本發(fā)明涉及磁共振領(lǐng)域，具體的說是一種應(yīng)用于磁共振中的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)。

技術(shù)背景

隨著磁共振成像技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁共振因為其極佳的穩(wěn)定性與均勻度，已經(jīng)逐漸成為磁共振領(lǐng)域發(fā)展的主流，在科學(xué)研究以及其他領(lǐng)域都有著非常廣闊的前景。其中超導(dǎo)主磁體作為超導(dǎo)磁共振主要組成部分，磁場強(qiáng)度和均勻度是衡量其性能的主要指標(biāo)，尤其是磁場均勻度其不但能夠決定磁體性能，而且直接影響圖像信噪比。但是即使磁體設(shè)計計算非常精確，其加工工藝誤差也是難以避免的。在實際中，磁體產(chǎn)生的磁場值會偏離設(shè)計的理想值，為此引入勻場系統(tǒng)就顯得尤為重要，它可以在一定程度上很好地提高磁場均勻度。

勻場系統(tǒng)一般分為常導(dǎo)勻場系統(tǒng)和超導(dǎo)勻場系統(tǒng)兩類。其中常導(dǎo)勻場系統(tǒng)是指在室溫孔內(nèi)安裝勻場線圈，由于需要恒流驅(qū)動且受電流熱效應(yīng)影響，其勻場幅度有限。超導(dǎo)勻場系統(tǒng)指的是在冷屏內(nèi)安裝超導(dǎo)勻場線圈，超導(dǎo)勻場線圈能達(dá)到的均勻度指標(biāo)更高，勻場效果更好。為了保證超導(dǎo)材料的性能，傳統(tǒng)超導(dǎo)勻場線圈和超導(dǎo)主磁體設(shè)計均置于4.2k的液氦區(qū)域內(nèi)，但不可忽略的是，地球氦資源稀少且昂貴。

勻場系統(tǒng)有兩種基本運行模式：電源供電模式與閉環(huán)運行模式。電源供電模式優(yōu)勢在于可以做到頻繁勵磁與退磁，但要求電源波動小，可以均勻調(diào)節(jié)。受制于電源限制，該模式磁場穩(wěn)定性不高，均勻性一般。閉環(huán)運行模式引入超導(dǎo)開關(guān)，在勵磁結(jié)束后撤掉電源，超導(dǎo)開關(guān)與線圈形成回路，線圈處于無損或損耗極其小情況下運行，該模式下可以降低外部信號對系統(tǒng)影響，磁場穩(wěn)定性好，有利于更清晰的磁共振成像。缺點是對超導(dǎo)開關(guān)的性能要求比較高。

由于超導(dǎo)線圈閉環(huán)運行需要性能良好的超導(dǎo)開關(guān)，當(dāng)超導(dǎo)線材的運行參數(shù)超過任意臨界量(臨界溫度、臨界磁場)時，超導(dǎo)線材會發(fā)生失超。基于此，傳統(tǒng)超導(dǎo)開關(guān)分為熱控式與磁控式，熱控式超導(dǎo)開關(guān)熱阻尼弛豫時間較長，限制了關(guān)斷速度的提高；磁控式超導(dǎo)開關(guān)的速度受到提供外磁場的線圈的自感限制，與磁場擴(kuò)散速度及瞬時功率有關(guān)，通過合理的磁控結(jié)構(gòu)能夠提高關(guān)斷速度，但是技術(shù)復(fù)雜，同時磁控超導(dǎo)開關(guān)的整機(jī)的超導(dǎo)材料用量大，且對于磁共振設(shè)備而言，會對主磁場的場強(qiáng)以及均勻度有一定的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)超導(dǎo)磁共振中勻場系統(tǒng)的通斷速度不夠、控制過程不精確、熱影響、關(guān)斷磁場影響等問題，提出一種應(yīng)用于磁共振的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)，以期能提升勻場效果，改善磁場均勻性，同時減少液氦使用量，節(jié)約資源，降低成本。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種應(yīng)用于磁共振的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)，所述磁共振是由制冷機(jī)、超導(dǎo)主線圈、系統(tǒng)外殼、70k冷屏、40k冷屏、20k冷屏、10k冷屏、4.2k冷屏、高溫超導(dǎo)勻場區(qū)和冷源引流槽組成；其特點是，

將所述高溫超導(dǎo)勻場區(qū)設(shè)置在所述70k冷屏中；將所述超導(dǎo)主線圈設(shè)置在4.2k冷屏中，從而實現(xiàn)所述高溫超導(dǎo)勻場區(qū)和超導(dǎo)主線圈的分離放置；

所述高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)包括：高溫超導(dǎo)勻場線圈、開關(guān)控制器、互感線圈、高頻信號發(fā)生器以及由四個超導(dǎo)開關(guān)構(gòu)成的橋式整流電路；所述互感線圈是由互感線圈低溫側(cè)和互感線圈常溫側(cè)組成；

所述高溫超導(dǎo)勻場線圈置于所述高溫超導(dǎo)勻場區(qū)中；并在所述磁共振中設(shè)置工頻交流電源引入端和高頻信號引入端；

所述互感線圈常溫側(cè)通過所述工頻交流電源引入端接入交流電源，并在所述互感線圈低溫側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流輸入到所述橋式整流電路中；

所述高頻信號發(fā)生器接入所述高頻信號引入端中，由所述高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻電流信號輸入至所述開關(guān)控制器，由所述開關(guān)控制器控制所述橋式整流電路中的四個超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，并將所述感應(yīng)電流進(jìn)行整流，從而得到直流電并引入所述高溫超導(dǎo)勻場線圈中，使得所述高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)處于勵磁狀態(tài)；

當(dāng)勵磁結(jié)束后，將所述交流電源斷開，所述橋式整流電路中相對的一組超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，所述高溫超導(dǎo)勻場線圈中的一組或幾組線圈有穩(wěn)恒電流通過并處于閉合回路中，從而使得所述高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)處于閉環(huán)運行狀態(tài)。

本發(fā)明所述的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)的特點也在于：每個超導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)為四層絕緣層和三層導(dǎo)體層組成的約瑟夫森結(jié)；且所述四層絕緣層與三層導(dǎo)體層間隔設(shè)置。

所述開關(guān)控制器是按如下步驟控制所述四個超導(dǎo)開關(guān)組成的橋式整流電路的整流：

步驟1、在所述互感線圈的感應(yīng)電流正半波下，所述開關(guān)控制器將所述高頻電流信號引入所述高溫超導(dǎo)橋式整流電路的第一超導(dǎo)開關(guān)和第三超導(dǎo)開關(guān)中，基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)，使得所述第一超導(dǎo)開關(guān)和第三超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，即一組對向的高溫超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通；

步驟2、在所述互感線圈的感應(yīng)電流負(fù)半波下，所述開關(guān)控制器將所述高頻電流信號引入所述高溫超導(dǎo)橋式整流電路的第二超導(dǎo)開關(guān)和第四超導(dǎo)開關(guān)中，基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)，使得所述第二超導(dǎo)開關(guān)和第四超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，即另一組對向的高溫超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)而實現(xiàn)橋式整流。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)，勻場線圈采用高溫超導(dǎo)材料繞制，工作區(qū)域溫度70k，可以利用液氮冷卻。傳統(tǒng)勻場線圈工作溫區(qū)4.2k，使用液氦冷卻，但是地球上氦資源稀少且昂貴。由于地球上的氮資源是非常豐富的，選用液氮冷卻勻場線圈，可極大地節(jié)約了成本，同時節(jié)省了降溫過程的能量消耗。

2、本發(fā)明高溫超導(dǎo)勻場線圈，放置在系統(tǒng)的70k冷屏中，將傳統(tǒng)低溫設(shè)備中用以絕熱的70k冷屏充分利用，提升了設(shè)備使用效率，同時實現(xiàn)了與超導(dǎo)主磁體分離放置，不占用主磁體線圈所在的液氦區(qū)域，從而減少了液氦使用量，節(jié)約了資源，降低了成本。

3、本發(fā)明高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)，采用互感線圈勵磁的方式，勵磁過程不需要導(dǎo)線連接，避免了有線連接過程中熱量隨導(dǎo)線及其間隙的流失，熱量損失小，有助于維持超導(dǎo)所需的低溫環(huán)境。

4、本發(fā)明高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)所涉及的橋式整流電路是由四個基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)設(shè)計的超導(dǎo)開關(guān)組成，結(jié)構(gòu)新穎，基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)的超導(dǎo)開關(guān)，利用高頻電流信號控制導(dǎo)通，通斷速度極快，在開關(guān)精準(zhǔn)控制方面近似于零誤差，優(yōu)勢明顯。

5、在傳統(tǒng)的熱控式超導(dǎo)開關(guān)中，需要對開關(guān)部分加熱使其關(guān)斷，在超導(dǎo)工作的低溫區(qū)域中，該熱量會產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致液氦、液氮資源的揮發(fā)，而本發(fā)明引入基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)設(shè)計的超導(dǎo)開關(guān)，解決了傳統(tǒng)熱控式超導(dǎo)開關(guān)中的熱量影響低溫區(qū)域問題。

6、在傳統(tǒng)的磁控式超導(dǎo)開關(guān)中，每個超導(dǎo)開關(guān)還需再配置一個小型線圈，工作過程使小線圈通電就會產(chǎn)生磁場，這就會破壞開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，使其關(guān)斷。而且關(guān)斷產(chǎn)生的磁場對磁共振中磁場的均勻度也會產(chǎn)生不利影響。本發(fā)明設(shè)計的引入基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)設(shè)計的超導(dǎo)開關(guān)，解決了傳統(tǒng)磁控式超導(dǎo)開關(guān)中的控制磁場影響總體均勻性問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明的磁共振示意圖；

圖3為本發(fā)明的超導(dǎo)開關(guān)內(nèi)部構(gòu)造圖；

圖4為本發(fā)明的高頻信號輸入示意圖；

圖5為本發(fā)明的工頻交流電源輸入示意圖；

圖中標(biāo)號：1互感線圈低溫側(cè)，2開關(guān)控制器，3高頻信號發(fā)生器，4高溫超導(dǎo)勻場線圈，5第一超導(dǎo)開關(guān)，6第二超導(dǎo)開關(guān)，7第三超導(dǎo)開關(guān)，8第四超導(dǎo)開關(guān)，9互感線圈常溫側(cè)，10制冷機(jī)，11超導(dǎo)主線圈區(qū)，12系統(tǒng)外殼，1370k冷屏，1440k冷屏，1520k冷屏，1610k冷屏，174.2k冷屏，18工頻電源引入端，20高頻信號引入端，21高溫超導(dǎo)勻場區(qū)，22冷源引流槽，23高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，24第一絕緣層，25第一超導(dǎo)層，26第二絕緣層，27第二超導(dǎo)層，28第三絕緣層，29第三超導(dǎo)層，30第四絕緣層，31無金屬外殼層，32工頻交流電源，33普通材質(zhì)外殼層。

具體實施方式

如圖2所示，磁共振是由制冷機(jī)10、超導(dǎo)主線圈區(qū)11、系統(tǒng)外殼12、70k冷屏13、40k冷屏14、20k冷屏15、10k冷屏16、4.2k冷屏17、高溫超導(dǎo)勻場區(qū)21和冷源引流槽22組成；

本實施例中，低溫恒溫器是一種多層防輻射屏與蒸汽冷卻屏相結(jié)合的多屏絕熱結(jié)構(gòu)，其金屬屏與冷蒸發(fā)氣體排出管相連接，利用冷蒸汽蒸發(fā)吸熱從而來冷卻輻射屏，從而提高絕熱效果。低溫恒溫器由內(nèi)到外分別是4.2k冷屏17、10k冷屏16、20k冷屏15、40k冷屏14、70k冷屏13。

制冷機(jī)10用于低溫恒溫器冷屏制冷，并設(shè)置為兩級制冷，分別對4.2k冷屏17與70k13冷屏制冷。第一級制冷連接在4.2k冷屏17，為位于超導(dǎo)主線圈區(qū)11的超導(dǎo)主線圈提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境。由于超導(dǎo)主線圈的工作溫度為4.2k，主要依靠液氦冷卻，通過制冷機(jī)10第一級制冷能夠維持4.2k的低溫，大大降低了液氦資源的消耗，節(jié)約成本。第二級制冷連接在70k冷屏13上，為在該冷屏中工作的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)多組高溫超導(dǎo)勻場線圈4提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境，確保高溫超導(dǎo)勻場線圈4穩(wěn)定的運行。高溫超導(dǎo)勻場線圈4采用高溫超導(dǎo)材料制作，置于70k冷屏13中，而且不占用寶貴的液氦區(qū)域。

通過制冷劑10的二級制冷，不但實現(xiàn)了實現(xiàn)超導(dǎo)高溫超導(dǎo)勻場區(qū)21和超導(dǎo)主線圈區(qū)11的分離放置，而且減少液氦用量，節(jié)約成本。

冷源引流槽22一端連接在4.2k冷屏17所在的液氦區(qū)，當(dāng)液氦揮發(fā)時，通過冷源引流槽22，低溫液氦氣體流經(jīng)溫度依次升高的冷屏區(qū)域，可保證能量的充分利用。

如圖1所示，一種應(yīng)用于磁共振的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)，包括：高溫超導(dǎo)勻場線圈4、開關(guān)控制器2、互感線圈、高頻信號發(fā)生器3以及由四個超導(dǎo)開關(guān)構(gòu)成的橋式整流電路；互感線圈是由互感線圈低溫側(cè)1和互感線圈常溫側(cè)9組成；

高溫超導(dǎo)勻場線圈4置于高溫超導(dǎo)勻場區(qū)21中；并在磁共振中設(shè)置工頻交流電源引入端18和高頻信號引入端20；高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)的具體工作過程分勵磁、閉環(huán)工作兩個環(huán)節(jié)；

勵磁環(huán)節(jié)：互感線圈常溫側(cè)9通過工頻交流電源引入端18接入交流電源，并在互感線圈低溫側(cè)1產(chǎn)生感應(yīng)電流并提供給橋式整流電路中；高頻信號引入端20接入高頻信號發(fā)生器3中，由高頻信號發(fā)生器3產(chǎn)生高頻電流信號輸入至開關(guān)控制器2，由開關(guān)控制器2控制橋式整流電路中的四個超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，并將感應(yīng)電流進(jìn)行整流，從而得到直流電并引入高溫超導(dǎo)勻場線圈4中，使得高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)處于勵磁狀態(tài)；

具體實施中，開關(guān)控制器2是按如下步驟控制四個超導(dǎo)開關(guān)組成的橋式整流電路的整流：

步驟1、在互感線圈的感應(yīng)電流正半波下，開關(guān)控制器2將高頻電流信號引入高溫超導(dǎo)橋式整流電路的第一超導(dǎo)開關(guān)5和第三超導(dǎo)開關(guān)7中，基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)，使得第一超導(dǎo)開關(guān)5和第三超導(dǎo)開關(guān)7導(dǎo)通，即一組對向的高溫超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通；

步驟2、在互感線圈的感應(yīng)電流負(fù)半波下，開關(guān)控制器2將高頻電流信號引入高溫超導(dǎo)橋式整流電路的第二超導(dǎo)開關(guān)6和第四超導(dǎo)開關(guān)8中，基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)，使得第二超導(dǎo)開關(guān)6和第四超導(dǎo)開關(guān)8導(dǎo)通，即另一組對向的高溫超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)而實現(xiàn)橋式整流。

閉環(huán)環(huán)節(jié)：當(dāng)勵磁狀態(tài)結(jié)束后，將交流電源斷開，橋式整流電路中相對的一組超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，高溫超導(dǎo)勻場線圈4中的一組或幾組線圈有穩(wěn)恒電流通過并處于閉合回路中，從而使得高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)處于閉環(huán)運行狀態(tài)。

具體實施中，高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)中高溫超導(dǎo)勻場線圈4是由bi2223氧化物材料繞制而成的。由于高溫超導(dǎo)材料的載流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的超導(dǎo)材料，因此采用高溫超導(dǎo)導(dǎo)線繞制的勻場線圈可以大大地減少磁共振設(shè)備中導(dǎo)線的需求量。同時，超導(dǎo)線圈勵磁之后進(jìn)入閉環(huán)運行模式，無需電源供電，不受電源波動影響，具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性。另外將高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)置于低溫恒溫器中70k冷屏中，不占用主磁體4.2k低溫有限的工作區(qū)域。

每個超導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)為四層絕緣層和三層導(dǎo)體層組成的約瑟夫森結(jié)；且四層絕緣層與三層導(dǎo)體層間隔設(shè)置。超導(dǎo)開關(guān)在通斷速度方面優(yōu)勢明顯，有利于更精確的對整個高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)進(jìn)行控制，而且超導(dǎo)線材用量少，節(jié)約成本。四個超導(dǎo)開關(guān)與高溫超導(dǎo)勻場線圈4、互感線圈的低溫側(cè)1一同置于低溫恒溫器中的70k冷屏中，實現(xiàn)了高溫超導(dǎo)勻場線圈4勵磁環(huán)節(jié)、閉環(huán)工作環(huán)節(jié)的完全內(nèi)置。

導(dǎo)體層是可以采用釔鋇銅氧、鉈鋇鈣銅氧等高溫超導(dǎo)材料制成，絕緣層是可以采用氧化鋁、氧化硅、氧化銻材料制作而成。當(dāng)接入高頻電流信號時，基于約瑟夫森效應(yīng)原理，開關(guān)控制器2控制超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，當(dāng)切掉高頻電流信號時，超導(dǎo)開關(guān)斷開。

如圖3所示，本發(fā)明涉及的超導(dǎo)開關(guān)基于約瑟夫森效應(yīng)，不同于傳統(tǒng)sis型約瑟夫森結(jié)的三層結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了超導(dǎo)層與絕緣層相交替的新型七層結(jié)構(gòu)設(shè)計，對稱排列。具體排布為第一絕緣層24、第一超導(dǎo)層25、第二絕緣層26、第二超導(dǎo)層27、第三絕緣層28、第三超導(dǎo)層29、第四絕緣層30。其中選取第一絕緣層24為氧化釔層，第二絕緣層26和第三絕緣層28均為氧化鋁層28，第四絕緣層30為氧化釔層。由于絕緣層的厚度對開關(guān)效果影響不大，要求可適當(dāng)放寬，故選為取50～100nm。選取第一超導(dǎo)層25為釔鋇銅氧層，第二超導(dǎo)層27為鉈鋇鈣銅氧層，第三超導(dǎo)層29為釔鋇銅氧層，考慮到超導(dǎo)層厚度對開關(guān)效果影響極大，對其厚度具有嚴(yán)格要求，綜合考慮選為1～2nm。

具體實施中，首先在真空環(huán)境中制備七層膜結(jié)構(gòu)，以基板為底，利用脈沖激光沉積法鋪設(shè)超導(dǎo)體層，例如第三超導(dǎo)層29的釔鋇銅氧層。其次運用熱氧法或輝光放電法生成氧化膜，實現(xiàn)絕緣層的鋪設(shè)，最后利用激光脈沖沉積法鋪設(shè)超導(dǎo)體層。以此類推，直到七層膜結(jié)構(gòu)制備完成。另外為了得到設(shè)計的電極圖形、約瑟夫森結(jié)區(qū)以及搭接電極等，需要對七層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次光刻。由于本發(fā)明中高溫超導(dǎo)導(dǎo)線23選用bi2223材料制作，導(dǎo)線外層鍍銀基底，在超導(dǎo)導(dǎo)線與新型超導(dǎo)開關(guān)連接處需將銀基底打磨掉。

如圖4所示，本發(fā)明涉及的超導(dǎo)開關(guān)控制信號是通過感應(yīng)的方式的輸入，高頻信號發(fā)生器3置于系統(tǒng)外層，通過互感線圈將高頻交流信號引入系統(tǒng)內(nèi)側(cè)，同樣為無導(dǎo)線連接。需要注意的是，高頻信號在跨過設(shè)備外殼時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的渦輪效應(yīng)，故該位置設(shè)備外殼需采用無金屬材料，即為無金屬外殼層31，用以消除渦輪的影響。高頻信號引入系統(tǒng)內(nèi)部之后，按照如圖1所述的工作方式，高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)進(jìn)入勵磁環(huán)節(jié)。

如圖5所示，本發(fā)明涉及的高溫超導(dǎo)勻場系統(tǒng)是通過互感線圈將外部電流引入系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)外部設(shè)置工頻交流電源32，互感層為普通材質(zhì)外殼層33。通過互感線圈將交流電引入系統(tǒng)內(nèi)側(cè)的70k冷屏中，高溫超導(dǎo)勻場線圈4及四個超導(dǎo)開關(guān)構(gòu)成的橋式整流電路均置于70k冷屏中。