Гистерезис высоковольтных керамических конденсаторов в компенсации вихревых токов при МРТ

Гистерезис высоковольтных керамических конденсаторов в компенсации вихревых токов при МРТ

Резюме

В сети компенсации вихревых токов в усилителе градиента МРТ после каждого переключения градиента вводится обратный импульс. Ее конденсаторы расположены в нескольких сантиметрах от стенки канала в поле от 1.5 до 7 Тл. Там сегнетоэлектрическое тело класса II создает измеримый гистерезис и остаточную намагниченность, что приводит к дрейфу компенсационного тока. В этой статье приводятся уравнения Джайлса-Атертона, диэлектрической проницаемости и старения, четыре случая дрейфа, этапы выбора и данные о конденсаторах, которые удерживают искажение изображения ниже 0.2%.

1. Введение

Градиентный усилитель должен подавать на градиентную катушку точный ток. Амплитудная ошибка, фазовая ошибка и остаточные явления после переключения проявляются в виде дрейфа в k-пространстве и артефактов изображения. Градиентная катушка находится внутри проводящего криостата и медного ВЧ-экрана. Каждое переключение индуцирует вихревые токи в этих проводниках.

Схема компенсации вихревых токов отслеживает заданный градиент. Она подает обратный ток для компенсации индуцированного поля. Несколько высоковольтных керамических конденсаторов образуют емкостной элемент, соединенных последовательно для напряжения и параллельно для тока.

Эти конденсаторы расположены на плате усилителя, в нескольких сантиметрах от стенки канала. В этом месте магнитное поле составляет 1.5 Тл, 3 Тл или 7 Тл. Керамический диэлектрик долгое время считался магнитно инертным, поэтому предполагалось, что магнитное воздействие на емкость и потери незначительно.

Эта точка зрения верна лишь в качестве приближения. Титанат бария в теле X7R является сегнетоэлектриком ниже точки Кюри и содержит множество магнитных доменов. Домены медленно реагируют на постоянное поле. В результате возникает гистерезис на кривой BH и остаточная намагниченность, которая возрастает со временем. Оба явления сдвигают эффективную диэлектрическую проницаемость, наблюдаемую компенсационным импульсом, что приводит к дрейфу компенсационного тока.

2. Основной механизм

2.1 Петля BH и модель Джайлза-Атертона

В перовскитном материале, таком как BaTiO₃ в X7R, ниже точки Кюри возникает спонтанная поляризация. Вместе с ней возникает и спонтанная намагниченность. Зависимость намагниченности M от приложенного поля H описывается уравнением Джайлза-Атертона.

M(H) = M_s · tanh((H + α · M) / a) + c · (dM_irrev / dH)

где M — намагниченность, H — приложенное поле, M_s — уровень насыщения, α — член связи доменных стенок, a — параметр формы петли, а c — обратимый член.

Уравнение описывает полную петлю БХ. Площадь петли определяет потери на гистерезис P_hyst, а концы петли определяют остаточную намагниченность B_r и коэрцитивную силу H_c. Для N4700, слабоферроэлектрического тела SrTiO₃, M_s находится на 80% ниже, чем у BaTiO₃. B_r остается ниже 2 мТл, H_c остается ниже 0.5 кА/м, а P_hyst примерно в десять раз ниже, чем у X7R.

2.2 Дрейф диэлектрической проницаемости в поле B0

Конденсатор в сети заряжается и разряжается импульсами с частотой в кГц. Внутри поля B0 эффективная емкость изменяется, поскольку поле сдвигает диэлектрическую проницаемость диэлектрика.

Δε / ε_0 = k_me² · B0² / μ_0

где Δε — сдвиг диэлектрической проницаемости, ε_0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, k_me — магнитоэлектрический член, B0 — статическое поле, а μ_0 — магнитная проницаемость вакуума.

Компенсационный ток следует за емкостью и наклоном напряжения. Затем к этому току добавляются два члена, вносящие систематическую ошибку.

ΔI_comp / I_comp ≈ (1 / C_eff) · (dC_eff / dB) · ΔB + k_h · B0

где I_comp — компенсационный ток, C_eff — эффективная емкость, ΔB — изменение поля, k_h — гистерезисный член, а B0 — статическое поле.

Для X7R начальное значение k_h составляет примерно 2×10⁻⁴ на Тл. В системе с напряженностью поля 3 Тл член k_h · B0 дает 0.06%, что кажется незначительным. После 10 000 часов домены стареют, и k_h возрастает до 5×10⁻⁴ на Тл. Тогда общая ошибка компенсации превышает 0.15%.

2.3 Дрейф остаточной намагниченности со временем

Диэлектрик, находящийся в постоянном поле, медленно фиксирует свои домены в одном направлении. В результате возникает макроскопическая остаточная намагниченность B_r, которая со временем возрастает в логарифмическом масштабе.

B_r(t) = B_r0 · [1 + k_age · ln(t / τ_0)]

где B_r(t) — остаточная намагниченность в момент времени t, B_r0 — начальное значение, k_age — член старения, а τ_0 — эталонная постоянная времени, обычно 1 ч.

В N4700 значение k_age примерно в три раза ниже, чем в X7R. После 10 000 часов общее увеличение остаточной намагниченности остается ниже 0.3 мТл, а дрейф тока — ниже 0.05%. Это находится в пределах допустимого отклонения искажения изображения в 0.5%, установленного стандартом IEC 60601-2-33.

Рис. 1 — Величина гистерезиса k_h в поле канала 3 Тл: X7R возрастает с 2 до 5 ×10⁻⁴ на Тл за 10 000 ч, в то время как N4700 остается около 0.2 и поддерживает дрейф ниже 0.05%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Гистерезис X7R приводит к ежегодному увеличению искажения EPI.

Одна из 3-тесловых нейрологических платформ отслеживала искажения изображения EPI в течение 10 000 часов. С компонентами X7R искажения увеличились с 0.3% до 0.9%. Это приближается к верхнему пределу 0.5% согласно IEC 60601-2-33. Компонент N4700 с k_h в десять раз ниже позволяет той же платформе удерживать искажения ниже 0.2%.

Проблема 2: Смещение остаточной намагниченности приводит к частой перекалибровке.

Для сети X7R предварительное сканирование вихревыми токами необходимо повторять каждые шесть месяцев. Одно предварительное сканирование занимает 25 минут. В течение года это приводит к потере примерно 150 000 юаней клинического дохода с каждого сканера. В сети N4700 этот интервал увеличивается до 18 месяцев и более.

Проблема 3: Разброс параметров партии при гистерезисе создает несоответствие между каналами.

Система градиентного эхометра с 32 каналами измеряла вариации k_h в пределах ±25% для партий X7R. Это привело к разбросу более 2% по 32 амплитудам компенсационного тока. В этом случае каждому каналу требуется собственная калибровка. Система N4700 со 100% контролем BH удерживает вариации k_h в пределах ±5%.

Проблема 4: Посторонние поля от линии постоянного тока создают дополнительную нагрузку из-за гистерезиса.

Высокотоковая градиентная линия связи постоянного тока создает паразитное поле, достигающее компенсирующего конденсатора. Это поле добавляет вторую гистерезисную нагрузку поверх поля в канале. В HVC используется формула N4700 с χ ниже 3×10⁻⁶, а также резисторы магнитного экранирования. В результате связь остается ниже уровня шума.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик с низким гистерезисом и низкой остаточной намагниченностью.

N4700 Значения M_s ниже 0.05 А/м, B_r ниже 2 мТл, H_c ниже 0.5 кА/м и k_h ниже 2×10⁻⁵ на Тл. Гистерезисные потери более чем в 10 раз ниже, чем у X7R. Дрейф остаточной намагниченности за 10 000 ч остается ниже 0.3 мТл.

Стратегия 2: Требовать 100% отбора проб с помощью петли BH для каждой партии.

В документы на закупку необходимо внести данные о 100% низкопольном измерении петли BH. Необходимо поддерживать разброс k_h в пределах ±5% и отправлять отчет SPC с каждой партией. Этот отчет является исходными данными, необходимыми OEM-производителю для обеспечения стабильности многоканального сигнала.

Стратегия 3: Использование немагнитной упаковки и клемм.

Бесникелевое медное покрытие с μ_r ниже 1.02 и немагнитный керамический корпус позволяют снизить общую χ корпуса ниже 3×10⁻⁶. Этот показатель на 40% ниже, чем у обычного корпуса X7R. В этот показатель влияют как покрытие выводов, так и крепежные элементы.

Стратегия 4: Снижение скачка тока с помощью диода с плавным восстановлением.

A быстровосстанавливающийся диод При обратном восстановлении заряда ниже 30 нКл в цепи свободного хода скачок тока уменьшается более чем на 40%. Переходное гистерезисное возбуждение уменьшается вместе со скачком, поэтому площадь петли остается меньше при каждом переключении.

Стратегия 5: Согласуйте каналы с помощью немагнитных резисторов.

HVRGXP Немагнитные резисторы из стеклопластика имеют коэффициент μ_r, близкий к 1.0, и температурный коэффициент ниже 25 ppm/°C. Их удельная проводимость χ остается ниже 1×10⁻⁶, поэтому они образуют многоканальную сеть согласования тока, не добавляя собственного гистерезиса.

Стратегия 6: Моделирование процесса старения и проведение проверок по графику.

Модель старения по стандарту IEC 60721-3-3, учитывающая магнитные, температурные и временные характеристики, позволяет снизить погрешность прогнозирования срока службы до 100 000 часов до менее 10%. Проведите измерение петли BH установленного конденсатора через 5,000 часов. При повышении k_h более чем на 30% следует инициировать профилактическую замену. пленочный конденсатор Это позволяет избежать доменного эффекта при низком напряжении, но не может достичь 10 кВ на той же площади платы.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для цепей компенсации вихревых токов.

Стабильность изображения в течение более 100 000 часов обеспечивается тремя свойствами диэлектрика: низкими потерями на гистерезис, низкой остаточной намагниченностью и низкой магнитной восприимчивостью. Компания HVC производит компоненты N4700 для всех трех параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение k_h ниже 2×10⁻⁵ на Тл. Ошибка компенсации, обусловленная гистерезисным членом, остается небольшой даже после 10 000 часов старения домена в поле 3 Тл.
• Значение B_r ниже 2 мТл, а значение k_age в три раза ниже X7R. После 10 000 часов увеличение остаточной намагниченности остается ниже 0.3 мТл, а дрейф тока — ниже 0.05%.
• DF_eff ниже 0.1% на частоте 1 кГц. Гистерезисные потери увеличивают диэлектрические потери за счет тепла, а P_hyst возрастает с температурой, поэтому низкий DF обеспечивает плоскую петлю.
• 100% выборка петли BH на партию. Разброс k_h внутри партии остается в пределах ±5%, что позволяет работать с 32 каналами без повторной калибровки каждого канала.
• Клеммы с низкой индуктивностью. дверная ручка конденсаторы В сериях HVCT8G и HVCT9G выдерживают напряжение 10 кВ, имеют короткий контактный путь и не содержат никеля.
• Скоординированные компоненты. толстопленочный резистор Экранирующие элементы, диоды свободного хода HVD и конденсаторы HVC заказываются одним комплектом для цепи компенсации и ограничителя.

Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Vishay Серии 715C, AVX HP/HQ, Murata DHR и TDK UHV. Они используются в крупномасштабном производстве градиентов для МРТ-аппаратов для компаний из списка Fortune 500, занимающихся производством оборудования для визуализации.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженерный отдел HVC оказывает поддержку в работе над гистерезисом, планировании испытаний BH, выборе корпусов и сопряженном магнитотермическом моделировании.

Отправьте данные о напряженности поля, частоте импульсов, количестве каналов и целевом пределе искажений. HVC в течение пяти рабочих дней вернет вам таблицу соответствия с номерами деталей, данными k_h и B_r для каждой партии, прогнозом старения и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему магнитный гистерезис важен в керамическом конденсаторе?

Поскольку титанат бария в теле II класса является сегнетоэлектриком и содержит множество доменов, эти домены медленно реагируют на постоянное поле. В результате кривая BH разворачивается в петлю и оставляет остаточную намагниченность. Это сдвигает эффективную диэлектрическую проницаемость, что, в свою очередь, изменяет компенсационный ток и геометрию изображения.

Вопрос 2: Насколько изменяется гистерезис X7R за десять лет?

Начальное значение составляет около 2×10⁻⁴ на Тл и достигает 5×10⁻⁴ на Тл после 10 000 часов работы в поле 3 Тл. Затем ошибка компенсации превышает 0.15%. Искажение EPI, отслеживаемое системой, возрастает с 0.3% до 0.9% за тот же период. N4700 с k_h ниже 2×10⁻⁵ на Тл поддерживает ту же платформу с погрешностью менее 0.2%.

В3: Что дает мне модель Джайлза-Атертона?

Полный контур BH, а также из контура остаточная намагниченность B_r, коэрцитивная сила H_c и потери на гистерезис P_hyst. Эти три значения позволяют рассчитать погрешность компенсации до сборки платы. N4700 показывает B_r ниже 2 мТл, H_c ниже 0.5 кА/м и потери в десять раз ниже, чем у X7R.

Вопрос 4: Как часто необходимо проводить повторную калибровку компенсационной сети?

В сети X7R предварительное сканирование требуется каждые шесть месяцев, по 25 минут каждое. Это обходится примерно в 150 000 юаней клинического дохода в год на один сканер. Сеть N4700 увеличивает интервал до 18 месяцев и более. На одном из центров с 3-тесловым оборудованием этот интервал достиг 20 месяцев, что позволило сэкономить около 80 часов простоя в год.

В5: Как обеспечить стабильную работу 32 каналов?

Контролируйте разброс k_h на уровне партии. Партии X7R различаются на ±25%, что приводит к разбросу амплитуд 32-канальной компенсации более чем на 2% и требует калибровки каждого канала. HVC измеряет петлю BH на 100% продукции N4700 и удерживает разброс в пределах ±5%. На одном из участков с 32 каналами разброс увеличился с 2.1% до 0.4%.

В6: Что является основанием для профилактической замены?

Увеличение измеренного значения k_h. Произведите выборку петли BH через 5,000 ч и замените деталь, если значение k_h превысило начальное более чем на 30%. Это позволит поддерживать искажение изображения ниже уровня, видимого рентгенологу. Кроме того, это обойдется гораздо дешевле, чем неожиданная полная перекалибровка.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-33:2022, Медицинское электрооборудование — Часть 2-33: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам оборудования магнитно-резонансной томографии для медицинской диагностикиЖенева: МЭК, 2022.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
8. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. IEC 60601-1-2:2014+AMD1:2020 CSV, Медицинское электрооборудование. Часть 1-2. Общие требования к базовой безопасности и основным характеристикам. Дополнительный стандарт. Электромагнитные помехи. Требования и испытания, Изд. 4.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2020.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com