專利名稱：冷凍劑水平高度探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的冷凍劑水平高度(level)探針，如用于檢測冷凍劑容器內(nèi) 的液體冷凍劑的水平高度。特別地，本發(fā)明將參照檢測罩住磁共振成像(MRI)系統(tǒng)的超導(dǎo) 磁體的冷凍劑容器內(nèi)的氦的水平高度進(jìn)行描述，但是，本發(fā)明可以應(yīng)用于為了任何目的的 冷凍劑容器中的液體冷凍劑范圍的檢測。
背景技術(shù)：
圖1示出一種低溫恒溫器的傳統(tǒng)配置，該低溫恒溫器包括包含液體冷凍劑21的冷 凍劑容器12。冷卻的超導(dǎo)磁體設(shè)置在冷凍劑容器12內(nèi)，冷凍劑容器12自身保持在外真空 室(OVC) 14內(nèi)。一個(gè)或多個(gè)熱輻射屏蔽件16設(shè)置在冷凍劑容器12和外真空室14之間的 真空空間中。在一些已知的配置中，冷凍器17安裝在冷凍器座15中，冷凍器座位于設(shè)置用 于所述目的的轉(zhuǎn)塔18中，向著低溫恒溫器的側(cè)面。冷凍器17提供主動制冷以冷卻冷凍劑 容器12內(nèi)的冷凍劑氣體，在一些配置中，這是通過將冷凍劑氣體冷凝為液體來實(shí)現(xiàn)。冷凍 器17還可用以冷卻輻射屏蔽件16。設(shè)置了許多其它特征，例如電連接和機(jī)械支撐，但是為了簡潔而沒有示出在附圖 中。為了將磁體10保持在超導(dǎo)狀態(tài)，必須在液體容器中保持一定水平高度的液體冷 凍劑21。不可能直接觀察到冷凍劑的水平高度，因?yàn)樵诤だ鋬鰟┑那樾蜗?，冷凍劑有效?密封在4K溫度下的金屬容器中。因此，有必要提供一種允許外部監(jiān)測冷凍劑水平高度的傳 感器來檢測冷凍劑容器內(nèi)的冷凍劑水平高度。再者，當(dāng)冷凍劑通過液體冷凍劑剛開始被充 注時(shí)，或者被加滿時(shí)，有必要知道冷凍劑容器內(nèi)存在的冷凍劑的水平高度。當(dāng)充注或者加滿 時(shí)，隨著冷凍劑容器及其內(nèi)容物被冷卻會由于沸騰而損失掉顯著量的液體冷凍劑，因此，監(jiān) 測加入的液體冷凍劑的體積不非常簡單。相同的傳感器可以被使用以表明當(dāng)冷凍劑容器被 充注時(shí)冷凍劑容器中的液體冷凍劑的水平高度。該傳感器被稱作冷凍劑水平高度探針。冷 凍劑水平高度探針22示意性地示出在圖1中。冷凍劑水平高度探針的敏感長度定位為位 于期望檢測的冷凍劑水平高度的范圍內(nèi)。冷凍劑水平高度探針可以固定到機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)例 如磁體10的線圈架(former)以將其保持就位。這通常在冷凍劑容器圍繞磁體的組裝過程 中進(jìn)行。冷凍劑水平高度探針是電裝置，在圖2中示出傳統(tǒng)的冷凍劑水平高度探針的示意 電路圖。一定長度的超導(dǎo)導(dǎo)線30被提供，其具有超過探針要求監(jiān)視的深度范圍一些的長 度。超導(dǎo)導(dǎo)線可以是單根細(xì)絲，例如具有大約0.1毫米的厚度。超導(dǎo)導(dǎo)線并未設(shè)置有傳導(dǎo) 外鞘，以保證當(dāng)失超(quench)時(shí)它具有相對高的電阻。一塊電阻絲的形式的加熱器32設(shè) 置為與超導(dǎo)導(dǎo)線30的上端熱相鄰，并電連接到所述上端。載流引線34、36連接到串聯(lián)的電 阻絲式加熱器32和超導(dǎo)導(dǎo)線30的各個(gè)末端。電壓探測導(dǎo)線38、40連接到超導(dǎo)導(dǎo)線的各上 端禾口下端。在使用中，冷凍劑水平高度探針將位于冷凍劑容器中，超導(dǎo)導(dǎo)線30將被冷卻到低于其轉(zhuǎn)變溫度，并且將是超導(dǎo)的。電流I利用電流引線34、36通過超導(dǎo)導(dǎo)線30。電流還將 通過電阻絲式加熱器32，該電阻絲式加熱器32將被加熱。該加熱將在超導(dǎo)導(dǎo)線的相鄰部分 中導(dǎo)致失超。隨著電流I流動通過超導(dǎo)導(dǎo)線的具有電阻的失超的部分，它將使得所述導(dǎo)線 發(fā)熱。失超將沿著超導(dǎo)導(dǎo)線傳播直到它遇到液體冷凍劑的表面。浸在液體冷凍劑中的那部 分超導(dǎo)導(dǎo)線將不會失超，因?yàn)橥ㄟ^液體冷凍劑的沸騰它將保持在低于轉(zhuǎn)變溫度的溫度下。電壓探測導(dǎo)線38、40附著到超導(dǎo)導(dǎo)線30的各末端。一旦電流I被施加，就允許持 續(xù)適當(dāng)長度的時(shí)間以保證超導(dǎo)導(dǎo)線內(nèi)的失超已經(jīng)向下傳播到液體冷凍劑表面。然后，在電 壓探測導(dǎo)線38、40之間出現(xiàn)的電壓被測量。用于連接到電流引線34、36的電流源42和用 于連接到電壓探測導(dǎo)線38、40的電壓探測器44示意性地示出在圖2中，并且在實(shí)際配置中 可以形成在冷凍劑容器外部的電控裝置的一部分。電壓探測導(dǎo)線之間的電壓代表超導(dǎo)導(dǎo)線的失超長度也就是，液體冷凍劑的表面 上的超導(dǎo)導(dǎo)線的部分，因?yàn)樵谝后w冷凍劑表面以下的超導(dǎo)導(dǎo)線的那部分將保持超導(dǎo)。超導(dǎo) 導(dǎo)線典型地具有每單位長度恒定的電阻，以使得測量的電壓以及施加的電流I的大小可以 容易地轉(zhuǎn)換為冷凍劑容器內(nèi)的連接器水平高度的指示。傳統(tǒng)的氦探針是由上述的導(dǎo)線制造而成，所述導(dǎo)線焊接在一起或者自由地保持在 外部保護(hù)編織層中，例如聚酯編織層。探針可以罩在冷凍劑容器內(nèi)的塑料或金屬導(dǎo)管內(nèi)。已 經(jīng)經(jīng)歷的問題在于實(shí)現(xiàn)可靠和一致的焊料接頭，并且會發(fā)生機(jī)械損壞，特別是對超導(dǎo)導(dǎo)線， 這是由于這樣的探針的易碎的屬性所致。如果焊料形成大的接頭，那么焊料可以用作有效 的散熱器以使得超導(dǎo)導(dǎo)線30的失超不能傳遞通過。傳統(tǒng)的冷凍劑水平高度探針的描述可以在英國專利申請GB 2401688中找到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于提供一種改進(jìn)的冷凍劑水平高度探針以及用于制造這樣的冷凍劑 水平高度探針的方法。為此，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種冷凍劑水平高度探針，包括超導(dǎo)導(dǎo)體；加熱 器，其被設(shè)置成加熱一部分所述超導(dǎo)導(dǎo)體；電流引線，其設(shè)置成提供電流通過所述超導(dǎo)導(dǎo) 體；以及電壓探測引線，其為電壓探測器提供由于電流的通過而跨過所述超導(dǎo)導(dǎo)體出現(xiàn)的 電壓，所述加熱器、所述電流引線以及所述電壓探測引線形成為在柔性基板上的箔軌跡。優(yōu)選的是，還設(shè)置有柔性導(dǎo)線，該導(dǎo)線連接到至少一些箔軌跡，從而使得其能夠電 連接到外部設(shè)備。在上述冷凍劑水平高度探針中，電絕緣柔性覆蓋層布置在所述超導(dǎo)導(dǎo)體、所述加 熱器、所述電流引線和所述電壓探測引線之上，從而將所述超導(dǎo)導(dǎo)體、所述加熱器、所述電 流弓I線和所述電壓探測弓I線封套在所述基板和所述覆蓋層之間。在上述冷凍劑水平高度探針中，在所述柔性導(dǎo)線和箔軌跡之間的接頭可以封套在 所述基板和所述覆蓋層之間。在上述冷凍劑水平高度探針中，所述超導(dǎo)導(dǎo)體至少焊接到所述加熱器、所述電流 弓丨線和所述電壓探測引線的子集。在上述冷凍劑水平高度探針中，至少一些柔性導(dǎo)線焊接到對應(yīng)的箔軌跡。在上述冷凍劑水平高度探針中，所述電絕緣柔性覆蓋層包括在所述超導(dǎo)導(dǎo)體部分之上的至少一個(gè)變薄區(qū)域。在上述冷凍劑水平高度探針中，所述基板包括聚酰亞胺材料片。在上述冷凍劑水平高度探針中，所述電絕緣柔性覆蓋層包括聚酰亞胺材料層。在上述冷凍劑水平高度探針中，所述超導(dǎo)導(dǎo)體形成為在所述柔性基板上的箔軌 跡。本發(fā)明的另一方面提供了一種冷凍劑容器，其裝備有如前所述的冷凍劑水平高度 探針。本發(fā)明的再一方面提供了一種磁共振成像系統(tǒng)，包括容納在上述冷凍劑容器內(nèi)的 超導(dǎo)磁體。


本本發(fā)明的上面的以及其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面的結(jié)合附圖對其某些實(shí) 施例的描述變得明顯，其中圖1示出用于MRI系統(tǒng)的磁體的示意性截面圖，其包括冷凍劑水平高度探針；圖2示意性地示出冷凍劑水平高度探針的電路以及當(dāng)使用時(shí)連接到冷凍劑水平 高度探針的外部設(shè)備；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的冷凍劑水平高度探針的示例性平面圖；以及圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的冷凍劑水平高度探針的示例性立面圖。
具體實(shí)施例方式圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的氦水平高度探針的示例性平面圖。根據(jù)本發(fā)明， 冷凍劑水平高度探針并不簡單地形成為焊接在一起的松散的導(dǎo)線，而是大多數(shù)所需的連接 是形成為在柔性基板上的導(dǎo)電軌跡。例如，聚酰亞胺基板層50 (圖4)設(shè)置有導(dǎo)電的箔軌跡， 該軌跡用作電流引線34、36和電壓探測引線38、40。電阻軌跡32可設(shè)置為加熱器以加熱超 導(dǎo)導(dǎo)體30并引發(fā)失超。會發(fā)現(xiàn)難以在聚酰亞胺基板層上設(shè)置作為軌跡的超導(dǎo)導(dǎo)體，圖3的 實(shí)施例示出例如通過電阻焊接在接頭52、54、56處電連接的單獨(dú)的超導(dǎo)導(dǎo)線絲30。熔焊是 優(yōu)選的連接方法，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)熔焊比釬焊更為可控和更具有可重復(fù)性。電阻熔焊還被發(fā) 現(xiàn)比釬焊更適于自動化。箔軌跡可以通過將整個(gè)金屬箔層蝕刻為要求的圖案而形成，如同傳統(tǒng)地在印刷電 路板的制造中所進(jìn)行的。軌跡可以是由例如鋁或銅形成?；蛘?，軌跡可以是例如從金屬箔 片沖壓而切割而成，并且軌跡粘接地附著到聚酰亞胺基板。優(yōu)選地，加熱器32由不同的比 其它軌跡電阻更大的箔材料形成?；蛘撸訜崞?2可以由與其它軌跡相同材料的箔形成， 但是更薄。例如，電流引線36和電壓探測導(dǎo)線28、40可以由鋁形成，而電阻軌跡式的加熱 器32可以由INCONEL (高強(qiáng)度奧氏體的鎳鉻鐵合金)形成。對于不同軌跡使用不同的 材料可以通過沖壓所需材料的箔片然后將它們粘貼到聚酰亞胺基板而實(shí)現(xiàn)，這比通過在基 板上提供不同金屬的區(qū)域然后將其蝕刻更簡單。柔性導(dǎo)線58在接頭60處附著到導(dǎo)電軌跡 和加熱器。在使用中，柔性導(dǎo)線從冷凍劑水平高度探針引出冷凍劑容器，用于連接到外部電 控裝置，設(shè)置成通過電流引線供應(yīng)電流并檢測通過電壓探測導(dǎo)線的電壓。柔性導(dǎo)線優(yōu)選地 為具有絕緣層的鋁和銅。
超導(dǎo)導(dǎo)體30可以是鈮鈦導(dǎo)線絲。這可以在接頭52、54、56處焊接到加熱器和導(dǎo)電 軌跡。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選特征，絕緣覆蓋層62(圖4)然后施加到導(dǎo)電軌跡和超導(dǎo)導(dǎo)體之 上。該覆蓋層保護(hù)超導(dǎo)導(dǎo)體和導(dǎo)電軌跡免遭損壞，并將它們隔離以防止與磁體或冷凍劑容 器的任何部件電接觸。還通過將接頭60封套在基板50和覆蓋層60之間，這些接頭被加強(qiáng) 并變得更難以折曲。覆蓋層可以是背部具有膠粘劑的聚酰亞胺層?；蛘?，非膠粘劑層也可以使用，整個(gè) 組件在真空包中被加熱和壓縮以保證基板和覆蓋層之間的粘附。在替代實(shí)施例中，如上所述的承載軌跡和導(dǎo)線的基板50可以浸入液體例如乳液 溶液或熔融聚合物中，所述液體硬化以形成柔性涂層。在另一實(shí)施例中，可以施加固化樹 脂，例如通過在基板上的軌跡和導(dǎo)線之上噴灑以形成柔性保護(hù)覆蓋層。當(dāng)使用時(shí)超導(dǎo)導(dǎo)體30與液體冷凍劑合理的熱接觸是有必要的。如果覆蓋層62過 于熱絕緣，冷凍劑水平高度探針不能給出精確的讀數(shù)。例如，在冷凍劑水平高度探針的上端 引起的失超會傳遞到液體冷凍劑的水平高度之下。為了解決該問題，本發(fā)明的一些實(shí)施例 可以設(shè)置有覆蓋層的變薄部分64。這可以在覆蓋層已經(jīng)形成之后例如通過蝕刻或者機(jī)械去 除而形成?；蛘?，用作絕緣覆蓋層62的柔性片可以具有預(yù)形成在其中的變薄部分64。在一 些實(shí)施例中，變薄部分可以由覆蓋層62中的通孔替換。在又一實(shí)施例中，變薄部分可以被 模制。變薄部分可以設(shè)置在大致對應(yīng)“高”、“中”和“低”冷凍劑水平高度的區(qū)域中，如所示 的，或者，可以延伸用于在電壓探測導(dǎo)線電連接到超導(dǎo)導(dǎo)線的連接部54和56之間的大致超 導(dǎo)導(dǎo)體的敏感長度。或者，可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)某瑢?dǎo)導(dǎo)體可以形成為在基板50上的軌跡，這可以導(dǎo)致機(jī) 械更加穩(wěn)定的冷凍劑水平高度探針。這樣的超導(dǎo)軌跡可以形成為箔帶，附著到電阻軌跡32 之上，以便保證到超導(dǎo)導(dǎo)體的有效的熱傳遞。所述的層疊結(jié)構(gòu)的冷凍劑水平高度探針的配置減小了超導(dǎo)導(dǎo)體上不需要的熱負(fù) 載的機(jī)會，例如通過接觸一部分磁體。如此的任何不需要的熱負(fù)載會防止失超沿著超導(dǎo)導(dǎo) 體任何更進(jìn)一步的傳播，并將導(dǎo)致冷凍劑水平高度的錯(cuò)誤指示。本發(fā)明的冷凍劑水平高度探針被認(rèn)為提供改進(jìn)的機(jī)械穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)，更好控制的 加熱器特征以及各個(gè)部分之間的接頭的一致性。盡管本發(fā)明已經(jīng)特別參照聚酰亞胺基板和覆蓋層進(jìn)行了描述，示例性的材料能夠 在商標(biāo)KAPTON下獲得，但是也可以使用其它的柔性材料，例如商標(biāo)MYLAR下能獲得的聚酯 材料。聚酰亞胺和聚酯材料被認(rèn)為適于用于低溫環(huán)境中，在這樣的環(huán)境中在機(jī)械性能上很 好地使用。它們具有良好的電絕緣特征并易于在一定的厚度范圍內(nèi)可用，從而允許容易地 調(diào)整熱接口特征。其它的材料也可以使用，只要它們具有適當(dāng)?shù)碾姾蜋C(jī)械屬性。一些復(fù)合 材料也被發(fā)現(xiàn)是適當(dāng)?shù)?。在軌跡形成為分離的金屬箔片然后附著到基板的實(shí)施例中，基板甚至可以是編織 布材料或者非編織布材料。本發(fā)明的冷凍劑水平高度探針的操作是如同傳統(tǒng)的冷凍劑水平高度探針。例如， IA的電流傳播脈沖施加通過電阻軌跡32和超導(dǎo)導(dǎo)體30，以開始超導(dǎo)導(dǎo)體的失超。電流然 后可以減小，在此期間失超向下傳播超導(dǎo)導(dǎo)體的長度。電流可以保持在該水平足夠的時(shí)間以給予失超已經(jīng)到達(dá)液體冷凍劑的表面的確認(rèn)。然后，電流可以減小到更低的水平用于電 壓測量。這保證失超不會傳播到液體冷凍劑的表面之下，其在如果在電壓測量過程中供應(yīng) 了太多的電流的情形下會發(fā)生。本發(fā)明的冷凍劑水平高度探針在它圍繞著超導(dǎo)磁體組裝時(shí)優(yōu)選地安裝到冷凍劑 容器。彎曲的支撐件，例如玻璃纖維增強(qiáng)塑料的復(fù)合材料的弧形件可以被提供以將冷凍劑 水平高度探針支撐就位。盡管本發(fā)明已經(jīng)參照某些特定實(shí)施例進(jìn)行描述，但是可以在所附權(quán)利要求限定的 本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變化和修改。例如，可以使用除了特別描述的之外的柔性基板和 覆蓋材料作為探針的傳導(dǎo)和電阻材料。超導(dǎo)導(dǎo)體的材料應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選取以具有在待監(jiān)測的液 體冷凍劑的沸點(diǎn)附近但是在之上的轉(zhuǎn)變溫度。盡管優(yōu)選的組裝技術(shù)是使用電阻焊接來將電 阻部件接合在一起，但是也可以使用其它接合方法，例如其它類型的熔焊、釬焊以及機(jī)械干 涉。還可以使用不同的接合方法，由此超導(dǎo)導(dǎo)線可以焊接到僅一部分軌跡。也可以進(jìn)行替 代的電配置。例如，加熱器32可以被供應(yīng)獨(dú)立于施加到超導(dǎo)導(dǎo)線的電流的電流。
權(quán)利要求
1.一種冷凍劑水平高度探針，包括超導(dǎo)導(dǎo)體(30)；加熱器(32)，其被設(shè)置成加熱一 部分所述超導(dǎo)導(dǎo)體；電流引線(34、36)，其設(shè)置成提供電流通過所述超導(dǎo)導(dǎo)體；以及電壓探 測引線(38、40)，其為電壓探測器(44)提供由于電流的通過而跨過所述超導(dǎo)導(dǎo)體出現(xiàn)的電 壓，其特征在于，所述加熱器、所述電流引線以及所述電壓探測引線形成為在柔性基板(50)上的箔軌跡。
2.如權(quán)利要求1所述的冷凍劑水平高度探針，進(jìn)一步設(shè)置有柔性導(dǎo)線(58)，該導(dǎo)線連 接(60)到至少一些箔軌跡，從而使得其能夠電連接到外部設(shè)備(42、44)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的冷凍劑水平高度探針，其中，電絕緣柔性覆蓋層(62)布 置在所述超導(dǎo)導(dǎo)體、所述加熱器、所述電流引線和所述電壓探測引線之上，從而將所述超導(dǎo) 導(dǎo)體、所述加熱器、所述電流引線和所述電壓探測引線封套在所述基板(50)和所述覆蓋層 (62)之間。
4.如權(quán)利要求3所述的冷凍劑水平高度探針，其中，在所述柔性導(dǎo)線和箔軌跡之間的 接頭(60)封套在所述基板(50)和所述覆蓋層(62)之間。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的冷凍劑水平高度探針，其中，所述超導(dǎo)導(dǎo)體至少焊 接到所述加熱器、所述電流弓I線和所述電壓探測引線的子集。
6.如權(quán)利要求2所述的冷凍劑水平高度探針，其中，至少一些柔性導(dǎo)線焊接到對應(yīng)的 箔軌跡。
7.如權(quán)利要求3所述的冷凍劑水平高度探針，其中，所述電絕緣柔性覆蓋層包括在所 述超導(dǎo)導(dǎo)體部分之上的至少一個(gè)變薄區(qū)域(64)。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的冷凍劑水平高度探針，其中，所述基板(50)包括聚 酰亞胺材料片。
9.如權(quán)利要求3所述的冷凍劑水平高度探針，其中，所述電絕緣柔性覆蓋層(62)包括 聚酰亞胺材料層。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的冷凍劑水平高度探針，其中，所述超導(dǎo)導(dǎo)體形成為 在所述柔性基板(50)上的箔軌跡。
11.一種冷凍劑容器(12)，其裝備有如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的冷凍劑水平高度 探針。
12.一種磁共振成像系統(tǒng)，包括容納在如權(quán)利要求11所述的冷凍劑容器內(nèi)的超導(dǎo)磁體。
全文摘要
一種冷凍劑水平高度探針，包括超導(dǎo)導(dǎo)體(30)；加熱器(32)，其安置以加熱一部分超導(dǎo)導(dǎo)體；電流引線(34、36)，其安置來通過超導(dǎo)導(dǎo)體供應(yīng)電流；以及電壓探測引線(38、40)，其用于由于電流的通過而為電壓探測器(44)提供跨過所述超導(dǎo)導(dǎo)體出現(xiàn)的電壓。加熱器、電流引線和電壓探測引線形成為柔性基板(50)上的箔軌跡。導(dǎo)體還可以形成為柔性基板上的箔軌跡。
文檔編號G01F23/22GK102003989SQ201010271279
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者保羅·W·埃奇利 申請人:英國西門子公司