CN1835318A - 超导磁体的失超保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种针对超导磁体(10)的失超保护电路(30)包括用于与该超导磁体的对应线圈(L1)相关联的至少一个发热器(R1)。将该至少一个发热器设置成由电感器(36)来驱动，该电感器(36)与该至少一个发热器串联连接，并被设置成根据该超导磁体的磁场的变化来产生电压。

Description

超导磁体的失超保护电路
技术领域
本发明涉及一种针对超导磁体的保护电路。特别是，本发明涉及一种用于保护超导磁体免受在失超(quench)期间否则可能发生的损坏的保护电路。
背景技术
当诸如用于超导磁体的超导体回复到电阻状态时发生失超。这也许是由超导体的一部分局部发热导致的。超导体的一小部分不再是超导的，并进入电阻状态。任何流经该电阻部分的电流都会导致局部焦耳发热。这将导致该超导体的邻近部分失超，结果形成更大的电阻体积，这又导致进一步焦耳发热。很快地，超导体进入电阻状态，并可能有非常大的电流仍在流动。
在失超之前，线圈具有可能为兆焦耳数量级的大储存能量。在失超之后，这将在导体的电阻体积中被耗散。如果不适当地管理失超过程，就会在封闭区中耗散该能量，从而导致局部温度上升，该局部温度上升会损坏在失超开始的部分上或附近的线圈区域。
已知可以通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，以便在尽可能多的有效的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，意味着没有一个部分会达到危险温度。在那些诸如用于MRI或NMR成像系统的超导磁体中，这一般通过故意地在超导体线圈上而不是然后在该失超开始的线圈上开始失超来实现。一般通过向发热器施加电流来实现故意的失超开始，该发热器与线圈有紧密的热接触。一般地，每个线圈将配备有两个或更多个发热器。
图1示出一种已知的失超保护电路的电路图，该电路适于安装在MRI或NMR成像系统的超导磁体中。显示了包含串联连接的线圈L1-L6的超导磁体10。这些线圈的每一个都具有紧密热接触的对应发热器R1-R6。这可以通过在线圈的表面上粘贴发热器来实现。该发热器电气串联，而且该串联结构与超导体线圈的子集L2-L5并联。为超导线圈的串联连接的每个端点14、16提供电流注入导线12。该串联超导线圈的端点14、16被连接到低温开关18。
所有以所谓的持久模式运行的超导磁体都具有低温开关。实质上，该低温开关是一段与电磁线圈串联并具有附着于其上的发热器的超导体导线。如果发热器接通，则低温开关18通常是导电的并是断开的。当系统通过导线12被附着于外部电源时，电流将流经超导线圈10，只有细流经过低温开关18。当磁体系统“匀变(ramp)”至所要求的电流时，发热器断开，并且低温开关18变成超导的：该低温开关被闭合。当被连接到导线12的外部电源向下匀变时，流经低温开关18的电流将增加与流经外部电源的电流中所减少的量相同的量。一旦外部电源完全向下匀变，就可以除去电流导线12，以限制到低温磁体系统中的热损失。
通过二极管集成组件20来连接串联的超导线圈的端点14、16。与发热器R1-R6串联类似的二极管集成组件22。在这些二极管集成组件20、22的每一个中，以反并联的方式放置两个二极管的两个串联连接。
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所提供的保护，考虑磁体电流匀变时的情况。低温开关18断开，并且例如500A的电流正流经线圈L1-L6、导线12和相关的电源装置。如果由于某种原因该电流被中断，那么在缺少二极管集成组件20的情况下，线圈的电感将会起作用来迫使500A电流通过低温开关18。在向上匀变期间，该开关将会处于其断开状态，并具有30Ω左右的电阻。这就会产生高达500A*500A*30Ω＝7.5MW的热量耗散，该热量耗散足以损坏低温开关18。在存在二极管集成组件20的情况下，在低温开关18两端的电压降一超过该二极管集成组件的阈值电压，该二极管集成组件20就变为导电的。在低温开关18中的电流已经上升到足以导致任何损坏之前，在该开关两端将出现相对低的电压。为了在磁体的电流向上匀变期间将该二极管集成组件维持在非导电状态，组件20的阈值电压应略微高于斜坡电压L.dI/dt，其中L是电磁线圈的电感，以及dI/dt是经过电磁线圈的电流的增加率。例如，该线圈两端的电压可以10伏特匀变，同时电流相应地增加。
当二极管集成组件22的阈值电压被选择得大于斜坡电压L.dI/dt时，该二极管集成组件22在电磁线圈的电流匀变期间阻止发热器R1-R6导电。如果例如在失超期间在该电磁线圈两端形成较高的电压，则该二极管集成组件将变成导电的，从而允许发热器运行。
当线圈L1-L6之一失超时，在该线圈两端会出现一电压，并且因此在串联连接的电阻R1-R6和二极管集成组件22两端也出现电压。当失超在线圈内传播时，该电压及时快速上升。当已达到某一阈值电压时，二极管集成组件22就开始导电。电流ir开始流经发热器R1-R6。然后这些发热器将在每个线圈L1-L6中开始局部失超。通过在所有线圈中开始失超，就相对平均地在所有线圈中扩散在失超中要耗散的能量，其目的在于避免任何一个线圈发热到足以受被损坏。
该结构具有至少两个缺陷。首先，由失超产生的电压可以达到高值，从而引起发热器中的高电流和耗散，这可导致发热器损坏。对此的替换方案是提供更大的发热器或阻值更高的发热器，这又会在发热中引入时间延迟。阻值增加的发热器将以降低的速率供热，但这样做时会减缓失超的扩散，并因此会增加线圈损坏的风险。更大的发热器具有更大的热惯性，并花费相对长的时间来发热。理想地，要求该发热器在磁体中无论何处发生失超时都要即刻发热。其次，由二极管集成组件22的正向电压来确定用于运行发热器的阈值电压，该阈值电压可以高于需求的电压。这可能无法足够快地开始导电，而且可能无法完全消除线圈损坏的风险。
针对超导线圈，目前的趋势是变得更小、更紧凑并且带有更高的电流。由于在减小超导体的体积时需要耗散的增加数量的存储能量，所以这提高了对快速失超传播的要求。
美国专利5,278,380描述了针对超导磁体系统的感应式失超发热器。
发明内容
本发明解决了已知的失超保护系统的缺陷，并因此提供如所附的权利要求中限定的方法和设备。
附图说明
根据以下仅仅通过实例所给出的某些实施例的描述并结合附图，本发明的上述、和进一步的目的、优点和特征将变得更明显，其中：
图1示出针对超导磁体的已知的失超保护电路的电路图；以及
图2示出根据本发明的实施例的针对超导磁体的失超保护电路的电路图。
具体实施方式
图2示出本发明的实施例的电路图。与图1中所示的功能部件相对应的功能部件带有相应的参考标记。
根据本发明的方面，提供发热器电路30，其不与超导线圈L1-L6直接相连。发热器电路30包括串联连接的发热器R1-R6，如图1的电路中那样。这些发热器R1-R6与二极管32、电阻(即非超导的)线圈36(即L7和L8)以及具有正温度系数的非线性电阻34串联连接。线圈L7、L8紧密地电感耦合到线圈L1-L6。在某些实施例中，可以省略线圈L7、L8之一。线圈36或每一线圈36优选地位于磁体10的最大操作通量附近的区域中。具有正温度系数的非线性电阻34可以是金属氧化物变阻器。
金属氧化物变阻器(MOV)的实例是在1977年4月的Journal ofApplied Physics的第48卷第4期第1621页上所描述的GE-MOV变阻器。
运行中，当线圈L1-L6之一失超时，能量将被耗散为该线圈中的热量。这将导致电流与磁通量下降。磁通量中的这种变化将在线圈36两端感应出电压。如果该电压加上二极管32的正向电压超过非线性电阻34的阈值电压，则电流将流经发热器R1-R6。这将在所有线圈L1-L6中启动失超。能量也将被耗散为非线性电阻34中的热量。由于非线性电阻具有正温度系数，所以其电阻会上升。
由于在所有线圈L1-L6中引起的失超，所以能量耗散和磁通量变化的速率将快速增加。这将导致线圈36两端的电压相应上升。因为非线性电阻34的电阻也上升，所以由于电流ir的发热效应，经过发热器的电流ir将不会上升得那么快。热量将在非线性电阻34中被耗散，电流ir将被保持在安全值，并且避免了发热器受到损坏。
使用诸如金属氧化物变阻器(MOV)之类的非线性电阻34的优势在于，它们的特性是与温度有关的，从而一旦失超正在进行则它们就会对发热器R1-R6提供有效的保护。这为设计失超保护电路的其中一种难题提供了有效的解决方案，所述难题是设计这样一种电路，其将尽可能快地断开以防止对线圈的损坏，该特征有利于使用小发热器，但是其足够坚固以经受得住失超，这有利于大发热器。已发现使用诸如金属氧化物变阻器(MOV)之类的非线性电阻34符合这两项要求。
串联发热器电路30中所包含的二极管32用来防止在磁体充电期间、即当通过导线12执行电流注入以建立磁体中的电流时，激活发热器电路。在此过程期间，经过线圈L1-L6的电流增加，并在电阻线圈(多个电阻线圈)36中感应电压，该电压与由失超事件所引起的线圈L1-L6中的下降电流所感应的电压方向相反地来读取。二极管D1在电流注入期间阻止任何电流ir流经发热器，因为否则这会导致不需要的失超。二极管D1的正向电压低于图1的二极管集成组件22的正向电压。
本发明的失超发热器结构因此至少以下述方式解决了与图1的已知结构相关的问题。
相比于目前的失超保护电路，本发明的失超发热器结构可能对失超更灵敏。这是由于现有技术的二极管集成组件22具有相对高的正向电压，这延迟了发热器R1-R6的失超发热的开始。在本发明的结构中，二极管D1的正向电压相对低，而且非线性电阻34的阈值电压也相对低。这意味着，在失超开始之后不久该失超发热器R1-R6就开始发热，从而导致更为有效的失超分布，并降低对线圈L1-L6或发热器R1-R6的损坏风险。
可以通过适当地确定线圈(多个线圈)36的尺寸来控制失超电路的灵敏度。具有更大电感的线圈(多个线圈)36会提供更快速的发热，但这将需要与发热器匹配以提供最佳性能。
由于非线性变阻器34的阻值随温度上升，所以发热器R1-R6的初始发热也许是有效的，因为它们接收了线圈(多个线圈)36两端所感应的大部分电压，同时保护发热器不受稍后可能由非线性电阻34的增加的阻值在线圈(多个线圈)36两端的电压中发生的损坏。
本发明因此提供失超发热的快速开始，但是仍然保护发热器本身不受损坏。
虽然已特别参考了某一优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，显然可以在所附权利要求的范围内进行各种修改和变化。

Claims (6)

1、一种针对超导磁体(10)的失超保护电路(30)，其包括用于与该超导磁体的对应线圈(L1)相关联的至少一个发热器(R1)，其中将该至少一个发热器设置成由电感器(36)来驱动，该电感器(36)与该至少一个发热器串联连接，并被设置成根据该超导磁体的磁场的变化来产生电压，其特征在于，该至少一个发热器与该电感器被设置成串联电路，该串联电路还包括非线性正温度系数的电阻(34)。
2、根据权利要求1所述的失超保护电路，其中，所述至少一个发热器被设置成串联电路，该串联电路还包括二极管(32)。
3、一种超导磁体，其装备有根据任一前述权利要求所述的失超保护电路。
4、一种MRI系统，其装备有根据权利要求3所述的磁体。
5、一种在失超事件期间保护超导磁体免受损坏的方法，其包括以下步骤：
-在电感器(36)中感应电压，作为由所述失超事件引起的该超导磁体的磁场变化的结果；
-使所感应的电压所产生的电流(ir)通过与该超导磁体的对应线圈(L1)相关联的至少一个发热器(R1)；以及
-通过设置电流流经非线性正温度系数的电阻(34)来限制流经该至少一个发热器的电流。
6、一种基本上如在附图的图2中所描述的和/或所说明的方法、失超电路、超导磁体或MRI系统。
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