CN104124033B - 超导磁体电路及磁体锻炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超导磁体电路及磁体锻炼方法，通过在超导磁体电路的屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端设置开关装置，在对超导磁体进行锻炼时，让部分或全部屏蔽线圈或屏蔽线圈组不参与励磁过程，使得超导磁体在更低的运行电流下完成锻炼，降低了失超时所释放的能量，从而减少了对液氦的消耗，降低了对超导磁体造成损坏的风险。

Description

超导磁体电路及磁体锻炼方法

技术领域

本发明涉及超导磁体领域，尤其涉及一种超导磁体电路及磁体锻炼方法。

背景技术

尽管制造磁体的技术一直在进步，但是励磁过程中的失超总是难以避免，磁体在励磁过程中所经历的失超主要有三个方面的因素：1)超导线圈在电磁力的作用下会发生相对移动，线圈间相对移动产生的摩擦热量传递到超导线致使超导线圈发生失超；2)用于固化超导线圈的树脂内部发生的开裂所带来的热量传递到超导线而引起的失超；3)超导线圈内部的发热源(比如匝与匝之间的短路接触点)所引起的超导线失超。而一台正常的超导磁体，基本上可以避免由后两种因素所带来的失超，唯独第一种很难避免。

失超会带来一系列的后果：1)使得部分绕组的温度急剧上升，引起机械裂纹甚至烧毁；2)使得绕组内部产生数千伏的电压差，引起线圈内部的绝缘层击穿；3)由于储存的能量基本上都在液氦罐内部释放，会瞬间蒸发大量的液氦，一方面造成液氦这种不可再生资源的损失，另一方面对于制冷容器和失超排气管路的抗压能力也提出了比较高的要求。目前，一方面通过安置失超保护电路来确保每次失超时失超区域能及时传播开，让整个磁体承受所有的失超能量；另一方面在将超导磁体投入正常使用前，对超导磁体进行多次锻炼。

对超导磁体进行多次锻炼是因为线圈移动摩擦生热所引发的失超有一个特点，即对于同一台磁体而言，下一次发生失超时超导线圈所受的电磁力总是会高于上一次发生失超时超导线圈所受的电磁力。利用超导磁体的这个特点，在将超导磁体投入正常使用前，对超导磁体进行多次锻炼，直至超导线圈所受的电磁力在达到超导磁体投入正常使用时超导线圈所受的电磁力的值之前均不会发生失超。在这种情况下，超导磁体在投入正常使用时，将不再经历失超。将对超导磁体进行锻炼时，超导线圈所受磁场力的最大值称为超导线圈所能承受的最大电磁力。在对超导磁体进行锻炼时，超导线圈所能承受的最大电磁力通常要高于超导磁体投入正常使用时超导线圈所受的电磁力。

图1是现有的超导磁体电路示意图。本领域技术人员知晓，在超导磁体电路中，主线圈组件和屏蔽线圈组件均可以包含多个线圈。为简便起见，此处仅以屏蔽线圈组件包含2个屏蔽线圈，主线圈组件包含3个主线圈为例对现有的超导磁体电路进行说明。图2和图3也是同理。

利用图1所示的电路对超导磁体进行锻炼，首先，打开并联于励磁电源两端的第一开关装置；随后，通过励磁电源提升回路电流至设定电流值，该设定电流值根据预设的超导线圈所能承受的最大电磁力计算得到。如果在回路电流到达设定电流值之前发生失超现象，那我们视为一次锻炼。一台正常的磁体经过一次或者数次锻炼失超后达到设定电流值，当然也有完全不失超的情况发生。

但是，上述技术还存在以下两个方面的不足，一是尽管在通常情况下，人们会设计尽量稳妥的失超保护电路，但也不能百分之百的保证重复的多次失超不会对磁体造成损坏，二是对超导磁体进行锻炼时，失超所释放的大量能量有可能对超导磁体造成损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超导磁体电路及磁体的锻炼方法，以减少对超导磁体进行锻炼时失超所释放的能量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超导磁体电路，包括：主线圈组件，由多个主线圈串联组成，用于产生主磁场；屏蔽线圈组件，由多个屏蔽线圈串联组成，所述屏蔽线圈组件产生的磁场与所述主磁场的磁场方向相反；励磁电源，与所述主线圈组件、屏蔽线圈组件串联连接，所述励磁电源的两端并联有第一开关装置；第二开关装置，并联于所述屏蔽线圈组件内的屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端。

进一步地，所述屏蔽线圈组件内的全部屏蔽线圈为一个屏蔽线圈组，在该屏蔽线圈组两端并联有第二开关装置。

进一步地，所述屏蔽线圈组件内的各屏蔽线圈两端均并联有第二开关装置。

进一步地，所述第一开关装置和/或第二开关装置为超导开关。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种超导磁体的锻炼方法，包括以下步骤：

步骤1：断开并联于励磁电源两端的第一开关装置，闭合至少一个并联于屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端的第二开关装置；

步骤2：通过励磁电源提升回路电流至设定电流值；

步骤3：在提升回路电流至设定电流值的过程中，判断超导磁体是否发生失超，若是，执行步骤4，若否，执行步骤5；

步骤4：降低所述励磁电源的电流直至为零，待系统恢复正常状态后，执行步骤1；

步骤5：降低所述励磁电源的电流直至为零，结束对超导磁体的锻炼。

与现有技术相比，本发明技术方案提供的超导磁体电路及磁体的锻炼方法，在屏蔽线圈组件内的超导线圈或超导线圈组两端并联设置开关装置，超导磁体进行锻炼时，通过控制屏蔽线圈组件内的超导线圈或超导线圈组两端的开关装置，使得部分或全部屏蔽线圈或屏蔽线圈组不参与励磁过程，使得设定电流值变小，发生失超时释放的能量降低，这样就减少了对液氦这种不可再生资源的消耗，同时也降低了对磁体造成损坏的风险。

附图说明

图1是现有的超导磁体电路示意图；

图2是本发明中一种超导磁体电路示意图；

图3是本发明中另一种超导磁体电路示意图；

图4是本发明中对超导磁体进行锻炼的流程示意图；

图中：

10主线圈 20屏蔽线圈 30励磁电源

40第一开关装置 50第二开关装置

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图2是本发明中一种超导磁体电路示意图；图3是本发明中另一种超导磁体电路示意图。

请参考图2和图3，本发明提供的超导磁体电路，包括：主线圈组件，由多个主线圈10串联组成，用于产生主磁场；屏蔽线圈组件，由多个屏蔽线圈20串联组成，所述屏蔽线圈组件产生的磁场与所述主磁场的磁场方向相反；励磁电源30，与所述主线圈组件、屏蔽线圈组件串联连接，所述励磁电源30的两端并联有第一开关装置40；第二开关装置50，并联于所述屏蔽线圈组件内的屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端。

上述超导磁体电路中，主线圈组件、屏蔽线圈组件、第一开关装置40和第二开关装置50都位于低温液氦保持容器内，而励磁电源30位于低温液氦保持容器之外。主线圈组件包含多个主线圈10，主线圈10为超导线圈，主线圈组件用于产生主磁场。屏蔽线圈组件包含多个屏蔽线圈20，屏蔽线圈20为超导线圈，屏蔽线圈组件产生的磁场与主磁场方向相反，作用是限制超导磁体在空间产生的杂散磁场。屏蔽线圈组件产生的磁场和主线圈组件产生的磁场的矢量和形成最终的均匀磁场。

在屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端设置第二开关装置50，可以实现对屏蔽线圈或屏蔽线圈组的单独控制。第二开关装置50可并联设置于任一屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端。在屏蔽线圈组件内，可同时设置多个第二开关装置50。优选地，屏蔽线圈组件内的全部屏蔽线圈为一个屏蔽线圈组，在该屏蔽线圈组两端并联有第二开关装置，如图2所示的超导磁体电路。优选地，屏蔽线圈组件内的各屏蔽线圈两端均并联有第二开关装置，如图3所示的超导磁体电路。超导磁体在励磁的过程中，超导磁体电路的各个元件均需处于超导状态，因此第一开关装置可以设置为超导开关，第二开关装置可以设置为超导开关。本领域技术人员知晓，第一开关装置和第二开关装置还可以为其他类型的开关装置，只要在励磁的过程中处于超导状态，且可以通过开关的闭合实现通路的导通。

基于上述超导磁体电路，本发明还提供了一种超导磁体的锻炼方法，请参见图4所示的本发明中对超导磁体进行锻炼的流程示意图，所述超导磁体的锻炼方法包括以下步骤：

步骤S21，断开并联于励磁电源两端的第一开关装置，闭合至少一个并联于屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端的第二开关装置。

步骤S22，通过励磁电源提升回路电流至设定电流值；

步骤S23，在提升回路电流至设定电流值的过程中，判断超导磁体是否发生失超，若是，执行步骤4，若否，执行步骤5；

步骤S24，降低所述励磁电源的电流直至为零，待系统恢复正常状态后，执行步骤1；

步骤S25，降低所述励磁电源的电流直至为零，结束对超导磁体的锻炼。

本发明提供的超导磁体电路在电路连接上不同于传统的超导磁体电路，通过在屏蔽线圈组件内的屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端并联设置第二开关装置50，实现对屏蔽线圈或屏蔽线圈组的单独控制。基于上述超导磁体电路，本发明提供的超导磁体的锻炼方法，通过闭合屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端的第二开关装置50，使得部分或全部屏蔽线圈或屏蔽线圈组不参与励磁过程。由于缺少了一定数量的屏蔽线圈或屏蔽线圈组对于主磁场反向的贡献，在同样的运行电流下，超导线圈位置所处的磁场强度会大于传统的励磁情况。换句话说，超导线圈各位置所拥有的短样比例(short sample，ss％)以及所经受的电磁力相比之下都会更大。理论上，在本发明的这种励磁模式下，如果失超时，超导线圈所受的电磁力相同的话，各超导线圈会以明显较小的运行电流完成失超，如果这个失超是锻炼过程必不可少的一部分的话。由于超导磁体所储存的能量是通过1/2×L×I²(L为线圈组的电感，而I为运行电流的大小)来计算的，那么如果能降低一半的失超电流则意味着能降低3/4的失超能量，这样对于节省失超所带来的液氦损耗是大有益处的。同时，失超时在绕组间产生的高电压也会随之减少，这样就减小了绕组内部击穿和高温烧毁的风险。

如背景技术所描述的对超导磁体进行锻炼时，超导线圈所能承受的最大电磁力通常要高于超导磁体正常使用时超导线圈所受的电磁力。所述步骤S22中设定电流值根据预设的超导线圈所能承受的最大电磁力计算得到。该超导线圈所能承受的最大电磁力不小于超导磁体正常使用时超导线圈所受的电磁力。需要说明的是，在励磁过程中，失超现象通常是由主线圈组件内的主线圈失超引起的，因此在对超导磁体进行锻炼时，只需要对所有的主线圈进行锻炼，直至所有的主线圈所能承受的最大电磁力不小于超导磁体正常使用时主线圈所承受的电磁力，而对屏蔽线圈的锻炼则可以忽略。

利用本发明提供的超导磁体的锻炼方法，首先，断开并联于励磁电源两端的第一开关装置40，闭合至少一个并联于屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端的第二开关装置50；随后，通过励磁电源提升回路电流至设定电流值，这时因为第二开关装置50作为一个无感超导元件连通了屏蔽线圈或屏蔽线圈组的两端，所以在这种情况下超导电流不会流入屏蔽线圈或屏蔽线圈组，而是全部流入第二开关装置50所在的支路；在提升回路电流至设定电流值的过程中，判断超导磁体是否发生失超，若没有发生失超，则降低励磁电源的电流直至为零，待系统恢复正常状态后结束对超导磁体的锻炼，若发生失超，则降低励磁电源的电流直至为零，待系统恢复正常状态后，开始对超导磁体进行又一次的锻炼，如此对超导磁体进行多次锻炼，直至在提升回路电流至设定电流值时，超导磁体没有发生失超，结束对超导磁体的锻炼。

当利用本发明中提供的超导磁体电路对超导磁体进行锻炼后，可以继续通过正常的励磁过程来获得人体扫描所需要的均匀背景场。首先，打开第一开关装置40和所有的第二开关装置50；通过励磁电源提升回路电流，此时电流会同时流入主线圈组件和屏蔽线圈组件，达到设定电流值后停止提升电流，该设定电流值不同于对超导磁体进行锻炼时的设定电流值，而是根据超导磁体正常使用所需要的中心磁场强度计算得到；单独关闭第一开关装置40，然后开始降低励磁电源的电流输出直至为零，实现超导电流在磁体系统中的闭环；最后结束整个励磁过程。

综上所述，本发明提供的超导磁体电路及磁体锻炼方法，通过在屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端设置开关装置，在对超导磁体进行锻炼时，让部分或全部屏蔽线圈或屏蔽线圈组不参与励磁过程，使得超导磁体在更低的运行电流下完成锻炼，降低了失超时所释放的能量，从而减少了对液氦的消耗，降低了对超导磁体造成损坏的风险。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种超导磁体电路，包括：

主线圈组件，由多个主线圈串联组成，用于产生主磁场；

屏蔽线圈组件，由多个屏蔽线圈串联组成，所述屏蔽线圈组件产生的磁场与所述主磁场的磁场方向相反；

励磁电源，与所述主线圈组件、屏蔽线圈组件串联连接，所述励磁电源的两端并联有第一开关装置；

其特征在于，还包括：

第二开关装置，并联于所述屏蔽线圈组件内的屏蔽线圈或屏蔽线圈组两端。

2.如权利要求1所述的超导磁体电路，其特征在于，所述屏蔽线圈组件内的全部屏蔽线圈为一个屏蔽线圈组，在该屏蔽线圈组两端并联有第二开关装置。

3.如权利要求1所述的超导磁体电路，其特征在于，所述第二开关装置并联于所述屏蔽线圈组件内的屏蔽线圈两端时，所述屏蔽线圈组件内的各屏蔽线圈两端均并联有第二开关装置。

4.如权利要求1所述的超导磁体电路，其特征在于，所述第一开关装置和/或第二开关装置为超导开关。

5.一种超导磁体的锻炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，断开并联于励磁电源两端的第一开关装置，闭合至少一个并联于屏蔽线圈两端的第二开关装置或闭合屏蔽线圈组两端的第二开关装置；

步骤2，通过励磁电源提升回路电流至设定电流值；

步骤3，在提升回路电流至设定电流值的过程中，判断超导磁体是否发生失超，若是，执行步骤4，若否，执行步骤5；

步骤4，降低所述励磁电源的电流直至为零，待系统恢复正常状态后，执行步骤1；步骤5，降低所述励磁电源的电流直至为零，结束对超导磁体的锻炼。