CN109564809A

CN109564809A - 带有热辐射屏的磁体系统

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Publication number: CN109564809A
Application number: CN201780049698.8A
Authority: CN
Inventors: J·A·奥弗韦格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2037-08-15
Also published as: WO2018033530A1; EP3497705A1; JP2019526320A; JP6700479B2; US20190187228A1; EP3497705B1; US10794973B2; CN109564809B

Abstract

一种辐射屏包括细长热导体，这些细长导热体减小了沿着该辐射屏的温度梯度且不支持电涡流。辐射屏是易于制造的，无需附加的机械支撑且不产生机械共振，使得冷质量上的热负荷保持较低。

Description

带有热辐射屏的磁体系统

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振检查系统的磁体系统。磁系统包括带有超导绕组的主磁体线圈。主磁体线圈被热辐射屏所环绕。提供一种制冷系统，以将磁体线圈绕组冷却成低于其超导临界温度。

本发明还涉及一种用于磁共振检查系统的主磁体系统的热辐射屏。

背景技术

通过美国专利US 5 651 256获知一种超导磁体，其具有由被真空罩所环绕的隔热罩所环绕的超导线圈。隔热罩可具有若干柔性的导热材料层。隔热罩的大部分重量由环绕该超导线圈的柔性隔热毯支撑。英国专利申请GB 2 467 596公开了一种用于低温恒温器的热辐射屏。该已知的热辐射屏由导电填充材料制成，该导电填充材料由嵌置在绝缘塑料材料中的切碎的金属纤维构成。这些金属纤维来自导电轨道。这实现了提供所需的热传导，同时使涡电流的产生最小化。欧洲专利申请EP 1 596 121公开了一种热屏蔽，其具有由具有细长金属元件的玻璃纤维填料形成的导热体。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种热辐射屏，其减少了到磁体系统的冷质量中的热耗散。根据本发明，该目的通过一种用于磁体系统的热辐射屏来实现，该热辐射屏包括多个重叠的细长热导体。本发明的另一目的是提供一种超导磁体系统，其中，减少了到磁体系统的冷质量中的热耗散。本发明的另一目的通过一种用于磁共振检查系统的磁体系统来实现，本发明的磁体系统包括：

-带有同轴绕组的主磁体线圈，其用于在磁共振检查系统的检查区中产生主磁场，

-具有冷头的制冷机，其用于将主磁体线圈绕组冷却成低于临界温度，以获得超导性，

-环绕主磁体线圈的热辐射屏，

-被布置成在热辐射屏和制冷机之间形成热路径的热拦截器(thermalintercept)，该热拦截器在若干位置处被热连接到该辐射屏。

本发明的磁体系统被在权利要求5中予以定义。

重叠的细长热导体(特别是条、带或丝)具有各向异性的导热和导电性，该导热和导电性沿着细长导体比横向于细长导体高得多。导热性降低了由于从磁体的温暖表面到达辐射屏的辐射热所引起的温度梯度。各向异性的导电性抑制了由梯度线圈的外场产生的涡电流；然后，在MRI扫描仪的成像体积中抑制了不需要的磁场，这些不需要的磁场将会干扰来自待检查对象的待在磁共振检查系统中获取的射频磁共振信号的空间编码。优选地，辐射屏和制冷机之间的一个乃至更好的多个热链路传递来自辐射屏的热量。

简而言之，辐射屏包括细长热导体，这些热导体减小了沿辐射屏的温度梯度且不支持电涡流。辐射屏是易于制造的，无需附加的机械支撑且不产生机械共振，使得冷质量上的热负荷保持较低。

在辐射屏的优选实施例中，不导电的不透明层被布置在重叠的细长热导体之间或覆盖住重叠的细长热导体。这些层可具有一定的导热性，但是这些层的导电性能抑制了电涡流。不透明层是不透明的，即在红外波长范围内是不透明的。这些不透明层防止热量照射到磁体线圈的超导绕组中。这些不透明层覆盖住可被留在细长热导体之间的开口，并且辐射可以穿过这些开口且致使功率沉积到磁体的冷质量中。导热的不透明层与细长热导体热接触。以这种方式，避免了不透明层并不比相邻的导热层变得更热。这进一步减小了沿辐射屏的温度梯度。可以通过在连续的不透明片材上设置细长隔热体来形成不导热的不透明层。这是很容易制造的。不透明层可以只是支撑其自身的单个片材。

在辐射屏的另一优选实施例中，施加由细长导热纤维和隔热纤维形成的织物。细长的导热纤维被横向于电绝缘纤维取向。细长的导热纤维沿着辐射屏实现了低温梯度。由于导热纤维彼此电绝缘，因此有效地抑制了涡电流。

本发明的磁体系统设置有一个乃至更优选地更多个热拦截器，其形成了到制冷机的热路径。优选地，制冷机可以是多(两)级冷却系统。优选地，在冷却级中的一个和辐射屏之间建立热路径。可能优选的是将热路径耦合到冷却级中的一个，该冷却级可能甚至并不是具有最低温度的冷却级。然而，辐射屏不应与冷质量连接到同一制冷机级。该屏蔽的目的是防止辐射热到达被连接到具有最低温度的制冷机级的表面。热路径在沿着辐射屏和冷却级的若干位置之间行进。这缩短了在其上将热量从辐射屏传递到冷却级的路径长度。

这些热拦截器实现了减小沿着辐射屏的温度梯度。这实现了到磁体系统的冷质量的低功耗。热拦截器被耦合到辐射屏从而在热辐射屏和制冷机之间形成热链路的位置越多，热量需要沿着辐射屏幕传输到冷却级所沿的平均路径长度就越短。

热拦截器提高了从辐射屏传递热量的效率。该技术效果独立于包括细长热导体的辐射屏实现，这些细长热导体减小了沿辐射屏的温度梯度且不支持电涡流。

根据本发明的辐射屏可以优选地被用在磁体系统中，在该磁体系统中，磁体线圈并不被嵌置在氦气罐中，而是单独放置在真空空间中并通过将它们热连接到制冷机的最低温度接口而被保持于操作(超导)温度。磁体部分之间的任何开放空间提供通道，用于在磁体线圈内部的辐射屏的多个部分之间进行热互连且热互连到位于磁体线圈外部的制冷机。

热拦截器可在磁体系统的轴向中平面中或其附近被耦合到辐射屏。辐射屏可以包封住该主磁体线圈。热拦截器可被耦合在轴向中平面附近的包封辐射屏的末端处和在与冷却级相对的位置处以及在辐射屏的中平面中或其附近。以这种方式，仅需要热拦截器和辐射屏之间的少量热耦合来建立从辐射屏到冷却级的短的热通路。这使得沿辐射屏的温度梯度保持较低。

热拦截器可以是与磁体线圈绕组同轴的导热环。也就是说，导热环被横向于磁体系统的纵向轴线取向。热拦截器的该实施例可以是位于磁体线圈之间的轴向位置处的一个或多个导热环。导热环可以是实心金属环，其横截面足以将辐射屏蔽和制冷机之间的热阻保持成低于5K/W。这些环应至少具有一个中断，以防止它形成一个完全闭合的环路，从而耦合到主场磁体或梯度线圈。作为选择，该热拦截器可包括包含对流冷却剂(例如氦蒸气)的一个或多个对流回路。对流环可被轴向地定位在磁体线圈之间。即，对流环或导热环可被放置在位于磁体线圈之间的轴向空隙处的轴向位置处。

在另一实施例中，隔热毯至少部分地环绕主磁体绕组，并且辐射屏被嵌置在隔热毯中。

本发明的辐射屏是在一个方向上在机械方面薄弱的且是不导电的。因此，当通过磁体系统的梯度线圈切换机械地激励时，在磁体的冷质量中不会或仅产生低的附加耗散。此外，机械柔性和小质量使得热辐射屏是易于制造的。各向异性的导电性抑制由于梯度切换引起的涡电流。使屏内的温度梯度保持足够小所需的屏的最小厚度在很大程度上取决于热量必须在屏内进行传输的距离。如果导电元件由铜制成并且屏蔽中的平均铜厚度为0.5mm，则对于5W/m²的辐射负载而言，在磁体长度为1.6m且中平面中仅有一个热拦截器的情况下，屏蔽的内孔部分内的温度降将小于10K。利用位于内孔屏长度的1/4和3/4处的两个热拦截器，所需的平均铜厚度减小到0.15mm。

这种辐射屏并不需要附加的机械支撑，并且可被嵌置在与磁体绕组绝缘的热毯中。由于磁体的梯度切换和淬火都不会在辐射屏中引起显着的机械力，因此辐射屏仅需要承载其自身的低重量。因此，可以仅使用冷接合技术来安装该辐射屏，并且在辐射屏的焊接期间不会对相邻屏蔽层造成热损坏。

参考下文中描述的实施例并参考附图，将阐明本发明的这些和其它方面，其中

附图说明

图1示出了本发明的热辐射屏的一个示例的示意性三维表示；

图2示出了本发明的热辐射屏的另一示例的示意性三维表示；

图3示出了磁共振检查系统的磁系统的一个示例的示意性侧视图，其中结合了本发明的热辐射屏的示例；以及

图4示出了磁共振检查系统的磁系统的另一示例的示意性侧视图，其中结合了本发明的热辐射屏。

具体实施方式

图1示出了本发明的热辐射屏的一个示例的示意性三维表示。辐射屏105包括由细长热导体构成的层101、102。不同层的细长热导体在一定程度上沿细长热导体的长度以及横向于它们的长度重叠。由于热导体是细长的，因此复合屏中的导电性是各向异性的，这是因为它仅沿其长度是高的而横向于细长导体是低的。这些热导体可被形成为例如条、带或丝。各向异性的导电性实现了抑制住由梯度切换所引起的涡电流。在由细长热导体构成的各个层之间，设置有不透明层103、104，以封闭住各个层中的细长热导体之间的开口(其允许红外辐射通过)。

图2示出了本发明的热辐射屏的另一示例的示意性三维表示。在图2的实施例中，由细长热导体构成的层与由细长电绝缘体(例如，不导电条、带、丝)构成的层被叠置在一起。细长的热导体屏蔽热量(红外辐射)并抑制住由于梯度切换所引起的涡电流。细长电绝缘体提供了机械强度。如图2中所示，细长热导体和电绝缘体可被覆盖有(对于红外辐射)不透明的片材103、104。在一种变型中，细长热导体(例如导线)和细长电绝缘体(纤维)可被结合以形成织物或布料。

图3示出了磁共振检查系统的(一部分)磁系统的示意性侧视图，其中结合了本发明的热辐射屏。磁体系统围绕对称轴线308具有圆柱对称性。仅示出了在对称轴线的一侧的恰好位于包含旋转对称轴线的平面中的截面。

磁体系统被容置在外部真空容器301中，在该外部真空容器301中，主磁体线圈302被安装在支撑结构306上。屏蔽线圈310也被设置在真空容器301内并被热辐射屏105所环绕。有源匀场线圈(未示出)也可被设置在真空容器301内并由热辐射屏105所环绕。热辐射屏105被围绕磁体线圈302布置，以屏蔽磁体线圈使其免受向内照射的功率的影响。通过多级制冷机303将主磁体线圈冷却成低于其超导转变温度。此外，热拦截器304被热耦合到制冷机。热拦截器例如是被(关于对称轴线308)轴向地设置在主磁体的中平面307的附近且与主磁体线圈同轴的导热环。在热拦截器和辐射屏之间设置有热连接件305。这些热连接件被放置在磁体系统的中平面附近。优选地，热连接件被轴向地定位在磁体系统的中平面和轴向最为靠近该磁体系统的中平面的主磁体线圈之间。由于热辐射屏和热拦截器之间(并最终到达制冷机303)的热连接件位于磁体系统的轴向中平面附近，因此辐射屏和制冷机之间的热路径长度被保持得很小乃至最小。这实现了沿着热辐射屏的温度梯度被保持很小并且热量被从热辐射屏高效地沿着短的热路径传递到制冷机。

图4示出了磁共振检查系统的磁系统的另一示例的示意性侧视图，其中结合了本发明的热辐射屏。在该实施例中，采用了若干(两个)热拦截器304。这些热拦截器中的每一个被轴向地设置在位于主磁体线圈之间(以及位于屏蔽线圈之间)的空隙中。热连接件305连结在每个热拦截器和热辐射屏之间以及每个热拦截器和制冷机的级之间。该配置再次导致短的热通路，以将热量从热辐射屏传递到制冷机。重要的是，如果存在界接该辐射屏的不止一个热界面，则导电元件和拦截器之间的连接必须是电绝缘的，以避免在导电屏蔽元件和界接环之间形成闭环。作为选择，可以在热界接环之间的中间点处切割该屏蔽中的导热元件，以中断任何闭合的导电路径。

本发明的一个具体目的是使导电性各向异性，使得循环(涡流)电流被抑制住并且将恰好足够的材料用于屏蔽，使得越过它的温度梯度保持小于约20K。各向异性的导电性可以通过利用许多带或丝构建该屏蔽来获得，这许多带或丝是彼此电绝缘的并且主要在磁体的轴向方向上延伸。通过叠置这些导电元件，和/或通过添加被热连接到导电元件的不导电的不透明层，将该屏蔽被制成为是对红外辐射不透明的。作为选择，它可被制成为一种织物，该织物在一个方向上使用导热纤维，而在垂直方向上使用不导电纤维。为了使热量必须穿过该屏蔽朝向热拦截器行进的距离最小化，有利的是在屏的内孔部分上、在磁体的中平面处或其附近设置被连接到制冷机的至少一个环形热总线。假设磁体半长为0.75m，当导电元件由平均厚度为0.3毫米的铜制成时，在最大温降为15K的情况下，从屏的内孔部分传导5W/m²的辐射热负荷。这种屏会是足够轻的，使得无需附加的机械支撑；它可以被简单地嵌置在由多层绝缘件构成的多个层之间。屏的外部可以类似的方式构建而成并且被热连接到位于磁体的中平面中的第二环形热拦截器。这里，在屏中的导电元件的总厚度小于1mm(铜)的情况下，可以实现小于20K的最大温度梯度。注意，磁体的淬火和梯度操作都不会在该屏蔽中产生显着的机械力；因此，屏蔽或支撑该屏蔽的任何东西只需承载其自身的重量。无需屏的内部和外部相遇所处的热/机械接头，这足以确保(例如通过叠置或使用胶带)在该位置处没有辐射窗口保持开放。因此，能够使用冷接合技术来安装该屏蔽，这无需来自技术人员的任何特殊技能并且避免在磁体组装期间对绝缘系统的多个相邻层造成热损坏。

借助于位于磁体的中平面中的至少一个热总线从辐射屏的磁体孔部分提取热量是有利的，但它并未详述如何构建该热总线。对于预期待传递的5-10瓦的热量，由铜条或编织物构成的热链路是可行的，但是会需要大量的导热材料。

借助于对流氦环以类似于如何在传统的无冷冻磁体概念中从磁体线圈中移除热量的方式从辐射屏提取热量是有利的。这种对流回路包括围绕该辐射屏转动一圈并且被热锚固到该辐射屏的管。在其上端，该管是热交换器的被连接到制冷机的第一(～40K)级的一部分。该管被充满氦气。热交换器中的冷却气体具有较高的密度；重力使其向下流向该屏障，在那里它提取热量，这使气体膨胀。

代替在磁体的中平面中具有单个这种冷却回路，有利的是安装至少两个附加的这种冷却回路，然后将这些冷却回路优选地定位在与磁体的最外侧线圈部分相邻的间隙中。冷却回路可以被通过低导热率的支撑元件机械地锚固到磁体的冷质量。

如果冷却回路之间的平均距离约为300mm或更小，则在它由单轴铜线的织品制成的情况下，辐射屏的有效厚度可被减小到约0.1mm。

也可以通过一组对流氦环而非通过传统的柔性铜线束将辐射屏的外表面连接到制冷机的第一级。使用氦填充管的优点主要是会减轻重量和降低成本。

Claims

1.一种用于磁体系统的热辐射屏，所述热辐射屏包括多个重叠的细长热导体，所述热辐射屏包括：

-至少一个不导热的不透明层，所述不导热的不透明层被布置在所述细长热导体之间或覆盖住所述细长热导体；和

-所述不导热的不透明层与所述细长热导体中的至少一些热接触。

2.如权利要求1所述的热辐射屏，其中，各个不导热的不透明层由设置在连续的不透明片材上的细长隔热体形成。

3.如权利要求2所述的热辐射屏，其中，所述热辐射屏包括由导热纤维和不导电纤维形成的织物，导电纤维被横向于不导电的不透明纤维取向。

4.一种用于磁共振检查系统的磁体系统，所述磁体系统包括：

-带有同轴绕组的主磁体线圈，其用以在所述磁共振检查系统的检查区中产生主磁场，

-如权利要求1至3中的任一项所述的热辐射屏，其环绕所述主磁体线圈，

-被布置成在所述热辐射屏和所述制冷机之间形成热路径的热拦截器，所述热拦截器在若干位置处被热连接到所述辐射屏。

5.如权利要求4所述的磁体系统，其中，所述冷头和所述热拦截器被布置于所述磁体系统的轴向中平面处或其附近，并且所述热拦截器在所述轴向中平面处或其附近被热连接到所述辐射屏。

6.如权利要求4或5所述的磁体系统，其中，所述热辐射屏是如权利要求1至3中的任一项所限定的那样。

7.如权利要求4至7中的任一项所述的磁体系统，其中，所述热拦截器是环形的并且与所述磁体线圈绕组同轴。

8.如权利要求4至8中的任一项所述的磁体系统，其中，所述热拦截器由包含对流冷却剂、特别是氦蒸气的对流环形成。

9.如权利要求8所述的磁体系统，其中，所述热拦截器在位于所述磁体线圈之间的空隙之间的轴向位置处形成为多个对流环。

10.如权利要求6所述的磁体系统，其中，所述主磁体绕组由一个或多个隔热毯所环绕，并且所述热辐射屏被嵌置在所述隔热毯中。

11.如权利要求4至10中的任一项所述的磁体，其中，所述辐射屏是非结构的并且由多层隔热毯支撑。