[发明专利]一种超导磁体失超保护装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对超导磁体失超的保护装置，特别涉及用于MRI或NMR成像系统中的超导磁体在失超时不被损坏的保护装置。

背景技术

用于超导磁体的超导体只有在满足特定条件(如温度、磁场、电流密度)时才能体现超导特性。一旦条件被破坏，超导体将会发生失超。超导体的一小部分不再是超导态，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。

超导磁体可能储存有兆焦耳数量级的能量，在失超后，这些能量将在超导磁体的电阻体积中被消耗。如果不适当地处理失超过程，就会在封闭区中消耗该能量，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绝缘。因此必须采取有效的措施对超导磁体的失超进行保护。

最有效的方法就是通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，使热量尽可能均匀消耗在整个超导磁体上。如果超导磁体在某一线圈的局部发生失超后迅速扩展到整个超导磁体全部失超，就意味着没有一个部分会达到危险温度。在用于MRI或NMR成像系统中的超导磁体中，一般通过向与超导线圈紧密热接触的加热器施加电流来实现有意的失超启动。一般每个超导线圈将配备有一个或多个加热器。

图1所示为一种已知的失超保护电路，该电路适于安装在MRI或NMR成像系统的超导磁体中。超导磁体1包含了串联连接的线圈L1-L6，每个线圈都具有紧密热接触的对应加热器R1-R6。这些加热器电气串联在一起，且该加热器串联结构与超导线圈的子集L2-L5并联。两根电流注入导线7分别电气连接到超导磁体1的两个端点5、6上，外部电源可以通过电流注入导线7为超导磁体1充电。超导开关4的两端分别同超导磁体1的两个端点5、6电气连接。

所有以所谓的持久模式运行的超导磁体都具有超导开关。通常超导开关是一段与超导磁体并联并具有附着于其上的加热器的超导体导线。如果超导开关4的加热器接通，则超导开关4为常导态，具有很大的电阻，此时超导开关4被认为是断开的。当外部电源通过电流注入导线7为超导磁体1充电时，只有极小的电流流经超导开关4。当超导磁体1充电至所要求的电流时，加热器断开，超导开关4转变为超导态，该超导开关4被闭合。当被连接到电流注入导线7的外部电源电流向下变化时，流经超导开关4的电流将增加与流经外部电源中的电流所减少的量相等的量。一旦外部电源电流减少为零时，超导磁体1中的电流完全流经超导开关4形成闭合回路。此时就可以撤去外部电源及电流注入导线7，以减少外界向低温磁体系统中的热传导。

超导开关二极管组件3的两端分别同超导磁体1的两个端点5、6连接，即与超导开关4并联。超导开关二极管组件3由数组背靠背反并联方式连接的二极管对串联组成。超导开关二极管组件3对超导开关4提供保护。当超导磁体1处于持久模式运行时，超导开关4发生失超，处于断开状态，此时超导开关4具有数十欧姆的电阻，如果超导磁体1的电流仍然流经超导开关4，就会很快烧损超导开关4。在存在超导开关二极管组件3的情况下，如果超导开关4两端的电压超过超导开关二极管组件3的阈值电压，超导开关二极管组件3将变为导通状态，超导磁体1电流的绝大部分将流过超导开关二极管组件3。为了在超导磁体1充电期间，超导开关二极管组件6处于非导电状态，超导开关二极管组件3的阈值电压应略微高于超导磁体1的充电电压。

加热器R1-R6串联一个中部二极管组件2，该中部二极管组件2的阈值电压应大于与其并联的超导线圈L2-L5的充电电压，从而阻止加热器R1-R6在超导磁体1充电期间导电。当线圈L1-L6之一失超时，在该线圈两端将会出现电压，并且在串联连接的电阻R1-R6和中部二极管组件2两端也会出现电压。当失超在线圈内传播时，该电压会逐渐上升。当此电压超过中部二极管组件2的阈值电压时，中部二极管组件2就开始导电，电流开始流经加热器R1-R6。然后这些加热器将在每个线圈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，从而避免了任何一个线圈发热到足以被损坏。

该失超保护电路具有很大的缺陷。首先，由于失超产生的电压可以达到高值，从而引起加热器中的高电流，导致加热器损坏。其次，中部二极管组件2的阈值电压决定了加热器开始工作的阈值电压。超导磁体1失超后可能需要传播很长时间才能获得超过中部二极管组件2的阈值电压的感应电压，加热器不能足够快的开始导电，从而无法消除线圈损坏的风险。

发明内容