CN103714935A - 一种超导磁体的升降场辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导磁体的升降场辅助装置，所述升降场辅助装置包括释能部件，其中，当所述超导磁体失超时，所述升降场辅助装置位于所述超导磁体内部，所述释能部件耦合所述超导磁体的电流。在超导磁体失超时，部分电磁能会通过电流耦合作用传导至根据本发明的具体实施例的升降场辅助装置中，因此超导磁体的制冷屏蔽层中的焦耳热会减少，从而节省部分液氦损耗。此外，磁体线圈中的温度电压和失超传播加热器的功率会降低，有利于磁体失超保护。

Description

一种超导磁体的升降场辅助装置

技术领域

本发明涉及磁共振系统，尤其涉及磁共振系统中的超导磁体的升降场辅助装置。

背景技术

磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导磁体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。在磁共振成像中，人体组织被置于静磁场B₀中，随后用频率与氢原子核的进动频率相同的射频脉冲激发人体组织内的氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量；在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，由体外的接收器收录，经计算机处理后获得图像。

在生产制造磁共振设备的过程中，对超导磁体进行升降场是不可避免的。在超导磁体升降场过程中，会出现失超现象，即超导磁体失去超导磁性，在这种情况下，大量的电磁能量将转变为焦耳热并释放，如果采用浸入式冷却将会挥发掉大量的液氦。例如，一个1.5吨的核磁共振成像的全部超导磁体能储存2兆焦耳的电磁能量。当失超发生时，这些能量可以消耗400公升以上的液液氦，价值2500美元。可见，特别对于大型超导磁体而言，每次失超成本都是巨大的；另一方面，在失超过程中，如果不加保护，磁体线圈中会产生高温高压，因此会产生不可逆转的损害，甚至使超导磁体报废。

针对失超过程中液氦的损耗，目前业界主要采取两种方法。

第一，外部转储电阻，它同超导磁体的外部连接，可以转移低温附件中的大部分能量，这就意味着减少液氦的损失和由液氦挥发引起的过多的压力。但是，外部转储电阻越大，其释放的电磁能也越大，失超时电磁线圈的电压和温度也就得以降低。但是转储电阻的电压会增高，同时超导开关上的电压也会随之增高，这会损害超导开关使得磁体不能正常工作。此外，通常会同外部转储电阻一同应用主动失超保护技术，主动失超保护技术基于可靠的检测器，但是可靠的检测器价格昂贵且难于实现。此外，外部转储电阻会在磁体的低温附件中引进热负载，这会挥发部分液氦。

第二，在少量液氦中对超导磁体进行升降场。这是一种在失超中减少液氦损失简单易行的方法。但是为了提供一个磁体升降场、工作以及失超的安全低温环境，液氦的量不能无限制的少。

针对失超过程中磁体的保护，目前业界主要采取四种方法。

第一，在超导磁体的线圈中加入更多的铜来降低电流密度，虽然这样能够降低高温和电压，但这样会增大磁体体积和成本。

第二，如果主动失超保护技术的话，尽量提高检测器的可靠性，但是除了实现起来相当困难之外，磁体保护也会相应变得相当复杂，而且使得磁体成本增高。

第三，将二级线圈更好地与超导磁体线圈耦合，但是在失超过程中，超导磁体的能量会在制冷屏蔽层中释放，这同样会消耗大量的液氦。

第四，通过电阻进一步细分磁体线圈。分的越细，效果越好。但是鉴于磁体线圈的配置，无限细分是不可行的。此外，磁体能量仍在制冷屏蔽层内释放，消耗大量液氦；同时，在磁体升降场过程中，电阻会产生焦耳热，如果电阻和超导磁体太近的话，这可能会引起超导磁体失超。

发明内容

为了减少失超中液氦的损耗，同时加强对超导磁体线圈的保护，发明了一种超导磁体的升降场辅助装置，所述升降场辅助装置包括一释能部件，所述释能部件耦合所述超导磁体的电流。

优选地，所述升降场辅助装置的外表面紧贴所述超导磁体的孔径的内表面。

优选地，所述释能部件是实心圆柱体。

优选地，所述释能部件是空心圆柱体。

优选地，所述释能部件的内壁包括多个凸起，所述凸起的位置与所述超导磁体的线圈的位置对应。

优选地，所述升降场辅助装置还包括一冷却部件，所述冷却部件用于冷却所述释能部件。

优选地，所述冷却部件包括一制冷循环部件和一热屏蔽层，其中所述释能部件位于所述热屏蔽层之内，所述制冷循环部件对所述释能部件进行制冷。

优选地，所述制冷循环部件包括一制冷剂出口管和一制冷剂入口管。

优选地，所述热屏蔽层从里到外包括一内壳、一制冷屏蔽层和一外壳，所述制冷剂出口管和所述制冷剂入口管穿过外壳和制冷屏蔽层与所述内壳连通。

优选地，所述冷却部件还包括一第一支撑部件和一第二支撑部件，所述第一支撑部件用于在所述内壳中支撑所述释能部件，所述第二支撑部件用于在外壳中支撑所述内壳。

优选地，所述制冷循环部件包括一冷头或一脉管制冷器。

优选地，所述热屏蔽层从里到外包括一制冷屏蔽层和一外壳，所述冷头或所述脉管制冷器穿过所述外壳和所述制冷屏蔽层。

优选地，所述冷却部件还包括一第三支撑部件，所述第三支撑部件用于在外壳中支撑所述内壳。

优选地，所述释能部件由导电弱磁性材料制成。

从上述方案中可以看出，在超导磁体失超时，部分电磁能会通过电流耦合作用传导至根据本发明的具体实施例的升降场辅助装置中，因此超导磁体的制冷屏蔽层中的焦耳热会减少，从而节省部分液氦损耗。此外，磁体线圈中的温度、电压和失超传播加热器的功率会降低，有利于磁体失超保护。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1是根据本发明的具体实施例1的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。

图2是根据本发明的具体实施例2的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。

图3是根据本发明的具体实施例3的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。

图4是根据本发明的具体实施例4的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。

升降场辅助装置100释能部件101

内壳102    第一制冷屏蔽层103    外壳104

制冷剂入口105    制冷剂出口106    第一冷头109

第一支撑部件107    第二支撑部件108    第三支撑部件110

超导磁体200    超导线圈201    线圈框架202    主动屏蔽线圈203

外部干扰屏蔽线圈204    液氦容器205    第二制冷屏蔽层206

外部真空容器207    第二冷头208    排气端口209

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

本发明的核心在于一种升降场辅助装置，该升降场辅助装置包括释能部件，在失超时释能部件耦合超导磁体线圈中的电流，从而转移超导磁体的能量；同时为了减轻释能部件的重量和成本，基于涡流分布，对释能部件的结构进行优化。

（具体实施例1）

图1是根据本发明的具体实施例1的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。如图1所示，升降场辅助装置100包括一个实心圆柱，也可称为释能部件，该实心圆柱由导电弱磁性材料（非铁磁性材料）制成，即高电导率低磁导率的材料制成，例如铜或铝等。在对磁体进行升降场时或保持超导磁体磁场时使用该升降场辅助装置100（释能部件）。

具体而言，在超导磁体失超时，部分电磁能会通过电流耦合作用传导至根据本发明的具体实施例1的升降场辅助装置中，因此超导磁体的制冷屏蔽层中的焦耳热会减少，从而节省部分液氦损耗。此外，磁体线圈中的温度、电压和失超传播加热器的功率会降低，有利于磁体失超保护。

根据本发明的具体实施例1，如图1所示，在室温环境中，一个磁共振系统的超导磁体200，包括超导线圈201，线圈框架202，主动屏蔽线圈203，外部干扰屏蔽线圈204，液氦容器205，第二制冷屏蔽层206，外部真空容器207，第二冷头208和排气端口209；升降场辅助装置100位于超导磁体200之内。当超导磁体100失超时，升降场辅助装置100的圆柱体耦合超导磁体100的超导线圈201、主动屏蔽线圈203和外部干扰屏蔽线圈204的电流，从而将电磁能从上述线圈中转移至超导磁体之外，液氦容器205内的焦耳热会相应减少，从而减少了液氦损耗，同时避免超导磁体线圈损坏。

除圆柱体之外，升降场辅助装置可以按照实际情况设计，比如，立方体或其他形状；优选地，升降场辅助装置的外表面紧贴超导磁体的内表面，但是，升降场辅助装置也可以按照实际情况设计成各种不同形状。

表1示出配有升降场辅助装置的超导磁体和未升降场辅助装置的超导磁体的失超表现的比较。由表1可见，通过升降场辅助装置，可以减少8.94%的线圈能量消耗，并且各个线圈的最大电压值、最高温度、以及最大制冷功率都相应降低。

（具体实施例2）

图2是根据本发明的具体实施例2的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。如图2所示，升降场辅助装置100包括一个空心圆柱（圆筒），也可称为释能部件，该圆筒（空心圆柱）由导电弱磁性材料（非铁磁性材料）制成，例如铜或铝等高电导率低磁导率的材料制成。在对磁体进行升降场时或保持超导磁体磁场时使用该升降场辅助装置100（释能部件）。实验表明，升降场辅助装置100耦合超导磁体的感应电流只在小范围内流动，因此基于超导磁体的感应电流分布，通过在超导磁体的感应电流密度较大的区域对升降场辅助装置100的结构进行优化，即在对应于超导磁体的线圈位置加大圆筒的厚度，从而在圆筒内壁上形成凸起。

具体而言，在超导磁体失超时，部分电磁能会通过电流耦合作用传导至根据本发明的具体实施例2的升降场辅助装置中，因此超导磁体的制冷屏蔽层中的焦耳热会减少，从而节省部分液氦损耗。此外，磁体线圈中的温度、电压和失超传播加热器的功率会降低，有利于磁体失超保护。

同理，根据本发明的具体实施例2，如图2所示，在室温环境中，一个磁共振系统的超导磁体200，包括超导线圈201，线圈框架202，主动屏蔽线圈203，外部干扰屏蔽线圈204，液氦容器205，第二制冷屏蔽层206，外部真空容器207，第二冷头208和排气端口209；升降场辅助装置100位于超导磁体200之内。当超导磁体100失超时，升降场辅助装置100的圆筒耦合超导磁体100的超导线圈201、主动屏蔽线圈203和外部干扰屏蔽线圈204的电流，从而将电磁能从上述线圈中转移至超导磁体之外，液氦容器205内的焦耳热会相应减少，从而减少了液氦损耗，同时避免超导磁体线圈损坏。

除圆筒之外，升降场辅助装置可以按照实际情况设计，比如，空心立方体或其他形状；优选地，升降场辅助装置的外表面紧贴超导磁体的内表面，但是，升降场辅助装置也可以按照实际情况设计成各种不同形状。

（具体实施例3）

图3是根据本发明的具体实施例3的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。如图3所示，升降场辅助装置100包括释能部件101，该释能部件由导电弱磁性材料（非铁磁性材料）制成，例如铜或铝等高电导率低磁导率的材料制成；内壳102，用于承载释能部件101和制冷剂；第一制冷屏蔽层103，用于将内壳102及其内的制冷剂和释能部件101与外部热隔绝；外壳104，用于承载第一制冷屏蔽层103；制冷剂入口105和制冷剂出口106，用于提供制冷剂循环；第一支撑部件107，用于在内壳102中支撑释能部件101；第二支撑部件108，用于在外壳104中支撑内壳102以及其中的释能部件101。在对磁体进行升降场时或保持超导磁体磁场时使用该升降场辅助装置100。

在根据本发明的具体实施例3中，将释能部件101置于制冷剂中达到高电导率来加强涡流效应，从而使得更多电磁能从超导磁体线圈中转移至释能部件101；此外，线圈电压和温度也可以进一步的降低，以更好的确保线圈安全。根据本发明的具体实施例3，可以选择很多不同的制冷剂，例如液氦、液氧（但是要考虑安全性）、液氩、液氖等。内壳102由隔热材料制成，内壳102在300K温度环境中是热绝缘的，绝缘方法可以是裸真空隔热或者多层隔热材料的真空隔热。第一制冷屏蔽层103可由热屏蔽材料或者气体工业中广泛应用的低热传导率隔热材料制成。第一支撑部件107和第二支撑部件108由导热率低的材料制成从而支撑（悬挂）内壳102，例如玻璃钢、碳纤维复合材料、不锈钢等。优选地，第一支撑部件107和第二支撑部件108的材料和结构选择取决于热传导需要和成本的综合考虑。制冷剂入口105和制冷剂出口106经过外壳104和第一制冷屏蔽层103与内壳102联通，制冷剂入口105用于输送制冷剂制冷剂出口106用于排放制冷剂。上述安装方式可以在使用前将释能部件101冷却到目标温度。

具体而言，在超导磁体失超时，部分电磁能会通过电流耦合作用传导至根据本发明的具体实施例3的升降场辅助装置中，因此超导磁体的制冷屏蔽层中的焦耳热会减少，从而节省部分液氦损耗。此外，磁体线圈中的温度、电压和失超传播加热器的功率会降低，有利于磁体失超保护。

同理，根据本发明的具体实施例3，如图3所示，在室温环境中，一个磁共振系统的超导磁体200，包括超导线圈201，线圈框架202，主动屏蔽线圈203，外部干扰屏蔽线圈204，液氦容器205，第二制冷屏蔽层206，外部真空容器207，第二冷头208和排气端口209；升降场辅助装置100位于超导磁体200之内。当超导磁体100失超时，升降场辅助装置100中的释能部件101耦合超导磁体100的超导线圈201、主动屏蔽线圈203和外部干扰屏蔽线圈204的电流，从而将电磁能从上述线圈中转移至超导磁体之外，液氦容器205内的焦耳热会相应减少，从而减少了液氦损耗，同时避免超导磁体线圈损坏。

除圆筒之外，升降场辅助装置可以按照实际情况设计，比如，空心立方体或其他形状；优选地，升降场辅助装置的外表面紧贴超导磁体的内表面，但是，升降场辅助装置也可以按照实际情况设计成各种不同形状。

（具体实施例4）

图4是根据本发明的具体实施例4的超导磁体和升降场辅助装置在超导磁体轴向上的截面图。如图4所示，升降场辅助装置100包括释能部件101，该释能部件由导电弱磁性材料（非铁磁性材料）制成，例如铜或铝等高电导率低磁导率的材料制成；第一制冷屏蔽层103，用于将释能部件101与外部热隔绝；外壳104，用于承载释能部件101；第一冷头109，用于对释能部件101进行制冷；第三支撑部件110，用于在外壳104中支撑释能部件101。在对磁体进行升降场时或保持超导磁体磁场时使用该升降场辅助装置100。

在根据本发明的具体实施例4中，对释能部件101进行制冷来达到高电导率来加强涡流效应，从而使得更多电磁能从超导磁体线圈中转移至释能部件101；此外，线圈电压和温度也可以进一步的降低，以更好的确保线圈安全。第一冷头109运用适当方法直接连接释能部件101，例如带螺栓的法兰连接或者带有热传导部分的非直接连接，如铜导线，铝薄片等。

外壳104由隔热材料制成。第三支撑部件110由电导率低的材料制成，用于在外壳104中支撑（悬挂）释能部件101，例如玻璃钢、碳纤维复合材料、不锈钢等。优选地，第三支撑部件110的材料和结构选择取决于热传导需要和成本的综合考虑。释能部件101与外壳104之间是热绝缘的，可以采用的方法除了使用第一制冷屏蔽层103之外，还可以采用裸真空隔热或者多层隔热材料的真空隔热。第一制冷屏蔽层103可以由热屏蔽材料或者气体工业中广泛应用的低热导率隔热材料。上述安装方式可以在使用前将释能部件101冷却到目标温度。整个升降场辅助装置固定在外壳104上。外壳104承受整个升降场辅助装置100的重量。

具体而言，在超导磁体失超时，部分电磁能会通过电流耦合作用传导至根据本发明的具体实施例4的升降场辅助装置中，因此超导磁体的制冷屏蔽层中的焦耳热会减少，从而节省部分液氦损耗。此外，磁体线圈中的温度、电压和失超传播加热器的功率会降低，有利于磁体失超保护。

同理，根据本发明的具体实施例4，如图4所示，在室温环境中，一个磁共振系统的超导磁体200，包括超导线圈201，线圈框架202，主动屏蔽线圈203，外部干扰屏蔽线圈204，液氦容器205，第二制冷屏蔽层206，外部真空容器207，第二冷头208和排气端口209；升降场辅助装置100位于超导磁体200之内。当超导磁体100失超时，升降场辅助装置100中的释能部件101耦合超导磁体100的超导线圈201、主动屏蔽线圈203和外部干扰屏蔽线圈204的电流，从而将电磁能从上述线圈中转移至超导磁体之外，液氦容器205内的焦耳热会相应减少，从而减少了液氦损耗，同时避免超导磁体线圈损坏。

除圆筒之外，升降场辅助装置可以按照实际情况设计，比如，空心立方体或其他形状；优选地，升降场辅助装置的外表面紧贴超导磁体的内表面，但是，升降场辅助装置也可以按照实际情况设计成各种不同形状。

本发明公开一种超导磁体的升降场辅助装置，所述升降场辅助装置包括释能部件，其中，当所述超导磁体失超时，所述升降场辅助装置位于所述超导磁体内部，所述释能部件耦合所述超导磁体的电流。在超导磁体失超时，部分电磁能会通过电流耦合作用传导至根据本发明的具体实施例的升降场辅助装置中，因此超导磁体的制冷屏蔽层中的焦耳热会减少，从而节省部分液氦损耗。此外，磁体线圈中的温度电压和失超传播加热器的功率会降低，有利于磁体失超保护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种超导磁体的升降场辅助装置，所述升降场辅助装置的大小适于放入所述超导磁体的孔径中，所述升降场辅助装置包括一释能部件，其中，所述释能部件耦合所述超导磁体的电流。

2.如权利要求1所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述升降场辅助装置的外表面紧贴所述超导磁体的孔径的内表面。

3.如权利要求1所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述释能部件是实心圆柱体。

4.如权利要求1所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述释能部件是空心圆柱体。

5.如权利要求4所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述释能部件的内壁包括多个凸起，所述凸起的位置与所述超导磁体的感应电流的分布对应。

6.如权利要求1所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述升降场辅助装置还包括一冷却部件，所述冷却部件用于冷却所述释能部件。

7.如权利要求6所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述冷却部件包括一制冷循环部件和一热屏蔽层，其中所述释能部件位于所述热屏蔽层之内，所述制冷循环部件对所述释能部件进行制冷。

8.如权利要求7所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述制冷循环部件包括一制冷剂出口管和一制冷剂入口管。

9.如权利要求8所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述热屏蔽层从里到外包括一内壳、一制冷屏蔽层和一外壳，所述制冷剂出口管和所述制冷剂入口管穿过外壳和制冷屏蔽层与所述内壳连通。

10.如权利要求9所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述冷却部件还包括一第一支撑部件和一第二支撑部件，所述第一支撑部件用于在所述内壳中支撑所述释能部件，所述第二支撑部件用于在外壳中支撑所述内壳。

11.如权利要求7所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述制冷循环部件包括一冷头或一脉管制冷器。

12.如权利要求11所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述热屏蔽层从里到外包括一制冷屏蔽层和一外壳，所述冷头或所述脉管制冷器穿过所述外壳和所述制冷屏蔽层。

13.如权利要求13所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述冷却部件还包括一第三支撑部件，所述第三支撑部件用于在外壳中支撑所述内壳。

14.如权利要求1所述的升降场辅助装置，其特征在于，所述释能部件由导电弱磁性材料制成。

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