[發明專利]一種降低高場超導磁體線圈應力的方法

有效

• 申請號: 201810232722.8
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108491623B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 趙華煒;史永凌;王鵬
• 申請（專利權）人: 南京磁升超導技術有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;H01F6/06;G06F119/14
• 代理公司: 蘇州銘恒知識產權代理事務所(普通合伙) 32463
• 代理人: 吳月琴

本發明公開了一種降低高場超導磁體線圈應力的方法，在不改變線圈階次的情況下，將難以滿足應力需求的線圈進行拆分并進行電磁場優化，通過有限元分析方法進行應力的分析優化，最終達到線圈的電磁場和應力均滿足設計需求，將電磁場設計目標和影響產品實現的高風險因素即軸向應力共同納入優化設計過程，對高場MRI超導磁體設計起到了指導性作用。

技術領域：

本發明涉及MRI技術領域，尤其涉及一種降低高場超導磁體線圈應力的方法。

背景技術：

MRI（磁共振成像，英文全稱是：Magnetic?Resonance?Imaging）技術是當前最重要的先進醫療診斷技術之一，MRI系統結構復雜，由多個核心部件組成，超導磁體是MRI系統的最核心部件，提供MRI成像所需的高均勻度成像區主磁場B0。目前在全球只有少數幾家全面掌握超導磁體核心技術，涉及超導技術、電磁技術、低溫及復合材料技術等，其技術難度和復雜性相當高。

隨著MRI技術的發展，分辨率和成像速度越來越高，背景磁場也越來越強。在臨床應用上，主流系統為1.5Tesla和3.0Tesla?MRI。更高磁場的7Tesla系統正在進入臨床，隨之而來的對超導磁體的挑戰也越來越大。

眾所周知，實現超導磁體最大的挑戰是失超問題。失超通常由局部磁體線圈的機械儲能瞬間釋放引起，其溫度超過超導的臨界溫度，局部超導體變為常導體。而由常導體導電發熱使得高溫區迅速擴散，從而引發整個磁體失超。失超過程是不可逆的，所有的電磁儲能將由液氦揮發帶走，會帶來很大的經濟損失，甚至磁體沒法達到目標場強而報廢。如何控制磁體線圈的機械儲能實現高場超導磁體的關鍵是如何控制線圈的應力，本發明的核心貢獻在于提供一種降低高場超導磁體線圈應力的方法。

發明內容：

針對上述問題，本發明要解決的技術問題是提供一種降低高場超導磁體線圈應力的方法。

本發明的一種降低高場超導磁體線圈應力的方法，包括以下步驟：

A、進行磁體參數定義：首先根據成像區及雜散場的大小來選擇相應的磁體尺寸，包括磁體的內徑、外徑和長度；

B、對超導線圈進行電磁優化設計：將成像區的?DSV?磁場用球諧函數描述為：

（式1），

其中，a_nm，b_nm為球諧函數展開系數，

r,θ,?為球坐標系中任意點的坐標，

P_nm為勒讓德多項式系數，

通過式1求解磁場，得到基于harmonic系數表達的磁場，通過該系數計算出磁場的均勻度和雜散場，設定目標函數進行磁場的優化，使電磁場數據滿足設計需求；

C、對超導線圈進行應力優化分析：電磁設計滿足后，優化設計相應支撐結構，計算線圈的電磁應力，電磁應力通過有限元方法求解位移φ的軸對稱雙調和函數可得：

（式2），

其中（式3），可得到方程的解為：

（式4）；

（式5）；

（式6）；

其中，所得結果式4為徑向應力表達式，式5為周向應力表達式，式6為軸向應力表達式，線圈的電磁應力在圓柱坐標系下分解為徑向應力、軸向應力和周向應力，一般徑向應力比較小，周向應力通過在線圈上加預張力的方法進行控制，軸向應力采用優化切分方法進行有效控制，使超導線圈電磁應力滿足應力設計標準；

D、分析有限元方法求解得到的電磁應力結果，其結果若不滿足線圈設計的應力標準，則進行步驟E，若滿足僅進入步驟F；