本發(fā)明屬于回旋加速器設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)線圈基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的失超保護(hù)方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)勵(lì)磁線圈由超導(dǎo)材料(如NbTi，Nb3Sn等低溫超導(dǎo)材料及BSCCO、YBCO等高溫超導(dǎo)材料)制成的超導(dǎo)線或超導(dǎo)線編織成的絞纜繞制而成。通常用于提供常規(guī)常溫勵(lì)磁線圈無(wú)法提供的大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)。超導(dǎo)勵(lì)磁線圈只有在極低溫度下(至少低于相應(yīng)超導(dǎo)材料的臨界溫度)才能維持超導(dǎo)態(tài)。此時(shí)，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈本身阻抗接近零，無(wú)焦耳發(fā)熱，線圈兩端的電壓降非常低，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈具備非常大的電流載荷能力(其臨界電流比常用的銅導(dǎo)線大幾個(gè)數(shù)量級(jí))。但當(dāng)因?yàn)槟承┰驅(qū)е鲁瑢?dǎo)勵(lì)磁線圈的溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)線就會(huì)從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)化為非超導(dǎo)態(tài)，如果超導(dǎo)勵(lì)磁線圈沒(méi)有失超保護(hù)系統(tǒng)，此時(shí)大電流流過(guò)非超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)勵(lì)磁線圈會(huì)造成線圈產(chǎn)生大量焦耳熱，線圈迅速升溫而損壞；同時(shí)線圈內(nèi)的電壓迅速升高，有擊穿線圈絕緣層的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通常都會(huì)采用失超保護(hù)系統(tǒng)來(lái)保護(hù)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈。
在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的最重要的應(yīng)用-超導(dǎo)核磁共振磁體(Superconducting MRI magnet)中，由于核磁共振磁體一般都是不帶電源運(yùn)行，因此其中的超導(dǎo)勵(lì)磁線圈采用內(nèi)保護(hù)的方式來(lái)保護(hù)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈(參見(jiàn)Yi Li,Qiuliang Wang,Shunzhong Chen,Quench Simulation for 9.4T MRI Superconducting Magnet,Journal of Physics:Conference Series 507(2014)032054.)。即通常采用放置在低溫恒溫器低溫端、背靠背的冷二極管(back-to-back cold diodes)與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈并聯(lián)，旁路失超的線圈，限制線圈失超時(shí)的電壓升高；同時(shí)在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈繞制時(shí)預(yù)埋加熱器，利用失超時(shí)的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)加熱器加熱超導(dǎo)勵(lì)磁線圈未失超的部分，使得整個(gè)磁體均勻失超，降低磁體內(nèi)的最高溫升，達(dá)到保護(hù)磁體的目的。
在目前公開(kāi)的超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)磁鐵中，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈通常帶電源工作，單純采用內(nèi)保護(hù)無(wú)法滿足要求，一般需要專(zhuān)門(mén)的失超探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)失超信號(hào)，用于斷開(kāi)電源，同時(shí)用工作在室溫的外保護(hù)電阻來(lái)保護(hù)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈(參見(jiàn)K.Pieterman,C.Commeaux,J.A.M.Dam,et al.,THE CRYOGENIC SYSTEM FOR THE AGOR SUPERCONDUCTING CYCLOTRON,Proceedings of the Eleventh International Conference on Cyclotrons and their Applications,Tokyo,Japan,p548-p551.)。當(dāng)檢測(cè)到超導(dǎo)勵(lì)磁線圈發(fā)生失超時(shí)，電源斷開(kāi)，外保護(hù)電阻與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈串聯(lián)，超導(dǎo)磁鐵中儲(chǔ)存的能量通過(guò)外保護(hù)電阻釋放。但對(duì)于儲(chǔ)能和電感都比較大的超導(dǎo)磁鐵，外保護(hù)電阻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致線圈失超電壓過(guò)高，破壞線圈絕緣；外保護(hù)電阻太小又會(huì)造成電流衰減時(shí)間常數(shù)很大，線圈內(nèi)的溫升過(guò)高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)磁鐵中超導(dǎo)勵(lì)磁線圈失超保護(hù)方式存在的問(wèn)題，提供一種基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)線圈失超保護(hù)方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)線圈基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的失超保護(hù)方法，在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈與電源的連接線路上設(shè)有失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的兩端連接外保護(hù)電阻，所述的超導(dǎo)勵(lì)磁線圈還并聯(lián)有內(nèi)保護(hù)冷二極管組，內(nèi)保護(hù)冷二極管組連接失超加熱器，失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊分別與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈和失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)相連接；
當(dāng)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈處于超導(dǎo)態(tài)正常工作時(shí)，失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)閉合，外保護(hù)電阻被超導(dǎo)勵(lì)磁線圈短路，電流主要通過(guò)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈；
當(dāng)失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊檢測(cè)到失超信號(hào)后，控制失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，內(nèi)保護(hù)冷二極管組用于限制超導(dǎo)勵(lì)磁線圈失超時(shí)的電壓升高，并通過(guò)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈失超后產(chǎn)生的電壓差驅(qū)動(dòng)失超加熱器加熱超導(dǎo)勵(lì)磁線圈使超導(dǎo)勵(lì)磁線圈均勻失超，此時(shí)外保護(hù)電阻與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈串聯(lián)，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈中儲(chǔ)存的部分能量通過(guò)外保護(hù)電阻釋放。
進(jìn)一步，如上所述的230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)線圈基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的失超保護(hù)方法，其中，所述的失超加熱器緊貼在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的表面。
進(jìn)一步，如上所述的230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)線圈基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的失超保護(hù)方法，其中，所述的失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊包括失超信號(hào)檢測(cè)單元和失超控制單元，所述失超信號(hào)檢測(cè)單元比較上下超導(dǎo)勵(lì)磁線圈抽頭間的電壓差，并交給失超控制單元判斷，當(dāng)超過(guò)一定限額后認(rèn)為發(fā)生失超，失超控制單元發(fā)出控制開(kāi)關(guān)量的通斷信號(hào)。
進(jìn)一步，如上所述的230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)線圈基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的失超保護(hù)方法，其中，所述的內(nèi)保護(hù)冷二極管組由可工作在液氦溫度的兩個(gè)一組正反背靠背連接的功率二極管組成的單元一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)形成，安裝在液氦容器中，單個(gè)功率二極管組單元在低溫下的正向?qū)妷翰恍∮?V,多個(gè)串聯(lián)后形成所需的導(dǎo)通嵌位電壓。
本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明提出了一種基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)相結(jié)合的回旋加速器超導(dǎo)線圈失超保護(hù)方法，利用內(nèi)保護(hù)冷二極管組對(duì)線圈失超電壓的嵌位解決了單純利用較大外保護(hù)電阻線圈失超電壓過(guò)高的問(wèn)題；同時(shí)利用預(yù)埋加熱器使得線圈均勻失超，降低了超導(dǎo)線圈內(nèi)的最高溫升。本發(fā)明將大大降低超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)勵(lì)磁線圈在失超時(shí)損壞的概率。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)線圈基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的失超保護(hù)方法的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖1所示，本發(fā)明所提供的超導(dǎo)線圈基于內(nèi)保護(hù)與外保護(hù)的失超保護(hù)方法，在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6與電源7的連接線路上設(shè)有失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)1，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6的兩端連接外保護(hù)電阻4，所述的超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6還并聯(lián)有內(nèi)保護(hù)冷二極管組2，內(nèi)保護(hù)冷二極管組2連接失超加熱器3，失超加熱器3緊貼在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的表面設(shè)置，失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊5分別與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6和失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)1相連接。
當(dāng)超導(dǎo)線圈處于超導(dǎo)態(tài)正常工作時(shí)，失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)1閉合，此時(shí)外保護(hù)電阻4被超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6短路，電流主要通過(guò)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6。
當(dāng)失超檢測(cè)與控制模塊5檢測(cè)到失超信號(hào)后，控制失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)1斷開(kāi)電源7。失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊5的實(shí)現(xiàn)形式有多種，在本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式中，失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊5包括失超信號(hào)檢測(cè)單元和失超控制單元，所述失超信號(hào)檢測(cè)單元比較上下超導(dǎo)勵(lì)磁線圈抽頭間的電壓差，并交給失超控制單元(如PLC)判斷，當(dāng)超過(guò)一定限額后認(rèn)為發(fā)生失超，失超控制單元發(fā)出控制開(kāi)關(guān)量的通斷信號(hào)。
內(nèi)保護(hù)冷二極管組2由可工作在液氦溫度的兩個(gè)一組正反背靠背連接的功率二極管組成的單元一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)形成，安裝在液氦容器中，單個(gè)功率二極管組單元在低溫下的正向?qū)妷阂话悴恍∮?V,多個(gè)串聯(lián)后可形成所需的導(dǎo)通嵌位電壓。當(dāng)失超檢測(cè)與控制模塊5檢測(cè)到失超信號(hào)后，控制失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)1斷開(kāi)電源7，內(nèi)保護(hù)冷二極管組2嵌位超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6兩端的電壓；失超加熱器3工作，加熱線圈未失超的部分，使得超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6整體均勻失超，也即使得超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6儲(chǔ)存的電磁能通過(guò)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6中已變成電阻性的失超部分均勻釋放而不是集中釋放到局部，防止局部燒毀；外保護(hù)電阻4與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈6串聯(lián)，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈中儲(chǔ)存的部分能量通過(guò)外保護(hù)電阻4釋放。
實(shí)施例
以某230MeV超導(dǎo)回旋加速器超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的失超保護(hù)系統(tǒng)為例。該失超保護(hù)系統(tǒng)由失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)，內(nèi)保護(hù)冷二極管組，失超加熱器，外保護(hù)電阻，失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊組成。
在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈與電源的連接線路上設(shè)有失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)，超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的兩端連接外保護(hù)電阻，所述的超導(dǎo)勵(lì)磁線圈與內(nèi)保護(hù)冷二極管組并聯(lián)，內(nèi)保護(hù)冷二極管組采用多組正反背靠背連接的功率二極管組成的單元串聯(lián)的形式，內(nèi)保護(hù)冷二極管組連接失超加熱器，失超加熱器緊貼在超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的表面設(shè)置，失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊分別與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈和失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)相連接。
當(dāng)超導(dǎo)線圈處于超導(dǎo)態(tài)正常工作時(shí)，失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)K閉合，此時(shí)外保護(hù)電阻被超導(dǎo)線圈短路，電流主要通過(guò)超導(dǎo)線圈。
失超信號(hào)檢測(cè)與控制模塊包括失超信號(hào)檢測(cè)單元和失超控制單元，失超信號(hào)檢測(cè)單元比較上下超導(dǎo)勵(lì)磁線圈抽頭間的電壓差，并交給失超控制單元(如PLC)判斷，當(dāng)電壓差超過(guò)一定限額后認(rèn)為發(fā)生失超(即失超檢測(cè)與控制模塊檢測(cè)到失超信號(hào))，失超控制單元發(fā)出控制開(kāi)關(guān)量的通斷信號(hào)，控制失超保護(hù)控制開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)電源；外保護(hù)電阻與超導(dǎo)勵(lì)磁線圈串聯(lián)，釋放能量。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。