CN109712773B

CN109712773B - 一种极高场核磁共振超导磁体

Info

Publication number: CN109712773B
Application number: CN201811601119.9A
Authority: CN
Inventors: 王耀辉; 王秋良
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109712773A

Abstract

一种极高场核磁共振超导磁体，包括低温超导背场磁体、高温超导内插磁体和超导匀场线圈。所述的高温超导内插磁体插入低温超导背场磁体内部，高温超导内插磁体与低温超导背场磁体同心。低温超导背场磁体的磁场和高温超导内插磁体的磁场叠加，在中心区域产生极高强度磁场。超导匀场线圈置于低温超导背场磁体和高温超导内插磁体之间的空隙处。超导匀场线圈粘贴在高温超导内插磁体外周；超导匀场线圈、低温超导背场磁体和高温超导内插磁体同心。

Description

一种极高场核磁共振超导磁体

技术领域

本发明涉及一种核磁共振谱仪超导磁体。

背景技术

核磁共振是一种通过原子核吸收特定频率的射频电磁波，对外发射信号，通过射频线圈接收信号来分析分子结构信息的一种非侵入式技术手段。在核磁共振谱仪系统中，主磁体是一个重要部件。主磁体产生均匀的强磁场，使得原子核有序进动，进动频率与磁场强度成正比。由于在不同化学环境中的原子受到周围原子电磁作用的影响不同，进动频率存在差异，这些差异会在接收到的原子波谱信号中表现出来。

核磁共振的信号灵敏度和分辨率随着磁场强度的增加而增加，这意味着原本低场检测不到的微量元素在高场下能够检测出来，原本低场分辨不出的原子团结构在高场下能够分辨出来。鉴于高场核磁共振波谱检测的优势，各国在高场磁体技术上不断发展。

在磁场强度低于18T时，可采用低温超导线材NbTi或者NbTi和Nb₃Sn结合的方式来设计超导磁体。采用超流氦冷却方法，将液氦温度从4.2K降低到1.8K时，Nb₃Sn超导磁体可产生22.3T的磁场强度。然而，若要追求更高的磁场强度，需要借助高温超导磁体来实现。对于极高场超导磁体，譬如27T，一般采用低温超导背场磁体内插高温超导磁体的结合方式，其中低温超导磁体提供一个背景磁场，高温超导磁体产生叠加磁场。

高性能核磁共振谱仪系统不仅需要很高的磁场强度，磁场在检测区域内还要有很高的均匀度，而低温螺线管嵌套和高温双饼堆叠的磁体结构并不能满足磁场均匀度要求。在设计高均匀度超导磁体时，可采用低温磁体补偿线圈设计结构，还可采用高温磁体切槽双饼设计结构。补偿线圈会增加磁体生产成本，扩大磁体体积或者缩小磁体内孔；切槽双饼可通过优化调整部分双饼内半径来实现磁场均匀度提升，并不会占用额外空间。

美国专利US 20070171014A1提出了一种背场电导磁体和内插高温超导磁体的核磁共振谱仪磁体设计方案，其中内插高温超导磁体只有一层磁体结构，采用外半径切槽的匀场方式，而且没有铺设匀场线圈；中国专利CN 101577165A采用低温超导背场磁体内插高温超导磁体的方案来设计超导磁体系统，背场磁体由6层低温超导线圈组成，内插一层高温超导磁体线圈，没有采用切槽结构、匀场线圈等磁场均匀度补偿措施；美国专利US20150213930A1发明了一种轴向电流密度分级的内插高温超导磁体设计方案，通过在轴向方向上采用不同宽度的超导带材来实现。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种极高场核磁共振谱仪磁体。本发明采用7层低温超导背场磁体和两层高温超导内插磁体结合的设计方案，使得中心区域能够产生极高场强。结合切槽双饼结构设计和铺设匀场线圈的磁场补偿方法，可提高中心磁场均匀度至1ppm以下。

本发明极高场核磁共振谱仪磁体包括低温超导背场磁体、高温超导内插磁体和超导匀场线圈。

所述的高温超导内插磁体插入低温超导背场磁体内部，高温超导内插磁体与低温超导背场磁体同心。低温超导背场磁体的磁场和高温超导内插磁体的磁场叠加，在中心区域产生极高强度磁场。超导匀场线圈置于低温超导背场磁体和高温超导内插磁体之间的空隙处。超导匀场线圈粘贴在高温超导内插磁体外周。超导匀场线圈、低温超导背场磁体和高温超导内插磁体同心。

所述的低温超导背场磁体由7层线圈组成，其中内部3层为Nb₃Sn线圈，外部4层为NbTi线圈。低温超导背场磁体的净孔直径不低于250mm。放入高温超导内插磁体后，所述的极高场核磁共振谱仪磁体的温孔直径不低于50mm。

本发明的高温超导内插磁体用Bi-2223或者YBCO高温超导带材绕制，包含内外布置的两层线圈，两层线圈同轴，和低温超导背场磁体同心。高温超导内插磁体内层线圈的中央部位采用切槽结构的双饼线圈，以增大内层高温超导线圈中央部位的内半径。可根据实际磁场均匀度要求，选择2个、4个、6个等偶数个切槽结构的双饼线圈。切槽深度可通过减少绕线匝数来控制。切槽结构双饼线圈的外半径与正常双饼线圈外半径相同。双饼线圈的切槽结构通过减少m匝超导带数量实现，实现的切槽深度为m乘以超导带厚度。

根据实际需要，可以选择铺设15组超导匀场线圈，包括轴向3组匀场线圈Z、Z2、Z3和径向12组匀场线圈X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY、Z2X、Z2Y、Z(X2-Y2)、ZXY、X3、Y3。匀场线圈用Nb₃Sn超导线绕制。15组超导匀场线圈按照轴向3组匀场线圈Z、Z2、Z3，径向12组匀场线圈X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY、Z2X、Z2Y、Z(X2-Y2)、ZXY、X3、Y3的顺序层叠排列，粘贴在高温超导内插磁体的外周。

以在中心区域产生27T均匀磁场为例，本发明低温超导背场磁体可产生15T强度的背景磁场，剩余12T磁场由高温超导磁体产生。低温超导背场磁体在中心区域内产生15T的背景磁场时，最大环向应力控制在150MPa以内。NbTi超导线圈内部的最大磁场强度为8.8T，Nb₃Sn超导线圈内部的最大磁场强度为15.3T。

高温超导内插磁体包含两层Bi-2223超导带材磁体或者两层YBCO超导带材磁体。双饼线圈用圆筒骨架支撑，外层用钢带绑扎。骨架厚度不低于2mm，绑扎厚度不低于5mm。对于Bi-2223内插磁体来说，最大环向应力控制在300MPa以内；对于YBCO内插磁体来说，最大环向应力控制在400MPa以内。

附图说明

图1为核磁共振超导磁体示意图，1、2、3为Nb₃Sn超导线绕制的背场磁体线圈，4、5、6、7为NbTi超导线绕制的背场磁体线圈，8、9为高温超导带材绕制的内插磁体线圈，10为Nb₃Sn绕制的匀场线圈；

图2为低温超导背场磁体示意图；

图3为低温超导背场磁体在中心区域内产生的磁场偏差曲线；

图4a为切槽结构双饼线圈沿径向的切面示意图，图4b为切槽结构双饼线圈三维示意图；

图5为Bi-2223内插磁体结构示意图；

图6为背场磁体和Bi-2223内插磁体在中心区域内产生的磁场偏差曲线；

图7为Bi-2223带材的电流裕度分析；

图8为YBCO内插磁体结构示意图；

图9为背场磁体和YBCO内插磁体在中心区域内产生的磁场偏差曲线；

图10为YBCO带材的电流裕度分析；

图11为超导匀场线圈叠放方式示意图；

图12a为超导匀场轴向线圈，12b为超导匀场径向线圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明极高场核磁共振超导磁体为轴对称结构，包括低温超导背场磁体、高温超导内插磁体和超导匀场线圈。所述的高温超导内插磁体插入低温超导背场磁体内部，高温超导内插磁体与低温背场磁体同心。超导匀场线圈置于高温超导内插磁体和低温超导背场磁体之间，粘贴在高温超导内插磁体外周。

低温超导背场磁体的磁场和高温超导内插磁体的磁场叠加，在中心区域产生极高强度磁场。超导匀场线圈用于消除中心磁场不均匀谐波成分，提高磁场均匀度。

所述的低温超导背场磁体由7层线圈构成，由低温超导线材绕制。内层的3层线圈1、2、3由Nb₃Sn超导线绕制，外层4层4、5、6、7为NbTi线圈，线圈结构采用螺线管绕线方式。低温超导背场磁体的净孔直径不低于250mm，孔径内用于放置高温超导内插磁体线圈8、9。高温超导内插磁体线圈9的外径与低温超导背场磁体内径之间的间距不小于15mm。高温超导内插磁体线圈8中央部位采用切槽结构，线圈8、9同轴，和低温超导背场磁体同心。高温超导内插磁体线圈用Bi-2223或者YBCO等高温超导带材绕制，以双饼线圈堆叠的方式形成磁体。高温超导内插磁体线圈9和低温超导背场磁体之间的空隙用于放置超导匀场线圈10。超导匀场线圈10采用层叠的方式粘贴到高温超导内插磁体外周。低温超导背场磁体内部插入高温超导内插磁体后，最终磁体温孔控制在50mm以上。

低温超导背场磁体和高温超导内插磁体的磁场相互叠加，达到指定的磁场强度。低温超导内插磁体的切槽结构使得中心磁场均匀度显着提高。高温超导内插磁体线圈通过减少绕线匝数的方法来控制切槽结构双饼线圈的切槽深度。超导匀场线圈和高温超导内插磁体的切槽结构双饼线圈共同作用，使得本发明磁体在中心区域直径为10mm的球体内，磁场均匀度控制在1ppm以内。

如图2所示，所述低温超导背场磁体中，从内往外前3层由Nb₃Sn绕制，后4层由NbTi绕制。

如图3所示，以在中心区域产生15T的磁场强度为例，低温超导背场磁体的磁场峰峰值均匀度在100ppm左右，最大磁场强度为15.3T，最大环向应力为149MPa。

图4为双饼线圈的切槽结构沿径向的切面示意图和三维结构示意图。假设正常双饼线圈由n匝超导带绕制，存在切槽结构的双饼线圈和正常双饼线圈的外径相同，那么可以通过减少m匝绕线量来实现一个切槽深度为m乘以超导带厚度的切槽。

图5、图6和图7为Bi-2223高温超导内插磁体设计以及相关的性能分析。该内插磁体包含68个双饼线圈，其中内层线圈有32个双饼结构线圈，外层线圈有36个双饼结构线圈，内层线圈和外层线圈内外布置，同心。以在中心区域产生12T的磁场强度为例，磁体在中心区域内的磁场峰峰值均匀度在2ppm左右，垂直场最大强度为3.52T，最大环向应力为294MPa，运行电流为234.05A，电流裕度为52.9％。高温超导内插磁体和低温超导背场磁体一起，在中心区域产生27T的极高磁场强度。

如图8所示，本发明高温超导内插磁体的实施例包含56个双饼结构线圈，其中内层线圈有26个双饼结构线圈，外层线圈有30个双饼结构线圈。如图9、图10所示，以在中心区域产生12T的磁场强度为例，磁体在中心区域内的磁场峰峰值均匀度在4ppm以内，垂直场最大强度为3.17T，最大环向应力为376MPa，运行电流为108.37A，电流裕度为26.1％。高温超导内插磁体和低温超导背场磁体共同作用，在中心区域产生27T的极高磁场强度。

图11为超导匀场线圈叠放方式示意图。多个超导匀场线圈层叠排列，粘贴在高温超导内插磁体外周。如图11所示，本实施例中，15组超导匀场线圈按照轴向3组匀场线圈Z、Z2、Z3，径向12组匀场线圈X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY、Z2X、Z2Y、Z(X2-Y2)、ZXY、X3、Y3的顺序层叠排列，粘贴在高温超导内插磁体的外周。

图12a为轴向匀场线圈示意图，图12b为径向匀场线圈示意图。根据实际测量的中心区域的磁场分布，做球谐波分析，找出相应的谐波分量。通过调节匀场线圈电流大小和方向，使得线圈产生的磁场能够抵消相应的谐波分量，达到磁场均匀化的目的。

Claims

1.一种极高场核磁共振超导磁体，包括低温超导背场磁体、高温超导内插磁体和超导匀场线圈；所述的高温超导内插磁体插入低温超导背场磁体内部，低温超导背场磁体和高温超导内插磁体同心；所述的超导匀场线圈置于低温超导背场磁体和高温超导内插磁体之间的空隙处，高温超导内插磁体和超导匀场线圈同心；所述的超导匀场线圈用Nb₃Sn超导线绕制，粘贴在高温超导内插磁体的外周，包括轴向3组匀场线圈Z、Z2、Z3和径向12组匀场线圈X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY、Z2X、Z2Y、Z(X2-Y2)、ZXY、X3、Y3；15组超导匀场线圈按照轴向3组匀场线圈Z、Z2、Z3，径向12组匀场线圈X、Y、ZX、ZY、X2-Y2、XY、Z2X、Z2Y、Z(X2-Y2)、ZXY、X3、Y3的顺序层叠排列；所述的高温超导内插磁体为两层内外布置的双饼线圈，内层线圈中央部位采用切槽结构的双饼线圈，切槽深度从中央向两侧递减，外层所有双饼线圈的内径相等、外径相等；所述极高场核磁共振超导磁体的低温超导背场磁体和高温超导内插磁体共同作用，使得中心区域磁场强度最低达27T，高温超导内插磁体的切槽结构双饼线圈和超导匀场线圈共同作用，使得所述磁体在中心区域直径为10mm的球体内，磁场均匀度控制在1ppm以内。