[發明專利]一種應用于磁共振設備的高溫超導勻場系統

有效

• 申請號: 201710428623.2
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107086105B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 徐進章;竇艷;徐雪原;蘇光靖
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01F6/00
• 分類號: H01F6/00;H01F6/04;G01R33/3815;H01L39/24
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 陸麗莉,何梅生

技術領域

本發明涉及磁共振領域，具體的說是一種應用于磁共振設備中的高溫超導勻場系統。

背景技術

隨著磁共振成像技術的發展，超導磁共振因為其極佳的穩定性與均勻度，已經逐漸成為磁共振領域發展的主流，在科學研究以及其他領域都有著非常廣闊的前景。其中超導主磁體作為超導磁共振主要組成部分，磁場強度和均勻度是衡量其性能的主要指標，尤其是磁場均勻度其不但能夠決定磁體性能，而且直接影響圖像信噪比。但是即使磁體設計計算非常精確，其加工工藝誤差也是難以避免的。在實際中，磁體產生的磁場值會偏離設計的理想值，為此引入勻場系統就顯得尤為重要，它可以在一定程度上很好地提高磁場均勻度。

勻場系統一般分為常導勻場系統和超導勻場系統兩類。其中常導勻場系統是指在室溫孔內安裝勻場線圈，由于需要恒流驅動且受電流熱效應影響，其勻場幅度有限。超導勻場系統指的是在冷屏內安裝超導勻場線圈，超導勻場線圈能達到的均勻度指標更高，勻場效果更好。為了保證超導材料的性能，傳統超導勻場線圈和超導主磁體設計均置于4.2K的液氦區域內，但不可忽略的是，地球氦資源稀少且昂貴。

勻場系統有兩種基本運行模式：電源供電模式與閉環運行模式。電源供電模式優勢在于可以做到頻繁勵磁與退磁，但要求電源波動小，可以均勻調節。受制于電源限制，該模式磁場穩定性不高，均勻性一般。閉環運行模式引入超導開關，在勵磁結束后撤掉電源，超導開關與線圈形成回路，線圈處于無損或損耗極其小情況下運行，該模式下可以降低外部信號對系統影響，磁場穩定性好，有利于更清晰的磁共振成像。缺點是對超導開關的性能要求比較高。

由于超導線圈閉環運行需要性能良好的超導開關，當超導線材的運行參數超過任意臨界量(臨界溫度、臨界磁場)時，超導線材會發生失超。基于此，傳統超導開關分為熱控式與磁控式，熱控式超導開關熱阻尼弛豫時間較長，限制了關斷速度的提高；磁控式超導開關的速度受到提供外磁場的線圈的自感限制，與磁場擴散速度及瞬時功率有關，通過合理的磁控結構能夠提高關斷速度，但是技術復雜，同時磁控超導開關的整機的超導材料用量大，且對于磁共振設備而言，會對主磁場的場強以及均勻度有一定的影響。

發明內容

本發明是為了解決傳統超導磁共振中勻場系統的通斷速度不夠、控制過程不精確、熱影響、關斷磁場影響等問題，提出一種應用于磁共振設備的高溫超導勻場系統，以期能提升勻場效果，改善磁場均勻性，同時減少液氦使用量，節約資源，降低成本。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明一種應用于磁共振設備的高溫超導勻場系統，所述磁共振設備是由制冷機、超導主線圈、系統外殼、70K冷屏、40K冷屏、20K冷屏、10K冷屏、4.2K冷屏、高溫超導勻場區和冷源引流槽組成；其特點是，

將所述高溫超導勻場區設置在所述70K冷屏中；將所述超導主線圈設置在4.2K冷屏中，從而實現所述高溫超導勻場區和超導主線圈的分離放置；

所述高溫超導勻場系統包括：高溫超導勻場線圈、開關控制器、互感線圈、高頻信號發生器以及由四個超導開關構成的橋式整流電路；所述互感線圈是由互感線圈低溫側和互感線圈常溫側組成；

所述高溫超導勻場線圈置于所述高溫超導勻場區中；并在所述磁共振設備中設置工頻交流電源引入端和高頻信號引入端；

所述互感線圈常溫側通過所述工頻交流電源引入端接入交流電源，并在所述互感線圈低溫側產生感應電流輸入到所述橋式整流電路中；

所述高頻信號發生器接入所述高頻信號引入端中，由所述高頻信號發生器產生高頻電流信號輸入至所述開關控制器，由所述開關控制器控制所述橋式整流電路中的四個超導開關導通，并將所述感應電流進行整流，從而得到直流電并引入所述高溫超導勻場線圈中，使得所述高溫超導勻場系統處于勵磁狀態；

當勵磁結束后，將所述交流電源斷開，所述橋式整流電路中相對的一組超導開關導通，所述高溫超導勻場線圈中的一組或幾組線圈有穩恒電流通過并處于閉合回路中，從而使得所述高溫超導勻場系統處于閉環運行狀態。

本發明所述的高溫超導勻場系統的特點也在于：每個超導開關的結構為四層絕緣層和三層導體層組成的約瑟夫森結；且所述四層絕緣層與三層導體層間隔設置。

所述開關控制器是按如下步驟控制所述四個超導開關組成的橋式整流電路的整流：

步驟1、在所述互感線圈的感應電流正半波下，所述開關控制器將所述高頻電流信號引入所述高溫超導橋式整流電路的第一超導開關和第三超導開關中，基于超導隧道效應，使得所述第一超導開關和第三超導開關導通，即一組對向的高溫超導開關導通；