CN105513743B - 超导磁体系统及其失超保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了超导磁体系统及其失超保护装置，其中具体涉及一种失超保护装置，其包括N个电性串联耦合的超导线圈和加热器矩阵模块。加热器矩阵模块包括N个加热器单元，N个加热器单元分别与N个超导线圈电性并联耦合连接。其中，M个加热器单元中每个加热器单元包括至少N个加热器，每个超导线圈与加热器单元中的至少一个加热器热耦合；N‑M个加热器单元中每个加热器单元包括至少一个加热器，与M个加热器单元相耦合的M个超导线圈中的每个超导线圈与N‑M个加热器单元中每个加热器单元的至少一个加热器热耦合。本发明还涉及一种超导磁体系统。

Description

超导磁体系统及其失超保护装置
技术领域
本发明涉及超导磁体系统，特别涉及超导磁体系统设计中的一种失超保护装置。
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 ResonanceImaging,MRI)系统中，超导磁体就被应用来产生一个均匀磁场。
当工作中的超导磁体由超导状态回复到电阻状态时，称之为失超(Quench)。这可能是由于温度、外界磁场的强度或承载电流的密度等某个参数超出其临界值而引起的。超导磁体失超的部分将不再是超导的，而是进入电阻状态，任何流经该电阻部分的电流都会导致局部焦耳发热，由于超导磁体存储了大量的能量，此时该失超的部分会快速的变热，从而可能会烧坏该失超的部分，例如熔化该失超的部分上的超导线。
因此，需要提供一些失超保护装置来避免失超现象而导致的超导磁体损坏的情况发生。已知可以通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，这就需要恰当地控制失超过程。该失超保护装置的工作原理主要是在超导磁体的某处发生失超时，将超导线圈的热点温度控制在安全范围内。控制热点温度的实质就是控制储能在热点的沉积，通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，以便在尽可能多的可用超导线圈上消耗所产生的热量，也就是说，快速地控制失超发生于整个超导磁体，这就意味着整个超导磁体的任一部分超导线圈都不会达到危险的温度。
在现有的失超保护装置中，通常的保护装置是侦测每一个超导线圈上的温度，并当任意一个超导线圈上的温度超出预设范围，也就是其发生失超时，产生相应的控制信号以触发失超保护装置工作。通常该失超保护装置包括大量与超导线圈热接触的加热器及大量与超导线圈电性连接的卸能电阻(Dump resistor)，通过这些加热器加热所有的超导线圈以使整个超导磁体失超，同时通过这些卸能电阻辅助卸掉超导线圈上的能量。但是，传统的失超保护装置需要单独设置侦测温度或电压的侦测单元及设置大量的卸能电阻，并且所应用的加热器的数量通常也非常多，进而导致整个失超保护装置设计复杂，成本过高。
所以，需要提供一种结构简单且成本低的失超保护装置来解决上述问题。
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失超保护装置。该失超保护装置包括：
N个电性串联耦合的超导线圈；
加热器矩阵模块，包括N个加热器单元，该N个加热器单元分别与该N个超导线圈电性并联耦合连接，其中，
M个加热器单元中每个加热器单元包括至少N个加热器，每个超导线
圈与该加热器单元中的至少一个加热器热耦合；及
N-M个加热器单元中每个加热器单元包括至少一个加热器，与该M个加热器单元相耦合的M个超导线圈中的每个超导线圈与该N-M个加热器单元中每个加热器单元的至少一个加热器热耦合。
本发明的另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：
真空容器，中心形成一个磁场区域；
热屏蔽罩，同中心嵌套在该真空容器内；
冷却系统，设置在该热屏蔽罩内；
N个电性串联耦合的超导线圈；及
加热器矩阵模块，包括N个加热器单元，该N个加热器单元分别与该N个超导线圈电性并联耦合连接，其中，
M个加热器单元中每个加热器单元包括至少N个加热器，每个超导线圈与该加热器单元中的至少一个加热器热耦合；及
N-M个加热器单元中每个加热器单元包括至少一个加热器，与该M个加热器单元相耦合的M个超导线圈中的每个超导线圈与该N-M个加热器单元中每个加热器单元的至少一个加热器热耦合。
本发明的又一方面在于提供一种失超保护装置。该失超保护装置包括：
N个电性串联耦合的超导线圈；
与每个超导线圈电性耦合的N个加热器，每个超导线圈与电性耦合至每个超导线圈的一个加热器热耦合。
本发明的超导磁体系统的失超保护装置，通过与超导线圈热接触加热器感应该若干超导线圈上的电压，当某一个超导线圈失超后，其上加热器被感应的失超电压触发工作，进而加热与对应加热器热耦合的超导线圈以使其他还未失超的超导线圈失超。如此所有的超导线圈即在极短的时间内完成了整体失超的过程，也即达到了失超保护的目的。通过上述设置，该失超保护装置可以在低触发能量(Actuation energy)的条件下提供一个可靠及快速响应的失超保护。此外，相对于传统的失超保护装置，本发明失超保护装置没有应用任何额外的单独设置侦测温度或电压的侦测单元，也没有设置卸能电阻，如此可大大简化失超保护装置并且降低了成本。
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为超导磁体系统的一个实施方式沿中心线的切面示意图；
图2为图1超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈相电性耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的电路示意图；
图3为图1超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈热耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的示意图；
图4为超导磁体系统的另一个实施方式沿中心线的切面示意图；
图5为图4超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈相电性耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的电路示意图；
图6为图4超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈热耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的示意图；
图7为图1超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈相电性耦合的加热器矩阵模块另一个实施方式的电路示意图；
图8为图1超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈相电性耦合的加热器矩阵模块又一个实施方式的电路示意图；
图9为超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈相电性耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的电路示意图；
图10为图9失超保护装置中与多个超导线圈热耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的示意图；
图11为超导磁体系统的又一个实施方式沿中心线的切面示意图；
图12为图11超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈相电性耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的电路示意图；
图13为图11超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈相电性耦合的加热器矩阵模块另一个实施方式的电路示意图；
图14为图11超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈热耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的示意图；
图15为超导磁体系统的再一个实施方式沿中心线的切面示意图；
图16为超导磁体系统的一个实施方式沿图15所示线5-5的切面示意图；
图17为超导磁体系统的再一个实施方式沿中心线的切面示意图；及
图18为超导磁体系统的一个实施方式沿图17所示线7-7的切面示意图。
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1，为本发明超导磁体系统10的一个实施方式沿中心线的切面示意图。作为一个例子，在该示意的实施方式中，该超导磁体系统10包括一个圆环状的真空容器12、一个同中心嵌套在该真空容器12内的圆环状的热屏蔽罩14及一个同中心嵌套在该热屏蔽罩14内的冷却装置。该真空容器12的中心形成了一个磁场区域11。在本实施方式中，一个同中心嵌套在该热屏蔽罩14的圆环状冷却腔161用作该冷却装置。该冷却装置用于对该超导磁体系统10进行冷却并保持在极低的温度。
在图1所示实施方式中，该超导磁体系统10包括N个超导线圈18，其中，N为整数。该N个超导线圈包括若干主超导线圈，例如6个主超导线圈181、182、183、184、185、186和一个屏蔽超导线圈(shielding/bucking superconducting coil)187。该若干主超导线圈181-186缠绕在该冷却腔16的内圆筒壁面162上，该屏蔽超导线圈(shielding/buckingsuperconducting coil)187环绕安装于该冷却腔161的外圆筒壁面164上。该冷却腔161的内圆筒壁面162及内圆筒壁面164作为线圈支撑结构来将如图1所示的N个超导线圈18稳固地支撑在该冷却腔161内部，例如结合环氧树脂等材料支撑固定该超导线圈18。在其他实施方式中，该超导磁体系统10内的超导线圈也可以通过其他类型的线圈支撑结构来稳固地支撑在该冷却腔16的内部，例如金属支撑架(Metal former)、金属支撑杆(Metal bar)、玻璃钢(Fiberglass reinforced plastic,FRP)支撑架、或玻璃钢支撑杆等。
在图1所示的实施方式中，该真空容器12还包括一个冷却器(refrigerator)122，该冷却器122连通至该热屏蔽罩14及该冷却腔161，以冷却该N个超导线圈18。例如，该冷却腔161大致被冷却至4.2开尔文，该冷却腔161与该热屏蔽罩14之间的区域大致被冷却至40-50开尔文。该真空容器12还包括一个端口介面123，用于提供该超导磁体系统10内部与外部之间的通信，例如包括多个电源线(Power leads)124以实现外部电源与该N个超导线圈18及内部电路之间的电气连接。其他实施方式中，可不使用该冷却腔161的冷却方式给超导线圈进行制冷，而使用其他类型的制冷方式对超导线圈进行制冷，例如使用如图15所示的热虹吸冷却管163来直接给该N个超导线圈18进行制冷以达到较低的操作温度，不局限于图示给出的例子。
在一些具体的实施方式中，该超导磁体系统10是一种包括低温超导体线圈的低温超导磁体系统。在另一些实施方式中，该超导磁体系统10可以是其他类型的超导磁体系统。该超导磁体系统10可用在很多合适的领域如用在核磁共振成像系统中。
作为一个例子，在如图1所示的实施方式中，该若干主超导线圈181-186包括6个超导线圈。具体地，该主超导线圈181及182为两个较大的线圈，该主超导线圈183及184为两个中等的线圈，该主超导线圈185及186为两个较小的线圈。这里的较大、中等、较小是指该若干超导线圈181-186之间在尺寸上相对大小关系。典型地，该两个较大的线圈181及182设置于该冷却腔161的底壁162相对的最外侧，该两个较小的线圈185及186设置于该冷却腔161的底壁162的中间位置，该两个中等的线圈183及184分别设置于该线圈181与185之间以及该线圈182与186之间。需要说明的是，上述设置仅仅是一个例子，实际上，该若干主超导线圈181-186的数量、尺寸及位置设置均可根据具体的超导磁体系统10的设计要求而调整，不拘泥于本实施方式给出的例子。
在图1的实施方式中，仅设置一个屏蔽超导线圈187。同样，在其他实施方式中，屏蔽超导线圈设置的数量、尺寸及位置均可根据实际设计要求而调整，不局限于此。该屏蔽超导线圈187用于产生一个屏蔽磁场以防止由该主超导线圈18产生的主磁场超出指定区域面积。
在其他实施方式中，除了应用屏蔽超导线圈187之外，该磁场屏蔽功能也可通过其他方式实现。例如，该真空容器12的外壳也被设置为屏蔽壳体。在非限定的实施方式中，该真空容器12可以应用铁轭(Iron shield或Iron yoke)来作为屏蔽壳体。在其他实施方式中，该屏蔽磁场可由该屏蔽超导线圈187和铁轭屏蔽共同产生。
在如图1所示实施方式中，该超导磁体系统10包括如图2所示的加热器矩阵模块28。该加热器矩阵模块28与该N个超导线圈18电性耦合和热耦合，具体将在图2中进行描述。该加热器矩阵模块28用于在失超时对该N个超导线圈18进行加热。
请参考图2，为图1超导磁体系统10中与失超保护装置100的多个超导线圈电性耦合的加热器矩阵模块28一个实施方式的电路示意图。本实施方式中，该失超保护装置100包括该主超导线圈181-186、该屏蔽超导线圈187、该加热器矩阵模块28、一个主超导开关17及该电源线124。
在图2失超保护装置100的实施方式中，该主超导线圈181-186和该屏蔽超导线圈187电性串联耦合后连接在该两个电源线124上，且该屏蔽超导线圈187与其他主超导线圈181-816的绕线方向相反。该主超导开关17与该超导线圈181-187组成的串联电路电性并联耦合。在一个操作过程中，外部电源(未示出)通过该两个电源线124提供电能对该N个超导线圈181-187进行励磁，当在视场(Field Of View)区域内产生的磁场到预定的磁感应强度(比如1.5特斯拉或3特斯拉)时，该主超导开关17将被控制闭合(由电阻性状态转为超导状态)，以建立一个与该超导线圈181-187共同组成的闭环电路。如此，该磁场区域11将通过该主超导线圈181-186被建立起来，同时一个屏蔽磁场(未标号)将通过该屏蔽超导线圈187被建立起来。可以理解的是，该失超保护装置100还可能包括其他传统的辅助电路元件，以保证电路的正常工作，这里为了方便说明，故未将它们示意出来。
在本实施方式中，该加热器矩阵模块28包括N个加热器单元(例如加热器单元281、282、283、284、285、286、和287)。该N个加热器单元281-287分别与该N个超导线圈181-187电性并联耦合(例如，该加热器单元287与该屏蔽超导线圈187的两端在点A和点B处电性耦合)。
其中，在M(1≤M≤N)个加热器单元中，每个加热器单元包括至少N个加热器。每个超导线圈与该M个加热器单元中每个加热器单元的至少一个加热器热耦合。在其余N-M个加热器单元中，每个加热器单元包括至少一个加热器。在与该M个加热器单元相电性耦合的M个超导线圈中，每个超导线圈与该N-M个加热器单元的至少一个加热器热耦合。
在如图1所示的实施方式中，M等于1。在本实施方式中，与该屏蔽超导线圈187相电性耦合的该加热器单元287包括N个加热器1871-1877。在其余加热器单元281-286中，每个加热器单元包括一个加热器(例如，该加热器单元281包括加热器1811)。在其他实施方式中，该M个加热器单元中的每个加热器单元包括N个以上加热器。这里，加热器数目的最小值为2N-1。在所述实施方式中，该超导线圈的数目N为7，因此加热器的最小数目为2*7-1＝13个。
请结合图2共同参考图3，如图2所示，该加热器单元281-286中的加热器1811-1861分别与该超导线圈181-186相电性并联耦合。另外，如图3所示，每个加热器1811-1861与该屏蔽超导线圈187热耦合。
如图2所示，每个加热器1871-1877与该屏蔽超导线圈187电性并联耦合。另外，如图3所示，加热器1871-1877与该超导线圈181-187分别一对一的热耦合。
作为一个例子，每个加热器1811-1861和1871-1877的宽度等于或接近于与其热耦合的对应的超导线圈的宽度。这样，只要这些加热器被触发，这些加热器可对超导线圈产生快速的加热响应。在其他实施方式中，每个加热器1811-1861和1871-1877的宽度可根据设计标准如基于一些具体的结构设计要求而进行响应调整。
作为一个例子，该加热器1871-1877等间距的或大致等间距的热耦合在该屏蔽超导线圈187上。如此，每一个加热器的反应时间是相等或大致相等的。在某些实施方式中，该加热器1871-1877的位置安排可根据实际需求进行调整，不局限于某一种设置。
通过上述设置，该失超保护装置100可以在低驱动能量的条件下提供一个可靠及快速响应的失超保护。此外，相对于传统的失超保护装置，本发明失超保护装置100没有应用任何额外的单独设置侦测温度的侦测单元，也没有设置卸能电阻，如此可大大简化失超保护装置并且降低了成本。
在正常的工作模式下，电流仅在由超导线圈181-187及主超导开关17形成的闭合回路中循环流通。可以理解的是，在正常的超导模式中，也就是没有发生失超的情况下，所有的加热器上都不会有电流产生，故而加热器不会工作。为了方便说明，以下假设在某一个超导线圈的局部区域发生了失超，例如在该超导线圈183上发生了失超。该初始的失超将提高该超导线圈183上的电压，而超导线圈183又与对应的加热器1831电性并联耦合。如此，该超导线圈183上提高的电压(或称失超电压)将触发该加热器1831工作，工作后的加热器1831将会产生热量。又由于该加热器1831热耦合在该超导线圈187上，因此该加热器1831产生的热量立刻使该超导线圈187发生失超。
在励磁(Ramping Up)或退磁(Ramping Down)的过程中，由于每个超导线圈中的励磁电压非常小，流过每个加热器的电流也非常小。该加热器矩阵模块28被设计为当加热器上有很少的热量时，不会触发任何非故意的励磁失超。然而，当超导线圈失超时，该失超保护装置可以用正确的方式触发加热器矩阵模块，以保护超导线圈。
当该超导线圈187失超之后，该失超将提高该超导线圈187上的电压，而该超导线圈187又分别与该加热器1871-1877电性并联耦合。如此，该超导线圈187上提高的电压将触发该加热器1871-1877工作，工作后的加热器1871-1877将会产生热量。又由于该加热器1871-1877与该超导线圈181-187一对一热耦合，其他还未失超的超导线圈181、182、184-186也会发生失超，至此所有的超导线圈181-187都发生了失超，即超导线圈整体失超。随后，其他未触发的加热器1811、1821、1841-1861又被触发，以进一步加快失超传播的速度。经过上述一系列的过程，整个失超过程将会在很短的时间内完成，通常会小于两秒，如此可有效防止因失超而导致的设备损坏。
在图2及图3的实施方式中，该加热器1811-1817是热耦合在该屏蔽超导线圈187上的。一方面，这是因为在所有超导线圈181-187中，该超导线圈187的宽度和匝数都是最大的，它的直径是所有超导线圈181-187中最大的一个。如此，在大多数情况下，该超导线圈187失超时其上引起的失超电压会高于其他任何一个超导线圈181-186失超时其上引起的失超电压。因为，将该加热器1811-1817热耦合在该屏蔽超导线圈187上要比热接触设置在其他任何一个超导磁体181-186上时的失超传播速度都要快，而失超传播速度越快，越能及时的防止超导磁体因失超产生的热量而损坏。
另一方面，由于在所有超导线圈181-187中，该超导线圈187的宽度和匝数都是最大的，在大多数情况下，该超导线圈187具有最大的电感及最大的热质量。如此，该超导线圈187可能是最希望在失超发生时最早被控制主动失超的超导线圈，这样的话可以加快整个超导线圈能量的释放。换句话说，当超导系统某一处发生失超后，如果该超导线圈187被最早的控制主动失超，则失超引起的损害风险将会实质性地降低。
在其他实施方式中，包括至少N个加热器的该M个加热器单元也可以热耦合在其他任意一个超导线圈181-186上。图4至图6将会给出该超导磁体系统10的另一个实施方式。作为一个例子，在该实施方式中，包括至少N个加热器的加热器单元热耦合在该主超导线圈182。
请参考图5的失超保护装置100，该该超导线圈181-187电性串联耦合后连接在该两个电源线124上，且该屏蔽超导线圈187与其他主超导线圈181-816的绕线方向相反。该主超导开关17与该超导线圈181-187组成的串联电路电性并联耦合。
请共同参考图5及图6，一方面，包括加热器1821-1827的加热器单元282与该主超导磁体182电性并联耦合。此外，该加热器1821-1827中的每一个加热器与该超导线圈181、183-187分别一对一热耦合。其余加热器单元281和283-287每个加热器单元分别包括一个加热器1811和1831-1871。另外，每个加热器1811和1831-1871与该主超导线圈182热耦合。
与图2所示失超保护装置100的实施方式相比，图5所示失超保护装置100的实施方式同样可以提供一个可靠及快速响应的失超保护，具体工作原理相似，不再赘述。
如前所述，除了应用屏蔽超导线圈之外，该磁场屏蔽功能也可通过其他方式实现。当超导磁体系统10没有应用屏蔽超导线圈时，该主超导线圈181-186中的某一个将会作为一个失超触发线圈以代替图2所示的屏蔽超导线圈187。
在一些实施方式中，超导磁体系统10可不应用屏蔽超导线圈。该超导磁体系统10中的失超保护装置100与前面所描述的实施方式的结构及功能相似，这里也不再赘述。
请参考图7及图8，为本发明超导磁体系统10中失超保护装置100的另两个实施方式的电路示意图。相比图2的实施方式，图7及图8的实施方式仅改变了该M个加热器单元(例如加热器单元287)电性并联耦合至该屏蔽超导线圈187的位置。在图2中，该加热器单元287电性并联耦合至该屏蔽超导线圈187的两端，即该加热器单元287与该屏蔽超导线圈187的整体电性并联耦合，而在图7及图8中，该加热器单元287则只与该屏蔽超导线圈187的一部分电性并联耦合。
图7中电性并联耦合在该屏蔽超导线圈187的一中间点‘P1’及一端点‘B’之间，图8中电性并联耦合在该屏蔽超导线圈187的两个中间点‘P1’及‘P2’之间。在非限定的实施方式中，图7中该屏蔽超导线圈187的耦合段P1-B主要为该屏蔽超导线圈187的电阻反应段(Resistive response section)，而未接入段A-P1主要为该屏蔽超导线圈187的电感反应段(Inductive response section)。这里，“电阻反应段”代表该屏蔽超导线圈187的一段区间，在该屏蔽超导线圈187失超后，该段区间的电压主要表现为正向增加；“电感反应段”代表该屏蔽超导线圈187的一段区间，在该屏蔽超导线圈187失超后，该段区间的电压主要表现为负向增加。之所以该屏蔽超导线圈187整体表现上为正向增加，是由于“电阻反应段”与“电感反应段”的叠加反应仍为正向增加。
在图9的实施方式中，由于该加热器单元287是与该屏蔽超导线圈187的电阻反应段电性耦合的，因此，当该屏蔽超导线圈187发生失超后，该加热器单元287能更快地感应到失超电压，进而触发热接触的超导线圈失超，以进一步提高失超保护的反应时间，这又进一步降低了因失超造成的损失风险。在一些实施方式中，该屏蔽超导线圈187的‘B’点的端点为其内表面上的一点，且该加热器单元287热耦合在该屏蔽超导线圈187的内表面。上述“电阻反应段”的确定可根据仿真分析方法获得。例如，在图8的实施方式中，该“电阻反应段”被确定在了该屏蔽超导线圈187的两中间点‘P1’及‘P2’之间。相对应地，加热器1811-1861也可热接触设置于该屏蔽超导线圈187的其他位置，例如该屏蔽超导线圈187的外表面。
请参考图9，为本发明超导磁体系统10中失超保护装置100的再一个实施方式的电路示意图。在一些实施方式中，当失超发生后，某个或某些超导线圈相较于其他超导线圈更容易被损坏，因此有时需要对这些易损坏的超导线圈提供其他辅助的保护装置。为了方面说明，在图9的实施方式中，该两个主超导线圈185及186被假定为易损坏的超导线圈。
请共同参考图9及图10，在图2实施方式的基础上，为了更好的保护该两个主超导线圈185及186，该超导保护装置100进一步增加了额外的两个加热器1832及1842。在非限定的实施方式中，该加热器1832及1842分别与该两个主超导线圈183及184并联电性耦合。此外，该加热器1832及1842分别热耦合在该两个主超导线圈185及186上。在其他实施方式中，该加热器1832及1842也可分别与其他另外两个主超导线圈并联电性耦合。
当初始失超发生在该主超导线圈183(或184)时，前面描述的图2的失超保护装置100将工作，这里不再赘述。与此同时，该加热器1832(或1842)将提供辅助的失超保护对该主超导线圈185(或186)。换句话说，该主超导线圈185的失超触发是通过该加热器1831及1874(或加热器1842及1875)的结合实现的，而不仅仅只通过加热器1874(或加热器1875)。因而可以进一步提高失超保护的效果。
需要说明的是，图9及图10仅仅是举了一个最简单的例子来说明两个额外的加热器功用。在具体的实施方式中，该额外加热器的数量及安装位置可以根据实际需要来确定，不局限于本实施方式给出的例子。
请参照图11，为超导磁体系统10的又一个实施方式沿中心线的切面示意图。如图11所示，该主超导线圈181-186尺寸相同。在本实施方式中，每个加热器单元包括N个加热器(例如，加热器单元281包括加热器1811、1812、1813、1814、1815、1816和1817)。在图12所示实施方式中，在一个加热器单元中，N个加热电性并联耦合后与对应的超导线圈并联耦合。在图13所示实施方式中，在一个加热器单元中，N个加热器电性串联耦合后与对应的超导线圈并联耦合。在其他实施方式中，至少一个加热器单元中的N个加热器电性串联耦合后与对应的超导线圈并联耦合，在其他加热器单元中，N个加热器并联电性耦合后与对应的超导线圈并联耦合。在其他实施方式中，对于每个加热器单元，N个加热器中部分相电性串联耦合，部分相电性并联耦合，然后该N个加热器与对应超导线圈的两端并联耦合。
在如图12和13所示的实施方式中，该加热器矩阵模块28是N*N矩阵。该加热器矩阵模块28包括加热器1811-1817、1821-1827、1831-1837、1841-1847、1851-1857、1861-1867和1871-1877。更具体地，N等于7，该加热器矩阵模块28的加热器数目为7*7＝49。在其他实施方式中，至少一个加热器单元中加热器的数目大于N。
请参照图14，为图11超导磁体系统中与失超保护装置的多个超导线圈热耦合的加热器矩阵模块一个实施方式的电路示意图。每个超导线圈与每个加热器单元中的至少一个加热器热耦合。作为一个例子，加热器单元281的加热器1811、加热器单元282的加热器1821、加热器单元283的加热器1831、加热器单元284的加热器1841、加热器单元285的加热器1851、加热器单元286的加热器1861和加热器单元287的加热器1871与该主超导线圈181热耦合。在其他实施方式中，当加热器单元包括多于N个加热器时，该加热器单元中的一个或多个加热器与一个超导线圈热耦合。
在正常的工作模式下，电流仅在由超导线圈181-187及主超导开关17形成的闭合回路中循环流通。可以理解的是，在正常的超导模式中，也就是没有发生失超的情况下，所有的加热器上都不会有电流产生，故而加热器不会工作。在励磁(Ramping Up)或退磁(Ramping Down)的过程中，由于每个超导线圈中的励磁电压非常小，流过每个加热器的电流也非常小。该加热器矩阵模块28被设计为当加热器上有很少的热量时，不会触发任何非故意的励磁失超。然而，当超导线圈失超时，该失超保护装置可以用正确的方式触发加热器矩阵模块，以保护超导线圈。
结合图12和图14以便于说明，以下假设在某一个超导线圈的局部区域发生了失超，例如在该超导线圈181上发生了失超。该初始的失超将提高该超导线圈181上的电压，而超导线圈181又与对应的加热器单元281电性并联耦合。如此，该超导线圈181上提高的电压(或称失超电压)将触发该加热器1811-1817工作，工作后的加热器1811-1817将会产生热量。由于加热器1811与该主超导线圈181热耦合，该主超导线圈181将加速失超。又由于该加热器1812-1817热耦合在该超导线圈182-187上，因此该加热器1812-1817产生的热量立刻使该超导线圈182-187发生失超。
由于所有超导线圈182-187发生了失超。该超导线圈182-187以及对应加热器单元282-287上的电压将提高，而超导线圈181又与对应的加热器单元281电性并联耦合。如此，该超导线圈181上提高的电压(或称失超电压)将触发该加热器1821-1827、1831-1837、1841-1847、1851-1857、1861-1867和1871-1877工作，工作后的加热器1821-1827、1831-1837、1841-1847、1851-1857、1861-1867和1871-1877将会产生热量，与其热耦合的对应的超导线圈182-187被加热失超。最终，通过使用交叉网络的加热器矩阵模块28，所有的超导线圈181-187被加速失超。
当任意一个或多个超导线圈发生失超时，该加热器矩阵模块28可通过一个简单步骤触发所有的超导线圈至失超状态。该交叉网络的加热器矩阵模块28导致其他超导线圈同时失超，从而缩短了失超保护响应时间并且在失超时防止超导线圈181-187被损毁。
作为一个例子，加热器矩阵模块28中的每个加热器的宽度等于或接近于与其热耦合的对应的超导线圈的宽度。每个加热器与超导线圈的每个线圈都热接触，从而当这些加热器被触发后，可提供快速的加热响应给该超导线圈181-187，最终导致加速失超。更具体地，在该磁体系统中的热量能迅速通过包括初始失超的超导线圈传播，从而避免了失超时，在初始超导线圈的过热或过压损害。在其他实施方式中，每个加热器的宽度可根据设计标准如基于一些具体的结构设计要求而进行响应调整。
作为一个例子，该加热器(例如1811-1871)等间距的或大致等间距的热耦合在每个超导线圈上(例如该超导线圈181上)。如此，每一个加热器的响应时间是相等或大致相等的。在某些实施方式中，该加热器的位置安排可根据实际需求进行调整，不局限于某一种设置。
通过上述设置，该失超保护装置100可以在低驱动能量的条件下提供一个可靠及快速响应的失超保护。此外，相对于传统的失超保护装置，本发明失超保护装置100没有应用任何额外的单独设置侦测温度的侦测单元，也没有设置卸能电阻，如此可大大简化失超保护装置并且降低了成本。
请参照图15，为超导磁体系统的再一个实施方式沿中心线的切面示意图。与图11所示实施方式相比，热虹吸冷却管163和其他冷却组件(例如，液体冷却存储装置)用作该冷却装置。该超导磁体系统10进一步包括金属支撑架20(也称为线圈支撑组件)。该金属支撑架20与该N个超导线圈电磁耦合。该金属支撑架20包括主线圈支撑架224，屏蔽线圈支撑架234和支撑元件238。该屏蔽线圈支撑架234与该主线圈支撑架224通过该支撑元件238相连接。该主线圈支撑架224用于对该主超导线圈181-186进行支撑。该屏蔽线圈支撑架234用于对该屏蔽超导线圈187进行支撑。在如图15所示实施方式中，仅包括一个屏蔽超导线圈187。在如图17所示实施方式中，采用两个屏蔽超导线圈187和188。在其他实施方式中，可采用多于两个屏蔽超导线圈。
该超导线圈181-187与该主线圈支撑架224的内表面201物理接触。在其他实施方式中，该超导线圈181-187可与该主线圈支撑架224的外表面203物理接触。在本实施方式中，该加热器矩阵模块28的每个加热器与对应的超导线圈热耦合。更具体地，每个加热器设置在对应超导线圈的一侧表面。在一些实施方式中，在该金属支撑架20的内表面或外表面设置一些凹槽来容纳该N个超导线圈181-187。该金属支撑架20与该热屏蔽罩14的底部留有空隙。图16为图11所示超导磁体系统10沿线5-5的该主线圈支撑架224和带有加热器(例如该加热器1816)的该超级线圈186的切面示意图。
该金属支撑架20由高电导性材料制成。例如，铝、铝合金(如铝合金1100)或铜等材料。在其他实施方式中，该金属支撑架20可由其他类型的电导性材料制成，这些电导性材料具有高机械强度，例如铝合金LM31或A356等。
当失超发生时，该加热器矩阵模块28被触发以对该N个超导线圈18进行加热，从而防止失超的超导线圈被损毁。由于该金属支撑架20与该N个超导线圈18电磁耦合，该金属支撑架20上的磁通流量产生变化，在该电导性金属支撑架20上会产生涡流，进而该金属支撑架20会对失超的超导线圈起到分流作用并在失超的超导线圈的热点处分担焦耳热量。
除了提供支撑功能以外，在发生失超时，该电导性金属支撑架20可进一步减小该N个超导线圈18上的温度峰值。
请参照图17，为超导磁体系统的再一个实施方式沿中心线的切面示意图。与图15所示实施方式相比，图17所示是该超导磁体系统10进一步包括多个电导性绕组19。该多个电导性绕组19包括电导性绕组191、192、193和194。在其他实施方式中，该电导性绕组19的数量可根据不同设计需要进行调整。该电导性绕组19可由通或高纯度铝制成。每个电导性绕组191-194与该N个超导线圈181-188电磁耦合。每个电导性绕组各自短路连接。在本实施方式中，该电导性绕组19与该主线圈支撑架224的外表面203物理接触。在其他实施方式中，该电导性绕组19与该主线圈支撑架224的内表面201物理接触。在其他实施方式中，该电导性绕组19也包含部分绕组与屏蔽线圈的支撑架234相接触或邻近。图18为图11所示超导磁体系统10沿线5-5的该主线圈支撑架224和带有加热器(例如该加热器1816)的该超级线圈186的切面示意图。在其他实施方式中，每个电导性绕组可由电导性材料如同或高纯度铝制成的环或圆柱得到。
一方面，该金属支撑架20用于支撑该电导性绕组19和该N个超导线圈18，这种线圈支撑结构可保证结构的稳定性。另一方面，在失超发生时，该加热器矩阵模块28被触发以对该N个超导线圈18进行加热并防止失超的超导线圈被损毁。由于该电导性绕组19与该N个超导线圈181-187电磁耦合，该电导性绕组19上的磁通流量产生变化，在该电导性绕组19上会产生涡流，进而该电导性绕组19会对失超的超导线圈起到分流作用并在失超的超导线圈的热点处分担焦耳热量。更进一步，由于该电导性绕组19与该金属支撑架20物理接触，在失超发生时，该金属支撑架20可进一步消耗电导性绕组19上的热量。
除了该加热器矩阵模块28可对超导线圈进行保护，该电导性金属支撑架20和/或该电导性绕组19可产生涡流以进一步保护超导线圈。由于失超保护需要在1s或更短的时间内起到作用，通过该加热器矩阵模块28和涡流效应共同作用有助于对环氧树脂浸渍的超导线圈起到保护作用。
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)

1.一种失超保护装置，其特征在于，该失超保护装置包括：
N个电性串联耦合的超导线圈；
加热器矩阵模块，包括N个加热器单元，该N个加热器单元分别与该N个电性串联耦合的超导线圈电性并联耦合连接，其中，
M个加热器单元中每个加热器单元包括至少N个加热器，所述N个电性串联耦合的超导线圈中的每个超导线圈与该M个加热器单元中每个加热单元的至少一个加热器热耦合；及
N-M个加热器单元中每个加热器单元包括至少一个加热器，与该M个加热器单元相耦合的M个超导线圈中的每个超导线圈与该N-M个加热器单元中每个加热器单元的至少一个加热器热耦合。
2.如权利要求1所述的失超保护装置，其中M等于1。
3.如权利要求1所述的失超保护装置，其中M等于N。
4.如权利要求1所述的失超保护装置，其中该N个电性串联耦合的超导线圈包括多个主超导线圈及至少一个屏蔽超导线圈，包含有至少N个加热器的加热器单元与该屏蔽超导线圈耦合。
5.如权利要求1所述的失超保护装置，其中该失超保护装置进一步包括金属支撑架，该金属支撑架与该N个电性串联耦合的超导线圈电磁耦合以在失超发生时消耗热量。
6.如权利要求5所述的失超保护装置，其中该失超保护装置进一步包括多个电导性绕组，该多个电导性绕组与该N个电性串联耦合的超导线圈电磁耦合，每个电导性绕组各自短路连接。
7.如权利要求1所述的失超保护装置，其中每个加热器的宽度等于或接近于对应热耦合的超导线圈的宽度。
8.如权利要求1所述的失超保护装置，其中加热器在对应热耦合的超导线圈上均匀分布。
9.如权利要求1所述的失超保护装置，其中每个加热器与对应超导线圈的内表面或外表面热耦合。
10.一种超导磁体系统，其特征在于：该超导磁体系统包括：
真空容器，中心形成一个磁场区域；
热屏蔽罩，同中心嵌套在该真空容器内；
冷却装置，设置在该热屏蔽罩内；
N个电性串联耦合的超导线圈；及
加热器矩阵模块，包括N个加热器单元，该N个加热器单元分别与该N个电性串联耦合的超导线圈电性并联耦合连接，其中，
M个加热器单元中每个加热器单元包括至少N个加热器，所述N个电性串联耦合的超导线圈中的每个超导线圈与该M个加热器单元中每个加热单元的至少一个加热器热耦合；及
N-M个加热器单元中每个加热器单元包括至少一个加热器，与该M个加热器单元相耦合的M个超导线圈中的每个超导线圈与该N-M个加热器单元中每个加热器单元的至少一个加热器热耦合。
11.如权利要求10所述的超导磁体系统，其中该冷却装置包括冷却腔，该冷却腔同中心嵌套在该热屏蔽罩内。
12.如权利要求11所述的超导磁体系统，其中该N个电性串联耦合的超导线圈包括多个主超导线圈及至少一个屏蔽超导线圈，该主超导线圈安装或设置于该冷却腔的内圆筒壁面，该至少一个屏蔽超导线圈安装或设置于该冷却腔的外圆筒壁面。
13.如权利要求10所述的超导磁体系统，其中该冷却装置包括热虹吸冷却管。
14.如权利要求10所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统进一步包括金属支撑架，该金属支撑架与该N个电性串联耦合的超导线圈电磁耦合以用于在失超发生时消耗热量。
15.如权利要求10所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统进一步包括多个电导性绕组，该电导性绕组与该N个电性串联耦合的超导线圈电磁耦合，每个电导性绕组各自短路连接。
16.一种失超保护装置，其特征在于：该失超保护装置包括
N个电性串联耦合的超导线圈；
加热器矩阵模块，其包括与每个超导线圈电性并联耦合的N个加热器单元，每个加热器单元包括N个加热器，每个超导线圈与所述每个加热器单元中的至少一个加热器热耦合。
17.如权利要求16所述的失超保护装置，其进一步包括金属支撑架，该金属支撑架与该N个电性串联耦合的超导线圈电磁耦合以用于在失超发生时消耗热量。
18.如权利要求17所述的失超保护装置，其进一步包括多个电导性绕组，该电导性绕组与该N个电性串联耦合的超导线圈电磁耦合，每个电导性绕组各自短路连接。
19.如权利要求17所述的失超保护装置，其中该金属支撑架由高电导性材料制成。
20.如权利要求16所述的失超保护装置，其中与每个超导线圈电性耦合的该N个加热器电性并联或电性串联。
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