CN117912788A - 超导磁体组件的开关组件和低温系统的可重构超导磁体组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超导磁体组件(12)。该磁体组件(12)包括被构造成产生极化磁场的磁体(14)、热虹吸管(206)、主箱(802)和计量箱(804)。该热虹吸管(206)与该磁体(14)热接触，该热虹吸管(206)被构造成携带冷冻剂穿过其中并且经由该冷冻剂冷却该磁体(14)。该计量箱(804)容纳该冷冻剂并且与该主箱(802)耦接，并且该主箱(802)具有大于该计量箱(804)的内部体积的内部体积。该热虹吸管(206)在该热虹吸管(206)的第一端部与该主箱(802)耦接，并且在该热虹吸管(206)的第二端部与该计量箱(804)耦接，第二端部与第一端部相对，并且该热虹吸管(206)和该计量箱(804)限定该冷冻剂流动的路径(818)。

Description

超导磁体组件的开关组件和低温系统的可重构超导磁体组件

背景技术

本公开的领域整体涉及磁体组件的系统和方法，并且更具体地涉及超导磁体组件的系统、组件和方法。

低温系统包括低温装置，诸如用于磁共振成像(MRI)系统的超导磁体、超导变压器、发电机和电子器件。通过保持磁体与冷却源诸如液氦接触来冷却低温装置，以便低温装置在超导条件下操作。为了达到特定操作状态，向低温装置提供电力。例如，为了使MRI系统的超导磁体斜线上升到某个磁场强度(例如，1.5特斯拉(T))，从电源向超导磁体提供电力，以使磁体从电流产生磁场。一旦达到该场强所需的电流量，磁体就经由开关组件被切换为在超导模式下操作。已知的开关组件易于出现某些问题，并且需要改进。

超导磁体组件被分为两种类型的系统：开放系统和密封系统。这两种系统在一些方面存在缺点，并且需要改进。

发明内容

在一个方面，提供了一种超导磁体组件。该磁体组件包括被构造成产生极化磁场的磁体、热虹吸管、主箱和计量箱。该热虹吸管与该磁体热接触，该热虹吸管被构造成携带冷冻剂穿过其中并且经由该冷冻剂冷却该磁体。该计量箱容纳冷冻剂并且与该主箱耦接，并且该主箱具有大于该计量箱的内部体积的内部体积。该热虹吸管在该热虹吸管的第一端部与该主箱耦接，并且在该热虹吸管的第二端部与该计量箱耦接，第二端部与第一端部相对，并且该热虹吸管和该计量箱限定该冷冻剂流动的路径。

在另一方面，提供了一种组装磁体组件的方法。该方法包括提供磁体组件。该磁体组件包括被构造成产生极化磁场的磁体、被构造成携带冷冻剂的热虹吸管、主箱和计量箱，其中该主箱具有大于该计量箱的内部体积的内部体积。该方法还包括将热虹吸管与磁体耦接，使得热虹吸管与磁体热接触。该方法还包括通过将主箱与计量箱耦接，并且将热虹吸管的第一端部与主箱耦接、然后将热虹吸管的第二端部与计量箱耦接来限定冷冻剂流动的路径，第二端部与第一端部相对。

附图说明

参考以下附图描述了非限制性和非穷举性示例，其中除非另外指明，否则在各个附图中的相同的附图标记指代相同的部分。

图1是示例性磁共振(MR)系统的示意图。

图2是图1所示系统的磁体组件的示例性开关组件的示意图。

图3是图2所示的开关组件的示例性压力阀。

图4A是图2所示的开关组件的另一个示例性压力阀的示意图。

图4B是当图4A所示的压力阀被致动时该压力阀的示意图。

图4C是示出图4A所示的压力阀与热虹吸管耦接的示意图。

图4D是示出当图4C所示的压力阀被致动时的该压力阀的示意图。

图5A是图2所示的开关组件的又一个示例性压力阀的示意图，其中压力阀与热虹吸管耦接。

图5B是当图5A所示的压力阀被致动时该压力阀的示意图。

图6是图1所示的系统的示例性磁体组件的示意图。

图7A是图1所示的系统的另一个示例性磁体组件的示意图。

图7B是图7A所示的磁体组件的示例性开关组件的示意图。

图8是图1所示的系统的又一个示例性磁体组件的示意图。

图9是组装图1至图5B和图8所示的磁体组件的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本公开包括超导磁体组件的开关组件，以及包括可重构的超导磁体组件的超导磁体组件。磁共振(MR)系统的超导磁体组件被描述为示例，仅用于说明目的。本文所述的开关组件和超导磁体组件可用于其他系统的超导磁体组件，诸如超导变压器、发电机和电子器件。方法方面在以下描述中部分将是显而易见的并且部分将明确地讨论。

图1示出了示例性MR系统10的示意性框图。MR系统10用于获得受检者的图像或用于受检者的光谱学应用。

在示例性实施方案中，MR系统10包括磁体组件12，该磁体组件包括磁体14。在一些实施方案中，磁体14是由缠绕在磁性线圈支架或线圈架周围的多个磁性线圈形成的超导磁体。磁体14被构造成产生极化磁场。磁体组件12可包括围绕磁体14的低温恒温容器18。低温恒温容器18通常填充有低温流体或冷冻剂，该低温流体或冷冻剂用于将超导线圈冷却到极低温度(例如，4K)，使得电流在没有电阻的情况下继续流过超导线圈，以在电源断开之后保持均匀而且静态的磁场。冷冻剂可以是氦、氢、氖、氮或它们的任何组合，为液体形式、气体形式或液体和气体形式的组合。氦被描述为示例性冷冻剂。其他冷冻剂可用于本文所述的超导磁体组件中。

在示例性实施方案中，磁体组件12还可包括热屏蔽组件16，该热屏蔽组件将低温恒温容器18和磁体14围封在其中。在一个实施方案中，热屏蔽组件16可包括内部热屏蔽构件162和外部热屏蔽构件164。内部热屏蔽构件162通常是圆柱形形状并且径向地放置在磁体14的内部。内部热屏蔽构件162被构造为防止热量从放置受检者的温暖区域辐射到放置磁体14的寒冷区域。外部热屏蔽构件164相对于内部热屏蔽构件162同中心地布置。外部热屏蔽构件164也可具有大致圆柱形的形状并且径向地放置在磁体14的外部。外部热屏蔽构件164被构造为防止热量从环境辐射到磁体14中。热屏蔽组件16由金属材料制成，诸如铝。在一些实施方案中，磁体组件12还可包括磁体真空容器19，该磁体真空容器围绕热屏蔽组件16并且在操作期间使磁体14与环境隔离。

在示例性实施方案中，MR系统10还包括放置在内部热屏蔽构件162内部的梯度线圈组件22。梯度线圈组件22被构造为沿着一个或多个轴(诸如x轴、y轴或z轴)选择性地施加一个或多个梯度磁场。MR系统10还包括RF线圈24。RF线圈24可以是发射器线圈，该发射器线圈被构造为发射RF脉冲。RF线圈24可以是接收器线圈，该接收器线圈被构造为检测来自受检者的MR信号。RF线圈24可以是既发射又检测MR信号的发射和接收线圈。磁体组件12、梯度线圈组件22和体RF线圈24被统称为扫描器组件50，因为扫描器组件50形成为一个单元并且位于扫描器室中。扫描器组件50具有孔46，在扫描期间受检者被定位在该孔中。图1中所示的扫描器组件50是闭孔系统，其中孔是圆柱形的。扫描器组件50可以是其他设计的磁体组件，诸如开孔系统、双极电磁体构造或Hallbach构造。

在示例性实施方案中，MR系统10还包括控制器30、磁场控件32、梯度场控件34、存储器36、显示设备38、发射/接收(T/R)开关40、RF发射器42和接收器44。在操作中，受检者被放置在孔46中，在合适的支撑件(例如机动化手术台(未示出)或其他患者台)上。磁体14在孔46上产生均匀而且静态的磁场B0。孔46中以及对应地患者身上的磁场B0的强度和均匀性由控制器30经由磁场控件32来控制，该磁场控件还控制对磁体14的激励电流的供应。梯度线圈组件22由梯度场控件34激励并且也由控制器30控制，使得一个或多个梯度磁场被施加在磁场B0上。RF线圈24和接收线圈(如果提供的话)分别通过T/R开关40选择性地互连到RF发射器42或接收器44中的一者。RF发射器42和T/R开关40由控制器30控制，使得RF场脉冲或信号由RF发射器42生成并且被选择性地施加到受检者以用于在受检者身上激发磁共振。

在示例性实施方案中，在施加RF脉冲之后，再次致动T/R开关40以将RF发射线圈24从RF发射器42解耦。检测到的MR信号又被传送到控制器30，该控制器能够以特定格式组织MR信号以存储在存储器36中。控制器30包括处理器48，该处理器控制MR信号的处理以产生表示患者的图像的信号，该信号被传输到显示设备38以提供该图像的视觉显示。

磁体组件12的磁体14用于通过沿磁体14的磁体绕组流动的电流在MR系统10中产生磁场。该电流在几百安培的范围内。在一些已知系统中，来自电源的电流被恒定地施加到该磁体以产生磁场。高电流的恒定供应将显著增加MR系统的运行成本。磁体14是超导磁体，其中磁体14在磁体14的导线绕组的超导温度(诸如4K)下操作，使得绕组导线不具有对电流的电阻并且不需要外部电源。磁体14的这种操作模式被称为持续电流模式。

开关组件用于激励该磁体以在持续电流模式下操作。开关组件包括开关，该开关具有绕组。该开关在电阻模式和超导模式之间切换。在电阻模式中，该开关在高于开关绕组的超导温度的温度(诸如80K)下操作。在超导模式中，开关组件200在开关绕组的超导温度(诸如4K)下操作。在磁体的斜线上升期间，开关与电源并联地电连接。为了产生磁场，开关在电阻模式下操作，使得电流由于在电阻模式下开关的绕组中的电阻而注入到开关。当流过开关的电流达到用于产生磁场的场强的期望水平时，外部电源被断开并且该开关被切换为在超导模式下操作。通过改变开关的温度来实现该切换。使用加热器来加热开关。开关通常由诸如液氦的冷冻剂冷却。因此，开关的加热使冷冻剂汽化。

在磁体的斜线下降或淬火期间，通过将开关切换为从超导模式到电阻模式操作来减小由磁体产生的磁场。流过电阻的电流产生热量，该热量也使冷冻剂汽化。

因此，开关的切换使液氦汽化。液氦的生产或再液化相对昂贵，并且是有限的资源。

另一方面，期望具有快速开关以减少电力消耗和斜线变化时间。开关的速度部分地取决于开关的温度改变得有多快。在不改变系统设计的情况下，切换越快，液氦将越快汽化，这可能对系统造成关于排气和压力释放的挑战。因此，长期以来需要减少汽化并且提高开关的速度。

本文所述的系统、组件和方法提供了开关组件和开关，它们与已知系统相比，导致相对较少的氦气汽化和较快的切换。开关组件的压力阀将开关与冷冻剂流的其余部分隔离，从而减少氦汽化并提高切换速度。此外，冷冻剂气体回路与开关和冷头热耦接，并将热量从开关传递走，进一步提高了切换速度并减少了汽化。

图2是用于磁体组件12的示例性开关组件的示意图。在示例性实施方案中，开关组件200定位在磁体组件12的下部以确保冷冻剂与开关组件200接触，使得开关组件200在操作期间保持处于超导模式。开关组件200包括被构造成在电阻模式和超导模式之间切换的开关202。开关202被构造成在低温环境中操作，诸如具有80开尔文(K)或更低的温度。开关组件200还包括压力阀204-1、204-2。本文所述的压力阀被构造成在低温环境中并且在存在磁场的情况下操作。压力阀204受到压力变化的控制，其中压力阀204的打开和关闭由压力阀204中的压力变化引起。在存在磁场的情况下，由于磁场与阀的电流和/或操作磁场的干扰，利用电流操作的阀(诸如电磁阀)倾向于发生故障或故障。可使用屏蔽件，这增加了设计和制造的成本。此外，在超导磁体组件12的低温下，材料倾向于变脆。相比之下，本文所述的压力阀204被构造成在超导磁体组件12中操作。

在示例性实施方案中，开关202与热虹吸管206热接触。如本文所用，物体A与物体B热接触或热耦接或连接是指经由热传导在物体A和B之间传递热量，其中物体A和B彼此直接接触或者经由具有相对高的热导率并且在传导热量方面有效的材料连接。示例性材料是铜或铝。相反，使用被制造为具有相对低的热导率的物体来阻止或限制热传递。热虹吸管206可为磁体组件12的冷冻剂在其中循环的冷冻剂网络218的一部分，并且可连接到冷冻剂箱208。

在示例性实施方案中，开关组件200还包括开关202和热虹吸管206之间的热界面210。热界面210与开关202和热虹吸管206热接触，从而促进开关202与热虹吸管206之间的热传导。热界面210的材料可被选择为具有尽可能高的热导率。热界面210可为开关202与热虹吸管206之间的一层低温等级环氧树脂诸如2850。在一些实施方案中，热界面210包括一层铜片。使用低温等级环氧树脂将该铜片包裹在开关202周围，并且将铜片焊接到热虹吸管206。

在一些实施方案中，开关组件200还包括分别与热界面210和压力阀204-1、204-2热接触的热链接212-1、212-2。热链接212可由铜、铝、铜合金、铝合金或它们的任何组合制成。热链接212的材料等级和/或热链接212的构造(诸如热链接212的横截面积和长度)可基于设计规范(诸如冷却时间和允许的热传递)来选择。

在示例性实施方案中，开关组件还包括冷冻剂气体回路214，该回路一端与热界面210热接触，另一端与磁体组件12的散热器216热接触。散热器216可为磁体组件12的热屏蔽组件16。在一些实施方案中，散热器216是磁体组件12的冷头602(参见稍后描述的图6至图8)。冷头602可为两级式制冷机。第一冷却级热链接到热屏蔽组件16并提供到第一温度、通常在40K-100K的范围内的冷却。第二冷却级提供冷冻剂的到低得多的温度的冷却，通常在4K-10K的范围内。冷冻剂气体回路214可与气态冷冻剂一起循环并且与冷头602的第一级热接触。

在操作中，来自开关202的热量经由热界面210从开关202传递走。热界面210还将热量传递给热虹吸管206内承载的冷冻剂和冷冻剂气体回路。开关202还经由热链接212与压力阀204-1、204-2热接触，从而触发压力阀204的打开和关闭，因为压力阀204是压力致动的并且热会改变压力阀204中的压力。

当不执行斜线上升或斜线下降的斜线变化过程时，压力阀204打开并且冷冻剂流过冷冻剂网络218，并且使开关202在大约4K的温度下保持处于持续模式。对于超导磁体，斜线变化过程是将磁体的磁场从零斜线上升到期望的场强(诸如1.5特斯拉(T)、3T或更高)或使磁场斜线下降的过程。

在斜线变化过程中，在接通开关加热器以加热开关202并且将开关202置于电阻模式之前，压力阀204-1中的压力增大并且压力阀204-1被致动并且阻断热虹吸管206。然后，开关202的开关加热器被接通以使开关202的温度升高。在该过程期间，热虹吸管206中的液体被来自开关202的热推离开关202。当开关202已达到预设温度范围时，压力阀204-2被致动并且闭合以阻断开关202，从而隔离压力阀204-1、204-2之间的热虹吸管206的跨距220。压力阀204-2可由通过热链接212-2传递的来自开关202的热致动。压力阀204-2可被构造为使得当达到预设温度范围的端值时，压力阀204-2被完全致动，其中压力阀204-2延伸到热虹吸管206中达到压力阀204-2的最大程度。在一些实施方案中，外部加热器附接到压力阀204-2，从而辅助该致动或完全替换热链接212-2。

在压力阀204-1、204-2关闭的情况下，开关202与冷冻剂网络218的其余部分隔离，从而限制热传递到其余的冷冻剂网络218。有限量的热可经由热虹吸管206的管壁222传递。

继续斜线变化过程，开关202的温度保持朝向诸如50K的操作点上升。随着开关202变热，当开关202的温度上升到散热器216的温度范围以上时，冷冻剂气体回路214中的气体开始将热量从热界面210带走到散热器216。冷冻剂气体回路214的几何结构(诸如直径)和冷冻剂气体回路214中的气体压力被设计成使得由开关202产生的热被携带到散热器216以将开关温度保持在预设操作范围内。

在斜线变化过程结束时，由开关202产生的热逐渐减少。与冷却热界面210的冷冻剂气体回路214一起，压力阀204的温度降低。压力阀204的温度降低到压力阀204的致动范围，使得压力阀204中的压力降低到压力阀204拉回的水平。此时，压力阀204-1、204-2打开以使冷冻剂流过热虹吸管206，使开关202冷却以将开关202置于持续模式。

开关组件200在减少切换期间冷冻剂的汽化方面有利。压力阀204将热虹吸管206的部分与冷冻剂循环的其余部分隔离开，从而将汽化限制在热虹吸管206的位于压力阀204之间的部分中的冷冻剂。此外，在已知的组件中，开关的冷却仅通过与热虹吸管接触来进行。因此，全部热负荷转到冷冻剂，并且冷冻剂在切换期间继续汽化。相反，冷冻剂气体回路214与诸如冷头602的散热器216热接触。来自开关202的热负荷被分成两部分，其中小部分进入热虹吸管206和热虹吸管206内的冷冻剂，而大部分进入散热器216。冷头602是一种有效的冷却装置，减少了冷却开关202所需的时间，而不存在冷冻剂汽化。

开关组件200在减少开关202的切换时间方面也有利。切换时间取决于开关202的温度改变得有多快。压力阀204被构造成在低温环境中并且在存在磁场的情况下快速而且有效地打开和关闭。因此，一旦达到期望的电流，冷冻剂就快速地循环到开关202以冷却开关202，从而从电阻模式切换到超导模式。此外，冷冻剂气体回路214和散热器216进一步冷却开关202。

图3是示例性压力阀204的横剖视图。在示例性实施方案中，压力阀204包括阀头302、波纹管组件304和柱塞306。阀头302填充有冷冻剂，该冷冻剂可为液体或气体，或者根据温度在液体和气体之间变化。填充在阀头302中的冷冻剂可为氦。阀头302限定气体室。波纹管组件304与气体室307连通。柱塞306与波纹管组件304连接。波纹管组件304可包括一个腔室或多于一个腔室(参见稍后描述的图4A至图5B)。在一些实施方案中，压力阀204包括过压止动件303。过压止动件303定位在波纹管组件304的外部，并且被构造成防止过压导致波纹管组件304膨胀得离阀头302太远和损坏管壁222。

在示例性实施方案中，压力阀204由非磁性材料制成。示例性材料可为铜、黄铜、不锈钢或它们的组合。压力阀204的部件可由相同材料或不同材料制成。阀头302和波纹管组件304由非磁性金属制成。波纹管组件304可由诸如黄铜、不锈钢或它们的组合的材料制成。在一些实施方案中，柱塞306由具有相对低热导率的材料制成，从而减少通过柱塞传递到剩余冷冻剂网络218中的冷冻剂的热(参见图2)。柱塞306的示例性材料是黄铜、不锈钢、聚四氟乙烯(PTFE)、G-10或它们的任何组合。柱塞306可由涂覆或层压有PTFE或G-10的黄铜和/或不锈钢制成。当将柱塞306与压力阀204的其他金属部件组装时，由金属材料制成的柱塞306便于压力阀204的制造。

在操作中，通过加热气体室307中的冷冻剂来增加气体室307中的压力。压力增加推动波纹管组件304，进而推动柱塞306远离阀头302，从而关闭压力阀204。当气体室307中的压力通过降低冷冻剂的温度而降低时，该压力降低将波纹管组件304和柱塞306拉向阀头302，从而打开压力阀204。在一些实施方案中，气体室307中的冷冻剂的压力变化是通过填充更多的冷冻剂或从气体室307排出冷冻剂而引起的。

图4A至图4D示出了另一个示例性压力阀204-4。图4A和图4B示出了压力阀204-4本身处于打开状态(图4A)和关闭状态(图4B)。图4C和4D示出了压力阀204-4安装在热虹吸管206的侧面402上并且用于允许(图4C)或阻止(图4D)冷冻剂网络218(参见图2)中的流动。在示例性实施方案中，压力阀204-4包括加热器404，该加热器耦接到阀头302并且被构造成加热气体室307中的冷冻剂。在一些实施方案中，加热器404可经由计时器打开或关闭。压力阀204还包括充注阀406，其打开以将冷冻剂充注到气体室307中，并且关闭以密封气体室307。充注阀406邻近阀头302定位。波纹管组件304可包括驱动波纹管408和从动波纹管410。柱塞轴412将驱动波纹管408与从动波纹管410连接。波纹管组件304还可包括围绕柱塞轴412的套管414。柱塞轴412沿着套管414的纵向轴线416在套管414中来回移动。为了减少传热，柱塞轴412和/或套管414可由不锈钢而不是黄铜或铜制造。因为不锈钢具有比黄铜或铜低的热导率。当压力阀204关闭时，柱塞306与热虹吸管206之间的接触可增强以减少汽化和热传递。例如，柱塞306可具有截顶圆锥或圆锥的外部形状。热虹吸管206可在管壁222的侧面402-o上限定开口418，该侧面与压力阀204与热虹吸管206耦接的侧面402相对。开口418的尺寸被设计为将柱塞306的至少一部分容纳在其中(图4D)。柱塞306可包括柱塞头420和从柱塞头420沿柱塞轴412的径向方向424延伸的凸缘422。因此，当柱塞头420被容纳在开口418中时，凸缘422沿着开口418的边缘426放置，从而帮助阻止流动。

在操作中，波纹管组件304的横截面和壁厚被选择为使得波纹管弹簧常数和操作压力被优化用于低温操作并且用于确保柱塞306被完全拉动以使流动通行。柱塞轴412被选择为使得柱塞轴412限制热传递并且具有在操作期间将柱塞头420保持在适当位置的刚度。压力阀204可用垫圈(例如金属垫圈或PTFE垫圈)焊接或螺栓连接到热虹吸管206上以确保压力阀204与热虹吸管206之间的无泄漏接合。

图5A和图5B示出了又一个示例性压力阀204-5。与图4A至图4D中所示的压力阀204-4相比，压力阀204-5不包括加热器404，并且充注阀406进一步远离阀头302移动。在示例性实施方案中，充注阀406定位在空间或磁体14外部(诸如磁体真空容器19外部)的具有环境温度的空间(统称为磁体外部空间)中。在该磁体外部空间，温度高于磁体真空容器19内部空间中的磁体14的温度，并且通常高于50K。磁体外部空间中的较高温度对阀的要求不像磁体真空容器19内部的温度那么苛刻。加热器404的移除还有利地减少了向冷冻剂网络218中的冷冻剂的热传递，从而进一步减少了冷冻剂汽化。充注阀406安装在通向气体室307的排空和填充管502上。气体室307被抽空以将柱塞306拉回，从而打开压力阀204。可将冷冻剂充注到气体室307中以将柱塞306向前推动，从而关闭压力阀204。经由压力阀204-5的填充和排空的操作比经由压力阀204-4的加热器404的操作更快，并且消除了对加热器404的需要和打开压力阀204时的冷却过程的需要。

开关组件200可用于低冷冻剂磁体组件12-l中。低冷冻剂磁体组件可为无冷冻剂磁体组件，其中加压气态冷冻剂被填充到热虹吸管中并且使用冷却器冷却成液态冷冻剂。图6是示例性低冷冻剂磁体组件12-l的示意图。在低冷冻剂磁体组件12-l中，磁体组件12-l使用传导冷却，其中磁体绕组603经由在热虹吸管206中循环的液氦被冷却并保持在超导温度。热虹吸管206与磁体绕组603热连接或热接触。开关组件200可安装在真空容器19内的磁体组件12中，或安装在热屏蔽组件16内。重新参考图2，热虹吸管206在热虹吸管206的两端连接到冷冻剂箱208并且形成流动回路。热虹吸管206可为与图6中所示的热虹吸管206-l分开的管，并且这两个管直接连接到冷冻剂箱208。另选地，从热虹吸管206-l分支出热虹吸管206。分支点可位于热虹吸管206-l的与磁体绕组603热接触的跨距之外的热虹吸管206-l上。例如，在磁体组件12-l中，热虹吸管206-l与冷冻剂箱208连接并且在点604-1与点604-2之间与磁体绕组603热接触。分支点可位于热虹吸管206-l的跨距605中，该跨距在冷冻剂箱208与点604-1、604-2中的任一者之间。

开关组件200也可被包括在氦浴磁体组件12-b中。图7A是示例性氦浴磁体组件12-b的示意图。图7B是用于氦浴磁体组件12-b的示例性开关组件200-b的示意图。在示例性实施方案中，使用氦浴机构来冷却磁体绕组603。低温恒温器容器、冷冻剂容器或氦容器18包括液氦702。磁体绕组603定位在冷冻剂容器18内并且浸在液氦702中。开关组件200-b可通过将开关202围封在开关真空外壳708内而安装在磁体组件12-b中。冷冻剂气体回路214和/或散热器216也可被围封在开关真空外壳708内。另选地，散热器216可为磁体组件的冷头602，并且冷冻剂气体回路214连接到冷头602。压力阀204-1、204-2定位在液氦中。为了限制冷冻剂汽化，可将压力阀204-1、204-2放置在开关真空外壳704的入口704-i或出口708-o上。热界面210和压力阀204之间的热链接212可被消除，以减少冷冻剂汽化并且简化设计和组装。

在氦浴磁体组件中，磁体绕组完全或部分地浸入或浸在液氦中。氦浴磁体组件可被称为开放系统，其中冷冻剂在淬火或部分淬火期间自由排出。因此，需要大量的液氦，其处于一千或两千升的水平。需要淬火排气管以在淬火或部分淬火期间将大量氦安全地释放到大气中。磁体组件通常安装在大型建筑物(如医院)的内部房间中。安装淬火排气管在后勤上是困难的并且在劳动力和材料方面较为昂贵。此外，在磁体组件淬火之后，需要重新填充大量的液氦来使磁体组件在操作中重新斜线变化。液氦的再填充增加了磁体组件的运营成本。

在低冷冻剂磁体组件中，磁体组件的传导冷却仅需要几升(例如5升)来用于冷却磁体组件。低冷冻剂磁体组件可被称为密封系统，其中冷冻剂被密封在磁体组件内并且在淬火或部分淬火期间不被排出。在淬火或部分淬火之后，低冷冻剂磁体组件不排气。因此，不需要淬火排气管或氦气再填充。然而，低冷冻剂磁体组件需要在运输后就地冷却下来。对于氦浴磁体组件，在磁体组件的运输期间，一些氦(例如大约200升的氦)被汽化。在现场，液氦被添加到系统中并且磁体组件处于操作中。在低冷冻剂磁体组件中，氦通常被密封在热虹吸管内以防止泄漏，以便保持足够量的液氦用于冷却磁体组件。相对少量的液氦不会在运输期间持续存在。将氦冷却到液氦需要较长时间，例如几天。该冷却需要附加的设备。另选地，需要特殊的后勤安排来在运输期间保持磁体组件冷却。此外，从淬火或部分淬火恢复比氦浴磁体组件花费更长的时间，因为需要相对长的冷却时间来使氦液化。另外，在断电或不可靠电力供应的情况下，需要诸如空气冷却式冷头压缩机和/或外部发电机的冗余部件来保持低冷冻剂磁体组件的操作。还需要包括自动斜线下降或斜线上升以避免完全场淬火，这种情况表示磁场被减小到零。这些外部和备用设备增加了低冷冻剂磁体组件的成本。低冷冻剂磁体组件的另一个缺点是，由于系统中相对少量的液氦的有限冷却能力，低冷冻剂磁体组件在处理某些扫描期间由MR系统中的磁体梯度相互作用产生的热方面面临困难，尤其是在高场强和繁忙位置处。

本文所述的混合磁体组件克服了氦浴磁体组件和低冷冻剂磁体组件的缺点，并且同时具有这两种组件的优点。混合磁体组件可在运输后立即在现场操作。在混合磁体组件中，不需要排气管线。在混合磁体组件中，也不需要低冷冻剂磁体组件中所需的附加的设备。

图8是示例性混合磁体组件12-h的示意图。在示例性实施方案中，磁体组件12-h包括主箱802和计量箱804。计量箱804与主箱802连通，使得主箱802中的液体冷冻剂可向下流到计量箱804。主箱802和计量箱804定位在磁体组件12-h的顶部，使得冷冻剂向下流到磁体绕组603并且冷却该磁体绕组。

在示例性实施方案中，主箱802具有大约200升的体积，这在运输期间将磁体绕组603保持处于超导温度(例如，小于5K)长达五天，对于大多数操作而言，这是用于磁体组件12的操作的潜在足够的体积。因此，在运输之后，现场不需要冷却。磁体组件12-h具有大约五天的转化时间。转化时间是磁体组件中的冷冻剂耗尽所花费的时间量，该消耗来自汽化或变成气态。计量器(未示出)可与主箱802一起安装以计量液氦的液位。在一些实施方案中，箱排气管线806可与主箱802一起安装。箱排气管线806用于排出汽化的冷冻剂。箱排气管线806还提供将冷冻剂再填充到主箱802中的通路。压力释放阀(未示出)被包括在箱排气管线806中以减轻主箱802中的压力累积。在一些实施方案中，磁体组件12-h不包括排气管线。计量箱804、本文所述的低温回路的设计和冷冻剂压力的控制使得能够构造没有排气管线的磁体组件12。

在示例性实施方案中，磁体组件12包括与主箱802耦接的冷头602。磁体组件12还包括与主箱802连通的充气管线810。充气管线经由热链接212与冷头602热接触。热链接212促进从充气管线810到冷头602的热传递。热链接212可耦接到冷头602的第一级。在操作中，气态氦通过充气管线810被填充到磁体组件12中。当气态氦被填充到主箱802中时，气态氦通过热链接212被冷头602冷却到第一级温度，例如50K。低温气态氦被冷头602的第二级进一步冷却成液氦。液化氦储存在主箱802中。具有充气管线810的磁体组件12在具有对液氦的有限接近的偏远区域中是有利的。具有充气管线810还节省了与液氦相关联的成本。

在示例性实施方案中，计量箱804具有几升的体积，诸如5升。氦气的量持续约6小时。如果磁体组件12-h被构造为密封系统，则转化时间为大约6小时。计量箱804包括被构造成测量计量箱804内的液氦的量的液位计或计量器812。当液氦低于预设阈值时，将额外的液氦填充到计量箱中，或者另选地，使储存在主箱802中的液氦流入计量箱804中，以达到预设阈值液位。计量箱804还提供监测计量箱804内液氦液位的功能。在一些现场，不需要将气态氦排放到扫描器室中。磁体组件12将作为密封系统操作。为了确保热虹吸管206、主箱802和计量箱804内的压力在磁体组件12所允许的压力水平内，计量箱804监测液氦液位不超过预定液位。

在示例性实施方案中，磁体组件12还包括热虹吸管206。计量箱804和热虹吸管206限定了冷冻剂流动的路径818。磁体组件12还包括引线组件814和开关组件200。引线组件814可为高温超导引线组件814。引线组件814用于在磁体组件的斜线变化期间向磁体组件12-h注入电力。开关组件200的冷冻剂气体回路214可与磁体组件12-h的冷头602热接触。在一些实施方案中，磁体组件12-h还可包括用于释放热虹吸管206中积累的压力的管道排气管线816。

在示例性实施方案中，磁体组件12还包括邻近热虹吸管206的端部820安装的压力阀204。压力阀204被构造成在低温环境中并且在存在由磁体绕组603产生的磁场的情况下操作。压力阀204可与热虹吸管206热连接或热接触，使得当热虹吸管206的温度高于预设温度时，压力阀204致动。另选地，压力阀204的加热器404可由定时器打开或关闭。在磁体组件12-h的操作期间，压力阀204可被打开以允许冷冻剂流动以冷却磁体绕组603。压力阀204可被关闭以将主箱802和计量箱804与磁体组件12的其余部分热隔离。例如，在淬火或部分淬火期间，压力阀204被关闭以阻止/显著减少冷冻剂在热虹吸管206与箱802和804之间的流动。从热虹吸管206到箱802、804的热传递是有限的，从而降低了氦汽化的速度并且消除了对淬火排气管的需要。因此，即使磁体组件12-h被构造为开放系统，这种系统中冷冻剂在淬火或部分淬火期间自由排出，汽化的量和速度也被限制到不需要淬火管的水平。此外，关闭压力阀204还阻断热虹吸管206与从磁体组件12清除出来的热虹吸管206内的氦的连通，从而进一步减少汽化的量。另外，当经历断电或不可靠的电力供应时，磁体组件12-h是有利的，其中冷头602不操作或不满足磁体组件12的冷却需要。可将液氦可填充到主箱802中以冷却磁体组件12。在再填充期间，压力阀204关闭以限制热传递和汽化。在再填充之后，压力阀204被重新打开，使得磁体组件12重新操作，而没有淬火或斜线下降。

磁体组件12-h可在开放系统和密封系统之间构造和重构。用户可选择通过不在主箱802中包括或填充任何液氦来将磁体组件12-h构造成密封系统。用户可选择通过在运输之前将液氦填充到主箱802中来将磁体组件12-h构造成开放系统。主箱802中液氦的量足够在运输期间持续。在现场，与在磁体组件的操作前需要冷却的低冷冻剂磁体组件不同，通过使用计量箱804内的液氦来冷却磁体绕组，磁体组件12-h在操作中不需要冷却。用户可选择在运输之后排出留在主箱802中的液氦或者将该液氦保持在主箱802中作为备用。磁体组件12-h可从开放系统重构为密封系统，反之亦然。为了将磁体组件12-h从开放系统重构为密封系统，主箱802中的冷冻剂可被汽化，并且磁体组件12-h仅利用计量箱804中的冷冻剂操作。为了将磁体组件12-h从密封系统重构为开放系统，可将冷冻剂从外部冷冻剂容器或从充气管线810填充到主箱802中。

通过使用主箱802的增加的冷却能力，磁体组件12-h在处理某些扫描期间由磁体梯度相互作用产生的热量方面也是有利的，特别是在高场强或繁忙位置的MR系统10处。此外，磁体组件12-h提供了操作磁体组件的灵活性，同时减少了液氦的汽化以及对液氦和排气管的需要。

在一些实施方案中，开关组件200用于混合磁体组件12中。如图2和图8所示，开关组件200可安装在磁体组件12中。在示例性实施方案中，冷冻剂气体回路214耦接到冷头602的第一级(图8)。开关热虹吸管206可从与磁体绕组603热接触的热虹吸管206-h分支出来。分支点604位于热虹吸管206-h的不与磁体绕组603热接触的部分。另选地，开关热虹吸管206-s(参见图2)可直接连接到主箱802和/或计量箱804。

图9是组装磁体组件的示例性方法900的流程图。该磁体组件可为上述磁体组件12。在示例性实施方案中，方法900包括提供902磁体组件，该磁体组件包括磁体、被构造为携带冷冻剂的热虹吸管、主箱，和计量箱。磁体被构造成产生极化磁场。主箱具有大于计量箱的内部体积的内部体积。方法900还包括将热虹吸管与磁体耦接904，使得热虹吸管与磁体热接触。方法900还包括通过将主箱与计量箱耦接，并且将热虹吸管的一端与主箱耦接、然后将热虹吸管的另一端与计量箱耦接来限定906冷冻剂流动的路径。

本文所述的系统和方法的至少一个技术效果包括：(a)磁体组件的开关组件，其在斜线变化期间减少冷冻剂汽化；(b)开关组件，其减少用于切换的时间；(c)压力阀，其被构造成在低温温度下并且在存在磁场的情况下操作；(d)压力致动的压力阀；(d)混合磁体组件，其具有减少的冷冻剂消耗；(e)混合磁体组件，其可被构造为开放系统或密封系统并且可在者两种类型的系统之间重构；(f)混合磁体组件，其在淬火或部分淬火期间消除排气管；(g)混合磁体组件，其消除了对现场冷却的需要；(e)混合磁体组件，其具有增加的转化时间；(f)混合磁体组件，其消除了在被构造为低冷冻剂磁体组件时对外部电源或备用设备的需要。

上文详细描述了开关组件和超导磁体组件以及组装和操作方法的示例性实施方案。这些组件和方法不限于本文所述的特定实施方案，而是组件的部件和/或方法的操作可与本文所述的其他部件和/或操作独立地和分开地使用。此外，所描述的部件和/或操作也可在其他组件、方法和/或设备中限定，或与其他组件、方法和/或设备结合使用，并且不限于仅用本文所述的组件来实践。

尽管本发明的各种实施方案的特定特征可在一些附图中而不是在其他附图中示出，但这仅是为了方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其他示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种超导磁体组件，所述超导磁体组件包括：

磁体，所述磁体被构造成产生极化磁场；

热虹吸管，所述热虹吸管与所述磁体热接触，所述热虹吸管被构造成携带冷冻剂穿过其中并且经由所述冷冻剂冷却所述磁体；

主箱；和

计量箱，所述计量箱容纳所述冷冻剂并且与所述主箱耦接，所述主箱具有大于所述计量箱的内部体积的内部体积，

其中所述热虹吸管在所述热虹吸管的第一端部与所述主箱耦接，并且在所述热虹吸管的第二端部与所述计量箱耦接，所述第二端部与所述第一端部相对，并且所述热虹吸管和所述计量箱限定所述冷冻剂流动的路径。

2.根据权利要求1所述的超导磁体组件，还包括：

第一压力阀和第二压力阀，所述第一压力阀定位在所述热虹吸管上邻近所述第一端部，所述第二压力阀定位在所述热虹吸管上邻近所述第二端部；并且/或者

其中所述计量箱包括被构造成测量所述计量箱中的所述冷冻剂的体积的计量器。

3.根据权利要求2所述的超导磁体组件，其中所述第一压力阀被构造成在低温环境中并且在存在所述极化磁场的情况下操作；并且/或者

其中所述第一压力阀被构造成控制所述热虹吸管中的所述冷冻剂的流动。

4.根据权利要求2或3所述的超导磁体组件，其中所述第一压力阀包括：

阀头，所述阀头限定气体室，

和

柱塞，所述柱塞能够经由所述气体室中的压力变化在第一位置和比所述第一位置更远离所述阀头的第二位置之间移动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的超导磁体组件，还包括与所述主箱连通的气体填充管线。

6.根据权利要求5所述的超导磁体组件，还包括与所述主箱耦接的冷头和将所述气体填充管线与所述冷头耦接的热链接。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件，其中所述超导磁体组件不包括排气管线。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件，其中所述超导磁体组件还包括与所述主箱耦接的箱排气管线。

9.根据权利要求8所述的超导磁体组件，其中所述超导磁体组件还包括与所述热虹吸管和所述箱排气管线耦接的管道排气管线。

10.根据前述权利要求中任一项所述的超导磁体组件，其中所述超导磁体组件能够在开放系统和密封系统之间重构。

11.根据前述权利要求中任一项所述的超导磁体组件，其中所述超导磁体组件被构造为开放系统；或者

其中所述超导磁体组件被构造为密封系统。

12.一种组装磁体组件的方法，所述方法包括：

提供磁体组件，所述磁体组件包括：

磁体，所述磁体被构造成产生极化磁场；

热虹吸管，所述热虹吸管被构造成携带冷冻剂；

主箱；和

计量箱，

其中所述主箱具有大于所述计量箱的内部体积的内部体积；

将所述热虹吸管与所述磁体耦接，使得所述热虹吸管与所述磁体热接触；以及

通过以下操作限定所述冷冻剂流动的路径：

将所述主箱与所述计量箱耦接；以及

将所述热虹吸管的第一端部与所述主箱耦接，并且将所述热虹吸管的第二端部与所述计量箱耦接，所述第二端部与所述第一端部相对。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

通过以下操作将所述磁体组件构造为开放系统：

向所述主箱填充所述冷冻剂；以及

将箱排气管线与所述主箱安装在一起；或者

通过不使所述主箱包括所述冷冻剂，将所述磁体组件构造为密封系统。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中提供磁体组件还包括：

将气体填充管线与所述主箱耦接；以及

在所述气体填充管线与所述主箱之间耦接热链接；并且/或者

其中限定路径还包括：

将第一压力阀邻近所述热虹吸管的所述第一端部安装在所述热虹吸管上；以及

将第二压力阀邻近所述热虹吸管的所述第二端部安装在所述热虹吸管上。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一压力阀被构造成在低温环境中并且在存在所述极化磁场的情况下操作，并且被构造成经由所述第一压力阀中的压力变化来控制所述热虹吸管中的所述冷冻剂的流动。