个由合成材料制成的连续管，凸缘38以粘合方式结合到其表面。类似的凸缘可以粘合方式结合到管状支撑元件的内部表面。在此类实施例中，可能需要进行替代的供应以例如借助于穿过管状支撑元件一个或另一区段30A、30B中孔的柔性铜编织连接件，将屏蔽件部分26A热连接到热辐射屏蔽件的其余部分。
支撑件的替代布置可能适合于不同的磁体配置。图4展示本发明的在致冷剂器皿22中不包含凹入区段的实施例。在图4的布置中，单个支撑元件40围绕大体垂直的轴线(大体垂直于致冷剂器皿22的大体水平的轴线)布置。
支撑元件40优选并非简单地是圆柱形的，而是经成形以适合于可用空间并支撑致冷剂器皿22以防止平移和旋转，且通过包括致冷剂器皿外表面和支撑件40适当成形部分的界面而围护、支撑和保持致冷剂器皿。支撑件40当然必须充分坚固，以在包含等效于若干G的加速度的力的可预见机械负载的整个范围内支撑和保持致冷剂器皿22及其内含物。支撑件的某些区域(例如42处)可能需要支撑致冷剂器皿及其内含物的重量的相对较大部分。支撑件的某些其它区域(例如44处)可能需要支撑较低的静态负载，但应与其所附接到的致冷剂器皿的热收缩特性相匹配，并用以保持致冷剂器皿以防止位移或旋转。通过使用合适的合成材料、纤维取向和厚度，支撑件40的不同区段的特性可经优化以满足这些不同的要求。与图2和3的布置相比，图4的布置允许实现较大的支撑元件长度并具有随之而来的热性能优点，并且使致冷剂器皿22(可能是薄壁)上的应力最小化。
期望致冷剂器皿22将在所有接触点处牢固地结合到管状支撑元件40，以确保支撑元件保持致冷剂器皿以防止所有方向上的移动。在某些应用中，致冷剂器皿围护在支撑元件内、通过其自身重量保持在适当位置且不结合到支撑元件，这可能也是足够的。
图5说明穿过例如图4所示的本发明在完整低温恒温器布置内的实施例的横截面，所述布置包括处于OVC 28内的图4的致冷剂器皿22和支撑件40，在致冷剂器皿22与OVC 28之间具有一个热辐射屏蔽件26，屏蔽件支撑在支撑件40上。支撑件40可类似于图3的支撑件30的所描述变型中的任一者而构造，其中支撑件的上部区段和下部区段任选地由不同材料制成，一个安装凸缘支撑热辐射屏蔽件，所述凸缘可选地延伸穿过管状支撑件的材料。优选在支撑件内提供屏蔽件部分以闭合屏蔽件26。相信这在例如图4、5的实施例中较为重要，因为支撑件与例如图2、3所示的实施例中的情况相比，占据了热辐射屏蔽件的表面积的较大部分。
支撑件可安装在底座42上，底座42也可用作一个用于安装OVC28的凸缘。底座42优选成为OVC的一部分。
热辐射屏蔽件26和OVC 28可分别如同图2、3的实施例那样组装。磁体线圈和致冷剂器皿22的组合件首先定位在支撑件40中/上。热辐射屏蔽件26优选由组装在支撑件40周围且与其附接的若干零部件制成(优选借助于安装凸缘48)。最后，以类似方式制造和安装OVC 28。器皿22、28和热辐射屏蔽件26的准确对准是通过器皿、热辐射屏蔽件和支撑件40上的合适特征实现的。不需要预加载或其它调节。
如图5中所说明，可发现方便的是，按照除常规圆柱体形状以外的形状制成热辐射屏蔽件26和OVC 28，以较好地与支撑件40作用。同样如图5中所说明，支撑件40可渐缩以较好地约束致冷剂器皿。
在图4和5的布置中，支撑件40通过复数个互补界面保持致冷剂器皿22，所述互补界面包括支撑件40内端面的适当成形部分和致冷剂器皿的外表面。
例如超导磁体的一些低温冷却设备并非容纳在致冷剂器皿内。其由该领域中众所周知的致冷器或通过冷却回路布置而直接冷却。本发明可应用于此设备，且修改如下。对于例如图4、5所示的实施例，支撑件40必须经改动以与冷却式设备直接接触。超导磁体通常缠绕到由例如铝的材料制成的热传导线圈架上。支撑件40可经成形以在所有预期力的方向上牢固地保持此线圈架，以防止旋转和平移并承受等效于若干G的加速度的力。应谨慎的是支撑件不能支承受冷却式设备的任何敏感零部件，例如超导磁体的线圈。
图6展示类似于图2和3所示的进一步布置，其针对这样的冷却式设备而改动，即例如作为不在致冷剂器皿内的线圈架45上的若干线圈而缠绕的超导磁体的。管状支撑元件30(30A、30B)直接附接到例如线圈架45的磁体线圈支撑结构。不存在致冷剂器皿，允许管状支撑元件30的长度增加，且因此具有热性能优点。此布置的其它特征和要求类似于图3所示的布置。
因此本发明提供一种用于超导磁体的新的支撑布置，其中使用单个支撑件替代常规系统中使用的复数个悬架元件。支撑元件围绕一大体垂直的轴线布置，且支撑围绕一大体水平的轴线布置的螺管式磁体结构。
本发明提供至少以下优于参看图1描述的常规支撑系统的优点。支撑布置的复杂性和组成零部件数与图1中说明的支撑布置相比大体上减少。本发明的支撑布置仅需要到外部真空容器的单个连接，且因此简化了此结构和组装方法，因为不需要安装和预拉伸许多悬架元件。总体组装过程简化，从而引起大量制造的简化。除了这些制造优点以外，本发明的悬架布置还使所悬架器皿的对准精度增加。
尽管已参考有限数目的特定实施例描述了本发明，但在由所附权利要求书界定的本发明范围内，所属领域的技术人员将设想出对本发明的各种修改和变化。

Claims (18)

1.一种受支撑的超导磁体，包括：
一个超导磁体(24)，其布置在一大体管状的致冷剂器皿(22)内，所述致冷剂器皿本身布置在一个外部真空容器(OVC)(28)内；以及
单个大体管状的支撑元件(30)，其抵靠一支撑表面而支承所述超导磁体和所述致冷剂器皿的重量，且位于所述致冷剂器皿与所述支撑表面之间，
所述大体管状的支撑元件围绕一大体垂直的轴线布置，且支撑一个围绕一大体水平的轴线布置的螺管式磁体结构，
所述大体管状的支撑元件将所述致冷剂器皿相对于所述外部真空容器(22)保持在一固定的相对位置，其中复数个互补界面经布置以将所述致冷剂器皿和所述超导磁体的重量传递到所述大体管状的支撑元件，
其特征在于，一凹入部分(36)提供于所述致冷剂器皿的壁中，且所述大体管状的支撑元件至少部分地容纳在所述凹入部分内。
2.根据权利要求1所述的受支撑的超导磁体，其中所述互补界面中的一者由所述凹入部分(36)提供，且所述互补界面中的另一者包括所述大体管状的悬架元件(30)的一端。
3.根据权利要求2所述的受支撑的超导磁体，其中所述致冷剂器皿(22)具有一水平轴线，且所述大体管状的支撑元件具有比所述致冷剂器皿的径向直径小的径向直径。
4.一种受支撑的超导磁体，包括：
冷却式设备，其包括一个大体圆柱形的超导磁体，所述大体圆柱形的超导磁体具有一大体水平的轴线且布置在一外部真空容器(OVC)(28)内；以及
单个支撑元件(40)，其抵靠一支撑表面而支承所述冷却式设备的重量，所述支撑元件位于所述冷却式设备与所述支撑表面之间，其中复数个互补界面经布置以将所述冷却式设备的所述重量传递到所述支撑元件，
所述支撑元件围绕一大体垂直的轴线布置，
所述支撑元件将所述冷却式设备相对于所述OVC(28)保持在一固定的相对位置，
其特征在于，所述支撑元件经成形和尺寸设计以通过所述互补界面而围护、支撑和保持所述冷却式设备，所述互补界面包括所述冷却式设备的外表面和所述支撑元件(40)的适当成形部分。
5.根据权利要求5所述的受支撑的超导磁体，其中所述冷却式设备包括位于一大体管状的致冷剂器皿(22)内的所述超导磁体，且其中所述支撑元件(40)的所述适当成形部分是上部内端面的部分。
6.根据权利要求5所述的受支撑的超导磁体，其中所述致冷剂器皿(22)具有一大体水平的轴线；所述悬架元件具有比所述致冷剂器皿的径向直径大的径向直径。
7.根据权利要求4-6中任一权利要求所述的受支撑的超导磁体，其中所述悬架元件的横截面为非圆形，且是渐缩的。
8.根据任一前述权利要求所述的受支撑的超导磁体，进一步包括一个辐射屏蔽件(26)，所述辐射屏蔽件(26)在提供所述致冷剂器皿的情况下位于所述外部真空容器与所述致冷剂器皿之间，在未提供致冷剂器皿的情况下位于所述外部真空容器与所述超导磁体之间，所述辐射屏蔽件支撑在一个包括所述支撑元件(30；40)在所述屏蔽件与所述支撑表面之间的部分的屏蔽件支撑结构(38)上，所述支撑元件通过复数个经布置以将所述屏蔽件的重量传递到所述支撑结构的互补界面(38)，将所述屏蔽件相对于所述外部真空容器(22)保持在一固定的相对位置。
9.根据权利要求8所述的受支撑的超导磁体，其中所述互补界面包括位于所述支撑元件(30；40)上的一个凸缘(38)。
10.根据权利要求9所述的受支撑的超导磁体，其中所述支撑元件包括一上部区段(30B)和一下部区段(30A)，所述上部区段和下部区段在所述凸缘(38)处接合。
11.根据权利要求9-10中任一项所述的受支撑的超导磁体，其中所述凸缘连续地通过所述支撑元件的壁，从而在所述支撑元件的内侧上提供一安装凸缘，所述安装凸缘将屏蔽件部分(26A)保持在所述支撑元件内的位置。
12.根据任一前述权利要求所述的受支撑的超导磁体，其中所述支撑元件具有横过其下端的封闭部分(34)，从而提供一用于安装所述OVC的凸缘，所述封闭部分在所述OVC的其余部分与其组装时成为所述OVC壁的一部分。
13.一种在外部真空容器(OVC)(28)内组装受支撑的超导磁体(24)的方法，所述超导磁体支撑在一支撑表面上，所述方法包括以下步骤：
将所述超导磁体支撑在一个位于所述磁体与所述支撑表面之间的支撑元件(30；40)上，所述支撑元件通过复数个经布置以将所述超导磁体的重量传递到所述支撑结构的互补界面，而将所述磁体相对于所述支撑表面保持在一固定位置；
将所述外部真空容器制造成将围绕所述支撑元件接合的复数个零部件；以及
围绕所述支撑元件(30)组装所述OVC，并将所述OVC附接到所述支撑元件(30)。
14.根据权利要求14所述的在OVC(28)内组装受支撑的超导磁体(24)的方法，其中：
将所述超导磁体首先组装在一致冷剂器皿(22)内；
将所述致冷剂器皿支撑在位于所述致冷剂器皿与所述支撑表面之间的所述支撑元件(30；40)上，
所述支撑元件通过复数个经布置以将所述超导磁体和所述致冷剂器皿的重量传递到所述支撑结构的互补界面，将所述致冷剂器皿相对于所述支撑表面保持在一固定位置。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的组装受支撑的超导磁体的方法，在组装所述OVC的步骤之前进一步包括以下步骤：
将一个热辐射屏蔽件制造成将围绕所述支撑元件接合的复数个零部件；以及
围绕所述支撑元件(30；40)组装所述热辐射屏蔽件，并将所述热辐射屏蔽件附接到所述支撑元件(30；40)。
16.根据权利要求13-15中任一权利要求所述的组装受支撑的超导磁体的方法，其中所述支撑元件围绕一大体垂直的轴线布置，且支撑一个围绕一大体水平的轴线布置的螺管式磁体结构。
17.一种大体上如附图的图2-6中描述和/或说明的受支撑的超导磁体。
18.一种组装大体上如附图的图2-6中描述和/或说明的受支撑的超导磁体的方法。
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