一种无液氦动物成像超导磁体

1.本发明属于超导磁体技术领域，涉及一种无液氦动物成像超导磁体。


背景技术：

2.超导磁体广泛运用于医疗诊断及科学仪器的研制，其中超导mri设备已成为世界上最受欢迎的临床诊断设备之一，但是超导mri设备的稳定运营需要保持在低温环境下，传统的制冷方式为液氦制冷，长期使用需要消耗大量的液氦材料，成本较高。
3.近年来随着新型材料和低温技术的不断发展，制冷机的制冷功率小，可实现4.2k温度下的较小能耗，日常运维成本较低。采用制冷机对超导磁体进行冷却，能够避免使用液氦，一般的超导磁体中，制冷机的二级冷头通过导冷板直接对磁体两端进行直接冷却，但是对于体积稍大的磁体来说，容易造成磁体温度不均的问题，从而影响磁场的均匀度，需要对二级制冷的温度分布进行优化。
4.cn113035486a公开了一种低温超导磁体的制冷系统。该制冷系统包括冷屏、引线冷却通道、冷屏冷却通道、第一液氦输入口、第一氦气输出口、氦槽、液氦输入管和氦气输出管，冷屏设置在低温超导线圈外，氦槽设置在冷屏和低温超导线圈之间且与二者均不接触，液氦输入管和氦气输出管均与氦槽连接，从第一液氦输入口经液氦输入管向氦槽注入液氦，从氦槽挥发的氦气经氦气输出管从第一氦气输出口输出，引线冷却通道连接在氦气输出管与超导电流引线之间，用于导冷以对超导电流引线进行冷却，冷屏冷却通道连接在氦气输出管与冷屏之间，用于导冷以对冷屏进行冷却。由此，可以有效地减小液氦的挥发，降低低温超导磁体失超的风险。
5.cn202384127u公开了一种零液氦消耗的超导磁体用低温容器系统，提供一种隔热效果好，能有效提高冷头导冷效果的零液氦消耗的超导磁体用低温容器系统。所述低温容器系统包括设置在内容器顶部的内容器底座、安装在内容器底座上的换热器、套接在内容器底座上的磁屏蔽、包覆在内容器外侧的中间防辐射冷屏、设置在中间防辐射冷屏顶部的铜法兰以及冷头，换热器位于磁屏蔽中，铜法兰位于磁屏蔽的上方，冷头的一端穿过铜法兰在磁屏蔽内与换热器连接，还包括位于磁屏蔽内的下波纹管，下波纹管套接在冷头上，其一端与铜法兰顶接，另一端插接在内容器底座内。
6.cn102436898a公开了一种实现低温超导磁体的冷却方法的系统，包括充液氮阀、充液氦阀、液氮液面计、液氮阀、中心孔、排氦气阀、真空阀、真空腔、液氮管、充液氦管、排氦气管、液氮存储腔和液氦存储腔；在一个密闭空间内的中心部位设有液氦存储腔，液氦存储腔之外设有液氮存储腔，最外围设有真空腔；密闭空间的上端设有端盖，端盖中心设有中心孔，液氮管和液氮液面计下端连接的高温超导线通过中心孔插入液氦存储腔，液氮管上设有液氮阀；位于液氦存储腔的端盖部位设有充液氦阀和插入液氦存储腔内的充液氦管，以及排氦气阀和插入液氦存储腔内的排氦气管；位于液氮存储腔的端盖部位设有充液氮阀，位于真空腔的端盖部位设有真空阀；所述的液氦存储腔的中部为向液氮存储腔延伸的环形凹槽。
7.因此，如何提供一种无需消耗液氮，采用制冷机能够提供超导磁体所需低温环境，并且保证磁场温度分布均匀、漏热小，适用于动物成像的磁体，成为目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种无液氦动物成像超导磁体，采用制冷机制冷及内部导冷结构提供超导磁体所需低温环境，通过设置导冷环和导冷带，保证超导磁体内温度场均匀，进而保证良好的磁场均匀度。
9.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供了一种无液氦动物成像超导磁体，所述无液氦动物成像超导磁体包括超导磁体、无液氦低温系统和拉杆，所述超导磁体、无液氦低温系统和拉杆均处于真空环境下。
11.所述无液氦低温系统包括制冷机、制冷机一级冷头、冷屏、制冷机二级冷头、导冷结构及杜瓦容器，所述冷屏套设于杜瓦容器内，所述超导磁体设置于冷屏内，所述导冷结构包括导冷环和导冷带，所述导冷环环绕所述超导磁体设置并通过支撑杆与超导磁体固连；制冷机一级冷头与所述冷屏直连实现一级制冷，制冷机二级冷头与导冷环直连，导冷环通过导冷带与所述超导磁体的线圈连接实现二级制冷。
12.所述超导磁体和冷屏通过所述拉杆悬挂在杜瓦容器内部。
13.本发明通过设置制冷机一级冷头与冷屏直连实现一级制冷，进一步地，通过设置导冷环，利用沿导冷环圆周方向设置的多个导冷带，与超导磁体的线圈连接进行热量传递，从而实现二级制冷，实现对超导磁体圆周方向的同步传导冷却，加大冷却速率的同时，提高超导磁体内部温度场均匀度，进而保证良好的磁场均匀度。此外，通过设置拉杆将超导磁体和冷屏悬挂于杜瓦容器内，避免与杜瓦容器直接接触，减少磁体的漏热。本发明通过制冷机进行冷却，无需消耗液氦，具有结构简单、成本低、温度场均匀和磁场均匀的特点。
14.需要说明的是，本发明适用于小动物活体成像，磁体的中心通孔直径较人体全身成像系统较小，本领域技术人员可根据待测动物尺寸进行合理选择内孔直径，目前已有的动物成像磁体的内孔直径为200～400mm，本发明所对应磁体内孔径涵盖现有范围但不限于该范围。
15.需要说明的是，杜瓦容器是由双层壁构成的容器。在壁间抽成高真空以减小气体的传热，双层壁相对的两个表面镀银或抛光以降低辐射率，从而使辐射传热尽可能地减小，本发明中利用杜瓦容器形成超导磁体的真空制冷环境，其中制冷机设置于杜瓦容器外壁的顶端。
16.需要说明的是，本发明对导冷环的材质和导冷带的材质优选地应选择导热率高的材料，本领域技术人员可根据导冷要求合理选择导冷环的材质和导冷带的材质，例如，导冷环的材质和导冷带的材质均为铜，其中导冷环可选地为大圆环结构，并与超导磁体和冷屏同轴设置。
17.作为本发明的一个优选技术方案，所述超导磁体包括主磁体、两个屏蔽磁体和4k容器。
18.本领域技术人员公知的是，4k容器即保持容器内处于4k温度环境的容器。
19.优选地，所述主磁体由主线圈绕制在主骨架的外部线槽内形成，屏蔽磁体由屏蔽线圈绕制在屏蔽骨架的外部线槽内形成，两个所述屏蔽磁体对称分布在主磁体两端且与主磁体同轴线，4k容器将主磁体和两个屏蔽磁体封闭在内。
20.需要说明的是，本发明中4k容器可选地与主磁体和两个屏蔽磁体均同轴线设置。
21.优选地，所述支撑杆与超导磁体的主骨架固连。
22.作为本发明的一个优选技术方案，所述主骨架呈对称空心圆柱结构。
23.优选地，所述主骨架的外圈设置有至少两个第一线槽，所述第一线槽用于缠绕主线圈，与主骨架形成主磁体。
24.作为本发明的一个优选技术方案，所述屏蔽磁体包括屏蔽骨架，所述屏蔽骨架的外圈设置有第二线槽，所述第二线槽用于缠绕屏蔽线圈，与屏蔽骨架形成屏蔽磁体。
25.优选地，所述屏蔽骨架呈双层空心圆柱结构。
26.需要说明的是，本领域技术人员应该能够理解，屏蔽磁体的设置位置，是将屏蔽骨架套设在主磁体两端。
27.作为本发明的一个优选技术方案，所述主线圈和屏蔽线圈为超导线所绕制的线圈。
28.优选地，所述4k容器内为4k超低温环境。
29.作为本发明的一个优选技术方案，所述冷屏为封闭式薄壁双圆筒结构。
30.优选地，所述超导磁体和导冷环均位于所述冷屏的封闭圆筒内部。
31.作为本发明的一个优选技术方案，所述导冷环居中设置于两个所述屏蔽磁体之间。
32.作为本发明的一个优选技术方案，所述导冷带两端带有连接翅片，导冷带一端翅片与导冷环连接，另一端分成两部分，一部分与所述超导磁体中的屏蔽线圈连接，另一部分与所述主磁体中主线圈连接。
33.作为本发明的一个优选技术方案，所述主骨架与所述屏蔽骨架的轴线重合。
34.优选地，所述主骨架与屏蔽骨架间采用焊接方式连接。
35.优选地，所述4k容器通过焊接与所述主磁体和两个屏蔽磁体固定。
36.作为本发明的一个优选技术方案，所述拉杆一端与杜瓦容器内壁连接，另一端与所述超导磁体中的4k容器连接。
37.优选地，所述拉杆上设有连接块，所述连接块用于将拉杆与所述冷屏连接。
38.优选地，所述拉杆分布在超导磁体两侧端面四周。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
40.本发明通过设置制冷机一级冷头与冷屏直连实现一级制冷，进一步地，通过设置导冷环，利用沿导冷环圆周方向设置的多个导冷带，与超导磁体的线圈连接进行热量传递，从而实现二级制冷，实现对超导磁体圆周方向的同步传导冷却，加大冷却速率的同时，提高超导磁体内部温度场均匀度，进而保证良好的磁场均匀度。此外，通过设置拉杆将超导磁体和冷屏悬挂于杜瓦容器内，避免与杜瓦容器直接接触，减少磁体的漏热。本发明通过制冷机进行冷却，无需消耗液氦，具有结构简单、成本低、温度场均匀和磁场均匀的特点，适用于动物成像。
附图说明
41.图1为本发明一个具体实施方式中提供的无液氦动物成像超导磁体总体截面示意图；
42.图2为本发明一个具体实施方式中提供的无液氦动物成像超导磁体的内部结构图。
43.其中，1
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制冷机；2
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制冷机一级冷头；3
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制冷机二级冷头；4
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导冷结构；41
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支撑杆；42
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导冷环；43
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导冷带；5
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杜瓦容器；6
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冷屏；7
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超导磁体；71
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主骨架；72
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主线圈；73
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屏蔽骨架；74
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屏蔽线圈；75
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4k容器；8
‑
拉杆。
具体实施方式
44.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
45.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
47.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种无液氦动物成像超导磁体，如图1和图2所示，所述无液氦动物成像超导磁体包括超导磁体7、无液氦低温系统和拉杆8，所述超导磁体7、无液氦低温系统和拉杆8均处于真空环境下。
48.所述无液氦低温系统包括制冷机1、制冷机一级冷头2、冷屏6、制冷机二级冷头3、导冷结构4及杜瓦容器5，所述冷屏6套设于杜瓦容器5内，所述超导磁体7设置于冷屏6内，所述导冷结构4包括导冷环42和导冷带43，所述导冷环42环绕所述超导磁体7设置并通过支撑杆41与超导磁体7固连；制冷机一级冷头2与所述冷屏6直连实现一级制冷，制冷机二级冷头3与导冷环42直连，导冷环42通过导冷带43与所述超导磁体7的线圈连接实现二级制冷。
49.所述超导磁体7和冷屏6通过所述拉杆8悬挂在杜瓦容器5内部。
50.可选地，本发明适用于小动物活体成像，目前已有的动物成像磁体的内孔直径为200～400mm，本发明所对应磁体的内孔直径涵盖现有范围，可根据待测动物尺寸进行合理选择孔径进行设计。
51.具体地，制冷机1设置于杜瓦容器5外壁的顶端；导冷环42的材质和导冷带43的材质均为铜，导冷环42为大圆环结构，并与超导磁体7和冷屏6同轴设置。
52.具体地，所述超导磁体7包括主磁体、两个屏蔽磁体和4k容器75。进一步地，所述主
磁体由主线圈72绕制在主骨架71的外部线槽内形成，屏蔽磁体由屏蔽线圈74绕制在屏蔽骨架73的外部线槽内形成，两个所述屏蔽磁体对称分布在主磁体两端且与主磁体同轴线，4k容器75将主磁体和两个屏蔽磁体封闭在内，可选地，4k容器75与主磁体和两个屏蔽磁体均同轴线设置。
53.具体地，所述支撑杆41与超导磁体7的主骨架71固连。
54.具体地，所述主骨架71呈对称空心圆柱结构。进一步地，所述主骨架71的外圈设置有至少两个第一线槽，所述第一线槽用于缠绕主线圈72，与主骨架71形成主磁体。
55.具体地，所述屏蔽磁体包括屏蔽骨架73，所述屏蔽骨架73的外圈设置有第二线槽，所述第二线槽用于缠绕屏蔽线圈74，与屏蔽骨架73形成屏蔽磁体。进一步地，所述屏蔽骨架73呈双层空心圆柱结构。
56.具体地，所述主线圈72和屏蔽线圈74为超导线所绕制的线圈。所述4k容器75内为4k超低温环境。
57.具体地，所述冷屏6为封闭式薄壁双圆筒结构。所述超导磁体7和导冷环42均位于所述冷屏6的封闭圆筒内部。
58.具体地，所述导冷环42居中设置于两个所述屏蔽磁体之间。
59.具体地，所述导冷带43两端带有连接翅片，导冷带43一端翅片与导冷环42连接，另一端分成两部分，一部分与所述超导磁体7中的屏蔽线圈74连接，另一部分与所述主磁体中主线圈72连接。
60.具体地，所述主骨架71与所述屏蔽骨架73的轴线重合。
61.具体地，所述主骨架71与屏蔽骨架73间采用焊接方式连接。所述4k容器75通过焊接与所述主磁体和两个屏蔽磁体固定。
62.具体地，所述拉杆8一端与杜瓦容器5内壁连接，另一端与所述超导磁体7中的4k容器75连接。
63.具体地，所述拉杆8上设有连接块，所述连接块用于将拉杆8与所述冷屏6连接。进一步地，所述拉杆8分布在超导磁体7两侧端面四周。
64.通过一个具体实施方式，本发明通过设置制冷机一级冷头2与冷屏6直连实现一级制冷，进一步地，通过设置导冷环42，利用沿导冷环42圆周方向设置的多个导冷带43，与超导磁体7的线圈连接进行热量传递，从而实现二级制冷，实现对超导磁体7圆周方向的同步传导冷却，加大冷却速率的同时，提高超导磁体7内部温度场均匀度，进而保证良好的磁场均匀度。此外，通过设置拉杆8将超导磁体7和冷屏6悬挂于杜瓦容器5内，避免与杜瓦容器5直接接触，减少磁体的漏热。本发明通过制冷机1进行冷却，无需消耗液氦，具有结构简单、成本低、温度场均匀和磁场均匀的特点。
65.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。