一种基于分布式加热器网络的超导磁体系统失超保护电路

技术领域

本发明属于超导磁体系统失超保护领域，更具体地，涉及一种基于分布式加热器网络的超导磁体系统失超保护电路。

背景技术

众所周知，跟阻性磁体相比，超导磁体体积小、电流密度高、能耗低、磁场强度高，在基础科学研究、医疗卫生、交通运输、国防工业、电工等领域被广泛应用。特别地，超导磁体系统在NMR和MRI领域中得到广泛应用。然而，超导磁体维持超导态是有条件的，它受温度、电流、磁场、甚至应变的约束。任何一个或几个变量超出超导线的临界区间，都将使得正常运行中的超导磁体由超导态回到电阻态，从而失去超导特性(即失超)。

在正常升磁、降磁或稳态运行时，超导磁体处于超导态即无电阻状态。然而一旦由于局部的扰动(这种扰动可以是机械、温度、气压或者电磁)，超导磁体内部将出现微小的正常区。如果该正常区不可控，它将不断扩大直至整个磁体失超。而最开始出现正常区的超导线的温度会非常高，足以熔化导线，从而破坏超导磁体。另外，在失超过程中，超导磁体端电压或层间电压可能出现极高压，导致导体之间发生闪络，最终破坏超导磁体。如果在磁体出现微小正常区的时候，采用某种保护电路故意让所有超导线圈同时失超，让能量尽可能均匀地释放到每一个超导线圈的所有体积上，将极大地降低磁体温度和端电压，从而保护超导磁体。实现该功能的电路被称为失超保护电路。典型地，可通过附接到磁体线圈预定位置的分布式加热器网络来实现。

图1示出了一种典型现有技术超导磁体失超保护电路(10)，包括8个串联连接的超导线圈L1-L8(101)。其中，超导线圈子集L1和L8为主动屏蔽线圈，其电流方向和超导线圈子集L2-L7的电流方向相反。每个超导线圈的表面贴有一个与其热接触的加热器。这些加热器串联连接构成了加热器网络105。加热器网络105和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3-L6并联连接。超导线圈101两端接了一对电流引线104用于和励磁电源连接。低温超导开关103和电流引线104并联。第一二极管集成组件102和低温超导开关103并联连接。第一二极管集成组件102的门限电压高于磁体两端最大的励磁电压，用于保护低温超导开关103。当磁体处于升磁(Ramp-up)或降磁(Ramp-down)时，第二二极管集成组件106阻止加热器网络105导电，防止失超保护电路误动作导致磁体失超。第二二极管集成组件106的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中L3-L6两端的最大电压。二极管集成组件102和106中的每一个，通常由两组两个二极管或多个二极管串联连接再被反并联组成。该电路至少存在两个缺陷：1)所有加热器串联连接，一旦线路某处出现开路，超导线圈101将彻底失去保护。2)所有加热器串联连接，导致线圈子集L3-L6两端的电压非常高，迫使在加热器设计时，只能设计阻值较小的加热器，但这样一来，在失超过程中，加热器的加热功率较低，导致失超保护响应较慢。

图2示出了另一种现有技术超导磁体失超保护电路(10)，包括M(M＝8)个串联连接的超导线圈L1-L8(101)。其中，超导线圈子集L1和L8为主动屏蔽线圈，其电流方向和超导线圈子集L2-L7的电流方向相反。加热器网络105由M个加热器模块H1-H8组成，每个加热器模块包括多个加热器，且每个加热器模块分别和其中一个线圈并联。其中，N(N≤M)个加热器模块中每个加热器模块包括至少M个加热器，每个超导线圈与加热器模块中的至少一个加热器热耦合；M-N个加热器模块中每个加热器模块包括至少一个加热器，与N个加热器模块并联的N个超导线圈中的每个超导线圈与M-N个加热器模块中每个加热器单元的至少一个加热器热耦合。超导线圈101两端接了一对电流引线104用于和励磁电源连接。低温超导开关103和电流引线104并联连接。第一二极管集成组件102和低温超导开关103并联连接。第一二极管集成组件102的门限电压高于磁体两端最大的励磁电压，用于保护低温超导开关103。这种失超保护电路至少存在5个缺点：1)每个加热器模块分别和其中一个超导线圈并联，失超过程中，流过每个超导线圈的电流不一样，导致磁体系统内部出现极大的不平衡力，该不平衡力有可能对超导磁体系统产生结构破坏；2)由于前述的流过每个超导线圈的电流不一样，也会导致杂散场等高线会在空间上朝外扩张，带来安全隐患；3)每个加热器模块没有串联二极管集成组件，在升磁(Ramp-up)或降磁(Ramp-down)过程中，无法阻止加热器网络导电，有可能触发失超保护电路误动作导致超导磁体失超；4)当N

综上，需要提供一种新的失超保护电路来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种基于分布式加热器网络的超导磁体系统失超保护电路，用以解决现有超导磁体系统失超保护电路因保护可靠性低、电路响应慢、流过对称线圈的电流不相等引起的不平衡力和杂散场扩张等而导致应用受限的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于分布式加热器网络的超导磁体系统失超保护电路，包括：串联的M个超导线圈，以及由N个加热器模块构成的加热器网络；其中，M>N，N≤3，不同的加热器模块与不同的超导线圈子集并联，且所有超导线圈子集之间在空间上具有对称性；每个加热器模块有m个并联支路，每个并联支路有n个加热器串联，m≥1，n≥1；且当N＝1时，m>1；

所述加热器网络中的每一个加热器跟所述M个超导线圈中的一个超导线圈热耦合，且每个超导线圈与每一个加热器模块中的至少一个加热器热耦合。

本发明的有益效果是：加热器网络取自的线圈子集在空间上对称分布。失超过程中，流过对称线圈的电流差可以控制在一个很低的水平，从而不平衡力的大小可以被控制在一个可以接受的数值，杂散场空间上朝外扩张的范围也可以被控制在一个可以接受的数值。特别地，当N＝1时，电流差为0，不平衡力为0，杂散场空间上不朝外扩张。另外，加热器网络是一个规则的、紧凑的串并联网络，可靠性和失超响应都有大幅提高。因而，本申请方案能够有效解决现有失超保护电路所存在的保护可靠性低、电路响应慢、流过对称线圈的电流不相等引起的不平衡力和杂散场扩张等的技术问题。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，当某一加热器模块的发热功率足以使超导线圈失超时，则将该加热器模块串联二极管组件，以防止失超保护电路误动作导致超导线圈失超。

进一步，所述超导线圈子集为：由一个超导线圈构成，由多个超导线圈构成，由一个超导子线圈构成，或者，由超导子线圈和超导线圈构成；其中，超导子线圈为超导线圈的一部分。

本发明的进一步有益效果是：超导线圈子集可以是任一一部分线圈的集合，可根据实际需要灵活设计电路连接方式。

进一步，所述N＝1，m>1，且m*n≥M。

本发明的进一步有益效果是：加热器网络取自的线圈子集在空间上是对称分布，且加热器网络只含一个加热器模块。失超过程中，流过对称线圈的电流始终保持一致，即：流过L1和L8，L2和L7，L3和L6以及L4和L5的电流都始终相等。所以，不存在不平衡力的问题，也不存在杂散场空间上朝外扩张的问题。另外，加热器网络是一个规则的、紧凑的串并联网络。跟现有技术相比，可靠性和失超响应都有大幅提高。例如：只要还有一条支路导通，就不至于所有超导线圈失去失超保护。

进一步，所述N＝2，且m*n≥M。

本发明的进一步有益效果是：首先，加热器网络取自的线圈子集在空间上对称分布，且加热器网络的两个加热器模块结构完全一致。失超过程中，流过L3和L4，L5和L6，L1和L2，L7和L8的电流始终相等，流过L1和L8，L2和L7的电流差别可以控制在合理水平，从而不平衡力的大小可以被控制在一个可以接受的数值，杂散场空间上朝外扩张的范围也可以被控制在一个可以接受的数值。另外，加热器网络是一个规则的、紧凑的串并联网络，可靠性和失超响应都有大幅提高。加热器网络105中的两个加热器模块相互备份，哪怕其中一个模块彻底断路，另一个模块可以保护所有超导线圈101。可知：电路可靠性进一步提高了。

进一步，所述N＝3，且m*n≥M。

本发明的进一步有益效果是：首先加热器网络取自的线圈子集在空间上对称分布，且位于空间对称位置的两个加热器模块结构完全相同。失超过程中，流过L3和L4，L5和L6，L1和L2，L7和L8的电流始终相等，流过L1和L8，L2和L7的电流差别可以控制在合理水平，从而不平衡力的大小可以被控制在一个可以接受的数值，杂散场空间上朝外扩张的范围也可以被控制在一个可以接受的数值。另外，加热器网络是一个规则的、紧凑的串并联网络，可靠性和失超响应都有大幅提高。加热器网络105中的三个加热器模块相互备份，哪怕其中两个模块彻底断路，剩下的一个模块可以保护所有超导线圈101。可知：电路可靠性又进一步提高了。

附图说明

图1为现有技术失超保护电路示意图；

图2为另一现有技术失超保护电路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超导磁体系统失超保护电路示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种超导磁体系统失超保护电路示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种超导磁体系统失超保护电路示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种超导磁体系统失超保护电路示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种超导磁体系统失超保护电路示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种超导磁体系统失超保护电路示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种超导磁体系统失超保护电路示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

10为失超保护电路，101为超导线圈，102为第一二极管集成组件，103为低温超导开关，104为电流引线，105为加热器网络，106为第二二极管集成组件，1051、1052、1053均为加热器模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1的失超保护电路存在以下优点：能保证通过对称线圈的电流始终相等，即：流过L1和L8，L2和L7，L3和L6以及L4和L5的电流都始终相等。但该电路至少存在两个缺陷，分析如下：1)所有加热器串联连接构成单一回路，一旦线路某处出现开路，加热器网络将无法获得热功率，从而无法触发超导线圈失超，最终将导致超导线圈101彻底失去保护。2)所有加热器串联连接构成单一回路，加热器的设计将会变得非常困难，甚至找不到满足要求的设计，因为一方面，由于加热器网络串联连接，加热器网络两端的电阻非常大，哪怕通过加热器网络105的电流很小，都将导致线圈子集L3-L6两端的电压非常高，超导线圈存在高压击穿的风险；另一方面，为了限制L3-L6两端的电压，加热器电阻需要选择一个较小值，加热器的加热功率降低，失超保护响应较慢，最终导致线圈的热点温度较高，超导线存在高温熔化的风险。

而另外图2的失超保护电路至少存在五个缺点，分析如下：1)每个加热器模块分别和其中一个超导线圈并联，失超过程中，由于每个超导线圈的正常区扩散速度和体积不一样，导致每个超导线圈的端电压不一样，从而流过每个超导线圈的电流不一样，导致磁体系统内部出现极大的不平衡力，该不平衡力有可能对超导磁体系统产生结构破坏；2)由于前述分析的流过每个超导线圈的电流不一样，也会导致杂散场等高线会在空间上朝外扩张，带来安全隐患；3)每个加热器模块没有串联二极管集成组件，在升磁(Ramp-up)或降磁(Ramp-down)过程中，无法阻止加热器网络导电，有可能触发失超保护电路误动作导致磁体失超。4)当N

本发明基于以上分析而给出如下实施例以解决现有失超保护电路存在的技术问题。

实施例一

请参考图3，失超保护电路10包括M(M＝8)个串联连接的超导线圈L1-L8(101)。其中，超导线圈子集L1和L8为主动屏蔽线圈，其电流方向和超导线圈子集L2-L7的电流方向相反。超导线圈101两端接了一对电流引线104用于和励磁电源(未示出)连接。低温超导开关103和电流引线104并联。第一二极管集成组件102和低温超导开关103并联连接。第一二极管集成组件102的门限电压高于磁体两端最大的励磁电压，用于保护低温超导开关103。加热器网络105中的每一个加热器跟其中一个超导线圈热耦合，且每个超导线圈和至少一个加热器热耦合。加热器网络105和第二二极管集成组件106串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L3-L6并联连接。当磁体处于升磁(Ramp-up)或降磁(Ramp-down)时，第二二极管集成组件106阻止加热器网络105导电，防止失超保护电路误动作导致磁体失超。第二二极管集成组件106的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中L3-L6两端的最大电压。

在升磁(Ramp-up)过程中，低温超导开关103被一个加热器(未示出)加热，低温超导开关103表现为一个大电阻，大部分电流(励磁电源来的)经过超导线圈101，励磁电源给超导线圈101充磁，当超导磁体系统的视场(Field of View)区域磁场达到目标磁场时，关掉给低温超导开关103加热器加热的电源，低温超导开关103回到超导态，同时把励磁电源的电压调至0，移除电流引线104，以限制到超导磁体系统中的热损失，超导磁体系统进入持久模式(Persistent mode)。

在降磁(Ramp-down)过程中，低温超导开关103被一个加热器(未示出)加热，低温超导开关103表现为一个大电阻，大部分电流经过超导线圈101、电流引线104和励磁电源。励磁电源输出一个反向电压实现降磁。有时为了加速降磁，在励磁电源回路串联一个直流负载或二极管以建立更大的压降。当电源表盘上电流显示为0时，即可关掉励磁电源以及移除电流引线104。

加热器网络包括m(m>1)条支路，每条支路串联了n(n≥1)个加热器。特别地，当m＝8，n＝1时，图3变为图4，加热器网络H1-H8并联连接，每个超导线圈和其中一个加热器热耦合。

以图4为例，阐述该失超保护电路原理。假如超导线圈L4失超，线圈子集L3-L6两端将快速建立一个电压。该电压给加热器网络105中的每个加热器提供热功率使之发热。这些加热器由于和超导线圈热耦合，将加速L4失超以及使得未失超的其他所有线圈失超，让储存在超导线圈中的磁能转化为热能并尽可能地让所有线圈的所有体积吸收这些能量，从而实现对超导线圈101的保护。图4中，加热器网络中的所有8个加热器并联，可靠性大大提高。除非整个加热器网络开路，否则总能触发贴有未开路的加热器的超导线圈失超，不至于如图1所示那样，一旦线路开路，线圈彻底失去失超保护。

根据设计的需要，m可以选择任意>1的值，以及n可以选择任意≥1的值，但是m和n的乘积必须≥M，并且确保每一个线圈都至少有一个加热器与之热耦合。

图3中，加热器网络的电压取自线圈子集L3-L6，这只是一个示例。根据设计的需要，加热器网络的电压可以取自任意对称线圈之间的电压(就是与加热器网络并联的线圈子集可以沿着整个线圈集合空间对称的位置扩大或缩小)，甚至可以把一个或者多个对称位置的线圈分成若干个对称子线圈，加热器网络的电压可以取自包括子线圈在内的任一对称线圈之间的电压，如图5所示为其中一个示例。但加热器网络的电压不能取低温超导开关103之间的电压。若线圈被分为好几个子线圈，则加热器的物理位置不局限于线圈的表面，也可以贴在子线圈的表面。

图3所示的失超保护电路的优点在于：1)加热器网络取自的线圈子集在空间上是对称分布。失超过程中，流过对称线圈的电流始终保持一致，即：流过L1和L8，L2和L7，L3和L6以及L4和L5的电流都始终相等。所以，不存在不平衡力的问题，也不存在杂散场空间上朝外扩张的问题。2)加热器网络是一个规则的、紧凑的串并联网络。跟现有技术相比，可靠性和失超响应都有大幅提高。例如：只要还有一条支路导通，就不至于所有超导线圈失去失超保护。

实施例二

请参考图6，为本发明的另一实施方式的失超保护电路示意图。加热器网络105包含两个结构上完全一样的加热器模块，第二二极管集成组件106包含两个结构上完全一样的二极管组件模块。加热器网络105中的一个加热器模块和第二二极管集成组件106中的一个二极管模块串联连接，且这个串联装置与超导线圈子集L1-L2或L7-L8并联连接。当磁体处于升磁(Ramp-up)或降磁(Ramp-down)时，第二二极管集成组件106阻止加热器网络105导电，防止失超保护电路误动作导致超导磁体失超。第二二极管集成组件106中的任一模块的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中L1-L2和L7-L8两端的最大电压。加热器网络105中的每一个加热器模块的每一个加热器跟其中一个超导线圈热耦合，每个超导线圈和每一个加热器模块中的至少一个加热器热耦合。

加热器网络中的任一加热器模块包括m(m≥1)条支路，每条支路串联了n(n≥1)个加热器。根据设计的需要，m和n可以选择任意≥1的值，但是m和n的乘积必须≥M，同时确保每一个线圈与每一个加热器模块中的至少一个加热器热耦合。

特别地，1)当m＝1，n＝8时，图6变为图7，加热器网络含两个完全一样的加热器模块，每个加热器模块只含一条支路，每条支路由8个加热器串联组成。每个超导线圈上贴有两个加热器，他们分别来自两个不同的加热器模块。2)当m＝8，n＝1时，图6变为图8，加热器网络含两个完全一样的加热器模块，每个加热器模块含8条并联支路，每条支路只含一个加热器。每个超导线圈上贴有两个加热器，它们分别来自两个不同的加热器模块。

图6中，两个加热器模块相互备份，哪怕其中一个模块彻底断路，另一个模块可以保护所有超导线圈101。可知：图6所示的电路的可靠性比图3的电路可靠性又提高了。

图6中，加热器网络的电压取自线圈子集L1-L2和L7-L8，这只是一个示例。根据设计的需要，加热器网络的电压可以取自任意对称线圈或者对称子线圈之间的电压，但不能取自L1-L4和L5-L8(是唯一的特例)。因为这种情况下，假如出现对称失超(如L1和L8的对称位置上同时出现一个大小相同的正常区)，超导磁体不能被保护。

图6所示的失超保护电路的优点在于：1)加热器网络取自的线圈子集在空间上对称分布。失超过程中，流过L3和L4，L5和L6，L1和L2，L7和L8的电流始终相等，流过L1和L8，L2和L7的电流差别可以控制在合理水平，从而不平衡力的大小可以被控制在一个可以接受的数值，杂散场空间上朝外扩张的范围也可以被控制在一个可以接受的数值。2)加热器网络是一个规则的、紧凑的串并联网络，可靠性和失超响应都有大幅提高。加热器网络105中的两个加热器模块相互备份，哪怕其中一个模块彻底断路，另一个模块可以保护所有超导线圈101。可知：图6所示的电路的可靠性比图3的电路可靠性又提高了。

实施例三

请参考图9，为本发明的另一实施方式的失超保护电路图。失超保护电路10包括M(M＝8)个串联连接的超导线圈L1-L8(101)。其中，超导线圈子集L1和L8为主动屏蔽线圈，其电流方向和超导线圈子集L2-L7的电流方向相反。超导线圈101接了一对电流引线104用于和励磁电源连接。低温超导开关103和电流引线104并联。第一二极管集成组件102和低温超导开关103并联连接。第一二极管集成组件102的门限电压高于超导磁体两端最大的励磁电压，用于保护低温超导开关103。加热器网络105中的每一个加热器模块的每一个加热器跟其中一个超导线圈热耦合，每个超导线圈与每一个加热器模块中的至少一个加热器热耦合。

加热器网络105包含3个加热器模块，每个加热器模块有m(m≥1)个并联支路，每个并联支路有n(n≥1)个加热器串联，且加热器模块1051和1053结构上完全相同，m*n≥M。第二二极管集成组件106包含3个结构上完全一样的二极管组件模块。加热器网络105中的一个加热器模块和第二二极管集成组件106中的一个二极管模块串联连接后与相应的超导线圈子集(分别为L1-L2、L3-L6、L7-L8)并联。第二二极管集成组件106中的任一模块的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中L1-L2、L3-L6和L7-L8两端的最大电压。

图9中，加热器网络的电压取自线圈子集L1-L2、L3-L6和L7-L8，这只是其中一个例子。根据设计的需要，加热器网络的电压可以取自任意对称线圈或者对称子线圈之间的电压。

图9所示的失超保护电路的优点在于：1)加热器网络取自的线圈子集在空间上对称分布。失超过程中，流过L3和L4，L5和L6，L1和L2，L7和L8的电流始终相等，流过L1和L8，L2和L7的电流差别可以控制在合理水平，从而不平衡力的大小可以被控制在一个可以接受的数值，杂散场空间上朝外扩张的范围也可以被控制在一个可以接受的数值。2)加热器网络是一个规则的、紧凑的串并联网络，可靠性和失超响应都有大幅提高。加热器网络105中的三个加热器模块相互备份，哪怕其中两个模块彻底断路，剩下的一个模块可以保护所有超导线圈101。可知：图9所示的电路的可靠性比图6的电路可靠性又提高了。

图9中的加热器网络包括三个加热器模块。很容易想到：如果把加热器模块继续扩展到M个模块，失超保护电路的可靠性将大大增加。然而，如果加热器模块数继续增加，带来的弊端是电流的不一致性将大大增加，从而导致不平衡力和杂散场空间上朝外扩展变得不可控制。因此，本发明限制加热器模块数N≤3。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。