CN108663643A - 低温保持器及包括其的磁共振成像扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温保持器及包括其的磁共振成像扫描装置，所述低温保持器为多层容器，包括内容器、热屏蔽层和外容器，所述热屏蔽层设置在所述内容器外，所述内容器内能够容置超导磁体线圈，所述外容器布置在所述热屏蔽层外，所述外容器包括中空的圆柱内筒、中空的圆柱外筒和设置在两端部的封头；其中，所述外容器的圆柱内筒包括分别位于两端的第一短圆筒和第二短圆筒，位于中间部位的非金属圆筒，所述非金属圆筒的外壁布置有衬套筒。本发明可以实现涡流的大幅减小，对于超导磁体而言，即涡流对其均匀度的影响更小，其成像质量可以得到一定的改善。

Description

低温保持器及包括其的磁共振成像扫描装置

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，特别涉及一种低温保持器及包括其的磁共振成像扫描装置。

背景技术

在磁共振成像领域中，超导磁体是磁共振成像(MRI)设备的核心部件。图1为传统超导磁体的结构示意图。如图1所示，传统的超导磁体通常是在低温保持器10内注入大量液氦以浸泡超导线圈20，使线圈20保持低温超导状态。该低温保持器20一般为同心的多层容器，由外向内分别为外容器11，中间屏蔽层12和液氦内容器13。

其中，液氦内容器13要承受内部的氦气压力，外容器11则要承受外部的大气压。外容器11和液氦内容器13之间需要保持很高的真空度，才能保证较小的漏热，从而保证液氦的“零挥发”。

目前，承压设备通常由金属材料加工而成，常见的有不锈钢、合金钢和铝合金等。但是，磁共振成像(MRI)设备中的梯度线圈在工作中会产生较大的交变场，在上述金属部件上产生较大的涡流，涡流的加热效应会使得部件的局部升温，由此会带来一些安全隐患。同时，变化的涡流场同时还会影响成像区(FOV)14的磁场均匀度，对成像质量造成不利影响。

为了减小磁共振成像(MRI)设备中梯度场在低温保持器上产生的涡流，通常在梯度线圈的主线圈外，设置屏蔽线圈，从而将交变的梯度场限制在一定的区域内，一般要求中间屏蔽层附近的交变场为零。此时，在金属外容器的内筒上，仍会产生涡流；且此要求还会影响梯度的设计，使得梯度的结构比较复杂，性能也会受到限制。

另一种减少涡流的方法是将金属部件改为非金属材料，尤其是靠近均匀区附近的部件。例如，US7518370提出了一种非金属低温保持器结构。其容器主体主要采用非金属材料，非金属部件之间则用金属材料进行连接，从而形成密闭腔体。由于金属连接件尺寸较小，可以大幅减小涡流。

此外，US7705701提出了另一种非金属低温保持器结构，其方案是在非金属主体部件外再布置一层金属衬套，由衬套密封；由于筒体主体是非金属材料，不会产生涡流，而金属衬套的厚度较薄，也能在一定程度上减少涡流。

但是，上述方案中的非金属部件需要承受一定的压力，对其结构强度有较高的要求，而非金属部件不能通过焊接等方式进行连接密封，其接头工艺比较困难，接头强度难以满足要求。

同时，上述方案中内外容器间的真空腔体是由非金属部件密封形成，或者所形成的真空腔体内包含有非金属部件，这些非金属部件的漏气率和放气率都比较高，会显著地破坏夹层真空度，无法长时间地维持高真空，从而严重影响低温保持器的低温性能。

此外，上述结构的制造成本较高，不适宜批量生产。

有鉴于此，本领域技术人员亟待于研发一种新型的低温保持器及包括其的磁共振成像设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中磁共振成像设备结构复杂，涡流较多且制造成本较高等缺陷，提供一种低温保持器及包括其的磁共振成像扫描装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种低温保持器，所述低温保持器为多层容器，包括内容器、热屏蔽层和外容器，所述热屏蔽层设置在所述内容器外，其特点在于，所述内容器内能够容置超导磁体线圈，所述外容器布置在所述热屏蔽层外，所述外容器包括中空的圆柱内筒、中空的圆柱外筒和设置在两端部的封头；

其中，所述外容器的圆柱内筒包括分别位于两端的第一短圆筒和第二短圆筒，位于中间部位的非金属圆筒，所述非金属圆筒的外壁布置有衬套筒。

根据本发明的一个实施例，所述第一短圆筒和所述第二短圆筒布置在所述非金属圆筒的两端，且所述第一短圆筒和所述第二短圆筒采用金属材料制成。

根据本发明的一个实施例，所述第一短圆筒和所述第二短圆筒的轴向长度小于等于所述外容器的轴向长度的10％，所述第一短圆筒和所述第二短圆筒的厚度为2-20mm。

根据本发明的一个实施例，所述衬套筒采用金属材料制成，所述衬套筒的厚度小于所述第一短圆筒的厚度、所述第二短圆筒的厚度及所述非金属圆筒的厚度；且所述衬套筒的长度等于或长于所述非金属圆筒的长度。

根据本发明的一个实施例，所述第一短圆筒与所述非金属圆筒的连接侧设置为台阶面连接，所述第二短圆筒与所述非金属圆筒的连接侧设置为台阶面连接。

根据本发明的一个实施例，所述衬套筒的两端部设置有若干沿圆周方向的轴向分布的槽，所述槽的宽度小于等于2mm。

根据本发明的一个实施例，相邻两个所述槽之间形成一间隔，所述间隔的宽度小于等于所述衬套筒的周长的10％，所述间隔的长度小于等与所述衬套筒的长度的50％。

本发明还公开了一种低温保持器，所述低温保持器包括内容器和外容器，其特点在于，所述内容器能够容置超导磁体线圈，所述外容器包括设置在所述内容器外部的圆柱内筒、圆柱外筒和两端部的封头；

其中，所述圆柱内筒包括复数个短圆筒，设置在所述复数个短圆筒之间的复合筒，所述复合筒包括金属层和非金属层；

所述圆柱外筒、所述复数个短圆筒、所述复合筒和所述两端部的封头共同形成密闭空间。

根据本发明的一个实施例，所述非金属层形成非金属圆筒，所述金属层形成衬套筒，所述非金属圆筒设置在所述密闭空间的外表面，所述衬套筒设置在所述密闭空间的内表面。

本发明还提供了一种磁共振成像扫描装置，其特点在于，所述磁共振成像扫描装置包括如上所述的低温保持器和设置在所述内容器中的超导磁体线圈。

本发明的积极进步效果在于：

本发明低温保持器及包括其的磁共振成像扫描装置可以显著减少涡流，所述低温保持器的可长期保持较高的夹层真空度，并且采用了一种不受涡流影响的非金属筒体。所述磁共振成像扫描装置可以实现涡流的大幅减小，对于超导磁体而言，即涡流对其均匀度的影响更小，其成像质量可以得到一定的改善。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为传统超导磁体的结构示意图。

图2为本发明低温保持器的结构示意图。

图3为本发明低温保持器中外容器的结构示意图。

图4为本发明低温保持器中衬套筒的立体图一。

图5为本发明低温保持器中衬套筒的立体图二。

图6为本发明低温保持器中衬套筒的结构示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图2为本发明低温保持器的结构示意图。图3为本发明低温保持器中外容器的结构示意图。

如图2和图3所示，本发明公开了一种低温保持器，所述低温保持器为多层容器，包括内容器30、热屏蔽层50和外容器60。其中，热屏蔽层50设置在内容器30外，内容器30内能够容置超导磁体线圈40，超导磁体线圈40可同轴心装配固定在内容器30内，将外容器60布置在热屏蔽层50外。内容器30的内部充注有作为致冷介质的液氦，以冷却内部的超导磁体线圈40。热屏蔽层50为非封闭容器，其材料一般采用铝合金。外容器60外侧即大气环境，其与内容器30之间形成的夹层需要抽高真空或者近似真空状态，以减少外容器60向内容器30的对流换热。

特别地，此处内容器30和/或外容器60可分别由中空的圆柱内筒、中空的圆柱外筒70和设置在两端部的封头80组成。所述中空的圆柱内筒可以为超导磁体线圈40内侧靠近内部均匀区90的中空圆柱筒，所述中空的圆柱外筒为超导磁体线圈40外侧远离均匀区90的中空圆柱筒。

其中，与传统容器结构不同的是，本发明中的外容器60的圆柱内筒61具有特殊的减少涡流的结构，将外容器60的圆柱内筒61设置成包括复数个短圆筒、位于复数个短圆筒之间的复合筒的复合结构。

可选地，短圆筒可设置在外容器60的两端位置，短圆筒的数量可设置两个或者更多个。在一个实施例中，短圆筒的数量为两个，分别设置在外容器60的两端。在另一个实施例中，短圆筒的数量为三个，其中外容器的一端并排相邻设置两个，另一端设置一个。可选地，复合筒包括金属层和非金属层，如非金属层形成非金属圆筒，金属层形成衬套筒。

在此实施例中，外容器60的圆柱内筒61由若干短圆筒、非金属筒和衬套筒组合而成。具体地说，外容器60的圆柱内筒61，包括分别位于两端的第一短圆筒611和第二短圆筒612，位于中间部位的非金属圆筒613，在非金属圆筒613的外壁还布置有衬套筒614。

需要说明的是，本申请中的真空容器的圆柱外筒70通过两端部的封头80可分别连接第一短圆筒611和第二短圆筒612。由此，圆柱外筒70、两端部的封头80、第一短圆筒611、第二短圆筒612和非金属圆筒613、衬套筒614形成密闭空间。非金属圆筒613可设置在所述密闭空间的外表面，衬套筒设置在密闭空间的内表面。在一个实施例中，圆柱外筒、封头、复数个短圆筒及复合筒依次连接(如通过焊接或者其他密封连接方式)在一起。

优选地，第一短圆筒611和第二短圆筒612布置在非金属圆筒613的两端，本实施例中第一短圆筒611和第二短圆筒612优选为相互对称地布置在非金属圆筒613的两端。

同时，第一短圆筒611和第二短圆筒612采用金属材料制成，例如不锈钢或铝合金等。第一短圆筒611和第二短圆筒612的轴向长度一般不超过(小于等于)外容器60的轴向长度的10％。为了抵抗外部压力，第一短圆筒611和第二短圆筒612一般需要具有一定的厚度，其厚度优选为2-20mm。

非金属圆筒613一般布置在圆柱内筒的中部，同样为了承受内外的压力，其材料需要具有较高的强度，优选为纤维增强复合材料，如玻璃钢等。

进一步地，衬套筒614采用金属材料制成，一般与设置在端部的第一短圆筒611和第二短圆筒612相同。衬套筒614的厚度小于第一短圆筒611的厚度、第二短圆筒612的厚度及非金属圆筒613的厚度，一般不超过2mm。同时，衬套筒614的长度等于或略长于非金属圆筒613的长度，并且衬套筒614优选地布置在真空侧。

通常，外容器60的圆柱内筒61的主体结构，即第一短圆筒611、第二短圆筒612与非金属圆筒613通过缠绕或层压工艺制作。即将两端部第一短圆筒611和第二短圆筒612布置到缠绕模具上，然后往两短圆筒中部缠绕或层压纤维增强材料，后加热成型。再通过胶水或纤维增强材料中的树脂粘结作用，在第一短圆筒611、第二短圆筒612与非金属圆筒613的连接处形成紧密的接头。

特别地，第一短圆筒611与非金属圆筒613的连接侧设置为台阶面a连接，第二短圆筒612与非金属圆筒613的连接侧设置为台阶面a连接。这样的结构有利于提高接头的强度。

衬套筒614可在上述圆柱内筒61的主体结构制造完成后，再装配至非金属筒613的外侧上。衬垫筒614与非金属圆筒613之间采用胶水或树脂等粘结。然后，再与端部第一短圆筒611和第二短圆筒612再通过焊接，形成密封环焊缝615。

优选地，衬套筒614与非金属圆筒613粘结一侧的面为雾面，或经过喷砂、打磨等工艺处理，已增加表面的粗糙度，使得与非金属圆筒613的粘结力更强。

由于具有端部的第一短圆筒611和第二短圆筒612，上述圆柱内筒61的装配工艺同传统金属筒体，可采用焊接的方式进行组装，即如图3中与端部封头80进行组焊，形成环焊缝81。这样，上述第一短圆筒611和第二短圆筒612、衬套筒614、封头80以及中空的圆柱外筒70即形成密闭腔体A。

由于上述形成密闭腔体A的部件均为金属材料，且其连接为焊接，故可保证密闭腔体A的真空度在较高的水平。同时，由于金属的漏放气率很低，故密闭腔体A的真空可保持较长的时间，即能保证低温保持器的零挥发性能。与前述的现有技术相比，本发明具有非常明显的优势。

另外，圆柱内筒61的主体结构筒为非金属，即非金属圆筒613，不会产生涡流。这对于其中的金属衬套筒614，从涡流的形成机制上看，在交变场内，越薄或越小的金属材料部件上产生的涡流越小。因此，与传统的金属结构低温保持器相比，上述结构可实现涡流的大幅减小。对于超导磁体而言，即涡流对其均匀度的影响更小。对于磁共振成像扫描装置(MRI)而言，其成像质量可得到一定的改善。

图4为本发明低温保持器中衬套筒的立体图一。图5为本发明低温保持器中衬套筒的立体图二。图6为本发明低温保持器中衬套筒的结构示意图。

如图4至图6所示，从磁共振成像扫描装置(MRI)的原理上看，梯度线圈产生的交变场主要是沿上述圆筒的轴向的，且轴向上两端部的变化率大，中心的附近的变化率小。因此，为了进一步减少涡流，在衬套筒614的两端部预先切出若干沿圆周方向的轴向分布的槽62，此处槽62的宽度一般不大于(即小于等于)2mm。

优选地，上述槽62在衬套筒614的圆周方向均匀或不均匀分布，相邻两个槽62之间形成一间隔63，间隔63的宽度小于等于衬套筒614的周长的10％，其在衬套筒614两端对称分布，间隔63的长度小于等与衬套筒614的长度的50％，使得衬套筒614的中部形成间隔区64。

上述槽62可以有效地“截断”涡流，即在交变场作用下，涡流将形成在小区块间隔63的内部，而不会扩展到整个圆周面，涡流的量级大大减小。从结构强度的角度，衬套筒614上的开槽62不会影响圆柱内筒61的整体强度，同样还是能够承受内外的压力载荷。

当然，与前述实例相比，本方案中开槽处会有一定的漏放气，影响密闭腔体A的真空度，但与传统的非金属筒相比，此结构的漏放气率要小得多，可保证真空腔体的真空度维持相当长的时间。同时，还可在腔体上设置抽气口，定时半年或一年抽一次真空，从而维持系统的真空度和制冷效果。

优选地，在槽62内再灌注放气率低的胶水、填充剂，或者高电阻率的钎料，可减小外界向密闭腔体A内的漏放气率，从而维持更长的真空度。

更进一步地，在上述槽62的外表面布置有垫板65，将槽62密封，从而更好地维持夹层密闭腔体A的真空度。此垫板65采用高电阻且放气率低的材料，其与衬套筒614的连接为粘接，也可焊接的垫板65，此时材料可选用与衬套筒614同样的金属材料，但厚度显著低于衬套筒614。因此，其自身电阻高于衬套筒614，同样能减少局部涡流，并起到密封和保持真空的作用。

当然，上述不受涡流影响的非金属筒体推荐但不限于在低温保持器上使用，同时还可应用于磁共振成像扫描装置(MRI)中靠近匀场区的部件，比如VTC筒体，隔音罩等。或者需要不受交变场影响的低温保持器筒体组件，如工业用NMR或超导量子干涉设备(superconducting quantum interference device，SQUID)设备等。

此外，本发明还公开了一种磁共振成像扫描装置，其包括如上所述结构的低温保持器。

综上所述，本发明低温保持器及包括其的磁共振成像扫描装置可以显著减少涡流，所述低温保持器的可长期保持较高的夹层真空度，并且采用了一种不受涡流影响的非金属筒体。所述磁共振成像扫描装置可以实现涡流的大幅减小，对于超导磁体而言，即涡流对其均匀度的影响更小，其成像质量可以得到一定的改善。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低温保持器，所述低温保持器为多层容器，包括内容器、热屏蔽层和外容器，所述热屏蔽层设置在所述内容器外，其特征在于，所述内容器内能够容置超导磁体线圈，所述外容器布置在所述热屏蔽层外，所述外容器包括中空的圆柱内筒、中空的圆柱外筒和设置在两端部的封头；

其中，所述外容器的圆柱内筒包括分别位于两端的第一短圆筒和第二短圆筒，位于中间部位的非金属圆筒，所述非金属圆筒的外壁布置有衬套筒。

2.如权利要求1所述的低温保持器，其特征在于，所述第一短圆筒和所述第二短圆筒布置在所述非金属圆筒的两端，且所述第一短圆筒和所述第二短圆筒采用金属材料制成。

3.如权利要求2所述的低温保持器，其特征在于，所述第一短圆筒和所述第二短圆筒的轴向长度小于等于所述外容器的轴向长度的10％，所述第一短圆筒和所述第二短圆筒的厚度为2-20mm。

4.如权利要求1所述的低温保持器，其特征在于，所述衬套筒采用金属材料制成，所述衬套筒的厚度小于所述第一短圆筒的厚度、所述第二短圆筒的厚度及所述非金属圆筒的厚度；且所述衬套筒的长度等于或长于所述非金属圆筒的长度。

5.如权利要求2所述的低温保持器，其特征在于，所述第一短圆筒与所述非金属圆筒的连接侧设置为台阶面连接，所述第二短圆筒与所述非金属圆筒的连接侧设置为台阶面连接。

6.如权利要求1所述的低温保持器，其特征在于，所述衬套筒的两端部设置有若干沿圆周方向的轴向分布的槽，所述槽的宽度小于等于2mm。

7.如权利要求6所述的低温保持器，其特征在于，相邻两个所述槽之间形成一间隔，所述间隔的宽度小于等于所述衬套筒的周长的10％，所述间隔的长度小于等与所述衬套筒的长度的50％。

8.一种低温保持器，所述低温保持器包括内容器和外容器，其特征在于，所述内容器能够容置超导磁体线圈，所述外容器包括设置在所述内容器外部的圆柱内筒、圆柱外筒和两端部的封头；

其中，所述圆柱内筒包括复数个短圆筒，设置在所述复数个短圆筒之间的复合筒，所述复合筒包括金属层和非金属层；

所述圆柱外筒、所述复数个短圆筒、所述复合筒和所述两端部的封头共同形成密闭空间。

9.根据权利要求8所述的低温保持器，其特征在于，所述非金属层形成非金属圆筒，所述金属层形成衬套筒，所述非金属圆筒设置在所述密闭空间的外表面，所述衬套筒设置在所述密闭空间的内表面。

10.一种磁共振成像扫描装置，其特征在于，所述磁共振成像扫描装置包括如权利要求1-9任意一项所述的低温保持器和设置在所述内容器中的超导磁体线圈。