專利名稱：用于超導(dǎo)磁體的失超傳播電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫冷卻超導(dǎo)磁體布置。尤其是，本發(fā)明涉及與超導(dǎo)磁體相關(guān)的失超 傳播電路，所述超導(dǎo)磁體由串聯(lián)電連接的復(fù)數(shù)個超導(dǎo)線圈構(gòu)成。
背景技術(shù)：
在操作中，將超導(dǎo)電線線圈冷卻到可能使其發(fā)生超導(dǎo)性的溫度。在被稱為逐漸加 電的過程中由外部電源將電流引入到線圈中。超導(dǎo)開關(guān)隨后通過超導(dǎo)線圈閉合電路，在所 謂的持久模式中電流持續(xù)流動。出于若干原因中的任一者，磁體線圈的一部分可能停止超導(dǎo)。舉例來說，超導(dǎo)電線 中的缺陷、部分電線的突然移動、機(jī)械沖擊或外部熱源的活動都可能引起磁體線圈的一部 分停止超導(dǎo)，且回復(fù)到其“正?！?，呈現(xiàn)電阻性模式。電流通過線圈持續(xù)循環(huán)流動，且在電阻 性部分的歐姆加熱使線圈的鄰近部分變?yōu)殡娮栊缘?。其結(jié)果是整個線圈變?yōu)殡娮栊缘?，?隨著先前儲存在磁場中的能量耗散和電流消失而加熱。通常，進(jìn)行布置以將失超散布在磁 體內(nèi)的所有線圈上，使得沒有單個線圈需要耗散儲存在磁場中的所有能量，否則會因過熱 而損壞線圈。這些布置就是本發(fā)明的主題失超傳播電路。圖1是包含致冷劑室12的一種低溫恒溫器的常規(guī)布置。經(jīng)冷卻的超導(dǎo)磁體10在 致冷劑室12內(nèi)，致冷劑室12本身留在外部真空腔室(0VC)14內(nèi)。一個以上熱輻射防護(hù)屏 16可提供在位于所述致冷劑室12與所述外部真空腔14之間的真空空間中。在一些已知的 布置中，致冷器17安裝在位于塔臺18中的出于保護(hù)目的而提供的致冷器套筒15中(朝向 低溫恒溫器的側(cè)部)?；蛘?，致冷器17可位于入口塔臺19內(nèi)，所述入口塔臺19保留在入口 頸部(排放管)20中，該入口塔臺頸部安裝在低溫恒溫器的頂部。致冷器17提供有效的致 冷以在一些布置中通過將致冷劑室12內(nèi)的致冷劑氣體再凝結(jié)為液體而使其冷卻。致冷器 17還可用以冷卻輻射防護(hù)屏16。如圖1所述，致冷器17可為二級致冷器。第一冷卻級熱 連接到輻射防護(hù)屏16，且提供到達(dá)第一溫度(通常在80到100K的范圍)的冷卻。第二冷 卻級提供使致冷劑氣體冷卻到低得多的溫度(通常在4到IOK的范圍)。通常穿過低溫恒溫器的本體向磁體10提供負(fù)電連接21a。通常由穿過排放管20 的導(dǎo)體提供正電連接21。具有多個線圈的超導(dǎo)磁體需要保護(hù)，以免受失超期間過量的電壓和溫度的損害。 失超通常在單個失超線圈中開始，且所釋放的能量通常需要在一秒左右有意地散布到其它 線圈，以使能量不會全部釋放到單獨(dú)的失超線圈中，從而防止其由于過量加熱或過量電壓 而損壞。超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)中的近來發(fā)展已帶來針對減少的電線量的較高磁場。快速散布失超 的需求對這些設(shè)計(jì)顯得較為重要，因?yàn)閮Υ嬖诖艌鲋械哪芰吭蕉?，電線減少的熱量意味著 在失超期間峰值電線溫度可能更高。應(yīng)據(jù)此更快地完成失超傳播，以便有效地保護(hù)這些磁 體。解決此問題的一種常見方法是在至少一些線圈上跨接小的加熱器，使得當(dāng)失超在一個線圈中產(chǎn)生電阻性或電感性電壓時，此電壓用以對嵌入在其它線圈中的這些小的加熱 器供電，以引起所述其它線圈失超。這將耗散能量散布于磁體的其余部分，因此能保護(hù)最初 失超的線圈。對于一些磁體設(shè)計(jì)，已知的失超傳播布置不能足夠快地反應(yīng)以保護(hù)線圈。舉例來 說，盡管使用了失超傳播布置，但在失超期間電壓可能上升，其超過可合理保護(hù)的電壓。這 已導(dǎo)致對線圈構(gòu)造中所使用的最小電線量的設(shè)計(jì)限制。減少最小電線量、減少磁體的材料 和運(yùn)輸成本以及制造吸引顧客和患者的較小且較輕磁體將是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供如所附權(quán)利要求書中所述的用于超導(dǎo)磁體的失超傳播布置。


從以下結(jié)合附圖僅借助于非限制性實(shí)例給出的本發(fā)明的實(shí)例實(shí)施例，將更明白本 發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中圖1是包含致冷劑室的低溫恒溫器的常規(guī)布置示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的失超傳播布置的電路圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的失超傳播布置的電路圖。
具體實(shí)施例方式在失超傳播電路的設(shè)計(jì)和實(shí)施中存在的難題是找到用于加熱器的合適的電連接 點(diǎn)。需要找到這樣的連接點(diǎn)無論哪個線圈發(fā)生失超均快速給出有用電壓以對加熱器供電， 還不會產(chǎn)生超過加熱器性能的過高峰值電壓和功率。在圖2的實(shí)施例中，復(fù)數(shù)個超導(dǎo)線圈22串聯(lián)。每一線圈的兩側(cè)各有一個節(jié)點(diǎn)24。 超導(dǎo)開關(guān)26操作以閉合由串聯(lián)線圈22和超導(dǎo)開關(guān)26組成的電路。如在常規(guī)上，在磁體處 于持久模式中時，超導(dǎo)開關(guān)26閉合(S卩，變?yōu)槌瑢?dǎo)性)以允許電流流過。在需要使用外部 電源28引入或移除電流時開關(guān)斷開(即，變?yōu)殡娮栊?。通常為電阻性電線長度的失超加 熱器30放置成與各個線圈22熱接觸。這些失超加熱器30電連接在一起，在此實(shí)例中是并 聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一電壓限制器32以電連接方式跨接在該組失超加熱器上。 電壓限制器32將加熱器30上可能出現(xiàn)的電壓限制到預(yù)定水平，例如5V。如圖所示，電壓限 制器可為一正向偏置二極管。如果需要將這些加熱器上的電壓限制到較大值，那么可將一 個以上二極管串聯(lián)放置?；蛘哌m當(dāng)時可提供其它類型的電壓限制器。每一個節(jié)點(diǎn)24都連接到兩個二極管。在每一種情況下，第一二極管34的正極連 接到節(jié)點(diǎn)24，負(fù)極連接到正極電源線36。在每一種情況下，第二二極管38的負(fù)極連接到節(jié) 點(diǎn)24，正極連接到負(fù)極電源線40。電壓限制器32和加熱器30的并聯(lián)組合連接于正極電源線36與負(fù)極電源線40之 間。一傳播二極管42可串聯(lián)提供在正極電源線36與電壓限制器32和加熱器30的并聯(lián)組 合之間，如下文將更詳細(xì)解釋?；蛘?，傳播二極管可串聯(lián)提供在負(fù)極電源線40與電壓限制 器32和加熱器30的并聯(lián)組合之間。在操作中，當(dāng)從外部電源將電流引入到磁體中時，驅(qū)動電壓不足以克服所用二極管的正向電壓，且在本發(fā)明的失超傳播電路中沒有電流流動。在 持久模式中，線圈22和超導(dǎo)開關(guān)26都是超導(dǎo)的。因?yàn)樵陔娐分袥]有或只有很小的電阻，所 以電壓不超過所用二極管的正向電壓，且在本發(fā)明的失超傳播電路中沒有電流流動。如果失超始于線圈22中的一個，那么這個線圈將開始變?yōu)殡娮栊缘摹Ｔ诖朋w中流 動的電流將在該線圈上產(chǎn)生電壓，原因是該線圈失超部分的電阻。這將引起線圈中的加熱 以及流過高電感性磁體的電流減少。此電流減少還將引起在其它線圈上出現(xiàn)電感性電壓。 相鄰節(jié)點(diǎn)24開始表現(xiàn)出電位差取決于哪個線圈正在失超以及通過磁體的電流方向。在這 些節(jié)點(diǎn)中正極性更強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)處，第一二極管34將正向偏置，第二二極管38將反向偏置。在 這些節(jié)點(diǎn)中負(fù)極性更強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)處，第一二極管34將反向偏置，第二二極管38正向偏置。由 于在超導(dǎo)磁體中通常流動的電流大小，電位差將快速超過二極管34和38的正向電壓。電 流將從正極性更強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)24流過第一二極管34到達(dá)正極電源線36。電流隨后將流過二極 管42和加熱器30的組合到達(dá)負(fù)極電源線40，且繼續(xù)到達(dá)負(fù)極性更強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)24。雖然在加 熱器30上出現(xiàn)的電壓不超過電壓限制器32設(shè)定的限制電壓，但沒有電流將流過電流限制 器32，因而加熱器30將快速加熱，從而有效地將失超傳播到其它線圈。一旦加熱器30上的 電壓超過電壓限制器32設(shè)定的限制電壓，電流便會流過電流限制器32，從而防止對加熱器 的損壞。圖2的電路因此提供加熱器30的快速激活，還保護(hù)其免于過熱和過量電壓。在失 超事件期間，每一個節(jié)點(diǎn)被箝位，使得其電壓可不超過接地電壓GND達(dá)到多于二極管正向 電壓和電壓限制器32的限制電壓的總和。對本發(fā)明的失超傳播布置的任何部分均不需要 高電壓布線。如圖2所示，在正極電源線36與電壓限制器32和加熱器30布置的并聯(lián)組合之間 串聯(lián)提供一傳播二極管42。此二極管用以確保斜線上升電壓(通常10V)不足以正向偏置 二極管34和38的串聯(lián)。通常，在低溫溫度下每個二極管需要大約5V的正向偏置電壓。二 極管42因此防止電流在加熱器中流動，直到正極電源線36與負(fù)極電源線40之間的電位差 達(dá)到大約15V為止。由于由本發(fā)明提供的二極管布置，因此不必為超導(dǎo)開關(guān)提供特定的保護(hù)二極管。 二極管34、42、32、38的串聯(lián)對超導(dǎo)開關(guān)26上可能出現(xiàn)的電壓提供了限制。正如在本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的那樣，在本發(fā)明的失超傳播布置中應(yīng)使用已知類型 的大電流二極管，其具有足以在失超事件期間滿足預(yù)期最差情況操作條件的載流能力。圖3是一替代布置，其中加熱器30串聯(lián)，電壓限制器32跨接在這些加熱器的串聯(lián) 組合上。在此實(shí)施例中，由電壓限制器32強(qiáng)加的電壓限制可能需要比在圖2所示的實(shí)施例 中的電壓限制更高。這可通過放置與二極管32串聯(lián)的較多二極管來實(shí)現(xiàn)。圖2和圖3中所示的變型當(dāng)然可經(jīng)組合以形成其它替代實(shí)施例。本發(fā)明因此提供一種用于超導(dǎo)磁體的失超傳播布置，所述超導(dǎo)磁體包括復(fù)數(shù)個串 聯(lián)的超導(dǎo)線圈，所述布置在操作中是快速的，避免了過量電壓產(chǎn)生，進(jìn)而允許使用減少量的 超導(dǎo)電線，從而實(shí)現(xiàn)減少量的、較高場強(qiáng)設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
一種用于超導(dǎo)磁體(10)的失超傳播布置，所述超導(dǎo)磁體(10)包括復(fù)數(shù)個串聯(lián)的超導(dǎo)線圈(22)，所述布置包括一正極電源線(36)，其連接到復(fù)數(shù)個第一二極管(34)的負(fù)極，所述第一二極管(34)的各個正極連接到所述超導(dǎo)線圈串聯(lián)的各相應(yīng)節(jié)點(diǎn)(24)；一負(fù)極電源線(40)，其連接到復(fù)數(shù)個第二二極管(38)的正極，所述第二二極管(38)的各個負(fù)極連接到所述超導(dǎo)線圈串聯(lián)的各相應(yīng)節(jié)點(diǎn)(24)；復(fù)數(shù)個加熱器(30)，其相應(yīng)熱連接到所述超導(dǎo)線圈中的每一者，且電連接在所述正極電源線與所述負(fù)極電源線之間；以及一電壓限制器(32)，其連接在所述正極電源線與所述負(fù)極電源線之間，并與所述加熱器并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布置，其進(jìn)一步包括一二極管(42)，所述二極管(42)串聯(lián)在 所述電源線中的一者與所述加熱器和所述電壓限制器的并聯(lián)組合之間。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的布置，其中所述加熱器本身并聯(lián)，每個所述加熱器與 所述電壓限制器并聯(lián)。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的布置，其中所述加熱器本身串聯(lián)，所述加熱器的串聯(lián) 組合與所述電壓限制器并聯(lián)。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的布置，其中所述電壓限制器由至少一個二極管組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于超導(dǎo)磁體的失超傳播布置，所述超導(dǎo)磁體包括復(fù)數(shù)個串聯(lián)的超導(dǎo)線圈，所述布置包括一正極電源線，其連接到復(fù)數(shù)個第一二極管的負(fù)極，所述第一二極管的各個正極連接到所述超導(dǎo)線圈串聯(lián)的各相應(yīng)節(jié)點(diǎn)；一負(fù)極電源線，其連接到復(fù)數(shù)個第二二極管的正極，所述第二二極管的各個負(fù)極連接到所述超導(dǎo)線圈串聯(lián)的各相應(yīng)節(jié)點(diǎn)；復(fù)數(shù)個加熱器，其相應(yīng)熱連接到所述超導(dǎo)線圈中的每一者，且電連接在所述正極電源線與所述負(fù)極電源線之間；以及一電壓限制器，其連接在所述正極電源線與所述負(fù)極電源線之間，并與所述加熱器并聯(lián)。
文檔編號H01F6/04GK101895104SQ201010169430
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者休·亞歷山大·布萊克斯 申請人:英國西門子公司