超導(dǎo)磁體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超導(dǎo)磁體，該超導(dǎo)磁體用于磁共振成像(MRI)或磁共振波普(MRS)。磁體具有多個不連續(xù)的鈮?鈦超導(dǎo)體線圈，鈮?鈦超導(dǎo)體線圈沿共同的中心軸線縱向布置并且在使用時產(chǎn)生第一磁場，第一磁場具有沿不連續(xù)的線圈徑向向內(nèi)的至少5特斯拉的高場區(qū)域。至少兩個鈮?錫超導(dǎo)體線圈沿共同的中心軸線設(shè)置并且每個鈮?錫超導(dǎo)體線圈均設(shè)置在第一磁場的高場區(qū)域中，在使用時每個鈮?錫超導(dǎo)體線圈分別產(chǎn)生第二磁場，第二磁場與第一磁場組合產(chǎn)生合成磁場，合成磁場的場強(qiáng)在共同的中心軸線的位置高于第一磁場的場強(qiáng)。磁體布置為在每個鈮?錫線圈與最接近各個鈮?錫線圈的鈮?鈦線圈之間具有徑向間隔，并且穿過線圈的軸向孔具有至少150mm的直徑。
【專利說明】
超導(dǎo)磁體
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁體。具體地說，本發(fā)明涉及一種用于MRI或MRS的超導(dǎo)電磁體。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)磁體主要用于醫(yī)學(xué)成像。例如，超導(dǎo)電磁體是目前在MRI(磁共振成像)和MRS(磁共振波普)設(shè)備中最常使用的磁體類型，同時超導(dǎo)電磁體也常用于NMR(核磁共振)波普。在這些應(yīng)用中，超導(dǎo)電磁體通常布置成一個或多個線圈(即，將超導(dǎo)線材纏繞成圓筒狀并使每個線圈具有特定的匝數(shù))，一個或多個線圈具有共同的中心縱軸線。任何特定的磁體裝備的一個或多個線圈典型地構(gòu)造為在線圈中心(這種區(qū)域常常布置為孔)產(chǎn)生高度均勻的磁場。
[0003]在此，術(shù)語“線圈”通常被視為纏繞成具有重疊繞組的環(huán)形形狀的一段超導(dǎo)材料，繞組緊密地纏繞在一起并且在使用時使共同電流流過繞組。通常，超導(dǎo)體材料具有絕緣材料覆蓋物，并且僅覆蓋物使單個線圈的繞組隔離。超導(dǎo)磁體的線圈被保持在具有縱向孔的低溫恒溫器中，該縱向孔以線圈的共同中心縱軸線為中心并且沿該共同中心縱軸線延伸。低溫恒溫器還包括隔熱性，并且通常包括用于諸如氦或氮等低溫流體的腔體。這是由于超導(dǎo)磁體要求冷卻到超低溫以便用作超導(dǎo)磁體。
[0004]常用的超導(dǎo)電磁體材料是鈮-鈦(NbTi)。鈮-鈦線圈用作超過一定場強(qiáng)范圍的MRI掃描儀和MRS掃描儀的超導(dǎo)電磁體。例如，鈮-鈦可用于臨床應(yīng)用的MRI掃描儀，臨床應(yīng)用的MRI掃描儀具有約1.5特斯拉(T)的典型場強(qiáng)。已知更高場強(qiáng)的臨床系統(tǒng)，并且更高場強(qiáng)的臨床系統(tǒng)趨向于具有約3T的場強(qiáng)。具有約7T的場強(qiáng)的磁體一般僅用在臨床領(lǐng)域以外(諸如用于研究等)，這是由于目前具有約7T的場強(qiáng)度的磁體一般不允許用于臨床應(yīng)用/目的。
[0005]隨著所需場強(qiáng)的增加，由于需要更多的線圈并且需要更大的冷卻裝備，因而導(dǎo)致掃描儀尺寸的增加。例如，對于使用鈮-鈦線圈的高場強(qiáng)度(例如5T)的MRI掃描儀，需要大約50000升液氦以使線圈冷卻到運(yùn)行基準(zhǔn)溫度，在冷卻處理期間大量的液氦汽化并被回收。一旦進(jìn)行了冷卻，溫度就需要可靠地保持在運(yùn)行基準(zhǔn)溫度并且盡可能長時間地保持。這種高場掃描儀的尺寸導(dǎo)致了運(yùn)輸、冷卻和運(yùn)行掃描儀的費(fèi)用增加。
[0006]當(dāng)使用鈮-鈦時，布置有線圈的設(shè)備的尺寸增加，這是由于在場強(qiáng)大于5T的情況下，通常需要“補(bǔ)償”螺線管構(gòu)造(例如在圖1中所示的構(gòu)造)以便維持低的“Bo比率，其中
線圈中的導(dǎo)體經(jīng)受的峰值局部場強(qiáng)，且Bo是掃描儀的成像體積中的場強(qiáng)。這是因為市售的鈮-鈦導(dǎo)體在4.2卡爾文(K)下具有小于大約1T的Bpe3ak，因此需要仔細(xì)設(shè)計以避免導(dǎo)致磁體失超的峰值磁場。
[0007]補(bǔ)償螺線管磁體通常包括一根螺線管圍繞另一根螺線管的嵌套式螺線管，以及圍繞著嵌套式螺線管的補(bǔ)償線圈。補(bǔ)償線圈提高了由有限長度的螺線管線圈產(chǎn)生的場的均勻性。然而，這使得補(bǔ)償螺線管磁體極其地龐大和沉重，從而導(dǎo)致建造、運(yùn)輸和安裝補(bǔ)償螺線管磁體十分昂貴。
[0008]期望的是使用以下方式獲得具有相當(dāng)?shù)木鶆蛐缘拇艌?使用不連續(xù)的線圈幾何形狀(即，使用若干獨(dú)立線圈，每個線圈具有特定匝數(shù)并且沿共同的中心縱軸線彼此相鄰地布置)來代替使用補(bǔ)償螺線管磁體。這將使設(shè)備的尺寸大大減小。遺憾的是，為實現(xiàn)類似的場強(qiáng)度，超導(dǎo)體中的峰值局部場將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鈮-鈦超導(dǎo)體的運(yùn)行能力。
[0009]此外，由于增加了制冷劑的費(fèi)用，趨向于使用盡可能更少量的制冷劑。事實上，在某些環(huán)境下，制冷劑的使用既不合適也不可接受。這樣，當(dāng)需要較高的場強(qiáng)時，維持足以可靠使用鈮-鈦材料的低的運(yùn)行溫度常常是一項挑戰(zhàn)。該問題產(chǎn)生的原因是鈮-鈦具有低的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。在不施加任何場的情況下，鈮-鈦的臨界溫度為9.3K。在以大于約5T場強(qiáng)運(yùn)行的超導(dǎo)磁體的工作電流和背景場下，將超過鈮-鈦的轉(zhuǎn)變溫度，并且很可能超過臨界場。
[0010]因此，期望產(chǎn)生超高場MRI和MRS磁體(例如場強(qiáng)超過5T)，該磁體具有易于運(yùn)輸、安裝和冷卻的可行尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于磁共振成像(MRI)或磁共振波普(MRS)的超導(dǎo)磁體，包括:
[0012]多個不連續(xù)的鈮-鈦(合金)超導(dǎo)體線圈，其沿共同的中心軸線縱向布置并且在使用時產(chǎn)生第一磁場，第一磁場具有沿所述不連續(xù)的線圈徑向向內(nèi)的至少5特斯拉的高場區(qū)域；
[0013]至少兩個鈮-錫(合金)超導(dǎo)體線圈，其沿共同的中心軸線設(shè)置并且每個鈮-錫超導(dǎo)體線圈均位于第一磁場的高場區(qū)域中，在使用時每個鈮-錫超導(dǎo)體線圈分別產(chǎn)生第二磁場，第二磁場與第一磁場組合產(chǎn)生合成磁場，合成磁場的場強(qiáng)在共同的中心軸線的位置高于第一磁場的場強(qiáng)，其中
[0014]每個鈮-錫線圈與最接近相應(yīng)鈮-錫線圈的鈮-鈦線圈之間具有徑向間隔，并且穿過線圈的軸向孔具有至少150mm的直徑。
[0015]基本上，本發(fā)明是一種在MRI或MRS中使用的混合超導(dǎo)磁體，其中不連續(xù)的鈮-鈦線圈與位于高場區(qū)域中的不連續(xù)的鈮-錫(例如Nb3Sn)線圈一起使用，從而提供直徑足以容納人類肢體、動物或其它大型掃描對象的孔。
[0016]本發(fā)明還允許在例如能夠掃描人類對象的磁體系統(tǒng)上使用高場強(qiáng)的同時使整個磁體系統(tǒng)的尺寸最小化。緊湊的幾何形狀能夠降低運(yùn)輸、安裝和冷卻磁體系統(tǒng)的成本。
[0017]應(yīng)理解的是，對于1.5T和3T鈮-鈦磁體，不需要螺線管，而是使用多個不連續(xù)的線圈。這可能是因為每個線圈的局部場大大低于鈮-鈦在4.2K下的大約1T的最大能力(容量)。例如，3T鈮-鈦超導(dǎo)磁體可以可靠地由多個不連續(xù)的線圈構(gòu)造，每個線圈具有大致5T的局部場。在單獨(dú)使用鈮-鈦時，較高場的實現(xiàn)會導(dǎo)致一些問題。通過將鈮-錫線圈放置在鈮-鈦線圈的“不連續(xù)線圈幾何形狀”的高場位置中，我們認(rèn)識到在鈮-鈦線圈無需達(dá)到最大能力的情況下就可以提高合成磁場。
[0018]基本上，該超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，與在不連續(xù)線圈結(jié)構(gòu)中僅使用鈮-鈦相比，該超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)能夠獲得更高的場強(qiáng)并且減少使磁體冷卻到運(yùn)行溫度所需的制冷劑的量。在某種程度上，這是由于鈮-錫具有約18.3K的臨界溫度，該臨界溫度高于鈮-鈦的轉(zhuǎn)變溫度。
[0019]然而，鈮-錫是一種很難在超導(dǎo)磁體線圈中使用的材料。這是因為，對于能夠用作超導(dǎo)磁體的鈮-錫線圈而言，鈮-錫需要在纏繞為線圈幾何形狀后在700°C的真空中反應(yīng)，這使得鈮-錫超導(dǎo)磁體更加難以生產(chǎn)。此外，一旦鈮-錫進(jìn)行了反應(yīng)(即烘烤)，鈮-錫會變脆，如果不足夠小心會使鈮-錫會易碎和易斷裂。這些問題導(dǎo)致很難想象在商用規(guī)模的超導(dǎo)磁體(特別是較高場的磁體)中使用鈮-錫材料。
[0020]每個線圈可嵌入主體中，或可以一些其它方式支撐，諸如由單獨(dú)的結(jié)構(gòu)支撐等，在每種情況下支撐都能夠承受在運(yùn)行期間在磁體中產(chǎn)生的力。每個線圈可由其各自的線圈架支撐，或者鈮-鈦線圈可全部支撐在一個共同的線圈架上，而鈮-錫線圈全部支撐在另一共同的線圈架上。然而，超導(dǎo)磁體典型地還包括圓筒狀的線圈架，(每個材料類型的)線圈沿所述線圈架設(shè)置，線圈架適于將每個線圈保持在位。圓筒形線圈架的使用允許全部線圈相對于共同的主體定位，從而減少對準(zhǔn)和一些其它可能出現(xiàn)的制造問題。這轉(zhuǎn)而提高了孔中磁場的均勻性。
[0021]每個線圈可利用諸如浸沒繞組的可固化樹脂等粘合劑保持在線圈架上。還可以預(yù)期的是替換地或者額外地使用與線圈架連接的其它形式，諸如線材過緊捆綁或者其它形式的捆扎或支撐等。為了有助于線圈以其優(yōu)選的幾何形狀附接和定位，典型地一個或多個線圈設(shè)置在線圈架的凹陷部中。
[0022]通過將每個線圈設(shè)置在凹陷部中，能夠根據(jù)磁體的期望設(shè)計實現(xiàn)每個線圈的精確定位。這也確保了在使用期間或運(yùn)輸和安裝期間線圈的位置都不發(fā)生變化。
[0023]根據(jù)高場區(qū)域的位置，用于每個鈮-錫線圈的凹陷部可以設(shè)置在沿線圈架的長度的任何位置。典型地，磁體系統(tǒng)設(shè)計成:線圈架的每個端部均具有凹陷部，凹陷部具有向線圈架的端部敞開的凹陷部的一側(cè)，在每個凹陷部中均布置有至少一個鈮-錫線圈。因此，在這種情況下凹陷部可被視為由線圈架半徑的一級變化表示，從而限定出凹陷部的區(qū)域。這使得鈮-錫線圈可以彼此獨(dú)立地烘烤并且可以與線圈架獨(dú)立地烘烤，因為使每個鈮-錫線圈的凹陷部位于線圈架的端部并且凹陷部的一側(cè)朝該端部敞開意味著在對線圈進(jìn)行熱處理之后各個鈮-錫線圈可以滑入到線圈架上的位置中。
[0024]全部線圈(即鈮-鈦線圈和鈮-錫線圈)可以設(shè)置在線圈架的外側(cè)的周圍，或者全部的線圈可以設(shè)置在線圈架的內(nèi)側(cè)的周圍，或者內(nèi)側(cè)與外側(cè)相組合，例如，使至少兩個線圈位于線圈架的內(nèi)側(cè)并且至少兩個線圈位于線圈架的外側(cè)(不考慮線圈的類型)。典型地，鈮-鈦線圈布置在線圈架的外側(cè)并且鈮-錫線圈布置在線圈架的內(nèi)側(cè)。因此，鈮-錫線圈可以相對于鈮-鈦線圈更靠近孔。這種結(jié)構(gòu)允許在超導(dǎo)磁體運(yùn)行的同時維持磁場形狀。在超導(dǎo)狀態(tài)下使用時，線圈中的電流方向為鈮-鈦線圈生成負(fù)環(huán)向應(yīng)力(即向內(nèi)拉以減少線圈半徑)而在載有超導(dǎo)電流時鈮-錫線圈具有正環(huán)向應(yīng)力(即向外推以增大線圈半徑)。這是因為，對于較大半徑上的繞組，場的軸向分量通常相反。這樣，兩種類型的線圈均推壓在線圈架上而不是背離線圈架。通過將線圈推壓在線圈架上，可以保持每個線圈的形狀，從而確保了磁場的均勻性。
[0025]優(yōu)選地，由于線圈架可被加熱以使孔徑膨脹到允許鈮-錫線圈插入到線圈架中，因此將鈮-錫線圈設(shè)置在線圈架內(nèi)側(cè)還允許鈮-錫通過“收縮-配合”工藝安裝到線圈架上。然后，隨著線圈架冷卻，線圈夾持在線圈架上。
[0026]線圈架可以是在使用時強(qiáng)度足以支撐線圈的任何非磁性材料。適當(dāng)?shù)牟牧蠟閵W氏體不銹鋼。作為選擇，使用鋁作為線圈架能確保線圈架較輕，同時也能夠承受施加在線圈架上的力。這使得超導(dǎo)磁體易于運(yùn)輸。
[0027]可設(shè)置接頭屏蔽件，所述接頭屏蔽件與鈮-錫超導(dǎo)體線圈中的至少一者用導(dǎo)線串聯(lián)連接。鈮-錫超導(dǎo)接頭需要設(shè)置在非常低的背景磁場中，并且如果沒有可供使用的低磁場位置，通常(盡管不總是)必須將這些接頭設(shè)置在超導(dǎo)屏蔽中?？墒褂弥T如獨(dú)立支架線圈或鑄造為超導(dǎo)體的固體件等獨(dú)立支架接頭屏蔽件，由于磁體是斜的，所以獨(dú)立支架接頭屏蔽件通過與其它線圈互感而累積電流。然而，除了依賴互感以外，使接頭屏蔽件與超導(dǎo)磁體用導(dǎo)線串聯(lián)可以在接頭屏蔽件中提供了更加可預(yù)見的電流，并且在接頭上獲得已知的、恒定的以及可靠的屏蔽作用。
[0028]接頭屏蔽件可具有亥姆霍茲(Helmholtz)線圈的構(gòu)造。也可以以有源的方式對接頭屏蔽件進(jìn)行屏蔽(或?qū)嶋H上對整個超導(dǎo)磁體進(jìn)行屏蔽)以減少接頭上的洛倫茲(Lorentz)力并且使對接頭屏蔽件可能具有的磁均勻性的影響降到最小。
[0029]超導(dǎo)磁體可通過使用制冷劑(例如，液氦或部分液氮)并且根據(jù)用于冷卻作用的汽化潛熱原理進(jìn)行冷卻。然而，優(yōu)選的使用低溫冷卻機(jī)(機(jī)械制冷機(jī))來冷卻超導(dǎo)磁體，因而設(shè)置有填充冷卻劑的冷卻回路(例如包括再凝結(jié)系統(tǒng))，或者甚至單獨(dú)使用傳導(dǎo)來冷卻，因而不依賴低溫流體的存在，從而不需要儲存/從超導(dǎo)磁體中回收低溫材料。
[0030]至少兩個鈮-錫線圈能夠相對于多個不連續(xù)的鈮-鈦線圈獨(dú)立地通電。這允許獨(dú)立地控制鈮-錫線圈與鈮-鈦線圈。這是有益的，因為獨(dú)立控制允許在對每種線圈最適當(dāng)/最有效的條件下(諸如施加的電流大小等)運(yùn)行這種線圈，而不必局限于在與其它線圈類型相同的條件下運(yùn)行。
[0031]當(dāng)然，鈮-錫線圈和鈮-鈦可以共同地通電，這是有益的，因為這允許使用更簡單的控制系統(tǒng)。
[0032]可連接至少兩個鈮-錫線圈和多個不連續(xù)的鈮-鈦線圈，從而使共同的電流施加在所述線圈上。這使得能夠同時地控制線圈并且使用單個電源，因而簡化了超導(dǎo)磁體的控制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0033]現(xiàn)在參考附圖對根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)磁體的一些實例進(jìn)行描述，在附圖中:
[0034]圖1示出了沿現(xiàn)有技術(shù)的超導(dǎo)磁體的長度截取的示意性剖視圖；
[0035]圖2示出了可選的現(xiàn)有技術(shù)的超導(dǎo)磁體的示意性剖視圖；
[0036]圖3示出了沿超導(dǎo)磁體的長度截取的本發(fā)明的第一實例的剖視圖；
[0037]圖4示出了從圖3中的方向A觀看的圖3中所示第一實例的剖視圖；
[0038]圖5示出了本發(fā)明的另一實例的剖面透視圖；
[0039]圖6示出了沿超導(dǎo)磁體的長度截取的本發(fā)明的另一實例的剖視圖；
[0040]圖7示出了沿超導(dǎo)磁體的長度截取的本發(fā)明的另一實例的剖視圖；并且[0041 ]圖8示出了從圖7中的方向B觀看的圖7中所示實例的剖視圖。
【具體實施方式】
[0042]由于此處所描述的超導(dǎo)磁體的實例允許超導(dǎo)磁體在具有與已知超導(dǎo)磁體相當(dāng)?shù)膱鰪?qiáng)的情況下比已知超導(dǎo)磁體更輕且更緊湊，因此此處所描述的超導(dǎo)磁體的實例代表了相對于已知超導(dǎo)磁體的進(jìn)展。與尺寸相當(dāng)?shù)囊阎瑢?dǎo)磁體相比，此處所描述的超導(dǎo)磁體的實例還能夠產(chǎn)生更高的場強(qiáng)。這可以通過使用至少兩種不同類型的超導(dǎo)電磁體形成混合磁體來實現(xiàn)。
[0043]如早先提到的，用于MRI和MRS的常規(guī)的超導(dǎo)磁體基于圖1中所示的“補(bǔ)償螺線管構(gòu)造”，而常規(guī)的超導(dǎo)磁體使用鈮-鈦線圈并且在5T或更大的場強(qiáng)下運(yùn)行。圖1示出了超導(dǎo)磁體1000，超導(dǎo)磁體1000具有纏繞在線圈架1002周圍的鈮-鈦螺線管1001，線圈架1002具有穿過其中的孔1003。
[0044]在一些補(bǔ)償螺線管超導(dǎo)磁體中，可能有若干螺線管。螺線管是嵌套起來的(即，螺線管形成具有共同的中心縱軸線的同心圓筒，諸如在圖1中的軸線1004)，這樣可以提供較高的場強(qiáng)。在圖1中，只有一個螺線管線圈，在該螺線管線圈周圍設(shè)置有若干補(bǔ)償線圈1005。這些補(bǔ)償線圈均纏繞在第二線圈架1006上，從而提供與纏繞有螺線管1001的線圈架1002獨(dú)立的支撐。補(bǔ)償線圈1005均為不連續(xù)的線圈(分離的線圈)，每個補(bǔ)償線圈1005均具有特定的匝數(shù);第二線圈架呈裝配在第一線圈架周圍的中空圓筒的基本形狀，且第二線圈架的中心縱軸線與螺線管的中心縱軸線1004共線。
[0045]為了容納超導(dǎo)磁體1000的邊緣磁場，超導(dǎo)磁體還具有由第三線圈架1008支撐的屏蔽線圈1007。屏蔽線圈1007是與螺線管和補(bǔ)償線圈分離的。
[0046]當(dāng)使用鈮-鈦線圈時，這種形式的超導(dǎo)磁體可產(chǎn)生具有5T或更大的強(qiáng)度的磁場。然而，這種超導(dǎo)磁體太大而難以運(yùn)輸、安裝和冷卻到適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行溫度。這是因為需要大量的鈮-鈦并且具有若干保持線圈的單獨(dú)的線圈架。這使得這種超導(dǎo)磁體不能在許多應(yīng)用中使用。由于鈮-鈦線圈的運(yùn)行限制，即使使用鈮-鈦制造的最強(qiáng)補(bǔ)償螺線管超導(dǎo)磁體，在4.2K下也只具有約1T的最大磁場強(qiáng)度。
[0047]通過改變超導(dǎo)磁體的構(gòu)造，可以減少超導(dǎo)磁體的尺寸和重量。例如，通過使用如圖2所示的“不連續(xù)的線圈幾何形狀”，則可以不需要沿超導(dǎo)磁體的整個長度延伸的單個大螺線管。基于如圖2所示的不連續(xù)的線圈幾何形狀的超導(dǎo)磁體2000具有多個獨(dú)立線圈2001(每個獨(dú)立線圈2001具有指定的匝數(shù))，而不是具有單個大螺線管。獨(dú)立線圈通常被保持在單個線圈架2002上，與圖1中的補(bǔ)償螺線管超導(dǎo)磁體相同，線圈架2002具有孔2003，孔2003穿過線圈架2002的中心并且確保每個線圈各自的旋轉(zhuǎn)對稱軸線均沿共同的中心軸線2004對準(zhǔn)。為實現(xiàn)期望的場分布，每個線圈的匝數(shù)和形狀都經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計，從而使得每個線圈對整個合成磁場作出適當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。
[0048]與圖1中所示的超導(dǎo)磁體一樣，具有不連續(xù)的線圈幾何形狀的超導(dǎo)磁體也可具有屏蔽線圈2005，屏蔽線圈2005被保持在位于不連續(xù)線圈周圍的線圈架2006上。
[0049]在不連續(xù)線圈結(jié)構(gòu)中使用鈮-鈦線圈時遇到的問題是在磁體孔中可達(dá)到的最大場強(qiáng)度為約3T至5T。這是因為，在4.2K、峰值場強(qiáng)(Bpeak)容量小于約1T的情況下，由于隨著各個超導(dǎo)線圈之間距離的增加而提供的場強(qiáng)減少，所以當(dāng)使用不連續(xù)的線圈幾何形狀時鈮-鈦不能在磁體孔中生成更高的合成場強(qiáng)。在4.2K下不能實現(xiàn)更高的場強(qiáng)的原因在于在大于該場強(qiáng)的情況下不能維持超導(dǎo)電流。
[0050]峰值場極限的物理原因是在線圈內(nèi)的局部峰值場可以大致高于在磁體的孔中的工作場。這是由于由每個給定的超導(dǎo)線圈經(jīng)受的場是由構(gòu)成超導(dǎo)磁體的全部超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場的聯(lián)合作用。為了在磁體的中心(即，穿過孔/在孔中)產(chǎn)生具有盡可能高的均勻性的場，需要構(gòu)造超導(dǎo)磁體的幾何形狀使得場大致在孔的端部提高。當(dāng)超導(dǎo)磁體具有短的軸向長度時尤其是這樣。當(dāng)場強(qiáng)在孔的端部提高時，這使得在導(dǎo)體中，具體地在超導(dǎo)磁體的軸向端的較大的線圈中產(chǎn)生高的局部場。
[0051]然而，我們發(fā)現(xiàn)在穿過超導(dǎo)磁體的孔的孔徑等于或大于150mm的MRI和MRS的應(yīng)用中，使用具有不連續(xù)鈮-錫線圈以及不連續(xù)鈮-鈦線圈的不連續(xù)線圈幾何形狀的混合磁體能夠?qū)崿F(xiàn)較高的場強(qiáng)，同時保證超導(dǎo)磁體在整體上盡可能輕且緊湊。
[0052]這使得鈮-錫在4.2K、峰值場強(qiáng)高于1T下保持超導(dǎo)性成為可能。例如，鈮-錫在4.2K下的最大峰值場強(qiáng)大于20T。此外，鈮-錫還能夠在比鈮-鈦更高的溫度下保持超導(dǎo)性，這樣能夠使使用鈮-錫的超導(dǎo)磁體具有增大的溫度裕度。這是有益的，因為在大傳導(dǎo)冷卻磁體的情況下，根據(jù)通向低溫冷卻機(jī)的熱傳導(dǎo)路徑以及因來自結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)、輻射和例如來自MRI梯度線圈的刺激而產(chǎn)生的熱貢獻(xiàn)，存在貫穿結(jié)構(gòu)的溫度變化。通常這將使得超導(dǎo)磁體更易于失超。然而，由于使用鈮-錫的超導(dǎo)磁體來增加溫度裕度，所以這種超導(dǎo)磁體對局部溫度調(diào)整具有更好的響應(yīng)，從而不易于失超。
[0053]在圖3中示出了這種混合系統(tǒng)I的第一實例。該實例具有與圖2所示實例類似的不連續(xù)的線圈幾何形狀。在圖3中，五個鈮-鈦線圈10均纏繞在圓筒狀的線圈架12的外側(cè)。線圈架具有保持每個鈮-鈦線圈的周向凹陷部14(矩形截面)。從圖3可看出，線圈10布置為相對于平分磁體軸線的鏡像平面對稱分布?？客獾囊粚ο嗨瞥叽绲木€圈位于與線圈架12的端部相鄰的位置?？績?nèi)的一對橫截面面積較小的線圈這樣分布:每個線圈在中央鏡像平面與線圈架的相應(yīng)端部之間大致等距。剩下的第五線圈在與磁體的對稱的中心軸線平行的尺寸方向上是細(xì)長的，并且相對于其它鈮-鈦線圈在徑向上相對較窄。第五線圈設(shè)置在沿磁體的長度的中央并且在磁體的中央跨越鏡像平面。在設(shè)計超導(dǎo)磁體時，選擇這種線圈分布并選擇每個線圈的形狀、尺寸和匝數(shù)以提供期望的場分布。在本實施例中，鈮-鈦線圈的分布產(chǎn)生了具有相對較高的磁場強(qiáng)度(例如9T或更高)的區(qū)域，該區(qū)域沿徑向向內(nèi)并且與位于線圈架12的各個端部的靠外的一對線圈相鄰。
[0054]也可以將鈮-錫線圈設(shè)置在具有低場強(qiáng)度的區(qū)域。當(dāng)這樣的區(qū)域中的溫度高于
4.2K時，例如，當(dāng)通向低溫冷卻機(jī)的傳導(dǎo)路徑較長或者存在來自MRI梯度線圈的刺激而使特定區(qū)域的溫度升高時，將鈮-錫線圈設(shè)置在該區(qū)域中。
[0055]在圖3中所示的實例中，兩個鈮-錫線圈16位于由鈮-鈦線圈產(chǎn)生的磁場的高場區(qū)域。鈮-錫線圈設(shè)置在線圈架的內(nèi)表面上(該內(nèi)表面形成孔的邊界)。鈮-錫線圈保持在位于線圈架的端部的凹陷部18中。與凹陷部14具有相等徑向高度且彼此相對的平面壁不同(每個壁都具有垂直于磁體的中心軸線的平面)，在凹陷部18的情況中僅設(shè)置有一個背向磁體中央的平面壁。從而，每個凹陷部均具有向線圈架的端部“敞開”的一側(cè)，使得線圈架內(nèi)孔壁的半徑在每個凹陷部18的邊界處呈現(xiàn)出臺階式的增大，然后該半徑在線圈架的端部保持恒定。因此，用于靠外的一對鈮-鈦線圈的凹陷部14和用于鈮-錫線圈的凹陷部18(在類似的軸向位置)同軸排列。在這種情況下，鈮-錫線圈的軸向長度大于靠外的一對鈮-鈦線圈的長度，并且靠外的一對鈮-鈦線圈相對于鈮-錫線圈的軸向位置更居中。在線圈架中鈮-錫線圈與鈮-鈦線圈之間具有徑向間隔(即在徑向上的間隙)，以使它們保持徑向分離并使它們彼此不能發(fā)生機(jī)械地相互作用。
[0056]在位于線圈架內(nèi)側(cè)的鈮-錫線圈和位于線圈架外側(cè)的鈮-鈦線圈中的電流流動方向有助于將線圈保持在位。在運(yùn)行時，鈮-錫線圈徑向向外推，呈現(xiàn)出“正環(huán)向應(yīng)力”。由于鈮-錫線圈設(shè)置在線圈架的內(nèi)側(cè)，因此鈮-錫線圈推壓線圈架并且維持線圈的形狀，而不會從線圈架向外推并且因線圈相對于線圈架的運(yùn)動而產(chǎn)生變形。在鈮-錫線圈主要呈現(xiàn)出正環(huán)向應(yīng)力的同時，鈮-鈦線圈則主要呈現(xiàn)出“負(fù)環(huán)向應(yīng)力”，即鈮-鈦線圈在作為超導(dǎo)體運(yùn)行時徑向向內(nèi)拉拽。由于鈮-鈦線圈設(shè)置在線圈架的外側(cè)，鈮-鈦線圈推壓線圈架而不是像鈮-鈦線圈設(shè)置內(nèi)側(cè)那樣從線圈架向外拉拽。此外，保持兩種線圈間隔開意味著在作為超導(dǎo)體運(yùn)行時線圈彼此不會直接推擠，從而防止在使用中損壞其它線圈。
[0057]與圖2中所示的現(xiàn)有技術(shù)的超導(dǎo)磁體相同，圖3中所示的超導(dǎo)磁體的全部線圈都定位并且定向為使得線圈沿單個中心縱軸線20對準(zhǔn)，中心縱軸線20沿穿過線圈架12的孔21的中心縱向軸線延伸并與孔21的中心縱向軸線對準(zhǔn)?？椎淖钚≈睆綖?50mm，但優(yōu)選為大于150mm，由于需要額外的徑向投影距離，大于150mm的孔無疑需要更強(qiáng)的磁體以提供類似同軸場強(qiáng)。
[0058]將鈮-錫線圈定位在可由鈮-鈦線圈產(chǎn)生的磁場的高場區(qū)域中有助于提高整個超導(dǎo)磁體的場強(qiáng)。當(dāng)兩組線圈都處于超導(dǎo)狀態(tài)時，每個鈮-錫線圈產(chǎn)生的磁場均與由鈮-鈦線圈生成的磁場組合。這使得在孔中所獲得的合成場強(qiáng)提高到比在不連續(xù)的非補(bǔ)償系統(tǒng)中單獨(dú)使用鈮-鈦線圈所能達(dá)到的等級更大的等級。
[0059]根據(jù)超導(dǎo)磁體的線圈的控制方式，在一些實例中，鈮-錫線圈與鈮-鈦線圈能夠彼此獨(dú)立地通電，而在其它實例中，鈮-錫線圈和鈮-鈦線圈能夠共同地通電。當(dāng)兩個線圈共同地通電時，通常在使用中共同的電流將流過線圈。超導(dǎo)磁體的用途將很可能決定控制線圈的最適當(dāng)方法。
[0060]圖3中所示的實施例還具有設(shè)置在第二線圈架24上的屏蔽線圈22。盡管這里包括屏蔽線圈，但屏蔽線圈對在孔中產(chǎn)生磁場并不是必要的，因而屏蔽線圈可以從全部實例中排除。盡管如此，這種屏蔽線圈在降低磁體系統(tǒng)外部的雜散磁場方面實際上是有用的。從圖3和圖4(圖4示出了圖3中所示的實例的端部視圖)可看出，在保持鈮-鈦線圈和鈮-錫線圈的線圈架12與第二線圈架24之間具有空間26。線圈架的分離有助于生成超導(dǎo)磁體的有效幾何形狀。這也使得超導(dǎo)磁體的諸如超導(dǎo)片、開關(guān)、超導(dǎo)接頭以及失超保護(hù)構(gòu)件等一些構(gòu)件能夠位于線圈架之間。
[0061]為制造所描述的實例性超導(dǎo)磁體，鈮-錫線圈優(yōu)選為在安裝到線圈架上之前纏繞。這可以使用纏繞超導(dǎo)線圈的常規(guī)方法實現(xiàn)。通常將每個鈮-錫線圈纏繞在諸如線圈架(線圈架型)等臨時工具上。然后對鈮-錫進(jìn)行“烘烤”(通常在700°C或更高)，從而使所使用的線圈材料發(fā)生反應(yīng)。然后在取出工具并安裝到線圈架上之前對線圈進(jìn)行浸漬處理。然而，由于經(jīng)過了烘烤使鈮-錫線圈變脆，在將鈮-錫線圈安裝到線圈架上時需要特別小心。
[0062]由于線圈被制造成精密形狀并且精確安裝到線圈架上，為了將鈮-錫線圈安裝到線圈架上，優(yōu)選利用線圈架的熱膨脹以提供足夠的尺寸增加，從而使鈮-錫線圈安裝到線圈架上。應(yīng)理解的是，凹陷部18的形狀允許鈮-錫線圈沿軸向插入到鈮-錫線圈在凹陷部內(nèi)的位置上。在該操作期間可將線圈架加熱到例如約200攝氏度(°C)的最大溫度或加熱到例如約150°C、約100°C或約80°C等較低溫度，使得孔和凹陷部直徑稍微增加，從而足以使鈮-錫線圈滑入到位。通常，將線圈架加熱到約100°C。然后冷卻線圈架從而使線圈架收縮并且“夾持”在鈮-錫線圈上。因此這是一種“收縮-配合”構(gòu)造工藝，由于要求對已纏繞到位的鈮-錫線圈進(jìn)行烘烤，所以該工藝在鈮-錫線圈的情況下特別地有用。
[0063]作為加熱線圈架的代替(或除了加熱線圈架之外)，可以使用緩慢冷卻線圈(例如，使用氮，諸如液氮等)的工藝。該工藝使線圈直徑收縮，從而使得每個線圈能夠滑入到位。然后，線圈架在鈮-錫線圈變熱時夾持鈮-錫線圈。這也是一種收縮-配合構(gòu)造工藝。
[0064]當(dāng)線圈架充分冷卻時，由于鈮-鈦線圈不需要任何形式的加熱處理就能在適當(dāng)?shù)臏囟认伦鳛槌瑢?dǎo)磁體運(yùn)行，所以鈮-鈦線圈可直接纏繞在線圈架上。鈮-鈦線圈也可以在被加熱之前纏繞到線圈架上。對于承受線圈熱的鈮-鈦線圈而言，可以使用氮?dú)饫鋮s和/或可以在鈮-鈦線圈與線圈架之間留出小間隙，當(dāng)磁體冷卻下來時小間隙將閉合。
[0065]圖3中的實例示出了鈮-錫線圈，鈮-錫線圈的軸向長度等于保持鈮-錫線圈的凹陷部18的軸向長度。然而，在另一實例中，如圖6中所示，鈮-錫線圈16的軸向長度可以短于保持鈮-錫線圈16的凹陷部的軸向長度。鈮-錫線圈的軸向長度可以與相對應(yīng)的徑向相鄰的鈮-鈦線圈10的軸向長度相等或不等(見圖3)。圖6中所示的實例的所有其它構(gòu)件都與圖3中所示的實例相同。
[0066]在圖5中示出了另一種實例。圖5示出了與圖3類似的具有細(xì)長線圈架12的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)I。鈮-錫線圈16安裝在保持鈮-錫線圈16的凹陷部18的內(nèi)端部(而不是向線圈架的端部敞開的外端部)。鈮-錫線圈16可以被看作孔內(nèi)側(cè)的兩個寬的周向帶。在這種情況下，線圈架具有設(shè)置在每個端部的附加鈮-鈦線圈。這用來影響場的形狀以使兩個鈮-錫線圈之間的孔的軸向部分的場更加均勻并且用來控制線圈架的端部的磁場的分布。應(yīng)理解的是，根據(jù)磁體設(shè)計，其它組線圈可以用來增加孔內(nèi)的高均勻性磁場的工作體積。
[0067]圖5中所示的實施例還具有保持在如圖3中所示的單獨(dú)線圈架上的屏蔽線圈22。然而，圖5還示出了超導(dǎo)磁體的冷卻機(jī)構(gòu)。在這種情況下，使用一對低溫冷卻機(jī)28。
[0068]在圖5所示的實施例中，線圈架12與線圈架24之間的容積填充有液氦。低溫冷卻機(jī)28是雙級低溫冷卻機(jī)，每個低溫冷卻機(jī)的第一級熱附接至輻射防護(hù)罩，而第二級附接至將氦氣轉(zhuǎn)換為液體的冷凝器，雙級低溫冷卻機(jī)有效地生成了零汽化或最小汽化系統(tǒng)。
[0069]由于減小了補(bǔ)償螺線管結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)磁體的尺寸并且鈮-錫線圈的使用允許較高的運(yùn)行溫度，所以低溫冷卻機(jī)可以用來冷卻此處所描述實例的超導(dǎo)磁體以使超導(dǎo)磁體保持期望的運(yùn)行(即亞臨界/超導(dǎo))溫度。這意味著，根據(jù)具體設(shè)計，只需要使用較小量的制冷劑或甚至完全不需要使用制冷劑(傳導(dǎo)冷卻)來冷卻磁體。
[0070]在圖7中還示出了另一種實例。圖7示出了具有與如圖3所示超導(dǎo)磁體相同的線圈結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)磁體I。然而，該實例包括接頭屏蔽件30，接頭屏蔽件30通過超導(dǎo)導(dǎo)線32與鈮-錫線圈16串聯(lián)連接。接頭屏蔽件是單獨(dú)的(超導(dǎo))線圈，但可以鑄造為超導(dǎo)體的固體件，其作用是將磁場從內(nèi)部容積排除。
[0071]接頭屏蔽件向耦合至鈮-錫線圈16的一個或多個電耦合器(未示出)提供磁屏蔽(并且如果適當(dāng)?shù)剡B接，可以向耦合至鈮-錫線圈10的一個或多個電耦合器提供磁屏蔽)。鈮-錫超導(dǎo)接頭需要設(shè)置在非常低的背景場中。使用超導(dǎo)屏蔽件有助于實現(xiàn)非常低的背景場。通過與超導(dǎo)磁體串聯(lián)連接，超導(dǎo)屏蔽件中的電流是可預(yù)測的，從而提供可知的屏蔽量。當(dāng)然可以具有一個以上的超導(dǎo)屏蔽件。優(yōu)選地，每個超導(dǎo)接頭屏蔽件與超導(dǎo)磁體串聯(lián)接合。
[0072]超導(dǎo)屏蔽件還可以具有亥姆霍茲(Helmholz)線圈的構(gòu)造并且可以是有源屏蔽。亥姆霍茲構(gòu)造將增加屏蔽區(qū)域的尺寸而接頭屏蔽件的有源屏蔽將消除成像體積中的任何場貢獻(xiàn)。此外，以有源的方式對接頭屏蔽件進(jìn)行屏蔽減小了每個超導(dǎo)線圈經(jīng)受的洛倫茲(Lorentz)力。
[0073]圖4和圖8分別示出了圖3和圖7中的兩個示例的端部視圖?；旧希@些附圖示出了圍繞中心孔20的各種線圈(鈮-錫線圈16、鈮-鈦線圈10、屏蔽線圈22和圖8中的接頭屏蔽件30)的對準(zhǔn)關(guān)系和位置。使用該結(jié)構(gòu)使得超導(dǎo)磁體可以用于MRI和MRS掃描儀。具體地說，這些線圈用于人類和動物級別的掃描儀，包括全身掃描儀。
[0074]在所描述的混合超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)中使用鈮-錫線圈，從而能夠以很少用量的冷卻劑或者不使用冷卻劑生產(chǎn)更大的超導(dǎo)磁體并且超導(dǎo)磁體能通過低溫冷卻機(jī)冷卻。例如，使用混合超導(dǎo)磁體(諸如上述那些混合超導(dǎo)磁體等)可以生產(chǎn)傳導(dǎo)冷卻的3T全身MRI掃描儀，該掃描儀由1.5W(瓦特)的低溫冷卻機(jī)冷卻。這是由于在使用鈮-錫時可利用較大的溫度裕度。這也可以使用具有較大孔徑的超導(dǎo)磁體實現(xiàn)，諸如具有約500_孔徑的超導(dǎo)磁體等。
【主權(quán)項】
1.一種用于磁共振成像(MRI)或磁共振波普(MRS)的超導(dǎo)磁體，包括: 多個不連續(xù)的鈮-鈦超導(dǎo)體線圈，其沿共同的中心軸線縱向布置并且在使用時產(chǎn)生第一磁場，所述第一磁場具有沿所述不連續(xù)的線圈徑向向內(nèi)的至少5特斯拉的高場區(qū)域； 至少兩個鈮-錫超導(dǎo)體線圈，其沿共同的中心軸線設(shè)置并且每個鈮-錫超導(dǎo)體線圈均位于所述第一磁場的所述高場區(qū)域中，在使用時每個鈮-錫超導(dǎo)體線圈分別產(chǎn)生第二磁場，所述第二磁場與所述第一磁場組合產(chǎn)生合成磁場，所述合成磁場的場強(qiáng)在共同的中心軸線的位置高于所述第一磁場的場強(qiáng)，其中 每個鈮-錫線圈與最接近相應(yīng)鈮-錫線圈的鈮-鈦線圈之間具有徑向間隔，并且穿過所述線圈的軸向孔具有至少150mm的直徑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體，還包括圓筒狀的線圈架，所述線圈沿所述線圈架設(shè)置，所述線圈架適于將每個線圈保持在位。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)磁體，其中每個線圈設(shè)置在所述線圈架中的凹陷部中。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)磁體，其中所述線圈架的每個端部均具有凹陷部，所述凹陷部具有向所述線圈架的端部敞開的一側(cè)，在每個所述凹陷部中均布置有至少一個所述鈮-錫超導(dǎo)體線圈。5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的超導(dǎo)磁體，其中所述鈮-鈦超導(dǎo)體線圈布置在所述線圈架的外表面上并且所述鈮-錫線圈布置在所述線圈架的內(nèi)表面上。6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的超導(dǎo)磁體，其中所述線圈架由鋁制成。7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的超導(dǎo)磁體，還包括接頭屏蔽件，所述接頭屏蔽件與所述鈮-錫超導(dǎo)體線圈中的至少一者用導(dǎo)線串聯(lián)連接。8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的超導(dǎo)磁體，其中所述超導(dǎo)磁體是無冷卻劑的超導(dǎo)磁體。9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的超導(dǎo)磁體，其中所述至少兩個鈮-錫線圈能夠相對于所述多個不連續(xù)的鈮-鈦線圈獨(dú)立地通電。10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的超導(dǎo)磁體，其中連接所述至少兩個鈮-錫線圈和所述多個不連續(xù)的鈮-鈦線圈，從而使共同的電流施加在所述線圈上。11.一種超導(dǎo)磁體，所述超導(dǎo)磁體基本如本文所述，參照并且如圖3至圖8所示。
【文檔編號】H01F6/00GK106098290SQ201610286247
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】蒂莫西·霍利斯, 馬文彬
【申請人】牛津儀器納米技術(shù)工具有限公司