[发明专利]一种降低高场超导磁体线圈应力的方法

说明书

本发明公开了一种降低高场超导磁体线圈应力的方法，在不改变线圈阶次的情况下，将难以满足应力需求的线圈进行拆分并进行电磁场优化，通过有限元分析方法进行应力的分析优化，最终达到线圈的电磁场和应力均满足设计需求，将电磁场设计目标和影响产品实现的高风险因素即轴向应力共同纳入优化设计过程，对高场MRI超导磁体设计起到了指导性作用。

技术领域：

本发明涉及MRI技术领域，尤其涉及一种降低高场超导磁体线圈应力的方法。

背景技术：

MRI（磁共振成像，英文全称是：Magnetic Resonance Imaging）技术是当前最重要的先进医疗诊断技术之一，MRI系统结构复杂，由多个核心部件组成，超导磁体是MRI系统的最核心部件，提供MRI成像所需的高均匀度成像区主磁场B0。目前在全球只有少数几家全面掌握超导磁体核心技术，涉及超导技术、电磁技术、低温及复合材料技术等，其技术难度和复杂性相当高。

随着MRI技术的发展，分辨率和成像速度越来越高，背景磁场也越来越强。在临床应用上，主流系统为1.5Tesla和3.0Tesla MRI。更高磁场的7Tesla系统正在进入临床，随之而来的对超导磁体的挑战也越来越大。

众所周知，实现超导磁体最大的挑战是失超问题。失超通常由局部磁体线圈的机械储能瞬间释放引起，其温度超过超导的临界温度，局部超导体变为常导体。而由常导体导电发热使得高温区迅速扩散，从而引发整个磁体失超。失超过程是不可逆的，所有的电磁储能将由液氦挥发带走，会带来很大的经济损失，甚至磁体没法达到目标场强而报废。如何控制磁体线圈的机械储能实现高场超导磁体的关键是如何控制线圈的应力，本发明的核心贡献在于提供一种降低高场超导磁体线圈应力的方法。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种降低高场超导磁体线圈应力的方法。

本发明的一种降低高场超导磁体线圈应力的方法，包括以下步骤：

A、进行磁体参数定义：首先根据成像区及杂散场的大小来选择相应的磁体尺寸，包括磁体的内径、外径和长度；

B、对超导线圈进行电磁优化设计：将成像区的 DSV 磁场用球谐函数描述为：

（式1），

其中，a_nm，b_nm为球谐函数展开系数，

r,θ,∅为球坐标系中任意点的坐标，

P_nm为勒让德多项式系数，

通过式1求解磁场，得到基于harmonic系数表达的磁场，通过该系数计算出磁场的均匀度和杂散场，设定目标函数进行磁场的优化，使电磁场数据满足设计需求；

C、对超导线圈进行应力优化分析：电磁设计满足后，优化设计相应支撑结构，计算线圈的电磁应力，电磁应力通过有限元方法求解位移φ的轴对称双调和函数可得：

（式2），

其中（式3），可得到方程的解为：

（式4）；

（式5）；

（式6）；

其中，所得结果式4为径向应力表达式，式5为周向应力表达式，式6为轴向应力表达式，线圈的电磁应力在圆柱坐标系下分解为径向应力、轴向应力和周向应力，一般径向应力比较小，周向应力通过在线圈上加预张力的方法进行控制，轴向应力采用优化切分方法进行有效控制，使超导线圈电磁应力满足应力设计标准；

D、分析有限元方法求解得到的电磁应力结果，其结果若不满足线圈设计的应力标准，则进行步骤E，若满足仅进入步骤F；