CN102361318A - 带有辅助超导开关的超导磁体失超保护装置 - Google Patents

Abstract

一种带有辅助超导开关的超导磁体失超保护装置，由辅助超导开关(4)和子线圈加热器电路(2)组成。将超导磁体(1)中所有子线圈(L1-L4)上粘贴的加热器(R1-R4)电气串联组成子线圈加热器电路(2)。子线圈加热器电路(2)并联在辅助超导开关(4)中超导无感线圈(5)的两端，辅助超导开关(4)中各个加热丝线圈(8a、8b、8c、8d)通过串联二极管对(6)与超导磁体(1)中相对应的子线圈并联组成闭合回路。当超导磁体(1)中任意子线圈发生失超后，此子线圈流通的电流将部分分流到与之对应的加热丝线圈中，超导无感线圈(5)被加热失超后，电流开始流过子线圈加热器电路(2)从而触发所有子线圈失超。

Description

带有辅助超导开关的超导磁体失超保护装置

技术领域

本发明涉及一种针对超导磁体失超的保护装置，特别涉及用于MRI或NMR成像系统中的超导磁体在失超时不被损坏的保护装置。

背景技术

用于超导磁体的超导体只有在满足特定条件(如温度、磁场、电流密度)时才能体现超导特性。一旦条件被破坏，超导体将会发生失超。比如，当超导磁体线圈摩擦运动时产生的能量扰动加热一段超导线导致其温度高于临界温度时就会发生失超现象。被加热的那段超导线转变成带有一定电阻的正常状态，由此形成的焦耳热将进一步升高正常区域的温度和增加正常区域的大小。

超导磁体可能储存有兆焦耳数量级的能量，在失超后，这些能量将在超导磁体的电阻体积中被消耗。为了得到MRI或NMR成像系统中所需要的磁场均匀性，超导磁体被划分成多个子线圈，这些子线圈围绕超导磁体轴线且在空间隔开，以使它们之间没有热连接。如果不适当地处理失超过程，就会在失超的子线圈中消耗整个超导磁体的能量，从而引起局部温度上升。严重的局部过热可能烧焦绝缘或熔化导体，同时失超也可能产生高电压击穿绝缘。因此必须采取有效的措施对超导磁体的失超进行保护。

最有效的保护方法就是通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，使热量尽可能均匀消耗在整个超导磁体上。如果超导磁体在某一线圈的局部发生失超后，迅速扩展到整个超导磁体，导致全部失超，就意味着没有一个部分会达到危险温度。在用于MRI或NMR成像系统中的超导磁体中，一般通过向与超导线圈紧密热接触的加热器施加电流来实现有意的失超启动。一般每个超导线圈将配备有一个或多个加热器。

传统的被动失超保护系统中，触发所有子线圈失超的加热器的供电源取自某几个子线圈在失超后产生的端电压。但是超导磁体失超后，子线圈的端电压上升的非常缓慢，这就导致加热器在超导磁体某一子线圈失超后需要过很长时间才能加热触发所有子线圈失超，可能会导致失超发生点的温度过高，损坏超导磁体。

传统的被动式失超保护系统中一般都在超导磁体的各个子线圈两端并联一个由二极管和电阻串联组成的分流电路。当超导磁体中某一子线圈不幸发生失超后，随着正常区域电阻的增大，此子线圈流通的电流将越来越多地分流到分流电路中去，且这一过程迅速。如果利用分流电路中电流来加热失超一个辅助超导开关，再利用辅助超导开关的端电压来给加热器供电，就能快速触发超导磁体中所有子线圈失超。

发明内容

本发明的目的是克服传统被动失超保护方法中加热器触发线圈失超时间过长的缺点，根据被动式失超保护系统的特点，提出一种新的失超保护装置。

本发明失超保护装置所适用的超导磁体由多个子线圈串联组成，子线圈之间在空间上隔开且没有热接触。超导磁体两端并联有主超导开关，以实现超导磁体的持久模式运行。

本发明的失超保护装置由辅助超导开关和子线圈加热器电路组成。辅助超导开关同超导磁体串联，子线圈加热器电路并联在辅助超导开关两端。

本发明提出的辅助超导开关主要包括超导开关骨架，超导无感线圈和加热丝线圈。超导无感线圈和加热丝线圈间隔地绕制在超导开关骨架上，且沿超导开关骨架径向重叠排布。超导开关骨架是采用非金属材料制成，如环氧树脂，超导开关骨架为两端带有法兰的圆柱。超导开关骨架上绕制的超导无感线圈是一种感应系数为零或接近于零的线圈，目的是仅利用其阻抗效应，消除其对电路的感抗效应。超导无感线圈的绕制可以采用双绕法，将用于绕制的线材由中点并在一起，再将该中点固定在超导开关骨架端部某个位置，然后两股线同时绕制，绕制完后，线圈的输入端和输出端同时引出。加热丝线圈采用金属导体(如锰铜线或康铜线)绕制。绕制的加热丝线圈个数与超导磁体子线圈的个数相同，绕制的每个加热丝线圈都为偶数层，即加热丝线圈的进线和出线都从超导开关骨架的同一个端面引出。为了能使每个加热丝线圈都能独自快速加热失超超导无感线圈，加热丝线圈和超导无感线圈沿径向间隔绕制在超导开关骨架上，即紧贴超导开关骨架绕制一个加热丝线圈，接着再在绕制完的加热丝线圈外表面绕制一个超导无感线圈，然后又在超导线圈外表面绕制一个加热丝线圈，以此类推。所有超导无感线圈采用同一根超导线绕制，只用从超导开关骨架端板上引出一对进出线即可。而所有加热丝线圈都从超导开关骨架端板上引出一对进出线，并且利用每个加热丝线圈的进出线在辅助超导开关外将所有加热丝线圈串联起来，即第一加热丝线圈的出线同第二加热丝线圈的进线电气连接形成第一电气连接点，第二加热丝线圈的出线同第三加热丝线圈的进线电气连接形成第二电气连接点，以此类推。超导无感线圈和加热丝线圈中导线与导线之间的缝隙都使用掺杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充，环氧树脂凝固后不但可以加固整个超导开关本体，而且使其内传热更加均匀。最后在辅助超导开关的最外面包裹上一定厚度的环氧树脂层以减少辅助超导开关向外界的漏热。

超导磁体的每个子线圈都装有紧密热接触的加热器，通过在超导磁体的每个子线圈的外表面粘贴加热器来实现线圈与加热器的紧密热接触。所有粘贴在子线圈外表面的加热器电气串联在一起形成子线圈加热器电路。

本发明的子线圈加热器电路并联在辅助超导开关中的超导无感线圈两端，超导无感线圈同超导磁体串联。辅助超导开关中串联的各个加热丝线圈分别同超导磁体中串联的各个子线圈相对应，即第一加热丝线圈对应第一子线圈，第二加热丝线圈对应第二子线圈，以此类推，再通过电气连接将对应的各组加热丝线圈和子线圈组成闭合回路。具体电气连接方法为：辅助超导开关中第一加热丝线圈的进线串联第一二极管对再与超导磁体的进线端连接，第四加热丝线圈的出线串联第五二极管对再与超导磁体的出线端连接，而加热丝线圈之间的电气连接点分别串联一个二极管对后再与对应的子线圈之间的电气连接点连接，即第一加热丝线圈与第二加热丝线圈之间的电气连接点串联第二二极管对后再与第一子线圈和第二子线圈之间的电气连接点连接，第二加热丝线圈与第三加热丝线圈之间的电气连接点串联第三二极管对后再与第二子线圈和第三子线圈之间的电气连接点连接，以此类推，所述的二极管对由背靠背反并联方式连接的两个二极管组成。

当超导磁体中任意子线圈发生失超后，随着正常区域电阻的增大，此子线圈流通的电流将部分分流到辅助超导开关中与此子线圈对应的加热丝线圈中，加热丝线圈产生热量，快速使辅助超导开关中超导无感线圈失超，超导无感线圈两端产生的电压为子线圈加热器电路供电，电流开始流经各个子线圈加热器，然后这些加热器发热启动各个子线圈开始局部失超。

附图说明

图1是本发明实施例的失超保护装置示意图，图中：1超导磁体、L1-L4线圈、2子线圈加热器电路、R1-R4子线圈加热器、3主超导开关、4辅助超导开关、5超导无感线圈、6二极管对、8加热丝线圈、12超导磁体进出线、13超导磁体子线圈之间电气连接点；

图2是本发明实施例的辅助超导开关结构示意图，图中：7超导开关骨架、9环氧树脂层、10加热丝线圈进出线、11加热丝线圈之间电气连接点；

图3是本发明实施例的辅助超导开关横截面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明适用的超导磁体1由多个子线圈L1、L2、L3、L4串联组成，各个子线圈L1、L2、L3、L4之间在空间上隔开且没有热接触。超导磁体1两端并联有主超导开关3，以实现超导磁体1的持久模式运行。

本发明的失超保护装置由辅助超导开关4和子线圈加热器电路2组成。辅助超导开关4同超导磁体1串联，子线圈加热器电路2并联在辅助超导开关4两端。

如图2和图3所示，所述的辅助超导开关4主要由超导开关骨架7，间隔绕制在超导开关骨架7上的超导无感线圈5和加热丝线圈8a、8b、8c、8d组成。超导开关骨架7是采用非金属材料(如环氧树脂)制成的两端带有法兰的圆柱。超导开关骨架7上绕制的超导无感线圈5是一种感应系数为零或接近于零的线圈，目的是仅利用其阻抗效应，消除其对电路的感抗效应。超导无感线圈5的绕制可以采用双绕法，将用于绕制的线材由中点并在一起，再将该中点固定在超导开关骨架端部某个位置，然后两股线同时绕制，绕制完后，超导无感线圈的输入端和输出端同时引出。加热丝线圈8a、8b、8c、8d采用金属导体(如锰铜线或康铜线)绕制。绕制的加热丝线圈的个数与超导磁体1的子线圈个数相同，绕制的每个加热丝线圈都为偶数层，即加热丝线圈的进线和出线都从超导开关骨架7的同一个端面引出。为了能使每个加热丝线圈都能独自快速加热失超超导无感线圈5，加热丝线圈8a、8b、8c、8d和超导无感线圈5a、5b、5c沿径向间隔绕制在超导开关骨架7上，即紧贴超导开关骨架7绕制一个加热丝线圈8a，接着再在绕制完毕的加热丝线圈外表面绕制一个超导无感线圈5a，然后又在绕制完毕的超导无感线圈5a外表面绕制一个加热丝线圈5b，以此类推。所有超导无感线圈采用同一根超导线绕制，只用从超导开关骨架7端板上引出一对进出线即可。而所有加热丝线圈都需要从超导开关骨架7端板上各引出一对进出线10，并且利用各个加热丝线圈8a、8b、8c、8d的进出线在辅助超导开关4外将所有加热丝线圈串联起来，即第一加热丝线圈8a的出线10b同第二加热丝线圈8b的进线10a电气连接形成第一电气连接点11a，第二加热丝线圈8b的出线10b同第三加热丝线圈8c的进线10a电气连接形成第二电气连接点11b，以此类推。

如图2所示，所有超导无感线圈和加热丝线圈中导线与导线之间的缝隙都使用掺杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充，环氧树脂凝固后不但可以加固整个超导开关本体，而且使其内传热更加均匀。最后在辅助超导开关4的最外面包裹上一定厚度的环氧树脂层9以减少辅助超导开关4向外界的漏热。

如图1所示，超导磁体1的每个子线圈L1、L2、L3、L4都装有紧密热接触的加热器R1、R2、R3、R4，可以通过在超导磁体1的每个子线圈L1、L2、L3、L4的外表面粘贴加热器R1、R2、R3、R4来实现各个子线圈L1、L2、L3、L4与之对应的加热器R1、R2、R3、R4的紧密热接触。所有粘贴在子线圈L1、L2、L3、L4外表面的加热器R1、R2、R3、R4电气串联在一起形成子线圈加热器电路2。

如图1所示，本发明中的子线圈加热器电路2并联在辅助超导开关4中的超导无感线圈5两端，超导无感线圈5同超导磁体1串联。辅助超导开关4中串联连接的各个加热丝线圈8a、8b、8c、8d分别同超导磁体1中串联连接的各个子线圈L1、L2、L3、L4相对应，即第一加热丝线圈8a对应第一子线圈L1，第二加热丝线圈8b对应第二子线圈L2，以此类推，再通过电气连接将对应的各组加热丝线圈和子线圈组成闭合回路。具体电气连接为：辅助超导开关4中第一加热丝线圈8a的进线10a串联第一二极管对6a，再与超导磁体1的进线12a连接，最后一个加热丝线圈，即第四加热丝线圈8b的出线10b串联第五二极管对6e再与超导磁体1的出线12b连接，而加热丝线圈8a、8b、8c、8d之间的电气连接点11分别串联一个二极管对6b、6c、6d后再与对应的子线圈之间的电气连接点13连接，即第一加热丝线圈8a与第二加热丝线圈8b之间的电气连接点11a串联第二二极管对6b后再与第一子线圈L1和第二子线圈L2之间的电气连接点13a连接，第二加热丝线圈8b与第三加热丝线圈8c之间的电气连接点11b串联第三二极管对6c后再与第二子线圈L2和第三子线圈L3之间的电气连接点13b连接，以此类推，所述的二极管对6由背靠背反并联方式连接的两个二极管组成。

当超导磁体1中任意子线圈发生失超后，随着正常区域电阻的增大，此子线圈流通的电流将部分分流到辅助超导开关4中与此子线圈对应的加热丝线圈中，加热丝线圈产生热量快速使辅助超导开关4中超导无感线圈5失超，超导无感线圈5两端产生的电压为子线圈加热器电路2供电，电流开始流经各个子线圈加热器R1、R2、R3、R4，然后这些子线圈加热器R1、R2、R3、R4发热启动各个子线圈L1、L2、L3、L4开始局部失超。

Claims (7)

1.一种带有辅助超导开关的超导磁体失超保护装置，其特征是，所述的失超保护装置由辅助超导开关(4)和子线圈加热器电路(2)组成，所述的辅助超导开关(4)同超导磁体(1)串联，所述的子线圈加热器电路(2)并联在所述的辅助超导开关(4)两端。

2.按照权利要求1所述的超导磁体失超保护装置，其特征是，所述的辅助超导开关(4)主要包括超导开关骨架(7)、超导无感线圈(5a、5b、5c)和加热丝线圈(8a、8b、8c、8d)；超导开关骨架(7)为两端带有法兰的圆柱；超导无感线圈(5a、5b、5c)和加热丝线圈(8a、8b、8c、8d)沿径向间隔地绕制在超导开关骨架(7)上，即紧贴所述的超导开关骨架(7)绕制一个加热丝线圈(8a)，接着再在绕制完毕的加热丝线圈(8a)外表面绕制一个超导无感线圈(5a)，然后又在绕制完毕的超导无感线圈(5a)外表面绕制一个加热丝线圈(8b)，以此类推。

3.按照权利要求2所述的超导磁体失超保护装置，其特征是，所述的加热丝线圈的个数与超导磁体(1)的子线圈个数相同，每个加热丝线圈都为偶数层，即每个加热丝线圈的进线和出线均从超导开关骨架(7)的同一个端面引出。

4.按照权利要求2所述的超导磁体失超保护装置，其特征是，所述的超导无感线圈(5a、5b、5c)采用同一根超导线绕制，从超导开关骨架(7)端板上引出一对进出线。

5.按照权利要求2所述的超导磁体失超保护装置，其特征是，所述的第一、第二、第三、第四加热丝线圈(8a、8b、8c、8d)均从超导开关骨架(7)端板上引出一对进出线(10)，并且利用各个加热丝线圈的进出线在辅助超导开关(4)外将所有加热丝线圈(8a、8b、8c、8d)串联起来，即第一加热丝线圈(8a)的出线(10b)同第二加热丝线圈(8b)的进线(10b)电气连接，形成第一电气连接点(11a)，第二加热丝线圈(8b)的出线(10b)同第三加热丝线圈(8c)的进线(10a)电气连接，形成第二个电气连接点(11b)，以此类推。

6.按照权利要求1所述的超导磁体失超保护装置，其特征在于：所述的子线圈加热器电路(2)由粘贴在超导磁体(1)中各个子线圈(L1、L2、L3、L4)外表面的加热器(R1、R2、R3、R4)串联组成；子线圈加热器电路(2)并联在辅助超导开关(4)中的超导无感线圈(5)两端，超导无感线圈(5)同超导磁体(1)串联。

7.按照权利要求1所述的超导磁体失超保护装置，其特征在于：所述的辅助超导开关(4)中串联连接的各个加热丝线圈(8a、8b、8c、8d)分别同超导磁体(1)中串联连接的各个子线圈(L1、L2、L3、L4)相对应，即第一加热丝线圈(8a)对应第一子线圈(L1)，第二加热丝线圈(8b)对应第二子线圈(L2)，以此类推；再通过电气连接将对应的各组加热丝线圈和子线圈组成闭合回路，具体电气连接方法为：辅助超导开关(4)中第一加热丝线圈(8a)的进线(10a)串联第一二极管对(6a)再与超导磁体(1)的进线(12a)连接，第四加热丝线圈(8d)的出线(10b)串联第五二极管对(6e)再与超导磁体(1)的出线(12b)连接，而加热丝线圈(8a、8b、8c、8d)之间的电气连接点(11)分别串联一个二极管对(6b、6c、6d)后再与对应的子线圈之间的电气连接点(13)连接，即第一加热丝线圈(8a)与第二加热丝线圈(8b)之间的电气连接点(11a)串联第二二极管对(6b)后再与第一子线圈(L1)和第二子线圈(L2)之间的电气连接点(13a)连接，第二加热丝线圈(8b)与第三加热丝线圈(8c)之间的电气连接点(11b)串联第三二极管对(6c)后再与第二子线圈(L2)和第三子线圈(L3)之间的电气连接点(13b)连接，以此类推。

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