CN106653281A - 一种低温超导磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温超导磁体，包括内充液氦的杜瓦容器、位于杜瓦容器内的超导绕组和至少部分位于杜瓦容器中的具有磁性材料的制冷机，所述杜瓦容器包括内壳体、设置在内壳体外部的外壳体以及设置在内壳体和外壳体之间的冷屏，所述制冷机部分地设置在外壳体与内壳体之间，还包括围绕制冷机中磁性材料运动区域设置的磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩至少具有中间存在间隙的两层屏蔽体。该超导磁体能够有效降低制冷机中的磁性材料的磁场对超导磁体的磁场的干扰。

Description

一种低温超导磁体
技术领域
本发明属于超导技术领域，尤其涉及一种低温超导磁体。
背景技术
低温超导磁体系统可提供高稳定度、高均匀度、高场强的磁场，是高性能MRI(高性能医疗用核磁共振成像仪)等相关装置的首选磁体系统。低温超导磁体的超导线绕组通常需要温度很低的工作环境。通常，该低温工作环境采用一个内充低温液体(通常为液态氦)的容器提供，超导线绕组浸泡在其中。由于低温液体尤其是液氦价格昂贵，为了减少低温液体汽化、蒸发导致的损耗，通常使用制冷机进行冷却。
用于上述用途的一些类型的制冷机，例如GM型制冷机，在其回热器中含有磁性材料。在制冷机工作时，该磁性材料做往复运动，从而产生频率为1-1.2Hz的甚低频电磁干扰。这种电磁干扰作用于磁体系统的工作磁场，结果将导致工作磁场的均匀性和稳定性降低，对于MRI磁体系统而言，将降低MRI系统的成像质量。
目前，为了屏蔽上面提到的甚低频电磁干扰，一般采取屏蔽结构或屏蔽装置。现有技术中的屏蔽机构要么屏蔽效果差，要么屏蔽结构涉及复杂，使用成本高。
其中，MRI磁体漏热也是现有技术中主要存在的问题，一般采用真空杜瓦包裹超导线圈以减少漏热，杜瓦为多层杜瓦层包裹液氦的结构，最内层的杜瓦包裹浸于液氦中的超导线圈，温度较低，约为4.2K，杜瓦最外层裸露于空气中，温度为常温，在内、外杜瓦层之间开设置有一层冷屏，冷屏根据具体设计可以控制到40K，也可以根据不同的设计控制为50K或60K。杜瓦的内外各层间温差较大，必然存在磁体漏热的情况。杜瓦内部具有一些必要的连接各层杜瓦的层间连接件，由于各层间具有温度差，层间连接件上存在温度梯度，使得热量通过层间连接件向低温杜瓦层传导，增加其热负载。如果磁体的漏热量较大，就需要提高制冷功率或被动的通过液氦挥发来保证超导线圈的低温运行环境，这两种情况都会使设备的运行及维护成本升高。
因此，如何改变各层杜瓦之间的层间连接件的温度梯度，减少漏热量，降低所需制冷功率和液氦挥发率，以便降低设备的运行及维护的成本，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低温超导磁体，既能够实现超导磁体工作环境的温度，又能够减少超导磁体的漏热，提高了使用质量，降低了使用成本。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种低温超导磁体，包括内充液氦的杜瓦容器、位于杜瓦容器内的超导绕组和至少部分位于杜瓦容器中的具有磁性材料的制冷机，所述杜瓦容器包括内壳体、设置在内壳体外部的外壳体以及设置在内壳体和外壳体之间的冷屏，所述制冷机部分地设置在外壳体与内壳体之间，其特征在于，还包括围绕制冷机中磁性材料运动区域设置的磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩至少具有中间存在间隙的两层屏蔽体。
优选地，所述杜瓦容器还包括用于连接内壳体和外壳体的多个连接件。
优选地，所述杜瓦容器还包括连接冷屏和每个连接件的导冷带。
优选地，所述导冷带连接到连接件的温度节点上。
优选地，所述导冷带通过设置在导冷带两端的导冷鼻分别固定在冷屏和连接件的温度节点上。
优选地，所述制冷机的第一冷却级与冷屏接触，第二冷却级连接于杜瓦容器内壳体上的冷凝器。
优选地，磁屏蔽罩的屏蔽体采用导电性材料或导磁性材料制成。
优选地，相邻的两层屏蔽体之间由绝缘材料制成的支撑件连接。
优选地，屏蔽体通过由导热性良好的绝缘材料制成的固定件固定到杜瓦容器的内壳体上并热连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)该低温超导磁体的磁屏蔽罩采用多层屏蔽结构，能够有效地降低制冷机内的磁性材料对超导磁体的干扰；
2)该低温超导磁体的杜瓦容器具有连接冷屏与连接件的导冷带，所述导冷带能够降低连接件的温度梯度，减少冷屏向内壳体漏热，进而降低了制冷机的负载，降低了使用成本。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的整体结构图
图2是根据本发明的一个优选实施例的屏蔽装置的放大图
图3是根据本发明的一个优选实施例的连接件和导冷带的放大图
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
如图1所示的一种低温超导磁体，包括内充液氦的杜瓦容器和位于杜瓦容器内的超导绕组16，所述杜瓦容器包括内壳体1、设置在内壳体1外部的外壳体3以及设置在内壳体1和外壳体3之间的冷屏2，并且内壳体1和外壳体3之间为真空夹层。具体，外壳体3设计为300K，冷屏为40K。
制冷机8安装在杜瓦容器真空夹层内的低温颈管4和高温颈管7中，在低温颈管4的外侧环绕有磁屏蔽罩6，所述磁屏蔽罩6用以屏蔽制冷机8中的磁性材料10的磁性进而避免磁性材料10的磁场对超导绕组16产生的磁场产生影响。
具体地，上述制冷机8是一种GM型两级制冷机，该制冷机8的第一级冷却级9冷却冷屏2，第二级冷却级11冷却连接于杜瓦容器内壳体1上的冷凝器12，从而使已蒸发的氦气体重新凝结成液态滴回。正常工作状态下，制冷机8的第二级的回热器中的磁性材料10处在磁体系统产生的工作磁场中，并做上下往复运动，因此产生一个频率f为1-1.2Hz的甚低频电磁波。该甚低频电磁波会对磁体系统的工作磁场产生干扰，影响MRI的成像质量。
如图2所示，本实施例中磁屏蔽罩6的屏蔽体13呈圆筒形，由高纯度导电性材料或导磁性材料制成，采用套装在一起的3层结构，围绕低温颈管4设置且保持不接触。相邻的两层屏蔽体13之间可以由绝缘材料制成的支撑件14连接，以保证每层屏蔽体13之间相互电绝缘并保持适当间隙。屏蔽体13通过由导热性良好的绝缘材料，例如氮化硅制成的固定件15固定到杜瓦容器的4K内壳体1上并热连接，从而实现对屏蔽体13的冷却，以获得高的电导率h，并且不破坏多层屏蔽体13间的电绝缘。该屏蔽体13可以是一个单部件多层圆筒形结构，在实践中，还可以将该屏蔽体分割成两个或几个部件来提供，安装时再将各部件组装成一个完整的圆筒形结构，这样，该屏蔽结构的安装将变得更加方便和容易。
如图1和图2所示，为保证屏蔽效果，该屏蔽体13的长度沿着低温颈管4向上方尽量延伸，以不接触制冷机8的第一级热站5(较高温度区)为限。由于该屏蔽结构设置在低温颈管4外侧的杜瓦容器真空夹层内，并且不与较高温度区相连接，所以它不会带来高低温区之间的固体热传导损耗。另外，由于不与制冷机8发生机械连接，也不影响制冷机8的拆装操作。
所述杜瓦容器还包括设置在所述内壳体1和外壳体3之间并将内壳体1和外壳体3连接的连接件17，所述连接件17穿过冷屏2，其可以为管状的结构。
进一步，所述杜瓦容器还包括一端连接冷屏2、另一端连接连接件17的导冷带18，并且导冷带18在连接件17上的连接位置介于冷屏2与外壳体3之间，该连接位置称为温度节点，导冷带18采用良好的导热材料制成。在使用时，由于外壳体3的温度与内壳体1的温度相差较大，通过采用导冷带18能够使连接件17的温度节点的温度与冷屏2的温度大致相同，即降低了连接件17的温度节点的温度，从而改变连接件17的温度梯度，减少冷屏2向内壳体1的漏热量，降低了设备正常运行所需制冷功率的同时降低了液氦挥发率，从而降低了设备的运行和维护成本。
在实际安装过程中，连接件17上的温度节点的选取非常重要，通常需要经漏热计算和软件模拟在连接件17上找出一个点，当这个点与冷屏2的温度相同时冷屏2与内壳体1通过连接件17的固体传导漏热量最小，即选取这个点为温度节点。通过导冷带18将连接件17的温度节点与冷屏2导温连接，使两者温度基本相同，促使连接件17的温度梯度改变，进而降低冷屏2到内壳体1的漏热量。
在本实施例中，导冷带18的导冷截面积的选取也是需要经过计算得出的。在具体应用中，根据导冷带18选取的材料性能及安装位置经过一系列计算，在节省材料的前提下计算出导冷带18的导冷截面积。
为了提高导冷效果的同时降低装置成本，本实施例中，选取价格相对便宜且导温效果较好的铜材料做导冷带18。
所述导冷带18可以通过焊接或者捆绑的方式固定在冷屏2上，也可以在导冷带18的两端各设置一导冷鼻通过螺栓分别固定在冷屏2和连接件17上。
并且，在整个杜瓦容器中，连接件17的数量和形状可以根据需要进行设定。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种低温超导磁体，包括内充液氦的杜瓦容器、位于杜瓦容器内的超导绕组和至少部分位于杜瓦容器中的具有磁性材料的制冷机，所述杜瓦容器包括内壳体、设置在内壳体外部的外壳体以及设置在内壳体和外壳体之间的冷屏，所述制冷机部分地设置在外壳体与内壳体之间，其特征在于，还包括围绕制冷机中磁性材料运动区域设置的磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩至少具有中间存在间隙的两层屏蔽体。
2.根据权利要求1所述的一种低温超导磁体，其特征在于，所述杜瓦容器还包括用于连接内壳体和外壳体的多个连接件。
3.根据权利要求2所述的一种低温超导磁体，其特征在于，所述杜瓦容器还包括连接冷屏和每个连接件的导冷带。
4.根据权利要求3所述的一种低温超导磁体，其特征在于，所述导冷带连接到连接件的温度节点上。
5.根据权利要求4所述的一种低温超导磁体，其特征在于，所述导冷带通过设置在导冷带两端的导冷鼻分别固定在冷屏和连接件的温度节点上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种低温超导磁体，其特征在于，所述制冷机的第一冷却级与冷屏接触，第二冷却级连接于杜瓦容器内壳体上的冷凝器。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种低温超导磁体，其特征在于，磁屏蔽罩的屏蔽体采用导电性材料或导磁性材料制成。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种低温超导磁体，其特征在于，相邻的两层屏蔽体之间由绝缘材料制成的支撑件连接。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种低温超导磁体，其特征在于，屏蔽体通过由导热性良好的绝缘材料制成的固定件固定到杜瓦容器的内壳体上并热连接。
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