CN114221298B - 一种高场高均匀度超导磁体失超保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高场高均匀度超导磁体失超保护电路，由分流电路和线圈分段电路组成，其中分流电路包括加热分流电路和二极管分流电路。每个加热分流电路中串联一个能够触发所有超导线圈失超的加热器组件。三个Nb3Sn主线圈组分别与两个NbTi补偿线圈组及一个NbTi主线圈组串联组成三个线圈分段电路；另一个NbTi主线圈组单独组成一个线圈分段电路。每个线圈分段电路中都包含有一个NbTi线圈组，利用NbTi线圈加热失超时间短，失超传播速度快，失超区电阻增长快速的特性消耗对应线圈分段电路中存储的大部分电磁能量，对应的Nb3Sn线圈组中消耗的电磁能量就很小，使得Nb3Sn线圈即使失超区很小也不会温度上升过高。

Description

一种高场高均匀度超导磁体失超保护电路
技术领域
本发明涉及综合物性测量系统(PPMS)领域，具体涉及用于综合物性测量系统(PPMS)中的一种高场高均匀度超导磁体的失超保护电路。
背景技术
制造超导磁体的超导体(例如Nb3Sn或NbTi超导体)只有在温度、磁场、电流密度都满足特定条件时才能表现超导特性。如果超导磁体任意区域的温度、磁场、电流密度三者之一超出临界值就会发生失超。失超区的超导体不再是超导态，将转变为电阻态。电流流经失超区域将会产生焦耳热。超导磁体的失超过程是储存在超导线圈内的电磁能向热能的转化过程。超导磁体可能储存有兆焦耳数量级的电磁能，如果没有采取有效的失超保护措施，巨大的电磁能将集中释放到很小的失超区内，从而引起局部温度上升。严重的局部过热可能烧焦绝缘或熔化导体，同时失超也可能产生高电压击穿超导线圈绝缘。避免局部温升过高最有效的方法就是在超导线圈表面粘贴加热器来加速超导线圈之间的失超传播。如果超导磁体在某一线圈的局部发生失超后快速传播到其它线圈，导致整个超导磁体的失超区迅速扩大，热量尽可能均匀消耗在整个超导磁体上，就意味着没有一个部分会达到危险温度。
综合物性测量系统(PPMS)是在温度和磁场能够精细控制的低温和强磁场平台上，集成全自动的磁学、电学、热学和形貌，甚至铁电和介电常数等各种物性测量手段的综合测试设备。PPMS系统中强磁场环境是由高场高均匀度超导磁体产生。高场高均匀度超导磁体在PPMS系统中心区域产生大于10T的高均匀度磁场。
高场高均匀度超导磁体由Nb3Sn主线圈、NbTi主线圈及NbTi补偿线圈组成，Nb3Sn主线圈位于内层的高磁场区域，NbTi主线圈位于中间层的中磁场区域，NbTi补偿线圈位于最外层的低磁场区域。与NbTi超导体相比，Nb3Sn超导体的临界温度高，加热器加热触发Nb3Sn线圈失超的时间延迟较长；而且Nb3Sn线圈局部被加热器加热失超后，Nb3Sn线圈失超区扩展的速度依然缓慢。因此单靠安装加热器来加快失超传播的方法难以有效保护高场高均匀度超导磁体中Nb3Sn线圈的失超安全。
发明内容
本发明的目的是解决单靠加热器加速失超传播的方法无法有效保护高场高均匀度超导磁体中Nb3Sn线圈失超安全的问题，提出一种新的高场高均匀度超导磁体的失超保护电路。
本发明提出技术方案如下：
一种高场高均匀度超导磁体失超保护电路，所述的超导磁体由多个超导线圈组成，多个超导线圈包括多个Nb3Sn主线圈、多个NbTi主线圈及多个NbTi补偿线圈；上述所有超导线圈同轴沿径向排列，且没有热接触；所述Nb3Sn主线圈位于内层的高磁场区域，NbTi主线圈位于中间层的中磁场区域，NbTi补偿线圈位于最外层的低磁场区域；其特征在于：
所述的超导磁体失超保护电路由分流电路和线圈分段电路组成，其中所述分流电路包括加热分流电路和二极管分流电路；每个超导线圈上各取一个加热器电气上串联连接在一起，从而形成三组加热器组件；三组加热器组件分别串联一个背靠背并联的二极管对组成三组所述加热分流电路；所述二极管分流电路由一个背靠背并联的二极管对组成。
进一步的，所述线圈分段电路将多个Nb3Sn主线圈分成内中外三个Nb3Sn主线圈组，多个NbTi主线圈分成内外两个NbTi主线圈组，多个NbTi补偿线圈分成两个NbTi补偿线圈组；
所述三组所述加热分流电路分别为第一加热分流电路、第二加热分流电路和第三加热分流电路；
其中内Nb3Sn主线圈组与一个NbTi补偿线圈组电气上串联组成第一线圈分段电路，此第一线圈分段电路两端并联所述第一加热分流电路；中Nb3Sn主线圈组与另一个NbTi补偿线圈组串联组成第二线圈分段电路，此第二线圈分段电路两端并联第二加热分流电路；外Nb3Sn主线圈组与外NbTi主线圈组串联组成第三线圈分段电路，此第三线圈分段电路两端并联第三加热分流电路；剩下的内NbTi主线圈组单独组成第四线圈分段电路，此第四线圈分段电路两端并联二极管分流电路。
当超导磁体的任意一个超导线圈出现失超后，随着失超区域电阻的增大，此超导线圈流通的电流将部分分流到对应的加热分流电路中，此加热分流电路中的加热器将会发热触发所有的超导线圈失超。由于每个线圈分段电路中都包含有一个NbTi线圈组，而NbTi线圈触发失超时间短，失超传播速度快，失超区电阻增长快速，这样每个线圈分段电路中存储的电磁能量将大部分消耗在NbTi线圈组中，很小部分消耗在对应的Nb3Sn线圈组中，使得Nb3Sn线圈即使失超区很小也不会温度上升过高。内部NbTi主线圈组在空间上靠近Nb3Sn线圈，与Nb3Sn线圈之间存在很强的电磁耦合，内部NbTi主线圈组只与一个二极管对组成回路可以感应很高的电流，从而通过感应耦合方式吸取Nb3Sn线圈中部分电磁能，减少Nb3Sn线圈失超温度过高风险。
附图说明
图1本发明所适用的超导磁体结构示意图，图中：1超导磁体、2多个Nb3Sn主线圈、3多个NbTi主线圈、4多个NbTi补偿线圈。
图2本发明实施例的超导磁体失超保护电路示意图，图中：5分流电路、G1-G4线圈分段电路、S1a-S1c加热分流电路、S2二极管分流电路、L1a-L1c Nb3Sn主线圈组、L2a-L2bNbTi主线圈组、L3a-L3b NbTi补偿线圈组、H1-H3加热器组件、D1-D4二极管对。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明所适用的超导磁体1由多个Nb3Sn主线圈2、多个NbTi主线圈3及多个NbTi补偿线圈4组成。超导磁体1的所有超导线圈同轴沿径向排列，且没有热接触。Nb3Sn主线圈2位于内层的高磁场区域，NbTi主线圈3位于中间层的中磁场区域，NbTi补偿线圈4位于最外层的低磁场区域。
如图2所示，本发明提出的失超保护电路由分流电路5和线圈分段电路G1-G4组成，其中分流电路5包括加热分流电路S1a-S1c和二极管分流电路S2。在所有超导线圈内表面分别安装三个紧密热接触的加热器。每个超导线圈上各取一个加热器电气上串联连接在一起，从而形成三组加热器组件H1-H3。三组加热器组件H1-H3分别串联一个背靠背并联的二极管对D1-D3组成三组加热分流电路S1a-S1c。二极管分流电路S2是由一个背靠背并联的二极管对D4组成。
本发明提出的线圈分段电路G1-G4将多个Nb3Sn主线圈2分成内中外三个Nb3Sn主线圈组L1a-L1c，多个NbTi主线圈3分成内外两个NbTi主线圈组L2a-L2b，多个NbTi补偿线圈4分成两个NbTi补偿线圈组L3a-L3b。其中内Nb3Sn主线圈组L1a与一个NbTi补偿线圈组L3a电气上串联组成第一线圈分段电路G1，此第一线圈分段电路G1两端并联一个第一加热分流电路S1a；中Nb3Sn主线圈组L1b与另外一个NbTi补偿线圈组L3b串联组成第二线圈分段电路G2，此第二线圈分段电路G2两端并联第二加热分流电路S1b；外Nb3Sn主线圈组L1c与外NbTi主线圈组L2b串联组成第三线圈分段电路G3，此第三线圈分段电路G3两端并联第三加热分流电路S1c；剩下的内NbTi主线圈组L2a单独组成第四线圈分段电路G4，此第四线圈分段电路G4两端并联二极管分流电路S2。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种高场高均匀度超导磁体失超保护电路，所述的超导磁体（1）由多个超导线圈组成，多个超导线圈包括多个Nb3Sn主线圈（2）、多个NbTi主线圈（3）及多个NbTi补偿线圈（4）；上述所有超导线圈同轴沿径向排列，且没有热接触；所述Nb3Sn主线圈（2）位于内层的高磁场区域，NbTi主线圈（3）位于中间层的中磁场区域，NbTi补偿线圈（4）位于最外层的低磁场区域；其特征在于：
所述的超导磁体失超保护电路由分流电路（5）和线圈分段电路（G1-G4）组成，其中所述分流电路（5）包括加热分流电路（S1a-S1c）和二极管分流电路（S2）；每个超导线圈上各取一个加热器电气上串联连接在一起，从而形成三组加热器组件（H1-H3）；三组加热器组件（H1-H3）分别串联一个背靠背并联的二极管对（D1-D3）组成三组所述加热分流电路（S1a-S1c）；所述二极管分流电路（S2）由一个背靠背并联的二极管对（D4）组成；
所述线圈分段电路（G1-G4）将多个Nb3Sn主线圈（2）分成内中外三个Nb3Sn主线圈组（L1a-L1c），多个NbTi主线圈（3）分成内外两个NbTi主线圈组（L2a-L2b），多个NbTi补偿线圈（4）分成两个NbTi补偿线圈组（L3a-L3b）；
所述三组所述加热分流电路（S1a-S1c）分别为第一加热分流电路（S1a）、第二加热分流电路（S1b）和第三加热分流电路（S1c）；
其中内Nb3Sn主线圈组（L1a）与一个NbTi补偿线圈组电气上串联组成第一线圈分段电路（G1），此第一线圈分段电路（G1）两端并联所述第一加热分流电路（S1a）；中Nb3Sn主线圈组（L1b）与另一个NbTi补偿线圈组串联组成第二线圈分段电路（G2），此第二线圈分段电路（G2）两端并联第二加热分流电路（S1b）；外Nb3Sn主线圈组（L1c）与外NbTi主线圈组（L2b）串联组成第三线圈分段电路（G3），此第三线圈分段电路（G3）两端并联第三加热分流电路（S1c）；剩下的内NbTi主线圈组（L2a）单独组成第四线圈分段电路（G4），此第四线圈分段电路（G4）两端并联二极管分流电路（S2）。
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