专利名称：磁性材料、无源垫片和磁共振成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性材料。具体来说，本发明涉及在磁共振成像系统的垫片中使用的磁性材料。
背景技术：
磁共振成像(MRI)系统一般包括在成像体内产生一次磁场的超导磁体。一次磁场中的不均匀性是磁体的制造容差以及设备和现场条件的结果。磁场的不均匀性使成像体中的位置信息失真并且使图像的质量降低。为了得到高质量的成像，成像体必须具有低的磁场不均匀性。加垫片是一种已知的用于减小一次磁场不均匀性的技术。可以将一次磁场描述为具有叠加在恒定场上的小不均匀场分量的大恒定场。如果能够生成场的不均匀分量的相反值，则将使净场均匀并且称磁体被加入垫片。
已知使用有源或无源垫片来减小磁场的不均匀性。加有源垫片是利用生成设计为抵消不均匀的场分量的磁场的抵抗性垫片线圈实现的。加无源垫片是利用由铁磁材料如碳钢构成的垫片实现的。从垫片的感应磁偶极子产生的磁场被用于抵消不均匀的场分量。由已知的加垫片技术确定垫片的数量、质量和位置。垫片包含在位于靠近产生用于MRI的x、y和z梯度磁场的梯度线圈结构的垫片装置中。垫片装置与梯度线圈结构的外部热接触。给梯度线圈提供脉冲导致由于焦耳损耗引起的发热。所产生的热量的一部分传递到垫片装置，使垫片的温度升高。较高的温度减小了垫片材料的磁化强度并且削弱了垫片产生的磁场。这导致了磁场的不均匀性增大。
在图1和下面的表格1中说明了铁磁垫片元件产生的磁场随温度升高而减小的概念。铁磁材料具有自发磁矩和按照每单位体积的磁矩定义的磁化强度。铁磁材料的磁矩按照相同的方向排列。在称为居里温度(Tc)的温度之上，自发磁矩和磁化强度消失。图1示出了镍的相对磁化强度随温度变化的函数。相对磁化强度是温度T时的磁化强度与大约0K时的磁化强度的比值。水平轴表示温度T与居里温度Tc的比值。当温度增加时，磁化强度减小，直到居里温度时消失。镍以外的其它铁磁材料的例子包括铁、钴、铁合金、钴合金、镍合金以及金属间化合物如MnAs和MnBi等。表格1中列出了在常温或接近常温时以及在0K时的磁化强度。从表格1可见，在常温或接近常温时的磁化强度值低于0K时的磁化强度值。
表格1
发明内容在本发明的一个实施例中，适合于改变磁体的磁场的垫片包括表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的第一材料。
在本发明的另一个实施例中，用于改变磁体的磁场的方法包括将垫片布置在所述磁场中，其中，垫片包括表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的第一材料。
在本发明的另一个实施例中，磁共振成像系统包括一次磁体和垫片装置。垫片装置能够改变由一次磁体产生的磁场。垫片装置包括铁磁材料和表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的亚铁磁材料。
在本发明的另一个实施例中，磁体包括铁磁材料和表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的亚铁磁材料。
图1与理论曲线一起示出了镍的作为温度的函数的磁化强度。
图2A、2B、2C和2D示出了本发明的不同实施例的各种亚铁磁材料的作为温度的函数的磁化强度。
图3A和3B示出了按照本发明的一个实施例的，各种R2Co17材料的作为温度的函数的磁化强度。
图4示出了按照本发明的一个实施例的，ErFe3、HoFe3和GdFe3的作为温度的函数的磁化强度。
图5示出了按照本发明的一个实施例的，ErFe2和TmFe2的作为温度的函数的磁化强度。
图6示出了按照本发明的一个实施例的，Gd0.33Th0.67Fe3的作为温度的函数的磁化强度。
图7示出了按照本发明的一个实施例的，尖晶石化合物Li0.5Cr1.25Fe1.25O4的作为温度的函数的磁化强度(曲线I)和剩磁(曲线II)。
图8A和8B示出了按照本发明的一个实施例的，稀土铁榴石材料的作为温度的函数的磁化强度。
图9示出了按照本发明的一个实施例的，Gd3-xBixFe5O12的作为温度的函数的磁化强度。
图10为按照本发明的一个方面的MRI系统的实施例的透视图。
图11为按照本发明的一个方面的MRI系统的实施例的，示意性地示出了RF线圈装置、梯度线圈装置、垫片装置和超导磁体装置的前截面图。
图12为按照本发明的另一个方面的垫片装置的透视图。
具体实施例方式
本发明已经实现了垫片可以包括表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加(即，dMs/dT＞0)的材料。这种材料可以用于消除或减少垫片的磁化强度随温度升高而减小并且导致磁体的磁场不均匀的情况。
当某些铁磁材料表现为磁化强度随温度负变化时，存在另一些表现为在一定条件下自发磁化强度随温度正变化的材料。在本发明的一个实施例中，垫片包括能够表现为在预定温度范围中自发磁化强度随温度正变化的磁性材料，其中，磁性材料能够改变磁场。
最好，垫片包括表现为在一定温度范围中自发磁化强度随温度正变化的一种或多种亚铁磁材料。最好，这些材料包括表现为在一定温度范围中自发磁化强度随温度正变化的金属合金或金属间化合物材料。或者，垫片包括表现为在一定温度范围中自发磁化强度随温度正变化的陶瓷材料。
在本发明的一个方面，垫片仅包括表现为在一定温度范围中自发磁化强度随温度正变化的材料。对该垫片这样进行设计，使得在需要的磁体和垫片运行温度范围中，磁体的磁化强度随温度的负变化被垫片材料的磁化强度随温度的正变化抵消。
在本发明的另一个方面，垫片包括铁磁材料和表现为自发磁化强度随温度正变化的材料如亚铁磁金属间化合物材料或陶瓷材料的组合。对该垫片这样进行设计，使得在需要的运行温度范围中，铁磁材料的磁化强度随温度的负变化被亚铁磁材料的磁化强度随温度的正变化抵消。通过调节铁磁材料和dMs/dT＞0的亚铁磁材料的类型和比例，将垫片和/或磁体的磁化强度随温度的变化调整到需要程度。较好的情况是，垫片包括50到95体积百分比，最好是80到90体积百分比的铁磁材料以及5到50体积百分比，最好是10到20体积百分比的表现为dMs/dT＞0的亚铁磁材料。
图2a、2b、2c和2d示出了已经对几种表现为dMs/dT＞0的垫片材料考察过的自发磁化强度与温度之间的不同类型的关系。在图2a中，该材料表现为在某个温度磁化强度增加到最大值，然后随着温度上升到TN，磁化强度减小到零。图2b示出了在材料中自发磁化强度随温度的变化，其中，在0K时磁化强度接近于零。图2c示出了在材料中自发磁化强度随温度的变化，该材料表现出在温度Tc的补偿点，在该点磁化强度变为零。低于该温度，该材料表现出磁化强度随温度负变化。高于该温度，该材料表现出在给定的温度范围中磁化强度随温度正变化。图2d示出了由两个亚晶格磁化强度A和B相消引起的在Tc的补偿点的来历。任何一种或多种在给定温度范围中表现出dMs/dT＞0的合适的材料都可以用在垫片中。较好的情况是，垫片包含其自发磁化强度随温度升高至少增加25％的材料，至少增加50％更好，至少增加100％最好。
在第一实施例中，具有3d过渡元素(M)如铁、镍和钴等的稀土元素(R)的，显示出磁化强度随温度正变化的金属间亚铁磁材料被用在垫片中。金属间化合物表现出与至今的相关晶体结构有许多不同。金属间化合物的例子包括具有分子式RM2、RM3、R2M7、R6M23、RM5+x和R2M17的化合物。这些化合物的磁性能取决于原子间的交换耦合，即R-R耦合、M-M耦合和R-M耦合，的相对强度和符号。对于重稀土元素如钆及其以后的元素，R-M耦合是反铁磁性的，这通常导致磁化强度随温度升高呈正变化。
在第一实施例在一个优选方面，垫片包括R2M17金属间亚铁磁材料，其中，R包括重量百分比至少为90，最好约为100的至少一种稀土元素，而M包括重量百分比为90到100的Co。稀土元素最好包括Sm、Tm、Er、Ho、Dy、Tb或Gd。少量的其它过渡金属元素以及不可避免的杂质如Ni或Fe可以代替Co。最好，该材料包括Dy2Co17，其磁化强度随温度升高大约增加175％(即，2.75倍)。
图3a和3b示出了十一种不同的R2Co17金属间材料的磁化特性。磁化强度是以每公式单位的波尔磁子为单位表示的，公式单位包括19个原子。若干种材料在温度增加到约700K之前显示出自发磁化强度为正变化率。如图3a所示，当R包括Ho、Dy、Tb或Gd时，R2Co17金属间合金在约50K到约600K的温度范围中表现出正的磁化强度变化率。如图3a所示，当R包括Tm或Er时，R2Co17金属间合金在约50K到约250K的温度范围中表现出正的磁化强度变化率。如图3b所示，当R包括Sm时，R2Co17金属间合金在约200K到约700K的温度范围中表现出正的磁化强度变化率。但是，当R包括Y、Pr、Nd或Ce时，R2Co17金属间合金在约200K到约700K的温度范围中表现不出正的磁化强度变化率。当然，R2Co17金属间合金可以包含一种以上的稀土元素，以便将其自发磁化强度随温度的变化率调整到需要值。
在第一实施例的另一个方面，垫片包括RM3或RM2金属间亚铁磁材料，其中，R包括重量百分比至少为90，最好约为100的至少一种稀土元素，而M包括从Fe和Co中选择的重量百分比为90到100的过渡金属。R最好包括用于RM3金属间化合物的Er、Ho或Gd和用于RM2金属间化合物的Er或Tm，而M最好包括Fe。
图4和5示出了ErFe3、HoFe3、GdFe3、ErFe2和TmFe2的磁化强度随温度的变化，这些材料是合适的金属间化合物的例子。如图4所示，ErFe3、HoFe3和GdFe3分别在约250K到约400K、约400K到约500K和约630K到约700K的温度范围中表现出dMs/dT＞0。TmFe2在约248K到约500K的温度范围中表现出dMs/dT＞0，而ErFe2在更高的温度表现出轻度的dMs/dT＞0。利用原子序数较低的稀土元素可以提高dMs/dT＞0的温度范围。例如，使用原子序数比Er低的Ho使补偿温度提高。如果在(Ho，Er)Fe3化合物中使用了Ho和Er，则补偿温度和dMs/dT＞0的温度范围应该位于ErFe3和HoFe3的补偿温度和dMs/dT＞0的温度范围之间。相似地，在合金中搀入原子序数比Tm低的Er使TmFe2的补偿温度提高。相似地，通过在金属间化合物搀入具有较高原子序数的镧族稀土系列元素，可以降低补偿温度和dMs/dT＞0的范围。例如，搀入原子序数比Gd高的Ho使GdFe3的补偿温度降低。
表格2列出了若干种金属间化合物以及它们的补偿温度。选择特定的金属间化合物以抵消磁化强度的负变化包括考虑补偿温度(即，在该温度之上dMs/dT＞0的最低温度，对于某些Ms＝0的化合物，该最低温度可能是补偿温度Tc)。
表格2化合物补偿温度(K)DyCo3400HoCo3328ErCo3224TmCo3115Gd2Co7428Tb2Co7410Dy2Co7380Ho2Co7230Er2Co7140TbCo5.1～110DyCo5.293-170HoCo5.571ErFe2485TmFe2251YbFe231
GdFe3618TbFe3～610DyFe3547HoFe3394ErFe3～236Tb6Fe23280Dy6Fe23272Ho6Fe23205Er6Fe23112某些包含来自搀入了镧族稀土系列元素和3-d过渡金属的锕族稀土系列元素的金属间化合物也表现出磁化强度随温度正变化。适当的例子是Gd1-xThxFe3，其中，x表示合金中钍的原子百分率。图6示出了x约等于0.67的上述金属间化合物的磁化强度随温度正变化。当镧族成员为Lu、Y和Dy时，也表现出相似的特性。
在本发明的第二实施例中，显示出dMs/dT＞0特性的垫片材料是陶瓷(即，金属氧化物)材料。在第二实施例的一个方面，垫片材料是具有分子式(A，D)3E4的尖晶石氧化物，其中，A和D包括不同的金属元素，而E包括重量百分比为95到100的氧。当然，也可以使用金属与氧的比例变为3∶4的非计量(non-stoichiometric)的尖晶石化合物。
在尖晶石化合物中，存在的dMs/dT＞0特性和/或补偿点相对稀少。这种尖晶石家族的例子是Li0.5CraFe2.5-aO4，其中，‘a’表示铬的原子百分率。这个家族的补偿点特性的范围从‘a’约等于0.9延伸到‘a’约等于1.8。图7中示出了‘a’约等于1.25的化合物的磁化强度随温度的变化。Li0.5Cr1.25Fe1.25O4的补偿温度约为310K，此时，磁化强度消失。在此温度之上直到410K，磁化强度增加。这样，在大约100K的温度范围内，这种材料的磁化强度随温度的变化率为正。在温度大约为480K或居里温度时，磁化强度消失。
表现出亚铁磁特性的另一个尖晶石家族是NiFe2-xVxO4，其中，x表示钒的原子百分率。X等于零时，该化合物表现出与铁磁材料相似的特性。对于所含钒的原子分数约在0.6到0.69之间的化合物，存在补偿点。在原子分数约为0.75的化合物中，在0K时出现磁化强度约为零的状态。
在第二实施例的另一方面，垫片材料是具有稀土铁榴石(RareEarth Iron Garnet，REIG)结晶的陶瓷，该陶瓷显示出磁化强度随温度正变化。这种结晶结构呈现出可能由磁性离子占据的三种不同类型的点阵位。这些晶格点中的一个接受来自镧族稀土系列元素的大离子，该离子能够有较高幅值的每离子磁矩，但是与其它两个晶格点上的3d过渡金属磁性离子的耦合较弱。这样，REIG结构的亚铁磁材料呈现出许多可能的补偿点和拐点。
图8A示出了基于石榴石结晶结构的并且由分子式5(Fe2O3)*3(R2O3)表示的化合物家族的磁化强度随温度的变化，其中，R包括从Gd、Tb、Dy、Ho、Lu、Er、Yb和Tm中选择的原子分数为40到100的一种或多种稀土系列元素，并且M包括原子分数为90到100的Fe。除了稀土元素以外，R还可以包括Y或Bi。由图8A可见，当REIG结晶结构的材料具有补偿点时，基于第三组元素的石榴石结晶结构，即钇铁石榴石没有呈现出补偿温度。
其它合适的石榴石材料包括R3M5O12材料，其中，R为稀土元素，M为过渡金属，如原子百分率为90到100的Fe。图8B示出了这些石榴石陶瓷的磁化强度随温度的变化。
如在图8A和8B中所见，基于REIG结晶结构的化合物的补偿温度覆盖了很宽的范围。在MRI系统中，垫片元件的温度预计为从处于或接近室温(大约298K)到大约400K的范围。一种适合于应用在MRI系统中的示例性化合物为Gd3Fe5O12。应该注意，基于REIG结晶结构的化合物还适合于用在工作温度高于或低于MRI系统运行的温度范围的系统中。例如，如果系统的工作温度在150K到200K之间，合适的材料为Er3Fe5O12或Tm3Fe5O12。相似地，如果工作温度在350K到450K之间，合适的材料为Gd3Fe5O12或Tb3Fe5O12。
在由分子式R3Fe5O12表示的REIG结晶结构中，由R占据的点阵位包括稀土镧系元素和其它合适的金属元素如Bi或Y的组合。这些金属元素属于元素周期表的第三组、第四组、第五组和第六组。合适元素的特征在于它们的化合价和大小。这些元素的化合价使化合物的化合价平衡。合适元素的原子或离子的大小使这些原子或离子适合于子晶格。对于由分子式Gd3-xBixFe5O12表示的化合物家族，图9中示出了通过设计REIG家族的化合物而得到的材料选择的灵活性。Gd3Fe5O12的补偿温度约为290K。在该材料中加入Bi调整了补偿温度。例如，如图9所示，Gd1.75Bi1.25Fe5O12的补偿温度减小到约125K。
制造磁性器件的方法包括(a)提供铁磁材料；(b)提供粘合剂；(c)提供亚铁磁材料；以及(d)使铁磁材料、粘合剂和亚铁磁材料形成具有需要的形状和尺寸的复合物。用若干种技术使铁磁材料、粘合剂和亚铁磁材料形成复合物。一种这样的技术是成型，以生产需要的形状的复合物。适合的成型技术包括单轴成型、等压成型、注入成型、挤压成形和高温等压成型等。在本发明的一个实施例中，对复合物进行退火处理。对复合物的退火处理在盘式烘箱、流化床设备、高温炉或其它适合于退火的已知设备中进行。
如这里所使用的，垫片包括位于磁体的磁场中的任何材料，如永久磁体或超导磁体，这种材料能够如通过提高场的均匀性来对这个磁场产生影响。本发明的实施例的垫片包括在预定的温度范围中表现出dMs/dT＞0的材料。垫片可以用在包含磁体的任何装置中。例如，垫片可以用在成像系统中，如MRI(磁共振成像)、NMR(核磁共振)和MRT(磁共振治疗)系统。另外，垫片也可以用在包含磁体的其它设备中，如电动机或发电机。
垫片元件是包含与磁体或多个磁体分开放置的垫片的元件。如以下将详细描述的，也可以将垫片元件融入磁体或设备的其它部分中。垫片元件可以具有适合于给定设备的任何形状和尺寸，并且最好包括能够表现为磁化强度随温度正变化的亚铁磁材料。
在本发明的另一个实施例中，垫片元件包括一种以上的亚铁磁材料。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料和铁磁材料的复合结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括分开的亚铁磁材料层和铁磁材料层的包层结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括多层亚铁磁材料的层叠结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料的层状结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料的丝状结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料的导线结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料的线圈结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料的条形结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料的平板结构。在本发明的另一个实施例中，垫片元件具有包括亚铁磁材料的薄片结构。
用于改变磁体磁场的方法包括在磁场中布置垫片元件。垫片元件包含亚铁磁材料。在本发明的一个实施例中，该方法包括布置多个包含亚铁磁材料的垫片元件。在本发明的另一个实施例中，该方法包括布置包含铁磁材料和亚铁磁材料的垫片元件。在本发明的另一个实施例中，该方法包括布置多个包含铁磁材料和亚铁磁材料的垫片元件。在本发明的另一个实施例中，该方法包括布置多个包含铁磁材料的垫片元件和多个包含亚铁磁材料的垫片元件。在本发明的另一个实施例中，该方法包括布置多个包含铁磁材料的垫片元件，多个包含亚铁磁材料的垫片元件和多个包含铁磁材料和亚铁磁材料的垫片元件。利用已知的技术确定垫片元件的数量、质量和位置。
能够改变磁场的垫片装置包括至少一个垫片元件。垫片元件包含亚铁磁材料。在本发明的一个实施例中，垫片装置包含一种以上铁磁材料和一种以上亚铁磁材料。在本发明的另一个实施例中，铁磁材料和亚铁磁材料是彼此紧挨着的。铁磁材料和亚铁磁材料可以是复合结构、包层结构、包括薄片或条片的层叠结构或者包括平板的结构中的一部分。在本发明的另一个实施例中，将铁磁材料与亚铁磁材料分开。某些垫片固定器可以包括包含亚铁磁材料的垫片元件，而某些其它垫片固定器包括包含铁磁材料的垫片元件。
磁共振成像系统包括一次磁体和垫片装置。垫片装置包含铁磁材料和亚铁磁材料。垫片装置能够改变由一次磁体产生的磁场。最好，由此使净磁场大致保持恒定。加无源垫片的原理是以这样的方式安排垫片装置中垫片元件的分布，使垫片元件产生的磁场与一次磁体产生的磁场的不均匀分量的幅值大致相等，而符号相反。这导致净磁场大致保持恒定。
按照本发明的一个方面的MRI系统包括若干装置。MRI系统包括至少一个产生一次磁场的超导磁体装置。超导磁体装置包括若干部件，这些部件可以包括超导磁体线圈、冷却超导磁体线圈的氦管道、减少氦汽化的内部和外部冷却线圈以及其它结构和机械部件等。MRI系统还可以包括一次梯度线圈装置，产生用于MRI的x、y和z梯度场。除了线圈之外，一次梯度线圈装置还包括结构、机械和电气部件。MRI系统还包括射频(RF)线圈装置，用于产生进入成像体内的RF脉冲。如果需要，可以用可选的二次梯度线圈装置屏蔽由一次梯度线圈装置产生的磁场。此外，如果需要，也可以用可选的有源垫片线圈装置来减小一次磁场中的不均匀度。MRI系统还包含至少包含一个本发明的实施例的垫片元件的垫片装置。
MRI系统可以有任何合适的布局。例如，如图10所示，MRI系统10可以包括一个或多个具有一般为同轴的内膛16和18的超导到磁体装置12、14。装置12、14由柱20支撑。每个磁体装置12、14包括用于产生磁场的超导线圈。每个装置12、14包含一个或多个垫片装置，在本发明的这个方面，垫片装置包括用于固定无源垫片24的可移动垫片槽或架22。通过对垫片24在槽22中的厚度和位置进行排列，使由磁体装置12、14产生的一次磁场的不均匀度减小到预定的技术要求以内。
在图11示出的另一个实施例中，垫片装置30包括至少一个包含一个或多个垫片元件34的垫片固定器32。对于圆筒形MRI结构，垫片装置30可以位于超导磁体装置36与梯度线圈装置38之间。将RF线圈装置40沿径向布置在梯度线圈装置38的里面。垫片固定器可以包括沿着MRI系统的内膛的轴线方向延伸的拉长的绝缘部件32。可以将部件32附着在MRI系统的结构合适的圆筒形部件的内壁或外壁。每个部件32包括槽33。垫片34可以包括可靠地位于槽33中的盘状或片状部分。
在图12示出的另一个实施例中，垫片装置50包括由绝缘材料制成的管状部件52。槽53排列在管状部件52的内壁或外壁上。垫片54位于管状部件52的需要的槽53中。也可以将管状部件52布置在梯度线圈与超导线圈之间。
尽管以上已经对超导MRI系统进行了描述，但是，本发明的优选实施例的垫片材料也可以用在永久磁体MRI系统中。在永久磁体MRI系统中，由两个或多个永久磁体如稀土-铁-硼(rare earth-iron-boron)永久磁体代替超导线圈，用于给位于磁体之间的成像体提供一次磁场。永久磁体MRI系统可以具有封闭式管状或圆筒形结构或开启式结构。例如，可以将永久磁体支撑在磁轭上，如“C”形磁轭。垫片位于成像体和永久磁体之间，用于减小一次磁场的不均匀度。
任何合适的永久磁体材料都可以与本发明的优选实施例的垫片一起使用。最好，磁体包括稀土-过渡金属-硼磁体。最好，稀土元素包括Nd和/或Pr，也可选Ce。最好，过渡金属包括80-100％重量的Fe以及0-20％重量的Co或其它过渡金属。这些永久磁体对温度变化非常敏感。例如，NdFeB的磁场的温度系数约为-0.12％/K。温度仅变化约0.1K就会使磁场变化约百万分之一百二十。由于这种高温度敏感性，本发明优选实施例的垫片补偿永久磁体的磁场随温度升高的变化。
尽管以上描述的垫片与超导或永久磁体分开放置，但是，也可以将优选实施例的垫片融入磁体本身。例如，对于包括用粘合剂将永久磁体粉末粘合在一起的永久磁体(即，所谓的粘合永久磁体)，本发明优选实施例的垫片材料可以是混入粘合剂和永久磁体材料的粉末形式。可以均匀地将垫片材料粉末与磁体粉末一起分散在粘合剂中。或者，可以有选择的将垫片材料粉末仅布置在粘合磁体的特定位置，以便补偿粘合磁体的磁场中的预定的不均匀度。如果需要，垫片材料除了包括位于粘合磁体中的细粉末以外，还可以包括垫片块。尽管较少选用，但是，也可以使固体、粉末或块状的垫片材料与粘合的超导带混合在一起或位于包围包括超导磁体的超导带的外壳中。这样，当磁体的温度在垫片材料的磁化强度增加的温度范围中时，由垫片材料的磁化强度随温度的正变化率抵消永久或超导磁体材料的磁化强度随温度的负变化率。因此，这里按照尽可能广的含义使用术语“垫片”，并且术语“垫片”包括与磁体材料分开布置的垫入材料或融入磁体材料的垫入材料。
举例对各种商用铁磁材料和实验室制备的亚铁磁材料的磁性能和物理性能进行了测量。涉及的铁磁材料为商用Fe(Ancorsteel 300SC)粉末、铁-钴-钒合金(重量百分比约为2的V，重量百分比约为49的Fe，重量百分比约为49的Co，根据制造商，在商业上称为2V-波门杜尔铁钴合金(2V-Permendur)或Vacoflux-50)以及铁-钴合金(重量百分比约为50的Fe和重量百分比约为50的Co)。通过在纯氩气中进行电弧熔化制备亚铁磁材料Dy2Co17和ErFe3。表格2连同从可用文献获得的物理特性一起列出了磁特性的测量值。
在表格3中示出了在磁场约1.5特斯拉时，各种材料的固有磁化强度(Bi)。从文献中得到Fe-Co合金的值约为24000高斯。在大约40K的温度变化时，在约1.5特斯拉的磁场中磁化强度的变化用Δ(Bi)表示。如所见，当Dy2Co17和ErFe3的值分别为+525和+509高斯时，铁磁材料的值为负。磁化强度变化的估算误差估计约为+/-15高斯。铁磁材料显示出磁化强度损失的范围从Fe-Co合金的约0.57％到Fe粉末的约0.84％。另一方面，在相同条件下，亚铁磁材料ErFe3显示出磁化强度增加38％。
表格3
在表格4中示出了用于包含铁磁材料和亚铁磁材料的混合材料的参数的计算值。
在表格4中示出了对于各种粘合剂浓度，包含铁磁材料、亚铁磁材料和粘合剂的复合材料的估算磁化强度。希望在复合物中典型铁磁材料的体积和重量的计算份数具有在表格4中示出的约为零的磁化强度随温度的变化率。对于具有Fe(300SC)粉末的复合物，该复合物中ErFe3的体积份数估算约为0.26，该复合物中ErFe3的重量份数估算约为0.29。对于具有Fe(300SC)粉末的复合物，在约1.5特斯拉的磁场时，估算磁化强度从具有约50重量百分比的粘合剂的复合物的约8050高斯延续到没有粘合剂的复合物的约16101高斯。对于Fe(300SC)、ErFe3和约15体积百分比的粘合剂的复合物的估算磁化强度比Fe(300SC)和约15体积百分比的粘合剂的估算磁化强度低约百分之二十五。对于Fe-Co合金、ErFe3和约15体积百分比的粘合剂的复合物的估算磁化强度仅比Fe(300SC)和约15体积百分比的粘合剂的估算磁化强度低约10％(约16333高斯对约18122高斯)。
表格4
稀土合金体积份数 0.2610.211 0.211 0.255 0.206 0.206铁磁材料体积份数 0.7390.789 0.789 0.745 0.794 0.794稀土合金重量份数 0.2910.235 0.230 0.283 0.227 0.223铁磁材料重量份数 0.7090.765 0.770 0.717 0.773 0.777Bi@1.5T.无粘合剂16101G 18420G 19215G17630G 19558G 20467G在复合物中金属体积份数＝0.5；Bi(复合物)8050G9210G 9608G 8815G 9779G 10234G在复合物中金属体积份数＝0.6；Bi(复合物)9660G11052G 11529G10578G 11735G 12280G在复合物中金属体积份数＝0.7；Bi(复合物)11271G 12894G 13451G 12341G 13691G 14327G在复合物中金属体积份数＝0.8；Bi(复合物)12881G 14736G 15372G 14104G 15646G 16374G在复合物中金属体积份数＝0.85；Bi(复合物)13686G 15657G 16333G 14986G 16624G 17397Gσ@1.5T，emu/gm； 156.5 177.9 182.8 172.0 190.7 195.3无粘合剂对于铁磁-亚铁磁复合物垫片，最好这样选择每种材料的体积或重量份数，使得在相当大部分如25到50度范围甚至亚铁磁材料表现为dMs/dT＞0的全部预定温度范围，磁化强度随温度的变化约为零。换句话说，铁磁材料的磁化强度随温度的损失由亚铁磁材料的磁化强度的增大来补偿。这样，确定垫片复合物，从而确定在需要的温度范围中，需要的亚铁磁材料和铁磁材料的磁化强度随温度的变化。然后，选择在复合物垫片中每种材料的体积和重量份数，使得在需要的温度范围中，复合物垫片的磁化强度随温度的变化尽可能接近于零。
最好这样选择亚铁磁材料，使得其磁化强度随温度的变化率比铁磁材料的磁化强度随温度的变化率大若干倍。因此，最好垫片包含的铁磁材料比亚铁磁材料多，如10-35，最好是20-25体积百分比的亚铁磁材料和65-90，最好是75-80体积百分比的铁磁材料。在表格4中示出的例子说明了三种铁磁材料和两种亚铁磁材料的典型体积和重量份数，使得在约298K到约338K的温度范围内，复合物垫片的磁化强度随温度的变化约为零。表格4还说明了与复合物垫片中的粘合剂的体积份数相比，具有不同的金属(即亚铁磁材料和铁磁材料)体积份数的各种复合物。应该注意，可以在不使用粘合剂的情况下将亚铁磁和铁磁材料加入复合物垫片。
在本发明的另一个优选实施例中，将软铁用作铁磁材料。由于软铁比硬铁更可压缩，因此软铁粉末是有利的。因此，与含有硬铁铁磁材料的复合物垫片相比，复合物垫片的金属对粘合剂的比例可以更高。金属对粘合剂的比例更高导致磁化强度更高。例如，对于固体的硬铁垫片，从表格3预计磁化强度约为21320高斯。对于不含粘合剂并且包含硬铁粉末和Dy2Co17亚铁磁材料的复合物垫片，从表格4预计磁化强度约为17630高斯。如果用FeCo合金取代硬铁，从表格4预计磁化强度约为20467高斯。但是，如果按照体积份数为0.6到0.65的百分数将这些材料加入粘合剂中，从表格3和4预计磁化强度分别约为13.8+/-0.5、11.02+/-0.4和12.8+/-0.5千高斯。相反，如果用软铁代替硬铁或FeCo合金作为铁磁材料，则可以在不显著增加处理成本的情况下，增加垫片中金属的体积份数。例如，可以在不显著增加处理成本的情况下，将垫片中的金属体积份数增加到0.8到0.85百分数。在这种情况下，对于金属分数约为0.8到0.85(并且粘合剂份数约为0.15到0.2)的情况，预计磁化强度约为14.5+/-0.4千高斯，这高于包含硬铁或FeCo合金的金属份数为0.6到0.65的磁化强度的所有三个值。
复合物垫片最好用在超导或永久磁体MRI中。但是，亚铁磁的或复合铁磁-亚铁磁垫片可以用在其它设备中，如包括转子和定子的电动机或发电机。在电动机或发电机中，垫片可以具有任何合适的形状。最好，这样选择垫片尺寸，使得在需要的温度范围中，发电机或电动机磁体的磁化强度随温度的变化尽可能接近于零。例如，可以将垫片融入磁轭或电动机或发电机的其它部件中，如位于磁体的磁场中的转子和/或定子。
在本发明的另一方面，在利用磁场或磁通的测量、指示和/或记录设备中，可以将垫片用作温度补偿元件。例如，这些设备包括瓦特-小时表、电感表、温度表和继电器等，如在序列号为1724405；2213085；298548和4456898的美国专利中所描述的，这里将其全文引用为参考。例如，可以使垫片位于靠近瓦特-小时表的永久磁体的侧面，如在序列号为4456898的美国专利中所描述的瓦特表装置。这种装置包括在相对的永久磁体的磁极之间旋转的铝盘。
尽管在前面的描述中已经披露了本发明的特定优选实施例，但是，本领域技术人员应该理解，可以在不脱离如在所附权利要求中所限定的精神和范围的情况下，对其进行许多修改、替换或改变。
部件列表MRI系统10超导磁铁装置12，14基本同轴的内膛16，18柱20包括可移动垫片槽或架的垫片装置22无源垫片24垫片装置30垫片固定器32槽33垫片元件34超导磁铁装置36梯度线圈装置38RF线圈装置40垫片装置50管状部件52槽53垫片5权利要求
1.一种垫片(24，34，54)，用于改变磁体(12，14，36)的磁场，该垫片包括在预定的温度范围中表现为随温度升高而自发磁化强度增加的第一材料。
2.如权利要求1所述的垫片，其中所述第一材料包括亚铁磁材料；所述亚铁磁材料包括由分子式RaMb表示的金属间化合物，其中，R选自由稀土元素组成的组，而M选自由3d过渡元素组成的组，a和b为数量；并且所述金属间化合物包括R2M17，其中，R包括原子百分比至少为90的，选自Dy、Sm、Tm、Er、Ho、Tb和Gd中的至少一个的稀土元素，M包括原子百分比至少为90的Co。
3.如权利要求1所述的垫片，其中所述垫片位于垫片元件(22，30，50)中；并且该垫片元件位于成像系统(10)、指示、记录或测量设备、电动机或发电机中的一个中。
4.一种用于改变磁体(12，14，36)的磁场的方法，所述方法包括在所述磁场中布置垫片(24，34，54)，其中，所述垫片包括在预定的温度范围中表现为随温度升高自发磁化强度增加的第一材料。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第一材料包括亚铁磁材料；所述亚铁磁材料包括由分子式RaMb表示的金属间化合物，其中，R选自由稀土元素组成的组，而M选自由3d过渡元素组成的组，a和b为数量；并且所述金属间化合物包括R2M17，其中，R包括原子百分比至少为90的，选自Dy、Sm、Tm、Er、Ho、Tb和Gd中的至少一个的稀土元素，M包括原子百分比至少为90的Co。所述垫片包括包含所述第一材料和铁磁材料的复合物垫片。
6.一种磁体，包括铁磁材料和表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的亚铁磁材料。
7.如权利要求6所述的磁体，其中所述磁体包括粘合磁体；所述铁磁材料包括稀土-铁-硼合金并且所述亚铁磁材料包括稀土过渡金属合金；所述铁磁材料包括永久磁体材料；并且所述磁体产生表现为从298K到338K基本不随温度升高而变化的磁场。
8.一种用于制造磁性器件的方法，该方法包括a.提供铁磁材料；b.提供粘合剂；c.提供表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的亚铁磁材料；并且d.使所述铁磁材料、所述粘合剂和所述亚铁磁材料形成具有需要的形状和尺寸的复合物，从而生产所述磁性器件。
9.一种磁共振成像系统(10)，该系统包括一次磁体(12，14，36)和垫片装置(22，30，50)，所述垫片装置包括铁磁材料和表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的亚铁磁材料，其中，所述垫片装置能够改变由所述一次磁体产生的磁场。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述亚铁磁材料包括由分子式RaMb表示的金属间化合物，其中，R选自由稀土元素组成的组，而M选自由3d过渡元素组成的组，a和b为数量；所述亚铁磁材料包括R2M17，其中，R包括原子百分比至少为90的，选自Dy、Sm、Tm、Er、Ho、Tb和Gd中的至少一个的稀土元素，M包括原子百分比至少为90的Co；所述铁磁材料包括铁或铁钴合金；所述垫片装置包括包含在粘合剂中的亚铁磁材料粉末和铁磁材料粉末，其中，所述垫片装置能够改变由所述一次磁体产生的磁场，使得随温度升高，所述磁场大致保持恒定；并且对所述垫片装置中的所述亚铁磁材料与铁磁材料的比例进行选择，使得在预定的温度范围中，所述亚铁磁材料补偿所述铁磁材料的磁化强度随温度升高而产生的损失。
全文摘要
一种适合于改变磁体(12，14，36)的磁场的垫片(24，34，54)，包括表现为在预定的温度范围中随温度升高自发磁化强度增加的第一材料。
文档编号A61B5/055GK1606100SQ20041008523
公开日2005年4月13日 申请日期2004年10月10日 优先权日2003年10月10日
发明者I·S·雅各布斯 申请人:通用电气公司