超導磁體系統的製作方法
2023-04-24 07:07:51 2
超導磁體系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種超導磁體系統，其包括具有一內孔的殼體，該內孔用於放置待測物；同中心設置在該殼體內的第一支撐架；及支撐於該第一支撐架上的至少一個超導線圈。該至少一個超導線圈的兩相對端的至少一段大致沿著磁通線的走向設置。
【專利說明】超導磁體系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超導磁體系統，特別涉及一種可降低失超風險的超導磁體系統。【背景技術】
[0002]隨著超導技術和超導材料的蓬勃發展，超導磁體有著廣闊的應用前景。由於超導磁體體積小、電流密度高、能耗低、磁場強度高等優點，在基礎科學研究、醫療衛生、交通運輸、國防工業等領域越來越多的被應用。例如，在磁共振成像(Magnetic ResonanceImaging, MRI)系統中,超導磁體就被應用來產生一個均勻磁場。
[0003]當工作中的超導磁體由超導狀態回復到電阻狀態時，稱之為失超(Quench)。這可能是由於溫度、外界磁場的強度或承載電流的密度等某個參數超出其臨界值而引起的。超導磁體失超的部分將不再是超導的，而是進入電阻狀態，任何流經該電阻部分的電流都會導致局部焦耳發熱，由於超導磁體存儲了大量的能量，此時該失超的部分會快速的變熱，從而可能會燒壞該失超的部分，例如熔化該失超的部分上的超導線。
[0004]現有的一種超導磁體系統，例如MRI系統，可能包括一個圓環狀的真空容器、一個同中心嵌套在該真空容器內的圓環狀的熱屏蔽罩、一個同中心嵌套在該熱屏蔽罩內的圓環狀的冷卻腔、一個同中心嵌套在該冷卻腔內的圓筒狀的第一支撐架、一個同中心嵌套在該冷卻腔內且位於該第一支撐架外側的圓筒狀的第二支撐架、若干纏繞(或安裝)在該第一支撐架上的超導線圈、及若干纏繞(或安裝)在該第二支撐架上的屏蔽線圈(Bucking/Shield coil)。該若干超導線圈可能包括兩個大的超導線圈、兩個中等大小的超導線圈及兩個小的超導線圈，該若干屏蔽線圈包括兩個屏蔽線圈。通常地，該兩個大的超導線圈分別設置於該第一支撐架的兩相對端處，該兩個屏蔽線圈分別位於該第二支撐架的兩相對端處。
[0005]在傳統的設計中，該超導線圈及屏蔽線圈均被設置成與該超導磁體系統的旋轉軸(中心線)相平行。而基於磁場理論可知，該超導磁體系統的磁通線的走向大致為圍繞在該真空容器周圍的橢圓形狀分布，可知該超導線圈尤其是位於最外側的兩個大的超導線圈不與該磁通線平行，例如該大的超導線圈與該磁通線之間具有一傾斜角。因此可知該大的超導線圈的一端上所產生的磁場力(洛倫茲力)與另一端上所產生的磁場力不相等，由此在超導磁體與第一支撐架之間將產生橫向剪切摩擦力，並且該橫向剪切摩擦力與該傾斜角具有一定的正比關係。由於該超導磁體與第一支撐架之間將產生橫向剪切摩擦力，因此該橫向剪切摩擦力可能產生摩擦熱量，從而可能會引起該超導磁體發生失超，故降低了系統的穩定性。
[0006]所以，需要提供一種新的超導磁體系統來解決上述問題。
【發明內容】
[0007]現在歸納本發明的一個或多個方面以便於本發明的基本理解，其中該歸納並不是本發明的擴展性縱覽，且並非旨在標識本發明的某些要素，也並非旨在劃出其範圍。相反，該歸納的主要目的是在下文呈現更詳細的描述之前用簡化形式呈現本發明的一些概念。
[0008]本發明的一個方面在於提供一種超導磁體系統。該超導磁體系統包括:
[0009]具有一內孔的殼體，該內孔用於放置待測物；
[0010]同中心設置在該殼體內的第一支撐架；及
[0011]支撐於該第一支撐架上的至少一個超導線圈；
[0012]該至少一個超導線圈的兩相對端的至少一段大致沿著磁通線的走向設置。
[0013]本發明的另一個方面在於提供一種超導磁體系統。該超導磁體系統包括:
[0014]具有一內孔的殼體，該內孔用於放置待測物，且該殼體為截頭圓錐體形狀；
[0015]同中心設置在該殼體內的截頭圓錐體形狀支撐架；及
[0016]支撐於該支撐架上的若干超導線圈，且該若干超導線圈平行於該支撐架設置。
[0017]本發明的再一個方面在於提供一種超導磁體系統。該超導磁體系統包括:
[0018]具有一內孔的殼體，該內孔用於放置待測物；
[0019]同中心設置在該殼體內的支撐架；及
[0020]支撐於該支撐架上的至少一個超導線圈；
[0021]該至少一個超導線圈的兩相對端的至少一段與超導磁體系統的旋轉軸之間具有一傾斜角。
[0022]相較於現有技術，本發明的超導磁體系統通過將至少一部分超導線圈的安裝方向大致趨於磁通線的走向方向設置，從而降低了超導線圈與支撐架之間的橫向剪切摩擦力，故可有效降低超導線圈失超的風險。另外，該超導磁體系統的殼體對應將內孔的兩側開口處拓寬，故可有效降低病人的幽閉恐怖症(claustrophobia)的發生。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]通過結合附圖對於本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖中:
[0024]圖1為本發明超導磁體系統第一實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0025]圖2為本發明超導磁體系統第二實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0026]圖3為本發明超導磁體系統第三實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0027]圖4為本發明超導磁體系統第四實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0028]圖5為本發明超導磁體系統第五實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0029]圖6為本發明超導磁體系統第六實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0030]圖7為本發明超導磁體系統第七實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0031]圖8為本發明超導磁體系統第八實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0032]圖9為本發明超導磁體系統第九實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0033]圖10為本發明超導磁體系統第十實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0034]圖11為圖10超導磁體系統的第一個具體的實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0035]圖12為圖10超導磁體系統的第二個具體的實施方式沿中心線的切面示意圖。
[0036]圖13為圖10超導磁體系統的第三個具體的實施方式沿中心線的切面示意圖。
【具體實施方式】[0037]以下將描述本發明的【具體實施方式】，需要指出的是，在這些實施方式的具體描述過程中，為了進行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實際的實施方式的所有特徵均作詳盡的描述。應當可以理解的是，在任意一種實施方式的實際實施過程中，正如在任意一個工程項目或者設計項目的過程中，為了實現開發者的具體目標，為了滿足系統相關的或者商業相關的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實施方式到另一種實施方式之間發生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發過程中所作出的努力可能是複雜並且冗長的，然而對於與本發明公開的內容相關的本領域的普通技術人員而言，在本公開揭露的技術內容的基礎上進行的一些設計，製造或者生產等變更只是常規的技術手段，不應當理解為本公開的內容不充分。
[0038]除非另作定義，權利要求書和說明書中使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬【技術領域】內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發明專利申請說明書以及權利要求書中使用的「第一」、「第二」以及類似的詞語並不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。「一個」或者「一」等類似詞語並不表示數量限制，而是表示存在至少一個。「包括」或者「包含」等類似的詞語意指出現在「包括」或者「包含」前面的元件或者物件涵蓋出現在「包括」或者「包含」後面列舉的元件或者物件及其等同元件，並不排除其他元件或者物件。「連接」或者「相連」等類似的詞語並非限定於物理的或者機械的連接，而是可以包括電氣的連接，不管是直接的還是間接的。
[0039]請參考圖1，為本發明超導磁體系統20的第一實施方式沿中心線的切面示意圖。該第一實施方式中，該超導磁體系統20包括一個圓環狀殼體21 (內部可能包括一個真空容器、一個熱屏蔽罩及一個冷卻腔，此處未示出)、一個同中心嵌套在該殼體21內的圓筒狀的第一支撐架25、一個同中心嵌套在該殼體21內且位於該第一支撐架25外側的圓筒狀的第二支撐架26、若干纏繞(或安裝)在該第一支撐架25的外表面上的超導線圈27、及若干纏繞(或安裝)在該第二支撐架26的外表面上的屏蔽線圈(Bucking/Shield coil) 28。該殼體21的中心用於形成一個磁場區域22，並且具有一個用於放置待測患者的內孔29。在一個非限定的實施方式中，該若干超導線圈27可能包括兩個大的超導線圈27L、兩個中等大小的超導線圈27M及兩個小的超導線圈27S，該若干屏蔽線圈28包括兩個屏蔽線圈。該兩個大的超導線圈27L分別位於該第一支撐架25的兩相對端處，該兩個屏蔽線圈28分別位於該第二支撐架26的兩相對端處。在其他實施方式中，該超導線圈27及屏蔽線圈28的數量及尺寸均可根據實際需要進行調整。為了方便描述本發明超導磁體系統的具體結構，本文中的全部實施方式均介紹沿中心線的一個切面的結構，由於該超導磁體系統為中心對稱結構，故其他部分結構相同，不再贅述。
[0040]在圖1所示的實施方式中，該兩個大的超導線圈27L被設置成不與該超導磁體系統20的旋轉軸222平行且大致沿著磁通線224的走向設置。如此，相較於現有技術相比，該超導線圈27L與磁通線224之間的夾角Θ變小了，甚至可以設置為趨近於零。這樣一來，該大的超導線圈27L的一端『a』上所產生的磁場力(洛倫茲力)與另一端『b』上所產生的磁場力基本趨於相等，由此在超導磁體27L與第一支撐架25之間產生的橫向剪切摩擦力將非常小，甚至等於零，因此由該橫向剪切摩擦力所引起失超的可能性將大大降低，故提高了系統的可靠性。在其他實施方式中，其他的超導線圈或屏蔽線圈也可進行相應的調整，來進一步降低失超的風險，以下給出的多個實施方式將給出多種不同的實施方式進行說明，但要指出的是，本發明給出的實施方式並非窮舉，而僅僅是舉例說明，本領域一般技術人員可據此作適應性的修改和變型。
[0041]另一方面，在圖1所示的實施方式中，對應於該兩個大的超導線圈27L所作的方向調整，該第一支撐架25及該殼體21的形狀也作了對應的修改，例如該第一支撐架25的兩端向上彎曲一定角度(如Θ角度)或一定弧度，該殼體21也作相同調整。如此以來，該殼體21的內孔29的兩側的空間變大了，如此開闊的內孔29可有效降低病人的幽閉恐怖症的發生。
[0042]圖2為本發明超導磁體系統第二實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖1所示的第一實施方式，該第二實施方式改變了該超導線圈27及屏蔽線圈28與對應的第一支撐架25及第二支撐架26之間的安裝關係。具體來說，在第二實施方式中，該超導線圈27安裝在該第一支撐架25的內表面上，該屏蔽線圈28安裝在該第二支撐架26的內表面上。在其他實施方式上，也可設置成一部分超導線圈27纏繞在該第一支撐架26的外表面上，而其他部分超導線圈27安裝在該第一支撐架的內表面上。該超導線圈27也可通過其他形式的支撐架安裝，例如將該殼體21的內表面直接作為支撐架安裝。
[0043]圖3為本發明超導磁體系統第三實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖2所示的第二實施方式，該第三實施方式改變了該兩個大的超導線圈27L的形狀。具體來說，每一個超導線圈27L的兩側邊均與其他超導線圈27 (即27M和27S)的兩側邊相平行，如此設計可在一定程度上簡化該兩個大的超導線圈27L的安裝。在其他實施方式中，該超導線圈27L的形狀也可根據不同安裝需要進行相應的修改，不拘泥於本實施方式。
[0044]圖4為本發明超導磁體系統第四實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖2所示的第二實施方式，該第四實施方式改變了該屏蔽線圈28與該第二支撐架26之間的安裝關係。具體來說，該屏蔽線圈28纏繞在該第二支撐架26的外表面上，同時該屏蔽線圈28也大致沿著磁通線224的走向設置，如此可提高屏蔽線圈28工作的穩定性。
[0045]圖5為本發明超導磁體系統第五實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖1所示的第一實施方式，該第五實施方式改變了所有超導線圈27與第一支撐架25之間的安裝。具體來說，所有的超導線圈27均被設置成大致沿著磁通線224的走向設置，且該第一支撐架25及殼體21也相應的作了傾斜設計。如此，所有的超導線圈27與第一支撐架25之間的橫向剪切摩擦力將相應的降低，進而降低了整體的失超風險。另外，由於該第一支撐架25及殼體21進一步作了傾斜調整，故進一步擴大了內孔29的空間，降低了病人的幽閉恐怖症的發生。
[0046]圖6為本發明超導磁體系統第六實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖5所示的第五實施方式，該第六實施方式中，該兩個大的超導線圈27L的傾斜度比其他的超導線圈27的傾斜度要大。圖7為本發明超導磁體系統第七實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖5所示的第五實施方式，該第七實施方式中，該兩個小的超導線圈27S的傾斜度、該兩個中等的超導線圈27M的傾斜度、該兩個大的超導線圈27L的傾斜度依此遞增。上述第五至第七實施方式中各個超導線圈的傾斜度的設計均根據多種參數，如尺寸、形狀、磁場要求等來設計的，以便獲得一個較佳的失超風險控制要求及內孔29的尺寸控制要求。
[0047]圖8為本發明超導磁體系統第八實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖7所示的第七實施方式，該第八實施方式將該若干個超導線圈27改為一個完整的弧形線圈，對應的該第一支撐架25及殼體21也改為了弧形。
[0048]圖9為本發明超導磁體系統第九實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖7所示的第七實施方式，該第九實施方式將該第一支撐架25設計成了弧形，並且該超導線圈27安裝在該第一支撐架25的外表面上。
[0049]圖10為本發明超導磁體系統30的第十實施方式沿中心線的切面示意圖。比較上述所有的實施方式，該第十實施方式的超導磁體系統30的殼體31未設計成圓環狀，而是設計成了截頭圓錐體形狀，該殼體31內也可能包括一個真空容器、一個熱屏蔽罩及一個冷卻腔，這裡均未示出。該殼體31的中心形成了一個磁場區域32，並且具有一個用於放置待測患者的內孔39。由於該殼體31被設計成了截頭圓錐體形狀，故可有效降低降低病人的幽閉恐怖症的發生。
[0050]圖11為圖10超導磁體系統的第一個具體的實施方式沿中心線的切面示意圖。在殼體31中，該超導磁體系統30進一步包括一個截頭圓錐體形狀(frustoconical-shaped)的支撐架35及若干纏繞(或安裝)在該支撐架35的外表面上的超導線圈37，且該若干超導線圈37平行於該支撐架35設置。由於該若干超導線圈37不是平行於旋轉軸322設置的，因此至少一個或多個超導線圈37的設置是趨於磁通線324的方向設置的，故可降低超導線圈37與支撐架35之間的橫向剪切摩擦力，進而降低失超的風險。在非限定的實施方式中，為了在內孔39中獲得更加均勻的磁場，可根據磁場理論相應調整超導線圈37的尺寸，例如可將位於最靠近內孔39的大開口處的超導線圈37L設計成最大的尺寸。
[0051]圖12為圖10超導磁體系統的第二個具體的實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖11所示的實施方式，該實施方式中該超導線圈37安裝在該支撐架35的內表面上。
[0052]圖13為圖10超導磁體系統的第三個具體的實施方式沿中心線的切面示意圖。相較於圖11所示的實施方式，該實施方式中靠近內孔39的大開口處的三個超導線圈37安裝在該支撐架35的內表面上，而靠近內孔39的小開口處的三個超導線圈37安裝在該支撐架35的外表面上。與圖11及圖12的實施方式相比較，該圖13的實施方式配合支撐架35的截頭圓錐體形狀安排，將超導線圈37分兩組並分別設置在支撐架35的內表面及外表面上，根據磁場及力學原理可進一步降低超導磁體37與支撐架35之間產生的橫向剪切摩擦力。需要說明的是，為了方便描述，上述圖11至圖13的實施方式中僅示意出了殼體31、超導磁體37與支撐架35，其他元件如屏蔽線圈、真空容器、熱屏蔽罩、冷卻腔等均未示意出。
[0053]雖然結合特定的實施方式對本發明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的意圖在於覆蓋在本發明真正構思和範圍內的所有這些修改和變型。
【權利要求】
1.一種超導磁體系統，其特徵在於:該超導磁體系統包括: 具有一內孔的殼體，該內孔用於放置待測物； 同中心設置在該殼體內的第一支撐架；及 支撐於該第一支撐架上的至少一個超導線圈； 該至少一個超導線圈的兩相對端的至少一段大致沿著磁通線的走向設置。
2.如權利要求1所述的超導磁體系統，其中該第一支撐架及該殼體的兩相對端對應於該至少一個超導線圈的兩相對端的至少一段的部分與超導磁體系統的旋轉軸之間具有傾斜角或弧度。
3.如權利要求1所述的超導磁體系統，其中該至少一個超導線圈安裝在該第一支撐架的外表面或內表面上，或者一部分安裝在第一支撐架的外表面上而另一部分安裝在第一支撐架的內表面上。
4.如權利要求1所述的超導磁體系統，其中該至少一個超導線圈包括兩個第一超導線圈，該兩個第一超導線圈分別被安裝在該第一支撐架相對的兩側，且該兩個第一超導線圈大致沿著磁通線的走向設置。
5.如權利要求4所述的超導磁體系統，其中該至少一個超導線圈進一步包括兩個位於該兩個第一超導線圈之間的第二超導線圈，且該第二超導線圈與超導磁體系統的旋轉軸平行。
6.如權利要求4所述的超導磁體系統，其中該至少一個超導線圈進一步包括兩個位於該兩個第一超導線圈之間的第二超導線圈，且該第二超導線圈也大致沿著磁通線的走向設置。
7.如權利要求5或6所述的超導磁體系統，其中該第一超導線圈的尺寸大於該第二超導線圈的尺寸。
8.如權利要求6所述的超導磁體系統，其中該第一超導線圈與該第二超導線圈相對於超導磁體系統的旋轉軸的傾斜度不同。
9.如權利要求4所述的超導磁體系統，其中該至少一個超導線圈進一步包括兩個位於該兩個第一超導線圈之間的第二超導線圈，還包括兩個位於該兩個第二超導線圈之間的第三超導線圈，且該第二超導線圈也大致沿著磁通線的走向設置，該第三超導線圈與超導磁體系統的旋轉軸平行。
10.如權利要求4所述的超導磁體系統，其中該至少一個超導線圈進一步包括兩個位於該兩個第一超導線圈之間的第二超導線圈，還包括兩個位於該兩個第二超導線圈之間的第三超導線圈，且該第二及第三超導線圈也大致沿著磁通線的走向設置。
11.如權利要求10所述的超導磁體系統，其中該第一超導線圈與該第二超導線圈相對於超導磁體系統的旋轉軸的傾斜度不同，該第二超導線圈與該第三超導線圈相對於超導磁體系統的旋轉軸的傾斜度也不同。
12.如權利要求1所述的超導磁體系統，其中該超導磁體系統進一步包括: 同中心設置在該殼體內且位於該第一支撐架外側的第二支撐架；及 支撐於該第二支撐架上的至少一個屏蔽線圈； 該至少一個屏蔽線圈的兩相對端的至少一段大致沿著磁通線的走向設置。
13.如權利要求12所述的超導磁體系統，其中該至少一個屏蔽線圈包括兩個屏蔽線圈，分別被安裝在該第二支撐架相對的兩側，且該兩個第二屏蔽線圈大致沿著磁通線的走向設置。
14.如權利要求12所述的超導磁體系統，其中該至少一個屏蔽線圈安裝在該第二支撐架的外表面或內表面上，或者一部分安裝在第二支撐架的外表面上而另一部分安裝在第二支撐架的內表面上。
15.一種超導磁體系統，其特徵在於:該超導磁體系統包括: 具有一內孔的殼體，該內孔用於放置待測物，且該殼體為截頭圓錐體形狀； 同中心設置在該殼體內的截頭圓錐體形狀支撐架；及 支撐於該支撐架上的若干超導線圈，且該若干超導線圈平行於該支撐架設置。
16.如權利要求15所述的超導磁體系統，其中該若干超導線圈安裝在該支撐架的外表面或內表面上，或者一部分安裝在支撐架的外表面上而另一部分安裝在支撐架的內表面上。
17.如權利要求16所述的超導磁體系統，其中該若干超導線圈的一部分安裝在支撐架的內表面上且該部分靠近內孔的大開口處，該若干超導線圈的另一部分安裝在支撐架的外表面上且該部分靠近內孔的小開口處。
18.如權利要求 15所述的超導磁體系統，其中該若干超導線圈中最靠近內孔的大開口處的一個超導線圈的尺寸比其他超導線圈的尺寸都大。
19.一種超導磁體系統，其特徵在於:該超導磁體系統包括: 具有一內孔的殼體，該內孔用於放置待測物； 同中心設置在該殼體內的支撐架；及 支撐於該支撐架上的至少一個超導線圈； 該至少一個超導線圈的兩相對端的至少一段與超導磁體系統的旋轉軸之間具有一傾斜角。
20.如權利要求19所述的超導磁體系統，其中該至少一個超導線圈包括兩個超導線圈，該兩個超導線圈分別被安裝在該支撐架相對的兩側，且該兩個超導線圈均與超導磁體系統的旋轉軸之間具有該傾斜角。
【文檔編號】H01F6/06GK103680801SQ201210320657
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年8月31日 優先權日:2012年8月31日
【發明者】李廣州, T.J.霍爾裡斯, 伊萬格拉斯.T.拉斯卡裡斯, 武安波, 徐民風, 江隆植, 車立新, 李軍, 白燁 申請人:通用電氣公司