CN101825693A - 一种逐增地引入电流到安装在线圈架上的超导线圈的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以渐增方式为安装在线圈架上的超导线圈进行电流加电或者去电方法，其中线圈相对于线圈架进行振动。

Description

一种逐增地引入电流到安装在线圈架上的超导线圈的方法

技术领域

本发明涉及安装在线圈架上的超导磁体线圈。本发明尤其参考圆柱型超导磁体进行描述，但是，本发明仍可适用于包括在线圈架上安装了至少一个超导线圈的任何结构。本发明尤其涉及在超导线圈加电时，用于降低超导磁体失超可能性的方法和设备。

背景技术

图1A-1B分别为核磁共振(NMR)或磁共振成像(MRI)系统常用的圆柱型超导磁体布置的横截面图和轴向断面图。超导线组成的复数个线圈34缠绕在一个线圈架1上以形成圆柱型磁体结构。所形成的组件容纳在一致冷剂室2内，所述致冷剂室里至少部分填充一种处于沸点的液态冷却剂2a。由此，这些线圈34的温度才可被控制在临界温度以下。通常，该液态冷却剂2a采用氦，它可以将线圈34的温度控制在约4K。

通常，线圈架1由铝构成，其由机械制造以确保线圈架的尺寸精确，反过来，这也确保了缠绕在该线圈架上的线圈有精确的尺寸和准确的位置。这些精度对于确保所形成的磁场的均质性和可靠性必不可少。甚至一个线圈发生少量的移位，都有可能导致超导磁体出现失超。因此，所述线圈架必须非常刚硬，并牢固地保持在其所在的位置上。

圆柱型磁体本质上关于轴AA对称。本文提及的“轴向”和“径向”均参考该轴而确定。

另外，图1A-1B还示出了一外部真空腔4和一热屏蔽层3。众所周知，它们用来实现所述致冷剂室2和周围环境之间的热隔离。绝缘层5置于外部真空腔和热屏蔽层之间的空间内。该圆柱型磁体布置的可用内径4a需是某一最小尺寸以允许病人进入。

当磁体开始工作时，电流以渐增方式，即所谓的“逐渐加电”过程引入线圈34。随着电流的增加，便会产生磁场。由于这些线圈内有电流流动，磁场会作用于这些线圈，并产生作用于每个线圈的轴向力。也会产生径向力，径向力会增大或者减小各个线圈的直径。这可能导致线圈从其所在的线圈架上松脱，更可能发生移动；也可能使该线圈夹紧其所在的线圈架，这可能导致所述线圈摩擦受热。由于这些线圈的相对尺寸，通常，轴向力仅给轴向最外面的线圈带来不利影响。作用于屏蔽线圈的轴向力也可能是显著的，这些屏蔽线圈如图1B中所示的径向最外面的线圈。

这些力随着通过线圈电流的增加而增大。在线圈内电流增大的过程中，这些线圈上不断增加的作用力有可能导致其发生移动。线圈在压力的作用下，将抵靠所述线圈架的一部分。对于每个线圈来说，通常是线圈架的轴向内表面。这些表面称之为“推力面”，如图1B中36所示.

随着径向作用力的增大，线圈的直径会发生改变，例如，在线圈架上会变得越来越松。同时，轴向力还将这些线圈紧紧地挤靠在推力面36上。如果线圈被挤靠在推力面的同时发生了移动，或者移进与该推力面的接触处，则该接触面上将释放出热量。这些热量足以导致线圈失超。线圈在推力面上的移动是一种典型的“粘滑运动”-线圈和线圈架之间的压力会变大，直到它足够克服将这些线圈固定在其位置的“静摩擦力”，这导致了线圈的突发移动，线圈移动时会摩擦生热，由于这些线圈的运动穿过了磁场，因此会引起所述线圈材料中的感应电流。所产生的热量足以引起所述线圈失超。

如果出现失超，超导线圈会突然表现出抗导电性。此后，流经它的电流将释放出大量的热量。这使大量的冷却剂汽化，使电流加电过程必须重新开始。由此，一段时间内人们都在试图解决在电流加电过程中线圈移动的问题。

一种广为人知的方法是，在线圈和线圈架之间加入低摩擦力表面，称之为“滑移面”。这些表面并不阻止线圈移动，而是在线圈移动时，使线圈容易移动而不会产生明显的摩擦热。线圈可能以逐增方式移动，而不是以粘滑运动方式移动。然而，实际应用中发现，这种处理方式并不可靠。小的残缺或者杂质就可能使这种方法失去效果。

另一种熟知的方法是，线圈自身附上一缓冲层，加入到线圈和线圈架之间。通常这种缓冲层可以为一种玻璃纤维增强树脂层，该层在线圈的树脂浸渍工艺期间形成。缓冲层不是用来防止线圈粘滑运动，而是要吸收和耗散所产生的热量，以免该热量导致线圈的小部分区域升温。为缓冲层提供空间的需要可能会折衷磁体的电磁学设计。

JP2007050431讨论了用于减少在纸质抽拉管内的粘滑运动的方法和设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法和设备，以降低在线圈电流加电至全额电流期间超导磁体线圈发生“粘滑运动”的可能性。

相应地，本发明提供如所附权利要求书中所定义的方法和设备。

附图说明

结合下文描述的实施例(仅通过实例给出)和附图，本发明的上述和进一步的目的、优点和特点将更明显。

图1A-1B分别为根据本发明适合用于改进圆柱型超导磁体的径向和轴向截面图；并且

图2A-2C为根据本发明的实施例，执行器的布置横截面示意图。

图3为本发明与现有技术的对比结果。

本发明依赖于线圈在电流加电过程中的机械振动，在这种准则中，随着线圈的振动，电流加电期间，作用在这些线圈上的力所引起的运动是大量的轻微运动，单个轻微运动不足以导致失超，而不是少量的强烈运动，单个强烈运动足以导致失超。

在本发明的某些实施例中，提供如压电元件的执行器。该执行器的作用是在电流加电期间，在线圈和推力面之间引入相对振动。该振动使得线圈和线圈架之间的运动更加容易，以便将压力在受控状态以一些轻微运动的方式释放掉，而不是现有技术中的允许压力增加，再以相对大的粘滑运动方式释放出来。这样压力就以大量的小能量释放出来，每个小能量不足以导致超导线圈的失超。

本发明的一个实施例中，如图2A所示，在一个线圈架11上安置了一个压电执行器10，以使推力面发生振动。这种布置中，执行器10的一侧安置在线圈架11的外侧，邻近所述推力面。在该执行器的另一侧，放置一质量块12，如一个不锈钢环。所述执行器振动时，该质量块的惯性确保了在所述线圈架的推力面36上施加了一些振动。

在如图2B所示的另一实施例中，执行器10可以置于线圈架内，邻近线圈34。为了避免承受的全部轴向力施加在执行器上，该执行器可以置于所述线圈架推力面内的一个凹槽13里。该凹槽应足够深，以便容纳处于松弛状态的执行器，但是又不能深至足够容纳下处于通电状态的执行器。这允许该执行器在推力面和线圈之间产生振动，而不会让处于稳定状态的执行器承受到轴向力。

图2C是第三个实施例，其中，线圈架15至少由3个部件组成，即一个中央管件16和两个环形端件17。每个环形端件都支撑着一个屏蔽线圈34″和一个主磁体的轴向最外面的线圈34′。这种结构中，执行器10置于所述中央管件16和一个环形端件17之间。执行器10也可以置于所述中央管件和环型端件相对的两个面之中的至少一个面形成的凹槽18之中。该凹槽应足够深，以便容纳处于松弛状态的执行器，但又不能深至容纳下处于通电状态的执行器。这允许所述执行器使推力面产生振动，而不会让处于稳定状态的执行器承受到明显的轴向力。

任何一种结构中，都有可能要求几个执行器分配在所述线圈的圆周周围。例如，可以提供六个执行器，均匀地分布在每个末端线圈的圆周周面。也可以采用更少或者更多的执行器，需要反复试验以找到对任意特定结构都最合适的执行器的数目。甚至单个执行器也会具备本发明的某些优点。

图3是根据本发明，在电流加电过程中使用一个和/或复数个执行器的结果。沿着X轴表示电流逐渐增大，从零至目标工作电流Iop。Y轴则是以能量方式表示的失超余量：即导致线圈失超所需的额外能量的大小。失超余量随着电流的增大而减小，因为超导导体内的磁通量密度增加(与增加的电流有关)会减小失超余量。

曲线20表示理论上的、理想的情形，没有发生粘滑运动现象。失超余量随着电流的增加而逐渐减小。

曲线22表示常见的电流加电过程。其中，存在一些明显的粘滑运动事件，每个粘滑运动事件均释放出能量使线圈受热，这明显减小了失超余量。某些事件，如24所示，会使失超余量降为零，这就会发生失超事件。

另外，曲线26描述了根据本发明在线圈中装配了振动执行器的失超余量的变化。随着电流加电的进行，可以观察到相对多的小的粘滑运动事件，如28所示。每个此类事件均释放出一些热量，但不是显著的数量。这样线圈电流到达其目标值Iop时并没有失超余额接近零的情况。

应该合理地选取执行器的振动频率以引起线圈架共振，以将振动效应分布至整个线圈，优选的是分布至整个磁体，而不是只形成单个振动点。为了实现这种谐振，优选的方法是将复数个执行器置于对应于线圈架所选振荡模式的复数个波腹所在的或者与其相邻近的位置，该振荡模式与所述执行器运转时选用的共振频率相对应。对于典型的MRI成像系统的圆柱型磁体，执行器引入的振动频率预期为100-10000Hz。

尽管上述实施例采用一种电控振动传感器，然而，本发明可以通过外部磁场，采用磁体线圈产生振动来实现。正如在本领域中公知的那样，NMR或者MRI成像系统中提供有梯度线圈。这些梯度线圈可以在三维方向(X、Y、和Z)提供快速变化的磁场，以能够构建图像。一种梯度线圈组件32如图1B所示。所述梯度线圈组件通常包括用来在各个方向(X、Y、Z)产生时变磁场梯度的各自的线圈组件。

通过将振动电流应用在至少一个梯度线圈，借助线圈34的磁场与一个和/或复数个梯度线圈产生的振荡磁场的相互作用，从而在超导磁体的线圈34内引起机械振动。该振动很大程度上与前述布置所引入的振动有相同的效果，然而，这种布置的优点就是无需改变磁体。所述梯度线圈本身被用作振动执行器。实际上，在超导线圈34电流加电期间，所需全部是为所述梯度线圈施加频率和大小都合适的振荡电流。通过所述梯度线圈的振荡磁场为超导线圈引入机械振动，将会确保无显著的粘滑运动事件发生，随着电流加电进程的失超余量的变化本质上将遵循与图2中曲线24相似的路线。

如上所述，只要所选用的梯度线圈所产生的磁通量和磁体线圈34连接以引入所需要的激振力和振荡运动，X、Y和Z梯度线圈中的任何一个都可以用作执行器。也就是说，所选用的梯度线圈和磁体线圈34必须有一些互感。在目前的布置中，使用Z梯度线圈能最容易地满足该准则。

正常情况下，不希望出现梯度线圈和磁体线圈之间的此类电磁耦合效应，通常，使用梯度屏蔽线圈来减轻这种电磁耦合。此外，通常将梯度线圈和磁体线圈置于公共的磁场中心，以进一步减轻磁耦合。为了使本发明得以实施，通过临时将梯度线圈轴向偏离磁体几毫米，和/或使梯度屏蔽线圈不起作用(如，将这些梯度屏蔽线圈电气短路)，故意临时性地增强电磁耦合效应。

作为替代的，给梯度屏蔽线圈施加一个频率和大小都合适的振荡电流，该梯度屏蔽线圈可以用作执行器。该梯度屏蔽线圈通常位于梯度线圈本身的径向外侧，因此，其可以与磁体线圈34更有效地耦合。

可以采用多种其它布置以在线圈和线圈架之间引入相对振动。例如，可以设计布置，如采用梯度线圈将涡流引入热辐射屏蔽层3的材料中。由于这些涡流与磁体磁场之间相互作用将会引起热辐射屏蔽层的振动。这些振动会传播至线圈架，并将所需的相对振动引入线圈架和线圈之间。

另一种替代方式中，可以采用导电块以使磁体磁场内产生机械振动。例如，可以机械驱动一铝环或铝块在磁体孔内或者在磁体孔外绕轴A-A进行往复运动。导电块内感应的涡流会产生磁场，其与线圈产生的磁场相冲突，并在线圈上施加作用力，导致它们在线圈架上振动。导电块可以在磁体孔内绕轴A-A旋转，而不是往复运动，但有相似的效果。

这种方法中，可以使导电块在磁体孔外进行往复、或者绕轴A-A的振动。这种运动反过来会在屏蔽线圈内形成涡流，导致屏蔽线圈振动，并如上所述将振动传播至线圈架和线圈。

本发明的任何一种实施例中，都无需连续地为线圈和线圈架施加振动。这足够将突发性振动(例如每秒或者每五秒)应用在使任何增加的压力在其大到足以使粘滑运动事件能导致失超之前就被释放掉。

尽管本发明已参照在电流加电过程中对线圈施加振动进行了描述，但是，本发明也同样适用于电流去电过程。电流去电是指逐步移除来自超导磁体的电流。随着磁体内电流的减小，作用在线圈上的轴向力和径向力也会下降。这会在一定程度上使线圈从电流加电前其所在的位置上松脱。这个过程期间，至少部分线圈可轴向离开推力面，也可紧靠在线圈架上。即使线圈内电流下降，这些运动仍可能导致失超。在电流去电期间，通过使用振动执行器可以避免此类失超事件。

Claims (21)

1.一种逐步改变安装在线圈架(1)上的超导线圈(34)内的电流大小的方法，其特征在于，所述方法包括在所述电流大小改变期间，使所述线圈产生相对于所述线圈架的机械振动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过外部振荡磁场作用在所述超导线圈上引入所述机械振动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，提供一振动执行器(10)以控制它产生所述的机械振动，所述振动执行器(10)位于与所述线圈架接触处。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述线圈架上复数个位置处提供复数个振动执行器，所述振动执行器在使用中引起所述线圈架的谐振。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，在改变所述电流大小时间歇地形成所述振动。

6.根据权利要求3-5中任一权利要求所述的方法，其中，所述执行器在一凹槽(13)内，置于所述线圈和所述线圈架之间。

7.根据权利要求3-5中任一权利要求所述的方法，其中，所述执行器置于所述线圈架和一质量块(12)之间，所述质量块(12)提供惯性以使该执行器振动所述线圈架的推力面。

8.根据权利要求3-5中任一权利要求所述的方法，其中，所述线圈架由一种管件(16)组成，所述管件(16)的一端连接有一种环形件(17)，所述执行器置于所述管件和所述环形件之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过感应在热辐射屏蔽层材料中的涡流来引入所述机械振动，其中由于磁体的磁场与涡流相互作用引起所述热辐射屏蔽层的振动，该热辐射屏蔽层的振动传播至所述线圈，从而引入所述线圈相对于所述线圈架的所需振动。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使一导电块在磁体的磁场内进行机械振荡来引入所述机械振动，所述磁体包含所述线圈。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，以机械方式驱动导电块在一磁体孔内实现往复运动。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，导电块绕所述线圈的轴旋转。

13.一种使超导线圈相对于安装该线圈的线圈架进行机械振动的装置，该装置包括一种位于与所述线圈架接触处的振动执行器(10)，所述振动执行器(10)是可控的，以产生所述的机械振动。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，在所述线圈架上复数个位置处提供复数个振动执行器，所述振动执行器在使用中引起所述线圈架的谐振。

15.根据权利要求13-14中任一权利要求所述的装置，其中，所述执行器或每个执行器在一相应的凹槽(13)内，置于所述线圈和所述线圈架之间。

16.根据权利要求13-14中任一权利要求所述的装置，其中，所述执行器或每个执行器置于所述线圈架和一相应的质量块(12)之间，所述质量块(12)在使用中提供惯性以使所述执行器振动所述线圈架的推力面。

17.根据权利要求13-16中任一权利要求所述的装置，其中，所述线圈架由一种管件(16)组成，所述管件(16)的一端连接有一种环形件(17)，所述执行器或每个执行器置于所述管件和所述环形件之间。

18.一种使超导线圈相对于安装该线圈的线圈架进行机械振动的装置，该装置包括一在磁体的磁场内进行机械振荡的导电块，所述磁体包含所述线圈。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，以机械方式驱动所述导电块在一磁体孔内实现往复运动。

20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述导电块绕所述线圈的轴进行旋转。

21.一种参考附图中的图3进行详细描述的方法。

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