РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ЯМР-ТОМОГРАФА Российский патент 1997 года по МПК H01F7/20 

Изобретение относится к устройству ЯМР-томографов и используется, преимущественно в медицинской технике.

Известна конструкция для охлаждения магнитов, применяемых в ЯМР-томографии [1] В ней секции электромагнита изготовлены в виде кольцевых дисков, намотанных лентой, на торцевых поверхностях которых наклеено определенное число элементов охлаждения в виде секторов, на поверхность которых припаяны или приварены трубопроводы для хладагента. Наличие трубопроводов охлаждения между дисками, приводит к уменьшению конструктивной плотность тока, что ведет к увеличению габаритов, веса и энергопотребления магнита.

Известна конструкция резистивного электромагнита [2] состоящего из плоско-спиральных секций, намотанных полым проводником, по которому прокачивается охлаждающая жидкость (прототип). Наличие в проводнике полости также приводит к уменьшению конструктивной плотности тока, что вызывает увеличение габаритов магнита, а, следовательно, его веса и энергопотребления.

Техническим результатом изобретения является более высокая конструктивная плотность тока, что ведет к резкому снижению габаритов, веса и энергопотребления магнита.

Технический результат достигается тем, что по первому варианту в резистивном электромагните ЯМР-томографа, содержащем плоско-спиральные секции с системой охлаждения, отличия состоят в том, что секции выполнены разной радиальной толщины и намотаны ленточным проводником, к торцевым поверхностям секций приклеены элементы системы охлаждения в виде по крайней мере одного сектора кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по наружному и внутреннему радиусам которого или по одному из радиусов припаяны или приварены трубопроводы для хладагента, при этом продольная толщина сектора, ширина ленты и радиальная толщина секции связаны соотношением:

где h толщина элемента охлаждения; Н ширина ленты, которой намотаны секции; ΔR радиальная толщина секции (в метрах).

По второму варианту в резистивном электромагните ЯМР-томографа, содержащем плоско-спиральные секции с системой охлаждения, отличия состоят в том, что секции выполнены разной радиальной толщины и намотаны ленточным проводником, к торцевым поверхностям секций, расположенных в центральной части электромагнита, приклеены элементы системы охлаждения в виде по крайней мере одного сектора кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по наружному и внутреннему радиусам которого или по одному из радиусов припаяны или приварены трубопроводы для хладагента, при этом продольная толщина сектора, ширина ленты и радиальная толщина секции связаны соотношением:

где h толщина элемента охлаждения; Н ширина ленты, которой намотаны секции; ΔR радиальная толщина секции (в метрах), а в секциях, расположенных на краю электромагнита, элементы системы охлаждения выполнены в виде трубопроводов для хладагента, приклеенных непосредственно к торцевым поверхностям секций.

На фиг. 1 изображен разрез четвертой части резистивного электромагнита ЯМР-томографа, содержащего плоско-спиральные секции разной радиальной толщины, к торцевым поверхностям которых приклеены элементы системы охлаждения, выполненные в виде секторов кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по наружному и внутреннему радиусам которого припаяны или приварены трубопроводы для хладагента; на фиг.2 разрез четвертой части резистивного электромагнита ЯМР-томографа, содержащего плоско-спиральные секции разной радиальной толщины, к торцевым поверхностям секций, расположенных в центральной части электромагнита, приклеены элементы системы охлаждения, выполненные в виде секторов кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по наружному и внутреннему радиусам которого припаяны или приварены трубопроводы для хладагента, а в секциях, расположенных на краю электромагнита, элементы системы охлаждения выполнены в виде трубопроводов, приклеенных непосредственно к торцевым поверхностям секций; на фиг. 3 в аксонометрии разрез части плоско-спиральной секции, к торцевой поверхности которой приклеены секторы кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по внешнему и внутреннему радиусам которого припаяны или приварены трубопроводы для хладагента; на фиг.4 в аксонометрии разрез части плоско-спиральной секции, к торцевой поверхности которой приклеены секторы кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по внешнему радиусу которого припаян или приварен трубопровод для хладагента; на фиг.5 в аксонометрии разрез плоско-спиральной секции, к торцевой поверхности которой приклеен трубопровод для хладагента.

Резистивный электромагнит ЯМР-томографа устроен следующим образом (фиг. 1). Плоско-спиральные секции 1 намотаны ленточным проводником 2, покрытым слоем электрической изоляции 3. В процессе изготовления на ленту наносят клеящий состав, после полимеризации которого получается монолитная секция, обладающая хорошей теплопроводностью как в осевом, так и радиальном направлениях. К торцевым поверхностям секций 1 приклеены секторы кольцевых дисков 4, по наружному и внутреннему радиусам которых или по одному из радиусов приварены или припаяны трубопроводы для хладагента 5 и 6 (фиг.3, 4) (вариант 1).

По второму варианту резистивный электромагнит ЯМР-томографа устpоен следующим образом (фиг.2). Плоско-спиральные секции 1 намотаны ленточным проводником 2, покрытым слоем электрической изоляции 3. В процессе изготовления на ленту наносят клеящий состав, после полимеризации которого получается монолитная секция, обладающая хорошей теплопроводностью как в осевом, так и радиальном направлениях. К торцевым поверхностям секции 1, расположенным в центральной части электромагнита, приклеены секторы кольцевых дисков 4, по наружному и внутреннему радиусам которых или по одному из радиусов приварены или припаяны трубопроводы для хладагента 5 и 6 (фиг.3, 4). В секциях, расположенных на краю электромагнита, трубопроводы для хладагента 7 приклеены непосредственно к торцевым поверхностям секций (фиг.5).

Секции магнита могут быть приклеены к каркасу 8 и собраны таким образом, что направление намотки в соседних секциях противоположно. Секции соединены электрически последовательно. Трубопроводы охлаждения соединены с секторами кольцевых дисков при помощи сварки или пайки.

Резистивный электромагнит ЯМР-томографа работает следующим образом. В трубопроводы 5, 6, 7 подают жидкость, которая охлаждает секции 1 либо через секторы 4, либо непосредственно через трубопроводы 7. Затем в обмотку заводят электрический ток, который, протекая по проводнику 2, создает магнитное поле.

В резистивных электромагнитах ЯМР-томографов, создающих высокооднородное магнитное поле, оптимальной с точки зрения минимума расходуемой электроэнергии является конфигурация магнита, состоящего из нескольких катушек, причем центральная должна иметь длину порядка диаметра и быть в 2-3 раза тоньше боковых. Кроме того, в резистивных электромагнитах ЯМР-томографов плотность тока в проводнике обычно составляет 2-4 А/мм², что в несколько раз меньше, чем в резистивных электромагнитах, используемых в физических экспериментах. Это делает возможным и целесообразным конструкцию резистивного электромагнита, в котором все катушки выполнены в виде набора секций, намотанных ленточным проводником. В таком электромагните средняя (конструктивная) плотность тока примерно на четверть выше, чем в электромагните, намотанном трубчатым проводником. Однако в секциях, намотанных ленточным проводником, возникает проблема отвода Джоулева тепла. Ее можно решить, приклеив к торцевым поверхностям секций элементы охлаждения в виде секторов кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (например из меди). Это позволяет вывести тепло из центра секций на периферию, а затем снять это тепло при помощи какой-либо жидкости (например воды), протекающей по трубопроводам, находящимся в хорошем тепловом контакте с секторами (например припаянным или приваренным к ним). В такой конструкции электромагнита разность температур между охлаждаемой и неохлаждаемой частями сектора выражается формулой:
ΔT = (ΔR²•ρ•I²•H)/(2•α•h)
где ΔR радиальный размер секции; ρ удельное сопротивление материала ленты; Н ее ширина; J плотность тока в проводнике; a - коэффициент теплопроводности материала сектора кольцевого диска, h его толщина. Из соображений безопасности медицинской техники DT не может превышать 5-10^oC.

В таблице приведены данные зависимости ΔT от J, ΔR,h при Н 25 мм.

Из таблицы видно, что при радиально размере секции 6 см возникает проблема съема тепла даже при J 3 A/мм² в случае размещения трубопроводов охлаждения по наружному и внутреннему радиусам секторов (N 2, данные с скобках (фиг. 3)). При J 2 A/мм² можно обойтись трубопроводами, расположенными по одному, например внешнему радиусу (N 1, без скобок (фиг.4)). В случае, когда радиальный размер секции 12 см, толщина сектора кольцевого диска не может быть меньше 8 мм, а трубопроводы должны располагаться по его наружному и внутреннему радиусам (N 3). В этом случае более целесообразно отводить тепло от секций при помощи трубопроводов, приклеенных непосредственно к их торцевым поверхностям (фиг.5), при этом вес системы охлаждения может быть снижен в несколько раз. Такой способ становится единственно возможным в четвертом случае. Приведенные примеры показывают, что конструкция резистивного электромагнита, состоящего из плоско-спиральных секций, намотанных ленточным проводником, зависит от геометрических размеров секций.

Пример конкретной реализации. На фиг.2 схематически показан разрез четвертой части резистивного магнита ЯМР-томографа всего тела, имеющего следующие размеры: внутренний диаметр центральной катушки 760 мм, ее длина 800 мм, толщина 50 мм, внутренний диаметр боковых катушек 720 мм, длина 200 мм, толщина 120 мм.

Секции 1 намотаны медной лентой 2, соседние витки в которых изолированы полиимидной пленкой 3 и склеены эпоксидной смолой.

К торцевым поверхностям секций в центральной части электромагнита приклеено по восемь секторов кольцевого диска 4, изготовленных из медного листа толщиной 2 мм, по внешнему радиусу которого припаяна медная трубка 5 (фиг.4) размером 8х1 мм.

При рабочей плотности тока 2,5 А/мм² разность температур между охлаждаемой и неохлаждаемой частями сектора 4 составляет 6^oC.

Возможен вариант, когда медные трубки 5,6 припаяны по внешнему и внутреннему радиусам секторов кольцевого диска 4 (фиг.3). В этом случае разность температур между охлаждаемой и неохлаждаемой частями сектора составляет 3^oC.

В секциях, расположенных на краю электромагнита, трубопроводы охлаждения 7 приклеены непосредственно к их торцевым поверхностям. Энергопоторебление такого электромагнита составляет 29 кВт при поле 0,15 Тл.

Использование: в устройстве ЯМР-томографов и используется преимущественно в медицинской технике. Сущность: конструкция резистивного электромагнита ЯМР-томографа, выполненного из набора плоско-спиральных секций, к торцевым поверхностям которых приклеены элементы охлаждения в виде по крайней мере одного сектора кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности по наружному и внутреннему радиусам которого или по одному из радиусов припаяны или приварены трубопроводы для хладагента. В некоторых случаях в секциях, расположенных по краю электромагнита, трубопроводы для хладагента приклеиваются непосредственно к торцевым поверхностям секций. 2 с.п. ф-лы. 5 ил.

1. Резистивный электромагнит ЯМР-томографа, содержащий плоскоспиральные секции с системой охлаждения, отличающийся тем, что секции выполнены разной радиальной толщины и намотаны ленточным проводником, к торцевым поверхностям секций приклеены элементы системы охлаждения, выполненные в виде по крайней мере одного сектора кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по наружному и внутреннему радиусам которого или по одному из радиусов приварены или припаяны трубопроводы для хладагента, при этом продольная толщина сектора, ширина ленты и радиальная толщина секции связаны соотношением

где h толщина элемента охлаждения;
H ширина ленты, из которой намотаны секции;
ΔR радиальная толщина секции, м. 2. Резистивный электромагнит ЯМР-томографа, содержащий плоскоспиральные секции с системой охлаждения, отличающийся тем, что секции выполнены разной радиальной толщины и намотаны ленточным проводником, к торцевым поверхностям секций, расположенных в центральной части электромагнита, приклеены элементы системы охлаждения, выполненные в виде по крайней мере одного сектора кольцевого диска из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, по наружному и внутреннему радиусам которого или по одному из радиусов припаяны или приварены трубопроводы для хладагента, при этом продольная толщина сектора, ширина ленты и радиальная толщина секции связаны соотношением

где h толщина элемента охлаждения;
H ширина ленты, из которой намотаны секции;
ΔR радиальная толщина секции, м,
а в секциях, расположенных по краям электромагнита, элементы системы охлаждения выполнены в виде трубопроводов для хладагента, приклеенных непосредственно к торцевым поверхностям секций.