CN105139992B - 磁体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种磁体装置，包括：沿轴向延伸的线圈架；布置于所述线圈架上的若干个线圈，所述线圈在轴向上依次布置；第一壳体，与线圈架固定且环绕于所述线圈的外部，所述线圈架与第一壳体形成用于容纳低温冷却液的腔体；所述腔体在径向上具有第一宽度；第二壳体，设置于第一壳体外部，所述第一壳体、第二壳体之间具有环状空腔；所述环状空腔在径向上具有第二宽度，且第二宽度大于第一宽度。本发明的技术方案使得线圈全部或者部分浸泡在容积较小的腔体内部，这种结构应用于超导型磁共振中，既实现了超导线圈大部分浸泡在低温液体中保证超导线圈的稳定运行又大大地减少了低温液体的填充重体积。

Description

磁体装置

技术领域

本发明涉及医学成像领域，尤其涉及一种磁体装置。

背景技术

随着超导技术和超导材料的蓬勃发展，超导磁体技术具有十分广阔的应用前景。超导磁体具有电流密度高、能耗低、体积小、磁场强度高等优点，在基础科学研究、交通运输、工业技术和医疗卫生领域的应用越来越广泛。例如，在医学技术领域中，由超导磁体组成的超导MRI系统正在迅速地取代永磁体MRI系统，已经成为主流的医学成像设备之一。其中，超导磁体的作用是为超导MRI系统提供稳定均匀的主磁场。

由于超导材料的限制，目前所有超导磁体的稳定运行都离不开低温条件。例如，由铌钛(NbTi)、铌三锡(Nb3Sn)等超导线材绕制而成的低温超导磁体，其运行温度一般在4.2K左右，通常由液态氦(LHe)提供低温环境；二硼化镁(MgB2)超导磁体的运行一般在20K左右；通常由液态氢(LH2)提供低温环境；其它由铋锶钙铜氧(BSCCO)、钇钡铜氧(YBCO)等超导线材绕制的高温超导磁体，其运行温度范围较大，但一般都低于80K，通常由液态氮(LN2)、液态氖(LNe)等低温液体提供低温环境。不同的运行温度超导磁体的临界电流密度不同，运行温度越低临界电流密度越大。对于需要借助低温液体来维持低温环境的超导磁系统，由于低温液体的消耗，需要不断补充或者定期补充低温液体。所以这种超导磁体系统运行的主要费用是维持低温环境的费用(即，低温费用)。同时，也是这种特殊的环境要求阻碍了超导磁体技术的普及应用。

在目前常规的超导MRI系统中，其超导磁体大多数是NbTi超导磁体，这种超导磁体(或线圈)通常都是被封装在液氦容器中，由液氦全部浸没或者部分浸没，保证超导磁体的稳定运行。液氦容器通过固定结构安装在恒温器中。这种结构的MRI液储存器体积约为1500至2000升。这种结构MRI的缺点是：不仅氦容器制造费用昂贵，而且需要填充的液氦量也巨大，低温费用巨大。若直接减少液氦罐中的液氦，会导致超导磁体大部分暴露在氦气中，运行时局部超导线由于受力弯曲等原因产生的热量不能及时被液氦吸收，极易失超。此外，将数千升的液氦运输到医院对MRI再填充可能也是非常不方便。总所周知，随着地球上氦资源的耗尽，液氦的价格逐年攀升，这给医院及患者带来了极重的经济负担。

所以，需要提供一种新的超导磁体系统来解决目前超导磁体系统液氦用量大的问题，同时又能保证超导磁体的稳定运行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种磁体装置，包括：

沿轴向延伸的线圈架；布置于所述线圈架上的若干个线圈，所述线圈在轴向上依次布置；第一壳体，与线圈架固定且环绕于所述线圈的外部，所述线圈架与第一壳体形成用于容纳低温冷却液的腔体；所述腔体在径向上具有第一宽度；第二壳体，设置于第一壳体外部，所述第一壳体、第二壳体之间具有环状空腔；所述环状空腔在径向上具有第二宽度，且第二宽度大于第一宽度。

优选地，还包括设置在环状空腔内的冷却液缓冲罐以及设在在第二壳体外面的制冷机。

优选地，所述冷却液缓冲罐与所述用于容纳冷却液的腔体连通，所述制冷机用于将第二壳体内的低温制冷剂产生的蒸汽冷凝成液态。

优选地，还包括设置于第一壳体与第二壳体之间开关储液盒，用于放置超导开关，并与所述冷却液缓冲罐及所述用于容纳冷却液的腔体连通。

优选地，所述线圈架包括内线圈架，置于所述内线圈架上的内线圈；所述第一壳体包括盖板，所述盖板的两侧固定于线圈架上；所述盖板、部分内线圈架形成用于容纳冷却液的第一腔体。

优选地，所述线圈架包括外线圈架，置于所述外线圈架上的外线圈；所述第一壳体包括存储器，所述外线圈架置于所述存储器内，所述存储器、至少部分外线圈架形成用于容纳冷却液的第二腔体。

优选地，还包括引流线，用于将于所述制冷机液化的冷却液引流到所述冷却液缓冲罐中。

优选地，与所述线圈架接触的盖板表面设置有凹槽粘接结构，所述凹槽粘接结构上设置有胶水。

优选地，通过圆形紧固件固定所述盖板与线圈架接触的部分。

本发明还提出了一种磁体装置，包括：

空腔，以及位于所述空腔内沿轴向延伸的线圈架；

布置于所述线圈架上的若干个线圈，所述线圈在轴向上依次布置；

位于空腔内用于容纳低温冷却液的腔体，所述腔体由线圈架以及固定于线圈架并环绕于所述线圈外部的第一壳体构成，且所述腔体的容积小于空腔的容积。

优选地，还包括：第二壳体，位于所述第一壳体的外部；所述第二壳体为封闭罐体，其内部的区域为所述空腔。

本发明还提出了一种磁体装置，包括：

沿轴向延伸的线圈架；

布置于所述线圈架上的若干个线圈，所述线圈在轴向上依次布置；

第一壳体，与所述线圈架固定且环绕于所述线圈的外部，所述线圈架与第一壳体形成用于容纳低温冷却液的腔体；所述腔体的截面为在轴向上延伸的狭长形状。

与现有技术相比，本发明的技术方案使得线圈全部或者部分浸泡在容积较小的腔体内部，这种结构应用于超导型磁共振中，既实现了超导线圈大部分浸泡在低温液体中保证超导线圈的稳定运行又大大地减少了低温液体的填充重体积。通常这种结构的低温液体的填充量可以从1500L左右减少至500L左右。即有效降低超导磁体的成本，又能大幅摆脱对稀缺资源氦的依赖。

附图说明

图1为现有一种超导磁体的轴向侧视图；

图2为沿图1中A-A方向的剖视图；

图3为本发明MRI超导磁体系统结构的剖视图；

图4为本发明超导磁体结构示意图；

图5为本发明超导磁体系统沿中心线的切面下半部分剖视图；

图6为本发明超导磁体系统第二低温容器的第二储存器的示意图；

图7为制冷机冷却回流结构示意图；

图8为图6的一个局部视图；

图9为本发明超导磁体系统第一实施方式中，Former液氦槽道盖板示意图；

图10为本发明超导磁体系统第一实施方式中抱箍示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)设备中，主磁体是一个非常重要的部件，它的作用是产生磁场。根据磁场产生的方式，主磁体可以分为永磁体和电磁体，电磁体又可以分为常导磁体和超导磁体。超导磁体是目前应用比较多的一种主磁体。

结合图1至图2所示，现有一种超导磁体A呈环形，包括：环形低温保持器1，保持器1具有相对间隔设置的内壁12和外壁13、形成于内壁12和外壁13之间的环形腔体10、以及用于放置被检对象(未图示)的外腔11，内壁12比外壁13更靠近外腔11，腔体10内容纳有低温冷却液(未图示)，所述冷却液一般为液氦。

如图2所示，超导磁体A还包括位于腔体10内的超导线圈组件。所述超导线圈组件包括：固设于内壁12上的线圈骨架2、以及安装在线圈骨架2上的超导线圈3，超导线圈3至少有一部分浸泡在冷却液的液面H下方。

冷却液用于将超导线圈3冷却至4.2K(开尔文)，以使超导线圈3处于超导状态。为了使超导线圈3的温度能够达到4.2K，冷却液的液面H一般需要不低于超导磁体A高度(即保持器的外径)的一定比例(例如80％)。

为了使冷却液的液面H满足上述要求，现有超导磁体A中，腔体10位于液面H下方的部分中，未被超导线圈组件占据的空间内均需填充冷却液。所述空间的体积非常大，因此，现有超导磁体需耗费大量的冷却液，造成超导磁体的成本增加。

为了解决上述技术问题，本发明提供了包含有多个液氦罐的超导磁体系统。请参考图3，为本发明超导磁体系统的结构示意图。该超导磁体系统100至少包含两个液氦罐，第一液氦罐103，体积约为1500L，第二液氦罐106，体积约为100L。第一液氦罐103设置在外真空腔(OVS)101内，在它们之间的真空空间中提供有一个或多个热辐射屏蔽层102。第二液氦罐106设置在第一液氦罐103内，与第一液氦罐103连通。第二液氦罐106通过波纹管107与液氦缓冲罐104、超导开关储液盒109相互连通。磁体105浸泡在第二液氦罐106内的液氦111中。制冷机116位于腔体115中。制冷机116有两级，一级连接热辐射屏蔽层102，并将该屏蔽冷却至50～70k的温度，二级将氦气113冷凝成液氦111，并沿着引流线112回流至液氦缓冲罐104。

请参考图4，为本发明超导磁体结构的示意图。该超导磁体结构200包括一个磁体内线圈绕线骨架201，磁体外线圈绕线骨架202通过外线圈骨架支撑结构204与内线圈骨架201固定成一整体结构。内、外绕线骨架中布置有超导线圈203。内线圈绕线骨架201与槽道盖板205之间形成第一液氦储存器207，其中储存的液氦与超导线圈直接接触传热，保证了超导磁体的稳定运行。第二液氦储存器206部分包裹外线圈绕线骨架202。

请参考图5与图4，为本发明超导磁体系统沿中心线的切面下半部分剖视图。在一个非限定的实施方式中，该超导线圈203可能包括两个端部线圈203a、两个中部线圈203b、两个中部线圈203c、一个中心线圈203d、两个外线圈201e。绕线骨架201与槽道盖板205a密封形成第一储存槽207a；绕线骨架201与槽道盖板结构205b密封形成第二储存槽207b；绕线骨架201与槽道盖板结构205c密封形成第三储存槽207c，第一、二、三储存槽207a、207b、207c相互连通形成第一储存器207。第一储存槽207a通过连通结构301a与第二储存槽207b相互连通；第二储存槽207b通过连通结构301b与第三储存槽207c相互连通。第一储存器207通过连通接口302、第二储存器206通过连通接口303分别与液氦缓冲罐104相互连通。第一储存器207与第二储存器206结合形成为第二液氦罐106。该超导磁体系统大部分结构为左右对称，故其他部分结构相同，不再赘述。

请参考图6，为本发明超导磁体系统第二低温容器的第二储存器的示意图。第二储存器206为60度左右开口矩形切面圆弧形容器，其材料通常为不锈钢。外骨架202a置于第二储存器内206a，通过密封过渡接头402a穿过第二储存器内206a与支撑结构204固定，密封过渡接头402(包括402a、402b)一般为不锈钢。支撑结构204材料通常为铝、铝合金或不锈钢等。密封过渡接头402a穿过第二储存器206a并需要与之密封，其之间的密封方式一般为直接焊接密封。密封过渡接头402a与支撑结构204固定方式一般为螺栓连接或焊接。

再次参考图3，超导开关108设置在超导开关储液盒109内。储液盒109例如由不锈钢或铝这样的非磁性材料制成，其位于磁体底部，通过不锈钢波纹管107a与第二液氦罐106连通，通过波纹管107b、107c与液氦缓冲罐104连通。液氦缓冲罐104、超导开关储液盒109、第二液氦罐106互为连通。此种结构保证在磁体运行时超导开关108始终被液氦浸没。

包裹在波纹管107b内的超导线固定架110由多节不锈钢棒焊接而成，两端分别固定于超导开关储液盒109及液氦缓冲罐104上，超导开关的引出线捆绑在超导线圈固定架110上，引出至液氦缓冲罐104中，与超导线圈的超导线接头连接。液氦缓冲罐104固定于外线圈骨架支撑结构204上，其由不锈钢或铝制成，总容积约为100L，作用为补充升降场过程中第二液氦罐106中的液氦消耗。

请参考图7与图1，腔体115与第一液氦罐103通过波纹管相连，波纹管末端的棉线112与液氦缓冲罐104中的固定块501相连。制冷机116冷凝成的液氦沿棉线112回流至液氦缓冲罐104中，避免直接滴落。

以下是此发明低液氦MRI超导磁体装置制作过程中的低温粘接密封方法。

请参考图8，为图6的一个局部视图。在一个非限定的实施方式中，槽道盖板结构205A采用了一种低温粘接密封方法与绕线骨架201密封形成第一储存器207A。进一步，槽道盖板结构205A设置了一种凹槽粘接结构601，其可以增大粘接面积提高粘接强度又可以部分抵消材料低温收缩对粘接胶水产生的应力。通常盖板外还需要额外紧固结构，如抱箍602等。槽道盖板结构205A的材料通常选择与绕线骨架201的相同材料，例如，铝、不锈钢等。该粘接胶水可以是各种环氧胶或其与其他组份混合物，或是其他低温胶水。另一种实例中，槽道盖板结构205A也可以直接选择与绕线骨架201焊接密封。

请参考图9，为槽道盖板结构示意图。在一个非限定的实施方式中，该槽道盖板结构205为一开口圆环，圆环开口角度一般为60度左右，槽道盖板结构205设置有粘接固定孔701、粘接密封结构601。槽道盖板结构205通过粘接密封结构601密封固定在绕线骨架201上。在降温过程中粘接结构会产生巨大的热应力，会破坏密封。

请参考图10，为一种抱箍示意图。在一个非限定的实施方式中，抱箍结构602包含有圆弧形紧固件801、圆弧形紧固件802。圆弧紧固件801、802通过弹性结构803相连。弹性结构803由螺杆和多个弹性垫片组合而成。常温下给予弹性结构803足够的预紧力，则在降温过程始中，抱箍结构602能始终给予槽道盖板结构205于紧固力，抵消了部分粘接密封结构601的热力，保证了粘接密封结构601不会被破坏。

本发明的一个方面在于提供一种超导磁体系统。该超导磁体系统包括两个液氦罐，第一液氦罐和第二液氦罐，其中第二液氦罐置于第一液氦罐内，超导线圈设置在第二液氦罐中。进一步地，第二液氦罐由至少一个储存槽相互连通再与至少一个开口圆弧形液氦储存器相互连通构成。第二液氦罐的至少一个储存槽由槽道盖板与绕线骨架之间采用低温粘接结构密封形成。外线圈及外线圈绕线骨架置于开口圆弧形液氦储存器内。置于该储存器中的绕线骨架通过密封过渡接头穿过该储存器固定在磁体的支撑系统上。采用此种结构，可实现磁体低液氦量运行。

该磁体系统中还布置了液氦缓冲罐、超导开关储液盒、制冷机液氦回流装置，用以提高磁体在低液氦量运行时的稳定性。

本发明的另一个方面在于提供一种低温粘接密封结构及方法。该粘接结构至少包括：

至少一个绕线骨架及一个槽道盖板；进一步地，绕线骨架设置凹形粘接槽道，槽道盖板上设置有凸形结构；绕线骨架与槽道盖板之间采用低温粘接密封胶水密封或直接焊接密封；该低温粘接密封胶水可以是环氧胶、或其他低温胶水。当然，也可使绕线骨架设置凸形粘接槽道，槽道盖板上设置凹形结构。

相较于现有技术，本发明的超导磁体系统在第一液氦罐中设置了第二液氦罐，超导线圈全部或部分浸泡在第二个容积较小的液氦罐中。这种结构既实现了超导线圈大部分浸泡在低温液体中保证超导线圈的稳定运行又大大地减少了低温液体的填充重。通常这种结构的低温液体的填充量可以从1500L左右减少至500L左右。即有效降低超导磁体的成本，又能大幅摆脱对稀缺资源氦的依赖。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁体装置，其特征在于，包括：

沿轴向延伸的线圈架；

布置于所述线圈架上的若干个线圈，所述线圈在轴向上依次布置；

第一壳体，与线圈架固定且环绕于所述线圈的外部，所述线圈架与第一壳体形成用于容纳低温冷却液的腔体；所述腔体在径向上具有第一宽度；

第二壳体，设置于第一壳体外部，所述第一壳体、第二壳体之间具有环状空腔；所述环状空腔在径向上具有第二宽度，且第二宽度大于第一宽度；

所述线圈架包括内线圈架，置于所述内线圈架上的内线圈；所述第一壳体包括盖板，所述盖板的两侧固定于线圈架上；所述盖板、部分内线圈架形成用于容纳冷却液的第一腔体。

2.如权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，还包括设置在环状空腔内的冷却液缓冲罐以及设在在第二壳体外面的制冷机。

3.如权利要求2所述的磁体装置，其特征在于，所述冷却液缓冲罐与所述用于容纳冷却液的腔体连通，所述制冷机用于将第二壳体内的冷却液产生的蒸汽冷凝成液态。

4.如权利要求3所述的磁体装置，其特征在于，还包括设置于第一壳体与第二壳体之间开关储液盒，用于放置超导开关，并与所述冷却液缓冲罐及所述用于容纳冷却液的腔体连通。

5.如权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述线圈架包括外线圈架，置于所述外线圈架上的外线圈；所述第一壳体包括存储器，所述外线圈架置于所述存储器内，所述存储器、至少部分外线圈架形成用于容纳冷却液的第二腔体。

6.如权利要求2所述的磁体装置，其特征在于，还包括引流线，用于将于所述制冷机液化的冷却液引流到所述冷却液缓冲罐中。

7.如权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，与所述线圈架接触的盖板表面设置有凹槽粘接结构，所述凹槽粘接结构上设置有胶水。

8.如权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，通过圆形紧固件固定所述盖板与线圈架接触的部分。