4. НИИЭФА Глушаев А.В

1. Технические решения безгелиевой магнитной системы МРТ 1,5 Тл

Докладчики:
Глушаев Алексей Владимирович
Ведущий научный сотрудник - АО «НИИЭФА»
Демихов Евгений Иванович
Научный руководитель - АО «РТЗ»

2. 1. Информация о проекте

Работы выполняются в рамках комплексного проекта
«Создание отечественного конкурентоспособного МРТ 1,5 Тл»
АО «НИИЭФА» выполняет:
Опытно-конструкторскую работу по созданию
магнитной
системы
и
градиентнокорректирующего модуля МРТ 1,5 Тл с
разработкой конструкторской, технологической
и эксплуатационной документации.
Сверхпроводниковая
создает опорное поле
работы МРТ.
магнитная
система
Bo, необходимое для
2

3. 2. Информация о проекте (типы Магнитных систем)

Закрытая (цилиндрическая) конфигурация
со сверхпроводящим соленоидом. Катушки
погружены в жидкий гелий (или находятся
при температуре жидкого гелия, около 4,2 К),
что позволяет создать стабильное
однородное поле, обычно 1 Тл и выше.
Разрабатывает
АО «НИИЭФА»
В
большинстве
сканеров
с
открытым
отверстием используются постоянные магниты
С-образной
или
подковообразной
конфигурации. Они работают при напряженности
поля обычно от 0,064 Тл до 1,0 Тл.
Третья
конструкция
представляет
собой
конфигурацию диполярного электромагнита с
катушками по обе стороны от пациента. Эти
катушки могут быть сверхпроводящими или
резистивными и иметь поле в диапазоне от 0,5
Тл до 1,2 Тл.
3

4. 3. Выбор Магнитной системы для МРТ 1.5 Тл

Основные характеристики Магнитной системы:
Уровень магнитного поля – 1.5 Тл;
Однородность магнитного поля– не более 1.2 ppm в сфере 40 см;
Нестабильность магнитного поля – не более 0.02 ppm/сутки
Диаметр намотки осн.кат – 1050 мм
экр.кат – 1740 мм;
Длинна магнита – 1580 мм;
Тип катушек – сверхпроводниковые;
Рабочая область
Магнита
Модель 9-катушечной системы СП-катушек
АО «НИИЭФА»
Тип экранирования – само-экранирование;
Граница линии безопасности в 5 Гс
-по осям X и Y не более 3 м;
-по оси Z не более 5 м;
4

5. 4. NbTi проводник для МРТ

Два типа проводника
Провод в шине (WIC)
Монолит
Форма
прямоугольная
круглая или прямоугольная
Размер
>1 мм
0.5 мм to 2 мм
Изоляция
Polyester оплётка толщиной 150
мкм; ~500 В
Formvar; 40 мкм; >2000 V
5 : 1 до 20 : 1
0,8 : 1 до 8 : 1
ниже
выше в (1.5-2х)
Соотношение Cu:NbTi
Плотность тока
5

6. 5. Виды охлаждения магнитных систем

Система с нулевым испарением (Zero Boil Off):
Преимущества:
Жидкий гелий обеспечивает стабильную температуру обмотки и, как следствие,
стабильность магнитного поля.
Технология хорошо отработана и имеет многолетний опыт эксплуатации, что даёт
повышенный показатель надёжности.
Эффективная защита от Quench: Жидкий гелий обладает высокой теплоёмкостью и
эффективно поглощает энергию при срыве сверхпроводимости (Quench), защищая
обмотку от повреждений.
Недостатки:
Принцип:
Сверхпроводящая обмотка погружена в криостат,
заполненный жидким гелием, но с применением
технологий для минимизации теплопритока и
реконденсации испарившегося гелия
Первичная заправка требует значительное количество жидкого гелия
Не позволяет устанавливать в удалённых населённых пунктах, где ограничены
поставки гелия.
Предъявляются дополнительные требования к помещению при размещении
аппарата МРТ (вентиляция)
6

7. 6. Виды охлаждения магнитных систем

Замкнутая система охлаждения (охлаждение теплопроводностью):
Преимущества:
Полная независимость от гелия. Исключаются риски, связанные с дефицитом гелия и
колебаниями цен.
Нет необходимости в инфраструктуре для хранения и заправки гелия.
Простота конструкции: Относительно небольшое количество компонентов.
Потенциально меньший вес и габариты: Отсутствие гелиевой ванны позволяет уменьшить
размеры криостата.
Недостатки:
Принцип:
Сверхпроводящая обмотка находится в прямом тепловом
контакте с криорефрижератором через высокоэффективный
теплопроводящий элемент, который поддерживает обмотку
при рабочей температуре
Сложность обеспечения равномерного охлаждения: Тепло отводится только через ограниченное
количество тепловых контактов, что может приводить к неравномерному распределению
температуры по обмотке, особенно в больших магнитах. Это создает риск перегрева отдельных
участков обмотки.
Высокие требования к тепловым контактам: Некачественный тепловой контакт может
значительно снизить эффективность охлаждения и привести к нестабильной работе системы.
Критичность к защите от Quench: Быстрый нагрев обмотки при Quench может привести к ее
перегреву и повреждению из-за ограниченной теплоёмкости теплопроводящих элементов.
Необходимы быстрые и эффективные системы защиты.
Новая и еще не полностью отработанная технология: Существует мало опыта эксплуатации и
мало поставщиков компонентов.
7

8. 7. Виды охлаждения магнитных систем

Замкнутая система охлаждения (Термосифон):
Преимущества:
Нет необходимости в инфраструктуре для хранения и заправки гелия.
Потенциально меньший вес и габариты: Отсутствие гелиевой ванны позволяет
уменьшить размеры криостата.
Циркулирующий Гелий может поглотить больше тепла при quench, чем при охлаждении
теплопроводностью.
Более равномерное охлаждение: Циркулирующий Гелий обеспечивает более равномерное
распределение
температуры
по
обмотке по сравнению с охлаждением
теплопроводностью, но хуже чем ZBO
Недостатки:
Принцип:
Сложность конструкции: Система более сложная, чем ZBO, так как требует замкнутого
контура для циркуляции гелия, а также дополнительных теплообменников.
Начальная стоимость системы выше, чем
теплопроводностью.
Критичность к защите от Quench: Быстрый нагрев обмотки при Quench может привести к
ее перегреву и повреждению из-за ограниченной теплоёмкости теплопроводящих
элементов. Необходимы быстрые и эффективные системы защиты.
Замкнутый контур, содержащий гелий, циркулирует
между сверхпроводящей обмоткой и криорефрижератором
за счёт конвекции, обусловленной разницей плотности
нагретого и охлаждённого гелия
ZBO и
систем на охлаждении
Новая и еще не полностью отработанная технология: Существует мало опыта
эксплуатации и мало поставщиков компонентов
8

9. 8. Магнитная система с Криостатом.

Основные характеристики Криостата и Магнитной системы:
Диаметр «тёплого отверстия» криостата – 930 мм;
Длина Криостата – 1800 мм;
Тип Охлаждения СП-катушек – теплопроводностью;
Использование Криорефрижератора
теплопритоков;
для
компенсации
Тип сверхпроводника – монолит Ø 1.42 мм;
Метод изготовления СП-катушек – промазка компаундом;
Тип тепловой изоляции – экранно-вакуумная;
Модель магнитной системы с ГКМ
АО «НИИЭФА» для Аппарата МРТ 1.5 Тл
9

10. 9. Магнитная система. Обеспечение однородности

экранирующие соленоиды
Карта неоднородности поля в сфере в
сфере радиусом 0.225 м
опорная труба
основные соленоиды
peak-to-peak <0.65 ppm / 0.19 ppm VRMS
10

11. 10. Магнитная система. Обеспечение стабильности. СП-контакты

СП-ключ для режима «Замороженного тока»
Технология изготовления
низкоомных СП-контактов
Внешний вид контакта, смонтированный на плите
охлаждения
11

12. 11. Магнитная система. Конструкция Криостата

Корпус криостата
«Теплоё отверстие»
Стакан подвеса
Место установки
Криорефрижератора
Место установки
Токовводов
Монтажный блок
С крышкой
Внешний вид теплового экрана
Внешний вид Корпуса криостата
12

13. 12. Теплопритоки. Подбор криорефрижератора

Теплопритоки к МС в режиме «замороженного тока»
Теплоприток
Излучение
Подвесы
Медные токовводы
Диагностика
Корпус криорефрижератора
СП-ключи
1st 42W@50 K;
2nd 1.8W @4.2 К
Диаграмма холодопроизводительности
HE-418 (Hynhe)
50 К (1 ступень)
0,825 Вт/м2
0,9 Вт (12 площадок на
тепловом экране)
3,3 Вт – прикладывается к
площадке криокулера
1,5 Вт – прикладывается к
площадке криокулера
9 Вт – прикладывается к
площадке криокулера
-
4 К (2 ступень)
0,03 Вт/м2
0,023 Вт (12 площадок внутри
криостата)
0,1 Вт – прикладывается к
площадке криокулера
0,1 Вт – прикладывается к
площадке криокулера
0,022 Вт – прикладывается к
площадке криокулера
ВТСП токовводы
-
Вихревые токи
10 Вт – прикладывается к
внутреннему цилиндру
корпуса криостата
-
-
0,18 Вт – прикладывается к
площадке криокулера
Трубки предварительного
охлаждения
13

14. 13. Тепловой расчет Магнитной системы

Стационарное распределение температур [К] в режиме «замороженного тока»
Температура Теплового экрана, К
Температура обмоток, К
14

15. 14. Подвесы Магнитной системы

Подвес и схема нагружения
звена подвеса
Всего 8 подвесов и 4 растяжки
Сечение подвеса 2шт×10×4=80 мм2
Напряжения, возникающие в подвесе:
318 МПа < [σ]=1000 МПа
По результатам расчета подвесы
удовлетворяют критериям
статической прочности
15

16. 15. Защита Магнитной системы

Система защиты разбита на 4 секции. Компоновка катушек
по секциям произведена по соображениям минимального
дисбаланса запасаемой в секциях энергии.
Схема включает:
- 9 катушек магнитной системы опорного поля;
- Омические нагреватели, размещенные вблизи катушек
и активируемые напряжением на секциях;
- СП ключи, переводящие магнитную систему в режим
замороженного потока;
- Три группы включенных диодов, предназначенных
для: 1) подключения защитных контуров 2) шунтирования
СП катушек на время активации нагревателей 3) защиты СП
ключа.
Принцип работы: При появлении нормальной зоны (потери сверхпроводимости) в СПобмотках по цепи нагревателей начинает течь ток, который вызывает каскадный процесс
разогрева СП-обмоток без локальных перегревов.
16

17. 16. Испытания модельных катушек. Выбор метода пропитки.

Испытания заключались в
заведении тока с постоянной
скоростью в модели соленоидов
до перехода в нормальное
состояние.
Также производилась
«тренировка» модели путем
нескольких завединий до
перехода в нормальное
состояние.
Оба варианта конструкции достигли расчетных значений
критического тока без «тренировки».
Выбран метод «Промазки», поскольку данный метод
позволяет снизить капитальные затраты при серийном
производстве Магнитов
Испытательный стенд в АО «НИИЭФА»
17

18. 17. Криогенный испытательный стенд.

Крышка Криостата с
криорефрижератором и
токовводами
Монтаж испытательной
Сборки с СП- ключем
В криостат
Подготовка СП-ключа
к испытаниям
18

19. Спасибо за внимание

Глушаев Алексей Владимирович
АО «НИИЭФА»
19