3T动物磁共振成像传导冷却超导磁体研究_陈顺中.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.2118233 T 动物磁共振成像传导冷却超导磁体研究陈顺中1,2王秋良1,2孙万硕1,2孙金水1,2程军胜1（1.中国科学院电工研究所北京1001902.中国科学院大学北京100049）摘要磁共振成像（MRI）是目前最先进的医学影像技术之一。动物磁共振成像以动物为研究对象，广泛用于生命科学研究、医学研究及药物机理研究。为了发展小型化、低成本的动物磁共振成像系统，该文采用传导冷却技术研制了一台 3 T 动物磁共振成像超导磁体。采用线性规划和非线性规划相结合的方法设计了一种主动屏蔽型磁体结构，其包含同轴排列的 6 个主线圈和 2个屏蔽线圈。研究一种包含了分段和失超传播加速策略的被动失超保护方法保护超导磁体免于意外失超造成的损害。低温系统使用一台双极 G-M 制冷机直接将超导磁体从室温冷却到工作温度，无需液氦。超导磁体在直径180 mm 的球形区域（DSV）产生高均匀度磁场用于成像。实验结果显示，超导磁体经历 5 次失超后被励磁到 3.001 3 T，经测量180 mm 的 DSV 磁场峰-峰值不均匀度（Hp2p）约为 1.3310-2%。该文详细介绍了超导磁体的电磁设计、应力分析、失超保护设计，低温设计、建造及测试结果。关键词：磁共振成像超导磁体传导冷却失超保护低温系统中图分类号：R445.20引言磁 共 振 成 像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是诞生于 20 世纪 70 年代的一种新型医学影像学诊断技术，可获得所诊断组织的清晰影像，尤其对于心脑血管疾病诊断效果特别突出。MRI 具有无损无创、软组织对比度高、成像参数与对比度多、图像信息丰富等特点，不仅已经广泛应用于解剖学、生理学研究以及临床疾病诊断，而且还在脑科学、心理学、药理学、病理学、遗传发育等领域的基础研究中发挥着不可或缺的作用1-3。动物磁共振成像系统是以动物为研究对象，用于生命科学研究、医学研究及药物作用机理研究的 MRI 系统。由于大鼠、天竺鼠、小鼠等小动物具有诸多优势，在动物研究中的应用最为广泛4。因此，有必要开发专门针对这些小动物的磁共振成像系统，为科学研究提供有力工具。超导磁体系统是 MRI 系统核心部件之一，它为MRI 系统提供高均匀度、高强度的主磁场。用于人体的 MRI超导磁体系统温孔直径一般大于800 mm，超导磁体系统体积庞大，并且大尺寸的超导线圈需要采用液氦浸泡方式冷却，导致其造价和维护费用高昂5。而动物 MRI 系统不需要大口径的温孔，超导磁体系统可以实现小型化，较小的超导线圈可以采用制冷机直接冷却，实现无液氦化。传统的超导磁体大多采用液氦浸泡冷却。由于我国是一个氦资源匮乏的国家，液氦主要依赖进口，导致价格比较昂贵。另一方面，液氦冷却系统需要专业的运输和充灌操作，增加了系统应用的复杂性和运行成本。随着小型制冷机技术的突破和高温超导电流引线的发明，出现了采用制冷机直接冷却超导磁体的传导冷却技术。二十年来传导冷却超导磁体技术得到了快速发展，逐渐取代液氦浸泡冷却技术成为超导磁体系统应用的热点。传导冷却超导磁体系统展现出体积小、结构简单、操作方便、方向可调整、适用性强等优势，以期广泛应用于核磁共振成像、磁分离、超导储能、材料加工和空间探测等领域6-7。国家重大科研仪器研制项目（51827810）和北京市科技计划课题项目（Z191100002019019）资助。收稿日期 2021-11-06改稿日期 2021-11-25880电 工 技 术 学 报2023 年 2 月依靠传导冷却技术，本文研制了一台用于小动物磁共振成像的小型化、低成本的主动屏蔽 3 T 超导磁体系统。超导线圈仅靠一台双级 G-M 制冷机直接从室温冷却到工作温度，无需液氦，不但使运行费用大大降低，而且提高了操作的简单性和安全性。本文将对详细的电磁设计、应力分析、失超保护方案，以及低温设计、建造和测试结果进行叙述。1超导磁体设计与建造液氦浸泡冷却的超导磁体温度可以保持在4.2 K，与之不同，传导冷却的超导磁体温度取决于低温热负荷与制冷机二级冷头的制冷量在某个温度点达到平衡。因此，传导冷却的超导磁体温度可能会高于 4.2 K。为了提高超导磁体的稳定性，本文在电磁设计时会适当提高超导磁体的电流安全裕度，从而提高超导磁体的最低分流温度。1.1电磁设计本文的电磁优化设计采用一种结合线性规划和非线性规划的混合优化设计方法8-9。共分两步：第一步，先通过线性规划算法可以快速计算出满足磁场约束条件的电流分布图；第二步再通过非线性规划算法将电流分布图中非零电流簇离散成矩形截面的螺线管线圈，并搜索到同时满足磁场、电磁应力及电流安全裕度等约束条件下超导线用量最少的超导磁体结构。最终的超导磁体设计参数见表 1。表 13 T 动物磁共振成像超导磁体设计参数Tab.1The design parameters of 3 T superconductingmagnet for animal MRI线圈r1/mmr2/mmz1/mmz2/mmN1 号185.55235.12-301.02-200.48 1252 号185.57222.95-134.63-87.942 8423 号186.96210.63-59.58-8.871 9534 号186.96210.638.8759.581 9535 号185.57222.9587.94134.632 8426 号185.55235.12200.4301.028 1257 号338.15370.87-301.78-148.864 4038 号338.15370.87148.86301.784 4033 T 超导磁体结构示意图如图 1 所示。3 T 超导磁体由 8 个同轴 NbTi 螺管线圈（18 号）组成，线圈 1 号、2 号、3 号、7 号与 6 号、5 号、4 号、8号沿轴向对称放置且结构相同。内层的 6 个线圈（16 号）为主线圈通以正向电流在直径330 mm的温孔内产生所需磁场；外层的 2 个线圈（7 号、8号）为屏蔽线圈，通反向电流产生反向磁场抵消主线圈向外的漏磁场。6 个主线圈绕制在同一个铝合金骨架上，两个屏蔽线圈绕制在另一个铝合金骨架上。8 个线圈在电路上串联连接采用单一电源供电，所有线圈流通相同的工作电流 110 A。图 13 T 超导磁体结构示意图Fig.1Configuration of the 3 T superconducting magnet为了方便采购和绕制工作，主线圈（16 号）被设计成采用同一种规格的 NbTi/Cu 线材绕制，其直径为0.80 mm，铜超比为 2；屏蔽线圈（7 号、8号）采用尺寸为 1.28 mm0.83 mm、铜超比为 10的矩形截面 NbTi/Cu 线材绕制。整个超导磁体的总电感为 103 H，满场运行时对应的总储能为 0.62 MJ。图 2 为 3 T 超导磁体的磁场分布。当所有线圈流通工作电流 110 A 时，磁体系统中心磁场为 3 T。在直径180 mm 的球形区域（Diameter of SphericalVolume,DSV）内的磁场峰-峰值不均匀度（Hp2p）小于 1210-4%。超导磁体外围 5GS 杂散场被限制图 23 T 超导磁体磁场分布Fig.2Magnetic field distribution ofthe 3 T superconducting magnet第 38 卷第 4 期陈顺中等3 T 动物磁共振成像传导冷却超导磁体研究881在轴向（z）1.8 m，径向（r）1.2 m 的椭球区域内。所有线圈内部的最大磁场、对应的电流安全裕度（4.2 K，Bmax）及失超分流温度见表 2。通过比较可以得出，超导磁体整体的电流安全裕度为 65.4%，分流温度为 6.25 K，温度裕度（相对于 4.2 K）为2.05 K，可以看出 3 T 超导磁体电磁设计上留有较大安全运行余量。表 23 T 动物磁共振成像超导磁体临界参数Tab.2The critical parameters of 3 T superconductingmagnet for animal MRI线圈最大磁场/T 电流安全裕度(%)分流温度/K温度裕度/K1、6 号5.0765.46.252.052、5 号3.8853.76.812.613、4 号3.4049.07.022.827、8 号2.8542.57.363.16电磁应力分布情况是判定超导磁体安全性能的另一重要指标。为了保证磁体的安全性，电磁应力需限制在 150 MPa 以下。在柱坐标下电磁应力可分解为径向电磁应力、轴向电磁应力及环向电磁应力（hoop stress），其中径向和轴向电磁应力要比环向电磁应力小得多，一般设计时只用考虑环向电磁应力（hoop stress）。本文采用平均模型计算线圈内部的电磁应力，将组成线圈的不同材料的力学特性进行平均化即得到平均模型的力学特性。图 3 显示了3 T超导磁体各个线圈内部的环向应力（hoop stress）分布情况。可以看出超导磁体最大的电磁应力为40.9 MPa，位于 3 号和 4 号线圈中。3 T 超导磁体的最大电磁应力大大低于可允许的临界值再次说明了电磁设计是安全可行的。图 33 T 超导磁体内部环向应力分布Fig.3Hoop stress distribution inthe 3 T superconducting magnet1.2失超保护设计超导磁体在运行中可能会出现超导线微滑动、填充材料破裂及低温环境破坏等扰动而发生失超。失超会在超导线圈内部产生高温、高电压及高应力，导致超导磁体损坏。失超保护是超导磁体安全运行的重要保障，也是超导磁体设计的重要内容10-11。本文采用一种包含了分段和失超加速策略的被动失超保护方法来避免失超对超导磁体的损害。详细的被动失超保护电路如图 4 所示。分段保护是为了将超导磁体储能进行分组，能有效限制热点温升和峰值电压。考虑到超导磁体失超过程中会与超导磁体外围的冷屏之间产生很强的耦合电磁力作用；如果磁场不对称就会使冷屏上的电磁力合力不为零，产生不平衡力，不平衡的电磁力会使冷屏结构失稳；因此超导磁体中对称的线圈必须放置在同一分段中使流通电流相同，保证了磁场在失超过程中保持对称。3 T 超导磁体的 8 个线圈被分为 3 段，1 号和 6 号线圈为第一段，2 号、3 号、4 号和 5 号线圈为第二段，7 号和 8 号线圈为第三段。每段线圈两端并联背靠背二极管对和限流电阻作为分流回路。图 43 T 超导磁体失超保护Fig.4Quench protection circuit forthe 3 T superconducting magnet失超一般起始于某个超导线圈中很小的区域，然后开始向周边传播。对于 NbTi 线圈，其环向（沿导线方向）失超传播速度可达 10100 m/s，意味着在很短时间内失超就能从一点传遍整个超导线圈。882电 工 技 术 学 报2023 年 2 月3 T 超导磁体的 8 个线圈沿轴向分离排布，线圈之间没有直接的热接触，失超无法直接传播过去。依靠线圈间的铝合金骨架导热来触发其他线圈失超的速度非常慢。为了加快失超在线圈之间的传播，减少有害的热量集中，必须采用辅助的失超加速策略。本文将在每个超导线圈的外表面粘贴加热片来快速触发未失超的线圈提前失超，加速失超在线圈间的传播。加热片采用无磁不锈钢带，一去一回两匝，长度与每个线圈的轴长相同。通过优化设计，不锈钢带尺寸选取为宽度 10 mm，厚度 0.2 mm。每个超导线圈外表面各粘贴三组加热片，8 个线圈的加热片各取一组分别串联到三个分段回路中。通过分段回路中的分流电流给加热片提供能量，使加热片发热升温触发相应的线圈失超。失超过程的数值仿真是优化失超保护电路参