CN102959423B - 用于填充超导磁体的方法与装置 - Google Patents

Abstract

揭示了一种用于填充超导磁体的方法和装置，通过使用气态氦来控制经液化的氦从容器流到磁体。通过测量经液化的氦的容器中的气态氦的压力，可以确定何时使经液化的氦的流动停止。这可以减少在液氦从杜瓦真空瓶转移到超导磁体的过程中可能发生的失超和氦损失。

Description

用于填充超导磁体的方法与装置

背景技术

揭示了用于填充超导磁体的方法。一种装置和方法用于减小在用来自低温恒温器（杜瓦真空瓶）的液氦来填充超导磁体时的失超。该方法将减小在将液氦从杜瓦真空瓶转移到超导磁体的过程中可能会出现的氦损失。

使用超导磁体或其它类型的磁体的磁共振成像(MRI)和磁核共振(NMR)系统被用于例如医疗诊断的领域内。超导磁体包括线圈组件，该线圈组件具有主线圈，该主线圈被至少部分地浸没在氦储存器中所包含的液氦中。该储存器通常被双层隔热板围起来，而该双层隔热板则被真空外壳围起来。Nb-Ti超导线圈通常在大约4开尔文的温度处操作，而Nb-Sn超导线圈通常在大约10开尔文的温度处操作。当线圈组件被冷却到这种温度时，它变为超导并且在没有显著的进一步的能量输入的情况下磁场强度也得以维持。

超导磁体的操作的必要条件是存在冷却剂。这种冷却剂可以是液氦，液氦可以实现让磁体线圈的材料达到超导状态所必需的低温。这种对低温的需求迫使磁体中的储存器必须用温度足够冷且量足够大的液氦来填充以使磁体线圈变为超导。在可以给超导线圈通电之前，必须用液体冷却剂来填充该磁体。

填充这些磁体的普通做法是：将推动气体转移到包含液氦的杜瓦真空瓶中，直到从杜瓦真空瓶中听到啸声。这种啸声表明：冷的气态氦现在正在进入汲取管，并且无法从杜瓦真空瓶中提取出更多的液氦了。当听到啸声时，使液氦的转移立刻停止，并且若用现在这个空的杜瓦真空瓶尚未实现期望的液氦液位则连接一个新的且满的杜瓦真空瓶。

带有内置的液位计的杜瓦真空瓶是可以买到的，然而，这种杜瓦真空瓶可能非常昂贵并且其液位计常常不精准。

这种啸声还表明：冷的气态氦或者冷的气态氦与液态氦的双相流体正在进入该磁体的低温恒温器中。这是不期望出现的，因为冷的气态氦可能导致该超导磁体失超。此外，冷的气态氦不会像液体那样收集在该超导磁体的低温恒温器中。这种气体将通过该磁体的排气/安全阀或旁通阀而排放到大气中，从而导致这种氦从转移处理系统中完全损失掉了。

在将液氦从杜瓦真空瓶转移到超导磁体的低温恒温器中时可能出现的另一个问题是填充过于缓慢。在这种情况下，液氦的转移速率低于正常的转移速率，通常，从杜瓦真空瓶中转移出来的正常转移速率是6-9升/分钟(lpm)。

缓慢填充表明该转移系统中出现异常状况。这种状况可能是：转移线路中的真空度下降了，杜瓦真空瓶压力不够，在转移线路中或磁体入口处形成了冰或冻结的空气，或者超导磁体排气/压力安全阀发生了故障。

当观察到缓慢填充时，必须立刻采取一组校正动作，否则出现失超的风险会增大，并且很常见的是，缓慢填充会导致液氦损失很大。

因此，期望在上述转移过程已经开始之后尽可能早地检测到缓慢填充。

按照传统，缓慢的填充是通过观察超导磁体液位计在特定时间内（通常为5-10分钟）的增量而被检测到的，然而，这种方法的缺点是观察的可靠性取决于超导磁体液位计的精确度以及随磁体类型不同而变化的低温恒温器的总容量。这种不精确性可能导致在诊断缓慢填充时产生误差，并且可能导致失超以及氦的损失。

发明内容

在一个实施例中，揭示了一种用于填充磁体的方法，包括：将气态氦馈送到经液化的氦的容器；将经液化的氦馈送到磁体；测量气态氦到该容器的流速，并且测量该容器中的气态氦的压力；以及当测得的压力达到一峰值并开始下降时使经液化的氦的流动停止。

在另一个实施例中，揭示了一种用于使填充过程停止的方法，包括：将气态氦馈送到包含经液化的氦的杜瓦真空瓶；将经液化的氦馈送到磁体；测量气态氦的流速；测量该杜瓦真空瓶中的气态氦的压力；以及当测得的压力达到一峰值并开始下降时使经液化的氦的流动停止。

在不同的实施例中，揭示了一种用于检测液氦从杜瓦真空瓶到超导磁体的低温恒温器的缓慢转移的方法，包括：将气态氦馈送到经液化的氦的容器；将经液化的氦馈送到所述磁体；测量来自所述容器的所述气态氦的流速，并且测量从所述容器中推出来的经液化的氦的量；以及当气态氦的流速与从所述容器中推出来的经液化的氦的量之比不同于6比1或7比1时使所述气态氦的流动停止。

还揭示了一种装置，包括：气态氦的容器；经液化的氦的容器；流体连接装置，用于将气态氦的容器与经液化的氦的容器连接起来；用于测量气态氦的流速的装置以及用于测量在经液化的氦的容器中的气态氦的压力的装置。

存在于诸如磁共振成像(MRI)设备之类的设备中的超导磁体的低温恒温器是用液氦来填充的，这种液氦来自经液化的氦的容器，这种容器通常是杜瓦真空瓶。来自外部源（比如气筒或输气管线）的气态氦被用于给杜瓦真空瓶加压。这种加压要达到使液氦从杜瓦真空瓶转移到低温恒温器所需的压力。

气态氦被称为“推动气体”，并且通过使用压力调节器被引入到杜瓦真空瓶的头部空间中。压力调节器将使杜瓦真空瓶中的压力保持相对恒定。由推动气体所提供的超压推动着液氦穿过安装在杜瓦真空瓶内的汲取管进而从杜瓦真空瓶中出来。该汲取管具有：入口连接，位于杜瓦真空瓶底部附近；以及出口连接，位于杜瓦真空瓶外部。

汲取管出口被连接到液氦转移线路，而液氦转移线路则被连接到磁体中的低温恒温器的入口转台。普通的做法是：使推动气体转移到杜瓦真空瓶，直到从杜瓦真空瓶中听到啸声。这种啸声表明：冷的气态氦现在正在进入汲取管，并且无法从杜瓦真空瓶中提取出更多的液氦了。当听到啸声时，使液氦的转移立刻停止，并且若用现在这个空的杜瓦真空瓶尚未实现期望的液氦液位则连接一个新的且满的杜瓦真空瓶。

当听到啸声时，这表明：冷的气态氦或者冷的气态氦与液态氦的双相流体正在进入该磁体的低温恒温器中。这是不期望出现的，因为冷的气态氦可能导致该超导磁体失超。此外，冷的气态氦不会像液体那样收集在该超导磁体的低温恒温器中。这种气体将通过该磁体的排气/安全阀或旁通阀而排放到大气中，从而导致这种氦从转移处理系统中完全损失掉了。

本发明确定一时间点，在该时间点处液氦的转移应该停止并且这是在杜瓦真空瓶发出啸声之前。该时间点是在该容器中的气态氦的测得的压力达到峰值或最大值并且压力开始下降的时候。该填充机制立刻被关闭，并且填充操作停止了。这将减小磁体发生失超的可能性，还使转移处理系统中的气态氦的损失减小了。

这种方法可以被用在通过使用给供体低温恒温器加压的推动气体而将液氦从一个低温恒温器转移到另一个低温恒温器的任何系统中。这包括：从杜瓦真空瓶转移到MRI超导磁体；从杜瓦真空瓶转移到NMR超导磁体；以及从移动存储罐（比如ISO）转移到MRI或NMR超导磁体。

液氦的缓慢转移也是成问题的，并且可能表明填充装备或填充过程中有问题。缓慢填充被定义为：当气态氦的流速与从所述容器中推出来的经液化的氦的量之比小于6比1或7比1时，存在缓慢的填充速率并且填充操作必须迅速停止。

附图说明

图1是根据本发明的氦填充系统的示意图。

图2是示出了在用氦填充杜瓦真空瓶的情况下杜瓦真空瓶压力对时间的曲线图。

图3是在杜瓦真空瓶填充操作的情况下氦的推动气流对填充时间的曲线图。

具体实施方式

参照图1，示出了液氦填充过程的示意图。氦气筒A通过连接装置2被连接到经液化的氦杜瓦真空瓶。通过两级压力调节器1，对气态氦进行计量，该两级压力调节器1可以被用于调节气态氦的压力。

转移监控与控制单元D通过线路4被连接到线路2，该线路4能够测量线路2中的气态氦的流速F1并且将该数据发送到控制单元D。线路2与包含经液化的氦的杜瓦真空瓶B的输入相连接，其中，经液化的氦驻留在杜瓦真空瓶B内的罐7中。汲取管6将罐7中的氦与线路3相连接，线路3可以将氦转移到包住磁体的设备C（比如MRI扫描仪）的磁体。线路5将液氦容器B和控制单元D连接起来，并且传输与罐7顶部的氦气的压力有关的数据。

控制单元D可以是可编程逻辑控制(PLC)设备，该设备将测量在线路2中的氦气的流速以及其在容纳液氦的罐7的颈部或上部中的压力。控制单元D将测量何时罐7中的压力会超过某一预定的值并且向氦气筒A发送信号以使通过线路2的氦气流动停止。这样，设备C的磁体中的低温恒温器的填充过程将在出现啸声之前就停止，并且这是在发生失超和氦损失之前。

图2表示描绘了在液氦被馈送到杜瓦真空瓶的情况下杜瓦真空瓶的压力（单位是毫巴（g））对时间（单位是秒）的曲线图。杜瓦真空瓶的压力在大约13分钟处开始上升，这是在杜瓦真空瓶根据用于确定何时使氦的填充停止的老技术发出啸声之前。这种压力上升是因为填充过程自身造成的，而不是通过压力调节器的操作造成的。压力增大加速达到一峰值，然后立刻下降。在杜瓦真空瓶中的气态氦的压力达到峰值并开始减小时，填充操作必须停止。否则，氦可能进入低温恒温器中并导致失超，其后果很糟糕。

杜瓦真空瓶中的氦气的压力可以是通过任何常规手段进行测量的，并且当该压力达到峰值并开始下降时，向控制单元发送信号从而使填充操作停止。所以，例如，根据图1的操作，当压力换能器和指示器P1标出了杜瓦真空瓶中的气态氦的压力达到峰值并开始下降时，通过线路5将信号发送到转移监控和控制单元D。通过该转移监控和控制单元D，使来自气筒A的气态氦的流动停止。

在图3中，曲线图示出了推动气体的流速（单位是标准升（Nl）/分钟）对时间（单位是秒）。如该曲线图中所示，一旦杜瓦真空瓶压力达到稳定，则该推动气体流速将几乎恒定。流入杜瓦真空瓶中的氦推动气体与从杜瓦真空瓶中推出来（并进入磁体的低温恒温器）的液氦的量之比是大约为6比1到7比1的常数。这个常数已经证明与主要的过程变量（比如磁体和杜瓦真空瓶的容量、磁体类型、以及磁体的压力和杜瓦真空瓶的压力）无关。

在操作过程中，接下来，当推动气体流与液氦的量之比偏离了6比1或7比1的比率时，填充操作就不再尽可能有效地继续下去了，并且这可能表明正在进行的是缓慢的或不恰当的填充。

相应地，参照图1有关的描述，转移监控和控制单元D将接收下列两者作为数据：通过线路4的流量计F1数据；以及经由P1和线路5接收的通过线路3的离开杜瓦真空瓶B的液氦体积。转移监控和控制单元D将基于该数据来计算氦推动气体的流速与从杜瓦真空瓶中推出来的经液化的氦的量之比。当这个数值偏离6比1或7比1时，向流量计发送一警报，并且使气态氦流动停止。填充操作的操作人员可以接下来调查是否存在缓慢填充的情况或者会使上述比率偏离6比1或7比1的某种其它情况。这可以阻止导致氦损失的失超情形的发生。

尽管已参照其特定实施例对本发明进行了说明，然而显然本发明的众多其它形式和修正对本领域内技术人员来说是明显的。本发明所附的权利要求书总体应解释成覆盖落在本发明真实精神和范围内的所有这些明显的形式和修改。

Claims (15)

1.一种用于填充磁体的方法，包括：

将气态氦馈送到经液化的氦的容器；

将经液化的氦馈送到所述磁体；

测量来自所述容器的所述气态氦的流速，并且测量所述容器中的所述气态氦的压力；以及

当测得的压力达到一峰值并开始下降时，使所述经液化的氦的流动停止。

2.一种用于使填充过程停止的方法，包括：

将气态氦馈送到经液化的氦的容器；

将经液化的氦馈送到磁体；

测量所述气态氦的流速；

测量在杜瓦真空瓶中的所述气态氦的压力；以及

当所述测得的压力达到一峰值并开始下降时，使所述经液化的氦的流动停止。

3.一种用于检测液氦从杜瓦真空瓶到超导磁体的低温恒温器的缓慢转移的方法，包括：

将气态氦馈送到经液化的氦的容器；

将经液化的氦馈送到所述磁体；

测量来自所述容器的所述气态氦的流速，并且测量从所述容器中推出来的经液化的氦的量；以及

当气态氦的流速与从所述容器中推出来的经液化的氦的量之比不同于6比1或7比1时，使所述气态氦的流动停止。

4.如上述权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，

所述容器是杜瓦真空瓶，并且

所述气态氦较佳地被馈送到所述杜瓦真空瓶的顶部。

5.如上述权利要求1到2之一所述的方法，其特征在于，

所述测得的压力是在所述杜瓦真空瓶中测得的。

6.如上述权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，

所述经液化的氦的流动是通过所述气态氦的流动而进行控制的。

7.如上述权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，

通过使气态氦的流动停止，使所述经液化的氦的流动停止。

8.如上述权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，

所述磁体是超导磁体。

9.如上述权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，

所述经液化的氦的流动是用流量计进行测量的。

10.如上述权利要求1到2之一所述的方法，其特征在于，

所述峰值压力是通过控制单元进行测量的。

11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述不同的比率小于6比1或7比1。

12.一种用于转移经液化的氦的装备，包括：

气态氦的容器；

经液化的氦的容器；

流体连接装置，用于将所述气态氦的容器与所述经液化的氦的容器连接起来；

用于测量气态氦的流速的装置以及用于测量所述经液化的氦的容器中的气态氦的压力的装置；以及

转移监控和控制单元，用于当所测量的压力达到峰值并开始下降时使气态氦的流动停止。

13.如权利要求12所述的装备，其特征在于，

所述气态氦的容器是杜瓦真空瓶或气筒。

14.如权利要求12或13所述的装备，其特征在于，

所述用于测量流动和压力的装置是通过可编程逻辑控制设备实现的。

15.如权利要求12或13所述的装备，其特征在于，

所述液氦被馈送到磁体的低温恒温器，所述磁体较佳地是超导磁体。