CN104167273A - 用于磁共振系统的超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振系统的超导磁体，包括低温容器、设于低温容器中的超导线圈、以及与超导线圈相连的电流引线，所述电流引线包括设有孔的连接件，所述孔与低温容器相连通。本发明的超导磁体通过在电流引线上设有与低温容器相连通的孔，增加了电流引线与冷却气体的接触面积，可以较好地对电流引线进行冷却。

Description

用于磁共振系统的超导磁体

【技术领域】

本发明是有关一种超导磁体，尤其是指用于磁共振系统的超导磁体。

【技术背景】

目前医用磁共振系统中产生主磁场B0的磁体大多采用超导磁体，其具有高磁场、稳定且均匀性好。但是超导磁体工作需要稳定的低温环境，例如将超导磁体线圈浸泡在液氦制冷剂中(4.2K)，将其正负极引线引出磁体后接入励磁电源供以电流，当电流到达目标值后打开超导开关，最终形成所谓的超导闭环运行。这样就形成高磁场，稳定性好，均匀度高的磁体。

目前超导磁体的电流引线有两种，一种是可分离式电流引线，这种引线优点是当磁体励磁或退磁结束后可拆卸掉电流引线，杜绝了平时电流引线所带来的热传导漏热，不过缺点是整个安装拆卸需要有丰富经验的工程师操作，操作难度大，结构复杂；另一种是固定式电流引线，这种引线无论是否励磁，退磁，还是平时正常工作期间电流引线都固定在磁体某一位置，优点是操作简单安全，缺点是有一定的热传导漏热。由于目前制冷机的大力发展和低温技术的进步，主流产品大部分采用的是固定式电流引线。

图1为现有技术用于磁共振系统的超导磁体的示意图，超导磁体包括低温容器7`、设于低温容器7`中的超导线圈1`和超导开关2`、以及与超导线圈1`相连的电流引线3`。外部励磁电源5`通过外部电流引线引线4`和电流引线3`相连从而对超导线圈1`进行励磁。由于电流引线3`仅有外表面和低温容器7`中的冷却气体相接触，所以冷却效率较低。由于液氦是一种汽化潜热很小的昂贵液体，再加上超导线比热小，来自外部的热量很容易导致液氦的损耗，甚至导致磁体失超。其中磁体的部分漏热就来源于电流引线3`，部分漏热包括电流引线热传导漏热和自身励磁或退磁时的欧姆漏热。

因此，确有必要提供一种改进的磁共振系统的超导磁体，以克服上述超导磁体存在的缺陷。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种可以较好地对电流引线进行冷却的用于磁共振系统的超导磁体。

本发明的磁共振系统的超导磁体是通过以下技术方案实现：一种用于磁共振系统的超导磁体，包括低温容器、设于低温容器中的超导线圈、以及与超导线圈相连的电流引线，所述电流引线包括设有孔的连接件，所述孔与低温容器相连通。

在优选的实施方式中，所述主体部的侧面上由内向外依次镀有氧化铈和钇钡铜氧。

在优选的实施方式中，所述连接件为黄铜或者不锈钢制作成。

在优选的实施方式中，所述电流引线还包括与连接件的上部相连接的热端柔性引线以及与连接件的下部相连接的冷端柔性引线，所述热端柔性引线和/或冷端柔性引线通过焊接或者铟粒压接螺栓固定方式与连接件相连接。

在优选的实施方式中，所述孔沿主体部上下方向延伸且贯穿主体部，孔包括第一孔部以及位于第一孔部下方且与第一孔部相连接的第二孔部，第一孔部的截面积小于第二孔部的截面积。

在优选的实施方式中，所述主体部的侧边设有若干个将孔与低温容器相连通的第三孔部。

在优选的实施方式中，所述连接件还包括主体部以及自主体部的侧边向外侧延伸形成的接线部，所述接线部设有对着第三孔部的接线孔。

在优选的实施方式中，所述主体部、第一孔部及第二孔部均为圆柱形，第一孔部及第二孔部同轴。

在优选的实施方式中，所述超导磁体还包括设有正负接线柱的外部引线以及塔管，所述正负接线柱设于塔管上，沿主体部的上下方向看，所述正负接线柱位于第一孔部的外侧。

在优选的实施方式中，所述超导磁体还包括用作电流引线负极的塔管，所述塔管的内壁上由内层向外层依次镀有氧化铈薄膜与钇钡铜氧薄膜。

与现有技术相比，本发明的超导磁体通过在电流引线上设有与低温容器相连通的孔，增加了电流引线与冷却气体的接触面积，可以较好地对电流引线进行冷却；采用在主体部的侧面上由内向外依次镀有氧化铈和钇钡铜氧构成有薄壁管为基体提供旁路并联保护的复式超导电流引线，在励磁或退磁工程中，可以减少电流引线的欧姆漏热。

【附图说明】

图1是现有技术用于磁共振系统的超导磁体的示意图。

图2是本发明用于磁共振系统的超导磁体的示意图。

图3是连接件的立体图。

图4是图3中连接件的主视图。

图5是图4所示的连接件A-A向的剖视图。

图6是带有镀膜层的连接件的示意图。

【具体实施方式】

请参阅图2所示，本发明为一种用于磁共振系统中的超导磁体，其包括低温容器7、设于低温容器7中的超导线圈1和超导开关2、以及将超导线圈1与外部励磁电源5相连的电流引线3。其中，超导线圈1和超导开关2并联连接，超导线圈1和超导开关2均浸泡在低温容器7中的液氦中。低温容器7的上部为塔管6，塔管6用于出气、出线、液氦注入等功能。通过外部电流引线4与电流引线3相连接，外部励磁电源5对超导线圈1进行励磁。

电流引线3包括连接件31、与连接件31的上部相连接的热端柔性引线34以及与连接件31的下部相连接的冷端柔性引线35，所述热端柔性引线34和/或冷端柔性引线31通过焊接或者铟粒压接螺栓固定方式与连接件31相连接。

请参阅图3所示，连接件31包括呈圆柱形的主体部32、自主体部32的侧边向外侧延伸形成的接线部33。接线部33可以通过焊接的方式与主体部32相连接，在其它实施方式中，接线部33也可以与主体部32通过一体成型的方式连接在一起。

请进一步参阅图4及图5所示，接线部33包括与主体部32的上表面平行的水平部331以及自水平部331的另一端向下延伸的竖直部332，竖直部332上设有接线孔3321。接线孔3321正对着第三孔部323，当冷却气体从第三孔部323排出时，可以对接线孔3321处的电流引线接头进行冷却。主体部32的上表面与接线部33的相连接的部分的上表面位于同一平面上。主体部32上设有孔321，增大了冷却气体与主体部32接触面积，增大了冷却的效率，在本实施方式中，该冷却气体可以为氦气。

孔321沿主体部32的上下方向延伸且贯穿主体部32，孔321包括第一孔部3211以及位于第一孔部3211下方且与第一孔部3211相连接的第二孔部3212。第一孔部3211与第二孔部3212均为圆柱形且与主体部32同轴。在主体部32的侧边设有若干个将低温容器7与孔321相连通的呈圆柱形的第三孔部322。第一孔部3211的截面积小于第二孔部3212的截面积，当励磁或退磁时，液氦汽化变成冷氦气，氦气自孔321的底部向上移动。由于第一孔部3211的截面积小于第二孔部3212的截面积，所以氦气在移动到第一孔部3211时会受到阻力，使部分氦气从第三孔部323向主体部32的两侧排出，进而冲刷第三孔部323所对着的部件并对该部件进行冷却(在本实施方式中，该部件为第三孔部323处的电流引线接头)。

请进一步参阅图6所示，外部电流引线4包括正接线柱41以及负接线柱42。正、负接线柱设于塔管6上，沿主体部32的上下方向看，正、负接线柱位于第一孔部3211的外侧。在液氦发生气化时，氦气从第一孔部3211排出，可以防止氦气对正接线柱41以及负接线柱42的直接冲刷而对接线处造成机械损伤。

本发明的电流引线包括中空薄壁管状、且下口大上口小的连接件31，连接件31带有若干个第三孔部323。在本发明中将电流引线3作为与超导线圈1相连的正极，而将塔管6底端侧壁处作为与超导线圈1相连的负极，减少了电流引线数目，从而减少了漏热。此外利用第三孔部323可以冷却塔管6侧壁，减少热传导漏热。目前制冷机的发展还可以将GM制冷机的一级冷头与塔管6侧壁相联通，进一步减少漏热(示意图中未画出)。

请参阅图6所示，由于黄铜或者不锈钢的热传导较低，同时又连接件31的材料可用黄铜或者不锈钢。采用涂层导体(coated conductor)技术在主体部32的侧面320上由内向外依次镀氧化铈(CeO2)薄膜21与钇钡铜氧(YBCO)薄膜22构成以主体部32为基体且提供旁路并联保护的复式超导电流引线。当钇钡铜氧为超导态时，电流流经钇钡铜氧，而不会产生热量；当失超时，电流流经连接件31。在优选的实施方式中，在主体部32的侧面320上全部镀有氧化铈(CeO2)薄膜21与钇钡铜氧(YBCO)薄膜22。在其他实施方式中，也可仅沿主体部32的长度方向上镀一条氧化铈(CeO2)薄膜21与钇钡铜氧(YBCO)薄膜22。

其中氧化铈作为涂层超导体的种子层提供给钇钡铜氧超导层良好的双轴织构轴向生长的顺延模板，由于薄膜不同取向的晶粒之间会形成晶界，在电子对相干长度如此之小的情况下，晶界对超导电子对的传输影响是很大的。特别是晶界夹角较大时，会形成晶界弱连接，影响薄膜的超导性能。另外，由于钇钡铜氧的电流传输主要在其a-b面内，因此需要在种子层镀膜的基础上制备延c轴晶向的钇钡铜氧超导膜。采用第二代高温超导带材技术在主体部32上镀CeO2(氧化铈)与B2c临界磁场高的YBCO(钇钡铜氧)薄膜构成有薄壁管为基体提供旁路并联保护的复式超导电流引线。

本发明的电流引线的制作方法如下：首先加工制作一个黄铜或者不锈钢的中空薄壁管(主体部32)，要求下口大，上口小，且在上端部位开两到四个第三孔部323，用于氦气从该孔横向冲刷塔管6两壁，且能防止中空薄壁管内部压力过大时对电流引线3造成机械损伤；其次运用IBAD(离子束辅助沉积)或者PLD(脉冲激光沉积)等物理沉积技术在中空薄壁管外表面(侧面320)镀CeO2种子层薄膜与YBCO超导薄膜。

本实验采用PLD技术制作薄膜的，其中PLD技术原理是：将激光聚焦在一靶材上，利用激光的高能量将靶材烧蚀产生羽辉，沉积在所需要沉积的基底上形成薄膜的一种方式；最后在安装过程中与冷端柔性引线35和/或热端柔性引线34可以是通过焊接或者螺栓压接等方式与连接件31相连接。当采用螺栓压接方式连接时，可以在压接套管内采取镀铟或者压接铟粒等方式进一步减少接触电阻，此种方法也可称为铟粒压接螺栓固定方式。

具体镀膜过程如下：例如利用PLD技术将中空薄壁管放到具有可旋转伸缩臂的生长室内，并安装好靶材CeO2与YBCO，利用机械泵和分子泵，对生长室抽真空，并开始加热中空薄壁管。然后调整好脉冲激光的能量和频率对靶材进行溅射，产生的等离子体附着在旋转的中空薄壁管外表面，形成薄膜。依次镀CeO2薄膜和YBCO超导薄膜。这种方法沉积率高，只要控制好参数，如温度，能量，频率，真空度等条件易于生长出(001)轴晶向生长的超导薄膜，从而使得中空薄壁管外表面均匀的镀了两层薄膜。

在优选的实施方式中，还可以在塔管6的内壁上采用涂层导体(coatedconductor)技术在塔管6的内表面上由内层向外层依次镀氧化铈(CeO2)薄膜与钇钡铜氧(YBCO)薄膜构成以塔管6为基体且提供旁路并联保护的复式超导电流引线。

具体镀膜过程如下：将塔管6分成至少两块，分别在塔管6的内表面上镀镀氧化铈(CeO2)薄膜与钇钡铜氧(YBCO)薄膜；待镀完后，再将塔管6通过焊接或者其它方式固定在一起。

在冷端柔性引线35和/或热端柔性引线34与连接件31的接头处采取焊接或者铟粒压接的方法，大大减少了接触电阻，使得励磁退磁时电流大部分乃至全部流经YBCO超导薄膜，从而减小甚至消除在励磁退磁过程中的欧姆漏热，节约昂贵的液氦。另外，黄铜或不锈钢较低的热导率使得平时超导线圈的热传导漏热始终保持在一个较低水平，不会给冷头造成大的负荷。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变化，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于磁共振系统的超导磁体，包括低温容器、设于低温容器中的超导线圈、以及与超导线圈相连的电流引线，其特征在于：所述电流引线包括设有孔的连接件，所述孔与低温容器相连通。

2.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：所述主体部的侧面上由内向外依次镀有氧化铈和钇钡铜氧。

3.如权利要求1或2所述的超导磁体，其特征在于：所述连接件为黄铜或者不锈钢制作成。

4.如权利要求1或2所述的超导磁体，其特征在于：所述电流引线还包括与连接件的上部相连接的热端柔性引线以及与连接件的下部相连接的冷端柔性引线，所述热端柔性引线和/或冷端柔性引线通过焊接或者铟粒压接螺栓固定方式与连接件相连接。

5.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：所述孔沿主体部上下方向延伸且贯穿主体部，孔包括第一孔部以及位于第一孔部下方且与第一孔部相连接的第二孔部，第一孔部的截面积小于第二孔部的截面积。

6.如权利要求5所述的超导磁体，其特征在于：所述主体部的侧边设有若干个将孔与低温容器相连通的第三孔部。

7.如权利要求6所述的超导磁体，其特征在于：所述连接件还包括主体部以及自主体部的侧边向外侧延伸形成的接线部，所述接线部设有对着第三孔部的接线孔。

8.如权利要求5所述的超导磁体，其特征在于：所述主体部、第一孔部及第二孔部均为圆柱形，第一孔部及第二孔部同轴。

9.如权利要求5所述的超导磁体，其特征在于：所述超导磁体还包括设有正负接线柱的外部引线以及塔管，所述正负接线柱设于塔管上，沿主体部的上下方向看，所述正负接线柱位于第一孔部的外侧。

10.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：所述超导磁体还包括用作电流引线负极的塔管，所述塔管的内壁上由内层向外层依次镀有氧化铈薄膜与钇钡铜氧薄膜。