用於超導磁體的線圈節點電壓輸出端的製作方法
2023-05-06 00:06:46
專利名稱：用於超導磁體的線圈節點電壓輸出端的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導磁體組件。
背景技術：
超導磁體，諸如在核磁共振成像(MRI)系統中用來產生均勻背景磁場的那些超導磁體，通常由幾個串聯方式電連接的分立線圈構成。磁體結構容納在低溫箱內，低溫箱保持磁體被冷卻至線圈超導所在的溫度。在許多磁體中，線圈容納在致冷劑容器內，致冷劑容器部分填充有液態致冷劑，部分填充有氣態致冷劑。為了測量驟冷電壓(quench voltage)以及診斷哪個線圈或線圈的哪一段首先驟冷，理想的是具有到各線圈接合點的電入口(electrical access)。周知的系統設置有從線圈間節點到簡易高壓引入(lead-through)的簡易電連接，布置成將高達數千伏的電壓傳導至低溫箱外部。由於這些電壓可以達到數千伏，氣態致冷劑氛圍例如氦氣中的適當絕緣是極富挑戰性並且極其危險的。氦氣具有比空氣低得多的擊穿電壓，因而，所要求的絕緣標準比空氣中的情形要高得多。這種裝置的另一缺點是，必要的高電壓連接器給低溫箱引入顯著的洩熱通道。常規地，通過在線圈間各節點附近設置分壓器來解決這一問題。圖5圖示這樣一種常規裝置。線圈10、線圈12之間的節點14與第一電阻器Rl電連接。Rl經由第二電阻器R2與地電壓(通常為低溫箱體的電壓)相連接。電阻器Rl為遠大於R2的值，例如，Rl =100MΩ，R2 = IOOK Ω。Rl與R2之間的節點22與連接器16電連接，連接器16穿過低溫箱的邊界18傳送節點22處的電壓。在低溫箱的外部，可以將電壓測量設備M如數據記錄器安裝至連接器16，以便在連接器處測量電壓。構成分壓器的電阻器Rl和R2通常安置在靠近線圈間節點14的小電路板上。從節點14得到的任何電壓Vin按照電阻器Rl和R2的比例進行分壓，並將電壓Vin的一小部分供至連接器16。在圖示的實施例中，Rl = 100ΜΩ , R2 = IOOkΩ，因而，出現在電壓測量設備處的電壓Vout是節點14處電壓的大約千分之一，也就是，Vout ^ Vin/1000。使用這麼大值的電阻器來限制可能流過連接器的電流。如果通過100ΜΩ電阻器到地施加5kV電壓，只有50 μ A的電流流過，這被認為是安全的。這樣一種裝置保證即使在驟冷期間可能出現5kV的電壓，在這些電壓離開致冷劑容器之前，已縮放至5V的安全值。在將這種高電壓縮放至小的安全值的同時，可能產生的任何小電壓Vin，例如由線圈運動所產生的小電壓Vin，在進行測量時也按相同比例減周知對由諸如精確個體線圈斜線電壓、線圈運動、場衰減、短路、磁通量突變和熱驟冷開始(thermal quench initiation)等許多現象及故障模式所產生的小電壓進行分析，可以展現大量導致精確診斷的信息。在以圖5所示的方式衰減之後，由於從這種小電壓得到的真實信號 Vout ^ Vin/1000，被淹沒在類似幅值的電噪聲和熱噪聲中，並且也出現在測量所用的衰減的電壓Vout中，則無法得到這種信息。
發明內容
本發明提供一種裝置，能從低溫箱取出未衰減的低噪聲小電壓，同時限制在驟冷期間所產生的任何高電壓，保證向低溫箱外部僅提供安全電壓。這使得能對線圈接合點進行甚至微伏範圍電壓的高速實時精細測量，即使這部分在數秒內可能突然激增至數千伏。
根據下文結合附圖對其某些實施例進行的詳細描述，本發明的這些以及其它的目的、特點和優點將更為明了，其中圖1示出本發明示範實施例的電路圖；圖2示出在如圖5所示裝置中從超導磁體輸出的常規線圈電壓的電壓特性；圖3示出從根據本發明實施例的超導磁體輸出的線圈電壓的電壓特性；圖4示出本發明的實施例的更完整的電路圖；以及圖5示出常規線圈電壓輸出裝置的電路圖。
具體實施例方式本發明提供一種裝置，用於提供從形成超導磁體的個體線圈得到的含有未衰減的低噪聲的小電壓的信號，以將這些信號從低溫箱取出，同時，衰減可能出現在信號中的來自線圈的任何高電壓，諸如驟冷期間所產生的電壓。在本發明的實施例中，通過將待測的線圈節點電壓施加至串聯電阻器Rl (例如， 大約IOOkQ)的輸入端，並設置連接在串聯電阻器的輸出端與地電壓之間的第二電阻器 R2，第二電阻器R2位於致冷劑容器外部，從而，達到本發明的目的。優選的是，在超導磁體結構上，串聯電阻器Rl安裝成緊鄰線圈節點。通過在致冷劑容器外部設置第二電阻器R2， 所得到的分壓器的衰減比可以由用戶根據待測電壓的要求幅值進行選擇。通過在低溫箱外部在串聯電阻器Rl與地之間放置低值第二電阻器R2，節點電壓 Vin僅僅小部分將會作為Vout出現在連接器處。如果尋求驟冷電壓，這是有益的。通過在低溫箱外部在串聯電阻器Rl與地之間放置高值第二電阻器R2，線圈節點電壓Vin的大部分將會作為Vout出現在連接器處。當尋求較小電壓時，諸如個體線圈斜線電壓(individual coil ramp voltage)，或由線圈運動、場衰減、短路、磁通突變、以及熱驟冷開始(thermal quench initiation)所導致的電壓時，這是有益的。根據本發明的一方面，串聯電阻器Rl和第二電阻器R2所構成的分壓器中的第二電阻器R2是根據需要選自可用電阻值範圍之中的電阻。非線性元件置於線圈節點附近，連接串聯電阻器Rl的輸出端與地電壓。非線性元件可以是壓敏電阻(VDR)、齊納二極體、或者任何其他元件，這些元件當線圈節點的電壓 Vin較低，例如，低於大約50V時為極高阻抗，而當電壓Vin較高，例如，高於大約50V時為低阻抗。這種非線性元件的作用是這樣的對於線圈節點的低電壓Vin，出現在連接器處的電壓Vout由串聯電阻器Rl和第二電阻器R2所構成的分壓器縮放(scaled)，Vout =Vin .R2/(R1+R2)。對於較大電壓，連接器處的電壓Vout由非線性元件的導通門限電壓進行限制。將非線性元件的門限電壓記為Vz，Vout = Vz。連接器處的電壓Vout不能增大超過 Vz，因而，可以提供線圈節點電壓Vin的高達Vin = Vz · (Rl+R2)/R2限度的測量。例如，如果非線性元件的門限電壓Vz為50V，且R2 = Rl，那麼，可以測量高達IOOV的電壓Vin。如果R2 = R1/100，則可以測量高達5050V的電壓Vin。這種裝置提供了小電壓的縮放，但將限制導致非線性元件變成導電的更高電壓。 例如，高電壓，諸如驟冷電壓，將導致非線性元件具有高導電性，將串聯電阻器輸出端處由測量設備得到的電壓限制於非線性元件的門限電壓Vz。這提供了非常重要的安全特性無論線圈節點處的電壓可能會有多高，出現在連接器處並且從低溫箱外部可達的電壓再也不會超過非線性元件的門限電壓Vz。高值串聯電阻器Rl保證不會向低溫箱外部提供任何危險的大電流。由於在低溫箱外部不傳輸高電壓，就不需要高電壓引入(high voltage lead-through)，以及，可以使用非常小、更簡易並且更安全的低電壓連接器。這降低了絕緣要求，並且減小了進入低溫箱的洩熱通道。在低溫箱外部選擇第二電阻器R2，讓所得到的待選擇分壓器的衰減比能適合於任何特定的測量任務。諸如R2 = R1/100或者R1/1000的低值，提供了足以觀測驟冷電壓的縮小比例。R2的高值，則允許以一定精度測量較小電壓。極端情況下，可以省略R2，這等效於給出R2 =⑴。這提供了與線圈節點電壓Vin相等的輸出電壓Vout，只要Vin不超過非線性元件的門限電壓Vz。非線性元件不參與電壓縮放，而是作為用於安全的電壓限制器，保證輸出電壓Vout不會超過Vz。門限電壓Vz應當適當選擇，以給出足夠大範圍的輸出電壓，從而，既能進行有意義的測量，又能低到足以保證安全。10V-50V範圍內的門限電壓目前認為是恰當的。據此，在低溫箱外部，通過改變第二電阻器R2的值，從而改變含有電阻器R1、R2 的分壓器的衰減比，本發明能精確地測量微伏和數千伏的範圍。圖1示出本發明的示範實施例。示出了超導磁體的兩個電氣相鄰的線圈10、線圈 12。超導磁體電路的其餘部分並未示出。根據本發明，線圈間的節點14通過高值串聯電阻器Rl (例如，IOOkQ)與低電壓連接器16相連接。低電壓連接器16提供穿過低溫箱邊界 18到達外部世界的電氣通道。可以將測量設備與低電壓連接器16相連接，以檢測出現在節點14處的電壓。非線性元件20電連接在節點22與地電壓(其通常是低溫箱邊界18的電壓)之間。節點22是電阻器R與低電壓連接器16之間的節點。優選的是，串聯電阻器Rl和非線性元件20 二者都安裝在磁體結構上，靠近於節點14。低電壓連接器16與節點22電連接。此外，可選值的第二電阻器R2，在低溫箱外部連接在低電壓連接器16與地電壓之間。在圖示示例中，R2 = IkQ，因而，Vout = Vin/101。參照圖2和圖3，可以說明如圖1所示本發明的操作。圖2示出使用固定式分壓器時，以地電壓為基準出現在節點14處的電壓Vin與出現在低溫箱外部的電壓Vout之間的常規關係。在此常規裝置中，無論Vin是10-7V或者是104V，Vout - Vin0在圖示的關係中，Vout = Vin/100。圖3示出對於本發明的實施例，以地電壓為基準出現在節點14處的電壓Vin與出現在低溫箱外部的電壓Vout之間的關係，使用與圖2的示例相同的Rl :R2的比例。對於低值Vout，例如高達10V，Vout Vz，非線性元件20導電。在圖示示例中，Vz = IOV0據此，出現在低溫箱外部的電壓Vout限制於Vz = IOV0在此示例中，Vout =IOV表示Vin = IOOOV0然而，根據本發明的特徵，第二電阻器R2的值的選擇允許改變此比例。 據此，低電壓連接器16隻需能夠處理高達Vz的電壓，通常不超過大約50V，而不是過去情況下的至少5kV。這意味著連接器可以製造得比常規裝置置中的小，也就意味著連接器給低溫箱帶來較少的絕緣風險和熱負荷。在低溫箱外部，布置電壓測量設備對，諸如數據記錄器(data logger)來檢測連接器16處的電壓Vout。電壓測量設備M只需能夠測量高達Vz的電壓，諸如10V-50V。但是，根據本發明，通過適當選擇第二電阻器R2的阻值，微伏範圍內的低壓，將其施加至測量設備而未經顯著衰減，也能從噪聲中區分出來，同時，還能可靠安全地檢測數千伏的驟冷電壓。在本發明的優選實施例中，測量設備M設置有第二電阻器R2電阻值的指示，並且使用此指示來縮放(scale)電壓Vout的測量值，以提供線圈節點電壓Vin的直接指示。測量設備M可以適合於，例如，通過編程數字測量系統，或者通過適當的硬體結構，將所接收到的Vout值轉換成對應的Vin值。以這種方式，能可靠地測量數千伏的非常大的電壓，也能測量數微伏的非常小的電壓。電阻R2可以在為此目的所設置的分立電阻器的範圍之中選擇。可選擇地，可以使用切換電路來選擇到電阻器組(a bank of resistors)的所需連接。可選擇地，R2可以是連續變阻的電位器。在這種實施例中，電位器最好經過校準，使得所得到的衰減比已知。電位器、切換的電阻、或分立電阻器可以貼有衰減比的標籤，以便於說明測得的電壓。一個分立電阻器、切換位置、或電位器位置，可以與允許選擇Vout = Vin比的開路相對應。圖4示出本發明的另一更完整的實施例。在圖4中，示出了連同超導開關120 — 起的超導線圈110、112、114、116、118的完整電路，超導開關120布置成當操作處於持久模式時閉合線圈的電路，以形成線圈110、112、114、116、118和超導開關120的閉合超導電路。在各節點122、124、126、128、130處，連接對應的串聯電阻器R1，將該節點與低電壓連接器16連接起來，低電壓連接器16提供從低溫箱邊界18外部的入口。各低電壓連接器16可以與電壓測量設備M連接。可以設置具有多個輸入通道的單個電壓測量系統對， 每個輸入通道與一個低電壓連接器16相連接。在每個串聯電阻器Rl與對應的連接器16 之間是節點22。每個節點22與非線性元件20相連接，非線性元件20另一端接地。每個低電壓連接器16與接地的第二電阻器R2相連接，至少在測量各自連接器的輸出電壓Vout 時。在各節點122、124、126、128、130處，線路R1、20、R2、16、22如以上參照圖1所述那
樣操作，以提供直至由非線性元件20的門限Vz設定的一定限定值的縮放的輸出電壓Vout。 對於低溫箱的外部而言，比例因數可由用戶通過選擇所安放的第二電阻器R2的電阻進行選擇，或者，比例因數至少是可控的。如果R2 = c (開路)，連接器16處的電壓Vout等於線圈節點電壓Vin，在串聯電阻器Rl兩端幾乎沒有電壓降。這種電壓的輸出阻抗等於電阻器Rl的值，而且，一定程度上可以比常規裝置中的小。減小的串聯電阻器Rl的值可以是優選的，因為較低的電阻較少受
噪聲影響。當節點22處縮放的輸出電壓Vout超過非線性元件20的門限電壓Vz時，例如，在驟冷期間，輸出電壓Vout將由非線性元件20限制為Vz。於是，驟冷電壓基本上出現在相應消耗功率的串聯電阻器Rl的兩端。由於驟冷電壓是數秒持續期的脈衝，此部件僅需在數秒內消耗此功率，因而，可以適當地估算大小。合適的非線性元件20的示例包括壓敏電阻(VDR)、齊納二極體、二極體網絡、或者有時周知為「瞬變吸收(Transorb) 」的瞬變電壓抑制(transient voltage suppression, TVS) 二極體。在可選實施例中，將用作第二電阻器R2的可選電阻器或可變電阻器置於低溫箱內，諸如靠近於串聯電阻器Rl安裝在線圈組件上，只要在低溫箱外部可以進行R2值的選擇。例如，可以設置場效應電晶體(FET)，通過穿越低溫箱邊界的電連接器，從低溫箱外部的控制器將控制電壓施加至FET柵極，從而，切換所選擇的電阻器進入分壓器。在這種裝置中，將輸出電壓Vout施加至連接器16，並且，不需要在低溫箱外部設置可選電阻器。
權利要求
1.一種超導磁體組件，包括串聯方式連接並且容納在低溫箱內的多個超導線圈；線圈節點(14)，其位於兩個電氣相鄰線圈之間，提供輸入電壓(Vin)；以及線圈節點電壓輸出端，包括串聯電阻器(Rl)，其連接在所述線圈節點(14)與另外節點02)之間；非線性元件(20)，其連接在所述另外節點0 與地電壓之間；以及輸出連接器(16)，其與所述另外節點02)電連接，並穿越所述低溫箱的邊界(18)。
2.根據權利要求1所述的超導磁體組件，進一步包括可選電阻的第二電阻器(R2)，其電連接在所述連接器(16)與地電壓之間，所述第二電阻器(R2)的電阻可從所述低溫箱的外部進行選擇。
3.根據權利要求2所述的超導磁體組件，其中，所述第二電阻器選自於為所述目的設置的分立電阻器的範圍之中。
4.根據權利要求2所述的超導磁體組件，其中，所述第二電阻器通過切換電路在電阻器組之中進行選擇。
5.根據權利要求2所述的超導磁體組件，其中，所述第二電阻器由具有連續可變電阻的電位器提供。
6.根據權利要求2至權利要求5中任一項權利要求所述的超導磁體組件，其中，所述第二電阻器在所述低溫箱外部。
7.根據權利要求4所述的超導磁體組件，其中，所述電阻器組與場效應電晶體一起置於所述低溫箱內，所述場效應電晶體被設置為通過穿越所述低溫箱邊界的電氣連接器從所述低溫箱外部的控制器向所述場效應電晶體的柵極施加控制電壓來在所述電阻器之中進行選擇。
8.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的超導磁體組件，其中，所述非線性元件選自下列壓敏電阻(VDR)、齊納二極體、二極體網絡、以及瞬變電壓抑制二極體。
9.根據上述權利要求中任一項權利要所述的超導磁體組件，包括串聯方式電連接的至少三個超導線圈(110、112、114、116、118)，其中，電氣相鄰線圈對之間的各線圈節點(122、 124、126、128、130)提供對應的輸入電壓(Vin)；以及，其中，每個線圈節點設置有線圈節點電壓輸出端，所述線圈節點電壓輸出端包括串聯電阻器(Rl)，其連接在所述線圈節點(14)與另外節點02)之間；非線性元件(20)，其連接在所述另外節點0 與地電壓之間；輸出連接器(16)，其與所述另外節點02)電連接，並穿越所述低溫箱的邊界(18)。
10.根據權利要求9所述的超導磁體組件，進一步包括可選電阻的第二電阻器(R2)，其電連接在線圈節點電壓輸出端的連接器(16)與地電壓之間，所述第二電阻器(R2)的電阻可從所述低溫箱外部進行選擇。
全文摘要
本發明公開了一種超導磁體組件，包括串聯方式連接並且容納在低溫箱內的多個超導線圈，包括位於兩個電氣相鄰線圈之間的線圈節點。線圈節點提供輸入電壓。設置有線圈節點電壓輸出端，包括串聯電阻器，其連接在線圈節點與另外節點之間；非線性元件，其連接在另外節點與地電壓之間；以及，輸出連接器，其與另外節點電連接，並且穿過低溫箱的邊界(18)。
文檔編號H01F6/06GK102376412SQ201110220398
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月3日 優先權日2010年8月5日
發明者H.A.布雷克斯 申請人:英國西門子公司