專(zhuān)利名稱(chēng)：用于控制多個(gè)加熱元件的開(kāi)關(guān)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制多個(gè)加熱元件的開(kāi)關(guān)電路。本發(fā)明特別涉及用于容納超導(dǎo)電磁線圈的低溫恒溫器中、例如被用于例如核磁共振(NMR)或磁共振成像(MRI)系統(tǒng)、粒子加速器、蓄能器、X射線源和半導(dǎo)體蝕刻中的開(kāi)關(guān)電路。
背景技術(shù)：
這種低溫冷卻的超導(dǎo)系統(tǒng)典型地包括多個(gè)加熱器，這些加熱器被設(shè)置用于將超導(dǎo)元件的特定部分加熱到它們的臨界溫度之上，使它們返回到正常的有阻力狀態(tài)。當(dāng)不再需要所產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，這種加熱器可以被用于斷開(kāi)超導(dǎo)線圈中的電流。這可以應(yīng)用于系統(tǒng)的主磁場(chǎng)線圈或應(yīng)用于較小的勻場(chǎng)線圈，該勻場(chǎng)線圈用于提高整個(gè)磁場(chǎng)的均勻性。這種加熱器也被用于響應(yīng)于系統(tǒng)的一部分的無(wú)意淬火而啟動(dòng)某些線圈的淬火。這種操作用于擴(kuò)展在淬火過(guò)程中能量耗散的分布并幫助避免對(duì)超導(dǎo)線圈的損害。這種加熱器也可以被用于開(kāi)關(guān)電路，該開(kāi)關(guān)電路用于消除外部場(chǎng)干擾、通量抽吸、和系統(tǒng)壓力和氣流的控制。
圖1示出用于低溫系統(tǒng)的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電路。在低溫恒溫器11中設(shè)置有多個(gè)低溫開(kāi)關(guān)10。每一個(gè)低溫學(xué)開(kāi)關(guān)10包括熱連接至超導(dǎo)元件14的相應(yīng)部分的電阻加熱器12。電阻加熱器12可以是由Cu-Ni合金線制成的線圈。控制系統(tǒng)20控制開(kāi)關(guān)裝置22，以便將電流從源24施加到一個(gè)或多個(gè)電阻加熱器12上。如圖1的例子中所示，通過(guò)一個(gè)相應(yīng)的專(zhuān)用導(dǎo)體26和一個(gè)公共導(dǎo)體28將所施加的電流提供給每一個(gè)加熱器12。盡管每一個(gè)加熱器配備有兩個(gè)專(zhuān)用導(dǎo)體的布置也是可能的，但這種布置確保每一個(gè)加熱器的獨(dú)立控制，同時(shí)將被引入到低溫系統(tǒng)中的導(dǎo)線的數(shù)量減少到最小值。甚至可以通過(guò)低溫恒溫器11的主體來(lái)提供公共導(dǎo)體28，從而更進(jìn)一步減少所需的導(dǎo)線的數(shù)量。
在例如圖1中所示的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，通過(guò)在控制系統(tǒng)20的控制下的開(kāi)關(guān)裝置22將電流、典型地DC電流施加到所選擇的電阻加熱器12上。必須逐一地控制每一個(gè)加熱器12以便僅在需要時(shí)工作。
用于給加熱器供電的這種導(dǎo)體26、28的安裝引起某些困難。導(dǎo)線提供熱量流入低溫系統(tǒng)的路徑。可能難以實(shí)現(xiàn)環(huán)繞每一個(gè)導(dǎo)線的充分氣密的密封以防止冷凍劑的泄漏或污染氣體的流入。導(dǎo)體本身的安裝表示在低溫冷卻系統(tǒng)的制造方面增加的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于已知系統(tǒng)的至少一些缺陷，并因此提供如在所附的權(quán)利要求中所限定的設(shè)備和/或方法。


從僅借助例子、結(jié)合附圖所給出的本發(fā)明的某些實(shí)施例的以下描述中，本發(fā)明的上面的和另外的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更顯而易見(jiàn)，其中圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于控制低溫冷卻系統(tǒng)中的多個(gè)加熱器的裝置；圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于控制低溫冷卻系統(tǒng)中的多個(gè)加熱器的裝置。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，一對(duì)公共導(dǎo)體34被用于控制低溫系統(tǒng)中的多個(gè)加熱器。圖2示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。如所示的，每一個(gè)電阻加熱器12與電感器30和電容器32串聯(lián)連接，并且該串聯(lián)組合被連接在兩個(gè)公共導(dǎo)體34之間。電阻加熱器12、電感器30和電容器32的每一個(gè)串聯(lián)組合形成調(diào)諧電路36。電感器30和/或電容器32的值在每一個(gè)相應(yīng)的調(diào)諧電路36中都是不同的。
在圖2中所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，每一個(gè)調(diào)諧電路都是調(diào)諧LCR電路。控制系統(tǒng)20控制頻率發(fā)生器38，該頻率發(fā)生器提供信號(hào)給放大器40。放大器40放大由頻率發(fā)生器38提供給它的信號(hào)，并橫跨每一個(gè)調(diào)諧串聯(lián)LCR電路施加放大信號(hào)。
每一個(gè)調(diào)諧串聯(lián)LCR電路在不同頻率處諧振。例如，可將各個(gè)調(diào)諧串聯(lián)LCR電路設(shè)置成在f、10f、100f、1000f等的頻率處諧振，其中f是額定頻率。對(duì)于每一個(gè)隨后的調(diào)諧串聯(lián)LCR電路來(lái)說(shuō)，這可以通過(guò)增加電感器的值或減小電容器的值或兩者來(lái)設(shè)置。利用該例子，鄰近于每一個(gè)相應(yīng)的調(diào)諧串聯(lián)LCR電路示出相應(yīng)的諧振頻率。
通過(guò)操作控制系統(tǒng)20以使頻率發(fā)生器38產(chǎn)生頻率為f的信號(hào)，該信號(hào)將通過(guò)放大器40被放大并被施加到公共導(dǎo)體34上，相應(yīng)的加熱器12-0被激活。包括電阻加熱器12-0的調(diào)諧串聯(lián)LCR電路被調(diào)諧到頻率f。由于施加到公共導(dǎo)體34上的信號(hào)處于該頻率，所以相應(yīng)的調(diào)諧串聯(lián)LCR電路諧振，激活加熱器12-0，并加熱超導(dǎo)線圈的相應(yīng)的鄰近部分14。剩余的調(diào)諧串聯(lián)LCR電路沒(méi)有被調(diào)諧到該頻率，并且它們不諧振，因此不激活相關(guān)的加熱器12。
類(lèi)似地，如果操作控制系統(tǒng)20以使頻率發(fā)生器38產(chǎn)生頻率為1000f的信號(hào)，該信號(hào)將通過(guò)放大器40被放大并被施加到公共導(dǎo)體34上，相應(yīng)的加熱器12-3將被激活，從而加熱超導(dǎo)線圈的相應(yīng)的鄰近部分14。剩余的調(diào)諧串聯(lián)LCR電路沒(méi)有被調(diào)諧到該頻率，并且它們不諧振，因此不激活相關(guān)的加熱器12。
因此，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂剖┘拥焦矊?dǎo)體34上的信號(hào)的頻率來(lái)選擇性地接通加熱器12中的任何一個(gè)。優(yōu)選地，將頻率發(fā)生器38和放大器40設(shè)置成可以產(chǎn)生具有多個(gè)頻率的信號(hào)并將這些信號(hào)施加到公共導(dǎo)體34上。例如，如果施加到公共導(dǎo)體34上的信號(hào)由頻率10f和100f構(gòu)成，則將激活加熱器12-1和12-2，每一個(gè)加熱器加熱超導(dǎo)線圈的相應(yīng)的鄰近部分14，同時(shí)加熱器12-0和12-3保持未激活。
所采用的頻率的實(shí)際范圍可以便利地來(lái)選擇，并且可以通過(guò)電容器和電感器的可用值來(lái)限定。典型地，激活頻率將在10Hz至100kHz的范圍內(nèi)。然而，應(yīng)避免在50-60Hz周?chē)念l率，以防止來(lái)自干線電源的干擾。在利用RF場(chǎng)的系統(tǒng)中，也應(yīng)避免在RF場(chǎng)的頻率附近的頻率。頻率應(yīng)被盡可能遠(yuǎn)地分離，以減小被設(shè)計(jì)用于其他加熱器的信號(hào)部分地激活加熱器的可能性。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，加熱器可以由電阻線、例如Cu-Ni合金線制成的電感線圈構(gòu)成。以這種方式，每一個(gè)調(diào)諧串聯(lián)LCR電路的電阻加熱器12和電感器30被組合成單個(gè)電感電阻加熱元件。
雖然圖2的實(shí)施例示出引入到低溫恒溫器中至串聯(lián)調(diào)諧LCR電路的兩個(gè)公共導(dǎo)體34，但低溫恒溫器11的主體可被用作公共導(dǎo)體之一，從而意味著僅僅單個(gè)導(dǎo)體需要被設(shè)置到低溫恒溫器中，仍提供對(duì)多個(gè)加熱器的控制。
必須謹(jǐn)慎地選擇用于調(diào)諧電路中的元件30、32、12，以確保它們能夠在所需的溫度下工作。例如，在利用液態(tài)氦冷卻的低溫恒溫器中，這些元件必須能夠在4K的溫度下可靠地工作。導(dǎo)線纏繞的電感器和固體電介質(zhì)電容器應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的工作。這些元件也必須具有質(zhì)量好的殼體。例如，如果電容器殼體允許液態(tài)氦滲入，則當(dāng)暴露于較高溫度之下時(shí)、例如當(dāng)為了維修而排干低溫恒溫器時(shí)、或當(dāng)在使用中電容器加熱時(shí)它可能爆炸。
如所示那樣的簡(jiǎn)單的調(diào)諧串聯(lián)LCR電路可能需要5倍或10倍因子的頻率分離，以便實(shí)現(xiàn)加熱元件之間的充分的區(qū)別。其他濾波器裝置可以被采用，并且可以允許較小的頻率分離因數(shù)。然而，濾波器應(yīng)由簡(jiǎn)單的無(wú)源元件構(gòu)成。
在典型的超導(dǎo)磁體裝置中，可以設(shè)置多至12個(gè)加熱器。在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)將典型地需要進(jìn)入低溫恒溫器中的13或24條控制導(dǎo)線，以允許加熱器可靠地工作。根據(jù)本發(fā)明，這可以被減小至用于等價(jià)操作的兩條或甚至一條導(dǎo)線。本發(fā)明以新穎的方式利用頻率尋址來(lái)控制低溫冷卻系統(tǒng)中的加熱器，減小需要被設(shè)置用于控制加熱器的導(dǎo)線的數(shù)量，從而減小系統(tǒng)組件的復(fù)雜性并減少通過(guò)控制導(dǎo)線的熱量流入。雖然已經(jīng)參照有限數(shù)量的具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在如所附的權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進(jìn)行多種修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)電路，包括多個(gè)加熱元件(12)，每一個(gè)加熱元件作為調(diào)諧電路(36)的一部分被連接，調(diào)諧電路被分別調(diào)諧到不同的頻率并被并聯(lián)連接在兩個(gè)公共導(dǎo)體(34)之間，該電路此外包括用于在兩個(gè)公共導(dǎo)體之間施加一個(gè)或多個(gè)頻率的振蕩信號(hào)電壓的裝置(20，38，40)，每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)于調(diào)諧電路之一的調(diào)諧頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中每一個(gè)調(diào)諧電路包括與電容器(32)和電感器(30)串聯(lián)的電阻加熱元件(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中每一個(gè)調(diào)諧電路包括由電阻線制成的電感線圈形式的、與電容器(32)串聯(lián)連接的電阻電感加熱元件(12)。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的開(kāi)關(guān)電路，其中用于施加振蕩電壓的裝置包括被設(shè)置用于控制頻率發(fā)生器(38)以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)頻率的信號(hào)的控制系統(tǒng)(20)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的開(kāi)關(guān)電路，其中用于施加振蕩電壓的裝置此外包括被設(shè)置用于接收來(lái)自頻率發(fā)生器的一個(gè)或多個(gè)頻率的信號(hào)以放大所述信號(hào)并在公共導(dǎo)體之間施加這樣的放大信號(hào)的放大器。
6.一種低溫恒溫器(11)，該低溫恒溫器容納超導(dǎo)元件和多個(gè)加熱器，所述加熱器中的至少一些加熱器各自熱連接至超導(dǎo)元件(14)的相應(yīng)部分，所述加熱器構(gòu)成根據(jù)任一前述權(quán)利要求的開(kāi)關(guān)電路的一部分，其中調(diào)諧電路位于該低溫恒溫器中，而用于施加信號(hào)電壓的裝置被設(shè)置在該低溫恒溫器的外部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的低溫恒溫器，其中公共導(dǎo)體之一由低溫恒溫器的主體構(gòu)成。
8.基本上如附圖的圖2中所說(shuō)明的和/或所示的開(kāi)關(guān)電路或低溫恒溫器。
全文摘要
一種開(kāi)關(guān)電路包括多個(gè)加熱元件(12)，每一個(gè)加熱元件作為調(diào)諧電路(36)的一部分被連接，該調(diào)諧電路被分別調(diào)諧到不同的頻率，并且被并聯(lián)連接在兩個(gè)公共導(dǎo)體(34)之間，該電路此外包括用于在兩個(gè)公共導(dǎo)體之間施加一個(gè)或多個(gè)頻率的振蕩信號(hào)電壓的裝置(20，38，40)，每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)于調(diào)諧電路之一的調(diào)諧頻率。
文檔編號(hào)H01F6/02GK1967739SQ20061014329
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者A·M·湯馬斯 申請(qǐng)人:西門(mén)子磁體技術(shù)有限公司