超导磁体组件及超导磁体组件的维护方法与流程

本发明涉及磁共振成像技术，具体涉及一种用于磁共振成像的超导磁体组件及其维护方法。

背景技术：

磁共振成像系统已广泛应用于医疗诊断领域，其基本原理是利用磁体产生均匀的强磁场，在由梯度线圈产生特定的梯度场的配合下，将诊断对象体内的氢原子极化，然后由射频线圈发射无线电射频脉冲激发氢原子核，引起核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器收录，经电子计算机处理后获得图像。

在超导磁共振成像系统中，超导磁体作为核心部件，其利用超导材料制成的超导线圈产生高场强、高稳定磁场。超导线圈位于装满冷却剂的冷却剂容器中，被冷却的超导线圈会达到超导温度，并保持超导状态。向超导线圈中通入大电流，产生高场强高稳定磁场，且由于超导态的线圈为零电阻，电流不会有损耗。一般使用液氦作为冷却剂，氦的沸点约为4.2K。

氦是一种较稀缺且昂贵的资源，为了尽量避免氦的蒸发，需要对超导磁体的冷头等相关的制冷组件进行改进，实现超导磁体系统中的液氦“零”蒸发，延长磁体系统的维护间隔；此外，在更换冷头时，也需要尽量减少液氦的损失，以节约成像系统的维护成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可降低使用成本的超导磁体组件。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：一种超导磁体组件，包括外容器、屏蔽层、内容器、超导线圈，超导线圈内置于内容器中，内容器容纳在外容器内，屏蔽层布置于外容器和内容器之间；所述超导磁体组件还包括冷头腔以及安装在冷头腔中的冷头，所述冷头腔与内容器连通，所述冷头包括第一级、第二级，所述第二级位于第一级的下方，所述第一级通过导热元件与屏蔽层连接。

可选的，所述外容器上设有安装部，安装部从外容器向上延伸，安装部的内腔与外容器相连，所述冷头腔收容于安装部的内腔中。

可选的，所述冷头腔通过管道与所述内容器连通。

可选的，所述安装部具有沿上下方向延伸的第一轴线，所述冷头腔具有沿上下方向延伸的第二轴线，所述第一轴线与第二轴线不重合。

可选的，所述第二轴线位于第一轴线的外侧。

可选的，所述冷头腔的底部设有回液口，且所述回液口与通道相贯通，所述冷头腔的上壁或安装部的上壁设有端口，所述端口与回液口相对布置。

可选的，还包括可从端口延伸至回液口中的导杆。

可选的，所述导杆包括主杆和堵头，主杆设有沿轴向延伸的第一通孔，主杆的末端设有沿径向延伸的第二通孔；堵头为弹性材料制成，组装于主杆的末端。

本发明的超导磁体组件对比现有技术有如下的有益效果：本发明实施例中的超导磁体组件的包括外容器、屏蔽层、内容器为多层结构，并通过冷头对内容器中的低温介质及屏蔽层进行冷却，可有效的避免或减少低温介质的蒸发；

本发明所要解决的技术问题是提供一种可降低使用成本的超导磁体组件的维护方法。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：一种超导磁体组件的维护方法，所述超导磁体组件包括外容器、屏蔽层、内容器、超导线圈，超导线圈内置于内容器中，内容器容纳在外容器内，屏蔽层布置于外容器和内容器之间；所述超导磁体组件还包括冷头腔、容纳在冷头腔内的冷头以及导杆，所述冷头腔与内容器连通，所述导杆具有沿纵长方向延伸的第一通孔及侧向延伸的第二通孔，且第一通孔与第二通孔相贯通；所述超导磁体组件的维护方法包括以下步骤：

步骤一，将冷头停机；

步骤二，向导杆中的第一通孔中充入正压气体，所述气体为用于冷却超导线圈的低温介质的气化形态；

步骤三，通过导杆将冷头腔与内容器连通处封堵，且所述正压气体从导杆的第二通孔中持续喷出，使冷头腔内部与外界大气环境相隔离；

步骤四，将冷头从冷头腔中取出，并更换新冷头；

步骤五，移动导杆，使冷头腔与内容器连通处保持连通状态。

可选的，还包括将导杆插入到冷头腔中，并将导杆固定于冷头腔。

本发明的超导磁体组件的维护方法对比现有技术有如下的有益效果：本发明实施例对冷头腔的结构进行了优化，通过导杆封堵冷头腔与内容器的之间的连通管道，可在更换冷头时有效的阻止内容器中的低温介质蒸发，另外，通过向导杆内充入氦气，可使冷头腔与外界大气隔绝，避免外界大气进入冷头腔内，发生结冰现象。

【附图说明】

为了更清楚地说明本方案实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一的超导磁体组件的立体结构示意图；

图2为本发明实施例一的超导磁体组件的沿轴向的剖面结构示意图；

图3为图2的超导磁体组件中的冷头移除后的示意图；

图4为本发明实施例二的超导磁体组件的部分剖面结构示意图；

图5为本发明实施例二的超导磁体组件中的导杆安装到冷头腔的示意图；

图6为本发明实施例二的超导磁体组件中的冷头被更换时通过导杆向冷头腔充气的示意图；

图7为本发明实施例二的导杆的立体结构示意图；

图8为导杆的分解示意图；

图9为以纵长面将导杆对称剖切后的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本方案一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本方案保护的范围。

在本方案实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本方案。在本方案实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

请参阅图1-3，本发明实施例一的超导磁体组件100包括外容器1、屏蔽层2、内容器3、超导线圈5。内容器3中有一定数量的低温介质(例如液氦)，超导线圈5内置于内容器3中，内容器3容纳在外容器1内，通过使外容器1和内容器3间的空间形成真空的方式，来减小由外界环境流入内容器3内的热量。在外容器1和内容器3之间还布置有一个屏蔽层2，用于降低外容器1对内容器3的辐射热量。内容器3中装有液氦4，可使超导线圈5保持超导状态。然而由于结构支撑、辐射、残余气体换热等因素，内容器3仍然会承受一定的热量，所以液氦会以蒸发的形式带出导入的热量，以维持约4.2K的低温。为阻止液氦的蒸发，超导磁体组件上一般会配置制冷装置。

制冷装置包括容纳在冷头腔8内的冷头9，其一般包括两级，冷头9的第一级91通过导热元件(例如铜带)90与屏蔽层2相连；冷头9的第二级92产生极低温度，可以冷凝气化的液氦。内容器3内的液氦4蒸发后产生的氦气6进入冷头腔8，被冷头9冷凝为氦液滴7，重新回流至内容器3。第一级91能达到50K的温度，甚至更低的温度；第二级92能达到约4.2K的温度。通过这种方式，超导磁体达到“零蒸发”的状态。可选的，所述冷头可以为GM制冷机的冷头，也可以为斯特林制冷机的冷头。本实施例中，制冷机(制冷装置)的其他部分未示出。

冷头腔8包括连通的上部腔体和下部腔体，上部腔体的周向尺寸大于下部腔体的周向尺寸。冷头9的第一级安装于上部腔体中，冷头9的第二级安装于下部腔体中。

冷头9的第一级通过铜带90与冷却辐射层相连，冷却屏蔽层2；冷头9的第二级产生极低温度，可以冷凝气化的液氦；冷头腔8通过管道80与内容器3连接，内容器3内的液氦4蒸发后产生的氦气6通过管道80进入冷头腔8，被冷头9的第二级冷凝为氦液滴7，通过管道80重新回流至内容器3。通过这种方式，超导磁体达到“零蒸发”的状态，可使超导磁体保持良好的“超导”状态。

外容器1上设有安装部1a，安装部1a的内腔与外容器1相连。安装部1a从外容器的外壁向上延伸。冷头腔8收容于安装部1a的内腔中，且冷头腔8的轴线与安装部1a的轴线不重合。铜带90在安装部1a的内腔中并连接到辐射屏蔽层2上，管道80贯穿辐射屏蔽层2；可选的，所述铜带向下倾斜延伸。

请参阅图4-9并结合图1-3，本发明实施例二的超导磁体组件的部分结构示意图，图中仅示出了外容器1、辐射屏蔽层2、内容器3的部分结构(对应的完整结构示意图请参图1-2)，以及冷头腔8’、冷头9、铜带90等，冷头腔8’的上口径120-200mm。

本发明实施例二的超导磁体组件对冷头腔8’的结构进行了优化，以适应在更换冷头时减少液氦蒸发的需求，详细说明如下。

图4中是一种改进的冷头腔8’的结构，在冷头腔8’的底部，设置(焊接)一个回液口13，材料为不锈钢，可选的，回液口13为通孔管的上部分，通孔管向上凸出于冷头腔8’底壁的长度为5-20mm，可选的，位于冷头腔8’底壁上方的通孔管的长度为5-15mm，通孔管的开口为喇叭状。可选的，冷头腔8’的下壁的下面进一步设有连接管道14，连接管道14向下凸出于冷头腔的下壁的长度约50-100mm，可选的，连接管道14凸出于冷头腔8’的下壁的长度为70mm。连接管道14的材料为不锈钢，两端分别与回液口13及内容器3焊接，连接管道14被置于真空层中。

冷头腔8’(或安装部)的上壁有端口12，端口12沿上下方向延伸，端口12的外周(或内周)设有螺纹，端口12的材料可以为不锈钢、铜等，端口12焊接在冷头腔8’的上壁，冷头腔8’通过端口12与外界大气连通。端口12的直径5-20mm，可选的端口12的直径为10mm。平时运行时，内容器3内蒸发的氦气通过连接管道14进入冷头腔8’，被冷头冷凝成液氦，液面没过回液口13后，重新流回内容器3。可通过一个盖体10将端口12密封，盖体10上设有螺纹结构，进一步的，盖体10内部设有密封圈11，以增加盖体10与端口12之间的密闭效果，使冷头腔8’与外界大气隔离，氦气不会挥发到外界大气中。

图7-9为与冷头腔8’相配合的导杆15的结构示意图，可选的，导杆15包括三个部件：主杆16，密封圈17，堵头18。主杆16用高强度材料制成，如不锈钢、玻璃纤维-环氧复合材料，其上部有突缘161，用于承受压力。主杆16中间有沿纵长方向(轴向)延伸的第一通孔162，主杆16的底部设有数个侧向(径向)延伸的第二通孔163，第二通孔163与第一通孔162连通；可选的，第二通孔的数量可以为一个、两个、三个或四个，可选的，第二通孔163与第一通孔162正交设置，可选的，第二通孔对称布置，可以较均匀的向四周出气。进一步的，第一通孔162的顶部为螺纹结构(螺纹孔)，可以连接导管(软管)20，导管20的另一端进而连接至氦气瓶(未图示)。第一通孔162的底部为内螺纹结构(螺纹孔)。密封圈17为橡胶材料，如丁晴橡胶或氟橡胶，其套在主杆16上部的密封圈槽中，密封槽邻近突缘161的下侧设置。堵头18为低温下收缩较小的弹性材料，如PTFE(特氟龙)，堵头18的上端为外螺纹，可与第一通孔162的底部的内螺纹结构配合，堵头18的下端带有斜面(锥形面)。堵头通过螺纹紧固方式与主杆16连接。可选的，所述导杆和堵头也可以为一件式结构，用绝缘材料制成，其中，主杆的材料需要具有较高的强度，且较低的导热率。

图5为导杆15与冷头腔8’配合的结构。导杆15竖直穿过端口12插入到冷头腔8’中，使堵头18插入回液口13，并使这两者的斜面紧紧贴合。锁紧螺纹套19穿过导杆15上部，拧到端口12上，拧紧，压住导杆15上的突缘161，从而使导杆15前端的堵头紧压回液口13。这样，内容器3内的高压氦气不能通过回液口13进入冷头腔8’内，从而使冷头腔8’与内容器3相隔绝。同时，导杆15上的密封圈17被压紧在导杆15与端口12之间，冷头腔8’内气体与环境大气相隔离。导杆15的第一通孔连接导管20，导管20另一头连接氦气瓶，维持管内为正压。

请参阅图6，本发明实施例的超导磁体组件的冷头的更换方法。

当冷头出现故障或需要维护时，先将冷头停机，然后将导杆15顶端的纵长方向通孔与导管20连接，导管20与氦气瓶连接，并通入正压(压强大于1个大气压，例如1.1个大气压)氦气201，氦气进入第一通孔162后，然后从导杆15末端的第二通孔163喷出。将图3中的盖体10打开，此时会有氦气从端口12喷出，将导杆15从端口12中快速插入冷头腔8’，堵住回液口13，通过导杆将冷头腔与内容器连通处(连接管道14)封堵，然后上紧锁紧螺纹套19。然后取出需更换的冷头，如图6所示，此时外界大气与冷头腔8’内相连通，但由于密封杆内有大量氦气201在向外喷出，使冷头腔8’内有一个氦气形成的正压(大于一个大气压)，有效避免了外界空气进入冷头腔8’内并凝结于其低温壁面。然后再将替换冷头(例如新冷头)装入冷头腔8’内。装完冷头后，拧松锁紧螺纹套19，向上移动导杆15，使冷头腔与内容器连通处保持连通状态。最后拔出导杆15，拧上盖体10，冷头更换结束。

需要说明的是，实施例中通过向导杆的第一通孔中充入的是氦气(即液氦的气化形式)；但是，如果内容器中的低温介质不是液氦，例如液氮，则需要向导杆中的第一通孔中充入正压氮气，即充入导杆第一通孔中的气体为用于冷却超导线圈的低温介质的气化形态。

在整个冷头更换过程中，内容器3内的氦气不会进入大气环境中，若在过程中磁体发生失超现象，内容器3中产生的高压氦气也不会喷射至操作人员。当然，在拧开密封螺纹盖10，至插入导杆15的过程中，会有一瞬间使内容器3与外界大气连通，但是因为时间短，且端口12的排气口径小，并不会有大量氦气喷出，对操作人员的威胁较小。通过这个方法，可以实现在更换冷头过程中，内容器3与冷头腔8’气体隔绝，所以也就不担心内容器3内的高压氦气会喷射出伤及人员，使在磁体在场情况下更换冷头得以实现。

通过此种系统及更换冷头的方法，可以取消更换冷头前后的磁体升、降场过程，也不需要将液氦容器中的高压氦气泄放，也不会因为由于液面的下降而需要补加液氦。可以节省大量时间及宝贵的液氦、氦气。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。