柱形超导磁体.pdf

一种柱形超导磁体结构(24)，包括相应地由间隔件线圈(16)分隔开的两个超导主线圈(10)，所述主线圈和所述间隔件线圈在单个自支撑结构中结合在一起。

1.  一种柱形超导磁体结构(24)，包括相应地由间隔件线圈(16)轴向间 隔开的两个超导主线圈(10)，所述主线圈和所述间隔件线圈在单个自支撑结 构中结合在一起。

2.  如权利要求1所述的柱形超导磁体结构(24)，其中，所述间隔件线 圈由超导线形成，并布置成在与所述主线圈传导的电流相反的方向上传导 电流。

3.  如权利要求1所述的柱形超导磁体结构(24)，其中，所述间隔件线 圈由抵抗线形成，并存在于对应于每个主线圈的径向中点的径向位置处。

4.  如权利要求3所述的柱形超导磁体结构(24)，其中，所述间隔件线 圈电连接到失超传播电路。

5.  如权利要求3所述的柱形超导磁体结构(24)，其中，所述间隔件线 圈电连接为闭环。

6.  如权利要求1或3所述的柱形超导磁体结构(24)，其中，所述间隔 件线圈的端部未电连接。

7.  如权利要求1或2所述的柱形超导磁体结构(24)，其中，所述间隔 件线圈由超导线形成，并布置成与所述主线圈传导的电流密度相比，传导 具有更低电流密度的电流。

8.  如前述权利要求任一项所述的柱形超导磁体结构，其中，所述间隔 件线圈的内径基本上等于所述主线圈的至少一个的内径。

9.  如权利要求8所述的柱形超导磁体结构，其中，所述间隔件线圈的 内径等于所述主线圈的至少一个的内径。

10.  如前述权利要求任一项所述的柱形超导磁体结构，其中，所述间 隔件线圈的外径基本上等于所述主线圈的至少一个的外径。

11.  如权利要求10所述的柱形超导磁体结构，其中，所述间隔件线圈 的外径等于所述主线圈的至少一个的外径。

12.  如前述权利要求任一项所述的柱形超导磁体结构，其中，所述主 线圈和所述间隔件线圈在单个树脂浸渍步骤中整体结合在一起。

13.  如权利要求1-11任一项所述的柱形超导磁体结构，其中，所述线 圈在第一树脂浸渍步骤中分离地形成，然后在模具中组装在一起，并在第 二树脂浸渍步骤中由树脂浸渍，以形成整体结构。

14.  如前述权利要求任一项所述的柱形超导磁体结构，其中，所述间 隔件线圈和所述主线圈具有相同类型的线。

15.  如前述权利要求任一项所述的柱形超导磁体结构，其中，所述间 隔件线圈和所述主线圈具有相同的匝密度。

16.  如前述权利要求任一项所述的柱形超导磁体结构，其中，轴向范 围b小于所述间隔件线圈的轴向范围的的绝缘间隔件(19)设置在间隔件线圈 和邻近的主线圈之间。

17.  一种磁体结构，包括：
-如前述权利要求任一项所述的柱形超导磁体结构(24)；以及
-分离地形成的环形端线圈(22)，附接到所述柱形超导磁体结构的轴向 末端。

18.  如权利要求17所述的柱形超导磁体结构，其中，所述端线圈(22) 的径向范围a大于柱形超导磁体结构(24)的线圈。

19.  如权利要求17或18所述的柱形超导磁体结构，其中，非导电间 隔件(26)设置成相对于所述柱形超导磁体结构(24)将所述端线圈(22)安置在 正确位置。

20.  如权利要求17或18所述的柱形超导磁体结构，其中，间隔件线 圈(26)设置在整体结构(24)的轴向末端，以相对于所述柱形超导磁体结构(24) 将所述端线圈(22)安置在正确位置。

21.  如权利要求2或7所述的柱形超导磁体结构，其中，所述间隔件 线圈与所述主线圈串联电连接。

柱形超导磁体
技术领域
本发明涉及柱形超导磁体结构，尤其涉及这样的结构，在这样的结构 中，设置由间隔件链接的许多分离的超导线圈，但是这样的结构形成为单 个自支撑结构。国际专利申请WO2011/148163描述了这种结构的示例。
背景技术
图1A示出如上所述的常规整体柱形线圈结构110。A-A表示轴向中间 平面，Z-Z表示轴向方向。提供了四个线圈10，它们通过间隔件14保持在 限定的相对位置。在所示示例中，分立的间隔件14以周向间隔放置在线圈 圆周周围，如所示，每个间隔件14在其轴向末端粘接到两个相邻线圈10 的轴向末端。间隔件14可通过由环氧树脂浸渍的填料形成，比如玻璃纤 维，而线圈10通常是由超导线构成的线圈，大部分由铜基质材料构成，并 由类似或相同的环氧树脂浸渍。
图1B示出与上面图1A示出和描述的线圈结构类似的已知线圈结构中 的电流密度分布。A-A表示轴向中间平面，Z-Z表示轴向方向。维度J表示 每个轴向点上的电流密度。线圈10由正电流密度表示。在该情况下，所有 线圈具有相等的电流密度J。线圈10表示成由具有零电流密度的间隙12分 隔开。间隙通常由图1A表示的间隔件14限定，间隔件将线圈保持在它们 的固定相对位置。间隔件不会传导电流，所以造成具有零电流密度的间隙 12。
间隔件14在线圈圆周周围的间断性意味着轴向力均匀地分布在线圈圆 周周围。用连续的环形间隔件代替间断的间隔件会在线圈圆周周围提供更 均匀分布的轴向力。然而，当超导线圈10被冷却至操作温度时，线圈材料 和间隔件材料之间的热收缩会导致线圈和间隔件之间的显著应力。类似 地，在磁体失超(quench)期间，超导线圈回复至它们的抵抗状态，通过在线 圈中加热而耗散大量能量。这导致线圈材料的快速热膨胀，并又导致线圈 和间隔件之间的显著热应力。在使用时，由不同热收缩和膨胀导致的线圈 和间隔件之间的应力大于由电磁场的相互作用导致的应力。
发明内容
本发明提供了柱形超导磁体结构，其中，提供了环形间隔件，降低或 消除了不同热膨胀和收缩的问题。本发明移除或减少了用于线圈和间隔件 的材料之间的热失配，所以避免或减少了在线圈和间隔件之间的接合处产 生热应力。
本发明的一些实施例还提供了有效的失超传播。如果一个线圈的一个 部分失超，则产生的加热快速使相邻线圈失超，从而扩散存储的能量的耗 散，并确保线圈组件的单个部分不会变得太热以至于受损。
本发明尤其涉及低场、低成本的超导磁体，但是还可应用于任意大小 的柱形超导磁体。
相应地，本发明提供了如所附权利要求中陈述的超导磁体结构。
附图说明
结合附图，从下面对本发明的一些实施例的描述，本发明的上述和其 它目的、优点和特性会明显，附图中：
图1A示出已知超导磁体结构；
图1B示出图1A所示的已知超导磁体结构中的电流密度；
图2A示出根据本发明的实施例的超导磁体结构；
图2B示出根据图2A所示的本发明的实施例的超导磁体结构中的电流 密度；
图3A-3D示出根据本发明实施例的柱形超导磁体的示例设计；
图4A-4C示出制造用在本发明中的线圈的示例方法；
图5示出本发明实施例的局部轴向横截面；以及
图6示出可选地用在本发明实施例中的绝缘间隔件。
具体实施方式
根据本发明，上述图1A所示的已知线圈结构的分立的周向间隔开的 间隔件14由线匝代替，线匝通常充满树脂，并具有与磁体线圈10十分类 似的热属性。这些线匝构成沿轴向结合在磁体结构的超导线圈之间的线 圈。为了在下面描述中便于参考，这些线匝称为“间隔件线圈”，磁体线圈 10称为“主线圈”。
图2A示出根据本发明实施例的整体超导磁体结构的轴向半横截面。 示出五个主线圈10。间隔件线圈16位于主线圈10之间。图2A的示图仅 是示意性的。希望间隔件线圈16具有比主线圈10更小的轴向尺寸b。
优选地，间隔件线圈16具有至少基本上等于相邻主线圈10的内径。 更优选地，间隔件线圈16具有至少基本上等于相邻正向线圈10的内径和 外径。在这种结构中，正向线圈10和间隔件线圈16之间的任何压缩或膨 胀张力可在线圈的轴向表面上扩散。在一些实施例中，间隔件线圈16可具 有等于相邻磁体线圈10的对应尺寸的内径和/或外径。在磁体线圈10具有 不同内径和/或外径的情况下，插入的间隔件线圈的对应尺寸可介于相邻主 线圈的对应尺寸之间的中间。即使在间隔件线圈的内径和外径明显不相等 的情况下，每个线圈也可存在于对应于每个抵接线圈的径向中点19的径向 位置，以当处于轴向负荷时避免结构上的显著弯矩。
间隔件线圈16可未电连接，或者可布置成在与磁体线圈传导的电流相 反的方向上传导电流(“反向电流”)，在与磁体线圈传导的电流相同的方向 上传导电流(“正向电流”)，或者可连接到其它电路，比如失超传播电路。 根据它们的预期连接，间隔件线圈可具有超导线或电阻丝。在间隔件线圈 是抵抗性的情况下，它们可连接到失超传播电路，使得在一个主线圈中失 超的情况下，电流转向进抵抗性间隔件线圈中，抵抗性间隔件线圈加热并 将失超扩散到其它主线圈。
图2B示出根据本发明实施例的如图2A所示的整体超导磁体结构中的 电流密度分布。在该实施例中，间隔件线圈16具有超导线，并布置成传导 反向电流，即在与磁体线圈10传导的电流相反的方向上传导电流。图2B 示出具有正电流密度的五个主线圈10。由负电流密度表示的间隔件线圈16 位于正向线圈之间。优选地，对于主线圈和间隔件线圈两者，电流密度的 大小是相同的。然而，极性是相反的，间隔件线圈16的轴向范围b总体上 小于磁体线圈10的轴向范围。间隔件线圈16可与主线圈串联连接，以传 导具有相同大小但具有相反极性的反射电流。
在间隔件线圈16传导反向电流的情况下，它们应当设计有相对几匝， 以避免使总体磁场退化。例如在UK专利GB2308451中所讨论的，包含传 导反向电流的比较小的线圈会提供更短的总体柱形结构，并仍产生具有可 接受质量的磁场。
这是低成本、低场柱形磁体的设计和制造中是特别重要的，因为与超 导线本身的成本相比，给线圈提供必要热环境的低温保持器占系统成本的 明显更大份额。如果柱形磁体可以缩短，则低温保持器可类似地缩短，其 降低的成本要比增加的线成本要多。缩短的低温保持器还有益于病人舒适 度。除了主线圈和常规间隔件之间降低的接合处应力方面的益处之外，这 些优点如由本发明的结构提供。
在一些实施例中，间隔件线圈可具有超导线，并可布置成传导正向电 流，即在与主线圈相同的方向上传导电流。间隔件线圈的电流密度可小于 主线圈，例如通过使用具有更大横截面的超导线，或者独立于主线圈连接 间隔件线圈并以更小的电流斜面调制(ramp)间隔件线圈，或者共同缠绕超导 线与抵抗性线或未连接的超导线。
在间隔件线圈是超导的实施例中，在任何一个线圈的失超中，当邻近 线圈被稍微均匀地加热时，产生的加热会快速导致邻近线圈的失超。产生 的沿柱形磁体组件的失超传播会以比依靠检测场强变化并响应于这种变化 的常规布置更快的速率发生，从而启动其它线圈上的失超加热器(quench  heater)。
根据需要，超导间隔件线圈可替代地由正向或反向电流斜面调制，以 改进由该结构产生的磁场的均匀性。这可代表一种匀场(shimming)。
在一些实施例中，抵抗性间隔件线圈的端部电连接起来以形成感应涡 流，而未电连接至其它线圈。在失超的情况下，主线圈中的下降电流会在 抵抗性间隔件线圈中诱导出相反电流，这会导致加热和失超传播。在其它 实施例中，间隔件线圈的端部可未连接，仍具有与超导主线圈类似的热收 缩和膨胀，并在主线圈的整个圆周周围延伸，从而获得根据本发明的改 进。
图3A-3D示出根据本发明实施例的示例柱形超导磁体设计的细节，其 处于本领域技术人员常见的常规格式。该设计使用传导反向电流的超导间 隔件，主线圈和间隔件线圈均具有相同的内径和外径。图3A示出由该设计 表示的柱形磁体的中心处的磁场均匀性的等值线图表。所示场具有0.5T的 额定强度(通量密度)。图3A示出穿过磁场的由轴向中间平面A-A和磁体轴 线Z-Z确定的局部横截面。该磁场关于轴线Z-Z旋转对称，并在轴向中间 平面A-A中具有反射对称，所以该四分之一横截面足以限定整个磁场。表 明的等值线注记以百万分率(ppm)的单位表示磁场的非均匀性。曲线30表 示具有不多于1ppm的磁场非均匀性的磁场区域的外缘。在该示例中，非均 匀性1ppm或更小的区域沿轴向延伸约23cm，沿径向延伸约35cm。
图3B示出该磁场图形的调和分析，用于高达Z¹⁸的谐波。
图3C示出穿过磁体设计的线圈1、2、3、4、5的由轴向中间平面A- A和40cm半径R限定的四分之一横截面。线圈关于轴向中间平面A-A反 射对称，并关于轴线Z-Z、半径R的原点旋转对称。
图3D包括每个线圈在它们的内径A1、外径A2、内轴缘B1和外轴缘 B2方面的表格描述。注意到，对于每个线圈，匝密度Td的单元为每米 cm²，如匝数Tms和使用的超导线的长度。
在该示例中，线圈1、3、5是主线圈，线圈2、4是间隔件线圈。在轴 向中间平面A-A的另一侧，以对称取向设置对应线圈。
在该示例中，优选地，所有线圈具有相同匝密度Tms，并由相同大小 的线制成。如图3D的负值所示，反向匝的总数量远小于正向匝的总数量。 在图3C的线圈的横截面示图中，传导反向电流的间隔件线圈由“-”号表 示，主线圈由“+”号表示。
优选地，所有线圈在单个缠绕过程中缠绕，并经受单个浸渍步骤以产 生整体结构。在其它实施例中，线圈可在第一浸渍步骤中分离地形成和浸 渍，然后在模具中组装起来，并在第二浸渍步骤中以树脂第二次浸渍，以 形成通过第二树脂浸渍结合在一起的整体线圈结构。
在根据本发明的组装中，有必要提供布置将用于每个线圈的线的端部 引出。这可使用与形成扁平线圈对时使用的技术类似的技术来实现。图4A 示出扁平线圈102对100的示例。对于便于理解，分离地示出两个扁平线 圈，其由带状导体缠绕而成。特别地，导体的中点106位于线圈的轴向内 部末端，而导体的端部104位于线圈的径向外部末端。概念地，这可通过 4B表示的方法来实现。如图4B所示，提供可以是线圈轴颈(线圈模具的一 部分)的心轴120，超导线从两个线轴122、124在相对方向上缠绕在心轴 120上。基于该概念的更实际的布置对本领域技术人员来说是显然的。用于 缠绕这种线圈的线不必是图4A所示的带状，而是更常规的圆形或矩形截面 的线。
图4C示意性示出根据这种布置形成的部分完成线圈的部分横截面。 示出的心轴120具有足以保持若干线圈10、16的轴向长度。示出侧颊 132、134、136，其用于限定出缠绕空腔。在该示例中，匝B1-B6由第一线 轴122形成，而匝A1-A11由第二线轴124形成。用于缠绕线圈的起点126 是匝A1和B1的交点，如图4B所示。如图4C所示，线轴之一(在该情况 下为122)可仅提供足够的匝(B1-B6)来从起点126延伸到线圈的径向外表 面，以提供对线的端部104的接近。来自相应线轴的匝的图形可以改变， 例如以在失超情况下限制相邻匝或相邻层之间的电压。
位于缠绕颊134、136之间的所示部分形成的线圈可以是主线圈。当线 圈被完全缠绕时，可移除侧颊134，间隔件线圈可缠绕进侧颊132和所示主 线圈之间的间隙中。完成的主线圈可相应地用作侧颊，以缠绕相邻的间隔 件线圈。相应地对于主线圈和间隔件线圈，这可以在心轴120的长度上重 复，直到缠绕所有需要的线圈为止。在间隔件线圈设计成传导反向电流的 示例中，当开始缠绕间隔件线圈时，缠绕的方向可以改变，或者间隔件线 圈可以在与主线圈相同的方向上进行缠绕，只不过反过来电连接。在每个 线圈的情况下，线的端部104存在于径向外表面，使得线圈相对简单地电 连接到彼此，并电连接到辅助电路。
在制造本发明的超导柱形磁体的一个优选方法中，将线圈缠绕在单个 柱形心轴上，如上所述。然后，在筒管(bobbin)和线圈周围组装浸渍模具， 以提供浸渍空腔。优选地在真空下将热固性树脂引入空腔中。当设定了树 脂时，移除模具和心轴以留下自支撑的浸渍线圈结构。心轴可具有轻微锥 度以帮助移除。当针对每个线圈计算所需匝数时，在设计阶段必须考虑这 种锥度的影响。
在替代方法中，分离地预制备的浸渍线圈可布置在这种心轴上，可以 建立模具，并执行第二树脂浸渍，移出模具和心轴以留下本发明的自支撑 线圈结构。这种实施例提供了具有连续共同内径的一系列线圈。在其它布 置中，具有不同内径和外径的预制备和浸渍线圈可通过结合而组装在一 起，例如使用热固性树脂。
本发明的柱形超导线圈布置是自支撑的，不具有承重线圈架(former)。
主线圈和间隔件线圈可通过由单个线段缠绕(其中，对于间隔件线圈， 与主线圈相比，缠绕方向反向)或者通过缠绕每个线圈作为分离线段并在组 装磁体期间在恰当方向上电连接分离线段而串联电连接。
在本发明的替代实施例中，间隔件线圈可以由抵抗线而不是由上述电 流传导的超导线缠绕，抵抗线通常不会传导电流。这种实施例的可能益处 包括用于间隔件线圈的线的成本降低以及可使用间隔件线圈加热超导主线 圈来扩散失超，以在失超开始的情况下保护主线圈。间隔件线圈可电连接 到失超传播电路，在失超开始时，失超传播电路给间隔件线圈提供电流。 或者，间隔件线圈可均是抵抗线的闭环。在这种实施例中，由失超引起的 超导主线圈中电流的突然下降可在间隔件线圈中感应出相反电流，导致加 热会传播失超的间隔件线圈。
这种抵抗线的横截面优选地与用于磁体线圈的超导线相同，并由与超 导线的基质材料相同的材料(通常为铜)构成。这保证这种抵抗性间隔件线圈 的热收缩紧密匹配磁体线圈的热收缩。
然而，使用超导线用于间隔件线圈提供了优点，可通过具有间隔件线 圈来改进失超传播，并可整体上缩短磁体结构，在主线圈中失超的情况 下，间隔件线圈本身失超并加热。
在各情况下，使用反向电流传导的间隔件线圈代替常规间隔件会降低 或消除由线圈和间隔件的不同热收缩导致的接合应力。在抵抗性间隔件线 圈的情况下，由于本发明的主线圈和间隔件线圈通常由相同材料或者基本 相同材料形成，所以明显消除了主线圈和间隔件之间的不同热膨胀或收 缩。
在超导间隔件线圈的情况下，所有可用于帮助产生均匀磁场。如本领 域技术人员所知，如通过常规计算机辅助设计工具所实现的，在产生均匀 磁场的区域中引入反向电流传导的线圈，同时允许总磁体长度减少。
本发明被认为特别适合于相对低场强、相对低成本装置，所需低温保 持器的成本明显比所用线的成本多。通过本发明实现的缩短的低温保持器 的成本会降低，这会抵销使用的额外超导线的成本。
尽管本发明可应用于具有任意数量主线圈和间隔件线圈的柱形超导磁 体，但是对根据本发明的柱形磁体的最低要求是由间隔件线圈16(其可以是 超导的或抵抗性)分隔开的两个超导主线圈10。
在一些柱形超导磁体中，如图5的局部横截面示意性示出，线圈的中 央区域24可如上所述般设置，端线圈22可分离地形成，并附接到如上所 述结构24的轴向末端。通常，这种端线圈22具有比相关结构24的线圈更 大的径向范围a，即内径和外径之差更大。例如常规非导电块形式的间隔件 26可设置成相对于结构24将端线圈22安置在正确位置。或者，间隔件线 圈可设置在结构的轴向末端，以用为这种间隔件26。
在一些实施例中，如图6所示，轴向范围b小于间隔件线圈16的绝缘 间隔件21可设置在间隔件线圈16和邻近主线圈10之间。这种间隔件可优 选地是环形的，在间隔件线圈的圆周周围恰当地延伸。