CN111009374B

CN111009374B - 一种具有紧凑线圈结构的核磁共振超导磁体

Info

Publication number: CN111009374B
Application number: CN201911280679.3A
Authority: CN
Inventors: 王耀辉; 王秋良
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN111009374A

Abstract

一种具有紧凑线圈结构的核磁共振超导磁体，包括主线圈1～5，调整线圈6～9，屏蔽线圈10～12，抗电磁干扰线圈13～14，以及匀场线圈15～25。从主线圈1到主线圈5超导线的直径逐渐变小，电流密度呈现分级的形式。匀场线圈包括轴向线圈Z0、Z1、Z2、Z3、Z4和径向线圈X、Y、ZX、ZY、X2‑Y2、XY，其中轴向线圈Z0、Z2、Z4和主线圈1～5，调整线圈6～9，屏蔽线圈10～12组成的磁体线圈电磁解耦，轴向线圈Z0、Z2和Z4之间互相电磁解耦。抗电磁干扰线圈13和14组成闭合回路，使得超导磁体在受到外来磁场干扰时能够保持中心区域内磁场稳定。

Description

一种具有紧凑线圈结构的核磁共振超导磁体

技术领域

本发明涉及一种具有紧凑线圈结构的核磁共振超导磁体。

背景技术

磁体是核磁共振系统的重要组成部分，磁体产生的磁场强度的大小直接影响到核磁共振的分辨率和灵敏度，进而影响分子结构信息的探测能力。一般来说，核磁共振磁体的磁场强度越高，相应的原子波谱信号的分辨率和灵敏度也越高。这样，在低磁场条件下难以获得的分子结构信息或者含量极其微小的元素信息，在高场条件下就有可能获取到。超导磁体借助超导线材的高载流能力能够产生强度很高的磁场，显著提高核磁共振系统的分辨率和灵敏度，具有广泛的应用场景。

核磁共振超导磁体除了磁场强度要求外，还要求磁场在中心区域内有很高的均匀度。然而，在绕制、加工、装配超导磁体时，中心区域内的磁场均匀度不可避免地会受到破坏，导致核磁共振系统的频谱分辨能力大大降低。为了提高核磁共振系统的频谱分辨能力，需要将均匀度受到破坏的磁场恢复到高度均匀状态，这就需要为超导磁体设计匀场系统。此外，核磁共振超导磁体在工作时会受到外部磁场的干扰，这就需要为磁体设计抗外磁场干扰系统。

中国专利CN 110082695A提出了一种超导磁体的线圈结构，包括7个短螺线管组成的主线圈和2个短螺线管组成的屏蔽线圈，没有匀场线圈、调整线圈以及抗电磁干扰线圈；中国专利CN 102360691A提出了一种开放式核磁共振磁体系统，只包括上下2个超导磁体主线圈，没有其他超导线圈结构。

发明内容

本发明提出了一种具有紧凑线圈结构的核磁共振超导磁体。所述的核磁共振超导磁体包括5个主线圈，4个调整线圈，3个屏蔽线圈，2个抗电磁干扰线圈，以及11个匀场线圈。上述线圈均采用超导线材绕制。5个主线圈分别绕制在两个骨架上，其中线圈1和线圈2绕制在同一个骨架上，线圈1置于线圈2的内侧；线圈3、线圈4和线圈5绕制在另外一个骨架上，线圈3置于最内侧，线圈4置于线圈3和线圈5之间，线圈5置于最外侧。4个调整线圈绕制在同一个骨架上，在沿着中心轴方向，线圈9、线圈7、线圈6和线圈8依次排列。3个屏蔽线圈绕制在同一个骨架上，在沿着中心轴方向，线圈12、线圈10、线圈11依次排列。2个抗电磁干扰线圈绕制在主线圈5的外侧，在沿着中心轴方向，线圈14和线圈13依次排列。11个匀场线圈按照从内到外按照Z0、Z1、Z2、Z3、Z4、X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY的排列顺序依次叠放在一个骨架上，置于调整线圈6～9和屏蔽线圈10～12之间。

主线圈为长螺线管结构，用于产生主磁场，调整线圈和屏蔽线圈均为短螺线管结构。其中屏蔽线圈的电流方向和主线圈的电流方向相反，产生反向磁场，抵消主线圈在超导磁体周围产生的杂散场，达到屏蔽超导磁体杂散场的目的。调整线圈的电流方向和主线圈的电流方向相同，产生正向磁场，用于增强主线圈在中心区域产生的磁场强度并且提高磁场均匀度，使得叠加后中心区域内的磁场强度达到达到指定的磁场强度要求，同时磁场均匀度达到指定的均匀度要求。

匀场线圈用于补偿超导磁体在绕制、加工、装配等过程中的磁场均匀度损失，通过抵消超导磁体磁场在中心区域内的谐波分量，达到匀场的目的。

抗电磁干扰线圈用于稳定超导磁体在中心区域内的磁通变化，使得超导磁体在受到外来磁场干扰时能够保持中心区域内磁场稳定。

附图说明

图1为超导磁体结构示意图；

图2为匀场线圈层叠结构示意图；

图3为中心区域和5Gauss线示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明具有紧凑线圈结构的核磁共振超导磁体包括5个主线圈1～5，4个调整线圈6～9，3个屏蔽线圈10～12，2个抗电磁干扰线圈13～14，以及11个匀场线圈15～25。5个主线圈绕制在两个骨架上，其中线圈1和2绕制在一个骨架上，线圈1置于线圈2的内侧；线圈3、4和5绕制在另外一个骨架上，线圈3置于最内侧，线圈4置于线圈3和线圈5之间，线圈5置于最外侧。4个调整线圈绕制在同一个骨架上，在沿着中心轴方向，线圈9、线圈7、线圈6、线圈8依次排列。3个屏蔽线圈绕制在同一个骨架上，在沿着中心轴方向，线圈12、线圈10、线圈11依次排列。2个抗电磁干扰线圈绕制在主线圈5的外侧，在沿着中心轴方向，线圈14和线圈13依次排列。11个匀场线圈按照从内到外Z0、Z1、Z2、Z3、Z4、X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY的排列顺序依次叠放在一个骨架上，置于调整线圈6～9和屏蔽线圈10～12之间。

主线圈1～5采用不同直径的超导线绕制，并且从主线圈1超导线的直径到主线圈5超导线的直径逐渐变小。调整线圈和屏蔽线圈采用相同直径的超导线来绕制，绕制调整线圈和屏蔽线圈的超导线的直径小于绕制主线圈5的超导线的直径。主线圈、调整线圈和屏蔽线圈采用串联的形式组成闭合回路，如此从主线圈1到主线圈5，电流密度呈现分级的形式，和采用相同直径的超导线绕制的超导磁体主线圈比较，降低了超导线的使用量。

主线圈、调整线圈和屏蔽线圈组成的闭合回路通过励磁过程使得如图3所示的中心区域的磁场强度达到要求，并且5Gauss线范围在约束范围之内。然而，由于磁体在绕制、加工、装配等过程中不可避免地会引入误差，此时中心区域内磁场均匀度并不能满足要求，需要匀场系统来改善磁场均匀度。图2所示为由匀场线圈15～25组成的匀场系统，按照从内到外的排列顺序依次叠放在一个骨架上，分别对应匀场线圈Z0、Z1、Z2、Z3、Z4、X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY。其中轴向线圈Z0、Z2、Z4和线圈1～12组成的磁体线圈电磁解耦，线圈Z0、Z2和Z4之间互相电磁解耦。通过在匀场线圈上加载一定的电流，抵消超导磁体磁场在中心区域内的谐波分量，达到匀场的目的。

抗电磁干扰线圈13和14组成闭合回路，当所述超导磁体受到外来磁场干扰时，主线圈、调整线圈以及屏蔽线圈组成的闭合回路中的电流会发生波动，导致该闭合回路在中心区域内产生的磁场发生漂移，而与此同时抗电磁干扰线圈组成的闭合回路中也会被外来磁场感应出电流，其在中心区域内产生的磁场补偿上述磁场漂移，使得超导磁体在受到外来磁场干扰时能够保持中心区域内磁场稳定。

Claims

1.一种具有紧凑线圈结构的核磁共振超导磁体，其特征在于：所述的核磁共振超导磁体包括主线圈1～5，调整线圈6～9，屏蔽线圈10～12，抗电磁干扰线圈13～14，以及匀场线圈15～25；上述线圈均采用超导线材绕制；

所述的主线圈1～5分别绕制在两个骨架上，其中线圈1和线圈2绕制在同一个骨架上，线圈1置于线圈2的内侧；线圈3、线圈4和线圈5绕制在另外一个骨架上，线圈3置于最内侧，线圈4置于线圈3和线圈5之间，线圈5置于最外侧；

所述的调整线圈包含4个分离的线圈，4个分离的线圈绕制在同一个骨架上，在沿着中心轴方向，线圈9、线圈7、线圈6、线圈8依次排列；

所述的屏蔽线圈包含3个分离的线圈，3个分离的线圈绕制在同一个骨架上，在沿着中心轴方向，线圈12、线圈10、线圈11依次排列；

所述的抗电磁干扰线圈包含2个分离的线圈，2个分离的线圈绕制在主线圈5的外侧，在沿着中心轴方向，线圈14和线圈13依次排列；

所述的匀场线圈包含11个线圈：轴向线圈Z0、Z1、Z2、Z3、Z4和径向线圈X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY，其中轴向线圈Z0、Z2、Z4和线圈1～12组成的磁体线圈电磁解耦，线圈Z0、Z2和Z4之间互相电磁解耦；所述的11个匀场线圈从内到外按照Z0、Z1、Z2、Z3、Z4、X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY的排列顺序依次叠放在一个骨架上，置于调整线圈6～9和屏蔽线圈10～12之间。

2.按照权利要求1所述的核磁共振超导磁体，其特征在于：所述的主线圈为长螺线管结构，用于产生主磁场；调整线圈和屏蔽线圈均为短螺线管结构；屏蔽线圈的电流方向和主线圈的电流方向相反，产生反向磁场，抵消主线圈在超导磁体周围产生的杂散场，达到屏蔽超导磁体杂散场的目的；调整线圈的电流方向和主线圈的电流方向相同，产生正向磁场，用于增强主线圈在中心区域产生的磁场强度并且提高磁场均匀度，使得叠加后中心区域内的磁场强度达到指定的磁场强度要求，同时磁场均匀度达到指定的均匀度要求；匀场线圈用于补偿超导磁体在绕制、加工、装配过程中的磁场均匀度损失，通过抵消超导磁体磁场在中心区域内的谐波分量，达到匀场的目的；抗电磁干扰线圈用于稳定超导磁体在中心区域内的磁通变化，使得超导磁体在受到外来磁场干扰时能够保持中心区域内磁场稳定。