一种超导磁体系统及其失超保护电路转让专利
申请号 : CN202110163248.X
文献号 : CN112509780B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 宋运兴 , 李亮
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
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;且所述超导线圈子集为超导单元的一部分;
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。
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。
6.如权利要求1‑5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。
7.如权利要求1‑5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。
8.如权利要求7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。
9.如权利要求7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。
10.一种超导磁体系统,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1‑9任一项所述的失超保护电路。
说明书 :
一种超导磁体系统及其失超保护电路
技术领域
背景技术
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。
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。
~
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。
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。
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
大量挥发或超导磁体再次冷却时间过长的问题。
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。
端。
加热,导致辐射热增加,甚至引发超导磁体失超。
两端。
少超导磁体的冷却时间和液氦损耗的有益效果。
附图说明
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
不用于限定本发明。
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。
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。
方向和超导线圈子集L2 L7的电流方向可以设置为相反。
~
~
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。
~
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。
~
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。
~
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
~
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。
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。
在本发明的保护范围之内。