CN107086105B - 一种应用于磁共振设备的高温超导匀场系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于磁共振设备的高温超导匀场系统，包括：高温超导匀场线圈，互感线圈，开关控制器、高频信号发生器和桥式整流电路；在互感线圈的常温区域侧输入交流电流，并由互感线圈的低温区域侧产生感应电流；感应电流经由桥式整流电路中进行整流；在桥式整流电路内部，高频信号发生器产生高频电流信号输入至开关控制器，通过开关控制器控制桥式整流电路中超导开关的通断；经整流后感应电流成为直流电并输入高温超导匀场线圈中；当外部交流电源信号移去，保持桥式整流电路中相对的两个超导开关导通，高温超导匀场系统处于闭环运行状态。本发明能提升匀场效果，改善磁场均匀性，同时减少液氦使用量，节约资源，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振领域，具体的说是一种应用于磁共振设备中的高温超导匀场系统。
背景技术
随着磁共振成像技术的发展，超导磁共振因为其极佳的稳定性与均匀度，已经逐渐成为磁共振领域发展的主流，在科学研究以及其他领域都有着非常广阔的前景。其中超导主磁体作为超导磁共振主要组成部分，磁场强度和均匀度是衡量其性能的主要指标，尤其是磁场均匀度其不但能够决定磁体性能，而且直接影响图像信噪比。但是即使磁体设计计算非常精确，其加工工艺误差也是难以避免的。在实际中，磁体产生的磁场值会偏离设计的理想值，为此引入匀场系统就显得尤为重要，它可以在一定程度上很好地提高磁场均匀度。
匀场系统一般分为常导匀场系统和超导匀场系统两类。其中常导匀场系统是指在室温孔内安装匀场线圈，由于需要恒流驱动且受电流热效应影响，其匀场幅度有限。超导匀场系统指的是在冷屏内安装超导匀场线圈，超导匀场线圈能达到的均匀度指标更高，匀场效果更好。为了保证超导材料的性能，传统超导匀场线圈和超导主磁体设计均置于4.2K的液氦区域内，但不可忽略的是，地球氦资源稀少且昂贵。
匀场系统有两种基本运行模式：电源供电模式与闭环运行模式。电源供电模式优势在于可以做到频繁励磁与退磁，但要求电源波动小，可以均匀调节。受制于电源限制，该模式磁场稳定性不高，均匀性一般。闭环运行模式引入超导开关，在励磁结束后撤掉电源，超导开关与线圈形成回路，线圈处于无损或损耗极其小情况下运行，该模式下可以降低外部信号对系统影响，磁场稳定性好，有利于更清晰的磁共振成像。缺点是对超导开关的性能要求比较高。
由于超导线圈闭环运行需要性能良好的超导开关，当超导线材的运行参数超过任意临界量(临界温度、临界磁场)时，超导线材会发生失超。基于此，传统超导开关分为热控式与磁控式，热控式超导开关热阻尼弛豫时间较长，限制了关断速度的提高；磁控式超导开关的速度受到提供外磁场的线圈的自感限制，与磁场扩散速度及瞬时功率有关，通过合理的磁控结构能够提高关断速度，但是技术复杂，同时磁控超导开关的整机的超导材料用量大，且对于磁共振设备而言，会对主磁场的场强以及均匀度有一定的影响。
发明内容
本发明是为了解决传统超导磁共振中匀场系统的通断速度不够、控制过程不精确、热影响、关断磁场影响等问题，提出一种应用于磁共振设备的高温超导匀场系统，以期能提升匀场效果，改善磁场均匀性，同时减少液氦使用量，节约资源，降低成本。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种应用于磁共振设备的高温超导匀场系统，所述磁共振设备是由制冷机、超导主线圈、系统外壳、70K冷屏、40K冷屏、20K冷屏、10K冷屏、4.2K冷屏、高温超导匀场区和冷源引流槽组成；其特点是，
将所述高温超导匀场区设置在所述70K冷屏中；将所述超导主线圈设置在4.2K冷屏中，从而实现所述高温超导匀场区和超导主线圈的分离放置；
所述高温超导匀场系统包括：高温超导匀场线圈、开关控制器、互感线圈、高频信号发生器以及由四个超导开关构成的桥式整流电路；所述互感线圈是由互感线圈低温侧和互感线圈常温侧组成；
所述高温超导匀场线圈置于所述高温超导匀场区中；并在所述磁共振设备中设置工频交流电源引入端和高频信号引入端；
所述互感线圈常温侧通过所述工频交流电源引入端接入交流电源，并在所述互感线圈低温侧产生感应电流输入到所述桥式整流电路中；
所述高频信号发生器接入所述高频信号引入端中，由所述高频信号发生器产生高频电流信号输入至所述开关控制器，由所述开关控制器控制所述桥式整流电路中的四个超导开关导通，并将所述感应电流进行整流，从而得到直流电并引入所述高温超导匀场线圈中，使得所述高温超导匀场系统处于励磁状态；
当励磁结束后，将所述交流电源断开，所述桥式整流电路中相对的一组超导开关导通，所述高温超导匀场线圈中的一组或几组线圈有稳恒电流通过并处于闭合回路中，从而使得所述高温超导匀场系统处于闭环运行状态。
本发明所述的高温超导匀场系统的特点也在于：每个超导开关的结构为四层绝缘层和三层导体层组成的约瑟夫森结；且所述四层绝缘层与三层导体层间隔设置。
所述开关控制器是按如下步骤控制所述四个超导开关组成的桥式整流电路的整流：
步骤1、在所述互感线圈的感应电流正半波下，所述开关控制器将所述高频电流信号引入所述高温超导桥式整流电路的第一超导开关和第三超导开关中，基于超导隧道效应，使得所述第一超导开关和第三超导开关导通，即一组对向的高温超导开关导通；
步骤2、在所述互感线圈的感应电流负半波下，所述开关控制器将所述高频电流信号引入所述高温超导桥式整流电路的第二超导开关和第四超导开关中，基于超导隧道效应，使得所述第二超导开关和第四超导开关导通，即另一组对向的高温超导开关导通，进而实现桥式整流。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明高温超导匀场系统，匀场线圈采用高温超导材料绕制，工作区域温度70K，可以利用液氮冷却。传统匀场线圈工作温区4.2K，使用液氦冷却，但是地球上氦资源稀少且昂贵。由于地球上的氮资源是非常丰富的，选用液氮冷却匀场线圈，可极大地节约了成本，同时节省了降温过程的能量消耗。
2、本发明高温超导匀场线圈，放置在系统的70K冷屏中，将传统低温设备中用以绝热的70K冷屏充分利用，提升了设备使用效率，同时实现了与超导主磁体分离放置，不占用主磁体线圈所在的液氦区域，从而减少了液氦使用量，节约了资源，降低了成本。
3、本发明高温超导匀场系统，采用互感线圈励磁的方式，励磁过程不需要导线连接，避免了有线连接过程中热量随导线及其间隙的流失，热量损失小，有助于维持超导所需的低温环境。
4、本发明高温超导匀场系统所涉及的桥式整流电路是由四个基于超导隧道效应设计的超导开关组成，结构新颖，基于超导隧道效应的超导开关，利用高频电流信号控制导通，通断速度极快，在开关精准控制方面近似于零误差，优势明显。
5、在传统的热控式超导开关中，需要对开关部分加热使其关断，在超导工作的低温区域中，该热量会产生不利影响，导致液氦、液氮资源的挥发，而本发明引入基于超导隧道效应设计的超导开关，解决了传统热控式超导开关中的热量影响低温区域问题。
6、在传统的磁控式超导开关中，每个超导开关还需再配置一个小型线圈，工作过程使小线圈通电就会产生磁场，这就会破坏开关的导通状态，使其关断。而且关断产生的磁场对磁共振中磁场的均匀度也会产生不利影响。本发明设计的引入基于超导隧道效应设计的超导开关，解决了传统磁控式超导开关中的控制磁场影响总体均匀性问题。
附图说明
图1为本发明的高温超导匀场系统示意图；
图2为本发明的磁共振设备示意图；
图3为本发明的超导开关内部构造图；
图4为本发明的高频信号输入示意图；
图5为本发明的工频交流电源输入示意图；
图中标号：1互感线圈低温侧，2开关控制器，3高频信号发生器，4高温超导匀场线圈，5第一超导开关，6第二超导开关，7第三超导开关，8第四超导开关，9互感线圈常温侧，10制冷机，11超导主线圈区，12系统外壳，13 70K冷屏，14 40K冷屏，15 20K冷屏，16 10K冷屏，17 4.2K冷屏，18工频电源引入端，20高频信号引入端，21高温超导匀场区，22冷源引流槽，23高温超导导线，24第一绝缘层，25第一超导层，26第二绝缘层，27第二超导层，28第三绝缘层，29第三超导层，30第四绝缘层，31无金属外壳层，32工频交流电源，33普通材质外壳层。
具体实施方式
如图2所示，磁共振设备是由制冷机10、超导主线圈区11、系统外壳12、70K冷屏13、40K冷屏14、20K冷屏15、10K冷屏16、4.2K冷屏 17、高温超导匀场区21和冷源引流槽22组成；
本实施例中，低温恒温器是一种多层防辐射屏与蒸汽冷却屏相结合的多屏绝热结构，其金属屏与冷蒸发气体排出管相连接，利用冷蒸汽蒸发吸热从而来冷却辐射屏，从而提高绝热效果。低温恒温器由内到外分别是4.2K冷屏17、10K冷屏16、20K冷屏15、40K冷屏14、70K冷屏13。
制冷机10用于低温恒温器冷屏制冷，并设置为两级制冷，分别对4.2K冷屏17与70K13冷屏制冷。第一级制冷连接在4.2K冷屏17，为位于超导主线圈区11的超导主线圈提供稳定的温度环境。由于超导主线圈的工作温度为4.2K，主要依靠液氦冷却，通过制冷机10第一级制冷能够维持4.2K的低温，大大降低了液氦资源的消耗，节约成本。第二级制冷连接在70K冷屏13上，为在该冷屏中工作的高温超导匀场系统多组高温超导匀场线圈4提供稳定的温度环境，确保高温超导匀场线圈4稳定的运行。高温超导匀场线圈4采用高温超导材料制作，置于70K冷屏13中，而且不占用宝贵的液氦区域。
通过制冷剂10的二级制冷，不但实现了实现超导高温超导匀场区21和超导主线圈区11的分离放置，而且减少液氦用量，节约成本。
冷源引流槽22一端连接在4.2K冷屏 17所在的液氦区，当液氦挥发时，通过冷源引流槽22，低温液氦气体流经温度依次升高的冷屏区域，可保证能量的充分利用。
如图1所示，一种应用于磁共振设备的高温超导匀场系统，包括：高温超导匀场线圈4、开关控制器2、互感线圈、高频信号发生器3以及由四个超导开关构成的桥式整流电路；互感线圈是由互感线圈低温侧1和互感线圈常温侧9组成；
高温超导匀场线圈4置于高温超导匀场区21中；并在磁共振设备中设置工频交流电源引入端18和高频信号引入端20；高温超导匀场系统的具体工作过程分励磁、闭环工作两个环节；
励磁环节：互感线圈常温侧9通过工频交流电源引入端18接入交流电源，并在互感线圈低温侧1产生感应电流并提供给桥式整流电路中；高频信号引入端20接入高频信号发生器3中，由高频信号发生器3产生高频电流信号输入至开关控制器2，由开关控制器2控制桥式整流电路中的四个超导开关导通，并将感应电流进行整流，从而得到直流电并引入高温超导匀场线圈4中，使得高温超导匀场系统处于励磁状态；
具体实施中，开关控制器2是按如下步骤控制四个超导开关组成的桥式整流电路的整流：
步骤1、在互感线圈的感应电流正半波下，开关控制器2将高频电流信号引入高温超导桥式整流电路的第一超导开关5和第三超导开关7中，基于超导隧道效应，使得第一超导开关5和第三超导开关7导通，即一组对向的高温超导开关导通；
步骤2、在互感线圈的感应电流负半波下，开关控制器2将高频电流信号引入高温超导桥式整流电路的第二超导开关6和第四超导开关8中，基于超导隧道效应，使得第二超导开关6和第四超导开关8导通，即另一组对向的高温超导开关导通，进而实现桥式整流。
闭环环节：当励磁状态结束后，将交流电源断开，桥式整流电路中相对的一组超导开关导通，高温超导匀场线圈4中的一组或几组线圈有稳恒电流通过并处于闭合回路中，从而使得高温超导匀场系统处于闭环运行状态。
具体实施中，高温超导匀场系统中高温超导匀场线圈4是由Bi2223氧化物材料绕制而成的。由于高温超导材料的载流密度远远大于普通的超导材料，因此采用高温超导导线绕制的匀场线圈可以大大地减少磁共振设备中导线的需求量。同时，超导线圈励磁之后进入闭环运行模式，无需电源供电，不受电源波动影响，具有相当好的稳定性。另外将高温超导匀场系统置于低温恒温器中70K冷屏中，不占用主磁体4.2K低温有限的工作区域。
每个超导开关的结构为四层绝缘层和三层导体层组成的约瑟夫森结；且四层绝缘层与三层导体层间隔设置。超导开关在通断速度方面优势明显，有利于更精确的对整个高温超导匀场系统进行控制，而且超导线材用量少，节约成本。四个超导开关与高温超导匀场线圈4、互感线圈的低温侧1一同置于低温恒温器中的70K冷屏中，实现了高温超导匀场线圈4励磁环节、闭环工作环节的完全内置。
导体层是可以采用钇钡铜氧、铊钡钙铜氧等高温超导材料制成，绝缘层是可以采用氧化铝、氧化硅、氧化锑材料制作而成。当接入高频电流信号时，基于约瑟夫森效应原理，开关控制器2控制超导开关导通，当切掉高频电流信号时，超导开关断开。
如图3所示，本发明涉及的超导开关基于约瑟夫森效应，不同于传统SIS型约瑟夫森结的三层结构，本发明提出了超导层与绝缘层相交替的新型七层结构设计，对称排列。具体排布为第一绝缘层24、第一超导层25、第二绝缘层26、第二超导层27、第三绝缘层28、第三超导层29、第四绝缘层30。其中选取第一绝缘层24为氧化钇层，第二绝缘层26和第三绝缘层28均为氧化铝层28，第四绝缘层30为氧化钇层。由于绝缘层的厚度对开关效果影响不大，要求可适当放宽，故选为取50~100nm。选取第一超导层25为钇钡铜氧层，第二超导层27为铊钡钙铜氧层，第三超导层29为钇钡铜氧层，考虑到超导层厚度对开关效果影响极大，对其厚度具有严格要求，综合考虑选为1~2nm。
具体实施中，首先在真空环境中制备七层膜结构，以基板为底，利用脉冲激光沉积法铺设超导体层，例如第三超导层29的钇钡铜氧层。其次运用热氧法或辉光放电法生成氧化膜，实现绝缘层的铺设，最后利用激光脉冲沉积法铺设超导体层。以此类推，直到七层膜结构制备完成。另外为了得到设计的电极图形、约瑟夫森结区以及搭接电极等，需要对七层膜结构进行多次光刻。由于本发明中高温超导导线23选用Bi2223材料制作，导线外层镀银基底，在超导导线与新型超导开关连接处需将银基底打磨掉。
如图4所示，本发明涉及的超导开关控制信号是通过感应的方式的输入，高频信号发生器3置于系统外层，通过互感线圈将高频交流信号引入系统内侧，同样为无导线连接。需要注意的是，高频信号在跨过设备外壳时，会产生严重的涡轮效应，故该位置设备外壳需采用无金属材料，即为无金属外壳层31，用以消除涡轮的影响。高频信号引入系统内部之后，按照如图1所述的工作方式，高温超导匀场系统进入励磁环节。
如图5所示，本发明涉及的高温超导匀场系统是通过互感线圈将外部电流引入系统内部，系统外部设置工频交流电源32，互感层为普通材质外壳层33。通过互感线圈将交流电引入系统内侧的70K冷屏中，高温超导匀场线圈4及四个超导开关构成的桥式整流电路均置于70K冷屏中。
Claims (3)
1.一种应用于磁共振设备的高温超导匀场系统，所述磁共振设备是由制冷机(10)、超导主线圈(11)、系统外壳(12)、70K冷屏(13)、40K冷屏(14)、20K冷屏(15)、10K冷屏(16)、4.2K冷屏(17)、高温超导匀场区(21)和冷源引流槽(22)组成；其特征是，
将所述高温超导匀场区(21)设置在所述70K冷屏(13)中；将所述超导主线圈(11)设置在4.2K冷屏(17)中，从而实现所述高温超导匀场区(21)和超导主线圈(11)的分离放置；
所述高温超导匀场系统包括：高温超导匀场线圈(4)、开关控制器(2)、互感线圈、高频信号发生器(3)以及由四个超导开关构成的桥式整流电路；所述互感线圈是由互感线圈低温侧(1)和互感线圈常温侧(9)组成；
所述高温超导匀场线圈(4)置于所述高温超导匀场区(21)中；并在所述磁共振设备中设置工频交流电源引入端(18)和高频信号引入端(20)；
所述互感线圈常温侧(9)通过所述工频交流电源引入端(18)接入交流电源，并在所述互感线圈低温侧(1)产生感应电流输入到所述桥式整流电路中；
所述高频信号发生器(3)接入所述高频信号引入端(20)中，由所述高频信号发生器(3)产生高频电流信号输入至所述开关控制器(2)，由所述开关控制器(2)控制所述桥式整流电路中的四个超导开关导通，并将所述感应电流进行整流，从而得到直流电并引入所述高温超导匀场线圈(4)中，使得所述高温超导匀场系统处于励磁状态；
当励磁结束后，将所述交流电源断开，所述桥式整流电路中相对的一组超导开关导通，所述高温超导匀场线圈(4)中的几组线圈有稳恒电流通过并处于闭合回路中，从而使得所述高温超导匀场系统处于闭环运行状态。
2.根据权利要求1所述的高温超导匀场系统，其特征在于：每个超导开关的结构为四层绝缘层和三层导体层组成的约瑟夫森结；且所述四层绝缘层与三层导体层间隔设置。
3.根据权利要求1或2所述的高温超导匀场系统，其特征在于，所述开关控制器(2)是按如下步骤控制所述四个超导开关组成的桥式整流电路的整流：
步骤1、在所述互感线圈的感应电流正半波下，所述开关控制器(2)将所述高频电流信号引入所述高温超导桥式整流电路的第一超导开关(5)和第三超导开关(7)中，基于超导隧道效应，使得所述第一超导开关(5)和第三超导开关(7)导通，即一组对向的高温超导开关导通；
步骤2、在所述互感线圈的感应电流负半波下，所述开关控制器(2)将所述高频电流信号引入所述高温超导桥式整流电路的第二超导开关(6)和第四超导开关(8)中，基于超导隧道效应，使得所述第二超导开关(6)和第四超导开关(8)导通，即另一组对向的高温超导开关导通，进而实现桥式整流。
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