消除工業(yè)核磁共振有源勻場線圈發(fā)熱對永磁體系統(tǒng)的影響

楊潔亮

摘 要 工業(yè)核磁共振分析儀中的磁體系統(tǒng)仍然以釹鐵硼的永磁體為主。釹鐵硼材料對溫度非常敏感，中心磁場強度為1.4T的永磁體系統(tǒng)，當溫度變化千分之一攝氏度，即1m℃時，磁場強度變化約為1ppm。實際應用時，必須使永磁體穩(wěn)定于某一設定溫度，從而獲得穩(wěn)定的恒定磁場。

關鍵詞 磁體系統(tǒng)；有源勻場；溫度控制

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0106-02

在工業(yè)核磁共振永磁體系統(tǒng)的調(diào)試過程中，都會進行電磁線圈補償?shù)姆绞秸{(diào)節(jié)磁體的均勻度，但是補償線圈電流的突然變化會使得磁體溫度突然失衡，必須等待溫度穩(wěn)定后才能繼續(xù)測試，針對這一情況，尋找另一種溫控方法或解決溫度突然失衡的辦法成為了工作重點，是提高磁體系統(tǒng)調(diào)試效率的前提。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本磁體系統(tǒng)由磁體部分、溫控部分、勻場部分組成。磁體部分由磁鋼9、極靴7、磁軛4以及保溫材料3構(gòu)成；溫控部分由傳感器5、溫控器1和加熱器8構(gòu)成；勻場部分由勻場控制單元2和勻場補償線圈6構(gòu)成。

在系統(tǒng)的設計中，為獲得更好的勻場效果，有源勻場補償線圈的導線會設計得細而密，通常一個補償線圈的直流阻抗為9～32Ω。當補償線圈接入0.2A的電流時，相應通道的會產(chǎn)生功率為0.36～1.28W的發(fā)熱功率。在本系統(tǒng)中，由鉑電阻來采集溫度數(shù)據(jù)，采用16位脈寬調(diào)制的方式調(diào)節(jié)加熱功率。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

將系統(tǒng)上電后，溫控部分首先將磁體加熱使溫度穩(wěn)定在設定值，本系統(tǒng)為溫度設定值為41.8℃，穩(wěn)定過程大約需要7h，穩(wěn)定后溫度波動大約0.4m℃。

將其中的一個勻場補償線圈通入0.2A電流，其線圈電阻為27.23Ω，發(fā)熱功率約為1.1W，此刻溫度傳感器并未檢測到勻場補償線圈的發(fā)熱量，溫控器仍舊按照傳感器的采集數(shù)據(jù)計算PWM的輸出。然而短暫的穩(wěn)定后傳感器采集到了磁體的逐漸升溫，溫控器開始調(diào)整輸出值。如圖2所示，溫度上升了約6.5m℃，磁體溫度才開始出現(xiàn)下調(diào)趨勢，造成了巨大的溫度波動，大約經(jīng)歷270min后才回到設定值趨于平穩(wěn)。

為了解決在調(diào)試勻場電流時對磁體造成的溫度波動，將勻場調(diào)試時補償線圈的發(fā)熱功率提前抵消，將溫控部分與勻場部分采用數(shù)據(jù)線連接，由勻場控制單元將線圈的發(fā)熱功率通知給溫度控制器，使溫度控制器及時的減少相應的輸出功率，以求得對磁體的加熱能量穩(wěn)定。計算線圈的發(fā)熱功率由勻場控制單元完成，利用對每路線圈電阻查表的方式計算出加熱功率。按照以上思路，修改了勻場和溫控部分的軟件，將兩個部分聯(lián)機通訊，在勻場補償電流施加于補償線圈的時候溫控器相應的減少PWM輸出的占空比，使發(fā)熱功率維持補償線圈加載電流前的狀態(tài)。經(jīng)過測試，磁體溫度首先會有一部分跌落，約為1.5m℃，然后進入調(diào)整狀態(tài)，約70min后達到穩(wěn)定，如圖3所示。

同樣是對27.23Ω的線圈中施加了0.2A的電流，勻場和溫控部分聯(lián)機后比聯(lián)機前的溫度波動小了5m℃，穩(wěn)定時間縮短了3小時20分鐘，大大減少了溫度穩(wěn)定的等待時間，提高了工作效率。但是在補償電流施加于線圈的同時磁體溫度并不是恒定，而是出現(xiàn)了小的跌落，并沒有像預期計算的維持穩(wěn)定，在分析了磁體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和計算后，確定了出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，因為勻場補償線圈的發(fā)熱一部分傳遞給了磁體，另一部分發(fā)散到空氣中，而兩機聯(lián)機通訊后溫控器是直接減少了線圈計算的發(fā)熱功率，沒有考慮到空氣對線圈的散熱能力，造成了PWM輸出占空比過度減小。

由于磁體結(jié)構(gòu)的特殊性，空氣對補償線圈的熱量傳導計算結(jié)果與實際的傳導能力相差較大，采用試湊法調(diào)整勻場補償線圈對磁體加熱的功率衰減系數(shù)，當溫控器輸出衰減量為線圈發(fā)熱量的78%的時候，補償線圈的溫度對磁體影響較小，27.23Ω的補償線圈施加0.2A電流，磁體的溫度波動僅為0.66m℃，且穩(wěn)定時間僅用了約10min，而且0.66m℃的溫度波動在系統(tǒng)調(diào)試過程中是允許的，沒有對輸出結(jié)果造成較大影響。

3 結(jié)論

工業(yè)核磁共振永磁體系統(tǒng)在有源勻場調(diào)試的同時及時將調(diào)整信息反饋給溫控器，令溫控器提前對輸出值作出相應改變，大大減小了溫度的跳變幅度和縮短了溫度穩(wěn)定時間，解決了永磁體系統(tǒng)溫控突然失衡的現(xiàn)象。將有源勻場補償線圈對磁體的加熱系數(shù)代入到系統(tǒng)中，基本可以實現(xiàn)調(diào)試過程零等待，溫度的波動幅度在進一步調(diào)試過程中能夠降得更低。

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