專利名稱：超導(dǎo)磁體的失超保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對超導(dǎo)磁體的保護(hù)電路。特別是，本發(fā)明涉及一種用于保護(hù)超導(dǎo)磁體免受在失超(quench)期間否則可能發(fā)生的損壞的保護(hù)電路。
背景技術(shù)：
當(dāng)諸如用于超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)體回復(fù)到電阻狀態(tài)時(shí)發(fā)生失超。這也許是由超導(dǎo)體的一部分局部發(fā)熱導(dǎo)致的。超導(dǎo)體的一小部分不再是超導(dǎo)的，并進(jìn)入電阻狀態(tài)。任何流經(jīng)該電阻部分的電流都會(huì)導(dǎo)致局部焦耳發(fā)熱。這將導(dǎo)致該超導(dǎo)體的鄰近部分失超，結(jié)果形成更大的電阻體積，這又導(dǎo)致進(jìn)一步焦耳發(fā)熱。很快地，超導(dǎo)體進(jìn)入電阻狀態(tài)，并可能有非常大的電流仍在流動(dòng)。
在失超之前，線圈具有可能為兆焦耳數(shù)量級的大儲(chǔ)存能量。在失超之后，這將在導(dǎo)體的電阻體積中被耗散。如果不適當(dāng)?shù)毓芾硎С^程，就會(huì)在封閉區(qū)中耗散該能量，從而導(dǎo)致局部溫度上升，該局部溫度上升會(huì)損壞在失超開始的部分上或附近的線圈區(qū)域。
已知可以通過擴(kuò)展失超過程來避免有害的熱量集中，以便在盡可能多的有效的超導(dǎo)體上耗散所產(chǎn)生的熱量。這將導(dǎo)致基本上涉及整個(gè)超導(dǎo)體的失超，意味著沒有一個(gè)部分會(huì)達(dá)到危險(xiǎn)溫度。在那些諸如用于MRI或NMR成像系統(tǒng)的超導(dǎo)磁體中，這一般通過故意地在超導(dǎo)體線圈上而不是然后在該失超開始的線圈上開始失超來實(shí)現(xiàn)。一般通過向發(fā)熱器施加電流來實(shí)現(xiàn)故意的失超開始，該發(fā)熱器與線圈有緊密的熱接觸。一般地，每個(gè)線圈將配備有兩個(gè)或更多個(gè)發(fā)熱器。
圖1示出一種已知的失超保護(hù)電路的電路圖，該電路適于安裝在MRI或NMR成像系統(tǒng)的超導(dǎo)磁體中。顯示了包含串聯(lián)連接的線圈L1-L6的超導(dǎo)磁體10。這些線圈的每一個(gè)都具有緊密熱接觸的對應(yīng)發(fā)熱器R1-R6。這可以通過在線圈的表面上粘貼發(fā)熱器來實(shí)現(xiàn)。該發(fā)熱器電氣串聯(lián)，而且該串聯(lián)結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)體線圈的子集L2-L5并聯(lián)。為超導(dǎo)線圈的串聯(lián)連接的每個(gè)端點(diǎn)14、16提供電流注入導(dǎo)線12。該串聯(lián)超導(dǎo)線圈的端點(diǎn)14、16被連接到低溫開關(guān)18。
所有以所謂的持久模式運(yùn)行的超導(dǎo)磁體都具有低溫開關(guān)。實(shí)質(zhì)上，該低溫開關(guān)是一段與電磁線圈串聯(lián)并具有附著于其上的發(fā)熱器的超導(dǎo)體導(dǎo)線。如果發(fā)熱器接通，則低溫開關(guān)18通常是導(dǎo)電的并是斷開的。當(dāng)系統(tǒng)通過導(dǎo)線12被附著于外部電源時(shí)，電流將流經(jīng)超導(dǎo)線圈10，只有細(xì)流經(jīng)過低溫開關(guān)18。當(dāng)磁體系統(tǒng)“勻變(ramp)”至所要求的電流時(shí)，發(fā)熱器斷開，并且低溫開關(guān)18變成超導(dǎo)的該低溫開關(guān)被閉合。當(dāng)被連接到導(dǎo)線12的外部電源向下勻變時(shí)，流經(jīng)低溫開關(guān)18的電流將增加與流經(jīng)外部電源的電流中所減少的量相同的量。一旦外部電源完全向下勻變，就可以除去電流導(dǎo)線12，以限制到低溫磁體系統(tǒng)中的熱損失。
通過二極管集成組件20來連接串聯(lián)的超導(dǎo)線圈的端點(diǎn)14、16。與發(fā)熱器R1-R6串聯(lián)類似的二極管集成組件22。在這些二極管集成組件20、22的每一個(gè)中，以反并聯(lián)的方式放置兩個(gè)二極管的兩個(gè)串聯(lián)連接。
二極管集成組件20保護(hù)低溫開關(guān)18。為了說明由二極管集成組件20所提供的保護(hù)，考慮磁體電流勻變時(shí)的情況。低溫開關(guān)18斷開，并且例如500A的電流正流經(jīng)線圈L1-L6、導(dǎo)線12和相關(guān)的電源裝置。如果由于某種原因該電流被中斷，那么在缺少二極管集成組件20的情況下，線圈的電感將會(huì)起作用來迫使500A電流通過低溫開關(guān)18。在向上勻變期間，該開關(guān)將會(huì)處于其斷開狀態(tài)，并具有30Ω左右的電阻。這就會(huì)產(chǎn)生高達(dá)500A*500A*30Ω＝7.5MW的熱量耗散，該熱量耗散足以損壞低溫開關(guān)18。在存在二極管集成組件20的情況下，在低溫開關(guān)18兩端的電壓降一超過該二極管集成組件的閾值電壓，該二極管集成組件20就變?yōu)閷?dǎo)電的。在低溫開關(guān)18中的電流已經(jīng)上升到足以導(dǎo)致任何損壞之前，在該開關(guān)兩端將出現(xiàn)相對低的電壓。為了在磁體的電流向上勻變期間將該二極管集成組件維持在非導(dǎo)電狀態(tài)，組件20的閾值電壓應(yīng)略微高于斜坡電壓L.dI/dt，其中L是電磁線圈的電感，以及dI/dt是經(jīng)過電磁線圈的電流的增加率。例如，該線圈兩端的電壓可以10伏特勻變，同時(shí)電流相應(yīng)地增加。
當(dāng)二極管集成組件22的閾值電壓被選擇得大于斜坡電壓L.dI/dt時(shí)，該二極管集成組件22在電磁線圈的電流勻變期間阻止發(fā)熱器R1-R6導(dǎo)電。如果例如在失超期間在該電磁線圈兩端形成較高的電壓，則該二極管集成組件將變成導(dǎo)電的，從而允許發(fā)熱器運(yùn)行。
當(dāng)線圈L1-L6之一失超時(shí)，在該線圈兩端會(huì)出現(xiàn)一電壓，并且因此在串聯(lián)連接的電阻R1-R6和二極管集成組件22兩端也出現(xiàn)電壓。當(dāng)失超在線圈內(nèi)傳播時(shí)，該電壓及時(shí)快速上升。當(dāng)已達(dá)到某一閾值電壓時(shí)，二極管集成組件22就開始導(dǎo)電。電流ir開始流經(jīng)發(fā)熱器R1-R6。然后這些發(fā)熱器將在每個(gè)線圈L1-L6中開始局部失超。通過在所有線圈中開始失超，就相對平均地在所有線圈中擴(kuò)散在失超中要耗散的能量，其目的在于避免任何一個(gè)線圈發(fā)熱到足以受被損壞。
該結(jié)構(gòu)具有至少兩個(gè)缺陷。首先，由失超產(chǎn)生的電壓可以達(dá)到高值，從而引起發(fā)熱器中的高電流和耗散，這可導(dǎo)致發(fā)熱器損壞。對此的替換方案是提供更大的發(fā)熱器或阻值更高的發(fā)熱器，這又會(huì)在發(fā)熱中引入時(shí)間延遲。阻值增加的發(fā)熱器將以降低的速率供熱，但這樣做時(shí)會(huì)減緩失超的擴(kuò)散，并因此會(huì)增加線圈損壞的風(fēng)險(xiǎn)。更大的發(fā)熱器具有更大的熱慣性，并花費(fèi)相對長的時(shí)間來發(fā)熱。理想地，要求該發(fā)熱器在磁體中無論何處發(fā)生失超時(shí)都要即刻發(fā)熱。其次，由二極管集成組件22的正向電壓來確定用于運(yùn)行發(fā)熱器的閾值電壓，該閾值電壓可以高于需求的電壓。這可能無法足夠快地開始導(dǎo)電，而且可能無法完全消除線圈損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
針對超導(dǎo)線圈，目前的趨勢是變得更小、更緊湊并且?guī)в懈叩碾娏鳌Ｓ捎谠跍p小超導(dǎo)體的體積時(shí)需要耗散的增加數(shù)量的存儲(chǔ)能量，所以這提高了對快速失超傳播的要求。
美國專利5,278,380描述了針對超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的感應(yīng)式失超發(fā)熱器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了已知的失超保護(hù)系統(tǒng)的缺陷，并因此提供如所附的權(quán)利要求中限定的方法和設(shè)備。


根據(jù)以下僅僅通過實(shí)例所給出的某些實(shí)施例的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述、和進(jìn)一步的目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更明顯，其中圖1示出針對超導(dǎo)磁體的已知的失超保護(hù)電路的電路圖；以及圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的針對超導(dǎo)磁體的失超保護(hù)電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖2示出本發(fā)明的實(shí)施例的電路圖。與圖1中所示的功能部件相對應(yīng)的功能部件帶有相應(yīng)的參考標(biāo)記。
根據(jù)本發(fā)明的方面，提供發(fā)熱器電路30，其不與超導(dǎo)線圈L1-L6直接相連。發(fā)熱器電路30包括串聯(lián)連接的發(fā)熱器R1-R6，如圖1的電路中那樣。這些發(fā)熱器R1-R6與二極管32、電阻(即非超導(dǎo)的)線圈36(即L7和L8)以及具有正溫度系數(shù)的非線性電阻34串聯(lián)連接。線圈L7、L8緊密地電感耦合到線圈L1-L6。在某些實(shí)施例中，可以省略線圈L7、L8之一。線圈36或每一線圈36優(yōu)選地位于磁體10的最大操作通量附近的區(qū)域中。具有正溫度系數(shù)的非線性電阻34可以是金屬氧化物變阻器。
金屬氧化物變阻器(MOV)的實(shí)例是在1977年4月的Journal ofApplied Physics的第48卷第4期第1621頁上所描述的GE-MOV變阻器。
運(yùn)行中，當(dāng)線圈L1-L6之一失超時(shí)，能量將被耗散為該線圈中的熱量。這將導(dǎo)致電流與磁通量下降。磁通量中的這種變化將在線圈36兩端感應(yīng)出電壓。如果該電壓加上二極管32的正向電壓超過非線性電阻34的閾值電壓，則電流將流經(jīng)發(fā)熱器R1-R6。這將在所有線圈L1-L6中啟動(dòng)失超。能量也將被耗散為非線性電阻34中的熱量。由于非線性電阻具有正溫度系數(shù)，所以其電阻會(huì)上升。
由于在所有線圈L1-L6中引起的失超，所以能量耗散和磁通量變化的速率將快速增加。這將導(dǎo)致線圈36兩端的電壓相應(yīng)上升。因?yàn)榉蔷€性電阻34的電阻也上升，所以由于電流ir的發(fā)熱效應(yīng)，經(jīng)過發(fā)熱器的電流ir將不會(huì)上升得那么快。熱量將在非線性電阻34中被耗散，電流ir將被保持在安全值，并且避免了發(fā)熱器受到損壞。
使用諸如金屬氧化物變阻器(MOV)之類的非線性電阻34的優(yōu)勢在于，它們的特性是與溫度有關(guān)的，從而一旦失超正在進(jìn)行則它們就會(huì)對發(fā)熱器R1-R6提供有效的保護(hù)。這為設(shè)計(jì)失超保護(hù)電路的其中一種難題提供了有效的解決方案，所述難題是設(shè)計(jì)這樣一種電路，其將盡可能快地?cái)嚅_以防止對線圈的損壞，該特征有利于使用小發(fā)熱器，但是其足夠堅(jiān)固以經(jīng)受得住失超，這有利于大發(fā)熱器。已發(fā)現(xiàn)使用諸如金屬氧化物變阻器(MOV)之類的非線性電阻34符合這兩項(xiàng)要求。
串聯(lián)發(fā)熱器電路30中所包含的二極管32用來防止在磁體充電期間、即當(dāng)通過導(dǎo)線12執(zhí)行電流注入以建立磁體中的電流時(shí)，激活發(fā)熱器電路。在此過程期間，經(jīng)過線圈L1-L6的電流增加，并在電阻線圈(多個(gè)電阻線圈)36中感應(yīng)電壓，該電壓與由失超事件所引起的線圈L1-L6中的下降電流所感應(yīng)的電壓方向相反地來讀取。二極管D1在電流注入期間阻止任何電流ir流經(jīng)發(fā)熱器，因?yàn)榉駝t這會(huì)導(dǎo)致不需要的失超。二極管D1的正向電壓低于圖1的二極管集成組件22的正向電壓。
本發(fā)明的失超發(fā)熱器結(jié)構(gòu)因此至少以下述方式解決了與圖1的已知結(jié)構(gòu)相關(guān)的問題。
相比于目前的失超保護(hù)電路，本發(fā)明的失超發(fā)熱器結(jié)構(gòu)可能對失超更靈敏。這是由于現(xiàn)有技術(shù)的二極管集成組件22具有相對高的正向電壓，這延遲了發(fā)熱器R1-R6的失超發(fā)熱的開始。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，二極管D1的正向電壓相對低，而且非線性電阻34的閾值電壓也相對低。這意味著，在失超開始之后不久該失超發(fā)熱器R1-R6就開始發(fā)熱，從而導(dǎo)致更為有效的失超分布，并降低對線圈L1-L6或發(fā)熱器R1-R6的損壞風(fēng)險(xiǎn)。
可以通過適當(dāng)?shù)卮_定線圈(多個(gè)線圈)36的尺寸來控制失超電路的靈敏度。具有更大電感的線圈(多個(gè)線圈)36會(huì)提供更快速的發(fā)熱，但這將需要與發(fā)熱器匹配以提供最佳性能。
由于非線性變阻器34的阻值隨溫度上升，所以發(fā)熱器R1-R6的初始發(fā)熱也許是有效的，因?yàn)樗鼈兘邮樟司€圈(多個(gè)線圈)36兩端所感應(yīng)的大部分電壓，同時(shí)保護(hù)發(fā)熱器不受稍后可能由非線性電阻34的增加的阻值在線圈(多個(gè)線圈)36兩端的電壓中發(fā)生的損壞。
本發(fā)明因此提供失超發(fā)熱的快速開始，但是仍然保護(hù)發(fā)熱器本身不受損壞。
雖然已特別參考了某一優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種針對超導(dǎo)磁體(10)的失超保護(hù)電路(30)，其包括用于與該超導(dǎo)磁體的對應(yīng)線圈(L1)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)發(fā)熱器(R1)，其中將該至少一個(gè)發(fā)熱器設(shè)置成由電感器(36)來驅(qū)動(dòng)，該電感器(36)與該至少一個(gè)發(fā)熱器串聯(lián)連接，并被設(shè)置成根據(jù)該超導(dǎo)磁體的磁場的變化來產(chǎn)生電壓，其特征在于，該至少一個(gè)發(fā)熱器與該電感器被設(shè)置成串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路還包括非線性正溫度系數(shù)的電阻(34)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失超保護(hù)電路，其中，所述至少一個(gè)發(fā)熱器被設(shè)置成串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路還包括二極管(32)。
3.一種超導(dǎo)磁體，其裝備有根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的失超保護(hù)電路。
4.一種MRI系統(tǒng)，其裝備有根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁體。
5.一種在失超事件期間保護(hù)超導(dǎo)磁體免受損壞的方法，其包括以下步驟-在電感器(36)中感應(yīng)電壓，作為由所述失超事件引起的該超導(dǎo)磁體的磁場變化的結(jié)果；-使所感應(yīng)的電壓所產(chǎn)生的電流(ir)通過與該超導(dǎo)磁體的對應(yīng)線圈(L1)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)發(fā)熱器(R1)；以及-通過設(shè)置電流流經(jīng)非線性正溫度系數(shù)的電阻(34)來限制流經(jīng)該至少一個(gè)發(fā)熱器的電流。
6.一種基本上如在附圖的圖2中所描述的和/或所說明的方法、失超電路、超導(dǎo)磁體或MRI系統(tǒng)。
全文摘要
一種針對超導(dǎo)磁體(10)的失超保護(hù)電路(30)包括用于與該超導(dǎo)磁體的對應(yīng)線圈(L1)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)發(fā)熱器(R1)。將該至少一個(gè)發(fā)熱器設(shè)置成由電感器(36)來驅(qū)動(dòng)，該電感器(36)與該至少一個(gè)發(fā)熱器串聯(lián)連接，并被設(shè)置成根據(jù)該超導(dǎo)磁體的磁場的變化來產(chǎn)生電壓。
文檔編號(hào)G01R33/00GK1835318SQ200610004789
公開日2006年9月20日 申請日期2006年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者A·F·阿特金斯, M·J·M·克瑞普 申請人:西門子磁體技術(shù)有限公司