CN107430174A - 热稳定超导型磁梯度仪 - Google Patents
热稳定超导型磁梯度仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107430174A CN107430174A CN201680014747.XA CN201680014747A CN107430174A CN 107430174 A CN107430174 A CN 107430174A CN 201680014747 A CN201680014747 A CN 201680014747A CN 107430174 A CN107430174 A CN 107430174A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber
- cte
- framework
- composite
- adhesive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 50
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 229920006332 epoxy adhesive Polymers 0.000 claims abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 11
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 17
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 abstract description 2
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 abstract 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 18
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 18
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 14
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 14
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 5
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 5
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 3
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BBJZIVDFAGBWHH-UHFFFAOYSA-N C=CC.N#CC#N Chemical compound C=CC.N#CC#N BBJZIVDFAGBWHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 1
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 and when cooled Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000631 nonopiate Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000002018 overexpression Effects 0.000 description 1
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005408 paramagnetism Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F5/00—Coils
- H01F5/02—Coils wound on non-magnetic supports, e.g. formers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
- H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
本发明涉及SQUID磁力计天线的设计。天线框架由基于用碳纤维增强的环氧粘合剂的复合材料制成管子，纤维被插入纵向‑横向增强件的至少两层中，根据框架和超导电线的热膨胀系数(CTE)的相等性条件来选择纤维数量和相邻层的纤维之间的角度。改进包括：另一类型的聚合物粘合剂或矿物纤维，通过改变粘合剂和/或纤维的类型，层数来选择复合CTE。技术效果：增强的强度和热稳定性，较低的自身磁噪声，以及屏蔽外部磁干扰。
Description
技术领域
本发明涉及超敏磁测量领域，并且参考了SQUID(超导量子干涉装置)磁力计的输入天线的设计。
背景技术
高灵敏性磁力计的特征在于在微微-毫微微特斯拉范围内的高磁场分辨率。与此同时，生物体的有用磁信号的频谱集中在低频范围0.1至100Hz内。由磁噪声的工业源(无线电台、移动通信、静电放电以及其他电磁场和波的来源)产生，它们比有用的超弱磁信号大数千倍。
为了改善磁力计输入端处的信噪比(SNR)，使用特殊的天线。它们被称为超导梯度计，是通过由电线构成的若干线圈(轴向)或沉积到子层上的多个层(平面)串联连接形成的。
对于附近的测量源，离附近的测量源的距离R等于线圈B(所谓的梯度仪基础)之间的距离，即R≈B，对梯度仪输出端处的信号的抑制是较小的，并且对于远源，信号被抑制为1/R(3+M)，其中M是梯度仪阶数，R是到噪声源的距离。然而，充分的抑制(1000倍或更大)仅发生在足够精确的梯度仪制造时，并取决于其设计和材料。
在超导SQUID磁力计中，使用了梯度仪的绕线结构的各种设计，包括：
1)US4,523,147，G01R33/02，精密平衡的2阶导数梯度仪，S.D'Angelo等人，Consiglio Nazionale Delle Recerche，1985。
2)WO 2002/027332，高平衡梯度仪，A.Bakharev,Cardiomag Imaging,2002。
3)UA 16882，G01 R33/035，磁场的超导梯度仪，Yu.Minov，M.Budnyk，KyivMedical Group Ltd,2006。
4)WO/2012/173584，用于非屏蔽位置的超导梯度仪的机械平衡的装置，G01R 33/02，G01R 33/035，Yu.Minov,M.Budnyk,2012。
根据US 4,523,147，该装置包括具有上部、中心、下部(接收)线圈的二阶绕线轴向梯度仪。框架由两个同轴部分组成，其中第一个同轴部分上的中心和下部线圈是固定的，并且第二个同轴部分上的上部线圈是固定的；该上部和下部线圈有N匝，并且中心线圈有2N匝。
天线框架具有3个竖直孔，在该3个竖直孔中放置有3个正交场分量上的平衡机构，并且修剪元件由铅板制成。平衡过程在于使所述板相对于线圈移位，以使它们的有效区域均衡。
上述装置的优点在于不仅抑制了竖直磁噪声，而且还抑制了竖直的噪声梯度，技术效果在于使磁力计输出端的1/f噪声截止频率从10Hz降低到0.4Hz。缺点包括设计复杂性，这使生产成本复杂化并增加了生产成本，以及石墨框架缺乏强度。
根据WO 2002/0227332，在装置中提出了具有由PYREX玻璃制成的框架的1÷3阶轴向梯度仪；其热膨胀系数接近线材，即低温下的铌，螺旋和竖直沟槽被用在框架上，其中绕线线圈被张紧并用丙烯氰(acrilocyanic)胶粘合，并且两条绞合线(双绞线)被包裹在竖直沟槽内。因此，对于垂直Z(水平X和Y)场分量，接收到的平衡等于400÷800(2000)ppm。
这种设计的优点在于，框架材料，即玻璃，比石墨结实得多，但缺点是磁场垂直分量上的磁干扰的极低(小于1000ppm)水平弱化，该磁场垂直分量含有有用的信号。另一个缺点是玻璃的热膨胀系数(CTE)在300K时比线材(铌)小约2倍，但玻璃和电线的这些CTE在低温下是均衡的(Maikov M.P.,Danilov I.B.,Zeldovich A.G.等人Handbook on physical-technical basics of cryogenics.-Moscow:Energoatomizdat,1985，第432页)。CTE的这种变化模式导致以下事实：在若干个热循环之后，由于梯度仪线圈的机械变形和位移而发生天线不平衡。
被选作原型的根据UA 16882的设计包括圆柱形框架、接收(拾取)线圈和两个补偿线圈，该两个补偿线圈由一体式超导电线缠绕到上述圆柱形框架上，并通过前向和后向电线部分连接，它们缠绕在一起并附接到竖直沟槽。该第一个补偿线圈具有2个回路并放置在该框架的中间，而拾取线圈和第二补偿线圈由1个回路制成并放置在框架的相对端处。框架由具有低CTE的材料和用于梯度仪机械平衡的调节装置组成。
该设计的特征在于，在外框架表面上制有圆形沟槽，该圆形沟槽的平面垂直于圆柱形框架的轴线，所有线圈的回路放置在圆形沟槽中，中间线圈的回路放置在不小于它们的半径的一半的距离处。此设计为垂直(水平)场分量提供了400÷800(200-400)ppm的初始平衡。
此设计的优点是其提供了对磁场垂直分量上的磁噪声的足够(在机械平衡之后大约20ppm)水平的抑制，该磁场垂直分量含有有用的信号。缺点是由于石墨和铌在冷却期间CTE的不同变化，石墨的机械强度不足并且在多次热循环之后天线的平衡劣化。
发明WO/2012/173584致力于在非屏蔽位置处的梯度仪的平衡程序，但是在优选实施方案中使用的二阶梯度仪的设计完全类似于UA 16882中公开的装置。
因此，现代技术水平的缺点是缺乏如下的梯度仪构造：该梯度仪构造会同时提供框架的机械强度，在操作中的冷却-加热的重复循环期间的平衡度的稳定性(不劣化)，电磁干扰屏蔽和低的自身磁噪声。
发明内容
所提出的技术方案的本质如下：所提出的装置不是使用酚醛塑胶布、玻璃或石墨，而是使用复合材料如碳填充塑胶作为超导梯度仪的框架，该复合材料的CTE可以与电线的CTE一样地调整，梯度仪的线圈是由该复合材料制成的。
本发明的新颖性是通过改进框架的设计来消除从当今技术水平已知的梯度仪的缺陷，其中：
其使用具有高机械强度、低磁化率并且其变化由温度波动引起的复合材料；
其提供了高初始梯度仪平衡，该高初始梯度仪平衡不会因框架和线材的CTE的均衡化造成的热循环而发生劣化。
本发明是基于以下任务：改进超导磁梯度仪的设计，该超导磁梯度仪至少包括框架、接收线圈和至少一个补偿线圈，该补偿线圈由超导电线制成并且缠绕在由一种材料制成的框架上，该材料的CTE被选择为使得其与超导电线材料的CTE最接近。
所分配的任务是通过以下方式实现的：
1)由基于环氧粘合剂的复合材料生产管子；
2)用碳纤维增强粘合剂，碳纤维沿着纤维具有负的CTE值和不良的导电性；
3)在至少两层中缠绕纤维；
4)通过改变缠绕步骤来调整每层中的纤维数量；
5)通过改变纤维数量和进入相邻层的纤维之间的角度，来达到框架和电线的横向CTE的相等性；
6)生产基于聚合物或其它粘合剂的复合材料；
7)使用矿物或其他纤维增强粘结剂；
8)通过改变层的数量、粘合剂和/或纤维的材料，来对复合材料的横向和纵向CTE进行附加调节。
技术结果是：
1)通过将石墨替换成复合材料来增加框架的机械强度；
2)通过消除当装置被冷却到低温和进一步加热时装置的各部分之间发生的机械变形和位移而增加梯度仪寿命；
3)实现了不低于800(400)ppm的垂直(水平)噪声弱化水平，这足以用于非屏蔽环境下的测量；
4)稳定性，即不存在由于重复的温度循环“冷却-加热”而在寿命期间发生的初始平衡劣化；
5)由于碳纤维具有不良导电性的事实而弱化了外部电磁干扰，并且因此复合材料基于碳纤维(碳填充塑胶)而充当RF遮蔽；
6)由于与石墨、玻璃纤维或其他已知材料相比，碳纤维在低温下具有较低磁化率，因此减少了由温度波动引起的框架的磁噪声。
附图说明
图1——根据发明的二阶梯度仪的设计：1-框架内层，2-框架外层，3-上部补偿线圈，4-中间补偿线圈，5-天线的底部(接收)线圈。
图2——本发明的最简单的实施例的结构，即双层复合结构：1-内层，2-外层。
图3——根据本发明的石墨和碳填充塑胶在20mT的恒定磁场中的磁化率的导数的温度依赖性，即，具有用在各个层中具有不同取向的碳纤维增强的环氧基体的复合材料：三角形-石墨、正方形-碳填充塑胶。
图4——所提出的石墨和复合碳填充塑胶在20mT的恒定磁场中的原始磁化率的温度依赖性：三角形-石墨、圆形-碳填充塑胶。
具体实施方式
该装置的设计如图1所示，该图说明了本发明的原理。该装置的主要实施例是二阶绕线轴向梯度仪，其记录场的垂直(轴向)分量的二阶空间导数。梯度仪由4个半径11mm的圆形回路3至5组成，并且3至4和4至5(基部)之间的距离等于60mm。接收线圈5被设计用于记录信号，两个中间回路4和顶部回路3旨在补偿来自远源的磁噪声。平均回路在相对于顶部和底部线圈相反的方向上缠绕。天线是一体制成的，超导线圈通过正向和反向绞合的电线区段(所谓的双绞线)连接并被插入到框架处的竖直沟槽中。这些设计要素在原型UA 16882中详细公开。
根据本发明，管状细部由2层复合材料制成、即内层1和外层2。每层由环氧树脂ED-22型制成，用BHM-4型碳纤维增强。为了生产，使用圆柱形铝心轴，第一(内)层的纤维沿该心轴放置，并且第二(外)层的纤维定向为垂直于第一层的纤维或与第一层的纤维成某一角度。
应当注意，碳纤维具有许多独特的性质。因此，它们的电阻率可以根据生产方法而广泛变化(9个数量级的值)，并且CTE沿着纤维和跨纤维改变其符号，即当冷却时，纤维在轴向方向上延伸。此外，这些纤维具有非常高的弹性模量值和机械强度值【参见MeleshkoA.I.,Polovin S.P.,Carbon,carbon fiber,carbon composities.Moscow:Science-Press,2007，第192页】。因此，所提出的复合材料的机械强度允许产生壁厚不大于1.0mm的部件，比如天线框架。
这种类型的增强纤维具有比铜高三个数量级的比电阻率。此事实提供了框架对电磁干扰的显著吸收。可以通过用纤维填充电介质基质来帮助改变框架的总电阻。
碳纤维具有层状结构，其中各层的主要取向为沿着该纤维，即，如石墨在垂直于主晶轴的方向上。这导致沿着纤维的负CTE值。跨纤维的CTE为正的，并且其值大于沿着纤维时。
在增强材料的主要实施例中提出的沿着纤维的CTE接近(-0.4...-0.9)*10-61/K，其中K是开尔文，其在选择基质中的增强纤维数目方面和进入复合材料的不同层中以均衡复合材料和电线的CTE的增强纤维比率方面提供显著的技术灵活性。
复合材料的CTE的基本变化的可能性如下：
1)增强(在主要实施例中——碳)纤维沿着纤维和横跨纤维具有不同的CTE(优选不同的符号)；
2)碳纤维沿着纤维的CTE比粘合剂的CTE小得多。
因此，复合物的CTE可以随着粘合剂的相对含量和类型进行调整，以及随着进入各层中的增强纤维的相对数量和纤维取向来调整。
众所周知，第1层复合物沿着具有良好有序方向的纤维α‖和横向α┴取向的CTE通过表达式(1至2)描述【参见Kruglov A.B.Thermophysical properties of epoxy glassand resins at cryogenic temperatures.PhD Theses,speciality 01.04.14-Moscow,2007，第118页】。
在此对于柱形纤维，常数C＝1.1-vf(1.1.vf)，αm、αf为CTE，Em、Ef为弹性模量，vm、vf为复合物中组分的体积含量，下标m(基体)和f(纤维)分别表示聚合物基体和增强纤维，μm为聚合物基质的泊松比。
在主要实施例中使用最简单的两层结构。各层中的纤维以90°的角度缠绕(参见图2，其中1-内层，2-外层)。在这种复合物中，每层具有单向复合物的性质，并且该复合物的总CTE由两层的组合变形决定。
与此同时，随着因各材料的组合(相互关联)变形而导致的复合材料温度变化，在上述材料内部产生了张力，即在一个层内部存在压缩，而在另一层内部存在拉伸。层的线性变形由胡克定律描述，并且各层中的不同纤维体积含量vf1≠vf2和粘合剂含量vm＝1-vf由制造设备提供。结果，各层中不同数量的纤维提供了这些层的不同厚度。
因此，考虑到天线框架的柱形形状，并且根据图2的2层复合材料的CTE来计算αc┴和αc‖，它们将分别设定径向变形、轴向变形和角变形。
也就是说，求解该方程组，在考虑各层的接合变形(在此1和2为层编号)的情况下将复合材料的总CTEαc┴和αc‖与单向增强层的CTE分量α1┴、α2┴、α1‖、α2‖关联。
在非正交增强层的情况下，即当在复合物的不同层中各增强纤维的方向之间存在某一角度φ的情况下，该方程组更复杂。
在热循环期间，为了使机械应力不存在，径向CTE必须等于用于缠绕天线线圈的线材(在主要实施例中为铌)的CTE。复合物CTE(3)和电线CTE的相等性是通过改变各层中的纤维的体积含量(这是由缠绕步骤调节的)，以及还通过改变相邻层中的纤维方向之间的角度来实现。
实验研究表明，复合物中的这些类型的材料的组合降低了复合物的磁化率。图3示出了石墨(三角形)和用具有优化的层结构的碳纤维增强的复合材料——碳填充塑胶(正方形)在5÷50K的温度范围内的磁化率关系。
测量是在乌克兰国家科学院低温物理与工程研究所的B.Verkin实验室(B.VerkinInstitute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academyof Science of Ukraine)(ILTPE NASU，乌克兰哈尔科夫)中，在Dept.Magnetic andElastic Properties of Solids开发的实验室磁化率计的帮助下进行的，该实验室磁化率计对磁矩的灵敏度不小于4×10-10A·m2，以允许使用SQUID-磁力计SGM-5进行精密测量。【参见SQUID-magnetometer for investigation of structural defects of materials/A.V.Fedorchenko,V.Yu.Lyakhno,V.l.Shnyrkov//Questions of nuclear science andtechnology.Series"Physics of radiation damage and radioactive materials."-2010.-第1卷(65)-第150至156页。】
从图3我们可以看出，随着两种材料的温度降低，磁化率增加并在T＝5K处相等：在石墨中SI系统中的无量纲单位为-22.7×10-6，而在复合材料中则为3.89×10-6。因此，根据实验数据，石墨为反磁性的，而复合材料为顺磁性的。复合材料的磁化率绝对值在约5.8倍时为较小的。据作者介绍，这是由于环氧树脂的顺磁性和碳纤维的反磁性的相互补偿。
因此，当将复合材料用作磁梯度仪框架时，有用信号的磁失真将小若干倍。此外，还将存在由液氦沸腾时的温度波动引起的变小的框架内部磁噪声。在图4中证明了上述效果，其中呈现了两种材料的磁化率导数对温度的依赖性(三角形-石墨，圆形-碳填充塑胶)。
我们基于在温度变化dT处进入场H的体积V的材料的磁矩dM(3)的波动来对来自天线框架的磁干扰进行定量评估：
根据当前技术水平，已知用于热稳定的电子系统可以提供由液氦沸腾造成的低温恒温器中接近dT＝10-4K的温度变化。因此，对于体积1cm3的材料，当在T＝4,2K时，在地磁场H＝50mkTI中，我们已经根据图4的实验数据得出的石墨样品以及的碳填充塑胶样品。
从表达式(3)可以轻易获得磁矩波动的相应值dM≈-5.65×10-20Wb·m和dM≈-4.5×10-20Wb·m，因此来自碳填充塑胶的磁干扰比石墨中小1.3倍。
在另外的实施例中，作为代替环氧树脂的粘合剂，使用聚合物、塑胶或其他粘合材料，使用矿物或其他纤维来增强代替碳填充塑胶的复合材料，并且在另外选择粘合剂和/或纤维的类型和/或复合层的数量的帮助下来达到复合物和电线的CTE的相等性。
在其他实施例中，使用除铌以外的另一种材料，梯度仪框架会具有不同的形状如多边形，并且该梯度仪的阶数是除二阶以外的另一阶数，例如一阶或三阶。
所提出的设计的主要优点是不存在因装置部件的材料热膨胀引起的机械变形和位移。这提供了梯度仪线圈的位置和面积的不变性(永久性)，这继而提供了由于从低温到室温的重复热循环而导致的天线平衡度的稳定性。
在主要实施例中应用的设计实现了为800(400)ppm的场轴向(横向)分量的初始平衡，这足以在非屏蔽条件下进行超灵敏测量，而无需使用附加的去噪装置(基于参考矢量磁力计或磁屏蔽室的补偿)。
复合材料的另一优点是其最佳磁性(磁化率小5倍)，因此有用信号的失真较小。
所提及的装置在工业上是适用的，因为其生产所需的设计材料和技术设备广泛用于由复合材料(玻璃纤维管等)制成的货物的工业制造中。
碳填充塑胶的制造技术是在科学生产企业“Plastar”(Zolochiv小镇，Kharkiv区)生产第一生产批量的梯度仪框架的构架内开发的。对复合碳填充塑胶的磁性质的研究和梯度仪的制造是以Verkin(Kharkiv)的名字命名的ILTPE处进行的。将各梯度仪应用到按照Oxford Cardiomox Ltd的订单制造的在乌克兰科学院控制系统研究所(GlushkovInstitute of Cybernetics)(Kyiv)创建的9通道心磁扫描仪(cardiomagnetic scanner)中(乌克兰科技中心项目号P624)。
详细描述了本发明中装置的给定实施例，仅是为了说明目的。很明显，在实践中，在材料科学和低温技术方面经验丰富的人可以对所提出的装置的设计进行一些改变和修正。然而，我们认为，如果所做的修正和改变没有明显偏离本发明的实质和权利要求书，则它们属于本专利。
Claims (4)
1.一种用于超弱磁测量的热稳定超导型磁梯度仪，包括
制成管子的框架，
接收线圈和至少一个补偿线圈，
所述线圈由超导电线制成并缠绕在框架上，所述框架由热膨胀系数(CTE)被选择为尽可能接近所述超导电线的所述CTE的材料制成，
其特征在于所述框架由基于环氧粘合剂的复合材料制成，
所述粘合剂用碳纤维增强，所述碳纤维沿着所述纤维具有负的CTE值并且具有不良的导电性，
纤维缠绕在至少两层中，
所述复合材料的各层中的纤维数量通过改变缠绕步骤来调节，
所述框架的横向CTE和所述电线的CTE之间的相等性是通过改变各层中的纤维数量和相邻层的纤维之间的角度来实现的。
2.根据权利要求1所述的梯度仪，其特征在于所述复合材料由聚合物或另一种粘合剂制成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述粘合剂用矿物纤维或另一种纤维来增强。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于所述复合材料的所述横向和纵向CTE是通过另外改变层数、粘合剂和/或纤维的材料来调节。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA2015000219 | 2015-01-12 | ||
| UAA201500219 | 2015-01-12 | ||
| PCT/UA2016/000001 WO2016114742A1 (en) | 2015-01-12 | 2016-01-04 | Thermostable superconductive magnetic gradiometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107430174A true CN107430174A (zh) | 2017-12-01 |
| CN107430174B CN107430174B (zh) | 2020-10-16 |
Family
ID=64331404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201680014747.XA Active CN107430174B (zh) | 2015-01-12 | 2016-01-04 | 热稳定超导型磁梯度仪 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101916298B1 (zh) |
| CN (1) | CN107430174B (zh) |
| UA (1) | UA112235C2 (zh) |
| WO (1) | WO2016114742A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3134456A1 (fr) | 2022-04-12 | 2023-10-13 | Chipiron | Concentrateur de flux gradiometrique de volume pour detection magnetique ultrasensible et systeme de detection magnetique a base de squid mettant en œuvre ce concentrateur de flux. |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112735729B (zh) * | 2020-12-29 | 2023-05-26 | 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 | 一种圆柱形径向开口的无矩线圈 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3916248A (en) * | 1970-04-06 | 1975-10-28 | Us Navy | Superconductive gradiometric device |
| JPS60173808A (ja) * | 1984-02-17 | 1985-09-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 超電導コイルの巻枠 |
| US5683059A (en) * | 1995-04-24 | 1997-11-04 | Toyo Boseki Kabushiki Kaisha | Bobbin for superconducting coils |
| GB0329959D0 (en) * | 2003-12-24 | 2004-01-28 | Qinetiq Ltd | Magnetic field sensor |
| UA16882U (en) * | 2006-05-12 | 2006-08-15 | Ltd Liability Company Kyiv Med | Superconducting magnetic-field gradient meter |
-
2015
- 2015-01-12 UA UAA201500219A patent/UA112235C2/uk unknown
-
2016
- 2016-01-04 WO PCT/UA2016/000001 patent/WO2016114742A1/en active Application Filing
- 2016-01-04 CN CN201680014747.XA patent/CN107430174B/zh active Active
- 2016-01-04 KR KR1020177022400A patent/KR101916298B1/ko active IP Right Grant
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3134456A1 (fr) | 2022-04-12 | 2023-10-13 | Chipiron | Concentrateur de flux gradiometrique de volume pour detection magnetique ultrasensible et systeme de detection magnetique a base de squid mettant en œuvre ce concentrateur de flux. |
| WO2023198459A1 (fr) | 2022-04-12 | 2023-10-19 | Chipiron | Concentrateur de flux gradiometrique de volume pour detection magnetique ultrasensible et systeme de detection magnetique a base de squid mettant en oeuvre ce concentrateur de flux |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101916298B1 (ko) | 2018-11-08 |
| UA112235C2 (uk) | 2016-08-10 |
| CN107430174B (zh) | 2020-10-16 |
| WO2016114742A1 (en) | 2016-07-21 |
| KR20170103928A (ko) | 2017-09-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10899575B2 (en) | Linear media handling system and devices produced using the same | |
| CN101292175A (zh) | 用于高增益磁共振成像的方法和设备 | |
| EP1486793A3 (en) | Superconducting magnetic resonance r.f. probe coil | |
| CN104865544B (zh) | 一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈 | |
| US11493581B2 (en) | Pulse magnet device based on magnetic flux compression, and high-flux measurement method | |
| JPH03149033A (ja) | 磁気共鳴プローブ及びその製造法 | |
| US20140091800A1 (en) | Nmr sample containment | |
| CN107430174A (zh) | 热稳定超导型磁梯度仪 | |
| CN85106676A (zh) | 核磁共振的射频线圈 | |
| US20090045894A1 (en) | Method and device for generating a homogeneous magnetic field in an area of interest, especially for NMR imaging | |
| Guan et al. | Magneto-mechanical coupling analysis of a superconducting solenoid magnet in self-magnetic field | |
| Campos et al. | Uniaxial stress method for delicate crystals: Application to Shubnikov–de Haas and superconductivity studies in organic conductors | |
| CN109712773B (zh) | 一种极高场核磁共振超导磁体 | |
| CN109073719A (zh) | 磁共振辐射屏蔽和被屏蔽的主磁体 | |
| Willen et al. | Superconducting magnets | |
| CN108802640A (zh) | 用于发射高频辐射的线圈装置 | |
| CN1356491A (zh) | 高频无磁液氮杜瓦 | |
| Rösch et al. | NMR analysis and the magnetic properties of GdMn6Ge6 | |
| Nomura et al. | Demonstration of the stress-minimized force-balanced coil concept for SMES | |
| Wang | Improving SNR of RF coils using composite coil elements | |
| Budnyk et al. | Development of improved superconductive axial gradiometers for biomagnetic SQUID applications | |
| Arai et al. | Test of fiber-reinforced type of Nb/sub 3/Sn superconducting coils | |
| CN212365635U (zh) | 一种多维矢量场磁体结构 | |
| Ghosh et al. | Design and simulation of Helmholtz coil and Maxwell coil for low cost and low magnetic field MRI machine | |
| Melville et al. | Stress measurements on a high-magnetic-field solenoid |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20180305 Address after: Beijing Qingyuan City Miyun Road Economic Development Zone No. 2 superconducting technology Applicant after: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Address before: Kiev, Ukraine Applicant before: Yuri Timivskiy Minovo Applicant before: Micola Micoraivskiy Bdenico |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Thermal stable superconducting magnetic gradient meter Effective date of registration: 20231228 Granted publication date: 20201016 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2023980075550 |