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。     

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     

12T NbTi—Nb3Sn超导磁体装置

本文介绍了有效孔径30.3mm 的 NbTi-Nb_3Sn 混合超导磁体装置的设计、制造和实验的基本情况.该装置在4.2K 的最大工作中心磁场是12T,磁体中心磁场均匀度和电流稳定充分别优于2.7×10~(-3)(1cm DSV)和4×10~(-4)/h,磁体励磁到最大工作中心磁场12T 时所需要的时间为40min.磁体重量为25.4kg.     

15 T高场复合超导磁体低温实验研究

大孔径高均匀度高场磁体是进行超导材料性能测试的必要条件之一.本文主要介绍了15 T高场复合超导磁体的低温励磁实验与结果.该磁体包括两个高性能Nb3Sn线圈、一个ITER Nb3Sn线圈和一个NbTi线圈,分别处于磁体的高、中、低场部分.磁体外径329.9 mm,高度401.44 mm,中心孔径77.5 mm,磁体中心磁场测量值14.94 T,轴向磁场(98％)均匀区测量长度55 mm,超过了磁体设计指标要求的40 mm,测试结果满足设计要求.     

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.     

高性能核磁共振弛豫分析仪匀场系统的设计与实现

磁场的高均匀性是高性能核磁共振弛豫分析仪实现短弛豫时间样品和微弱信号核磁共振（NMR）检测的基本保障.该文以0.45 T双极型永磁体作为设计核心部件,在大范围磁体空间-25.4 mm球空间（DSV）内,基于目标场法设计了X、Y、Z、XY、XZ、YZ、Z²共7组有源匀场线圈,根据线圈供电要求,设计了可编程恒流电源,搭建了可用于高性能核磁共振弛豫分析仪磁体的有源匀场系统,介绍了系统的基本结构、设计过程及匀场方法.实验测试结果验证了大范围磁体空间内该匀场系统的实用性.     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

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Nb3Sn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Nb3Sn导线,采用Nb3Sn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)Nb3Sn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Nb3Sn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.     

基于0-1整数线性规划的自屏蔽磁共振成像超导磁体设计

本文提出一种基于0-1整数线性规划的自屏蔽磁共振成像（MRI）超导磁体设计方法．在磁体线圈可行载流区内按照所用线材尺寸划分网格,同时综合考虑线材内最大磁感应强度、成像区磁场均匀度、漏场范围等设计要求,以超导线材使用量最小为目标函数,采用0—1整数线性规划算法得到磁体线圈的初始导线集中区块分布;然后通过合理的调整限制各分离导线区块截面尺寸及其中心位置,得到最终易于实际加工和绕制的矩形磁体线圈结构．并根据不同的约束要求,该方法也适用于其他结构超导磁体的优化设计．文中最后给出一个设计实例．     

1.5T关节超导核磁共振成像主磁体电磁机械特性分析

本文设计了用于关节成像的1.5T超导核磁共振成像(MRI)主磁体的电磁结构与机械支撑结构.首先计算了主磁体成像区域及磁体周围的电磁场分布.在此基础上,采用电磁-结构耦合方法计算了主磁体与支撑结构中的应力、应变分布情况.同时分析了不同的支撑材料对磁体应力/应变的影响.给出了1.5T超导MRI主磁体支撑结构的设计标准.     

利用Monte Carlo进行MRI主磁体的优化设计

磁共振成像（MRI）中的磁体系统是MRI整体装置的主体,而主磁体作为磁体系统的核心,为整个磁体系统提供基础磁场。其磁场位型、均匀性直接关系到磁体系统其它组件的设计以及最终的性能。文中提出一种利用ANSYS中的概率设计——Monte Carlo进行主磁体优化的设计方法,使得中心场区的磁场偏差从几千ppm降低到120 ppm左右。达到设计的目的．     

基于边界元方法的超导核磁共振成像设备高阶轴向匀场线圈优化算法

在磁共振成像设备中,为了消除目标区域内的高阶谐波磁场分量,传统方法采用无源匀场,但该方法匀场精度较低,针对性较差,适用于全局匀场,而有源匀场则可以通过优化线圈分布来产生所需要的特定的磁场分布.但是,由于匀场线圈线型的复杂度会随着线圈阶数的增加而增加,难以满足设计需要,因此本文提出了一种用于磁共振成像超导匀场线圈系统的多变量非线性优化设计方法.该方法基于边界元方法,将匀场线圈所产生的磁场与目标磁场之间的偏差作为目标函数,线匝间距、线圈半径等作为约束条件,通过非线性优化算法,得到满足设计要求的线圈分布.通过一个中心磁场为0.5 T的开放式双平面磁共振成像超导轴向匀场线圈的设计案例,说明本方法具有计算效率高、灵活性好的特点.     

Optimal design of a 7 T highly homogeneous superconducting magnet for a Penning trap

A Penning trap system called Lanzhou Penning Trap (LPT) is now being developed for precise mass measurements at the Institute of Modern Physics (IMP). One of the key components is a 7 T actively shielded superconducting magnet with a clear warm bore of 156 mm. The required field homogeneity is 3×10-7 over two 1 cubic centimeter volumes lying 220 mm apart along the magnet axis. We introduce a two-step method which combines linear programming and a nonlinear optimization algorithm for designing the multi-section superconducting magnet. This method is fast and flexible for handling arbitrary shaped homogeneous volumes and coils. With the help of this method an optimal design for the LPT superconducting magnet has been obtained.     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb₃Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

Multi-objective optimization of gradient coil for benchtop magnetic resonance imaging system with high-resolution

Significant high magnetic gradient field strength is essential to obtaining high-resolution images in a benchtop mag- netic resonance imaging （BT-MRI） system with permanent magnet. Extending minimum wire spacing and maximum wire width of gradient coils is one of the key solutions to minimize the maximum current density so as to reduce the local heating and generate higher magnetic field gradient strength. However, maximum current density is hard to optimize together with field linearity, stored magnetic energy, and power dissipation by the traditional target field method. In this paper, a new multi-objective method is proposed to optimize the maximum current density, field linearity, stored magnetic energy, and power dissipation in MRI gradient coils. The simulation and experimental results show that the minimum wire spacings are improved by 159% and 62% for the transverse and longitudinal gradient coil respectively. The maximum wire width increases from 0.5 mm to 1.5 mm. Maximum gradient field strengths of 157 mT/m and 405 mT/m for transverse and lon- gitudinal coil are achieved, respectively. The experimental results in BT-MRI instrument demonstrate that the MRI images with in-plane resolution of 50 ~tm can be obtained by using the designed coils.     

Design of a superconducting magnet for CADS

This paper describes a superconducting magnet system for the China Accelerator Driven System (CADS). The magnetic field is provided by one main, two bucking and four racetrack coils. The main coil produces a central field of up to 7 T and the effective length is more than 140 mm, the two bucking coils can shield most of the fringe field, and the four racetrack superconducting coils produce the steering magnetic field. Its leakage field in the cavity zone is about 5× 10^-5 T when the shielding material Niobium and cryogenic permalloy are used as the Meissner shielding and passive shielding respectively. The quench calculations and protection system are also discussed.     

Shim coil design for Halbach magnet by equivalent magnetic dipole method

Low-field nuclear magnetic resonance magnet(2 MHz) is required for rock core analysis. However, due to its low field strength, it is hard to achieve a high uniform B_0 field only by using the passive shimming. Therefore, active shimming is necessarily used to further improve uniformity for Halbach magnet. In this work, an equivalent magnetic dipole method is presented for designing shim coils. The minimization of the coil power dissipation is considered as an optimal object to minimize coil heating effect, and the deviation from the target field is selected as a penalty function term. The lsqnonlin optimization toolbox of MATLAB is used to solve the optimization problem. Eight shim coils are obtained in accordance with the contour of the stream function. We simulate each shim coil by ANSYS Maxwell software to verify the validity of the designed coils. Measurement results of the field distribution of these coils are consistent with those of the target fields.The uniformity of the B_0 field is improved from 114.2 ppm to 26.9 ppm after using these shim coils.