磁通泵在超导磁共振磁体中的应用研究

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高温超导材料已经发展了数十年,由于其有相较于低温超导体更高的临界温度,在实际应用中,有着低温结构简单、运营成本低等显著优势,高温超导材料已逐渐商业化并进入实用阶段。在超导核磁共振系统中使用高温超导磁体线圈就是一个很好的选择。然而,由于高温超导体自身存在n指数较低的固有性质,并且高温超导接头一直难以实现,使得其很难长时间工作在闭环持续电流模式下,在大规模应用中受到制约。在磁共振磁体励磁阶段,常规采用电流引线的供电方式不可避免地存在着向低温系统漏热的缺点。磁通泵作为一种新型的磁体供电方式,可以取代电流引线对超导磁共振磁体供电,弥补由于高温超导n指数小和非超导接头电阻产生的电流损失。本论文结合国内外磁通泵最新研究进展,针对脉冲式磁通泵展开进一步研究,通过使用磁通泵实现用一个相对较小的直流电压源对超导磁体励磁大电流,并维持磁体线圈中电流和磁场的稳定性。本文详细介绍了高温超导脉冲式磁通泵的结构与工作原理;利用脉冲式磁通泵对不同高温超导带材制成的负载线圈励磁。结构设计方面,在原有磁通泵的基础上进行了优化,增加了用于固定超导泵桥位置的导冷支架,通过对传导冷却低温系统中各处温度的测量和分析,证实导冷支架可有效减少磁极与超导泵桥之间的热传递。实验中制作了 Bi-2223双饼线圈、MgB2线圈和YBCO单匝环,并简单介绍了线圈的绕制和接头处理工艺。采用磁通泵对线圈励磁,研究了输入电压、工作频率、超导泵桥温度等因素对磁通泵的泵浦电流速率和饱和电流的影响。通过对实验数据的拟合估算出了接头电阻的大小,并对纹波进行分析。在超导泵桥温度20 K、输入电压为5 V、工作频率为20 Hz时,磁通泵对电感为76 μH的Bi-2223负载励磁可获得饱和电流200 A;对电感为8 mH的MgB2负载励磁300 s可获得电流0.95 A。在超导泵桥温度55 K、输入电压为6 V、工作频率为20 Hz时,对YBCO单匝环励磁可获得饱和电流156 A。实验中通过磁通泵在小负载线圈上的测试结果类比其在实际MRI系统主磁体上的泵浦性能,分析其在超导磁共振磁体中应用的可行性。测试磁通泵对Bi-2223线圈励磁过程中的泵浦电流及其电流纹波,类比计算表明脉冲式磁通泵满足磁共振磁体的磁场稳定度在ppm量级的要求。由此得出结论,本论文研究的高温超导脉冲式磁通泵可以用作超导磁共振磁体的励磁电源,并对超导磁体进行低纹波电流补偿。
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