柱形超导磁体的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及柱形超导磁体结构，尤其涉及这样的结构，在这样的结构中，设置由间隔件链接的许多分离的超导线圈，但是这样的结构形成为单个自支撑结构。国际专利申请W02011/148163描述了这种结构的示例。
【背景技术】
[0002]图1A示出如上所述的常规整体柱形线圈结构110。A-A表示轴向中间平面，Z-Z表示轴向方向。提供了四个线圈10，它们通过间隔件14保持在限定的相对位置。在所示示例中，分立的间隔件14以周向间隔放置在线圈圆周周围，如所示，每个间隔件14在其轴向末端粘接到两个相邻线圈10的轴向末端。间隔件14可通过由环氧树脂浸渍的填料形成，比如玻璃纤维，而线圈10通常是由超导线构成的线圈，大部分由铜基质材料构成，并由类似或相同的环氧树脂浸渍。
[0003]图1B示出与上面图1A示出和描述的线圈结构类似的已知线圈结构中的电流密度分布。A-A表示轴向中间平面，Z-Z表示轴向方向。维度J表示每个轴向点上的电流密度。线圈10由正电流密度表示。在该情况下，所有线圈具有相等的电流密度J。线圈10表示成由具有零电流密度的间隙12分隔开。间隙通常由图1A表示的间隔件14限定，间隔件将线圈保持在它们的固定相对位置。间隔件不会传导电流，所以造成具有零电流密度的间隙
12ο
[0004]间隔件14在线圈圆周周围的间断性意味着轴向力均匀地分布在线圈圆周周围。用连续的环形间隔件代替间断的间隔件会在线圈圆周周围提供更均匀分布的轴向力。然而，当超导线圈10被冷却至操作温度时，线圈材料和间隔件材料之间的热收缩会导致线圈和间隔件之间的显著应力。类似地，在磁体失超(quench)期间，超导线圈回复至它们的抵抗状态，通过在线圈中加热而耗散大量能量。这导致线圈材料的快速热膨胀，并又导致线圈和间隔件之间的显著热应力。在使用时，由不同热收缩和膨胀导致的线圈和间隔件之间的应力大于由电磁场的相互作用导致的应力。
【发明内容】
[0005]本发明提供了柱形超导磁体结构，其中，提供了环形间隔件，降低或消除了不同热膨胀和收缩的问题。本发明移除或减少了用于线圈和间隔件的材料之间的热失配，所以避免或减少了在线圈和间隔件之间的接合处产生热应力。
[0006]本发明的一些实施例还提供了有效的失超传播。如果一个线圈的一个部分失超，则产生的加热快速使相邻线圈失超，从而扩散存储的能量的耗散，并确保线圈组件的单个部分不会变得太热以至于受损。
[0007]本发明尤其涉及低场、低成本的超导磁体，但是还可应用于任意大小的柱形超导磁体。
[0008]相应地，本发明提供了如所附权利要求中陈述的超导磁体结构。
【附图说明】
[0009]结合附图，从下面对本发明的一些实施例的描述，本发明的上述和其它目的、优点和特性会明显，附图中:
[0010]图1A示出已知超导磁体结构；
[0011]图1B示出图1A所示的已知超导磁体结构中的电流密度；
[0012]图2A示出根据本发明的实施例的超导磁体结构；
[0013]图2B示出根据图2A所示的本发明的实施例的超导磁体结构中的电流密度；
[0014]图3A-3D示出根据本发明实施例的柱形超导磁体的示例设计；
[0015]图4A-4C示出制造用在本发明中的线圈的示例方法；
[0016]图5示出本发明实施例的局部轴向横截面；以及
[0017]图6示出可选地用在本发明实施例中的绝缘间隔件。
【具体实施方式】
[0018]根据本发明，上述图1A所示的已知线圈结构的分立的周向间隔开的间隔件14由线匝代替，线匝通常充满树脂，并具有与磁体线圈10十分类似的热属性。这些线匝构成沿轴向结合在磁体结构的超导线圈之间的线圈。为了在下面描述中便于参考，这些线匝称为“间隔件线圈”，磁体线圈10称为“主线圈”。
[0019]图2A示出根据本发明实施例的整体超导磁体结构的轴向半横截面。示出五个主线圈10。间隔件线圈16位于主线圈10之间。图2A的示图仅是示意性的。希望间隔件线圈16具有比主线圈10更小的轴向尺寸b。
[0020]优选地，间隔件线圈16具有至少基本上等于相邻主线圈10的内径。更优选地，间隔件线圈16具有至少基本上等于相邻正向线圈10的内径和外径。在这种结构中，正向线圈10和间隔件线圈16之间的任何压缩或膨胀张力可在线圈的轴向表面上扩散。在一些实施例中，间隔件线圈16可具有等于相邻磁体线圈10的对应尺寸的内径和/或外径。在磁体线圈10具有不同内径和/或外径的情况下，插入的间隔件线圈的对应尺寸可介于相邻主线圈的对应尺寸之间的中间。即使在间隔件线圈的内径和外径明显不相等的情况下，每个线圈也可存在于对应于每个抵接线圈的径向中点19的径向位置，以当处于轴向负荷时避免结构上的显著弯矩。
[0021]间隔件线圈16可未电连接，或者可布置成在与磁体线圈传导的电流相反的方向上传导电流(“反向电流”)，在与磁体线圈传导的电流相同的方向上传导电流(“正向电流”)，或者可连接到其它电路，比如失超传播电路。根据它们的预期连接，间隔件线圈可具有超导线或电阻丝。在间隔件线圈是抵抗性的情况下，它们可连接到失超传播电路，使得在一个主线圈中失超的情况下，电流转向进抵抗性间隔件线圈中，抵抗性间隔件线圈加热并将失超扩散到其它主线圈。
[0022]图2B示出根据本发明实施例的如图2A所示的整体超导磁体结构中的电流密度分布。在该实施例中，间隔件线圈16具有超导线，并布置成传导反向电流，即在与磁体线圈10传导的电流相反的方向上传导电流。图2B示出具有正电流密度的五个主线圈10。由负电流密度表示的间隔件线圈16位于正向线圈之间。优选地，对于主线圈和间隔件线圈两者，电流密度的大小是相同的。然而，极性是相反的，间隔件线圈16的轴向范围b总体上小于磁体线圈10的轴向范围。间隔件线圈16可与主线圈串联连接，以传导具有相同大小但具有相反极性的反射电流。
[0023]在间隔件线圈16传导反向电流的情况下，它们应当设计有相对几匝，以避免使总体磁场退化。例如在UK专利GB2308451中所讨论的，包含传导反向电流的比较小的线圈会提供更短的总体柱形结构，并仍产生具有可接受质量的磁场。
[0024]这是低成本、低场柱形磁体的设计和制造中是特别重要的，因为与超导线本身的成本相比，给线圈提供必要热环境的低温保持器占系统成本的明显更大份额。如果柱形磁体可以缩短，则低温保持器可类似地缩短，其降低的成本要比增加的线成本要多。缩短的低温保持器还有益于病人舒适度。除了主线圈和常规间隔件之间降低的接合处应力方面的益处之外，这些优点如由本发明的结构提供。
[0025]在一些实施例中，间隔件线圈可具有超导线，并可布置成传导正向电流，即在与主线圈相同的方向上传导电流。间隔件线圈的电流密度可小于主线圈，例如通过使用具有更大横截面的超导线，或者独立于主线圈连接间隔件线圈并以更小的电流斜面调制(ramp)间隔件线圈，或者共同缠绕超导线与抵抗性线或未连接的超导线。
[0026]在间隔件线圈是超导的实施例中，在任何一个线圈的失超中，当邻近线圈被稍微均匀地加热时，产生的加热会快速导致邻近线圈的失超。产生的沿柱形磁体组件的失超传播会以比依靠检测场强变化并响应于这种变化的常规布置更快的速率发生，从而启动其它线圈上的失超加热器(quench heater)。
[0027]根据需要，超导间隔件线圈可替代地由正向或反向电流斜面调制，以改进由该结构产生的磁场的均勾性。这可代表一种勾场(shimming)。
[0028]在一些实施例中，抵抗性间隔件线圈的端部电连接起来以形成感应涡流，而未电连接至其它线圈。在失超的情况下，主线圈中的下降电流会在抵抗性间隔件线圈中诱导出相反电流，这会导致加热和失超传播。在其它实施例中，间隔件线圈的端部可未连接，仍具有与超导主线圈类似的热收缩和膨胀，并在主线圈的整个圆周周围延伸，从而获得根据本发明的改进。
[0029]图3A-3D示出根据本发明实施例的示例柱形超导磁体设计的细节，其处于本领域技术人员常见的常规格式。该设计使用传导反向电流的超导间隔件，主线圈和间隔件线圈均具有相同的内径和外径。图3A示出由该设计表示的柱形磁体的中心处的磁场均匀性的等值线图表。所示场具有0.5T的额定强度(通量密度)。图3A示出穿过磁场的由轴向中间平面A-A和磁体轴线Z-Z确定的局部横截面。该磁场关于轴线Z-Z旋转对称，并在轴向中间平面A-A中具有反射对称，所以该四分之一横截面足以限定整个磁场。表明的等值线注记以百万分率(ppm)的单位表示磁场的非均匀性。曲线30表示具有不多于Ippm的磁场非均匀性的磁场区域的外缘。在该示例中，非均匀性Ippm或更小的区域沿轴向延伸约23cm，沿径向延伸约35cm。
[0030]图3B示出该磁场图形的调和分析，用于高达Z18的谐波。
[0031]图3C示出穿过磁体设计的线圈1、2、3、4、5的由轴向中间平面A-A和40cm半径R限定的四分之一横截面。线圈关于轴向中间平面A-A反射对称，并关于轴线Z-Z、半径R的原点旋转对称。
[0032]图3D包括每个线圈在它们的内径Al、外径A2、内轴缘BI和外轴缘B2方面的表格描述。注意到，对于每个线圈，匝密度Td的单元为每米cm2，如匝数Tms和使用的超导线的长度。
[0033]在该示例中，线圈1、3、5是主线圈，线圈2、4是间隔件线圈。在轴向中间平面A-A的另一侧，以对称取向设置对应线圈。
[0034]在该示例中，优选地，所有线圈具有相同匝密度Tms，并由相同大小的线制成。如图3D的负值所示，反向匝的总数量远小于正向匝的总数量。在图3C的线圈的横截面示图中，传导反向电流的间隔件线圈由号表示，主线圈由“ + ”号表示。
[0035]优选地，所有线圈在单个缠绕过程中缠绕，并经受单个浸渍步骤以产生整体结构。在其它实施例中，线圈可在第一浸渍步骤中分离地形成和浸渍，然后在模具中组装起来，并在第二浸渍步骤中以树脂第二次浸