本發(fā)明涉及磁共振成像技術，具體涉及一種用于磁共振成像的超導磁體組件及其維護方法。

背景技術：

磁共振成像系統(tǒng)已廣泛應用于醫(yī)療診斷領域，其基本原理是利用磁體產(chǎn)生均勻的強磁場，在由梯度線圈產(chǎn)生特定的梯度場的配合下，將診斷對象體內(nèi)的氫原子極化，然后由射頻線圈發(fā)射無線電射頻脈沖激發(fā)氫原子核，引起核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號，并將吸收的能量釋放出來，被體外的接收器收錄，經(jīng)電子計算機處理后獲得圖像。

在超導磁共振成像系統(tǒng)中，超導磁體作為核心部件，其利用超導材料制成的超導線圈產(chǎn)生高場強、高穩(wěn)定磁場。超導線圈位于裝滿冷卻劑的冷卻劑容器中，被冷卻的超導線圈會達到超導溫度，并保持超導狀態(tài)。向超導線圈中通入大電流，產(chǎn)生高場強高穩(wěn)定磁場，且由于超導態(tài)的線圈為零電阻，電流不會有損耗。一般使用液氦作為冷卻劑，氦的沸點約為4.2K。

氦是一種較稀缺且昂貴的資源，為了盡量避免氦的蒸發(fā)，需要對超導磁體的冷頭等相關的制冷組件進行改進，實現(xiàn)超導磁體系統(tǒng)中的液氦“零”蒸發(fā)，延長磁體系統(tǒng)的維護間隔；此外，在更換冷頭時，也需要盡量減少液氦的損失，以節(jié)約成像系統(tǒng)的維護成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種可降低使用成本的超導磁體組件。

本發(fā)明為解決上述技術問題而采用的技術方案是：一種超導磁體組件，包括外容器、屏蔽層、內(nèi)容器、超導線圈，超導線圈內(nèi)置于內(nèi)容器中，內(nèi)容器容納在外容器內(nèi)，屏蔽層布置于外容器和內(nèi)容器之間；所述超導磁體組件還包括冷頭腔以及安裝在冷頭腔中的冷頭，所述冷頭腔與內(nèi)容器連通，所述冷頭包括第一級、第二級，所述第二級位于第一級的下方，所述第一級通過導熱元件與屏蔽層連接。

可選的，所述外容器上設有安裝部，安裝部從外容器向上延伸，安裝部的內(nèi)腔與外容器相連，所述冷頭腔收容于安裝部的內(nèi)腔中。

可選的，所述冷頭腔通過管道與所述內(nèi)容器連通。

可選的，所述安裝部具有沿上下方向延伸的第一軸線，所述冷頭腔具有沿上下方向延伸的第二軸線，所述第一軸線與第二軸線不重合。

可選的，所述第二軸線位于第一軸線的外側。

可選的，所述冷頭腔的底部設有回液口，且所述回液口與通道相貫通，所述冷頭腔的上壁或安裝部的上壁設有端口，所述端口與回液口相對布置。

可選的，還包括可從端口延伸至回液口中的導桿。

可選的，所述導桿包括主桿和堵頭，主桿設有沿軸向延伸的第一通孔，主桿的末端設有沿徑向延伸的第二通孔；堵頭為彈性材料制成，組裝于主桿的末端。

本發(fā)明的超導磁體組件對比現(xiàn)有技術有如下的有益效果：本發(fā)明實施例中的超導磁體組件的包括外容器、屏蔽層、內(nèi)容器為多層結構，并通過冷頭對內(nèi)容器中的低溫介質(zhì)及屏蔽層進行冷卻，可有效的避免或減少低溫介質(zhì)的蒸發(fā)；

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種可降低使用成本的超導磁體組件的維護方法。

本發(fā)明為解決上述技術問題而采用的技術方案是：一種超導磁體組件的維護方法，所述超導磁體組件包括外容器、屏蔽層、內(nèi)容器、超導線圈，超導線圈內(nèi)置于內(nèi)容器中，內(nèi)容器容納在外容器內(nèi)，屏蔽層布置于外容器和內(nèi)容器之間；所述超導磁體組件還包括冷頭腔、容納在冷頭腔內(nèi)的冷頭以及導桿，所述冷頭腔與內(nèi)容器連通，所述導桿具有沿縱長方向延伸的第一通孔及側向延伸的第二通孔，且第一通孔與第二通孔相貫通；所述超導磁體組件的維護方法包括以下步驟：

步驟一，將冷頭停機；

步驟二，向?qū)U中的第一通孔中充入正壓氣體，所述氣體為用于冷卻超導線圈的低溫介質(zhì)的氣化形態(tài)；

步驟三，通過導桿將冷頭腔與內(nèi)容器連通處封堵，且所述正壓氣體從導桿的第二通孔中持續(xù)噴出，使冷頭腔內(nèi)部與外界大氣環(huán)境相隔離；

步驟四，將冷頭從冷頭腔中取出，并更換新冷頭；

步驟五，移動導桿，使冷頭腔與內(nèi)容器連通處保持連通狀態(tài)。

可選的，還包括將導桿插入到冷頭腔中，并將導桿固定于冷頭腔。

本發(fā)明的超導磁體組件的維護方法對比現(xiàn)有技術有如下的有益效果：本發(fā)明實施例對冷頭腔的結構進行了優(yōu)化，通過導桿封堵冷頭腔與內(nèi)容器的之間的連通管道，可在更換冷頭時有效的阻止內(nèi)容器中的低溫介質(zhì)蒸發(fā)，另外，通過向?qū)U內(nèi)充入氦氣，可使冷頭腔與外界大氣隔絕，避免外界大氣進入冷頭腔內(nèi)，發(fā)生結冰現(xiàn)象。

【附圖說明】

為了更清楚地說明本方案實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本方案的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例一的超導磁體組件的立體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例一的超導磁體組件的沿軸向的剖面結構示意圖；

圖3為圖2的超導磁體組件中的冷頭移除后的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例二的超導磁體組件的部分剖面結構示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例二的超導磁體組件中的導桿安裝到冷頭腔的示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例二的超導磁體組件中的冷頭被更換時通過導桿向冷頭腔充氣的示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例二的導桿的立體結構示意圖；

圖8為導桿的分解示意圖；

圖9為以縱長面將導桿對稱剖切后的結構示意圖。

【具體實施方式】

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

應當明確，所描述的實施例僅僅是本方案一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒痉桨钢械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本方案保護的范圍。

在本方案實施例中使用的術語是僅僅出于描述特定實施例的目的，而非旨在限制本方案。在本方案實施例和所附權利要求書中所使用的單數(shù)形式的“一種”、“所述”和“該”也旨在包括多數(shù)形式，除非上下文清楚地表示其他含義。

應當理解，本文中使用的術語“和/或”僅僅是一種描述關聯(lián)對象的關聯(lián)關系，表示可以存在三種關系，例如，甲和/或乙，可以表示：單獨存在甲，同時存在甲和乙，單獨存在乙這三種情況。另外，本文中字符“/”，一般表示前后關聯(lián)對象是一種“或”的關系。

請參閱圖1-3，本發(fā)明實施例一的超導磁體組件100包括外容器1、屏蔽層2、內(nèi)容器3、超導線圈5。內(nèi)容器3中有一定數(shù)量的低溫介質(zhì)(例如液氦)，超導線圈5內(nèi)置于內(nèi)容器3中，內(nèi)容器3容納在外容器1內(nèi)，通過使外容器1和內(nèi)容器3間的空間形成真空的方式，來減小由外界環(huán)境流入內(nèi)容器3內(nèi)的熱量。在外容器1和內(nèi)容器3之間還布置有一個屏蔽層2，用于降低外容器1對內(nèi)容器3的輻射熱量。內(nèi)容器3中裝有液氦4，可使超導線圈5保持超導狀態(tài)。然而由于結構支撐、輻射、殘余氣體換熱等因素，內(nèi)容器3仍然會承受一定的熱量，所以液氦會以蒸發(fā)的形式帶出導入的熱量，以維持約4.2K的低溫。為阻止液氦的蒸發(fā)，超導磁體組件上一般會配置制冷裝置。

制冷裝置包括容納在冷頭腔8內(nèi)的冷頭9，其一般包括兩級，冷頭9的第一級91通過導熱元件(例如銅帶)90與屏蔽層2相連；冷頭9的第二級92產(chǎn)生極低溫度，可以冷凝氣化的液氦。內(nèi)容器3內(nèi)的液氦4蒸發(fā)后產(chǎn)生的氦氣6進入冷頭腔8，被冷頭9冷凝為氦液滴7，重新回流至內(nèi)容器3。第一級91能達到50K的溫度，甚至更低的溫度；第二級92能達到約4.2K的溫度。通過這種方式，超導磁體達到“零蒸發(fā)”的狀態(tài)?？蛇x的，所述冷頭可以為GM制冷機的冷頭，也可以為斯特林制冷機的冷頭。本實施例中，制冷機(制冷裝置)的其他部分未示出。

冷頭腔8包括連通的上部腔體和下部腔體，上部腔體的周向尺寸大于下部腔體的周向尺寸。冷頭9的第一級安裝于上部腔體中，冷頭9的第二級安裝于下部腔體中。

冷頭9的第一級通過銅帶90與冷卻輻射層相連，冷卻屏蔽層2；冷頭9的第二級產(chǎn)生極低溫度，可以冷凝氣化的液氦；冷頭腔8通過管道80與內(nèi)容器3連接，內(nèi)容器3內(nèi)的液氦4蒸發(fā)后產(chǎn)生的氦氣6通過管道80進入冷頭腔8，被冷頭9的第二級冷凝為氦液滴7，通過管道80重新回流至內(nèi)容器3。通過這種方式，超導磁體達到“零蒸發(fā)”的狀態(tài)，可使超導磁體保持良好的“超導”狀態(tài)。

外容器1上設有安裝部1a，安裝部1a的內(nèi)腔與外容器1相連。安裝部1a從外容器的外壁向上延伸。冷頭腔8收容于安裝部1a的內(nèi)腔中，且冷頭腔8的軸線與安裝部1a的軸線不重合。銅帶90在安裝部1a的內(nèi)腔中并連接到輻射屏蔽層2上，管道80貫穿輻射屏蔽層2；可選的，所述銅帶向下傾斜延伸。

請參閱圖4-9并結合圖1-3，本發(fā)明實施例二的超導磁體組件的部分結構示意圖，圖中僅示出了外容器1、輻射屏蔽層2、內(nèi)容器3的部分結構(對應的完整結構示意圖請參圖1-2)，以及冷頭腔8’、冷頭9、銅帶90等，冷頭腔8’的上口徑120-200mm。

本發(fā)明實施例二的超導磁體組件對冷頭腔8’的結構進行了優(yōu)化，以適應在更換冷頭時減少液氦蒸發(fā)的需求，詳細說明如下。

圖4中是一種改進的冷頭腔8’的結構，在冷頭腔8’的底部，設置(焊接)一個回液口13，材料為不銹鋼，可選的，回液口13為通孔管的上部分，通孔管向上凸出于冷頭腔8’底壁的長度為5-20mm，可選的，位于冷頭腔8’底壁上方的通孔管的長度為5-15mm，通孔管的開口為喇叭狀?？蛇x的，冷頭腔8’的下壁的下面進一步設有連接管道14，連接管道14向下凸出于冷頭腔的下壁的長度約50-100mm，可選的，連接管道14凸出于冷頭腔8’的下壁的長度為70mm。連接管道14的材料為不銹鋼，兩端分別與回液口13及內(nèi)容器3焊接，連接管道14被置于真空層中。

冷頭腔8’(或安裝部)的上壁有端口12，端口12沿上下方向延伸，端口12的外周(或內(nèi)周)設有螺紋，端口12的材料可以為不銹鋼、銅等，端口12焊接在冷頭腔8’的上壁，冷頭腔8’通過端口12與外界大氣連通。端口12的直徑5-20mm，可選的端口12的直徑為10mm。平時運行時，內(nèi)容器3內(nèi)蒸發(fā)的氦氣通過連接管道14進入冷頭腔8’，被冷頭冷凝成液氦，液面沒過回液口13后，重新流回內(nèi)容器3?？赏ㄟ^一個蓋體10將端口12密封，蓋體10上設有螺紋結構，進一步的，蓋體10內(nèi)部設有密封圈11，以增加蓋體10與端口12之間的密閉效果，使冷頭腔8’與外界大氣隔離，氦氣不會揮發(fā)到外界大氣中。

圖7-9為與冷頭腔8’相配合的導桿15的結構示意圖，可選的，導桿15包括三個部件：主桿16，密封圈17，堵頭18。主桿16用高強度材料制成，如不銹鋼、玻璃纖維-環(huán)氧復合材料，其上部有突緣161，用于承受壓力。主桿16中間有沿縱長方向(軸向)延伸的第一通孔162，主桿16的底部設有數(shù)個側向(徑向)延伸的第二通孔163，第二通孔163與第一通孔162連通；可選的，第二通孔的數(shù)量可以為一個、兩個、三個或四個，可選的，第二通孔163與第一通孔162正交設置，可選的，第二通孔對稱布置，可以較均勻的向四周出氣。進一步的，第一通孔162的頂部為螺紋結構(螺紋孔)，可以連接導管(軟管)20，導管20的另一端進而連接至氦氣瓶(未圖示)。第一通孔162的底部為內(nèi)螺紋結構(螺紋孔)。密封圈17為橡膠材料，如丁晴橡膠或氟橡膠，其套在主桿16上部的密封圈槽中，密封槽鄰近突緣161的下側設置。堵頭18為低溫下收縮較小的彈性材料，如PTFE(特氟龍)，堵頭18的上端為外螺紋，可與第一通孔162的底部的內(nèi)螺紋結構配合，堵頭18的下端帶有斜面(錐形面)。堵頭通過螺紋緊固方式與主桿16連接?？蛇x的，所述導桿和堵頭也可以為一件式結構，用絕緣材料制成，其中，主桿的材料需要具有較高的強度，且較低的導熱率。

圖5為導桿15與冷頭腔8’配合的結構。導桿15豎直穿過端口12插入到冷頭腔8’中，使堵頭18插入回液口13，并使這兩者的斜面緊緊貼合。鎖緊螺紋套19穿過導桿15上部，擰到端口12上，擰緊，壓住導桿15上的突緣161，從而使導桿15前端的堵頭緊壓回液口13。這樣，內(nèi)容器3內(nèi)的高壓氦氣不能通過回液口13進入冷頭腔8’內(nèi)，從而使冷頭腔8’與內(nèi)容器3相隔絕。同時，導桿15上的密封圈17被壓緊在導桿15與端口12之間，冷頭腔8’內(nèi)氣體與環(huán)境大氣相隔離。導桿15的第一通孔連接導管20，導管20另一頭連接氦氣瓶，維持管內(nèi)為正壓。

請參閱圖6，本發(fā)明實施例的超導磁體組件的冷頭的更換方法。

當冷頭出現(xiàn)故障或需要維護時，先將冷頭停機，然后將導桿15頂端的縱長方向通孔與導管20連接，導管20與氦氣瓶連接，并通入正壓(壓強大于1個大氣壓，例如1.1個大氣壓)氦氣201，氦氣進入第一通孔162后，然后從導桿15末端的第二通孔163噴出。將圖3中的蓋體10打開，此時會有氦氣從端口12噴出，將導桿15從端口12中快速插入冷頭腔8’，堵住回液口13，通過導桿將冷頭腔與內(nèi)容器連通處(連接管道14)封堵，然后上緊鎖緊螺紋套19。然后取出需更換的冷頭，如圖6所示，此時外界大氣與冷頭腔8’內(nèi)相連通，但由于密封桿內(nèi)有大量氦氣201在向外噴出，使冷頭腔8’內(nèi)有一個氦氣形成的正壓(大于一個大氣壓)，有效避免了外界空氣進入冷頭腔8’內(nèi)并凝結于其低溫壁面。然后再將替換冷頭(例如新冷頭)裝入冷頭腔8’內(nèi)。裝完冷頭后，擰松鎖緊螺紋套19，向上移動導桿15，使冷頭腔與內(nèi)容器連通處保持連通狀態(tài)。最后拔出導桿15，擰上蓋體10，冷頭更換結束。

需要說明的是，實施例中通過向?qū)U的第一通孔中充入的是氦氣(即液氦的氣化形式)；但是，如果內(nèi)容器中的低溫介質(zhì)不是液氦，例如液氮，則需要向?qū)U中的第一通孔中充入正壓氮氣，即充入導桿第一通孔中的氣體為用于冷卻超導線圈的低溫介質(zhì)的氣化形態(tài)。

在整個冷頭更換過程中，內(nèi)容器3內(nèi)的氦氣不會進入大氣環(huán)境中，若在過程中磁體發(fā)生失超現(xiàn)象，內(nèi)容器3中產(chǎn)生的高壓氦氣也不會噴射至操作人員。當然，在擰開密封螺紋蓋10，至插入導桿15的過程中，會有一瞬間使內(nèi)容器3與外界大氣連通，但是因為時間短，且端口12的排氣口徑小，并不會有大量氦氣噴出，對操作人員的威脅較小。通過這個方法，可以實現(xiàn)在更換冷頭過程中，內(nèi)容器3與冷頭腔8’氣體隔絕，所以也就不擔心內(nèi)容器3內(nèi)的高壓氦氣會噴射出傷及人員，使在磁體在場情況下更換冷頭得以實現(xiàn)。

通過此種系統(tǒng)及更換冷頭的方法，可以取消更換冷頭前后的磁體升、降場過程，也不需要將液氦容器中的高壓氦氣泄放，也不會因為由于液面的下降而需要補加液氦?？梢怨?jié)省大量時間及寶貴的液氦、氦氣。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護范圍當以權利要求書所界定的為準。