CN106558869A - 一种用于超导磁体系统的失超保护电路及失超保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于超导磁体系统的失超保护电路，超导磁体系统包含若干个超导线圈单元，且若干个超导线圈单元串联连接，失超保护电路与至少一个超导线圈单元并联连接，包括串联连接的数个加热器和多阶支路，加热器与超导线圈单元热耦合，多阶支路包括第一阶支路、第二阶支路，第一支路、第二支路的阻抗不同；加热器可连接第一阶支路和/或第二阶支路，且第一阶支路、第二阶支路被配置为并联状态并与加热器电气连接，或者第一阶支路和第二阶支路中仅有一条支路与加热器电气连接。本申请的多阶支路可组成接力式保护电路，提高失超传播的稳定性和有效性。此外，本申请还提出一种用于超导磁体系统的失超保护方法。

Description

一种用于超导磁体系统的失超保护电路及失超保护方法

技术领域

本申请实施例涉及用于磁共振成像的超导磁体，尤其涉及用于超导磁体系统的失超保护电路及失超保护方法。

背景技术

众所周知，磁体是磁共振成像(MRI)系统中最重要的核心部件之一，它提供了均匀的主磁场，用于氢原子发生拉莫尔进动，从而在射频场的激励下发生磁共振现象。由于超高性价比，超强稳定的均匀性和磁感应强度，目前市场上主流磁体大多为超导磁体，其利用既定位置排列的超导线圈在低温下的零电阻效应，与超导开关形成闭环模式(persistentmode)，并参考毕奥萨伐尔定律从而产生了既定的磁场。当超导磁体在某些扰动下其运行参数超过临界参数时，将导致超导体失去超导特性，称为超导磁体的失超(quench)。失超是不可逆的过程，且伴随着电磁能快速转化为热能，如没有失超保护，磁体线圈局部失超点(hotspot)将面临过热过压的风险。

目前常用的超导磁体的失超保护电路有两种方式：主动保护(又称有源保护)和被动保护(又称无源保护)。较之主动保护，被动保护有效的避免了主动保护可能误启动带来的风险，且简单易行。目前现有技术中常用的被动失超保护电路如图1所示：多个超导线圈单元(L1-L8)连接正、负电流引线22和23可组成超导磁体回路，在D1端点位置(超导线圈单元L3的左侧)、D2端点位置(超导线圈单元L6的右侧)串联连接有H1-H8等八个加热器组成失超保护电路(即超导线圈单元L3、L4、L5和L6与加热器H1-H8并联设置)。利用超导磁体的超导线圈单元失超时其并联的多个加热器两端(D1和D2)之间出现电阻电压或者电感电压，亦或者两者叠加充当了加热器的“电源”，部分电流从超导线圈中分流至加热器导致发热，超过线圈的临界温度从而加速了线圈的失超，对能量是一种均衡释放，避免了磁体能量在局部释放烧坏磁体的风险，但这种方法的弊端在于对于大能量磁体有损坏加热器和失超启动滞后的风险。另一种被动失超保护方法为采用电感耦合的方式来加速磁体失超，从而起到保护作用，这个方法的弊端在于需额外绕制电阻线圈，成本增加且需遏制干扰带来的风险。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本申请提供一种超导磁体系统，以解决现有技术方案中失超启动滞后、成本高等问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种用于超导磁体系统的失超保护电路，所述超导磁体系统包含若干个超导线圈单元，且所述若干个超导线圈单元串联连接；

所述失超保护电路，与至少一个超导线圈单元并联连接，所述失超保护电路包括串联连接的数个加热器和多阶支路，所述加热器与所述超导线圈单元热耦合，所述多阶支路包括第一阶支路、第二阶支路，所述第一支路、第二支路的阻抗不同；

所述加热器可连接所述第一阶支路和/或所述第二阶支路，且所述第一阶支路、第二阶支路被配置为并联状态并与加热器电气连接，或者第一阶支路和第二阶支路中仅有一条支路与加热器电气连接

根据本申请的一些实施例，所述超导线圈单元的失超电压为第一电压时，所述加热器与所述第一阶支路连接；

所述超导线圈单元的失超电压为第二电压时，所述加热器与所述第二阶支路连接，且所述第一电压小于所述第二电压。

根据本申请的一些实施例，所述第一阶支路的开路电压小于所述第二阶支路的开路电压。

根据本申请的一些实施例，所述第一阶支路包括第一熔断器，且所述第一熔断器的阻值小于所述数个加热器的阻值。

根据本申请的一些实施例，所述第二阶支路包括第二熔断器和第一电阻，且所述第二熔断器的阻值小于所述第一电阻的阻值。

根据本申请的一些实施例，所述失超保护电路还包括与所述第一阶支路和所述第二阶支路并联设置的第三阶支路，所述超导线圈单元的失超电压为第三电压时，所述加热器与所述第三阶支路电气连接，所述第三电压大于所述第二电压。

根据本申请的一些实施例，所述第三阶支路包括第三熔断器和第二电阻，且所述第二电阻的阻值大于所述第一电阻的阻值。

根据本申请的一些实施例，所述第二阶支路或/和第三阶支路还包括一个或数个附加加热器，所述附加加热器与超导线圈单元热耦合。

第二方面，本申请实施例提出一种用于超导磁体系统的失超保护方法，所述超导磁体系统包括若干个超导线圈单元、与至少一个超导线圈单元并联连接的失超保护电路，所述若干个超导线圈单元串联连接组成超导磁体回路，所述超导磁体回路与所述失超保护电路并联设置；

所述失超保护电路包括串联连接的数个加热器和多阶支路，所述多阶支路包括第一阶支路、与所述第一阶支路并联连接的第二阶支路，且所述加热器可与所述第一阶支路电气连接组成第一失超保护电路，与所述第二阶支路电气连接组成第二失超保护电路；

当所述超导磁体系统未发生失超时，所述加热器未对所述超导线圈单元加热；

当所述超导磁体系统发生失超时，所述第一失超保护电路的加热器对所述超导线圈单元加热，且当所述第一失超保护电路中的电流超过设定阈值时，所述失超保护电路由所述第一失超保护电路切换到第二失超保护电路。

根据本申请的一些实施例，所述失超保护电路还包括与所述第一阶支路或所述第二阶支路并联设置的第三阶支路，所述加热器可与所述第三支路连接组成第三失超保护电路；

当所述第二失超保护电路的电流超过设定阈值，所述失超保护电路由所述第二失超保护电路切换到所述第三保护电路。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：本申请利用加热器、熔断器，起分压作用的电阻和触发器等组成第一保护电路或第二保护电路等多阶保护电路，其中组成失超保护电路路的各支路的阻抗逐阶递增，组成接力式失超保护电路，各阶支路迅速衔接，保证失超过程中加热器中流过的电流始终在设定电流阈值范围内，既能最快时间启动保护电路，又能持续有效时间，对超导磁体系统和加热器都能起到保护作用；熔断器设置在包含超导磁体的低温容器外部，方便更换成本低，易于实现；各支路包含的电路在一定温度范围内阻值恒定，增强超导磁体系统失超保护的稳定性；与熔断器串联的电阻可设置成加热器，这样电阻在起分压作用的同时，还可设置在超导线圈单元的四周不同位置，提高失超传播速度。

附图说明

图1为现有技术中用于超导磁体系统失超保护电路结构示意图；

图2为组成超导磁体的超导线圈单元失超电压图；

图3为本申请实施例一的用于超导磁体系统的失超保护电路结构示意图；

图4为本申请实施例二的用于超导磁体系统的失超保护电路结构示意图；

图5为本申请实施例三的用于超导磁体系统的失超保护电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

如图2是一实施例中组成超导磁体的超导线圈单元失超电压图，其中横坐标表示超导线圈单元失超发生时间(单位为s)，纵坐标表示发生失超时相应超导线圈单元两端的检测电压(单位为V)。示例性地，当一个或多个超导线圈单元发生失超，如超导线圈单元L8首先失超，会导致失超保护电路接入端D1和D2之间首先出现电感电压，电流流经失超保护电路的加热器H1-H8，当该失超保护电路中串联的八个加热器H1-H8总电阻值(或阻抗)很大时，由于热惰性，必然会延迟有效加热，致使超导线圈单元L8局部失超点，面临过热过压风险；反之，如若换用小阻值(或阻抗)的加热器H1-H8，虽然可以尽快启动有效加热，但是由于保护电路接入端D1和D2之间的具有较大的电压，会使流经加热器H1-H8的电流过大，致使加热器损坏，从而保护电路失效。

为克服上述缺陷，本申请在一些实施例中提出的超导磁体系统包括若干个超导线圈单元，该若干个超导线圈单元串联连接组成超导磁体回路；超导磁体系统可设置失超保护电路，该失超保护电路可设置在一个或多个超导线圈单元两端或设置成与一个或多个超导线圈单元并联连接，包括串联连接一个或多个加热器，其中加热器可与超导线圈单元热耦合，当有电流流经加热器，加热器可对超导线圈单元加热；失超保护电路还包括可与数个加热器串联连接的多阶支路，该多阶支路可将流经加热器的电流限制在设定范围内。

多阶支路可包括第一阶支路和第二阶支路，且第一支路、第二支路的阻抗(阻值)不同。加热器可选择性的连接第一阶支路和/或第二阶支路。示例性地，第一阶支路、第二阶支路被配置为并联状态，且第一阶支路、第二阶支路同时与加热器电气连接。失超保护电路也可配置为：第一阶支路、第二阶支路被配置为并联状态，第一阶支路和第二阶支路中仅有一条支路与加热器电气连接。

在一个实施例中，数个加热器可与第一阶支路电气连接组成第一失超保护电路。在另一实施例中，数个加热器可与第二阶支路电气连接组成第二失超保护电路。根据本申请的一些实施例，第一阶支路的阻抗(阻值)小于第二阶支路的阻抗(阻值)，对应地，第一阶支路的开路电压小于第二阶支路的开路电压。第一阶支路的阻抗(阻值)也可设置成大于第二阶支路的阻抗(阻值)，对应地，第一阶支路的开路电压大于第二阶支路的开路电压。

在一个实施例中，当超导磁体处于失超初期(刚发生失超时)第一阶支路与数个加热器电气连接，第一失超保护电路导通，加热器中有电流流过，且加热器对超导线圈单元加热；当第一失超保护电路中流过加热器的电流超过设定阈值范围，第一阶支路与加热器的连接断开，第一失超保护电路处于开路状态；同时，第二阶支路与数个加热器电气连接，第二失超保护电路导通，失超保护电路由第一失超保护电路切换到第二失超保护电路，第二失超保护电路的加热器中有电流流过，且加热器继续对超导线圈单元加热。根据本申请的一些实施例，失超保护电路还包括与第一阶支路或第二阶支路并联设置的第三阶支路，加热器可与第三支路电气连接组成第三失超保护电路。当第二失超保护电路的电流超过设定(电流)阈值，第二失超保护电路处于开路状态；同时，第三阶支路与数个加热器电气连接，第三失超保护电路导通，失超保护电路由第二失超保护电路切换到第三失超保护电路，第三失超保护电路中的加热器中有电流流过，且加热器继续对超导线圈单元加热。

在另一个实施例中，当第一失超保护电路导通时，第二阶支路、第三阶支路也有少量电流流过，但第二阶、第三阶支路流过的电流远小于第一阶支路流过的电流。因此，可近似认为第二阶支路、第三阶支路不与加热器电气连接，失超保护电路近似等效于仅存在第一失超保护电路。在另一实施例中，当第一失超保护电路断开且第二失超保护电路导通时，第三阶支路也有少量电流流过，但第三阶支路流过的电流远小于第二阶支路流过的电流。因此，可近似认为第三阶支路不与加热器电气连接，失超保护电路路近似等效于仅存在第二失超保护电路。

实施例一

如图3为本申请实施例一的超导磁体系统失超保护电路结构示意图。超导磁体系统包括超导磁体回路和失超保护电路，其中超导磁体回路包含L1-L8等多个超导线圈单元，多个超导线圈单元组成的超导磁体回路分别连接正电流引线22和负电流引线23，以实现励磁电源(图中未显示)对超导磁体的励磁。为了在断开外部的励磁电源之后保持超导磁体中的电流流动，在正电流引线22和负电流引线23(超导线圈单元的两端)之间还设置有磁体背靠背二极管堆20和低温开关21。磁体背靠背二极管堆20对低温开关21起保护作用，当低温开关21失超时，磁体背靠背二极管堆20启动，可降低低温开关21两端的电压，保证低温开关21安全、不被损坏。

示例性地，低温开关21可以是一段与超导线圈单元并联且在其上附着或热耦合有发热器的超导体导线，超导体导线通常由NbTi、Nb₃Sn等材料制成。当与超导体导线附着或热耦合的发热器开始工作，低温开关21处于电阻模式，如果此时超导磁体系统通过电流引线与励磁电源连通，低温开关21具有足够大的电阻使来自励磁电源的电流大部分流过超导线圈单元，而只有很小的电流经过低温开关(低温开关此时相当于断开状态)；在励磁电源作用下，超导磁体超导线圈单元(L1-L8)中的回路电流不断提升并产生磁场；当超导磁体超导线圈单元(L1-L8)提升至设定电流值，低温开关21的发热器停止工作，低温开关21在冷却剂作用下从电阻模式转变为超导模式(低温开关21此时相当于闭合状态)；当与正电流引线22和负电流引线23连接的励磁电源向下匀变时，流经低温开关21的电流将增加与流经励磁电源中的电流中所减少的电流量相同的量，一旦励磁电源完全向下匀变，就可以除去电流引线22和负电流引线23(即断开与励磁电源的连接)，以使超导磁体系统处于“持久模式”的状态，并限制超导磁体系统中的热损失。

处于“持久模式”的超导磁体系统(或超导磁体回路)的电流(约100-300A)基本上保持不变，然而，当超导磁体超导线圈单元(L1-L8)中存在某种缺陷、产生位置移动或机械碰撞甚至外部热源的作用时，会导致超导磁体L1-L8任一超导线圈单元零电阻效应消失，即从超导模式转变为电阻模式。当电流连续流动通过各个超导线圈单元，电阻性部分铌钛合金中的电流大部分会进入超导线圈单元的铜基体中产生欧姆热，该部分的欧姆热导致超导线圈单元的相邻部分变为电阻性进而导致热量持续沿着各个方向在超导磁体超导线圈单元内部传播，最终使得运行在超导线圈单元中的电流全部转化为欧姆热量。

为保证在其中一个超导线圈单元失超时，触发整个超导磁体失超且尽可能均匀地扩散磁体热量，此外，还尽量保证超导磁体所有超导线圈单元不会因为过热而损坏。本申请的超导磁体系统设置失超保护电路，该失超保护电路设置在一个或多个超导线圈单元两端，即失超保护电路与超导线圈单元并联连接(也可称之为与超导线圈单元串联连接，组成闭合回路)。

如图3所示，失超保护电路设置在L3-L6串联连接的四个超导线圈单元两端D1、D2位置，该失超保护电路包括串联连接的一个或多个加热器H1-H8，加热器H1-H8可与超导线圈单元(L1-L8)热耦合，当加热器H1-H8中有电流流过时，对超导线圈单元L1-L8加热。失超保护电路还包括并联设置的第一阶支路S1和第二阶支路S2。第一阶支路S1或第二阶支路S2可串联连接多个加热器H1-H8，且将流过加热器H1-H8的电流限制在设定阈值范围内(失超保护电路中的电流通常为100-300mA)。

第一阶支路S1可包括第一熔断器F1，令r_f1表示第一熔断器的阻值，令r₀表示加热器H1-H8的阻值，应满足r_f1<<r₀(第一熔断器的阻值远小于加热器的阻值)。在一个实施例中，第一熔断器可设置为保险丝，且该保险丝的阻值几乎等同于线上电阻，r_f1可设置为1-10欧姆，r₀可设置为500-1500欧姆。数个加热器与第一阶支路S1连接可组成第一失超保护电路。

第二阶支路S2可包括第二熔断器F2和第一电阻R1，令r_f2表示第二熔断器的阻值，令r₁表示第一电阻R1的阻值，第一熔断器的阻值与第二熔断器的阻值接近，且r₁与r_f1的比值约为150-3000；同样地，r₁与r_f2的比值约为150-3000。数个加热器与第二阶支路S2连接可组成第二失超保护电路第二失超保护电路第二失超保护电路。在一个实施例中，r_f2可设置为1-10欧姆；r₁的阻值可设置为1500-3000欧姆任意数值。

需要说明的是，由于超导线圈单元相互之间存在电感耦合以及超导磁体回路各器件之间的相互影响，失超保护电路中可产生局部电流，超导磁体系统可能存在假性失超。因此，本实施例的失超保护电路还串联连接有触发组件11，触发组件11具有设定电压阈值，当超导线圈单元D1、D2两端的电压未超过设定电压阈值，触发组件11处于隔断状态，失超保护电路中没有电流通过；当超导线圈单元D1、D2两端的电压超过设定电压阈值，触发组件处于导通状态，失超保护电路中有电流流过，通过上述设置可在超导磁体励磁退磁时阻断正常的电感电压。

触发组件11可设置为双向触发二极管或反向并联二极管，在一些实施例中，触发组件11为两组反向并联二极管，且触发组件的设定电压阈值为12-20V(伏特)之间任意数值。在一个实施例中，当超导线圈单元D1、D2两端的电压未超过12V，反向并联二极管处于断开状态，失超保护电路没有电流流过；当超导线圈单元D1、D2两端的电压超过12V，反向并联二极管与加热器串联连接，失超保护电路导通，加热器中有电流流过。

在本实施例中，在超导磁体系统发生失超时，上述失超保护电路的工作过程为：

当超导磁体系统或超导线圈单元未发生失超，低温开关21处于闭合状态，超导线圈单元L1-L8与低温开关组成超导磁体回路，低温开关21和超导线圈单元都接近零电阻，超导磁体系统处于“持久模式”，且D1、D2两端的电压几乎等于零，触发组件不工作，超导磁体的电流仅在超导磁体回路中流动。需要说明的是，相邻超导线圈单元之间不可避免存在互感，而可能导致D1、D2两端的产生电压差，但该电压差仍然处在触发组件设定电压阈值范围内，可防止超导磁体系统假性失超。

当任一超导线圈单元失超，且D1、D2两端的电压超过触发组件11的设定电压阈值，由于第一阶支路S1仅含有熔断器F1，其电阻远远小于第二阶支路S2总电阻(r_f2+r₁)；此时，根据基尔霍夫定律，相当于第一阶支路S1将第二阶支路S2短路，加热器H1-H8与第一阶支路S1电气连接，并组成第一失超保护电路，超导磁体电流大部分仍然在超导磁体回路中流通，而失超保护电路的加热器H1-H8中也有部分电流流过，且加热器H1-H8对超导线圈单元L1-L8加热。超导线圈单元受热，工作模式由超导模式转为电阻模式，这样原本没有发生失超的超导线圈单元也会呈现失超状态，即任意超导线圈单元的失超在多个超导线圈单元之间传播，超导磁体系统的储存的能量均分到多个超导线圈单元。需要说明的是，加热器H1-H8的电流可具有设定电流阈值。

在本实施例中，令I₁为设定最小电流阈值，即在一定的场强下加热器开始发热导致线圈失超所需要的最小电流；令I₂为设定最大电流阈值，即加热器所允许通过的最大电流。与最小电流阈值I₁对应的超导线圈单元的失超电压第一电压V₁可近似表示为：(r_f1+r₀)×I₁。在此具体实施例中，r_f1＝5欧姆(Ω)；r₀＝1000欧姆；I₁约为100mA；r_f2＝5欧姆；第一电阻R1的阻值r₁＝2000欧姆；第二电阻R2的阻值r₂＝20000欧姆。第一支路S1与第二支路S2的电阻比值约为1:400；第一支路S1与第三支路S3的电阻比值约为1:4000，第二支路S2与第三支路S3的电阻比值约为1:10。因此，在加热器同时电气连接第一支路S1、第二支路S2与第三支路S3，但流过加热器的电流大部分为第一支路S1的电流，第二支路S2与第三支路S3仅有微弱电流通过，即第二支路S2与第三支路S3相当于与加热器断开状态。另一方面，在加热器同时连接第二支路S2和第三支路S3的情况下，可认为失超保护电路中的绝大多数电流流经第二支路S2，第三支路相当于断路(仅有微弱电流通过)。

超导线圈单元在失超传播过程中，由于其不断受到加热器的影响，自身电阻不断升高，由于导致D1、D2两端的电压增大，失超保护电路的电流增大(从I₁逐渐增加至I₂)，直至流过加热器的电流到达I₂，引发第一阶支路S1的熔断器F1断开，第一阶支路S1处于开路(断路)状态，第二阶支路S2与加热器H1-H8连接组成第二失超保护电路。

需要说明的是，在本实施例中，为保证支路切换过程加热器对超导线圈单元持续有效加热，本实施例的，第二阶支路S2包含的电阻r₁可满足如下关系式：

r₁＝I₂×(r₀+r_f1)/I₁-r₀-r_f2 (公式1)

在另一实施例中，由于熔断器上的阻值较小，且与连接线的阻值相当。当忽略各支路中熔断器的阻值，第二阶支路S2包含的电阻r₁可满足如下关系式：

r₁＝I₂×r₀/I₁-r₀ (公式2)

对应地，当第一失超保护电路切换到第二失超保护电路时，超导线圈单元的失超电压第二电压V₂可表示为：(r_f1+r₀)×I₂。需要说明的是，本实施例采用的电阻R1不易受温度的影响，可在一定温度范围内维持稳定，这样在保证失超启动迅速的前提下，可保证失超保护电路由第一失超保护电路切换到第二失超保护电路时，失超保护电路中的瞬间电流下降回I₁，失超电路中电流处于有效工作范围内，保证加热器正常发热，实现两支路之间的无缝接力，保证失超保护电路能够维持足够的有效时间。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例的失超保护电路还包括第三阶支路S3。如图4所示为本申请实施例二的超导磁体系统失超保护结构示意图，第三阶支路S3与第一阶支路S1或第二阶支路S2并联设置，加热器可与第三支路连接组成第三失超保护电路，且第三阶支路S3包括第三熔断器F3和第二电阻R2。第二电阻R2的阻值r₂大于第一电阻R1的阻值r₁，第三熔断器的阻值r_f3与第一熔断器的阻值r_f1或第二熔断器的阻值r_f2接近。

在本实施例中，在超导磁体发生失超时，上述失超保护电路的工作过程为：

当超导磁体系统或超导线圈单元未发生失超，低温开关21处于闭合状态，超导线圈单元L1-L8与低温开关组成超导磁体回路，低温开关21和超导线圈单元都接近零电阻，超导磁体系统处于“持久模式”，且D1、D2两端的电压几乎等于零，触发组件不工作，超导磁体的电流仅在超导磁体回路中流动。需要说明的是，超导线圈单元为无阻有感的单元，它们有各自的电感和之间的互感。所以在励磁或者退磁过程中D1，D2两端会有电压差，但该电压差仍然处在触发组件设定的阈值范围内，可防止超导磁体系统“假性”失超。

当任一超导线圈单元失超，且D1、D2两端的电压超过触发组件11的设定电压阈值，由于第一阶支路S1仅含有熔断器F1，其电阻远远小于第二阶支路S2总电阻(r_f2+r₁)；此时，根据基尔霍夫定律，相当于第一阶支路S1将第二阶支路S2短路，加热器H1-H8与第一阶支路S1电气连接，并组成第一失超保护电路，超导磁体电流大部分仍然在超导磁体回路中流通，而失超保护电路的加热器H1-H8中也有部分电流流过，且加热器H1-H8对超导线圈单元L1-L8加热。超导线圈单元受热，工作模式会由超导模式转为电阻模式，这样原本没有发生失超的超导线圈单元也会呈现失超状态，即任意超导线圈单元的失超状态可在多个超导线圈单元之间传播，超导磁体系统的储存的能量均分到多个超导线圈单元。

需要说明的是，加热器H1-H8的电流可具有设定电流阈值。在本实施例中，令I₁为设定最小电流阈值，即在一定的场强下加热器开始发热导致线圈失超所需要的最小电流；令I₂为设定最大电流阈值，即加热器所允许通过的最大电流。与最小电流阈值I₁对应的超导线圈单元的失超电压为第一电压V₁。

超导线圈单元在失超传播过程中，由于其不断受到加热器的影响，自身电阻不断升高，由此导致D1、D2两端的电压增大，失超保护电路的电流增大(从I₁逐渐增加至I₂)，直至流过加热器的电流到达I₂，引发第一阶支路S1的熔断器F1断开，第一阶支路S1处于开路(断路)状态，第二阶支路S2与加热器H1-H8电气连接组成第二失超保护电路。对应地，当第一失超保护电路切换到第二失超保护电路时，超导线圈单元的失超电压为第二电压V₂。

超导线圈单元的失超继续传播，D1、D2两端的电压增大，失超保护电路的电流增大(从I₁逐渐增加至I₂)，直至流过加热器的电流到达I₂，引发第二阶支路S2的熔断器F2断开，第二阶支路S2处于开路(断路)状态，第三阶支路S3与加热器H1-H8电气连接组成第三失超保护电路，此时流过加热器的瞬间电流重新下降为I₁，加热器仍处于有效工作范围内。

在考虑第三支路与第二支路相互影响的情况下，流过第三支路的电流约为：而D1、D2之间瞬间的电压(或超导线圈单元的第三失超电压)可表示为：

与第二失超保护电路切换到第三失超保护电路相对应，在忽略第三支路对第二支路影响的情况下(第三支路相对于第二支路断路)，超导线圈单元的失超保护电压第三电压V₃可近似为：在忽略第三支路对第二支路影响的情况下，超导线圈单元的失超保护电压第三电压V₃也可近似为：(r₀+r₁+r_f2)×I₂。

需要说明的是，在本实施例中，为保证不同支路切换过程中，加热器对超导线圈单元持续加热，本实施例的第三阶支路S3包含的电阻R2对应的阻值可满足如下关系式：

r₂＝V_D1,D2/I₁-r₀-r_F3 (公式4)

本申请用于超导磁体系统的失超保护电路，可使加热器的工作电流始终处于设定阈值范围内，有效避免加热器流过电流过大而受到损伤，保证加热器正常发热，实现两支路之间的无缝接力，保证失超保护电路能够维持足够的有效加热时间；电阻R1和R2起到分压的效果，且电阻阻抗(阻值)不易受到温度升高的影响，而并非如现有技术为抑制过高电流而串联的正温度系数电阻不稳定对保护电路带来的风险，相比于现有技术，失超保护电路更稳定，效率更高。

在另一些实施例中，失超保护电路还可包括第四阶支路S4、第五阶支路S5…，第n阶支路Sn，直至满足超导磁体失超保护。超导线圈单元的数目、加热器的数目并不作具体限制，第一电阻、第二电阻也可设置一个或多个。

实施例三

如图5为本申请实施例三的超导磁体系统失超保护结构示意图。本实施例的失超保护电路的结构与实施例二失超保护电路的结构类似，不同之处在于，本实施例分别在第二支路S2串联设置H12-H82等八个附加加热器，分别与超导线圈单元L1-L8热耦合，且H12-H82等八个附加加热器的阻值分别用r₁₂、r₂₂、r₃₂、r₄₂、r₅₂、r₆₂、r₇₂和r₈₂表示，且满足如下关系：

r₁₂+r₂₂+r₃₂+r₄₂+r₅₂+r₆₂+r₇₂+r₈₂＝r₁ (公式5)

类似地，第三支路S3串联设置H13-H83等八个附加加热器分别与超导线圈单元L1-L8热耦合，且H13-H83等八个附加加热器的阻值分别用r₁₃、r₂₃、r₃₃、r₄₃、r₅₃、r₆₃、r₇₃和r₈₃表示，且满足如下关系：

r₁₃+r₂₃+r₃₃+r₄₃+r₅₃+r₆₃+r₇₃+r₈₃＝r₂ (公式6)

上述与超导线圈单元热耦合的附加加热器可设置在超导线圈单元的不同位置，能更快加速超导线圈单元失超，使得磁体更加安全。需要说明的是，本实施例的第一熔断器F1、第二熔断器F2或第三熔断器F3可设置在包含超导磁体系统的低温容器外部，以方便更换。需要说明的是，上述各附件加热器的阻值可设置成相同，也可根据对应线圈单元的大小设置成不同阻值。所涉及到的线圈，加热器，熔断器，分压电阻，触发器及其保护支路并不限于示意图所示，可以包含多个或多种形式，一个或多个加热器亦可以单独并联与线圈之间。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种用于超导磁体系统的失超保护电路，所述超导磁体系统包含若干个超导线圈单元，且所述若干个超导线圈单元串联连接，其特征在于：

所述失超保护电路与至少一个超导线圈单元并联连接，所述失超保护电路包括串联连接的数个加热器和多阶支路，所述加热器与所述超导线圈单元热耦合，所述多阶支路包括第一阶支路、第二阶支路，所述第一支路、第二支路的阻抗不同；

所述加热器可连接所述第一阶支路和/或所述第二阶支路，且所述第一阶支路、第二阶支路被配置为并联状态并与加热器电气连接，或者第一阶支路和第二阶支路中仅有一条支路与加热器电气连接。

2.根据权利要求1所述的用于超导磁体系统的失超保护电路，其特征在于，

所述超导线圈单元的失超电压为第一电压时，所述加热器与所述第一阶支路连接；

所述超导线圈单元的失超电压为第二电压时，所述加热器与所述第二阶支路连接，且所述第一电压小于所述第二电压。

3.根据权利要求2所述的用于超导磁体系统的失超保护电路，其特征在于，所述第一阶支路的开路电压小于所述第二阶支路的开路电压。

4.根据权利要求2或3所述的用于超导磁体系统的失超保护电路，其特征在于，所述第一阶支路包括第一熔断器，且所述第一熔断器的阻值小于所述数个加热器的阻值。

5.根据权利要求4所述的用于超导磁体系统的失超保护电路，其特征在于，所述第二阶支路包括第二熔断器和第一电阻，且所述第二熔断器的阻值小于所述第一电阻的阻值。

6.根据权利要求5所述的用于超导磁体系统的失超保护电路，其特征在于，所述失超保护电路还包括与所述第一阶支路和所述第二阶支路并联设置的第三阶支路，所述超导线圈单元的失超电压为第三电压时，所述加热器与所述第三阶支路电气连接，所述第三电压大于所述第二电压。

7.根据权利要求6所述的用于超导磁体系统的失超保护电路，其特征在于，所述第三阶支路包括第三熔断器和第二电阻，且所述第二电阻的阻值大于所述第一电阻的阻值。

8.根据权利要求5或6所述的用于超导磁体系统的失超保护电路，其特征在于，所述第二阶支路或/和第三阶支路还包括一个或数个附加加热器，所述附加加热器与超导线圈单元热耦合。

9.一种用于超导磁体系统的失超保护方法，所述超导磁体系统包括若干个超导线圈单元、与至少一个超导线圈单元并联连接的失超保护电路，所述若干个超导线圈单元串联连接组成超导磁体回路，所述超导磁体回路与所述失超保护电路并联设置，其特征在于；

所述失超保护电路包括串联连接的数个加热器和多阶支路，所述多阶支路包括第一阶支路、与所述第一阶支路并联连接的第二阶支路，且所述加热器可与所述第一阶支路电气连接组成第一失超保护电路，与所述第二阶支路电气连接组成第二失超保护电路；

当所述超导磁体系统未发生失超时，所述加热器未对所述超导线圈单元加热；

当所述超导磁体系统发生失超时，所述第一失超保护电路的加热器对所述超导线圈单元加热，且当所述第一失超保护电路中的电流超过设定阈值时，所述失超保护电路由所述第一失超保护电路切换到第二失超保护电路。

10.根据权利要求9所述的用于超导磁体系统的失超保护方法，其特征在于，所述失超保护电路还包括与所述第一阶支路或所述第二阶支路并联设置的第三阶支路，所述加热器可与所述第三支路连接组成第三失超保护电路；

当所述第二失超保护电路的电流超过设定阈值，所述失超保护电路由所述第二失超保护电路切换到所述第三保护电路。