线圈支承件的制作方法

1.本发明涉及超导磁体，并且特别涉及用于磁共振成像(mri)系统和核磁共振(nmr)系统的超导磁体。


背景技术：

2.通常，这种超导磁体包含有源屏蔽以减少杂散磁场。有源屏蔽包括位于主电磁线圈外部的反向运行线圈。对于有效的设计，屏蔽线圈与内磁体之间应该存在很大的径向间隙。在操作中，屏蔽线圈通常会承受许多吨的轴向本体力，并且必须被准确地定位。可能难以以高效且具有成本效益的方式支承这些屏蔽线圈。
3.本发明解决了该问题并且意在提供以高效且具有成本效益的方式支持这些屏蔽线圈的布置结构。
4.图1示出了如在wo2013/102509中所描述的用于mri系统的常规超导磁体。自支承的主磁体组件1可以包括至少一个环形超导主线圈。设置有直径比主线圈的直径大的多个屏蔽线圈6，屏蔽线圈6与主线圈围绕轴线a-a(示意性表示)同轴放置。中间线圈支承结构3固定至自支承的主磁体组件1和保持屏蔽线圈6的轴颈8，以将主线圈和屏蔽线圈保持在它们各自的正确位置中。
5.无线圈架结构1特别适用于非常轻量的磁体结构、比如需要快速冷却时间的无冷冻剂磁体所需的磁体结构。对于非常薄的线圈，其他常规布置结构变得不切实际。作为如图1中所示的自支承的主磁体组件1，直接从真空容器中悬挂“冷却块”可能变得不切实际，因为可能导致磁体组件产生不可接受的水平的变形。
6.当要求保持“冷却块”低时，即，当保持在超导磁体的通常低于20k的操作温度下的装备块通常大约为4k时，上述问题、包括由wo2013/102509提出的解决方案变得难以解决。最近的发展包括传导冷却磁体，该传导冷却磁体未设置有液态冷冻剂的浴器。为了使这种结构的冷却时间最小化，线圈以及如果提供的该线圈框架往往会变得非常薄，并且由于减少质量的驱动而已经降低了固有刚度。尽管如此，需要允许低温恒温器内的冷却块的悬挂而不会过度变形，并且变得难以提供用于从主磁体组件支承屏蔽线圈的布置结构。
7.线圈结合至相似径向范围的环形间隔件的侧部的无线圈架全结合解决方案可以用于非常轻的结构、比如具有快速冷却时间的无冷冻剂磁体所需的结构。随着线圈变得更薄，已知的线圈支承解决方案变得越来越难以实现或不可能实现。冷却块可能需要显着加强，以允许磁体悬挂件直接连接至冷却块。需要一种轻质且坚固的结构，该结构围绕屏蔽线圈的整个圆周支承屏蔽线圈，而不会使任何线圈承受集中的机械负载，否则该机械负载可能会导致线圈变形。


技术实现要素：

8.本发明意在提供薄而质轻的支承件，该支承件用于将薄而质轻的屏蔽线圈安装到薄而质轻的主磁体组件上。本发明的支承件向冷却块增加了相对较少的质量，这保持了传
导冷却磁体的冷却效率。由此产生的冷却块结构在完全组装时具有很高的固有刚度，从而使线圈在悬挂时的变形最小化，同时使热负载和电磁负载最小化。
9.在使用中，由于由超导线圈产生的磁场与由整个超导磁体产生的磁场的相互作用，每个超导磁体线圈受到包括径向力和轴向力的电磁负载。每个超导线圈都承受轴向本体力，该轴向本体力通常从中间平面向外，但也可以向内朝向中间平面，这取决于磁体设计，并且每个超导线圈还承受相当大的径向力，该径向力通常沿径向向外的方向，但在某些情况下也可以径向向内，这取决于磁体设计。对于薄的线圈，如果仅在几个点上支承，由于电磁负载引起的力的这种组合可能会导致超导线圈弯曲，并且至少可以导致局部变形，该局部变形会导致高的局部应力并且产生的磁场均匀性低。常规地，通过使超导线圈结构更重和更昂贵已经解决了这种应力集中问题。本发明提供围绕超导线圈的圆周的连续的支承件，使得实际上消除了应力集中，使变形最小化并且避免了屈曲模式。这进而使任何产生的磁场均匀性的下降最小化。
10.本发明试图提供一种质轻且刚性的结构，该结构围绕屏蔽线圈的整个圆周支承屏蔽线圈，而不会使任何线圈受到集中的机械负载。
11.因此，本发明提供了如所附权利要求中所限定的装置。
附图说明
12.本发明的上述及其他目的、特征和优点将根据结合附图阅读以下的本发明的某些实施方式的描述而变得更加明显，在附图中：
13.图1示意性地示出了屏蔽线圈支承件结构的常规布置结构；
14.图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的屏蔽线圈支承件结构的布置结构；
15.图2a示出了本发明的特定实施方式的替代性特征的细节；
16.图3示出了图2的某些特征的放大图；
17.图4示意性地示出了根据本发明的替代性实施方式的屏蔽线圈支承件结构的布置结构；
18.图5示出了本发明的另一替代性实施方式，其中，提供了屏蔽线圈支承件布置结构，并且示出了用于支承外真空室(ovc)内的整个冷却块的布置结构；以及
19.图6示出了本发明的另一实施方式，在该实施方式中，锥形支承件用作热辐射屏蔽件的一部分。
具体实施方式
20.图2示出了本发明的实施方式的部分横截面，该实施方式基本上具有关于轴线a-a的旋转对称性和关于中心平面c-c的反射对称性。
21.如由图2中示意性地所示的示例实施方式所图示的，本发明提供了一个或更多个锥形的环形支承件20，以将薄且挠性的内磁体(“主磁体组件”)10连接至薄的屏蔽线圈16。尽管所有这些部件在组装之前都是挠性的且机械性能相对较弱，但当连接在一起时，会形成非常刚性且极轻的结构。图3示出了图2的某些特征的放大图。
22.在图2中，未详细图示的主磁体组件10包括至少一个超导线圈。设置有直径比主磁体组件10的直径大的屏蔽线圈16。在所图示的实施方式中，设置有端部环18，端部环18结合
至每个相应的屏蔽线圈16的轴向外端部。端部环18可以是树脂浸渍的纤维材料的。
23.根据本发明的特征，设置有锥形的环形支承件20。该锥形的环形支承件20的径向内周部22附接至主磁体组件10。在所图示的示例中，这通过下述方式实现：螺栓24穿过锥形的环形支承件20的材料中的内凸缘26，进入间隔件14的材料中的螺纹孔中，或进入本身保持在间隔件14的材料内的螺纹插入件中，内凸缘26从环形支承件20的径向内周部22轴向向内指向。锥形的环形支承件20的径向外周部28附接至屏蔽线圈16中的一个屏蔽线圈。在图示的实施方式中，这是通过下述方式实现：螺栓30轴向穿过锥形的环形支承件20的材料中的周缘径向延伸的外凸缘32，进入端部环18的材料中的螺纹孔中，或者进入本身保持在端部环18的材料内的螺纹插入件中。
24.在优选实施方式中，在主磁体组件10的另一轴向末端处提供有类似的布置，从而为另一屏蔽线圈的轴向外末端提供支承。
25.在优选实施方式中，该锥形的环形支承件20或每个锥形的环形支承件20由薄金属板、例如1mm厚的不锈钢、铝或铝合金形成，尽管每个锥形的环形支承件20可以由诸如复合材料比如cfrp或grp之类的其他材料制成。
26.在一些实施方式中，比如图2中所图示的，一个或更多个悬挂元件、比如柱腿支承件34可以附接至主磁体组件10。如图示的，并且方便地，柱腿支承件34可以通过将锥形的环形支承件20附接至主磁体组件10的螺栓24中的一个或更多个螺栓附接至主磁体组件10。柱腿支承件34的另一端部可以附接至外真空容器(ovc)的内表面(图2中未图示)，该外真空容器限定了磁体结构周围的真空区域。以这种方式，主磁体组件10的重量可以由ovc通过柱腿支承件34中的张力承担。屏蔽线圈16的重量可以由ovc通过柱腿支承件34中的张力和锥形的环形支承件20中的张力和压缩来承担。
27.在使用中，屏蔽线圈16受到许多吨轴向向外的力，这可能足以使锥形的环形支承件20或每个锥形的环形支承件20变形。在图2中所示的视图中，这种变形将出现为如下情况：屏蔽线圈16围绕环形支承件20的径向内周部22旋转一定程度，锥形的环形支承件20的材料变形。这又将意味着径向延伸的外凸缘32不再径向指向，并且可能导致屏蔽线圈16的形状变形。为了抵抗这种变形，在本发明的某些实施方式中，可以提供轴向杆36，轴向杆36在磁体结构的相反端部处的屏蔽线圈支承件结构之间延伸。例如，可以提供八个这样的杆，该杆围绕磁体结构周向分布。轴向杆36提供在轴向方向上的额外刚度并因此防止锥形的环形支承件20的过度扭曲。由轴向杆36提供的这种额外刚度可以允许使用更薄的材料来形成锥形的环形支承件20。在优选实施方式中，在主磁体组件10的每个轴向末端附近提供有锥形的环形支承件20，并且轴向杆36在两个锥形的环形支承件20之间延伸。在图2中所图示的实施方式中，靠近外凸缘32以周向间隔设置平坦区域38，并且相应的轴向杆36通过螺栓或通过将螺母附接至轴向杆36本身的螺纹部分而安装至相应的平坦区域38。
28.在图2的实施方式中，每个轴向杆36是实心材料、比如不锈钢。每个轴向杆的至少端部区域带螺纹并且定位成穿过相应的锥形的环形支承件20中的对应孔。螺母被旋拧到锥形的环形支承件20的任一侧部的螺纹区域上，并且垫圈可以放置在每个螺母与相关联的锥形的环形支承件20之间。
29.在图2a中所图示的替代性布置中，轴向杆40是中空杆，在轴向杆40的每个端部中安装有带螺纹螺栓42或类似物，以使轴向杆40能够以图2的轴向杆36的方式安装至锥形的
环形支承件20。
30.这种轴向杆的存在防止或至少限制了锥形的环形支承件20的变形，并且因此减少了屏蔽线圈16在电磁负载下变形或改变位置的趋势。
31.锥形的环形支承件20围绕主磁体组件的圆周至少间隔地附接至主磁体组件10，例如通过螺栓24附接至主磁体组件10。在一些实施方式中，锥形的环形支承件20可以连续地附接至主磁体组件10，例如通过与内凸缘26和主磁体组件10重叠的树脂浸渍玻璃带附接至主磁体组件10。在替代性实施方式中，锥形的环形支承件20结合至主磁体组件10或通过机械压缩带被夹持至主磁体组件10。诸如附图中所示的螺栓24之类的隐蔽固定件简化了制造，但在锥形的环形支承件20是树脂浸渍复合材料的实施方式中，可能会发现粘合接合部是有利的。
32.在径向方向上，锥形的环形支承件20提供刚性支承并保持主磁体组件10的环形形状。这是使磁场能够足够均匀所必需的。
33.锥形的环形支承件20围绕主磁体组件的圆周至少间隔地附接至屏蔽线圈16，例如通过螺栓30附接至屏蔽线圈16。在一些实施方式中，锥形的环形支承件20可以连续地附接至主磁体组件10，例如通过与内凸缘26和主磁体组件重叠的树脂浸渍玻璃带附接至主磁体组件10。在径向方向上，锥形的环形支承件20提供刚性支承并保持屏蔽线圈16的环形形状。这确保了屏蔽线圈相对于彼此以及相对于主磁体组件10保持精确定位。通过围绕屏蔽线圈的整个圆周支承屏蔽线圈，可以避免屏蔽线圈的平面外弯曲和应力集中，尽管这两种情况都发生在使用离散张紧元件来支承屏蔽线圈的常规方法中。
34.锥形的环形支承件20提供轴向刚度和径向刚度以抵抗机械负载、热负载和电磁负载。
35.锥形的环形支承件20还可以提供用于如下面参照图5所讨论的张紧悬挂系统的安装位置或提供用于诸如使用安装至如上面参照图2所讨论的锥形的环形支承件20的内凸缘22的柱支承件34的张紧或压缩悬挂系统的安装位置。柱支承件34可以附接至锥形的环形支承件20，如图2和图3中所图示的，但可以替代性地安装至主磁体组件10，优选地靠近锥形的环形支承件20。锥形的环形支承件20将主磁铁组件10保持为圆形，并且从而有助于防止柱支承件使内磁体扭曲。
36.可以根据轴向刚度需求通过适当地选择锥形的环形支承件20的参数、比如锥体材料、厚度和倾角β来平衡由锥形的环形支承件20提供的主磁体组件10和屏蔽线圈16的约束。如果提供轴向杆的话，可以通过调整轴向杆36、40的刚度、数目和位置来实现结构的机械性能的进一步调节。
37.在本发明的某些实施方式中，锥形的环形支承件20可以由导热率相对较高的材料、比如铜或铝制成。这将在主磁体组件10与屏蔽线圈16之间提供高导热路径。这将有助于热均匀性、特别是在传导冷却磁体中的热均匀性。
38.常规地，在主磁体组件10上设置有终端区域，比如如图2中的39所示的。在那里，构成主磁体线圈和屏蔽线圈的超导线的端部被放在一起，并与也称为电磁开关的超导持久开关以及电源、停止运转负载等进行电连接。常规地，这种终端区域可以设置在主磁体组件10的径向外表面上。本发明的锥形的环形支承件20允许这种区域能够特别容易接近。在省略张紧杆36、40的情况下、例如在锥形的环形支承件20本身提供足够的刚度以定位和保持屏
蔽线圈的实施例中，这些区域的可接近性将进一步提高。
39.锥形的环形支承件20可以通过金属板的制作、旋压或压制或通过复合叠层来以具有成本效益的方式制造。与用于屏蔽线圈的常规支承结构和磁体结构支承件相比，本发明提供的支承结构具有低得多的部件数量和复杂性。
40.图4示出了本发明的替代性实施方式的细节，其中，屏蔽线圈16未设置有端部环(图2中的18)。替代地，在每个屏蔽线圈16的径向外表面上至少部分地设置有复合材料的包覆层41，该复合材料比如树脂浸渍的玻璃纤维或树脂浸渍的碳纤维。包覆层41轴向突出超过相应屏蔽线圈16的轴向外端部。在所图示的实施方式中，锥形的环形支承件20具有径向外末端，该径向外末端朝向磁体的轴向中心轴向转动，以形成轴向指向的外凸缘42。在图示的实施方式中，包覆层41通过诸如铆钉44之类的紧固件附接至轴向指向的外凸缘42。这种紧固件可以围绕屏蔽线圈16的圆周间隔地设置。应确定紧固件的数目以及因此紧固件的间距，以确保屏蔽线圈16在正常使用期间不会明显变形。该确定还应考虑包覆层41的机械强度，包覆层41将为屏蔽线圈提供环形支承。
41.与图2的实施方式类似，轴向杆36或轴向杆40优选地附接至设置在靠近外凸缘42处的相应平坦区域46。在任一实施方式中，平坦区域可以设置在锥形的环形支承件20的锥体的轴向内部或外部。在一些实施方式中，由于锥形的环形支承件20优选地使用相对薄的材料，用于附接轴向杆36或轴向杆40的平坦区域46设置有诸如材料板之类的加强件，从而有效地局部增加锥形的环形支承件20的材料厚度，或锥形的环形支承件20的材料中的压入特征或旋入特征。
42.在未具体图示的其他实施方式中，锥形的环形支承件20的取向被颠倒，即，锥形的环形支承件20到达屏蔽线圈的轴向内边缘并且朝向主磁体组件10的表面轴向向外倾斜。在未具体图示的另一实施方式中，每个屏蔽线圈16可以设置在锥形的环形支承件20的与迄今所提出的轴向侧部相反的轴向侧部上。锥形的环形支承件20可以用其他形状的环形支承件代替，以便改善所需的结构特性。
43.图5图示了本发明的另一实施方式。在该实施方式中，锥形的环形支承件20适于通过支承杆70支承主磁体组件10的重量，支承杆70支撑抵靠外真空容器(ovc)50。支承杆70优选地还支承热辐射屏蔽件52的重量。ovc 50提供了环绕超导磁体的真空容积。热辐射屏蔽件52(处于大约50k)当然必须以确保热辐射屏蔽件52与ovc(处于大约300k)和超导磁体(处于大约4k)热绝缘的方式被保持和机械地支承。
44.热辐射屏蔽件52位于超导磁体与ovc之间。热辐射屏蔽件52防止来自通常处于大约300k的ovc内部表面的热辐射到达通常处于大约4k的超导磁体。热辐射屏蔽件52通常被冷却至大约50k的温度。低温制冷器通常在50k时比在4k时提供更大的冷却能力，因此在50k时去除任何热流入而不是试图在4k时去除热流入是有用的。因此，仅在50k下发射从热辐射屏蔽件52到达超导磁体的热辐射，并且因此携带的能量比在300k下发射的热辐射少得多，从而允许通过低温制冷器在4k时去除从热辐射屏蔽件52到达超导磁体的热流入。
45.图5图示了本发明的实施方式，该实施方式能够进行这种保持和机械支承。如本身常规的，可以在ovc与热辐射屏蔽件之间的空间中设置多层绝缘件(mli)54。mli通常包括多层镀铝聚酯片材。为了便于表示，间歇性地图示出mli，但实际上将基本包围热辐射屏蔽件52。其目的是反射来自ovc的热辐射，并在ovc与热辐射屏蔽件之间建立稳定的热梯度。
46.图5的实施方式与本发明的其他实施方式共享许多特征，并且这些特征带有与先前附图中带有的附图标记相同的附图标记。
47.多个杆凸台62被引入锥形的环形支承件60中。例如，可以提供围绕每个锥形的环形支承件60周向分布的四个这样的杆凸台。杆凸台中的每个杆凸台优选地由诸如树脂浸渍玻璃纤维或碳纤维、不锈钢或者钛之类的材料制成，并且包括径向指向的通孔68，该通孔68倾斜于轴线a-a以容纳对应的支承杆70。每个杆凸台62可以定形状成或以其他方式布置成保持在安装在锥形的环形支承件60中的适当位置中。
48.在优选实施方式中，设置有八个这样的凸台，在两个锥形的环形支承件60中的每一者上存在四个凸台，两个锥形的环形支承件60中的每一者位于超导磁体组件的相应端部处。每个锥形的环形支承件的倾角β优选地与安装至杆凸台62的支承杆70的取向对应。八个支承杆70中的每一者在ovc与相应的锥形的环形支承件60之间以复角布置，以通过锥形的环形支承件60的材料向ovc提供超导磁体结构的重量的机械支承，其中，每个支承杆70安装至杆凸台62中的相应一个杆凸台。通过设置跟随锥体角度的张紧杆70，锥形的环形支承件60的材料的扭曲和弯曲被最小化。从而可以提供支承超导磁体的重量而不需要整个结构的加长。
49.在所图示的实施方式中，支承杆70的两个端部都带有螺纹。在支承杆的径向内端部处，支承杆70穿过杆凸台62。在支承杆的径向外端部处，支承杆穿过安装点72中的孔或槽口，安装点72通过焊接或一些类似的永久附接方式附接至ovc的内表面。支承杆70的两个带螺纹端部分别用螺母并且优选地也用垫圈紧固就位。支承杆70通过相应螺母的拧紧而分别变得张紧，以便约束和支承ovc内的超导磁体结构。
50.图5的实施方式的另一优选特征是热辐射屏蔽件52的重量由支承杆70承担。为此目的，屏蔽件支承件74安装在支承杆70上。至少一个屏蔽件支承件74安装在至少一个支承杆上，但优选地，至少一个屏蔽件支承件74安装在每个支承杆70上。每个屏蔽件支承件74在适当的位置处附接至相应的支承杆，使得在稳定的热条件下，支承杆在屏蔽件支承件74的位置处的温度将与热辐射屏蔽件的温度大致相同，使得在使用中，在热辐射屏蔽件与支承杆70之间发生很少的热传递。屏蔽件支承件74附接至热辐射屏蔽件，使得热辐射屏蔽件的重量至少部分地由屏蔽件支承件74承担。
51.在本发明的某些实施方式中，比如在图6中作为示例图示的实施方式中，锥形的环形支承件20、60形成“不透光”热辐射屏蔽件的部分。例如，可以在本发明的任一实施方式的锥形的环形支承件20、60的径向外末端之间提供不透明的轻质管80、比如诸如铝箔或铜箔或覆盖在箔中的复合基底之类的薄的导电金属的管80，以便形成用于包括主磁体组件10和屏蔽线圈16的磁体冷却块的辐射屏蔽件。以此方式，锥形的环形支承件20、锥形的环形支承件60、轻质管80和主磁体组件10形成等温容积，终端部分39可以容纳在该等温容积中而无需额外的热屏蔽。可以通过在主磁体组件的表面上添加导热层80、例如铝箔或铜箔的导热层80而使主磁体组件10处于等温容积内，否则这些表面会暴露在等温容积外部。
52.因此，本发明提供了一种超导磁体组件，该超导磁体组件包括：主磁体组件10，该主磁体组件10包括围绕轴线a-a布置的至少一个环形超导线圈；以及至少一个屏蔽线圈16，至少一个屏蔽线圈16围绕轴线a-a布置，并具有比主磁体组件10的直径大的直径，其中，设置有附接至屏蔽线圈16和主磁体组件10的至少一个环形支承件。
53.在优选的实施方式中，环形支承件可以是圆锥形的；并且在另一优选的实施方式中，环形支承件可以被描述为跨越内(主)线圈与外(屏蔽)线圈之间的径向间隙的薄的锥形部段。
54.这种布置结构提供适用于支承非常薄的线圈的轻质且机械刚性的屏蔽线圈支承件。通过改变锥体几何形状、厚度和材料，可以容易地调节屏蔽线圈支承件的机械特性。本发明的支承结构轻质并且适用于无冷冻剂或传导冷却的磁体，因为这种磁体在安装时需要从室温快速冷却。本发明的屏蔽线圈支承件20、60还具有低材料含量和对应的低质量，从而允许更容易定位磁体、更短的冷却时间和降低的运输成本。本发明的环形屏蔽线圈支承件结构20、60简单且具有成本效益。在优选的实施方式中，使用本发明的锥形支承件结构允许无阻碍地接近磁体的终端区域。
55.由于环形屏蔽线圈支承件赋予的机械刚度，本发明的环形屏蔽线圈支承件结构允许将非常轻质的磁体冷却块机械地悬挂在低温恒温器内而不会过度变形。
56.在本发明的某些实施方式中，环形支承件20、60形成围绕冷却块的热辐射屏蔽件的部分，环形支承件20、60还提供用于安装终端部件和电磁开关的不透光等温容积。