CN114144855A - 针对高温超导（hts）引线的失超保护 - Google Patents

Abstract

一种装置(200)包括低温恒温器(202)，所述低温恒温器包含一体积的低温流体。一个或多个电超导线圈(204)被设置在所述低温恒温器内。所述一个或多个电超导线圈被配置为在电流通过其时产生磁场。一条或多条高温超导(HTS)电流引线(206)被永久地设置在所述低温恒温器内并且被耦合到所述一个或多个电超导线圈。一个或多个传感器(222)被定位于一条或多条HTS电流引线处或附近，以监测所述HTS电流引线的状态。HTS保护开关(208)被选择性地耦合到所述一条或多条HTS电流引线。磁体控制器(220)控制所述HTS保护开关，以在经由所述传感器检测到所述一条或多条HTS电流引线的失超时将电流从所述一条或多条HTS电流引线转移。

Description

针对高温超导(HTS)引线的失超保护

技术领域

以下总体涉及超导永磁体，并且具体而言，涉及用于防止损坏用于磁共振成像的超导永磁体中的高温超导电流引线的系统和方法，以及相关领域。

背景技术

磁共振成像(MRI)扫描器通常使用超导磁体来生成静态(B₀)磁场。超导绕组通常被构造为嵌入铜基体中的超导纤维，并浸入液氦中以在工作电流下将绕组保持在超导临界温度以下。液氦被包含在真空夹套低温恒温器中，所述低温恒温器具有由压缩机操作的冷头，将氦气保持在低温(例如4K或更低)。

这种设计的一个缺点是通常发生一些氦蒸发，并且有时可能需要补充氦供应。此外，如果将磁体升至室温进行维护，则全部氦供应通常丢失，并且必须补充。

一些较新的超导磁体设计采用密封冷却系统，所述冷却系统在高压下(例如，在某些系统中为1000psi)被填充气体氦，并且被设置在真空低温恒温器中。冷头操作以将密封的冷却系统冷却到低温温度(例如4K或更低)，并且氦填充料在该低操作温度下至少部分液化。磁体绕组在低温恒温器内处于真空中，并且在密封冷却系统之外，但与密封冷却系统热接触。与磁体绕组被浸入液氦中的传统超导磁体设计相比，这种“密封”超导磁体不易损失氦，并且使用的氦填充要小得多。

密封超导磁体的一个潜在缺点是它们更容易由于冷头功能的暂时丧失(例如，由于电力中断)而失超。然而，现代超导磁体绕组能够在没有损坏的情况下经历失超，这是因为当超导纤维进入正常状态时，铜基体提供了高导电性，同时绕组设计促进了从失超开始的点的失超和散热的相对均匀分布。

在浸入式或密封式超导磁体设计中，与超导绕组的端子进行电流接触，以使磁体激励或去激励。低温恒温器中的端口通常用于此目的，金属引线可以通过这些端口插入以接触磁体端子。由于从引线到超导绕组的端子周围的超导体的热传递，这可能在电流接触点附近产生非超导区域(即，常规电导区域)。该常规电导区域中的电流由铜基体承载。Urbahn等人的2017年10月19日公布的WO2017/178560A1公开了一种替代设计，其采用高温超导(HTS)引线，例如由HTS材料制成，例如铋锶钙铜氧化物(BSCCO)、钇钡铜氧化物(YBCO)或二硼化镁(MgB₂)。HTS引线具有25K到高达90K或更高的超导性临界温度，具体取决于HTS材料和电流大小。HTS引线有利地提供了从低温恒温器外部的室温到超导磁体绕组的4K或更低温度的更平滑过渡。

以下公开了一些改进以克服这些问题和其他问题。

发明内容

在一个方面中，一种装置包括低温恒温器，所述低温恒温器包含一体积的低温流体。一个或多个电超导线圈被设置在所述低温恒温器内。所述一个或多个电超导线圈被配置为在电流通过其时产生磁场。一条或多条高温超导(HTS)电流引线被永久地设置在所述低温恒温器内并且被耦合到所述一个或多个电超导线圈。一个或多个传感器被定位于所述一条或多条HTS电流引线处或附近，以监测所述HTS电流引线的状态。HTS保护开关被选择性地耦合到所述一条或多条HTS电流引线。磁体控制器控制所述HTS保护开关，以在经由所述传感器检测到所述一条或多条HTS电流引线的失超时将电流从所述一条或多条HTS电流引线转移。

在另一个方面中，一种用于医学成像设备的装置包括至少一条超导电流引线。至少一个电压传感器被配置为测量所述至少一条超导引线中的电压。保护开关可操作以从所述至少一条超导电流引线转移电流。电子器件被配置为响应于包括所述电压传感器检测到所述至少一条超导引线中的电压超过断开阈值的断开条件来控制所述保护开关以断开电力电路。

在另一个方面中，一种保护医学成像设备中的高温超导(HTS)引线免于失超的方法包括：测量跨至少一条HTS引线的电压；确定测量的电压是否在相应的预定义阈值之外；并且当测量的电压在预定阈值之外时，切断所述至少一个HTS引线与所述医学成像设备的电子器件之间的连接。

本文公开的一些说明性实施例通过永久安装的电源和电流引线解决了需要专业人员前往超导磁体现场的问题。控制装备监测磁体内部的低温条件，并且使用决策树来决定自动使磁体去激励，或自动将其激励回到标称场。此外，提供用户接口以允许授权用户(例如，操作者)自动使磁体去激励，或者在需要或者期望时自动将其激励回到标称场。

例如，为传统磁体激励需要维修人员和专业装备。如果磁化的异物(例如病床或地板缓冲器)被卡到磁体上，从磁体上移除异物的时间和成本对于用户(例如医院、诊所等)来说可能是相当大的负担。对于新型“密封”磁体，它们只具有原始氦气库存的一小部分，自动为磁体激励变得更加期望。与氦浴型磁体不同，少量的氦库存只能支持几个小时的冷却故障。之后，进入低温恒温器的余热使线圈温度升高到超导性不再持续的程度，并且磁体“失超”(热失控导致磁场快速衰减和线圈温度升高)。维修人员不太可能及时到达现场，并且准备好磁体以进行去激励。对于自动斜变或用户启动的斜变(例如，激励、去激励)，可以通过将磁体的能量释放到外部转储来防止这种状态。由于MRI扫描器现场去激励，可能发生冷却故障。恢复供电后，自动供电可再次对磁体进行激励，无需人工干预。同样地，当异物卡到磁体时或者当任何其他所需目的时，用户可以启动磁体的去激励。当异物从磁体中清除或用户确定需要重新激励磁体时，用户可以启动磁体的激励。这最大限度地延长了正常运行时间，从而增加了系统对客户的价值。

一个优点在于在HTS引线失超的情况下保护超导磁体的HTS引线。

另一个优点在于防止超导磁体的HTS引线失超。

另一个优点在于通过防止损坏HTS引线来减少维护时间和成本。

另一个优点在于从HTS引线转移电流以防止引线失超，或者如果发生HTS失超，则防止损坏HTS引线。

另一个优点在于提供一种采用具有一个或多个前述优点的超导磁体的MRI设备。

给定实施例可以不提供前述优点，提供前述优点中的一个、两个、更多或全部，和/或可以提供其它优点，对于本领域普通技术人员而言，在阅读和理解了本公开后，这将变得显而易见。

附图说明

本公开可以采取各种部件和部件的布置以及各个步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不应被解释为限制本公开。

图1图示了磁共振成像(MRI)装置的示例性实施例。

图2图示了可以在根据本发明的方面的MRI设备中采用的超导磁体系统的示例性实施例。

图3示出了图2系统的另一个实施例。

图4示出了图2和图3的系统的操作的示例性流程图。

具体实施方式

HTS引线带来优于其他方案的优势，因为在低温但不同温度下工作的磁体的部分之间的电连接。当用于在磁体部分之间传输电流时，包含HTS的组件的低至零电阻显著降低了欧姆加热，而高热阻降低了这些部分之间的热传输。

另一方面，低温超导体(LTS)引线，例如在超导磁体绕组中使用的引线，在铜基体中采用超导金属丝。当超过这些细丝的临界温度时(例如，细丝“失超”)，周围的铜基体开始导电，将电流分流到现在有电阻(正常)的细丝部分周围。这防止对精细的灯丝造成永久性损坏，因为灯丝中的欧姆加热被减少，并且生成的任何热量都通过铜被迅速地从正常区域传导出去。

相比之下，HTS部件通常是键合到相对极小的金属体积的超导陶瓷材料。因此，在正常区域周围分流的电流和失超期间从正常区域带走的热量通常不足以防止对精细的陶瓷造成永久性损坏。根据HTS在该失超期间承载的电流，可能会在数百毫秒内对HTS造成永久性损坏。

应该将这种情况与超导磁体绕组的情况区分开，超导磁体绕组在超导纤维进入正常状态的情况下具有提供低(尽管有限)电阻的铜基体；相比之下，HTS材料通常是表现出高电阻并且如果HTS引线失超则不能承受电流负载的陶瓷。因此，HTS引线可能迅速遭受无法修复的损坏，例如在失超开始的一秒内，实际上可能比这快得多，例如100毫秒或几百毫秒。

本文公开了具有永久安装并连接到电源的激励电流引线的永久性超导磁体。线圈磁体的温度需要保持在低温温度以下才能保持超导性。超导线圈与外部世界之间的永久电连接最大限度地减少了热量从外部泄漏到超导线圈。此外，它们在承载电流时不应产生过多的焦耳热(欧姆热)，否则热量使线圈失去超导性。

本文公开了永久性超导磁体，其采用HTS引线组件作为超导线圈与磁体真空空间外的装备之间的电连接的一部分。具体而言，HTS用于在LTS线圈与磁体的高温(即LTS禁止，但HTS适应)部分之间传输高(数百安培)电流。

替代地使用HTS稀土钡铜氧化物(ReBCO)引线，因为它们覆盖了这两个区域；它们可以在更高的温度下承载高电流而没有焦耳损失，并且它们可以被制造为具有特别低的热导率。为了进一步减少热量泄漏到磁体中，在磁体内部在HTS电流引线与外部电流端子之间安装了机械开关(热开关)。只有当电流需要流过HTS引线时，这些开关才闭合，否则它们是断开的。HTS非常适合这种应用。从高温磁体区域和HTS内的欧姆加热传递到LTS的热量足够小，以至于LTS可以在各种磁体工作模式期间保持在超导温度。

在本文公开的一些实施例中，提供了一种自动电流切断系统，用于在初始HTS引线失超的情况下突然断开电流。该系统包括位于HTS引线两端的电压传感器，这些电压传感器与机架安装的电子器件电连接，包括具有高共模抑制能力的差分电压计。如果测量的跨HTS引线的差分电压超过特定阈值(例如，在一个实施例中为50mV；请注意，对于处于超导状态的HTS引线，所述电压理论上为零)，然后断开一个致动的(例如螺线管驱动的)关断开关以断开电流。在变型实施例中，电流切断逻辑包括噪声延迟、低通滤波器等以避免由于噪声造成的不必要的电流切断。在一些实施例中，电子器件都是模拟的(例如，使用模拟运算放大器电路)以便对计算机故障不敏感。尽管上面描述了一条HTS引线，但优选地对两条HTS引线进行类似监测，并且如果任一HTS引线表现出超过触发阈值的电压从而指示HTS引线的初始失超，则触发电流关断开关。如本文中所使用的，术语“初始失超”旨在表示HTS引线或其部分正从超导状态转变为正常状态或刚刚转变为正常状态，但在所产生的焦耳热达到足以损坏HTS引线的水平之前。

在本文公开的一些实施例中，提供了一种自动化系统来中断流过失超HTS的电流。超导材料表现出非常低(理论上为零)的电阻。因此，在HTS承载电流上生成的显著电压指示HTS的一些部分已经失超。所述系统监控跨所有包含HTS的组件的电压，并以电气方式断开包含任何高于阈值的HTS生成的电压的电流回路。这可以防止该HTS内的进一步加热和损坏。这些测量的低差模电压(数十毫伏)和高共模电压(数百伏)值得注意。在一些变体中，该监测电压通过噪声滤波器(例如低通滤波器或时间延迟)以防止误动作。在一些变体中，所述保护系统完全在模拟(即没有软件)电路中实现，出于对受计算故障免疫的目的。

在本文公开的其他实施例中，提供了温度传感器(例如热敏电阻或温度敏感二极管)。与差分电压相比，温度可能是一个滞后指标，并且依靠检测HTS引线的温度升高来触发电流关断开关可能太慢而无法防止对HTS引线的损坏。在HTS引线的热端(即靠近与电流引线的连接处)的温度传感器可用于实施不那么激进的修复，例如响应于热端的HTS温度接近临界温度(Tc)而降低电流的幅值。降低电流增加了Tc(因为其取决于电流幅值)，并且如果其是由于与HTS引线连接的金属导体的焦耳加热，也可能降低温度升高(速率)。

在本文公开的一些实施例中，提供了自动化系统以防止HTS由于温度而失超。该系统监测包含HTS的所有组件的温度，并将系统电流安全地调整到与测量温度相对应的临界电流内的水平。注意——由于陶瓷内的欧姆加热导致HTS组件的温度升高是失超的滞后指标，并且不太可能提供足以防止对失超的HTS的损坏的响应时间。

本文中公开了一种系统，用于在HTS电流引线承载电流时在热失控的情况下主动防止损坏它们。这些电流引线被永久安装在磁体的低温恒温器内，并且只能通过从其现场卸下磁体并将磁体返回到制造它的工厂或类似设施来更换。

实施这些系统是为了防止损坏磁体的HTS部分。修理或更换在磁体中的使用HTS的组件需要将磁体返回其工厂或类似设施、专门的劳动力和相当长的时间，这使得其是非常不期望的。

图1图示了磁共振成像(MRI)装置100的一个示例性实施例。MRI装置100可以例如包括：磁体102；患者台104，其被配置为保持患者10；梯度线圈106，其被配置为至少部分地围绕患者10的至少部分，MRI装置100针对所述部分生成图像；射频线圈108，其被配置为将射频信号至少施加到患者10的正被成像的部分，并改变该磁场的对齐；以及扫描器，用其于检测由射频信号引起的磁场变化。MRI设备的一般操作是众所周知的，并且因此在此不再赘述。

参考图2，图示了示例性系统或装置200。系统200包括低温恒温器202，低温恒温器202是包含超导线圈(也称为绕组)204的真空容器、具有少量低温流体(例如，氦)的封闭冷却系统(未示出)和用于操作磁体的其他部件。一个或多个电超导线圈204被设置在低温恒温器202内，其中，所述一个或多个电超导线圈204被配置为在电流通过其时产生磁场；

低温恒温器202还被配置为容纳一条或多条高温超导电流引线(即一条或多条HTS引线)206。高温超导电流引线206被永久地设置在低温恒温器内并且被耦合到一个或多个电超导线圈204。所述一条或多条高温超导电流引线206由稀土-钡-铜氧化物(ReBCO)形成。使用高温超导(HTS)ReBCO引线代替传统引线，因为它们可以在更高的温度下承载高电流而没有焦耳损失，并且它们可以制造成具有特别低的热导率，从而最大限度地减少来自大气的周围环境的任何热传递进入温度敏感的超导线圈。

高温超导保护开关(即HTS保护开关)208被选择性地耦合到一个或多个高温超导电流引线和外部设备(例如，激励设备212、去激励设备214)。高温超导保护开关208优选地被设置在低温恒温器202的外部。高温超导保护开关208处于第一状态(即断开)，一个或多个电超导线圈204处于持续状态，并且当高温超导保护开关208处于第二状态(即闭合)时，高温度超导电流引线206被配置为对一个或多个电超导线圈204进行激励或去激励。在一个实施例中，热开关210被配置为将一条或多条高温超导电流引线206电耦合到设置在低温恒温器外部的设备(例如，激励设备212、去激励设备214)。如在图2中可见，高温超导保护开关208也必须闭合，以便将激励和去激励设备212、214电耦合到高温超导电流引线206；换句话说，如果保护开关208或热开关210中的任一者断开，则激励和去激励激励设备212、214被从高温超导电流引线206电去耦合。热开关210可以是闭锁热开关或任何其他期望的开关。在一个实施例中，第一状态是断开状态并且第二状态是闭合状态。

系统200包括磁体控制器220，其通常控制和/或监测系统的各种部件，包括控制高温超导保护开关208的状态。例如，磁体控制器220被耦合到电压和温度传感器222，其被设置在高温超导电流引线206、激励设备212和去激励设备214中的一个或多个处或附近。这样的电压和温度传感器被配置为监测高温超导电流引线206的状态。

磁体控制器220监测来自系统200的一个或多个传感器222的信号。磁体控制器220可以例如通过分析来自一个或多个传感器222的信号来确定是否检测到故障或失灵。特别地，磁体控制器220可以确定指示失超正在发生或可能即将发生的故障或失灵。如果磁体控制器220检测到系统200中的故障或失灵，特别是指示超导线圈204正在失超或可能即将失超的故障或失灵，则磁体控制器220将高温超导保护开关208从持续状态转移到第二状态以将电流从高温超导引线206转移到能量储存单元(去激励单元)214，所述能量储存单元被定位于低温恒温器的外部或在其外部，经由一对高温超导引线206在超导磁体的导电线圈的相对端。

磁体控制器220监测一种或多种故障状况。在操作中，磁体控制器220例如通过分析一个或多个传感器信号222来确定故障或失灵状况是否已被纠正。如果故障已被纠正，使得超导线圈204不再处于失超的风险中，则磁体引线从能量转储单元212断开并且被耦合到激励设备212以便将电超导线圈返回到持续状态。一旦电超导线圈204处于或接近持续状态，高温超导保护开关和一个或多个高温超导电流引线就被切换到持续状态。系统200的操作在持续状态中进行，直到磁体控制器220检测到磁体系统中的故障或失灵，如上所述。

通过这个过程，可以防止低温恒温器202内的失超和对高温超导电流引线206的损坏，从而避免对低温材料和/或电超导线圈204的损坏。

本发明的一个方面适用于具有永久安装并连接到电源的激励电流引线的持续性超导磁体。线圈磁体的温度需要保持在低温以下才能保持超导性。需要超导线圈与外界之间的永久电气连接，以使磁体能够自动激励和去激励，而无需现场服务人员的干预。此外，它们在承载电流时不能产生过多的焦耳加热(欧姆加热)，否则热量使线圈失去超导性。为了进一步减少热量泄漏到磁体中，在磁体内部在HTS电流引线与外部电流端子之间安装了机械开关(热开关)。只有当电流需要流过HTS引线时，这些开关才闭合，否则它们是断开的。

本文解决的另一个问题(即故障模式)是，如果高温超导电流引线206在它们承载电流时由于任何原因被驱动进入正常状态(失超)，焦耳加热造成的损坏可能使得它们无法工作。另一种故障模式是，如果任何热开关210在其承载电流时断开，电弧将导致其触点损坏，并且它也需要更换。问题是高温超导引线206和热接触器都在密封的低温恒温器202的真空内。因此，维修工作只能在专门的地点进行，例如他们的原产地工厂或类似的设施。由于MRI扫描器的停机时间以及更换磁体所需的翻新工作，这给用户带来了相当大的成本和不便。

如上所述，图2的实施例包括额外的硬件222和控制软件以监控高温超导引线206的状态，并通过一旦检测到HTS的失超就断开HTS保护开关208来转移来自HTS引线206的电流。这可能导致磁体本身(即，超导线圈204)失超，但是磁体内部的被动失超保护电路(未示出)保证焦耳加热不引起对磁体的内部部件的损坏。在检测到高温超导失超时，激励控制器也立即闭合电源，并且磁体与电源之间的高温超导电流引线206中的电流几乎立即通过HTS保护开关208断开。

在一个实施例中，(一个或多个)热开关210是闭锁的。例如，它们只需要电脉冲即可在断开状态与闭合状态之间或者在闭合状态与断开状态之间切换。这意味着在MRI站点在磁体激励或去激励时经历断电的情况下，开关仍将保持闭合。控制软件进一步确保这些接触器在它们承载电流时不被断开。开关210的闭锁操作确保开关210不响应于去激励而改变它们的状态(无论是断开还是闭合)。因此，如果开关210在断电时闭合并承载电流，则开关210将保持闭合。相比之下，如果使用非闭锁常规断开螺线管驱动开关，然后在停电期间失去电力将导致到螺线管的电流丢失，从而导致开关恢复到其常开状态，可能导致电弧，其可能损坏HTS引线206和/或电路中的其他部件。

反之，如果使用非闭锁常规闭合螺线管驱动开关，然后在停电期间失去电力将导致开关闭合，可能创建不希望的短路。另一方面，闭锁开关210保持其当前状态(断开或闭合)，除非并且直到磁体控制电子器件220向闭锁开关210发送电脉冲，从而导致闭锁开关210切换状态(从断开到闭合，或者从闭合到断开)。控制软件适当地确保闭锁开关210在它们承载电流时不能断开——例如，磁体控制电子器件220可以包括电流表，测量流向/流出闭锁开关210的电路中的电流并且仅在测量的电流为零的情况下发送电脉冲以切换锁存开关210的锁定状态。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于处理信号并发送命令以断开和闭合HTS保护电路的软件。此外，对磁体控制器的控制可以在MR扫描器现场进行，或者从通过网络(例如，互联网、云、远程服务器、服务提供商等)通信地耦合到一个MR扫描器的计算机远程进行。

图3图示了根据另一方面的医学成像设备(例如，图1的MRI装置100)的超导磁体300的更详细的实施例。应当理解，图2和图3共同的部件将在附图之间包含“相似”的附图标记，因此为简洁起见将不再重复对这些共同部件的描述。如图3所示，超导磁体300包括低温恒温器202和包含少量低温流体(例如氦)的封闭冷却系统302，低温恒温器202是包含超导线圈204的真空容器。由压缩机(未示出)驱动的冷头304操作以将封闭冷却系统302中的氦冷却到大约4K或更低。说明性冷头304是具有第一冷站CS₁和第二冷站CS₂的两级冷头，其中，所述第二冷站CS₂(例如在大约4K或低于)比所述第一冷站CS₁(例如，通常为几十开尔文)更冷。所述至少一个电超导线圈204被设置在低温恒温器202内，与封闭的冷却系统302热接触，以便也被冷却到大约4K或更低的低温温度，并且被配置为在电流从其通过时产生磁场。

图3还示出了用于防止MRI装置100中的引线失超的装置。该装置包括至少一条HTS引线206、206'(例如，第一HTS引线206和第二引线HTS206')；图2的电压和温度传感器222在图3中分别被示出为监测第一HTS引线206的至少一个电压传感器322，监测第二HTS引线206'至少一个电压传感器322'，监测第一HTS引线206至少一个温度传感器324，以及监测第二HTS引线206’的至少一个温度传感器324'；HTS保护开关208和磁体控制电子器件220。各种传感器322、322'、324、324'到电子器件220的信号连接在图3中由虚线示意性地指示——这些信号连接可以物理地实现为有线或无线连接。所述至少一条HTS引线206、206’被设置在低温恒温器202内，并且被耦合到所述至少一个电超导线圈204。如图3中所示，第一HTS引线206被布置在所述至少一个电超导线圈204的第一“顶部”端，并且第二HTS引线206’被设置在至少一个电超导线圈的第二“底部”端。

每条HTS引线206、206'具有标记为E₁的第一端，其与金属导体(例如铜、铝、它们的合金等)电连接，以及标记为E₂的相对的第二端，其与超导绕组204的端子电连接。一般情况下，第二端E₂处于或接近所述超导绕组204，也就是说，操作温度在大约4K或温度降低。相比之下，第一端E₁处于显著更高的温度，例如几十开尔文到大约70K到80K，这取决于具体配置。在合适的方法中，冷头304的第一冷站CS₁与第一端E₁或者与相应的电连接的金属导体热连接，以帮助将第一端E₁保持在期望的温度。注意，图3没有图示与冷站CS₁的热连接。在典型的布置，例如在WO2017/178560中所描述的，热屏蔽件(未示出)围绕冷的闭合冷却系统302和超导绕组204，并且与所述第一冷站CS₁热接触，以保持热屏蔽件在大约100K或更低的温度，并且热屏蔽提供第一端E₁与冷站CS₁之间的热路径(的至少部分)。如图3所示，第一HTS引线206的第一端可操作地连接到保护开关208，并且第一HTS引线206的第二端可操作地连接到至少一个超导线圈304的一个端子。第二HTS引线206'的第一端E₁可操作地连接到激励/去激励设备212、214，并且第二HTS引线206'的第二端E₂可操作地连接到至少一个超导线圈304的另一端子。

所述至少一个电压传感器322、322'被配置为测量在所述至少一条HTS引线306、306’中的电压。在图示的图3中，每个电压传感器322、322'是差分电压传感器，其被配置为测量所述相应的HTS引线206、206'的差分电压。如图3中进一步示出的，所述至少一个电压传感器322、322'包括被配置为测量差分电压跨第一HTS引线206的第一差分电压传感器322和被配置为测量跨第二个HTS引线206的差分电压的第二差分电压传感器322’。各说明性温度传感器324、324'被布置为测量相应的HTS引线206、206’的第一端E₁的温度。因为如上所述的原因选择温度传感器的该位置，每条HTS引线的第一端E₁预计将处于比HTS引线的第二端E₂更高的温度——因此，只要第一端E₁处于超导临界温度T_C之下，则整条HTS引线应该处于临界温度T_C之下。

如图3中所示，保护开关208被设置在低温恒温器202的外部。保护开关208用于将电流从至少一条HTS引线206、206'转移。换言之，保护开关208在断开时操作以断开从激励/去激励设备212、214到至少一个超导线圈204的电流路径。

电子器件220被配置为控制保护开关208以响应于断开条件来断开电力电路。中断条件可以包括至少电压传感器322、322'检测到所述至少一条HTS引线206、206’中的电压超过中断阈值。要做到这一点，当至少一个差分电压传感器322、322'测量跨所述至少一条HTS引线206、206'的差分电压时，电子器件220检测所测量的差分电压的幅值是否增加到预定电压阈值(例如，50mV)之上。当这种情况发生时，电子器件220被配置为断开保护开关208以转移来自至少一条HTS引线206、206'的电流。在一个示例中，如果在由低通滤波器滤波之后的所述差分电压的所述幅值在所述预定电压阈值之上，则所述电子器件(220)检测到所述差分电压的所述幅值增加到所述预定电压阈值之上。在另一示例中，如果所述差分电压的所述幅值在预定的电压阈值之上持续预定时间间隔，则所述电子器件(220)检测到所述差分电压的所述幅值增加到所述预定电压阈值之上。

这样的方法降低了噪声导致HTS保护开关208被掷和不必要地断开可能导致超导绕组204失超的电力电路的可能性。如果使用预定的时间间隔，其应被选择为足够短，以确保电流将在HTS引线206、206'可以通过焦耳热损坏之前被断开。一般来说，预定时间间隔预计为1秒或更低，并且更优选地，100毫秒或更低；预定时间间隔的选择应考虑在启动HTS保护开关208的断开过程中的任何时间延迟以及诸如HTS类型、长度、几何形状等的其他因素。在选择用于抑制噪声的低通滤波器的时间常数或瞬态行为时也应适当的考虑类似因素——其响应时间应足以避免因焦耳热而损坏HTS引线。

在一些实例中，至少一个温度传感器324、324'检测所述至少一个HTS的温度引线306、306'。如果温度超过阈值，电子器件322可以断开保护开关308以转移来自至少一条HTS引线306、306'的电流。然而，如前所述，由于与差分电压相比，温度往往是失超的滞后指标，因此更优选地，温度传感器不用于触发HTS保护开关208的断开(或者至少不被依赖为针对此的主要触发)。相反，在一些优选的实施例中，温度传感器324、324'用于在一个或两个第一端E₁的温度开始接近HTS超导温度T_C时触发较不积极的补救动作。例如，补救动作可以是通过操作激励的控制或去激励设备212、214来减少流过HTS引线206、206'的电流大小。这将减少与第一端E₁电连接的金属导体中的焦耳热，并且还增加通常随着电流幅值增加而降低的HTS超导临界温度T_c。

参考图4，示出了磁体保护方法的说明性实施例。在400，各种保护传感器(例如传感器222、232、232'、234,234')和超导绕组204中的电流被监测。在402处，如果检测到所述磁体绕组204的失超(例如，通过检测到跨磁体绕组204的端子的非零电压)，然后，在404，电子器件220操作以闭合开关208、210(如果它们尚未闭合)并连接去激励设备214以便将绕组204中的持续电流转移到去激励设备214以执行受控的磁体闭合(在可能的范围内，只要失超已经在进行中；然而，包括绕组的铜基体的绕组204的无被动超保护电路提供保护，防止在绕组失超期间损坏线圈。应当注意的是，此故障途径被升到4K左右的绕组204触发的——因此，可能性很小，这将触发HTS引线206、206'失超的可能性很小，因为它们的T_C的是几十开尔文的数量级。另外，所述HTS保护监测也可以任选地采用温度传感器324、324'，以检测第一端E₁的上升温度，并且如先前所描述地采取不太积极的补救措施；这在图4中没有描述。

在不同的可能的故障条件(在412处示出)下，检测一个或两者HTS引线206、206'的初始失超，例如基于由所述至少一个电压传感器222、222’跨引线206、206'测量的电压。在这种情况下，在412，电子器件220被配置为确定所测量的电压(其可以是如前所述的差分电压)是否在对应的预定义阈值之外。如果是这样，那么在414，当测量的电压在预定阈值之外时，电子器件220操作以通过断开HTS保护开关208来中断在至少一条HTS引线206、206'中流动的电流。如前所述，这可能导致磁体绕组204的失超；然而，这里认识到绕组的失超通常不导致对绕组的损坏，并且比很可能导致对HTS引线的昂贵损坏的对HTS引线的不受控制的焦耳加热更优选。

在另一种可能的故障条件下(在422处示出)，生成对切换闭锁热开关210的调用。这样的调用可以由电子器件220自动生成，或者由用户手动生成。在这种情况下，在424，切换闩锁热开关210的该调用只有当电流在HTS引线206、206'的幅值为零(或，为了简化实施方式中，是低于某个阈值)的情况下被执行。这确保了开关210在承载电流时不被断开，从而产生破坏性电弧。可以注意到，由于以下原因，所述故障补救路径422、424即不干扰绕组失超补救路径402、404又不干扰HTS引线失超补救路径412、414。首先，如果闭锁开关210处于断开状态，则电流将为零，因此，补救路径422、424决不防止将闭锁开关210从断开状态切换到闭合状态。接下来，如果闭锁开关210处于闭合状态并且在402检测到绕组失超，则操作404将不需要切换闭锁开关210，因为它们已经闭合。最后，如果闭锁开关210处于闭合状态并且在412检测到HTS引线失超，则补救操作是断开HTS保护开关208，其不会生成触发闭锁开关210的调用。

己经参考优选实施例描述了本公开。本领域技术人员通过阅读和理解前述的详细描述，可以进行各种修改和变型。旨在将本公开理解为包括所有这样的修改和变更，只要它们落在所附权利要求或其等价方案的范围之内。

Claims (20)

1.一种装置(200)，包括：

低温恒温器(202)，其包含一体积的低温流体；

一个或多个电超导线圈(204)，其被设置在所述低温恒温器内，其中，所述一个或多个电超导线圈被配置为在电流通过其时产生磁场；

一条或多条高温超导(HTS)电流引线(206)，其被永久地设置在所述低温恒温器内并且被耦合到所述一个或多个电超导线圈；

一个或多个传感器(222)，其被定位于所述一条或多条HTS电流引线处或附近，以监测所述HTS电流引线的状态；

HTS保护开关(208)，其被选择性地耦合到所述一条或多条HTS电流引线；以及

磁体控制器(220)，其用于控制所述HTS保护开关；

其中，所述磁体控制器控制所述HTS保护开关，以在经由所述传感器检测到所述一条或多条HTS电流引线的失超时将电流从所述一条或多条HTS电流引线转移。

2.根据权利要求1所述的装置(200)，其中，所述一条或多条HTS电流引线(206)由稀土-钡-铜氧化物ReBCO形成。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的装置(200)，还包括闭锁热开关(210)，所述闭锁热开关将所述一条或多条HTS电流引线电耦合到被设置在所述低温恒温器外部的一个或多个设备。

4.根据权利要求3所述的装置(200)，其中，所述闭锁热开关(210)具有断开状态和闭合状态，并且响应于电脉冲而在断开状态与闭合状态之间切换或者在闭合状态与断开状态之间切换。

5.根据权利要求3-4中的任一项所述的装置(200)，其中，处于所述闭合状态的所述闭锁热开关(210)在断电期间保持闭合。

6.根据权利要求3-5中的任一项所述的装置(200)，其中，所述磁体控制器(220)防止所述闭锁热开关(210)在它们承载电流时断开。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的装置(200)，其中，所述一个或多个传感器(220)包括电压传感器。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的装置(200)，其中，所述一个或多个传感器(220)包括温度传感器。

9.一种用于医学成像设备(100)的装置，所述装置包括：

至少一条超导电流引线(306、306′)；

至少一个电压传感器(322、322')，其被配置为测量所述至少一条超导引线中的电压；

保护开关(308)，其能操作以从所述至少一条超导电流引线转移电流；以及

电子器件(320)，其被配置为响应于断开条件而控制所述保护开关来断开电力电路，所述断开条件包括所述电压传感器检测到所述至少一条超导引线中的电压超过断开阈值。

10.一种用于医学成像设备(100)的超导磁体(300)，所述超导磁体包括：

低温恒温器(302)，其包含一体积的低温流体；

至少一个电超导线圈(304)，其被设置在所述低温恒温器内并且被配置为在电流通过其时产生磁场；以及

根据权利要求9所述的装置；

其中，所述至少一条超导电流引线(306、306')被设置在所述低温恒温器内并且被耦合到所述至少一个电超导线圈，并且所述保护开关(308)被设置在所述低温恒温器的外部。

11.根据权利要求10所述的超导磁体(300)，其中，所述低温恒温器(302)包括包含至少一个超导线圈(304)的真空容器和包含一体积的低温流体的封闭冷却系统。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的超导磁体(300)，其中，所述保护开关(308)能操作以断开从所述激励/去激励设备(312、314)到所述至少一个超导线圈(304)的所述电流路径。

13.根据权利要求9-12中的任一项所述的装置，其中，所述至少一条超导电流引线(306、306')包括第一超导电流引线(306)和第二超导电流引线(306')，

其中，所述第一超导电流引线的第一端能操作地连接到所述保护开关(308)，并且所述第一超导电流引线的第二端能操作地连接到所述至少一个电超导线圈(304)。

14.根据权利要求9-13中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个电压传感器(322、322')是被配置为测量所述至少一条超导引线(306、306')两端的差分电压的差分电压传感器；

其中，当由所述电子器件(320)检测到由所述差分电压传感器(322、322')测量的所述差分电压的幅值增加到预定电压阈值之上时，所述电子器件被配置为断开所述保护开关(308)以从所述至少一条超导电流引线转移电流。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述预定电压为大约50mV。

16.根据权利要求14-15中的任一项所述的装置，其中，所述电子器件(320)在所述差分电压的幅值在所述预定电压阈值之上持续预定时间间隔的情况下检测到所述差分电压的所述幅值增加到所述预定电压阈值之上。

17.根据权利要求14-15中的任一项所述的装置，其中，所述电子器件(320)在由低通滤波器滤波之后的所述差分电压的幅值在所述预定电压阈值之上的情况下检测到所述差分电压的所述幅值增加到所述预定电压阈值之上。

18.根据权利要求14-16中的任一项所述的装置，其中，所述至少一条超导电流引线(306、306')包括第一超导电流引线(306)和第二超导引线(306')，并且

所述差分电压传感器(XX)包括被配置为测量跨所述第一超导引线的差分电压的第一差分电压传感器(322')和被配置为测量跨所述第二超导引线的差分电压的第二差分电压传感器(322')。

19.一种保护医学成像设备(100)中的高温超导(HTS)引线免于失超的方法(400)，所述方法包括：

测量跨至少一条HTS引线(206、306、306′)的电压；

确定所测量的电压是否在对应的预定义阈值之外；并且

当所测量的电压在所述预定义阈值之外时，切断所述至少一条HTS引线与所述医学成像设备的电子器件(220、320)之间的连接。

20.根据权利要求19所述的方法(400)，其中，所述切断包括以下中的至少一项：

将热闭锁开关(210)从闭合状态切换到断开状态，所述热闭锁开关将所述至少一条HTS引线(206)与所述电子器件(220)电连接；以及

控制HTS保护开关(308)以从所述至少HTS引线转移电流。

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