CN101889213A - 具有冷却系统的超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

一种磁体系统，具体是用于磁共振检查系统的磁体系统，包括超导主磁体，具有近的一组线圈绕组和远的一组线圈绕组。梯度线圈系统形成至所述线圈绕组的至少部分中的功率耗散源。所述近的一组线圈绕组和所述远的一组线圈绕组分别离所述功率耗散源近和远。冷却系统具有高温冷站和低温冷站。所述高温冷站主要冷却所述近的一组线圈绕组。所述低温冷站主要冷却所述远的一组线圈绕组。所述近的和远的组可选地由不同超导材料制成。从而，获得了附加的自由度，这容许较不昂贵的磁体设计。

Description

具有冷却系统的超导磁体系统

技术领域

本发明涉及具有冷却系统的超导磁体。

背景技术

美国专利US6396377示出了具有真空护套中的单独的磁体线圈的超导磁体组件。通过直接耦接至两级闭合循环致冷器，将每个磁体线圈冷却至超导温度。闭合循环致冷器作为冷却系统工作。具体地，两级致冷器在第一级产生约50K的液体He温度或在第二级产生约4K的温度。

发明内容

本发明的目的是进一步提高磁体线圈的冷却效率。

此目的通过本发明的磁体系统实现，该磁体系统包括：

-超导主磁体，具有近的一组线圈绕组和远的一组线圈绕组；

-至所述线圈绕组的至少部分中的功率耗散源；

-所述近的一组线圈绕组和所述远的一组线圈绕组分别离所述功率耗散源近和远；

-冷却系统，具有高温冷站和低温冷站；

-所述高温冷站主要冷却所述近的一组线圈绕组；以及

-所述低温冷站主要冷却所述远的一组线圈绕组。

本发明基于如下理解：冷却在较高温度通常更有效，并且不总是需要冷却至非常低的温度。当然，高温和低温均在用于线圈绕组的材料的针对超导性的临界温度以下。具体地，容许有效冷却的相对较高的温度施加于功率耗散源附近，且至较低温度的冷却施加于离功率耗散源更远处。通常，离功率耗散源更远的线圈绕组位于磁体系统的端部附近(圆柱磁体的情况)或具有大的直径(超导竖直场磁体的情况)，其中，磁场是强的，并且相对于磁体系统的旋转对称主轴具有基本径向的分量。因为磁体系统的端部附近的线圈绕组被冷却至较低温度，所以实现了临界电流的升高，使得较小量的昂贵导体材料足够确保不超过临界电流(密度)并且线圈绕组保持为超导的。另一方面，较靠近功率耗散源的线圈绕组通常位于磁体系统的中心附近，中心附近磁场较小并且基本沿磁体的旋转对称轴指向。在这些情况下，甚至在较高温度，高温超导体的临界电流相对高，并且在较高温度的工作不导致导体成本的显著增加。

为了支持近的一组线圈绕组和远的一组线圈绕组之间的温度差异，近的一组线圈绕组和远的一组线圈绕组由热阻热隔离。具体地，热阻由普通玻璃纤维塑料支撑结构形成。

在本发明的一方面，磁体系统应用于磁共振检查系统中。

将参照从属权利要求中限定的实施例进一步详细地阐述本发明的这些和其它方面。

为了施加梯度磁场用于磁共振信号的空间编码并用于RF场的空间选择性，提供梯度线圈。

在本发明的一方面，容许梯度线圈系统生成的磁场渗透属于近的一组的主场磁体的绕组，同时在属于远的一组的主磁体部分的位置处的梯度相关的磁场小。在开关梯度线圈，以施加梯度脉冲，即临时磁梯度场时，在近的一组的线圈绕组的超导材料中发生AC损耗。从而，梯度线圈用作功率储存(deposition)源。根据本发明，通过在致冷器通常具有高效率的较高温度操作暴露于梯度场的线圈绕组，这些绕组被更有效地冷却。更远离梯度线圈且未暴露于显著的梯度相关的磁场的线圈绕组由低温冷站冷却至较低温度，这提高了超导材料中的临界电流，并导致生成主场所需的超导线的量减小，提高了超导材料中的临界电流即容许较高的临界电流。在实际实施例中，高温和低温冷站是单个多级致冷器的热接口。

从而，本发明回避了如下需求：避免由梯度线圈将功率储存于超导主磁体的线圈绕组中。特别地，本发明使得梯度线圈能够径向地位于线圈绕组外部。国际申请PCT/US2006/61914中描述了具有径向地位于线圈绕组外部的梯度线圈的磁共振检查系统。在主线圈绕组外部的区域中，仅存在仅由于返回通量而导致的低的磁场强度。因此，在开关通过梯度线圈的电流时，最多弱的洛伦兹力作用于梯度线圈的绕组上，并且梯度线圈生成的声学噪声低。在梯度线圈安置于主线圈绕组外部时，不必在主线圈绕组内提供空间用于梯度线圈。因此，可以将主线圈绕组的直径减小至例如0.7m，而具有暖的穿孔中的梯度线圈的常规MRI磁体具有约0.95m的绕组直径。对第一近似，圆柱MRI磁体所需的超导材料的量随其直径的平方增加。结果，能够减小主磁体线圈的绕组的超导导体的量，使得需要较少的相对昂贵的超导材料。作为磁体外部的梯度线圈系统的替代，能够将非常薄的未屏蔽的梯度线圈放置在主磁体内部，或者直接在主磁体绕组的内部或在低温恒温器的暖的穿孔管上。在所有这些情况下，主磁体的中心部分将暴露于显著的梯度相关的磁场，导致这些线圈部分中的显著损耗。

在本发明的特定范例中，高温冷站具有在100-200W的范围中的冷却功率和在45-75K的范围中的工作温度。低温冷站具有在10-15W的范围中的冷却功率和在25-40K的范围中的工作温度。此布置适合于冷却由高温超导体绕成的超导主磁体的线圈绕组，高温超导体诸如是钇钡铜氧(YBCO)，其通过将超导材料作为薄膜沉积于金属带基底上而制造。线圈的中心部分暴露于约1.5特斯拉的静场，主要平行于超导带指向。在这些条件下，在60-65K的温度获得了合理的临界电流。磁体的端线圈暴露于强得多的静场(3-5T)，其在线圈部分的一些区域中具有垂直于超导带指向的分量。在这些条件下，60K的温度下的临界电流将非常小。在磁体的这些部分被冷却至30和40K之间的温度时，获得了高得多的临界电流。与所有线圈工作于中心线圈的温度水平的情况相比，此较高临界电流容许以显著的因子减小磁体的端线圈中使用的导体的总量。通过在致冷器成本(一旦减小线圈的工作温度，其升高)和导体成本(一旦减小工作温度，其降低)之间寻求成本最优化，能够找到最优化工作温度。

在本发明的一方面中，磁体的端线圈由不同种类的高温超导材料缠绕而成，典型地为二硼化镁(MgB₂)，与中心部分中所使用的材料不同的是，此材料具有低得多的有用工作温度，但是可以比中心部分中所使用的材料(典型地为钇钡铜氧(YBCO))便宜一个数量级。

作为YBCO带的替代，双温磁体的端线圈可以由诸如二硼化镁(MgB₂)的超导材料制造。在当前发展状态下，在高场MRI磁体中典型地遇到的场中最大的实际工作温度为约20K。该低的工作温度需要更昂贵的低温致冷系统，但是此附加的成本可由MgB₂的成本典型地比第二代YBCO带的成本低一个数量级的事实而抵消。

在本发明的另一方面中，采用一个或多个热管以提供冷站和主磁体线圈之间的热连接。热管包含冷却介质，例如氮气(N₂)或诸如氖的惰性气体。在一端(称作冷凝器)，热管热连接至(致冷器的)冷站，冷站从热管吸取热。热管的相反端连接至热负载，热负载可以是热要被去除的超导主场线圈的一部分或磁体系统的另一部分。热管的此冷却端能够吸收热。冷却端和冷凝器端之间的热输运通过冷却端冷却介质的蒸发和冷凝器端冷却介质的重新冷凝而发生。冷凝器端冷站的温度必需足够低，使得冷却介质在那里冷凝。热管布置成使得冷凝的冷却介质从制冷的端滴到相反的冷凝器端。热管可以以任意角度安装或可以是弯曲的，只要冷凝器和冷却端之间的冷却液的路径是沿热管的整个长度向下。

在书籍heat pipe science and technology[A.Faghri.1995]中描述了热管技术本身。热管能够由诸如不锈钢的具有低的热传导率的管材制成。替代地，在热管中的气体不是在进行有效热传交换所需的气/液两相状态时，能够增加具有高的热传导率的材料的旁路以减小工作状况下的热阻。在冷却期间，当冷凝温度没有达到时，该工作状况的范例会发生，在热过载期间，当所有液体已从热吸收端汽化或当致冷器的温度太低使得工作液体在冷凝器处冻结成固体时，该工作状况的范例会发生。

在本发明的另一方面，主磁体的线圈绕组安装在玻璃纤维塑料结构上。为了以比主磁体的其它部件高的温度操作例如主场线圈的绕组的部分的部件，将线圈组件保持一起的结构需要具有足够高的热阻，否则所有线圈部分的温度将很快变得相等。估计厚度为30nm(其足够经受线圈部分之间的磁力)和长度为100mm的玻璃纤维支撑结构具有约5K/W的热阻。这是足够低的，容许磁体的端线圈在比中心线圈低30-40K的温度工作，而不会在致冷器的低温冷站上产生不可接受的导热负担。为了减小远的一组绕组上的辐射热负载，它们可以由辐射屏围绕，辐射屏固定至冷却近的一组绕组的冷站。整个冷的质量，包括近的一组绕组、远的一组绕组、互连结构和可选地梯度生成系统，由电学上不传导的真空封装围绕。将冷的质量保持在此真空封装内的位置的结构优选地联接至在近的一组绕组的温度水平的冷质量。

在本发明的另一方面，冷却系统还冷却梯度线圈。如果梯度线圈是冷质量的一部分，这是需要的。梯度线圈系统的绕组可以包括标准传导或超导材料。如果梯度线圈由铜制成，则60-70K处的阻值将粗略为室温值的1/7^th。这导致足够低的耗散，使得热能够由致冷器的较高温度站吸收。替代地，梯度绕组可以由诸如YBCO带的高温超导材料制成。替代地，高温冷站将梯度线圈冷却至它们的超导温度以下。这使得能够将超导梯度线圈采用于磁共振检查系统中。在本发明的此方面中，梯度线圈能够通过热管热连接至高温冷站。这些热管热连接至热管的蒸发器端的梯度线圈的绕组。冷却端热连接至高温冷站。

在本发明的另一方面，低温冷站具有低功率工作模式。在关闭的低功率工作模式中，在MRI系统不使用时，低温冷站被关闭和/或减小高温冷站的冷却功率。当磁共振检查系统不扫描时，能够将低温冷站切换至低功率工作模式，低功率工作模式中功率被节省，但是远的一组线圈的温度升高。

总体而言，本发明的特征提供附加的自由度，这容许较不昂贵的磁体设计和改善的性能。

附图说明

将参照以下描述的实施例并参照附图阐述本发明的这些和其它方面，其中：

图1示出了采用了本发明的用于磁共振检查系统的磁体系统的范例的图示；

图2示出了采用了本发明的用于磁共振检查系统的磁体系统的另一范例的图示；

图3示出了冷却功率对本发明的磁体系统中采用的冷站的温度的依赖关系的范例；以及

图4示出了在两个典型的工作温度，诸如YBCO的高温超导体的临界电流与平行或垂直于超导带的场的关系的典型曲线。

具体实施方式

图1示出了采用了本发明的用于磁共振检查系统的磁体系统的范例的图示。磁体系统包括一组1主场线圈，主场线圈包括中心磁体线圈2和端线圈3。因为该组主场线圈是对称的，所以图中实际上仅示出了线圈的部分。该组主场线圈围绕其纵轴a是圆柱对称的。此外，该组主场线圈相对于正交于纵轴a的对称面b是反射对称的。中心磁体线圈2位于磁体系统的中心区域中，即在磁体系统并入圆柱磁共振检查系统中时在圆柱磁共振检查系统的穿孔的中心部分中。端线圈3位于圆柱磁共振检查系统的穿孔的端部。实际上，可以采用数个中心线圈和数个端线圈。通电时，中心线圈和端线圈协同形成磁共振检查系统的穿孔中的均匀静磁场(主场)，该静磁场典型地为1.5T、3.0T或7.0T。提供梯度线圈系统4，通电时，该线圈系统产生叠置于主场上的梯度磁场(梯度场)。实际上，可以在数个方向上采用数个梯度场，以实现磁共振信号的空间编码，该数个方向通常为正交的。梯度线圈以脉冲方式工作，即它们间歇地开通或关断以产生临时梯度磁场，用于选择性激励、相位编码和磁共振信号的读数编码。在于此考虑的磁体/梯度系统中，容许梯度线圈生成的场渗透到主磁体的中心部分的绕组中(在常规MRI系统中，梯度磁场不会到达主磁体线圈)。主磁体绕组暴露于此AC场导致涡流和磁滞损耗。在于此所示的范例中，梯度线圈4使得功率主要储存于中心线圈2中，并且也(在小得多的程度上)储存于端线圈3中。

主场线圈2、3是超导线圈，并且它们由通过数个热管61、62耦接至这些线圈的冷却系统5冷却。冷却系统包括由热管62耦接至中心线圈2并工作在65K的温度的高温冷站52。冷却系统还包括由热管61耦接至端线圈3并工作在30K的温度的低温冷站51。高温冷站52和低温冷站51由温控模块53和54调节。这使得能够独立地分别控制中心线圈2和端线圈3的温度。

梯度线圈也能够是由高温冷站52冷却的超导线圈。为此目的，提供热管63已将梯度线圈4热连接至高温冷站52。在图1中所示出的范例中，梯度线圈位于主场线圈的内部。需要注意的是，每个热管61、62、63实际上可以包括多个热管，这些热管并联连接并附着至待冷却的结构上的数个热传递站。

图2示出了采用了本发明的用于磁共振检查系统的磁体系统的另一范例的图示。具体地，在图2的范例中，梯度线圈位于主场线圈的外部，即梯度线圈位于主场线圈外部、远离纵轴a。在此方式中，梯度线圈占据较少的径向穿孔空间，使得待检查的患者在磁共振检查系统的穿孔中时较小程度地感受到被锁住。此外，因为梯度线圈位于主场线圈外部，梯度线圈所处的区域最多存在低磁场，并从而在开关梯度线圈时，梯度线圈生成低水平的声学噪声。

图3示出了冷却功率对本发明的磁体系统中采用的冷站的温度的依赖关系的范例。从图3明显可以看到，冷站的冷却功率随温度的升高而升高，特别是在25K至30K的范围中的低温处，冷却功率随温度的下降迅速降低。在约50K的温度实现了较高的冷却效率。取决于致冷器的结构的细节，在零热负载时所获得的最小温度和温度与所施加的热负载的关系可以与图3中所示的曲线不同，但是总的形状相类似，如果选择较高的工作温度，将导致可用的冷却功率迅速升高。图1和2中所示出的两个冷站可以对应于两个物理上分开的致冷器或它们可以是单个多级致冷器上的两个冷却级。在后一种情况下，多级致冷器的每个冷却级的特征能够是具有图3中所示的总体形状的负载曲线。

图4示出了在两个不同温度，第二代YBCO带导体的临界电流(密度)I_c与(平行或垂直于带平面)的磁场强度B的典型关系。总体上，临界电流随磁场强度和/或温度的升高而降低。在导体被暴露的场的取向平行于带的表面时，临界电流较高。

图4包含在超导磁体的两个不同部分中使用的导体的两个工作点。第一点对应于中心部分，工作在相对高的温度，其中，作用于导体上的场较小并占主要平行于带表面指向。此线圈部分中的电流由77K I_c(B)_∥曲线限定。另一点对应于较低温度端线圈中的导体，其中，在线圈的部分中，场较大并垂直于带。此线圈能够工作于高达30K I_c(B)_⊥曲线的电流。清楚地，如果端线圈也工作于较高温度，最大电流将由77K I_c(B)_⊥曲线限定，其是低得多的值。为使得能够进行超导工作，77K端线圈的线匝的数量比30K工作温度的高许多倍。因此，在较低温度，需要较少的线圈绕组来生成给定的主磁场强度。即，需要较不昂贵的超导体材料。另一方面，从图3明显可以看到，低温处的冷却功率较小，所以仅能够在磁体系统的梯度相关的耗散小的部分中使用低的工作温度。甚至是对于低耗散状况，致冷器设备和低温隔离的成本也随温度的降低而升高，并且因此将存在最佳工作温度，在该温度，超导材料和低温冷却的综合成本达到最小。

本发明提供了在一方面在低温冷却和另一方面在较高温度更有效地冷却之间寻求折中的能力，低温冷却特别是用于经历了相对高的横向(相对于带状导体的平面)磁场分量的线圈绕组，该磁场分量提供充分可接受的电流密度，使得仅需要合适数量的线圈绕组，在较高温度冷却时，维持超导性的最大电流较高。用于相对于带状导体的平面为横向的磁场的临界电流决定维持超导性的最大电流。相对于带状导体的平面为横向的磁场由端线圈3处的横向磁场分量支配。当执行冷却以降低温度时，例如降低至30K，可接受的电流(密度)从77K处的I_T＝77升高至30K处的I_T＝30。在中心线圈处，维持超导性的可接受的电流密度由磁场强度的面内分量决定。图示出了在例如77K的相对高的温度，面内临界电流仍然比电流密度I_T＝30稍高。在例如77K的较高温度，在中心线圈2中维持超导性的最大电流密度仍然比端线圈中的I_T＝30稍高。中心线圈处的主磁场的面内分量容许相对高的电流密度，同时维持超导性。中心线圈处的横向分量仅是微小的(marginal)的，并因此对应于高的可容许的电流密度。

Claims (10)

1.一种磁体系统，具体用于磁共振检查系统，包括：

-超导主磁体，具有近的一组线圈绕组和远的一组线圈绕组；

-至所述线圈绕组的至少部分中的功率耗散源；

-所述近的一组线圈绕组和所述远的一组线圈绕组分别离所述功率耗散源近和远；

-冷却系统，具有高温冷站和低温冷站；

-所述高温冷站主要冷却所述近的一组线圈绕组；以及

-所述低温冷站主要冷却所述远的一组线圈绕组。

2.如权利要求1所述的磁体系统，包括施加磁梯度场的一个或多个梯度线圈，其中，所述近的一组线圈绕组在所述一个或多个梯度线圈附近，且所述远的一组线圈绕组远离所述一个梯度线圈。

3.如权利要求1所述的磁体系统，其中

-所述高温冷站具有在100-200W之间的范围中的冷却功率并具有在45-75K的范围中的工作温度；和/或

-所述低温冷站具有在10-15W之间的范围中的冷却功率并具有在25-35W的范围中的工作温度。

4.如权利要求1所述的磁体系统，其中，一个或多个热管提供至少一个所述冷站和其相应的线圈绕组之间的热连接。

5.如权利要求1所述的磁体系统，其中，所述近的线圈绕组和所述远的线圈绕组彼此热隔离。

6.如权利要求2所述的磁体系统，其中，所述冷却系统还布置为冷却所述一个或多个梯度线圈。

7.如权利要求1所述的磁体系统，其中，所述低温冷站具有低功率工作模式。

8.如权利要求1所述的磁体系统，其中，所述近的线圈绕组和所述远的线圈绕组的绕组均由相同高温超导材料制成，该高温超导材料具体是第二代YBCO带。

9.如权利要求1所述的磁体系统，其中，所述远的一组的绕组的超导材料与所述近的一组的超导材料不同，并且所述远的一组的绕组的所述超导材料的有用工作温度比所述近的一组的所述超导材料的有用工作温度低。

10.一种磁共振检查系统，其包括如权利要求1至9的任一项所述的磁体系统。

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