CN1828789A - 超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

包括超导磁体的超导磁体系统提供有效的失超保护，所述超导磁体本身包括多个磁体线圈，所述磁体线圈被布置用于保护失超加热器。

Description

超导磁体系统

技术领域

本发明涉及一种用于超导磁体的保护电路。特别地，本发明涉及一种用于保护超导磁体免于否则可能在失超期间发生的损害的保护电路。当例如用于超导磁体中的超导体回复为阻性状态时，发生失超。这可能是由超导体的一部分中的局部化加热、由于局部运动或摩擦、局部加热或者超导体材料中的缺陷引起的。由于这些原因中任何一个原因，超导体的一小部分不再是超导的，而是进入阻性状态。流过阻性部分的任何电流将导致局部焦耳加热。这将引起超导体的相邻部分失超，从而导致更大的阻性部分，又引起进一步的焦耳加热。很快，超导体进入阻性状态，同时可能很大的电流仍在流动。当这发生时，所存储的场能的数量级可能为几兆焦耳的较大部分将作为热量被耗散。如果不能恰当地管理这个过程，则该能量可能被耗散在有限区域内，从而导致局部温度升高，这会在开始失超的部分上或在所述部分附近损害线圈区域。

背景技术

已知通过扩展失超过程来尝试避免热量耗散的有害浓度，以便在尽可能多的可用超导体上耗散所产生的热量。这将导致基本上涉及整个超导体的失超，这意味着任一部分都不应达到危险的温度。在超导磁体、例如那些用于MRI或NMR成像系统中的超导磁体中，这通常通过故意地在除开始失超的线圈之外的超导体线圈上促使失超来实现。该故意的失超促使通常通过将电流施加到加热器上来实现，该加热器与线圈紧密热接触。通常，每个线圈都将装备有两个或多个加热器。

图1示出了已知的失超保护电路的电路图，所述失超保护电路适于安装在MRI或NMR成像系统的超导磁体中。示出了包括串联连接的线圈L1-L6的超导磁体10。这些线圈中的每一个都具有紧密热接触的相应的加热器R1-R6。这可以通过将加热器粘在线圈的表面上来实现。加热器串联地电气连接，并且这个串联装置与超导体线圈的子集L2-L5并联连接。设置有电流注入引线12，分别有一电流注入引线通向超导线圈的串联连接的每一端14、16。超导线圈的串联端14、16与低温开关18连接。

工作于所谓的持久模式的所有超导磁体都具有低温开关。实质上，所述低温开关是与磁体线圈串联的一条超导体线，所述磁体线圈具有连接到其上的加热器。如果加热器被接通，则低温开关18正常导电并且断开。当系统通过引线12连接到外部电源上时，电流将流过超导线圈10，同时仅有涓流穿过低温开关18。当磁体系统斜升(ramp)到所需电流时，开关加热器被关闭，并且低温开关18变为超导：低温开关闭合。当与引线12连接的外部电源倾斜下降时，通过低温开关18的电流的增加量将与通过外部电源的电流的减少量相同。一旦外部电源完全倾斜下降，则可以移去电流引线12以限制到低温磁体系统中的热量泄漏。

通过二极管集成组件20连接超导线圈的串联端14、16，所述二极管集成组件20与低温开关18并联连接。类似的二极管集成组件22与加热器R1-R6串联。在这些二极管集成组件20、22中的每一个中，通常两个二极管或多个二极管的两个串联连接被反并联放置。

二极管集成组件20保护低温开关18。为了说明由二极管集成组件20提供的保护，考虑磁体电流正斜升时的情况。低温开关18断开并且例如500A的电流流过线圈L1-L6、引线12和相关的电源单元。如果由于某种原因电流被中断，在不存在二极管集成组件20的情况下线圈的电感起作用以迫使500A电流通过低温开关18。在倾斜上升期间，这个开关将处于其断开状态，同时电阻在30Ω范围内。这将产生高达500A×500A×30Ω＝7.5MW的热量耗散，所述热量耗散足以破坏低温开关18。在存在二极管集成组件20的情况下，低温开关18两端的电压一超过二极管集成组件的门限电压，二极管集成组件20就将变为导通。在低温开关18中的电流已升高到足以引起任何损害之前，这将发生在开关两端的电压相对低时。为了在磁体的电流倾斜上升期间将二极管集成组件保持在不导通状态，组件20的门限电压应该稍微高于斜升电压L.dI/dt，其中L是磁体线圈的电感，而dI/dt是通过磁体线圈的电流的增加率。例如，线圈两端的电压可以以每秒10伏斜升，同时电流相应地增加。

在磁体线圈的电流斜升期间，二极管集成组件22阻止加热器R1-R6导电，因为它的门限电压被选择为大于斜升电压L.dI/dt。如果例如在失超期间在磁体线圈两端产生较高的电压，则二极管集成组件将变为导通的，从而允许加热器起作用。

当线圈L1-L6之一失超时，电压将出现在该线圈两端并且因此也出现在电阻器R1-R6和二极管集成组件22的串联连接的两端。这个电压随着失超在线圈内传播而及时快速地升高。当已经达到某一门限电压时，二极管集成组件22将开始导通。电流ir开始流过加热器R1-R6。这些加热器随后将促使在每个线圈L1-L6中局部地失超。通过促使在所有线圈中失超，将在失超时耗散的能量相对均匀地分布在所有线圈上，这旨在避免任何一个线圈加热到足以被损害。

这种装置具有至少两个缺点。第一，由失超产生的电压可能达到高的数值，从而在加热器中产生高的电流和耗散，这可能导致所述加热器的损毁。对此的替换方案将是提供更大的加热器，这又将引入加热的时间延迟。大的加热器具有相对大的热惰性，并且花费相对长的时间来加热。理想地，在磁体中的任何地方一发生失超，就需要加热器立刻加热。第二，由二极管集成组件22的正向电压决定加热器的工作门限电压，所述门限电压可能高于所期望的电压。这不能足够快地开始导电，并且不能完全消除损害线圈的危险。

发明内容

因此，本发明提供如在所附的权利要求中所述的装置。

附图说明

通过参考以下对本发明的某些实施例的描述以及参考附图，本发明的上述的和另外的目的特征和优点将变得更显而易见，其中：

图1示出了现有技术的超导磁路；

图2示出了根据本发明的超导磁路；

图3A-3B示出了根据本发明的实施例的线圈分割；以及

图4示出了根据本发明的另一实施例的超导磁路。

具体实施方式

根据本发明，每个线圈L1-L6被分割成两个或多个子线圈，在下面的描述中所述子线圈被称为“块”。可以在径向上或在轴向上或以二者的组合安排所述分割。优选地，在一个线圈的每个块中具有相同长度的超导体线。线圈中的每一个优选地被分割为相同数目的相等大小的块，其中每一线圈至少两个块。

图2示出了根据本发明的实施例的电路图。相应于图1中所示特征的特征具有相应的附图标记。超导线圈L1-L6中的每一个被分割为两个电气分离的线圈块。这些线圈块分别被表示为L1a和L1b至L6a和L6b。超导线圈L1a-L6a和L1b-L6b以类似于图1中的线圈L1-L6的方式产生磁场。

加热器R1-R6是阻性加热器，它们与超导线圈L1a-L6a和L1b-L6b紧密热接触。如参考图1的装置所讨论的，这可以通过将加热器粘在线圈表面上来实现。

在本发明的一个实施例中，每个线圈(例如L1)的块(例如L1a和L1b)是电气分离的，但是物理上是邻接的。

图3A示出了绕轴A布置的根据本发明的线圈的半横截面。在图3A的实施例中，线圈包括按常规被缠绕的线圈块。线圈块L1a、L1b以相同旋转方向被缠绕并且在它们的共有界面上具有电绝缘。在每个块中电流在相同的方向上流动，并且因此在绕轴A的相同方向上流动以产生如将由没有被分为块的相似磁体所产生的磁场那样的磁场。将一个块的高电压端与另一个块的低电压端相邻地放置。

图3B示出了也绕轴A布置的、根据本发明另一个实施例的线圈的相似的半横截面视图。该线圈包括相反地缠绕的块L1a、L1b。这里被示出为在轴向上相邻的连续线圈块以交变的旋转方向被缠绕。块的高电压端被彼此邻接地放置。

这样布置每个线圈块中的电流，以致总电流方向是连续的，也就是，这样布置每个块中的电流，以致尽管线圈块以相反方向被缠绕的事实，但该电流在绕轴A的相同方向上流动。产生如将由没有被分为块的相似磁体所产生的磁场那样的磁场。将一个块的高电压端与另一个块的高电压端相邻地放置。

在本发明的另一实施例中，线圈可以被分割成三个或更多块。它可以被轴向、径向分割或以二者组合的方式进行分割。

在图2中所说明的实施例中，线圈的第一个块L1a-L6a被串联连接在第一部分磁路中。线圈的第二个块L1b-L6b被串联连接在第二部分磁路中。这两部分磁路本身然后被串联连接。线圈块的这个总装置被连接到剩余电路中，如在图1中所示的现有技术中那样。

现在将描述图2的实施例的操作。如果线圈块L1a-L6a、L1b-L6b之一失超，则能量将被耗散，从而导致当该线圈块从它的超导状态回复到正常状态时，该线圈块中的电流和磁通量减少。将在失超线圈块中产生阻性电压。与这个阻性电压相反，在所有其它线圈块中将产生相反的感性电压。

失超线圈块由于流过该线圈的阻性失超部分的电流将快速加热。物理上与该失超线圈块邻接的其它线圈块将通过该失超线圈块而被加热，并且因此将快速地回复到正常的非超导状态。为了第一次近似，失超线圈(L1)的所有物理上邻接的线圈块(例如L1a，L1b)将同时转变为阻性状态。

由于线圈L1被分割成多个更小的线圈块L1a、L1b，所以在每个线圈块两端上产生的电压将低于在例如图1中所示的串联电路中具有相邻地电气连接的所有线圈块的线圈两端上所产生的电压。电压的降低量相应于该线圈所分割成的块的数目的因数。作为一个例子，如果线圈块L1a失超，则在其中产生的阻性电压将通过在线圈块L2a-L6a中产生的相反的感性电压来匹配。通过线圈L1的热失超传播将意味着线圈块L1b也将失超并且产生阻性电压，因为它将在非常接近于线圈L1a失超的时间失超。在线圈块L1b两端的阻性电压将通过在线圈L2b-L6b两端的相反的感性电压来匹配。因此，在部分磁路L1a-L6a两端以及在部分磁路L1b-L6b两端的总电压将基本上是零。在任一线圈块中失超期间所产生的最大电压将小于线圈被电气连接时的最大电压。这将相应地导致大大降低损害磁体的危险。

也可以以常规的方式将失超传播电路合并到磁路中。例如，图2的实施例包括失超传播电路21，所述失超传播电路21包括加热器R1-R6和二极管集成组件22。除了失超传播电路连接23、24在线圈(L1-L6)中每一个的第一线圈块(L1a-L6a)的第一部分磁路的子集(L2a-L5a)两端之外，这个失超传播电路与图1中所示的失超传播电路相同。响应于第一部分磁路在连接端子23、24上所产生的电压，传播电路21将开始导通。

失超传播电路21的连接端子23、24上的电压将小于在图1的现有技术装置中相应连接端子上的电压。假定图1中的线圈L2首先失超，则由流入阻性线圈L2的电流I产生的总电压将出现在连接端子23、24上并且因此出现在失超保护电路21的两端。根据本发明并且参考图2中所示的实施例，假定组成线圈L2的线圈块L2a和L2b首先失超，则由流入阻性线圈L2的电流I产生的总电压的仅仅一半将出现在线圈块L2a两端并且因此出现在连接端子23、24上和失超保护电路21的两端。这是因为由流入阻性线圈L2的电流I产生的总电压的另一半将出现在线圈块L2b两端。由于总磁体线圈L1-L6的仅仅一个子集被用于所述目的，所以失超传播电路两端的电压将相应地降低。在每个部分磁路中，感性电压在剩余线圈块中被感生以平衡出现在失超线圈块两端的电压。

因此，根据本发明的优点，在失超期间，将降低的电压施加到失超传播电路21上，该失超传播电路可以被设计成具有小的、低电阻的电阻器并且因此能够比现有技术的失超保护电路更快速地起反应。这又增加了失超传播电路在保护磁体免于在失超情况下受损害方面的有效性，因为可用于驱动失超传播电路的降低的电压允许低电阻的加热器被用于更快速地传播失超。

如根据图1所提到的，二极管集成组件22防止在磁体的电流倾斜上升期间激活失超传播电路21。

将每个磁体线圈(L1-L6)分割成多个线圈块(L1a-L6a，L1b-L6b)意味着在失超期间在每个线圈块中产生的电压比在常规装置中整个线圈上产生的电压低。这减少由过电压引起的损害线圈的可能性，并且也减少由于过热而损害线圈的机会，因为本发明的失超传播电路比已知的装置更快地起反应。因此，与在常规装置中在失超期间在整个线圈(例如L2)上产生的最大电压相比，在失超期间在任一线圈块(例如L2a)中产生的最大电压降低到线圈中线圈块的数目分之一。

将磁体分割成两个截然不同的、但连续的部分磁路意味着在失超期间在每个部分磁路上产生的电压基本上是零，因为在失超线圈块两端的阻性电压通过该部分磁路中剩余线圈块两端所产生的相反的感性电压来匹配。

因此，根据本发明并且如图2和图4中所说明的，超导磁性线圈被轴向、径向或轴向并且径向分割为多个子线圈(块)。每个线圈的块物理上邻接地放置，但是在串联电路中不相邻地电气连接。

来自每个线圈的相应块被串联连接为分离的部分磁路。这些部分磁路本身被串联连接以提供完整的磁路。这种装置用来产生磁场，例如在没有这种线圈分割的情况下产生的磁场。

图4示出了本发明的另一实施例，被布置成与典型的超导磁体系统中磁性线圈的物理布置一致，如绕轴A布置的线圈的部分横截面所示。

尽管已经参考有限数目的实施例描述了本发明，但是在所附的权利要求的范围内可以进行各种修改和变化。例如，可以径向、轴向或以二者组合的方式分割每个线圈。块可以被连接在如所描述的那样的相应部分电路中或其它串联装置中。

Claims (6)

1.一种包括超导磁体的超导磁体系统，所述超导磁体本身包括多个磁体线圈，每个磁体线圈被电气分割为多个子线圈，每个线圈的所述子线圈物理上是邻接的，但是在串联电路中不相邻地电气连接。

2.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中，在分离的部分磁路中串联连接磁体线圈的相应子线圈，所述部分磁路本身串联连接以形成串联电路。

3.如权利要求2所述的超导磁体系统，还包括失超传播电路(21)，所述失超传播电路包括多个阻性加热器的串联连接，所述阻性加热器被连接到磁体的相应线圈上，所述串联连接与部分磁路之一的子线圈的子集并联连接。

4.如前面任一权利要求所述的超导磁体系统，其中，通过电绝缘来分离单个磁体线圈的物理上邻接的子线圈。

5.如前面任一权利要求所述的超导磁体系统，其中，单个磁体线圈的物理上邻接的子线圈之一以与该磁体线圈的物理上邻接的子线圈中的另一子线圈相反的旋转方向被缠绕。

6.一种包括根据前面任一权利要求所述的超导磁体系统的MRI或NMR成像系统。

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