CN106872919A - 超导磁体组件以及超导磁体的励磁方法、降磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁共振超导磁体组件，包括：超导磁体线圈，超导开关装置，励磁电源，所述超导磁体线圈，超导开关装置以及励磁电源三者并联连接。本发明的磁共振超导磁体组件提供了超导开关在关闭的工作模式(超导态)和打开的工作模式(电阻态)之间切换的一种全新方法，通过这种方法,无需在超导开关上装置加热器装置，也可以实现便捷的工作模式切换，同时节省了传统超导开关在励磁时加热器发热功率所带来的液氦损耗。

Description

超导磁体组件以及超导磁体的励磁方法、降磁方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及一种超导磁体组件以及超导磁体的励磁方法、降磁方法。

背景技术

现有技术中,磁共振设备中大部分使用了超导磁体系统。由于长期运行的需要，这种超导磁体系统往往被设计成能够进行闭环模式的运行，也就是让超导电流在位于液氦罐内部的环路中，以极小的衰减率持续长期流动。

为了实现闭环运行，超导磁体线圈的正负极和励磁电源之间，需要并联接入超导开关的支路。励磁前，给紧贴或者包含于超导开关的加热器两端施加电压，加热其附近的超导开关的超导线，从而使超导开关由关闭的工作模式(超导态)进入到打开的工作模式(电阻态)；随即，通过励磁电源逐渐爬升输出电流。由于超导开关的支路处于电阻态，绝大部分电流都会进入到超导磁体线圈所在的支路，由此达到向超导磁体线圈励磁的目的；待磁体线圈内的电流达到预设值后，停止励磁电源输出电流的爬升，撤去施加在超导开关加热器两端的电压。外界加热消失后，随着温度的下降，超导开关会由打开的工作模式(电阻态)进入到关闭的工作模式(超导态)。此时，通过励磁电源逐渐降低输出电流。由于超导开关支路处于超导态和超导开关通常只具有微小电感的特性，随着励磁电源输出电流的减少，超导开关上的电流会逐渐增加，而具有较大电感的超导磁体线圈上流动的电流基本不变化；当励磁电源输出电流降为零时，超导开关和超导磁体线圈上拥有同样的电流，形成了一个电流闭环。此时可以将励磁电源和超导磁体正负极之间的连接断开。可以看到，进入了闭环运行后，超导磁体可以维持一种近似零能耗的长期持续运行。而实现闭环模式运行的一个重要组成部分就是超导开关在关闭(超导态)和打开(电阻态)两种工作模式之间的切换。在传统和已知的技术中，这个状态切换大多是由开关加热器来实现的。同时也存在一些特殊的技术，通过施加外部磁场或者外部应力，来实现超导开关的打开和关闭状态之间的切换。

传统的使用加热器的超导开关具有如下的缺点：1.需要在开关的结构内部引入加热器的材料，由于不同的材质在低温下引入额外应力；2.加热器本身的成本不低，也增加了工艺的复杂性；3.励磁或者降场时，加热器的工作时间长，额外消耗的液氦很可观；4.加热器和磁体外部的连接线，本身的热输入就会对磁体的低温保持器带来负载，减小磁体的再冷凝余量。

因此，如果有一种技术能够去除超导开关加热器，会在制造工艺、成本、液氦消耗、磁体再冷凝余量上都带来显著的好处。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种磁共振超导磁体组件，包括：

超导磁体线圈，超导开关装置，励磁电源，所述超导磁体线圈包括数个串联在一起的线圈单元，所述超导磁体线圈、超导开关装置并联后连接到励磁电源，其特征在于：所述励磁电源可被控制并输出一个快速爬升、回落的脉冲电流，使超导开关处于电阻态工作模式。

优选地，还包括保护二极管装置，所述保护二极管装置与所述超导开关装置并联连接。

优选地，所述保护二极管装置包括两个反向并联的二极管。

优选地，所述超导开关装置包括两个并联的超导开关。

优选地，还包括两个反向并联的二极管，且所述二极管与超导开关并联连接。

本发明提供了一种超导磁体的励磁方法，，所述超导磁体组件包括超导磁体线圈，超导开关装置，励磁电源，所述方法包括步骤：

步骤1：控制所述励磁电源输出一个快速爬升、回落的脉冲电流，所述脉冲电流使所述超导开关装置处于电阻态工作模式；

步骤2：控制所述励磁电源以常规的爬升速率输出电流，所述输出电流绝大部分进入所述超导磁体线圈，从而在所述超导磁体线圈以及并联的超导开关两端产生电压，遵循欧姆定律，所述两端加载电压的超导开关，其内部产生电流，所述电流发热功率使得所述超导开关内的超导材料升温，使得所述超导开关始终处于电阻态工作模式；

步骤3：当所述励磁电源的输出电流达到所需数值时，逐步降低所述励磁电源的输出电压，使得所述超导开关内部的电流减小，所述超导开关恢复到超导状态；

步骤4：控制所述励磁电源逐渐降低其输出电流一直到零，则使得所述超导磁体线圈内的电流引导入所述超导开关实现闭环运行。

优选地，所述步骤1具体为：控制励磁电源的电流输出在一定的内由0A增加到300A-700A，然后在同样的时间内由300A-700A回落到0A。由于所述磁体线圈、超导开关的电感巨大差异，所述脉冲电流基本上会全部进入所述超导开关，使得所述超导开关失超，切换进入电阻态工作模式。

选优地，所述步骤2的具体步骤为：在所述励磁电源的第一个输出脉冲结束后，控制所述励磁电源以1.0-20.0A/min的爬升速率升高输出电流。

优选地，所述步骤4的具体步骤为：控制所述励磁电源以10-500A/min的速率降低输出电流从300A-700A到0A。在这个阶段，磁体线圈内的电流基本不变，而超导开关中的电流逐渐由0A增加到300A-700A，最终形成闭环运行。

本发明还提供了一种超导磁体的降磁方法，所述超导磁体组件包括超导磁体线圈，超导开关装置，励磁电源，所述方法包括步骤：

步骤1：控制所述励磁电源输出一个快速爬升的脉冲电流，所述脉冲电流使所述超导开关装置处于电阻态工作模式；爬升脉冲完成后，励磁电源输出的电流数值等于磁体线圈中已经存在的电流数值；

步骤2：控制所述励磁电源以常规的速率降低其输出电流，所述输出电流绝大部分进入所述超导磁体线圈，从而在所述超导磁体线圈以及并联的超导开关两端产生电压，遵循欧姆定律，所述两端加载电压的超导开关，其内部产生电流，所述电流发热功率使得所述超导开关内的超导材料升温，使得所述超导开关始终处于电阻态工作模式；

步骤3：当所述励磁电源的输出和磁体超导线圈内的电流同时降至零；降磁完成后，撤去所述励磁电源。

本发明提供的磁共振超导磁体组件以及励磁方法、降磁方法，利用在快速爬升回落的脉冲电流的作用下，超导开关装置进入电阻态工作模式的特性，在没有额外加热装置的作用下，所述磁共振超导磁体组件即能够进行励磁、降磁，在制造工艺、成本、液氦消耗、磁体再冷凝余量上都带来显著的改善。

附图说明

图1为本发明提供的超导磁体组件的结构示意图；

图2为本发明提供的超导磁体组件励磁方法；

图3为本发明提供的超导磁体组件降磁的方法；

图4为另一实施例中本发明提供的超导磁体组件的结构示意图；

图5为另一实施例中本发明提供的超导磁体组件的结构示意图；

图6为另一实施例中本发明提供的超导磁体的励磁方法；

图7为另一实施例中本发明提供的超导磁体的降磁方法。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

在已有设计中，超导磁体线圈、超导开关、励磁电源三者之间以并联的方式电气连接；紧贴超导开关的位置会安置超导开关的加热器，加热器和超导开关之间电气绝缘，仅在物理空间位置上相邻；超导开关加热器的两端会有引线引出到超导磁体液氦罐的外部，并且与外部的加热器电源连接，起到给超导开关加热器供电的作用。

因此本发明提出一种磁共振超导开关，包括超导磁体线圈，超导开关，以及励磁电源，三者采用并联的电气连接方式，超导开关不需要加热器既可以进行工作状态的切换。

实施例1

如图1中所示，所述超导磁体组件包括超导磁体线圈10，超导开关装置11，以及励磁电源12。所述超导磁体线圈包括数个串联在一起的线圈单元，三者采用并联的电气连接方式。所述励磁电源12可被控制并输出一个快速爬升、回落的脉冲电流，使超导开关处于电阻态工作模式。此实例中仅有一个超导开关，此超导开关的设计保证其将会在一定的快速电流变化速率和一定的电流变化幅值下，产生失超进入电阻态。在一个实施例中所述超导磁体组件由超导磁体线圈、超导开关装置以及励磁电源组成。

控制所述励磁电源的电流输出在1-10ms内由0A增加到300A-700A，然后同样在1-10ms内由300A-700A回落到0A。由于所述磁体线圈、超导开关的电感巨大差异，所述脉冲电流基本上会全部进入所述超导开关支路，使得所述超导开关失超，切换进入电阻态工作模式。

在所述励磁电源的第一个输出脉冲结束后，控制所述励磁电源以1.0-20.0A/min的爬升速率升高输出电流。

控制所述励磁电源以10-500A/min的速率降低输出电流从300A-700A到0A。在这个阶段，磁体线圈内的电流基本不变，而超导开关中的电流逐渐由0A增加到300A-700A，最终形成闭环运行。

在一个实施例中，以励磁电源输出600A的脉冲电流为例进行说明励磁与降磁的方法。

励磁(磁体升场)解决方案：

步骤1：如图2中坐标轴最左边部分所示，控制励磁电源的电流输出在10ms内由0A增加到600A，然后同样在10ms内由600A回落到0A。由于磁体线圈和超导开关的电感巨大差异，这个脉冲电流基本上会全部进入超导开关支路。根据本发明中的超导开关的特点，在经历了此脉冲电流后，超导开关失超，切换进入打开工作状态(电阻态)。

步骤2：在励磁电源的第一个输出脉冲结束后，立刻控制电源以6.0A/min的爬升速率升高输出电流，如图2中坐标轴中间部分所示。由于超导开关还处于步骤1脉冲造成的电阻态，励磁电源输出的电流绝大部分会进入到超导磁体线圈内；此范例中的磁体线圈总电感为30H，超导开关的电阻态电阻值为10Ω，据此励磁时磁体两端的电压约为3V。遵循欧姆定律，将在超导开关内产生一个小电流0.3A，其产生的发热功率带来的超导开关内超导线材料的温升，可以使得超导开关始终无法恢复其超导态(关闭工作模式)。因此，无需在任何加热器的帮助下，超导开关也会在这个阶段保持其电阻态(打开工作模式)；

步骤3：当励磁电源的输出电流达到预设的600A后，磁体两端的电压逐渐降低，随即步骤2中超导开关内部的小电流也会逐渐降低直到约为0A。超导开关则会逐渐恢复到超导态(关闭工作模式)。此时，稍加等待后，控制励磁电源以15A/min的速率降低输出电流从600A到0A。在这个阶段，磁体线圈内的电流基本不变，而超导开关中的电流逐渐由0A增加到600A，最终形成闭环运行，如图2中坐标轴最右边部分所示。结束后，可以撤去励磁电源。

退磁(磁体降场)解决方案：

步骤1：如图3中坐标轴最左边部分所示，控制励磁电源的电流输出在10ms内由0A增加到600A，与此同时，超导开关支路内的电流会相应的在10ms内由600A降至0A。根据本发明中的超导开关的特点，在经历了此瞬时电流的下降后，超导开关失超，切换进入打开工作状态(电阻态)。

步骤2：如图3中坐标轴右边部分所示，在励磁电源的第一个瞬时输出结束后，立刻控制电源以6.0A/min的速率将输出电流从600A降至0A；此范例中的磁体线圈总电感为30H，超导开关的电阻态电阻值为10Ω，据此退磁时磁体两端的电压约为-3V。遵循欧姆定律，在超导开关内产生一个反向小电流0.3A，其发热功率带来的温升可以让超导开关保持其电阻态(打开工作模式)，直到励磁电源的输出和磁体超导线圈内的电流同时降至0。退磁完成后，可以撤去励磁电源。

在一个实施例中。如图4所示，为了磁共振系统更加稳定，在上述的基础上，所述超导磁体组件还包括开关加热装置13，所述开关加热装置13包括开关加热器131以及加热器电源132。所述开关加热装置13紧贴在超导开关装置12的位置，与之电气绝缘，仅在物理空间位置上相邻，所述励磁电源12可被控制并输出一个快速爬升、回落的脉冲电流，使超导开关处于电阻态工作模式。所述开关加热装置13在一般情况下不工作，只有系统判断需要时，才开始进行工作，比如在超导开关内部的产生的热量不稳定或者不足以使得超导开关处在电阻态时，所述开关加热装置13才开始工作。

实施例2：

如图5中所示，所述超导磁体组件包括：超导磁体线圈20、超导开关装置21、励磁电源22，所述超导磁体线圈20、超导开关装置21以及励磁电源22三者采用并联的电气连接方式，还包括保护二极管组23，与所述超导开关组21并联，用于保护超导开关装置21。此变化例中两个超导开关相互并联，每个超导开关的设计都保证其将会在一定的快速电流变化速率和一定的电流变化幅值下，产生失超进入电阻态。

在一个实施例中，以励磁电源输出700A的脉冲电流为例进行说明励磁与降磁的方法。

励磁(磁体升场)解决方案：

步骤1：如图6中坐标轴最左边部分所示，控制励磁电源的电流输出在5ms内由0A增加到700A，然后同样在5ms内由700A回落到0A。由于磁体线圈和超导开关的电感巨大差异，这个脉冲电流基本上会全部进入超导开关支路。根据本发明中的超导开关的特点，在经历了此脉冲电流后，超导开关失超，切换进入打开工作状态(电阻态)。

步骤2：在励磁电源的第一个输出脉冲结束后，立刻控制电源以6.0A/min的爬升速率升高输出电流，如图6中坐标轴中间部分所示。由于超导开关还处于步骤1脉冲造成的电阻态，励磁电源输出的电流绝大部分会进入到超导磁体线圈内；此变化例中的磁体线圈总电感为30H，单个超导开关的电阻态电阻值为10Ω，据此励磁时磁体两端的电压约为3V。遵循欧姆定律，将在每个超导开关内都分别产生小电流0.3A，其产生的发热功率带来的超导开关内超导线材料的温升，可以使得每个超导开关都始终无法恢复其超导态(关闭工作模式)。因此，无需在任何加热器的帮助下，每个超导开关也会在这个阶段保持其电阻态(打开工作模式)。

步骤3：当励磁电源的输出电流达到预设的700A后，磁体两端的电压逐渐降低，随即步骤2中超导开关内部的小电流也会逐渐降低直到约为0A。每个超导开关则都会逐渐恢复到超导态(关闭工作模式)。此时，稍加等待后，控制励磁电源以15A/min的速率降低输出电流从700A到0A。在这个阶段，磁体线圈内的电流基本不变，而超导开关组中的总电流逐渐由0A增加到700A，最终形成闭环运行，如图6中坐标轴最右边部分所示。结束后，可以撤去励磁电源。

退磁(磁体降场)解决方案：

步骤1：如图7中坐标轴最左边部分所示，控制励磁电源的电流输出在5ms内由0A增加到700A，与此同时，超导开关组支路内的总电流会相应的在5ms内由700A降至0A。根据本发明中的超导开关的特点，在经历了此瞬时电流的下降后，每个超导开关都会失超，切换进入打开工作状态(电阻态)。

步骤2：如图7中坐标轴右边部分所示，在励磁电源的第一个瞬时输出结束后，立刻控制电源以6.0A/min的速率将输出电流从700A降至0A；此变化例中的磁体线圈总电感为30H，单个超导开关的电阻态电阻值为10Ω，据此退磁时磁体两端的电压约为-3V。遵循欧姆定律，在每个超导开关内都产生一个反向小电流0.3A，其发热功率带来的温升可以让每个超导开关都保持其电阻态(打开工作模式)，直到励磁电源的输出和磁体超导线圈内的电流同时降至0。退磁完成后，可以撤去励磁电源。

本发明提供的磁共振超导磁体组件以及超导磁体的励磁方法、降磁方法，利用在快速爬升回落的脉冲电流的作用下，超导开关装置进入电阻态工作模式的特性，在没有额外加热装置的作用下，所述磁共振超导磁体组件即能够进行励磁、降磁，在制造工艺、成本、液氦消耗、磁体再冷凝余量上都带来显著的改善。

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 (10)

1.一种磁共振超导磁体组件，包括：

超导磁体线圈，超导开关装置，励磁电源，所述超导磁体线圈包括数个串联在一起的线圈单元，所述超导磁体线圈、超导开关装置并联后连接到励磁电源，其特征在于：所述励磁电源可被控制并输出一个快速爬升、回落的脉冲电流，使超导开关处于电阻态工作模式。

2.如权利要求1所述的磁共振超导磁体组件，其特征在于，还包括保护二极管装置，所述保护二极管装置与所述超导开关装置并联连接。

3.如权利要求2所述的磁共振超导磁体组件，其特征在于，所述保护二极管装置包括两个反向并联的二极管。

4.如权利要求1所述的磁共振超导磁体组件，其特征在于，所述超导开关装置包括两个并联的超导开关。

5.如权利要求4所述的磁共振超导磁体组件，其特征在于，还包括两个反向并联的二极管，且所述二极管与超导开关并联连接。

6.一种超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述超导磁体组件包括超导磁体线圈，超导开关装置，励磁电源，所述方法包括步骤：

步骤1：控制所述励磁电源输出一个快速爬升、回落的脉冲电流，所述脉冲电流使所述超导开关装置处于电阻态工作模式；

步骤2：控制所述励磁电源以常规的爬升速率输出电流，所述输出电流绝大部分进入所述超导磁体线圈，从而在所述超导磁体线圈以及并联的超导开关两端产生电压，遵循欧姆定律，所述两端加载电压的超导开关，其内部产生电流，所述电流发热功率使得所述超导开关内的超导材料升温，使得所述超导开关始终处于电阻态工作模式；

步骤3：当所述励磁电源的输出电流达到所需数值时，逐步降低所述励磁电源的输出电压，使得所述超导开关内部的电流减小，所述超导开关恢复到超导状态；

步骤4：控制所述励磁电源逐渐降低其输出电流一直到零，则使得所述超导磁体线圈内的电流引导入所述超导开关实现闭环运行。

7.如权利要求6所述的超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

控制励磁电源的电流输出在一定时间内由0A增加到300A-700A，然后在相同的时间内由300A-700A回落到0A。由于所述磁体线圈、超导开关的电感巨大差异，所述脉冲电流基本上会全部进入所述超导开关，使得所述超导开关失超，切换进入电阻态工作模式。

8.如权利要求6所述的超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：

在所述励磁电源的第一个输出脉冲结束后，控制所述励磁电源以1.0-20.0A/min的爬升速率升高输出电流。

9.如权利要求6所述的超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：

控制所述励磁电源以10-500A/min的速率降低输出电流从300A-700A到0A。在这个阶段，磁体线圈内的电流基本不变，而超导开关中的电流逐渐由0A增加到300A-700A，最终形成闭环运行。

10.一种超导磁体的降磁方法，其特征在于，所述超导磁体组件包括超导磁体线圈，超导开关装置，励磁电源，所述方法包括步骤：

步骤1：控制所述励磁电源输出一个快速爬升的脉冲电流，所述脉冲电流使所述超导开关装置处于电阻态工作模式；爬升脉冲完成后，励磁电源输出的电流数值等于磁体线圈中已经存在的电流数值；

步骤2：控制所述励磁电源以常规的速率降低其输出电流，所述输出电流绝大部分进入所述超导磁体线圈，从而在所述超导磁体线圈以及并联的超导开关两端产生电压，遵循欧姆定律，所述两端加载电压的超导开关，其内部产生电流，所述电流发热功率使得所述超导开关内的超导材料升温，使得所述超导开关始终处于电阻态工作模式；

步骤3：当所述励磁电源的输出和磁体超导线圈内的电流同时降至零；降磁完成后，撤去所述励磁电源。