帶有輔助超導開關的超導磁體失超保護裝置的製作方法

2023-05-15 21:45:06 1

專利名稱：帶有輔助超導開關的超導磁體失超保護裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種針對超導磁體失超的保護裝置，特別涉及用於MRI或NMR成像系統中的超導磁體在失超時不被損壞的保護裝 置。
背景技術：
用於超導磁體的超導體只有在滿足特定條件(如溫度、磁場、電流密度)時才能體現超導特性。一旦條件被破壞，超導體將會發生失超。比如，當超導磁體線圈摩擦運動時產生的能量擾動加熱一段超導線導致其溫度高於臨界溫度時就會發生失超現象。被加熱的那段超導線轉變成帶有一定電阻的正常狀態，由此形成的焦耳熱將進一步升高正常區域的溫度和增加正常區域的大小。超導磁體可能儲存有兆焦耳數量級的能量，在失超後，這些能量將在超導磁體的電阻體積中被消耗。為了得到MRI或NMR成像系統中所需要的磁場均勻性，超導磁體被劃分成多個子線圈，這些子線圈圍繞超導磁體軸線且在空間隔開，以使它們之間沒有熱連接。 如果不適當地處理失超過程，就會在失超的子線圈中消耗整個超導磁體的能量，從而引起局部溫度上升。嚴重的局部過熱可能燒焦絕緣或熔化導體，同時失超也可能產生高電壓擊穿絕緣。因此必須採取有效的措施對超導磁體的失超進行保護。最有效的保護方法就是通過擴展失超過程來避免有害的熱量集中，使熱量儘可能均勻消耗在整個超導磁體上。如果超導磁體在某一線圈的局部發生失超後，迅速擴展到整個超導磁體，導致全部失超，就意味著沒有一個部分會達到危險溫度。在用於MRI或NMR成像系統中的超導磁體中，一般通過向與超導線圈緊密熱接觸的加熱器施加電流來實現有意的失超啟動。一般每個超導線圈將配備有一個或多個加熱器。傳統的被動失超保護系統中，觸發所有子線圈失超的加熱器的供電源取自某幾個子線圈在失超後產生的端電壓。但是超導磁體失超後，子線圈的端電壓上升的非常緩慢，這就導致加熱器在超導磁體某一子線圈失超後需要過很長時間才能加熱觸發所有子線圈失超，可能會導致失超發生點的溫度過高，損壞超導磁體。傳統的被動式失超保護系統中一般都在超導磁體的各個子線圈兩端並聯一個由二極體和電阻串聯組成的分流電路。當超導磁體中某一子線圈不幸發生失超後，隨著正常區域電阻的增大，此子線圈流通的電流將越來越多地分流到分流電路中去，且這一過程迅速。如果利用分流電路中電流來加熱失超一個輔助超導開關，再利用輔助超導開關的端電壓來給加熱器供電，就能快速觸發超導磁體中所有子線圈失超。

發明內容
本發明的目的是克服傳統被動失超保護方法中加熱器觸發線圈失超時間過長的缺點，根據被動式失超保護系統的特點，提出一種新的失超保護裝置。本發明失超保護裝置所適用的超導磁體由多個子線圈串聯組成，子線圈之間在空間上隔開且沒有熱接觸。超導磁體兩端並聯有主超導開關，以實現超導磁體的持久模式運行。本發明的失超保護裝置由輔助超導開關和子線圈加熱器電路組成。輔助超導開關同超導磁體串聯，子線圈加熱器電路並聯在輔助超導開關兩端。本發明提出的輔助超導開關主要包括超導開關骨架，超導無感線圈和加熱絲線圈。超導無感線圈和加熱絲線圈間隔地繞制在超導開關骨架上，且沿超導開關骨架徑向重疊排布。超導開關骨架是採用非金屬材料製成，如環氧樹脂，超導開關骨架為兩端帶有法蘭的圓柱。超導開關骨架上繞制的超導無感線圈是一種感應係數為零或接近於零的線圈， 目的是僅利用其阻抗效應，消除其對電路的感抗效應。超導無感線圈的繞制可以採用雙繞法，將用於繞制的線材由中點並在一起，再將該中點固定在超導開關骨架端部某個位置，然後兩股線同時繞制，繞制完後，線圈的輸入端和輸出端同時引出。加熱絲線圈採用金屬導體 (如錳銅線或康銅線)繞制。繞制的加熱絲線圈個數與超導磁體子線圈的個數相同，繞制的每個加熱絲線圈都為偶數層，即加熱絲線圈的進線和出線都從超導開關骨架的同一個端面引出。為了能使每個加熱絲線圈都能獨自快速加熱失超超導無感線圈，加熱絲線圈和超導無感線圈沿徑向間隔繞制在超導開關骨架上，即緊貼超導開關骨架繞制一個加熱絲線圈， 接著再在繞制完的加熱絲線圈外表面繞制一個超導無感線圈，然後又在超導線圈外表面繞制一個加熱絲線圈，以此類推。所有超導無感線圈採用同一根超導線繞制，只用從超導開關骨架端板上引出一對進出線即可。而所有加熱絲線圈都從超導開關骨架端板上引出一對進出線，並且利用每個加熱絲線圈的進出線在輔助超導開關外將所有加熱絲線圈串聯起來， 即第一加熱絲線圈的出線同第二加熱絲線圈的進線電氣連接形成第一電氣連接點，第二加熱絲線圈的出線同第三加熱絲線圈的進線電氣連接形成第二電氣連接點，以此類推。超導無感線圈和加熱絲線圈中導線與導線之間的縫隙都使用摻雜有高導熱率的氮化鋁(AlN) 粉的環氧樹脂填充，環氧樹脂凝固後不但可以加固整個超導開關本體，而且使其內傳熱更加均勻。最後在輔助超導開關的最外面包裹上一定厚度的環氧樹脂層以減少輔助超導開關向外界的漏熱。超導磁體的每個子線圈都裝有緊密熱接觸的加熱器，通過在超導磁體的每個子線圈的外表面粘貼加熱器來實現線圈與加熱器的緊密熱接觸。所有粘貼在子線圈外表面的加熱器電氣串聯在一起形成子線圈加熱器電路。本發明的子線圈加熱器電路並聯在輔助超導開關中的超導無感線圈兩端，超導無感線圈同超導磁體串聯。輔助超導開關中串聯的各個加熱絲線圈分別同超導磁體中串聯的各個子線圈相對應，即第一加熱絲線圈對應第一子線圈，第二加熱絲線圈對應第二子線圈， 以此類推，再通過電氣連接將對應的各組加熱絲線圈和子線圈組成閉合迴路。具體電氣連接方法為輔助超導開關中第一加熱絲線圈的進線串聯第一二極體對再與超導磁體的進線端連接，第四加熱絲線圈的出線串聯第五二極體對再與超導磁體的出線端連接，而加熱絲線圈之間的電氣連接點分別串聯一個二極體對後再與對應的子線圈之間的電氣連接點連接，即第一加熱絲線圈與第二加熱絲線圈之間的電氣連接點串聯第二二極體對後再與第一子線圈和第二子線圈之間的電氣連接點連接，第二加熱絲線圈與第三加熱絲線圈之間的電氣連接點串聯第三二極體對後再與第二子線圈和第三子線圈之間的電氣連接點連接，以此類推，所述的二極體對由背靠背反並聯方式連接的兩個二極體組成。當超導磁體中任意子線圈發生失超後，隨著正常區域電阻的增大，此子線圈流通的電流將部分分流到輔助超導開關中與此子線圈對應的加熱絲線圈中，加熱絲線圈產生熱量，快速使輔助超導開關中超導無感線圈失超，超導無感線圈兩端產生的電壓為子線圈加熱器電路供電，電流開始流經各個子線圈加熱器，然後這些加熱器發熱啟動各個子線圈開始局部失超。


圖1是本發明實施例的失超保護裝置示意圖，圖中1超導磁體、L1-L4線圈、2子線圈加熱器電路、R1-R4子線圈加熱器、3主超導開關、4輔助超導開關、5超導無感線圈、6 二極體對、8加熱絲線圈、12超導磁體進出線、13超導磁體子線圈之間電氣連接點；圖2是本發明實施 例的輔助超導開關結構示意圖，圖中7超導開關骨架、9環氧樹脂層、10加熱絲線圈進出線、11加熱絲線圈之間電氣連接點；圖3是本發明實施例的輔助超導開關橫截面圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。如圖1所示，本發明適用的超導磁體1由多個子線圈Li、L2、L3、L4串聯組成，各個子線圈Li、L2、L3、L4之間在空間上隔開且沒有熱接觸。超導磁體1兩端並聯有主超導開關3，以實現超導磁體1的持久模式運行。本發明的失超保護裝置由輔助超導開關4和子線圈加熱器電路2組成。輔助超導開關4同超導磁體1串聯，子線圈加熱器電路2並聯在輔助超導開關4兩端。如圖2和圖3所示，所述的輔助超導開關4主要由超導開關骨架7，間隔繞制在超導開關骨架7上的超導無感線圈5和加熱絲線圈8a、8b、8c、8d組成。超導開關骨架7是採用非金屬材料(如環氧樹脂)製成的兩端帶有法蘭的圓柱。超導開關骨架7上繞制的超導無感線圈5是一種感應係數為零或接近於零的線圈，目的是僅利用其阻抗效應，消除其對電路的感抗效應。超導無感線圈5的繞制可以採用雙繞法，將用於繞制的線材由中點並在一起，再將該中點固定在超導開關骨架端部某個位置，然後兩股線同時繞制，繞制完後，超導無感線圈的輸入端和輸出端同時引出。加熱絲線圈8a、8b、8c、8d採用金屬導體(如錳銅線或康銅線)繞制。繞制的加熱絲線圈的個數與超導磁體1的子線圈個數相同，繞制的每個加熱絲線圈都為偶數層，即加熱絲線圈的進線和出線都從超導開關骨架7的同一個端面引出。為了能使每個加熱絲線圈都能獨自快速加熱失超超導無感線圈5，加熱絲線圈8a、8b、 8c、8d和超導無感線圈5a、5b、5c沿徑向間隔繞制在超導開關骨架7上，即緊貼超導開關骨架7繞制一個加熱絲線圈8a，接著再在繞制完畢的加熱絲線圈外表面繞制一個超導無感線圈5a，然後又在繞制完畢的超導無感線圈5a外表面繞制一個加熱絲線圈5b，以此類推。所有超導無感線圈採用同一根超導線繞制，只用從超導開關骨架7端板上引出一對進出線即可。而所有加熱絲線圈都需要從超導開關骨架7端板上各引出一對進出線10，並且利用各個加熱絲線圈8a、8b、8c、8d的進出線在輔助超導開關4外將所有加熱絲線圈串聯起來，即第一加熱絲線圈8a的出線IOb同第二加熱絲線圈8b的進線IOa電氣連接形成第一電氣連接點11a，第二加熱絲線圈8b的出線IOb同第三加熱絲線圈8c的進線IOa電氣連接形成第二電氣連接點11b，以此類推。
如圖2所示，所有超導無感線圈和加熱絲線圈中導線與導線之間的縫隙都使用摻雜有高導熱率的氮化鋁(AlN)粉的環氧樹脂填充，環氧樹脂凝固後不但可以加固整個超導開關本體，而且使其內傳熱更加均勻。最後在輔助超導開關4的最外面包裹上一定厚度的環氧樹脂層9以減少輔助超導開關4向外界的漏熱。如圖1所示，超導磁體1的每個子線圈L1、L2、L3、L4都裝有緊密熱接觸的加熱器 R1、R2、R3、R4，可以通過在超導磁體1的每個子線圈L1、L2、L3、L4的外表面粘貼加熱器R1、 R2、R3、R4來實現各個子線圈Li、L2、L3、L4與之對應的加熱器Rl、R2、R3、R4的緊密熱接觸。所有粘貼在子線圈1^1、1^2、1^3、1^4外表面的加熱器1 1、1 2、1 3、1 4電氣串聯在一起形成子線圈加熱器電路2。如圖1所示，本發明中的子線圈加熱器電路2並聯在輔助超導開關4中的超導無感線圈5兩端，超導無感線圈5同超導磁體1串聯。輔助超導開關4中串聯連接的各個加熱絲線圈8a、8b、8c、8d分別同超導磁體1中串聯連接的各個子線圈Li、L2、L3、L4相對應， 即第一加熱絲線圈8a對應第一子線圈Li，第二加熱絲線圈8b對應第二子線圈L2，以此類推，再通過電氣連接將對應的各組加熱絲線圈和子線圈組成閉合迴路。具體電氣連接為輔助超導開關4中第一加熱絲線圈8a的進線IOa串聯第一二極體對6a，再與超導磁體1的進線1 連接，最後一個加熱絲線圈，即第四加熱絲線圈8b的出線IOb串聯第五二極體對6e 再與超導磁體1的出線12b連接，而加熱絲線圈8a、8b、8c、8d之間的電氣連接點11分別串聯一個二極體對6b、6c、6d後再與對應的子線圈之間的電氣連接點13連接，即第一加熱絲線圈8a與第二加熱絲線圈8b之間的電氣連接點Ila串聯第二二極體對6b後再與第一子線圈Ll和第二子線圈L2之間的電氣連接點13a連接，第二加熱絲線圈8b與第三加熱絲線圈8c之間的電氣連接點lib串聯第三二極體對6c後再與第二子線圈L2和第三子線圈L3 之間的電氣連接點1 連接，以此類推，所述的二極體對6由背靠背反並聯方式連接的兩個二極體組成。當超導磁體1中任意子線圈發生失超後，隨著正常區域電阻的增大，此子線圈流通的電流將部分分流到輔助超導開關4中與此子線圈對應的加熱絲線圈中，加熱絲線圈產生熱量快速使輔助超導開關4中超導無感線圈5失超，超導無感線圈5兩端產生的電壓為子線圈加熱器電路2供電，電流開始流經各個子線圈加熱器R1、R2、R3、R4，然後這些子線圈加熱器Rl、R2、R3、R4發熱啟動各個子線圈Li、L2、L3、L4開始局部失超。
權利要求
1.一種帶有輔助超導開關的超導磁體失超保護裝置，其特徵是，所述的失超保護裝置由輔助超導開關⑷和子線圈加熱器電路⑵組成，所述的輔助超導開關⑷同超導磁體 (1)串聯，所述的子線圈加熱器電路(2)並聯在所述的輔助超導開關(4)兩端。
2.按照權利要求1所述的超導磁體失超保護裝置，其特徵是，所述的輔助超導開關(4) 主要包括超導開關骨架(7)、超導無感線圈(5ajb、5c)和加熱絲線圈(8a、8b、8c、8d)；超導開關骨架(7)為兩端帶有法蘭的圓柱；超導無感線圈(5ajb、5c)和加熱絲線圈(8a、8b、 8c、8d)沿徑向間隔地繞制在超導開關骨架(7)上，即緊貼所述的超導開關骨架(7)繞制一個加熱絲線圈(8a)，接著再在繞制完畢的加熱絲線圈(8a)外表面繞制一個超導無感線圈 ( ),然後又在繞制完畢的超導無感線圈(5a)外表面繞制一個加熱絲線圈(8b)，以此類推。
3.按照權利要求2所述的超導磁體失超保護裝置，其特徵是，所述的加熱絲線圈的個數與超導磁體(1)的子線圈個數相同，每個加熱絲線圈都為偶數層，即每個加熱絲線圈的進線和出線均從超導開關骨架(7)的同一個端面引出。
4.按照權利要求2所述的超導磁體失超保護裝置，其特徵是，所述的超導無感線圈 (5a.5b.5c)採用同一根超導線繞制，從超導開關骨架(7)端板上引出一對進出線。
5.按照權利要求2所述的超導磁體失超保護裝置，其特徵是，所述的第一、第二、第三、 第四加熱絲線圈(8a、8b、8c、8d)均從超導開關骨架(7)端板上引出一對進出線(10)，並且利用各個加熱絲線圈的進出線在輔助超導開關(4)外將所有加熱絲線圈(8a、8b、8c、8d)串聯起來，即第一加熱絲線圈(8a)的出線(IOb)同第二加熱絲線圈(8b)的進線(IOb)電氣連接，形成第一電氣連接點(11a)，第二加熱絲線圈(8b)的出線(IOb)同第三加熱絲線圈 (8c)的進線(IOa)電氣連接，形成第二個電氣連接點(11b)，以此類推。
6.按照權利要求1所述的超導磁體失超保護裝置，其特徵在於所述的子線圈加熱器電路O)由粘貼在超導磁體(1)中各個子線圈(Li、L2、L3、L4)外表面的加熱器(Rl、R2、 R3、R4)串聯組成；子線圈加熱器電路O)並聯在輔助超導開關中的超導無感線圈(5) 兩端，超導無感線圈(5)同超導磁體(1)串聯。
7.按照權利要求1所述的超導磁體失超保護裝置，其特徵在於所述的輔助超導開關 ⑷中串聯連接的各個加熱絲線圈(8a、8b、8c、8d)分別同超導磁體(1)中串聯連接的各個子線圈(Li、L2、L3、L4)相對應，即第一加熱絲線圈(8a)對應第一子線圈(Li)，第二加熱絲線圈(8b)對應第二子線圈(L2)，以此類推；再通過電氣連接將對應的各組加熱絲線圈和子線圈組成閉合迴路，具體電氣連接方法為輔助超導開關中第一加熱絲線圈(8a)的進線(IOa)串聯第一二極體對(6a)再與超導磁體(1)的進線(12a)連接，第四加熱絲線圈 (8d)的出線(IOb)串聯第五二極體對(6e)再與超導磁體(1)的出線(12b)連接，而加熱絲線圈(8a、8b、8c、8d)之間的電氣連接點(11)分別串聯一個二極體對(6b、6c、6d)後再與對應的子線圈之間的電氣連接點(13)連接，即第一加熱絲線圈(8a)與第二加熱絲線圈(8b) 之間的電氣連接點(Ila)串聯第二二極體對(6b)後再與第一子線圈(Li)和第二子線圈 (L2)之間的電氣連接點(13a)連接，第二加熱絲線圈(8b)與第三加熱絲線圈(8c)之間的電氣連接點(lib)串聯第三二極體對(6c)後再與第二子線圈(L2)和第三子線圈(L3)之間的電氣連接點(13b)連接，以此類推。
全文摘要
一種帶有輔助超導開關的超導磁體失超保護裝置，由輔助超導開關(4)和子線圈加熱器電路(2)組成。將超導磁體(1)中所有子線圈(L1-L4)上粘貼的加熱器(R1-R4)電氣串聯組成子線圈加熱器電路(2)。子線圈加熱器電路(2)並聯在輔助超導開關(4)中超導無感線圈(5)的兩端，輔助超導開關(4)中各個加熱絲線圈(8a、8b、8c、8d)通過串聯二極體對(6)與超導磁體(1)中相對應的子線圈並聯組成閉合迴路。當超導磁體(1)中任意子線圈發生失超後，此子線圈流通的電流將部分分流到與之對應的加熱絲線圈中，超導無感線圈(5)被加熱失超後，電流開始流過子線圈加熱器電路(2)從而觸發所有子線圈失超。
文檔編號G01R33/3815GK102361318SQ20111026810
公開日2012年2月22日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者崔春豔, 王厚生, 王秋良, 陳順中 申請人:中國科學院電工研究所