CN102117690A - 一种低温超导磁体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种低温超导磁体系统，包括具有真空夹层的杜瓦容器、包围在杜瓦容器内的超导线绕组、以及包含有磁性材料的制冷机，在制冷机的磁性材料运动区域设置有多层结构的磁屏蔽罩。由于磁屏蔽罩具有多层结构，可以有效地屏蔽该制冷机运行时产生的甚低频电磁干扰对磁体系统工作磁场稳定性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温超导磁体系统，特别是一种磁体系统工作磁场稳定性较高的低温超导磁体系统。
背景技术
低温超导磁体系统可提供高稳定度、高均匀度、高场强的磁场，是高性能MRI(高性能医疗用核磁共振成像仪)等相关装置的首选磁体系统。低温超导磁体的超导线绕组通常需要温度很低的工作环境。通常，该低温工作环境采用一个内充低温液体(通常为液态氦)的容器提供，超导线绕组浸泡在其中。由于低温液体尤其是液氦价格昂贵，为了减少低温液体汽化、蒸发导致的损耗，通常使用制冷机进行冷却。
用于上述用途的一些类型的制冷机，例如GM型制冷机，在其回热器中含有磁性材料。在制冷机工作时，该磁性材料做往复运动，从而产生频率为1-1.2Hz的甚低频电磁干扰。这种电磁干扰作用于磁体系统的工作磁场，结果将导致工作磁场的均匀性和稳定性降低，对于MRI磁体系统而言，将降低MRI系统的成像质量。
目前，为了屏蔽上面提到的甚低频电磁干扰，一般采取屏蔽结构或屏蔽装置。例如，中国国家知识产权局2007年5月2日公开的公布号为CN1957429A的专利申请公开了一种利用纯度至少为99.999％的导电材料(例如铜、铝)制成的屏蔽结构，屏蔽源自制冷机的甚低频电磁干扰。该技术方案，需要获得相当高纯度的材料，成本很高；另外单层的屏蔽结构屏蔽效果不理想。
中国国家知识产权局2007年8月8日公开的公布号为CN101012982A的专利申请公开了一种利用超导材料制成的磁屏蔽装置，但是该磁屏蔽装置需要特殊制造的超导材料，成本非常高。
另外，日本专利特开平2-161260公开了一种在制冷机自身的周围，设置由导磁性材料构成的屏蔽结构，该技术方案增加了制冷机自身结构上的复杂性，并且当制冷机冷却级被氦气包围时，存在由高温区向低温区的固体热传导问题。因此，目前的技术方案不同程度的存在屏蔽效果欠佳，成本较高，结构复杂等问题。
发明内容
本发明提供了一种能够有效屏蔽制冷机中所含磁性材料运动时产生的甚低频电磁干扰，以保证获得稳定工作磁场的低温超导磁体系统。
本发明一种低温超导磁体系统，包括由内层壳体和外层壳体组成的杜瓦容器、位于杜瓦容器真空夹层中的至少一层导热屏以及至少部分位于杜瓦容器真空夹层中的制冷机；超导绕组被包围在杜瓦容器之内，制冷机内含有磁性材料，基本围绕制冷机中磁性材料运动的区域设置的磁屏蔽罩至少具有中间存在间隙的两层屏蔽体。
本发明一种低温超导磁体系统，其磁屏蔽罩的屏蔽体之间通过绝缘材料制成的支撑件相互连接，并且电绝缘。
本发明一种低温超导磁体系统，其磁屏蔽罩与制冷机无机械连接。
本发明一种低温超导磁体系统，其磁屏蔽罩通过由导热性良好的绝缘材料制成的固定件与内层壳体连接。
本发明一种低温超导磁体系统，其磁屏蔽罩的屏蔽体的材料为纯度高于99.95％的铝、铜或者采用电工纯铁。
本发明一种低温超导磁体系统，其屏蔽体可以为一个整体或者为多部件组合在一起的整体。
由于本发明所述的低温超导磁体系统的磁屏蔽罩为多层结构，电磁波的电磁能量穿透该磁屏蔽罩需要经过多次的反射、折射、吸收、透过过程，因此屏蔽效果优于单层结构的磁屏蔽结构。另外，该屏蔽结构安装于杜瓦容器真空夹层温度最低的部位，并且不与其它部位连接，可以使屏蔽体获得最大电导率或磁导率的同时，避免高低温区间的固体热传导，而且不影响制冷机的拆装。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行描述。
图1应用本发明的MRI低温超导磁体的剖视图；
图2本发明磁屏蔽罩安装部位的放大图。
具体实施方式
如图1所示，一种MRI低温超导磁体系统，4K的内层壳体1和300K外层壳体3组成杜瓦容器，超导绕组16位于内充液氦的杜瓦容器中，在杜瓦容器的真空夹层内设置40K导热屏2。制冷机8安装在杜瓦容器真空夹层内的低温颈管4和高温颈管7中。磁屏蔽罩6环绕包围该低温颈管4设置。
该实施例中，示出的是一种GM型两级制冷机。该制冷机8的第一级冷却级9冷却40K导热屏2，第二级冷却级11冷却连接于杜瓦容器4K的内层壳体1上的冷凝器12，从而使已蒸发的氦气体重新凝结成液态滴回。正常工作状态下，制冷机第二级的回热器中的磁性材料10处在磁体系统产生的工作磁场中，并做上下往复运动，因此产生一个频率f为1-1.2Hz的甚低频电磁波。该甚低频电磁波会对磁体系统的工作磁场产生干扰，影响MRI的成像质量。
如图2所示，本实施例中磁屏蔽罩6的屏蔽体13呈圆筒形，由高纯度导电性材料或导磁性材料制成，采用套装在一起的3层结构，围绕低温颈管4设置且保持不接触。相邻的两层屏蔽体13之间可以由绝缘材料制成的支撑件14连接，以保证每层屏蔽体13之间相互电绝缘并保持适当间隙。屏蔽体13通过由导热性良好的绝缘材料，例如氮化硅制成的固定件15固定到杜瓦容器的4K内层壳体1上并热连接，从而实现对屏蔽体13的冷却，以获得高的电导率γ2，并且不破坏多层屏蔽体13间的电绝缘。该屏蔽体13可以是一个单部件多层圆筒形结构，在实践中，还可以将该屏蔽体分割成两个或几个部件来提供，安装时再将各部件组装成一个完整的圆筒形结构，这样，该屏蔽结构的安装将变得更加方便和容易。
如图1和图2所示，为保证屏蔽效果，该屏蔽体13的长度沿着低温颈管4向上方尽量延伸，以不接触制冷机8的第一级热站5(较高温度区)为限。由于该屏蔽结构设置在低温颈管4外侧的杜瓦容器真空夹层内，并且不与较高温度区，例如第一级热站5及低温颈管4相连接，所以它不会带来高低温区之间的固体热传导损耗。另外，由于不与制冷机8发生机械连接，也不影响制冷机8的拆装操作。
下面通过分析，解释本发明屏蔽甚低频电磁波的原理。
正常工作状态下，制冷机第二级的回热器中的磁性材料处在磁体系统产生的工作磁场中，并做上下往复运动，因此产生一个频率f为1-1.2Hz(角频率ω＝2πf＝6.28-7.54)的甚低频电磁波，对磁体系统的工作磁场产生干扰。该电磁波产生于磁屏蔽罩所包围的区域内并向外发射，当该平面电磁波到达屏蔽体内壁表面，入射到两种媒介质的分界面时，部分地反射，部分地折射。其反射、折射的数值与界面二侧媒介质的波阻抗有关。对真空(氦气)来说，其波阻抗|Zc1|＝377Ω，对导电媒介质来说
(其中ω-电磁波的角频率，μ2-导电媒介质的磁导率，γ2一导电媒介质的电导率)。无论在铜、铝或铁的情况下，皆为|Zc2|＜＜|Zc1|，即入射波中仅有极小一部分穿透到屏蔽体中，波几乎全部反射并带有符号变化，相迎两波的电场强度是相加的，而磁场强度是相减的。沿着电磁波前行的方向，伴随着的是电磁能量的输送。当入射波及反射波互相叠加，到达屏蔽体表面并穿透入其中后，该电磁波的振幅以指数e-βy衰减(式中，2β称为媒介质的吸收系数，y为穿透深度)。该式表明，穿透到屏蔽体中(金属媒介质)的干扰电磁波，其携带的电磁能量被吸收而衰减，频率越高、穿透深度越大衰减越多。由于该甚低频电磁波的频率一定，所以屏蔽体的导电及导磁系数越大，厚度越大，则穿透波携带的电磁能量在其中被吸收的部分越大，亦即屏蔽效果越好。
通过上面的分析可知，要想使欲屏蔽的甚低频电磁波在屏蔽体中衰减到需要的水平，选用单层高导电率的材料，例如纯铜、纯铝等，尽管可以实现，但该屏蔽体必须具有足够的厚度，同时材料的纯度必须达到非常高的水平(例如铜的纯度需要达到99.999％)，但是，高纯度材料的制备成本非常高。本发明将磁屏蔽结构设计成为之间存在一定缝隙的多层结构，利用电磁波的多次反射-折射、吸收-穿透过程有效降低透过屏蔽体的电磁能量，可明显地提高对甚低频电磁波的屏蔽效果。因此，本发明提供的多层屏蔽结构，在满足屏蔽要求的前提下，降低了对屏蔽体材料纯度的要求，例如99.95％的铜或工业纯铁就可以满足需要，极大地降低了成本。
下面以99.95％纯铜和普通级的纯铁为例，对比说明不同屏蔽体材料的屏蔽效果。以欲屏蔽的电磁波频率f＝1Hz(ω＝6.28)为例，纯铜和纯铁在4K温度下对电磁波能量的吸收能力如下：
99.95％Cu μ2＝12.57×10-9H/cm，γ2@4k＝6250×1041/Ω·cm，
取ω＝6.28，则β＝1.571/cm。
普通级的纯铁 取μγ@0.5T-1.5T≥1200，
μ2＝1200×4π×10-9＝1.5×10-5H/cm，
γ2@4K＝1000×1041/Ω·cm，
取ω＝6.28，则β＝21.81/cm。
可见，用于屏蔽频率f＝1Hz的甚低频电磁波，选用纯铁远好于纯铜。
事实上，当选用多层纯铁材料制作该磁屏蔽结构时，除了可以有效地减弱甚低频电磁场的空间发射以外，还会因“磁短路”而使匝连高性能医疗用核磁共振成像仪成像区17的磁通量绕过制冷机中的磁性材料10，从而避免电磁场之间的相互作用。
高性能医疗用核磁共振成像仪超导磁体中，其成像区17内要求高均匀度、高稳定度的轴向磁场。为了尽可能的提高成像质量，制冷机8和屏蔽体13以超导绕组16的轴向中心横截面为安装中心，因此，在屏蔽体安装中心两侧的磁场是对称的，从而使屏蔽体具有更好的屏蔽效果。
Claims (6)
1.一种低温超导磁体系统，包括由内层壳体(1)和外层壳体(3)组成的杜瓦容器、位于杜瓦容器真空夹层中的至少一层导热屏(2)以及至少部分位于杜瓦容器真空夹层中的制冷机(8)；超导绕组(16)被包围在杜瓦容器之内，制冷机(8)内含有磁性材料(10)，其特征在于，基本围绕制冷机(8)中磁性材料(10)运动的区域设置的磁屏蔽罩(6)至少具有中间存在间隙的两层屏蔽体(13)。
2.根据权利要求1所述的一种低温超导磁体系统，其特征在于磁屏蔽罩(6)的屏蔽体(13)之间通过绝缘材料制成的支撑件(14)相互连接，并且电绝缘。
3.根据权利要求1或2所述的一种低温超导磁体系统，其特征在于磁屏蔽罩(6)与制冷机(8)无机械连接。
4.根据权利要求3所述的一种低温超导磁体系统，其特征在于磁屏蔽罩(6)通过由导热性良好的绝缘材料制成的固定件(15)与内层壳体(1)连接。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种低温超导磁体系统，其特征在于磁屏蔽罩(6)的屏蔽体(13)的材料为纯度高于99.95％的铝、铜或者采用电工纯铁。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种低温超导磁体系统，其特征在于屏蔽体(13)可以为一个整体或者为多部件组合在一起的整体。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120912 |
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