专利名称：高磁场高均匀度核磁共振超导磁体系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于核磁共振成像装置的磁体系统，特别涉及一种用于核磁共振 成像装置的高磁场高均勻度超导磁体系统。
背景技术：
磁共振成像(MRI)系统主要由磁体系统、谱仪系统、计算机系统和图像显示系统 组成。其中，磁体系统的作用是产生在500mm的球形范围内不均勻度小于Ippm的磁场。目 前核磁共振成像系统的磁场强度一般在0. 35到3T，已经在世界各地医院广泛使用。而高于 7T磁场的MRI系统主要应用于科学研究。MRI信号的强度对图像信噪比有决定性的影响， 而信号强度同磁场强度基本上呈平方关系。因此，提高磁场强度就成为MRI技术上一个最 重要的发展目标。随着超导磁体与低温技术的发展，将先进制造技术和大规模的数值优化技术应用 于核磁共振磁体系统的制造与磁场分析。将超级计算机与高磁场核磁共振超导磁体系统结 合起来，实现整体系统的可视化。将超高磁场核磁共振所获得的海量信息通过超级计算机 快速处理，实现分子水平的快速诊断，从而成为临床影像诊断中不可缺少的现代化诊断设 备。由于超高磁场带来新功能，磁共振成像技术在生命探测领域里扮演着越来越重要的角 色，它可以通过影像的方式展示人体新陈代谢过程，探测神经系统的作用原理，探查极早期 的人体疾病等。随着计算机技术的飞速发展，现在可以通过其超高速的计算能力，进行超高 分辨率的四维磁共振图像重建，并进行多尺度人体模拟。将超级计算机和超高磁场磁共振 成像结合，形成了所谓超级磁共振成像概念。在生命研究和临床应用方面，高场颅脑MRI中可以获得更高的对血流信号和氧气 利用度的灵敏性，能够更加精确地探测低浓度含量的分子，并能精确定位分子“栖息聚积” 的环境。超高磁场强度的MRI可获更高的分辨率，随着更高磁场MRI以及更好的阵列或超导 线圈的研发，可以使目前临床常用的Imm等级解析度，推进到300 μ m甚至100 μ m。从而具 有更好的对比度、更丰富的图像信息。在高解析度及超高磁场下，会有更丰富有趣的细微结 构被观察到，再加上原本的弥散、灌注、功能等，资讯量的增加会超过单纯的解析度增加，可 能到达影像学家无法负担的地步。如何更自动化地处理、整合这些大量资讯，协助更快速、 精确的诊断及早期预测将越来越重要。高均勻度超导磁体具有高磁场稳定度，可以适应用户的需要，提供各种不同磁场 形态和磁场的空间分布特性。例如，多个同轴螺管线圈组合可实现非对称高均勻度磁体，形 成两个或多个均勻区高磁场高均勻度的超导磁共振成像系统。目前国内外研制应用的核磁 共振磁体场强为1. 5-3T，对于高磁场高均勻度核磁共振磁体系统还在研究发展之中。
发明内容
本发明的目的是克服现有的低磁场超导磁体的不足，提出一种高均勻度、高磁场 超导磁体系统。本发明超导磁体系统具有结构紧凑，运行费用低廉和易于制造的优点。
本发明超导磁体系统包括主线圈、低温容器、室温空间、液氦、吊装拉杆、第一制冷 机、液氦冷凝制冷机、失超爆破阀门、第二制冷机、外真空容器、80K防辐射屏、40K防辐射 屏、环形梁支撑结构、吊装轮、抽气孔、底部鞍形支架、轴向限制拉杆、热辐射屏、磁场均勻度 补偿线圈和液氦冷凝器。所述的主线圈和磁场均勻度补偿线圈组成超导磁体，主线圈和磁场均勻度补偿线 圈均由NbTi/Cu超导线材绕制形成。磁场均勻度补偿线圈在主线圈的外表面同轴绕制形 成。通过吊装拉杆将超导磁体吊装放置于低温容器内部。低温容器用于存储液氦，实现超 导磁体运行所要求的低温。低温容器具有室温空间。在低温容器外表面周围放置40K防辐 射屏，在40K防辐射屏外表面周围放置80K防辐射屏，80K防辐射屏的外表面通过拉杆与外 真空容器连接，外真空容器上面安装有第一制冷机、液氦冷凝制冷机、失超爆破阀门和第二 制冷机。其中第一制冷机与40K防辐射屏连接，第二制冷机和80K防辐射屏连接，液氦冷凝 制冷机与低温容器及其内部的液氦冷凝器连接。外真空容器通过环形梁支撑结构和底部鞍 形支架获得稳定支撑。在低温容器与外真空容器之间的连接部分的外表面包有热辐射屏。 外真空容器外表面底部开有抽气孔获得真空。超导磁体通过轴向限制拉杆进行轴向定位， 超导磁体通过吊装轮进行径向定位。所述的主线圈用于产生中心磁场，所述的补偿线圈用于补偿磁体磁场均勻度。主 线圈由从内到外同轴布置的第一组线圈，第二组线圈，第三组线圈，第四组线圈和第五组线 圈组成。主线圈按径向方向从内到外线圈线径分为8个等级逐渐减小。磁场均勻度补偿线 圈由位于第五组线圈外表面两端，与主线圈同轴对称布置的2个端部补偿线圈和位于第五 组线圈外表面中间位置，与主线圈同轴布置的3个中部补偿线圈组成，其中两个端部补偿 线圈通正向电流，产生所需要磁场补偿，三个中部补偿线圈通反向电流，用来补偿高次谐波 参数以提高超导磁体的均勻度。补偿后可以实现在300mm的范围内磁场的不均勻度小于 0. Ippm0超导磁体的长度为3100mm，超导磁体的最大磁场Bm与中心磁场Btl的比值1. 0185， 每一个线圈的运行电流与当地磁场导致失超的临界电流之比小于90 %。本发明的超导线圈采用高强度的6061-T6铝合金作为线圈骨架的制作材料，以提 供系统的结构支撑和加速线圈的失超传播速度，从而保证线圈失超后能量可以均勻释放在 超导线圈内以减小系统的平均温升，保证磁体的安全性。本发明超导磁体的主线圈的最内层一组线圈，第二组线圈，第三组线圈，第四组线 圈和第五组线圈从内到外同轴组装在一起，采用整体真空浸渍技术，线圈组间的间隙精度 在士0. 5mm以内，保证线圈具有较好的整体刚性。本发明的超导磁体在没有屏蔽条件下，5高斯(G)线在半径方向是17m，在轴线方 向是22m。本发明在距离超导磁体中心6m的外部区域布置有内部是圆形结构的软铁材料构 成的铁磁屏蔽系统来屏蔽超导磁体的磁场，屏蔽后磁场的5G线在半径方向4m，轴线方向7m 范围上，以保证外部杂散磁场不至于过大，使得整个超导磁体具有良好的电磁兼容性。本发 明的铁磁屏蔽系统的厚度为600mm，铁磁屏蔽系统的内壁与超导磁体中心的距离为6m。本发明采用三台制冷机为超导磁体提供冷源。低温系统具有20K和80K的冷屏提 供液氦容器的低温环境，使用一台4K制冷机提供系统的低温冷凝。低温系统采用负压运行 以降低液氦的温度，运行温度达到3 3. 8K。当超导磁体冷却到4K温度时，继续冷却使得低温容器内的压强进一步减小，使超导磁体运行在3-3. 5K的温度。当超导磁体系统运行电 流和磁场达到预先设定的要求后，再调节控制低温容器内的压强值保持恒定。本发明的超导磁体系统可产生9. 4-11. 75T场强，具有大孔径，高均勻度，被动屏 蔽的特点，用于超高磁场磁共振成像科学研究仪器与装置，也可以用于其他高磁场成像的 MRI装置。
图1高磁场高均勻度超导磁体系统结构图，图中1主线圈，2低温容器，3室温空 间，4液氦，5吊装拉杆，6第一制冷机，7液氦冷凝制冷机，8失超爆破阀门，9第二制冷机，10 外真空容器，1180K防辐射屏，1240K防辐射屏，13环形梁支撑结构，14吊装轮，15抽气孔，16 底部鞍形支架，17轴向限制拉杆，18热辐射屏，19磁场均勻度补偿线圈，20液氦冷凝器，30 超导磁体。图2具体化的超导磁体结构图；图中21主线圈的最内层一组线圈，22第二组线 圈，23第三组线圈，24第四组线圈，25第五组线圈，28端部补偿线圈，29中部补偿线圈；图3在球体空间均勻区内场强为9. 4T的磁场均勻度等位线图；图4不带铁磁屏蔽超导磁体在空间5G线的磁场分布图；图5超导磁体与铁磁屏蔽系统组装形成的整体结构图；图中26超导磁体系统，27 外铁轭结构铁磁屏蔽系统图6带铁磁屏蔽系统的5G线的分布图。
具体实施例方式以下结合附图及具体实施方式
进一步说明本发明。图1所示为本发明超导磁体系统的主体结构和空间配置。超导磁体室温孔径为 800mm，超导磁体长度为3100mm。超导磁体30由主线圈1和磁场均勻度补偿线圈19组成， 主线圈1和磁场均勻度补偿线圈19由NbTi/Cu超导线材绕制形成。磁场均勻度补偿线圈 19是在主线圈1的外表面同轴绕制形成。主线圈1用于提供9. 4T的主磁场。超导磁体重 量为25吨，通过8根吊装拉杆5将超导磁体30吊装放置于低温容器2内部，低温容器2用 于存储1000升液氦4，实现超导磁体30运行所要求的低温。低温容器2具有室温空间3。 在低温容器2外表面周围放置40K防辐射屏12，在40K防辐射屏外表面周围放置80K防辐 射屏11，80K防辐射屏的外表面通过拉杆与外真空容器10连接，外真空容器10表面安装有 第一制冷机6、液氦冷凝制冷机7、失超爆破阀门8和第二制冷机9。其中第一制冷机6与 40K防辐射屏连接，第二制冷机9和80K防辐射屏12连接。液氦冷凝制冷机7与低温容器 2及其内部的液氦冷凝器20连接。外真空容器10通过环形梁支撑结构13和底部鞍形支架 16获得稳定支撑。在低温容器2与外真空容器10之间的连接部分的外表面包有热辐射屏 18。外真空容器10外表面底部开有抽气孔15获得真空。超导磁体30通过轴向限制拉杆 17进行轴向定位，超导磁体30通过吊装轮14进行径向定位。液氦4由于低温容器2与外真空容器10的连接传热导致内部的液氦4挥发，为保 证液氦4能够在低温容器2内自循环，液氦冷凝制冷机7提供1. 5W的制冷量，运行在4K，维 持液氦4从气态变为液态。主线圈1在运行时可能会产生失超，此时，液氦4吸收热后将产生汽化，使液氦4的体积在短时间内快速膨胀，因此需要通过失超爆破阀门8释放压力，失 超爆破阀门8的驱动压力为3. 5个大气压。第二制冷机9进一步提供620W的冷量冷却80K 辐射屏。低温容器2放置在外真空容器10内部，通过高真空保温。80K防辐射屏11和40K 防辐射屏12由铝合金1100构成。由于主线圈1和低温容器2的重量超过40吨，为了提高 吊装强度保证系统的整体刚性，使用不锈钢环形梁支撑结构13，通过吊装拉杆5将主线圈1 和低温容器2，以及80K防辐射屏11和40K防辐射屏12的重力传递给环形梁支撑结构13。 为了阻止主线圈1横向运动，在水平方向设有吊装轮14。外真空容器10通过抽气孔15与 外真空泵相连获得所要求的真空。内部包含低温容器2和主线圈1的外真空容器10放置 在底部鞍形支架16上，获得稳定的支撑。轴向限制拉杆17阻止主线圈1可能的轴向运动 和获得主线圈1的轴线定位，同时在运输是保证主线圈1的结构稳定性。在低温容器2与 外接连接的部件，为减少外界的热量流入低温容器2内，使用多层热辐射屏18防止辐射漏 热，与主线圈1外层同轴布置有磁场均勻度补偿线圈19以保持磁场的均勻度。液氦4通过 液氦冷凝制冷机7和液氦冷凝器20相连增大冷却的热交换面积获得液氦冷凝。系统整体 漏热在4K温度下小于1W。当线圈冷却到4K温度时，保持系统继续冷却，使得系统的压强进 一步减小，线圈运行在3-3. 5K的运行温度。当超导磁体系统充电和电流调制使得线圈的运 行磁场和电流达到预先设定的要求后，再在低温冷头上安装加热控制与液氦4的压强值反 馈控制平衡。如图2所示，主线圈1由从内到外同轴布置的最内层一组线圈21，第二组线圈22， 第三组线圈23，第四组线圈24和第五组线圈25组成，提供9. 4T的中心磁场。磁场均勻度 补偿线圈19由端部补偿线圈28和中部补偿线圈29组成，通过补偿线圈对磁场均勻度进行 校正。主线圈1和磁场均勻度补偿线圈19使用矩形结构的NbTi/Cu超导线材。其中，股 线的最大直径应小于1. 5mm，满足最大最小失超能，股线的Cu/SC比例小于1. 5。主线圈的 最内层一组线圈21包含2个线圈，使用两种规格的矩形导线绕制在铝合金骨架上，铝合金 骨架使用6061-T6为制作材料，以提供线圈的结构支撑。当线圈失超后电流变化在6061-T6 铝合金骨架内产生涡流加热，实现磁体被动触发，将热量均勻释放以减小系统的平均温升， 保证超导磁体的安全性。超导磁体最大磁场可达9. 588T，主线圈1最大内半径约47. Ocm, 使用具有较高传输电流的NbTi/Cu超导线材，主线圈1轴向长度约3. 096m。超导磁体的最 大磁场Bm与中心磁场BO的比值1.0185，主线圈1的每一个线圈的运行电流与当地磁场导 致失超的临界电流之比小于90%。超导磁体在径向方向上从内向外磁场逐渐减小，第二组 线圈22包含有4个同轴密绕的超导线圈，使用4种不同截面的矩形超导线材绕制形成，线 圈长度和主线圈的最内层一组线圈21的长度相等，最大磁场约为9. 1T。第三组线圈23包 含有6个同轴密绕的超导线圈，线圈由三种矩形导体线材绕制形成。第四组线圈24由6个 同轴密绕的超导线圈构成，使用两种规格的超导线材。其中第三组线圈23和第四组线圈24 所选用股线的RRR值应该大于200，稳定基材RRR值在80左右。整体线材的低温抗拉强度 大于250MPa。第五组线圈25有1个超导线圈构成，使用一种规格的超导线材。每一个线圈 组都是使用铝合金骨架支撑。每一组线圈绕制完成后在进行同轴组装，每一组线圈组装间 隙精度达到士0. 5mm。将从内到外同轴布置的主线圈的最内层一组线圈21，第二组线圈22， 第三组线圈23，第四组线圈24和第五组线圈25组装在一起，采用整体真空浸渍技术，保证线圈具有较好的整体刚性。在主线圈1的外表面采用通以正向电流的端部补偿线圈28和 通以反向电流的中部补偿线圈29构成，超导线材所选择的基材对于超导体的比例超过10 以上。图3为球体空间均勻区，场强为9. 4T的磁场均勻度等位线；端部补偿线圈28和中 部补偿线圈29提供主线圈1的磁场修正，已达到在300mm范围内磁场均勻度小于0. Ippm0图4提供线圈漏磁场分布，不带铁磁屏蔽系统的超导磁体在空间5G线的磁场分 布，在径向方向小于17m和在轴线方向小于22m。图5是超导磁体与的铁磁屏蔽系统的整体布置图，超导磁体系统26提供磁场强度 和磁场均勻度，为实现超导磁体系统具有较好的电磁兼容特性，在超导磁体系统26外安装 厚度为600mm的大型外铁轭结构铁磁屏蔽系统27，铁轭由软铁材料制成，其内部为圆形，对 内部磁场进行屏蔽，同时对超导磁体的中心磁场增加约1/1000。图6是带有铁磁屏蔽系统的超导磁体在空间5G线的分布，在径向方向上半径小于 4m和在轴向方向上半径小于7m。以保证外部杂散磁场不至于过大，使得整个超导磁体具有 良好的电磁兼容性。铁磁屏蔽系统的厚度为600mm，铁磁屏蔽的内壁与磁体中心的距离为 6m。有效降低漏磁场，最大限度的避免周围人体和仪器设备受到电磁损害。
权利要求
1.一种高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于所述超导磁体系统包括主 线圈(1)、低温容器(2)、室温空间(3)、液氦(4)、吊装拉杆(5)、第一制冷机(6)、液氦冷凝 制冷机(7)、失超爆破阀门(8)、第二制冷机(9)、外真空容器(10)、80K防辐射屏(11)、40Κ 防辐射屏(12)、环形梁支撑结构(13)、吊装轮(14)、抽气孔(15)、底部鞍形支架(16)、轴向 限制拉杆(17)、热辐射屏(18)、磁场均勻度补偿线圈(19)和液氦冷凝器(20)；主线圈(1) 和磁场均勻度补偿线圈(19)组成超导磁体(30)，主线圈(1)和磁场均勻度补偿线圈(19) 采用NbTi/Cu超导线材绕制；磁场均勻度补偿线圈(19)在主线圈(1)的外表面同轴绕制； 超导磁体(30)通过吊装拉杆(5)吊装放置于低温容器O)内部，低温容器( 存储液氦 ⑷；低温容器⑵具有室温空间⑶；在低温容器⑵外表面周围放置40K防辐射屏(12)， 在40K防辐射屏(12)外表面周围放置80K防辐射屏(11)，80K防辐射屏(11)的外表面通 过拉杆与外真空容器(10)连接，外真空容器(10)上面安装有第一制冷机(6)、液氦冷凝制 冷机(7)、失超爆破阀门(8)和第二制冷机(9)；其中第一制冷机(6)与40Κ防辐射屏(12) 连接，第二制冷机(9)和80Κ防辐射屏(11)连接，液氦冷凝制冷机(7)与低温容器( 及位 于低温容器⑵内的液氦冷凝器00)连接；外真空容器(10)通过环形梁支撑结构(13)和 底部鞍形支架(16)获得稳定支撑；在低温容器(2)与外真空容器(10)之间的连接部分的 外表面包有热辐射屏(18)；外真空容器(10)外表面底部开有抽气孔(15)；超导磁体(30) 通过轴向限制拉杆(17)进行轴向定位，超导磁体(30)通过吊装轮(14)进行径向定位。
2.按照权利要求1所述的高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于，主线 圈(1)由从内到外同轴布置的主线圈的最内层一组线圈(21)，第二组线圈(22)，第三组线 圈(23)，第四组线圈(24)和第五组线圈05)组成；主线圈(1)按径向方向从内到外线圈 线径分为8个等级逐渐减小。
3.按照权利要求1或2所述的高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于，主 线圈的最内层一组线圈由2个同轴的密绕线圈组成，使用2种不同截面尺寸的矩形超 导线绕制；第二组线圈02)由4个同轴的密绕线圈组成，使用4种不同截面尺寸的矩形超 导线材绕制；第三组线圈03)由6个同轴的密绕线圈组成，使用3种不同截面尺寸的矩形 超导线材绕制；第四组线圈04)由6个同轴的密绕线圈组成，使用2种不同截面尺寸的矩 形超导线材绕制；第五组线圈05)由1个同轴的密绕线圈组成，使用1种截面尺寸的矩形 超导线材绕制。
4.按照权利要求1所述的高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于，所述 磁场均勻度补偿线圈(19)包括位于第五组线圈05)外表面的两端、与主线圈(1)同轴对 称布置的2个端部补偿线圈08)和位于第五组线圈05)外表面中间位置、与主线圈(1) 同轴布置的3个中部补偿线圈09)组成，其中两个端部补偿线圈08)通正向电流，产生所 需要磁场补偿，三个中部补偿线圈09)通反向电流，用来补偿高次谐波参数以提高超导磁 体(30)的均勻度。
5.按照权利要求1所述的高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于，所述 超导磁体(30)的主线圈(1)的骨架采用高强度的6061-T6铝合金材料。
6.按照权利要求1所述的高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于，所述 主线圈(1)由从内到外同轴布置的主线圈的最内层一组线圈(21)，第二组线圈(22)，第三 组线圈(23)，第四组线圈04)和第五组线圈05)以间隙为士0. 5mm以下的精度，采用整体真空浸渍技术组装在一起。
7.按照权利要求1所述的高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于，在超 导磁体系统06)外部区域布置有软铁材料制作的外铁轭结构铁磁屏蔽系统07)。
8.按照权利要求1所述的高磁场高均勻度核磁共振超导磁体系统，其特征在于，当超 导磁体(30)冷却到4K温度时，继续冷却使得低温容器O)内的压强进一步减小，使超导磁 体(30)运行在3-3.涨的温度下；当超导磁体系统运行电流和磁场达到预先设定的要求后， 再控制低温容器O)内的压强保持恒定。
全文摘要
一种具有高磁场高均匀度的核磁共振超导磁体系统，包括主线圈(1)和具有正反电流组合的磁场均匀度补偿线圈(19)，由24个使用NbTi/Cu低温超导线材绕制的超导线圈组成，在800mm的室温空间内产生9.4T磁场，可实现在300mm的范围内磁场的不均匀度小于0.1ppm。所述的超导磁体系统内部装有超导磁体和液氦(4)的低温容器(2)提供超导磁体正常运行所要求的4K低温环境。铁磁屏蔽系统使超导磁体具有好的电磁兼容性。本发明超导磁体系统具有结构紧凑，运行费用低廉的优点。
文档编号H01F6/00GK102136337SQ20101059313
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者严陆光, 戴银明, 王厚生, 王秋良, 胡新宁, 赵保志, 陈顺中 申请人:中国科学院电工研究所