陳順中 王秋良 孫萬碩 孫金水 程軍勝

（1.中國科學院電工研究所 北京 100190 2.中國科學院大學 北京 100049）

0 引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是誕生于20 世紀70 年代的一種新型醫(yī)學影像學診斷技術，可獲得所診斷組織的清晰影像，尤其對于心腦血管疾病診斷效果特別突出。MRI 具有無損無創(chuàng)、軟組織對比度高、成像參數(shù)與對比度多、圖像信息豐富等特點，不僅已經(jīng)廣泛應用于解剖學、生理學研究以及臨床疾病診斷，而且還在腦科學、心理學、藥理學、病理學、遺傳發(fā)育等領域的基礎研究中發(fā)揮著不可或缺的作用[1-3]。動物磁共振成像系統(tǒng)是以動物為研究對象，用于生命科學研究、醫(yī)學研究及藥物作用機理研究的MRI 系統(tǒng)。由于大鼠、天竺鼠、小鼠等小動物具有諸多優(yōu)勢，在動物研究中的應用最為廣泛[4]。因此，有必要開發(fā)專門針對這些小動物的磁共振成像系統(tǒng)，為科學研究提供有力工具。

超導磁體系統(tǒng)是MRI 系統(tǒng)核心部件之一，它為MRI 系統(tǒng)提供高均勻度、高強度的主磁場。用于人體的MRI 超導磁體系統(tǒng)溫孔直徑一般大于800 mm，超導磁體系統(tǒng)體積龐大，并且大尺寸的超導線圈需要采用液氦浸泡方式冷卻，導致其造價和維護費用高昂[5]。而動物MRI 系統(tǒng)不需要大口徑的溫孔，超導磁體系統(tǒng)可以實現(xiàn)小型化，較小的超導線圈可以采用制冷機直接冷卻，實現(xiàn)無液氦化。

傳統(tǒng)的超導磁體大多采用液氦浸泡冷卻。由于我國是一個氦資源匱乏的國家，液氦主要依賴進口，導致價格比較昂貴。另一方面，液氦冷卻系統(tǒng)需要專業(yè)的運輸和充灌操作，增加了系統(tǒng)應用的復雜性和運行成本。隨著小型制冷機技術的突破和高溫超導電流引線的發(fā)明，出現(xiàn)了采用制冷機直接冷卻超導磁體的傳導冷卻技術。二十年來傳導冷卻超導磁體技術得到了快速發(fā)展，逐漸取代液氦浸泡冷卻技術成為超導磁體系統(tǒng)應用的熱點。傳導冷卻超導磁體系統(tǒng)展現(xiàn)出體積小、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、方向可調(diào)整、適用性強等優(yōu)勢，以期廣泛應用于核磁共振成像、磁分離、超導儲能、材料加工和空間探測等領域[6-7]。

依靠傳導冷卻技術，本文研制了一臺用于小動物磁共振成像的小型化、低成本的主動屏蔽3 T 超導磁體系統(tǒng)。超導線圈僅靠一臺雙級G-M 制冷機直接從室溫冷卻到工作溫度，無需液氦，不但使運行費用大大降低，而且提高了操作的簡單性和安全性。本文將對詳細的電磁設計、應力分析、失超保護方案，以及低溫設計、建造和測試結(jié)果進行敘述。

1 超導磁體設計與建造

液氦浸泡冷卻的超導磁體溫度可以保持在4.2 K，與之不同，傳導冷卻的超導磁體溫度取決于低溫熱負荷與制冷機二級冷頭的制冷量在某個溫度點達到平衡。因此，傳導冷卻的超導磁體溫度可能會高于4.2 K。為了提高超導磁體的穩(wěn)定性，本文在電磁設計時會適當提高超導磁體的電流安全裕度，從而提高超導磁體的最低分流溫度。

1.1 電磁設計

本文的電磁優(yōu)化設計采用一種結(jié)合線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃的混合優(yōu)化設計方法[8-9]。共分兩步：第一步，先通過線性規(guī)劃算法可以快速計算出滿足磁場約束條件的電流分布圖；第二步再通過非線性規(guī)劃算法將電流分布圖中非零電流簇離散成矩形截面的螺線管線圈，并搜索到同時滿足磁場、電磁應力及電流安全裕度等約束條件下超導線用量最少的超導磁體結(jié)構(gòu)。最終的超導磁體設計參數(shù)見表1。

表1 3 T 動物磁共振成像超導磁體設計參數(shù)Tab.1 The design parameters of 3 T superconducting magnet for animal MRI

3 T 超導磁體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。3 T 超導磁體由8 個同軸NbTi 螺管線圈（1～8 號）組成，線圈1 號、2 號、3 號、7 號與6 號、5 號、4 號、8號沿軸向?qū)ΨQ放置且結(jié)構(gòu)相同。內(nèi)層的 6 個線圈（1～6 號）為主線圈通以正向電流在直徑φ330 mm的溫孔內(nèi)產(chǎn)生所需磁場；外層的2 個線圈（7 號、8號）為屏蔽線圈，通反向電流產(chǎn)生反向磁場抵消主線圈向外的漏磁場。6 個主線圈繞制在同一個鋁合金骨架上，兩個屏蔽線圈繞制在另一個鋁合金骨架上。8 個線圈在電路上串聯(lián)連接采用單一電源供電，所有線圈流通相同的工作電流110 A。

圖1 3 T 超導磁體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of the 3 T superconducting magnet

為了方便采購和繞制工作，主線圈（1～6 號）被設計成采用同一種規(guī)格的NbTi/Cu 線材繞制，其直徑為φ0.80 mm，銅超比為2；屏蔽線圈（7 號、8號）采用尺寸為 1.28 mm×0.83 mm、銅超比為10的矩形截面NbTi/Cu 線材繞制。整個超導磁體的總電感為103 H，滿場運行時對應的總儲能為0.62 MJ。圖2 為3 T 超導磁體的磁場分布。當所有線圈流通工作電流110 A 時，磁體系統(tǒng)中心磁場為3 T。在直徑φ180 mm 的球形區(qū)域（Diameter of Spherical Volume,DSV）內(nèi)的磁場峰-峰值不均勻度（Hp2p）小于12×10-4%。超導磁體外圍5GS 雜散場被限制在軸向（z）1.8 m，徑向（r）1.2 m 的橢球區(qū)域內(nèi)。所有線圈內(nèi)部的最大磁場、對應的電流安全裕度（4.2 K，Bmax）及失超分流溫度見表2。通過比較可以得出，超導磁體整體的電流安全裕度為65.4 %，分流溫度為6.25 K，溫度裕度（相對于4.2 K）為2.05 K，可以看出3 T 超導磁體電磁設計上留有較大安全運行余量。

圖2 3 T 超導磁體磁場分布Fig.2 Magnetic field distribution of the 3 T superconducting magnet

表2 3 T 動物磁共振成像超導磁體臨界參數(shù)Tab.2 The critical parameters of 3 T superconducting magnet for animal MRI

電磁應力分布情況是判定超導磁體安全性能的另一重要指標。為了保證磁體的安全性，電磁應力需限制在150 MPa 以下。在柱坐標下電磁應力可分解為徑向電磁應力、軸向電磁應力及環(huán)向電磁應力（hoop stress），其中徑向和軸向電磁應力要比環(huán)向電磁應力小得多，一般設計時只用考慮環(huán)向電磁應力（hoop stress）。本文采用平均模型計算線圈內(nèi)部的電磁應力，將組成線圈的不同材料的力學特性進行平均化即得到平均模型的力學特性。圖3 顯示了3 T 超導磁體各個線圈內(nèi)部的環(huán)向應力（hoop stress）分布情況?？梢钥闯龀瑢Т朋w最大的電磁應力為40.9 MPa，位于3 號和4 號線圈中。3 T 超導磁體的最大電磁應力大大低于可允許的臨界值再次說明了電磁設計是安全可行的。

圖3 3 T 超導磁體內(nèi)部環(huán)向應力分布Fig.3 Hoop stress distribution in the 3 T superconducting magnet

1.2 失超保護設計

超導磁體在運行中可能會出現(xiàn)超導線微滑動、填充材料破裂及低溫環(huán)境破壞等擾動而發(fā)生失超。失超會在超導線圈內(nèi)部產(chǎn)生高溫、高電壓及高應力，導致超導磁體損壞。失超保護是超導磁體安全運行的重要保障，也是超導磁體設計的重要內(nèi)容[10-11]。

本文采用一種包含了分段和失超加速策略的被動失超保護方法來避免失超對超導磁體的損害。詳細的被動失超保護電路如圖4 所示。分段保護是為了將超導磁體儲能進行分組，能有效限制熱點溫升和峰值電壓?？紤]到超導磁體失超過程中會與超導磁體外圍的冷屏之間產(chǎn)生很強的耦合電磁力作用；如果磁場不對稱就會使冷屏上的電磁力合力不為零，產(chǎn)生不平衡力，不平衡的電磁力會使冷屏結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；因此超導磁體中對稱的線圈必須放置在同一分段中使流通電流相同，保證了磁場在失超過程中保持對稱。3 T 超導磁體的8 個線圈被分為3 段，1 號和6 號線圈為第一段，2 號、3 號、4 號和5 號線圈為第二段，7 號和8 號線圈為第三段。每段線圈兩端并聯(lián)背靠背二極管對和限流電阻作為分流回路。

圖4 3 T 超導磁體失超保護Fig.4 Quench protection circuit for the 3 T superconducting magnet

失超一般起始于某個超導線圈中很小的區(qū)域，然后開始向周邊傳播。對于NbTi 線圈，其環(huán)向（沿導線方向）失超傳播速度可達10～100 m/s，意味著在很短時間內(nèi)失超就能從一點傳遍整個超導線圈。3 T 超導磁體的8 個線圈沿軸向分離排布，線圈之間沒有直接的熱接觸，失超無法直接傳播過去。依靠線圈間的鋁合金骨架導熱來觸發(fā)其他線圈失超的速度非常慢。為了加快失超在線圈之間的傳播，減少有害的熱量集中，必須采用輔助的失超加速策略。本文將在每個超導線圈的外表面粘貼加熱片來快速觸發(fā)未失超的線圈提前失超，加速失超在線圈間的傳播。加熱片采用無磁不銹鋼帶，一去一回兩匝，長度與每個線圈的軸長相同。通過優(yōu)化設計，不銹鋼帶尺寸選取為寬度10 mm，厚度0.2 mm。每個超導線圈外表面各粘貼三組加熱片，8 個線圈的加熱片各取一組分別串聯(lián)到三個分段回路中。通過分段回路中的分流電流給加熱片提供能量，使加熱片發(fā)熱升溫觸發(fā)相應的線圈失超。

失超過程的數(shù)值仿真是優(yōu)化失超保護電路參數(shù)和評價失超保護方案性能的重要手段。本文采用自編的失超模擬程序計算失超過程中失超區(qū)電阻、線圈電流、線圈電壓、應力等參量的變化。該失超模擬程序基于最早由M.N.Wilson 提出的絕熱連續(xù)體失超橢球傳播模型[12]。失超橢球傳播模型認為失超起始于線圈內(nèi)某一點，失超區(qū)以不同的傳播速度vr、vz、vl沿徑向、軸向和縱向（導線方向）傳播。在柱坐標系下，失超傳播的前沿界面即失超區(qū)的邊界看作是一個橢球面，橢球的中心為失超的起始點，t時刻線圈內(nèi)的失超橢球面的方程[13]可寫為

式中，（r0,z0,φ0）為失超起始點柱坐標，由于線圈是軸對稱的，可以認為φ0為0；vr、vz、vl分別為沿徑向、軸向和縱向（導線方向）失超傳播速度；δt為時間步長。

到現(xiàn)在為止，已有多個解析模型被提出用來推導失超傳播速度的簡潔計算公式。本文采用由C.N.Whetstone 和C.E.Roos 推導出的超導線沿縱向（導線方向）失超傳播速度表達式[14-15]，具體公式為

式中，J為超導線圈的運行電流密度；L為Lorentz系數(shù)；Tb、T0分別為超導線轉(zhuǎn)變溫度和運行溫度；γ C為超導線體積比熱容。

式（2）中的轉(zhuǎn)變溫度Tb表達式為

式中，Tc為超導線的臨界溫度；Tcs為超導線的分流溫度。

失超沿垂直于導線方向的徑向和軸向傳播合稱橫向失超傳播。橫向失超傳播速度可采用式（4）進行計算。

式中，γ Cav.met為超導線圈中金屬部分的平均體積比熱容；γ Cav.coil為超導線圈的平均體積比熱容；kt為橫向熱導率；kl為縱向熱導率。

在超導線圈內(nèi)，沿徑向和軸向的熱導率kt是不同的，因此徑向失超傳播速度vr和軸向失超傳播速度vz是不同的。根據(jù)失超區(qū)的體積即可計算出線圈的電阻值，然后即可計算出線圈電流的變化，最終求解出電壓、線圈溫度、磁場及電磁應力等參量。

假設失超最先出現(xiàn)在1 號線圈內(nèi)，失超過程中的熱點溫升、線圈端電壓及應力的仿真結(jié)果如圖5所示。1 號線圈發(fā)生失超后0.8 s，其他線圈即被加熱片觸發(fā)失超。最大的電壓大約為1 600 V，出現(xiàn)在1 號和6 號線圈兩端；最大的熱點溫升發(fā)生在1 號線圈內(nèi)部，為80 K，遠低于安全閾值（一般認為最大溫升需低于200 K）；峰值電磁應力約為42.7 MPa，出現(xiàn)在3 號和4 號線圈內(nèi)，同樣遠低于臨界值。失超數(shù)值模擬結(jié)果驗證了本文采取的被動失超保護方案是安全可行的。

圖5 失超模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results during the quench

1.3 超導磁體建造

對于傳導冷卻超導磁體技術，超導線圈與制冷機二級冷頭之間必須有很強的熱連接。為了加強熱傳導，3 T 超導磁體的線圈骨架將采用鋁合金6061-T6 材料制成，鋁合金6061-T6 優(yōu)點是密度輕、有較強的機械強度并且在低溫區(qū)保持了相當高的熱導率；另外，鋁合金6061-T6 的電阻率比銅高得多，大大降低了在超導磁體勵磁過程中的渦流發(fā)熱。3 T超導磁體的主線圈和屏蔽線圈分別繞在兩個獨立的骨架上，主線圈骨架壁厚為 6 mm，屏蔽線圈骨架壁厚為 8 mm。所有線圈繞制完成后，采用兩塊鋁合金6061-T6 定位端板將兩個骨架連接固定成一個整體。

超導線圈的繞制采用一種“濕繞”工藝，即一邊繞制超導線，一邊在每層超導線上涂刷環(huán)氧樹脂填充超導線之間的縫隙[16]。3 T 超導磁體的所有線圈都使用了一種國產(chǎn)環(huán)氧樹脂DW-3。為了提高超導線匝間和層間的熱導率，本文在環(huán)氧樹脂中按質(zhì)量比2∶1 添加AlN 粉末。在繞制超導線之前，線圈骨架表面被噴涂上 0.2 mm 的聚四氟乙烯（簡寫PTFE）絕緣層以提高骨架與線圈之間的耐壓強度。為了增大線圈內(nèi)的徑向壓應力，使超導線排列的更加緊密，需要繞線時在超導線上施加一個預張力。根據(jù)理論分析和實際工程經(jīng)驗[17]，主線圈超導線上施加50 N 的預張力，屏蔽線圈超導線上施加100 N的預張力。每個線圈繞制設計的超導線層數(shù)后，在線圈的外表面沿軸向粘貼加熱片，加熱片與超導線之間插入0.2 mm 厚的kapton 聚酰亞胺薄膜以增加絕緣強度。每個線圈的3 組加熱片沿線圈周向相隔120°分布。安裝完加熱片后，再在線圈外表面用浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃絲帶纏繞出2 mm 厚的絕熱層。線圈的最外面纏繞4 層直徑φ1.0 mm 的黃銅絲作為綁扎層，以降低線圈內(nèi)部的應力水平。

1.4 超導開關

3 T 超導磁體工作在持續(xù)模式（persistence mode），需要在超導磁體兩端并聯(lián)一個超導開關實現(xiàn)閉環(huán)運行。在傳導冷卻技術中，超導開關的設計需要滿足下列兩個要求：①超導開關閉合（超導狀態(tài)）時，超導開關與超導磁體之間的溫差盡可能地小，一般要求溫差小于0.5 K；②超導開關打開（電阻狀態(tài)）時，超導開關向超導磁體的傳熱盡可能地小。

超導開關結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示，傳導冷卻超導開關的核心是超導無感線圈，是采用NbTi/CuNi超導線雙繞而成的電感幾乎為零的線圈，高電阻率的CuNi 基體使得超導開關在失超時具有很高的阻抗。超導無感線圈的兩根引出線通過超導接頭與超導磁體的兩端連接。超導開關放置在屏蔽線圈骨架的中間低磁場區(qū)域，通過一根黃銅支撐桿同骨架連接，支撐桿起支撐和導熱作用。

圖6 超導開關結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Configuration of superconducting switch

加熱絲線圈不通電加熱時，超導開關的熱負荷大約為0.005 W（主要為輻射熱和測量線導熱），需要通過黃銅支撐桿將熱負荷傳導到屏蔽骨架上。本文采用的支撐桿截面積為200 mm2，長度50 mm，根據(jù)下面熱傳導公式可計算出超導開關比屏蔽骨架的溫度高0.35 K。熱傳導公式為

式中，Pc為傳導熱負荷；k為熱導率；A為截面積；T為溫度；l為長度。

加熱絲線圈通電加熱時，超導開關溫度將會升至10 K 以上，超導無感線圈處于正常電阻態(tài)。在超導開關內(nèi)部安裝一個溫度探頭，然后根據(jù)測量的溫度值對加熱絲線圈通電實行閉環(huán)控制，將超導開關溫度控制在10～11 K 之間，以減少超導開關向超導磁體的傳熱。根據(jù)式（5）可計算出超導開關向超導磁體的傳熱約為0.2 W。勵磁時，超導磁體的感應電壓會同時施加在超導開關超導無感線圈兩端，產(chǎn)生熱量。加熱絲線圈與超導無感線圈產(chǎn)生的熱量之和不能超過支撐桿的傳熱量。本文的超導磁體最大勵磁速率為0.02 A/s，最大感應電壓即為2.06 V，超導無感線圈的電阻值理論上需要大于 21 Ω 才能保證超導開關的溫度不會超過11 K。本文的超導開關按正常態(tài)21 Ω 電阻值進行設計和繞制。

2 低溫與熱負荷分析

2.1 低溫系統(tǒng)

3 T 超導磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。整個低溫系統(tǒng)包括真空杜瓦、冷屏、GM 制冷機、懸吊拉桿及導冷帶等。真空杜瓦長804 mm，直徑為φ960 mm，由316 不銹鋼材料制成。真空杜瓦中間用于成像區(qū)域的室溫孔直徑為φ330 mm。在超導磁體和真空杜瓦之間設置了輻射屏（冷屏）以截斷室溫向超導磁體的輻射熱，冷屏采用鋁合金1100 以減輕系統(tǒng)質(zhì)量。冷屏的外表面包括由鍍鋁薄膜和滌綸網(wǎng)交疊的多層絕熱層來減少冷屏上的輻射熱。超導磁體和冷屏分別采用8 根跑道型環(huán)氧玻璃鋼材料的拉桿懸吊在真空杜瓦上。磁體拉桿的中部通過一個熱沉連接到冷屏上以減少室溫向磁體的傳導熱。

圖7 3 T 超導磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Configuration of the 3 T superconducting magnet system

超導磁體的冷卻采用一臺日本住友生產(chǎn)的G-M制冷機RDK-415D，制冷機帶有兩級冷頭，其一級冷頭在40 K 時制冷量33 W，二級冷頭在4.2 K 時制冷量1.5 W。為了節(jié)省空間和美觀，制冷機倒立放置在真空杜瓦的下端，一級冷頭與冷屏連接對冷屏進行冷卻，二級冷頭通過高純銅導冷帶與超導磁體連接將超導磁體冷卻到工作溫區(qū)。外界電源通過一對復合引線對超導磁體進行供電，復合引線由一段銅引線和一段管狀高溫超導體Bi2223 組成。銅引線一端固定在真空杜瓦上，一端固定在一級冷頭上；高溫超導體一端焊接在銅引線上，另一端固定在二級冷頭上并同超導磁體引出線連接。

2.2 熱負荷分析

低溫系統(tǒng)的熱負荷決定了超導磁體被制冷機冷卻的最終溫度。通過熱負荷分析來評價單臺制冷機的制冷功率是否充足，低溫系統(tǒng)設計是否合理。低溫系統(tǒng)的熱負荷包括靜態(tài)熱負荷和動態(tài)熱負荷。靜態(tài)熱負荷為超導磁體穩(wěn)態(tài)運行時的熱負荷，主要是傳導熱和輻射熱。傳導熱可以根據(jù)式（5）進行計算。在超導磁體和冷屏表面都覆蓋有多層絕熱來減少輻射漏熱，而多層絕熱結(jié)構(gòu)的傳熱過程分析非常復雜，一般工程上采用經(jīng)驗公式進行計算。從真空杜瓦到冷屏的輻射熱計算經(jīng)驗公式為

式中，ξ為安全系數(shù)，傳導冷卻取5～8；N為多層絕熱層數(shù)；σ為斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；A1為冷屏表面積；A2為包圍冷屏的真空杜瓦表面積；α為多層絕熱未覆蓋率；Th、Tl分別為真空杜瓦和冷屏的溫度；P為剩余氣體壓強；ε1、ε2分別為不銹鋼和鋁合金的發(fā)射率。

從冷屏到超導磁體的輻射熱的經(jīng)驗計算公式為

式中，A為超導磁體表面積。

動態(tài)熱負荷為超導磁體勵磁或退磁過程中產(chǎn)生的熱量，包括超導線上的交流損耗（主要包括磁滯損耗和耦合損耗）、骨架上的渦流損耗及超導開關傳熱。超導開關傳熱在1.4 節(jié)介紹過，大約為0.2 W。超導線交流損耗體積密度計算公式[18-19]為

式中，asc為超導絲的半徑；Jc為超導線的臨界電流密度；J為超導線的運行電流密度；B為超導線外界的磁場；ρm為超導線金屬基體的電阻率；λ為超導體占整個超導線的體積比；lp超導絲的扭矩。

骨架上的渦流損耗計算公式為

式中，M為骨架與超導線圈的互感；dI/dt為勵磁或退磁速度；Rf為骨架電阻。

3 T 動物成像超導磁體系統(tǒng)熱負荷詳細計算結(jié)果見表3。其中，一級熱負荷為41.34 W，根據(jù)廠家測試的制冷機負載曲線可推算出一級冷頭溫度在47 K 左右，冷屏平均溫度在60 K 左右。二級靜態(tài)熱負荷為1.08 W，對應的二級冷頭溫度在3.8 K。計算可得導冷帶（截面積為1 800 mm2，平均長度大約600 mm）上的溫度差為0.7 K，超導磁體的平均溫度將在4.5 K 左右。二級動態(tài)熱負荷為0.29 W，在超導磁體勵磁過程中，二級冷頭溫度還將上升達到4.1 K，超導磁體溫度上升到4.8 K。通過對低溫系統(tǒng)熱負荷的分析，可以看出傳導冷卻低溫系統(tǒng)完全能滿足電磁設計對溫度的需求。

表3 低溫系統(tǒng)熱負荷Tab.3 Thermal load of the cryostat（單位: W）

3 實驗測試

3 T 動物成像超導磁體系統(tǒng)建造完成后相繼對低溫系統(tǒng)和超導磁體進行了性能測試。首先抽取真空杜瓦內(nèi)的氣體，當真空度低于0.1 Pa 時，開啟制冷機進行冷卻。整個冷卻過程如圖 8 所示，大約180 h 制冷機就將冷重為413 kg 的超導磁體從室溫冷卻到工作溫度。由于低溫冷凝作用真空杜瓦內(nèi)的真空度達到3×10-5Pa。穩(wěn)態(tài)時一級冷頭溫度測量值為50 K，冷屏遠端（冷屏上距離一級冷頭最遠的位置，理論上溫度最高）的溫度為65 K?？梢钥闯鰧嶋H的一級冷頭溫度比理論計算值高3 K，這可能是理論計算值誤差或者制冷機性能偏差造成的，結(jié)果在可允許的范圍內(nèi)。穩(wěn)態(tài)時二級冷頭溫度測量值為4.0 K，與理論計算值相比誤差約為5.26 %。超導磁體溫度最低點在主線圈中部為4.7 K，最高點在屏蔽線圈端部為5.0 K，超導磁體溫度的不均勻是由內(nèi)部熱連接不充分和輻射熱都施加在屏蔽線圈上造成的。超導磁體關鍵點的溫度測量值說明低溫系統(tǒng)達到了超導磁體正常運行的條件。

圖8 超導磁體系統(tǒng)冷卻過程Fig.8 Cooling process of the superconducting magnet system

利用一臺120 A 量程的電流源以0.02 A/s 的電流變化率給超導磁體勵磁。在勵磁過程中，超導磁體的溫度大約上升了0.3 K。超導磁體經(jīng)歷了5 次鍛煉失超，失超時的電流分別為 94、98、101、103及104 A。數(shù)次失超結(jié)果顯示失超保護系統(tǒng)能有效保護超導磁體的安全。失超后，超導磁體的溫度會上升40 K 左右，制冷機大約需要花費35 h 將超導磁體溫度再次冷卻下來。最后，超導磁體成功被勵磁到110 A，并實現(xiàn)超導開關閉環(huán)運行。溫孔中心磁感應強度值采用磁共振探頭測量為3.001 3 T。

直徑φ180 mm 的DSV 表面實測磁場分布如圖9所示。根據(jù)實測磁場分布可知，目標DSV 磁場峰-峰值不均勻度（Hp2p）約為1.33×10-2%，比設計值高出一個量級。這是由于機械加工誤差、裝配誤差、繞線誤差及冷縮造成的。利用球諧函數(shù)對目標區(qū)域球面磁場分布進行分析得到低階不均勻諧波分量見表4。

圖9 直徑φ 180 mm 的DSV 表面實測磁場分布Fig.9 Distribution of measured magnetic field on the 180 mm DSV surface

表4 目標區(qū)域表面磁場各階諧波分量Tab.4 Harmonic components of the magnetic field on target area surface

由表4 可以看出，對磁場均勻度影響較大的諧波分量主要來源于諧波X和諧波Y分量。后期本文將采用被動勻場的方式將所需DSV 磁場峰-峰值不均勻度降到1×10-4%以下，滿足MRI 系統(tǒng)對主磁場均勻度的要求。

目前，市場上主流磁共振磁體廠商生產(chǎn)的主要產(chǎn)品包括1.5 T MRI 超導磁體和3.0 T MRI 超導磁體，冷卻方式主要采用液氦浸泡冷卻。勻場前，這些磁共振超導磁體產(chǎn)品在直徑φ450 mm 的DSV 內(nèi)磁場峰-峰值不均勻度（Hp2p）一般在0.01 %～0.06 %之間。就目標區(qū)域磁場不均勻度而言，本文研制的3 T 動物成像超導磁體達到了市場上主流磁共振超導磁體產(chǎn)品的最高水平。

4 結(jié)論

本文采用傳導冷卻技術研制了一臺用于小動物磁共振成像的小型化、低成本的主動屏蔽3 T 超導磁體系統(tǒng)。文中詳細介紹了超導磁體系統(tǒng)的電磁設計、應力分析、失超保護設計，低溫設計、建造及測試結(jié)果。傳導冷卻低溫系統(tǒng)僅用一臺G-M 制冷機就將超導磁體冷卻到工作溫度。超導磁體經(jīng)歷了5次失超而未損壞驗證了本文設計的失超保護方案的可靠性。最終超導磁體運行電流達到110 A 并實現(xiàn)了閉環(huán)持續(xù)模式運行，中心磁場測量值為3.001 3 T，所需DSV 磁場峰-峰值不均勻度為1.33×10-2%。實驗測試結(jié)果表明3 T 超導磁體系統(tǒng)達到了設計目標。