CN101366163A

CN101366163A - 具有猝灭保护电路的超导电磁线圈以及对应的磁共振设备

Info

Publication number: CN101366163A
Application number: CNA2006800490964A
Authority: CN
Inventors: 格哈特·比特纳
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2009-02-11
Also published as: DE102005062581B3; US20090002902A1; US7969695B2; WO2007073979A1

Abstract

本发明涉及一种带有用于猝灭保护的电路的超导电磁线圈，其中，所述电路包括至少一个二极管(7；7a…7f)，该二极管被设置为与所述超导电磁线圈(1b…1e)的一部分(3a，3b；3a…3f)并联，并且其中，所述至少一个二极管(7；7a…7f)被设置为与该超导电磁线圈(1b…1e)热接触。此外，本发明还涉及一种具有这种超导电磁线圈(1b…1e)的MRT设备。

Description

具有猝灭保护电路的超导电磁线圈以及对应的磁共振设备

技术领域

本发明涉及一种带有用于猝灭保护的电路的超导电磁线圈，其特别是被用在磁共振断层造影设备(下面称为MRT设备)，以及涉及一种具有该电磁线圈的MRT设备。

背景技术

如已知的那样，如果电磁线圈处于极其冷的环境中、例如处于充满了液体氦的低温箱中，则可以将由超导材料做成的电磁线圈运行在超导状态下。在超导状态下电磁导线几乎不再具有电阻，使得不需要能量来保持在电磁线圈中的电流以及由此来保持由该电磁线圈所产生的磁场。电流本身在磁铁投入运行之前在所谓的加载过程中有源地被馈入到线圈中。这种低温磁铁在MRT设备中已经被广泛地采用。

通常，MRT低温磁铁包括多个串联连接的超导部分线圈，这些部分线圈是空间上分开的并且处于充满了液体氦的低温箱中。为了冷却，该低温箱又被冷却罩(

)包围并且被置于真空容器中。

超导磁铁的猝灭被理解为这样的过程，其中由于不同的原因超导电磁线圈的一部分失去了其超导特性并且变为正常导电，即以不为零的电阻来导电。

由于该电气上不消失的电阻，电磁线圈中的电流发生了改变，并且由其建立的磁场崩溃。该磁场的崩溃造成了一系列的过程，其中的每个过程都带来了问题。

一方面，通过该磁场的崩溃释放出了其中所存储的能量。几乎所有的能量被转变成热能，并且是在电磁导线的正常导电的范围内。如果电磁线圈的仅仅一个小的区域(例如仅仅一个部分线圈)正常导电，则在局部限制的区域分出的能量将转换为热能，这又会导致强烈的局部过热，该过热可能破坏低温磁铁的组成部分。通常，如下地降低局部过热的危险：在猝灭时按照控制的方式使得整个的电磁线圈达到正常导电的状态，从而将热能分布到电磁线圈的整个热质量上。

另一方面，通过改变的磁场在电磁线圈中以及在MRT设备的其它导电的部件中形成了涡流，该涡流又与该磁场相互作用，从而将MRT设备的部件置于显著的力中。为了将侧向的位移力保持为尽可能地小，人们追求，使得在猝灭时尽可能地按照对称的形式实现该磁场的消散，也就是说，使得MRT设备的电磁线圈尽可能对称地达到猝灭。

此外，电路I在短时间内相对强烈地改变。由此，根据关系

在具有电感L的电磁线圈中产生高的电压。如果没有其它的保护措施，该电压升高可能会导致对线圈和/或对线圈的绝缘的损害。

一种避免上面描述的问题的可能性在于，使用用于控制地传播猝灭的电阻。在此，在整个线圈(典型地在绕组的上部区域)上设置电阻，这些电阻通常与导体线圈并联。在以不为零的电压沿着导线行进的猝灭的情况下，电流流过这些电阻。通过其辐射热，这些电阻分别使得下面的绕组达到猝灭。同时，这些电阻减小了在猝灭时所形成的高电压。此外，通过这些电阻的巧妙的布线，实现了该猝灭的尽可能对称的传播。

尽管电阻的采用解决了在猝灭时可能出现的问题；然而，电阻的采用也带来了主要在电磁线圈的充电和放电的阶段期间所表现出的缺点。例如，在充电时为了感应电流而在电磁线圈上施加电压。该电压的一部分通过电阻感应了电流，使得出现电阻的发热(即使极小)，这点导致了一部分氦的蒸发。在此，除了由于蒸发的氦提高了成本之外，还可能出现猝灭。尽管可以通过采用较高阻值的电阻来减小该发热，但是较高阻值的电阻的采用在猝灭的情况下又包含着较高的电压振幅(Spannungsausschlage)的危险。

在诸如由西门子公司生产的Helicon型的低温磁铁中，是如下地处理该问题的：采用与部分线圈并联和反并联连接的冷二极管来取代电阻。在此，冷二极管被理解为这样的二极管(例如硅二极管)：其即使在液态氦的温度范围中也可以运行。尽管这里所采用二极管满足了在猝灭中保护低温磁铁免受电压升高并且同时减小在电磁线圈的充电和放电中热量产生的要求。不过，所采用的二极管的装置不适合于，用来控制猝灭或者对称地保持该猝灭的传播。

此外，存在这样的猝灭保护电路，其中将电阻和二极管相互地组合，例如在US 6147844中描述的那样。在这种电路中，将电阻性的加热元件连同反并联的二极管分别与部分线圈并联。该加热元件与部分线圈热接触，从而将由于在一个部分线圈中的猝灭所产生的热量也传递至其它的部分线圈。由此，可以控制在一个部分线圈中的猝灭在整个电磁线圈上的传播。此外，通过该二极管电路允许了短路电流，从而保护了部分线圈免受带有强烈的局部温度上升的电流和电压升高。

在US 4689707中公开了一种类似构造的猝灭保护电路，利用该电路可以按照可靠的方式进行超导的电磁线圈以及其匀场线圈(Shim-Spule)的猝灭。该电路也包括加热元件以及与部分线圈并联的反并联二极管。

不过，两种所示出的电路由于所采用的不同的电气和电子部件而显得在制造中相对地开销大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种带有用于猝灭保护的电路的超导电磁线圈，其中，利用简单的造价低廉构造的电路可以在猝灭以及在磁铁的充电和/或放电中避免上面说明的问题。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种具有该电磁线圈的MRT设备。

上述技术问题是通过根据权利要求1的带有用于猝灭保护的电路的超导电磁线圈以及根据权利要求10的MRT设备解决的。

本发明的带有用于猝灭保护的电路的超导电磁线圈，包括至少一个二极管，该二极管被设置为与所述超导电磁线圈的一部分并联，其中，所述至少一个二极管被设置为与该超导电磁线圈热接触。

利用这种电路，可以保护超导电磁线圈的二极管与之并联的部分在猝灭时免受电压升高。在此，这样选择该二极管的极性，使得电磁线圈的该部分被保护防止在电磁线圈中电流减少时出现的电压升高。

如果在超导电磁线圈的二极管与之并联的部分中出现猝灭，通常由于在相对短的时间内电流的强烈减小而在线圈的该部分中根据

产生电压(L为该线圈的部分的电感，I为电流)。该电压由于电流的迅速减小而通常如此之大，以至于超过了二极管的击穿电压。这意味着，电磁铁绕组电流的大部分通过该二极管流动并且使得其发热。通过该二极管与超导电磁线圈的热接触，将由流过二极管所形成的热能用于使得电磁线圈的其它还超导的部分达到猝灭。由此，可以控制地将猝灭扩展到电磁线圈的其它部分。

在实施例中，有一个对何种热能可以由电流流过的二极管释放出的估计。

如上所述，显然在至少另一个二极管与超导电磁线圈之间的热接触被理解为这样一种热接触，即，其中从电流流过的二极管至电磁线圈所传递的热量足以使得电磁线圈的各部分达到猝灭。

通过此时利用二极管代替迄今为止通常利用电阻性的加热元件来控制猝灭传播，此外还减小了电磁线圈的充电、放电或再充电中的氦损失，该氦损失是通过施加电压使得电阻性的加热元件发热而形成的。

按照优选的方式，所述电路包括至少另一个二极管，该二极管被设置为与所述至少一个二极管反并联。该至少另一个二极管的反并联的设置带来了这样的优点：也可以保护电磁线圈的不能通过该至少一个二极管被保护的部分免受电压升高。

例如，如果第一二极管与电磁线圈的部分线圈并联以便保护该部分线圈，则不能通过该第一二极管来保护将电路闭合使得电流可以通过该部分线圈流通的超导开关免受电压升高。只有按照反并联的方式设置第二二极管，才可以保护电路的这样的部分也免受电压升高，即，该部分不能通过第一二极管被保护并且该部分包括了该超导开关。

通过与第一二极管按照反并联方式设置的另一个二极管，即使(无意或有意地)用相反的极性对线圈充电，也可以保护线圈以及必要时的超导开关。

优选地，该至少另一个二极管与超导电磁线圈热接触。由此，可以实现在电磁线圈中对猝灭传播的更好的控制。同样，可以使得超导开关的猝灭延伸到电磁线圈上，该超导开关的猝灭同样可能导致磁通量的瓦解。

优选地，这样设置二极管与超导电磁线圈之间的热接触，使得该热接触是一种导热的接触。这点被理解为，由二极管传递到电磁线圈上的热量的主要部分是通过热传导传递的。

优选地，所述至少一个二极管和/或所述至少另一个二极管通过电绝缘体接触所述超导电磁线圈。该电绝缘体防止了，在电磁线圈的正常导电运行中电流从电磁线圈的电路蔓延到二极管中。

在此，该绝缘体可以例如由诸如聚酰亚胺(

)或聚四氟乙烯的塑料组成，或者也可以由诸如云母的晶体结构组成。

优选地，所述至少一个二极管和/或所述至少另一个二极管被盘状地构造。这种二极管是平坦的并且具有大的横截面积，通过该横截面积在短暂的时间内可以释放出相对大量的热能并且传递到电磁线圈上。此外，可以将这些二极管造价低廉地设置在电磁线圈上。

与此对应地，所述电绝缘体(二极管通过其与电磁线圈接触)同样按照有利的方式被盘状地构造。按照这种方式，实现了高效地进行从二极管到电磁线圈的热传递，尽管两者之间存在绝缘体层。

在一种特别优选的实施方式中，由导热材料组成的另一个层被设置在所述电绝缘体与所述超导电磁线圈之间。借助于该由导热材料组成的另一个层，此时可以在二极管与该超导电磁线圈的较大的部分之间建立导热接触。如果电磁线圈如通常的那样包括多个部分线圈，则这点是特别有用的。例如，这里可以将二极管设置在一个部分线圈的附近。为了使得二极管不仅使得该部分线圈猝灭，而且也使得其它部分线圈猝灭，可以将由二极管释放出的热量也通过该由导热材料组成的层传递至其它的部分线圈上。为此，仅仅需要将该由导热材料组成的层设置为对应的大，使得其也接触其它的部分线圈。如果部分线圈在空间上相邻，则可以特别简单地实现这点。如果将该由导热材料组成的层按照桥类型的结构设置，则也可以将空间上分开的部分线圈相互热耦合。作为可能的导热材料例如铜是合适的。

优选地，所述由导热材料组成的另一个层至少部分地被热绝缘体包围。在此，该热绝缘体可以是塑料，例如纤维加强的环氧树脂或者聚四氟乙烯

并且具有如下的效果：在猝灭的情况下利用该由导热材料组成的层在电磁线圈的各部分之间进行改善的传热，因为该由导热材料组成的层相对于液态的氦被热屏蔽。在该由导热材料组成的层至电磁线圈的接触位置上不存在绝缘。

为按照本发明的MRT设备装备了具有上述用于猝灭保护的电路的超导电磁线圈。

附图说明

下面，在附图中更详细地解释本发明以及其它有利的实施方式，不过本发明并不局限与此。附图中：

图1表示带有两个反并联连接的二极管的由一个部分线圈组成的超导电磁线圈，

图2表示带有两个反并联连接的二极管的由两个部分线圈组成的超导电磁线圈，这些二极管中的一个二极管与两个部分线圈热接触，

图3表示带有两个反并联连接的二极管链的由两个部分线圈组成的超导电磁线圈，这些二极管中的所有二极管分别与每个部分线圈热接触，

图4表示按照图3中示出的电路原理的由六个部分线圈组成的超导线圈，

图5表示包括多个部分线圈的超导电磁线圈的一个片段，该超导电磁线圈带有反并联的二极管链，其中的二极管分别与多个部分线圈热接触，

图6表示二极管以及与一个部分线圈元件的接触位置的结构，用于建立热接触，

图7表示二极管以及与两个部分线圈元件的接触位置的结构，用于建立该二极管与该两个部分线圈元件的热接触。

具体实施方式

图1示出了带有两个反并联连接的二极管的超导电磁线圈的原理性结构。

在西门子公司的Helicon类型的低温磁铁中采用了按照下面所介绍的原理工作的二极管电路。该电磁线圈尽管与这里所介绍的结构不同而具有多个空间上分开的部分线圈以及多个与之并联连接的二极管；但是原理性结构是相同的。

电磁线圈1a的主要组成部分是部分线圈3，其被用于产生基本磁场。如果电磁线圈1a处于已经充电的状态，则电流在无电阻的超导的导线中无损耗地流通。在此，正如这里所表示的那样，超导开关5处于闭合状态。超导的导线通常由带有铜包皮的铌钛合金或者铌锡合金组成，使得其在液态氦的运行温度(4.2°K)下是超导的。

如果电磁线圈1a的一部分猝灭，也就是说，如果电磁线圈1a的一部分按照有限的电阻正常导电，则在短暂的时间内电流强度I相对强烈地改变，使得根据

(L为电磁线圈的电感)在电磁线圈1a的导线上施加了相对高的电压。该电压升高可能导致导线、特别是其由铜做成的隔离的损坏。

可以如下地解决该问题：与部分线圈3并联地连接第一二极管7，这样选择该二极管的极性，使得其在电流瓦解的情况下限制形成的电压。将第二二极管9与第一二极管7反并联地连接。在猝灭的情况下，该第二二极管9保护超导开关5免受电压升高。此外，通过第一二极管7和第二二极管9的反并联的设置，即使(无意或有意地)用相反的极性对电磁线圈1a充电，也可以保护电磁线圈1a。

如果将电磁线圈1a投入运行，则必须将电流馈入到电磁线圈1a的超导导线中，这点也被一般地称为电磁线圈1a的充电。为此，将超导开关5(其使电磁线圈1a在充电状态下的电路闭合)断开，并且将外部电流源通过机械插接连接11连接到电磁线圈1a上。按照类似的方式可以将电磁线圈1a放电或者再充电。

在充电时，在插接连接11上施加定义的大小的电压。在此，这样选择两个二极管7、9的导通电压，使得其大于所施加的电压。由此，防止了充电电流通过二极管7、9流动。如果采用电阻来代替两个二极管7、9，则尽管也提供了免受电压升高的保护，但是在电磁线圈1a的放电、再充电或充电时电流通过电阻流动并且电阻发热，这点导致了造成开销的氦的蒸发。

不过，如果超导电磁线圈具有多个部分线圈，则这里所介绍的带有二极管的并联以及反并联电路的结构被证明是有问题的。在这类电磁线圈中，随着这种电路可能出现下列情况：一个部分线圈的猝灭不传递至其它的部分线圈上，从而一方面这个部分线圈被置于高的热负荷之中，而另一方面猝灭被不对称地传播。

根据图2，以带有两个部分线圈3a、3b的超导电磁线圈1b为例说明本发明的原理。

这里所示出的电磁线圈1b包括两个空间上相互分开的串联连接的部分线圈3a、3b。以反并联相连接的第一二极管7和第二二极管9与部分线圈3a、3b并联连接。两个二极管7、9的作用方式对应于在图1中所描述的二极管。

不过，与之不同的是，将第一二极管7构造为与两个部分线圈3a、3b热接触，这点在图2(同时也在图3至图5)中通过双箭头13表示出。例如，如果此时仅仅第一部分线圈3a猝灭，则由于电流的改变而感应一个电压，该电压在适当地选择的第一二极管7的条件下这样大，即，其超过了击穿电压。由此产生通过第一二极管7的电流。第一二极管7由于该电流而发热，并且第二部分线圈3b也超过跃变温度，因为第一二极管7也与第二部分线圈3b热接触。

按照这种方式，使得在第一部分线圈3a猝灭时第二部分线圈3b也猝灭，以及反过来。一方面，这意味着瓦解的磁场的能量被分布在两个部分线圈3a、3b上，这点导致两个部分线圈3a、3b的较小的热负荷。另一方面，猝灭此时按照对称的方式进行，这点带来了关于所形成的涡流以及侧向位移力的分布的优点。

此时，下面的计算要以硅二极管为例说明，在该硅二极管猝灭的条件下可以产生何种热功率。如果该硅二极管被运行在液态氦的温度下、即在4.2°K的温度下，则该硅二极管具有3V或更高的导通电压。如果由于猝灭而达到了击穿电压，使得电流流过该硅二极管，则该硅二极管突然变热并且随后具有(室温下)已知的0.7V的导通电压。如果通过电磁线圈流过100A的电流，则在猝灭开始时该电流也通过该硅二极管流过并且产生大约70W(＝0.7V×100A)的热量。该热量是触发猝灭所需能量的数倍，从而在热接触的适当的构造实施方式的条件下可以利用该热量使得多个部分线圈猝灭。

后面将结合图6和图7描述该构造安排的实施方式。在此，部分线圈3a、3b与二极管7所处的热接触是一种导热的接触。这点被理解为，由导通电流的二极管传递到电磁线圈1b上的热量的主要部分是借助于热传导传递的，而不是通过热辐射或者通过对流传递的。

图3示出了在包括两个部分线圈3a、3b的电磁线圈1c的情况下，电路的另一种实施方式。

在此，设置两个反并联连接的二极管链17、19来代替图2中第一和第二二极管7、9。根据在二极管链17；19中多个二极管7a，7b；9a，9b的使用，可以提高导通电压，从而为了对部分线圈3a、3b充电可以施加更高的电压。

在这里所示出的例子中，二极管链17、19中的每个分别包括两个二极管7a，7b；9a，9b，这些二极管分别与两个部分线圈3a、3b中的一个热接触。

例如，如果此时第一部分线圈3a猝灭，则(在所形成的电压大于第一二极管链17的击穿电压的条件下)电磁线圈电流通过第一二极管链17流过。在此，第一二极管链17的所有二极管7a、7b发热并且使得分别热连接的部分线圈3a、3b猝灭，从而猝灭从第一部分线圈3a也传播第二部分线圈3b上。如果电磁线圈电流具有使得在猝灭时电磁线圈电流流过第二二极管链19的极性，则出现同样的情况。

在图4中示出了类似于图3的构造。这里所示出的电磁线圈1d包括六个部分线圈3a...3f。这种电磁线圈1d经常被用在用于产生均匀的主磁场的MRT设备中。在此，两个二极管链17′；19′分别包括六个二极管7a...7f；9a...9f，这些二极管中的每个分别与部分线圈3a...3f中的一个热接触。

如果此时部分线圈3a...3f中的一个猝灭，则该猝灭类似于在图3中所描述的机制传递至其它的部分线圈上，从而使得整个电磁线圈1d猝灭。按照这种方式，防止了仅仅电磁线圈1d的一部分猝灭，这种猝灭一方面导致了该部分的较高的热负荷，而另一方面由于涡流的强烈不对称的感应而导致了强烈的侧向位移力。

图5示出了对猝灭传播的感应的另一种可能性，表示在包括多个部分线圈3b...3d的电磁线圈1e的一个片段上。

在此，两个二极管链17″、19″的示例性突出的二极管7c、9c与在图4中所示出的实施例不同，不仅与一个部分线圈热接触，而且与多个部分线圈3b...3d热接触。在此，不必将二极管7c、9c与之热接触的部分线圈3b...3d的数目限制为三个。

有利的是，二极管7c、9c与分别相邻的部分线圈3b...3d热接触，因为这点可以按照简单的方式在结构上实现，如下面在图7中描述的那样。不过，并不是需要一定如此。

图6示出了在硅二极管21与超导线圈23之间的热接触位置的一种实施方式。

硅二极管21的硅层25被置于基板27上，该基板例如可以由钼组成。在硅层25上是一个由金属、例如银构成的层29，在该层之上电气引入线31与硅二极管21接触。另一个电气引入线33通过基板27与硅二极管21接触。同时，可以通过层29施加压力，使得二极管21固定在线圈23之上。至硅二极管21的电气引入线31、33是正常导电的。

在硅二极管21和线圈23之间设置了一个由绝缘体35构成的层。在此，该绝缘体35可以由导热的塑料组成，例如由诸如聚酰亚胺(

)或聚四氟乙烯(

)的塑料组成，或者也可以由诸如云母的晶体结构组成。

利用这种结构保证了，在电流通过硅二极管21以及与此相关的硅二极管21发热的条件下，将热能传递至线圈23。

图7示出了热接触位置的另一种实施方式，利用该热接触位置使得硅二极管21的热能传递至多于一个部分线圈23、23′。

为此，在绝缘体35与线圈23、23′之间存在另一个由良好导热的材料、例如由铜构成的层37，该层大到使得其接触多于一个线圈23、23′。由此保证了，在硅二极管21发热的情况下热量被传导至该由良好导热的材料构成的另一层37所接触的所有的线圈23、23′。

热绝缘体39围绕在该由导热材料构成的另一层37的周围。在此，该热绝缘体39可以是塑料，例如纤维加强的环氧树脂或者聚四氟乙烯

并且具有如下的效果：在猝灭的情况下利用该由导热材料组成的另一层37在部分线圈23、23′之间进行改善的传热，因为该由导热材料组成的另一层37相对于冷的氦的环境被热屏蔽。在该由导热材料组成的另一层37至部分线圈23和23′以及至硅二极管21的接触位置上不存在绝缘。

在此，可以特别简单地接触在空间上相邻的线圈。不过，在对应的结构上的实施方式中、例如通过桥型的结构，也可以与不相邻的线圈热接触。

Claims

1.一种带有用于猝灭保护的电路的超导电磁线圈，其中，所述电路包括至少一个二极管(7；7a...7f)，该二极管被设置为与所述超导电磁线圈(1b...1e)的一部分(3a，3b；3a...3f)并联，

其特征在于，所述至少一个二极管(7；7a...7f)被设置为与该超导电磁线圈(1b...1e)热接触。

2.根据权利要求1所述的超导电磁线圈，其特征在于，所述电路包括与该至少一个二极管(7；7a...7f)反并联设置的至少另一个二极管(9；9a...9f)。

3.根据权利要求2所述的超导电磁线圈，其特征在于，所述至少另一个二极管(9；9a...9f)与所述超导电磁线圈(1b...1e)热接触。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超导电磁线圈，其特征在于，所述热接触是一种导热的热接触。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超导电磁线圈，其特征在于，所述至少一个二极管(21)和/或所述至少另一个二极管(21)通过电绝缘体(35)接触所述超导电磁线圈(23)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超导电磁线圈，其特征在于，所述至少一个二极管(21)和/或所述至少另一个二极管(21)被盘状地构造。

7.根据权利要求6所述的超导电磁线圈，其特征在于，所述电绝缘体(35)被盘状地构造。

8.根据权利要求7所述的超导电磁线圈，其特征在于，由导热材料组成的另一个层(37)被设置在所述电绝缘体(35)与所述超导电磁线圈(23)之间。

9.根据权利要求8所述的超导电磁线圈，其特征在于，所述由导热材料组成的另一个层(37)至少部分地被热绝缘体(39)包围。

10.一种具有根据权利要求1至9中任一项所述的超导电磁线圈(1b...1e)的MRT设备。