CN112397270B - 7t临床用磁共振影像设备的超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了7T临床用磁共振影像设备的超导磁体，包括从外向内依次连接的低温杜瓦外壳、冷屏、主超导线圈和人像成像通道,冷屏和主超导线圈之间设置有双液氦腔结构，双液氦腔结构包括第一液氦腔以及第二液氦腔；第一液氦腔由第一液氦腔内筒、第一液氦腔外筒和屏蔽线圈的端面法兰围成,并且与冷屏之间和与第二液氦筒之间也分别为真空隔层,填充液氦浸泡磁体屏蔽线圈；第二液氦腔由第二液氦腔内筒、第二液氦腔外筒和主线圈的端面法兰围成，与冷屏之间是真空,其内填充液氦浸泡磁体主线圈。本发明的超导磁体，保证了其在运营时具有较强的空间均匀性和时间稳定性，保证了7T临床用磁共振影像设备的成像质量，而且比单一的液氦腔结构节省6000升液。

Description

7T临床用磁共振影像设备的超导磁体

技术领域

本发明涉及7T临床用磁共振影像设备技术领域，特别是涉及7T临床用磁共振影像设备的超导磁体。

背景技术

磁场由主超导线圈里的电流产生。为了维持线圈导线的超导状态，线圈必须保持在极低的温度下，一般是由液氦和低温制冷机的冷头来维持稳定低温的。主超导线圈被浸泡在低温杜瓦的液氦容器的液氦里。为了有效的阻止外界的热通过传导，对流，或辐射传导至液氦杜瓦而导致液氦的蒸发，主超导线圈和杜瓦的低温容器 必须放在真空腔和其中的防辐射的冷屏和多层防热辐射薄膜包裹的内部。真空由杜瓦的室温容器维持。但是，无论再好的低温系统也不能完全消除外界的热进入液氦容器，剩余的热辐射和液氦容器在真空中的悬挂系统是主要的漏热途径。冷头的作用是将从支撑原件和剩余辐射的漏入的热量移去，也可以说是将漏热蒸发的氦气液化返回液态。

由于超导磁体的温度处于接近绝对零度的4.2K，周围环境的大量热能有向低温杜瓦内部传导的倾向，其中部分热量是通过磁体的悬挂系统。一般磁共振用磁体的液氦杜瓦和其内部的线圈在几百千克到几吨重。将这个低温杜瓦悬挂在真空中是通过一个经过精心设计的悬挂机构完成的。过于坚固的悬挂机构可能会加大漏热，目前的悬挂机构主要由玻璃钢，碳纤维，或合金材料制作。这些材料的共同特点是高机械强度，高抗拉性能，和低热传导系数。经久稳定和在真空里不挥发气体组分也是必须具备的性能。即便使用如此优良性能的材料，热传导也是不能完全消除的，如果这些漏热接近或大于低温冷头的制冷功率，就可能会产生液氦的挥发消耗，给磁体的长期稳定运行带来障碍。所以，精细的悬挂机构设计通常会选取适当的安全系数，使得磁体在运输的过程中是安全的，同时漏热足够地小，可以由一个低温冷头给予降温。

一般超导磁体对设计人员的技术挑战，随着磁体的尺寸或磁场的增加，以及由于磁共振成像对磁体磁场的空间均匀性和时间稳定性的苛刻要求，而成倍地增加。如7T（特斯拉）的临床型磁共振用磁体，在磁场设计，超导线电流选择，制冷和隔热系统设计，超导开关和超导接头设计和工艺等都提出了更高的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种在主超导线圈与冷屏之间设置了双液氦腔结构，设置了从外向内依次设置的第一液氦腔、真空隔层以及第二液氦腔，并且在第一液氦腔和第二液氦腔填充液氦容器，既保证了超导主线圈和屏蔽线圈均浸泡在液氦里，从而得到充分的冷却和稳定的温度环境，而且比单一的液氦腔结构节省6000升液氦的7T临床用磁共振影像设备的超导磁体。

本发明所采用的技术方案是： 7T临床用磁共振影像设备的超导磁体，包括从外向内依次连接的低温杜瓦外壳、冷屏、超导线圈主超导线圈和人像成像通道,其特征在于：冷屏和超导线圈主超导线圈之间设置有双液氦腔结构，其中：

所述双液氦腔结构，包括第一液氦腔和第二液氦腔；

第一液氦腔，由第一液氦腔内筒, 第一液氦腔外筒和屏蔽线圈的屏蔽端部法兰围成，所述第一液氦腔外筒靠近冷屏设置；

第二液氦腔，由第二液氦内筒即主超导线圈主超导线圈,第二液氦腔外筒和主磁体线圈端面法兰围成，并且第二液氦腔外筒靠近主超导线圈主超导线圈设置；

第一液氦腔和第二液氦腔内均填充液氦；

第一液氦腔内筒，与第二液氦腔外筒之间围成真空隔层；

第一液氦腔内筒和第二液氦腔外筒之间通过支撑板固定支撑。

优选地，第一液氦腔内筒和第二液氦腔外筒之间贯穿连接有波纹连接管，低温杜瓦外壳和冷屏对应波纹连接管位置使用密封盖板封堵。

优选地，波纹连接管的两端分别与第一液氦腔内筒和第二液氦腔外筒密封固定连接。

优选地，第一液氦腔内筒和外筒两个端部位置分别和屏蔽线圈的端面法兰连接。

优选地，主超导线圈使用四对对称结构的亥姆兹线圈制成，可以得到均匀性远好于1ppm的空间均匀性，用于满足磁共振成像对均匀磁场的要求

优选地，第一液氦腔的内外筒和第二液氦腔的内外筒之间有不锈钢支架连接,形成一个液氦坚固的液氦容器结构(包含其内部的线圈)。低温杜瓦外壳和液氦容器之间，固定有悬挂拉杆。

悬挂拉杆一端固定在低温杜瓦外壳外侧，一端固定在液氦容器上，由低导热材料制成。用于将液氦容器和其内部的超导磁体线圈悬挂在低温杜瓦外壳上，并置于真空内部。

优选地，悬挂拉杆由玻璃纤维或碳纤维制成。

优选地，悬挂拉杆由至少一根外套内包裹若干根内芯制成,或者由一整根杆芯制成的横截面为跑道型结构。

优选地，悬挂拉杆与液氦容器连接的一端，固定在液氦容器的下方位置。

优选地，超导磁体位于低温杜瓦外壳的端部设置有至少一个运输孔，每一个运输孔通过一个密封圈和真空盲板封堵，或者每一个运输孔通过一个运输支撑筒封堵。

优选地，悬挂拉杆贯穿低温杜瓦外壳和冷屏，并且与低温杜瓦外壳和冷屏的贯穿位置保留有间隙，而不是与低温杜瓦外壳和冷屏直接接触，进而提高其隔热性能，进一步防止漏热。

优选地，冷屏也为双层结构制成，进一步防止漏热，节约液氦效果更佳。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的7T临床用磁共振影像设备的超导磁体，保证了低温杜瓦外壳内部具有从外向内依次设置的第一液氦腔、真空隔层以及第二液氦腔，并且在第一液氦腔和第二液氦腔填充液氦容器，既保证了主超导线圈浸泡在液氦里，从而得到充分的冷却和稳定的温度环境，而且比单一的液氦腔结构节省6000升液氦，能够极大地降低7T临床用磁共振影像设备的运营成本。

采用了悬挂拉杆将液氦容器悬挂在低温杜瓦外壳上，使得被悬挂的超导磁体的重心在悬挂支持面的上方，形成了一个亚稳态平衡，增强了7T临床用磁共振影像设备的绝热性能，从而保证了7T（特斯拉）的临床型磁共振用超导磁体能够具有较强的稳定性能，保证磁共振成像对磁体磁场的空间均匀性，时间稳定性和无液氦挥发的苛刻要求。

综上所述，本发明的7T临床用磁共振影像设备的超导磁体，结构设计合理可靠，节省了磁共振影像设备运行时的液氦用量，并且保证了其在运营时具有较强的空间均匀性和时间稳定性，从而保证了7T临床用磁共振影像设备的成像质量。

附图说明

图1为7T临床用磁共振影像设备的超导磁体结构图；

图2为悬挂拉杆在超导磁体中的结构图；

图3为图1的A处的放大视图；

图4为悬挂拉杆13的一个实施例的横截面结构图；

图5为悬挂拉杆13的另一个实施例的结构图；

图6为主超导线圈的一个实施例的结构图；

图7为低温杜瓦外壳的运输孔使用运输支撑筒代替真空盲板来使用时的运输支撑筒的一个实施例的结构图；

图8为主超导线圈为四对亥姆赫兹线圈的对称结构制成的一个实施例的结构图；

其中：1-低温杜瓦外壳，2-冷屏，3-第一液氦腔内筒，4-真空隔层，5-第二液氦腔外筒，6-第二液氦腔，7-运输支撑筒，8-屏蔽线圈，81-屏蔽端部法兰,9-波纹连接管，10-主超导线圈，11-人像成像通道，12-第一液氦腔，13-悬挂拉杆，131-外套，132-内芯；14-杆芯，15-运输孔，16-密封圈，17-真空盲板,18-第一液氦腔外筒,19-主磁体线圈端面法兰,20-支撑板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

如图1所示， 7T临床用磁共振影像设备的超导磁体，包括从外向内依次连接的低温杜瓦外壳1、冷屏2、超导线圈主超导线圈10和人像成像通道11,其特征在于：冷屏2和超导线圈主超导线圈10之间设置有双液氦腔结构，其中：

所述双液氦腔结构，包括第一液氦腔12和第二液氦腔6；

第一液氦腔12，由第一液氦腔内筒3, 、第一液氦腔外筒318和屏蔽线圈8的屏蔽端部法兰81围成，所述第一液氦腔外筒18靠近冷屏2设置；

第二液氦腔6，由第二液氦内筒即主超导线圈主超导线圈10,、第二液氦腔外筒5和主磁体线圈端面法兰19围成，并且第二液氦腔外筒5靠近主超导线圈主超导线圈10设置；

第一液氦腔12和第二液氦腔6内均填充液氦；

第一液氦腔内筒3，与第二液氦腔外筒5之间围成真空隔层4；

第一液氦腔内筒3和第二液氦腔外筒5之间通过支撑板20固定支撑，从而实现对液氦容器的结构强度达到增强作用，这样可以将第一液氦腔内筒3和第二液氦腔外筒5、第一液氦腔外筒18和主超导线圈10固定连接起来第一液氦腔的内外筒和第二液氦腔的内外筒之间有不锈钢支架连接,形成一个液氦坚固的液氦容器结构包含其内部的线圈，在具体的实施过程当中，支撑板20可以是与屏蔽端部法兰81连接一体的结构，并且在其位于真空隔层的位置设通孔21，以将真空隔层与低温杜瓦外壳内壁之间联通，从而降低其冷量消耗，实现节约能源。

屏蔽线圈和主线圈都浸泡在液氦里，从而得到充分的冷却和稳定的温度环境，而且比单一的液氦腔结构节省6000升液氦，进而降低了主超导线圈的保温成本，提高了整体低温性能。

从图1和图3中可以看出，超导磁体的第一液氦腔内筒3和第二液氦腔外筒5之间贯穿连接有波纹连接管9，使第一液氦腔12和第二液氦腔6相通连。低温杜瓦外壳1和冷屏2对应波纹连接管9位置使用密封盖板封堵。波纹连接管9用于给第二液氦腔6及时补充填充液氦使用,从而可以随时保证第二液氦腔具有很好的液氦用于制冷，并且有液氦或氦气在波纹连接管内交换或流动，保证了第一液氦腔和第二液氦腔之间的冷却效果更好，主超导线圈的温度稳定性能也更好。更优的实施方式是，波纹连接管9的两端分别与第一液氦腔内筒3和第二液氦腔外筒5密封固定连接，从而可以更好地保证真空隔层4和整个真空系统的真空度，进而保证其具有很好隔热性能。

从图中还能看出，超导磁体的更优的实施例是，第一液氦腔外筒18两个端部位置分别和屏蔽线圈8的两个屏蔽端部法兰81密封连接，可以得到满足磁共振成像磁体的真空要求。为了在节省超导线材和真空系统制作成本的考虑下，得到高度均匀的磁场，主超导线圈10采用了四对亥姆赫兹线圈的对称结构，如图8所示，主超导线圈10由两个对称设置的101主超导线圈、两个对称的102主超导线圈、两个对称的103主超导线圈和两个对称的主超导线圈104对称设置，随后在这些主超导线圈圈绕制在一个相似结构的不锈钢线圈骨架上形成主超导线圈10，该结构的主超导线圈结构在中心区域提供了高度的磁场均匀。在行业内容易掌握的技术基础上，可以得到均匀性远好于1ppm的空间均匀性，完全满足磁共振成像对均匀磁场的要求。

如图2所示，超导磁体的低温杜瓦外壳1和液氦容器之间，固定有悬挂拉杆13，其中：

所述悬挂拉杆13，一端固定在低温杜瓦外壳1外侧，一端固定在液氦容器上，由低导热材料制成，用于将液氦容器及其内部的主超导线圈悬挂在低温杜瓦外壳上，从而可以保持将液氦容器保持在低温（4.2K左右）下工作，同时最大限度地减少漏热，它被用导热性很低的材料制成的悬挂系统固定在低温杜瓦外壳1上，使得液氦容器能够被很好地吊挂起来，保持一个较为均匀的温度场，保证其内处于较好的低温状态，减少漏热。

更佳的实施方式，所述悬挂拉杆13由玻璃纤维或碳纤维制成，传热性能较低，隔热效果较好，具体实施过程中玻璃纤维由环氧树脂完全浸润注压而成。更优地，悬挂拉杆13的其中一个实施例是，如图4所示，由至少一根外套131内包裹若干根内芯132制成,包裹的内芯132的数量可以为2根至100根不等，或者是可以是更多均可，其抗拉强度非常高，通常可以承受数吨或十数吨的拉力而不断裂。或者悬挂拉杆13的另一个实施例是，如图5所示，由连续的环氧树脂胶预浸的玻璃纤维制成的横截面为跑道型结构，其抗拉强度非常高，通常可以承受数吨或十数吨的拉力而不断裂。

此外，从图2所示，还可以将超导磁体的所述悬挂拉杆13与液氦容器接的一端，固定在第一液氦腔3和/或第二液氦腔5的端面的下方位置，最大限度地降低漏热，这样可以使悬挂拉杆的漏热降低30-50%。

另一个更佳的实施方式是，如图6所示，超导磁体位于低温杜瓦外壳1的端部设置有至少一个运输孔15，在磁体低温运行状态,每一个运输孔15通过一个密封圈16和真空盲板17封堵;或者如图7所示,在运输磁体状态,每一个运输孔15通过一个运输支撑筒7封堵,形成对液氦容器和外壳的更佳稳固的连接,在磁体低温运行状态,这样的运输支撑机构有效的将线圈和低温杜瓦的重量和运输时受到的冲击力通过更加坚固的支撑筒传到外壳上，从而避免运输过程中的摇晃和冲击力引起的侧翻或悬挂拉杆的断裂。具体的实施过程中，真空盲板17和运输支撑筒7均分别通过若干螺丝或者螺栓可拆卸地将其密封封堵在低温杜瓦外壳的端部，方便拆卸以及安装、运输。这样的运输支撑机构有效的将线圈和低温杜瓦的重量和运输时受到的冲击力通过更加坚固的支撑筒传到低温杜瓦外壳上，低温杜瓦外壳强度较强，故而提高了7T临床用磁共振影像设备的运输性能和磁场稳定性能。

图6和图7的实施例的设置，是由于7T临床用磁共振影像设备的超导磁体很重，而且被悬挂的超导磁体的重心在悬挂支持面的上方，形成了一个亚稳态平衡。这样的系统不允许在未加固的情况下搬运移动。悬挂在室温外壳的正面和背面设计有运输支撑窗，在正常运行时，支撑窗被用真空盲板密封，如图6和7 所示时，在运输时，超导磁体被本发明的运输支撑筒支撑后，固定在磁体的室温外壳上，避免悬挂机构在运输过程中，受到附加加速度的作用被损坏，可以保证7T临床用磁共振影像设备具有很好的运输性能。

超导磁体的所述悬挂拉杆13贯穿低温杜瓦外壳1和冷屏2，并且与低温杜瓦外壳1和冷屏2的贯穿位置保留有间隙，而不是与低温杜瓦外壳1和冷屏2直接接触，进而提高其隔热性能，进一步防止漏热。更优地，所述冷屏2也为双层结构制成，进步防止漏热。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1. 7T临床用磁共振影像设备的超导磁体，包括从外向内依次连接的低温杜瓦外壳（1）、冷屏（2）、主超导线圈（10）和人像成像通道（11）,其特征在于：冷屏（2）和主超导线圈（10）之间设置有双液氦腔结构，其中：

所述双液氦腔结构，包括第一液氦腔（12）和第二液氦腔（6）；

第一液氦腔（12），由第一液氦腔内筒（3）、第一液氦腔外筒(18)和屏蔽线圈（8）的屏蔽端部法兰（81）围成，所述第一液氦腔外筒(18)靠近冷屏（2）设置；

第二液氦腔（6），由主超导线圈（10）、第二液氦腔外筒（5）和主磁体线圈端面法兰（19）围成，并且第二液氦腔外筒（5）靠近主超导线圈（10）设置；

第一液氦腔（12）和第二液氦腔（6）内均填充液氦；

第一液氦腔内筒（3），与第二液氦腔外筒（5）之间围成真空隔层（4）；

第一液氦腔内筒（3）和第二液氦腔外筒（5）之间通过支撑板（20）固定支撑；

第一液氦腔内筒（3）和第二液氦腔外筒（5）之间贯穿连接有波纹连接管（9），低温杜瓦外壳（1）和冷屏（2）对应波纹连接管（9）位置使用密封盖板封堵。

2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：波纹连接管（9）的两端分别与第一液氦腔内筒（3）和第二液氦腔外筒（5）密封固定焊接。

3.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：第一液氦腔外筒（18）两个端部位置分别和屏蔽线圈（8）的两个屏蔽端部法兰（81）密封连接。

4.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于：主超导线圈（10）使用四对对称结构的亥姆赫兹线圈制成。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的超导磁体，其特征在于：低温杜瓦外壳（1）和液氦容器之间固定有悬挂拉杆（13），其中：

所述悬挂拉杆（13），一端固定在低温杜瓦外壳（1）外侧，一端固定在液氦容器上，由低导热材料制成。

6.根据权利要求5所述的超导磁体，其特征在于：所述悬挂拉杆（13）由玻璃纤维或碳纤维制成。

7.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于：所述悬挂拉杆（13）由至少一根外套（131）内包裹若干根内芯（132）制成,或者由一整根杆芯（14）制成的横截面为跑道型结构。

8.根据权利要求7所述的超导磁体，其特征在于：所述悬挂拉杆（13）与第一液氦腔内筒（3）和/或第二液氦腔外筒（5）连接的一端，固定在第一液氦腔内筒（3）和/或第二液氦腔外筒（5）的下方位置。

9.根据权利要求5所述的超导磁体，其特征在于：超导磁体位于低温杜瓦外壳（1）的端部设置有至少一个运输孔（15），每一个运输孔（15）通过一个密封圈（16）和真空盲板（17）封堵，或者每一个运输孔(15)通过一个运输支撑筒（7）封堵。

10.根据权利要求5所述的超导磁体，其特征在于：所述悬挂拉杆（13）贯穿低温杜瓦外壳（1）和冷屏（2），并且与低温杜瓦外壳（1）和冷屏（2）的贯穿位置保留有间隙。

11.根据权利要求5所述的超导磁体，其特征在于：所述冷屏（2）也为双层结构制成。

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