一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统技术方案

一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，包括：真空容器，真空容器内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈，真空容器内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈，主磁场超导线圈与屏蔽磁场超导线圈之间的空置区域放置热管储气罐；氦储液盒，与储液盒储气罐连通，同时通过氦自激振荡热管连接主磁场超导线圈或屏蔽磁场超导线圈，氦自激振荡热管还连通热管储气罐；制冷机，其通过冷头自动插拔组件固定于真空容器上；所述制冷机的一级冷头与热辐射屏组件紧密接触，所述制冷机的二级冷头与氦储液盒紧密接触。本发明专利技术克服了现有超导磁体系统冷却性能不高，制冷机一旦停止工作后漏热过大导致磁体快速失温，以及超导磁体系统的维护复杂可靠性差的问题。

An intelligent superconducting magnet system for whole body imaging without liquid helium

An intelligent non liquid helium magnetic resonance general imaging superconducting magnet system consists of a vacuum container, a superconducting coil with a main magnetic field in the radial inside space of a vacuum container, a shielded magnetic field coils in the radial outer space of the vacuum vessel, and the vacancy area between the superconducting coil of the main magnetic field and the shielding coil of the shielded magnetic field. The helium storage tank is connected with the storage tank of a liquid storage box, and the helium self excited oscillation heat pipe connects the superconducting coil of the main magnetic field or the shielding coil of the magnetic field by the helium self excited oscillation heat pipe. The helium self excited oscillating heat pipe is also connected with the heat pipe storage tank; the refrigerator is fixed on the vacuum container through the cold head automatic pluggable assembly; the refrigerator is one of the refrigerators. The cold head of the refrigerator is closely contacted with the heat radiation screen component, and the two stage cold head of the refrigerator is in close contact with the helium storage box. The present invention overcomes the problem that the cooling performance of the existing superconducting magnet system is not high, the heat leakage of the refrigerator is too high after the cooling machine stops working, and the complex reliability of the maintenance of the superconducting magnet system is poor.

【技术实现步骤摘要】
一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统
本专利技术涉及一种用于磁共振全身成像领域的超导磁体系统，特别涉及智能化的无液氦超导磁共振系统。
技术介绍
核磁共振成像(MRI)利用均匀磁场下原子核(如质子)的磁共振现象来对人体内不同组织及器官进行成像，从而实现医学诊断等功能。磁共振成像的信噪比与磁场强度成正比，因此场强越高，磁共振成像的清晰度越好，更有利于医生作出准确的诊断以及实现复杂的成像功能。目前国内外市场主流为1.5T磁共振成像系统，3T甚至更高磁场的成像系统具有更快的发展速度。早期的永磁型磁共振成像系统磁场强度较低(一般小于0.7T)，已逐渐被淘汰；为了实现高场强磁共振成像，需要使用超导型磁共振成像系统，即使用超导磁体产生磁共振成像所需的强磁场。超导磁体可以产生强磁场，但是需要极低温的工作条件以满足超导体临界温度的要求(对商业磁共振成像超导磁体临界温度一般小于7K)，超过超导体这一临界温度，超导磁体便不能正常工作。为了产生并维持超导磁体所需的极低温工作条件，传统的方法是将超导磁体浸泡在液氦(一个大气压下的沸点4.2K)制冷剂内，从而将磁体外部环境的热辐射、磁体支撑部件的传导漏热以及及磁体接头电阻等部分的欧姆热从磁体内导走，以维持磁体正常运行所需的极低温条件。然而，在使用液氦浸泡超导磁体过程中，会不断的消耗液氦，从而需要定期为磁体补充液氦，操作过程十分繁琐，需要专业人员维护；此外，液氦是一种稀缺资源，价格十分昂贵，而且其获取受限于国外(主要为美国)，资源安全性无法保障。为了克服液氦浸泡磁体过程中的液氦损耗，采用制冷机冷凝挥发的液氦并返回到磁体中，该技术得到越来越普遍的应用，尤其对液氦供给困难的地区有较大的需求。然而该技术仍然需要使用大量液氦作为制冷剂，在磁体发生失超以及励磁及退磁过程中仍然会消耗大量液氦。近十几年来，人们专利技术了传导冷却技术用于给超导磁体制冷，然而传统的传导冷却技术使用高纯铜作为冷头与磁体间的冷却通道，但由于铜的热导率不够高，这仅能够满足小型超导磁体的冷却需求，对于全身成像的磁共振超导磁体则很难保证磁体各部分达到均匀冷却。为此，如西门子公司提出了采用热虹吸管冷却超导磁体的方法，该方法在超导线圈表面缠绕热虹吸管，利用高热导率及工质自循环的热虹吸技术，将制冷机冷头的冷量不断的传递给超导磁体，从而维持磁体的极低温条件，该方法只使用极少量的液氦作为热虹吸管的工质从而实现为磁体均匀冷却的目的；飞利浦公司也提出了使用管道冷却超导磁体的方法，与其不同的是，飞利浦公司采用了使用额外低温泵驱动管道工质，从而实现工质在磁体与制冷机冷头间的管道内循环流动和冷量传输。然而，对于热虹吸技术，其工质循环的动力源于重力，因此该技术应用受制于制冷机冷头与磁体的相对位置；对于使用低温泵的技术，由于需要额外电力驱动以及低温泵需定期维护，该技术增加系统复杂度，存在一定的可靠性问题。因此，需要专利技术具有高性能和高可靠性的极低温传热技术用于为全身成像超导磁体系统制冷。通过采用制冷机冷却超导磁体需要外部电力维持制冷机运转(例如1.5W@4K，380V，5kW的脉管制冷机)，一旦外部电力供给出现故障，如停电发生，制冷机便不能继续产生冷量输出到磁体，制冷机冷头温度会快速回升，它反而会成为磁体系统的最大漏热源，使磁体温度也迅速升高，极易造成超导磁体的温度超过临界温度从而发生失超。虽然磁体系统一般具有失超保护装置，但是失超过程伴随的高电压、热点温升以及涡流应力仍然给超导磁体系统带来损坏的潜在风险，如不能快速排除电力系统故障，可能给磁体带来永久损害。目前尚未有报道对此问题进行改进，因此，需要专利技术新的技术，在电力系统发生故障后，大幅减少制冷机给超导磁体系统带来漏热。在磁体的整个工作过程中，如制冷、励磁、稳定运行、故障排除、退磁等步骤，除了稳定运行外，其他步骤一般都需要厂家或受过培训的专业人士进行操作。一方面这会带来较高的维护和运行成本，另一方面如果人为操作不及时或者操作失误，都会使磁体系统面临损坏的风险。目前尚未有报道完全无需人为干预的磁体监控系统，因此，需要专利技术具有更高自动化和智能化的超导磁体监控系统，从而克服上述人为操作带来的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有全身成像磁共振超导磁体系统的传导冷却制冷系统性能及可靠性不高，制冷机一旦停止工作后漏热过大导致磁体快速失温，以及超导磁体系统的维护复杂可靠性差的问题，提出一种无液氦智能化的全身成像磁共振超导磁体系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，包括：真空容器，其为封闭的中空圆筒状，沿所述真空容器的内壁设有热辐射屏组件，并由所述热辐射屏组件构成封闭的中空圆筒工作舱；所述中空圆筒工作舱内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈，所述中空圆筒工作舱内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈，所述主磁场超导线圈与屏蔽磁场超导线圈之间的空置区域放置热管储气罐；氦储液盒，所述氦储液盒与储液盒储气罐连通，同时所述氦储液盒通过氦自激振荡热管连接主磁场超导线圈或屏蔽磁场超导线圈，氦自激振荡热管还连通热管储气罐；制冷机，其通过冷头自动插拔组件固定于真空容器上；所述制冷机的一级冷头与热辐射屏组件紧密接触，所述制冷机的二级冷头与氦储液盒紧密接触。进一步的，所述真空容器包括圆筒形内管、圆筒形外管和两端的环形端部件，其中所述圆筒形内管与圆筒形外管同轴线，且圆筒形外管的直径大于圆筒形内管的直径，所述环形端部件连接圆筒形内管与圆筒形外管形成封罩。进一步的，氦自激振荡热管包括热端、冷端和绝热区，所述热端分别缠绕于主磁场超导线圈和屏蔽磁场超导线圈的外表面，所述冷端缠绕于氦储液盒上；热端与冷端之间为绝热区，所述绝热区设有气体连接通道并与热管储气罐连通。进一步的，当所述超导磁体系统未制冷时，所述储液盒储气罐和热管储气罐均存储高压氦气并密封；当所述超导磁体系统制冷时，制冷机的二级冷头通过氦储液盒将储液盒储气罐中的气氦冷凝至液氦于储液盒中，进而将热管储气罐内的氦气冷凝至液氦于氦自激振荡热管的冷端内，从而形成氦自激振荡气液循环，将制冷机的冷量传递到主磁场超导线圈和屏蔽磁场超导线圈，冷却所述超导磁体系统至工作温度；进一步的，所述氦自激振荡热管为一组或多组。进一步的，所述氦自激振荡热管的管壁采用高热导率金属制成；所述氦自激振荡热管的内管径小于0.8mm，且所述管壁厚度为0.1mm-1mm。进一步的，氦自激振荡热管与主磁场超导线圈或与屏蔽磁场超导线圈之间还焊接或压接有高热导率金属薄筒。进一步的，主磁场超导线圈、屏蔽磁场超导线圈和热辐射屏组件分别通过细拉杆悬吊于真空容器内。进一步的，还包括智能监控系统，其由独立UPS供电；所述智能监控系统包括信息监测系统、信息处理系统和操作控制系统，其中，所述信息监测系统实时监测包括磁体内部温度及外部电力状态的运行信息，并反馈到信息处理系统；所述信息处理系统对运行信息进行判断并命令操作控制系统采取相应动作，包括驱动冷头自动插拔组件使两个冷头脱离或恢复，驱动高精度超导电源为磁体励磁及退磁。进一步的，所述冷头自动插拔组件、制冷机、高精度超导电源均由独立UPS供电。进一步的，所述冷头自动插拔组件包括电动机构和密封波纹管，其中密封波纹管套设在电动机构内部；所述密封波纹管一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，包括：真空容器(8)，其为封闭的中空圆筒状，沿所述真空容器(8)的内壁设有热辐射屏组件(7)，并由所述热辐射屏组件(7)构成封闭的中空圆筒工作舱；所述中空圆筒工作舱内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈(1)，所述中空圆筒工作舱内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈(2)，所述主磁场超导线圈(1)与屏蔽磁场超导线圈(2)之间的空置区域放置热管储气罐(4)；氦储液盒(5)，所述氦储液盒(5)与储液盒储气罐(6)连通，同时所述氦储液盒(5)通过氦自激振荡热管(3)连接主磁场超导线圈(1)或屏蔽磁场超导线圈(2)，氦自激振荡热管(3)还连通热管储气罐(4)；制冷机(9)，其通过冷头自动插拔组件(10)固定于真空容器(8)上；所述制冷机(9)的一级冷头与热辐射屏组件(7)紧密接触，所述制冷机(9)的二级冷头与氦储液盒(5)紧密接触。

【技术特征摘要】
1.一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，包括：真空容器(8)，其为封闭的中空圆筒状，沿所述真空容器(8)的内壁设有热辐射屏组件(7)，并由所述热辐射屏组件(7)构成封闭的中空圆筒工作舱；所述中空圆筒工作舱内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈(1)，所述中空圆筒工作舱内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈(2)，所述主磁场超导线圈(1)与屏蔽磁场超导线圈(2)之间的空置区域放置热管储气罐(4)；氦储液盒(5)，所述氦储液盒(5)与储液盒储气罐(6)连通，同时所述氦储液盒(5)通过氦自激振荡热管(3)连接主磁场超导线圈(1)或屏蔽磁场超导线圈(2)，氦自激振荡热管(3)还连通热管储气罐(4)；制冷机(9)，其通过冷头自动插拔组件(10)固定于真空容器(8)上；所述制冷机(9)的一级冷头与热辐射屏组件(7)紧密接触，所述制冷机(9)的二级冷头与氦储液盒(5)紧密接触。2.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，所述真空容器(8)包括圆筒形内管、圆筒形外管和两端的环形端部件，其中所述圆筒形内管与圆筒形外管同轴线，且圆筒形外管的直径大于圆筒形内管的直径，所述环形端部件连接圆筒形内管与圆筒形外管形成封罩。3.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，氦自激振荡热管(3)包括热端、冷端和绝热区，所述热端分别紧密缠绕于主磁场超导线圈(1)和屏蔽磁场超导线圈(2)的外表面，所述冷端缠绕于氦储液盒(5)上；热端与冷端之间为绝热区，所述绝热区设有气体连接通道并与热管储气罐(4)连通。4.根据权利要求3所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，当所述超导磁体系统未制冷时，所述储液盒储气罐(6)和热管储气罐(4)均存储高压氦气并密封；当所述超导磁体系统制冷时，制冷机(9)的二级冷头通过氦储液盒(5)将储液盒储气罐(6)中的气氦冷凝至液氦于储液盒(5)中，进而将热管储气罐(4)内的氦气冷凝至液氦于氦自激振荡热管(3)的冷端内，从而形成氦自激振荡气液循环，将制冷机(9)的冷量传递到主磁场超导线圈(1)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秋良，许建益，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11