超导磁体失超保护系统和磁共振系统的制作方法

本发明涉及超导磁体失超保护领域，特别是涉及一种超导磁体失超保护系统和磁共振系统。

背景技术：

超导磁体通常由多个用超导线缆制成的超导线圈组成，在通常情况下，超导磁体在低温下具有超导特性，即阻抗接近为零，无焦耳发热。但是，如果由于某些原因，使得超导磁体的温度超过临界温度时，超导磁体将从超导态转变为非超导态，这一过程称为失超。如果不进行失超保护，超导磁体中储存的磁能将使得磁体损坏，引发生命财产安全问题。

传统的失超保护系统是在超导磁体失超时，迅速降低次超导线圈内的励磁电流，并将超导磁体中的磁能迅速转换为热能。

但是，由于超导磁体一般设置在超导磁体容器内部，传统的失超保护系统会使得在超导线圈上产生大量的热而无法及时散失，使得超导磁体升温明显，存在损坏的风险；并且在超导磁体容器内部灌注有液氦，在传统的失超保护系统下，会使得失超时产生大量液氦的流失。

技术实现要素：

基于此，有必要针对超导磁体失超时可能在超导磁体上产生大量热的问题，提供一种超导磁体失超保护系统和磁共振系统。

一种超导磁体失超保护系统，包括：

超导磁体，设置于超导磁体容器中；所述超导磁体包括超导线圈；

外部耦合线圈，临近所述超导线圈设置于所述超导磁体容器的外部，用于与所述超导线圈电磁耦合；

失超控制装置，分别与所述超导线圈和所述外部耦合线圈连接，用于在检测到所述超导线圈失超时触发所述外部耦合线圈内产生爬升电流，以使得所述外部耦合线圈与所述超导线圈发生电磁耦合。

在其中一个实施例中，所述失超控制装置包括：

失超检测单元，与所述超导线圈连接，用于实时检测所述超导线圈的失超状态；

失超控制单元，分别与所述失超检测单元和所述外部耦合线圈连接；

其中，所述失超控制单元用于在所述失超检测单元检测到所述超导线圈处于失超状态时触发所述外部耦合线圈内产生所述爬升电流，以使得所述外部耦合线圈与所述超导线圈发生电磁耦合。

在其中一个实施例中，所述失超检测单元包括电压检测元件；所述电压检测元件与所述超导线圈或超导线圈中的某一部分绕组并联，用于检测所述超导线圈或超导线圈中的某一部分绕组上的电压值；

其中，所述失超检测单元根据所述电压检测元件检测到的电压值判断所述超导线圈的失超状态。

在其中一个实施例中，所述失超检测单元包括磁场检测元件；所述磁场检测元件与所述超导线圈磁耦合，用于检测所述超导线圈所产生磁场的霍尔电压信号；

其中，所述失超检测单元根据所述磁场检测元件检测到的霍尔电压信号判断所述超导线圈的失超状态。

在其中一个实施例中，所述超导磁体还包括励磁电源，所述励磁电源与所述超导线圈电连接，用于对所述超导线圈进行励磁；

其中，所述失超控制装置用于在检测到所述超导线圈处于失超状态时，断开所述励磁电源与所述超导线圈之间的连接。

在其中一个实施例中，所述超导磁体还包括励磁断路器，所述励磁电源通过所述励磁断路器与所述超导线圈连接；所述励磁断路器具有第一控制端口，所述第一控制端口与所述失超控制装置连接；

其中，所述失超控制装置用于在检测到所述超导线圈处于失超状态时，触发所述励磁断路器断开。

在其中一个实施例中，还包括超导线圈加热装置；所述超导线圈加热装置与所述失超控制装置连接；

其中，所述失超控制装置还用于在所述爬升电流达到预设值时触发所述超导线圈加热装置对所述超导线圈加热。

在其中一个实施例中，还包括分流装置，所述分流装置分别与所述超导开关和所述失超控制装置连接；

其中，在所述失超控制装置检测到所述超导线圈处于失超状态时，由所述分流装置将所述超导开关短路。

在其中一个实施例中，还包括耦合电源和耦合断路器；所述耦合电源用于向所述外部耦合线圈供电，所述耦合电源通过所述耦合断路器与所述外部耦合线圈连接；所述耦合断路器具有第二控制端口，所述第二控制端口与所述失超控制装置连接；

其中，所述失超控制装置用于在检测到所述超导线圈处于失超状态时，触发所述耦合断路器闭合。

一种磁共振系统，包括：

梯度线圈、射频线圈、检查床，以及

上述的超导磁体失超保护系统。

上述超导磁体失超保护系统和磁共振系统，可以通过失超控制装置检测超导线圈的失超状态，并在失超时，触发外部耦合线圈与超导线圈相耦合，从而将超导线圈上的磁能转移至外部耦合线圈，避免了在超导线圈上大量产热而造成的潜在超导磁体损坏风险，并且失超产生的大部分能量都将在超导磁体容器外部耗散，对于氦浴浸泡型超导磁体而言，能够防止大量液氦的蒸发损耗。

附图说明

图1是一实施例中超导磁体失超保护系统的结构示意图。

图2是另一实施例中超导磁体失超保护系统的结构示意图。

图3为一实施例中超导磁体失超保护系统的示意图；

图4为另一实施例中超导磁体失超保护系统的示意图；

图5为一具体实施例中超导磁体失超保护系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是一实施例中超导磁体失超保护系统的结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种超导磁体失超保护系统，可以包括超导磁体容器10和超导磁体11，其中，超导磁体11可以包括一个或多个超导线圈12；超导磁体11可以放置在超导磁体容器10中。进一步地，该系统还可以包括外部耦合线圈13和失超控制装置14；其中，外部耦合线圈13可以设置在超导磁体容器10外部并临近于超导磁体11。进一步地，失超控制装置14与超导线圈12连接，可以实时检测超导线圈12是否处于失超状态，并且，一旦超导线圈12发生失超，失超控制装置14可以立即触发外部耦合线圈13开始工作，使得外部耦合线圈13与超导线圈12发生电磁耦合。通过快速升高外部耦合线圈13内的电流，由于电磁耦合效应，超导线圈12内在失超瞬间所存在的高电流将快速下降，而由于在失超瞬间超导线圈12内部产生的电阻还很小，这就使得在超导线圈12上只会产生少量的热，而大部分的能量都通过与外部耦合线圈13的电磁耦合中被转移至了超导磁体容器10的外部。换句话说，通过失超控制装置检测超导线圈的失超状态，并在失超时，触发外部耦合线圈内产生爬升电流并与超导线圈相耦合，从而可以将超导线圈上的磁能转移至外部耦合线圈，这就避免了在超导线圈上大量产热而造成的潜在超导磁体损坏风险，并且失超产生的大部分能量都将在超导磁体容器外部耗散，对于氦浴浸泡型超导磁体而言，还能够防止大量液氦的蒸发损耗。

基于上述实施例中的超导磁体失超保护系统，失超控制装置14还可以包括失超检测单元141与失超控制单元142。图2是另一实施例中超导磁体失超保护系统的结构示意图，如图2所示，在本实施例中，失超检测单元141分别与超导线圈12和失超控制单元142连接，可以实时检测超导线圈12的失超状态并且在超导线圈12处于失超状态时向失超控制单元142发送失超信号；失超控制单元142与外部耦合线圈13连接，当失超控制单元142接受到上述失超信号后，可以立即触发外部耦合线圈13工作，使得外部耦合线圈13与超导线圈12发生电磁耦合以将超导线圈12内的磁能转移到超导磁体容器10的外部。

图3是一实施例中超导磁体失超保护系统的示意图，如图3所示，基于上述实施例中的超导磁体失超保护系统，本实施例提供一种失超保护系统，可以包括超导线圈l1、超导开关r1、分流装置t1、励磁断路器s1、励磁直流电源e1、耦合直流电源e2、外部耦合线圈l2、耦合断路器s2、失超检测单元v1和失超控制单元(图中未示出)；其中，失超检测单元v1可以是电压检测元件。

进一步地，超导线圈l1与超导开关r1串联，分流装置t1并联在超导开关r1两端，励磁断路器s1、励磁直流电源e1相互串联并并联在超导开关r1的两端，耦合直流电源e2与外部耦合线圈l2和耦合断路器s2串联；超导线圈l1设置在超导磁体容器o1中，外部耦合线圈l2设置在超导磁体容器o1的外部，并紧靠超导线圈l1；失超检测单元v1可以与超导线圈l1或其部分绕组并联，失超控制单元分别与失超检测单元v1、励磁断路器s1、耦合断路器s2通信连接。

在励磁阶段(即向超导线圈中注入电流的过程)中，超导开关r1处于非超导态(即超导开关r1内部存在电阻区域)；此时，励磁断路器s1处于闭合状态，励磁直流电源e1可以向超导线圈l1和超导开关r1输入一个逐渐升高的励磁电流，并在超导线圈l1两端产生励磁电压u1；在达到设定的励磁电流强度i1时，励磁阶段结束，此时停止励磁电流的升高过程。励磁阶段结束后，可以进入超导阶段(即超导线圈和超导开关均保持超导状态的过程)，此时，励磁直流电源e1输出的励磁电流为0，并由超导开关r和超导线圈l1形成闭合环路；该闭合环路可以保持励磁阶段结束时的电路状态，即励磁电流为i1的状态。在励磁阶段和超导阶段中，耦合断路器s2可以始终处于断开状态，即耦合直流电源e2与外部耦合线圈l2保持断开。

进一步地，若在励磁阶段和超导阶段中，超导线圈l1内产生电阻，并且失超检测单元v1检测到的电压发生急速升高以致超过了u1或者某个设定的阈值，则该励磁电路可以视为进入失超阶段；此时，失超检测单元v1可以发送失超信号至失超控制单元，并由失超控制单元控制励磁断路器s1立即断开以停止励磁直流电源e1的输出，此时分流装置t1可以将超导开关短路，避免高励磁电流对超导开关造成损坏。而在失超阶段中，耦合断路器s2还可以在失超控制单元的控制下闭合，此时耦合直流电源e2与外部耦合线圈l2可以形成闭合回路。并且，耦合直流电源e2可以立即输出一个高电压(比如6000v)，使得外部耦合线圈l2处于通电状态并与超导线圈l1电磁耦合。此时，超导线圈l1内的励磁电流将由于电磁耦合发生下降，而外部耦合线圈l2内的耦合电流将升高，完成超导线圈l1内磁能的转移。

需要说明的是，上述实施例中所述的失超检测单元v1还可以是与超导线圈磁耦合的磁场检测元件，比如霍尔传感器。具体地，当发生失超时，与超导线圈l1发生磁耦合的霍尔探测器可以探测到一个异常的磁场变化的霍尔电压信号。在探测上述信号的时候，可以设定一旦霍尔电压曲线发生异常变化则判断为失超，并且把这个失超的判断信号传输至失超控制单元。本领域技术人员可以理解，上述失超检测单元可以是任何能够判断出超导线圈是否处于失超状态的元件或者元件集合，本发明实施例对此不做限制。并且，失超检测单元和失超控制单元可以集成在同一装置上，比如集成在失超控制装置上，该失超控制装置能够用于检测超导线圈的失超状态，并且在检测到所述超导线圈处于失超状态时，可以触发所述耦合线圈与所述超导线圈电磁耦合，从而使超导线圈上在失超时产生的大量磁能被转移至超导磁体容器外部。

此外，本领域技术人员可以理解，上述实施例中的失超控制单元可以集成在上述实施例中的励磁开关或者耦合开关上；本发明对失超控制单元的位置并不做限制。同样地，本领域技术人员可以理解，上实施例中所述的励磁开关或者耦合开关可以分别有一个或多个，本发明中对励磁断路器和耦合断路器的数量不做限制。然而，本领域技术人员应该也能够理解，上述实施例中的失超控制单元也能够直接与系统中的各个电源连接，或者与系统中的各个电源集成而不在超导磁体失超保护系统中设置上述实施例中所提及的各个断路器。

为了方便详细阐述本发明实施例，此处可以假设超导线圈l1的电感为ls，外部耦合线圈l2的电感为lc，外部耦合线圈l2和超导线圈l1之间的互感为m；失超发生时刻，超导线圈l1中的电流为i0，从失超发生时刻开始计时的时间值为t；超导线圈l1中,随时间变化的电流为is；外部耦合线圈l2中,随时间变化的电流为ic；失超时超导线圈l1内部产生的电阻为rq；探测到失超信号后，耦合直流电源e2立即输出的电压为vc。根据上述参数，可以求取：

失超发生的时刻,外部耦合线圈l2中的电压方程为：

超导线圈l1中的电压方程为：

经过转换得到：

解偏微分方程后得出：

根据上述推算出的is曲线，即可计算出当超导线圈l1内的电流降至0a时，耗散在超导磁体容器o1内部的总热量q；再根据公式q0＝1/2*ls*(i0)²即可计算出不进行能量转移时，耗散在超导磁体容器o1内部的总热量q0。可以进一步得出，当vc数值足够大时(比如大于6000v)，且m、lc、ls等参数合理匹配的情况下，q要远远小于q0，即大部分由于失超产生的能量都会被转移到超导磁体容器o1的外部，而不会引起大量液氦的损失。

上述超导磁体失超保护系统，可以通过失超控制装置检测超导线圈的失超状态，并在失超时，触发外部耦合线圈与超导线圈相耦合，从而将超导线圈上的磁能转移至外部耦合线圈，避免了在超导线圈上大量产热而造成的潜在超导磁体损坏风险，并且失超产生的大部分能量都将在超导磁体容器外部耗散，对于氦浴浸泡型超导磁体而言，能够防止大量液氦的蒸发损耗。

基于上述实施例中的超导磁体失超保护系统，该系统还可以包括超导线圈加热装置，该超导线圈加热装置与超导线圈和失超控制装置分别连接。当超导线圈处于非失超状态(即上述实施例中的励磁阶段和超导阶段)时，超导线圈加热装置可以处于不工作的状态。然而，如果失超控制装置检测到超导线圈发生失超，则失超控制装置可以通过控制耦合直流电源输出一个迅速爬升的电流，触发外部耦合线圈与超导线圈电磁耦合，从而相应使得超导线圈内的电流降低。并且，在耦合直流电源输出的电流值爬升到达到一个预设值时，可以确定超导线圈内的能量已经被基本转移至外部耦合线圈。此时，失超控制装置可以触发超导线圈加热装置工作，使超导线圈加热装置对超导线圈进行加热，从而使得超导线圈内产生可观的电阻区域，进而在后续降低外部耦合线圈内的电流(即释放外部耦合线圈内能量的过程)时，不会再由于电磁耦合效应使得超导线圈内重新出现电流的升高(即出现反向电流)。

具体地，图4是另一实施例中超导磁体失超保护系统的示意图，如图4所示，基于上述实施例中的超导磁体失超保护系统，还可以包括超导线圈加热装置。该超导线圈加热装置可以包括串联的加热电源e3、加热元件l3和加热开关s3。加热开关s3与失超控制单元连接；加热元件l3可以设置在超导线圈l1的临近区域并与超导线圈l1耦合。在励磁阶段和超导阶段，加热开关s3可以始终处于断开状态。然而，在发生失超时，失超检测单元v1可以实时反映超导线圈l1内的电流，并且在超导线圈l1内的电流由于能量转移过程(即超导线圈l1与外部耦合线圈l2发生电磁耦合，使得超导线圈l1内的电流降低，而外部耦合线圈l2内的电流升高的过程)低于一个电流阈值时，可以发送控制信号至失超控制单元，并由失超控制单元触发加热开关s3闭合，使得加热电源e3向加热元件l3供电，从而加热元件l3可以与超导线圈l1热耦合以对超导线圈l1进行加热。在后续释放外部耦合线圈l2能量，即降低外部耦合线圈l2内的电流的过程中，由于超导线圈l1被充分加热，在超导线圈l1内出现了可观的电阻区域，所以超导线圈l1内不会再由于电磁耦合效应而重新出现电流的升高。

本实施例提供一个具体的超导磁体失超保护系统。图5是一具体实施例中超导磁体失超保护系统的示意图，如图5所示，一种超导磁体失超保护系统，可以包括超导磁体致冷容器，内部灌注有液氦。在超导磁体致冷容器内可以设置超导磁体线圈组b3、超导开关e1、二极管堆f1、超导开关加热器d1、霍尔探头g1；在超导磁体致冷容器外部设置有外部耦合线圈a3、耦合直流电源a2、耦合断路器a1、超导开关加热器直流电源c1、励磁直流电源b2和励磁断路器b1。

进一步地，耦合直流电源a2、耦合断路器a1、外部耦合线圈a3相互串联；超导磁体线圈组b3与超导开关e1串联；超导开关加热器直流电源c1与超导开关加热器d1串联；超导开关加热器d1与超导开关e1热耦合；励磁直流电源b2和励磁断路器b1相互串联并且与超导开关e1并联连接；二极管堆f1与超导开关e1并联；霍尔探头g1与超导磁体线圈组b3磁耦合。

进一步地，在励磁断路器b1上可以集成有第一失超控制单元(图中未示出)，该励磁断路器具有第一控制端口并通过第一控制端口与霍尔探头g1通信连接，用于接收霍尔探头g1发出的失超信号，并在霍尔探头g1发出失超信号后立即断开。在耦合断路器a1上可以集成有第二失超控制单元(图中未示出)，上述耦合断路器a1具有第二控制端口并通过第二控制端口与霍尔探头g1通信连接，用于接收霍尔探头g1发出的失超信号，并在霍尔探头g1发出失超信号后立即闭合。在超导线圈组b3的线圈表面上还可以集成有超导线圈加热装置(图中未示出)。

为了方便本领域技术人员进一步理解本发明，以下对上述发明实施例进行详细说明：

在励磁阶段，可以先使用超导开关加热器直流电源c1驱动超导开关加热器d1，使得超导开关加热器d1对超导开关e1进行加热，从而使得超导开关e1处于非超导状态。同时，励磁断路器b1可以保持闭合状态，使得励磁直流电源b2对超导磁体线圈组b3进行励磁；耦合断路器a1可以保持断开状态。进一步地，励磁直流电源b2可以输出电压，此电压可以驱动超导磁体线圈组b3内的电流不断爬升。在此实施例中，如果超导磁体线圈组b3内的电流达到正常工作所需要的电流值，且在励磁阶段中没有出现超导线圈组失超的现象，则可以关闭超导开关加热器直流电源c1，使超导开关加热器d1停止对超导开关e1加热；在等待数十秒后(即超导开关加热器d1完全冷却，并使得待超导开关e1恢复成为超导状态所需要的时间)，可以控制励磁直流电源b2缓慢降低输出的电流数值。当超导磁体线圈组b3内的电流为0a时，可以断开励磁断路器b1，此时，上述超导磁体失超保护系统进入超导阶段，超导磁体线圈组b3和超导开关e1形成闭环回路。

进一步地，与超导磁体线圈组b3发生磁耦合的霍尔探头g1可以实时检测超导磁体线圈组b3的霍尔电压。霍尔探头g1可以将该霍尔电压与预存在霍尔探头内部储存单元(图中未示出)中的失超电压进行比对。可以设定当上述霍尔电压与失超电压的值的差异达到2％时，霍尔探头g1可以确定超导磁体线圈组b3发生了失超，并立即向励磁断路器b1和耦合断路器a1发送失超信号。

进一步地，励磁断路器b1在接受到上述失超信号后，可以立即断开，使得励磁直流电源b2从电路中断开，此时二极管堆f1可以将超导开关e1短路，防止超导开关e1损坏。同时，耦合断路器a1可以立即闭合，使得耦合直流电源a2与外部耦合线圈a3连通。并且，耦合直流电源a2可以立即输出一个高电压，以使得外部耦合线圈a3内的电流迅速上升。由于还在失超阶段的初期，超导磁体线圈组b3因失去超导特性而生成的电阻还较小(在本实施例中，可以假定为0.1欧姆)，焦耳发热耗散功率也相应非常小。当外部耦合线圈a3内的电流高速爬升时，超导磁体线圈组b3内的电流则因为电磁耦合的原因快速下降。当外部耦合线圈a3内的电流不断爬升直至到一个预设值时，可以停止耦合直流电源a2对于外部耦合线圈a3内电流的爬升并且稳定在这一数值。进一步地，可以开启超导线圈加热装置，保持数十秒，使得超导磁体线圈组b3内部出现足够大的电阻区域，再以适当的速度降低外部耦合线圈a3内的电流，直到外部耦合线圈a3内的电流达到0a为止。因为超导磁体线圈组b3在超导线圈加热装置的加热下可以具有较大的电阻值，所以外部耦合线圈a3内电流的降低，不会在超导磁体线圈组b3内再由于电磁耦合反向感应出明显的电流。

上述实施例中的超导磁体失超保护系统，可以通过霍尔探头检测超导线圈组的失超状态，并在失超时，发送失超信号。在励磁阶段发生失超时，励磁断路器可以接收该失超信号并立即将励磁直流电源从电路中断开；耦合断路器可以接收该失超信号并立即使耦合直流电源与外部耦合线圈连通，从而使外部耦合线圈与超导线圈组电磁耦合，并触发外部耦合线圈将超导线圈组内的能量转移至外部耦合线圈，避免了超导线圈组的损坏以及液氦的大量流失。需要说明的是，由于当超导线圈组处于超导阶段时，励磁直流电源可以从电路断开，故若超导线圈组在超导阶段发生失超时，霍尔探头可以只将检测到的失超信号发送至耦合断路器。

本实施例还提供一种磁共振系统，该磁共振系统可以包括上述实施例中所述的超导磁体失超保护系统以及梯度线圈、射频线圈、检查床。其中，所述超导磁体失超保护系统包括：超导磁体，设置于超导磁体容器中；所述超导磁体包括超导线圈；外部耦合线圈，临近所述超导线圈设置于所述超导磁体容器的外部，用于与所述超导线圈电磁耦合；失超控制装置，分别与所述超导线圈和所述外部耦合线圈连接，用于在检测到所述超导线圈失超时触发所述外部耦合线圈内产生爬升电流，以使得所述外部耦合线圈与所述超导线圈发生电磁耦合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。