Диэлектрические потери конденсатора радиочастотной катушки и удельная поглощенная мощность при МРТ 10.5 Тл

Диэлектрические потери конденсатора радиочастотной катушки и удельная поглощенная мощность при МРТ 10.5 Тл

Резюме

Сверхвысокопольная МРТ повышает ларморовскую частоту протонов до 446 МГц при 10.5 Тл. Это в 3.5 раза больше, чем 128 МГц у сканера с напряженностью поля 3 Тл. Диэлектрические потери в конденсаторе настройки катушки теперь определяют локальную удельную поглощенную мощность (SAR) и отношение сигнал/шум (SNR) изображения. Компоненты X7R рассеивают 2.8% за цикл в этом диапазоне. Компоненты N4700 — 0.12%. В этой статье приводятся соотношения потерь, SAR и резонанса, три варианта отказа в полевых условиях и этапы выбора.

1. Введение

В томографе с напряженностью магнитного поля 10.5 Тл протонный канал работает на частоте 446 МГц. Это в 3.5 раза больше, чем 128 МГц в системе с напряженностью магнитного поля 3 Тл. Каждый пассивный компонент внутри радиочастотной катушки работает на этом диапазоне почти на пределе своих физических возможностей.

Сначала эффект проявляется на настроечном конденсаторе. Через него протекает ВЧ-ток от катушки, и диэлектрик преобразует часть этого тока в тепло. Коэффициент преобразования равен эффективному коэффициенту рассеяния DF_eff.

Потери значительны. Увеличение DF_eff на 0.1% повышает локальный SAR головки на 8–15% и приводит к снижению отношения сигнал/шум примерно на 2 дБ. Диэлектрики X7R и Y5V достигают 3–8% на частоте 446 МГц, поэтому они не соответствуют пределу 10 Вт/кг, установленному в IEC 60601-2-33.

В этой статье рассматриваются соотношения потерь, удельной поглощенной мощности (SAR) и резонанса, три случая отказа в полевых условиях на частоте 446 МГц, а также этапы проектирования, позволяющие удерживать конденсатор катушки в пределах допустимого значения SAR.

2. Основной механизм

2.1 Диэлектрические потери и эквивалентное последовательное сопротивление

Потери начинаются с эквивалентного последовательного сопротивления. Для конденсатора емкостью C на частоте f эффективный коэффициент рассеяния равен:

DF_eff = 1 / (2π · f · C · R_p) = 2π · f · C · ESR

где f — рабочая частота, C — емкость, R_p — эквивалентное параллельное сопротивление, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление.

На частоте 446 МГц компонент емкостью 1 пФ с коэффициентом демпфирования 0.1% показывает эквивалентное последовательное сопротивление 0.36 Ом. Компонент N4700 емкостью 10 пФ имеет сопротивление около 36 мОм. Эти небольшие значения все же имеют значение, поскольку ВЧ-напряжение на компоненте высокое.

2.2 Рассеиваемая мощность в одном конденсаторе

Потери мощности радиочастотного сигнала в диэлектрике вытекают из тех же трех слагаемых:

P_loss = 2π · f · C · V² · DF_eff

где V — ВЧ-напряжение на конденсаторе, C — емкость, f — рабочая частота, а DF_eff — эффективный коэффициент рассеяния.

При частоте 446 МГц, емкости конденсатора 10 пФ и ВЧ-напряжении 500 В, коэффициент заполнения 0.1% дает около 0.7 Вт тепла на одну деталь. 32-канальная антенная решетка выделяет до 22 Вт тепла. При использовании X7R с коэффициентом заполнения 2.8% каждая деталь потребляет 2.2 Вт тепла, а общая мощность решетки достигает 70 Вт.

2.3 Локальный нагрев SAR и конденсатора

Локальная удельная поглощенная мощность (SAR) в тканях головы включает в себя полевой член и тепло, которое конденсатор передает в объем ткани:

SAR_local ≈ σ · E² / (2 · ρ) + P_dielectric / V_tissue

где σ — проводимость ткани, E — электрическое поле радиочастотного диапазона, ρ — плотность ткани, а V_tissue — локальный объем ткани.

Нагрев конденсатора добавляет от 5% до 15% к общей удельной поглощенной мощности (SAR) при 10.5 Тл. В очаге перегрева интенсивность излучения может превышать предел в 10 Вт/кг на 20–40%, когда DF_eff возрастает с температурой.

2.4 Требования к собственной резонансной частоте

Реальная часть не является чисто емкостной. Ее эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) образует саморезонанс с C:

f_SRF = 1 / (2π · √(C · ESL))

где C — емкость, а ESL — эквивалентная последовательная индуктивность детали и ее крепления.

При f_SRF компонент становится индуктивным, и согласующая цепь выходит из строя. Микросхема X7R с емкостью 10 пФ и напряжением 3 кВ работает в диапазоне частот от 400 до 500 МГц, поэтому она индуктивна на частоте 446 МГц. Микросхема N4700 с ESL ниже 1.5 нГн достигает частоты 1.3 ГГц.

Рис. 1 — 32-канальная матрица X7R при коэффициенте усиления 2.8% достигает удельной поглощенной мощности в горячей точке 11.8 Вт/кг, что выше предела в 10 Вт/кг, в то время как N4700 при коэффициенте усиления 0.12% обеспечивает 8.6 Вт/кг.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Срабатывание сигнализации SAR во время сканирования головы.

Один исследовательский сканер с напряженностью магнитного поля 10.5 Тл выдавал сигналы тревоги о превышении удельной поглощенной мощности (SAR) в 10 г примерно в 12% случаев сканирования головы. Его 32-канальные настроечные конденсаторы представляли собой компоненты X7R 10 пФ, 3 кВ с коэффициентом детерминации 2.8% на частоте 446 МГц. Каждый компонент потреблял 2.2 Вт, общая потребляемая мощность массива достигала 70 Вт, а в зоне перегрева — 11.8 Вт/кг, что на 18% выше допустимого предела. На объекте пришлось снизить амплитуду B1 и смириться с более низкой эффективностью сканирования.

Проблемный момент 2: Низкое значение SRF приводит к расстройке катушки.

Некоторые импортные компоненты обеспечивают частотную характеристику всего 500–600 МГц. У катушки, работавшей при 7 Тл и 298 МГц, КСВ увеличился с 1.2 до 2.5 после перехода на 446 МГц. Равномерность B1 снизилась с 90% до 65%. Для полной переработки антенной решетки потребовалось шесть дополнительных месяцев разработки.

Болевой пункт 3: Распространение Q блокирует выравнивание B1

Для регулировки поля B1 необходимо согласовать значения добротности канала Q. Одна партия конденсаторов для настройки головной катушки на 10.5 Тл имела значения добротности от Q 80 до Q 150. После регулировки остаточная неравномерность поля оставалась на уровне 15%. Команда сортировала конденсаторы вручную, и этот этап остановил серийное производство.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик класса I с коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.15%.

В процессоре N4700 коэффициент потерь (DF) составляет от 0.1% до 0.15% на частоте 446 МГц, что в 15-20 раз ниже, чем у X7R. N4700 Диэлектрик обеспечивает стабильные потери в диапазоне от 128 МГц до 500 МГц, поэтому для работы с несколькими ядрами не требуется никаких изменений в оборудовании.

Стратегия 2: Используйте пакет для изучения английского языка на очень низком уровне.

Поддерживайте ESL ниже 1.5 нГн. В этом случае компонент с емкостью 10 пФ и напряжением 5 кВ будет демонстрировать SRF выше 1.3 ГГц и будет действовать как чистая емкость на частоте 446 МГц. Установите компонент заподлицо с микрополосковой линией и сделайте длину выводов короткой.

Стратегия 3: Экранирование частичного разряда при 5 пКл.

Проверяйте каждую деталь при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и поддерживайте частичный разряд на уровне 5 пКл или ниже. Критические элементы можно проверять при 2 пКл. Этот шаг предотвращает развитие микродефектов диэлектрика в путь пробоя в течение десяти лет эксплуатации.

Стратегия 4: Проверка стабильности емкости при наличии смещения.

При напряжении смещения 1500 В конденсатор N4700 теряет менее 3% своей емкости. При коэффициенте заполнения ВЧ-импульса катушки 10.5 Тл точка настройки смещается менее чем на 0.5%. В результате коррекция поля B1 сходится за меньшее количество итераций.

Стратегия 5: Совместная оптимизация тепловой конструкции и удельной поглощенной мощности (SAR).

Используйте конденсатор с низкими потерями в паре с медным теплоотводом. В компонентах HVCT9G используется подложка с высокой теплопроводностью и медные электроды, тепловое сопротивление которых ниже 5 °C/Вт. При жидкостном охлаждении повышение температуры остается ниже 10 °C, а дополнительная удельная поглощенная мощность (SAR) — ниже 0.5 Вт/кг.

Стратегия 6: Классифицируйте конденсаторы по параметру Q и сводите их в пары.

Попросите поставщика сгруппировать детали по распределению добротности (Q), чтобы один элемент катушки оставался в пределах ±3%. В этом случае регулировка с помощью прокладок B1 позволит снизить остаточную неравномерность до уровня ниже 3% вместо 15%.

Стратегия 7: Перед сборкой проверьте параметры уровня ловушки.

Измерьте коэффициенты DF и SRF на образце каждой партии на рабочей частоте и подтвердите данные PD в сертификате испытаний. Партия, прошедшая проверку на частоте 1 МГц, может не пройти проверку на частоте 446 МГц, а стоимость доработки катушки значительно превышает стоимость этапа проверки.

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 для узла катушки 10.5 Тл.

Два параметра определяют, останется ли катушка в пределах допустимого значения SAR на частоте 446 МГц: потери на рабочей частоте и стабильность емкости при изменении напряжения смещения и температуры. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 30 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент потерь ниже 0.15% на частоте 446 МГц. Тангенс угла потерь остается низким на высоких частотах и ​​при высоком напряжении, поэтому тепловыделение массива составляет около 3.5 Вт вместо 70 Вт.
• ESL ниже 1.5 нГн. Серия аксиальных отведений HVCT9G Это обеспечивает часть SRF емкостью 10 пФ и напряжением 5 кВ на частоте выше 1.3 ГГц, что в 1.8 раза превышает значение, требуемое для 10.5 Тл.
• SRF выше 1.3 ГГц. Компонент сохраняет емкостные характеристики на частоте 446 МГц и обеспечивает запас на третьей гармонике около 1.3 ГГц.
• Частичные разряды (ЧР) при 5 пКл или ниже, измеренные при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Деградация диэлектрика остается медленной в течение десяти лет работы в условиях сверхвысокого магнитного поля, и в отчетах приводятся данные о ЧР и результаты испытаний на сверхвысоком магнитном поле (HAST).
• Комплектующие объединены в одном заказе. быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды для контура расстройки PIN-сигнала и ограничения перенапряжения, HVR-BSP градуировочные резисторы для смещения PIN-контакта и регулировки добротности Q, и резисторы выборки HVRGXP для измерения тока.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay, AVX и TDK компоненты, и используются в серийном производстве для исследовательских платформ МРТ.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты различной комплектации — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в настройке катушек, измерении поверхностного резонансного поля и разработке планов скрининга частичных разрядов.

Отправьте данные о напряженности поля, количестве каналов, емкости настройки и коэффициенте заполнения передаваемого сигнала. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит список компонентов с данными DF и ESR на частоте 446 МГц, карту распределения добротности (Q) и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему настроечный конденсатор X7R не проходит проверку на соответствие пределу SAR при 10.5 Тл?

Коэффициент потерь достигает 2.8% на частоте 446 МГц, что в 20 раз превышает значение N4700. При ВЧ-напряжении 500 В на конденсаторе емкостью 10 пФ эти потери достигают 2.2 Вт на конденсатор и 70 Вт для 32-канальной антенной решетки. Тепло передается в ткани головы и увеличивает тепловую нагрузку в зоне перегрева до 11.8 Вт/кг, что на 18% выше предела в 10 Вт/кг, установленного стандартом IEC 60601-2-33.

В2: Какой запас по спин-резонансной частоте необходим для катушки с напряженностью магнитного поля 10.5 Тл?

По меньшей мере 900 МГц, а практическая цель — 1.3 ГГц. Компонент с SRF на 500 МГц уже является индуктивным на 446 МГц, что приводит к расстройке согласующей цепи и снижению однородности B1 с 90% до 65%. Компоненты N4700 с ESL ниже 1.5 нГн достигают 1.3 ГГц при значении 10 пФ.

Вопрос 3: Влияют ли потери в конденсаторе непосредственно на локальную удельную поглощенную мощность (SAR)?

Частично. Тепло, выделяемое конденсатором, составляет от 5% до 15% от общей удельной поглощенной мощности при 10.5 Тл и добавляется к полевому члену в том же объеме ткани. Путь управления — DF: поддерживайте его ниже 0.15%, и добавленный член останется ниже 0.5 Вт/кг.

Вопрос 4: Какой уровень электростатического сопротивления (ESL) я могу принимать на частоте 446 МГц?

Значение индуктивности ниже 1.5 нГн для компонента с емкостью 10 пФ и напряжением 5 кВ. Это значение обеспечивает частоту сверхпроводимости выше 1.3 ГГц и поддерживает емкостные характеристики компонента во всем диапазоне передачи. Длина выводов и площадь контактной площадки увеличивают индуктивность, поэтому устанавливайте компонент вплотную к микрополосковой линии и обеспечьте короткий обратный путь.

В5: Почему разброс добротности Q важен для коррекции неоднородности магнитного поля B1?

Алгоритм регулировки зазоров предполагает одинаковые значения добротности каналов. В партии, где добротность изменяется от 80 до 150, после регулировки зазоров остается 15% остаточной неравномерности поля. Детали с градуировкой, находящаяся в пределах ±3%, снижают эту неравномерность до уровня ниже 3% и исключают этап ручной сортировки из производственного процесса.

Вопрос 6: Как проверить партию товара перед сборкой катушки?

Измерьте DF и SRF на частоте 446 МГц на образце из партии, а не на 1 МГц, и считайте данные PD из сертификата испытаний. Партия, протестированная при 5 пКл и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, сохраняет стабильность емкости и потерь в течение десяти лет эксплуатации.

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 томографииЖенева: 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. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
10. Бьюкенен, Р. К. (ред.), Керамические материалы для электроники, 3-е изд. Нью-Йорк: Марсель Деккер, 2004.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com