CN111433868B - 超导磁体组件 - Google Patents

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Abstract

一种超导磁体装置包括：磁场线圈组件，其具有线圈绕组，所述线圈绕组在工作时是电超导的，所述磁场线圈组件在连接端口之间电路连接以用于电压供应；以及切换模块，其将所述磁场线圈组件的线圈绕组的子段在其电超导状态和电阻状态之间切换，所述子段形成在所述连接端口之间电路连接的切换线圈。在切换线圈和(一个或多个)磁场线圈都超导的并承载恒定电流的工作状态下，(一个或多个)磁场线圈和切换线圈共同生成稳定磁场。根据本发明，开关绕组对磁场有显著贡献。磁场线圈组件的线圈绕组可以在其电超导状态和电阻状态之间切换，从而形成切换线圈。也就是说，切换线圈形成磁场线圈组件的部分并对由磁场线圈组件生成的磁场有显著贡献。

Description

超导磁体组件
技术领域
本发明涉及包括磁场线圈组件的超导磁体装置，该磁场线圈组件具有线圈绕组，该线圈绕组在工作时是电超导的并且以持久模式工作。特别地，本发明涉及用于磁共振检查系统的超导磁体。
背景技术
M.Wilson在他的著作《超导磁体》(牛津大学出版社，1983年，ISBN 0-19-854805-2)的11.2节中解释了超导磁体的持久模式工作。
通过将超导开关与超导磁场生成线圈串联连接来实现超导磁体的持久模式工作。该开关包括一定长度的超导线材，该超导线材缠绕在支撑结构上，不会对磁体的磁场产生影响。在持久工作中，超导磁体承载全部的磁体电流。将开关加热到超导转变温度以上的温度会使开关变为电阻性开关。然后能够使用与开关并联连接的电源来改变磁场生成线圈中的电流。
日本专利申请JP2004-179413公开了一种超导磁体，该超导磁体具有被安装到用于接通和关断持久电流模式的持久电流开关的超导开关。形成超导开关的开关线圈位于开关主体中，而生成磁场的磁体的超导线圈位于开关主体外。
发明内容
本发明的目的是提供制造成本较低的超导磁体。
根据本发明，通过一种超导磁体装置来实现该目的，所述超导磁体装置包括：
磁场线圈组件，其具有线圈绕组，所述线圈绕组在工作时是电超导的，
所述磁场线圈组件在连接端口之间电路连接以用于电压供应；以及
切换模块，其用于将所述磁场线圈组件的线圈绕组的子段在其电超导状态和电阻状态之间切换，所述子段形成在所述连接端口之间电路连接的切换线圈。
本发明的磁体装置的工作类似于Wilson描述的持久模式工作，不同之处在于：超导开关的功能是由磁场生成线圈段或能够被加热的线圈绕组来执行的。与现有技术的工作的主要区别在于以下事实：现有技术的超导开关不会生成任何显著的磁场，也不会生成任何显著的电感，而切换线圈确实会影响磁体的磁场，并且确实会具有显著的电感。磁场线圈组件的线圈绕组的子段可以在其电超导状态和电阻状态之间切换，从而形成切换线圈。
通过将切换线圈设置到其电阻状态并且在切换线圈两端连接电源，能够使本发明的磁体装置的磁场斜坡上升。可以将任选地可拆卸的电源连接到连接端口，以在(一个或多个)切换线圈两端施加电压。电源可以被布置为在连接端口两端以正电压或负电压提供电流。
在连接端口两端施加电压会引起磁路的超导部分中的电流，从而以与电压成比例的比率增加。温暖的(即，电阻性)切换线圈没有承载大量电流。当通过(一个或多个)磁场线圈的电流达到其预设最终值时，连接端口两端的电压被设置为零，切换线圈被设置到其超导状态，并且由电源供应的电流斜坡下降到零。当切换线圈处于其超导状态时，它与其他磁场生成线圈形成完全超导的闭环，持久的电流能够在该闭环中循环。随着来自电源的电流减小到零，切换线圈中的电流会增加，直到达到最终状态，在最终状态下，所有线圈(即，包括磁体的切换线圈的磁场线圈)都承载相同的电流。在该最终状态下，磁路中的循环电流通常将低于使切换线圈超导时的电流。为了获得期望的最终电流，必须将斜坡结束处的最大电流设置得更高一些。在来自电源的电流减小到零之后，能够将电源热断开和电断开。能够使用继电器开关来断开电源引线。在切换线圈和(一个或多个)磁场线圈都超导并承载恒定电流的工作状态下，(一个或多个)磁场线圈和切换线圈共同生成稳定磁场。根据本发明，这些开关绕组对磁场有显著影响。换句话说，根据本发明，可以将磁场线圈组件的线圈绕组在其电超导状态和电阻状态之间切换，从而形成切换线圈。或者，切换线圈形成磁场线圈组件的部分并且对由磁场线圈组件生成的磁场有显著影响。
切换线圈可以是串联连接的若干切换线圈的组件。如果大致5-10％的磁体线材形成(一个或多个)切换线圈，则该构思最为有效。该长度能够是MRI磁体的一个或多个完整的线圈段。替代地，该长度也能够仅是单个完全绕组段的部分。优选使磁体系统中的(一个或多个)切换线圈和非切换线圈的配置相对于z＝0的中平面镜像对称，因为这样允许使用现有的失超检测和保护方法。
正如Wilson所描述的那样，除了在外部电源的斜坡下降期间磁体电流发生变化之外，将磁体带入磁场并将磁体置于持久模式的流程与使常规的持久模式磁体的斜坡上升相同。
优选地，(一个或多个)切换线圈和(一个或多个)磁场线圈被几何地布置并且具有相应数量的绕组，使得稳定磁场在空间上是均匀的。这使得超导磁体系统适合用于磁共振检查系统。
用于将切换线圈(组件)在其电阻状态和超导状态之间切换的切换模块能够被实施为可切换加热器，以将(一个或多个)切换线圈的绕组的温度在其超导临界温度以上的值与在其超导临界温度以下的值之间调节。替代地，可以向(一个或多个)切换线圈施加局部射频电磁场，以将(一个或多个)切换线圈从其超导状态改变为其电阻状态。除了启动加热器之外，抑制对(一个或多个)待切换的线圈段的主动冷却来防止磁体的冷却系统过载将是有利的。(一个或多个)切换线圈可以与其他线圈充分热隔离，从而能够使其不超导，而不会有使(一个或多个)其他磁场线圈失超的风险。因此，该构思最适合用于超导线圈位于真空空间并通过制冷系统冷却的磁体中。
本发明使得能够在不需要单独的持久电流开关的情况下使超导磁体装置斜坡上升和斜坡下降。因此，不需要采取步骤来避免持久电流开关的任何磁场干扰稳定磁场。而是，本发明使得(一个或多个)切换线圈能够增加稳定磁场的场强和均匀性，并且/或者有助于主动地将环境与磁体的杂散磁场屏蔽。也就是说，(一个或多个)切换线圈和(一个或多个)磁场线圈共同工作以生成稳定磁场。使用磁场生成线圈作为开关元件的主要优点在于：可以以相对较低的成本实现开关元件的高电阻态电阻。斜坡变化期间的耗散等于斜坡变化的电压的平方除以该开路电阻；例如，为了将这种耗散限制在1W以下，对于高达10V的典型的斜坡变化电压，该电阻约为100Ω。切换线圈的开路电阻直接与开关中的线材的长度成比例。常规的持久电流开关被形成为不生成磁场的单独电路元件，这样的常规的持久电流开关将需要较长的开关线材长度，这只会增加成本。使用线圈线材实现开关功能的另一优点在于：无需使用具有高电阻率矩阵的特殊开关线材即可获得较高的常态电阻。(一个或多个)切换线圈能够被标准的纯铜稳定导体缠绕，从而提高了磁体在正常工作中的稳定性并降低了自发失超的风险。
可以以相反的顺序运行斜坡上升流程，从而使磁体斜坡下降。在连接外部电源之后，其电流必须斜坡上升以将(一个或多个)切换线圈中的电流减小到接近零的值。然后使(一个或多个)切换线圈不超导，在此之后，外部电流缓慢减小到零。这需要在磁体的连接端口(端子)两端的与电流流动相反的电压。能够通过将耗散元件(电阻器、二极管)与电源串联连接或者通过利用二极管对电源进行旁路处理并然后中断通过电源的电流来获得该负电压。这样的二象限电源的许多实施例本身是已知的，并且在常规的MRI磁体上使用的任何这样的电源将适合用于本发明的磁体组件，该磁体组件利用基于(一个或多个)切换线圈的开关的构思。
如果无法接通外部电源以将(一个或多个)切换线圈中的电流减小到零(例如，在(主)电源故障的情况下)，则可以连接移能电阻器或二极管并激活(一个或多个)切换线圈(具有电池供应的备用电源)中的加热器。这会使切换线圈失超，但是如果切换线圈的内部能量足够小，以至于该事件不会导致其余线圈段完全失超，则系统磁体将自动进入其放电状态并且电流将减小到零。
本发明的这些方面和其他方面将参考从属权利要求中限定的实施例来进行进一步阐述。
在本发明的超导磁体装置的优选实施例中，(一个或多个)切换线圈的自感远小于(一个或多个)磁场线圈组件的电感。优选地，(一个或多个)切换线圈的电感与磁场线圈组件的电感的比率在1/20至1/2的范围内，优选在(0.08至0.12)的范围内，并且在比率为1/10处得到非常好的结果。这实现了在斜坡上升结束处限制电流的重新分布并确保了需要相对较小的对电磁线圈的电流过冲。
优选地，(一个或多个)切换线圈在其电阻状态下的欧姆电阻高于大约10Ω的最小值，这引起在斜坡上升或斜坡下降期间的低损耗。为了更加详细地进行说明，如果磁体倾斜变化，则在连接端口两端存在例如10V的电压。(一个或多个)磁场线圈中的电流与施加的电压成大致成比例，并且与磁场线圈的自感成反比。因此，电压越高，斜坡变化将越快。施加的电压还会引起一些电流通过(一个或多个)非超导切换线圈。该电流与施加的电压成比例，并且与(一个或多个)切换线圈的正常状态电阻成反比。由于该电流，(一个或多个)切换线圈中的耗散呈施加的电压的平方，并且与其正常状态电阻成反比。因此，(一个或多个)切换线圈的低耗散要求正常状态电阻大致在10欧姆至100欧姆之间(否则，斜坡电压对我来说必须非常低，这可能会导致许多小时的斜坡变化时间)。
(一个或多个)磁场线圈被安装在支撑结构上或通过支撑结构被保持就位，该支撑结构也可以承载(一个或多个)切换线圈。(一个或多个)切换线圈能够是多段MRI磁体的一个或多个个体线圈段。它们能够是生成内部磁场的内部线圈组的部分，也能够是主动消除磁体的杂散磁场的屏蔽线圈组的部分，或者是这两者。(一个或多个)切换线圈的绕组也可以紧邻其他磁场生成绕组。例如，一个或多个线圈段的最外面的绕组层能够用作切换线圈。根据本发明的一个方面，在MRI磁体的(一个或多个)切换线圈和其他磁场线圈之间提供热隔离，从而保持超导。这实现了以下情况：当(一个或多个)切换线圈被加热以使其温度升高到其超导临界温度以上时，没有或只有少量的热量传递到(一个或多个)磁场线圈，从而不需要(一个或多个)磁场线圈具有更高的冷却能力来使(一个或多个)磁场线圈保持超导。在借助于循环的流体氦(液氦或氦气)冷却线圈的情况下，当线圈需要处于其电阻状态时，减少或中断流向切换线圈的氦会是有利的。因此，在磁体斜坡变化期间，磁体的冷却系统中的能量沉积会最小化。
在本发明的另一方面中，(一个或多个)磁场线圈和(一个或多个)切换线圈沿着共同的纵轴同轴地几何对准，而(一个或多个)磁场线圈的绕组以及(一个或多个)切换线圈以方位角围绕纵轴。(一个或多个)磁场线圈和(一个或多个)切换线圈可以处于径向(横向于纵轴)平行的延伸平面中。(一个或多个)磁场线圈和(一个或多个)切换线圈中的每个可以根据稳定磁场的磁场强度和空间分布而具有不同或相等的径向尺寸和绕组数量。通常，用于标准磁场生成线圈的线圈绕组技术也能够用于(一个或多个)切换线圈。
在本发明的另一方面中，磁场线圈组件的磁场线圈和(一个或多个)切换线圈包括高温超导材料的绕组，所述高温超导材料的临界温度在20K-80K的范围内。这允许超导磁体组件具有更高的工作温度。在较高的温度下，冷却机构会更有效地将(一个或多个)磁场线圈和(一个或多个)切换线圈的温度保持在超导临界温度以下。合适的高温材料是MgB2，MgB2的超导临界温度为39K(零磁场)。这样的高温超导体往往比常规的铌钛导体贵得多；因此消除在不影响磁场生成的常规开关中对超导线材的需求可能特别有吸引力。
在本发明的另外的方面中，切换线圈可以包括长度在1600m-2400m的范围内的MgB2超导线材。该线材可以通过粉末装管(PIT)非原位工艺和原位工艺来生产。根据本发明，该材料的量在工作中有助于稳定磁场。
参考下文描述的实施例并参考附图，将阐明本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
图1是本发明的超导磁体组件的示例的电路图，其中，电源被耦合到该超导磁体组件；
图2a和图2b分别是在本发明的超导磁体组件的斜坡上升和斜坡下降流程期间的电量动态的图形表示。
具体实施方式
图1是本发明的超导磁体组件100的示例的电路图，其中，电源被耦合到该超导磁体组件。为了简单起见，自感L1的磁场线圈绕组101被示为单个单元，但是实际上被布置为若干磁场线圈的组件。自感L2的切换线圈102被示为单个单元，但是实际上切换线圈可以被布置为一个或多个切换线圈的组件。切换线圈102和磁场线圈共同形成自身闭合的超导回路。不需要在磁体中将形成切换线圈的线圈段物理地分组在一起，其中，线圈段的互连布线必须使得切换线圈的所有段直接串联连接，而在其间没有非切换类型的元件。
电源借助于电和热可拆卸导线103被连接在切换线圈两端，该电和热可拆卸导线103可以是远程操作的继电器。可以通过低温系统(未示出)将磁场线圈101和切换线圈102冷却至超导温度。提供在切换线圈必须处于电阻状态的时间内增加切换线圈的热阻和/或降低切换线圈的致冷功耗的手段将是有利的。可控制电源105被连接到电流导线103。二极管或二极管堆叠104可以与电源105并联地电路连接，使得即使电源处于其关断状态下也允许来自磁体的电流进行循环。
根据以下流程来使用本发明。为了实现超导磁体组件生成指定的磁场，闭合开关，冷却磁场线圈101，使得磁场线圈101超导并且将切换线圈102布置为处于其电阻状态。为此目的，提供了可调节的加热器106，以将热量耗散到切换线圈中，从而使切换线圈的温度升高到超导临界温度以上。任选地，减少或中断对切换线圈的冷却。电源生成直流电压V0，这会引起通过超导磁场线圈101的电流增加。该电流持续增加，直到经过一定时间后达到预设值I设置，在该预设值I设置处，电源电压减小到零。在斜坡变化期间，电阻性切换线圈两端的电压会引起电流V0/R开关通过该线圈，从而引起耗散V0 2/R开关。由于这种与斜坡变化有关的耗散，加热器的功率能够限制在切换线圈中积聚的总热量。在达到电流设置点之后，(例如通过关闭加热器106并实现对切换线圈的冷却)使切换线圈超导。切换线圈超导所需的等待时间等于在斜坡变化期间在切换线圈中耗散的能量(其等于(L1.I设置)2/t斜坡变化.R开关)与切换线圈的制冷系统的冷却能力的比率。请注意，切换线圈的质量和体积都不会影响所需的等待时间。使用相对较大的线圈作为开关是有利的，因为这会得到大的电阻R开关。在切换线圈达到其超导状态之后，来自电源的电流减小到零。这会引起切换线圈102中的电流增加。同时，磁场线圈101中的电流减小。在最终状态下，所有的线圈101和102中的电流都变得相等，并且不再有电流流向电源。然后可以安全地断开电源。磁场线圈和切换线圈串联地承载相等的电流，并且这两者都会影响超导磁体的磁场。
能够使用磁场线圈101的电感值L1、切换线圈102的电感值L2和这两个线圈之间的互感M12轻松地计算出最终电流I0所需的斜坡上升的结束处电流设置点的适当值I设置。一旦切换线圈达到其超导状态，只要超导磁体电路101-102超导，超导磁体电路101-102中的总磁通量就被捕获并保持恒定。在斜坡变化的结束处，该捕获的磁通量等于L1.I设置，而在最终状态下，该捕获的磁通量等于L总.I0。这里，L总是超导环路的总电感，其等于L1+L2+2M12。因此，电流设置点必须为I设置＝I0.(L总/L1)。由于电感是众所周知的，因此无论是通过模拟还是通过测量，都可以准确预测所需的电流过冲。上式还表明，只要L2和M12比L1小得多，所需的电流过冲的幅值就会受到限制。
为了使磁体斜坡下降，闭合电流导线开关103，接通电源并使其电流上升，使得切换线圈102中的电流减小到较小值。然后接通加热器106以使切换线圈的温度升高到其超导临界温度以上。磁场线圈101保持超导状态。然后，在磁场线圈101两端施加负电压会使电流减小到零。
图2a是在本发明的超导磁体组件的典型示例的斜坡上升流程期间的电量动态的图形表示，其中，磁场线圈电感L1＝20H，切换线圈电感L2＝2H，互感M12＝0.1H。在t＝0时开始斜坡上升时，加热器106接通，因此切换线圈102处于电阻状态。虚线表示电源105供应的电压。在初始转变之后，电压保持在恒定值V0。绘制的曲线示出了通过磁场线圈101的电流。电流随时间以V0/L1的速率近似线性地增加。在时间点t1时，通过L1的电流达到其设置点Iset，并且电源电压被设置为零。然后，当通过磁场线圈101的电流保持在其恒定水平I设置处时，关断切换线圈的加热器并重新激活对该线圈的正常冷却。系统必须保持这种状态，直到切换线圈超导为止。在足够的等待时间以允许切换线圈变得完全超导之后，来自电源的电流会斜坡变化到零。这会引起切换线圈102中的电流增加并且磁场线圈101中的电流减小，直到这两个电流变得相等且流向电源的电流变为零为止。在电流的重新分布期间，生成负感应电压，该负感应电压与因电流的重新分布而引起的磁场线圈和切换线圈中的能量减少相关联。
图2b是在根据本发明的典型磁体的受控斜坡下降期间的电量动态的图形表示。首先，向磁体施加正电压，这会引起切换线圈102中的电流减小。同时，磁场线圈101中的电流增加。当来自电源的电流达到在斜坡上升期间先前使用的值I设置时，切换线圈中的电流变为零。此时，能够接通切换线圈的加热器，并且任选地，能够减少或停用对切换线圈的冷却。在切换线圈两端施加负电压会引起磁场线圈中的电流减小到零。

Claims (12)

1.一种超导磁体装置，包括：
磁场线圈组件，其具有(i)线圈绕组，在所述磁场线圈组件处于工作状态时所述线圈绕组是电超导的，以及(ii)连接端口，所述连接端口用于电压供应，所述线圈绕组在所述连接端口之间电路连接；以及
切换模块，其被配置为将所述线圈绕组的子段在其电超导状态和电阻状态之间切换，所述子段形成在所述连接端口之间电路连接的切换线圈，并且，所述线圈绕组的其余段形成所述磁场线圈组件的至少一个磁场线圈，其中，在所述工作状态中，所述切换线圈和所述至少一个磁场线圈一起工作以生成稳定的磁场。
2.根据权利要求1所述的超导磁体装置，其中，所述切换线圈的电感小于所述至少一个磁场线圈的电感。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体装置，包括承载所述磁场线圈组件的支撑结构，其中，在所述切换线圈与所述支撑结构之间提供热隔离。
4.根据权利要求1或2所述的超导磁体装置，其中，当处于其超导状态时，所述切换线圈与所述至少一个磁场线圈以串联方式电路连接。
5.根据权利要求1或2所述的超导磁体装置，其中，所述至少一个磁场线圈包括多个磁场线圈，所述多个磁场线圈与所述切换线圈沿着共同的纵轴同轴地布置，而所述磁场线圈的绕组以及所述切换线圈的绕组以方位角围绕所述纵轴。
6.根据权利要求2所述的超导磁体装置，其中，所述切换线圈的电感与所述至少一个磁场线圈的电感的比率在1/20至1/2的范围内。
7.根据权利要求6所述的超导磁体装置，其中，所述比率在0.08至0.12的范围内。
8.根据权利要求1或2所述的超导磁体装置，其中，所述磁场线圈组件的磁场线圈和所述切换线圈包括高温超导材料的绕组，所述高温超导材料的临界温度在20K-80K的范围内。
9.根据权利要求8所述的超导磁体装置，其中，所述高温超导材料是MgB2。
10.根据权利要求9所述的超导磁体装置，其中，所述切换线圈包括长度在1600m-2400m的范围内的超导线材。
11.一种磁共振成像系统，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的超导磁体装置。
12.一种使根据权利要求1至10中的任一项所述的超导磁体装置的磁场线圈组件斜坡上升的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述切换线圈设置到其电阻状态并将电压源连接到所述连接端口；
当通过所述至少一个磁场线圈的电流达到其预设最终值时将所述切换线圈设置到其超导状态；并且
关断所述电压源，
其中，在所述超导状态中，所述切换线圈和所述至少一个磁场线圈一起工作以生成稳定的磁场。
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