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粉末套管法(PIT)工艺制备的Bi2223高温超导多芯带材是较早进行商业化生产的实用高温超导材料之一,近年来我国高温超导Bi2223/Ag带材的性能迅速提高,显示出在磁共振成像上有着广阔应用前景。本论文对其用于射频接收线圈和持续电流模式磁共振磁体等基础问题进行了深入研究。
对于磁共振成像系统,图像信噪比是限制其发展的主要因素。根据磁共振相关理论,提高系统主磁场强度(B<,0>)或提高射频接收线圈的品质因数(Q)都可以改善其图像的信噪比。但是,目前使用常规材料,在确保不显著增加设备制造成本的前提下已经很难提高信噪比。利用Bi2223带材的低损耗和高载流能力的特性正好可解决提高低场磁共振成像系统图像信噪比的问题。
本论文首先通过理论分析得出结论:对于低场磁共振系统,信噪比的提高主要受限于接收线圈本身的品质因数。通过降低接收线圈中的谐振回路的等效串联电阻,能提高磁共振系统的整体信噪比。在射频频段Bi2223超导带材的交流损耗以涡流损耗为主,损耗与频率的平方成正比。只有在较低频率下Bi2223超导材料的使用才能有效提高接收线圈谐振回路的品质因数。
尽管国外曾研究过高温超导磁共振射频接收线圈,但大多数项目仅面向试验研究,其线圈设计不能满足商用系统对安全性的基本要求。本论文中制作的高温超导磁共振射频接收线圈通过使用失谐电路,保证了磁共振接收设备及被检测人体部位的安全。同时使用了电耦合的方式传输信号,使得本论文中制作的超导接收线圈更适于制成正交结构或相阵结构的高性能线圈。
通过测试不同的射频谐振回路的品质因数发现:使用Bi2223超导带制作的射频谐振回路的品质因数,比相同几何结构设计的铜制射频谐振回路高3倍。即使将铜制射频谐振回路降温到77K,超导谐振回路的品质因数仍比其高1.8倍。10-20cm尺度下,频率在33MHz以下时超导谐振回路品质因数高于常温下同样结构的铜谐振回路,而频率在23MHz以下时超导谐振回路品质因数高于液氮温度下同样结构的铜谐振回路。较强的静磁场会导致超导材料临界电流的退化,并导致超导谐振回路品质因数略微下降。但在0.23T场强下,超导谐振回路的品质因数仍比铜制谐振回路高2.5倍以上。辐射损耗等效电阻远小于回路本身损耗能量的等效串联电阻,因此辐射损耗等效电阻可忽略不计。
通过对水模的成像实验测试了多个接收线圈的信噪比空间分布。对比发现:当超导接收线圈为3匝时可达到最大的图像信噪比,该信噪比比同样结构的铜制接收线圈高1.8倍。并使用本论文中制作的高温超导接收线圈对人体组织进行了成像实验。从图像上看,相同结构的接收线圈中,超导接收线圈取得的图像更清晰,组织细节更丰富。
通过对比分析,持续电流模式运行高温超导磁共振磁体是磁共振成像系统磁体较好的解决方案。并分别对Bi2223超导带超导连接工艺、Bi2223超导开关设计、Bi2223超导磁共振磁体电磁优化三方面进行了研究。
本论文实现了Bi2223带的超导连接,并且通过多组实验比较得到了优化的超导接头制作工艺,制成超导接头的临界电流达到母材临界电流的48%,基本达到了世界平均水平。本论文中设计并制造了一台无感绕组超导开关。经测试,其开关电流为28A,正常态电阻为0.2Ω,分断时间为18s,闭合时间为17s。本论文还设计了一组磁共振磁体用Bi2223高温超导线圈,通过一套预估Bi2223超导磁体临界电流的方法,推算出高温超导线圈的临界电流性能,其在20K下可在60cm的极问距内产生0.23T的均匀磁场。通过在超导线圈两端增加分磁坏的方法优化超导材料所处区域的磁力线方向,可使Bi2223超导带临界电流由100A增加到175A。这意味着在保证磁体场强的情况下节约42.9%的超导材料。之后通过实验的方法,用一个Bi2223超导带制作的小型超导双饼磁体证实了该预估超导磁体临界电流方法的正确性。该部分工作为将来制造持续电流模式高温超导MRI磁体奠定了基础。