CN106098290B

CN106098290B - 超导磁体

Info

Publication number: CN106098290B
Application number: CN201610286247.3A
Authority: CN
Inventors: 蒂莫西·霍利斯; 马文彬
Original assignee: Oxford Instruments Nanotechnology Tools Ltd
Current assignee: Oxford Instruments Nanotechnology Tools Ltd
Priority date: 2015-05-01
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2036-05-03
Also published as: US9859045B2; EP3088909A1; GB2540729B; GB2540729A; CN106098290A; GB201507550D0; EP3088909B1; US20160322144A1

Abstract

本发明公开了一种超导磁体，该超导磁体用于磁共振成像(MRI)或磁共振波普(MRS)。磁体具有多个不连续的铌‑钛超导体线圈，铌‑钛超导体线圈沿共同的中心轴线纵向布置并且在使用时产生第一磁场，第一磁场具有沿不连续的线圈径向向内的至少5特斯拉的高场区域。至少两个铌‑锡超导体线圈沿共同的中心轴线设置并且每个铌‑锡超导体线圈均设置在第一磁场的高场区域中，在使用时每个铌‑锡超导体线圈分别产生第二磁场，第二磁场与第一磁场组合产生合成磁场，合成磁场的场强在共同的中心轴线的位置高于第一磁场的场强。磁体布置为在每个铌‑锡线圈与最接近各个铌‑锡线圈的铌‑钛线圈之间具有径向间隔，并且穿过线圈的轴向孔具有至少150mm的直径。

Description

超导磁体

技术领域

本发明涉及一种超导磁体。具体地说，本发明涉及一种用于MRI或MRS的超导电磁体。

背景技术

超导磁体主要用于医学成像。例如，超导电磁体是目前在MRI(磁共振成像)和MRS(磁共振波普)设备中最常使用的磁体类型，同时超导电磁体也常用于NMR(核磁共振)波普。在这些应用中，超导电磁体通常布置成一个或多个线圈(即，将超导线材缠绕成圆筒状并使每个线圈具有特定的匝数)，一个或多个线圈具有共同的中心纵轴线。任何特定的磁体装备的一个或多个线圈典型地构造为在线圈中心(这种区域常常布置为孔)产生高度均匀的磁场。

在此，术语“线圈”通常被视为缠绕成具有重叠绕组的环形形状的一段超导材料，绕组紧密地缠绕在一起并且在使用时使共同电流流过绕组。通常，超导体材料具有绝缘材料覆盖物，并且仅覆盖物使单个线圈的绕组隔离。超导磁体的线圈被保持在具有纵向孔的低温恒温器中，该纵向孔以线圈的共同中心纵轴线为中心并且沿该共同中心纵轴线延伸。低温恒温器还包括隔热性，并且通常包括用于诸如氦或氮等低温流体的腔体。这是由于超导磁体要求冷却到超低温以便用作超导磁体。

常用的超导电磁体材料是铌-钛(NbTi)。铌-钛线圈用作超过一定场强范围的MRI扫描仪和MRS扫描仪的超导电磁体。例如，铌-钛可用于临床应用的MRI扫描仪，临床应用的MRI扫描仪具有约1.5特斯拉(T)的典型场强。已知更高场强的临床系统，并且更高场强的临床系统趋向于具有约3T的场强。具有约7T的场强的磁体一般仅用在临床领域以外(诸如用于研究等)，这是由于目前具有约7T的场强度的磁体一般不允许用于临床应用/目的。

随着所需场强的增加，由于需要更多的线圈并且需要更大的冷却装备，因而导致扫描仪尺寸的增加。例如，对于使用铌-钛线圈的高场强度(例如5T)的MRI扫描仪，需要大约50000升液氦以使线圈冷却到运行基准温度，在冷却处理期间大量的液氦汽化并被回收。一旦进行了冷却，温度就需要可靠地保持在运行基准温度并且尽可能长时间地保持。这种高场扫描仪的尺寸导致了运输、冷却和运行扫描仪的费用增加。

当使用铌-钛时，布置有线圈的设备的尺寸增加，这是由于在场强大于5T的情况下，通常需要“补偿”螺线管构造(例如在图1中所示的构造)以便维持低的B_peak/B₀比率，其中B_peak是线圈中的导体经受的峰值局部场强，且B₀是扫描仪的成像体积中的场强。这是因为市售的铌-钛导体在4.2卡尔文(K)下具有小于大约10T的B_peak，因此需要仔细设计以避免导致磁体失超的峰值磁场。

补偿螺线管磁体通常包括一根螺线管围绕另一根螺线管的嵌套式螺线管，以及围绕着嵌套式螺线管的补偿线圈。补偿线圈提高了由有限长度的螺线管线圈产生的场的均匀性。然而，这使得补偿螺线管磁体极其地庞大和沉重，从而导致建造、运输和安装补偿螺线管磁体十分昂贵。

期望的是使用以下方式获得具有相当的均匀性的磁场：使用不连续的线圈几何形状(即，使用若干独立线圈，每个线圈具有特定匝数并且沿共同的中心纵轴线彼此相邻地布置)来代替使用补偿螺线管磁体。这将使设备的尺寸大大减小。遗憾的是，为实现类似的场强度，超导体中的峰值局部场将远远超过铌-钛超导体的运行能力。

此外，由于增加了制冷剂的费用，趋向于使用尽可能更少量的制冷剂。事实上，在某些环境下，制冷剂的使用既不合适也不可接受。这样，当需要较高的场强时，维持足以可靠使用铌-钛材料的低的运行温度常常是一项挑战。该问题产生的原因是铌-钛具有低的超导转变温度。在不施加任何场的情况下，铌-钛的临界温度为9.3K。在以大于约5T场强运行的超导磁体的工作电流和背景场下，将超过铌-钛的转变温度，并且很可能超过临界场。

因此，期望产生超高场MRI和MRS磁体(例如场强超过5T)，该磁体具有易于运输、安装和冷却的可行尺寸。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于磁共振成像(MRI)或磁共振波普(MRS)的超导磁体，包括：

多个不连续的铌-钛(合金)超导体线圈，其沿共同的中心轴线纵向布置并且在使用时产生第一磁场，第一磁场具有沿所述不连续的线圈径向向内的至少5特斯拉的高场区域；

至少两个铌-锡(合金)超导体线圈，其沿共同的中心轴线设置并且每个铌-锡超导体线圈均位于第一磁场的高场区域中，在使用时每个铌-锡超导体线圈分别产生第二磁场，第二磁场与第一磁场组合产生合成磁场，合成磁场的场强在共同的中心轴线的位置高于第一磁场的场强，其中

每个铌-锡线圈与最接近相应铌-锡线圈的铌-钛线圈之间具有径向间隔，并且穿过线圈的轴向孔具有至少150mm的直径。

基本上，本发明是一种在MRI或MRS中使用的混合超导磁体，其中不连续的铌-钛线圈与位于高场区域中的不连续的铌-锡(例如Nb₃Sn)线圈一起使用，从而提供直径足以容纳人类肢体、动物或其它大型扫描对象的孔。

本发明还允许在例如能够扫描人类对象的磁体系统上使用高场强的同时使整个磁体系统的尺寸最小化。紧凑的几何形状能够降低运输、安装和冷却磁体系统的成本。

应理解的是，对于1.5T和3T铌-钛磁体，不需要螺线管，而是使用多个不连续的线圈。这可能是因为每个线圈的局部场大大低于铌-钛在4.2K下的大约10T的最大能力(容量)。例如，3T铌-钛超导磁体可以可靠地由多个不连续的线圈构造，每个线圈具有大致5T的局部场。在单独使用铌-钛时，较高场的实现会导致一些问题。通过将铌-锡线圈放置在铌-钛线圈的“不连续线圈几何形状”的高场位置中，我们认识到在铌-钛线圈无需达到最大能力的情况下就可以提高合成磁场。

基本上，该超导磁体结构的优点在于，与在不连续线圈结构中仅使用铌-钛相比，该超导磁体结构能够获得更高的场强并且减少使磁体冷却到运行温度所需的制冷剂的量。在某种程度上，这是由于铌-锡具有约18.3K的临界温度，该临界温度高于铌-钛的转变温度。

然而，铌-锡是一种很难在超导磁体线圈中使用的材料。这是因为，对于能够用作超导磁体的铌-锡线圈而言，铌-锡需要在缠绕为线圈几何形状后在700℃的真空中反应，这使得铌-锡超导磁体更加难以生产。此外，一旦铌-锡进行了反应(即烘烤)，铌-锡会变脆，如果不足够小心会使铌-锡会易碎和易断裂。这些问题导致很难想象在商用规模的超导磁体(特别是较高场的磁体)中使用铌-锡材料。

每个线圈可嵌入主体中，或可以一些其它方式支撑，诸如由单独的结构支撑等，在每种情况下支撑都能够承受在运行期间在磁体中产生的力。每个线圈可由其各自的线圈架支撑，或者铌-钛线圈可全部支撑在一个共同的线圈架上，而铌-锡线圈全部支撑在另一共同的线圈架上。然而，超导磁体典型地还包括圆筒状的线圈架，(每个材料类型的)线圈沿所述线圈架设置，线圈架适于将每个线圈保持在位。圆筒形线圈架的使用允许全部线圈相对于共同的主体定位，从而减少对准和一些其它可能出现的制造问题。这转而提高了孔中磁场的均匀性。

每个线圈可利用诸如浸没绕组的可固化树脂等粘合剂保持在线圈架上。还可以预期的是替换地或者额外地使用与线圈架连接的其它形式，诸如线材过紧捆绑或者其它形式的捆扎或支撑等。为了有助于线圈以其优选的几何形状附接和定位，典型地一个或多个线圈设置在线圈架的凹陷部中。

通过将每个线圈设置在凹陷部中，能够根据磁体的期望设计实现每个线圈的精确定位。这也确保了在使用期间或运输和安装期间线圈的位置都不发生变化。

根据高场区域的位置，用于每个铌-锡线圈的凹陷部可以设置在沿线圈架的长度的任何位置。典型地，磁体系统设计成：线圈架的每个端部均具有凹陷部，凹陷部具有向线圈架的端部敞开的凹陷部的一侧，在每个凹陷部中均布置有至少一个铌-锡线圈。因此，在这种情况下凹陷部可被视为由线圈架半径的一级变化表示，从而限定出凹陷部的区域。这使得铌-锡线圈可以彼此独立地烘烤并且可以与线圈架独立地烘烤，因为使每个铌-锡线圈的凹陷部位于线圈架的端部并且凹陷部的一侧朝该端部敞开意味着在对线圈进行热处理之后各个铌-锡线圈可以滑入到线圈架上的位置中。

全部线圈(即铌-钛线圈和铌-锡线圈)可以设置在线圈架的外侧的周围，或者全部的线圈可以设置在线圈架的内侧的周围，或者内侧与外侧相组合，例如，使至少两个线圈位于线圈架的内侧并且至少两个线圈位于线圈架的外侧(不考虑线圈的类型)。典型地，铌-钛线圈布置在线圈架的外侧并且铌-锡线圈布置在线圈架的内侧。因此，铌-锡线圈可以相对于铌-钛线圈更靠近孔。这种结构允许在超导磁体运行的同时维持磁场形状。在超导状态下使用时，线圈中的电流方向为铌-钛线圈生成负环向应力(即向内拉以减少线圈半径)而在载有超导电流时铌-锡线圈具有正环向应力(即向外推以增大线圈半径)。这是因为，对于较大半径上的绕组，场的轴向分量通常相反。这样，两种类型的线圈均推压在线圈架上而不是背离线圈架。通过将线圈推压在线圈架上，可以保持每个线圈的形状，从而确保了磁场的均匀性。

优选地，由于线圈架可被加热以使孔径膨胀到允许铌-锡线圈插入到线圈架中，因此将铌-锡线圈设置在线圈架内侧还允许铌-锡通过“收缩-配合”工艺安装到线圈架上。然后，随着线圈架冷却，线圈夹持在线圈架上。

线圈架可以是在使用时强度足以支撑线圈的任何非磁性材料。适当的材料为奥氏体不锈钢。作为选择，使用铝作为线圈架能确保线圈架较轻，同时也能够承受施加在线圈架上的力。这使得超导磁体易于运输。

可设置接头屏蔽件，所述接头屏蔽件与铌-锡超导体线圈中的至少一者用导线串联连接。铌-锡超导接头需要设置在非常低的背景磁场中，并且如果没有可供使用的低磁场位置，通常(尽管不总是)必须将这些接头设置在超导屏蔽中。可使用诸如独立支架线圈或铸造为超导体的固体件等独立支架接头屏蔽件，由于磁体是斜的，所以独立支架接头屏蔽件通过与其它线圈互感而累积电流。然而，除了依赖互感以外，使接头屏蔽件与超导磁体用导线串联可以在接头屏蔽件中提供了更加可预见的电流，并且在接头上获得已知的、恒定的以及可靠的屏蔽作用。

接头屏蔽件可具有亥姆霍兹(Helmholtz)线圈的构造。也可以以有源的方式对接头屏蔽件进行屏蔽(或实际上对整个超导磁体进行屏蔽)以减少接头上的洛伦兹(Lorentz)力并且使对接头屏蔽件可能具有的磁均匀性的影响降到最小。

超导磁体可通过使用制冷剂(例如，液氦或部分液氮)并且根据用于冷却作用的汽化潜热原理进行冷却。然而，优选的使用低温冷却机(机械制冷机)来冷却超导磁体，因而设置有填充冷却剂的冷却回路(例如包括再凝结系统)，或者甚至单独使用传导来冷却，因而不依赖低温流体的存在，从而不需要储存/从超导磁体中回收低温材料。

至少两个铌-锡线圈能够相对于多个不连续的铌-钛线圈独立地通电。这允许独立地控制铌-锡线圈与铌-钛线圈。这是有益的，因为独立控制允许在对每种线圈最适当/最有效的条件下(诸如施加的电流大小等)运行这种线圈，而不必局限于在与其它线圈类型相同的条件下运行。

当然，铌-锡线圈和铌-钛可以共同地通电，这是有益的，因为这允许使用更简单的控制系统。

可连接至少两个铌-锡线圈和多个不连续的铌-钛线圈，从而使共同的电流施加在所述线圈上。这使得能够同时地控制线圈并且使用单个电源，因而简化了超导磁体的控制系统。

附图说明

现在参考附图对根据本发明的超导磁体的一些实例进行描述，在附图中：

图1示出了沿现有技术的超导磁体的长度截取的示意性剖视图；

图2示出了可选的现有技术的超导磁体的示意性剖视图；

图3示出了沿超导磁体的长度截取的本发明的第一实例的剖视图；

图4示出了从图3中的方向A观看的图3中所示第一实例的剖视图；

图5示出了本发明的另一实例的剖面透视图；

图6示出了沿超导磁体的长度截取的本发明的另一实例的剖视图；

图7示出了沿超导磁体的长度截取的本发明的另一实例的剖视图；并且

图8示出了从图7中的方向B观看的图7中所示实例的剖视图。

具体实施方式

由于此处所描述的超导磁体的实例允许超导磁体在具有与已知超导磁体相当的场强的情况下比已知超导磁体更轻且更紧凑，因此此处所描述的超导磁体的实例代表了相对于已知超导磁体的进展。与尺寸相当的已知超导磁体相比，此处所描述的超导磁体的实例还能够产生更高的场强。这可以通过使用至少两种不同类型的超导电磁体形成混合磁体来实现。

如早先提到的，用于MRI和MRS的常规的超导磁体基于图1中所示的“补偿螺线管构造”，而常规的超导磁体使用铌-钛线圈并且在5T或更大的场强下运行。图1示出了超导磁体1000，超导磁体1000具有缠绕在线圈架1002周围的铌-钛螺线管1001，线圈架1002具有穿过其中的孔1003。

在一些补偿螺线管超导磁体中，可能有若干螺线管。螺线管是嵌套起来的(即，螺线管形成具有共同的中心纵轴线的同心圆筒，诸如在图1中的轴线1004)，这样可以提供较高的场强。在图1中，只有一个螺线管线圈，在该螺线管线圈周围设置有若干补偿线圈1005。这些补偿线圈均缠绕在第二线圈架1006上，从而提供与缠绕有螺线管1001的线圈架1002独立的支撑。补偿线圈1005均为不连续的线圈(分离的线圈)，每个补偿线圈1005均具有特定的匝数；第二线圈架呈装配在第一线圈架周围的中空圆筒的基本形状，且第二线圈架的中心纵轴线与螺线管的中心纵轴线1004共线。

为了容纳超导磁体1000的边缘磁场，超导磁体还具有由第三线圈架1008支撑的屏蔽线圈1007。屏蔽线圈1007是与螺线管和补偿线圈分离的。

当使用铌-钛线圈时，这种形式的超导磁体可产生具有5T或更大的强度的磁场。然而，这种超导磁体太大而难以运输、安装和冷却到适当的运行温度。这是因为需要大量的铌-钛并且具有若干保持线圈的单独的线圈架。这使得这种超导磁体不能在许多应用中使用。由于铌-钛线圈的运行限制，即使使用铌-钛制造的最强补偿螺线管超导磁体，在4.2K下也只具有约10T的最大磁场强度。

通过改变超导磁体的构造，可以减少超导磁体的尺寸和重量。例如，通过使用如图2所示的“不连续的线圈几何形状”，则可以不需要沿超导磁体的整个长度延伸的单个大螺线管。基于如图2所示的不连续的线圈几何形状的超导磁体2000具有多个独立线圈2001(每个独立线圈2001具有指定的匝数)，而不是具有单个大螺线管。独立线圈通常被保持在单个线圈架2002上，与图1中的补偿螺线管超导磁体相同，线圈架2002具有孔2003，孔2003穿过线圈架2002的中心并且确保每个线圈各自的旋转对称轴线均沿共同的中心轴线2004对准。为实现期望的场分布，每个线圈的匝数和形状都经过仔细设计，从而使得每个线圈对整个合成磁场作出适当的贡献。

与图1中所示的超导磁体一样，具有不连续的线圈几何形状的超导磁体也可具有屏蔽线圈2005，屏蔽线圈2005被保持在位于不连续线圈周围的线圈架2006上。

在不连续线圈结构中使用铌-钛线圈时遇到的问题是在磁体孔中可达到的最大场强度为约3T至5T。这是因为，在4.2K、峰值场强(B_peak)容量小于约10T的情况下，由于随着各个超导线圈之间距离的增加而提供的场强减少，所以当使用不连续的线圈几何形状时铌-钛不能在磁体孔中生成更高的合成场强。在4.2K下不能实现更高的场强的原因在于在大于该场强的情况下不能维持超导电流。

峰值场极限的物理原因是在线圈内的局部峰值场可以大致高于在磁体的孔中的工作场。这是由于由每个给定的超导线圈经受的场是由构成超导磁体的全部超导线圈产生的磁场的联合作用。为了在磁体的中心(即，穿过孔/在孔中)产生具有尽可能高的均匀性的场，需要构造超导磁体的几何形状使得场大致在孔的端部提高。当超导磁体具有短的轴向长度时尤其是这样。当场强在孔的端部提高时，这使得在导体中，具体地在超导磁体的轴向端的较大的线圈中产生高的局部场。

然而，我们发现在穿过超导磁体的孔的孔径等于或大于150mm的MRI和MRS的应用中，使用具有不连续铌-锡线圈以及不连续铌-钛线圈的不连续线圈几何形状的混合磁体能够实现较高的场强，同时保证超导磁体在整体上尽可能轻且紧凑。

这使得铌-锡在4.2K、峰值场强高于10T下保持超导性成为可能。例如，铌-锡在4.2K下的最大峰值场强大于20T。此外，铌-锡还能够在比铌-钛更高的温度下保持超导性，这样能够使使用铌-锡的超导磁体具有增大的温度裕度。这是有益的，因为在大传导冷却磁体的情况下，根据通向低温冷却机的热传导路径以及因来自结构的传导、辐射和例如来自MRI梯度线圈的刺激而产生的热贡献，存在贯穿结构的温度变化。通常这将使得超导磁体更易于失超。然而，由于使用铌-锡的超导磁体来增加温度裕度，所以这种超导磁体对局部温度调整具有更好的响应，从而不易于失超。

在图3中示出了这种混合系统1的第一实例。该实例具有与图2所示实例类似的不连续的线圈几何形状。在图3中，五个铌-钛线圈10均缠绕在圆筒状的线圈架12的外侧。线圈架具有保持每个铌-钛线圈的周向凹陷部14(矩形截面)。从图3可看出，线圈10布置为相对于平分磁体轴线的镜像平面对称分布。靠外的一对相似尺寸的线圈位于与线圈架12的端部相邻的位置。靠内的一对横截面面积较小的线圈这样分布：每个线圈在中央镜像平面与线圈架的相应端部之间大致等距。剩下的第五线圈在与磁体的对称的中心轴线平行的尺寸方向上是细长的，并且相对于其它铌-钛线圈在径向上相对较窄。第五线圈设置在沿磁体的长度的中央并且在磁体的中央跨越镜像平面。在设计超导磁体时，选择这种线圈分布并选择每个线圈的形状、尺寸和匝数以提供期望的场分布。在本实施例中，铌-钛线圈的分布产生了具有相对较高的磁场强度(例如9T或更高)的区域，该区域沿径向向内并且与位于线圈架12的各个端部的靠外的一对线圈相邻。

也可以将铌-锡线圈设置在具有低场强度的区域。当这样的区域中的温度高于4.2K时，例如，当通向低温冷却机的传导路径较长或者存在来自MRI梯度线圈的刺激而使特定区域的温度升高时，将铌-锡线圈设置在该区域中。

在图3中所示的实例中，两个铌-锡线圈16位于由铌-钛线圈产生的磁场的高场区域。铌-锡线圈设置在线圈架的内表面上(该内表面形成孔的边界)。铌-锡线圈保持在位于线圈架的端部的凹陷部18中。与凹陷部14具有相等径向高度且彼此相对的平面壁不同(每个壁都具有垂直于磁体的中心轴线的平面)，在凹陷部18的情况中仅设置有一个背向磁体中央的平面壁。从而，每个凹陷部均具有向线圈架的端部“敞开”的一侧，使得线圈架内孔壁的半径在每个凹陷部18的边界处呈现出台阶式的增大，然后该半径在线圈架的端部保持恒定。因此，用于靠外的一对铌-钛线圈的凹陷部14和用于铌-锡线圈的凹陷部18(在类似的轴向位置)同轴排列。在这种情况下，铌-锡线圈的轴向长度大于靠外的一对铌-钛线圈的长度，并且靠外的一对铌-钛线圈相对于铌-锡线圈的轴向位置更居中。在线圈架中铌-锡线圈与铌-钛线圈之间具有径向间隔(即在径向上的间隙)，以使它们保持径向分离并使它们彼此不能发生机械地相互作用。

在位于线圈架内侧的铌-锡线圈和位于线圈架外侧的铌-钛线圈中的电流流动方向有助于将线圈保持在位。在运行时，铌-锡线圈径向向外推，呈现出“正环向应力”。由于铌-锡线圈设置在线圈架的内侧，因此铌-锡线圈推压线圈架并且维持线圈的形状，而不会从线圈架向外推并且因线圈相对于线圈架的运动而产生变形。在铌-锡线圈主要呈现出正环向应力的同时，铌-钛线圈则主要呈现出“负环向应力”，即铌-钛线圈在作为超导体运行时径向向内拉拽。由于铌-钛线圈设置在线圈架的外侧，铌-钛线圈推压线圈架而不是像铌-钛线圈设置内侧那样从线圈架向外拉拽。此外，保持两种线圈间隔开意味着在作为超导体运行时线圈彼此不会直接推挤，从而防止在使用中损坏其它线圈。

与图2中所示的现有技术的超导磁体相同，图3中所示的超导磁体的全部线圈都定位并且定向为使得线圈沿单个中心纵轴线20对准，中心纵轴线20沿穿过线圈架12的孔21的中心纵向轴线延伸并与孔21的中心纵向轴线对准。孔的最小直径为150mm，但优选为大于150mm，由于需要额外的径向投影距离，大于150mm的孔无疑需要更强的磁体以提供类似同轴场强。

将铌-锡线圈定位在可由铌-钛线圈产生的磁场的高场区域中有助于提高整个超导磁体的场强。当两组线圈都处于超导状态时，每个铌-锡线圈产生的磁场均与由铌-钛线圈生成的磁场组合。这使得在孔中所获得的合成场强提高到比在不连续的非补偿系统中单独使用铌-钛线圈所能达到的等级更大的等级。

根据超导磁体的线圈的控制方式，在一些实例中，铌-锡线圈与铌-钛线圈能够彼此独立地通电，而在其它实例中，铌-锡线圈和铌-钛线圈能够共同地通电。当两个线圈共同地通电时，通常在使用中共同的电流将流过线圈。超导磁体的用途将很可能决定控制线圈的最适当方法。

图3中所示的实施例还具有设置在第二线圈架24上的屏蔽线圈22。尽管这里包括屏蔽线圈，但屏蔽线圈对在孔中产生磁场并不是必要的，因而屏蔽线圈可以从全部实例中排除。尽管如此，这种屏蔽线圈在降低磁体系统外部的杂散磁场方面实际上是有用的。从图3和图4(图4示出了图3中所示的实例的端部视图)可看出，在保持铌-钛线圈和铌-锡线圈的线圈架12与第二线圈架24之间具有空间26。线圈架的分离有助于生成超导磁体的有效几何形状。这也使得超导磁体的诸如超导片、开关、超导接头以及失超保护构件等一些构件能够位于线圈架之间。

为制造所描述的实例性超导磁体，铌-锡线圈优选为在安装到线圈架上之前缠绕。这可以使用缠绕超导线圈的常规方法实现。通常将每个铌-锡线圈缠绕在诸如线圈架(线圈架型)等临时工具上。然后对铌-锡进行“烘烤”(通常在700℃或更高)，从而使所使用的线圈材料发生反应。然后在取出工具并安装到线圈架上之前对线圈进行浸渍处理。然而，由于经过了烘烤使铌-锡线圈变脆，在将铌-锡线圈安装到线圈架上时需要特别小心。

由于线圈被制造成精密形状并且精确安装到线圈架上，为了将铌-锡线圈安装到线圈架上，优选利用线圈架的热膨胀以提供足够的尺寸增加，从而使铌-锡线圈安装到线圈架上。应理解的是，凹陷部18的形状允许铌-锡线圈沿轴向插入到铌-锡线圈在凹陷部内的位置上。在该操作期间可将线圈架加热到例如约200摄氏度(℃)的最大温度或加热到例如约150℃、约100℃或约80℃等较低温度，使得孔和凹陷部直径稍微增加，从而足以使铌-锡线圈滑入到位。通常，将线圈架加热到约100℃。然后冷却线圈架从而使线圈架收缩并且“夹持”在铌-锡线圈上。因此这是一种“收缩-配合”构造工艺，由于要求对已缠绕到位的铌-锡线圈进行烘烤，所以该工艺在铌-锡线圈的情况下特别地有用。

作为加热线圈架的代替(或除了加热线圈架之外)，可以使用缓慢冷却线圈(例如，使用氮，诸如液氮等)的工艺。该工艺使线圈直径收缩，从而使得每个线圈能够滑入到位。然后，线圈架在铌-锡线圈变热时夹持铌-锡线圈。这也是一种收缩-配合构造工艺。

当线圈架充分冷却时，由于铌-钛线圈不需要任何形式的加热处理就能在适当的温度下作为超导磁体运行，所以铌-钛线圈可直接缠绕在线圈架上。铌-钛线圈也可以在被加热之前缠绕到线圈架上。对于承受线圈热的铌-钛线圈而言，可以使用氮气冷却和/或可以在铌-钛线圈与线圈架之间留出小间隙，当磁体冷却下来时小间隙将闭合。

图3中的实例示出了铌-锡线圈，铌-锡线圈的轴向长度等于保持铌-锡线圈的凹陷部18的轴向长度。然而，在另一实例中，如图6中所示，铌-锡线圈16的轴向长度可以短于保持铌-锡线圈16的凹陷部的轴向长度。铌-锡线圈的轴向长度可以与相对应的径向相邻的铌-钛线圈10的轴向长度相等或不等(见图3)。图6中所示的实例的所有其它构件都与图3中所示的实例相同。

在图5中示出了另一种实例。图5示出了与图3类似的具有细长线圈架12的超导磁体系统1。铌-锡线圈16安装在保持铌-锡线圈16的凹陷部18的内端部(而不是向线圈架的端部敞开的外端部)。铌-锡线圈16可以被看作孔内侧的两个宽的周向带。在这种情况下，线圈架具有设置在每个端部的附加铌-钛线圈。这用来影响场的形状以使两个铌-锡线圈之间的孔的轴向部分的场更加均匀并且用来控制线圈架的端部的磁场的分布。应理解的是，根据磁体设计，其它组线圈可以用来增加孔内的高均匀性磁场的工作体积。

图5中所示的实施例还具有保持在如图3中所示的单独线圈架上的屏蔽线圈22。然而，图5还示出了超导磁体的冷却机构。在这种情况下，使用一对低温冷却机28。

在图5所示的实施例中，线圈架12与线圈架24之间的容积填充有液氦。低温冷却机28是双级低温冷却机，每个低温冷却机的第一级热附接至辐射防护罩，而第二级附接至将氦气转换为液体的冷凝器，双级低温冷却机有效地生成了零汽化或最小汽化系统。

由于减小了补偿螺线管结构的超导磁体的尺寸并且铌-锡线圈的使用允许较高的运行温度，所以低温冷却机可以用来冷却此处所描述实例的超导磁体以使超导磁体保持期望的运行(即亚临界/超导)温度。这意味着，根据具体设计，只需要使用较小量的制冷剂或甚至完全不需要使用制冷剂(传导冷却)来冷却磁体。

在图7中还示出了另一种实例。图7示出了具有与如图3所示超导磁体相同的线圈结构的超导磁体1。然而，该实例包括接头屏蔽件30，接头屏蔽件30通过超导导线32与铌-锡线圈16串联连接。接头屏蔽件是单独的(超导)线圈，但可以铸造为超导体的固体件，其作用是将磁场从内部容积排除。

接头屏蔽件向耦合至铌-锡线圈16的一个或多个电耦合器(未示出)提供磁屏蔽(并且如果适当地连接，可以向耦合至铌-锡线圈10的一个或多个电耦合器提供磁屏蔽)。铌-锡超导接头需要设置在非常低的背景场中。使用超导屏蔽件有助于实现非常低的背景场。通过与超导磁体串联连接，超导屏蔽件中的电流是可预测的，从而提供可知的屏蔽量。当然可以具有一个以上的超导屏蔽件。优选地，每个超导接头屏蔽件与超导磁体串联接合。

超导屏蔽件还可以具有亥姆霍兹(Helmholz)线圈的构造并且可以是有源屏蔽。亥姆霍兹构造将增加屏蔽区域的尺寸而接头屏蔽件的有源屏蔽将消除成像体积中的任何场贡献。此外，以有源的方式对接头屏蔽件进行屏蔽减小了每个超导线圈经受的洛伦兹(Lorentz)力。

图4和图8分别示出了图3和图7中的两个示例的端部视图。基本上，这些附图示出了围绕中心孔20的各种线圈(铌-锡线圈16、铌-钛线圈10、屏蔽线圈22和图8中的接头屏蔽件30)的对准关系和位置。使用该结构使得超导磁体可以用于MRI和MRS扫描仪。具体地说，这些线圈用于人类和动物级别的扫描仪，包括全身扫描仪。

在所描述的混合超导磁体结构中使用铌-锡线圈，从而能够以很少用量的冷却剂或者不使用冷却剂生产更大的超导磁体并且超导磁体能通过低温冷却机冷却。例如，使用混合超导磁体(诸如上述那些混合超导磁体等)可以生产传导冷却的3T全身MRI扫描仪，该扫描仪由1.5W(瓦特)的低温冷却机冷却。这是由于在使用铌-锡时可利用较大的温度裕度。这也可以使用具有较大孔径的超导磁体实现，诸如具有约500mm孔径的超导磁体等。

Claims

1.一种用于磁共振成像(MRI)或磁共振波普(MRS)的超导磁体，包括：

多个不连续的铌-钛超导体线圈，其沿共同的中心轴线纵向布置并且在使用时能够产生第一磁场，所述第一磁场具有沿所述不连续的线圈径向向内的至少5特斯拉的高场区域；

至少两个不连续的铌-锡超导体线圈，其沿共同的中心轴线设置并且每个铌-锡超导体线圈均位于所述第一磁场的所述高场区域中，在使用时每个铌-锡超导体线圈分别能够产生第二磁场，所述第二磁场与所述第一磁场组合产生合成磁场，所述合成磁场的场强在共同的中心轴线的位置高于所述第一磁场的场强，其中

每个铌-锡线圈与最接近相应铌-锡线圈的相应铌-钛线圈之间具有径向间隔，并且穿过所述线圈的轴向孔具有至少150mm的直径。

2.根据权利要求1所述的超导磁体，还包括圆筒状的线圈架，所述线圈沿所述线圈架设置，所述线圈架适于将每个线圈保持在位。

3.根据权利要求2所述的超导磁体，其中每个线圈设置在所述线圈架中的凹陷部中。

4.根据权利要求3所述的超导磁体，其中所述线圈架的每个端部均具有凹陷部，所述凹陷部具有向所述线圈架的端部敞开的一侧，在每个所述凹陷部中均布置有至少一个所述铌-锡超导体线圈。

5.根据权利要求2、3或4所述的超导磁体，其中所述铌-钛超导体线圈布置在所述线圈架的外表面上并且所述铌-锡线圈布置在所述线圈架的内表面上。

6.根据权利要求2、3或4所述的超导磁体，其中所述线圈架由铝制成。

7.根据权利要求2、3或4所述的超导磁体，还包括接头屏蔽件，所述接头屏蔽件与所述铌-锡超导体线圈中的至少一者用导线串联连接。

8.根据权利要求2、3或4所述的超导磁体，其中所述超导磁体是无冷却剂的超导磁体。

9.根据权利要求2、3或4所述的超导磁体，其中所述至少两个铌-锡线圈能够相对于所述多个不连续的铌-钛线圈独立地通电。

10.根据权利要求2、3或4所述的超导磁体，其中连接所述至少两个铌-锡线圈和所述多个不连续的铌-钛线圈，从而使共同的电流施加在所述线圈上。