專利名稱：用于觸發(fā)高磁場超導(dǎo)磁體失超的加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加熱器，特別涉及用于觸發(fā)高磁場超導(dǎo)磁體失超的加熱器。.
背景技術(shù)：
高磁場超導(dǎo)磁體通常是由多個超導(dǎo)線圈組成，例如900MHz的核磁共振超導(dǎo)磁體采用了 56個同軸超導(dǎo)線圈組成。為了減小低溫系統(tǒng)的漏熱，高磁場超導(dǎo)磁體采用一臺電源供電。多 個超導(dǎo)線圈采用串聯(lián)供電的方式。這種超導(dǎo)磁體通常具有較高的儲能密度。
超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)稱失超，超導(dǎo)磁體的失超通常開始于某個線圈的局部。當(dāng) 超導(dǎo)磁體開始失超時，正常態(tài)區(qū)域在超導(dǎo)磁體內(nèi)開始傳播擴(kuò)散，如果正常態(tài)區(qū)域能夠在非常 短的時間內(nèi)擴(kuò)展到磁體的大部分范圍，磁體儲存的能量將轉(zhuǎn)變成熱能。若低溫系統(tǒng)有充分 的冷量吸收超導(dǎo)磁體的熱能，這種超導(dǎo)磁體無需外保護(hù)，此時僅要求斷開充電電源即可。
超導(dǎo)磁體的失超過程是儲存在超導(dǎo)體內(nèi)的電磁能量向熱能的轉(zhuǎn)化過程。如果在失超過程 中熱能是在整個磁體內(nèi)均勻釋放，引起的熱點(diǎn)溫升要比熱能在超導(dǎo)磁體內(nèi)周部釋放時低得 多，因此一旦檢測到超導(dǎo)磁體內(nèi)出現(xiàn)失超信號，應(yīng)盡可能使超導(dǎo)磁體儲存的能量在整個磁體 內(nèi)均勻釋放，通過回路將其能量消耗在外電阻上。對于應(yīng)用目的不同的磁體，為了保證其失 超后不至于損壞，有不同的設(shè)計準(zhǔn)則。例如設(shè)計大型探測器超導(dǎo)磁體，設(shè)計規(guī)則為磁體儲 存能量^與磁體的冷質(zhì)量#之比小于5 10 kj/kg。實(shí)際上超導(dǎo)磁體失超總是從局部開始的， 即所謂的點(diǎn)擾動。超導(dǎo)磁體的失超事件具有很大的隨機(jī)性，失超傳播是非常復(fù)雜的物理過程。
高磁場超導(dǎo)磁體為有效地降低熱點(diǎn)溫度一般使用分段保護(hù)。對于單一超導(dǎo)磁體，采用分 段保護(hù)時，由于線圈之間有較強(qiáng)的電磁耦合， 一個線圈失超可能導(dǎo)致臨近沒有失超的超導(dǎo)線 圈的電流快速增加。由于線圈之間緊密接觸具有較好的熱耦合，因此失超的超導(dǎo)線圈的正常 區(qū)傳播能夠很快觸發(fā)鄰近線圈失超。高磁場超導(dǎo)磁體是由相互分離或接觸的多個線圈以一定 電流分級組合而成，線圈之間除了電磁耦合外，沒有熱耦合。因此多線圈的超導(dǎo)磁體當(dāng)中某 一線圈失超時可能產(chǎn)生鄰近的線圈電流快速增大，其失超線圈的能量快速轉(zhuǎn)移到非失超線圈 中，引起鄰近線圈產(chǎn)生的電磁應(yīng)力快速增大，使超導(dǎo)線圈的電流增加較高的一段線圈失超， 線圈因熱量沒有均勻釋放而被燒壞。為了克服這種電流急劇升高，引起線圈的機(jī)械不穩(wěn)定性 以及熱量過于集中燒壞線圈的問題，在超導(dǎo)線圈表面安裝加熱器使得超導(dǎo)線圈提前失超，將 超導(dǎo)磁體的能量均勻釋放在整個超導(dǎo)磁體之中。觸發(fā)超導(dǎo)磁體失超的加熱器的形狀、結(jié)構(gòu)、 加熱面積、以及安裝位置和方法對于觸發(fā)超導(dǎo)磁體失超延遲的控制和效率是非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的加熱器觸發(fā)延遲時間長、效率低的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了 一種加熱器及其安裝方法，本發(fā)明可有效加熱未失超的超導(dǎo)線圈，使其快速失超，使超導(dǎo)磁 體的能量均勻分布在每一個線圈中。
本發(fā)明的加熱器以不銹鋼薄片作為加熱器基底，在不銹鋼薄片的一個外表面上沿薄片長 度方向電鍍一層銅薄膜，銅薄膜為多塊，每塊銅薄膜厚度為2~4pm，長度大于等于100mm，銅 薄膜之間間隔相等，銅薄膜的剩余電阻RRR值在30 50左右。再在薄片的外表面上包裹一層 聚酰亞胺(kapton)薄膜和外界絕緣，通過環(huán)氧樹脂直接將不銹鋼片和聚酰亞胺薄膜粘接在 一起形成加熱器的整體。薄片兩端通過銅電流引線通電形成一定的加熱功率觸發(fā)超導(dǎo)線圈快 速失超。
所述的不銹鋼薄片長度等于線圈軸向方向的長度，薄片的厚度在10 30)^左右，薄片的 寬度取決于加熱器所要求的功率。薄片的外表面包裹一層厚度為50~75pra的聚酰亞胺 (kapton)薄膜和外界絕緣，通過環(huán)氧樹脂直接將不銹鋼薄片和聚酰亞胺薄膜粘接在一起形 成加熱器的整體。采用薄而長的不銹鋼片一方面增大加熱器的電阻，另一方面增大加熱器的 表面積，減小加熱器的加熱延遲時間。
本發(fā)明加熱器的另一種結(jié)構(gòu)是將不銹鋼薄片上刻蝕齒狀狹縫，其目的是減小線圈的電感 和增加加熱器的電阻，同時使用多面觸發(fā)線圈失超。在不銹鋼薄片的齒狀狹縫之間利用電鍍 方法制成2~4 pm厚的鋸齒狀銅薄膜，鋸齒狀銅薄膜的剩余電阻RRR值在30 50左右。薄片 的外表面包裹厚度為50~75 pm的聚酰亞胺薄膜和外界絕緣，通過環(huán)氧樹脂直接將不銹鋼片 和聚酰亞胺薄膜粘接在一起形成加熱器的整體。薄片通過銅電流引線通電形成一定的加熱功 率觸發(fā)超導(dǎo)線圈快速失超。
本發(fā)明的加熱器安裝在線圈的高磁場區(qū)域，以減小加熱器的輸入電流，同時為了較好的 熱接觸，不銹鋼片表面要求非常光滑平整，將其和線圈的表面通過環(huán)氧樹脂緊密粘接。
本發(fā)明的加熱器與二極管相連，和金屬氧化物變電阻器件以及超導(dǎo)磁體形成回路。其中 串聯(lián)電路中二極管的數(shù)目由磁體的總電感和充放電的速率快慢決定。
對于有骨架支撐的超導(dǎo)線圈，本發(fā)明加熱器安裝在磁體的骨架上。為了保證線圈表面繞 制平整，加熱器安裝在骨架上開出的加熱器安裝槽內(nèi)，再在骨架外面繞制超導(dǎo)線圈，此時超 導(dǎo)線圈的繞制張力足可以使加熱器和超導(dǎo)線圈之間具有較好的熱接觸。對于沒有骨架支撐的 超導(dǎo)線圈，可用較高的壓力將加熱器和超導(dǎo)線圈直接緊密粘貼以保證有較好的熱接觸。
本發(fā)明的加熱器適用于高磁場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，特別是多線圈超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。例如NMR、 MRI以及制冷機(jī)冷卻的傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。


圖l是加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中l(wèi)第一電流引線、2聚酰亞胺薄膜、3不銹鋼薄片、 4銅薄膜；
圖2是開有狹縫的加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中5第二電流引線、6鋸齒狀銅薄膜、7 齒狀狹縫；
圖3是加熱器在超導(dǎo)線圈內(nèi)安裝方法示意圖，圖中8骨架、9加熱器、超導(dǎo)線圈10;
圖3a為有骨架結(jié)構(gòu)線圈的加熱器的安裝方法，圖3b為無骨架結(jié)構(gòu)線圈的加熱器的安裝方法。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明加熱器的結(jié)構(gòu)。加熱器以厚度10 3(Vrn左右、長度接近線圈軸向長度的不 銹鋼薄片3作為加熱器基底。在不銹鋼薄片3的一個外表面上沿薄片長度方向電鍍一層銅薄 膜，銅薄膜為多塊，每塊銅薄膜厚度為2-4^un，長度大于等于100mm，銅薄膜4之間間隔相 等，銅薄膜4的剩余電阻RRR值在30~50左右。不銹鋼薄片3的寬度取決于加熱器所要求的 功率，寬度越大電阻越小，加熱器功率越小。然后在不銹薄鋼片3外表面上包裹一層厚度為 50~75pm的聚酰亞胺薄膜2,以和外界絕緣，通過的環(huán)氧樹脂直接將不銹薄鋼片3和聚酰亞 胺薄膜2粘接在一起形成加熱器的整體。通過薄片兩端的第一電流引線1通電形成一定的加 熱功率，觸發(fā)超導(dǎo)線圈快速失超。
圖2為在不銹鋼薄片上開有狹縫的加熱器結(jié)構(gòu)。加熱器以厚度為10 30prn左右、長度接 近于線圈軸向的長度的不銹鋼薄片3作為加熱器基底，采用薄而長的不銹鋼薄片一方面可增 大加熱器的電阻，另一方面增大加熱器的表面積，減小加熱器的加熱延遲時間。為在加熱器 加熱面積基本不變的情況下增大加熱器的電阻，以提高加熱器的加熱功率，將不銹鋼薄片3 上刻蝕齒狀狹縫7。在不銹鋼薄片3上的齒狀狹縫7之間利用電鍍方法制成2 4pm厚的鋸齒 狀銅薄膜6，鋸齒狀銅薄膜6剩余電阻RRR值在30~50左右。再在薄片3的外表面上包裹一 層厚度為50 75nm的聚酰亞胺聚酰亞胺薄膜2，以和外界絕緣。通過的環(huán)氧樹脂直接將不銹 鋼片和聚酰亞胺聚酰亞胺薄膜2粘接在一起形成加熱器的整體。薄片通過第二電流引線5通 電形成一定的加熱功率，觸發(fā)超導(dǎo)線圈快速失超。
圖3是加熱器在超導(dǎo)線圈內(nèi)的安裝方法。如圖3a所示，超導(dǎo)線圈有骨架支撐時，加熱器9 安裝在磁體的骨架8上，為了保證線圈表面繞制平整，加熱器9安裝在骨架8上開出的安裝 槽內(nèi)，再在骨架8外面繞制超導(dǎo)線圈10，此時超導(dǎo)線圈10的繞制張力足可以使加熱器9和 超導(dǎo)線圈10之間具有較好的熱接觸。如圖3b所示，超導(dǎo)線圈沒有骨架支撐時，用較高的壓 力將加熱器9和超導(dǎo)線圈10直接緊密粘貼，以保證有較好的熱接觸。
權(quán)利要求
1、一種用于觸發(fā)高磁場超導(dǎo)磁體失超的加熱器，其特征在于，所述加熱器包括第一和第二電流引線(1、5)、聚酰亞胺薄膜(2)、不銹鋼薄片(3)、銅薄膜(4)；在不銹鋼薄片(3)的一個外表面上沿薄片長度方向電鍍一層銅薄膜，銅薄膜為多塊，銅薄膜之間間隔相等；不銹鋼薄片(3)外表面包裹聚酰亞胺薄膜(2)，不銹鋼薄片(3)和聚酰亞胺薄膜(2)用環(huán)氧樹脂粘接；第一和第二電流引線(1、5)將加熱器電流引入不銹鋼薄片(3)，通過加熱器產(chǎn)生的熱量傳遞到超導(dǎo)磁體上觸發(fā)超導(dǎo)磁體失超。
2、 按照權(quán)利要求1所述的用于觸發(fā)超導(dǎo)磁體失超的加熱器，其特征在于，所述不銹鋼 薄片(3)的厚度為10 3(^m，長度等于線圈軸向方向的長度；不銹鋼薄片(3)的寬度由加 熱器所要求的功率決定，寬度越大電阻越小，加熱器功率越小。
3、 按照權(quán)利要求l或2所述的加熱器，其特征在于或?qū)⒉讳P鋼薄片(3)上刻蝕齒狀狹' 縫(7)，在不銹鋼薄片(3)的齒狀狹縫(7)之間利用電鍍方法制成2 4Kira厚的鋸齒狀銅薄 膜(6)。
4、 按照權(quán)利要求1所述的用于觸發(fā)高磁場超導(dǎo)磁體失超的加熱器，其特征在于對于有 骨架(8)支撐的超導(dǎo)磁體，加熱器(9)安裝的超導(dǎo)磁體的骨架(8)上開出的安裝槽內(nèi)， 再在骨架(8)外繞制超導(dǎo)線圈(10);對于沒有骨架支撐的超導(dǎo)磁體，用壓力將加熱器(9) 和超導(dǎo)線圈(10)直接緊密粘貼。
全文摘要
用于觸發(fā)高磁場超導(dǎo)磁體失超的加熱器，包括電流引線(1、5)、聚酰亞胺薄膜(2)、不銹鋼薄片(3)、銅薄膜(4)。在不銹鋼薄片(3)的一個外表面上沿薄片長度方向電鍍一層銅薄膜，銅薄膜為多塊，銅薄膜之間間隔相等。在不銹鋼薄片(3)外表面包裹聚酰亞胺薄膜(2)，不銹鋼薄片(3)和聚酰亞胺薄膜(2)用環(huán)氧樹脂粘接。第一和第二電流引線(1、5)將加熱器電流引入不銹鋼薄片(3)，通過加熱器產(chǎn)生的熱量傳遞到超導(dǎo)磁體上觸發(fā)超導(dǎo)磁體失超。本發(fā)明加熱器可快速觸發(fā)超導(dǎo)磁體失超并將熱量均勻釋放在外電阻上，對于多線圈的高磁場超導(dǎo)磁體因局部熱點(diǎn)燒毀起到了很好的保護(hù)作用。
文檔編號H05B6/00GK101505555SQ20091007880
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者嚴(yán)陸光, 王秋良, 胡新寧 申請人:中國科學(xué)院電工研究所