7. Резистивные магниты: используемые материалы, варианты конструкций, расчет, примеры мр-систем на резистивных магнитах.

В резистивных магнитах поле создается пропусканием сильного электрического тока по проводу, намотанному на железный сердечник, и направлено параллельно продольной оси катушки. Сила поля таких МРТ ограничена примерно 0,6 Тл, т.к. их вес становится слишком большим (200-4 т)для сильных полей. Томографы этого вида нуждаются в хорошей системе охлаждения и в постоянном электропитании для поддержания однородности магнитного поля. Рассчитанные величины несмотря на большие приближения соответствуют реальным напряжению и мощности магнита МРТ «Образ-1». Для отвода такой большой мощности нужна соответствующая система охлаждения.

Конструкция магнитной системы МРТ с резистивным магнитом показана на рис.1. Основной магнит состоит из четырех катушек двух диаметров, которые вписываются между ними в сферу или эллипсоид вращения (катушки Гельмгольца). Их размеры и расстояния выбираются так, чтобы обеспечить максимально возможную однородность магнитного моля. Катушки включаются последовательно. Внутри магнита находится градиентно-корректирующий модуль (ГКМ). В нем размещены градиентные катушки, а также корректирующие катушки для улучшения однородности основного поля.

Они создают дополнительно слабые поля (совпадающие с основным полем), которые являются нелинейными функциями координат (пропорциональны их произведению, квадрату и т.п.). Ток в этих катушках может регулироваться и быть пропорциональным току основного магнита. Для этого корректирующие катушки запитывают от шунтовых сопротивлений, включенных в цепь основного магнита. Все катушки ГКМ для обеспечения жесткости конструкции размешаются в цилиндрической бочке из стеклопластика

Радиочастотные катушки монтируются в виде съемного модуля, который надевается на ГКМ. Они имеют относительно простую конструкцию, к которой не предъявляется повышенных требований. Эти катушки имеют большие размеры и служат для облучения и приема МР сигнала от всего тела. Поэтому они называются тельными. Для приема (только для приема) МР сигнала от локальных частей (головы, спины) применяют малогабаритные переносные катушки – головную, спинальную и др.

Расчет системы охлаждения резистивных МС

Полную длину провода разделяет на N приблизительно равных участков.

Мощность рассеивания на одном участке

Pr=W/N, где W-элемент мощность катушки

Отводимая мощность P=Pt/(Cв*Δt), где Cв-теплоемкость воды, Δt-перепад t. Δt=30С-15С=15С

Скорость воды в полости провода: V=p/(ρSотв), p-удельная масса воды, Sотв – диаметр сечения.

Перепад давлений Δp=(λL/d)*ρV²/2, d-диаметр сечения, V-объем элемента от которого отводится тепло.

D=2Sотв/(а_пр+в_пр-4Т), где Т-толщина стенки.

Общий расход воды: Мв=Sотв*V*N, где N-число витков.

Примеры МР систем: Первый МР-томограф в нашей стране был резистивный магнит (0,24 Тесла, Томикон БМТ 1100, фирма Брукер) устанорвленном в 1984 году. МРТ Образ-1, который относится к классу резистивных магнитов, обеспечивающих индукцию магнитного поля 0,12 Тл.

8. Сверхпроводимость. Конструкция сверхпроводящих магнитов. Криогенные вещества. Назначение и компоненты охлаждающей системы сверхпроводящих МРТ: компрессор, охлаждающая голова, гелиевые линии. Методика охлаждения сверхпроводящих катушек МРТ и создания поля.

Поля свыше 0,5 Тл обычно создаются сверхпроводящими магнитами, которые очень надежны и дают чрезвычайно однородные и стабильные во времени поля. В таком магните горизонтально направленное поле создается током в проводе из сверхпроводящего материала, не имеющего электрического сопротивления при температурах вблизи абсолютного ноля (-273,15°C). Cовершенный сверхпроводник может пропускать электрический ток без потерь. В сверхпроводящих магнитах создающая поле катушка помещается большой дьюар, заполненный криогенным веществом, охлаждающим провод до температуры около 4,2 K. В первых моделях магнита этот дьюар окружался дьюаром с жидким азотом (77,4K), который действовал как тепловой буфер между температурой комнаты и внутренним дьюаром.

Сверхпроводящий магнит – соленоид или электромагнит с обмоткой сверхпроводящего материала, обладает 0 сопротивлением.

Эффект сверхпроводимости

Свойства сверхпроводников

1 Критическое магнитное поле Hкр – значение поля, выше котрой сверхпроводник находится в нормальном состоянии. Значение отличается в зависимости от сплава 10 Гс до 10⁵Гс. Зависит от t. Макс при T=0 и монотонно убывает при Ткр.

2 Критическая температура Ткр – температура, при охлаждении ниже котрой электр. Сопротивление R проводника падает до 0. Характер кривой намагничивания существенно зависит от геометрических факторов.

3 Критический ток Iкр – максимальный постоянный ток, который может выдержать СВ без потери сверхпроводящего состояния. Зависит от Т, уменьшается при увеличении внешней Т.

4 Глубина проникновения – расстояние на котором магнитный поток проникает в сверхпроводник. Функция от Т, различается в различных материалах от 3*10^-6 до 2*10^-5 см.

5 Длина когерентности – расстояние на котрое электроны взаимодействуют друг с другом создавая сверхпроводящее состояние. Диапазон 5*10^-7 до 10^-4 см в зависмости от материала.

6 Удельная теплоемкость – количество теплоты, необходимая для повышения температуры. 1г на 1 К будет резко возрастать при Т близком к Ткр, убывает с понижением Т. В области перехода при Т>Ткр необходима больее количество теплоты.

Некоторые металлы (Nb, Tc, Pb, La, V, Ta) становятся сверхпроводниками при температуре абсолютном нуле. Обычно в МРТ используется провод из ниобий-титанового сплава длиной в несколько километров, вложенный в медную матрицу для защиты сверхпроводника от квинча. Квинчем называется неожиданная потеря сверхпроводимости в сверхпроводящем томографе, вызванная быстрым повышением удельного сопротивления магнита, создающего высокую температуру, и приводящую к быстрому выкипанию криогена (жидкого гелия). Точки кипения криогенов обычно ниже -150°C (-238°F). Квинч может вызвать разряжение атмосферы в процедурной комнате, создавая отсутствие кислорода, а также полный отказ магнита. Свойство СВ обнаружено у 25 металлических элементов, ряда сплавов, металлических соединений. Наименьшим СВ обладает сплав Nd₃Ge (ниобий германий). По поведению в магнитных полях выделяют СВ I и II рода:

1. Ток поверхностный, сосредоточен в тонком слое; толщина определяется глубиной проникновения (3*10^-6 см); при H>Hкр СВ исчезаетЮ поле полностью проникает внутрь материала. Значение Hкр от 100 (0,01 Гц) до 800 Гс (0,08 Тл); имеют большую длину когерентности(10^-4 см);

2. Большая глубина проникновения (2*10^-5 см); малая длина когерентности (5*10^-7 см); при магнитном поле H<500 Гс (0,05 Тл) весь магнитный поток выталкивается из проводника; Нкр1 <H<Hкр2 магнитный поток проникает, но в меньшей степени. H>Нкр2 поток проникает полностью и Св отстуствует (Hкр2 = 100кГс (10 Тл))

Большинство СВ сплавов – проводники II рода или I рода c примесями (кривая намагничивания является необратимой, величина гистерезиса чувствительна к технологии изготовления);

Название	Ткр, К	Н, Гс	Н, Тл
Родий	0,000325	0,049	0,05
Титан	0,39	60	0,06
Кадмий	0,52	28	0,03
Цинк Zn	0,85	55	0,06
Галий Ga	1,08	59	0,06
Талий,Ta	2,37	180	0,18
Индий, In	3,41	280	0,28
Олово, Sn	3,72	305	0,315
Ртуть, Hg	4,15	411	0,41
Свинец, Pb	7,19	803	0,8
Необий, Nb	9,25	Нкр1/Нкр2 1735/4040	1,74 4,04
Nb3Sn	18,1	220000	22
Nb3Ge	23,2	400000	40

Технология охлаждения СВ двухступенчата: сначала проводник погружают в жидкий азот (t=-196º), а затем уже в жидкий гелий. В качестве криогена чаще используется жидкий гелий (греч. Helios – солнце). Гелий принадлежит инертным газам, без цвета и запаха, и имеет 2 естественных изотопа: гелий-3 и гелий-4. K. Onnes работал много лет, чтобы сжижить гелий, который оставался газом при самой низкой температуре. Все криогенные жидкости являются газами при нормальной температуре и давлении и имеют два общих свойства: они чрезвычайно холодные, и малое количество жидкости может расшириться до большого объема газа. Плотность пара гелия в точке кипения очень высока, с быстрым расширением при нагреве до комнатной температуры.

Конструкция провода из сверхпроводящего материала

Для стабилизации тока в обмотке (предотвращения потери СВ отдельными участками) СВ обмоточный материал выпускается в виде тонких (20-50 мкм)жил СВ в матрице Ме с высокой электрической проводимостью. Проводник при изготовлении скручивается вдоль продольной оси, что способствует уменьшению токов в жилах, замыкающихся через металл матрицы.

Для небольших магнитов в сечении провода 30-50% . СВ у крупных магнитов от 5 до 10% в обмотке каналы охлаждаются жидким гелием. В качестве криогена чаще используется жидкий гелий (греч. Helios – солнце), открытый в 1868 когда P.J.C. Janssen и N. Lockyer обнаружили новую линию в солнечном спектре во время солнечного затмения. Гелий принадлежит инертным газам, без цвета и запаха, и имеет 2 естественных изотопа: гелий-3 и гелий-4. K. Onnes работал много лет, чтобы сжижить гелий, который оставался газом при самой низкой температуре. Все криогенные жидкости являются газами при нормальной температуре и давлении и имеют два общих свойства: они чрезвычайно холодные, и малое количество жидкости может расшириться до большого объема газа. Плотность пара гелия в точке кипения очень высока, с быстрым расширением при нагреве до комнатной температуры. Некоторые металлы (Nb, Tc, Pb, La, V, Ta) становятся сверхпроводниками при температуре абсолютном нуле. Обычно в МРТ используется провод из ниобий-титанового сплава длиной в несколько километров, вложенный в медную матрицу для защиты сверхпроводника от квинча. Квинчем называется неожиданная потеря сверхпроводимости в сверхпроводящем томографе, вызванная быстрым повышением удельного сопротивления магнита, создающего высокую температуру, и приводящую к быстрому выкипанию криогена (жидкого гелия). Точки кипения криогенов обычно ниже -150°C (-238°F). Квинч может вызвать разряжение атмосферы в процедурной комнате, создавая отсутствие кислорода, а также полный отказ магнита.

Назначение и компоненты охлаждающей системы сверхпроводящих МРТ: компрессор, охлаждающая голова, гелиевые линии. Охлаждающая головка предназначена для охлаждения криостата магнита и реконденсации испаряющегося жидкого гелия ( комплект необходимых прокладок;- фильтр-осушитель для газа; - сорбент для установки на охлаждающей головке).

Компрессор предназначен для сжатия и охлаждения газообразного гелия перед подачей его в охлаждающую головку и для обеспечения электропитания головки. Подающая гелиевая линия предназначена для подачи газообразного гелия от компрессора к охлаждающей головке. Возвратная гелиевая линия предназначена для отвода газообразного гелия от охлаждающей головки к компрессору.

9. Коррекция неоднородности поля в различных видах МР-томографов. Представление о шиммирующих обмотках, пассивное и активное шиммирование. Кратковременная и долговременная стабильность однородности магнитного поля, профилактические работы по контролю.

Ни один из выше рассмотренных магнитов не создает совершенно однородного поля; тщательным изготовлением можно обеспечить неоднородность поля около 100 м.д. (ррт) в области интереса, что недостаточно для МР-томографии и спектроскопии. Для улучшения характеристик магнитного поля в большинстве магнитов используют шиммирующие катушки. При пропускании через эти катушки электрического тока происходит коррекция магнитного поля, что может компенсировать изначальную неоднородность поля магнита. Однородность лучше 0.01 м.д. достигается в малых объемах (меньше 1 куб. см) в специализированных магнитах для спектроскопии и 1-20 м.д. в больших объемах, пригодных для МР-томографии. Катушки для шиммирования могут быть без охлаждения или размещаться в жидком гелии, как и основной сверхпроводящий магнит. Подобного эффекта можно добиться, размещая маленькие куски ферромагнетиков внутри или вне апертуры магнитного полы. Каждый из них будет воздействовать на магнитное поле, и если при этом сохраняется симметрия магнитного поля, то можно добиться очень высокой однородности (пассивное шиммирование).

Шиммирующие катушки это катушки с малым током, создающие вспомогательные магнитные поля для компенсации неоднородности главного магнитного поля томографа, вызванной дефектами магнита или присутствием внешних ферромагнитных объектов. При пропускании через эти катушки электрического тока происходит коррекция магнитного поля, что может компенсировать изначальную неоднородность поля магнита. Однородность лучше 0.01 м.д. достигается в малых объемах (меньше 1 куб. см) в специализированных магнитах для спектроскопии и 1-20 м.д. в больших объемах, пригодных для МР-томографии. Катушки для шиммирования могут быть без охлаждения или размещаться в жидком гелии, как и основной сверхпроводящий магнит. Подобного эффекта можно добиться, размещая маленькие куски ферромагнетиков внутри или вне апертуры магнитного полы. Каждый из них будет воздействовать на магнитное поле, и если при этом сохраняется симметрия магнитного поля, то можно добиться очень высокой однородности (пассивное шиммирование).

Проверка однородности МП на однородном фантоме, заполняющим всю форму раствором NiSO4 или CuSO4, сферическая форма позволяет проводить контроль в 3-х плоскостях. Раствор NiSO4 имеет время Т1 релаксацией в 2 раза меньше, чем медный раствор, что позволяет использовать более короткое время TR, также раствор менее чувствителен к измененениям Z. Если неоднородность выходит за допустимые пределы, используется шиммирование – 1 раз в 2 месяца. Для МРТ на постоянных магнитах необходимо проводить проверку с учетом среды.