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超导磁体(四)

文字:[大][中][小] 2011-1-10    浏览次数:500    

核磁共振人体诊断仪超导磁体的结构、操作和保护

人们根据工程需要而设计、制造了各种各样结构的超导磁体。人们对核磁共振人体诊断仪用超导磁体的要求是怎样呢?

超导磁体要提供足够高的磁场强度。这正是超导磁体走上工程的理由和强项。根据核磁共振原理,磁磁越强,核磁共振电子计算机断面扫描的灵敏度越高。这使核磁共振人体诊断仪对病灶的确诊质量越可靠。

超导磁体的磁场在足够大的空间磁场是均匀的。这个空间应大于人体器管或肢体的特征尺寸,以实行病灶和正常区域核磁共振扫描图之间比照。另外,磁场均匀是必须的,因为梯度磁场叠加在主磁场上,以提高断面的分弁率,本底磁场均匀才有意义。

以上两个问题在上世纪八十年代已成功解决。人们制造了我们通常的核磁共振人体诊断仪。输液氦的工程师已经熟悉。输液氦工程师都经历过超导磁体失超和重新励磁。核磁共振人体诊断仪设置了自动励磁控制程序和专用电源、超导开关,使核磁共振人体诊断仪得以广泛应用,使之商业化。下面介绍一下超导磁体的超导开关和保护系统的操作过程。

超导开关是设置在超导磁体的杜瓦内磁体励磁程序可以控制其正常一超导﹝有电阻一无电阻﹞转变的器件。它与超导磁体并联在超导磁体电源的引线上。超导磁体电源引线是一对可以从磁体杜瓦内拔出又能插进的镀银铜管。插进杜瓦后,它与超导磁体、超导开关结合段接触良好。当然,如果人工手动励磁的超导磁体,超导开关的正常一超导转变要手动控制;其正常一超导转变持续时间长短要靠操作者的经验。

超导开关、励磁电源、电流引线等三者自动励磁运行流程是:插入电流引线;启动励磁电源;超导开关被自动加热成为有电阻态且被持续加热;励磁电流由零开始自动上升;励磁电流升到额定值;超导开关被自动停止加热且转变为超导态;励磁电源开始由额定电流自动下降至零。超导线圈电阻为零而超导开关有电阻,当励磁电流上升时,电流进入超导线圈;超导线圈有电感,当励磁电流上升时,电感电压使得超导开关也承载电流。一旦励磁电流升到额定值,电感电压随即消失,超导开关承载电流也随即消失。超导开关成为超导态后,当励磁电源电流自动下降时,因超导线圈有电感即电磁能,超导磁体内的电流未变而是超导开关承载电流的增加补赏了电源电流下降。最后关闭励磁电源,拔出电流引线。这就实现了超导磁体闭环运行。励磁过程中液氦的消耗主要是超导开关有电阻态下承载电流引起的,其次才是电流引线的热传导和加热超导开关的热能。

超导磁体的正常退磁也是由超导开关、励磁电源、电流引线等三者组成自动退磁流程。插入电流引线;启动励磁电源且选择退磁;励磁电流上升到超导磁体电流额定值;超导开关承载的电流自动下降至零且被自动加热成有电阻态并持续被加热;励磁电源的电流按程序下降至零;超导磁体的电流随之下降至零;超导开关自动停止被加热;最后关闭励磁电源,拔出电流引线。在这过程中,只要电源电流下降速率足够小,超导磁体的下降近乎与其同步,超导开关有电阻态时传输电流就很小。

无论超导磁体励磁还是退磁,总要插拔电流引线和加热超导开关,难以避免超导开关在有电阻态时承载电流。这些都是液氦消耗为代价。

超导磁体系统需要设置自动保护装置。

超导磁体系统的保护内容是:1. 磁体线圈保护;2.. 超导开关保护;3. 设备和人身安全。

正常运行的超导磁体存储着足以破坏超导线圈的电磁能。它也可能烧毁超导开关或威胁设备和人身安全。因此,人们在设计制造超导磁体的同时,为整个系统配备了自动保护装置。超导磁体储能是怎样引起破坏作用呢?超导线圈实为储能电感,一旦超导线圈局部失超,储能便在这失超的局部生成焦耳热。如果没有保护系统,这焦耳热可将这局部导体烧熔。对于非闭合运行的超导磁体,当它的线圈被突然断开时,断头间会产生高电压。电压足以击穿断头间的空气﹝或液氦﹞,发生电弧。核磁共振人体诊断仪的超导磁体是闭环运行的,它一旦失超,不会危及杜瓦外的设备和人身安全。所以,设备和人身安全是容易实现的。超导开关的保护,是严格掌握超导开关控制的加热电路。超导开关的载电流能力足够大,它又被置于液氦中超导线圈底部。只要不被误加热,它就不会损坏。

为了保护超导磁体线圈,人们特别设计了超导磁体自保护系统。它的执行目标是使整个超导线圈均匀失超,整体吸纳电磁能、有限地升高温度﹝一般低于室温﹞;以避免线圈中原始失超点被高温烧熔。﹝早年在非闭环运行的超导磁体中,它的自动保护系统比较复杂;保护系统要保障设备、人身安全,它还要将超导磁体的电磁能转移到室温区域。以减少温升、节约液氦。﹞

超导磁体的自然寿命是以它失超的次数计的。一般是几十次甚至上百次,核磁共振人体诊断仪服役延续时间远大于它的更新换代的周期。

附:超导磁体失超保护

超导磁体失超带来的后果可能是灾难。因此,人们根据空间或超导线圈结构允许的条件,设计制造了相应的超导磁体保护装置。核聚变实验装置中,用于磁约束的超导磁体,采用自保护全稳定超导体制造磁体;该超导体含铜的成分充分大,以至当超导体失超后铜有足够的承载电流和吸纳焦耳热的能力,在超临界氦的冷却下,使得超导体恢复超导态。有些工程中,超导磁体保护是将超导线圈分段并联二极管,用以短路和释能。

在核磁共振人体诊断仪中,应采用铜互感线圈自动保护。铜互感线圈与超导线圈强耦合﹝如平行并绕﹞。在超导线圈失超后,铜线圈感生的电流能加热整体超导线圈又承载了磁体的电磁能。这样,超导磁体系统就被保护;当然也汽化了液氦。

关于氦气窒息的知识在第五节讲。


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