CN106688060B - 具有低温热缓冲的超导磁体 - Google Patents
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Abstract
一种超导磁体设备(14；46)，包括：超导导线的至少一个线圈绕组(161‑164)，其被配置为生成静态磁场B0，其中，所述至少一个线圈绕组(161‑164)适于建立与低温制冷机的冷头(38)的热传导接触，所述低温制冷机的所述冷头被配置用于将所述至少一个线圈绕组(161‑164)带到并保持在低于临界温度的温度处；以及至少一个气密容器(40；48)，其永久地含有一定量的氦，其中，所述至少一个气密容器(40；48)与所述至少一个线圈绕组(161‑164)热传导地接触，以用于从处于至少一个操作状态的所述至少一个线圈绕组(161‑164)中拾取热能量；以及一种磁共振成像系统(10)，其被配置用于从感兴趣对象(22)的至少一部分中采集磁共振图像，所述磁共振成像系统包括用于在磁共振成像系统(10)的检查空间(20)中生成静态磁场B0的这样的超导磁体设备(14；46)。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导磁体设备，以及一种包括这样的超导磁体设备的磁共振成像系统。
背景技术
在超导磁体领域中，已知采用具有少量甚至没有低温液体(例如液氦)的冷却技术。这种类型的超导磁体通常被称作“无制冷剂磁体”，并且具有几乎不包含或消耗氦的明显优势。但是，由于缺少低温液体库，无制冷剂磁体的热缓冲能力有限。美国专利US5410286公开了一种低温制冷机冷却的超导磁体，其具有与包括超导导线的磁体盒接触的热缓冲组件。该已知的热缓冲组件经由通气充/放系统耦合到He源以及环境空气。
发明内容
希望提供一种具有在低温温度的经改进的热缓冲能力的无制冷剂超导磁体。
在本发明的一个方面中，通过一种超导磁体设备实现该目的，所述超导磁体设备包括：
-具有临界温度的超导导线的至少一个线圈绕组，所述至少一个线圈绕组被配置用于生成静态磁场；
其中，所述至少一个线圈绕组适于建立与低温制冷机的冷头的热传导接触，所述低温制冷机的所述冷头被配置用于将所述至少一个线圈绕组带到并保持在低于所述临界温度的温度处；以及
-至少一个气密容器，其以流体隔离的方式永久地含有一定量的氦，其中，所述至少一个气密容器与所述至少一个线圈绕组热传导地接触，以用于从处于至少一个操作状态中的所述至少一个线圈绕组中拾取热能量。
如在本申请中使用的短语“永久地含有”应该被具体理解为所述至少一个气密容器不包括任何种类的任何通风供应，使得在填充之后所述一定量的氦在所述气密容器的寿命期间永远不变。亦即，所述一定量的氦在所述气密容器中与用于将所述超导导线冷却到所述临界温度之下的冷却液(如果有的话)流体隔离。
在低温温度处(例如低于10K)，氦气的比热容(即每单位质量的热容量)超过大多数金属的比热容许多数量级(例如，对于铝，该因子在4K处大约是30000)。
当被加热到室温时，所述一定量的氦将建立所述气密容器需要采取的超压。例如：
填充1kg/m3氦得到在300K处的6bar的气体压力，并且从4K到5K得到5kJ/m3的焓变化。在4K处，填充是气态的，达到100％。
填充10kg/m3氦得到在300K处的64bar的气体压力，并且从4K到5K得到50kJ/m3的焓变化。在4K处，填充是气态的，达到100％。
填充100kg/m3氦得到在300K处的866bar的气体压力，并且从4K到5K得到500kJ/m3的焓变化。在4K处，填充是超临界的。
因此，在适合的实施例中，通过由所述至少一个气密容器提供的额外的热容量，能够针对诸如断电、低温制冷机的冷却液缺乏、低温制冷机维护或低温制冷机的可恢复故障的事件而实现基本量的不间断运行(ride-through)时间。由此，在任何这样的事件发生时作为安全预防措施的静态磁场的斜降以及后续消时的、由所述超导磁体设备生成的所述静态磁场的斜升能够被省略。
优选地，所述至少一个气密容器含有一定量的氦，所述一定量的氦等价于在室温处利用50bar到500bar的加压氦气的填充。
此外，由所述至少一个气密容器提供的所述额外的热容量能够允许暂时超过所述低温制冷机的所述冷头的冷却能力。结果，能够不针对例如由部件的暂时操作生成的峰值热负荷来设计所述低温制冷机的所述冷头的所述冷却能力，而是针对在时间常数上进行平均的热负荷来进行设计。通过所述至少一个气密容器的所述额外的热容量以及从热生成的源头到所述至少一个气密容器的路径上的热传导性来确定所述时间常数。由此，与不具有所述至少一个气体类型容器相比，能够将具有更低的冷却能力的低温制冷机用于相同的目的。
在优选实施例中，所述超导磁体设备还包括至少一个超导部件，所述至少一个超导部件不同于所述至少一个线圈绕组并具有临界温度，其中，所述至少一个气密容器是流体隔离的并且与所述至少一个超导部件热传导地接触，以用于在至少一个操作状态中从所述至少一个超导部件拾取热能量。如在本申请中使用的短语“超导部件”具体包括其它超导线圈绕组、超导接头和超导开关。由此，既能够为所述至少一个线圈绕组也能够为所述超导磁体设备的严重依赖冷却的另一超导部件提供额外的热容量。在发生诸如断电、低温制冷机的冷却液缺乏、低温制冷机维护、低温制冷机的可恢复故障的事件、或者危害所述至少一个线圈绕组和另一超导部件的超导功能的任何其他事件时，能够由此实现进一步的安全余裕，用于对在发生任何这样的事件时作为安全预防措施的静态磁场的斜降的省略。
在另一优选实施例中，所述超导磁体设备包括至少两个气密容器，所述至少两个气密容器以流体隔离方式永久地含有一定量的氦，其中，所述两个气密容器中的一个气密容器与所述至少一个线圈绕组热传导地接触，以用于从处于至少一个操作状态中的所述至少一个线圈绕组中拾取热能量；并且所述两个气密容器中的另一个气密容器与所述至少一个超导部件热传导地接触，以用于从处于至少一个操作状态中的所述至少一个超导部件中拾取热能量。由此，能够通过改变含在具有独立尺寸的所述至少两个气密容器中所述一定量的氦，分别根据所述超导部件中的所述超导线圈绕组的独立的冷却要求来特别地设计所提供的额外的热容量。
在另一优选实施例中，含在所述至少一个气密容器中的所述一定量的氦(即填充)的范围在25kg/m3与35kg/m3之间。在该范围的填充中，在室温(大约300K)处的气体压力大约是200bar。在4.2K的温度处，气体压力大约是1bar，并且所述气密容器含有液态氦和气态氦的混合物。由此，由于采用一定量的液态氦的蒸发的潜热，所以能够提供更大量的热容量。
在又一优选实施例中，所述超导磁体设备包括多个气密容器，所述多个气密容器中的每个气密容器含有独立的量的氦，其中，所述气密容器与所述至少一个线圈绕组和不同于所述至少一个线圈绕组的所述至少一个超导部件中的至少一个热传导地接触。由此，基于独立的冷却要求，所述超导磁体设备的所有超导部件都能够被提供有在低于其临界温度的低温温度处的额外的热容量。能够实现进一步的安全余裕，以省略在发生诸如断电、低温制冷机的冷却液缺乏、低温制冷机维护、低温制冷机可恢复故障等防护时作为安全预防措施的所述静电场的斜降。
优选地，所述至少一个气密容器或所述多个气密容器中的所述气密容器基本由轻量金属制成。如在本申请中使用的短语“基本”应该被具体理解为多于50％。这还具体包括所述气密容器完全(100％)由轻量金属制成的情况。
如在本申请中使用的短语“轻量金属”应该被具体理解为包括具有小于或等于5.0g/cm3、更优选地小于或等于3.0g/cm3的特定质量密度的金属。轻量金属的范例是钛及其合金，以及纯铝和包括镁、锂和铍中至少一种的铝合金。原则上，本领域技术人员认为适合的其它轻量金属也可以被用作用于所述气密容器的材料。
在另一实施例中，所述多个气密容器是利用固体基质来保持的。在一个实施例中，含在所述至少一个气密容器中的所述一定量的氦可以在所述多个气密容器之间分配，同时所述一定量的氦的质量与所述多个气密容器的总质量的比率独立于气密容器的尺寸。因此，可以获得具有在低温温度(例如小于10K)处的非常高的热容量的复合材料。此外，当热传播通过较小厚度的材料时，通过这样的复合材料能够实现较快的热扩散。这样的复合材料的另一优势在于所述超导磁体设备可能落入关于压力容器规则的较低类别中(按照气体的压力和体积的乘积)，从而在这方面能够减少用于符合安全规则的努力。
在一个实施例中，所述低温制冷机的至少一个冷头具有4K的标称操作温度。与氦在关于该标称操作温度的温度方案中的属性相结合，能够为所述超导磁体设备提供有效的热缓冲。
在本发明的另一方面中，提供了所公开的超导磁体设备中的一个的实施例或其组合，其中，超导导线的所述至少一个线圈绕组与低温制冷机的所述冷头热传导地接触，所述低温制冷机的所述冷头被配置用于将所述至少一个线圈绕组带到并保持在低于临界温度的温度处。
在一个实施例中，所述超导磁体设备被提供用作磁共振成像系统的主磁体，并且所述超导磁体设备被配置用于在所述磁共振成像系统的检查空间中生成静态磁场。
在本发明的又一方面中，提供了一种磁共振成像系统，其被配置用于从感兴趣对象的至少一部分中采集磁共振图像，并且包括所公开的超导磁体设备中的一个的实施例或其组合。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。然而，这样的实施例不必表示本发明的全部范围，并且因此，在本文中参考权利要求来解释本发明的范围。
在附图中：
图1示出了根据本发明的超导磁体设备的示意性设置；
图2示意性地图示了根据图1的超导磁体设备的细节；
图3相对于永久地含有30kg/m3的氦填充的气密容器中的温度分别图示了压力状况和焓；并且
图4示意性地图示了根据本发明的超导磁体设备的备选实施例；
附图标记
10 磁共振成像系统
12 扫描器单元
14 超导磁体设备
16 线圈绕组
18 中心轴
20 检查空间
22 感兴趣对象
24 磁梯度线圈系统
26 控制单元
28 射频天线设备
30 射频发送器
32 发送/接收开关
34 视频屏蔽
36 患者台
38 冷头
40 气密容器
42 超导接头
44 超导开关
46 超导磁体设备
48 气密容器
50 基质
52 电源
具体实施方式
图1示出了根据本发明的包括超导磁体设备14的磁共振成像系统10的示意性部分视图。超导磁体设备14包括超导导线的四个圆形线圈绕组161-164(图2)，其由具有大约9.2K的临界温度的电绝缘铌-钛组成。四个线圈绕组161-164被垂直于公共中心轴18布置。超导磁体设备10配置用作磁共振成像系统10的主磁体，并且特别用于在磁共振成像系统10的扫描器单元12的检查空间20中生成静态磁场B0，接着所述磁共振成像系统10被配置用于从感兴趣对象22的至少一部分中采集磁共振图像。磁共振成像系统10还包括磁梯度线圈系统24，其被配置用于生成叠加到静态磁场B0的梯度磁场。
此外，磁共振成像系统10包括射频天线设备28，其被设计为圆柱全身线圈，所述圆柱全身线圈被提供用于将射频激励场B1施加到感兴趣对象22的核或感兴趣对象22内的核，以在射频传输时间段期间进行磁共振激励，从而激励感兴趣对象22的核或感兴趣对象22内的核以用于磁共振成像的目的。为此，射频功率由磁共振成像系统10的控制单元26控制并经由发送/接收开关32从射频发送器30被馈送到全身线圈。所述全身线圈具有中心轴，并且在操作状态中被同心地布置在超导磁体设备的腔内，使得全身线圈的中心轴与超导磁体设备的中心轴18相一致。如本领域中公知的，圆柱金属射频屏蔽34被同心地布置在磁梯度线圈系统24与全身线圈之间。
全身线圈还被提供用于在射频接收阶段期间从已经由所发送的射频场B1激励的感兴趣对象22的核或感兴趣对象22内的核接收磁共振信号。所接收的磁共振信号从全身线圈经由发送/接收开关32而被传递到控制单元26的信号处理单元，所述控制单元26还被配置用于控制磁共振成像系统10的另外的功能。在磁共振成像系统10的操作状态中，射频发送阶段和射频接收阶段以连续的方式进行。
此外，磁共振成像系统10包括患者台36，以用于支撑感兴趣对象22并用于将感兴趣对象22定位在检查空间20内。磁共振成像系统10的所有这些部件在磁共振成像领域中都是公知的，并且因此在本文中不再详细讨论也不在附图中示出。
如图1和图2的详细视图所示，超导磁体设备14还包括超导部件421-425、44，其不同于超导导线的四个线圈绕组161-164。三个超导部件被设计为超导接头421-423，其连接四个线圈绕组161-164的不同线圈绕组的端部，从而为电流提供流过所有四个线圈绕组161-164的超导路径。一个超导部件被设计为超导开关44，其通过两个或更多个超导接头424-425并联地电连接到四个超导线圈绕组161-164，从而允许在如本领域公知地使由电源52通过全部四个线圈绕组161-164提供的电流斜升之后以持久模式操作超导磁体设备14的超导线圈绕组161-164。超导开关和超导接头已知相对于未受干扰的超导导线具有关于超导性的劣化的属性，并且因此已知需要特别注意冷却。
超导导线的四个线圈绕组161-164与被广泛用于磁共振成像中的Gifford-McMahon(GM)型低温制冷机的阶段的冷头38热传导地接触(图2)。GM低温制冷机被配置用于使超导导线的四个线圈绕组161-164从室温下降到4K的标称操作温度并用于将其保持在该标称操作温度处，所述标称操作温度远低于超导导线的临界温度。
此外，超导磁体设备14包括完全由轻量金属铝制成的多个气密容器40。多个气密容器40中的每个气密容器40永久地含有范围在大约25kg/m3到35kg/m3之间的氦填充。这是通过在室温处并在开放状态下利用具有大约205bar压力的加压氦气经由填充喷嘴对每个容器40进行填充并通过随后掐断填充喷嘴而完成的。
如图2所指示的，多个气密容器40中的每个气密容器40与四个线圈绕组161-164中的至少一个和/或与不同于四个线圈绕组161-164的超导部件421-425、44中的一个热传导地接触，以用于在至少一个操作状态中拾取热量。
图3相对于永久地含有30kg/m3的氦填充的气密容器40中的温度分别示出了压力状况和焓水平。注意到，当气体类型容器40拾取热量时，氦填充的温度和压力将上升。焓水平的对数刻度示出了能够由气体类型容器40拾取基本量的热量。
由此，在发生诸如断电、低温制冷机的冷却液缺乏、低温制冷机维护或低温制冷机的可恢复故障的事件时，能够提供在低温温度处的大的热容量以作为热缓冲，并且由超导磁体设备14生成的静态磁场B0不必斜降以作为安全预防措施。
数值范例将说明本发明的优势：13.2l体积的气体类型容器40和30kg/m3的氦填充永久地含有400g的氦，这得到在4.2K温度处的大约5.0kJ/K的热容量(等价于大约2500kg的钢)。五个这样的气体类型容器40可以提供在4.2K处的大约25.0kJ/K的热容量，这等价于10l的液氦，该热容量足以操作无制冷剂超导磁体设备。
图4示意性地图示了根据本发明的超导磁体设备46的备选实施例。超导磁体设备46被同样地设计为先前实施例的超导磁体设备14，除了对气体类型容器48的设计。因此，在图4中针对备选实施例中的与超导磁体设备14的先前实施例相同的那些部件使用相同的附图标记。
在备选实施例中，具有比先前实施例中小很多的尺寸的多个气密容器48被利用固体基质材料50来保持。气体类型容器48也由铝制成并永久地含有范围在大约25kg/m3到35kg/m3之间的氦填充。所含有的氦的质量与不具有氦填充的气体类型容器48的质量的比率独立于容器尺寸。因此，如同先前实施例的较大的气体类型容器40，实现了关于在低温温度处的热容量的相同的有利属性。另外，由于热量必须通过具有较小厚度的材料传播以达到所述氦处，因此能够实现较大的热扩散。
环氧树脂被用于固体基质50，并且多个气体类型容器48在环氧树脂发生固化之前基本上已经被均匀地布置在环氧树脂中。为了释放机械应力，环氧树脂可以额外地被装载有一些惰性填充材料，例如细粒的石英砂。经由环氧树脂基质50，多个气体类型容器48与四个线圈绕组161-164和/或不同于线圈绕组161-164的、被设计为超导触点421-425以及超导开关44的超导部件421-425、44热传导地接触。
尽管先前实施例的数字范例提及了气密容器40的典型体积在大约10l的范围中，但本实施例中的气密容器48的典型体积优选地在大约0.1l或更少的区域中。
尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (11)
1.一种超导磁体设备(14；46)，包括：
-具有临界温度的超导导线的至少一个线圈绕组(161-164)，所述至少一个线圈绕组被配置用于生成静态磁场B0；
其中，所述至少一个线圈绕组(161-164)适于建立与低温制冷机的冷头(38)的热传导接触，所述低温制冷机的所述冷头被配置用于将所述至少一个线圈绕组(161-164)带到并保持在低于所述临界温度的温度处；以及
-至少一个气密容器，其以流体隔离的方式永久地含有一定量的氦，其中，所述至少一个气密容器与所述至少一个线圈绕组(161-164)热传导地接触，以用于从处于至少一个操作状态中的所述至少一个线圈绕组(161-164)中拾取热能量。
2.根据权利要求1所述的超导磁体设备(14；46)，还包括至少一个超导部件(42、44)，所述至少一个超导部件不同于所述至少一个线圈绕组(161-164)并具有临界温度，其中，所述至少一个气密容器与所述至少一个超导部件(42、44)热传导地接触，以用于在至少一个操作状态中拾取热能量。
3.根据权利要求2所述的超导磁体设备(14；46)，包括至少两个气密容器，所述至少两个气密容器永久地含有一定量的氦，其中，所述至少两个气密容器中的一个气密容器与所述至少一个线圈绕组(161-164)热传导地接触，以用于从处于至少一个操作状态中的所述至少一个线圈绕组(161-164)中拾取热能量；并且所述至少两个气密容器中的另一个气密容器与所述至少一个超导部件(42、44)热传导地接触，以用于从处于至少一个操作状态中的所述至少一个超导部件(42、44)中拾取热能量。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体设备(14；46)，其中，含在所述至少一个气密容器中的所述一定量的氦的范围在25kg/m3与35kg/m3之间。
5.根据权利要求2所述的超导磁体设备(14；46)，包括多个气密容器，所述多个气密容器中的每个气密容器含有独立的量的氦，其中，所述多个气密容器与所述至少一个线圈绕组(161-164)和不同于所述至少一个线圈绕组(161-164)的所述至少一个超导部件(42、44)中的至少一个热传导地接触。
6.根据权利要求5所述的超导磁体设备(14；46)，其中，所述至少一个气密容器或所述多个气密容器中的气密容器基本由轻量金属制成。
7.根据权利要求5-6中的任一项所述的超导磁体设备(14；46)，其中，所述多个气密容器是利用固体基质(50)来保持的。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的超导磁体设备(14；46)，其中，所述低温制冷机的至少一个所述冷头(38)具有4K的标称操作温度。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的超导磁体设备(14；46)，其中，超导导线的所述至少一个线圈绕组(161-164)与低温制冷机的所述冷头(38)热传导地接触，所述低温制冷机的所述冷头被配置用于将所述至少一个线圈绕组(161-164)带到并保持在低于所述临界温度的温度处。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的超导磁体设备(14；46)，被用作磁共振成像系统(10)的主磁体，所述超导磁体设备被配置用于在所述磁共振成像系统(10)的检查空间(20)中生成静态磁场B0。
11.一种磁共振成像系统(10)，被配置用于从感兴趣对象(22)的至少一部分中采集磁共振图像，所述磁共振成像系统包括根据权利要求1-9中的任一项所述的超导磁体设备(14；46)。
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