超导磁体装置、其磁化方法及使用它的磁共振成像系统 本发明一般涉及一种超导磁体装置。本发明尤其涉及一种在其中含有一被用作静磁场产生源的超导多层构件的超导磁体装置、一种磁化此超导磁体装置的方法以及一种在其中应用此超导磁体装置的磁共振成像系统。
众所周知，超导磁体装置在许多不同的技术和工业领域中有应用。在以前已知的通常的超导磁体装置中，如JP-A-4-49948中所揭示过的那样，超导体缠绕成类似线圈的形状并浸入装在低温容器中且用作实现超导的冷却剂的液氦中，从而用来在预定的区域中产生磁场。
然而，通常的超导磁体装置存在这样的问题即由于在构成线圈的超导体的连接部分会产生连接或接触电阻从而磁通量的下降不可避免。除此以外，超导线圈的连接电阻和机械变形是产生超导性消失的原因。此外，因为许多包含于超导线圈缠绕及超导体互联的处理必须靠手工劳动，常常在实现加工精度地一致方面碰到困难。当然，高精度本身不易达到。此外，作为一个整体，超导磁体装置的尺寸大且重，就产生了另一个问题。
鉴于以上略述的现有技术，本发明的目的在于对超导磁体装置提供一种改进的结构，在防止产生超导性消失时能够有效地避免产生的磁通量下降并且在保证其加工高精度或准确度及高均匀度中能做到体积小和份量轻。
本发明的另一个目的在于提供一种对以上所述的超导磁体装置进行磁化的方法。
本发明的再一个目的是提供一种磁共振成像系统，其中使用了以上所述的超导磁体装置。
由于通过描述，将变得更明显的以上和其它的目的，依据本发明的一个总的方面提供了一种超导磁体装置，它包括一用来在其中容纳用于获得超导性的冷却剂的低温容器，一装在此低温容器中且包括一构成用于一维持持续电流的媒体的超导多层构件，该电流产生沿预定磁场区的中轴线的磁通量，及用来把磁场产生装置固定在低温容器中的构件。
在具有上述超导磁体装置的结构中，静磁场产生源由用作保持或维持绕预定轴线(沿该轴线产生磁通量)流过持续电流的媒体的超导多层构件构成。由超导多层构件构成的静磁场产生源实际上不需要电气连接。除此之外，实际上不可能存在如在通常线圈的情况下所碰到的易发生机械变化或形变的磁场产生源体13。相应地，由超导多层构件构成的静磁场源可完全避免如起因于电气连接处产生的连接电阻的磁通量的下降，及由于机械形变或其它原因引起的发热所造成的超导性消失等不希望发生的现象或事情。此外，因为由超导多层构件构成的静磁场产生源能大量制造而不需要制造通常的超导线圈中所需的缠绕步骤和电气连接步骤，从而能保证高精度或准确度和均匀度及高质量。此外，由于由超导多层构件做成的磁场产生源结构简单，当与通常的线圈型静磁场产生源相比，作为一个整体的超导磁体装置能做得尺寸小以及重量轻。
通过参考附图阅读接下来采用的本发明最佳实施例的描述，仅通过举例，可更容易地理解本发明的上述目的和其它目的、特点和附带的优点。
在以后的描述中，将参考附图，其中：
图1A是示出依据本发明的一个实施例包括由超导多层构件制成的圆筒形静磁场产生源的超导磁体装置的结构图；
图1B是沿图1A所示的IB-IB线得到的剖面图；
图2A示出了依据本发明的另一个实施例包括用作静磁通密度产生源的平面(圆盘状)超导多层构件的超导磁体装置；
图2B示出了沿着图2A中线IIB-IIB得到的剖面图；
图3是用来示出通过使用电加热器加热图1A所示的圆筒状超导多层构件的典型装置的示意图；
图4是示出用于加热图2A所示圆盘状超导多层构件的装置的示意图；
图5是用曲线图示出磁化超导多层构件的下述数种方法的图；
图6A到6E是用曲线图示出依据本发明的第一种磁化方法的图；
图7A到7E是用曲线图示出依据本发明的第二种磁化方法的图；
图8A到8F是用曲线图示出依据本发明的第三种磁化方法的图；
图9是示出依据本发明另一个实施例设置有一磁屏蔽的超导磁体装置的结构图；
图10是沿图9中X-X线得到的超导磁体装置的剖面图；
图11是用来示出依据本发明的另一个实施例根据有源磁屏蔽方法用于磁化超导磁体装置的磁化方法的图；
图12是示出依据本发明又一个实施例的产生垂直磁场形式的超导磁体装置的结构图；
图13是示出依据本发明又一个实施例的超导磁体装置的另一种结构的示意图；
图14是示出依据本发明再一个实施例的设置有磁屏蔽的产生垂直磁通密度形式的超导磁体装置的结构示意图；
图15是示出在图14中所示的装置中用作静磁场产生源的超导多层构件和磁屏蔽之间关系图；
图16是示出依据本发明再一个实施例的包括放在低温容器中的磁化线圈的超导磁体装置的剖面图；
图17是示出依据本发明又一个实施例的通过把圆筒状超导多层构件大体上弯成C状构成的超导磁体装置的剖面图；
图18是沿图17的XVIII-XVIII线得到的剖面图；
图19是示出依据本发明一个实施例的用来实现均匀磁通量分布的垫片的结构图；
图20是示出依据本发明一个实施例的圆筒状超导多层构件的结构图；
图21是示出依据本发明另一个实施例的圆筒状超导多层构件的另一个结构的示意图；
图22是示出依据本发明又一个实施例的圆筒状超导多层构件的又一个结构的示意图；
图23是示出依据本发明再一个实施例的圆筒状超导多层构件的再一个结构的示意图；
图24是示出依据本发明又一个实施例的通过局部加热圆筒状超导多层构件来使磁通量分布均匀的装置的示意图；
图25A和25B是用曲线图示出构成图24中所示装置的原理；
图26是示出依据本发明再一个实施例的包括由超导多层构件构成的静磁场产生源和垫片的超导磁体装置的图；
图27是沿图26中XXVII-XXVII线得到的剖面图；
图28是示出依据本发明再一个实施例的垫片的图；
图29是示出依据本发明另一个实施例的包括由超导多层构件构成的静磁场产生源的超导磁体装置的又一个实施例的剖面图；
图30是示出依据本发明一个实施例的包括一用作静磁场产生源和一具有高敞开性的空间用于容纳一检查用物体的超导多层构件的超导磁体装置的图；
图31是类似于图30的图并且示出了设置有一镜子以增加容纳一检查用的物体空间的敞开性的超导磁体装置；且
图32是大略地示出以超导多层构件用作静磁场产生源的磁共振成像系统的硬件结构的方框图。
现在，参考附图根据本发明目前被认为最佳或典型的实施例对本发明进行详细描述，在下面的描述中，在某些图中相同符号表示具有等价作用的相同或相应部分。同样在以后的描述中，诸如“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“垂直”、“水平”等词应理解为方便而用的词而应把它们当作限定用的词。
图1A和图1B示出依据本发明一个实施例的适用于磁共振成像系统的超导磁体装置，其中图1A是它的垂直剖面图而图1B大致示出了沿图1A中IB-IB线得的剖面。对于现在所考虑的超导磁体装置，圆筒状结构的超导多层构件用作静磁场产生源。在图中，标号11代表具有与外界热隔离的圆筒状中空空腔(也叫做冷却剂腔)的低温容器，其中，在通常的超导线圈系统中为实现超导性一般用作冷却剂的液氦容纳在具有装在低温容器11顶部的冷却剂注入口12的中空空腔中。浸在容纳于低温容器的冷却剂中的是由用作静磁场产生源的超导多层构件(以后也叫做圆筒状超导多层构件)构成的圆筒状部件13。圆筒状部件13由位于其两端的支承件14a和14b来支撑从而能把圆筒状超导多层构件13稳定地固定在低温容器中预定的位置处。支承件14a和14b固定地紧固在低温容器11中。在这个时候，虽然在图示中省略了通孔，但应提到在支承件14a和14b具有适当个数的通孔从而使冷却剂可自由地在圆筒状部件13中流动。这些通孔以后将被叫做冷却剂流通孔。此外，如此形成通孔33，使其穿过低温容器11，沿中轴线延长。当依据本发明用于磁共振成像系统的这个实施例的情况下，此通孔33被用作容纳用于检验或诊断等目的的物体的空间。
顺便地说，每个支承件14a和14b具有大致上与静磁通量产生源相等或匹配的热膨胀系数。
作为一个较佳超导多层构件，可以提及一种1毫米厚的铌钛/铌/铜(NbTi/Nb/Cu)超导多层构件，它可通过互相交替地堆叠或叠放NbTi层(例如30层)和Cu层(例如31层)，而把每片Nb层插在NbTi在层和Cu层之间(例如总共60层)来制造从而多层构件的两个表面都分别由Cu层构成，其后再使多层构件经受热滚压或冷滚压。顺便地说，可以同样使用通过整体地堆积由滚压得到的每片约1毫米厚的许多薄层而制成的组合薄层构件。通过深拉如此制造的NbTi/Nb/Cu超导多层构件或组合薄片构件形成一杯体，然后切去杯体的底层，从而形成超导多层构件的圆筒状部件13。对以上提及的制造NbTi/Nb/Cu超导多层构件的方法的更详细的资料，可参考《电子与电气工程师协会应用超导性汇刊》，第3卷，第1期(1993年3月)，第177-180页。
在圆筒状超导多层构件13中，一恒定电流沿环形方向流动。于是，由于此恒定电流，在由圆筒状部件13的通孔33所限定的内部空间中产生或形成了静磁场。
容易理解，圆筒状超导多层构件13必须大致上没有电气连接或接触。除此之外，实际上圆筒状部件13不可能承受在通常超导线圈型磁体装置情况中的机械形变。因而，圆筒状超导多层构件可完全防止起因于电气连接处的连接电阻的磁通量的下降以及起因于机械形变和其它原因引起的产生热量而造成的超导性消失。此外，因为圆筒状超导构件13可通过深拉和切割过程而无需制造通常超导线圈型磁体装置的电线缠绕步骤以及电气连接步骤，对圆筒状部件13因而对超导磁体装置保证高精度、高均匀度以及高质量。此外，由于用圆筒状超导多层构件实现的静磁场产生源的结构简单，当与通常的超导线圈型静磁场产生源相比时，超导磁体装置作为一个整体能实现尺寸小及重量轻，这又是它的一大优点。
图2A和2B示出了依据本发明另一个实施例的超导磁体装置，其中图2A是它的垂直剖面图而图2B示出了沿图2A的IIB-IIB线得到的剖面。以下的描述将在依据该实施例的超导磁体装置也设计成用于磁共振成像系统的磁体装置的假定下进行。参考这些图，低温容器11具有与外界热隔绝且适合在其中容纳为实现超导性所需的用作冷却剂液氦的圆筒状中空空腔，其中冷却剂注入口12装在低温容器的顶部。把许多由超导多层构件构成的圆盘43a到43f浸入包含在低温容器11中的冷却剂中，这些圆盘彼此并列放置而构成静磁场产生源，其中分别在圆盘43a到43f的中间区域形成磁力线通道通孔44a到44f。每个都由超导(以后也叫做圆盘状超导多层构件)构成的圆盘43a到43f都固定地紧固在固定装在低温容器11内壁上的支承件45上。顺便说一下，应注意通孔33也如图1A中所示的超导磁体装置的情况那样，在低温容器11中沿着低温容器11的中轴线39的方向延伸。
作为一较佳的超导多层构件，可以提及的有一种1毫米厚的NbTi/Nb/Cu超导多层构件，它可通过互相交替地堆叠NbTi层(例如30层)和Cu层(例如31层)，并在NbTi层和Cu层之间的插入Nb层(例如总共60片)而制造从而完成的多层构件的两个表面都分别由Cu层构成，其后再使多层构件经受热滚压或冷滚压。从这样获得的NbTi/Nb/Cu超导多层组合薄片开始，通过适合的工序或操作，即可制造出具有设计好的形状和尺寸和磁力线通道通孔的圆盘状超导多层构件。
在每片圆盘状超导多层构件43a到43f中，持续电流围绕每个磁力线流通孔44a到44f流动。从而，磁通量因而穿过磁力线流通孔44a到44f的磁场通过持续电流产生或形成。
在依据本发明的本实施例的超导磁体装置中，由超导多层构件构成的圆盘43a到43f的数目相应于超导线圈的匝数。因此，通过增加圆盘的数量，产生的磁场强度能相应地增加。很明显，具有此结构的依据本实施例的超导磁体装置，可获得类似于第一个实施例的有利的效果。
还应提及，具有不同几何形状的平板状或平面超导多层构件可用于取代做成圆环形的圆盘43a到43f。
此外，参考图1A将说明磁化圆筒状超导多层构件13的方法。
对磁化来说，连接到励磁电源15的磁化线圈16插入通孔33中。参考图1A。对磁化圆筒状超导多层构件来说，可以想到以下将要描述的三种方法(1)，(2)和(3)。磁化方法(1)
依据此磁化方法(1)，圆筒状超导多层构件13从正常导电状态调节到超导状态，因此所施加的用于磁化的外磁场的强度在超导状态下逐渐降低至零。
图5示出了从超导多层构件的外部一侧施加的外部磁场Ha与在超导多层构件的外部相对一侧的磁通密度B之间的关系。参考该图，y＝ax的直线代表在正常导电状态下外部磁场Ha与磁通密度B之间的关系。此外，符号H′c1代表穿过超导多层构件并出现在相应于所施加侧的相对侧的外部磁场的强度，而Hc2代表上临界场强。依据现在考虑的磁化方法①，通过沿如图5所示的路径①施加外部磁场这样一个过程，结果用于保持磁通量B1的持续电流流过圆筒状超导多层构件13。
现在，参考图1A以及图6A到6E，将更具体地说明磁化方法(1)。
首先，把低温容器11抽成真空状态。换句话说，圆筒状超导多层构件13最初处在高于超导状态的温度中。在此状态中，从励磁电源15(参考图6C)对磁化线圈16供给励磁电流。磁化线圈16可以是螺线管型的。当励磁电流流经磁化线圈16时，产生了穿过磁化线圈16中空部分的环状分布的磁通量从而形成用于磁化的外部磁场(看图6D)。环状磁通量有贯穿圆筒状超导多层构件13一壁的环形部分和围绕着圆筒状多层构件13向外部扩展而不贯穿圆筒状构件13的环形部分。总之，环状磁通量引起沿其圆周方向流经圆筒状超导多层构件13并用来俘获贯穿其中的磁通量的感生电流。然而，因为温度比实现超导状态所需的温度高，感生电流由于圆筒状超导多层构件13的电阻而很快减小到零(看图6B)。
然后，低温容器11在图6A所示的时刻t1充入用作实现超导状态的冷却剂液氦。于是，圆筒形超导多层构件13被冷却至这样一个温度，在此温度下的圆筒状超导多层构件13可假设处于超导状态。此后，如图6C所示的曲线a表明，从励磁电源15供给磁化线圈16的励磁电流逐渐减小至极限零。如此，依据其电流固定或维持一恒定电流的圆筒状多层构件13的超导性曲线，沿着用于保持一恒定磁通量的方向在圆筒状超导多层构件13中产生了超导电流(看图6B)，因此，环状磁通量由超导电流产生(参考图6E)。作为静磁场沿中轴线39不断产生的结果，此磁通量环沿圆筒状多层构件13的中轴线39扩充了空间33。一旦圆筒状超导多层构件13磁化为用于维持或固定一恒定电流的媒质后，磁化线圈16就从空间33中移走了，该空间现在可被用于安置待获得磁共振图象的检查物件。磁化方法(2)
此方法由沿图5所示的路径②来实施。即，圆筒状多层构件13被调节至超导状态且外部磁场的强度增加将被固定在区域II中预定的值上。经过一段预定的时间后，外部磁场逐渐下降至零。以下将参考图1A及图7A至7E对此磁化方法进行详细说明。
如图7A和7C中示出的，当维持圆筒状超导多层构件13处于假定为超导状态的温度时使流经磁化线圈16中的励磁电流逐渐增加，由磁化线圈16产生且经空间33扩展的磁通量增加，从而形成用于磁化的外部磁场，结果沿着相应于圆筒状超导多层构件13的超导性曲线中阻止电流增长的方向感生出经圆筒状超导多层构件13环形地流动的电流(参考图7B)。当流经磁化线圈16的电流达到外部磁场强度超出强度H′c1的预定值时，电流保持在它在一预定时间间隔内的大小。即，当穿过空间33的进行磁化的磁通量和因而在圆筒状超导多层构件13中沿圆周方向感生出的电流都已达到各自的预定值时，它们分别保持在此值上。然后，如图7C所示，当流经磁化线圈16的电流逐渐减小至零时，按照其超导性特性在圆筒状超导多层构件13中沿圆周方向感应出与当磁通量增加时感生的电流反向流动的电流，由此，如图7B中的曲线a所示，即使如上所述当流经磁化线圈的电流变为零时沿圆周方向流动的感生电流固定为处于某一值的恒定电流，这样，图7E示出的磁化程度可由恒定电流实现。磁化方法(3)
此磁化方法通过沿图5中所示路径或线路③来实现。在I区中，加热圆筒状超导多层构件13使之暂时至一正常状态。然后再把圆筒状超导多层构件13调节至超导状态并且外部电场强度逐渐减小。
此磁化方法将参考图1A和图8A到8F在以下进行更具体的说明。通过维持圆筒状超导多层构件13在超导状态中，加到磁化线圈16的励磁电流逐渐增加从而把外部磁场的强度调节至小于磁场强度H′c1的一预定值。然后，在此状态下，通过使用装在内部的加热器对圆筒状超导多层构件13加热，从而调节此圆筒状超导多层构件13到正常状态(见图8A和8F)。这样，建立了这样一个状态，其中外部磁场可自由地在圆筒状超导多层构件13的内部穿过。接着，关掉上面提及的加热器从而使圆筒状超导多层构件13恢复到超导状态。在此状态下，励磁电流减小从而使外部磁场的强度逐渐下降(见图8C和8D)。在此过程中，产生了能有效地保持穿过圆筒状超导多层构件13内部的磁通量的感生电流(见图8B)。此感生电流变成了恒定电流，由此可以实现图8E中所示的磁化程度。
图3和4通过举例示出上面提及的加热器的安装。特别是，图3中示出了其中含有图1A中所示圆筒状超导多层构件13的装置被一加热器46来加热，加热器如此安装，从而使圆筒状超导多层构件13的一部分壁被由通过开关SW与由外部提供的电源47相连的加热器46包围。
另一方面，对于图4中所示的装置，如上安装加热器46使之与图2A所示的每一个圆盘43a到43f相夹。其他结构的装置基本上与图3中所示的相同。
图9和11示出依照本发明的另一个实施例设置有磁屏蔽的超导磁体装置，其中图10是沿图9中X-X线得到的剖面图。
参考这些图，标号11代表一与外界热隔绝且由隔板22分成两个冷却剂室23和24的低温容器。在冷却剂室23和24中都含有用作实现超导性的冷却剂液氦。此外，提供了分别与冷却剂室23和24相随，用于向其中注入冷却剂的冷却剂注入口25和26。装在冷却剂室23中的是用于或构成静磁场产生源的圆筒状超导多层构件13。圆筒状超导多层构件13通过固定地紧固于低温容器11中的支承件14来支撑，支承件14具有相当数量的冷却剂流通孔29从而使液氦在其中流通。装在冷却剂室24中的是由用作磁屏蔽从而覆盖圆筒状超导多层构件13的由超导多层构件构成的圆盒状部件30。圆盒状部件30固定地紧固在低温容器11中从而冷却剂可在此圆盒状部件30中流动。
装在用作静磁场产生源的圆筒形超导多层构件13内部空间33中的是连接到励磁电源15去的螺线管形磁化线圈16。磁通阻挡件(flux impeding member)在空间33的轴线39的一端上构成(见图的左端)。磁通阻挡件由充有用作实现超导性的冷却剂液氦的容器41以及浸入其中的超导多层构件42构成。对超导多层构件42，可使用如上所述的圆筒状超导多层构件13和圆盒状部件30中的NbTi/Nb/Cu超导多层构件。
从最初的对圆筒状超导多层构件13磁化过程开始使用磁通阻挡件40并且完成磁化后将它拿掉。
另一方面，冷却剂注入口25和26分别通过阀门36和37连接到冷却剂供应源38上。通过拿掉冷却剂注入口25和26的盖子并打开阀门36和37，就把用作超导性的冷却剂液氦分别注入到冷却剂室23和24中。
在磁化中，首先，将冷却剂室24中充满液氦而冷却剂室23保持是空的，从而使圆盒状部件30保持在超导状态。然后依据磁化方法(1)，(2)和(3)中的一种方法来磁化圆筒状超导多层构件13。
因为在圆盒状部件30维持在用于建立超导状态的温度下，圆盒状部件30的作用是磁屏蔽，由圆筒状超导多层构件13产生的且倾向于向外泄漏的磁通量或磁场将由此圆盒状部件30来屏蔽。此外，由磁化线圈16产生且沿轴线39向空间33的一端(见图中的左端)延伸的磁通量被强制返回到磁屏蔽30而不向外泄漏。这是因为磁通阻挡件40是由充满液氦的容器41和装在容器41中的超导多层构件42所构成，且因为此超导多层构件42的作用是用作磁屏蔽。依靠此装置，可大大提高由磁化线圈16产生的磁通量对圆筒状超导多层构件13的磁化效率。
图11示出用来说明根据本发明的原理的磁化方法的超导多层构件磁化装置的另一个实施例。在此图中所示的装置与图9中所示装置的不同之处在于磁通阻挡件40是由连接到励磁电源15的线圈43构成该线圈用于产生与通过或延伸于空间33中的磁通量的方向相反的磁通量。当从励磁电源15对线圈43提供电流时，线圈43产生与磁化线圈16产生的环形磁通量方向相反的磁通量，其中由线圈43产生的磁通量作用是把倾向于沿轴线39向空间33的一端(见图中左端)延伸的磁通量向反向推斥。从而，用图11中所示的装置，可大大提高圆筒状超导多层构件13的磁化效率。
图12、13、14和15示出超导磁体装置的又一些实施例，其中每个都采纳了产生垂直方向静磁场的超导多层构件。
在图12中，标号11代表与外界热隔绝且其中充满用于实现超导性的冷却剂液氦的低温容器。低温容器11做成有点方形的C状结构，其中上部和下部的容器部分通过装在图面背后的桥形容器部分连接，如图12所示。在低温容器11的内平面内，装有静磁场产生源27a和27b及静磁场产生源28a和28b，其中每一个都做成圆盘形超导多层构件，如图13所示。由在一头的支承件14c支撑的静磁场产生源27a和27b与由在另一头的支承件14d支撑的静磁场产生源28a和28b相向安装，而在其中插有外部空间33。标号22a和22b表示在将上述静磁场产生源磁化以后除去的磁化线圈。由分别流经静磁场产生源27a，27b和28a，28b之中的持续电流I1和I2产生的磁通量B形成了贯穿于空间33、静磁场产生源27a和28a的中心孔、静磁场产生源27b和28b的中心孔以及空间33的磁通路(参考图13)。即，在空间33中形成了垂直方向的静磁场(见图12)。顺便地说，空间33用作容纳检查用的物体，它的图象将由装有所考虑的超导磁体装置的磁共振成像系统检取。
虽然每个都由超导多层构件构成的两对圆盘或扁平盘(pancake)都用在已说明的装置中了，但本发明不限定圆盘的具体数量。一些可想到的结构是在此装置中按一定预定间距地垂直排列由超导多层构件形成的两片或多片圆盘或扁平盘。
接下来将转向对磁化方法的描述。
磁化线圈22a和22b与励磁电源15相连从而使它们在同一方向上具有各自的极性。由此产生如图12所示的磁场。
另一方面，冷却剂从冷却剂供给源38经阀门36和低温容器11的冷却剂注入口注入低温容器11。
可以按照前述三种磁化方法(1)、(2)和(3)中给定的一种进行磁化。
示于图14和15的超导磁体装置与上述图12和13中的装置的区别在于用有源磁屏蔽29a和29b代替静磁场产生源28a和28b。虽然在每个静磁场产生源28a和28b上形成有相当大的开口或开孔，但是在有源磁屏蔽29a和29b上却没有开口。
从磁屏蔽的角度考虑，如图15所示，有源磁屏蔽29a和29b的直径最好应选择为大于静磁场产生源27a和27b的直径。
现在描述具有如图14所示结构的超导磁体装置的磁化方法。
在图14中，标号22a表示使静磁场产生源27a和27b磁化的磁化线圈。磁化线圈22a与励磁电源15a相连。而且，两个磁化线圈22b与励磁电源15b连接。但是磁化线圈22b的极性与磁化线圈22a的相反。由此产生沿如图14所示方向的磁场102、103和104。
在上述配置下，通过这样的调节实现磁化，使得在磁屏蔽29a和29b有效屏蔽磁场的同时能够由励磁电源15a和15b实现预定的磁场强度。
磁化方法可以从上面所述三种磁化方法(1)、(2)和(3)中选择。
在图12-15所述实施例情形中，采用由超导多层组合薄片制成的圆盘作静磁场产生源。但应该指出的是同样也可以采用圆筒状超导多层构件，而具有同样有利的效果。
图16表示按照本发明另一个实施例的内含磁化线圈的超导磁体装置。图中，与前述功能相同或等同的部件用相同的标号表示。
由图16可见，超导多层构件构成的圆筒状静磁场产生源13在低温容器11内围绕形成于低温容器11内的中心通孔33的中轴线39放置并嵌入紧固在低温容器11内的圆筒31内。用作磁化由超导多层构件制成的圆筒状静磁场产生源13的螺旋管型励磁线圈34位于低温容器11内并由圆筒31支承。因此，以实质上的整体结构实现了由超导多层构件制成的圆筒状静磁场产生源13和励磁线圈34。附带说明的是，圆筒31可以由玻璃纤维增强塑料(fiber reinforcedplastic FRP)材料构成。
也是由超导多层组合薄片制成的磁屏蔽30紧贴低温容器11的内壁从而从与静磁场产生源13的轴相对的侧面将圆筒状静磁场产生源13和励磁线圈34盖住。
低温容器11的顶部安装有冷却剂注入口25和用于向励磁线圈34供电的供电连接器部分90。
磁屏蔽30偶尔也可以不用。而且，这类结构同样可以在将低温容器一分为二的结构中采用，其中只单独冷却磁屏蔽。在这种情形下，超导磁体装置的结构与图9所示装置的相似。
在如图12和14所示包括励磁线圈的结构中，励磁线圈可以位于超导多层构件27a和27b的外部。
磁化方法可以是前述三种方法(1)、(2)和(3)中的任意一种。
图17表示按照本发明另一个实施例的超导磁体装置，其通过将超导多层构件的大直径管弯成C形而成形。图中，与上述相同或等效功能的部件用相同的字符表示。
由图可见，与外部热隔绝的低温容器具有C形截面，其中低温容器11由两端封闭的隔板22划分或分隔为两个冷却剂室23和24。与冷却剂室23和24相关的是提供了分别将液氦引入冷却剂室23和24的冷却剂注入口25和26。放置于冷却剂室23内的是采用超导多层组合结构并具有C字形垂直截面的管状静磁场产生源27。管状静磁场产生源27的两端相对而放，其间相隔有敞开的外部空间33。而且，管状静磁场产生源27的外表面或管状部件27的内部绕有螺线管线圈形状的一个或多个励磁线圈32。标号50表示用于励磁线圈32的供电端子。由超导多层构件制成并具有C形垂直截面的磁屏蔽51位于冷却剂室24内从而将管状静磁场产生源27的外表面围住。而且，在冷却剂室24内，管状静磁场产生源27两端附近分别放置由超导多层构件制成的圆盘状垫片52，其中每一块圆盘状垫片52都至少包括一个磁通量通道通孔，如图19所示。如磁通量线53指示的，管状静磁场产生源27产生的磁通量延伸穿越空间33，由此在空间33内形成静磁场，空间33用来放置待检查或诊断的物体，其图像由包含超导磁体装置的磁共振成像系统提取。具体而言，待检查或诊断的物体放于可从右向左或沿垂直于附图图面方向移动的工作台上，由此把待检查的物体置于空间33内。
应该进一步指出的是用于图17的实施例的超导多层构件也可以用与图1所示相同或相似的圆筒体13来实现。
图18为沿图17中线XVIII-XVIII取的截面图。
以下将描述图19所示圆盘状垫片52。
通常，在管状静磁场产生源27中，大部分磁通量将通过管状静磁场产生源的内部路径而非外部路径。因此，在空间33内磁通量分布总是不均匀的。提供圆盘状垫片52用来校正不均匀的磁通量从而获得均匀的磁通量分布。为此，在垫片52的圆周内侧部分开有数量较少或小直径的孔而在圆周外侧部分开有数量较多或达直径的孔。当然，通孔的形状并不局限于圆形。
使用励磁线圈32进行磁化可以采用上述三种给定的磁化方法(1)、(2)和(3)中的一种。
接下来，借助图20将描述采用超导多层组合结构的静磁场产生源13的结构。
由超导多层构件制成的静磁场产生源13的主体采用厚度大致均匀的圆筒部件。如图20所见，圆筒部件端部的内径D2小于其中央或中部的内径D1。而且，由超导多层构件制成的圆筒状静磁场产生源13采用对于纵轴或中心轴39对称的几何结构从而沿圆柱状空间的纵向中心轴39产生均匀的静磁场。另外，在图20所示超导磁体装置中，圆筒状超导多层组合部件13做成其直径沿从中央到两端的方向逐步减小。圆筒状多层构件13过渡部分的形状也可以是圆周的一部分。
图21表示按照本发明的静磁场产生源13的又一个实施例。在本发明的这个实施例中，由超导多层组件制成的静磁场产生源13包括三个区域，即具有预定的不变直径的中间区域A和与中间区域A连续的两个端部区域B和C，其中端部区域B和C做成轴向截面为圆锥台形状。在如图21所示的超导磁体装置的配置下，可以获得与图20相同的有益效果，由此还可以进一步改善静磁场分布整体的均匀性。
图22表示按照本发明又一个实施例的静磁场产生源13的结构。在按照本发明的这个实施例的静磁场产生源中，由圆筒状多层构件制成的静磁场产生源13由多个直径依次减小的圆筒部件60、61和62构成。在所示的实施例中，假定圆筒体的数目为5。在这种情况下，如图22所示，各圆筒体并不需要直接互连，只要有规则地排列就是以使各圆筒体产生的轴向磁场基本上不受干扰。虽然这里假定采用5个圆筒体构成超导多层组合圆筒，但是，不言而喻，采用至少3个圆柱体就可以达到本发明的目的。在这种情形下，如所要求的那样必须增加圆筒体60的长度。而且，很显然，通过增加圆筒体或部件的个数可以获得基本上与图20所示同样有益的效果。
由于只分别使用一些具有预定直径的圆筒部件就可以构成按照本发明的这个实施例的超导磁体装置，所以能够在避免制造困难的同时达到有益的效果。
应该理解的是上述结构只是用来解释本发明的原理。由于本领域内的一般技术人员很容易在不背离本发明的实质和范围的情况下对其作出大量改进或组合，所以本发明并不局限于已述的精确构造和操作。例如，在图21所示的超导磁体装置中端部区域为圆锥台形，但应该理解，圆锥体的外表面不一定是直线型的，也可以是曲线型的，从而使其直径朝端部区域逐渐减小。
通过将圆筒状超导多层构件两端的直径做得小于其中部的直径，可以使磁通量泄漏的部位远离中央或中部，由此可在沿整个超导磁体装置长度方向上比具有相同直径的圆筒体的磁通量分布更为均匀，这也意味着可以进一步缩小超导磁体装置的尺寸。
接下来，借助图23将描述按照本发明再一步实施例的采用超导多层构件的静磁场产生源。
按照本实施例的由超导多层构件制成的静磁场产生源13包含预定直径为D1而壁厚大致均匀的第一圆筒状超导多层组合管54、具有略大于第一圆筒状管54的直径D3的第二圆筒状超导多层组合管55和56以及具有与管55和56相同直径D3的第三圆筒状超导多层组合管57和58。第三圆筒状管57和58每根长度略短于第二圆筒状管55和56的长度。只要满足上述条件，第二和第三圆筒状管55、56和57、58的长度可在某一范围内任意选取。关键之处在于在主或第一圆筒状管54端部附近提高磁场强度从而与单圆筒状管相比从端部孔泄漏出来的磁通量以更高平行度沿中心轴39伸展。因此，较好地做法是至少用三种长度各异的圆柱管这样排成阵列，使得由管阵列末端向其中央长度依次减小，以进一步改善平行磁场的均匀性。
上述超导磁体装置的实施例仅用作解释本发明的原理。换句话说，本技术领域内的普通技术人员在不背离本发明的精神和范围的前提下很容易作出大量的修改或改进。例如，在图23所示的超导多层构件中，第一圆筒形管54和第二圆筒形管55、56排列为其端部互相对齐。但是同样也可以采用使第二圆筒形管的一部分伸出第一圆筒形管端部的结构。而且，虽然第二圆筒形管直径选得大于第一圆柱管直径，但是，不言而喻，把这种尺寸关系反过来也是可行的。而且，应该指出的是构成超导磁体装置的管子并不一定要是圆筒形的，例如也可以具有椭圆截面从而与待检查或诊断的物体的外形或形式更加一致。
总之，在本实施例所述的超导磁体装置中，利用双管配置，将磁通量校正为在圆筒状超导多层构件端部附近其方向平行于中心轴，由此与整个长度方向具有相同直径的单个圆筒状磁体相比，改善了由超导多层构件构成的超导磁体装置沿整个长度方向上的磁通量均匀性。
图24表示按照本发明的又一个实施例的由超导多层构件制成的静磁场产生源。图中，标号13表示采用超导多层构件并具有中心轴39的圆筒状静磁场产生源。通过采用在圆筒状静磁场发生源的中心处沿纵向(子方向)的磁场，实现了磁共振成像系统。而且，字符Bz表示形成磁场的磁通量的方向。圆筒状超导多层构件13上安装了相互独立的表面加热器部分8a…8e，其中提供了用于加热各加热器部分的电源P和用于控制电源P的控制单元9。
在上述圆筒状静磁场产生源结构中，在超导多层构件13已磁化的前提下借助加热器完成了磁场调节。
当磁化时，磁通量方向与图24所示的方向Bz一致，连续产生磁通量的圆筒状超导多层构件13内有持续电流沿圆筒的圆周方向流动。通常，在中心处螺线管型线圈内的磁场沿由中心向端面的Z方向减少。为了补偿沿Z方向的磁场强度的差异需要采用诸如由中心向两端的增加缠绕圈数的做法。相比之下，在圆筒状超导多层构件13中，电流在沿圆筒状部件整个长度的Z方向上的分布取决于超导多层构件的形状和特性。因此，为了校正作为普通线绕式磁体装置的圆筒状超导多层构件内的电流分布，应将由超导多层构件13制成的圆筒体13沿Z方向分成n段或部分以在磁化后控制这些段内的电流，从而达到与通常采用朝圆筒状线圈端面方向增加绕线圈数的办法同样的效果。为此，控制电流分布以便沿纵向观察在圆筒体中心部分的流动电流小于在两端部分流动的电流。
借助图25A所示由超导多层构件制成的圆柱体13内持续电流与温度之间关系的曲线图解释按照本发明的这个实施例的控制操作。由图可见，当NbTi合金型超导部件工作在由液氦冷却的状态下时，其工作温度通常在由临界温度Tc限定的4.2K附近的范围内。这里应该指出的是在温度高于9K时超导状态就会消失。因此，由图25A可见，持续电流在4.2K时取最大值而在温度Tc处有最小值。因此，由本发明的这个实施例可见，在电流自最大值到最小值的范围内，通过逐段改变或控制超导多层构件制成的圆筒体的温度来控制在上述圆筒体段的流动的持续电流值，从而逐段调节由持续电流产生的磁场。图25B用曲线图示出用于此目的的控制程序。具体而言，可以采用三种不同大小的加热器电流(1)、(2)和(3)，这里有条件(1)＜(2)＜(3)。加热器温度正比于加热器电流(1)、(2)和(3)增加。因此，持续电流密度的减少量相对4.2K温度时而言按(1)、(2)、(3)的次序依次增大。这样，由超导多层构件制成的圆筒体13内的持续电流可以调节至需要的大小，从而达到本发明的目的。
在前面的描述中假定超导磁体装置由多层组合圆筒构成。但是应该提及的是如果在超导磁体装置中采用圆盘状超导多层构件，也可以达到同样的有益效果。此外，通过改进加热器安装位置或个数，即使在与绕线式超导磁体装置一样调节持续电流分布极困难的情况下也能对持续电流作精密调节。而且，与绕线式超导磁体装置不同的是，即使有时候超出了临界温度Tc，也可以实现稳定工作，这要归因于由超导多层构件制成的圆筒体13提供的一个优点。
而且，虽然已经描述的超导多层构件13采用单个圆筒的形式，但是将圆筒分为n段，对于每段配以加热器，对每段圆筒进行上述同样的控制也基本上可以达到同样或更好的有益效果。
利用上述给定的三种方法(1)、(2)和(3)中任意一种可以实现超导多层组合圆筒的磁化。
图26表示按照本发明的再一个实施例的超导磁体装置。而且，图27是沿图26中XXVII-XXVII线取的剖面图。在这些图中，与前述功能相同或等效的部分或部件标以相同的字符。
在图中，标号11表示与外部热隔绝并由隔板22分隔为两个冷却剂室23和24的低温容器。室23和24内盛有用作实现超导性的冷却剂的液氦。低温容器11上提供有用于分别向冷却剂室内注入或倒入液氦的注入口25和26。由超导多层构件制成、用作静磁场产生源的圆筒13放于冷却剂室23内，其中圆筒体或部件13由紧固于开有适当数量的冷却剂通道通孔29从而能使液氦自由穿过的隔板22之上的支承件支承。另一方面，圆筒状超导多层构件63位于冷却剂室24内并由紧固于低温容器11上并开有适当数量冷却剂通道通孔65从而在使液氦自由流过的支承件64支承。
与励磁电源15电气连接的励磁线圈16放置于静磁场产生源的低温容器11的外部。另一方面，冷却剂注入口25和26分别通过阀门36和37与冷却剂供给源38相连。拧下冷却剂注入口25和26的盖子并打开阀门36和37后，液氦，即用于实现超导性的冷却剂就分别充入冷却剂室23和24。
首先，把冷却剂室23抽空而冷却剂室24内充满液氦。在这种状态，励磁电流由励磁电源15送至励磁线圈16。励磁线圈16为螺线管型。当励磁电流流过励磁线圈16时，产生穿过励磁线圈16中空部分呈环状分布的磁通量从而形成用于磁化的外部磁场。环状磁通量具有从每个圆筒体13和补偿件63一端延伸出来、经过圆筒体13和补偿件63的内侧再到每个圆筒体13和补偿件63另一端并环绕励磁线圈16外部的环形部分。这些环状磁通量产生沿圆周方向流经圆筒体13的感应电流。但是，由于处于普通的导电状态，感应电流迅速衰减为零。在这种情况下，在由超导多层构件制成的补偿件63中感应出根据超导特性阻挡磁通量通道的超导电流。
接着，使冷却剂室23充满液氦。因此，圆筒体13冷却至使其处于超导状态下的温度。因此，当励磁电源15送往励磁线圈16的励磁电流下降为零时，根据超导多层构件的特性，在圆筒体13内产生维持磁通量的超导电流，该电流作为持续电流被维持。该磁通量环线穿过空间33沿圆筒体13的中心轴39延伸，从而沿中心轴39连续产生静磁场。圆筒体13一旦磁化，就把励磁线圈16从低温容器11外部移去，而静磁场均匀产生的空间33可以被用来放置进行磁共振图像提取的待检查物体。
由超导多层构件制成的补偿件浸入冷却剂内并放置于静磁场产生源13与轴39之间从而将有磁屏蔽功能的后者包围起来。因此，超导多层构件组成的静磁场产生源13产生的磁通量穿过补偿件63的两端和空间33。结果，与没有补偿件63的结构相比，形成于空间33内静磁场均匀性得到了改善。而且，通过适当确定补偿件63沿轴向的尺寸，可以沿轴39延伸或扩大形成于空间33内均匀静磁场的范围。
图28表示对图26所示的超导多层构件的补偿件63的改进。按照本发明的这个实施例的补偿件具有一组静磁场校正孔66。静磁场产生源产生的部分磁通量由这组静磁场校正孔66进入空间33从而对形成于空间33内的静磁场产生影响。因此，通过适当确定静磁场校正孔66的分布、数量、尺寸和形状，可以局部校正静磁场，由此可以进一步改善静磁场总体均匀性。
图29表示按照本发明的又一个超导磁体装置的实施例。
对于本超导磁体装置，超导多层构件的静磁场产生源13构造为将一个开端封闭或部分封闭。
按照本发明的超导磁体装置，采用超导多层构件的磁屏蔽67放于低温容器11的冷却剂内从而在轴39的相对一侧和在它的一个端部处罩住静磁场产生源13。超导多层构件表现出优于普通钢罩的磁屏蔽特性。因此，磁屏蔽67可以有效抑制从静磁场发生源13泄漏的磁场。特别是在磁屏蔽67开孔的前面，虽然无法完全抑制向前侧泄漏的磁场，但可有效防止磁通量向磁屏蔽67球形部分67a后侧的泄漏。因此，球形部分67a的后侧空间(即在一个极端的例子中为在开孔后面的空间)可以作为无磁场空间加以利用。
通过在低温容器11内提供隔板而把磁屏蔽67放在第一冷却剂室内，把静磁场产生源13放于第二冷却剂室内，可以独立于第二冷却剂室而将第一腔体抽空或充满液氦。在这种配置下，可以完全消除磁屏蔽67激励的影响。
作为超导磁体装置的改进，可以不用图29所示磁场屏罩的结构而采用与如图1A所示的超导磁体装置一样静磁场产生源13两端开口的结构。
图30和31分别表示按照本发明的超导磁体装置又一些实施例。
在图30所示的超导磁体装置中，在磁屏蔽67的球体部分67a的中心附近开有一尺寸与待检查物体横截面对应的开口。这种结构对于开敞、通风和照明来说是非常出色的。在其它方面，图30所示的装置基本上与图29所示的结构相同。另一方面，在图31所示的超导磁体装置中，在前述磁屏蔽67的端部配有光学反射器或镜子68。通过以这种方式提供诸如镜子68之类光学反射器，从外表上看起来可以扩展空间深度，从而增加了空间的开敞性。当然，也可以用照明设备代替光学反射器来照明容纳待检查物体的空间。除了提供空间照明用装置以外，其它结构和操作与图29所示的超导磁体装置一样。
图32为磁共振成像系统硬件结构的示意框图，其中超导多层构件用作静磁场产生源。待检查或诊断的物体71放于包括采用超导多层组合结构的静磁场产生源的超导磁体装置72产生的静磁场内。高频脉冲发生器73产生的高频脉冲经放大器74放大后送往收发两用机线圈75，由此使待测物体71处于电磁波辐射下。因此在待检查的物体71中，激发了核自旋。待检查物体71以这种方式激发的核自旋产生的核磁共振信号经收发两用机线圈75检出后送往接收机77。梯度磁场控制器78控制梯度磁场产生线圈76以在X、Y和Z方向上产生梯度磁场从而定出特定的层面。这些梯度磁场叠加于静磁场之上。
序列控制器79与梯度磁场控制器78、高频脉冲发生器73和接收机77相连，用于控制根据预定的脉冲序列产生高频脉冲信号、用于控制产生X、Y和Z方向上的梯度磁场以及核磁共振信号接收时序。而且，在序列控制器79的控制下，计算机80根据接收机77接收的核磁共振信号进行图像重建处理，由用于控制信息/数据传送的控制台81将结果显示在显示单元82上。
在图32所示采用超导多层构件实现静磁场产生源的磁共振成像系统中，可以执行多种诸如各种自旋-回波方法、二维回波方法等之类已知的脉冲序列获得层析X射线摄影图像。而且，采用由超导多层构件实现的静磁场产生源的磁共振成像系统可以借助于各种将要研制出来的脉冲序列提取层析X射线摄影图像。