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超导磁体(三)

文字:[大][中][小] 2010-12-13    浏览次数:676    

核磁共振人体诊断仪对超导磁体的要求是,在一定的空间提供一定强度的稳定均匀磁场。这个空间是有目共睹的;磁场的均匀性由线圈的几何参数及其空间配置来实现。磁场强度是选定超导材料后靠超导磁体制造工艺来实现的。磁体制造工艺面对如下问题:

1. 超导磁体及其引线承载电流大、磁场强度高。因此,超导体将承受强大电磁力;

2. 超导体与室温电流引线要连接,要有焦耳热产生;

3. 在闭路运行时,超导线端头连接之间总有一个非超导导体桥;桥体有焦耳热产生;

4. 超导体在强磁场下不能有微米量级的振动幅度;

5. 超导体在低温下比热小。

应对以上问题的措施是:

将所有可能产生焦耳热的连接端都置于液氦池的底部区域,保证它在任何时间处于被良好冷却状态。所有的电流引线都被固定在有强大支承力的刚性支架上。超导磁体的制造工艺现在已经成熟。超导线圈的绕制和浸渍環氧固着是经过苦苦探索才得到的。

在历史上,铌钛一铜合金超导体的制造工艺和超导磁体的绕制工艺的探索相互验证、相互促进的。当导体制造工艺实现细丝化、又将铌钛超导线编织扭绞换位后﹝铜组分大于铌钛组分﹞,铌钛一一铜超导体的样品性能达到了令人满意的程度。在长线﹝大于1000米﹞的均匀性被验证后,人们又发现了长线退化效应。即长线绕成线圈以后,它的性能远远低于短样品的性能。经研究知道,长线退化效应源自线圈绕制工艺。原来,绕制线圈的张力的选择、张力的均匀程度、线圈匝间排列的紧密性、相邻匝间的一致性及线圈的整体性等诸多因素都在影响着超导线圈的性能。超导体与常导体远远不能比拟。在线圈绕制工艺的研究与改进中人们认识到,超导磁体在励磁、退磁、稳定承载电流时,它的超导线必须位置固定;超导线如果有微米量级的蠕动就会招致1K以上的温度升高,超导线圈就会因此失超。

实际上,在一个超导螺管线圈中,磁场强度分布是不一样的。在磁场最高的区域也恰好是导热最差的区域。它位于単体螺管线圈的最内层的中间、紧附于线圈的支架。这儿也是导体承受电磁力最大的位置。在核磁共振人体诊断仪的超导磁体中,这个区域又是梯度线圈磁场对超导线圈影响最大的地方。

以上种种,都是超导磁体走上工程时已经解决了的问题。根据核磁共振人体诊断仪对超导磁体磁场的要求确定超导线圈的几何参数,从而确定线圈支架的强度和几何参数。超导线圈的绕制是在专用设备上完成的。超导线匝间绝缘一般有绝缘漆皮即可;线圈层间绝缘用电工绝缘纸;在相临两层过渡的区域,要采取特殊措施固定超导线的位置的。超导线圈的整体性是由外加强大预应力后真空浸渍环氧实现的。

単体超导螺线管整体造形工艺如下 :

超导螺线管外部的磁力线和园柱磁铁的磁力线是一样的,螺线管内部磁力线将外部磁力线闭合。磁力线和螺线管导线电流的作用力﹝即电磁力﹞会使螺线管内直经增大、外直经缩小。但后者比前者小得多。同时,电磁力还企图迫使螺线管绕组的矩形截面周边向単根磁力线轨迹变化。我们根据这些电磁力的大小和方向采用强大预应反作用力机械结构克服它。环氧浸渍工艺使超导线圈成为一个刚性整体。其工艺流程大致如下:真空浸渍环氧:它是将由预应力机械结构造形好的超导线圈置于真空室内;液态环氧池也同在真空室内。当超导线圈的匝间被抽成真空后,将其沉入液态环氧池浸渍环氧。为了使环氧浸至每匝间隙,可将原来真空室改作压力室进行增压,最后使环氧固化。由于线圈绕组很致密,抽真空持续时间和加压下浸环氧持续时间都是几十个小时,以昼夜计。

通过超导线圈的制造工艺我们可以看到,超导磁体在液氦池中,它的任何部位都不会运动的,它在运行中也不会发出声音。超导磁体自身构成封闭系统,除去外界磁场和温度外,没有会引起超导磁体失超的因素。声音是靠空气传播的,杜瓦有真空夹层,声音传至超导磁体是很困难的。超导磁体励磁之后,它不再会有声音发出。超导磁体的液氦腔内传出声音的几率也很小。在液氦充裕时,超导磁体是不会失超,也不会发出声音。超导磁体失超后,它可能会发出声音。这是失超引起声音;不是声音导至磁体失超。

在核磁共振人体诊断仪中,它的梯度磁场线圈发射磁场线圈可能会发出声音。这就象运行着的变压器一样发出声音。但这些声音不会引起超导磁体失超。这些线圈的励磁和退磁,会在超导磁体的导体中引起涡流,它也不会引起超导磁体失超。超导磁体承受的励磁速率﹝由此确定涡流的大小﹞是在整个系统的设计中首先考虑到的。

附:涡流与导体发热

现在市场上有电磁灶出售。它的发热机理就是涡流发热。原来,电流和磁场是相伴且互相感应的。把电导体置于磁场中,只要磁场发生变化,导体中必然产生闭合的环电流。磁场变化越快,环电流越大。在电导线中发生的环电流称为涡流。涡流就引起导体发热。

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