CN106356813A - 230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法 - Google Patents

230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，在超导励磁线圈与电源的连接线路上设有失超保护控制开关，超导励磁线圈的两端连接外保护电阻，所述的超导励磁线圈还并联有内保护冷二极管组，内保护冷二极管组连接失超加热器，失超信号检测与控制模块分别与超导励磁线圈和失超保护控制开关相连接。该方法利用内保护冷二极管组对线圈失超电压的嵌位解决了单纯利用较大外保护电阻线圈失超电压过高的问题；同时利用预埋加热器使得线圈均匀失超，降低了超导线圈内的最高温升。本发明将大大降低超导回旋加速器超导励磁线圈在失超时损坏的概率。

Description

230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超 保护方法
技术领域
本发明属于回旋加速器设计技术，具体涉及一种230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法。
背景技术
超导励磁线圈由超导材料(如NbTi，Nb3Sn等低温超导材料及BSCCO、YBCO等高温超导材料)制成的超导线或超导线编织成的绞缆绕制而成。通常用于提供常规常温励磁线圈无法提供的大电流、强磁场。超导励磁线圈只有在极低温度下(至少低于相应超导材料的临界温度)才能维持超导态。此时，超导励磁线圈本身阻抗接近零，无焦耳发热，线圈两端的电压降非常低，超导励磁线圈具备非常大的电流载荷能力(其临界电流比常用的铜导线大几个数量级)。但当因为某些原因导致超导励磁线圈的温度超过临界温度时，超导线就会从超导态转化为非超导态，如果超导励磁线圈没有失超保护系统，此时大电流流过非超导态的超导励磁线圈会造成线圈产生大量焦耳热，线圈迅速升温而损坏；同时线圈内的电压迅速升高，有击穿线圈绝缘层的风险。因此，通常都会采用失超保护系统来保护超导励磁线圈。
在超导励磁线圈的最重要的应用-超导核磁共振磁体(Superconducting MRImagnet)中，由于核磁共振磁体一般都是不带电源运行，因此其中的超导励磁线圈采用内保护的方式来保护超导励磁线圈(参见Yi Li,Qiuliang Wang,Shunzhong Chen,QuenchSimulation for 9.4T MRI Superconducting Magnet,Journal of Physics:ConferenceSeries 507(2014)032054.)。即通常采用放置在低温恒温器低温端、背靠背的冷二极管(back-to-back cold diodes)与超导励磁线圈并联，旁路失超的线圈，限制线圈失超时的电压升高；同时在超导励磁线圈绕制时预埋加热器，利用失超时的电压来驱动加热器加热超导励磁线圈未失超的部分，使得整个磁体均匀失超，降低磁体内的最高温升，达到保护磁体的目的。
在目前公开的超导回旋加速器超导磁铁中，超导励磁线圈通常带电源工作，单纯采用内保护无法满足要求，一般需要专门的失超探测系统探测失超信号，用于断开电源，同时用工作在室温的外保护电阻来保护超导励磁线圈(参见K.Pieterman,C.Commeaux,J.A.M.Dam,et al.,THE CRYOGENIC SYSTEM FOR THE AGOR SUPERCONDUCTING CYCLOTRON,Proceedings of the Eleventh International Conference on Cyclotrons and theirApplications,Tokyo,Japan,p548-p551.)。当检测到超导励磁线圈发生失超时，电源断开，外保护电阻与超导励磁线圈串联，超导磁铁中储存的能量通过外保护电阻释放。但对于储能和电感都比较大的超导磁铁，外保护电阻过大会导致线圈失超电压过高，破坏线圈绝缘；外保护电阻太小又会造成电流衰减时间常数很大，线圈内的温升过高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有230MeV超导回旋加速器超导磁铁中超导励磁线圈失超保护方式存在的问题，提供一种基于内保护与外保护的230MeV超导回旋加速器超导线圈失超保护方法。
本发明的技术方案如下：一种230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，在超导励磁线圈与电源的连接线路上设有失超保护控制开关，超导励磁线圈的两端连接外保护电阻，所述的超导励磁线圈还并联有内保护冷二极管组，内保护冷二极管组连接失超加热器，失超信号检测与控制模块分别与超导励磁线圈和失超保护控制开关相连接；
当超导励磁线圈处于超导态正常工作时，失超保护控制开关闭合，外保护电阻被超导励磁线圈短路，电流主要通过超导励磁线圈；
当失超信号检测与控制模块检测到失超信号后，控制失超保护控制开关断开，内保护冷二极管组用于限制超导励磁线圈失超时的电压升高，并通过超导励磁线圈失超后产生的电压差驱动失超加热器加热超导励磁线圈使超导励磁线圈均匀失超，此时外保护电阻与超导励磁线圈串联，超导励磁线圈中储存的部分能量通过外保护电阻释放。
进一步，如上所述的230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，其中，所述的失超加热器紧贴在超导励磁线圈的表面。
进一步，如上所述的230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，其中，所述的失超信号检测与控制模块包括失超信号检测单元和失超控制单元，所述失超信号检测单元比较上下超导励磁线圈抽头间的电压差，并交给失超控制单元判断，当超过一定限额后认为发生失超，失超控制单元发出控制开关量的通断信号。
进一步，如上所述的230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，其中，所述的内保护冷二极管组由可工作在液氦温度的两个一组正反背靠背连接的功率二极管组成的单元一个或多个串联形成，安装在液氦容器中，单个功率二极管组单元在低温下的正向导通电压不小于1V,多个串联后形成所需的导通嵌位电压。
本发明的有益效果如下：本发明提出了一种基于内保护与外保护相结合的回旋加速器超导线圈失超保护方法，利用内保护冷二极管组对线圈失超电压的嵌位解决了单纯利用较大外保护电阻线圈失超电压过高的问题；同时利用预埋加热器使得线圈均匀失超，降低了超导线圈内的最高温升。本发明将大大降低超导回旋加速器超导励磁线圈在失超时损坏的概率。
附图说明
图1为本发明230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明所提供的超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，在超导励磁线圈6与电源7的连接线路上设有失超保护控制开关1，超导励磁线圈6的两端连接外保护电阻4，所述的超导励磁线圈6还并联有内保护冷二极管组2，内保护冷二极管组2连接失超加热器3，失超加热器3紧贴在超导励磁线圈的表面设置，失超信号检测与控制模块5分别与超导励磁线圈6和失超保护控制开关1相连接。
当超导线圈处于超导态正常工作时，失超保护控制开关1闭合，此时外保护电阻4被超导励磁线圈6短路，电流主要通过超导励磁线圈6。
当失超检测与控制模块5检测到失超信号后，控制失超保护控制开关1断开电源7。失超信号检测与控制模块5的实现形式有多种，在本申请的具体实施方式中，失超信号检测与控制模块5包括失超信号检测单元和失超控制单元，所述失超信号检测单元比较上下超导励磁线圈抽头间的电压差，并交给失超控制单元(如PLC)判断，当超过一定限额后认为发生失超，失超控制单元发出控制开关量的通断信号。
内保护冷二极管组2由可工作在液氦温度的两个一组正反背靠背连接的功率二极管组成的单元一个或多个串联形成，安装在液氦容器中，单个功率二极管组单元在低温下的正向导通电压一般不小于1V,多个串联后可形成所需的导通嵌位电压。当失超检测与控制模块5检测到失超信号后，控制失超保护控制开关1断开电源7，内保护冷二极管组2嵌位超导励磁线圈6两端的电压；失超加热器3工作，加热线圈未失超的部分，使得超导励磁线圈6整体均匀失超，也即使得超导励磁线圈6储存的电磁能通过超导励磁线圈6中已变成电阻性的失超部分均匀释放而不是集中释放到局部，防止局部烧毁；外保护电阻4与超导励磁线圈6串联，超导励磁线圈中储存的部分能量通过外保护电阻4释放。
实施例
以某230MeV超导回旋加速器超导励磁线圈的失超保护系统为例。该失超保护系统由失超保护控制开关，内保护冷二极管组，失超加热器，外保护电阻，失超信号检测与控制模块组成。
在超导励磁线圈与电源的连接线路上设有失超保护控制开关，超导励磁线圈的两端连接外保护电阻，所述的超导励磁线圈与内保护冷二极管组并联，内保护冷二极管组采用多组正反背靠背连接的功率二极管组成的单元串联的形式，内保护冷二极管组连接失超加热器，失超加热器紧贴在超导励磁线圈的表面设置，失超信号检测与控制模块分别与超导励磁线圈和失超保护控制开关相连接。
当超导线圈处于超导态正常工作时，失超保护控制开关K闭合，此时外保护电阻被超导线圈短路，电流主要通过超导线圈。
失超信号检测与控制模块包括失超信号检测单元和失超控制单元，失超信号检测单元比较上下超导励磁线圈抽头间的电压差，并交给失超控制单元(如PLC)判断，当电压差超过一定限额后认为发生失超(即失超检测与控制模块检测到失超信号)，失超控制单元发出控制开关量的通断信号，控制失超保护控制开关K断开电源；外保护电阻与超导励磁线圈串联，释放能量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，在超导励磁线圈与电源的连接线路上设有失超保护控制开关，超导励磁线圈的两端连接外保护电阻，其特征在于：所述的超导励磁线圈还并联有内保护冷二极管组，内保护冷二极管组连接失超加热器，失超信号检测与控制模块分别与超导励磁线圈和失超保护控制开关相连接；
当超导励磁线圈处于超导态正常工作时，失超保护控制开关闭合，外保护电阻被超导励磁线圈短路，电流主要通过超导励磁线圈；
当失超信号检测与控制模块检测到失超信号后，控制失超保护控制开关断开，内保护冷二极管组用于限制超导励磁线圈失超时的电压升高，并通过超导励磁线圈失超后产生的电压差驱动失超加热器加热超导励磁线圈使超导励磁线圈均匀失超，此时外保护电阻与超导励磁线圈串联，超导励磁线圈中储存的部分能量通过外保护电阻释放。
2.如权利要求1所述的230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，其特征在于：所述的失超加热器紧贴在超导励磁线圈的表面。
3.如权利要求1所述的230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，其特征在于：所述的失超信号检测与控制模块包括失超信号检测单元和失超控制单元，所述失超信号检测单元比较上下超导励磁线圈抽头间的电压差，并交给失超控制单元判断，当超过一定限额后认为发生失超，失超控制单元发出控制开关量的通断信号。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的230MeV超导回旋加速器超导线圈基于内保护与外保护的失超保护方法，其特征在于：所述的内保护冷二极管组由可工作在液氦温度的两个一组正反背靠背连接的功率二极管组成的单元一个或多个串联形成，安装在液氦容器中，单个功率二极管组单元在低温下的正向导通电压不小于1V,多个串联后形成所需的导通嵌位电压。
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