1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體的研制

劉艷江，汪 汀，陳浩樹，耿俊彥，魏曉濤，羅日安，宮 博

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體的研制

劉艷江，汪 汀，陳浩樹，耿俊彥，魏曉濤，羅日安，宮 博

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

介紹了一種1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體的研制工作情況，提出了MRI超導(dǎo)磁體研制中的創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用和樣機(jī)首輪測(cè)試結(jié)果。對(duì)開展同類型超導(dǎo)磁體的研制具有借鑒和指導(dǎo)作用。

MRI;超導(dǎo)磁體

0 引言

超導(dǎo)磁體產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用主要在4個(gè)方面:超導(dǎo)核磁共振成像裝置(MRI)、超導(dǎo)核磁共振譜儀(NMR)、實(shí)驗(yàn)研究及儀器用超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)磁分選裝置。而超導(dǎo)核磁共振成像裝置無疑是該領(lǐng)域的領(lǐng)先者。目前，全世界已成功運(yùn)行的超導(dǎo)磁共振成像裝置超過了1萬臺(tái)。今后在MRI超導(dǎo)磁體領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主要是高性能、低成本的競(jìng)爭(zhēng)。要想在競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，立于不敗之地，作為超導(dǎo)磁體研制生產(chǎn)廠家，簡(jiǎn)單的仿制已無前景，應(yīng)研制開發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)、綜合性能優(yōu)良、制造和運(yùn)行成本低廉的MRI超導(dǎo)磁體。

1 開展MRI超導(dǎo)磁體研制的背景

MRI超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是磁共振醫(yī)療成像儀器核心部件，可提供高清晰度、高分辨率的人體各斷層圖像，用于人體內(nèi)各種疾病的診斷。開展醫(yī)用核磁共振(MRI)超導(dǎo)磁體的研制工作是基于以下幾方面的需求和中國(guó)艦船研究院七環(huán)機(jī)械電子工程公司在超導(dǎo)磁體、低溫杜瓦結(jié)構(gòu)研制開發(fā)、加工制造方面的技術(shù)儲(chǔ)備。

1)醫(yī)療診斷方面的需求

診斷醫(yī)生將以利用核磁共振(MRI)成像方法準(zhǔn)確地診斷各種疾病作為追求的目標(biāo);同時(shí)，對(duì)人體特殊部位的功能成像也是MRI醫(yī)生感興趣的方面。

2)MRI成像系統(tǒng)整機(jī)研制開發(fā)的需求

國(guó)內(nèi)多家醫(yī)療器械生產(chǎn)商希望研制開發(fā)MRI整機(jī)系統(tǒng)，但苦于超導(dǎo)磁體系統(tǒng)受到國(guó)外專業(yè)生產(chǎn)廠家(GE、牛津、飛利浦和西門子等)的壟斷和控制，從而阻礙了MRI整機(jī)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)度，超導(dǎo)磁體已成為MRI整機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的瓶頸。目前，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界對(duì)MRI成像系統(tǒng)用超導(dǎo)磁體的需求日益強(qiáng)烈與迫切。

3)市場(chǎng)對(duì)MRI成像系統(tǒng)的需求

據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，按國(guó)內(nèi)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和未來發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)醫(yī)用MRI的市場(chǎng)需求將以每年40%的增幅持續(xù)增長(zhǎng)。

4)國(guó)內(nèi)超導(dǎo)磁體技術(shù)、低溫技術(shù)已有了穩(wěn)固的基礎(chǔ)

經(jīng)過近40年的技術(shù)積累，國(guó)內(nèi)在超導(dǎo)磁體技術(shù)、低溫技術(shù)，以及在低溫超導(dǎo)磁體工程結(jié)構(gòu)的制造方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

近年來，中國(guó)艦船研究院致力于低溫超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)的研制開發(fā)工作。2004年，在國(guó)家大科學(xué)工程—北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)二期改造工程項(xiàng)目中，中國(guó)艦船研究院承擔(dān)完成了BESⅢ超導(dǎo)磁體低溫恒溫容器和超導(dǎo)磁體線圈骨架結(jié)構(gòu)的研制工作任務(wù);2005～2007年，中國(guó)艦船研究院與美國(guó)WANG NMR公司聯(lián)合生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)1.5T MRI超導(dǎo)磁體，并完成全部磁體整體真空測(cè)試和各溫度層的低溫測(cè)試工作，技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。在此基礎(chǔ)上，于2007年8月開始了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)低成本、創(chuàng)新型MRI超導(dǎo)磁體的研制開發(fā)工作(見表1)。

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2 1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體的主要技術(shù)指標(biāo)和組成部分

2.1 磁體的總體技術(shù)指標(biāo)

1)室溫孔徑φ902 mm，中心磁場(chǎng)強(qiáng)度1.5 T，工作電流260 A;

2)磁場(chǎng)的空間均勻度:超導(dǎo)磁體本體的均勻度＜100 ppm@50 cm DSV;加被動(dòng)勻場(chǎng)措施后的均勻度＜4 ppm@50 cm DSV;加主動(dòng)勻場(chǎng)措施后的均勻度＜0.5 ppm@30 cm DSV;

3)磁場(chǎng)的時(shí)間穩(wěn)定度＜0.1 ppm/h;

4)磁場(chǎng)外形尺寸φ1820 mm，長(zhǎng)1600 mm，局部高出411 mm(包括制冷機(jī)在內(nèi));

5)5 Gs線:軸向≈7 m，徑向≈5 m;

6)選用日本住友公司1.5 W@4k制冷機(jī)，在制冷機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，液氦補(bǔ)充周期≈6年;

7)抗外界震動(dòng)能力:垂直向下1.5 g，其余方向0.5g;

8)杜瓦容器真空度保持時(shí)間＞10年;

9)磁體總重量＜12 t。

2.2 磁體的組成部分

磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng):6個(gè)主磁場(chǎng)線圈，超導(dǎo)開關(guān)，超導(dǎo)接頭;

低溫絕熱容器:4.2 K低溫杜瓦，40 K輻射屏，300 K真空容器(大厚度鐵屏結(jié)構(gòu));

電源:直流，電流0～500 A，電壓0～10 V;

磁場(chǎng)均勻度補(bǔ)償設(shè)施:無源勻場(chǎng);

附件:制冷機(jī)，可拔式電流引線，緊急退磁開關(guān)盒，液位計(jì)，冷水機(jī)組。

3 磁體設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

磁體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是低成本，少液氦，低揮發(fā)及多功能。

低成本是指采用大厚度鐵屏結(jié)構(gòu)替代磁體的反場(chǎng)繞組，從而減少磁體超導(dǎo)線用量;同時(shí)，盡量減小結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)材料的用量，采用裝配式線圈結(jié)構(gòu)，降低制造成本。

少液氦是指縮小氦腔結(jié)構(gòu)尺寸，減少液氦用量。氦腔容積比同類型磁體小近1/3。

低揮發(fā)是指直接采用4 K制冷機(jī)。使氦腔內(nèi)的氣相氦通過制冷機(jī)二級(jí)冷頭凝結(jié)成液體氦，回流至氦腔內(nèi)。從而減少液氦揮發(fā)量，降低磁體的運(yùn)行成本。

多功能是指該型磁體主要用于醫(yī)用MRI超導(dǎo)磁體診斷系統(tǒng)，同時(shí)，通過適當(dāng)?shù)母脑欤浜舷鄳?yīng)的分選機(jī)構(gòu)后，還可用于超導(dǎo)磁分選系統(tǒng)等。

4 磁體研制的關(guān)鍵技術(shù)

MRI超導(dǎo)磁體的研制涉及多學(xué)科、多專業(yè)方面的知識(shí)和工藝技術(shù)，是承制單位綜合技術(shù)實(shí)力的反映。在1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體的研制過程中，通過大量工藝試驗(yàn)，成功解決了以下超導(dǎo)磁體制造中的相關(guān)技術(shù)難題。

1)超導(dǎo)線圈繞組的繞制和超導(dǎo)線圈的組裝加工技術(shù);

2)超導(dǎo)開關(guān)的制作技術(shù);

3)超導(dǎo)接頭的制作技術(shù);

4)電流引線系統(tǒng)的加工制造技術(shù);

5)制冷機(jī)冷頭傳熱連接的真空密封焊技術(shù);

6)超導(dǎo)磁體總體裝配和精度控制技術(shù);

7)超導(dǎo)磁體低溫恒溫器的加工制造技術(shù)。

4.1 超導(dǎo)線圈的繞制

超導(dǎo)線圈繞組的繞制是磁體研制過程中的關(guān)鍵。為保證線圈繞組的順利繞制，自行設(shè)計(jì)制造了超導(dǎo)線圈繞制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由繞線機(jī)、線圈骨架裝卡工裝、放線架、定滑輪懸掛裝置、導(dǎo)向滑輪支架和線軸裝卸、鎖緊裝置等組成。

該系統(tǒng)可分別對(duì)繞線、退線和停車時(shí)導(dǎo)線上所受的拉力進(jìn)行設(shè)定，保證超導(dǎo)線在恒定張力下進(jìn)行繞制;同時(shí)，具有拉力過載自動(dòng)停車裝置，保證超導(dǎo)線在繞制過程中免受損傷，從而確保線圈繞組的繞制質(zhì)量如圖1所示。

圖1 超導(dǎo)線圈繞組的繞制Fig.1 Twist of superconducting coil

4.2 超導(dǎo)開關(guān)的制作

超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)開關(guān)線和加熱絲疊加繞制而成，由于超導(dǎo)開關(guān)線圈為無感線圈，每層線圈繞制時(shí)采用雙繞(即2股開關(guān)線并繞)的工藝。制作完成的超導(dǎo)開關(guān)經(jīng)低溫測(cè)試，其開、閉環(huán)性能優(yōu)良，符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 超導(dǎo)接頭的制作

超導(dǎo)接頭的制作是超導(dǎo)磁體研制過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，接頭制作質(zhì)量的好壞直接影響著磁體性能，甚至關(guān)系到研制工作的成敗。接頭的制作工藝多種多樣，有冷壓焊、模具澆注和壓接加低溫釬焊等;接頭連接材料也是各不相同，有銅、銦和鈮－鈦合金等。

通過工藝試驗(yàn)，摸索出一套完整的超導(dǎo)接頭的加工制作工藝。運(yùn)用鈮－鈦合金，通過冷壓接工藝制作完成。接頭樣品通過了低溫考核。

4.4 電流引線系統(tǒng)的加工

通過工藝試驗(yàn)，成功地解決了電流引線內(nèi)、外插座與超導(dǎo)線，超導(dǎo)線與載流銅條的軟釬焊連接和插頭與插座的可靠耦合問題，實(shí)測(cè)電流引線插頭與插座的耦合電阻為0.442～0.445 mΩ，滿足磁體運(yùn)行要求。

4.5 制冷機(jī)冷頭傳熱連接的真空密封連接

運(yùn)用銅－鋼連接技術(shù)［1］，采用TIG熔焊方法，解決了制冷機(jī)冷頭真空腔中一級(jí)冷頭耦合傳熱結(jié)構(gòu)紫銅導(dǎo)熱法蘭與不銹鋼波紋管的真空密封連接問題，確保了結(jié)構(gòu)的傳熱和安全運(yùn)行的可靠性，同時(shí)也提高了冷頭真空腔的使用壽命。

耦合法蘭與冷頭真空腔連接部位所有密封焊縫的氦質(zhì)譜檢漏漏率≤1 ×10－10Pa·m3/s。

4.6 超導(dǎo)線圈組裝、磁體總體裝配和精度控制

通過線圈骨架上的支撐調(diào)節(jié)螺桿和基準(zhǔn)刻線，控制超導(dǎo)線圈組裝時(shí)，繞組的軸向裝配精度值可控制在±0.1 mm之內(nèi);

通過自行設(shè)計(jì)、制造的磁體總裝工裝控制磁體總裝時(shí)各溫度層裝配精度。該總裝工裝可承載數(shù)噸的磁體重量，并可使磁體在工裝上進(jìn)行全方位自由地調(diào)節(jié)。

磁體總裝后的精度可達(dá)到:各溫度層筒體的同心度±2 mm，軸向偏差±2 mm。

4.7 超導(dǎo)磁體低溫恒溫器的加工

運(yùn)用常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)完成恒溫器各溫度層的加工成型，其加工精度控制在±2 mm之內(nèi)。

運(yùn)用TIG焊接技術(shù)，對(duì)恒溫器各溫度層筒體(不銹鋼、鋁合金、高純鋁等)部件的真空密封焊接，所有密封焊縫的氦質(zhì)譜檢漏率≤1×10－10Pa·m3/s。

5 研制過程中各項(xiàng)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用

在整個(gè)研制過程中應(yīng)用各項(xiàng)超導(dǎo)磁體研制、生產(chǎn)中必備的測(cè)試技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過程中的磁體部件和生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，確保各磁體組件及工藝過程符合磁體制造的要求和質(zhì)量。具體測(cè)試技術(shù)如下:

1)真空密封焊縫的氦質(zhì)譜檢漏技術(shù);

2)真空容器的真空測(cè)試技術(shù);

3)各溫度層拉桿的拉力測(cè)試技術(shù);

4)超導(dǎo)線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)方向一致性測(cè)試技術(shù);

5)磁體制造過程中電控系統(tǒng)的相關(guān)電特性測(cè)試技術(shù);

6)超導(dǎo)開關(guān)、超導(dǎo)接頭的低溫測(cè)試技術(shù);

7)超導(dǎo)磁體液氮、液氦預(yù)冷與充裝技術(shù);

8)超導(dǎo)磁體的充電勵(lì)磁測(cè)試技術(shù)。

6 樣機(jī)相關(guān)性能測(cè)試

6.1 超導(dǎo)開關(guān)、超導(dǎo)接頭的低溫(液氦狀態(tài)下)測(cè)試

通過低溫測(cè)試，考核開關(guān)的載流能力、通斷特性，確定開關(guān)的加熱功率。

由于超導(dǎo)接頭對(duì)于磁體的性能至關(guān)重要，同時(shí)只能在線制作，考核接頭的制作質(zhì)量只能通過對(duì)接頭樣品的低溫測(cè)試，確定接頭制作工藝的可靠性，然后將通過考核的接頭制作工藝用于接頭的現(xiàn)場(chǎng)在線制作。

表2為開關(guān)制作完成后的低溫測(cè)試結(jié)果。表3為樣品接頭低溫載流能力測(cè)試結(jié)果。

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在選定工藝條件下制作的Nb-Ti壓接超導(dǎo)接頭，其載流能力達(dá)到300 A，最大載流能力大于350 A。測(cè)試過程中，X－Y函數(shù)記錄儀記錄的樣品接頭升、降流曲線的吻合度良好。樣品超導(dǎo)接頭滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，冷壓接接頭制作工藝可用于實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)。

6.2 氦質(zhì)譜檢漏和真空測(cè)試

研究表明，當(dāng)真空度優(yōu)于10－3Pa時(shí)，熱導(dǎo)率趨近恒定值［2］，一般真空夾層的表觀真空度要優(yōu)于10－2Pa，多層絕熱才能發(fā)揮效果，達(dá)到良好的絕熱目的［3］。對(duì)于1.5T-A1型磁體樣機(jī)實(shí)測(cè)的真空容器密封焊縫最大漏率和真空夾層的真空度為:

1)在氦質(zhì)譜檢漏條件下，所有密封焊縫的最大漏率 ＜1×10－10Pa·m3/s;

2)磁體常溫條件下的動(dòng)態(tài)真空度達(dá)到(1.2～1.3)×10－3Pa。低溫狀態(tài)下的真空度達(dá)到(9.2～9.7)×10－5Pa。

由此證明，300 K真空腔上的所有密封焊縫的焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良，300 K真空夾層的密封性優(yōu)良。

6.3 超導(dǎo)磁體液氮、液氦預(yù)冷與充裝

磁體預(yù)冷是指用制冷劑將液氦容器的溫度降至其工作溫度。預(yù)冷初期，容器與制冷劑的溫差相當(dāng)懸殊，磁體的預(yù)冷往往需要大量的制冷劑，若采用液氦直接預(yù)冷，將消耗大量昂貴的液氦，其成本費(fèi)用大大增加。通常，先采用液氮預(yù)冷，待液氦容器冷至液氮溫度(77 K，即－196℃)后，再進(jìn)行液氦預(yù)冷充灌。

圖2為樣機(jī)磁體經(jīng)液氮預(yù)冷后，液氦冷卻浸泡時(shí)40 K輻射屏溫度隨時(shí)間變化的曲線。由曲線分析可知，隨著冷卻時(shí)間增加，40 K屏的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，從40 K輻射屏上測(cè)點(diǎn)(1#、3#)溫度的絕對(duì)值來看，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外，2#測(cè)點(diǎn)(位于40 K導(dǎo)熱法蘭)的溫度表明，制冷機(jī)1級(jí)冷頭與40 K導(dǎo)熱法蘭耦合良好，可有效傳遞來自制冷機(jī)1級(jí)冷頭的冷量。

圖2 液氦冷卻過程40 K屏溫度變化曲線Fig.2 The change of 40 K thermal shield's temperature during cooling

6.4 磁體的充電勵(lì)磁

圖3為磁體總裝完成后，首輪充電勵(lì)磁測(cè)試時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨充電電流變化的曲線。由圖3可知，樣機(jī)首輪充電勵(lì)磁，磁體的實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度與理論計(jì)算值的吻合度較好，整個(gè)充電勵(lì)磁過程較平穩(wěn)，磁體經(jīng)3次老練后，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到約14 000 Gs，接近目標(biāo)磁場(chǎng)強(qiáng)度，說明磁體總體電磁特性良好、穩(wěn)定。下一輪測(cè)試前將對(duì)磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提高線圈骨架抗電磁力干擾的能力，達(dá)到磁體的目標(biāo)磁場(chǎng)強(qiáng)度15 000 Gs是完全可能的。

圖3 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨電流變化的曲線Fig.3 Intensity of magnetic field for different current

7 結(jié)語(yǔ)

研制工作完成了1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體樣機(jī)的試制(見圖4)，并通過首輪磁體總體性能的測(cè)試，獲取了大量且十分具有價(jià)值的測(cè)試數(shù)據(jù);通過樣機(jī)試制，積累了大量寶貴的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)超導(dǎo)磁體制造中的主要問題、關(guān)鍵技術(shù)有了深刻、清醒的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于首輪磁體總體性能測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了技術(shù)分析，找到了問題產(chǎn)生的原因和解決措施，制定完成了下一步的修改、調(diào)整技術(shù)方案。并對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)中的不合理部分進(jìn)行了相應(yīng)的修改和處理，為后續(xù)工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 總裝完成的超導(dǎo)磁體Fig.4 The sketch of specimen

［1］斯重遙，周振豐，等.焊接手冊(cè)第2卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［2］徐烈.低溫絕熱與儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］王正興.高真空多層絕熱抽真空工藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.低溫工程，2008，164(4):47－50.

1.5T-A1 superconducting magnet's development

LIU Yan-jiang，WANG Ting，CHEN Hao-shu，GENG Jun-yan，WEI Xiao-tao，LUO Ri-an，GONG Bo
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

A 1.5T-A1 MRI superconducting magnet is being built.The key technology，application of test technology and the first test result of specimen is mainly discussed in the paper.It might be a guide to the design and build of same type superconducting magnet.

MRI;superconducting magnet

TM26+5

A

1672－7649(2011)06－0108－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.025

2011－05－06

劉艷江(1960－)，男，研究員，主要從事船舶結(jié)構(gòu)和材料工程研究。