用於制冷機的導電屏蔽罩的製作方法

2023-07-16 10:57:51

專利名稱：用於制冷機的導電屏蔽罩的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於產生均勻磁場的低溫磁體裝置。尤其是，本發明涉及一種圍繞低 溫制冷機設置的屏蔽罩，以降低該低溫制冷機對合成磁場穩定性的影響。
背景技術：
MRI磁體系統通常包括低溫磁體裝置並且用於醫療診斷。MRI磁體需要穩定的均 勻磁場。為了實現穩定性，通常採用在非常低的溫度下工作的超導磁體系統，通常通過將該 超導體浸沒在低溫流體(通常為液態氦)中來冷卻該超導體，從而維持該溫度。低溫流體 尤其是氦是昂貴的，並希望該磁體系統的設計和工作方式應該將該低溫液體的使用量降低 至最少。 該超導磁體系統通常包括一組用於產生磁場的超導體繞組、容納該超導體繞組和 低溫流體的低溫流體容器、完全包圍該低溫流體容器的一個或多個熱屏蔽罩、以及完全封 閉該一個或多個熱屏蔽罩的真空夾套。為了進一步降低該流體容器上的熱負荷並因此降 低由於汽化而造成的液態冷凍劑的損失，實踐中通常使用制冷機來將該熱屏蔽罩冷卻至低 溫。還已知使用制冷機來直接對該冷凍劑容器進行製冷，由此將該冷凍劑流體的消耗降低 為零。在兩種情況下都需要在制冷機和要冷卻的物體之間實現良好的熱接觸。在低溫下實 現良好熱接觸是困難的，雖然使用加壓接觸能在熱屏蔽罩溫度下實現充分的熱接觸，但是 在非常低的溫度下實現所需熱接觸則變得非常困難。為了進行維護，該制冷機需要是可拆 卸的，因此該熱接觸需要是可拆卸的，這對於加壓接觸來說是困難的。凝結提供了一種良好 的熱接觸方式，因此，如果需要對該冷凍劑容器進行製冷，優選是使該制冷機的該容器冷卻 部分處於該冷凍劑氣體內。這意味著該制冷機被該冷凍劑氣體包圍。 該磁體附近的任何磁性材料都會被該磁體周圍的磁場磁化，並且其磁性會影響到 該磁體中央處的成像場的均勻性和大小。對於靜止的材料來說，這種幹擾可通過稱為"勻 場(shimming)"的過程來補償，在該過程中，在成像區域中產生附加場，其抵消了幹擾場的 影響。如果在磁體周圍有移動的磁性材料，該勻場過程不能進行補償，該成像場被幹擾，且 結果是MRI圖像質量下降。很明顯，希望將這種隨時間變化的幹擾降低至最小。磁體周圍 的法拉第籠(Faraday cage)可以保護其不受高頻幹擾，軟磁鋼籠可以改善籠外的低頻磁性 幹擾影響。但是，用在超導MRI磁體系統上的一些類型制冷機可在它們的熱交換器(稱為 回熱器(regenerator))中含有磁性材料，其在制冷機的運行過程中移動。當這些制冷機用 於冷卻該MRI系統時，它們緊鄰於該磁體，並且通常部分地處於該磁體的真空夾套的內部， 並因此不能用之前所提及的傳統方式來屏蔽。希望找到一種方式來降低這種幹擾。
該制冷機要受到磨損，並且必須在一定時間之後進行更換，以便保持足夠的性能。 因此其必須與該磁體系統可拆卸地連接。
該制冷機的移動磁性材料在該磁體的磁場中進行移動，並且該移動的磁化作用使 得該MRI圖像質量下降。 美國專利5701744記載了一種鉍合金超導屏蔽罩，其圍繞稀土移位低溫冷卻機 (rare-earthdisplacement cryocooler)設置。這樣一種屏蔽罩的缺點在於該鉍合金屏蔽 罩自身可被永久磁化；所使用的鉍合金比較昂貴，並且不具有足夠的熱傳導性。在美國專利 5701744中記載的這些屏蔽罩具有高熱導性材料條，以幫助該套筒到達其工作溫度。

發明內容
相應地，本發明提供了如所附權利要求所限定的裝置，以解決現有技術中的至少
一些缺點。 本發明提供了一種導電屏蔽罩，該導電屏蔽罩設置在真空空間中並且圍繞著該移
動磁性部件所在的制冷機部分，從而降低了由該移動磁性部件對均勻場的磁場幹擾。


結合附圖，通過下文對本發明一些實施例的說明，本發明的上述以及其它目的、特 徵和優點將更加明顯。附圖中 圖1示出了受益於本發明的低溫磁體系統的橫剖面； 圖2示出了制冷機和連接裝置的一部分，其適合於用在諸如圖1所示的系統中，並 且按照本發明進行了改進； 圖3A和圖3B分別示出了用於討論本發明的理論效果的等距視圖和平面圖。
具體實施例方式
圖l示出了低溫磁體系統的示意圖，其在連接套筒5中裝配有制冷機4。所示出 的該具體低溫磁體系統為一種MRI磁體系統。容納有超導磁體(未示出)的液態冷凍劑容 器1被一個或多個熱屏蔽罩2包圍，而該一個或多個熱屏蔽罩2又被真空夾套3完全包圍。 制冷機4可拆卸地裝配至該磁體系統，並由連接套筒5進行熱連接和機械連接，以便通過熱 連接件5a來冷卻該熱屏蔽罩2，該熱連接件5a可以是銅編織線或任意其它適當的已知熱連 接件。儘管本發明不要求，但是該連接套筒5的內部可以與冷凍劑容器1的內部相連通，例 如通過管6來連通。那麼該制冷機4則可以使得已蒸發的冷凍劑氣體重新凝結，並且通過 管6將其輸送回到該冷凍劑容器1。在該制冷機的運行期間，某種磁性材料可以開始運動。 例如，GM(Gifford-McMahon)型制冷機中的回熱器材料可以如箭頭7所示進行振動。
圖2更詳細地示出了一部分制冷機以及連接套筒。在所示實施例中，該制冷機是 一種兩級制冷機。該制冷機4的第一級21冷卻第一級冷卻級22，該冷卻級22連接至該連 接套筒的第一級熱站23。該第一級熱站23通過熱連接件5a熱連接至該熱屏蔽罩2，由此 提供了用於由制冷機對該熱屏蔽罩進行冷卻的熱路徑。該制冷機4的第二級8位於該連接 套筒5的下部9中。 在兩級GM型制冷機的示例中，該制冷機的第二級的回熱器可含有磁性材料。在 該制冷機和該磁體的運行過程中，該第二級回熱器材料可以在由磁體系統產生的磁場中移 動。這種材料在制冷機運行過程中的移動會在磁體系統產生的磁場中形成幹擾。然後，這種幹擾將破壞該系統的磁場的均勻性，並且會對由MRI系統採用該磁體形成的圖像產生破 壞。在不同於MRI系統的其它系統中，將會以其它方式對該磁場的均勻性造成不希望有的 破壞。 按照本發明的一個實施例，導電屏蔽罩10至少基本上圍繞該制冷機4的第二級8， 並且在冷端部24近旁機械連接且熱連接至該連接套筒5。在所示示例中，該屏蔽罩10的 本體是圓筒形的，並且優選是其一端由基座ll封閉，該基座11與該屏蔽罩的本體有良好的 熱接觸。在所示示例中，該屏蔽罩包括孔，以允許管6穿過該屏蔽罩。該屏蔽罩10的本體 沿著該制冷機第二級8延伸儘可能遠，但是不會遠至接觸到該制冷機套筒的較高溫度區域 (諸如第一級熱站23)。該屏蔽罩10可以使用螺釘12或者螺栓和螺母13(穿過或圍繞該 基座11的周邊)來固定，或者通過其它方式來固定，以便在屏蔽罩10與該制冷機連接套筒 5的冷端部24之間提供機械支撐和熱接觸。 在所示實施例中，該制冷機套筒填充有冷凍劑氣體，並且通常與該冷凍劑容器1 相連通。該屏蔽罩10位於該連接套筒5外部，並處於冷凍劑容器1和真空夾套3之間的真
空中。該屏蔽罩io位於該磁體系統的真空空間內，這是因為其通常是一種導熱元件又是一 種導電元件。如果該屏蔽罩io布置在該制冷機連接套筒的內部，就是在所示示例中有冷凍
劑氣體的地方，那麼該屏蔽罩10就會通過與冷凍劑氣體的接觸而將熱量從該制冷機第二 級8的上部區域(該上部區域的溫度接近於第一級熱級22的溫度)附近傳導至該制冷機 第二級8的下部區域(該下部區域處於更較低的溫度)。這將嚴重降低該制冷機的總製冷 能力。 在可選實施例中，該連接套筒5可與該冷凍劑容器1密封隔離，該制冷機可以處於 該套筒內的真空空間內。在這樣的實施例中，該屏蔽罩io也布置在該制冷機連接套筒的內 部，並緊鄰該制冷機的第二級。 圖3A-圖3B示出了按照本發明一個實施例改進後，由於磁性材料14(例如在製冷 機4的回熱器內)的存在和運動所造成的該磁場系統的場扭曲。僅示出了最大扭曲的磁場 線。所示的這種扭曲是針對一種可局部提高磁場強度的磁性材料14，但是用在回熱器中的 其它類型磁性材料可以是能降低局部磁場強度的類型。本發明可以應用於具有任何一類磁 性材料的實施例。 該磁性材料14處於導電屏蔽罩10內，並且產生對局部磁場的扭曲。該場扭曲與該 屏蔽罩10的壁在所指示的區域15中交叉。不希望受任何具體理論的限制，本發明人認為， 下面的解釋給出了對本發明的工作的準確理解。由於該磁性材料在制冷機的運行過程中移 動，如箭頭7所示，磁場的扭曲進行移動，與屏蔽罩10的壁相交的磁通量分布發生變化。眾 所周知，如果與一導體相交的磁通量發生變化，就會逆著磁通量的變化而產生渦流。這些逆 著磁通量變化而產生的渦流的總效果是如果該屏蔽罩10的導電性大，那麼當該回熱器移 動時，該屏蔽罩10內部的磁場變化在該屏蔽罩外部上大大降低。相應地，該屏蔽罩10降低 了該移動磁性材料14對該系統的磁場的影響。 該導電屏蔽罩對周期性時變磁場(諸如由本發明所提供的磁場)的磁屏蔽效果取 決於該屏蔽罩的電阻率P和厚度以及隨時間變化的頻率f。該"趨膚深度"S為S = [p/ ^fy。]^，在該"趨膚深度"S處，該變化的強度下降為其在表面處的值的1/e。該制冷機 的頻率f通常為l-2Hz。在室溫下，C101銅的電阻率為17.9X10—9 Q-m， 1200鋁的電阻率為28. 6X 10—9Q-m。真空磁導率y 。 = 4 X 10—7H/m。在室溫以及2Hz處，對於銅和鋁的趨膚 深度分別是0. 048m和0. 060m。 眾所周知，導電體(諸如銅和鋁)的電阻率P隨溫度降低而下降；電阻率的下降 隨著導電體的純度和軟度的提高而提高。對於純度為99. 9995%的精細退火鋁來說，如果溫 度降低至4. 2K，電阻率降低的因子高達5000，而2Hz處的趨膚深度下降至0. 85mm。例如， 由8mm厚的這種鋁製成的屏蔽罩在外部通過因子e—9 = 1/12000來降低該磁場變化。為了 用最小材料厚度的屏蔽罩10獲得最佳的屏蔽效果，因此，重要的是確保與該制冷機連接套 筒5的最低溫度部分24的充分熱接觸以及該屏蔽罩的高純度材料。 在實踐中，預計這種屏蔽不會如上文所計算的那樣有效果，這是因為該屏蔽罩具 有有限的長度。要理解，儘管使用鋁作為一個示例，但是也可以使用具有類似電特性的其它 材料，例如銅。 參見圖3A和圖3B，磁通量的變化是在區域15中，並與箭頭Bo所示的外場方向對 準，並且將在這些區域中產生渦流。因此，在垂直於磁場方向的方向上沿著屏蔽罩10的長 度對該屏蔽罩IO進行切割可能對該屏蔽特性沒有多少影響，如圖3B中的16處所示。相比 於將一單件式屏蔽罩裝配到該制冷機連接套筒的周圍，通過以兩個或更多個部件來提供該 屏蔽罩，圍繞該制冷機連接套筒5來組裝該屏蔽罩則就非常簡單了。
權利要求
一種低溫磁體系統，包括容納有磁體繞組的低溫容器(1)、包圍該低溫容器的真空夾套(3)、以及至少部分地容納在該真空夾套內的制冷機(4)，其中，該制冷機包括在制冷機的運行過程中移動的並容納在制冷機的一部分(8)內發磁性材料(14)以及至少一個冷卻級(24)，該系統還包括導電屏蔽罩(10)，該導電屏蔽罩熱連接至該制冷機的一冷卻級，並且布置成圍繞著該容納有移動磁性材料的制冷機部分(8)，其中，該屏蔽罩包括至少兩個組成部件，所述至少兩個組成部件圍繞該制冷機組裝就位，所述至少兩個組成部件由垂直於磁場方向且沿著該屏蔽罩的長度的切口來限定。
全文摘要
一種用於制冷機的導電屏蔽罩。一種低溫磁體系統，包括容納有磁體繞組的低溫容器(1)、包圍該低溫容器的真空夾套(3)、以及制冷機(4)，該制冷機至少部分地容納在該真空夾套內並且與該低溫容器熱連接。尤其是，該系統還包括電磁屏蔽罩。
文檔編號F25B9/14GK101694802SQ20091021180
公開日2010年4月14日 申請日期2005年3月12日 優先權日2004年5月25日
發明者K·懷特, S·J·S·利斯特, T·J·休斯 申請人:英國西門子公司;