CN112509780A - 一种超导磁体系统及其失超保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导磁体系统及其失超保护电路，失超保护电路包括：超导单元、第一二极管集成组件、第二二极管集成组件、第三二极管集成组件、低温超导开关、热辐射层和真空层；超导单元由M个串联连接的超导线圈组成，低温超导开关的一端与第一超导线圈的非串联连接端连接，另一端与第M超导线圈的非串联连接端连接；第一二极管集成组件与低温超导开关并联连接；热辐射层和第二二极管集成组件串联后再并联连接在超导单元中任意对称线圈子集两端。真空层和第三二极管集成组件串联后再并联连接在超导单元任一对称线圈子集两端。本发明利用热辐射层和真空层来保护超导磁体系统免于在失超期间发生损害、减少超导磁体的冷却时间和液氦损耗。

Description

一种超导磁体系统及其失超保护电路

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，更具体地，涉及一种超导磁体系统及其失超保护电路。

背景技术

众所周知，超导磁体系统被广泛应用在基础科学研究、医疗卫生、交通运输、国防工业、电工等领域。特别地，超导磁体系统在NMR（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振）和MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）领域中得到广泛应用。然而，超导磁体需要保持在适当低温环境下（例如4.2K）方可实现超导。

当前，存在三种不同类型的超导磁体系统：图1所示是一种液氦浸泡的超导磁体系统；超导磁体系统1包括：超导线圈19，超导线圈19被磁体骨架18支撑，并一起装配在低温容器17内；液氦16通过磁体操作台14输入到低温容器17内，低温容器17的温度维持在4.2K左右。为了降低辐射热，低温容器17外套上了一层同轴的热辐射层13，热辐射层13外套上了一层同轴的真空层12。真空层12的中心形成一个成像区（FOV）11。为了维持液氦的零挥发和稳定的辐射热，冷却器15的二级冷头和低温容器17热连接，一级冷头和热辐射层13热连接。热辐射层13的温度维持在~50K。

图2所示是一种少液氦传导冷却磁体系统，跟图1相比，去掉了低温容器17但增加了热虹吸冷却管20；液氦和气氦在热虹吸冷却管20内，结合冷却器15实现闭环冷却。

图3所示是一种纯传导冷却磁体系统，跟图2相比，去掉了热虹吸冷却管20；超导磁体系统1的制冷完全依赖冷却器15的直接传导冷却。

在正常升磁、降磁或稳态运行时，超导磁体处于超导态即无电阻状态。然而一旦由于局部的热扰动，超导磁体将出现局部的正常区，使得超导磁体存储的磁能转化为热能，这将导致正常区的扩散和流过超导磁体的电流衰减，最终导致整个磁体失超。

失超过程中，如果没有恰当的保护措施，热能会在局部聚集，可导致超导磁体过热、过压、液氦大量挥发、超导磁体再次冷却时间过长等问题。例如，（1）对于如图1所示的液氦浸泡的超导磁体系统，超导磁体失超将导致液氦的大量挥发。然而由于氦资源在地球上储存量有限且不可再生导致其价格一再上涨，如果能减少失超过程中的液氦挥发量，将极大地降低超导磁体系统的运行成本。（2）对于如图2所示的少液氦传导冷却超导磁体系统或如图3所示的纯传导冷却超导磁体系统，超导磁体失超将导致线圈温升急剧上升，使得超导磁体的再次冷却时间增加。如果在失超过程中能把超导线圈的大部分磁能转移到超导线圈以外，将大大降低超导线圈的温升，从而降低超导磁体的再次冷却时间。

现有技术中提出了一种众所周知的失超保护方法，它通过一组粘贴在每个超导线圈表面的加热器网络加速已经失超的超导线圈和触发还未失超的超导线圈失超，让尽可能多的超导线圈大面积地同时失超，从而避免超导线圈过温、过压，达到保护超导磁体的目的。这种方法的缺点是：磁能全部转化为热辐射层13以内的热能。对于图1所示的液氦浸泡型超导磁体系统，热能全部被超导磁体和液氦吸收，导致液氦大量挥发；对于图2所示的少液氦传导冷却磁体系统或图3所示的纯传导冷却磁体系统，热能全部被超导磁体吸收，导致超导磁体再次冷却时间过长。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超导磁体系统及其失超保护电路，旨在解决现有技术中失超保护方法让尽可能多的超导线圈大面积地同时失超导致液氦大量挥发或超导磁体再次冷却时间过长的问题。

本发明提供了一种失超保护电路，包括：超导单元、第一二极管集成组件、低温超导开关和热辐射层；超导单元由M个串联连接的超导线圈组成，依次记为第一超导线圈、第二超导线圈……第（M-1）超导线圈和第M超导线圈，第一超导线圈的非串联连接端和所述第M超导线圈的非串联连接端分别与电流引线连接，电流引线与励磁电源连接；低温超导开关的一端与所述第一超导线圈的非串联连接端连接，低温超导开关的另一端与所述第M超导线圈的非串联连接端连接；第一二极管集成组件与低温超导开关并联连接，用于保护超导开关；热辐射层并联连接在超导单元中在空间上对称的任意超导线圈子集两端，热辐射层用于转移失超过程中超导线圈中的磁能；超导线圈子集由一个超导线圈构成或由多个超导线圈构成或由一个超导子线圈构成或由超导子线圈和超导线圈构成，其中，所述超导子线圈为超导线圈的一部分。

本发明利用电路连接，把磁能转移到热辐射层和真空层，从而保护超导磁体系统免于在失超期间发生损害、减少超导磁体的冷却时间和液氦损耗。

在本发明实施例中，M的个数可以根据需要来设置，当M为8时，可以将第一超导线圈和第M超导线圈中的电流方向与其它的超导线圈中的电流方向设置为相反。

作为本发明的一个实施例，热辐射层的一端连接至第二超导线圈与第三超导线圈相连接的连接端，热辐射层的另一端连接至第六超导线圈与第七超导线圈相连接的连接端。

作为本发明的另一个实施例，热辐射层的一端与X1位置连接，另一端与X2位置连接，其中X1位置设置在任一超导线圈中任意位置，X2位置设置在跟X1空间上对称的位置上。

在本发明实施例中，失超保护电路还包括第二二极管集成组件，其与所述热辐射层串联连接，用于当超导磁体处于升磁或降磁时阻止所述热辐射层导电、防止热辐射层被加热，导致辐射热增加，甚至引发超导磁体失超。

更进一步地，第二二极管集成组件的门限电压大于升磁或降磁过程中与第二二极管集成组件并联的线圈子集两端的最大电压。

作为本发明的一个实施例，失超保护电路还包括真空层，其与热辐射层并联连接；真空层用于在失超过程中进一步转移超导磁体的磁能。

作为本发明的另一个实施例，失超保护电路还包括真空层和第三二极管集成组件，真空层和第三二极管集成组件串联后并接在超导单元中在空间上对称的任意线圈子集两端。

更进一步地，真空层和第三二极管集成组件串联后并接在第一超导线圈L1和第二超导线圈L2的连接端与第（M-1）超导线圈和第M超导线圈的连接端之间。

更进一步地，真空层和第三二极管集成组件串联后并接在第二超导线圈L2和第三超导线圈L3的连接端与第（M-2）超导线圈和第（M-1）超导线圈的连接端之间。

本发明还提供了一种包括上述失超保护电路的超导磁体系统。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将磁能有效地转移到超导线圈以外的热屏蔽层和真空层，能够取得保护超导线圈免于在失超期间发生损害、减少超导磁体的冷却时间和液氦损耗的有益效果。

附图说明

图1是现有技术提供的液氦浸泡型超导磁体系统示意图；

图2是现有技术提供的少液氦传导冷却超导磁体系统示意图；

图3是现有技术提供的纯传导冷却超导磁体系统示意图；

图4是本发明第一实施例提供的超导磁体系统失超保护电路示意图；

图5是本发明第二实施例提供的超导磁体系统失超保护电路示意图；

图6是本发明第三实施例提供的超导磁体系统失超保护电路示意图；

图7是本发明第四实施例提供的超导磁体系统失超保护电路示意图；

图8是本发明第五实施例提供的超导磁体系统失超保护电路示意图。

其中，1表示超导磁体系统，11表示成像区（FOV），12表示真空层（VV），13表示热辐射层（TS），14表示磁体操作台，15表示冷却器，16表示液氦，17表示低温容器（HV），18表示磁体骨架，19表示超导线圈，20表示热虹吸冷却管，100表示失超保护电路，101表示超导单元，102表示第一二极管集成组件，103表示低温超导开关，104表示电流引线，105表示热辐射层，106表示第二二极管集成组件，107表示真空层，108表示第三二极管集成组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于对本发明的基本理解，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。

本发明提供了一种利用热辐射层和真空层来保护超导磁体系统免于在失超期间发生损害、减少超导磁体的再次冷却时间和液氦损耗的失超保护电路。如图4所示，失超保护电路100包括：超导单元101、第一二极管集成组件102、低温超导开关103和热辐射层105；超导单元101由M个串联连接的超导线圈组成，依次记为第一超导线圈、第二超导线圈……第（M-1）超导线圈和第M超导线圈；第一超导线圈的非串联连接端和所述第M超导线圈的非串联连接端分别与电流引线的两端连接，用于与励磁电源连接；低温超导开关103的一端与第一超导线圈的非串联连接端连接，低温超导开关103的另一端与第M超导线圈的非串联连接端连接；第一二极管集成组件102与低温超导开关103并联连接，用于保护超导开关103；热辐射层105并联连接在超导单元101中在空间上对称的超导线圈子集的两端，热辐射层105用于转移失超过程中超导线圈中的磁能；超导线圈子集由一个超导线圈构成或由多个超导线圈构成或由一个超导子线圈构成或由超导子线圈和超导线圈构成，其中，超导子线圈为超导线圈的一部分。

在本发明实施例中，超导线圈的个数M可以根据需要来取值，在本示例中M取8，在其他实施例中，M也可以取其它值。当M为8时，超导线圈子集L1和L8为主动屏蔽线圈，其电流方向和超导线圈子集L2~L7的电流方向可以设置为相反。

其中，第一二极管集成组件102的门限电压可以设置为高于超导磁体两端最大的励磁电压，用于保护低温超导开关103。

作为本发明的一个实施例，热辐射层105和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3~L6并联连接。

根据设计需要，热辐射层105的电压可以取自任意对称线圈之间的电压，甚至可以把一个或者多个对称位置的线圈分成若干个对称子线圈，热辐射层105的电压可以取自包括子线圈在内的任一对称线圈之间的电压。但该电压不能取低温超导开关103之间的电压。

在另一个实施例中，热辐射层105和真空层107并联，该并联装置和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3~L6并联连接。根据设计的需要，该电压可以取自任意对称线圈之间的电压，甚至可以把一个或者多个对称位置的线圈分成若干个对称子线圈，该电压可以取自包括子线圈在内的任一对称线圈之间的电压。但该电压不能取低温超导开关103之间的电压。

在另一个实施例中，热辐射层105和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3~L6并联连接。真空层107和第三二极管集成组件108串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L2~L7并联连接。根据设计的需要，该电压可以取自任意对称线圈之间的电压，甚至可以把一个或者多个对称位置的线圈分成若干个对称子线圈，该电压可以取自包括子线圈在内的任一对称线圈之间的电压。甚至可以把这两条支路交换连接。但该电压不能取低温超导开关103之间的电压。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的超导磁体系统及其失超保护电路，现参照附图及具体实例详述如下：

请参考图4，失超保护电路100包括超导单元101，其中超导单元101由8个串联连接的超导线圈构成，依次标记为L1~L8；其中，超导线圈子集L1和L8为主动屏蔽线圈，其电流方向和超导线圈子集L2~L7的电流方向相反。失超保护电路100还包括一对电流引线104用于和励磁电源（未示出）连接。低温超导开关103和电流引线104并联。第一二极管集成组件102和低温超导开关103并联连接。第一二极管集成组件102的门限电压高于超导磁体两端最大的励磁电压，用于保护低温超导开关103。热辐射层105和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3~L6并联连接。当磁体处于升磁（Ramp-up）或降磁（Ramp-down）时，第二二极管集成组件106阻止热辐射层105导电，防止热辐射层被加热。第二二极管集成组件106的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中L3~L6两端的最大电压。第一二极管集成组件102和第二二极管集成组件106中的每一个，通常由两组两个或多个二极管的串联连接再被反并联组成。

在升磁（Ramp-up）过程中，低温超导开关103被一个加热器（未示出）加热，低温超导开关103表现为一个大电阻，大部分电流经过超导单元101，励磁电源给超导单元101充磁，当超导磁体系统的视场（Field of View）区域磁场达到目标磁场时，关掉给低温超导开关103加热器加热的电源，低温超导开关103回到超导态，同时把励磁电源的电压调至0，移除电流引线104，以限制到超导磁体系统中的热损失，超导磁体系统进入持久模式（Persistent mode）。

在降磁（Ramp-down）过程中，低温超导开关103被一个加热器（未示出）加热，低温超导开关103表现为一个大电阻，大部分电流经过超导单元101、电流引线104和励磁电源。励磁电源输出一个反向电压实现降磁。有时为了加速降磁，在励磁电源回路串联一个直流负载或二极管以建立更大的压降。当电源表盘上电流显示为0时，即可关掉励磁电源以及移除电流引线104。

下面阐述该电路的失超保护原理，假如超导线圈L4失超，线圈子集L3~L6两端将快速建立一个电压；当该电压超过第二二极管集成组件106的门限电压，很大一部分电流将流过热辐射层105，从而流过失超线圈L4的电流和由于失超产生的焦耳热得到极大降低，从而超导线圈L4的热点温度被控制在较低水平。最终结果表现在：（1）对于图1所示的液氦浸泡的超导磁体系统，由于超导单元101的磁能大部分转移到热辐射层，导致超导单元101被转化为热能的能量下降，从而减小液氦挥发。（2）对于少液氦传导冷却磁体系统（图2）或纯传导冷却磁体系统（图3），超导单元101的大部分磁能转移到超导单元101以外，大大降低超导单元101的温升，从而缩短了超导磁体系统的再次冷却时间。

请继续参考图4，热辐射层105的电压取自线圈子集L3~L6，这只是一个例子。根据设计的需要，热辐射层105的电压可以取自任意对称线圈两端的电压，甚至可以把一个或者多个对称位置的线圈分成若干个对称子线圈，热辐射层105的电压可以取自包括子线圈在内的任一对称线圈两端的电压，图5为其中一个示例，热辐射层105的电压取自空间上对称位置的X1和X2之间，其中X1位置设置在任一超导线圈中任意位置，X2位置设置在跟X1空间对称的位置上。但热辐射层105的电压不能取低温超导开关103之间的电压。

请参考图6，为本发明的另一实施方式的失超保护电路图。热辐射层105和真空层107并联，该并联装置和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3~L6并联连接。当磁体处于升磁（Ramp-up）或降磁（Ramp-down）时，第二二极管集成组件106阻止热辐射层105和真空层107导电，从而阻止它们发热。第二二极管集成组件106的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中L3~L6两端的最大电压。该电路的工作原理和图4类似，差别在于增加了真空层电路回路。当失超发生时，磁能不仅转移到热辐射层，同时也转移到真空层，从而进一步降低了超导磁体的温升。

请继续参考图6，热辐射层105和真空层107的电压取自线圈子集L3~L6，这只是一个例子。根据设计的需要，该电压可以取自任意对称线圈两端的电压，甚至可以把一个或者多个对称位置的线圈分成若干个对称子线圈，该电压可以取自包括子线圈在内的任一对称线圈两端的电压。但该电压不能取低温超导开关103之间的电压。

请参考图7，为本发明的另一实施方式的失超保护电路图。热辐射层105和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3~L6并联连接。真空层107和第三二极管集成组件108串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L2~L7并联连接。当超导磁体处于升磁（Ramp-up）或降磁（Ramp-down）时，第二二极管集成组件106阻止热辐射层105导电，第三二极管集成组件108阻止真空层107导电，从而阻止热辐射层和真空层发热。二极管集成组件106和108的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中L3~L6和L2~L7两端的最大电压。

请继续参考图7，热辐射层105的电压取自线圈子集L3~L6和真空层107的电压取自线圈子集L2~L7，这只是一个例子。根据设计的需要，它们的电压可以取自任意对称线圈两端的电压，甚至可以把一个或者多个对称位置的线圈分成若干个对称子线圈，它们的电压可以取自包括子线圈在内的任一对称线圈两端的电压。甚至可以把这两条支路交换连接，如图8所示。但它们的电压不能取低温超导开关103之间的电压。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种失超保护电路，其特征在于，包括：超导单元（101）、第一二极管集成组件（102）、低温超导开关（103）和热辐射层（105）；

所述超导单元（101）由M个串联连接的超导线圈组成，依次记为第一超导线圈、第二超导线圈……第（M-1）超导线圈和第M超导线圈；

所述第一超导线圈的非串联连接端和所述第M超导线圈的非串联连接端分别与电流引线连接，电流引线与励磁电源连接；

所述低温超导开关（103）的一端与所述第一超导线圈的非串联连接端连接，所述低温超导开关（103）的另一端与所述第M超导线圈的非串联连接端连接；

所述第一二极管集成组件（102）与所述低温超导开关（103）并联连接，用于保护超导开关（103）；

所述热辐射层（105）并联连接在所述超导单元（101）中在空间上对称的任意超导线圈子集的两端，所述热辐射层（105）用于转移失超过程中超导线圈中的磁能；

所述超导线圈子集由一个超导线圈构成或由多个超导线圈构成或由一个超导子线圈构成或由超导子线圈和超导线圈构成，其中，所述超导子线圈为超导线圈的一部分。

2.如权利要求1所述的失超保护电路，其特征在于，所述热辐射层（105）的一端连接至第二超导线圈与第三超导线圈相连接的连接端，所述热辐射层（105）的另一端连接至第（M-2）超导线圈与第（M-1）超导线圈相连接的连接端。

3.如权利要求1所述的失超保护电路，其特征在于，所述热辐射层（105）的一端连接至第一超导线圈与第二超导线圈相连接的连接端，所述热辐射层（105）的另一端连接至第（M-1）超导线圈与第M超导线圈相连接的连接端。

4.如权利要求1所述的失超保护电路，其特征在于，所述热辐射层（105）的一端与X1位置连接，另一端与X2位置连接，其中X1位置设置在任一超导线圈中任意位置，X2位置设置在跟X1空间上对称的位置上。

5.如权利要求1所述的失超保护电路，其特征在于，所述失超保护电路还包括第二二极管集成组件（106），其与所述热辐射层（105）串联连接，用于当超导磁体处于升磁或降磁时阻止所述热辐射层（105）导电、防止所述热辐射层（105）被加热，导致辐射热增加，甚至引发超导磁体失超。

6.如权利要求5所述的失超保护电路，其特征在于，所述第二二极管集成组件（106）的门限电压大于升磁或降磁过程中与第二二极管集成组件（106）并联的线圈子集两端的最大电压。

7.如权利要求1-6任一项所述的失超保护电路，其特征在于，所述失超保护电路还包括真空层（107），其与所述热辐射层（105）并联连接；所述真空层（107）用于在失超过程中进一步转移超导磁体的磁能。

8.如权利要求1-6任一项所述的失超保护电路，其特征在于，所述失超保护电路还包括真空层（107）和第三二极管集成组件（108），

所述真空层（107）和所述第三二极管集成组件（108）串联后并接在所述超导单元（101）中在空间上对称的任意超导线圈子集两端。

9.如权利要求8所述的失超保护电路，其特征在于，所述真空层（107）和所述第三二极管集成组件（108）串联后并接在第一超导线圈L1和第二超导线圈L2的连接端与第（M-1）超导线圈和第M超导线圈的连接端之间。

10.如权利要求8所述的失超保护电路，其特征在于，所述真空层（107）和所述第三二极管集成组件（108）串联后并接在第二超导线圈L2和第三超导线圈L3的连接端与第（M-2）超导线圈和第（M-1）超导线圈的连接端之间。

11.一种超导磁体系统，包括失超保护电路，其特征在于，所述失超保护电路为上述权利要求1-10任一项所述的失超保护电路。

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