CN101895104A - 用于超导磁体的失超传播电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于超导磁体的失超传播布置，所述超导磁体包括复数个串联的超导线圈，所述布置包括：一正极电源线，其连接到复数个第一二极管的负极，所述第一二极管的各个正极连接到所述超导线圈串联的各相应节点；一负极电源线，其连接到复数个第二二极管的正极，所述第二二极管的各个负极连接到所述超导线圈串联的各相应节点；复数个加热器，其相应热连接到所述超导线圈中的每一者，且电连接在所述正极电源线与所述负极电源线之间；以及一电压限制器，其连接在所述正极电源线与所述负极电源线之间，并与所述加热器并联。

Description

用于超导磁体的失超传播电路

技术领域

本发明涉及低温冷却超导磁体布置。尤其是，本发明涉及与超导磁体相关的失超传播电路，所述超导磁体由串联电连接的复数个超导线圈构成。

背景技术

在操作中，将超导电线线圈冷却到可能使其发生超导性的温度。在被称为逐渐加电的过程中由外部电源将电流引入到线圈中。超导开关随后通过超导线圈闭合电路，在所谓的持久模式中电流持续流动。

出于若干原因中的任一者，磁体线圈的一部分可能停止超导。举例来说，超导电线中的缺陷、部分电线的突然移动、机械冲击或外部热源的活动都可能引起磁体线圈的一部分停止超导，且回复到其“正常”，呈现电阻性模式。电流通过线圈持续循环流动，且在电阻性部分的欧姆加热使线圈的邻近部分变为电阻性的。其结果是整个线圈变为电阻性的，且随着先前储存在磁场中的能量耗散和电流消失而加热。通常，进行布置以将失超散布在磁体内的所有线圈上，使得没有单个线圈需要耗散储存在磁场中的所有能量，否则会因过热而损坏线圈。这些布置就是本发明的主题：失超传播电路。

图1是包含致冷剂室12的一种低温恒温器的常规布置。经冷却的超导磁体10在致冷剂室12内，致冷剂室12本身留在外部真空腔室(OVC)14内。一个以上热辐射防护屏16可提供在位于所述致冷剂室12与所述外部真空腔14之间的真空空间中。在一些已知的布置中，致冷器17安装在位于塔台18中的出于保护目的而提供的致冷器套筒15中(朝向低温恒温器的侧部)。或者，致冷器17可位于入口塔台19内，所述入口塔台19保留在入口颈部(排放管)20中，该入口塔台颈部安装在低温恒温器的顶部。致冷器17提供有效的致冷以在一些布置中通过将致冷剂室12内的致冷剂气体再凝结为液体而使其冷却。致冷器17还可用以冷却辐射防护屏16。如图1所述，致冷器17可为二级致冷器。第一冷却级热连接到辐射防护屏16，且提供到达第一温度(通常在80到100K的范围)的冷却。第二冷却级提供使致冷剂气体冷却到低得多的温度(通常在4到10K的范围)。

通常穿过低温恒温器的本体向磁体10提供负电连接21a。通常由穿过排放管20的导体提供正电连接21。

具有多个线圈的超导磁体需要保护，以免受失超期间过量的电压和温度的损害。失超通常在单个失超线圈中开始，且所释放的能量通常需要在一秒左右有意地散布到其它线圈，以使能量不会全部释放到单独的失超线圈中，从而防止其由于过量加热或过量电压而损坏。

超导磁体设计中的近来发展已带来针对减少的电线量的较高磁场。快速散布失超的需求对这些设计显得较为重要，因为储存在磁场中的能量越多，电线减少的热量意味着在失超期间峰值电线温度可能更高。应据此更快地完成失超传播，以便有效地保护这些磁体。

解决此问题的一种常见方法是在至少一些线圈上跨接小的加热器，使得当失超在一个线圈中产生电阻性或电感性电压时，此电压用以对嵌入在其它线圈中的这些小的加热器供电，以引起所述其它线圈失超。这将耗散能量散布于磁体的其余部分，因此能保护最初失超的线圈。

对于一些磁体设计，已知的失超传播布置不能足够快地反应以保护线圈。举例来说，尽管使用了失超传播布置，但在失超期间电压可能上升，其超过可合理保护的电压。这已导致对线圈构造中所使用的最小电线量的设计限制。减少最小电线量、减少磁体的材料和运输成本以及制造吸引顾客和患者的较小且较轻磁体将是有益的。

发明内容

因此，本发明提供如所附权利要求书中所述的用于超导磁体的失超传播布置。

附图说明

从以下结合附图仅借助于非限制性实例给出的本发明的实例实施例，将更明白本发明的上述和其它目的、特征和优点，在附图中：

图1是包含致冷剂室的低温恒温器的常规布置示意图；

图2是根据本发明实施例的失超传播布置的电路图；以及

图3是根据本发明另一实施例的失超传播布置的电路图。

具体实施方式

在失超传播电路的设计和实施中存在的难题是找到用于加热器的合适的电连接点。需要找到这样的连接点：无论哪个线圈发生失超均快速给出有用电压以对加热器供电，还不会产生超过加热器性能的过高峰值电压和功率。

在图2的实施例中，复数个超导线圈22串联。每一线圈的两侧各有一个节点24。超导开关26操作以闭合由串联线圈22和超导开关26组成的电路。如在常规上，在磁体处于持久模式中时，超导开关26闭合(即，变为超导性)以允许电流流过。在需要使用外部电源28引入或移除电流时开关断开(即，变为电阻性)。通常为电阻性电线长度的失超加热器30放置成与各个线圈22热接触。这些失超加热器30电连接在一起，在此实例中是并联。

根据本发明的一方面，一电压限制器32以电连接方式跨接在该组失超加热器上。电压限制器32将加热器30上可能出现的电压限制到预定水平，例如5V。如图所示，电压限制器可为一正向偏置二极管。如果需要将这些加热器上的电压限制到较大值，那么可将一个以上二极管串联放置。或者适当时可提供其它类型的电压限制器。

每一个节点24都连接到两个二极管。在每一种情况下，第一二极管34的正极连接到节点24，负极连接到正极电源线36。在每一种情况下，第二二极管38的负极连接到节点24，正极连接到负极电源线40。

电压限制器32和加热器30的并联组合连接于正极电源线36与负极电源线40之间。一传播二极管42可串联提供在正极电源线36与电压限制器32和加热器30的并联组合之间，如下文将更详细解释。或者，传播二极管可串联提供在负极电源线40与电压限制器32和加热器30的并联组合之间。在操作中，当从外部电源将电流引入到磁体中时，驱动电压不足以克服所用二极管的正向电压，且在本发明的失超传播电路中没有电流流动。在持久模式中，线圈22和超导开关26都是超导的。因为在电路中没有或只有很小的电阻，所以电压不超过所用二极管的正向电压，且在本发明的失超传播电路中没有电流流动。

如果失超始于线圈22中的一个，那么这个线圈将开始变为电阻性的。在磁体中流动的电流将在该线圈上产生电压，原因是该线圈失超部分的电阻。这将引起线圈中的加热以及流过高电感性磁体的电流减少。此电流减少还将引起在其它线圈上出现电感性电压。相邻节点24开始表现出电位差取决于哪个线圈正在失超以及通过磁体的电流方向。在这些节点中正极性更强的节点处，第一二极管34将正向偏置，第二二极管38将反向偏置。在这些节点中负极性更强的节点处，第一二极管34将反向偏置，第二二极管38正向偏置。由于在超导磁体中通常流动的电流大小，电位差将快速超过二极管34和38的正向电压。电流将从正极性更强的节点24流过第一二极管34到达正极电源线36。电流随后将流过二极管42和加热器30的组合到达负极电源线40，且继续到达负极性更强的节点24。虽然在加热器30上出现的电压不超过电压限制器32设定的限制电压，但没有电流将流过电流限制器32，因而加热器30将快速加热，从而有效地将失超传播到其它线圈。一旦加热器30上的电压超过电压限制器32设定的限制电压，电流便会流过电流限制器32，从而防止对加热器的损坏。

图2的电路因此提供加热器30的快速激活，还保护其免于过热和过量电压。在失超事件期间，每一个节点被箝位，使得其电压可不超过接地电压GND达到多于二极管正向电压和电压限制器32的限制电压的总和。对本发明的失超传播布置的任何部分均不需要高电压布线。

如图2所示，在正极电源线36与电压限制器32和加热器30布置的并联组合之间串联提供一传播二极管42。此二极管用以确保斜线上升电压(通常10V)不足以正向偏置二极管34和38的串联。通常，在低温温度下每个二极管需要大约5V的正向偏置电压。二极管42因此防止电流在加热器中流动，直到正极电源线36与负极电源线40之间的电位差达到大约15V为止。

由于由本发明提供的二极管布置，因此不必为超导开关提供特定的保护二极管。二极管34、42、32、38的串联对超导开关26上可能出现的电压提供了限制。

正如在本领域技术人员公知的那样，在本发明的失超传播布置中应使用已知类型的大电流二极管，其具有足以在失超事件期间满足预期最差情况操作条件的载流能力。

图3是一替代布置，其中加热器30串联，电压限制器32跨接在这些加热器的串联组合上。在此实施例中，由电压限制器32强加的电压限制可能需要比在图2所示的实施例中的电压限制更高。这可通过放置与二极管32串联的较多二极管来实现。

图2和图3中所示的变型当然可经组合以形成其它替代实施例。

本发明因此提供一种用于超导磁体的失超传播布置，所述超导磁体包括复数个串联的超导线圈，所述布置在操作中是快速的，避免了过量电压产生，进而允许使用减少量的超导电线，从而实现减少量的、较高场强设计。

Claims (5)

1.一种用于超导磁体(10)的失超传播布置，所述超导磁体(10)包括复数个串联的超导线圈(22)，所述布置包括：

一正极电源线(36)，其连接到复数个第一二极管(34)的负极，所述第一二极管(34)的各个正极连接到所述超导线圈串联的各相应节点(24)；

一负极电源线(40)，其连接到复数个第二二极管(38)的正极，所述第二二极管(38)的各个负极连接到所述超导线圈串联的各相应节点(24)；

复数个加热器(30)，其相应热连接到所述超导线圈中的每一者，且电连接在所述正极电源线与所述负极电源线之间；以及

一电压限制器(32)，其连接在所述正极电源线与所述负极电源线之间，并与所述加热器并联。

2.根据权利要求1所述的布置，其进一步包括一二极管(42)，所述二极管(42)串联在所述电源线中的一者与所述加热器和所述电压限制器的并联组合之间。

3.根据前述任一权利要求所述的布置，其中所述加热器本身并联，每个所述加热器与所述电压限制器并联。

4.根据前述任一权利要求所述的布置，其中所述加热器本身串联，所述加热器的串联组合与所述电压限制器并联。

5.根据前述任一权利要求所述的布置，其中所述电压限制器由至少一个二极管组成。

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