КРИОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к устройствам криогенной техники, а именно к низкотемпературным криогенным устройствам, и может быть использована для исследований магнитно-резонансной томографии.
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 стеклотекстолитывыми подвесами на верхней части и четырьмя стеклотекстолитывыми подвесами на нижней части криостата. Охлаждение сверхпроводящего магнита происходит за счет теплопередачи с криорефрижератором. 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 аналогом является устройство криогенной техники на основе безжидкостного охлаждения для магниторезонансного томографа для травматологической диагностики (RU 148963 U1, опубл. 20.12.2014). Низкотемпературная магнитная система содержит криорефрижератор; наружный кожух; сверхпроводящий соленоид; охлаждаемый теплопередачей тепловой 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 сверхпроводящего соленоида сделаны из алюминиевого сплава. Сверхпроводящий соленоид находится в криостате с высоким вакуумом.
Недостатками данной конструкции являются затруднение доступа пациента в рабочую область магнитной системы из-за прямых торцевых крышек; больший теплоприток по нержавеющим трубкам к сверхпроводящему соленоиду с несъемные токовводами; большие габаритные размеры, установка криорефрижератора с мощностью 1,5 Вт.
Настоящее техническое решение направлено на устранение выше названных недостатков.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей технического решения является создание низкотемпературного устройства для исследований магнитно-резонансной томографии с повышенной эффективностью.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в снижении теплопритока к сверхпроводящему соленоиду.
Технический результат достигается тем, что криомагнитное устройство для исследований магнитно-резонансной томографии содержит наружный корпус с разборной горловиной, на поверхности которого выполнены съемные токовводы; двухступенчатый криорефрижератор, расположенный в отдельном вакуумном объеме горловины наружного корпуса; сверхпроводящий соленоид и тепловой экран, изолированные друг от друга и расположенные внутри наружного корпуса, при этом сверхпроводящий соленоид выполнен из двух соосных внутреннего и внешнего каркасов с секционной намоткой, при этом на внутреннем каркасе через проставку закреплен сверхпроводящий ключ, сверхпроводящий соленоид выполнен с возможностью крепления к наружному корпусу посредством шести стеклотекстолитовых подвесов с теплосъемным креплением посередине каждого подвеса, а тепловой экран выполнен с возможностью крепления к наружному корпусу посредством шести стеклотекстолитовых подвесов и с возможностью соединения с теплосъемным креплением посредством теплопровода, тепловой экран связан с теплопроводом, соединенным с фланцем первой ступени, для теплового контакта с первой ступенью криорефрижератора, а сверхпроводящий соленоид выполнен с возможностью теплового контакта со второй ступенью криорефрижератора посредством теплового моста.
Кроме того, горловина смещена относительно вертикальной оси наружного корпуса.
Кроме того, лицевая часть наружного корпуса выполнена в виде обечайки со скругленной торцевой поверхностью.
Кроме того, подвесы теплового экрана и сверхпроводящего соленоида закреплены на верхнем фланце наружного корпуса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 представлен общий вид криомагнитной системы, фронтальный разрез.
На фиг. 2 представлен общий вид криомагнитной системы, вид слева.
На фиг. 3 изображена горловина криомагнитной системы с отдельным вакуумным пространством для криорефрижератора.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 - Лицевая часть наружного корпуса;
2 - Средняя часть наружного корпуса;
3 - Задняя часть наружного корпуса;
4 - Крепежные элементы;
5 - Гнезда для крепления рым-болтов;
6 - Токовводы;
7 - Порты для откачки вакуумной полости и установки вакуумной лампы;
8 - Криорефрижератор;
9 - Верхняя часть вакуумного объема;
10 - Нижняя часть вакуумного объема;
11 - Резиновая прокладка;
12 - Шпильки;
13 - Верхний фланец;
14 - Медный фланец первой ступени;
15 - Медный теплопровод первой ступени;
16 - Верхний фланец;
17 - Гнезда для откачки вакуумного объема;
18 - Выход для слаботочных проводов;
19 - Тепловой экран;
20 - Вторая ступень криорефрижератора;
21 - Тепловой медный мост;
22 - Сверхпроводящий соленоид;
23 - Сверхпроводящий ключ;
24 - Проставка;
25 - Внешний каркас сверхпроводящего соленоида;
26 - Стеклотекстолитовые подвесы
27 - Верхний фланец горловины.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Общий вид заявляемой криомагнитной системы для исследований магнитно-резонансной томографии показан на фигуре 1 (общий вид криомагнитной системы, фронтальный разрез), фигуре 2 (общий вид криомагнитной системы, вид слева), здесь же приведены габаритные размеры.
Криомагнитная система выполнена из нескольких основных частей: наружного корпуса, состоящего из трех функциональных частей, с «тепловым» отверстием магнитной системы при комнатной температуре, обеспечивающим свободный доступ к зоне высокой однородности магнитного поля, при этом продольная ось «теплового» отверстия направлена вдоль магнитного поля, и расположенной сбоку от центра тепловой трубы (см. фиг. 2) горловины наружного кожуха со сформированной в ней шахтой с отдельным вакуумным пространством для криорефрижератора; магнитной системы.
На фигуре 1 изображен общий вид криомагнитной системы для исследований магнитно-резонансной томографии. Наружный корпус выполнен из трех основных элементов:
1) Лицевая часть наружного корпуса 1 (находится слева), выполненная в виде обечайки со скругленной торцевой поверхностью и позволяющая улучшить доступ пациента в область однородного поля магнита. Радиус скругления торцевой поверхности равен 35 мм. Диаметр обечайки равен 650 мм и имеет длину 153 мм, после которой имеется увеличение диаметра до 700 мм. Снизу выполнены крепежные элементы 4, представляющие собой металлические плиты с отверстиями, для установки и закрепления криогенного устройства на раме либо для установки корпуса на фундаменте. Скругление торцевой поверхности ведет к уменьшению диаметра криостата, что повышает удобство расположения пациента при проведении исследований. Например, в рабочей области возможно размещение одной ноги пациента.
2) Средняя часть 2, являющаяся силовой и выполненная в виде фланца диаметром 742 мм и толщиной 10 мм. На фланце закреплены и центрированы сверхпроводящий соленоид и тепловой экран с помощью подвесов.
3) Задняя часть наружного корпуса 3 (находится справа), выполненная в виде обечайки диаметром 700 мм и длиной 300 мм. В боковой части обечайки расположена горловина (центральная продольная ось горловины смещена относительно продольной оси задней части наружного корпуса 3) со сформированной в ней шахтой с отдельным вакуумным пространством для расположения криорефрижератора. Снизу, на поверхности обечайки, выполнены крепежные элементы 4 для установки и закрепления криогенной системы на раме либо, для установки корпуса на фундаменте.
Наружный корпус выполнен с «тепловым» отверстие с диаметром 325 мм, которое проходит через лицевую, среднюю и заднюю части наружного корпуса. Наружный корпус имеет габаритные размеры 1293 мм в высоту и диаметр «бочки» 700 мм.
Все обечайки и полости магнитной системы имеют цилиндрическую форму и расположены коаксиально.
Также в наружном корпусе выполнены гнезда для крепления рым-болтов 5 (фигура 2), что дает возможность перемещать криостат с помощью тали или кран-балки. В средней части присутствует резиновое уплотнение. На обечайке наружного корпуса выполнены стандартные порты 7 с проходным сечением 25 мм для откачки вакуумной полости и установки вакуумной лампы и гнездо для выхода слаботочных проводов.
Для возможности исследований магнитно-резонансной томографии используют магнит, состоящий из сверхпроводящего соленоида 22, выполненного в виде двух соосных деталей, что позволяет уменьшить количество сопрягаемых деталей и повысить точность позиционирования катушек. Конструкция сверхпроводящего соленоида 22 представлена ниже.
Сверхпроводящий соленоид включает внутренний и внешний каркасы, при этом внешний каркас закреплен с помощью болтового соединения соосно на внутреннем каркасе.
Внутренний и внешний каркасы соленоида разделены на секции и выполнены из алюминиевого сплава. В каждой секции намотан сверхпроводящий провод NbTi с разным количеством витков.
Внутренняя катушка является основным источником магнитного поля, а внешняя, экранирующая, катушка служит для уменьшения рассеивания магнитного поля в радиальном направлении. Индукция магнитного поля генерируемого сверхпроводящим соленоидом составляет 1,5 Тл.
Сверхпроводящий ключ 23 (фигура 1) закреплен к поверхности внутреннего каркаса с помощью уголков и шпильки с гайками. Уголки закреплены на внутреннем каркасе с помощью болтов. Сверхпроводящий ключ 23 закреплен на внутреннем каркасе через проставку 24 с правой стороны.
Сверхпроводящий соленоид 22 расположен внутри теплового экрана 19, который используется для уменьшения теплопритока к сверхпроводящему соленоиду 22 из-за излучения в вакуумном пространстве магнитной системы. Тепловой экран 19 и сверхпроводящий соленоид 22 расположены аксиально относительно друг друга и не имеют контакта между собой.
Тепловой экран 19 состоит из внутренней и наружной медных обечаек цилиндрической формы. Обечайки соединены между собой торцевыми медными крышками с помощью пайки. Для снижения коэффициента теплового излучения внешние поверхности теплового экрана покрыты многослойной экранно-вакуумной изоляцией.
Тепловой экран 19 и сверхпроводящий соленоид 22 закреплены разными подвесами для того, чтобы уменьшить тепловую нагрузку на сверхпроводящий соленоид 22 к наружному корпусу. Количество подвесов - шесть - выбрано оптимальным. Большее количество подвесов улучшит прочность конструкции, но и теплоприток будет выше. Меньшее количество подвесов снизит теплоприток, но и конструкция станет менее устойчивой.
Верхний фланец 16 является несущим элементом для сверхпроводящего соленоида и теплового экрана. Верхний фланец выбран несущим элементом, так как при этом возможно сделать длинные подвесы.
Внутренний каркас сверхпроводящего соленоида 22 закреплен шестью стеклотекстолитовыми подвесами 25 к верхнему фланцу 16 наружного корпуса, по три подвеса в левой и правой частях магнитной системы. Один подвес является несущим элементом, на котором подвешен сверхпроводящий соленоид, и 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.
Стеклотекстолитовые подвесы выбраны с учетом их низкой теплопроводности и высокой прочности, что позволяет повысить производительность системы. Подвесы закреплены на крае сверхпроводящего соленоида и имеют длину 200 мм (более длинный подвес позволяет уменьшить теплоприток).
При этом посередине каждого подвеса расположено теплосъемное крепление, к которому через теплопровод, состоящий из материала с хорошей теплопроводностью (медный жгут), и соединяющий тепловой экран 19 и подвес (на подвесе закреплена медная пластинка, к которой припаивается медный жгут).
Тепловой экран 19, в свою очередь, фиксируется относительно наружного корпуса также с помощью шести стеклотекстолитовых подвесов, которые аналогично центрируют и крепят тепловой экран в пространстве относительно сверхпроводящего соленоида и наружного корпуса.
На обечайке наружного корпуса расположены съемные токовводы 6, выполненные в виде латунных прутков диаметром 5 мм с резьбой на обоих концах прутка. С одной стороны пруток вкручен в специальное гнездо, которое, в свою очередь, соединено посредством ВТСП (высокотемпературного сверхпроводящего материала (YBCO)) со сверхпроводящим ключом. ВТСП выбран для уменьшения теплопритока к сверхпроводящему соленоиду, так как имеет достаточно высокую температуру перехода в нормальное состояние, при этом имея меньшую теплопроводность и габаритные размеры провода в сравнении с медью или серебром. Съемные токовводы позволяют уменьшить теплоприток. Когда ток «заморожен», тогда токовводы извлекаются, и уменьшается теплоприток к тепловому экрану. Съемные токовводы изготовлены из латуни из-за меньшей теплопроводности в сравнении с медью и достаточной электропроводности для решения поставленных задач.
Для обеспечения работы сверхпроводящей магнитной системы используется криорефрижератор, который создает тепловой поток к сверхпроводящему соленоиду 22 и тепловому экрану 19, а также система понижения теплопритоков. Использование криорефрижератора замкнутого цикла в сверхпроводящих магнитных системах в последние несколько лет получили широкое распространение в исследовательских лабораториях благодаря надежности и простоте в эксплуатации. Отсутствие необходимости использования жидкого гелия и азота является их основным преимуществом. Для охлаждения сверхпроводящих магнитов до 4 К применяются коммерчески доступные криогенные рефрижераторы, работающие на циклах сжатия-расширения газообразного гелия Гиффорда - Макмагона или его модификации - "пульсационной трубки" (ПТ) с холодопроизводительностью 1-1.5 Вт при 4.2 K.
На фигуре 3 изображена горловина со сформированной в ней шахтой с отдельным вакуумным пространством для двухступенчатого криорефрижератора 8. Шахта представляет собой обечайку с диаметром 219 мм. Внутри этой обечайки находится ступенчатый вакуумный объем, в который устанавливается криорефрижератор. Ступенчатый вакуумный объем позволяет разделить две ступени криорефрижератора 8. Вакуумный объем состоит из двух частей, в которой верхняя часть 9 имеет диаметр 135 мм, а нижняя 10 диаметр 95 мм. В верхней части горловины установлена резиновая прокладка 11, необходимая для вакуумирования криорефрижератора.
Охлаждение теплового экрана 19 осуществляется за счет механического теплового контакта с первой ступенью криорефрижератора 8. Криорефрижератор 8 притягивается гайками к шпилькам 12 к верхнему фланцу 13 и прижимается к медному фланцу первой ступени 14 и медному теплопроводу первой ступени 15. На верхнем фланце 27 имеются гнезда для откачки вакуумного объема 17 (фигура 1) и выход для слаботочных проводов 18 (фигура 1).
Охлаждение соленоида осуществляется за счет теплопередачи второй ступени криорефрижератора 20 с тепловым медным мостом 21 и каркасом соленоида 22. Узел теплосъема второй ступени показан на фигуре 2. Вторая ступень криорефрижератора 20 прижимается к тепловому медному мосту 21 при затягивании гаек на шпильках 12 на верхнем фланце 27. Механический контакт теплового медного моста 21 осуществляется и с внешним и с внутренним каркасом сверхпроводящего соленоида 22.
Система контакта поверхностей первой и второй ступени криорефрижератора с тепловым экраном 19 и сверхпроводящим соленоидом 22 соответственно, является независимой. Обе ступени прижимаются одновременно к двум плоскостям в горловине наружного корпуса.
Закрепление на верхнем фланце 16 сверхпроводящего соленоида и теплового экрана позволяет уменьшить теплоприток к сверхпроводящему соленоиду.
В связи с тем, что верхний фланец 16 является несущим элементом конструкции, необходимо сместить криорефрижератор от этого элемента конструкции, так как фланец необходимо сделать круглым и прочным. В свою очередь, смещение криорефрижератора позволило уменьшить габаритные размеры, а на лицевой части сделать закругление внешнего кожуха и упростить доступ пациента в рабочую область магнита.
При работе криогенного устройства происходит сначала охлаждение соленоида до температуры ниже 5 K (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.