[發明專利]多定向的低溫恒溫器、超導磁體裝置及醫療設備器械

在審

• 申請號: 201710089255.3
• 申請日: 2013-03-05
• 公開（公告）號: CN106782996A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: B·D·萊伊;中津真幸
• 申請（專利權）人: 特斯拉工程有限公司
• 主分類號: H01F6/04
• 分類號: H01F6/04;H01F6/00;A61B5/055
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司11285
• 代理人: 鄭建暉,潘飛

本申請為申請日為2013年3月5日、申請號為201310068718.X、名稱為“多定向的低溫恒溫器”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及多定向的低溫恒溫器(cryostats)，和包括所述低溫恒溫器的超導磁體裝置，以及包括所述低溫恒溫器的醫療設備器械。

背景技術

超導磁體通常被要求保持在“低溫”，以保持它們的超導性質。低溫恒溫器被提供以用于將超導磁體保持在超導溫度。

低溫恒溫器包括一個容器，以容納充當冷卻劑的低溫液體。制冷系統將被提供用于冷卻所攜帶的低溫液體和/或冷卻用于供給至低溫恒溫器的替換液體。

超導磁體通常存在失超(quenching)的風險。超導磁體通常在它們的磁場中包含非常大的儲能(例如，1MJ及以上)。然而，由于材料接近絕對零度時的非常低的熱容量，微小的能量擾動(1mJ或更小)可驅使部分線圈高于其局部超導轉變溫度，變為正常的電阻性狀態。如果擾動超過一個穩定性閾值，該擾動將通過繞組傳播，直到繞組中的一些或全部變為電阻性的。不可避免地，所存儲的磁能隨即被快速轉變為電阻性繞組中的熱。所述熱導致迅速使低溫液體蒸發(boil off)，所述低溫液體轉變為氣體，并且隨著氣體變熱而大幅膨脹(例如，4.2K下的液態氦膨脹變為室溫和大氣壓力下的氣體為700：1)。

隨著線圈或部分線圈返回至正常的電阻性狀態，磁體超導運行的這種不希望的異常終結被稱為失超。

失超是成本昂貴且不希望出現的?？赏ㄟ^好的設計和好的實踐最小化失超的風險，但是盡管如此，超導磁體必須被設計為經得起失超，包括避免使攜帶有低溫冷卻液體的低溫恒溫器的容器超壓。

這通過設置一個失超管道實現，該失超管道提供一個路徑，快速膨脹和變熱的低溫流體——更具體地，低溫氣體——可通過該路徑逸出容器。

失超管道需要被相對寬地被鏜孔，以允許由失超產生的膨脹氣體安全地逸出低溫恒溫容器。

另一方面，設置在低溫恒溫器中的用于磁體正常運行的填充管或一般的通風管通常會具有小得多的橫截面面積。這是因為不需要設置這樣的具有大的鏜孔的管，并且大的鏜孔通常是不希望的，因為大的鏜孔往往會增加進入低溫恒溫器的熱泄露。因此，在超導磁體裝置中，通常會有一個與任何填充管都明顯不同的失超管道。此外，所述失超管道將與任何通風管都明顯不同，或者最起碼，任何目前的通風管將有與一個所述失超管道不同的出口端。換言之，失超管道可識別地不同于填充管或一般的通風管。

因為失超管道需要相對寬的鏜孔，就失超管道作為進入低溫恒溫器的熱泄露路徑方面而言，失超管道會產生問題，并且會導致低溫液體的不希望的加熱。

在正常情況下，通過確保在磁體運行中所述失超管道豎向延伸或幾乎豎向延伸遠離低溫恒溫容器來減弱這種潛在的問題。這在失超管道中形成了抑制對流的逆溫。因此，常規的失超管道具有一個抗對流部分，該抗對流部分會在正確定向和使用時通過逆溫來起作用。這是重要的，因為否則對流氣流將趨于將熱傳遞到低溫恒溫器中。

這種布置可在一般的超導磁體裝置中很好地起作用。

但是，有一些情況中，要求以不同的定向使用超導磁體裝置，從而還有低溫恒溫器。通常，在這種情況下，超導磁體裝置將被這樣安裝，即，使得它相對于設備的底部是可移動的，其中所述超導磁體裝置被安裝在所述設備中，使得超導磁體——從而低溫恒溫器——的定向隨著超導磁體裝置的移動而變化。所述設備可以是醫療設備器械。這種機器的一個實例是用于提供質子療法治療的門架式安裝的回旋加速器(gantry mounted cyclotron)。在這種器械中，回旋加速器(包括超導磁體裝置)沿大約180度的圓弧繞患者移動，并且相應地，超導磁體裝置和低溫恒溫器的定向在這個圓弧的一端和另一端之間改變180度。這意味著，例如，如果失超管道在這個圓弧的中點豎向定向或者近似豎向定向，則失超管道將在圓弧的兩個端部位置水平地或近似水平地定向。

當失超管道不再處于豎向或近似豎向定向時，可形成對流環(convection cell)，因為不再存在逆溫(相對于重力)。從而，熱量可趨于從失超管道的熱端(即，出口端)和冷端(即，入口端)泵出。這樣的情形在圖2中示出，圖2將在下文被更加詳細描述。當出現這樣的情形時，可導致不希望的熱泄露到低溫恒溫器中，這有可能會導致低溫液體的過度蒸發，從而會潛在地引起失超。

替代地或附加地，在失超管道可被移動遠離豎向的情形中，可導致在以下方面增加成本：為低溫液體提供更多的制冷和/或更復雜且更高額定的制冷系統。

發明內容