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3T动物磁共振成像传导冷却超导磁体研究
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陈顺中 王秋良 孙万硕 孙金水 程军胜
(1.中国科学院电工研究所 北京 100190 2.中国科学院大学 北京 100049)
0 引言
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是诞生于20 世纪70 年代的一种新型医学影像学诊断技术,可获得所诊断组织的清晰影像,尤其对于心脑血管疾病诊断效果特别突出。MRI 具有无损无创、软组织对比度高、成像参数与对比度多、图像信息丰富等特点,不仅已经广泛应用于解剖学、生理学研究以及临床疾病诊断,而且还在脑科学、心理学、药理学、病理学、遗传发育等领域的基础研究中发挥着不可或缺的作用[1-3]。动物磁共振成像系统是以动物为研究对象,用于生命科学研究、医学研究及药物作用机理研究的MRI 系统。由于大鼠、天竺鼠、小鼠等小动物具有诸多优势,在动物研究中的应用最为广泛[4]。因此,有必要开发专门针对这些小动物的磁共振成像系统,为科学研究提供有力工具。
超导磁体系统是MRI 系统核心部件之一,它为MRI 系统提供高均匀度、高强度的主磁场。用于人体的MRI 超导磁体系统温孔直径一般大于800 mm,超导磁体系统体积庞大,并且大尺寸的超导线圈需要采用液氦浸泡方式冷却,导致其造价和维护费用高昂[5]。而动物MRI 系统不需要大口径的温孔,超导磁体系统可以实现小型化,较小的超导线圈可以采用制冷机直接冷却,实现无液氦化。
传统的超导磁体大多采用液氦浸泡冷却。由于我国是一个氦资源匮乏的国家,液氦主要依赖进口,导致价格比较昂贵。另一方面,液氦冷却系统需要专业的运输和充灌操作,增加了系统应用的复杂性和运行成本。随着小型制冷机技术的突破和高温超导电流引线的发明,出现了采用制冷机直接冷却超导磁体的传导冷却技术。二十年来传导冷却超导磁体技术得到了快速发展,逐渐取代液氦浸泡冷却技术成为超导磁体系统应用的热点。传导冷却超导磁体系统展现出体积小、结构简单、操作方便、方向可调整、适用性强等优势,以期广泛应用于核磁共振成像、磁分离、超导储能、材料加工和空间探测等领域[6-7]。
依靠传导冷却技术,本文研制了一台用于小动物磁共振成像的小型化、低成本的主动屏蔽3 T 超导磁体系统。超导线圈仅靠一台双级G-M 制冷机直接从室温冷却到工作温度,无需液氦,不但使运行费用大大降低,而且提高了操作的简单性和安全性。本文将对详细的电磁设计、应力分析、失超保护方案,以及低温设计、建造和测试结果进行叙述。
1 超导磁体设计与建造
液氦浸泡冷却的超导磁体温度可以保持在4.2 K,与之不同,传导冷却的超导磁体温度取决于低温热负荷与制冷机二级冷头的制冷量在某个温度点达到平衡。因此,传导冷却的超导磁体温度可能会高于4.2 K。为了提高超导磁体的稳定性,本文在电磁设计时会适当提高超导磁体的电流安全裕度,从而提高超导磁体的最低分流温度。
1.1 电磁设计
本文的电磁优化设计采用一种结合线性规划和非线性规划的混合优化设计方法[8-9]。共分两步:第一步,先通过线性规划算法可以快速计算出满足磁场约束条件的电流分布图;第二步再通过非线性规划算法将电流分布图中非零电流簇离散成矩形截面的螺线管线圈,并有哪些信誉好的足球投注网站到同时满足磁场、电磁应力及电流安全裕度等约束条件下超导线用量最少的超导磁体结构。最终的超导磁体设计参数见表1。
表1 3 T 动物磁共振成像超导磁体设计参数Tab.1 The design parameters of 3 T superconducting magnet for animal MRI
3 T 超导磁体结构示意图如图1 所示。3 T 超导磁体由8 个同轴NbTi 螺管线圈(1~8 号)组成,线圈1 号、2 号、3 号、7 号与6 号、5 号、4 号、8号沿轴向对称放置且结构相同。内层的 6 个线圈(1~6 号)为主线圈通以正向电流在直径φ330 mm的温孔内产生所需磁场;外层的2 个线圈(7 号、8号)为屏蔽线圈,通反向电流产生反向磁场抵消主线圈向外的漏磁场。6 个主线圈绕制在同一个铝合金骨架上,两个屏蔽线圈绕制在另一个铝合金骨架上。8 个线圈在电路上串联连接采用单一电源供电,所有线圈流通相同的工作电流110 A。
图1 3 T 超导磁体结构示意图Fig.1 Configuration of the 3 T superconducting magnet
为了方便采购和绕制工作,主线圈(1~6 号)被设计成采用同一种规格的NbTi/Cu 线材绕制,其直径为φ0.80 mm,铜超比为2;屏蔽线圈(7 号、8号)采用尺寸为 1.28 mm×0.83 mm、铜超比为10的矩形截面NbTi/Cu 线材绕制。整个超导磁体的总电感为103 H,满场运行时对应的总储能为0.62 M
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