CN104835611A - 超导磁体系统及其高温超导引线的失超保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导磁体系统及其高温超导引线的失超保护方法，其中的超导磁体系统包括：超导线圈、高温超导引线、加热器、加热器触发器及高温超导引线侦测单元。该高温超导引线侦测单元用于检测该高温超导引线的工作状态，当来自该高温超导引线上的检测信号大于预设值时，该高温超导引线侦测单元输出控制信号给该加热器触发器，以触发该加热器工作使超导线圈失超，该预设值对应该高温超导引线的失超点或失超临界点。

Description

超导磁体系统及其高温超导引线的失超保护方法

技术领域

本发明涉及一种超导磁体系统，特别涉及一种具有对高温超导引线进行失超保护的超导磁体系统及其失超保护方法。

背景技术

随着超导技术和超导材料的蓬勃发展，超导磁体有着广阔的应用前景。由于超导磁体体积小、电流密度高、能耗低、磁场强度高等优点，在基础科学研究、医疗卫生、交通运输、国防工业等领域越来越多的被应用。例如，在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系统中，超导磁体就被应用来产生一个均匀磁场。

超导磁体通常操作在较高的电流工作状态（例如大约200A-800A）,以提供能量来获得均匀磁场。该高电流通常由一个外部的电源提供并通过一对电流引线传输至超导磁体的超导线圈上。对于超导磁体来说，一些传导冷却装置配置在其内用于在线圈充放电过程中对线圈进行冷却操作。但是，现有的传导冷却装置在对线圈进行充放电过程中通常没有多余的冷却能量来为电流引线进行冷却。目前，一些电流引线上应用了高温超导（high-temperaturesuperconducting,HTS）引线来作为该对电流引线的一部分，以降低对超导磁体系统的热负荷。

作为一个例子，图1示意了一个传统超导磁体系统10的示意图。该超导磁体系统10包括若干超导线圈11、若干加热器12、外部电源13、一对电流引线14、加热器电源15及加热器触发器16。该超导线圈11电性串联后通过该对电流引线14连接在该外部电源13的两端。每一根电流引线14包括串联在一起的铜引线141、高温超导引线142及低温超导引线（low-temperaturesuperconducting,LTS）143。该加热器12电性串联后与该加热器电源15及加热器触发器16串联连接。

当加热器触发器16发出触发信号后，每一个加热器12将对应加热一个超导线圈11，以使它们失超。例如，通过一个控制信号CS控制该加热器触发器16发出触发信号。该控制信号CS为用于触发超导线圈11的控制信号，例如为一个失超命令信号，该失超命令信号可由一个失超保护电路产生。但是，在超导线圈11进行充放电时，对于该高温超导引线142的自身的失超保护将是一个挑战。这是因为，在该高温超导引线142自身发生失超时，该失超的传播速度很慢，很难使由于失超产生的高温迅速扩散，如此该产生的高温可能会损坏高温超导引线142。

传统的保护高温超导引线的方法是设计一个直接控制外部电源的控制机制，通过直接关断该外部电源来保护高温超导引线。但是，对于超导磁体系统来说，通过简单的关断电源的方法来进行保护并不能使流经高温超导引线上的高电流迅速降下来，故不能真正实现对高温超导引线的失超保护。

所以，需要提供一种新的超导磁体系统及高温超导引线的失超保护方法来至少解决上述问题。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面在于提供一种超导磁体系统。该超导磁体系统包括：

超导线圈；

高温超导电流引线；

加热器，用于给超导线圈进行加热；

加热器触发器；及

高温超导引线侦测单元，用于检测该高温超导引线的工作状态，当来自该高温超导引线上的检测信号大于预设值时，该高温超导引线侦测单元输出控制信号给该加热器触发器，以触发该加热器工作，该预设值对应该高温超导引线的失超点或失超临界点。

本发明的另一个方面在于提供另一种高温超导引线的失超保护方法，用于保护超导磁体系统内的高温超导引线。该方法包括：

检测该高温超导引线的工作状态；及

当来自该高温超导引线上的检测信号大于预设值时，输出控制信号以加热该超导磁体系统内的超导线圈使其失超，该预设值对应该高温超导引线的失超点或失超临界点。

本发明的超导磁体系统及其高温超导引线的失超保护方法，通过设置该高温超导引线侦测单元，可实时检测高温超导引线的状态，并在该高温超导引线失超之前及时触发加热器工作，进而使超导线圈实现失超。由于超导线圈的失超时间非常短，如此可以有效防止该高温超导引线自身发生失超，进而避免了高温超导引线因自身失超而导致的损坏。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为一种传统超导磁体系统的示意图。

图2为本发明超导磁体系统的第一较佳实施方式的示意图。

图3为本发明超导磁体系统中高温超导引线侦测单元的第一较佳实施方式的控制框图。

图4为本发明超导磁体系统的第二较佳实施方式的示意图。

图5为本发明超导磁体系统中高温超导引线侦测单元的第二较佳实施方式的控制框图。

图6为本发明超导磁体系统中高温超导引线侦测单元的第三较佳实施方式的控制框图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图2，为本发明超导磁体系统（如磁共振磁体超导系统）100的第一较佳实施方式的示意图。该超导磁体系统100包括若干超导线圈110、若干加热器120、外部电源130、一对电流引线140、加热器电源150、加热器触发器160、高温超导引线侦测单元170及两个电压检测器180。在非限定的实施方式中，每一根电流引线140包括串联连接在一起的铜引线1410、高温超导引线1420及低温超导引线1430。其他实施方式中，该电流引线140除包括高温超导引线1420以外，还可根据需要相应的增加或减少其他引线部分，不拘泥于本实施方式给出的例子。

该超导线圈110电性串联后通过该对电流引线140连接在该外部电源130的两端。该加热器120电性串联后与该加热器电源150及加热器触发器160串联连接。该两个电压检测器180分别电性耦合在该对高温超导引线1420上，用于实时检测该对高温超导引线1420上的电压信号。该高温超导引线侦测单元170用于接收该电压检测器180检测的电压信号V_s1及V_s2，并根据该电压信号V_s1及V_s2产生相应的控制信号CS，来控制该加热器触发器160。该加热器触发器160也可能还接收其他控制单元的控制信号，例如接收超导线圈110的失超保护电路的控制信号来控制其工作，这里不具体说明。

请参考图3，为该高温超导引线侦测单元170的第一较佳实施方式的控制框图。在该实施方式中，该高温超导引线侦测单元170包括一个比较器171及两个缓冲器174。该两个缓冲器174分别用于接收该两个电压检测器180检测的电压信号V_s1及V_s2，并传输至该比较器171的两个输入端。其他实施方式中，该缓冲器174也可不需要设置，直接由比较器171的两个输入端接收检测的电压信号V_s1及V_s2即可。也可增加其他的信号处理元件，如信号放大器等对电压信号进行预处理后再进行后续的比较运算，具体可根据实际需要进行设计，不拘泥本实施方式给出的例子。

该比较器171用于将接收到的电压信号V_s1及V_s2分别与一个预设的参考电压值V_{ref_s}进行比较。该参考电压值V_{ref_s}可根据需要进行调整，例如通过一个外部的电路或芯片进行设置，或者该比较器171自身具有设置及调整参考电压值的功能。

在本实施方式中，该参考电压值V_{ref_s}满足：当电压信号V_s1及V_s2中的任何一个大于该参考电压值V_{ref_s}时，对应的高温超导引线1420上的电压将会快速的升高，也就是说该高温超导引线1420即将要失超或接近失超的状态。即，该参考电压值V_{ref_s}对应该高温超导引线1420的失超点或失超临界点。在一些实施方式中，该参考电压值V_{ref_s}对应每厘米长度的高温超导引线1420大约为1μV，例如，当该高温超导引线1420的长度为60厘米时，该参考电压值V_{ref_s}大约为60μV。在其它具体的实施方式中，该参考电压值V_{ref_s}须根据实际应用的高温超导引线的参数来设定，例如根据高温超导引线的材料、长度等参数来设定。

具体工作时，即在该超导磁体系统100进行充放电的过程中，该高温超导引线侦测单元170实时检测该对高温超导引线1420上的电压信号V_s1及V_s2。该比较器171将接收到的电压信号V_s1及V_s2分别与预设的参考电压值V_{ref_s}进行比较。当电压信号V_s1及V_s2中的任何一个大于该参考电压值V_{ref_s}时，该比较器171输出一个控制信号CS来控制该加热器触发器160。该加热器触发器160根据该控制信号CS触发该加热器触发器160工作，以使该加热器120对超导线圈110进行加热，进而使超导线圈110实现失超。由于超导线圈110的失超时间非常短，例如一秒钟，如此可有效防止该高温超导引线1420自身发生失超，从而免受损坏。

请参考图4，为本发明超导磁体系统100的第二较佳实施方式的示意图。相较于第一较佳实施方式，该第二较佳实施方式将每一个高温超导引线1420上的电压检测器180替换成了一个低温端温度检测器181及一个高温端温度检测器182。该低温端温度检测器181设置于对应的高温超导引线1420的低温端，该高温端温度检测器182设置于对应的高温超导引线1420的高温端，该低温端温度检测器181及高温端温度检测器182用于检测对应位置处的温度。在非限定性的实施方式中，该低温端温度检测器181及高温端温度检测器182将检测到的温度转化成对应的电压信号输出，其他实施方式也可转化为电流信号输出。该高温超导引线侦测单元170用于接收该低温端温度检测器181及高温端温度检测器182输出的电压信号V_L1、V_L2及V_H1、V_H2，并根据该电压信号V_L1、V_L2及V_H1、V_H2产生相应的控制信号CS，来控制该加热器触发器160。

请参考图5，为该高温超导引线侦测单元170的第二较佳实施方式的控制框图。在该实施方式中，该高温超导引线侦测单元170包括两个比较器172、及173、四个缓冲器175及176、一个“或”元件177。该两个缓冲器175分别用于接收该两个高温端温度检测器182传来的电压信号V_H1及V_H2，并传输至该比较器175的两个输入端。该两个缓冲器176分别用于接收该两个低温端温度检测器181传来的电压信号V_L1及V_L2，并传输至该比较器176的两个输入端。该比较器172用于将接收到的电压信号V_H1及V_H2分别与一个预设的参考电压值V_{ref_H}进行比较。该比较器173用于将接收到的电压信号V_L1及V_L2分别与一个预设的参考电压值V_{ref_L}进行比较。该“或”元件177用于接收该两个比较器172及173输出的信号并将它们进行或运算处理后输出。

在本实施方式中，该参考电压值V_{ref_H}满足：当电压信号V_H1及V_H2中的任何一个大于该参考电压值V_{ref_H}时，对应的高温超导引线1420上的电压将会快速的升高，也就是说该高温超导引线1420即将要失超或接近失超的状态。即，该参考电压值V_{ref_H}对应该高温超导引线1420的失超点或失超临界点。同理，该参考电压值V_{ref_L}满足：当电压信号V_L1及V_L2中的任何一个大于该参考电压值V_{ref_L}时，对应的高温超导引线1420上的电压将会快速的升高，也就是说该高温超导引线1420即将要失超或接近失超的状态。即，该参考电压值V_{ref_L}对应该高温超导引线1420的失超点或失超临界点。

在一些实施方式中，该低温端温度检测器181及高温端温度检测器182为阻抗温度检测器（resistance-temperature-sensors,RTS），其他实施方式中，也可选用其他类型的温度检测器。作为一个例子，该参考值V_{ref_H}对应的温度范围大概为65K-77K，该参考值V_{ref_L}对应的温度范围大概为4K-10K。在其它具体的实施方式中，该参考值V_{ref_H}及V_{ref_L}须根据实际应用的高温超导引线的参数来设定，例如根据高温超导引线的材料等参数来设定。

具体工作时，即在该超导磁体系统100进行充放电的过程中，该高温超导引线侦测单元170实时检测该对高温超导引线1420上的低温及高温端温度检测器181及182传来的电压信号V_L1、V_L2及V_H1、V_H2。该比较器172将接收到的电压信号V_H1及V_H2分别与预设的参考电压值V_{ref_H}进行比较。当电压信号V_H1及V_H2中的任何一个大于该参考电压值V_{ref_H}时，该比较器172输出一个控制信号CS并通过该“或”元件177输出来控制该加热器触发器160。该加热器触发器160根据该控制信号CS触发该加热器触发器160工作，以使该加热器120对超导线圈110进行加热，进而使超导线圈110实现失超。同理，该比较器173将接收到的电压信号V_L1及V_L2分别与预设的参考电压值V_{ref_L}进行比较。当电压信号V_L1及V_L2中的任何一个大于该参考电压值V_{ref_L}时，该比较器172输出一个控制信号CS并通过该“或”元件177输出来控制该加热器触发器160。该加热器触发器160根据该控制信号CS触发该加热器触发器160工作，以使该加热器120对超导线圈110进行加热，进而使超导线圈110实现失超。

请参考图6，为该高温超导引线侦测单元170的第三较佳实施方式的控制框图。该第三较佳实施方式是将该第一较佳实施方式与第二较佳实施方式进行结合，具体工作原理不再赘述。也就是说，同时利用电压检测器180及低温、高温端温度检测器181、182来检测高温超导引线1420的临近失超点的状态，从而使高温超导引线1420在未失超但马上要失超时，及时触发加热器120工作，以实现线圈110的整体失超，进而快速降低电流，保护该高温超导引线1420免受自身失超而导致损坏。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (20)

1.一种超导磁体系统，其特征在于：该超导磁体系统包括：

超导线圈；

高温超导引线；

加热器，用于给超导线圈进行加热；

加热器触发器；及

高温超导引线侦测单元，用于检测该高温超导引线的工作状态，当来自该高温超导引线上的检测信号大于预设值时，该高温超导引线侦测单元输出控制信号给该加热器触发器，以触发该加热器工作，该预设值对应该高温超导引线的失超点或失超临界点。

2.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该系统进一步包括电压检测器，用于检测该高温超导引线上的电压，该检测信号为该电压检测器检测的电压信号。

3.如权利要求2所述的超导磁体系统，其中该高温超导引线侦测单元包括比较器，用于接收该电压信号并与该预设值进行比较，当该电压信号大于该预设值时，输出该控制信号。

4.如权利要求2所述的超导磁体系统，其中该预设值对应每厘米长度的高温超导引线大约为1μV。

5.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该系统进一步包括：

高温端温度检测器，用于检测该高温超导引线上高温端处的温度；及

低温端温度检测器，用于检测该高温超导引线上低温端处的温度；

该检测信号包括该高温端温度检测器及低温端温度检测器检测的第一及第二信号，分别对应比较一个第一预设值及一个第二预设值。

6.如权利要求5所述的超导磁体系统，其中该高温超导引线侦测单元包括：

第一比较器，用于接收该第一信号并与该第一预设值进行比较，当该第一信号大于该第一预设值时，输出该控制信号；及

第二比较器，用于接收该第二信号并与该第二预设值进行比较，当该第二信号大于该第二预设值时，输出该控制信号。

7.如权利要求5所述的超导磁体系统，其中该第一信号对应的温度范围位于65K-77K之间，该第二信号对应的温度范围位于4K-10K之间。

8.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该系统进一步包括：

电压检测器，用于检测该高温超导引线上的电压；

高温端温度检测器，用于检测该高温超导引线上高温端处的温度；及

低温端温度检测器，用于检测该高温超导引线上低温端处的温度；

该检测信号包括该电压检测器检测的第一信号、该高温端温度检测器及低温端温度检测器检测的第二及第三信号，分别对应比较一个第一预设值、一个第二预设值及一个第三预设值。

9.如权利要求8所述的超导磁体系统，其中该高温超导引线侦测单元包括：

第一比较器，用于接收该第一信号并与该第一预设值进行比较，当该第一信号大于该第一预设值时，输出该控制信号；

第二比较器，用于接收该第二信号并与该第二预设值进行比较，当该第二信号大于该第二预设值时，输出该控制信号；及

第三比较器，用于接收该第三信号并与该第三预设值进行比较，当该第三信号大于该第三预设值时，输出该控制信号。

10.如权利要求9所述的超导磁体系统，其中该高温超导引线侦测单元进一步包括“或”元件，用于接收该第一至第三比较器输出的信号并进行或运算处理。

11.一种高温超导引线的失超保护方法，用于保护超导磁体系统内的高温超导引线，其特征在于：该方法包括：

检测该高温超导引线的工作状态；及

当来自该高温超导引线上的检测信号大于预设值时，输出控制信号以加热该超导磁体系统内的超导线圈使其失超，该预设值对应该高温超导引线的失超点或失超临界点。

12.如权利要求11所述的方法，其中该检测该高温超导引线的步骤包括：检测该高温超导引线上的电压，该检测信号为检测的电压信号。

13.如权利要求12所述的方法，其中该控制信号通过一个高温超导引线侦测单元产生，该高温超导引线侦测单元包括比较器，用于接收该电压信号并与该预设值进行比较，当该电压信号大于该预设值时，输出该控制信号。

14.如权利要求12所述的方法，其中该预设值对应每厘米长度的高温超导引线大约为1μV。

15.如权利要求11所述的方法，其中该检测该高温超导引线的步骤包括：

检测该高温超导引线上高温端处的温度；及

检测该高温超导引线上低温端处的温度；

该检测信号包括该高温超导引线上高温及低温端处检测的第一及第二信号，分别对应比较一个第一预设值及一个第二预设值。

16.如权利要求15所述的方法，其中该控制信号通过一个高温超导引线侦测单元产生，该高温超导引线侦测单元包括：

第一比较器，用于接收该第一信号并与该第一预设值进行比较，当该第一信号大于该第一预设值时，输出该控制信号；及

第二比较器，用于接收该第二信号并与该第二预设值进行比较，当该第二信号大于该第二预设值时，输出该控制信号。

17.如权利要求15所述的方法，其中该第一信号对应的温度范围位于65K-77K之间，该第二信号对应的温度范围位于4K-10K之间。

18.如权利要求11所述的方法，其中该检测该高温超导引线的步骤包括：

检测该高温超导引线上的电压；

检测该高温超导引线上高温端处的温度；及

检测该高温超导引线上低温端处的温度；

该检测信号包括检测电压的第一信号、该高温超导引线上高温及低温端处检测的第二及第三信号，分别对应比较一个第一预设值、一个第二预设值及一个第三预设值。

19.如权利要求18所述的方法，其中该控制信号通过一个高温超导引线侦测单元产生，该高温超导引线侦测单元包括：

第一比较器，用于接收该第一信号并与该第一预设值进行比较，当该第一信号大于该第一预设值时，输出该控制信号；

第二比较器，用于接收该第二信号并与该第二预设值进行比较，当该第二信号大于该第二预设值时，输出该控制信号；及

第三比较器，用于接收该第三信号并与该第三预设值进行比较，当该第三信号大于该第三预设值时，输出该控制信号。

20.如权利要求19所述的方法，其中该高温超导引线侦测单元进一步包括“或”元件，用于接收该第一至第三比较器输出的信号并进行或运算处理。