超导磁体的升降场装置和超导磁体系统的制作方法

本申请涉及超导磁体系统领域，尤其涉及一种超导磁体的升降场装置和超导磁体系统。

背景技术：

磁共振成像设备是当今医疗影像技术领域的重要工具之一，可以提供无创伤的人体组织内部信息。磁体系统则是磁共振设备的首要组成部分，来提供用于磁化成像目标体质子群的主磁场。目前，典型的磁体系统主要包括永磁体系统和超导磁体系统，由于超导磁体系统能够产生磁场强度更高，且稳定性更好的磁场，因此超导磁体系统的应用范围也越来越广泛。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种超导磁体的升降场装置和超导磁体系统。具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

一个方面，本申请提供一种超导磁体的升降场装置，所述超导磁体的升降场装置包括：

励磁电源，包括电流输入端和电流输出端，用于在超导磁体的升场过程和降场过程中提供电流；

卸能电路，与所述励磁电源串联，包括相互连接的至少一个卸能部件和至少一个开关单元，至少一个所述开关单元连接于所述电流输入端和所述电流输出端之间，将所述卸能部件选择性地连接到所述励磁电源。

另一个方面，本申请提供一种超导磁体系统，所述超导磁体系统包括：

上述超导磁体的升降场装置；

线圈阵列；及

超导开关，与所述线圈阵列并联，用于将所述超导磁体的升降场装置选择性地连接到所述线圈阵列。

附图说明

图1是相关技术中一种超导磁体系统的电路示意图；

图2是相关技术中另一种超导磁体系统的电路示意图；

图3是本申请超导磁体系统的一个实施例的电路示意图；

图4是本申请卸能电路的一个实施例的电路示意图；

图5是本申请卸能电路的另一个实施例的电路示意图；

图5a是本申请卸能电路的再一个实施例的电路示意图；

图5b是本申请卸能电路的再一个实施例的电路示意图；

图5c是本申请卸能电路的再一个实施例的电路示意图；

图5d是本申请卸能电路的再一个实施例的电路示意图；

图5e是本申请卸能电路的再一个实施例的电路示意图；

图5f是本申请卸能电路的再一个实施例的电路示意图；

图6是本申请超导磁体系统的另一个实施例的电路示意图；

图7是本申请超导磁体系统的再一个实施例的电路示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

请参考图1，为相关技术中超导磁体系统10的电路示意图。如图1所示，超导磁体系统10可以包括：线圈阵列11、超导开关12和励磁电源13。其中，可以将线圈阵列11和超导开关12的组合视为超导磁体21。

励磁电源13包括电流输入端和电流输出端，用于在超导磁体21的升场过程和降场过程中提供电流。

线圈阵列11可以由若干个单独的超导螺旋管线圈按照一定方式串联组成。在有电流通过线圈阵列11时，线圈阵列11可以产生磁场。

超导开关12与线圈阵列11并联，用于将励磁电源13选择性地连接到线圈阵列11。在将励磁电源13连接到线圈阵列11时，励磁电源13可以对线圈阵列11施加电流，线圈阵列11可以将电能转化为电磁能，此时在超导磁体21的中心成像区域会产生磁场。

具体来说，首先可以对超导开关12施加外部电流，由于电流热效应，超导开关12的温度会升高，从而使超导开关12由超导态(相当于开关的闭合态)变为电阻态(相当于开关的断开态)。在超导开关12断开后，可以通过励磁电源13对线圈阵列11施加电流，从而使线圈阵列11在中心成像区域产生磁场。当励磁电源13对线圈阵列11施加的电流大小按照一定规律(如线性规律或指数规律等)逐渐增加至预先设定的电流值时，线圈阵列11产生的磁场的磁场强度可以达到预期的磁场强度。此时，保持励磁电源13的输出电流大小不变，停止对超导开关12施加外部电流，使超导开关12的温度降低，从而使超导开关12由电阻态变为超导态，与线圈阵列11并联，对励磁电源13输出的电流进行分流。在超导开关12闭合后，调整励磁电源13的输出电流大小逐渐减少到零，则通过超导开关12分流的电流大小会从零逐渐增大。当通过超导开关12分流的电流大小达到预先设定的电流值时，超导开关12和线圈阵列11可以耦合连接形成闭合回路，从而使超导磁体21进入持续电流模式。在超导磁体21进入持续电流模式后，励磁电源13可以与超导磁体21断开连接。这一过程即为超导磁体21的升场过程，可以将励磁电源13视为超导磁体21的升场装置。

与上述超导磁体的升场过程相应地，请参考图2，为相关技术中超导磁体系统20的电路示意图。与图1所示的超导磁体系统10类似，图2所示的超导磁体系统20也包括：线圈阵列11、超导开关12和励磁电源13。其中，可以将线圈阵列11和超导开关12的组合视为超导磁体21。但与超导磁体系统10不同的是，超导磁体系统20还包括卸能电路24，用于将线圈阵列11储存的电磁能转化为焦耳热进行释放。

具体来说，首先可以调整励磁电源13的输出电流大小由零逐渐增加到预先设定的电流值，则通过超导开关12分流的电流大小会逐渐减少到零。此时，可以对超导开关12施加外部电流以使其温度升高，从而使超导开关12由超导态变为电阻态。在超导开关12断开后，超导开关12与线圈阵列11的耦合连接断开，励磁电源13、卸能电路24和线圈阵列11形成闭合回路。调整励磁电源13的输出电流大小逐渐由预先设定的电流值减少到零，可以控制流过线圈阵列11的电流大小逐渐减小。在此过程中，卸能电路24会将线圈阵列11储存的电磁能转化为焦耳热逐渐进行释放。当卸能电路24将线圈阵列11储存的电磁能全部转化为焦耳热进行释放后，线圈阵列11产生的磁场的磁场强度也随之变为零。在超导磁体21的磁场强度变为零后，励磁电源13和卸能电路24可以与超导磁体21断开连接。这一过程即为超导磁体21的降场过程，可以将励磁电源13和卸能电路24视为超导磁体21的降场装置。

综合来看，相关技术中，超导磁体的升场过程和降场过程有所区别，该区别主要体现在降场过程中需要利用卸能电路将电磁能转化为焦耳热，而在升场过程中则无需卸能电路，由此也导致超导磁体的升场装置与降场装置不同，即超导磁体的升降场装置在其升场过程和降场过程中无法复用的问题。为了解决该问题，可以将励磁电源13的内阻作为卸能电路24的电阻，即利用励磁电源13的内阻，或者利用连接励磁电源13和超导磁体21的线缆的线路电阻，将线圈阵列11储存的电磁能转化为焦耳热进行释放，由于励磁电源的内阻值或者线缆的线路电阻值通常较小，因此降场过程耗时较长，采用这样的方式，加剧了电源或者线缆的散热问题，提高了电源和线缆的工作风险，缩短了电源或者线缆的使用寿命，成本太高，不便于实际应用。

本申请提供一种超导磁体的升降场装置和超导磁体系统，以使超导磁体的升降场装置在其升场过程和降场过程中可以复用，且便于实际应用。请参考图3，为本申请超导磁体系统30的一个实施例的电路示意图。与图2所示的超导磁体系统20类似，图3所示的超导磁体系统30也可以包括：超导磁体21、励磁电源13和卸能电路34。其中，励磁电源13与卸能电路34串联组成超导磁体的升降场装置，且与超导磁体21串联。

但与图2所示的超导磁体系统20不同的是，在图3所示的超导磁体系统30中，卸能电路34可以包括一个卸能部件301和一个开关单元302。卸能部件301可以包括二极管单元或电阻单元，每个二极管单元中可以包括至少一个二极管，或者每个电阻单元中也可以包括至少一个电阻(图中示出的卸能部件301包括导通方向相反的一对二极管单元)。开关单元302可以包括至少一个开关(图中示出的开关单元302包括一个开关)。

卸能部件301与开关单元302并联。开关单元302的一端连接至励磁电源13的电流输出端(即励磁电源13的正极)，另一端则通过超导磁体21连接至励磁电源13的电流输入端(即励磁电源13的负极)。

当开关单元302闭合时，开关单元302可以将卸能部件301旁路，即卸能电路34等效于导线接入电路，此时可以对超导磁体21进行升场。而当开关单元302断开时，卸能部件301则接入电路，将超导磁体21储存的电磁能转化为焦耳热进行释放，此时可以对超导磁体21进行降场。

在超导磁体21完成升场后，由励磁电源13和卸能电路34串联组成超导磁体的升降场装置，可以与超导磁体21断开连接，在超导磁体21需要进行降场时再与超导磁体21进行连接。而在超导磁体21完成降场后，上述超导磁体的升降场装置也可以与超导磁体21断开连接，在超导磁体21需要再次进行升场时再与超导磁体21进行连接。

由上述实施例可见，通过连接于所述电流输入端和所述电流输出端之间的开关单元，以及与开关单元并联的卸能部件，既可以对超导磁体进行升场，又可以对超导磁体进行降场，即超导磁体的升降场装置在其升场过程和降场过程中可以复用。

在实际应用中，超导磁体的降场速率(即超导磁体产生的磁场的磁场强度减小的速率)与卸能电路提供的耗散阻值紧密关联。当卸能电路提供的耗散阻值较小时，超导磁体的降场速率较慢，耗时较长。而当卸能电路提供的耗散阻值较大时，超导磁体的降场速率则较快，可能导致超导磁体出现失超。对于规格、型号不同的超导磁体而言，既能减少耗时又能避免失超的降场速率范围通常也不相同。而对于同一超导磁体而言，在不同的实际情况下需要的降场速率可能并不相同，甚至在降场过程中的不同时间段内，其需要的降场速率可能也不相同。

为了提高超导磁体的升降场装置的灵活性，使其中的卸能电路可以提供多个不同的耗散阻值，适用于降场速率不同的超导磁体，请参考图4，为本申请卸能电路44的一个实施例的电路示意图。图4所示的卸能电路44可以应用于图3所示的超导磁体系统30中，替代卸能电路34，与励磁电源13串联组成超导磁体的升降场装置。

如图4所示，卸能电路44包括三个电阻单元(图中示出的电阻单元包括一个电阻)，分别为：电阻单元401、电阻单元402和电阻单元403，以及七个开关单元(图中示出的开关单元包括一个开关)，分别为：开关单元411、开关单元412、开关单元413、开关单元414、开关单元415、开关单元416和开关单元417。

开关单元411的一端连接至励磁电源13的电流输出端(即卸能电路44的电流流入端)，另一端则通过超导磁体21连接至励磁电源13的电流输入端(即卸能电路44的电流流出端)；或者，开关单元411的一端连接至励磁电源13的电流输入端(即卸能电路44的电流流出端)，另一端则通过超导磁体21连接至励磁电源13的电流输出端(即卸能电路44的电流流入端)。电阻单元401和电阻单元402通过开关单元412串联，电阻单元402和电阻单元403通过开关单元413串联。电阻单元401的一端直接连接至励磁电源13的电流输出端，另一端则通过开关单元414连接至励磁电源13的电流输入端。电阻单元402的一端通过开关单元415连接至励磁电源13的电流输出端，另一端则通过开关单元416连接至励磁电源13的电流输入端。电阻单元403的一端通过开关单元417连接至励磁电源13的电流输出端，另一端则直接连接至励磁电源13的电流输入端。

当开关单元411闭合，其他开关单元均断开时，卸能电路44等效于导线接入电路，此时可以对超导磁体进行升场。

当开关单元414闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元401接入电路。当开关单元415、416闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元402接入电路。当开关单元417闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元403接入电路。即可以通过控制不同开关单元的闭合或断开，使任意一个电阻单元接入电路，将超导磁体储存的电磁能转化为焦耳热进行释放，此时可以对超导磁体进行降场。

当开关单元414、417闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元401与电阻单元403并联接入电路。当开关单元414、415、416闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元401与电阻单元402并联接入电路。当开关单元415、416、417闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元402与电阻单元403并联接入电路。即可以通过控制不同开关单元的闭合或断开，使任意两个电阻单元并联接入电路，将超导磁体储存的电磁能转化为焦耳热进行释放，此时可以对超导磁体进行降场。两个电阻单元并联可以使卸能电路44提供的电阻值变小，适用于降场速率较小的超导磁体。同时，由于并联电路分流原理，通过每个电阻单元的电流会小于通过超导磁体的电流，即每个电阻单元产生的焦耳热会减少，减少了电阻单元的元器件损耗，延长了电阻单元的使用寿命。

当开关单元412、416闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元401与电阻单元402串联接入电路。当开关单元413、415闭合，其他开关单元均断开时，电阻单元402与电阻单元403串联接入电路。当开关单元413、414、416闭合，其他开关单元断开时，电阻单元401与电阻单元403串联接入电路。当开关单元412、413闭合，其他开关单元断开时，三个电阻单元串联接入电路。即可以通过控制不同开关单元的闭合或断开，使任意两个电阻单元或三个电阻单元串联接入电路将超导磁体储存的电磁能转化为焦耳热进行释放，此时可以对超导磁体进行降场。多个电阻单元串联可以使卸能电路44提供的电阻值变大，适用于降场速率较大的超导磁体。

图4所示的卸能电路44可以按照一定规律进行扩展，具体来说，卸能电路44可以包括若干通过至少一个开关单元串联连接的电阻单元。各电阻单元通过至少一个开关单元连接至励磁电源的电流输入端和电流输出端，即对于一端直接连接至励磁电源的电流输入端或电流输出端的电阻单元而言，仅需要通过至少一个开关单元将其另一端连接至励磁电源的另一端，而对于其他电阻单元而言，则需要通过至少一个开关单元连接至励磁电源的电流输入端，以及通过至少一个开关单元连接至励磁电源的电流输出端。此外，至少一个开关单元连接于励磁电源的电流输入端和所述电流输出端之间。

在实际应用中，可以选用电阻值为2-10毫欧的功率电阻器作为电阻单元，还可以采用风冷或液冷(如水/乙二醇混合液或液氮等)的方式对电阻单元进行降温，以进一步延长电阻单元的使用寿命。另外，可以选用电磁接触器组成开关单元，从而可以通过计算机控制系统实现对电磁接触器的闭合或断开的控制，提高对超导磁体的升降场装置的控制效率。

请参考图5，为本申请卸能电路54的另一个实施例的电路示意图。图5所示的卸能电路54也可以应用于图3所示的超导磁体系统30中，替代卸能电路34，与励磁电源13串联组成超导磁体的升降场装置。

如图5所示，卸能电路54包括四个二极管单元(图中示出的二极管单元包括一个二极管)，分别为：二极管单元501、二极管单元502、二极管单元503和二极管单元504，以及九个开关单元(图中示出的开关单元包括一个开关)，分别为：开关单元511、开关单元512、开关单元513、开关单元514、开关单元515、开关单元516、开关单元517、开关单元518和开关单元519。其中，导通方向相反的二极管单元501和二极管单元502，以及连接两个二极管单元的开关单元512和开关单元513组成二极管组1，而导通方向相反的二极管单元503和二极管单元504，以及连接两个二极管单元的开关单元514和开关单元515则组成二极管组2。

开关单元511的一端连接至励磁电源13的电流输出端(即卸能电路54的电流流入端)，另一端则通过超导磁体21连接至励磁电源13的电流输入端(即卸能电路54的电流流出端)；或者，开关单元511的一端连接至励磁电源13的电流输入端(即卸能电路54的电流流出端)，另一端则通过超导磁体21连接至励磁电源13的电流输出端(即卸能电路54的电流流入端)。二极管组1和二极管组2之间通过开关单元516和开关单元517串联连接，具体来说，二极管单元501和二极管单元503之间通过开关单元516串联连接，二极管单元502和二极管单元504之间通过开关单元517串联连接。二极管组1的一端直接连接至励磁电源13的电流输出端，另一端则通过开关单元518连接至励磁电源13的电流输入端。二极管组2的一端通过开关单元519连接至励磁电源13的电流输出端，另一端则直接连接至励磁电源13的电流输入端。

当开关单元511闭合，其他开关单元均断开时，如图5a所示，卸能电路54等效于导线接入电路，此时可以对超导磁体进行升场。

当开关单元512、513、518闭合，其他开关单元均断开时，如图5b所示，二极管组1接入电路。

当开关单元514、515、519闭合，其他开关单元均断开时，如图5c所示，二极管组2接入电路。

当开关单元512、513、514、515、518、519闭合，其他开关单元均断开时，如图5d所示，正向的二极管单元501、二极管单元503和反向的二极管单元502、二极管单元504分别并联接入电路。

当开关单元512、515、516、517闭合，其他开关单元均断开时，如图5e所示，正向的二极管单元501、二极管单元503串联，反向的二极管单元502、二极管单元504串联，且二极管单元501、二极管单元503与二极管单元502、二极管单元504并联接入电路。

当开关单元511、515、516、517闭合，其他开关单元均断开时，如图5f所示，四个正向的二极管单元串联接入电路。

在有二极管单元接入电路时，二极管单元可以将超导磁体储存的电磁能转化为焦耳热进行释放，此时可以对超导磁体进行降场。

图5所示的卸能电路54也可以按照一定规律进行扩展，具体来说，卸能电路54可以包括若干串联连接的所述二极管组，所述二极管组进一步包括连接于所述一对二极管单元之间的两个开关单元，每两个所述二极管组之间连接有两个开关单元。与图4所示的卸能电路44类似，各二极管组通过至少一个开关单元连接至所述励磁电源的电流输入端和电流输出端，即对于一端直接连接至励磁电源的电流输入端或电流输出端的二极管组而言，仅需要通过至少一个开关单元将其另一端连接至励磁电源的另一端，而对于其他二极管组而言，则需要通过至少一个开关单元连接至励磁电源的电流输入端，以及通过至少一个开关单元连接至励磁电源的电流输出端。此外，至少一个开关单元连接于励磁电源的电流输入端和所述电流输出端之间。

综合来看，通过控制不同开关单元的闭合或断开，可以使数量不同、导通方向不同、连接方式不同的二极管单元接入电路，从而使卸能电路可以提供多个不同的等效电阻值，适用于降场速率不同的超导磁体。另外，在并联连接方式下，由于并联电路分流原理，各二极管单元产生的焦耳热会减少，减少了二极管单元的元器件损耗，延长了二极管单元的使用寿命。

在实际应用中，可以选用流通电流不小于超导磁体的工作电流的1.5倍的二极管组成二极管单元，还可以采用风冷或液冷(如水/乙二醇混合液或液氮等)的方式对二极管单元进行降温，以进一步延长二极管单元的使用寿命。另外，可以选用电磁接触器组成开关单元，从而可以通过计算机控制系统实现对电磁接触器的闭合或断开的控制，提高对超导磁体的升降场装置的控制效率。

请参考图6和图7，分别为本申请超导磁体系统60和超导磁体系统70的另一个实施例的电路示意图。如图6所示，卸能电路64和卸能电路65并联接入电路，并与励磁电源13串联组成超导磁体的升降场装置。如图7所示，卸能电路74和卸能电路75串联接入电路，并与励磁电源13串联组成超导磁体的升降场装置。

综合来看，可以在超导磁体的升降场装置中设置多个卸能电路，各卸能电路之间可以并联或串联连接，这样可以进一步地提高超导磁体的升降场装置的灵活性，使其中的卸能电路可以提供多个不同的电阻值或等效电阻值(即耗散阻值)，适用于降场速率不同的超导磁体或者需要进行分段降场而采用不同降场速率的超导磁体。

或者，也可以将卸能电路集成为一个卸能模块，由多个卸能模块并联或串联组成总卸能电路，这样可以实现卸能电路的模块化扩展，降低超导磁体的升降场装置的配置复杂度，便于实际应用。

图6和图7所示的卸能电路64、65、74、75可以分别包括类似于图3所示的卸能电路34。在另一个实施例中，卸能电路64、65、74、75也可以分别包括类似于图4所示的卸能电路44，或者类似于图5所示的卸能电路54。

本申请超导磁体的升降场装置可以适用于磁共振成像设备中的超导磁体。在超导磁体需要进行升场时，上述升降场装置与超导磁体进行连接，为超导磁体提供电流来源，在超导磁体完成升场后，磁共振成像设备进入工作状态，此时上述升降场装置与超导磁体断开连接。在超导磁体需要进行降场时，上述升降场装置与超导磁体进行连接，将超导磁体储存的电磁能转化为焦耳热进行释放，在超导磁体完成降场后，磁共振成像设备停止工作状态，此时上述升降场装置与超导磁体断开连接。

当然，本申请超导磁体的升降场装置也可以适用于其他设备中的超导磁体，本申请不作特殊限制。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部部件来实现本申请方案的目的。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。