[发明专利]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

说明书

本发明属于超导磁体系统失超保护领域，具体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，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，MN，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，m1；加热器网络中的每一个加热器跟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。本发明能有效解决现有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。

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。