用于对无低温超导磁体的失超保护的系统和方法
【专利说明】用于对无低温超导磁体的失超保护的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年12月27日提交的美国临时专利申请N0.61/746409的优先权，在此通过引用将该申请内容并入。
技术领域
[0003]本公开总体涉及一种在无低温(cryo-free)环境中操作的超导核磁共振(NMR)或磁共振成像(MRI)磁体，并且具体涉及一种用于在失超事件期间防止电压击穿的系统、装置、布置和方法。
【背景技术】
[0004]在无低温环境中操作的超导磁体的电击穿提出了一个严峻的问题。失超期间在磁体的各部分之间形成的电压可以达到几千或几万伏。如果磁体是被正确地生产出的，则失超电压小于击穿电压。在无低温条件下，击穿电压由图3中所示的帕邢(Paschen)曲线来定义，所述帕邢曲线将击穿电压与容纳磁体的体积中的残余气体压力相关，所述磁体的各部分彼此相距特定的距离。随着压力降低，击穿电压最初也下降，然后达到其最小值，并最终开始再次升高。通常在实际中将无低温磁体的内部体积抽到非常低的压力，即到击穿电压为高的点。低温恒温器里面的压力与磁体电压之间的关系由图3中所示的帕邢曲线来定义，图3示出了各部分彼此相距固定距离的磁体的帕邢曲线。帕邢曲线表示在特定压力处的击穿电压。曲线以下的任何点都被表征为安全操作状况，而曲线以上的任何点都导致对磁体的损坏。
[0005]在失超期间，磁体可能被局部形成的高电压和/或高温损坏。源于失超的问题之一是热事件系列。磁体或磁体部件的部分可能变热并因此可能排出已被吸收的气体。诸如环氧树脂、绝缘体、未清洗的焊剂等复杂磁体材料的化学分解也可以导致气体产生，引起进一步的真空恶化。所导致的真空污染可能导致原先被抽空的体积中的残留压力不受控制地增加，这继而将导致失超电压超过磁体的击穿电压。这最终导致对磁体的摧毁。存在各种被接受的抵消源于无低温磁体的失超的高电压问题的方法。例如，一种方法需要在任何暴露的或未被充分绝缘的金属表面上应用附加的绝缘层。另一种方法涉及将磁体电流密度保持足够低，以使得失超期间形成的电压也是低的。另一种方法需要利用分流器来保护磁体，所述分流器可以由电阻器或二极管或其两者制成。这些方法在大规模生产中可能是过分昂贵的。此外，在MRI磁体中，二极管-电阻器分流器解决方案危害了失超期间的杂散场并且可能导致磁场绽开。
【发明内容】
[0006]本公开的示范性实施例可以提供例如用于在失超事件期间保护磁体的系统、装置、布置和方法。本公开的各方面可以提供在失超事件期间的额外的保护，以避免对磁体的潜在损害。
[0007]根据本发明的示范性实施例，可以提供一种用于在失超事件期间保护磁体的系统。所述系统可以包括:(i)第一密封外壳，其具有第一压力并容纳预定气体；(ii)第二密封外壳，其具有第二压力，所述第一压力高于所述第二压力；(iii)磁体，其被设置在所述第二外壳内；(iv )感测设备，其监测所述磁体的各部分电压；(V)处理器，其被配置为根据所述电压来确定失超事件；(Vi)常规磁体保护系统；以及(Vii)阀，其能将所述第一外壳和所述第二外壳密封连接，所述阀能在第一位置与第二位置之间切换。当所述阀在所述第一位置中时，所述第一外壳和所述第二外壳彼此密封，以分别保持所述第一压力和所述第二压力。当所述阀在所述第二位置中时，所述第一外壳和所述第二外壳能密封地连接到彼此，以允许所述气体从所述第一外壳流到所述第二外壳。当检测到所述失超事件时，所述阀从所述第一位置切换到所述第二位置，以使得所述气体从所述第一外壳流到所述第二外壳中，直到达到所述第二外壳内的第三压力。所述第三压力根据所述第一压力、所述第二压力、所述第一外壳和所述第二外壳的参数、以及所述失超事件的参数而被确定。
[0008]根据本发明的另一示范性实施例，可以提供一种用于在失超事件期间保护磁体的方法。所述方法可以包括使用感测设备来监测系统的超导磁体的各部分的电压。所述系统还包括第一密封外壳、第二密封外壳以及阀。所述第一外壳容纳预定气体，并在内具有第一压力。所述第二密封外壳容纳所述磁体并在内具有第二压力。所述第一压力高于所述第二压力。所述阀能将所述第一外壳和所述第二外壳密封连接，并且能在第一位置与第二位置之间切换。所述方法还包括由处理器根据所述电压来确定失超事件；并且在检测到所述失超事件之后将所述阀从所述第一位置切换到所述第二位置，以使得所述气体从所述第一外壳流到所述第二外壳中，直到达到所述第二外壳内的第三压力。所述第三压力根据所述第一压力、所述第二压力、所述第一外壳和所述第二外壳的参数、以及在较小的程度上根据所述失超事件的参数而被确定。当所述阀在所述第一位置中时，所述第一外壳和所述第二外壳彼此密封，以分别保持所述第一压力和所述第二压力。当所述阀在所述第二位置中时，所述第一外壳和所述第二外壳能密封地连接到彼此，允许所述气体从所述第一外壳流到所述第二外壳。
【附图说明】
[0009]参考附图在以下示范性实施例中更详细地解释了本发明，其中，由相同的附图标记部分地指示相同或相似元件，并且各示范性实施例的特征是可组合的。在附图中:
[0010]图1示出了根据本发明的示范性实施例的示范性系统的示意图。
[0011]图2示出了根据本发明示范性实施例的用于在失超事件期间保护无低温超导磁体的示范性方法。
[0012]图3示出了根据在其电极之间具有固定距离的磁体中的击穿电压与压力的已知关系的帕邢曲线的范例。
[0013]图4示出了根据本发明示范性实施例的示范性系统的另一示范性实施例。
【具体实施方式】
[0014]可以参考以下说明和附图进一步理解示范性实施例，其中，相同的附图标记指代相似的元件。示范性实施例总体上涉及用于在失超事件期间保护无低温超导磁体的方法和系统。
[0015]图1示出了根据本发明示范性实施例的用于在失超事件期间保护超导磁体103 (例如无低温超导磁体)的示范性系统100。系统100可以包括第一密封外壳101和第二密封外壳102 (例如低温恒温器)。第二密封外壳102容纳磁体103和传感器105。系统100还可以包括放大设备107 (例如继电器线圈、放大器等)，以放大来自传感器105的信号。
[0016]第一密封外壳101经由阀104被连接到第二密封外壳102。第一密封外壳101容纳具有第一压力的预定气体。应当指出，第一密封外壳101可以容纳任何预定气体，例如氦气、氖气、氩气、氮气等。根据示范性实施例，使用氦气是因为其优选的较低的气-液转变温度。在一个示范性实施例中，可以使用任何常规耦合将第一密封外壳101能移除地连接到第二密封外壳102。例如，第一密封外壳101可以是经由常规螺纹连接耦合到阀104的罐。在另一示范性实施例中，第一密封外壳101相反可以永久耦合到阀104。在这样的实施例中，第一密封外壳101优选地包括用于一旦气体被耗尽时利用预定气体再填充第一密封外壳101的布置。
[0017]在正常操作期间，第二密封外壳102具有显著小于第一压力的第二压力。优选地，第二压力对应于真空压力。此外，在正常操作期间，第二密封外壳102里面的温度(Tl)在低温超导体(例如Nb-Ti或Nb3Sn)的情况下可以在2K至1K之间，或者在高温超导体(例如Y-Ba-Cu-O)的情况下也可以显著地更高(例如高达70K)。
[0018]磁体103被设置在第二密封外壳102里面，并且包括至少第一磁体部分110和第二磁体部分111。然而应当指出，磁体103可以包括正确操作所必要的任何数量的部分。当磁体103被充电时，第一磁体部分110和第二磁体部分111形成感应电压。当磁体103被设计时，第一磁体部分110中形成的电压与第二磁体部分111中形成的电压的比率是已知的。在正常操作期间，第一磁体部分110和第二磁体部分111的电压的比率应当基本与该已知比率相同。在失超事件期间，第一磁体部分110和第二磁体部分111的电压的比率偏离已知比率。这出现是因为磁体103的至少部分变为正常的(即失去了其超导性)，导致电阻电压。在失超事件的后期阶段，磁体103的电阻电压迅速升高。这可以导致发热并因此导致磁体103的温度的升高。同时，密封外壳102中的真空由于磁体的加热部分中含有或产生的气体的释放而恶化。
[0019]传感器105被配置为监测磁体部分110、111的电压。传感器105可通信地耦合到放大设备107。应当指出，放大设备107不需要被设置在第二密封外壳102的里面。处理器106可以可通信地耦合到传感器105。应当指出，在图1中所示的配置是说明性的，并且处理器106备选地可以被定位在外壳102的外面并与传感器105通信。处理器106被配置为分析传感器105的测量结果并确定失超事件是否已经开始。在检测到失超事件之后，处理器106接合放大设备107，放大设备107放大信号并运行常规磁体保护方案(未示出)。其还控制阀104的位置。在另一实施例中，可以利用监测磁体部分110、111的电压并控制常规保护电路和阀104的位置的计算设备来代替传感器105、处理器106和放大设备107。应当指出，传感器105和放大设备107可以由能够监测电压并将信号发送到阀104以与常规保护电路一起控制其位置的任何设备来代替。例如，下面描述的计算设备400 (参见图4)可以被用于监测第一磁体部分110和第二磁体部分111的电压，并与常规保护电路一起控制阀104。
[0020]阀104能在第一位置(例如关闭位置)与第二位置(例如打开位置)之间切换。应当指出，阀104可以包括适合于允许气体进入第二密封外壳102的任何类型的阀。例如，在气体的快速爆发是必要的极端情况下，可以使用爆发隔膜(burst disk) ο这样的隔膜在隔膜被致动的每次失超事件之后需要被更换。在磁体103的正常操作期间，阀104保持在第一位置中，由此将第一密封外壳101和第二密封外壳102彼此密封。在检测到失超事件之后，传感器105将信号发送到放大设备107和常规保护电路。传感器107随后放大该信号并将其发送到阀104。这导致阀104的致动，使得阀104从第一位置切换到第二位置。在第二位置中，预定气体被允许从第一密封外壳101流到第二密封外壳102中，直到在第二密封外壳102中形成第三压力。由于第一密封外壳101里面的第一压力必须高于第二密封外壳102