一种超导磁体系统的保护电路

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，具体是一种超导磁体系统的保护电路。

背景技术

由于电流密度高，磁场强度大等特点，超导磁体越来越多的应用于各个行业，涉及医疗磁共振（MRI）超导磁体、超导除铁器、超导NMR等领域。

超导磁体在超导态时电阻几乎为零，可以承受高达几百安培/mm2的电流密度，故超导磁体的能量可达几兆焦。在外界不稳定干扰的情况下（可能是机械扰动或者是热量源），超导磁体可能由超导态转变为正常态，称之为失超（Quench），这时候超导磁体的能量就会泄放到正常区域，导致某地的局部温升过高，可能会烧坏超导线圈，进一步损坏超导磁体。所以，超导磁体需要保护电路来保障超导线圈的安全。

传统的保护电路采用失超加热器驱动超导线圈失超，即把加热器放到超导线圈上，一旦发生失超时，失超电压驱动加热器加热超导线圈，使得整个线圈失超，避免了局部热点温度过高，并达到了快速泄放能量的目的。该方案如图1所示，C1～C5为超导线圈，R1～R5为失超加热器，D1，D2为正反方向的二极管堆，S1为超导开关，L1为电流引线。当发生失超时，二极管堆D2在失超电压的驱动下导通，进一步使超加热器R1～R5开始对超导线圈C1～C5加热，从而加速超导线圈的失超，达到保护失超线圈的目的。

在另外一种保护回路中，对每一个超导线圈都并联一个正反向二极管堆及加热器，或者增加限流器限制加热器的电流等。

在一些现有技术中，将失超加热器驱动改为电感器，该电感器与超导线圈形成耦合电路，失超发生时，电感器能够产生感生电压，驱动加热器开始工作。这样既可以避免电流过高烧坏加热器，有可能在较低电压可能驱动失超回路，从而在失超初期即可使加热器起到作用。

还有其它种种等失超保护电路专利用于保护超导线圈在失超时候不被损坏，但是这些种种保护都是基于保护超导线圈为主，正如前文所述，超导磁体本身有几兆焦的能量，这些能量的释放是将电磁能转化为焦耳热，进一步消耗超导磁体的冷却液，诸如，液氦。因液氦为非可再生资源，一般是从石油或者天然气提取，价格比较昂贵，一次失超有可能造成多达1000L的液氦损失，造成了巨大的费用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超导磁体系统的保护电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超导磁体系统的保护电路，包括超导磁体系统和保护电路，

超导磁体系统，与保护电路相连接；

保护电路，用于在超导磁体系统在发生失超时对其进行保护，包括切断保护部分和能量引流部分；

切断保护部分，与超导磁体系统电连接，用于当整个线圈被加热失超时，断开回路超导磁体系统的回路；

能量引流部分，与超导磁体系统电连接，用于泄放掉超导产生的磁体能量。

作为本发明的进一步技术方案：所述切断保护部分包括断流器，能量引流部分包括保护加热器、正反二极管堆三、正反二极管堆一、正反二极管堆和释能电阻。

作为本发明的进一步技术方案：所述正反二极管堆一的一端连接热屏蔽层，正反二极管堆一的另一端连接正反二极管堆三、超导开关、电流引线和超导磁体，正反二极管堆三的另一端连接保护加热器，保护加热器的另一端连接断流器，断流器的另一端连接超导开关的另一端、超导磁体的另一端、电流引线和正反二极管堆二，正反二极管堆二的另一端连接热屏蔽层。

作为本发明的进一步技术方案，所述超导磁体系统包括两个用于实现超导状态且相对设置的超导磁体以及位于两个超导磁体之间的成像区域。

作为本发明的进一步技术方案，所述超导磁体包括超导线圈、内层容器和热屏蔽层，

热屏蔽层，用于屏蔽磁体的辐射漏热，位于外层容器的内部，

内层容器，用于吸收磁体的辐射漏热，位于热屏蔽层的内部，

超导线圈，用于在发生失超时，快速上升端电压，避免局部热点温度过高对超导磁体造成损坏，位于内层容器内部。

作为本发明的进一步技术方案，所述内层容器为4K容器，内部盛装有冷却液。

作为本发明的进一步技术方案，所述外层容器为300K容器。

作为本发明的进一步技术方案，所述超导线圈由主磁场线圈、屏蔽场线圈和屏蔽场线槽组成。

作为本发明的进一步技术方案，所述热屏蔽层与冷头组件的一级热连接相连接，冷头组件用于平衡热屏蔽层的温度。

作为本发明的进一步技术方案，所述热屏蔽层材选用铝材或铜材制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明充分利用超导磁体自身一部分作为释能电阻，超导磁体发生失超的时候既可以保护到超导线圈又可以将超导线圈的能量释放到释能电阻上，从而减少了失超过程中的液氦损失。

附图说明

图1是现有技术的电路图。

图2是为超导磁体示意图。

图3是为保护电路的一种实施方案。

图中：1-主磁场线圈，2-屏蔽场线圈，6-屏蔽场线槽，8-冷头组件， 20-成像区域，21-磁体中心线，31-超导线圈，32-4K容器，33-热屏蔽层，34-电流引线，35-断流器，36-正反二极管堆，37-300K容器，38-保护加热器，39-正反二极管，40-正反二极管堆，超导开关41。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2-3，实施例1：一种超导磁体系统的保护电路，包括超导磁体系统和保护电路，

其中，超导磁体系统，与保护电路相连接；

保护电路，用于在超导磁体系统在发生失超时对其进行保护，包括切断保护部分和能量引流部分；

切断保护部分，与超导磁体系统电连接，用于当整个线圈被加热失超时，断开回路超导磁体系统的回路；

本设计采用的切断保护部分为断流器，除此之外还可以采用熔断器、断路器、电子开关等实现同样的功能。

能量引流部分，与超导磁体系统电连接，用于泄放掉超导产生的磁体能量。从而有效的保护超导磁体不受超导热损坏。

本设计采用的能量引流部分为正反二极管堆，除此之外还可以采用超级电容、储能电池组等实现上述功能。

实施例2，在实施例1的基础上，超导线圈保护部分包括断流器35、保护加热器38和正反二极管堆三39，释能部分包括正反二极管堆一36，正反二极管堆二40，以及释能电阻，正反二极管堆一36的一端连接热屏蔽层33，正反二极管堆一36的另一端连接正反二极管堆三39、超导开关41、电流引线34和超导磁体31，正反二极管堆三39的另一端连接保护加热器38，保护加热器38的另一端连接断流器35，断流器35的另一端连接超导开关41的另一端、超导磁体31的另一端、电流引线34和正反二极管堆二40，正反二极管堆二40的另一端连接热屏蔽层33。

实施例3，在实施例1的基础上，超导磁体系统两个用于实现超导状态且相对设置的超导磁体31以及位于两个超导磁体31之间的成像区域21。

其中，超导磁体包括超导线圈31，4K容器32，热屏蔽层33，正反向二极管堆39，300K容器37，加热器组件38，断流器35，超导开关组件41，

超导线圈32（包括主磁场线圈1和屏蔽线圈2）位于4K容器32中，4K容器盛装有冷却液（液氦），在4K容器外面为热屏蔽层33，磁体的最外层为300K容器37。

实施例4，在实施例1的基础上，热屏蔽层33材质一般选用导热性能较好的铝材或铜材制成，用于屏蔽磁体的辐射漏热，并与冷头组件8的一级热连接相连接，达到一个热屏蔽层温度的平衡，一般温度可以到40K左右。

300K容器37组件材质一般选用不锈钢或者强度较高的金属材料，一般4K容器32和热屏蔽层33吊装在300K容器37上。

工作原理如下：当超导线圈发生失超时，超导线圈的端电压快速上升，首先开始二极管堆三39，激发失超加热器38加热超导线圈31，使得整个线圈被加热失超，避免了局部热点温度过高对超导磁体造成损坏；进一步，当失超电压进一步升高时候正反二极管堆一36，正反二极管堆二40开始导通，超导线圈31的能量开始泄放到释能电阻上，释能电阻为超导磁体本身的一部分，如热屏蔽层33或300K容器37；进一步的，失超电压继续上升，断流器35断开回路，避免磁体能量泄放到加热器上，而引导能量泄放到释能电阻33或37上；由于超导磁体储存有几兆焦的能量，这些能量将转化为释能电阻33或37的热能，从而引起释能电阻温度升高。根据公式Eq=M×C×detK，式中，Eq为超导磁体泄放到释能电阻的能力，M为释能电阻的质量，C为释能电阻的比热容，该比热容为一个随着温度升高而变化的数值，detK为温升数值。经过估算可以得出，兆焦级能量可以引起大约几十K的温升变化，这个数值是在可承受范围之内，从而实现了保护超导磁体的目的。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。