专利名称：冷冻剂水平高度探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的冷冻剂水平高度(level)探针，如用于检测冷冻剂容器内 的液体冷冻剂的水平高度。特别地，本发明将参照检测罩住磁共振成像(MRI)系统的超导 磁体的冷冻剂容器内的氦的水平高度进行描述，但是，本发明可以应用于为了任何目的的 冷冻剂容器中的液体冷冻剂范围的检测。
背景技术：
图1示出一种低温恒温器的传统配置，该低温恒温器包括包含液体冷冻剂21的冷 冻剂容器12。冷却的超导磁体设置在冷冻剂容器12内，冷冻剂容器12自身保持在外真空 室(OVC) 14内。一个或多个热辐射屏蔽件16设置在冷冻剂容器12和外真空室14之间的 真空空间中。在一些已知的配置中，冷冻器17安装在冷冻器座15中，冷冻器座位于设置用 于所述目的的转塔18中，向着低温恒温器的侧面。冷冻器17提供主动制冷以冷却冷冻剂 容器12内的冷冻剂气体，在一些配置中，这是通过将冷冻剂气体冷凝为液体来实现。冷冻 器17还可用以冷却辐射屏蔽件16。设置了许多其它特征，例如电连接和机械支撑，但是为了简洁而没有示出在附图 中。为了将磁体10保持在超导状态，必须在液体容器中保持一定水平高度的液体冷 冻剂21。不可能直接观察到冷冻剂的水平高度，因为在氦冷冻剂的情形下，冷冻剂有效地 密封在4K温度下的金属容器中。因此，有必要提供一种允许外部监测冷冻剂水平高度的传 感器来检测冷冻剂容器内的冷冻剂水平高度。再者，当冷冻剂通过液体冷冻剂刚开始被充 注时，或者被加满时，有必要知道冷冻剂容器内存在的冷冻剂的水平高度。当充注或者加满 时，随着冷冻剂容器及其内容物被冷却会由于沸腾而损失掉显著量的液体冷冻剂，因此，监 测加入的液体冷冻剂的体积不非常简单。相同的传感器可以被使用以表明当冷冻剂容器被 充注时冷冻剂容器中的液体冷冻剂的水平高度。该传感器被称作冷冻剂水平高度探针。冷 冻剂水平高度探针22示意性地示出在图1中。冷冻剂水平高度探针的敏感长度定位为位 于期望检测的冷冻剂水平高度的范围内。冷冻剂水平高度探针可以固定到机械支撑结构例 如磁体10的线圈架(former)以将其保持就位。这通常在冷冻剂容器围绕磁体的组装过程 中进行。冷冻剂水平高度探针是电装置，在图2中示出传统的冷冻剂水平高度探针的示意 电路图。一定长度的超导导线30被提供，其具有超过探针要求监视的深度范围一些的长 度。超导导线可以是单根细丝，例如具有大约0.1毫米的厚度。超导导线并未设置有传导 外鞘，以保证当失超(quench)时它具有相对高的电阻。一块电阻丝的形式的加热器32设 置为与超导导线30的上端热相邻，并电连接到所述上端。载流引线34、36连接到串联的电 阻丝式加热器32和超导导线30的各个末端。电压探测导线38、40连接到超导导线的各上 端禾口下端。在使用中，冷冻剂水平高度探针将位于冷冻剂容器中，超导导线30将被冷却到低于其转变温度，并且将是超导的。电流I利用电流引线34、36通过超导导线30。电流还将 通过电阻丝式加热器32，该电阻丝式加热器32将被加热。该加热将在超导导线的相邻部分 中导致失超。随着电流I流动通过超导导线的具有电阻的失超的部分，它将使得所述导线 发热。失超将沿着超导导线传播直到它遇到液体冷冻剂的表面。浸在液体冷冻剂中的那部 分超导导线将不会失超，因为通过液体冷冻剂的沸腾它将保持在低于转变温度的温度下。电压探测导线38、40附着到超导导线30的各末端。一旦电流I被施加，就允许持 续适当长度的时间以保证超导导线内的失超已经向下传播到液体冷冻剂表面。然后，在电 压探测导线38、40之间出现的电压被测量。用于连接到电流引线34、36的电流源42和用 于连接到电压探测导线38、40的电压探测器44示意性地示出在图2中，并且在实际配置中 可以形成在冷冻剂容器外部的电控装置的一部分。电压探测导线之间的电压代表超导导线的失超长度也就是，液体冷冻剂的表面 上的超导导线的部分，因为在液体冷冻剂表面以下的超导导线的那部分将保持超导。超导 导线典型地具有每单位长度恒定的电阻，以使得测量的电压以及施加的电流I的大小可以 容易地转换为冷冻剂容器内的连接器水平高度的指示。传统的氦探针是由上述的导线制造而成，所述导线焊接在一起或者自由地保持在 外部保护编织层中，例如聚酯编织层。探针可以罩在冷冻剂容器内的塑料或金属导管内。已 经经历的问题在于实现可靠和一致的焊料接头，并且会发生机械损坏，特别是对超导导线， 这是由于这样的探针的易碎的属性所致。如果焊料形成大的接头，那么焊料可以用作有效 的散热器以使得超导导线30的失超不能传递通过。传统的冷冻剂水平高度探针的描述可以在英国专利申请GB 2401688中找到。

发明内容
本发明致力于提供一种改进的冷冻剂水平高度探针以及用于制造这样的冷冻剂 水平高度探针的方法。为此，本发明的一个方面提供了一种冷冻剂水平高度探针，包括超导导体；加热 器，其被设置成加热一部分所述超导导体；电流引线，其设置成提供电流通过所述超导导 体；以及电压探测引线，其为电压探测器提供由于电流的通过而跨过所述超导导体出现的 电压，所述加热器、所述电流引线以及所述电压探测引线形成为在柔性基板上的箔轨迹。优选的是，还设置有柔性导线，该导线连接到至少一些箔轨迹，从而使得其能够电 连接到外部设备。在上述冷冻剂水平高度探针中，电绝缘柔性覆盖层布置在所述超导导体、所述加 热器、所述电流引线和所述电压探测引线之上，从而将所述超导导体、所述加热器、所述电 流弓I线和所述电压探测弓I线封套在所述基板和所述覆盖层之间。在上述冷冻剂水平高度探针中，在所述柔性导线和箔轨迹之间的接头可以封套在 所述基板和所述覆盖层之间。在上述冷冻剂水平高度探针中，所述超导导体至少焊接到所述加热器、所述电流 弓丨线和所述电压探测引线的子集。在上述冷冻剂水平高度探针中，至少一些柔性导线焊接到对应的箔轨迹。在上述冷冻剂水平高度探针中，所述电绝缘柔性覆盖层包括在所述超导导体部分之上的至少一个变薄区域。在上述冷冻剂水平高度探针中，所述基板包括聚酰亚胺材料片。在上述冷冻剂水平高度探针中，所述电绝缘柔性覆盖层包括聚酰亚胺材料层。在上述冷冻剂水平高度探针中，所述超导导体形成为在所述柔性基板上的箔轨 迹。本发明的另一方面提供了一种冷冻剂容器，其装备有如前所述的冷冻剂水平高度 探针。本发明的再一方面提供了一种磁共振成像系统，包括容纳在上述冷冻剂容器内的 超导磁体。


本本发明的上面的以及其它的目的、特征和优点将从下面的结合附图对其某些实 施例的描述变得明显，其中图1示出用于MRI系统的磁体的示意性截面图，其包括冷冻剂水平高度探针；图2示意性地示出冷冻剂水平高度探针的电路以及当使用时连接到冷冻剂水平 高度探针的外部设备；图3示出根据本发明的实施例的冷冻剂水平高度探针的示例性平面图；以及图4示出根据本发明的实施例的冷冻剂水平高度探针的示例性立面图。
具体实施例方式图3示出根据本发明的实施例的氦水平高度探针的示例性平面图。根据本发明， 冷冻剂水平高度探针并不简单地形成为焊接在一起的松散的导线，而是大多数所需的连接 是形成为在柔性基板上的导电轨迹。例如，聚酰亚胺基板层50 (图4)设置有导电的箔轨迹， 该轨迹用作电流引线34、36和电压探测引线38、40。电阻轨迹32可设置为加热器以加热超 导导体30并引发失超。会发现难以在聚酰亚胺基板层上设置作为轨迹的超导导体，图3的 实施例示出例如通过电阻焊接在接头52、54、56处电连接的单独的超导导线丝30。熔焊是 优选的连接方法，因为已经发现熔焊比钎焊更为可控和更具有可重复性。电阻熔焊还被发 现比钎焊更适于自动化。箔轨迹可以通过将整个金属箔层蚀刻为要求的图案而形成，如同传统地在印刷电 路板的制造中所进行的。轨迹可以是由例如铝或铜形成。或者，轨迹可以是例如从金属箔 片冲压而切割而成，并且轨迹粘接地附着到聚酰亚胺基板。优选地，加热器32由不同的比 其它轨迹电阻更大的箔材料形成。或者，加热器32可以由与其它轨迹相同材料的箔形成， 但是更薄。例如，电流引线36和电压探测导线28、40可以由铝形成，而电阻轨迹式的加热 器32可以由INCONEL (高强度奥氏体的镍铬铁合金)形成。对于不同轨迹使用不同的 材料可以通过冲压所需材料的箔片然后将它们粘贴到聚酰亚胺基板而实现，这比通过在基 板上提供不同金属的区域然后将其蚀刻更简单。柔性导线58在接头60处附着到导电轨迹 和加热器。在使用中，柔性导线从冷冻剂水平高度探针引出冷冻剂容器，用于连接到外部电 控装置，设置成通过电流引线供应电流并检测通过电压探测导线的电压。柔性导线优选地 为具有绝缘层的铝和铜。
超导导体30可以是铌钛导线丝。这可以在接头52、54、56处焊接到加热器和导电 轨迹。根据本发明的优选特征，绝缘覆盖层62(图4)然后施加到导电轨迹和超导导体之 上。该覆盖层保护超导导体和导电轨迹免遭损坏，并将它们隔离以防止与磁体或冷冻剂容 器的任何部件电接触。还通过将接头60封套在基板50和覆盖层60之间，这些接头被加强 并变得更难以折曲。覆盖层可以是背部具有胶粘剂的聚酰亚胺层。或者，非胶粘剂层也可以使用，整个 组件在真空包中被加热和压缩以保证基板和覆盖层之间的粘附。在替代实施例中，如上所述的承载轨迹和导线的基板50可以浸入液体例如乳液 溶液或熔融聚合物中，所述液体硬化以形成柔性涂层。在另一实施例中，可以施加固化树 脂，例如通过在基板上的轨迹和导线之上喷洒以形成柔性保护覆盖层。当使用时超导导体30与液体冷冻剂合理的热接触是有必要的。如果覆盖层62过 于热绝缘，冷冻剂水平高度探针不能给出精确的读数。例如，在冷冻剂水平高度探针的上端 引起的失超会传递到液体冷冻剂的水平高度之下。为了解决该问题，本发明的一些实施例 可以设置有覆盖层的变薄部分64。这可以在覆盖层已经形成之后例如通过蚀刻或者机械去 除而形成。或者，用作绝缘覆盖层62的柔性片可以具有预形成在其中的变薄部分64。在一 些实施例中，变薄部分可以由覆盖层62中的通孔替换。在又一实施例中，变薄部分可以被 模制。变薄部分可以设置在大致对应“高”、“中”和“低”冷冻剂水平高度的区域中，如所示 的，或者，可以延伸用于在电压探测导线电连接到超导导线的连接部54和56之间的大致超 导导体的敏感长度。或者，可以发现，适当的超导导体可以形成为在基板50上的轨迹，这可以导致机 械更加稳定的冷冻剂水平高度探针。这样的超导轨迹可以形成为箔带，附着到电阻轨迹32 之上，以便保证到超导导体的有效的热传递。所述的层叠结构的冷冻剂水平高度探针的配置减小了超导导体上不需要的热负 载的机会，例如通过接触一部分磁体。如此的任何不需要的热负载会防止失超沿着超导导 体任何更进一步的传播，并将导致冷冻剂水平高度的错误指示。本发明的冷冻剂水平高度探针被认为提供改进的机械稳定性和结构，更好控制的 加热器特征以及各个部分之间的接头的一致性。尽管本发明已经特别参照聚酰亚胺基板和覆盖层进行了描述，示例性的材料能够 在商标KAPTON下获得，但是也可以使用其它的柔性材料，例如商标MYLAR下能获得的聚酯 材料。聚酰亚胺和聚酯材料被认为适于用于低温环境中，在这样的环境中在机械性能上很 好地使用。它们具有良好的电绝缘特征并易于在一定的厚度范围内可用，从而允许容易地 调整热接口特征。其它的材料也可以使用，只要它们具有适当的电和机械属性。一些复合 材料也被发现是适当的。在轨迹形成为分离的金属箔片然后附着到基板的实施例中，基板甚至可以是编织 布材料或者非编织布材料。本发明的冷冻剂水平高度探针的操作是如同传统的冷冻剂水平高度探针。例如， IA的电流传播脉冲施加通过电阻轨迹32和超导导体30，以开始超导导体的失超。电流然 后可以减小，在此期间失超向下传播超导导体的长度。电流可以保持在该水平足够的时间以给予失超已经到达液体冷冻剂的表面的确认。然后，电流可以减小到更低的水平用于电 压测量。这保证失超不会传播到液体冷冻剂的表面之下，其在如果在电压测量过程中供应 了太多的电流的情形下会发生。本发明的冷冻剂水平高度探针在它围绕着超导磁体组装时优选地安装到冷冻剂 容器。弯曲的支撑件，例如玻璃纤维增强塑料的复合材料的弧形件可以被提供以将冷冻剂 水平高度探针支撑就位。尽管本发明已经参照某些特定实施例进行描述，但是可以在所附权利要求限定的 本发明的范围内进行各种变化和修改。例如，可以使用除了特别描述的之外的柔性基板和 覆盖材料作为探针的传导和电阻材料。超导导体的材料应当适当选取以具有在待监测的液 体冷冻剂的沸点附近但是在之上的转变温度。尽管优选的组装技术是使用电阻焊接来将电 阻部件接合在一起，但是也可以使用其它接合方法，例如其它类型的熔焊、钎焊以及机械干 涉。还可以使用不同的接合方法，由此超导导线可以焊接到仅一部分轨迹。也可以进行替 代的电配置。例如，加热器32可以被供应独立于施加到超导导线的电流的电流。
权利要求
1.一种冷冻剂水平高度探针，包括超导导体(30)；加热器(32)，其被设置成加热一 部分所述超导导体；电流引线(34、36)，其设置成提供电流通过所述超导导体；以及电压探 测引线(38、40)，其为电压探测器(44)提供由于电流的通过而跨过所述超导导体出现的电 压，其特征在于，所述加热器、所述电流引线以及所述电压探测引线形成为在柔性基板(50)上的箔轨迹。
2.如权利要求1所述的冷冻剂水平高度探针，进一步设置有柔性导线(58)，该导线连 接(60)到至少一些箔轨迹，从而使得其能够电连接到外部设备(42、44)。
3.如权利要求1或2所述的冷冻剂水平高度探针，其中，电绝缘柔性覆盖层(62)布 置在所述超导导体、所述加热器、所述电流引线和所述电压探测引线之上，从而将所述超导 导体、所述加热器、所述电流引线和所述电压探测引线封套在所述基板(50)和所述覆盖层 (62)之间。
4.如权利要求3所述的冷冻剂水平高度探针，其中，在所述柔性导线和箔轨迹之间的 接头(60)封套在所述基板(50)和所述覆盖层(62)之间。
5.如前述权利要求中任一项所述的冷冻剂水平高度探针，其中，所述超导导体至少焊 接到所述加热器、所述电流弓I线和所述电压探测引线的子集。
6.如权利要求2所述的冷冻剂水平高度探针，其中，至少一些柔性导线焊接到对应的 箔轨迹。
7.如权利要求3所述的冷冻剂水平高度探针，其中，所述电绝缘柔性覆盖层包括在所 述超导导体部分之上的至少一个变薄区域(64)。
8.如前述权利要求中任一项所述的冷冻剂水平高度探针，其中，所述基板(50)包括聚 酰亚胺材料片。
9.如权利要求3所述的冷冻剂水平高度探针，其中，所述电绝缘柔性覆盖层(62)包括 聚酰亚胺材料层。
10.如前述权利要求中任一项所述的冷冻剂水平高度探针，其中，所述超导导体形成为 在所述柔性基板(50)上的箔轨迹。
11.一种冷冻剂容器(12)，其装备有如前述权利要求中任一项所述的冷冻剂水平高度 探针。
12.一种磁共振成像系统，包括容纳在如权利要求11所述的冷冻剂容器内的超导磁体。
全文摘要
一种冷冻剂水平高度探针，包括超导导体(30)；加热器(32)，其安置以加热一部分超导导体；电流引线(34、36)，其安置来通过超导导体供应电流；以及电压探测引线(38、40)，其用于由于电流的通过而为电压探测器(44)提供跨过所述超导导体出现的电压。加热器、电流引线和电压探测引线形成为柔性基板(50)上的箔轨迹。导体还可以形成为柔性基板上的箔轨迹。
文档编号G01F23/22GK102003989SQ201010271279
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月1日 优先权日2009年9月1日
发明者保罗·W·埃奇利 申请人:英国西门子公司