CN102360689B - 开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统 - Google Patents

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Abstract

一种开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统，其上、下超导线圈(6、11)之间装有线圈之间内支撑杆(9)。上、下线圈骨架(7、12)上焊有磁体传热交换器(8)。上、下超导线圈(6、11)以高压氦气容器(4)作为外支撑和应力支撑骨架。高压氦气容器(4)和上、下超导线圈(6、11)安装在低温真空容器(2)内，上、下超导线圈(6、11)上下对称布置在高压氦气容器(4)内。上线圈应力支撑结构(13)支撑上超导线圈(6)，下线圈应力支撑结构(17)支撑下超导线圈(11)。上、下线圈应力支撑结构环向布置在低温容器的外壁上。C形结构支撑梁支撑整体重量。

Description

开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统
技术领域
本发明涉及一种核磁共振成像磁体系统，特别涉及具有开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统。
背景技术
与圆柱形封闭式的核磁共振磁体系统相比较，开放式核磁共振磁体系统具有适合于医疗诊断和介入治疗的优点，减小病人产生幽闭症的风险。磁共振成像磁体系统要求产生较高的均匀磁场，即在40cm球形范围内磁场的不均匀度小于1ppm(10-6)。由于永磁材料特征磁场的限制，磁场通常运行在0.35T，磁场在0.5T以上，其磁体系统造价和重量已经接近极限程度，因此需要发明新的技术和方法来克服这种问题。
随着新型超导材料和低温技术的发展，使用传导冷却技术取代现有的液氦浸泡冷却技术，使用超导磁体技术取代永磁磁体技术，同时使用铁轭来校正、屏蔽磁场和提供磁场回路，可以形成新型结构的磁体，即具有铁轭屏蔽的开放式超导C形结构的磁体系统。新型结构的磁体的重量较小、结构较为紧凑。系统内对称分布的超导线圈与上下铁轭之间产生几十吨的相互作用力，磁体使用外支撑结构保证系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术采用液氦制冷、操作复杂，成本高等缺点，提出一种具有铁轭屏蔽的开放式C形结构的传导冷却超导磁体系统。本发明超导磁体系统可提供0.7T以上的磁场，结构紧凑，不需要液氦制冷，重量轻，特别适用于医学诊断和介入治疗。
本发明核磁共振超导磁体系统包括制冷机，低温真空容器，防热辐射屏，高压氦气容器，氦气冷却热交换器，上超导线圈，上线圈骨架，磁体传热交换器，线圈之间内支撑杆，吊装拉杆，下超导线圈，下线圈骨架，上线圈应力支撑结构，下线圈应力支撑结构，上磁极，下磁极，C形结构支撑梁。
本发明核磁共振超导磁体系统的制冷机安装在低温真空容器上端，制冷机的一级冷头连接防热辐射屏，制冷机的二级冷头连接高压氦气容器，制冷机的二级冷头下端面上还装有氦气冷却热交换器，低温真空容器和高压氦气容器均为各自封闭的一个腔体，高压氦气容器安装在低温真空容器内部，在高压氦气容器内上下对称布置有上超导线圈和下超导线圈。上超导线圈和下超导线圈之间装有线圈之间内支撑杆，所述的线圈之间内支撑杆支撑上超导线圈和下超导线圈，承受上超导线圈和下超导线圈在轴向方向上相互之间的电磁排斥力。上线圈骨架和下线圈骨架采用铝合金材料制作。上线圈骨架的表面和下线圈骨架的表面上均焊接有磁体传热交换器，磁体传热交换器采用铜管结构，铜管内流通有一定压强传热气体。铜管一圈一圈地焊接在上线圈骨架和下线圈骨架上。上超导线圈和下超导线圈由高压氦气容器作为外支撑和应力支撑骨架。上线圈应力支撑结构和下线圈应力支撑结构均环向布置在高压氦气容器的外壁上。上线圈应力支撑结构用于支撑上超导线圈径向方向的电磁力。下线圈应力支撑结构用于支撑下超导线圈径向方向的电磁力。高压氦气容器、上超导线圈和下超导线圈通过吊装拉杆的支撑，安装在低温真空容器内部。下超导线圈绕制在下线圈骨架上，下线圈应力支撑结构用于支撑下超导线圈径向方向的电磁力。上磁极和下磁极由高磁导率的铁磁材料制成，分别布置在低温真空容器的上下两端，提供所述的核磁共振超导磁体系统的均匀磁场，上磁极和下磁极的一侧由铁磁材料制成的C型结构的支撑梁连接，所述的支撑梁支撑整个核磁共振超导磁体系统的重量。上磁极、下磁极、C型结构支承梁与低温真空容器一起形成本发明传导冷却核磁共振超导磁体系统的开放式C形结构。
本发明超导磁体系统的磁体传热交换器的铜管内充有氦气进行换热，管内氦气的压强大约为0.1Mpa，磁体传热交换器内装有采用螺旋结构的铜管，铜管一圈一圈地焊接在上线圈骨架和下线圈骨架上，用于增大磁体传热交换器和上超导线圈、下超导线圈之间的热交换效率。
本发明上超导线圈和下超导线圈均通过磁体传热交换器内的氦气进行传热，高压氦气容器分为上下两部分，上下两部分由空心的线圈之间内支撑杆连通。磁体传热交换器分为上下两部分，上下两部分由磁体热交换器连接管连接，磁体热交换器连接管从所述的线圈之间内支撑杆的内孔中穿过，将高压氦气容器上部的冷量传导到下超导线圈，提供下超导线圈正常运行的低温环境。
本发明上超导线圈和下超导线圈使用NbTi或MgB2超导线材绕制形成，与铁磁材料构成的上磁极和下磁极共同形成C形结构的磁场回路，使本发明超导磁体系统结构变得简单。
本发明超导磁体采用环流0.1Mpa氦气循环和高压氦气容器冷却上、下超导线圈。使用一台GM制冷机提供系统的冷源，结构紧凑，无需液氦。
本发明的上、下线圈骨架采用高强度的6061-T6铝合金结构，提供系统的结构支撑，失超时加热线圈，可提高失超传播速度。同时热交换器可以很好对骨架传热，从而提高超导线圈的冷却效率。
附图说明
图1为开放式超导磁体的主体结构示意图，图中：1制冷机，2低温真空容器，3防热辐射屏，4高压氦气容器，5氦气冷却热交换器，6上超导线圈，7上线圈骨架，8磁体传热交换器，9线圈之间内支撑杆，10吊装拉杆，11下超导线圈，12下线圈骨架，13上线圈应力支撑结构，14上磁极，15下磁极，16C形结构支撑梁；17下线圈应力支撑结构；
图2为超导线圈和低温容器导热结构图，图中：18线圈与骨架之间的绝缘隔离层，19磁体热交换器连接管；
图3开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统实施例的外形图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
图1所示为本发明开放式核磁共振超导磁体系统。如图1所示，本发明开放式核磁共振超导磁体系统包括制冷机1，低温真空容器2，防热辐射屏3，高压氦气容器4，氦气冷却热交换器5，上超导线圈6，上线圈骨架7，磁体传热交换器8，线圈之间内支撑杆9，吊装拉杆10，下超导线圈11，下线圈骨架12，上线圈应力支撑结构13，上磁极14，下磁极15，C形结构支撑梁16，下线圈应力支撑结构17。
所述的制冷机1安装在低温真空容器2的上端，制冷机1的一级冷头连接防热辐射屏3，制冷机1的二级冷头连接高压氦气容器4，制冷机1的二级冷头下端面上装有氦气冷却热交换器5，低温真空容器2和高压氦气容器4均为各自封闭的一个腔体，高压氦气容器4安装在低温真空容器2内部，在高压氦气容器4内上下对称布置有上超导线圈6和下超导线圈11。上超导线圈6和下超导线圈11之间装有连接上、下超导线圈11的线圈之间内支撑杆9，所述的线圈之间内支撑杆9支撑上超导线圈6和下超导线圈11，承受上超导线圈6和下超导线圈11在轴向方向上相互之间的电磁排斥力。上线圈骨架7和下线圈骨架12采用6061-T6铝合金材料制作，上线圈骨架7的表面和下线圈骨架12的表面上焊接有磁体传热交换器8。磁体传热交换器8采用铜管结构，铜管内流通有一定压强传热气体氦气。铜管一圈一圈地焊接在上线圈骨架7和下线圈骨架12上。上超导线圈6和下超导线圈11由高压氦气容器4作为外支撑和应力支撑骨架。高压氦气容器4、上超导线圈6和下超导线圈11通过吊装拉杆10支撑在低温真空容器2内部。上线圈应力支撑结构13用于支撑上超导线圈6径向方向的电磁力。下超导线圈11绕制在下线圈骨架12上，下线圈应力支撑结构17用于支撑下超导线圈11，承受下超导线圈11径向方向的电磁力。上磁极14和下磁极15由高磁导率的铁磁材料制成，分别布置在低温真空容器2的上下两端，提供系统的均匀磁场。上磁极14和下磁极15的一侧由铁磁材料制成的C型结构的支撑梁16连接，C型结构的支撑梁16支撑整个系统的重量，上磁极、下磁极、C型结构的支承梁与低温真空容器2一起形成本发明传导冷却核磁共振超导磁体系统的开放式C形结构。
如图2所示，本发明超导磁体的上超导线圈6和上线圈骨架7，下超导线圈11和下线圈骨架12之间有线圈与骨架之间的绝缘隔离层18，线圈与骨架之间的绝缘隔离层18是具有光滑结构的中间层，可保证所述线圈在受电磁力作用，产生结构形变时不会与支撑结构之间产生相互作用力。上线圈应力支撑结构13支承上超导线圈6，上线圈应力支撑结构13和下线圈应力支撑结构17支撑下超导线圈11，提高线圈骨架的支撑强度，减小线圈变形。上超导线圈6和下超导线圈17通过磁体传热交换器8来传递冷量冷却。由于磁体传热交换器8的铜管内有0.1Mpa左右压强的氦气，因此能够有效将高压氦气容器4内的冷量传到上超导线圈6上。高压氦气容器4的上下部分由空心的线圈之间内支撑杆9连通，磁体传热交换器8分为上下两部分，上下两部分之间由磁体热交换器连接管19连接，磁体热交换器连接管19从线圈之间内支撑杆9的内孔中穿过，将高压氦气容器4上部的冷量传导到下超导线圈11，提供下超导线圈11正常运行的低温环境。
如图3所示，本发明开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统实施例使用一台GM制冷机1提供系统的冷源，结构紧凑，无需液氦。重量轻，特别适用于医学诊断和介入治疗。

Claims (3)

1.一种开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统，包括超导磁体、制冷机（1），低温真空容器（2），防热辐射屏（3），所述的制冷机（1）安装在低温真空容器（2）的上端，制冷机（1）的一级冷头连接防热辐射屏（3），其特征在于，所述的超导磁体系统还包括高压氦气容器（4）、氦气冷却热交换器（5）、上超导线圈（6）、上线圈骨架（7）、磁体传热交换器（8）、线圈之间内支撑杆（9）、吊装拉杆（10）、下超导线圈（11）、下线圈骨架（12）、上线圈应力支撑结构（13）、上磁极（14）、下磁极（15）、C形结构支撑梁（16）和下线圈应力支撑结构（17）；制冷机（1）的二级冷头连接高压氦气容器（4），制冷机（1）的二级冷头下端面上还装有氦气冷却热交换器（5）；上超导线圈（6）和下超导线圈（11）之间安装有线圈之间内支撑杆（9）；上线圈骨架（7）和下线圈骨架（12）的表面上焊接有磁体传热交换器（8），上超导线圈（6）和下超导线圈（11）由高压氦气容器（4）作为外支撑和应力支撑骨架；高压氦气容器（4）、上超导线圈（6）和下超导线圈（11）通过吊装拉杆（10）支撑，安装在低温真空容器（2）内部，高压氦气容器（4）内上下对称布置有上超导线圈（6）和下超导线圈（11）；上超导线圈（6）绕制在上线圈骨架（7）上，上线圈应力支撑结构（13）用于支撑上超导线圈（6）；下超导线圈（11）绕制在下线圈骨架（12）上，下线圈应力支撑结构（17）用于支撑下超导线圈（11）；上线圈应力支撑结构（13）和下线圈应力支撑结构（17）均环向布置在高压氦气容器（4）的外壁上；上磁极（14）和下磁极（15）分别布置在低温真空容器（2）的上下两端，上磁极（14）和下磁极（15）的一侧由铁磁材料制成的C型结构支撑梁（16）连接，上磁极、下磁极、C型结构支撑梁（16）与低温真空容器（2）共同形成所述的超导磁体系统的开放式C形结构；所述磁体传热交换器（8）分为上下两部分，上下两部分之间由磁体热交换器连接管（19）连接，磁体热交换器连接管（19）从线圈之间内支撑杆（9）的内孔中穿过，将高压氦气容器（4）上部的冷量传导到下超导线圈（11），提供下超导线圈（11）正常运行的低温环境。
2.按照权利要求1所述的开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统，其特征在于，所述的磁体传热交换器（8）装有采用螺旋结构的铜管，铜管一圈一圈地焊接在上线圈的骨架（7）和下线圈的骨架（12）上；磁体传热交换器（8）的铜管内充有氦气进行换热。
3.按照权利要求1所述的开放式传导冷却核磁共振超导磁体系统，其特征在于，所述的上超导线圈（6）和下超导线圈（11）采用NbTi或MgB2超导线材绕制形成；所述的上线圈骨架（7）和下线圈骨架（12）采用铝合金材料制作；所述的上磁极（14）和下磁极（15）由铁磁材料制成。
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