專利名稱：磁化永磁體的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁化永磁體的方法和裝置，特別是涉及磁化用在磁共振成像(MRI)系統(tǒng)中的磁體。
背景技術(shù)：
有各種利用永磁體的磁成像系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括磁共振成像(MRI)，磁共振治療(MRT)和核磁共振(NMR)系統(tǒng)。MRI系統(tǒng)被用于對病人的部分身體進行成像。MRT系統(tǒng)通常較小并且被用于監(jiān)視病人身體內(nèi)外科手術(shù)器械的運動。NMR系統(tǒng)被用于檢測來自于被成像材料的信號，從而確定材料的成份。
這些系統(tǒng)通常將兩個或多個永磁體直接安裝到被經(jīng)常稱作軛的支承物上。成像空間設(shè)置在磁體之間。人或材料被放置在成像空間中，圖像或信號可被檢測到，并由諸如計算機的處理器進行處理。
現(xiàn)有技術(shù)的成像系統(tǒng)還包括鄰近面向成像空間的永磁體成像表面的極片和梯度線圈。該極片按需要形成磁場，并且減少或消除不希望的渦電流，該渦電流建立在軛和永磁體的成像表面中。
使用在現(xiàn)有技術(shù)成像系統(tǒng)中的永磁體通常是磁鐵的組裝件或是由粘合劑連接在一起、各小型永磁塊所構(gòu)成的磁體。諸如，所述塊在形狀上通常是正方形，長方形或梯形。該永磁體用粘合劑通過將預(yù)磁化塊彼此連接在一起而組裝起來。在處理磁化塊時需要特別小心，以避免它們消磁。包括該永磁體塊的組裝后的永磁體被放置在成像系統(tǒng)中。諸如，該永磁體被連接到MRI系統(tǒng)的軛上。
由于永磁體被強力地吸附到鐵，永磁體通過特殊的自動機械或通過使用曲柄沿部分軛滑動永磁體連接到MRI系統(tǒng)的軛上。如果松脫，該永磁體會變成飛行的導(dǎo)彈，飛向任何在它附近的鐵質(zhì)物體。因此，這種成像系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制造方法是復(fù)雜而昂貴的，因為它需要特殊的自動機械和/或特別的注意。
為了磁化現(xiàn)有技術(shù)的永磁鐵，使用一種脈沖磁場。該脈沖磁場產(chǎn)生在一個線圈中，該線圈傳統(tǒng)上由分層繞組扁線(layer winding rectangular wire)所制成。由于難于制成具有很長長度的大橫截面的扁線，所以將多個短長度的線纜連接在一起而構(gòu)成該線圈。這些連接通常具有機械和電氣缺陷。同樣的是，對于厚的線繞組來說，層與層之間的過渡是困難的。這些過渡通常導(dǎo)致角與角的接觸，其會破壞絕緣并且導(dǎo)致操作中的短路。另外，該過渡通常導(dǎo)致較低的填充因子，在每層的端部失去1/4或更多的匝數(shù)。
傳統(tǒng)脈沖磁化線圈的另一個問題在于來自脈沖的焦耳熱量。典型地，該傳統(tǒng)脈沖線圈在施加脈沖前在液氮中被冷卻，從而降低該銅線圈的電阻率。在77K溫度以下，銅的電阻率大約下降8倍。但是，在脈沖過程中電流的通過典型地將線圈加熱到77K以上，導(dǎo)致了電阻率的極大提高。因此，為了施加第二脈沖，該線圈必須被從前驅(qū)體移走并重新冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方面，提供一種磁化線圈單元，其包括卷繞金屬片電磁線圈，適于對永磁前驅(qū)體進行磁化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選方面，提供一種包括多個磁化線圈單元的磁化組件，每個磁化線圈單元包括位于殼體中的卷繞銅片，該殼體在殼體的底部包括冷卻劑輸入端口、在冷卻劑輸入端口中的多個微型通道以及位于殼體頂部的冷卻劑輸出端口。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選方面，提供一種制造磁化線圈的方法，該方法包括將銅片纏繞成線圈，從而形成電磁線圈，該銅片的寬度等于電磁線圈的高度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選方面，提供一種制作永磁體的方法，該方法包括用至少一個磁化線圈單元圍繞未磁化或部分磁化的前驅(qū)體，該磁化線圈單元包括卷繞金屬片電磁線圈，并且向前驅(qū)體提供脈沖磁場，從而形成永磁體。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的制成磁化線圈單元方法的示意圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的磁化線圈單元的示意圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的磁化線圈單元組件的示意圖；
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的磁化線圈單元組件的透視圖；圖5是圖3中脈沖磁體組件的電路圖；圖6是示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的電流相對于時間的圖。
附圖標(biāo)記1 電磁線圈；3 銅片；5 絕緣片；7 第一引線(起始引線)；9 第二引線(結(jié)束引線)；11 殼體；13 腔體；15 間隙；17 冷卻劑輸入部分；19 冷卻劑輸入端口；21 微型通道；23 底壁；24 底部凸緣；25 內(nèi)壁；26 冷卻劑輸出端口；27 頂壁；29 外壁；30 絕緣材料；31 突起；33 開口；35 O型環(huán)凹槽；37 前驅(qū)體；39 軛；41 電阻；42 阻抗；43 電表；45 電池或電容；47 二極管；49 電源；51 開關(guān)；100 磁化線圈單元；200 磁化線圈組件。
具體實施例方式
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到如果永磁前驅(qū)材料的未磁化塊被首先組裝形成前驅(qū)體，然后該前驅(qū)體被磁化從而形成永磁體，永磁體的制造方法可以被簡化。由于未磁化塊在組裝過程中容易處理，所以在將未磁化塊組裝在一起后，對前驅(qū)合金體的磁化簡化了組裝過程。如果未磁化(甚至部分磁化的)材料塊被組裝起來，就不需要對防止所述塊的消磁非常小心。另外，場均勻性的改善和晃動時間的減少可以通過在磁化前驅(qū)體前將前驅(qū)體加工成用于成像系統(tǒng)中所希望的形狀來獲得。由于前驅(qū)體是未磁化的，其可以被容易地加工成所希望的形狀，而無需考慮它在機加工過程中會被消磁。
優(yōu)選地，前驅(qū)體在被連接到成像系統(tǒng)的支承物或軛后被磁化。同樣優(yōu)選地是，通過臨時在未磁化前驅(qū)體周圍提供磁化線圈，然后從線圈向前驅(qū)體施加脈沖磁場以將前驅(qū)體轉(zhuǎn)換成永磁體，來將永磁前驅(qū)體磁化。在將前驅(qū)合金體安裝到成像系統(tǒng)中之后對該前驅(qū)合金體的磁化極大地簡化了安裝過程，并且還增加了處理過程的安全性，這是因為未磁化體不會被附近的鐵質(zhì)物體吸引。因此，不會存在未安裝物體變成瞄準(zhǔn)周圍鐵質(zhì)物體的飛行導(dǎo)彈的危險。另外，因為尚未磁化，未連接、未磁化體不會貼到鐵質(zhì)軛的錯誤位置上。因此，可以避免使用特殊的自動機械和/或曲柄，這就降低了成本并且加強了制造過程的簡化。
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，如果磁性線圈由不同于繞組線的扁平繞組銅片所制成，那么磁化線圈的制造方法可以被簡化。優(yōu)選地，所述片的寬度至少大于其厚度的10倍。通過使用銅片而不是線，線圈可以被制成具有極少接頭甚至沒有接頭。另外，扁平繞組更為簡單并且典型地導(dǎo)致更高的填充因子。此外，通過與銅片的共同纏繞絕緣，可以簡化制造。
將會對根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的制造磁化線圈單元的方法進行說明。在本實施例中，磁化線圈單元通過扁平包裹(pancake wrapping)諸如銅片的金屬片以形成電磁線圈(solenoid)來形成。與每層包括多圈線的傳統(tǒng)磁化線圈單元不同，優(yōu)選地每層僅僅有單個銅片纏繞。即，銅片的寬度優(yōu)選地等于電磁線圈的高度。裸露或薄膜絕緣的銅優(yōu)選作為用于電磁線圈的金屬。但是，也可以使用其它適合的金屬。
為了使電流在銅片層之間不出現(xiàn)短接，優(yōu)選地在層之間提供絕緣。圖1示出提供這種絕緣的一種方法。在本實施例中，絕緣片5從相應(yīng)的繞線軸與銅片3共同纏繞以形成電磁線圈1。在纏繞過程中，可選的滾柱2被用來引導(dǎo)銅片3到線軸上。優(yōu)選地，絕緣片5是多孔的，從而允許冷卻劑在銅片5層間的滲透。但是，該絕緣片可是實心的。優(yōu)選地，該絕緣片5是多孔玻璃纖維片。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，在纏繞之前，絕緣作為薄膜被應(yīng)用在銅片3上。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，該絕緣可以象是帶子一樣螺旋包覆在裸露或經(jīng)薄膜絕緣的銅片上。
優(yōu)選地，該螺旋包覆覆蓋銅片3表面的20-50％。但是可以將覆蓋率提升到100％。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的磁化線圈單元100的剖面。該磁化單元100包括電磁線圈1和殼體11。該電磁線圈1具有位于銅片3的線圈內(nèi)部的起始引線7以及位于銅片3的線圈1外部的結(jié)束引線9。所述電磁線圈1位于殼體11中的腔體13中。殼體11包括間隙15，通過該間隙冷卻劑可以被加入到殼體11的冷卻劑輸入容器部分17。優(yōu)選地，該冷卻劑是液體的。更優(yōu)選地，該冷卻劑是液態(tài)氮。
在本實施例中，加入到殼體11的冷卻劑輸入容器部分17中的液態(tài)冷卻劑流入位于殼體底部或鄰近殼體壁23的冷卻劑輸入端口19。冷卻劑輸入端口19可以是包括多個微型通道21的管道。因此，進入輸入端口19的冷卻劑流過微型通道21進入腔體13。優(yōu)選地，微型通道21的數(shù)量對應(yīng)于電磁線圈1中銅片3的層或絕緣5的層的數(shù)目，并且微型通道21與多孔絕緣層5對準(zhǔn)或垂直，從而允許冷卻劑通過多孔絕緣片5在每個銅片3的層間向上流動。優(yōu)選地，基本上平行于線圈軸線的軸向冷卻通道形成在多孔絕緣5中和/或如果沒有絕緣5的話，形成在銅片繞組3之間。
在電磁線圈1的脈沖操作過程中，脈沖熱產(chǎn)生在電磁線圈1內(nèi)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，緊鄰卷繞銅片3的液氮吸收熱量。典型地，部分液氮吸收足夠的熱量而蒸發(fā)，由液池沸騰冷卻來冷卻電磁線圈1。氣態(tài)氮被允許通過位于殼體11頂部的輸出端口26排出殼體11。為了替代蒸發(fā)的氮氣，額外的氮氣隨后從容器(未示出)被加入到殼體11中。在這種模式中，有可能給磁化線圈單元100施加幾次脈沖，而無需將其從被磁化的材料周圍移開。
優(yōu)選地，殼體11的內(nèi)壁25和底部凸緣24是由諸如304L的不銹鋼所制成。但是，也可以使用其它適合的材料。覆蓋內(nèi)壁25內(nèi)表面的是一層薄的絕緣層(未示出)。該薄的絕緣層是由諾梅克斯(Nomex)紙或其它適合的絕緣材料所制成。殼體11的底壁23和頂壁27以及端口19、26優(yōu)選地由G-10或?qū)訅耗z布板(Texolite)所制成，在其中易于形成微型通道。但是，也可以使用任何其它適合的材料。外壁29，底部凸緣24，以及內(nèi)壁25優(yōu)選地是由304L不銹鋼所制成。優(yōu)選地，絕緣材料30，諸如玻璃纖維包裝被設(shè)置在結(jié)束引線9和冷卻劑輸入容器部分17之間。電磁線圈1和相對應(yīng)銅片的寬度可以具有任何適合的尺寸。諸如，該電磁線圈的高度可以近似于將要被磁化的前驅(qū)體的高度。典型地，電磁線圈的高度和銅片寬度可以介于10和25cm之間，優(yōu)選地界于18到22cm之間。該銅片3可以具有任何適合的厚度，諸如0.1mm到2mm，優(yōu)選地界于0.7mm到1mm之間。該絕緣層5可以具有任何適合的厚度，諸如0.05mm到0.5mm，優(yōu)選地介于0.1mm到0.3mm之間。該電磁線圈1可以具有任何適合的匝數(shù)，諸如50到500匝，優(yōu)選地介于100到250匝。
圖3示出本發(fā)明的另一個實施例。本實施例是磁化組件200，其包括多個磁化線圈單元100。該圖示具有四個磁化線圈單元100的磁化組件200。但是，任何數(shù)量的單元100可以被堆疊起來。在本發(fā)明的實施例中，磁化線圈單元100被簡單地在它們的頂部彼此堆疊起來。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該磁化線圈單元100設(shè)置有鎖定機構(gòu)，其幫助將磁化線圈單元100保持在一起。
一個優(yōu)選的鎖定機構(gòu)被示出在圖2中。該機構(gòu)包括在底壁23中的突起31和位于殼體11頂壁27中的開口33。該開口33可以是圍繞頂壁27周邊的連續(xù)凹槽，而突起31可以是圍繞底壁23周邊的連續(xù)舌狀物?？蛇x地，凹槽35可以被包括在用于O型環(huán)的開口33中。
在本發(fā)明的另一個實施例中，開口33可以是一個孔或多個孔，突起31可以是一個柱或多個柱。此外，開口33和突起31的位置可以對調(diào)。即，開口33可以位于底壁23上，而突起可以位于頂壁27上。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選方面，該磁化組件200被用來磁化用于成像系統(tǒng)中的永磁體，所述成像系統(tǒng)諸如MRI，MRT或NMR系統(tǒng)。本實施例示出在圖3和圖4中。未被磁化或部分磁化的前驅(qū)體37被組裝并被緊固連接到軛39上。然后各個磁化線圈單元100被安裝在該未磁化或部分磁化前驅(qū)體37的周圍，從而形成磁化組件200。該冷卻容器(未示出)連接到位于組件200中的每個單獨的磁化線圈單元100，并且該磁化線圈單元冷卻至大約77K。當(dāng)該線圈已經(jīng)充分冷卻從而降低了銅片3的電阻率時，電流的脈動提供一個脈沖磁場，從而對未磁化或部分磁化的前驅(qū)體37進行磁化。
如果在諸如MRI系統(tǒng)的成像系統(tǒng)中包括多于一個永磁體，則這些磁體可以被同時或連續(xù)地磁化。諸如圖3和圖4中所示，四個磁化線圈單元100可以被用來同時磁化兩個前驅(qū)體37，所述前驅(qū)體連接到相對的軛39部分。另外，一個磁化線圈100可以被順序地放置在成像系統(tǒng)的每個前驅(qū)體37的周圍從而順序地磁化每個前驅(qū)體。所述前驅(qū)體37可以在將可選的極片放入到MRI系統(tǒng)中之前或之后被磁化。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一個方面的磁化組件200的電路圖。但是，如果希望的話，任何其它適合的電路也可以被用于磁化組件200。在這個電路中，電源49向一組可充電電池或電容45供應(yīng)能量。該電池或電容45可以被安排成串聯(lián)或并聯(lián)的方式或串并聯(lián)相結(jié)合的方式。
磁化組件通過開關(guān)機構(gòu)51操作。開關(guān)機構(gòu)可以包括半導(dǎo)體開關(guān)元件或磁化操作開關(guān)?？蛇x地是，當(dāng)電源在脈沖的結(jié)束處從電路斷開時，二極管47可以用并聯(lián)方式被包括進來從而從脈沖線圈釋放電流。當(dāng)開關(guān)被關(guān)閉時，電流流過磁化線圈100，諸如示出的阻抗42和電阻41?？蛇x地，電表43被設(shè)置用于監(jiān)視通過電路的電流。在脈沖的結(jié)束處，開關(guān)被打開以斷開電源并且通過二極管釋放線圈電流。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選方面的磁化脈沖。該脈沖在大約20秒達到大約為5kA的最大電流。該最大電流大約被保持5秒大體恒定，然后在大約35秒的過程中衰變?yōu)榱恪Ｒ粋€或多個脈沖可以被用來磁化前驅(qū)體37。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選方面，前驅(qū)體37和永磁材料可包括諸如CoSm，NdFe或RMB的任何永磁體材料或合金，其中R包括至少一種稀土元素，而M至少包括一種過渡金屬，諸如鐵、鈷、或鐵和鈷。最優(yōu)選地，永磁體包括諸如公開在美國專利6,120,620中的富含鐠(Pr)的RMB合金，該專利的全部內(nèi)容通過參考結(jié)合在此。富含鐠(Pr)的RMB合金包括大約13至大約19原子百分比的稀土元素(優(yōu)選地是大約15％至大約17％)，其中稀土成分主要包括大于50％的鐠、從來自于鈰、鑭、釔及其混合物所構(gòu)成的族中所選擇的有效數(shù)量的輕質(zhì)稀土元素、以及平衡釹；大約4至大約20原子百分比的硼；以及具有或沒有雜質(zhì)的平衡鐵。正如這里所使用的，“富含鐠”一詞意味著鐵硼稀土合金的稀土成分包括大于50％的鐠。在本發(fā)明的另一個方面，稀土成分的鐠的百分比至少是70％，并且根據(jù)輕質(zhì)稀土元素在總稀土成分的有效數(shù)量，其比例可以上升到100％。輕質(zhì)稀土元素的有效數(shù)量是在磁化鐵硼稀土合金的總稀土成分中的數(shù)量，其允許所體現(xiàn)的磁化特性等于或大于29MGOe(BH)max和6kOe的本征矯頑磁性(Hci)。除了鐵以外，M可以包括其它元素，諸如但并不限于，鈦，鎳，鉍，鈷，釩，鈮，鉭，鉻，鉬，鎢，錳，鋁，鍺，錫，鋯，鉿及其混合物。因此，永磁體材料最優(yōu)選地包括13-19原子百分比的R，4-20原子百分比的B以及平衡M，其中R包括50原子百分比或更多的鐠，0.1-10原子百分比的鈰、釔和鑭中至少其中一個，以及平衡釹。優(yōu)選地，前驅(qū)體37和永磁體包括形成階梯成像表面的多個塊，如在美國專利No.6,525,634中所公開的，其內(nèi)容在此引入作為參考。
在本發(fā)明的優(yōu)選方面，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)成像系統(tǒng)中的永磁鐵的磁化可以通過在其被磁化后施加反沖脈沖(recoil pulse)而被穩(wěn)定。也就是，具有較小強度和相反方向的第二脈沖在初始脈沖之后被施加到前驅(qū)體上。
在本發(fā)明的優(yōu)選方面，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)磁化所需的能量可以通過在室溫以上磁化前驅(qū)體而被減少。優(yōu)選地，前驅(qū)體37被加熱到室溫以上且在永磁材料的居里溫度以下，諸如40-200℃。
出于示范目的，在這里已經(jīng)對優(yōu)選實施例進行了說明。但是，本說明并不是對發(fā)明的限制。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在不背離本發(fā)明權(quán)利要求所述原理范圍的前提下進行各種修改、改變和替換。
權(quán)利要求
1.一種磁化線圈單元(100)，包括適于磁化永磁前驅(qū)體(37)的卷繞金屬片(3)電磁線圈(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁化線圈單元，其中卷繞的金屬片(3)由銅制成；卷繞銅片(3)的寬度基本上等于電磁線圈(1)的高度；卷繞銅片不包括任何接頭；以及卷繞銅片被扁平包裹。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁化線圈單元，還包括纏繞在卷繞銅片(3)中連續(xù)銅層之間的絕緣層(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁化線圈單元，其中，冷卻劑通過位于卷繞銅片(3)的繞組之間的空間與多孔絕緣層(5)中的至少一個而適于從輸入端口(19)移動到輸出端口(26)，所述多孔絕緣層(5)位于卷繞銅片(3)的繞組之間。
5.一種磁化組件(200)，包括多個磁化線圈單元(100)，每個磁化線圈單元包括處于殼體(11)中的卷繞銅片(3)，該殼體(11)包括位于殼體底部的冷卻劑輸入端口(19)、處于冷卻劑輸入端口中的多個微型通道(21)、位于殼體頂部的冷卻劑輸出端口(26)、以及處于冷卻劑輸出端口中的多個微型通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁化組件，其中，所述多個磁化線圈單元(100)彼此堆疊在一起。
7.一種制造磁化線圈的方法，包括將銅片(3)纏繞成線圈從而形成電磁線圈(1)，所述銅片的寬度等于電磁線圈的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括在銅線圈的繞組之間插入絕緣層(5)。
9.一種制造永磁體(37)的方法，包括用至少一個磁化線圈單元(100)圍繞未磁化或部分磁化的前驅(qū)體(37)，該磁化線圈單元包括卷繞金屬片(3)電磁線圈(1)；以及向所述前驅(qū)體(37)提供脈沖磁場從而形成永磁體(37)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括使用多個磁化線圈單元(100)圍繞多個未磁化或部分磁化的前驅(qū)體(37)，并且同時磁化所述多個前驅(qū)體，其中所述多個前驅(qū)體被連接到磁共振成像系統(tǒng)的軛(39)上，并且所述多個磁化線圈單元(100)被堆疊在彼此的頂部上。
全文摘要
本發(fā)明公開一種磁化線圈單元以及一種制造磁化線圈單元的方法。該線圈包括具有卷繞銅片的電磁線圈，其中銅片的寬度等于電磁線圈的高度。一種磁化組件包括多個磁化線圈單元。
文檔編號G01R33/383GK1604242SQ20041008268
公開日2005年4月6日 申請日期2004年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日
發(fā)明者埃文格洛斯T·拉斯卡里斯, 保羅·S·湯普森, 李亮, 凱瑟琳·M·阿姆, 布倫特·阿克塞爾, 小邁克爾·A·帕爾莫 申請人:通用電氣公司