1.5T-A1型MRI超导磁体的研制
2011-01-20刘艳江陈浩树耿俊彦魏晓涛罗日安
刘艳江，汪 汀，陈浩树，耿俊彦，魏晓涛，罗日安，宫 博
(中国舰船研究院，北京 100192)
1.5T-A1型MRI超导磁体的研制
刘艳江，汪 汀，陈浩树，耿俊彦，魏晓涛，罗日安，宫 博
(中国舰船研究院，北京 100192)
介绍了一种1.5T-A1型MRI超导磁体的研制工作情况，提出了MRI超导磁体研制中的创新点、关键技术、测试技术的应用和样机首轮测试结果。对开展同类型超导磁体的研制具有借鉴和指导作用。
MRI;超导磁体
0 引言
超导磁体产业的应用主要在4个方面:超导核磁共振成像装置(MRI)、超导核磁共振谱仪(NMR)、实验研究及仪器用超导磁体和超导磁分选装置。而超导核磁共振成像装置无疑是该领域的领先者。目前，全世界已成功运行的超导磁共振成像装置超过了1万台。今后在MRI超导磁体领域的市场竞争主要是高性能、低成本的竞争。要想在竞争中取得优势，立于不败之地，作为超导磁体研制生产厂家，简单的仿制已无前景，应研制开发具有独立知识产权、综合性能优良、制造和运行成本低廉的MRI超导磁体。
1 开展MRI超导磁体研制的背景
MRI超导磁体系统是磁共振医疗成像仪器核心部件，可提供高清晰度、高分辨率的人体各断层图像，用于人体内各种疾病的诊断。开展医用核磁共振(MRI)超导磁体的研制工作是基于以下几方面的需求和中国舰船研究院七环机械电子工程公司在超导磁体、低温杜瓦结构研制开发、加工制造方面的技术储备。
1)医疗诊断方面的需求
诊断医生将以利用核磁共振(MRI)成像方法准确地诊断各种疾病作为追求的目标;同时，对人体特殊部位的功能成像也是MRI医生感兴趣的方面。
2)MRI成像系统整机研制开发的需求
国内多家医疗器械生产商希望研制开发MRI整机系统，但苦于超导磁体系统受到国外专业生产厂家(GE、牛津、飞利浦和西门子等)的垄断和控制，从而阻碍了MRI整机系统国产化的进度，超导磁体已成为MRI整机系统开发的瓶颈。目前，国内产业界对MRI成像系统用超导磁体的需求日益强烈与迫切。
3)市场对MRI成像系统的需求
据业内人士预计，按国内目前经济发展水平和未来发展趋势，我国医用MRI的市场需求将以每年40%的增幅持续增长。
4)国内超导磁体技术、低温技术已有了稳固的基础
经过近40年的技术积累，国内在超导磁体技术、低温技术，以及在低温超导磁体工程结构的制造方面，积累了丰富的经验，奠定了坚实的技术基础。
近年来，中国舰船研究院致力于低温超导磁体结构的研制开发工作。2004年，在国家大科学工程—北京正负电子对撞机二期改造工程项目中，中国舰船研究院承担完成了BESⅢ超导磁体低温恒温容器和超导磁体线圈骨架结构的研制工作任务;2005～2007年，中国舰船研究院与美国WANG NMR公司联合生产了国内第一台1.5T MRI超导磁体，并完成全部磁体整体真空测试和各温度层的低温测试工作，技术指标满足设计技术要求。在此基础上，于2007年8月开始了具有自主知识产权的国内首台低成本、创新型MRI超导磁体的研制开发工作(见表1)。
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2 1.5T-A1型MRI超导磁体的主要技术指标和组成部分
2.1 磁体的总体技术指标
1)室温孔径φ902 mm，中心磁场强度1.5 T，工作电流260 A;
2)磁场的空间均匀度:超导磁体本体的均匀度＜100 ppm@50 cm DSV;加被动匀场措施后的均匀度＜4 ppm@50 cm DSV;加主动匀场措施后的均匀度＜0.5 ppm@30 cm DSV;
3)磁场的时间稳定度＜0.1 ppm/h;
4)磁场外形尺寸φ1820 mm，长1600 mm，局部高出411 mm(包括制冷机在内);
5)5 Gs线:轴向≈7 m，径向≈5 m;
6)选用日本住友公司1.5 W@4k制冷机，在制冷机正常运转情况下，液氦补充周期≈6年;
7)抗外界震动能力:垂直向下1.5 g，其余方向0.5g;
8)杜瓦容器真空度保持时间＞10年;
9)磁体总重量＜12 t。
2.2 磁体的组成部分
磁场产生系统:6个主磁场线圈，超导开关，超导接头;
低温绝热容器:4.2 K低温杜瓦，40 K辐射屏，300 K真空容器(大厚度铁屏结构);
电源:直流，电流0～500 A，电压0～10 V;
磁场均匀度补偿设施:无源匀场;
附件:制冷机，可拔式电流引线，紧急退磁开关盒，液位计，冷水机组。
3 磁体设计的创新点
磁体设计的指导思想是低成本，少液氦，低挥发及多功能。
低成本是指采用大厚度铁屏结构替代磁体的反场绕组，从而减少磁体超导线用量;同时，尽量减小结构尺寸和结构材料的用量，采用装配式线圈结构，降低制造成本。
少液氦是指缩小氦腔结构尺寸，减少液氦用量。氦腔容积比同类型磁体小近1/3。
低挥发是指直接采用4 K制冷机。使氦腔内的气相氦通过制冷机二级冷头凝结成液体氦，回流至氦腔内。从而减少液氦挥发量，降低磁体的运行成本。
多功能是指该型磁体主要用于医用MRI超导磁体诊断系统，同时，通过适当的改造，配合相应的分选机构后，还可用于超导磁分选系统等。
4 磁体研制的关键技术
MRI超导磁体的研制涉及多学科、多专业方面的知识和工艺技术，是承制单位综合技术实力的反映。在1.5T-A1型MRI超导磁体的研制过程中，通过大量工艺试验，成功解决了以下超导磁体制造中的相关技术难题。
1)超导线圈绕组的绕制和超导线圈的组装加工技术;
2)超导开关的制作技术;
3)超导接头的制作技术;
4)电流引线系统的加工制造技术;
5)制冷机冷头传热连接的真空密封焊技术;
6)超导磁体总体装配和精度控制技术;
7)超导磁体低温恒温器的加工制造技术。
4.1 超导线圈的绕制
超导线圈绕组的绕制是磁体研制过程中的关键。为保证线圈绕组的顺利绕制，自行设计制造了超导线圈绕制系统。该系统由绕线机、线圈骨架装卡工装、放线架、定滑轮悬挂装置、导向滑轮支架和线轴装卸、锁紧装置等组成。
该系统可分别对绕线、退线和停车时导线上所受的拉力进行设定，保证超导线在恒定张力下进行绕制;同时，具有拉力过载自动停车装置，保证超导线在绕制过程中免受损伤，从而确保线圈绕组的绕制质量如图1所示。
图1 超导线圈绕组的绕制Fig.1 Twist of superconducting coil
4.2 超导开关的制作
超导开关由超导开关线和加热丝叠加绕制而成，由于超导开关线圈为无感线圈，每层线圈绕制时采用双绕(即2股开关线并绕)的工艺。制作完成的超导开关经低温测试，其开、闭环性能优良，符合设计要求。
4.3 超导接头的制作
超导接头的制作是超导磁体研制过程中的一个重要环节，接头制作质量的好坏直接影响着磁体性能，甚至关系到研制工作的成败。接头的制作工艺多种多样，有冷压焊、模具浇注和压接加低温钎焊等;接头连接材料也是各不相同，有铜、铟和铌－钛合金等。
通过工艺试验，摸索出一套完整的超导接头的加工制作工艺。运用铌－钛合金，通过冷压接工艺制作完成。接头样品通过了低温考核。
4.4 电流引线系统的加工
通过工艺试验，成功地解决了电流引线内、外插座与超导线，超导线与载流铜条的软钎焊连接和插头与插座的可靠耦合问题，实测电流引线插头与插座的耦合电阻为0.442～0.445 mΩ，满足磁体运行要求。
4.5 制冷机冷头传热连接的真空密封连接
运用铜－钢连接技术［1］，采用TIG熔焊方法，解决了制冷机冷头真空腔中一级冷头耦合传热结构紫铜导热法兰与不锈钢波纹管的真空密封连接问题，确保了结构的传热和安全运行的可靠性，同时也提高了冷头真空腔的使用寿命。
耦合法兰与冷头真空腔连接部位所有密封焊缝的氦质谱检漏漏率≤1 ×10－10Pa·m3/s。
4.6 超导线圈组装、磁体总体装配和精度控制
通过线圈骨架上的支撑调节螺杆和基准刻线，控制超导线圈组装时，绕组的轴向装配精度值可控制在±0.1 mm之内;
通过自行设计、制造的磁体总装工装控制磁体总装时各温度层装配精度。该总装工装可承载数吨的磁体重量，并可使磁体在工装上进行全方位自由地调节。
磁体总装后的精度可达到:各温度层筒体的同心度±2 mm，轴向偏差±2 mm。
4.7 超导磁体低温恒温器的加工
运用常规机械加工技术完成恒温器各温度层的加工成型，其加工精度控制在±2 mm之内。
运用TIG焊接技术，对恒温器各温度层筒体(不锈钢、铝合金、高纯铝等)部件的真空密封焊接，所有密封焊缝的氦质谱检漏率≤1×10－10Pa·m3/s。
5 研制过程中各项测试技术的应用
在整个研制过程中应用各项超导磁体研制、生产中必备的测试技术，对生产过程中的磁体部件和生产过程进行监控，确保各磁体组件及工艺过程符合磁体制造的要求和质量。具体测试技术如下:
1)真空密封焊缝的氦质谱检漏技术;
2)真空容器的真空测试技术;
3)各温度层拉杆的拉力测试技术;
4)超导线圈磁场强度、磁场方向一致性测试技术;
5)磁体制造过程中电控系统的相关电特性测试技术;
6)超导开关、超导接头的低温测试技术;
7)超导磁体液氮、液氦预冷与充装技术;
8)超导磁体的充电励磁测试技术。
6 样机相关性能测试
6.1 超导开关、超导接头的低温(液氦状态下)测试
通过低温测试，考核开关的载流能力、通断特性，确定开关的加热功率。
由于超导接头对于磁体的性能至关重要，同时只能在线制作，考核接头的制作质量只能通过对接头样品的低温测试，确定接头制作工艺的可靠性，然后将通过考核的接头制作工艺用于接头的现场在线制作。
表2为开关制作完成后的低温测试结果。表3为样品接头低温载流能力测试结果。
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在选定工艺条件下制作的Nb-Ti压接超导接头，其载流能力达到300 A，最大载流能力大于350 A。测试过程中，X－Y函数记录仪记录的样品接头升、降流曲线的吻合度良好。样品超导接头满足设计技术要求，冷压接接头制作工艺可用于实际产品的生产。
6.2 氦质谱检漏和真空测试
研究表明，当真空度优于10－3Pa时，热导率趋近恒定值［2］，一般真空夹层的表观真空度要优于10－2Pa，多层绝热才能发挥效果，达到良好的绝热目的［3］。对于1.5T-A1型磁体样机实测的真空容器密封焊缝最大漏率和真空夹层的真空度为:
1)在氦质谱检漏条件下，所有密封焊缝的最大漏率 ＜1×10－10Pa·m3/s;
2)磁体常温条件下的动态真空度达到(1.2～1.3)×10－3Pa。低温状态下的真空度达到(9.2～9.7)×10－5Pa。
由此证明，300 K真空腔上的所有密封焊缝的焊接质量优良，300 K真空夹层的密封性优良。
6.3 超导磁体液氮、液氦预冷与充装
磁体预冷是指用制冷剂将液氦容器的温度降至其工作温度。预冷初期，容器与制冷剂的温差相当悬殊，磁体的预冷往往需要大量的制冷剂，若采用液氦直接预冷，将消耗大量昂贵的液氦，其成本费用大大增加。通常，先采用液氮预冷，待液氦容器冷至液氮温度(77 K，即－196℃)后，再进行液氦预冷充灌。
图2为样机磁体经液氮预冷后，液氦冷却浸泡时40 K辐射屏温度随时间变化的曲线。由曲线分析可知，随着冷却时间增加，40 K屏的温度逐渐趋于稳定，从40 K辐射屏上测点(1#、3#)温度的绝对值来看，达到了预期的设计目标。另外，2#测点(位于40 K导热法兰)的温度表明，制冷机1级冷头与40 K导热法兰耦合良好，可有效传递来自制冷机1级冷头的冷量。
图2 液氦冷却过程40 K屏温度变化曲线Fig.2 The change of 40 K thermal shield's temperature during cooling
6.4 磁体的充电励磁
图3为磁体总装完成后，首轮充电励磁测试时磁场强度随充电电流变化的曲线。由图3可知，样机首轮充电励磁，磁体的实测磁场强度与理论计算值的吻合度较好，整个充电励磁过程较平稳，磁体经3次老练后，磁场强度达到约14 000 Gs，接近目标磁场强度，说明磁体总体电磁特性良好、稳定。下一轮测试前将对磁体结构进行适当调整，提高线圈骨架抗电磁力干扰的能力，达到磁体的目标磁场强度15 000 Gs是完全可能的。
图3 磁场强度随电流变化的曲线Fig.3 Intensity of magnetic field for different current
7 结语
研制工作完成了1.5T-A1型MRI超导磁体样机的试制(见图4)，并通过首轮磁体总体性能的测试，获取了大量且十分具有价值的测试数据;通过样机试制，积累了大量宝贵的超导磁体结构制造经验，对超导磁体制造中的主要问题、关键技术有了深刻、清醒的认识。
对于首轮磁体总体性能测试过程中发现的问题进行了技术分析，找到了问题产生的原因和解决措施，制定完成了下一步的修改、调整技术方案。并对样机结构中的不合理部分进行了相应的修改和处理，为后续工作的开展奠定了坚实的基础。
图4 总装完成的超导磁体Fig.4 The sketch of specimen
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［2］王正兴.高真空多层绝热抽真空工艺研究现状与发展［J］.低温工程，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
刘艳江(1960－)，男，研究员，主要从事船舶结构和材料工程研究。
