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摘要

本文首先综述了大规模应用的超导磁体, 依赖并推动铌三锡Nb ₃Sn导线技术进步, 向更强磁场发展的趋势. 着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术. 选择青铜Nb ₃Sn导线, 采用Nb ₃Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构, 对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析, 并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题. 根据分析结果认为: 1) Nb ₃Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题 —作为最佳选择的青铜Nb ₃Sn导线, 其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距; 2) 14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节, 是最具挑战性的综合性技术.

关键词:

Abstract

This paper presents a brief review of the development trend of superconducting magnets in large scale applications towards high magnetic fields, depending on and pushing the Nb ₃Sn wire technics' continuous improvement. The focus is on analysis of the technology challenges of 14 T whole-body superconducting magnets. Using the Bonze Nb ₃Sn wires and on the base of a combination design of Nb ₃Sn and NbTi coils, an electromagnetic conception design of a 14 T whole-body MRI magnet is presented, and the thermal stability and quench protection are analyzed by simulations. The critical issues on stress, joints as well as shimming of 14 T whole-body superconducting magnets are also discussed. According to the results, this paper believes: 1) Nb ₃Sn wires are of the first important issue for 14 T whole-body superconducting magnets—the Bonze Nb ₃Sn wire is of the best choice but the performance specifications of the current products need to be improved further to match the requirements; 2) quench protection of 14 T whole-body superconducting magnets is one of the most complicated technics that covers design of the copper to superconductor (Cu/SC) ratio, coordination of the operating current and coil inductances, subdivisions of passive protection circuits and quench triggering control of active protection, as well as the stray field limitation during the transient process.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:李烨,liye1@siat.ac.cn

基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(B类)（批准号: XDB25000000）资助的课题

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Li Ye,liye1@siat.ac.cn

Funds:Project supported by the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences, China (Grant No. XDB25000000)

文章全文: translate this paragraph

参考文献

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施引文献

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	Nb₃Sn线圈1	Nb₃Sn线圈2	NbTi 线圈3	NbTi 线圈4	NbTi补偿线圈	NbTi屏蔽线圈
电流密度/A·mm^–2	80	95	25	35	65	65
铜超比	2	2	10	10	8	8

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	无屏蔽	主动屏蔽
线圈最大长度/m	2.99	2.98
线圈最大外径/m	1.63	3.18
Nb₃Sn导线总量/m³(不含铜)	0.460	0.466
NbTi导线总量/m³(不含铜)	0.189	0.308
磁场不均匀度(ppm on 40 cm DSV)	1.1	2.4

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	无屏蔽	主动屏蔽
中心磁场/T	14	14
Nb₃Sn线圈1最大磁密/T	14.76	14.66
Nb₃Sn线圈2最大磁密/T	10.67	10.02
NbTi线圈3最大磁密/T	8.28	7.40
NbTi线圈4最大磁密/T	7.54	6.28
NbTi补偿线圈最大磁密/T	6.78	6.01
NbTi屏蔽线圈最大磁密/T	—	4.36
5 Gs线(径向m × 轴向m)	21.2 × 26.6	11.8 × 14.8
线圈总能量/MJ	260	280

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	无屏蔽	主动屏蔽
最大周向应力/MPa	645	651
补偿线圈轴向力/t, 压强/MPa	–2540, –78.6	–1560, –43.3
屏蔽线圈轴向力/t, 压强/MPa	—	1310, 20.3

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	无屏蔽	主动屏蔽
运行电流/A	244	248.8
总电感/H	8746	10287
Nb₃Sn导线总长/km	315.6	320.4
NbTi导线总长/km	331.8	591.7

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	无屏蔽	主动屏蔽
Nb₃Sn线圈1最小失超能量/mJ	34	42
Nb₃Sn线圈2最小失超能量/mJ	68	78
NbTi线圈3最小失超能量/mJ	32	68
NbTi线圈4最小失超能量/mJ	36	104
NbTi补偿线圈最小失超能量/mJ	14	18
NbTi屏蔽线圈最小失超能量/mJ	—	32

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