專利名稱：超導(dǎo)磁體的無源失超保護(hù)電路的制作方法
超導(dǎo)磁體的無源失超保護(hù)電路技術(shù)領(lǐng)域
本文公開的主題涉及用于包括磁共振成像(MRI)超導(dǎo)磁體在內(nèi)的超導(dǎo)磁體的無 源失超保護(hù)電路(passive quench protection circuit)。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體只要保持在適當(dāng)?shù)偷臏囟缺憧稍谟行榱愕碾娮柘聦?dǎo)電。但是，如果存 在熱擾動，則磁體變成正常(不再具超導(dǎo)性)并產(chǎn)生電阻，這使得電流快速衰減，從而經(jīng)由 I2R熱損耗而將所儲存的磁能轉(zhuǎn)換為熱。這是稱為失超(quenching)的不可逆動作，這可導(dǎo) 致不良的熱和電壓損壞磁體。
因此，需要新的設(shè)備和方法來防止在失超事件期間造成損壞。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種無源失超保護(hù)系統(tǒng)以及包含此系統(tǒng)的超導(dǎo)磁體設(shè)備。
在一個(gè)實(shí)施例中，無源失超保護(hù)系統(tǒng)適于電連接到至少一個(gè)超導(dǎo)線圈。該電路包 括串聯(lián)連接的加熱器和限流器，其中加熱器適于熱耦合到超導(dǎo)線圈中的至少一個(gè)超導(dǎo)線 圈。限流器將流過該電路的電流限制在低于加熱器的最大額定電流的電流。
在另一實(shí)施例中，設(shè)備包括至少一個(gè)超導(dǎo)線圈和并聯(lián)地電耦合到這些線圈中的至 少一個(gè)線圈的無源失超保護(hù)電路。電路包括串聯(lián)連接的加熱器和限流器。加熱器熱耦合到 這些線圈中的至少一個(gè)線圈，并且限流器將流過該電路的電流限制在低于加熱器的最大額 定電流的電流。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，一種超導(dǎo)磁體設(shè)備(100)，包括
至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)；以及
并聯(lián)地電耦合到所述至少一個(gè)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)的無源失超保護(hù)電路 (130)，所述電路(130)包括串聯(lián)連接的至少一個(gè)加熱器(210)和至少一個(gè)限流器020)，
其中所述加熱器010)熱耦合到至少一個(gè)所述線圈(Cl-，Cl+，· · ·，C4+)，并且所 述限流器(220)將流過所述電路(130)的電流限制在低于所述加熱器(210)的額定電流的電流。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，一種適于電連接到至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+) 的無源失超保護(hù)電路(130)，所述電路(130)包括
串聯(lián)連接的至少一個(gè)加熱器(210)和至少一個(gè)限流器O20)，所述加熱器(210)適 于熱耦合到所述至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，C4+)，
其中所述限流器(220)將流過所述電路(130)的電流限制在低于所述加熱器 (210)的額定電流的電流，并且
所述電路(130)并聯(lián)地電耦合到所述至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，一種用于使超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)失超的方法，包 括
將失超保護(hù)電路(130)并聯(lián)耦合到至少一組超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)，所述 組中的每個(gè)組具有一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，C1+，...，C4+)，其中所述電路(130)包括至 少一個(gè)加熱器(210)和至少一個(gè)限流器Q20)；
觸發(fā)由所述超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，C4+)兩端的增大的失超電壓引起的失超事 件；
在發(fā)生所述失超事件時(shí)對所述加熱器(210)供電并在加熱器(210)區(qū)域使所述超 導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)正?；?；以及
將所述加熱器O10)的電流限制在低于所述加熱器的額定電流的電流。
因此，失超保護(hù)電路可為超導(dǎo)線圈提供充足的失超保護(hù)，同時(shí)防止對加熱器造成 損壞。


參考附圖描述本發(fā)明的非限制性且非窮舉性實(shí)施例，其中除非另外指出，否則在 各個(gè)圖中，類似的附圖標(biāo)記表示類似的部分。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的超導(dǎo)磁體設(shè)備的電路圖2是圖1中的失超保護(hù)電路的電路圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的失超保護(hù)電路的電路圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的失超保護(hù)電路的電路圖；以及
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的失超保護(hù)電路的電路圖。
具體實(shí)施方式
提供以下描述以便使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且以下描述是 在特定應(yīng)用及其要求的上下文中提供的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能容易地明白這些實(shí)施例的各 種修改，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本文定義的原理可適用于其它實(shí)施 例和應(yīng)用。因此，不是要將本發(fā)明局限于所示實(shí)施例，而是要賦予其符合本文公開的原理、 特征和教導(dǎo)的最寬范圍。
超導(dǎo)磁性設(shè)備的實(shí)施例提供一種包括至少一個(gè)電加熱器和至少一個(gè)限流器的失 超保護(hù)電路。在一個(gè)實(shí)施例中，該電路還包括至少一個(gè)電壓阻斷器/濾波器。這三個(gè)元件 串聯(lián)連接，然后用適當(dāng)分組的超導(dǎo)線圈或超導(dǎo)線圈組分流。加熱器與其中一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo) 線圈熱耦合。一旦發(fā)生失超事件，超導(dǎo)線圈兩端的增大的失超電壓將給加熱器供電，由此隨 后在加熱器區(qū)域加熱超導(dǎo)線圈并使超導(dǎo)線圈正?；?，從而將能量傳到磁體周圍并防止對磁 體造成損壞。限流器提供過電流保護(hù)以限制最大加熱器電流。即，限流器的額定電流低于 加熱器的最大額定電流。當(dāng)線圈電壓低于預(yù)設(shè)閾值電壓時(shí)，電壓阻斷器(voltage blocker) 防止不想要的電流傳導(dǎo)通過失超保護(hù)電路。閾值電壓大于在磁體正常操作期間在超導(dǎo)線圈 兩端的斜升(ramp)電壓和最大電壓，并且減小或消除在失超保護(hù)電路中流過的不想要的 電流。
在一個(gè)實(shí)施例中，限流器可包括快斷熱保險(xiǎn)絲和/或正溫度系數(shù)(PTC)電阻器。保 險(xiǎn)絲可在低于加熱器的最大額定電流的某個(gè)電流電平燒斷。PTC加熱器的電阻取決于其溫 度。一旦其溫度上升到超過其保護(hù)溫度，則電阻將急劇增大。當(dāng)加熱器電路中的電流在增大的線圈失超電壓下增大時(shí)，PTC電阻器的溫度上升，隨后PTC電阻器的電阻上升以限制加 熱器電流。保險(xiǎn)絲或PTC電阻器可置于磁體的外部，以便在磁體失超之后易于對它們進(jìn)行 檢查和更換(如果需要)。
在一個(gè)實(shí)施例中，為了在磁體斜升和磁體正常操作期間消除加熱器電路中的不想 要的電流，將電壓阻斷器與加熱器串聯(lián)連接。電壓阻斷器可包括一對串聯(lián)連接的背對背齊 納二極管，或可包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。將齊納二極管的反向擊穿 電壓選擇或控制成大于在磁體正常操作期間的最大電壓，但是足夠低以便加熱器在磁體失 超期間起作用。二極管或MOSFET可置于磁體的內(nèi)部或外部。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的超導(dǎo)磁體設(shè)備100的電路圖。設(shè)備100包括 兩組超導(dǎo)線圈。第一組102包括串聯(lián)連接的線圈Cl-、Cl+、C2-、C2+、C3-和C3+。第二組 104包括串聯(lián)的超導(dǎo)線圈C4-和C4+。在另一實(shí)施例中，設(shè)備100可包括額外組的超導(dǎo)線圈。 此外，每個(gè)超導(dǎo)線圈組102、104可在每個(gè)組中包括額外或更少的線圈。
斜升開關(guān)110與這些線圈組102、104并聯(lián)連接，它最初保留有電阻，因此使來自電 源(未示出)的電流饋送到線圈102、104，并且以后一旦對線圈組加滿電便與線圈組保持 閉合電路。設(shè)備100還包括磁體急停單元(Magnet Rundown Unit，MRU) 120，在一個(gè)實(shí)施例 中，MRU 120耦合到失超保護(hù)電路130的失超加熱器210(圖2)。在一個(gè)實(shí)施例中，MRU 120 耦合到其它失超加熱器(未示出)。MRU 120可在某些緊急狀況下手動地使線圈組102、104 失超。MRU 120對失超加熱器210施加電流以迫使線圈組失超并失去磁能。
無源失超保護(hù)電路130與線圈組102、104并聯(lián)連接。每個(gè)線圈組102、104可具有 并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)失超保護(hù)電路130，例如如圖所示，其中至少一個(gè)失超保護(hù)電路130 在端子A和B之間，并且至少一個(gè)失超保護(hù)電路130連接在端子B和C之間。如前所述，可 以有具有對應(yīng)失超保護(hù)電路的額外的超導(dǎo)線圈組(未示出)。此外，并不是每個(gè)線圈組都需 要具有失超保護(hù)電路130。失超保護(hù)電路130將在下文中結(jié)合圖2、3、4和5進(jìn)一步詳細(xì)論 述，它在失超事件期間使正常區(qū)域在線圈組的線圈中和/或線圈組中擴(kuò)展開來，以便更平 均地分配能量，從而防止由于過加熱局部區(qū)域而對任何線圈造成損壞。
參考圖1和圖2，在設(shè)備100操作期間，斜升開關(guān)110保留有一定電阻，從而使電 流從電源(未示出)饋送到線圈102、104，然后一旦對線圈加滿電便保持閉合電路。當(dāng)線 圈102、104具超導(dǎo)性時(shí)，電流連續(xù)流過線圈，從而維持用于成像的磁場。如果并且當(dāng)由于例 如磁體線圈摩擦運(yùn)動而發(fā)生失超時(shí)，導(dǎo)線的受熱區(qū)段因正常電阻而變熱。在超導(dǎo)線圈失超 之后，失超保護(hù)電路130將觀察到相應(yīng)超導(dǎo)線圈組兩端的電壓。這個(gè)電壓由兩個(gè)分量組成 由于線圈的正常區(qū)電阻R造成的電阻電壓(I*R)；以及由于電流衰減di/dt造成的感應(yīng)電 壓(Ldi/dt)。如果總電壓超過電壓阻斷器230(圖2)閾值，則失超加熱器210將開始加熱 并使失超擴(kuò)展。然后，加熱器210將通過熱將能量更均勻地散布給線圈的其它區(qū)段或其它 線圈組，從而防止局部熱堆積對線圈造成損壞，這與常規(guī)電路相比是一個(gè)可取的改進(jìn)。失超 加熱器210通常將在約50到約200毫秒內(nèi)使線圈失超。
再次參考圖2，示出圖1中的失超保護(hù)電路130的電路圖。電路130包括與一個(gè)或 多個(gè)限流器220以及可選的一個(gè)或多個(gè)電壓濾波器/阻斷器230串聯(lián)耦合的一個(gè)或多個(gè)失 超加熱器210。失超加熱器210與超導(dǎo)線圈熱耦合，或者在物理上內(nèi)置在超導(dǎo)線圈內(nèi)。限流 器220具有非線性電阻，它對可流過電路130的電流的量進(jìn)行限制，從而防止由于過度電流/過加熱而對加熱器210造成損壞。限流器220可設(shè)置在超導(dǎo)磁性設(shè)備100的磁體真空容 器的內(nèi)部或外部。限流器220將流過電路130的電流限制在低于加熱器210的最大額定電 流的電流。在本文描述的實(shí)施例中，限流器220可包括一個(gè)或多個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)電阻 器310 (圖3)、保險(xiǎn)絲410 (圖4)、自動觸發(fā)斷路器、其它裝置或其組合。限流器220通常不 貴，易于使用，并且當(dāng)設(shè)置在設(shè)備100的外部時(shí)易于更換。
電壓阻斷器/濾波器230可設(shè)置在超導(dǎo)磁性設(shè)備100的磁體真空容器的內(nèi)部或 外部。電壓阻斷器/濾波器230提供反向電壓保護(hù)，并過濾掉超導(dǎo)線圈中的梯度感應(yīng)電壓 噪聲。在本文描述的實(shí)施例中，電壓阻斷器/濾波器230可包括分流背對背功率二極管、 串聯(lián)耦合的一個(gè)或多個(gè)背對背齊納二極管320(圖幻、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 510(圖5)以及比較電路520(圖5)、或其組合。
在設(shè)備100的操作過程中發(fā)生失超期間，失超加熱器210如上所述地散布熱量。限 流器220對可流過加熱器210的電流進(jìn)行限制，從而防止加熱器因過電流而過熱并變成有 缺陷。電壓阻斷器230經(jīng)由限流器220對流到加熱器210的電流進(jìn)行阻斷和/或?yàn)V波。
圖3是根據(jù)另一實(shí)施例的失超保護(hù)電路300的電路圖。失超保護(hù)電路300包括與 一個(gè)或多個(gè)PTC電阻器310和串聯(lián)耦合的一個(gè)或多個(gè)背對背齊納二極管320串聯(lián)耦合的一 個(gè)或多個(gè)失超加熱器210。PTC電阻器310充當(dāng)限流器并限制加熱器210的最大電流。當(dāng)由 于過載電流而導(dǎo)致PTC電阻器310的溫度升高到超過其居里溫度Tc時(shí)，PTC電阻器310的 電阻成指數(shù)增加。因此，限制了流過PTC電阻器310的最大電流。根據(jù)一個(gè)實(shí)例，電阻可在 從低于Tc時(shí)的約10歐姆到高于Tc時(shí)的IO7歐姆范圍內(nèi)，其中電阻的指數(shù)增加由從約20°C 上升到約100°C引起。作為示例，4歐姆PTC電阻器將在50V DC電壓下在約0. 15到約0. 2 秒內(nèi)起作用，并保護(hù)失超加熱器210免于經(jīng)受過電流。在一個(gè)實(shí)施例中，齊納二極管320過 濾掉線圈中的梯度感應(yīng)電壓噪聲，并提供從約IOV到約50V范圍內(nèi)的反向電壓保護(hù)。
在失超事件期間，PTC電阻器310隨著電流經(jīng)由失超加熱器210流過它而變熱，從 而使PTC電阻器310溫度升高。失超加熱器210也可使PTC電阻器310的溫度升高。隨著 溫度升高，PTC電阻器310由于高電阻而阻斷電流流過，從而防止失超加熱器210受到損壞。
圖4是根據(jù)又一實(shí)施例的失超保護(hù)電路400的電路圖。失超保護(hù)電路400包括與 一個(gè)或多個(gè)保險(xiǎn)絲410和一個(gè)或多個(gè)背對背齊納二極管320串聯(lián)耦合的一個(gè)或多個(gè)失超加 熱器210。保險(xiǎn)絲410防止加熱器210因過電流而受到損壞。一方面，在過電流狀況期間， 保險(xiǎn)絲410將在約0. 1到0. 3秒內(nèi)燒斷。保險(xiǎn)絲410可設(shè)置在設(shè)備100的外部，以便在燒 斷時(shí)易于更換。在一個(gè)實(shí)例中，保險(xiǎn)絲410包括4安培正常電流的LITTELFUSE 0216.004 快斷保險(xiǎn)絲。
在失超事件期間，電流流過失超加熱器210到達(dá)保險(xiǎn)絲410。一旦電流超過保險(xiǎn) 絲410容許量，保險(xiǎn)絲410便會燒斷，從而阻斷電流進(jìn)入失超電路400并防止對失超加熱器 210造成損壞。
圖5是根據(jù)再一實(shí)施例的失超保護(hù)電路500的電路圖。失超保護(hù)電路500包括與 一個(gè)或多個(gè)限流器220和一個(gè)或多個(gè)MOSFET 510串聯(lián)耦合的一個(gè)或多個(gè)失超加熱器210。 此外，電阻器Rl和R2沿分支與MOSFET 510并聯(lián)設(shè)置，以形成耦合到MOSFET的柵極的電阻 器分壓器網(wǎng)絡(luò)。比較電路520耦合在R1/R2電阻器分壓器和MOSFET 510之間。MOSFET 510 過濾掉不必要的傳導(dǎo)電流并沿兩極方向切斷加熱器電流。Rl和R2是分壓器的電阻器，分壓6器用于調(diào)整MOSFET 510的工作點(diǎn)。
由于失超電壓可以是正也可以是負(fù)，所以MOSFET 510沿兩極方向傳導(dǎo)或切斷加 熱器電流。在分壓器與MOSFET 510之間需要額外的詳細(xì)比較電路。分壓器的阻抗應(yīng)當(dāng)很 高(大于兆歐)以抑制這個(gè)分支中的不必要的電流。
本書面描述利用實(shí)例公開包括最佳模式的本發(fā)明，并且還使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能 夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)并執(zhí)行任何并入的方法。本發(fā)明的可授予 專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到的其它實(shí)例。如果這些其 它實(shí)例具有與權(quán)利要求的字面語言沒什么不同的結(jié)構(gòu)元素，或者如果這些其它實(shí)例包括與 權(quán)利要求的字面語言無實(shí)質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則它們要在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
元件列表
100超導(dǎo)磁性設(shè)備
110斜升開關(guān)
120磁體急停單元(MRU)
130失超保護(hù)電路
C1-、C1+、· · ·、C4+超導(dǎo)線圈
210失超加熱器
220限流器
230電壓阻斷器
300失超保護(hù)電路
310PTC 電阻器
320背對背齊納二極管
400失超保護(hù)電路
410保險(xiǎn)絲
500失超保護(hù)電路
510 =MOSFET
520比較電路
Rl:電阻器 1
R2:電阻器 權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)磁體設(shè)備(100)，包括至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)；以及并聯(lián)地電耦合到所述至少一個(gè)線圈(Cl-，Cl+，C4+)的無源失超保護(hù)電路(130)， 所述電路(130)包括串聯(lián)連接的至少一個(gè)加熱器(210)和至少一個(gè)限流器020)，其中所述加熱器(210)熱耦合到至少一個(gè)所述線圈(Cl-，Cl+，C4+)，并且所述限 流器(220)將流過所述電路(130)的電流限制在低于所述加熱器(210)的最大額定電流的 電流。
2.一種適于電連接到至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，...，C4+)的無源失超保護(hù)電路 (130)，所述電路(130)包括串聯(lián)連接的至少一個(gè)加熱器(210)和至少一個(gè)限流器O20)，所述加熱器(210)適于熱 耦合到所述至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，... , C4+)，其中所述限流器(220)將流過所述電路(130)的電流限制在低于所述加熱器(210)的 最大額定電流的電流，并且所述電路(130)并聯(lián)地電耦合到所述至少一個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，C4+)。
3.一種用于使超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，C4+)失超的方法，包括將失超保護(hù)電路(130)并聯(lián)耦合到至少一組超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，C4+)，所述組中 的每個(gè)組具有一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈(Cl-，C1+，...，C4+)，其中所述電路(130)包括至少一 個(gè)加熱器(210)和至少一個(gè)限流器Q20)；觸發(fā)由所述超導(dǎo)線圈(Cl-，Cl+，C4+)兩端的增大的失超電壓引起的失超事件；在發(fā)生所述失超事件時(shí)對所述加熱器(210)供電并在加熱器(210)區(qū)域使所述超導(dǎo)線 圈(Cl-，Cl+，... , C4+)正?；?；以及將所述加熱器O10)的電流限制在低于所述加熱器的最大額定電流的電流。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(100)，其中所述限流器(200)設(shè)置在所述設(shè)備(100)的 外部。
5.如權(quán)利要求1-3中的一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(100)、電路(130)或方法，還包括串 聯(lián)連接到所述限流器O20)的至少一個(gè)電壓阻斷器030)。
6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備(100)、電路(130)或方法，其中所述電壓阻斷器(230)包 括背對背齊納二極管(320)。
7.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備(100)、電路(130)或方法，其中所述電壓阻斷器(230)包 括MOSFET (510)、分壓器和在它們之間的比較電路(520)。
8.如權(quán)利要求1-3中的一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(100)、電路(130)或方法，其中所述 限流器(220)包括正溫度系數(shù)(PTC)電阻器(310)。
9.如權(quán)利要求1-3中的一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(100)、電路(130)或方法，其中所述 限流器(220)包括保險(xiǎn)絲(410)。
10.如權(quán)利要求1-3中的一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(100)、電路(130)或方法，其中所 述限流器(220)包括自動觸發(fā)斷路器。
全文摘要
一種超導(dǎo)磁體設(shè)備(100)包括超導(dǎo)線圈(C1-)和并聯(lián)地電耦合到線圈(C1-)的無源失超保護(hù)電路(130)。電路(130)包括串聯(lián)連接的加熱器(210)和限流器(220)。加熱器(210)熱耦合到線圈(C1-)，并且限流器(220)將流過電路(130)的電流限制在低于加熱器(210)的最大額定電流的電流。
文檔編號G01R33/38GK102034586SQ20101050646
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者A·吳, C·楊, Y·趙, 黃先銳 申請人:通用電氣公司