论文导读:：用超导磁体制造NMR、MRI等核磁共振设备越来越普遍，超导磁体的失超保护在磁体设计中是一个很关键的问题。本文从失超保护方式，保护电路设计、加速失超方法等三个方面总结了如何为一个超导磁体尤其是核磁共振用超导磁体设计失超保护方案，指出了一些常见的问题的解决办法，最后还介绍并比较了一些常用失超模拟软件，以期为相关科研人员提供有价值的参考。。
关键词：NMR，MRI，超导磁体失超保护
1.引言
NMR、MRI等核磁共振设备在生产生活中得到广泛应用，早期的核磁共振设备主要用永磁或常导磁体来制备的，随着人们对高分辨力和低能耗等提出新的要求，原先的磁体逐渐被超导磁体所取代。超导磁体的核磁共振设备具有能耗低，成像分辨率高等特点。
然而超导磁体一般都会伴有失超现象的发生。失超是超导磁体内电磁能迅速转化为热能的一种现象。失超过程会给磁体带来潜在危害，局部温升过高会烧坏磁体，层间电压过高会击穿绝缘材料，电流增长过大会导致机械损坏等等。因此人们采用各种方法来解决失超过程中的各种问题，给磁体提供保护，防止磁体受到不可恢复的损害。
一般来讲，为超导磁体设计失超保护方案需要考虑几个方面。针对NMR、MRI等闭环运行的超导磁体，本文根据近些年一些相关文献，分别从保护方式、保护电路、加速失超这三方面总结了如何为一个磁体设计失超保护方案，并介绍了几种失超分析软件。
2.保护方式
一般来说，一个超导磁体系统需要先明确是采用主动保护方式还是被动保护方式。当然，也可以同时采用两种方式将其中一种作冗余。两者的最主要区别在于是否依靠外部的保护系统。主动保护方式一般包括失超检测和保护启动两个步骤，而被动保护方式依靠失超过程中磁体自身电压来启动保护。下面分别给予阐述。
主动保护首先是要失超检测，而失超检测又分为信号获取和信号处理两个阶段，如图 1。磁体一旦失超，那么正常区传播，电阻就会增长，表现为线圈的电流电压变化，为了取得这个信号，可以通过在线圈上放置电压测量点物理论文，通过引线取出电压值的方法[1]，也可以通过互感线圈耦合获取电压信号[1]。也可以将两种方式进行某种组合以为后续步骤所用[1]。
一般来说获取的信号会掺有各种干扰信号，主要有以下几种：励磁、退磁过程中的电感信号，外界环境中金属移动、震动等导致的毛刺信号、对于MRI还有梯度线圈工作时的脉冲扰动信号等[5][6]。不同的干扰信号由于产生原因不同，因此有不同的幅值及频率特点。为了判断失超，必须先去除这些干扰信号，信号处理一般会通过独立于磁体的外部电路系统，利用各种信号的特点来滤掉这些信号以获取真正的失超信号。
对于励磁、退磁信号，根据公式UL=LdI/dt，可以通过三种方式来滤掉。一种是通过常见的电桥[1]，先计算出每段电感，然后调整各段电阻之比为电感之比，这样在励磁和退磁的时候，桥路平衡，桥路中心抽头的信号为零，如果失超发生，那么将产生不平衡电压信号。如果失超从某段抽头中间对称向外扩散，那么可以采用多个中心抽头来加以克服[12]。另一种是采用差分的方式[10][11]，每段的电压信号取出来后，在后续电路中取其差分信号，由于励磁、退磁产生的电感电压UL正比于L，因此电感相同的两段差分信号为零，这样就滤掉了励磁、退磁信号。此外，由于UL还正比于dI/dt，因此可以事先根据励磁速率计算好UL作为预设值，在后续电路中将输入信号直接与预设值进行比较而将其滤掉。
对于其他干扰信号，每一种信号都有它们特有的信号周期 及幅值 。金属移动产生约0.1Hz信号，环境震动产生约10Hz信号，梯度线圈产生约100Hz信号[5][6]。由于失超后，电压会随时间不断增长，因此可以通过在后续电路中预设 与 或者 作为特征值，当输入的信号小于这些预定值时，失超检测系统认为没有失超发生，反之认为失超发生。对于各种预设与，不太容易通过计算得到，如果取值过大，倒是可以保证滤掉干扰信号，但是会拖延保护启动时间，给磁体带来潜在危害，但如果取值过小，容易导致误动作，影响工作效率，为此有时需要针对磁体做试验，并根据采集到的信号波形来判断是否是误动作[4]，并由此找到合适的预设值。
当检测有失超发生之后，检测系统会开启保护动作。一般说来，保护动作常见有以下两项内容，一项是切断电源，如果是励磁退磁过程中发生失超物理论文，那么尽快断开电源，使磁体与保护电阻串联起来以保护电源和磁体，另一项是通过加热器来加速失超，避免热量释放过于集中造成热点温升过高。切断电源可以通过断路器[11]或者IGBT[7]等设备来完成，加热器的加热电流可以通过独立外部电源或磁体自身来提供。对于利用加热器加速磁体失超，被动保护方式也常常采用，这将在后面详细介绍。
主动保护的优点在于它能更准确的测出失超信号，排除干扰，获得较高的信噪比，对于像NMR、MRI这种多线圈的磁体，还可以控制保护启动的时间，调整失超先后顺序，从而对线圈间的耦合进行控制，防止某些小线圈耦合电流过大而带来的过应力问题[8]。但是主动保护也有缺点，一方面一个信号处理系统往往需要较复杂的电路或者各种多级的运算放大电路（如比较电路、积分电路）来发挥功能，这就给保护系统带来了潜在失效的风险，而一旦失效就可能给磁体带来非常大的损害；另一方面，对于这样复杂的系统，一般需要外部独立的供电系统，如UPS，这造成整个系统的制造成本增高，且又增加了导致系统失效的不可控因素。因此一般来说，对于一个超导磁体系统，不仅可以采用主动保护方式，也常常可以同时采用被动保护方式，两者结合作为失超保护的“双保险”[4]。
图1 主动保护失超检测流程图
被动保护系统与主动保护系统不同在于，它没有独立的失超检测电路，而是通过磁体内与线圈并联的电阻及二极管等简单电器件来为磁体提供保护，由于没有外部的失超检测电路，也就无需外部电源供电，保护系统可大大减小失效的风险。对于被动保护系统，常常采用电路分段保护的形式，对线圈电路进行组合、分段和排序，并联分段电阻及二极管形成LR回路，以达到控制各线圈的电流及电压变化的目的，当然主动保护系统也常常采用分段保护的形式。被动保护也常常会利用加热器来加速失超，如何设计加热器的材料、尺寸及加热电路对于被动保护来讲是很重要的问题，这将在后面详细介绍。
3.保护电路
对于NMR、MRI的超导磁体系统，一般由很多线圈构成，其典型电路如图 2示，励磁的时候外部电源通过引线与磁体两端相连，超导开关与一个保护二极管并联，处于打开状态，当励磁结束，超导开关闭合，超导磁体形成闭合回路，开始正常工作。在整个过程中，如果磁体失超，那么线圈上既产生电阻电压物理论文，又产生互相耦合的互感电压、虽然整个磁体两端的端电压由于有二极管并联不会很高，但是由于各线圈间互感大小不一，失超电阻产生先后及大小不一，因此有时很容易在磁体之间产生较高的对地电势，击穿骨架及导线的绝缘层而给磁体带来永久损坏。为此，可以通过调整电路结构来降低磁体内的电压及热点温升[9][15][17]，常用的方法有：对线圈分段组合和排序、并电阻及二极管。
将不同的线圈串连在一起再与一个电阻或二极管并联形成一个LR回路，这样称为一段，整个磁体的电路由许多这样的的段串联组成。分段能大大降低失超磁体内线圈的对地电势。一般来说，分段越多，电势降低越多，但是这样会带来有些段里电流过大，尤其是一些电感比较小，或失超触发比较滞后的线圈[2][4]。对于分段的常用原则，总结有以下几点[2]：
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