开放式自屏蔽全身成像高场超导MRI磁体优化设计

本文发展了开放式自屏蔽全身成像高场超导磁共振成像（MRI）磁体的优化设计方法，使设计出来的磁体仅有4 对超导线圈. 这种开放结构的超导MRI磁体优化设计方法集成了线性规划算法和遗传算法. 通过迭代线性规划算法可以在考虑成像区域（DSV）磁感应强度约束、磁场不均匀度约束、5 Gs线范围约束、线圈区域最大磁场值约束和最大环向应力约束的条件下，获得用线量最少的线圈初始形状和位置，同时可以得到每个线圈的层数和每层匝数；通过遗传算法可以提高DSV区域的磁场不均匀度，以达到高质量成像的要求. 这种集成的优化设计方法既可以灵活有效的设计开放式MRI磁体，也可以设计传统的圆柱形MRI磁体，本文通过一个1.2 T的开放式MRI磁体的设计清楚的展示了这种优化方法. 关键词： 线性规划算法 遗传算法 自屏蔽 开放式超导MRI磁体     

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阐述了ITER纵场磁体超导母线及其支撑结构设计。运用有限元算法，对工作状态下的超导母线进行电磁结构耦合分析，并对超导母线的应力及变形进行校核，从而验证了纵场磁体超导母线及其支撑结构的安全可靠性，为进一步的详细设计提供了依据。     

ITER纵场磁体超导母线电磁结构分析

阐述了ITER纵场磁体超导母线及其支撑结构设计。运用有限元算法,对工作状态下的超导母线进行电磁结构耦合分析,并对超导母线的应力及变形进行校核,从而验证了纵场磁体超导母线及其支撑结构的安全可靠性,为进一步的详细设计提供了依据。     

FAIR项目super-FRS超导磁体结构分析

 国际反质子与离子大科学工程项目中的超导super-FRS磁体包含2个超导线圈，最大磁场为1.6 T，这样大的磁场必然产生很大的电磁力。为了保证磁体运行时的机械稳定性，对项目中的超导super-FRS磁体进行了有限元结构的3维分析。结构分析中采用了ADINA和TOSCA两个有限元软件。ADINA软件主要用于结构中的应力应变计算，而TOSCA软件则主要用于电磁场的磁场强度和电磁力的计算。分析的结果显示super-FRS磁体采用铁芯及线圈盒长边中部加固结构时,其最大形变约0.19 mm,最大有效应力出现在长边中部的很小区域,约为92 MPa。由于线圈盒由316LN不锈钢制成,该结构是合理的。     

15T NbTi/Nb_3Sn超导磁体的设计

提出了一个冷孔直径150 mm、中心磁场为15 T的NbTi/Nb_3Sn超导磁体电磁结构。分析了超导磁体各线圈中磁场的分布规律,结合超导材料临界性能,得到了超导磁体的运行电磁裕度。针对线圈结构组份材料的机械性能,采用平均有限元法仿真了超导磁体的应力/应变,最大环向应力和应变分别为112 MPa和0.297%。该结果表明了超导Nb_3Sn线圈中的应力/应变处于合理水平。     

用于46T全超导磁体装置的26 T REBa2Cu3O7-δ高温超导内插磁体电磁设计研究

REBa2Cu3O7-δ(REBCO)高温超导带材具有良好的电磁性能和机械强度,现已成为开发极高场超导磁体的重要基础材料.本文基于T-A 方程提出了一种极高场REBCO 内插磁体的参数化设计方法,该方法在计算中考虑了超导屏蔽电流对磁体中心场强和应变分布的影响,采用分步优化的方式从内向外依次确定各超导线圈的结构参数,每个线圈的优化过程相对独立.基于该设计方法,本文给出了46T全超导磁体中26TREBCO 内插磁体的电磁设计方案,确定了主要线圈参数和工作电流.该内插磁体由4个线圈同轴嵌套串联组成,每个线圈都由REBCO带材绕制而成的双饼线圈(Double Pancake, DP)堆叠而成.基于当前模型计算结果,在给定的20T背景场中,当内插磁体工作电流达到290A时,磁体中心场强可达46T;高温超导线圈中最大环向应变为0.61%,仍然处于危险区域.     

YBCO带材有限元细化模型电磁应力研究

将高场磁体的有限元平均模型和YBCO带材的细尺度网格模型相结合,在不同区域采用不同模型的多尺度建模方法,解决了YBCO带材多尺度网格剖分问题,具有结构简单和计算精度高的优点。从应力载荷出发,依次分析了轴对称模型在自场和背场电磁载荷下的每层应力应变的分布特点,得到了YBCO层状结构中不同材料的最弱应力应变分布位置。仿真结果为自场条件下的应力和应变最大位置处均在哈氏合金层。在背场条件下,3层带材受力最大位置在YBCO带材超导层和缓冲层,而6层细化模型最易在银层发生破坏。     

1.5 T关节磁共振成像超导磁体的设计、制作与测试

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是当今世界上最先进的医学影像技术之一,现阶段MRI技术正朝着成像质量更清晰、功能更强大、效率更高、个体化更强的趋势发展.与全身MRI设备相比,专科型MRI设备具有体积小、重量轻、成本低、病人舒适度高、成像质量高、功能更强等优点.但是关节专用超导MRI系统需要长度方向上被严格限制的超导磁体在160 mm直径球域(diameter sphere volume,DSV)内产生高均匀度的磁场.本文综合考虑了超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体,该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm DSV的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成.经过3次锻炼后成功励磁到1.5 T,经过被动匀场后160 mm DSV的磁场不均匀度达到50 ppm,各项指标均达到设计目标.     

开放式线圈屏蔽高场超导MRI磁体的优化设计

提出了开放式高场线圈屏蔽超导MRI磁体的混合优化设计方法,所设计的开放式MRI磁体仅有2对超导线圈。首先采用ISIGHT集成有限元分析软件ANSYS,构成协同式集成优化设计平台,设计磁体的主线圈和屏蔽线圈;然后提出改进的电磁场形状优化方法,设计磁体的匀场铁环,最后通过MATLAB运行遗传算法调用ANSYS进一步优化成像区域(Diameter of Spherical Volume,DSV)的磁场不均匀度,以达到高质量成像的要求。通过一个1.2T的开放式MRI磁体的设计实例清楚地展示了这种优化方法。     

一种新的超导储能磁体结构优化方法

高温超导线材的各向异性一直影响其在工程中的使用性能,临界电流主要受磁体最大垂直磁场(垂直于带材表面)决定,最大应力通常出现在最大轴向磁场(平行于带材表面)处.文章针对单螺线管超导储能磁体,从增大临界电流和减小机械应力两方面出发,提出一种新的超导储能磁体结构优化方法.利用MATLAB从不同径高比(平均半径/高)着手,计算带材总长度为2000m的多组磁体结构参数,建立了单螺线管超导磁体的有限元模型,结合COMSOL仿真软件获得多组结构参数的应力、磁场分布以及磁场最大值,将承受最大应力区域的磁体转移至磁体两端中部区域.对参与转移的磁体参数进行计算,分析对比不同转移参数对磁体应力和临界电流的影响.仿真结果表明,对比常规磁体,优化后的磁体能有效减小最大垂直磁场从而增大临界电流,减小最大轴向磁场从而减小最大应力,对超导储能磁体的优化具有重要意义.     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

ITER磁体支撑结构有限元分析

磁体支撑结构是国际热核聚变实验反应堆(ITER)的重要部件,对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。通过对磁体支撑结构各工况下的强度、刚度的数值分析,给出了磁体支撑结构对应工况下各零部件的应力分布及变形量;分析结果表明磁体支撑结构各零部件的最大应力值均小于许用应力,满足强度要求,各零部件变形合理,不会出现脱开失稳现象。通过数值分析,为国际热核反应堆磁体支撑结构提供了理论设计数据,提升了磁体支撑结构的安全性和可靠性。     

ITER磁体重力支撑系统的应力强度分析

用ANSYS有限元软件，分析了ITER重力支撑系统的静力情况。采用实体单元建立有限元模型，分析了磁体重量、热载荷、地震和电磁力多种工况下的应力分布及位移变形，获得的最大应力强度和最大位移均在许用应力及允许位移范围内。为进一步优化ITER重力支撑系统提供了重要的参考数据。     

Asymmetric MRI Magnet Design Using a Hybrid Numerical Method

This paper describes a hybrid numerical method for the design of asymmetric magnetic resonance imaging magnet systems. The problem is formulated as a field synthesis and the desired current density on the surface of a cylinder is first calculated by solving a Fredholm equation of the first kind. Nonlinear optimization methods are then invoked to fit practical magnet coils to the desired current density. The field calculations are performed using a semi-analytical method. A new type of asymmetric magnet is proposed in this work. The asymmetric MRI magnet allows the diameter spherical imaging volume to be positioned close to one end of the magnet. The main advantages of making the magnet asymmetric include the potential to reduce the perception of claustrophobia for the patient, better access to the patient by attending physicians, and the potential for reduced peripheral nerve stimulation due to the gradient coil configuration. The results highlight that the method can be used to obtain an asymmetric MRI magnet structure and a very homogeneous magnetic field over the central imaging volume in clinical systems of approximately 1.2 m in length. Unshielded designs are the focus of this work. This method is flexible and may be applied to magnets of other geometries.     

短腔、自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的混合优化设计方法

本文提出一种用于短腔、自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的混合优化设计方法,通过结合线性规划和非线性优化算法,设计出的磁体系统具有建造成本低、结构简单、以及线圈中最高磁场、电流安全裕度和电磁应力可控等优点.首先,通过线性规划算法在欲布置线圈空间范围内建立二维连续网格划分,搜索满足磁场约束条件的网格电流分布图;其次,将电流分布图中的非零电流簇离散成螺线管线圈,通过非线性优化算法计算出满足成像区域磁场均匀度要求、5 Gs杂散场限制、线圈中最高磁场限制、电流安全裕度以及线圈间尺寸间隔等约束条件的线圈结构参数.文中给出一个中心磁场为1.5T自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的设计案例,在50 cm球形成像区域所产生的磁场峰峰值不均匀度为10 ppm,线圈最大长度为1.32 m.该设计方法可用于对称、非对称螺线管线圈系统以及开放式双平面线圈系统的磁共振成像磁体系统设计.     

基于ANSYS的超导磁体机械结构的应力应变分析

为合理设计超导磁体机械结构,保证磁体正常运行,机械结构的应力分析在磁体设计中起到非常重要的作用。借助于ANSYS有限元分析软件,给出一了个5T超导磁体机械结构的受力分析,讨论了超导磁体内部电磁力对不同材料的机械结构所产生的应力和应变。结果表明,由磁体内部电磁力引起的机械结构的最大应力和应变,出现在磁体芯筒的中间部位,最大位移发生在端板和芯筒交界的内侧。改变骨架结构材料,随着材料杨氏模量的变小,电磁力引起的机械应力随之变小;应变和位移则反之。     

CR超导二极磁铁线圈受力分析

采用有限元分析的方法, 以CR超导二极铁为研究对象, 对其进行受力分析, 分别计算线圈所受到的电磁力以及在此力作用下线圈发生的应变, 线圈和相邻部分降温速率不均匀引起的热应力的分布以及线圈发生的应变. 最后利用所得到的数据来校对线圈和线圈盒的强度, 为结构的优化设计提供依据, 并为失超保护提供可参考的数据.     

Design of a conduction-cooled 4 T superconducting racetrack for a multi-field coupling measurement system

A conduction-cooled superconducting magnet producing a transverse field of 4 T has been designed for a new generation multi-field coupling measurement system,which will be used to study the mechanical behavior of superconducting samples at cryogenic temperatures and intense magnetic fields.A compact cryostat with a two-stage GM cryocooler is designed and manufactured for the superconducting magnet.The magnet is composed of a pair of flat racetrack coils wound by NbTi/Cu superconducting composite wires,a copper and stainless steel combinational former and two Bi_2Sr_2CaCu_2O_v superconducting current leads.The two coils are connected in series and can be powered with a single power supply.In order to support the high stress and attain uniform thermal distribution in the superconducting magnet,a detailed finite element(FE) analysis has been performed.The results indicate that in the operating status the designed magnet system can sufficiently bear the electromagnetic forces and has a uniform temperature distribution.     

GSI超导二极磁体的电磁分析

主要介绍超导二级磁体的结构,用有限元分析软件ANSYS对磁体在工作电流下进行了电磁分析,结果符合物理设计要求,同时为下一步的结构分析提供了电动力。     

SECRAL超导磁体系统的结构分析

An advanced superconducting ECR ion source named SECRAL has been constructed at Institute of Modern Physics of Chinese Academy of Sciences,whose superconducting magnet assembly consists of three axial solenoid coils and six sextupole coils with a cold iron structure as field booster and clamp.In order to investigate the structure of sextupole coils and to increase the structural reliabilities of the magnet system, global and local structural analysis have been performed in various operation scenarios.Winding pack and support structure design of magnet system,mechanical calculation and stress analysis are given in this paper. From the analysis results,it has been found that the magnet system is safe in the referential operation scenarios and the configuration of the magnet complies with design requirements of the SECRAL.