【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及低溫冷卻的超導(dǎo)磁體，特別涉及一種在失超事件發(fā)生期間保護(hù)超導(dǎo)磁體免受損壞的保護(hù)電路及方法。

背景技術(shù)：

磁共振設(shè)備的超導(dǎo)磁體通常由多個(gè)由超導(dǎo)線纜繞制而成的線圈或螺線管組成，超導(dǎo)線圈中的電流可產(chǎn)生整個(gè)超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)，且超導(dǎo)磁體運(yùn)行在工作電流時(shí)存儲(chǔ)有較大的能量。如目前常用的1.5t(特斯拉)和3.0tmri超導(dǎo)磁體中，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)，施加在超導(dǎo)線中的運(yùn)行電流通常要到數(shù)百安培，然而單根超導(dǎo)線纜的截面積通常卻僅有平方毫米量級(jí)，為維持超導(dǎo)線纜的零電阻狀態(tài)，超導(dǎo)線纜通常由外部包覆的銅基體和內(nèi)部被包覆的鈮鈦合金所組成，在其正常工作的液氦溫度下(約4.2k)，所有電流都會(huì)在鈮鈦合金內(nèi)運(yùn)行且不產(chǎn)生熱量。然而，當(dāng)某部分超導(dǎo)體由于外部熱輸入造成的溫升失去其超導(dǎo)狀態(tài)后，零電阻效應(yīng)消失，原本在鈮鈦合金中的電流大部分會(huì)進(jìn)入銅基體中運(yùn)行，并且開始產(chǎn)生熱量。此熱量持續(xù)沿著各個(gè)方向在超導(dǎo)線圈內(nèi)部傳播，引發(fā)越來越多的超導(dǎo)體溫升且失去超導(dǎo)狀態(tài)，最終原先運(yùn)行的數(shù)百安培電流耗盡至零，而超導(dǎo)磁體儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)能也全部轉(zhuǎn)化為熱能，引起液氦的大量蒸發(fā)，該過程被稱為失超。然而通常情況下，失超現(xiàn)象在超導(dǎo)磁體的某一局部區(qū)域最先發(fā)生，最早轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的區(qū)域受到歐姆加熱的時(shí)間最長，溫度最高。超導(dǎo)磁體局部過熱可能造成磁體不可逆轉(zhuǎn)的損壞，還可能產(chǎn)生高電壓引起磁體層間絕緣擊穿，最為嚴(yán)重的是失超產(chǎn)的大量焦耳熱散發(fā)出來導(dǎo)致液氦蒸發(fā)，體積急劇膨脹，使冷卻管內(nèi)部壓力上升，造成低溫制冷系統(tǒng)損壞。因此，在超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)中必 須考量出現(xiàn)失超情況下對(duì)超導(dǎo)磁體線圈的保護(hù)。

目前常見的做法是建立失超保護(hù)電路，如果超導(dǎo)線圈內(nèi)部出現(xiàn)失超的部分，由其引發(fā)的內(nèi)部電壓差能夠觸發(fā)失超保護(hù)電路里的發(fā)熱元件，通過發(fā)熱元件的加熱盡快的在超導(dǎo)磁體內(nèi)的所有線圈中創(chuàng)建更多的失超區(qū)域，只要使得有足夠多的非超導(dǎo)區(qū)域來承擔(dān)整體的磁能轉(zhuǎn)換而成的熱能，而不是所有的熱量都集中在局部區(qū)域釋放，那么原先運(yùn)行的強(qiáng)大電流就能夠在數(shù)秒內(nèi)衰減下來，而不會(huì)造成超導(dǎo)磁體線圈在失超過程中受到損壞?；谏鲜隼碚?，失超在線圈內(nèi)部引起的初始電壓一旦出現(xiàn)，失超保護(hù)電路需要盡可能快地讓電路中的發(fā)熱元件加熱相應(yīng)的超導(dǎo)線圈部分，即盡快的讓失超在超導(dǎo)磁體線圈中傳播開來。從這個(gè)角度出發(fā)，失超保護(hù)又可以分為主動(dòng)失超保護(hù)和被動(dòng)失超保護(hù)，主動(dòng)失超保護(hù)一般指的是利用計(jì)算機(jī)等類似的外部電子設(shè)備來探測(cè)失超出現(xiàn)的電壓信號(hào)，然后同樣是通過計(jì)算機(jī)等類似的外部電子設(shè)備發(fā)出指令讓失超保護(hù)電路中發(fā)熱元件加熱超導(dǎo)線圈；被動(dòng)失超保護(hù)一般指的是利用超導(dǎo)線圈內(nèi)部產(chǎn)生的電壓來驅(qū)動(dòng)失超保護(hù)電路里的發(fā)熱元件工作。但是主動(dòng)失超非常依賴于外部電子設(shè)備對(duì)電壓信號(hào)探測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，萬一發(fā)生誤報(bào)或者是漏報(bào)，都會(huì)造成額外的液氦損耗或者造成超導(dǎo)磁體的損壞。被動(dòng)失超保護(hù)一方面存在失超開始時(shí)間點(diǎn)和超導(dǎo)線圈內(nèi)部電壓峰值調(diào)和的矛盾；另一方面，由于低電流運(yùn)行下的失超，其超導(dǎo)線圈內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電壓增長的速率相對(duì)較慢，所能達(dá)到的峰值也相對(duì)較小，在這種情況下失超保護(hù)電路的后繼反應(yīng)速度也會(huì)相應(yīng)變慢，往往需要通過實(shí)驗(yàn)的擬合、校準(zhǔn)才能達(dá)到最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有超導(dǎo)磁體失超保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，其具有失超保護(hù)措施，可有效避免超導(dǎo)磁體在失超過程中損壞。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，包括超導(dǎo)磁體回路和失超保護(hù)回路：

所述超導(dǎo)磁體回路包含若干個(gè)線圈單元和失超檢測(cè)組件，所述線圈單元相互串聯(lián)，且當(dāng)任一線圈單元發(fā)生失超時(shí)，所述失超檢測(cè)組件產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；

所述失超保護(hù)回路包含儲(chǔ)能組件、激發(fā)組件、電流引線和多個(gè)加熱組件；所述加熱組件與所述線圈單元熱耦合，所述儲(chǔ)能組件通過電流引線串聯(lián)連接多個(gè)加熱組件或所述激發(fā)組件，所述激發(fā)組件可響應(yīng)所述觸發(fā)信號(hào)而控制所述儲(chǔ)能組件驅(qū)動(dòng)所述加熱組件發(fā)熱。

進(jìn)一步地，所述失超檢測(cè)組件可采用溫升檢測(cè)、壓力檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、流速檢測(cè)或電壓檢測(cè)中的至少一種方法監(jiān)測(cè)所述線圈單元。

進(jìn)一步地，所述失超檢測(cè)組件為設(shè)置在所述線圈單元不同節(jié)點(diǎn)的電阻器，所述電阻器與所述激發(fā)組件之間熱耦合。

進(jìn)一步地，所述激發(fā)組件為失超保護(hù)開關(guān)，所述失超保護(hù)開關(guān)設(shè)置在所述加熱組件連接所述儲(chǔ)能組件的電流引線接口之間。

根據(jù)本發(fā)明另一方面，一種超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，包括：

超導(dǎo)磁體，由多個(gè)線圈單元串聯(lián)組成，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)；

失超檢測(cè)組件，設(shè)置在線圈單元的節(jié)點(diǎn)之間，用于監(jiān)測(cè)至少包含一個(gè)線圈單元的節(jié)點(diǎn)的電壓差，并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；

若干個(gè)加熱組件，與線圈單元熱耦合，且所述加熱組件組成串聯(lián)回路，所述串聯(lián)回路還包括可連接儲(chǔ)能組件的接口；

儲(chǔ)能組件，被配置為在所述超導(dǎo)磁體發(fā)生失超期間驅(qū)動(dòng)所述加熱組件；

激發(fā)組件，設(shè)置在可連接儲(chǔ)能組件的接口之間且與所述失超檢測(cè)組件熱耦合，所述激發(fā)組件響應(yīng)所述觸發(fā)信號(hào)而斷開與所述儲(chǔ)能組件的連接。

進(jìn)一步地，所述儲(chǔ)能組件為磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源，所述磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源可以將存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能。

進(jìn)一步地，所述儲(chǔ)能組件為恒流源。

進(jìn)一步地，所述失超檢測(cè)組件為電阻器，所述電阻器響應(yīng)所述線圈單元不同節(jié)點(diǎn)的電壓差而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)為所述電阻器產(chǎn)生的熱量。

進(jìn)一步地，所述失超檢測(cè)組件還串聯(lián)有二極管集成組件，所述二極管集成組件由以反并聯(lián)方式放置的兩個(gè)二極管組成。

本發(fā)明還提出一種超導(dǎo)磁體系統(tǒng)失超保護(hù)的方法，所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包括若干個(gè)由線圈單元串聯(lián)組成的超導(dǎo)磁體，所述方法包括如下步驟：

提供失超保護(hù)電路和失超檢測(cè)組件，所述失超檢測(cè)組件被設(shè)置在所述線圈單元的不同節(jié)點(diǎn)之間，所述失超保護(hù)電路包含儲(chǔ)能組件、激發(fā)組件和多個(gè)加熱組件，且所述加熱組件與所述儲(chǔ)能組件連接組成第一電流路徑，所述激發(fā)組件與所述儲(chǔ)能組件連接組成第二電流路徑；

當(dāng)線圈單元未發(fā)生失超時(shí)，所述儲(chǔ)能組件的電流全部流過所述第二電流路徑；

當(dāng)任一線圈單元發(fā)生失超時(shí)，所述失超檢測(cè)組件承受電壓，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；

所述激發(fā)組件響應(yīng)所述觸發(fā)信號(hào)而斷開與所述儲(chǔ)能組件的連接，使所述儲(chǔ)能組件流出的電流全部流過所述第一電流路徑；

所述儲(chǔ)能組件驅(qū)動(dòng)所述加熱組件發(fā)熱，且所述加熱組件對(duì)線圈單元加熱。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：失超保護(hù)電路與超導(dǎo)磁體回路之間電氣隔離或不存在磁通干擾，通過在線圈單元的不同節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置失超檢測(cè)組 件產(chǎn)生可觸發(fā)失超保護(hù)電路工作的觸發(fā)信號(hào)，超導(dǎo)磁體線圈回路與失超保護(hù)回路完全隔離，失超保護(hù)電路的工作不受超導(dǎo)磁體運(yùn)行電流或磁通的影響，失超保護(hù)機(jī)制更穩(wěn)定、可靠；失超保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)加熱組件的能量來自于外部，而非超導(dǎo)磁體本身，在觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)失超保護(hù)電路的瞬間，儲(chǔ)能組件流出的電流全部或大部由未失超前流經(jīng)連接失超保護(hù)開關(guān)的第二電流路徑改為流經(jīng)連接加熱組件的第一電流路徑，加熱組件即開始以設(shè)定峰值功率工作，而不存在某些低電壓時(shí)段加熱器不工作的現(xiàn)象，失超傳播更迅速，進(jìn)一步減小超導(dǎo)磁體承載高電流的風(fēng)險(xiǎn)。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明超導(dǎo)磁體系統(tǒng)失超保護(hù)的方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)電氣示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)電氣示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例三的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)電氣示意圖。

【具體實(shí)施方式】

使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。

本發(fā)明的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，包括超導(dǎo)磁體回路和失超保護(hù)回路，其中超導(dǎo)磁體回路包含若干個(gè)線圈單元和失超檢測(cè)組件，線圈單元相互串聯(lián)，且失超檢測(cè)組件可在任一線圈單元發(fā)生失超時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；失超保護(hù)回路包含儲(chǔ)能組件、激發(fā)組件、電流引線和多個(gè)加熱組件；加熱組件與線圈單元熱耦合，儲(chǔ)能組件通過電流引線串聯(lián)連接多個(gè)加熱組件，激發(fā)組件，與失超檢測(cè)組件連接，且激發(fā)組件可響應(yīng)所述觸發(fā)信號(hào)而控制所述儲(chǔ)能組件驅(qū)動(dòng)加熱組件發(fā)熱。失超 檢測(cè)組件可采用溫升檢測(cè)、壓力檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、流速檢測(cè)或者電壓檢測(cè)等任一方法檢測(cè)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是否發(fā)生失超，例如：溫升檢測(cè)可測(cè)量超導(dǎo)磁體的溫度變化；壓力檢測(cè)可測(cè)量低溫容器內(nèi)壓力的變化；流速檢測(cè)可測(cè)量液氦等冷卻介質(zhì)流速的變化；超聲波檢測(cè)可測(cè)量超聲波信號(hào)的輸入輸出間的變化；電壓檢測(cè)可測(cè)量超導(dǎo)磁體的線圈單元節(jié)點(diǎn)之間施加電阻等器件電壓分量的變化。激發(fā)組件與失超檢測(cè)組件之間的連接可采用信號(hào)傳輸導(dǎo)線電氣連接，還可熱耦合連接、無線傳輸?shù)绕渌我饪蓚鞑ビ|發(fā)信號(hào)的連接方式。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包括：由多個(gè)串聯(lián)連接的線圈單元組成的超導(dǎo)磁體，線圈單元可在注入持續(xù)電流作用下產(chǎn)生磁場(chǎng)；失超檢測(cè)組件，設(shè)置在線圈單元的節(jié)點(diǎn)之間，即與線圈單元呈并聯(lián)連接關(guān)系，當(dāng)監(jiān)測(cè)到線圈單元不同節(jié)點(diǎn)之間存在一定量級(jí)的電壓差時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；若干個(gè)加熱組件，可與線圈單元對(duì)應(yīng)，并熱耦合至線圈單元，上述加熱組件串聯(lián)連接組成串聯(lián)回路，串聯(lián)回路還包括可連接儲(chǔ)能組件的接口；儲(chǔ)能組件，被配置為在超導(dǎo)磁體失超期間驅(qū)動(dòng)所有加熱組件在電流或電壓作用下產(chǎn)生歐姆熱量；激發(fā)組件，設(shè)置在可連接儲(chǔ)能組件的接口之間，可響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)而斷開與儲(chǔ)能組件的連接，具體可設(shè)置為失超保護(hù)開關(guān)。更具體地，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的線圈單元由超導(dǎo)線纜繞制而成，且多個(gè)線圈單元串聯(lián)連接并封閉在裝有液態(tài)氦或者其他冷卻劑的低溫保持容器中。此外，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)還包括低溫開關(guān)以及連通到低溫保持容器外部的電流引線所組成的回路。具體為：當(dāng)線圈單元處于超導(dǎo)臨界溫度以下時(shí)，線圈單元的電阻減小到可以忽略的等級(jí)，外部的勵(lì)磁電源可通過正負(fù)極電流引線向線圈單元注入電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)磁體的勵(lì)磁操作。為了在斷開外部的勵(lì)磁電源之后保持超導(dǎo)磁體中的電流流動(dòng)，在勵(lì)磁電源的正負(fù)輸出端之間還設(shè)置有低溫開關(guān)，而低溫開關(guān)實(shí)際上是一段與線圈單元并聯(lián)且在其上附著或熱耦合有 發(fā)熱器的超導(dǎo)體導(dǎo)線，超導(dǎo)體導(dǎo)線通常由nbti、nb3sn等材料制成。當(dāng)與超導(dǎo)體導(dǎo)線附著或熱耦合的發(fā)熱器開始工作，低溫開關(guān)處于電阻模式，如果此時(shí)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)通過電流引線與勵(lì)磁電源連通，低溫開關(guān)具有足夠大的電阻使來自勵(lì)磁電源的電流大部分流過線圈單元，而只有很小的電流經(jīng)過低溫開關(guān)(低溫開關(guān)此時(shí)相當(dāng)于斷開狀態(tài))；在勵(lì)磁電源作用下，超導(dǎo)磁體線圈單元中的回路電流不斷提升并產(chǎn)生磁場(chǎng)；當(dāng)超導(dǎo)磁體線圈單元提升至設(shè)定電流值，低溫開關(guān)的發(fā)熱器停止工作，低溫開關(guān)在冷卻劑作用下從電阻模式轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)模式(低溫開關(guān)此時(shí)相當(dāng)于閉合狀態(tài))；當(dāng)與電流引線連接的勵(lì)磁電源向下勻變時(shí)，流經(jīng)低溫開關(guān)的電流將增加與流經(jīng)外部電源的電流中所減少的電流量相同的量，一旦勵(lì)磁電源完全向下勻變，就可以除去電流引線，以使超導(dǎo)磁體系統(tǒng)處于“持久模式”的狀態(tài)，并限制超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的熱損失。

處于“持久模式”的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的電流基本上保持不變，然而，當(dāng)超導(dǎo)磁體線圈單元中存在某種缺陷、產(chǎn)生位置移動(dòng)或機(jī)械碰撞甚至外部熱源的作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)磁體局部線圈單元零電阻效應(yīng)消失，即從超導(dǎo)模式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枘Ｊ健．?dāng)電流連續(xù)流動(dòng)通過各個(gè)線圈單元，電阻性部分鈮鈦合金中的電流大部分會(huì)進(jìn)入線圈單元的銅基體中產(chǎn)生歐姆熱，該部分的歐姆熱導(dǎo)致線圈單元的相鄰部分變?yōu)殡娮栊赃M(jìn)而導(dǎo)致熱量持續(xù)沿著各個(gè)方向在超導(dǎo)磁體線圈單元內(nèi)部傳播，最終使得運(yùn)行在線圈單元中的電流全部轉(zhuǎn)化為歐姆熱量。

為保證在其中一個(gè)線圈單元失超時(shí)，觸發(fā)整個(gè)磁體失超且盡可能均勻地?cái)U(kuò)散磁體熱量，此外，還盡量保證超導(dǎo)磁體所有線圈單元不會(huì)因?yàn)檫^熱而損壞。如圖1所示，本發(fā)明提出一種在失超事件期間保護(hù)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)免受損壞的方法：

在線圈單元的不同節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置電阻器作為失超檢測(cè)組件，通過監(jiān)測(cè)線圈 單元不同節(jié)點(diǎn)間的電壓差而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；提供與超導(dǎo)磁體線圈單元電氣隔離的失超保護(hù)電路，失超保護(hù)電路包括儲(chǔ)能組件、加熱組件以及可用作激發(fā)組件的失超保護(hù)開關(guān)，且儲(chǔ)能組件與加熱組件組成第一電流路徑，儲(chǔ)能組件可與失超保護(hù)開關(guān)組成第二電流路徑。具體保護(hù)方法為：

在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)正常運(yùn)行且線圈單元未發(fā)生失超時(shí)，失超檢測(cè)組件不產(chǎn)觸發(fā)信號(hào)，儲(chǔ)能組件的電流全部流過所述第二電流路徑或僅僅有微小的部分在第一電流路徑流通。

當(dāng)超導(dǎo)磁體任一線圈單元發(fā)生失超，對(duì)應(yīng)失超線圈單元會(huì)產(chǎn)生電阻效應(yīng)，從而引起線圈單元不同節(jié)點(diǎn)的電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓差；上述電壓差加載到處于對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的電阻器(失超信號(hào)觸發(fā)組件)上，電阻器上流過相應(yīng)的電流且產(chǎn)生歐姆熱量，該電阻器上產(chǎn)生的熱量即為失超檢測(cè)組件產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)；

觸發(fā)信號(hào)被失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)響應(yīng)，產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)；該開關(guān)信號(hào)控制儲(chǔ)能組件驅(qū)動(dòng)與線圈單元熱耦合的加熱組件：失超保護(hù)開關(guān)與儲(chǔ)能組件的連接斷開，使儲(chǔ)能組件的電流全部流過第一電流路徑或僅有微小部分在第二電流路徑流通。儲(chǔ)能組件通過加熱組件可以將存儲(chǔ)的能量或電能轉(zhuǎn)化為熱量對(duì)所有線圈單元加熱，進(jìn)而在加熱組件附近的所有超導(dǎo)磁體線圈單元上引發(fā)進(jìn)一步的失超傳播。需要說明的是，當(dāng)線圈單元未發(fā)生失超時(shí)，失超檢測(cè)組件承載的電壓很小，以至到可以忽略的量級(jí)，可認(rèn)為失超檢測(cè)組件不承受電壓。

如圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)電氣示意圖。具體地，若干個(gè)由nbti或nb3sn等銅基超導(dǎo)導(dǎo)線繞制的線圈單元10被串聯(lián)連接，并通過正負(fù)極電流引線11、12與外部勵(lì)磁電源連接。與此同時(shí)，低溫開關(guān)13與外部勵(lì)磁電源連接，并與線圈單元10并聯(lián)。此外，在中間包含一個(gè)線圈單元10的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)a1、a2之間并聯(lián)設(shè)置有可用作失超檢測(cè)組件的電阻器14。本發(fā)明的超導(dǎo)磁 體系統(tǒng)還包含有失超保護(hù)電路，包括：磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21作為儲(chǔ)能組件，具體為包含若干個(gè)超導(dǎo)線圈的電流回路，可通過連接外部電源將電能轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)線圈的磁場(chǎng)能，磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21的超導(dǎo)線圈與線圈單元10之間電氣隔離且兩者之間不存在磁通干擾；串聯(lián)連接的加熱組件r1-r3，具體為電阻性加熱器，加熱組件被配置為與線圈單元一一對(duì)應(yīng)，通過電流引線22在接口u1、u2連接磁場(chǎng)儲(chǔ)能線圈，且加熱組件r1-r3產(chǎn)生的熱量可熱耦合至線圈單元10；失超保護(hù)開關(guān)23，設(shè)置在可連接磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21的接口u1、u2之間，且被設(shè)置在與電阻器14緊靠的位置，即兩者存在熱耦合。磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21可與加熱組件r1-r3連接組成第一電流路徑，磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21還可與失超保護(hù)開關(guān)23連接組成第二電流路徑。需要說明的是，電阻器14與失超保護(hù)開關(guān)23之間不存在任何電氣連接，且失超保護(hù)開關(guān)23采用的超導(dǎo)線通常是銅鎳合金基材，其電阻率、導(dǎo)熱率等性能與超導(dǎo)磁體線圈單元10中的銅基超導(dǎo)線截然不同，僅需要加熱其繞組中的很小部分就可以引發(fā)整個(gè)繞組的失超。因此，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以使得在采集的失超電壓信號(hào)極小的時(shí)刻就觸發(fā)失超保護(hù)開關(guān)23進(jìn)入其電阻態(tài)。本實(shí)施例中各種電氣元件的具體參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)，各電氣元件如線圈單元10、加熱組件的數(shù)目也不作具體限制，可優(yōu)選設(shè)置為一一對(duì)應(yīng)，其中一個(gè)示例性參數(shù)設(shè)置如下：

超導(dǎo)磁體正常工作電流為400a；

超導(dǎo)磁體線圈單元的電感為35h；

低溫開關(guān)13處于電阻模式的阻值約為100ω；

失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23處于電阻模式的阻值約為500ω；

磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21的磁場(chǎng)儲(chǔ)能線圈電感為1h；

用作失超信號(hào)觸發(fā)組件的電阻器14阻值約為1kω；

加熱組件r1-r3的阻值都設(shè)置為10ω。

上述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的工作過程為：

(1)失超保護(hù)電路儲(chǔ)能階段：將外部的直流電源的正負(fù)輸出端分別在接口u1、u2與失超保護(hù)電路的正負(fù)電流引線22相連接，并將失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23切換成電阻態(tài)(斷開狀態(tài))，然后開始通過外部的直流電源來增加儲(chǔ)能超導(dǎo)線圈內(nèi)部的電流，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)電流值后，則將失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23切換成超導(dǎo)態(tài)(閉合狀態(tài))，隨即降低外部電源的輸出電流直到零。此時(shí)失超保護(hù)回路的電流全部流過第二電流路徑或僅有微小部分在第一電流路徑流經(jīng)，能量都以磁能的形式儲(chǔ)藏在磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21的超導(dǎo)線圈中。由于這個(gè)失超保護(hù)電路中的超導(dǎo)線端頭之間都會(huì)進(jìn)行超導(dǎo)接頭的操作，所以整個(gè)回路中的電阻很小以及其發(fā)熱耗能可以忽略不計(jì)，在任何一次失超觸發(fā)之前，儲(chǔ)能超導(dǎo)線圈中的能量都可以被認(rèn)為和最初輸入的能量基本相等。

(2)勵(lì)磁階段：在磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源完成儲(chǔ)能后，可以進(jìn)行超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的勵(lì)磁操作，具體使用外部的勵(lì)磁電源通過正負(fù)極電流引線11、12為線圈單元10提供爬升電流，低溫開關(guān)13此時(shí)為斷開狀態(tài)；當(dāng)線圈單元提升至設(shè)定電流值，低溫開關(guān)從電阻模式轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)(即相當(dāng)于閉合狀態(tài))；隨即減小勵(lì)磁電源的電流(在此過程中，流經(jīng)低溫開關(guān)13的電流增加量與勵(lì)磁電源的電流減小量相同)，直至勵(lì)磁電源可以完全撤去，線圈單元10與低溫開關(guān)13所組成的電流回路，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)可產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。需要說明的是，本實(shí)例中失超保護(hù)電路中的磁場(chǎng)儲(chǔ)能線圈和線圈單元10之間的互感近似為零，因此在線圈單元10勵(lì)磁的過程中，磁場(chǎng)儲(chǔ)能電源21的磁場(chǎng)儲(chǔ)能線圈中的電流不會(huì)發(fā)生變化。無論在勵(lì)磁過程中還是在勵(lì)磁結(jié)束后超導(dǎo)磁體系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行期間，在線圈單元10的兩端(例如任一個(gè)超導(dǎo)線圈的兩端或者串聯(lián)在一起的若干個(gè)線 圈單元的兩端)采集出一個(gè)電壓差，這個(gè)電壓差將直接加載在電阻器14的兩端。該電阻器14被設(shè)置為緊靠失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23上，但電阻器14與失超保護(hù)開關(guān)23之間沒有任何的電氣連接。在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的線圈單元10爬升電流的過程中(包含爬升結(jié)束后線圈單元流經(jīng)穩(wěn)定、持續(xù)電流運(yùn)行期間)，失超現(xiàn)象一旦發(fā)生，內(nèi)部電壓采集點(diǎn)之間即會(huì)開始產(chǎn)生一個(gè)電壓差，與此同時(shí)在電阻器14上產(chǎn)生相應(yīng)的電流，從而生成失超觸發(fā)信號(hào)(電阻器上產(chǎn)生的熱量)。

(3)失超信號(hào)傳播：在采集的失超電壓信號(hào)極小的時(shí)刻就觸發(fā)失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23進(jìn)入其電阻態(tài)。在本實(shí)例中激發(fā)組件失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23在電阻模式下的阻值遠(yuǎn)大于失超保護(hù)電路的加熱組件r1-r3總體電阻值(兩電氣元件的阻值可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié))，一旦失超保護(hù)開關(guān)23進(jìn)入其電阻態(tài)，與其電氣連接的加熱組件r1-r3會(huì)瞬間承擔(dān)原本失超保護(hù)開關(guān)23支路承擔(dān)的主要電流，即失超保護(hù)電路的電流主要流經(jīng)第一電流路徑或僅有微小部分流過第二電流路徑，并將失超保護(hù)電路中預(yù)先儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化成熱能釋放出來。由于加熱組件r1-r3對(duì)與其耦合的線圈單元10加熱，在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的每個(gè)線圈單元10上都會(huì)形成可觀的非超導(dǎo)態(tài)區(qū)域，并且以此區(qū)域向相鄰的區(qū)域開始進(jìn)一步的失超傳播，不斷擴(kuò)大的非超導(dǎo)態(tài)區(qū)域同時(shí)釋放焦耳熱量，將超導(dǎo)磁體儲(chǔ)藏的磁能迅速轉(zhuǎn)換為熱能。與此同時(shí)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的運(yùn)行電流迅速的下降，在數(shù)秒之內(nèi)達(dá)到近似零。通過本發(fā)明失超保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，超導(dǎo)磁體內(nèi)部發(fā)生失超現(xiàn)象后，可在極短的時(shí)間內(nèi)將運(yùn)行電流降至近似零值，各個(gè)線圈單元在這個(gè)過程中的溫升、內(nèi)部電壓峰值等有可能損壞超導(dǎo)線圈的因素都得到了合理的控制，保護(hù)了整個(gè)超導(dǎo)磁體的安全。

需要說明的是，上述過程一旦被觸發(fā)，整個(gè)熱能釋放進(jìn)程都和失超前超導(dǎo) 磁體系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)(如運(yùn)行電流)無關(guān)，具有非常好的重復(fù)性。此外，本發(fā)明失超保護(hù)電路中的加熱組件r1-r3在被觸發(fā)的最初時(shí)刻就會(huì)以設(shè)計(jì)中的峰值功率工作，隨后其發(fā)熱功率逐漸減小直到零；而傳統(tǒng)的被動(dòng)失超保護(hù)電路中加熱組件或發(fā)熱元件的工作模式是：功率逐漸增大到峰值，然后再逐漸減小回歸零。相比較之下，傳統(tǒng)的被動(dòng)失超保護(hù)電路會(huì)多出一個(gè)等待發(fā)熱元件或加熱組件功率爬升到有效發(fā)揮失超傳播功能之前的時(shí)間段。而本實(shí)例中，失超保護(hù)電路中的發(fā)熱元件會(huì)在被觸發(fā)的最初時(shí)刻就開始發(fā)揮其失超傳播的作用，省去了上述功率爬升的時(shí)間段，響應(yīng)時(shí)間更短，失超傳播更迅速。

如圖3為本發(fā)明超導(dǎo)磁體系統(tǒng)實(shí)施例二的電氣示意圖。由nbti或nb3sn等銅基超導(dǎo)導(dǎo)線繞制的5個(gè)線圈單元10被串聯(lián)連接到正負(fù)極電流引線11、12，用于與外部勵(lì)磁電源連接，對(duì)應(yīng)地加熱組件也設(shè)置為r1-r5。與此同時(shí)，低溫開關(guān)13與外部勵(lì)磁電源連接，并與上述線圈單元10并聯(lián)。此外，在中間包含3個(gè)線圈單元10的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)b1、b2之間并聯(lián)設(shè)置有可用作失超檢測(cè)組件的電阻器14，其余電氣元件的設(shè)置與實(shí)施例一基本類似。對(duì)應(yīng)地，本實(shí)施例中超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的工作過程也與實(shí)施例一類似，包括失超保護(hù)電路儲(chǔ)能階段和勵(lì)磁階段以及失超信號(hào)傳播階段，其區(qū)別在于：本實(shí)施例中用作失超檢測(cè)組件的電阻器14設(shè)置在包含三個(gè)線圈單元的節(jié)點(diǎn)之間，可同時(shí)監(jiān)測(cè)連續(xù)三個(gè)線圈單元之間的電壓變化。當(dāng)r1-r5任一線圈單元發(fā)生失超，上述三個(gè)線圈單元之間的電壓和就會(huì)發(fā)生變換，從而采集到電壓差，產(chǎn)生失超觸發(fā)信號(hào)。此外，本實(shí)施例的用作失超檢測(cè)組件的電阻器14還串連有二極管集成組件15，兩個(gè)二極管以反并聯(lián)的方式設(shè)置，當(dāng)被監(jiān)測(cè)線圈單元兩端的電壓差超過一定值，電阻器14才有電流流過，并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，用于防止假性失超現(xiàn)象。此外，需要說明的是，為防止失超過程中電流過大而導(dǎo)致失超檢測(cè)組件的損壞，還可設(shè)置失 超檢測(cè)組件的保護(hù)電路，如串連溫度熱敏電阻或設(shè)置限壓電路。

如圖4為本發(fā)明超導(dǎo)磁體系統(tǒng)實(shí)施例三的電氣示意圖。具體地，由nbti或nb3sn等銅基超導(dǎo)導(dǎo)線繞制的線圈單元10被串聯(lián)，連接到正負(fù)極電流引線11、12，用于與外部勵(lì)磁電源連接。與此同時(shí)，低溫開關(guān)13(設(shè)置在正負(fù)極電流引線之間)與外部勵(lì)磁電源連接，并與線圈單元10并聯(lián)。此外，在一個(gè)線圈單元10的兩端節(jié)點(diǎn)c1、c2還并聯(lián)設(shè)置有可用作失超檢測(cè)組件的電阻器14。本發(fā)明的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)還包含有失超保護(hù)電路，包括：直流電流源30，用作儲(chǔ)能組件，具體為為恒流電流源，可提供恒定的直流電流值；串聯(lián)連接的加熱組件r1-r3，具體為電阻性加熱器，加熱組件被配置為與線圈單元一一對(duì)應(yīng)，通過電流引線22，在接口u1、u2連接直流電流源30，且加熱組件r1-r3產(chǎn)生的熱量可熱耦合至線圈單元10；用作激發(fā)組件的失超保護(hù)開關(guān)23，設(shè)置在可連接直流電流源30的接口u1、u2之間，且被設(shè)置在與電阻器14緊靠的位置，即兩者存在熱耦合。直流電流源30可與加熱組件r1-r3組成第一電流路徑，還可與失超保護(hù)開關(guān)23組成第二電流路徑。需要說明的是，電阻器14與失超保護(hù)開關(guān)23之間不存在任何電氣連接，且失超保護(hù)開關(guān)23采用的超導(dǎo)線通常是銅鎳合金基材，其電阻率、導(dǎo)熱率等性能與超導(dǎo)磁體線圈單元10中的銅基超導(dǎo)線截然不同，僅需要加熱其繞組中的很小部分就可以引發(fā)整個(gè)繞組的失超。因此，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以使得在采集的失超電壓信號(hào)極小的時(shí)刻就觸發(fā)失超保護(hù)開關(guān)23進(jìn)入其電阻態(tài)。上述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的工作過程為：

(1)失超保護(hù)電路運(yùn)行在恒流模式：將一個(gè)外部的直流電流源30的正負(fù)輸出端分別在接口u1、u2與失超保護(hù)電路的正負(fù)電流引線22相連接，并將失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23切換成超導(dǎo)模式(閉合狀態(tài))，然后增加外部直流電流源30的輸出，直到達(dá)到目標(biāo)預(yù)設(shè)值為止。之后，直流電流源30將輸 出恒定的直流電流值，即采取恒流模式運(yùn)行。由于加熱組件的兩端設(shè)置有有一個(gè)阻值接近零的失超保護(hù)開關(guān)23，而加熱組件r1-r3的電阻遠(yuǎn)大于開關(guān)處于超導(dǎo)模式的阻值，直流電流源30所輸出的電流幾乎可以認(rèn)為全部在第二電流路徑，而僅有微小的電流在第一電流路徑流通。

(2)勵(lì)磁階段：在保證失超保護(hù)電路運(yùn)行在恒流模式后，可以進(jìn)行超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的勵(lì)磁操作，具體使用外部的勵(lì)磁電源通過正負(fù)極電流引線11、12為線圈單元10提供爬升電流，低溫開關(guān)13此時(shí)為斷開狀態(tài)；當(dāng)線圈單元提升至設(shè)定電流值，低溫開關(guān)從電阻模式轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)(即相當(dāng)于閉合狀態(tài))；隨即減小勵(lì)磁電源的電流(在此過程中，流經(jīng)低溫開關(guān)13的電流增加量與勵(lì)磁電源的電流減小量相同)，直至勵(lì)磁電源可以完全撤去，線圈單元10與低溫開關(guān)13所組成的電流回路，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)可產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。無論在勵(lì)磁過程中還是在勵(lì)磁結(jié)束后超導(dǎo)磁體系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行期間，在線圈單元10的兩端(例如任一個(gè)超導(dǎo)線圈的兩端或者串聯(lián)在一起的若干個(gè)線圈單元的兩端)采集出一個(gè)電壓信號(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)將直接加載在電阻器14的兩端。該電阻器14被設(shè)置為緊靠失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23上，但電阻器14與失超保護(hù)開關(guān)23之間沒有任何的電氣連接。在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的線圈單元10爬升電流的過程中(包含爬升結(jié)束后線圈單元流經(jīng)穩(wěn)定、持續(xù)電流運(yùn)行期間)，失超現(xiàn)象一旦發(fā)生，內(nèi)部電壓采集點(diǎn)之間即會(huì)開始產(chǎn)生一個(gè)電壓差，與此同時(shí)在電阻器14上產(chǎn)生相應(yīng)的電流，從而生成失超觸發(fā)信號(hào)(電阻器上產(chǎn)生的熱量)。

(3)失超信號(hào)傳播：本實(shí)施例中，失超保護(hù)開關(guān)23所使用的超導(dǎo)線為銅鎳合金基材，其電阻率、導(dǎo)熱率等性能異于超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中線圈單元10所用的銅基超導(dǎo)線，在采集的失超電壓信號(hào)極小的時(shí)刻接收到電阻器14上生成的失超觸發(fā)信號(hào)就觸發(fā)失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23進(jìn)入其電阻態(tài)。本實(shí)例 中失超保護(hù)電路的失超保護(hù)開關(guān)23在電阻模式下的阻值遠(yuǎn)大于失超保護(hù)電路的加熱組件r1-r3總體電阻值，一旦失超保護(hù)開關(guān)23進(jìn)入電阻態(tài)(相當(dāng)于斷開狀態(tài))，與其電氣連接的加熱組件r1-r3會(huì)瞬間承擔(dān)原本失超保護(hù)開關(guān)23支路承擔(dān)的主要電流(直流電流源30所輸出的電流幾乎可以認(rèn)為全部在第一電流路徑，而僅有微小的電流在第二電流路徑流通)，隨即開始釋放熱能，并一直保持以失超保護(hù)電路的直流電源30預(yù)先設(shè)定的恒定直流工作。需要說明的是，傳統(tǒng)被動(dòng)失超保護(hù)電路則會(huì)多出一個(gè)等到加熱組件r1-r3爬升至有效發(fā)揮失超傳播功能之前的時(shí)間段，而本發(fā)明失超保護(hù)電路在最初觸發(fā)時(shí)刻至失超保護(hù)結(jié)束，由于外部直流電源電流恒定，加熱組件r1-r3的功率始終處于最大峰值處，失超傳播更迅速，響應(yīng)及時(shí)。

由于加熱組件r1-r3對(duì)與其耦合的線圈單元10加熱，在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的每個(gè)線圈單元10上都會(huì)形成可觀的非超導(dǎo)態(tài)區(qū)域，并且以此區(qū)域向相鄰的區(qū)域開始進(jìn)一步的失超傳播，不斷擴(kuò)大的非超導(dǎo)態(tài)區(qū)域同時(shí)釋放焦耳熱量，將超導(dǎo)磁體系統(tǒng)線圈單元10儲(chǔ)藏的磁能迅速轉(zhuǎn)換為熱能。與此同時(shí)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的運(yùn)行電流迅速的下降，在數(shù)秒內(nèi)可近似為零。通過本發(fā)明失超保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，超導(dǎo)磁體內(nèi)部發(fā)生失超現(xiàn)象后，可在極短的時(shí)間內(nèi)將運(yùn)行電流降至近似零值，各個(gè)線圈單元在這個(gè)過程中的溫升、內(nèi)部電壓峰值等有可能損壞超導(dǎo)線圈的因素都得到了合理的控制，保護(hù)了整個(gè)超導(dǎo)磁體的安全。

本發(fā)明超導(dǎo)磁體系統(tǒng)所使用的失超保護(hù)電路，不會(huì)受到超導(dǎo)磁體線圈在失超發(fā)生時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)(運(yùn)行電流)的影響，也不會(huì)受到整個(gè)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在失超過程中各種運(yùn)行參數(shù)劇烈變化(磁場(chǎng)和電流迅速衰減)的影響。對(duì)于設(shè)計(jì)中心磁場(chǎng)大于或等于3.0特斯拉的超導(dǎo)磁體，在失超過程中每個(gè)超導(dǎo)線圈的兩端都會(huì)產(chǎn)生很高的電壓，如果利用超導(dǎo)線圈兩端的電壓來驅(qū)動(dòng)失超保護(hù)電路的加 熱組件r1-r3，加熱組件被燒毀的風(fēng)險(xiǎn)很大。本發(fā)明釋放給加熱組件的能量等于預(yù)設(shè)的能量值，即使在設(shè)計(jì)中心磁場(chǎng)較高的超導(dǎo)磁體中也可以確保發(fā)熱元件的安全性。此外，本發(fā)明的失超保護(hù)電路，由于不采用超導(dǎo)磁體線圈內(nèi)的電壓差驅(qū)動(dòng)加熱組件，因傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式往往存在約1s左右的低電壓工作時(shí)間段，而在這段時(shí)間內(nèi)，加熱組件由于沒有到達(dá)峰值電壓，失超傳播作用無法正常發(fā)揮；本發(fā)明采用超導(dǎo)磁體回路與失超保護(hù)回路電氣隔離的方式，單獨(dú)設(shè)置失超保護(hù)回路的儲(chǔ)能組件，在失超信號(hào)觸發(fā)的瞬間，儲(chǔ)能組件即刻驅(qū)動(dòng)加熱組件發(fā)揮失超傳播作用，因此不存在低電壓時(shí)間段加熱組件不工作的情況，可以將超導(dǎo)磁體所經(jīng)歷的高電流、高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間壓縮到最小。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。