СВЕРХПРОВОДЯЩЕЕ МАГНИТНОЕ КРИОГЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к устройствам криогенной техники, а именно к низкотемпературным криогенным устройствам, и может быть использована для магниторезонансного томографа при травматологической диагностике.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна магнитная система («Development of Conduction-Cooled Superconducting Magnet for Baby lmaging», Supercond. Sci. Technol. 11 (2009) ISSN 1051-8223 стр. 726-731), содержащая наружный кожух; охлаждаемый тепловой экран; сверхпроводящий соленоид, изолированный от теплового экрана; криорефрижератор, помещенный в шахту рабочей камеры. Сверхпроводящий соленоид поддерживается четырьмя стеклотекстолитовыми подвесами на верхней части и четырьмя стеклотекстолитовыми подвесами на нижней части криостата. Магнит охлаждается только криорефрижератором. Первая ступень криорефрижератора имеет тепловой контакт с радиоактивным экраном, вторая ступень экрана соединена со сверхпроводящим соленоидом. Все компоненты сверхпроводящего соленоида находятся при температуре жидкого гелия и имеют тепловой барьер от комнатной температуры. Тепловая нагрузка на криорефрижератор составляет 26,52 Вт для первой ступени и 0,47 Вт для второй ступени.
Сверхпроводящие каркасы катушек сделаны из алюминиевого сплава 6061-Т6. Катушки находятся в вакуумной камере.
Недостатками данной конструкции являются нахождение криорефрижератора в общей вакуумной полости, что осложняет его замену или ремонт при сервисном обслуживании; большое количество соединений катушек, которые увеличивают процент отказов системы; а также сложность сборки/разборки конструкции.
Наиболее близким по технической сущности является устройство криогенной техники на основе безжидкостного охлаждения для магниторезонансного томографа для травматологической диагностики (RU 148963 U1, опубл. 20.12.2014). Криостат содержит наружный кожух; сверхпроводящий соленоид, охлаждаемый съемный наружный экран, имеющий контакт с первой ступенью криорефрижератора. Сверхпроводящий соленоид с помощью холодопровода соединен со второй ступенью и закреплен в криостате с помощью 8 подвесок-трубок из нержавеющей стали. В известном устройстве токовводы подключены постоянно.Сверхпроводящие каркасы катушек сделаны из алюминиевого сплава. Катушки находятся в вакуумной камере.
Недостатками данной конструкции являются сложность установки криорефрижератора с прижатием двух ступеней одновременно; больший теплоприток по нержавеющим трубкам; большое количество контактирующих поверхностей, которые должны быть изготовлены достаточно гладко, что приводит к большей стоимости изготовления.
Настоящее техническое решение направлено на устранение выше названных недостатков.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей технического решения является создание криогенного устройства для исследований магнитно-резонансной томографии с повышенной эффективностью за счет независимой системы соприкосновения поверхностей ступеней двухступенчатого криорефрижератора, изменения материала трубок и изменения конструкции системы с целью уменьшения количества контактирующих плоскостей.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности системы охлаждения.
Указанный технический результат достигается тем, что магнитная система для магниторезонансного томографа содержит наружный корпус с разборной горловиной; двухступенчатый криорефрижератор, помещенный в горловину наружного корпуса и расположенный в отдельном вакуумном объеме наружного корпуса; тепловой экран, сверхпроводящий соленоид, изолированный от теплового экрана, выполненные с возможностью теплового контакта с первой и второй ступенью криорефрижератора; подвесы для крепления каркаса сверхпроводящего соленоида к наружному корпусу с теплосъемным креплением посередине подвеса, к которому подсоединен теплопровод для соединения с тепловым экраном; сверхпроводящий ключ, выполненный с возможностью крепления к каркасу сверхпроводящего соленоида через проставку. Система дополнительно содержит тепловые мосты, соединяющие вторую ступень криорефрижератора и поверхность каркаса сверхпроводящего соленоида, при этом контакт ступеней криорефрижератора с тепловым экраном и сверхпроводящим соленоидом является независимым; и тепловой экран, и сверхпроводящий соленоид независимо соединены с наружным корпусом посредством шести стеклотекстолитовых подвесов, а сверхпроводящий соленоид выполнен из двух деталей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 представлен общий вид магнитной системы, фронтальный разрез.
На фиг. 2 представлен общий вид магнитной системы, вид слева.
На фиг. 3 изображена горловина сверхпроводящей магнитной системы.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 - Токовводы
2 - Горловина
3 - Криорефрижератор
4 - Шпильки
5 - Медный контактный фланец
6 - Резиновая прокладка
7 - Медный фланец второй ступени
8 - Верхний фланец
9 - Центральная часть наружного корпус магнитной системы
10 - Левый боковой стакан наружного корпуса магнитной системы
11 - Правый боковой стакан наружного корпуса магнитной системы
12 - «Теплая» труба
13 - «Лапы» центральной части корпуса для монтажа магнитной системы
14 - Гнезда для крепления рым-болтов
15 - Порты для откачки вакуумной полости и установки вакуумной лампы
16 - Тепловой экран
17 - Сверхпроводящий ключ
18 - Сильфон
19 - Сверхпроводящий соленоид
20 - Фланец первой ступени
21 - Верхняя часть горловины
22 - Нижняя часть горловины
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Общий вид заявляемой сверхпроводящей магнитной системы для исследований магнитно-резонансной томографии показан на фигуре 1 (общий вид магнитной системы, фронтальный разрез), фигуре 2 (общий вид магнитной системы, вид слева).
Система состоит из нескольких основных частей: наружного корпуса, состоящего из трех функциональных частей с «тепловой» трубой 12 магнитной системы при комнатной температуре, при этом продольная ось «теплой» трубы 12 направлена вдоль магнитного поля, и горловины 2 наружного корпуса со сформированной в ней шахтой с отдельным вакуумным пространством для размещения двухступенчатого криорефрижератора 3 магнитной системы.
Наружный корпус наружные габаритные размеры с высотой 1293 мм и диаметром «бочки» 700 мм. Наружный корпус сверхпроводящей магнитной системы включает три основные функциональные части: центральную часть 9 длиной 300 мм и диаметром 742 мм, два боковых стакана 10 (левая часть) и 11 (правая часть) переменного диаметра, с наружным диаметром 700 мм в большей части и 650 мм в меньшей части стакана.
В правой части 11 находится «теплая» труба 12 длиной 614 мм и внутренним диаметром 325 мм, соединенная с левой частью. Центральная часть корпуса имеет «лапы» 13 для монтажа магнитной системы на раме, либо для установки корпуса на фундаменте.
Все обечайки и полости магнитной системы имеют цилиндрическую форму и расположены коаксиально.
Также в наружном корпусе имеются гнезда для крепления рым-болтов 14 (фигура 2), что дает возможность перемещать криостат с помощью тали или кран-балки. С обоих торцов центральная часть заканчивается фланцами с резиновыми уплотнениями. На обечайке наружного корпуса имеются стандартные порты 15 с проходным сечением 25 мм для откачки вакуумной полости и установки вакуумной лампы, также имеется гнездо для выхода слаботочных проводов.
На обечайке наружного корпуса расположены токовводы 1. Токовводы изготовлены с использованием высокотемпературного сверхпроводящего материала (YBCO).
Для возможности исследований магнитно-резонансной томографии используют сверхпроводящий соленоид 19, выполненный в виде двух деталей, что позволяет уменьшить количество сопрягаемых деталей и повысить точность позиционирования катушек. Каркас экранирующих катушек включает внутренний и внешний каркасы и ставится поверх сверхпроводящего соленоида и крепится к нему болтами. Внутренний и внешний каркасы сверхпроводящего соленоида 19 выполнены из алюминиевого сплава для уменьшения массы.
На внутренний каркас наматывается сверхпроводящий провод NbTi. Внутренняя катушка является основным источником магнитного поля. На внешний каркас катушки, которая является экранирующей катушкой, также наматывается сверхпроводящий провод NbTi. Экранирующая катушка служит для уменьшения рассеивания магнитного поля в радиальном направлении. Индукция магнитного поля генерируемого сверхпроводящим соленоидом составляет 1,5 Тл.
Сверхпроводящий ключ 17 (фигура 1) крепится к внешней поверхности внутреннего каркаса с помощью уголков и шпильки с гайками. Уголки крепятся к внутреннему каркасу с помощью болтов. Сверхпроводящий ключ 17 крепится к каркасу катушки через проставку.
Сверхпроводящий соленоид 19 расположен внутри теплового экрана 16, который используется для уменьшения теплопритока к сверхпроводящему соленоиду 19 из-за излучения в вакуумном пространстве магнитной системы. Тепловой экран и сверхпроводящий соленоид расположены аксиально относительно друг друга и не имеют контакта между собой.
Тепловой экран 16 состоит из внутренней и наружной медных обечаек цилиндрической формы. Обечайки крепятся между собой торцевыми медными крышками с помощью пайки. Для снижения коэффициента теплового излучения внешние поверхности теплового экрана покрыты многослойной экранно-вакуумной изоляцией
Тепловой экран 16 и сверхпроводящий соленоид 19 крепятся разными подвесами для того, чтобы уменьшить тепловую нагрузку на сверхпроводящий соленоид 19 к наружному корпусу. Количество подвесов выбрано оптимальным. Большее количество подвесов улучшит прочность конструкции, но и теплоприток будет выше. Меньшее количество подвесов снизит теплоприток, но и конструкция станет менее устойчивой.
Сверхпроводящий соленоид 19 крепится шестью стеклотекстолитовыми подвесами к верхним фланцам наружного корпуса магнитной системы, по три симметрично расположенных подвеса в левой 10 и правой 11 частях корпуса. При этом первая точка подвеса расположена на поверхности сверхпроводящего соленоида на его вертикальной оси в верхней точке, а две другие точки подвеса расположены на поверхности сверхпроводящего соленоида под углом 120 градусов к ней для устойчивой фиксации сверхпроводящего соленоида к наружному корпусу.
Верхний подвес является несущим элементом, на котором подвешен сверхпроводящий соленоид, остальные подвесы служат для крепления сверхпроводящего соленоида от сдвигов по оси. При этом посередине каждого подвеса имеется теплосъемное крепление, к которому крепится теплопровод, состоящий из материала с хорошей теплопроводностью (медный жгут) и соединяющий тепловой экран 16 и подвес (на подвесе закреплена медная пластинка, к которой припаивается медный жгут). Стеклотекстолитовые подвесы выбраны с учетом их низкой теплопроводностью, что позволяет повысить производительность системы.
Тепловой экран 16, в свою очередь, фиксируется относительно внешнего корпуса наружного корпуса также с помощью шести стеклотекстолитовых подвесов, которые центрируют и крепят тепловой экран в пространстве относительно сверхпроводящего соленоида и наружного корпуса. При этом подвесы расположены по три симметрично относительно вертикальной оси магнитной системы в левой 10 и правой 11 частях корпуса. При этом первая точка подвеса расположена на поверхности экрана на его вертикальной оси в нижней точке, а две другие точки подвеса расположены на поверхности экрана под углом 120 градусов.
Для обеспечения работы сверхпроводящей системы используется криорефрижератор, который создает тепловой поток к сверхпроводящему соленоиду 19 и тепловому экрану 16, а также система понижения теплопритоков.
На фигуре 3 изображена шахта с отдельным вакуумным пространством для криорефрижератора.
Шахта представляет собой обечайку. Внутри этой обечайки находится разборная ступенчатая горловина 2 сверхпроводящей магнитной системы, в которой расположен двухступенчатый криорефрижератор 3, при этом криорефрижератор 3 прижимается независимо первой и второй ступенью к тепловому экрану 16 и каркасам сверхпроводящего соленоида 19 соответственно. Горловина 2 состоит из двух частей, которые позволяют разделить две ступени криорефрижератора 3, при этом верхняя часть 21 имеет диаметр 135 мм, а нижняя 22 - диаметр 95 мм.
В верхней части 21 горловины 2 установлена резиновая прокладка 6, необходимая для вакуумирования криорефрижератора. На верхнем фланце 8 имеются гнезда для вакуумной откачки 15 и выход для слаботочных проводов (см. фиг. 2).
Охлаждение теплового экрана 16 осуществляется за счет теплового контакта с первой ступенью криорефрижератора 3. Узел теплосъема первой ступени состоит из медного контактного фланца 5, контактирующего с первой ступенью криорефрижератора. Криорефрижератор 3 притягивается болтам к горловине 2, фланец первой ступени 20 прижимается к медному контактному фланцу 5 при затягивании четырех шпилек 4 на верхнем фланце 8.
Применение толстого резинового уплотнителя 6 на верхнем фланце позволяет компенсировать возможное небольшое несовпадение в продольных размерах горловины 2 и криорефрижератора 3.
Сверхпроводящий соленоид 19 и сверхпроводящий ключ 17 соединены со второй ступенью криорефрижератора посредством медных тепловых мостов.
В верхней части горловины 2 установлен сильфон 18, необходимый для прижатия второй ступени криорефрижератора 3 и медного контактного фланца 7 второй ступени.
Узел теплосъема второй ступени показан на фигуре 3. Вторая ступень криорефрижератора прижимается к медному контактному фланцу второй ступени 7 при затягивании болтов на верхнем фланце 8. Фланец 7 имеет тепловые медные мосты, которые крепятся с помощью пайки к различным частям сверхпроводящего соленоида 19, которые позволяют равномерно его охладить и снизить градиент температуры по поверхности.
Таким образом, система контакта поверхностей первой и второй ступени криорефрижератора 3 с тепловым экраном 16 и сверхпроводящим соленоидом 19 соответственно, является независимой. Обе ступени прижимаются одновременно к двум плоскостям в горловине 2.
При работе сверхпроводящей системы с безжидкостным охлаждением происходит сначала охлаждение соленоида до температуры ниже 5 К (температура сверхпроводимости для NbTi сплава), после чего в соленоид вводится постоянный ток источником питания. Постоянный ток сначала вводится в сверхпроводящий ключ (сверхпроводящий ключ подключен параллельно соленоиду), предварительно нагретый до состояния, при котором в нем возникает сопротивление (из сверхпроводящего ключа ток перетекает в соленоид). Вводится ток до значения магнитной индукции равной 1,5 Тл. После чего сверхпроводящий ключ «замораживается» (в сверхпроводящем ключе перестает присутствовать сопротивление) и выводится ток (вывод тока происходит из ключа, а в соленоиде он остается). После чего источник питания отключается и отсоединяется. Таким образом, в соленоиде остается «замороженный» ток, который создает магнитное поле без дополнительных источников питания. Сверхпроводящий ключ позволяет завести и заморозить ток, также, при необходимости, можно вывести ток из соленоида.