CN1885448A

CN1885448A - 产生脉冲磁场的设备

Info

Publication number: CN1885448A
Application number: CNA2006100925991A
Authority: CN
Inventors: 马塞尔·J·M·克鲁普; 马里吉恩·P·奥门; 彼得·范哈塞尔特
Original assignee: Siemens AG; Siemens Magnet Technology Ltd
Current assignee: Siemens AG; Siemens PLC
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: JP2007005793A; DE102005028414A1; US20070001521A1; CN1885448B; JP4339875B2; US8162037B2; DE102005028414B4

Abstract

本发明涉及一种产生脉冲磁场的设备，包括一个为促成脉冲磁场而工作的磁体，该磁体含有至少一个超导性无制冷剂的绕组(2)、一个有至少一个冷头(3)的制冷单元、以及一些形式上为一个管道系统的耦合装置，该管道系统有一种在其内部按热虹吸效应循环流动的、用于使所述绕组(2)与冷头(3)热耦合的制冷剂，其中，该管道系统包括多个分开的互相并列的管道(7、16、25)，它们汇入一个公共的制冷剂分配装置(6、13、15、22、24)中并在另一端(8、26)封闭，以及它们与盘状或鞍状的所述绕组(2、12、27)的表面热耦合。

Description

产生脉冲磁场的设备

技术领域

本发明涉及一种产生脉冲磁场的设备，包括一个在脉冲运行时可工作的磁体，该磁体含有至少一个超导性的无制冷剂的绕组。

背景技术

除了长期以来已知的金属超导材料，例如NbTi或Nb₃Sn，它们有很低的跃变温度T_c并因而也称低(Low)T_c超导材料或LTS材料，人们还已知跃变温度T_c超过77K的金属氧化物超导材料。上述这些材料也称为高(High)T_c超导材料或HTS材料。

人们试图使用这种HTS材料的导体制造超导绕组。由于它们在尤其具有在特斯拉范围内的场强的磁场内迄今还比较小的电流承载能力，许多这种绕组的导体尽管使用的材料有高跃变温度T_c，但仍然保持在一个低于77K的温度水平，例如在10-50K之间，为的是能在更高的场强例如若干特斯拉时承载大的电流。

为了冷却绕组，在上述温度范围内优选地使用专用的制冷单元，例如形式上为具有闭式氦-压缩气体循环的所谓低温冷却器。这些低温冷却器的优点是，无需使用低温深冷液体便可提供制冷功率。在这里超导线圈绕组只是通过热传导与一个这种低温冷却器的冷头耦合，也就是说本身无制冷剂。

在磁共振设备的磁系统中，优选地使用氦浴冷却。但为此需要液态氦可观的范围为几百升的储备量。若导致磁猝灭，则磁体从超导状态基于温度跃变过渡到普通导电状态，从而导致在低温控制器内不希望的使氦蒸发的压力升高。

此外，对于LTS磁体使用制冷机冷却，以及在制冷单元的冷头与磁体超导绕组之间，采用例如形式上为相应设计的铜管的导热良好的连接装置。但存在的缺点是，取决于冷头与要冷却的对象之间的距离，为热耦合所需要的大的横截面导致显著增大冷却质量。尤其在磁共振设备中使用时这便带来一个疑难问题，因为这些必然增大了空间尺寸的磁系统需要更长的冷却时间。

此外，由WO 03/098645已知一种前言所述类型的设备，其中管道系统设有至少一个管道，一种按照热虹吸效应循环的制冷剂在管道内流动。此管道系统与制冷单元的冷头耦合。液态制冷剂在冷头处供给管道系统或管道。制冷剂基于沿管道系统全长存在的管道落差在管道内向下流动。在这里它从绕组吸收热量并汽化。汽化的制冷剂在管道内逆液态制冷剂的流动方向重新向上流动，并在制冷单元或冷头的冷却面上重新冷凝。也就是说造成在管道内部的一种循环。

由WO 03/098645已知的这种管道系统用于冷却设计为所谓C形磁体的磁共振设备的两个超导开口绕组。这两个分开的线圈垂直相叠以及卷绕为有一个比较大的中央孔的开口圆柱环。所说明的例子采用的两个管道按一种卷绕的方式分别沿卷绕的圆柱形线圈内表面导引，此管道系统首先通向其中一个绕组，以及接着向第二个绕组延伸。冷头处于上部绕组的上方，因此汽化的制冷剂在管道系统内向上朝冷头方向流动，在那里制冷剂重新凝结。

这些线圈用于在磁共振诊查的领域内产生一个在成像期间保持恒定的基本磁场。也就是说它们稳态工作。但在某些使用情况下还要求超导磁场线圈脉冲地工作，亦即按节奏产生或切断磁场。在磁共振技术领域内一个使用的例子是，借助一种通过其组合在内的超导磁系统仅产生在＜0.3T范围内较弱基本磁场的弱磁场磁共振设备也能摄取基于强磁场激励的图像。为此目的，尤其在所述的开口C形磁系统的情况下，可以在两个设备自己的、在诊查时将病人安放在它们之间的磁体之间，在需要时安置另外一个或两个有超导绕组的磁体，它们可以产生一个附加的在＞0.3T范围内的磁场。在这种情况下要求这些线圈脉冲式工作，这意味着按很短的时间顺序产生并重新切断强磁场。也就是说涉及交变电流线圈或脉冲线圈。在强磁场被切断的时间期间，图像的摄录通过使用设备上普通的图像摄取系统进行。

但在采用这种交变电流线圈或脉冲线圈时，与上面说明的使用领域无关，存在的问题是，由于脉冲式工作必然导致在冷却系统的所有通常用铜制造的金属构件内大的涡流。它们引起增加冷却系统负担的电阻性损失。除此之外，此涡流产生一个自己的导致偏离线圈期望的磁场分布的磁场，在磁共振仪的情况下它们降低成像的质量。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种产生脉冲磁场的设备，在此设备中将基于脉冲式工作产生的涡流所引起的那些问题减轻到最小程度。

为达到此目的采用一种产生脉冲磁场的设备，其包括一个促成脉冲式工作的磁体，它含有至少一个超导性的无制冷剂的绕组、一个有至少一个冷头的制冷单元、以及一些形式上为一个管道系统的耦合装置，该管道系统有一种在其内部按热虹吸效应循环流动的用于使所述绕组与冷却头热耦合的制冷剂，其中，该管道系统包括多个分开的互相并列的管道，它们汇入一个公共的制冷剂分配装置以及在另一端封闭，以及它们与盘状或鞍状绕组的表面热耦合。

在按本发明的可借助交变电流或一定脉冲而脉冲式工作的设备中，使用一种包括多个分开的管道的热虹吸管道系统，它们借助一公共的制冷剂分配装置供给制冷剂，但在另一端封闭。也就是说，没有构成闭合的管道回路，因此就没有构成涡流可通过它流动的或在磁场变化时可在其中感应出涡流的闭合的电回路。也就是说，从电的角度看，管道系统是开式的，因此没有采用闭合回路或没有采用成圈的管道系统。这种管道系统或这些管道与用于脉冲线圈可设计为盘状或鞍状的绕组在各自的绕组表面热耦合。也就是说，对于盘状绕组，管道组合在大面积的盘侧热耦合，在鞍状绕组的情况下，例如在大面积的外侧鞍面热耦合。在管道通过一个非常大的面积与各自的绕组耦合后，就能由此达到一种能非常有效地冷却绕组的热耦合。

因此，基于按本发明的管道系统的设计，一方面可以达到使涡流的问题最小化，因为基于管道系统的“开式”设计，在管道系统内只能感应可忽略不计的程度的以及在那里不能流动的涡流，另一方面由于所述的大面积侧向耦合可达到很好的冷却效果，与此同时在脉冲式磁体的情况下可以利用有利的热虹吸效应。

对于盘状绕组，管道设计为弧形，以及平放在一个平面内与所述的公共的制冷剂分配装置一侧或两侧连接。它们优选地在同心的圆形轨道上延伸，从而可以紧密地排列，这意味着，在绕组侧就可提供使用的接触面而言可以铺设很多管道，以便从盘状线圈的所有部分排出热量，不会出现局部过高的温升。不过每单位面积所需管道准确的数量要根据在绕组内损耗的功率密度和热导率选择。除此之外，可以使用许多用于冷却的管道这种可能性，使得有可能省略薄铜板，在已知的系统中这些薄铜板用于热传导并成为一种涡流源。优选地，从制冷剂分配装置的两侧出发，在一个公共的圆形轨道上相同半径地延伸的管道长度相同，这意味着，在制冷剂分配装置两侧延伸彼此对应的两个“管道支路”内的制冷剂流量是相同的，从而不会导致局部不同的冷却效果。

特别恰当的是，管道在两个彼此间隔且平行的平面内延伸，以及绕组设在这两个平面内的管道之间并在两侧与它们热耦合。由此实现一种夹层结构的方式，其中弧形的例如全都悬挂在一个公共的制冷剂分配装置上的管道，在两个分开的平面内延伸。它们彼此隔开几厘米的距离，从而可以在管道之间安置绕组。因此盘状绕组从盘的两侧最佳地冷却。

此外，与之不同或附加地也可以将一个或多个其他管道与公共的制冷剂分配装置连接，它们在另一个平面内沿盘状绕组的外侧和/或设计为环圈的盘状绕组的内侧延伸。因此按此设计冷却不仅通过大面积的盘侧进行，而且还根据设计在外侧，亦即在外部窄的盘侧进行，或对于环圈形设计也在窄的内侧或内圆周进行。

与盘状线圈不同，绕组也可以设计为马鞍状。在如此设计时，管道也设计为弧形以及梳状地连接在公共的制冷剂分配装置的一侧或两侧。基于梳状的结构，在这里同样不存在闭合的电回路。若管道在公共的制冷剂分配装置的两侧延伸，则它们优选地也有相同的长度，以便到处能实现近似相同的制冷剂流量。

为了更进一步使可能的涡流量最小化，管道和必要时公共的制冷剂分配装置用不锈钢制造。不锈钢在工作温度下与铜相比电阻大约大1000倍，其结果是可以使万一被感应的涡流比在铜管内快得多地消退，尤其在高脉冲频率时这是非常重要和有利的。由此也肯定可以避免在铜管中基于极高的电导率沿周向形成的涡流，这种涡流本身又产生干扰磁场。

此外，采用不锈钢的另一个优点是，这种材料的机械稳定性高于铜，这使得在冷却系统内给定的最大过压下，可以使用与铜管相比壁厚较小的管。

这些管道和必要时公共的制冷剂分配装置埋入或注入一个用电绝缘材料制的，优选地用塑料尤其玻璃纤维增强的塑料制的支架内。借助此支架管道固定在其位置上。这些管道本身可以设计为圆形或矩形例如方的横截面。

在使用横截面圆形的管道的情况下特别有利的是，管道面朝绕组的那一侧整平。也就是说管道在一侧机械加工，例如铣削，从而提供一个较大的管道通过它贴靠在绕组上的接触面。管道所述的机械加工可以在埋入支架内后进行，在铣削过程中支架也适当切除。

附图说明

由下面说明的实施例和借助附图提供本发明的其他优点、特征和详情。其中：

图1表示按本发明的设备侧视图，其中表示具有盘状线圈的管道布置；

图2表示通过按图1的设备的垂直剖视图；

图3表示在管道与线圈绕组之间连接区的剖面放大详图；

图4表示设备一种实施形式的垂直剖视图，设备有在两个平面内延伸的管道和设在它们之间的盘状线圈；以及

图5表示使用鞍状线圈的按本发明的设备原理图。

具体实施方式

如其他所有的视图一样，图1仅表示对本发明重要的细节。所表示的设备1包括一个用超导材料制的构成磁体的绕组2。绕组2设计为盘状绕组或盘状线圈，它例如由宽4mm和厚0.25mm的带构成，此带卷绕成盘，以及它用超导材料，优选地高T_c超导材料制成，例如(Bi，Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x。当然，绕组2可以通过没有进一步表示的接触装置如常见的那样与相应的脉冲或交变电流供给装置等连接，用于产生一个脉冲磁场。

为了冷却线圈或绕组2，采用一个没有详细表示的制冷单元，它包括至少一个处于其冷端的冷头3。此冷头有一个保持在预定温度水平的冷却面4或与之热连接。冷凝腔5的内腔与此冷却面4热耦合，例如冷却面4构成此冷凝腔的壁。形式上为一根管的制冷剂分配装置6与此冷凝腔5连接。在此下端封闭的管上连接管道7，管道7在此管的两侧或弧形或半圆形延伸以及全部相邻并处于一个公共平面内。管道7在其下端8封闭。整个管道系统按热虹吸效应工作。在冷凝腔5或冷却面4内重新凝结的制冷剂，例如氦或氖之类，在制冷剂分配装置6内向下流动，并通过它流入沿它们的整个长度有落差的管道7内。如图2所示，管道7与绕组2热接触。在向下端8流动期间，制冷剂吸收热量并汽化。汽化的制冷剂在各自的管道7内经制冷剂分配装置6回流到冷凝腔，它在那里重新凝结。因此实现一个闭合的循环回路。

如图2所示，管道7埋入或注入优选地用玻璃纤维增强的塑料制的支架9内。在按图1的视图中为了看得更清楚起见没有表示支架9。在这里，管道7以及制冷剂输入管6优选地处于直接与绕组2接触，也就是说如此埋入支架9内，使它们直接贴靠在绕组2上。此外可以按图3将管道7在其自由表面整平，从而造成一个平的表面10，因此实现一个与绕组2更大的接触面。

管道7和制冷剂分配装置6优选地用不锈钢制成，这有助于使可能产生的涡流最小化。因为在自由端8的下部区内显然没有闭合(亦即管道不构成闭合的回路)的管道系统这种“开式”的设计，所以不会由于绕组2脉冲式工作感应或只能以最低的程度感应涡流。采用不锈钢作为材料，有助于在万一感应了涡流时与铜相比能迅速得多地消退，这尤其在高的脉冲频率时是有利的。这归诸于不锈钢有比铜大得多的电阻。

在这里还应指出，取代图1-3中表示的横截面为圆形的管道或制冷剂分配装置，也可以使用横截面为矩形的构件，只要能构成所需要的有关弧形结构的几何形状。

图4表示另一种按本发明的设备11的实施形式，同样包括一个盘状绕组12。在这里为了冷却也设一个制冷单元，其中冷头和冷凝腔没有详细表示。图中也表示了一个制冷剂分配装置13，它由一个上部管道部分14组成，管道部分14可以与冷头或冷凝腔连接。它分叉成两个管段15，制冷剂分配装置6的每个管段15因而对应于图1中的管。在每个管段15上两侧连接多个，在图示的例子中各三个管道16，如由图1已知的那样。在按图4的剖视图中，这些管道没有具体表示成环形，不过几何形状或管道结构与图1中表示的这些相对应，其差别仅在于，在绕组12的两侧均设相应的管道，在这里它们当然也不闭合成圆形，而是有自由的封闭端。按设备11的这种设计，因而盘状绕组12有可能从两侧大面积地通过绕组12的侧面进行冷却。

图4中还表示按选择从一个管段15出发有一个或两个管道17延伸到环形绕组12的内部，所以这两个管道17(在图4中仅用虚线表示了其中之一)沿绕组12的内圆周18延伸以及在那里冷却。也就是说，不仅通过侧面冷却，而且还通过窄的内表面或内圆周实现冷却。当然，同样也可以设想，与之不同或附加地有一个这种管道沿绕组12的外圆周延伸，因此埋入全部管道的支架19也相应地围绕整个外圆周。绕组12本身在两侧按夹层结构设在两个管道平面之间，以及与管道16(或按选择17)直接热接触，这些管道在这里也可以在自由的接触面相应地整平。

图5表示另一种按本发明的设备20原理简图。构成磁体的绕组21在这里设计为鞍状。若这里也采用一个管道系统，则它可以通过制冷剂分配装置22与一个在这里也没有进一步表示的制冷机或其冷头等连接。为此，制冷剂分配装置有唯一的一个第一管段23，它可与制冷剂冷凝器或类似装置连接，以及过渡为一个基本上沿鞍状线圈21纵向延伸的第二管段24。在此管段24上向两侧梳状地延伸多个管道25，如已经针对上述实施例的管道所说明的那样，它们将它们的下端26自由终止并在那里封闭，从而在这里也造成热虹吸效应，它可以使制冷剂循环。当然管道25在这里也埋入一个适用的支架内(为了看得清楚起见没有进一步表示支架)，以及与鞍形线圈21的表面27直接接触为的是冷却它们。若使用横截面圆形的管道25，则在这里也可以将它们在其接触面相应地加工成优选地铣削成平面，从而造成大的接触面。

尽管在这些实施例中管道彼此的相对距离设计得比较远，但当然可以实现任意大的构件排列密度，直至各管道互相几乎直接贴靠。这最终取决于考虑到给定的损失功率密度和线圈的热导率，应采用什么样的每面积单位所需管道的准确数量，也就是取决于线圈本身的设计或工作。

尤其在盘状绕组的情况下存在这样的可能性，首先制造出支架以及埋入其中的管道，以及接着将盘状绕组直接卷绕在支架上。与之不同，还存在这样的可能性，即，所述绕组和所述包括管道在内的支架分开制造并互相粘结在一起。

Claims

1.一种产生脉冲磁场的设备，其包括一个在脉冲运行状态下工作的、含有至少一个超导性无制冷剂的绕组(2)的磁体、一个有至少一个冷头(3)的制冷单元、以及一些形式上为一个管道系统的耦合装置，该管道系统有一种在其内部按热虹吸效应循环流动的、用于使所述绕组(2)与冷头(3)热耦合的制冷剂，其中，该管道系统包括多个分开的互相并列的管道(7、16、25)，它们汇入一个公共的制冷剂分配装置(6、13、15、22、24)并在另一端(8、26)封闭，以及它们与所述盘状或鞍状绕组(2、12、27)的表面热耦合。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征为，对于一个盘状绕组(2、12)所述多个管道(7、16)设计为弧形，以及平放在一个平面内与所述公共的制冷剂分配装置(6、13、15)的一侧或两侧连接。

3.按照权利要求2所述的设备，其特征为，所述多个弧形的管道(7、16)处于一些同心的圆形轨道上。

4.按照权利要求3所述的设备，其特征为，在一个公共的圆形轨道上相同半径地延伸的所述管道(7、16)长度相同，它们从所述制冷剂分配装置(6、13、15)的两侧出发延伸。

5.按照权利要求2至4之一所述的设备，其特征为，所述管道(16)在两个彼此间隔且平行的平面内延伸，以及所述绕组(12)设在这两个平面内的所述管道之间并在两侧与它们热耦合。

6.按照权利要求2至5之一所述的设备，其特征为，一个或多个其他管道(17)与所述公共的制冷剂分配装置(13、15)连接，并在另一个平面内沿所述盘状绕组的外侧和/或所述设计为环圈形的盘状绕组(12)的内侧(18)延伸。

7.按照权利要求1所述的设备，其特征为，对于一个鞍状绕组(27)所述管道(25)设计为弧形，以及梳状地连接在所述公共的制冷剂分配装置(22、24)的一侧或两侧。

8.按照权利要求7所述的设备，其特征为，在所述公共的制冷剂分配装置(22、24)两侧延伸的管道(25)长度相同。

9.按照上述任一项权利要求所述的设备，其特征为，所述管道(7、16、25)和必要时所述公共的制冷剂分配装置(6、13、22)用不锈钢制造。

10.按照上述任一项权利要求所述的设备，其特征为，所述管道(7、16、17、25)和必要时所述公共的制冷剂分配装置(6、13、22)埋入一个用电绝缘材料制的支架(9、19)内。

11.按照权利要求10所述的设备，其特征为，所述支架(9、19)用塑料、尤其是玻璃纤维增强的塑料制造。

12.按照上述任一项权利要求所述的设备，其特征为，所述管道(7、16、17、25)的横截面是圆形或矩形的。

13.按照上述任一项权利要求所述的设备，其特征为，所述横截面为圆形的管道(7、16、17、25)面朝所述绕组(2、12、27)那一侧被整平。