一种磁共振超导磁体预失超装置和方法

摘要

本发明提供一种让磁共振成像设备中的超导磁体在充入液氦前预失超的装置和方法。在磁共振超导磁体充入液氦前，增加一个预失超的过程：在超导磁体中充入制冷剂，在其周围布置一组或几组磁体（即预失超装置），使预失超装置产生的磁场方向与超导磁体实际运行中产生的磁场方向相同并且穿过超导磁体的磁体线圈，对超导磁体的磁体线圈通电，使得超导磁体的磁体线圈在预失超装置的磁场作用下受到与在实际运行中（液氦温度下）升场时一样的安培力，释放出热量，最后撤走预失超装置。之后在超导磁体中充入液氦后升场时，能够避免失超的发生。本发明能够减少超导磁体在充入液氦后的失超次数，从而节省液氦，减少磁共振设备的维护和制作成本。

权利要求

1.一种用于磁共振超导磁体的预失超装置，所述磁共振超导磁体包括至少一个由超导金属材料制成的磁体线圈，其特征在于，所述预失超装置包括至少一个磁体，所述预失超装置为永磁体或超导磁体，所述预失超装置与所述磁共振超导磁体同轴布置，所述预失超装置布置在所述磁共振超导磁体的内部，或内部和外部，所述预失超装置可产生穿过所述磁体线圈的磁场，所述预失超装置产生的磁场方向与所述磁共振超导磁体在实际运行中液氦温度下产生的磁场方向相同；在预失超过程中，对所述磁体线圈通电并达到预失超电流，所述预失超电流的方向与所述磁共振超导磁体在实际运行中液氦温度下所述磁体线圈的电流方向一致；在预失超过程中，所述预失超装置产生的磁场强度和所述预失超电流大小要满足如下关系：所述预失超装置在所述磁体线圈周围产生的磁场强度和所述预失超电流使得所述磁体线圈受到的安培力与所述磁体线圈在实际运行中液氦温度下受到的安培力大小一致。

2.如权利要求1所述的用于磁共振超导磁体的预失超装置，其特征在于，所述预失超装置由若干个外径小于所述磁共振超导磁体内径的磁体组成，或由若干个外径小于所述磁共振超导磁体内径的磁体和一个内径大于所述磁共振超导磁体外径的磁体组成。

3.如权利要求2所述的用于磁共振超导磁体的预失超装置，其特征在于，所述外径小于所述磁共振超导磁体内径的磁体大小相同，且被分别布置于相应的磁体线圈内部。

4.一种利用如权利要求1所述的预失超装置对磁共振超导磁体进行预失超的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述预失超装置与所述磁共振超导磁体同轴布置，将所述预失超装置的磁体布置在所述磁共振超导磁体的内部，或内部和外部，使所述预失超装置产生的磁场穿过所述磁体线圈，并使所述预失超装置产生的磁场方向与所述磁共振超导磁体在实际运行中液氦温度下产生的磁场方向相同；

对所述磁共振超导磁体的磁体线圈通电，直到所述磁体线圈中的电流大小达到预失超电流后断电，所述预失超电流的方向与所述磁共振超导磁体在实际运行中液氦温度下所述磁体线圈的电流方向一致；在预失超过程中，所述预失超装置产生的磁场强度和所述预失超电流大小要满足如下关系：所述预失超装置在所述磁体线圈周围产生的磁场强度和所述预失超电流使得所述磁体线圈受到的安培力与所述磁体线圈在实际运行中液氦温度下受到的安培力大小一致；

使所述预失超装置和所述磁共振超导磁体分离。

5.如权利要求4所述的预失超方法，其特征在于，所述磁共振超导磁体的磁体线圈置于制冷剂所形成的低温环境中。

6.如权利要求5所述的预失超方法，其特征在于，所述制冷剂为液氮，被充入所述磁共振超导磁体内形成低温环境。

说明书

一种磁共振超导磁体预失超装置和方法

[0001] 【技术领域】

[0002] 本发明涉及磁共振成像（MRI）领域，尤其涉及一种减少磁共振成像设备中的超导磁体在加入液氦冷却后，升场时失超次数的装置和方法。

[0003] 【背景技术】

[0004] 在磁共振成像设备中，主磁体是一个重要的部件，是产生磁场的装置。根据磁场产生的方式，主磁体可以分为永磁体和电磁体，电磁体又可以分为常导磁体和超导磁体。

[0005] 当温度低到一定程度后，导电金属的电阻为零，称为超导状态。在磁共振成像设备中，磁体线圈为导电超导金属，在磁体线圈周围充满液氦后，磁体线圈的温度降到液氦温度（4.5K）,磁体线圈电阻为零，达到超导状态，此时可以通入很大的电流，由于没有电阻，就不会发热。由于超导磁体的超导特性，其具有如下优点：（1）相比较永磁体和常导磁体更容易产生高磁场；（2）高稳定性，磁场随时间的漂移非常小；（3）磁场均匀性高；（4）低能耗，超导线圈几乎不消耗电能。但同时超导磁体的缺点也非常明显：超导磁体中的液氦会蒸发泄漏，需要定期补给液氦，由于液氦价格昂贵，其维护和制作费用较高。因此要尽量减小超导磁体中液氦的蒸发和泄漏量，从而减小超导磁体的维护和制作费用。在磁共振成像装置的超导磁体中，失超（magnet quench），特别是超导磁体在升场（在线圈中通入电流，周围磁场强度增强至工作状态要求的磁场强度并且达到稳定状态的过程，称为升场）时的失超是引起液氦大量蒸发损失的重要因素。

[0006] 金属在低温超导状态下，若受到某些影响（如局部温度突然升高），使金属失去超导的状态，这就是“失超”。在磁共振成像设备中，磁体线圈中通有电流时，如果磁体线圈局部失超，会在失超部位产生大量的热量（失超部位电阻上升，有电流故而产生热量），为了保护超导磁体，不使失超部位因大量聚集电能而烧毁，此时会立刻加热磁体线圈其他部位，使其整体都失超，这样会使磁体线圈周围的液氦快速蒸发。超导磁体升场时，由于受到安培力的作用，其会产生轴向的位移和径向的扩张，轴向位移使得磁体线圈和线圈架产生摩擦热，径向扩张使得磁体线圈形变及与线圈架摩擦产生热量，因此超导磁体在升场过程中会产生大量的热量，此时最容易发生失超。

[0007] 现有的磁共振成像设备的超导磁体不经过预失超，超导磁体在升场过程中极其容易失超。一旦失超，液氦大量蒸发成氦气，体积急剧膨胀，为了保护装置，一般直接排出这部分氦气。而液氦价格昂贵，因此超导磁体充入液氦后在升场过程中的失超会造成极大的经济损失。

[0008] 因此，需要提出一种技术方案，避免磁共振成像设备中的超导磁体在加入液氦后的失超或减少其失超次数。

[0009] 【发明内容】

[0010] 本发明解决的问题是要提出一种磁共振超导磁体预失超装置和方法，避免超导磁体在充入液氦后升场过程中的失超，或减少超导磁体在充入液氦后的失超次数，从而节省液氦。

[0011] 为了解决上述问题，本发明提出一种用于磁共振超导磁体的预失超装置，所述超导磁体包括至少一个由超导金属材料制成的磁体线圈，其中，所述预失超装置包括至少一个磁体，所述磁体布置在超导磁体的内部或/和外部，并可产生穿过所述磁体线圈的磁场。

[0012] 进一步地，所述预失超装置的磁体为永磁体或超导磁体。

[0013] 进一步地，所述预失超装置由若干个外径小于所述超导磁体内径的磁体或/和一个内径大于所述超导磁体外径的磁体组成。

[0014] 进一步地，所述外径小于所述超导磁体内径的磁体大小相同，且被分别布置于相应的每一磁体线圈内部。

[0015] 本发明还提供一种利用所述预失超装置对所述超导磁体进行预失超的方法，其步骤如下：

[0016] （1）将所述预失超装置的磁体布置于所述超导线圈的内部或/和外部，使所述预失超装置产生的磁场穿过所述磁体线圈，并使所述预失超装置产生的磁场方向与所述超导磁体实际运行时产生的磁场方向相同；

[0017] （2）对所述超导磁体的磁体线圈通电，直到所述磁体线圈中的电流大小达到预失超电流后断电；

[0018] （3） 使所述预失超装置和所述超导磁体分离；

[0019] 进一步地，所述超导磁体中的磁体线圈置于制冷所形成的低温环境中。

[0020] 进一步地，所述制冷剂为液氮，被充入所述超导磁体内形成低温环境。

[0021] 进一步地，将所述预失超装置的磁体布置于超导线圈的内部或/和外部，所述预失超装置的磁体的中心和所述超导磁体的中心重合。

[0022] 进一步地，在预失超过程中所述磁体产生磁场的磁场强度和所述预失超电流的大小要满足以下关系:，其中为在预失超过程中所述预失超装置产生的磁场在所述超导磁体的磁体线圈周围的磁场强度，为所述预失超电流的大小，为所述超导磁体在超导状态下产生的磁场强度，为在超导状态下产生时所述超导磁体的磁体线圈中通过的电流大小。进一步地，预失超装置产生的磁场方向与超导磁体在实际运行中产生的磁场方向相同，预失超电流的方向与产生磁场的电流的方向相同。

[0023] 本发明对比现有技术有如下的有益效果：在超导磁体尚未正式运行前，先对其模拟失超的情形，而在超导磁体中充入液氦后，在升场时能够避免失超的发生，从而减少超导磁体在充入液氦后的失超次数，达到节省液氦的目的。

[0024] 【附图说明】

[0025] 图1是磁共振超导磁体的结构示意图；

[0026] 图2是超导磁体产生的磁场方向示意图；

[0027] 图3是超导磁体的磁体线圈在磁场作用下受到的安培力示意图；

[0028] 图4是超导磁体的磁体线圈在升场时产生热量与线圈变化的示意图；

[0029] 图5和图6是实施例一中的在超导磁体内部加入一个磁体后产生的磁场示意图；

[0030] 图7是本发明实施例一中的磁体线圈在加入磁体后的轴向及径向受力示意图；

[0031] 图8是在磁共振超导磁体的内部加入若干个磁体后产生的安培力示意图；

[0032] 图9是预失超方法的工作流程框图；

[0033] 图10是本发明实施例二的预失超装置示意图。

[0034] 图11是本发明磁共振超导磁体预失超装置结构示意图。

[0035] 【具体实施方式】

[0036] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

[0037] 现有的磁共振成像设备中的超导磁体结构如图1所示，由磁体线圈101，线圈架102，罐体103，防热辐射层104和真空层外层105组成，整个超导磁体为圆环体形状。磁体线圈101为超导金属材料，其绕制在线圈架102上，磁体线圈101通电后，产生的磁场方向如图2所示。

[0038] 通电导线在磁场中会受到作用力，称为安培力，安培力的大小为：,其中为电流方向与磁场方向间的夹角，安培力的方向由左手定则判定。超导磁体中的磁体线圈在液氦温度下工作时，由于磁场的作用，受到的安培力可以分解为两个互相垂直的力（只讨论磁体线圈整体受到的力，内部的张力不讨论）：轴向力，方向指向超导磁体中心；径向力，方向指向磁体线圈外。如图3所示，图3（a）为磁体线圈在B1方向的磁场作用下，受到的轴向力F；图3（b）为磁体线圈在B2方向的磁场作用下，受到的径向力F。轴向力使磁体线圈产生轴向的位移，位移过程中与线圈架摩擦从而产生摩擦热；径向力使磁体线圈产生径向的扩张形变，材料的形变会释放出热量。总之，在超导磁体的升场过程中，会产生热量，当某一时刻磁体线圈的某一部位产生的热量达到一定值时，该部位失超，失超部位的电阻上升，产生更大的热量，又会引发其他部位也失超，最终导致整个超导磁体都失超，产生大量的热，使液氦快速蒸发成氦气。

[0039] 在关于超导磁体升场过程的实验中发现，磁体线圈在安培力的作用下，发生位移扩张，撤走力，之后再受同样的安培力时，不会产生第一次位移扩张时的热量或产生的比较小。其具体过程如图4所示，其中坐标系横轴表示磁体线圈在安培力作用下扩张位移的程度a，磁体线圈在达到横轴a上的f点时表示超导磁体完成升场，即超导磁体的磁体线圈中的电流达到要求的值，此时磁体线圈受安培力作用位移扩张也达到最大，一般来说，在到达此位置后就不会再产生位移扩张引起的热量，坐标系纵轴表示在此过程中产生的热量Q。图4（a）是磁体线圈受安培力作用第一次位移扩张的过程，磁体线圈在此过程中先是产生三次小的热量，到达 d点时，突然产生一个大热量，此大热量超过临界值，引起超导磁体的失超；
图4（b）是磁体线圈受安培力作用第二次位移扩张的过程，位移扩张到达d点时，并不会产生和第一次过程时一样的大热量而引起失超，磁体线圈继续位移扩张，达到e点时才会再次产生大热量引起失超；图4（c）是磁体线圈受安培力作用第三次位移扩张的过程，在这次过程中，磁体线圈扩张位移到达d和e点时，都不会产生与第一次过程和第二次过程时一样的大热量而引起失超，磁体线圈继续位移扩张，直到达到磁体线圈位移扩张所能达到的最大位置f点并完成升场，都没有产生大热量，因此第三次位移扩张的过程中不会引起失超。
由图4可以得出结论：升场时，磁体线圈受安培力作用而位移扩张的过程中，磁体线圈再次到达上次失超所在的位置时不会再次失超，即在同一个位置不会重复产生两次大热量，并且产生大热量的位置随着位移扩张过程次数的增加而不断延后直到位移扩张到最大程度都不会产生大热量引起失超。至于产生这一现象的原因应该是多方面共同造成的，还没有专门的研究过，可能主要是材料的某些不可逆的形变造成的，也可能是其他原因造成的。

[0040] 此发明的一个重要构思就是在超导磁体充入液氦前，增加一个预失超的过程，模拟磁体线圈在实际运行中（液氦温度下）升场时受安培力位移扩张并产生热量的过程，让图4中第一次和第二次过程（即图4（a）和图4（b））中产生大热量引起失超的情况在预失超过程中就发生，而在超导磁体充入液氦后升场时直接完成第三次过程（即图4（c）），避免超导磁体在充入液氦后升场过程中的失超，从而减少液氦的浪费。在超导磁体充入液氦前模拟磁体线圈在实际运行中升场时受安培力作用而位移扩张并产生热量的过程，可以通过不同方式实现。需要注意的是，图4中所述过程只是为了更好地描述此现象而列举的一个特例，即假设会有两次失超，在实际情况中，某个超导磁体会有几次失超是不确定的，可能没有，也可能会有很多次,这和制作超导磁体时的制作效果有关，每个超导磁体都是不一样的。虽然在超导磁体失超前不能确定其可能发生失超的次数，但是某个超导磁体由于升场时安培力作用引起的失超次数是固定的，即每个超导磁体都有一个由于升场时安培力作用引起的失超次数（不管失超是在液氦还是在液氮中或者其他情况下发生的），这个失超次数对于每个超导磁体来说都是唯一且不会变化的，发生过这个次数的失超之后该超导磁体不会再发生失超。一般在实际运行中通过观察液氦的蒸发量来判断是否失超，同理在预失超过程中也可以通过观察液氮的蒸发量来判断是否失超。

[0041] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0042] 实施例一

[0043] 要在超导磁体充入液氦前，模拟磁体线圈在实际运行中（液氦温度下）升场时受安培力作用位移扩张并产生热量的过程，就要使磁体线圈同时受到与在实际运行中一样的轴向力及径向力，需要使磁体线圈处在与超导磁体自身产生的磁场相同的磁场中，并且其电流方向也要与实际运行中一致。因此制作一个磁体（可以是永磁体也可以是超导磁体），其外径小于磁共振超导磁体的内径，将其放置在超导磁体的内部，并且使其和超导磁体同轴(即预失超装置的磁体的中心和超导磁体的中心重合),产生的磁场如图5所示。此磁体5（定义为内磁体）对磁体线圈产生的磁场等效于图6所示的磁场。磁体线圈通电后，在此磁场的作用下受力情况如图7所示。即在磁体线圈内部放入一个磁体后，磁体线圈同时受到向内的轴向力，及向外的径向力，受力方向等效于磁体线圈在液氦温度下实际运行时的情况。由于磁共振成像设备的超导磁体中有多个磁体线圈，所以在每个磁体线圈间都放入一个磁体，整体效果如图8所示，受力方向与磁共振成像设备实际运行时线圈受力方向一致，作用力大小也要与实际运行中一致，根据安培定律,可以推导出在预失超过程中预失超装置产生的磁场强度和对磁共振超导磁体通电的电流大小要满足以下关系:，其中为在预失超过程中预失超装置（即磁体5）产生的磁场在磁共振超导磁体的磁体线圈101周围的磁场强度，为在预失超过程中对磁共振超导磁体1的磁体线圈通电达到最大的电流大小（即预失超电流），为磁共振超导磁体1在超导状态下产生的磁场强度（即磁共振成像设备的主磁场大小），为磁共振超导磁体1在超导状态下产生时磁体线圈中通过的电流大小。

[0044] 磁共振成像设备中的超导磁体预失超工作流程如图9所示，具体的步骤为：

[0045] （1）步骤901：在磁共振超导磁体中充入液氮形成低温环境。在具体实施中该步骤可以省略，即磁体线圈在常温下完成下面的步骤，但是将磁体线圈置于液氮形成的低温环境中有如下效果：使磁体线圈冷却后电阻下降，能通入的电流更大，这样相对来说可以减小外部磁场强度；用液氮把摩擦时产生的热量带走，同时通过观察是否有大量氮气排出可以判断是否产生会引起失超的大热量。因此优选地需要有该步骤；

[0046] （2）步骤902：对内磁体的磁体线圈通电，使其产生磁场。对于永磁体则不需要这一步；

[0047] （3）步骤903：将内磁体装入磁共振超导磁体内，使内磁体和超导磁体同轴，内磁体的磁场方向和超导磁体实际运行中产生的磁场方向一致；

[0048] （4）步骤904：对磁共振超导磁体的磁体线圈通电，使磁体线圈中的电流大小达到预失超电流后断电。该步骤可以进行一次，也可以重复多次直到通过观察液氮的蒸发量确认不会再发生失超；

[0049] （5）步骤905：撤出预失超装置（或把磁共振超导磁体退出预失超装置），使预失超装置和磁共振超导磁体分离；

[0050] 实施例二

[0051] 在液氦温度下实际运行中，由于磁体线圈处于超导状态，所以其中电流非常大，可以到达。在预失超时，由于磁体线圈未超导，所以磁体线圈中所能通入的电流较小，所以必须增大预失超装置产生的穿过磁体线圈的磁场强度(即B(1))，才能达到与液氦温度下实际运行时一样的效果。

[0052] 为了增加预失超时穿过磁体线圈的磁场强度，可在实施例一的基础上，在超导磁体外部再增加一个磁体10（定义为外磁体），产生通过磁体线圈的磁场，以增加磁体线圈受力，如图10和图11所示。增加的磁体10的内径大于磁共振超导磁体1的外径，因此可以套在超导磁体的外部，可以增加预失超时穿过磁体线圈的磁场强度。

[0053] 外磁体10产生的轴向磁场B2能增大线圈所受的径向力，使其更大地扩张。而在实际运行中升场时失超的情况中，径向扩张造成形变引起失超的原因较大。此时若能让磁体线圈在径向扩张到和实际工作时一样大，在扩张过程中会产生形变，产生大量的热，在之后充入液氦后，对超导磁体升场的过程中，磁体线圈再扩张时，就能在很大程度上避免此热量的生成，防止失超。

[0054] 本发明中，各实施例采用递进式写法，重点描述与前述实施例的不同之处，各实施例中的相同方法或结构参照前述实施例的相同部分。

[0055] 本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。