Сверхпроводящие коммутаторы для управления магнитной системой МРТ 1,5 Тл
Ключевые слова:
МРТ 1,5 Тл, сверхпроводящий коммутатор, СП-ключ, безгелиевое охлаждение, оптимизация
Аннотация
Современный уровень развития технологий в мире позволяет создавать сверхпроводящие (СП) магнитные системы с безгелиевой системой охлаждения, которая не требует доливки жидкого гелия в течение всего времени эксплуатации. В России разрабатывается магнитно-резонансный томограф (МРТ) с магнитной системой на 1,5 Тл, которая работает в вакууме в условиях безгелиевого охлаждения. В статье представлена конструкция сверхпроводящего коммутатора-ключа (СП-ключа) для управления магнитной системой МРТ при вводе/выводе тока. СП-ключ, как и вся магнитная система, работает в условиях безгелиевого охлаждения. Для оптимизации конструкции СП-ключа и исследования его нестационарных режимов работы разработана численная модель на основе метода конечных элементов, решающая нестационарное уравнение теплопроводности. Рассмотрено два режима работы СП-ключа: стандартный ввод (или вывод) тока и быстрый вывод тока. Представлены изменения температуры обмотки ключа при его работе. Приведены рассчитанные методом конечных элементов механические напряжения, возникающие в захоложенном СП-ключе. Приведены изготовленные экспериментальные образцы СП-ключа, которые отвечают техническим требованиям к магнитной системе МРТ 1,5 Тл.
Литература
1. Johnstone A. et al. Development of a 1.5 Tesla Whole-Body MRI Magnet with a Very Low Helium Inventory. – 25th International Conference on Magnet Technology, 2017.
2. Wang Y. et al. Design, Construction and Performance Testing of a 1.5 T Cryogen-Free Low-Temperature Superconductor Whole-Body MRI Magnet. – Superconductor Science and Technology, 2023, vol. 36, DOI: 10.1088/1361-6668/acb467.
3. Bagdinov A. et al. Performance Test of 1.5 T Cryogen-Free Orthopedic MRI Magnet. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2017.2784402.
4. Baig T. et al. Conceptual Designs of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0 T Full Body MRI Systems. – Superconductor Science and Technology, 2017, vol. 30, DOI: 10.1088/1361-6668/aa609b.
5. Высоцкий В.С. и др. Исследования сверхпроводящих ключей перемычек. – Труды ФИАН, 1980, т. 121, c. 76–82.
6. Высоцкий В.С., Карасик В.Р., Конюхов А.А. Критические токи и тепловые свойства сверхпроводящих ключей-перемычек. – Труды ФИАН, 1984, т. 150, c. 57–70.
7. Vysotsky V.S. et al. Persistent Mode Switches and Automatic Power Supplies for Autonomous Superconducting Magnets. – Advances in Cryogenic Engineering, 1996, vol. 41, pp. 1077–1086, DOI: 10.1007/978-1-4613-0373-2_137.
8. Уилсон М.Н. Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1986, 405 с.
9. Dorri B., Laskaris E. Persistent Superconducting Switch for Cryogen-Free MR Magnets. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 5, No. 2, pp. 177–180, DOI: 10.1109/77.402518.
10. Wang Q. et al. Conduction-cooled Superconducting Magnet with Persistent Current Switch for Gyrotron Application. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 2237-2240, DOI: 10.1109/TASC.2010.2081965.
11. Design and Development of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0T Full Body MRI Systems [Электрон. ресурс], URL: 2LO3-06_Matt_Rindfleisch_Room_1.pdf - Yandex Documents (дата обращения 14.02.2025).
12. Абдюханов И.М. и др. Композитные технические сверхпроводники. – Атомная энергия, 2015, т. 119, вып.5, с. 260–265.
13. Potanina L.V. et al. Recent Progress of Low Temperature Superconducting Materials at Bochvar Institute. – Physica C: Superconductivity, 2003, vol. 386, pp. 390–393, DOI: 10.1016/S0921-4534(02)02210-4.
14. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М.: Машиностроение, 1975, 216 с.
15. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов А.Л. Физика композитных сверхпроводников. М.: Наука, 1987, 240 с.
#
1. Johnstone A. et al. Development of a 1.5 Tesla Whole-Body MRI Magnet with a Very Low Helium Inventory. – 25th International Conference on Magnet Technology, 2017.
2. Wang Y. et al. Design, Construction and Performance Testing of a 1.5 T Cryogen-Free Low-Temperature Superconductor Whole-Body MRI Magnet. – Superconductor Science and Technology, 2023, vol. 36, DOI: 10.1088/1361-6668/acb467.
3. Bagdinov A. et al. Performance Test of 1.5 T Cryogen-Free Ortho-pedic MRI Magnet. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2017.2784402.
4. Baig T. et al. Conceptual Designs of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0 T Full Body MRI Systems. – Superconductor Science and Technology, 2017, vol. 30, DOI: 10.1088/1361-6668/aa609b.
5. Vysotsky V.S. et al. Trudy FIAN – in Russ. (Proceedings of the FIAN), 1980, vol. 121, pp. 76–82.
6. Vysotsky V.S., Karasik V.R., Konyuhov A.A. Trudy FIAN – in Russ. (Proceedings of the FIAN), 1984, vol. 150, pp. 57–70.
7. Vysotsky V.S. et al. Persistent Mode Switches and Automatic Power Supplies for Autonomous Superconducting Magnets. – Advances in Cryogenic Engineering, 1996, vol. 41, pp. 1077–1086, DOI: 10.1007/978-1-4613-0373-2_137.
8. Uilson M.N. Sverhprovodyashchie magnity (Superconducting Magnets). M.: Mir, 1986, 405 p.
9. Dorri B., Laskaris E. Persistent Superconducting Switch for Cryogen-Free MR Magnets. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 5, No. 2, pp. 177–180, DOI: 10.1109/77.402518.
10. Wang Q. et al. Conduction-cooled Superconducting Magnet with Persistent Current Switch for Gyrotron Application. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 2237-2240, DOI: 10.1109/TASC.2010.2081965.
11. Design and Development of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0T Full Body MRI Systems [Electron. resource], URL: 2LO3-06_Matt_Rindfleisch_Room_1.pdf - Yandex Documents (Access on 14.02.2025)..
12. Abdyuhanov I.М. et al. Atomnaya energiya. – in Russ. (Nuc-lear Energy), 2015, vol. 119, iss.5, pp. 260–265.
13. Potanina L.V. et al. Recent Progress of Low Temperature Superconducting Materials at Bochvar Institute. – Physica C: Superconductivity, 2003, vol. 386, pp. 390–393, DOI: 10.1016/S0921-4534(02)02210-4.
14. Novitskiy L.A., Kozhevnikov I.G. Teplofizicheskie svoystva materialov pri nizkih temperaturah (Thermophysical Properties of Materials at Low Temperatures). M.: Mashinostroenie, 1975, 216 p.
15. Gurevich A.V., Mints R.G., Rahmanov A.L. Fizika kom-pozitnyh sverhprovodnikov (Physics of Composite Superconductors). M.: Nauka, 1987, 240 p
2. Wang Y. et al. Design, Construction and Performance Testing of a 1.5 T Cryogen-Free Low-Temperature Superconductor Whole-Body MRI Magnet. – Superconductor Science and Technology, 2023, vol. 36, DOI: 10.1088/1361-6668/acb467.
3. Bagdinov A. et al. Performance Test of 1.5 T Cryogen-Free Orthopedic MRI Magnet. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2017.2784402.
4. Baig T. et al. Conceptual Designs of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0 T Full Body MRI Systems. – Superconductor Science and Technology, 2017, vol. 30, DOI: 10.1088/1361-6668/aa609b.
5. Высоцкий В.С. и др. Исследования сверхпроводящих ключей перемычек. – Труды ФИАН, 1980, т. 121, c. 76–82.
6. Высоцкий В.С., Карасик В.Р., Конюхов А.А. Критические токи и тепловые свойства сверхпроводящих ключей-перемычек. – Труды ФИАН, 1984, т. 150, c. 57–70.
7. Vysotsky V.S. et al. Persistent Mode Switches and Automatic Power Supplies for Autonomous Superconducting Magnets. – Advances in Cryogenic Engineering, 1996, vol. 41, pp. 1077–1086, DOI: 10.1007/978-1-4613-0373-2_137.
8. Уилсон М.Н. Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1986, 405 с.
9. Dorri B., Laskaris E. Persistent Superconducting Switch for Cryogen-Free MR Magnets. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 5, No. 2, pp. 177–180, DOI: 10.1109/77.402518.
10. Wang Q. et al. Conduction-cooled Superconducting Magnet with Persistent Current Switch for Gyrotron Application. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 2237-2240, DOI: 10.1109/TASC.2010.2081965.
11. Design and Development of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0T Full Body MRI Systems [Электрон. ресурс], URL: 2LO3-06_Matt_Rindfleisch_Room_1.pdf - Yandex Documents (дата обращения 14.02.2025).
12. Абдюханов И.М. и др. Композитные технические сверхпроводники. – Атомная энергия, 2015, т. 119, вып.5, с. 260–265.
13. Potanina L.V. et al. Recent Progress of Low Temperature Superconducting Materials at Bochvar Institute. – Physica C: Superconductivity, 2003, vol. 386, pp. 390–393, DOI: 10.1016/S0921-4534(02)02210-4.
14. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М.: Машиностроение, 1975, 216 с.
15. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов А.Л. Физика композитных сверхпроводников. М.: Наука, 1987, 240 с.
#
1. Johnstone A. et al. Development of a 1.5 Tesla Whole-Body MRI Magnet with a Very Low Helium Inventory. – 25th International Conference on Magnet Technology, 2017.
2. Wang Y. et al. Design, Construction and Performance Testing of a 1.5 T Cryogen-Free Low-Temperature Superconductor Whole-Body MRI Magnet. – Superconductor Science and Technology, 2023, vol. 36, DOI: 10.1088/1361-6668/acb467.
3. Bagdinov A. et al. Performance Test of 1.5 T Cryogen-Free Ortho-pedic MRI Magnet. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2017.2784402.
4. Baig T. et al. Conceptual Designs of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0 T Full Body MRI Systems. – Superconductor Science and Technology, 2017, vol. 30, DOI: 10.1088/1361-6668/aa609b.
5. Vysotsky V.S. et al. Trudy FIAN – in Russ. (Proceedings of the FIAN), 1980, vol. 121, pp. 76–82.
6. Vysotsky V.S., Karasik V.R., Konyuhov A.A. Trudy FIAN – in Russ. (Proceedings of the FIAN), 1984, vol. 150, pp. 57–70.
7. Vysotsky V.S. et al. Persistent Mode Switches and Automatic Power Supplies for Autonomous Superconducting Magnets. – Advances in Cryogenic Engineering, 1996, vol. 41, pp. 1077–1086, DOI: 10.1007/978-1-4613-0373-2_137.
8. Uilson M.N. Sverhprovodyashchie magnity (Superconducting Magnets). M.: Mir, 1986, 405 p.
9. Dorri B., Laskaris E. Persistent Superconducting Switch for Cryogen-Free MR Magnets. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 5, No. 2, pp. 177–180, DOI: 10.1109/77.402518.
10. Wang Q. et al. Conduction-cooled Superconducting Magnet with Persistent Current Switch for Gyrotron Application. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 2237-2240, DOI: 10.1109/TASC.2010.2081965.
11. Design and Development of Conduction Cooled MgB2 Magnets for 1.5 and 3.0T Full Body MRI Systems [Electron. resource], URL: 2LO3-06_Matt_Rindfleisch_Room_1.pdf - Yandex Documents (Access on 14.02.2025)..
12. Abdyuhanov I.М. et al. Atomnaya energiya. – in Russ. (Nuc-lear Energy), 2015, vol. 119, iss.5, pp. 260–265.
13. Potanina L.V. et al. Recent Progress of Low Temperature Superconducting Materials at Bochvar Institute. – Physica C: Superconductivity, 2003, vol. 386, pp. 390–393, DOI: 10.1016/S0921-4534(02)02210-4.
14. Novitskiy L.A., Kozhevnikov I.G. Teplofizicheskie svoystva materialov pri nizkih temperaturah (Thermophysical Properties of Materials at Low Temperatures). M.: Mashinostroenie, 1975, 216 p.
15. Gurevich A.V., Mints R.G., Rahmanov A.L. Fizika kom-pozitnyh sverhprovodnikov (Physics of Composite Superconductors). M.: Nauka, 1987, 240 p
