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MRI、NMR低温超导磁体失超保护综述_物理论文

时间:2011-05-19  作者:秩名
a.几何上关于中心平面对称的线圈最好分在一段。因为对称线圈串在一起,那么电流就一致,它们所受安培力一致,而整个磁体的应力也就比较平衡。当然也并不是一定要如此,具体受力大小要根据计算来评估。另外如果磁体有主动屏蔽线圈,各个线圈电流的不一致(不仅是几何对称线圈电流不一致),会在失超过程中对外界产生一定的漏磁,不过漏磁的量级一般约为一百高斯以内[15][26],且时间也比较短,应该不是太大问题。

b.各个段应该尽量保持相近的自感或互感。因为在失超的时候,小电感会被耦合到比较大的电流,有可能导致过应力问题[3],给磁体带来机械损坏。由此,电感相对较小的线圈常常要和其他线圈串在一起,而电感相对大的线圈往往可独立作为一段。

c.对于大体积线圈,应对其本身进行再分段。由于大体积线圈自身电感很大,失超电阻也很大,因此失超时会产生较大的端电压。另外由于大线圈一般比较厚,而径向上失超传播又比较慢,因此径向不同位置的加热时间不同导致温度分布不均匀,从而导致电阻分布不均,因此还有可能在线圈内部产生很高的电势及热应力[4],为了防止这些可能的高电势,有时常常将体积比较大的大线圈沿其径向分为若干份,将每份独立的分段或者在分到其他段中。

d.分段后可再对各段进行排序以进一步降低对地电势。某一时刻如果某段的端电压是正电势,那么要找一个是负电势的段与其相连,这样一正一负两段累积的电压就不会过大,降低了各段连接点的对地电势。虽然每段不会在同一时刻产生各自的电压最高值,但仍是可以通过观察比较各段电压波形来进行排序,最大限度降低对地电势。有时,仅仅进行分段和排序而无需并联保护二极管和电阻也能达到降低电势的目的[18],不并二极管和电阻可以保证整个磁体各个线圈电流一致,防止漏磁和应力不平衡问题,但是为了降低电压,这种分段方式往往需要分很多段物理论文,这会使线圈的接线比较复杂和麻烦。

每段上并联二极管的目的在于隔绝励磁过程中分段电阻上的电压,减少电阻带来的热损耗,另外在被动保护方式中防止加热器误动作,排除一些毛刺信号[13]。二极管和保护电阻一般也置于低温的环境中,以减小磁体漏热,二极管在低温的导通电压一般为4V~12V,导通后的电压为3V[4],但具体值需要实验来测定,因为它取决于二极管设计的大小,而二极管设计的大小又取决于流过电流负载的大小,负载越大,二极管一般制作的体积也越大,但体积大不仅影响导通电压,同样影响安装的便宜程度。对于二极管和保护电阻的选取,如果单纯用二极管而不用电阻,那么端电压会保持在很低的程度,即其导通后的电压,但是流经二极管或者其段内线圈的电流就有可能非常之大,这样不仅二极管需要提高负载能力而做大体积,另一方面线圈也有可能产生过应力的问题。因此,一般可以将二极管串一分段保护电阻,电阻阻值的选取对于控制流经二极管及该段线圈的电流很有作用,对于该段的端电压也有影响。一般说来,电阻值选的越大,该端电压的最大值也越高,但是这种变高的程度随着电阻值增大而减弱,直到基本没有太多差别,相反,电阻值选的越小,该段电压的最大值降低,而流经线圈和电阻的电流却越高,同样会带来过应力问题,以及二极管和电阻负载设计问题,因此这是一个平衡寻优的问题。关于电阻值大小的选取,书[2]中的一种经验说法是,为了保证安全电压,各分段电阻值之和应为安全电压与工作电流之比,各段电阻的值大小正比于它们对应段线圈的自感。这是假设磁体电流全部流入保护电阻的情况。但实际上电阻值的选取还要通过计算来确定,也相对灵活得多。

对于NMR、MRI等闭环运行的磁体,电路的设置一般不是作泄能用的,而是如上所述用作降压和平衡电流。实际上保护电阻及二极管吸收的能量相对于磁体总的储能也确实非常小,对于一些采用电感耦合电路的情况,也是如此,它们往往作为前述主动失超的信号检测或者Quench-Back反馈,具体会在下面介绍。因此,磁体大部分能量还是要通过磁体自身来吸收,为了使磁体在更大体积内吸收能量,防止过于集中的能量释放而带来热点温升过高,一般需要用加热器等方法来加速磁体的失超。

4.加速失超

磁体从一点开始失超物理论文,能量将通过欧姆热释放在失超区内,一般来说,失超沿匝间和层间的传播很慢,因此发热比较集中,容易造成局部温升过高损坏磁体,因此在失超后,常常采用加热器,使磁体在尽量短的时间里于更大的区域内失超,将热量平均释放于磁体内,保护磁体。关于加热器设计往往从两个大的基本方面进行考虑,一是加热器要有能力迅速触发失超,二是触发失超后加热器不致温升过高给自身及周围环境造成损毁。以下将对加热器的材料、尺寸、放置、以及加热器电路设计等几方面分别进行介绍

加热器材料的选取主要取决于以下几个因素[19][20],一是要有较低的磁化率,尤其对NMR、MRI等均匀度要求非常高的磁体,应不干扰磁场分布;二是要有一定的电阻率和比热容,在可接受的几何尺寸大小下能产生足够的加热功率,且该功率能较快转化为温升提高触发速度;三是易于锻造加工,能制造满足需要的尺寸;四是价格要合适。可作为加热器的材料有很多,但综合以上各因素看,不锈钢片是最常被使用的材料。此外,近年来有些加热器材料选用非线性正温度系数的金属氧化物作为加热器材料[23],在触发线圈失超前快速升温,在触发后又能保护加热器自身不致温升过高,不过这些材料的价格并不便宜,使用也并不普遍[7]。另外,也有专利提出将二极管进行改造,既作二极管用又做加热器用[22],但是未见有实际应用报道。

加热器一般做成薄片状沿轴向置于线圈外表面(加热电流从轴向一端流到另一端),由于超导线要贴骨架绕制的原因,因此一般不置于线圈的内表面和端面,但是对于某些大的磁体,厚度很大,径向上温度不均容易造成较大的热应力,因此有时也不得不沿径向在端面上放置加热器。加热片一般与线圈隔若干层绝缘材料如环氧树脂或者玻璃丝布以达到与线圈电气绝缘的目的,当然这一厚度要选择适中,根据热传导公式,,绝缘层薄则利于传热但是加热片的金属毛刺可能会破坏与线圈的绝缘,太厚又会减慢加热片与线圈的传热速度,增大触发时间。一般来讲,由于超导线自身有绝缘层,那么夹一至两层厚约0.1mm左右的玻璃丝布即可。加热片的另一面可以包裹较厚的绝缘层或者不锈钢绑扎[],一方面利于加热片的固定和与线圈的紧密接触,另一方面隔绝液氦减少加热过程中热量损失,这都有利于提高加热器的工作效率。

对于常用的不锈钢片材料而言,为了更大范围触发失超,加热片的长度会做成与线圈轴向长度近似,厚度一般取0.1-0.5mm不等,宽度取0.5-3cm不等[]物理论文,这取决于加热片设计电阻及单位接触面积热容。要综合考虑宽度与厚度,当厚度变大,电阻反比变小,单位接触面积热容正比变大,当宽度变小,电阻反比变大,单位接触面积热容反比变小。单位接触面积热容越小,加热片的温升越快,失超的触发也越快,触发后加热片的温升也越高;而加热片电阻大小对加热功率的影响依赖于与其匹配的加热电路是U2/L型还是I2L型。为了便于产生一定的电阻值,加热片有时被制成具有折回的S形[21],如一些商用加热片常做到几十上百欧姆。一个线圈的外表面可以放置一个加热片,也可以放置多个,放置多个加热片一方面是为了增加冗余,减少失效的风险,另一方面一定程度上也可以提高失超触发速度[20]

加热器给磁体加热触发失超,首先要通过流经自身的电流给自身加热,给加热器加热的电流取决于外电路的情况。根据保护方式,主动方式和被动方式各有不同类型的加热电路与加热片配配合。

对于主动保护方式,当检测到失超后,启动保护,其加热器电路主要有两种类型,一是通过外部直流电源或者内置电容放电直接加热加热器[4][5][25],如图 2;二是通过外部电源或电容放电先加热一个单独的超导开关,超导开关与各加热器并联,各加热器又串联或并联在一起(图中显示的是串联情况),当超导开关被加热打开,电流就分流到加热器中再触发磁体失超,如图 3,此种方法比前者所需直流电源功率要小,同时增加系统可靠性。

MRI

图2 主动失超保护电路1

MRI

图3 主动失超保护电路2

对于被动保护方式,加热器电路主要有以下几种类型[25]:一是加热器与分段保护回路的二极管或电阻串联(二极管可以防止加热器误动作),取其电流加热加热器,加热器再加热该段内的线圈,每段均可以设有自己的加热器,如图 4;二也是利用保护回路的电流加热加热器,但加热器去加热其他段里的线圈,以此类推不断传递,这样当一个线圈失超时,其端电压变化会增快,正好用于加热其他线圈,这会比前一种更快的触发失超[24],如图 5;三是用某一段回路的电流加热加热器,而加热器加热所有线圈,即所有线圈的加热器都串联在该段保护回路中[23],如图 6,此种方法比前两种的接线更简便,但是当其中某个线圈先失超时有可能带来触发很慢的情况。四是加热器与耦合线圈串联,通过金属线圈耦合的电压来加热[23]。关于加热器电路物理论文,以上几种方式是常见的大致解决思路,这几种方式也可以进行互相组合,具体实施方案可以灵活变通。

一般说来,可以在所有线圈上都放置加热器,但是有时出于方便的考虑也可以不加加热器。如果某线圈于其他线圈是反绕的[24],例如屏蔽线圈,那么当其他线圈失超而电流衰减时,它的电流也衰减,因此可以不加加热器,当然这还需计算来进一步验证。如果某些线圈与它紧密热连接的线圈有加热器,那么它也可以不加加热器,因为一旦加热器触发失超,那么失超会很快从一个线圈传播到与其有热连接的另一线圈。

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