[发明专利]一种超导磁体系统

说明书

本发明公开了一种超导磁体系统，包括：线圈骨架；若干个通过该线圈骨架支撑固定的超导线圈；以及若干个与超导线圈具有良好热接触的闭合导电箔，每一导电箔在圆周方向上形成闭合回路；闭合导电箔与若干超导线圈具有电磁耦合设置。本发明通过在若干超导线圈的表面上缠绕、电镀、喷涂或3D打印具有电磁耦合且热传导设置的闭合导电箔，可在该超导磁体系统失超时，使该若干导电箔感应涡流电流，而涡流电流在闭合导电箔上产生焦耳热功率，该焦耳热功率将加速失超的超导线圈失超和触发还没失超的其他所有超导线圈同时失超，从而使超导磁体系统的能量尽可能均匀地释放到每一个超导线圈的所有体积上，以降低超导线圈的热点温度、端电压和内部应力。

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，更具体地，涉及一种具有保护超导磁体免于在失超期间发生损害功能的超导磁体系统。

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（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振）和MRI（Magnetic ResonanceImaging，磁共振成像）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超导磁体失超。这至少带来三个问题：（1）最开始出现正常区的超导线的温度会非常高，足以熔化超导线，从而破坏超导磁体。（2）由于磁体内部温度分布极不均匀、温度梯度大，导致磁体内部出现局部高应力，从而破坏超导磁体。（3）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，导致超导体之间发生闪络，最终破坏超导磁体。如果在超导磁体出现微小正常区的时候，采用某种保护电路让所有超导线圈尽快同时失超，能量尽可能均匀地释放到每一个超导线圈的所有体积上，将极大地降低超导磁体的温度、应力和端电压，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。

图 1示出了一种典型现有技术超导磁体失超保护电路10，包括由M（M=8）个超导线圈191-198串联连接而成的超导线圈全集101。其中，超导线圈子集191和192为主动屏蔽线圈，其电流方向和超导线圈子集193-198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195-198并联连接。超导线圈全集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的门限电压高于超导磁体两端最大的励磁电压，用于保护低温超导开关103。当超导磁体处于升磁（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的门限电压被选择为大于升磁或降磁过程中195-198两端的最大电压。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，超导线圈全集101将彻底失去保护。（2）所有加热器串联连接，导致线圈子集195-198两端的电压非常高，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。