用于對(duì)無(wú)低溫超導(dǎo)磁體的失超保護(hù)的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于對(duì)無(wú)低溫超導(dǎo)磁體的失超保護(hù)的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年12月27日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/746409的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用將該申請(qǐng)內(nèi)容并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開總體涉及一種在無(wú)低溫(cryo-free)環(huán)境中操作的超導(dǎo)核磁共振(NMR)或磁共振成像(MRI)磁體，并且具體涉及一種用于在失超事件期間防止電壓擊穿的系統(tǒng)、裝置、布置和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]在無(wú)低溫環(huán)境中操作的超導(dǎo)磁體的電擊穿提出了一個(gè)嚴(yán)峻的問題。失超期間在磁體的各部分之間形成的電壓可以達(dá)到幾千或幾萬(wàn)伏。如果磁體是被正確地生產(chǎn)出的，則失超電壓小于擊穿電壓。在無(wú)低溫條件下，擊穿電壓由圖3中所示的帕邢(Paschen)曲線來定義，所述帕邢曲線將擊穿電壓與容納磁體的體積中的殘余氣體壓力相關(guān)，所述磁體的各部分彼此相距特定的距離。隨著壓力降低，擊穿電壓最初也下降，然后達(dá)到其最小值，并最終開始再次升高。通常在實(shí)際中將無(wú)低溫磁體的內(nèi)部體積抽到非常低的壓力，即到擊穿電壓為高的點(diǎn)。低溫恒溫器里面的壓力與磁體電壓之間的關(guān)系由圖3中所示的帕邢曲線來定義，圖3示出了各部分彼此相距固定距離的磁體的帕邢曲線。帕邢曲線表示在特定壓力處的擊穿電壓。曲線以下的任何點(diǎn)都被表征為安全操作狀況，而曲線以上的任何點(diǎn)都導(dǎo)致對(duì)磁體的損壞。
[0005]在失超期間，磁體可能被局部形成的高電壓和/或高溫?fù)p壞。源于失超的問題之一是熱事件系列。磁體或磁體部件的部分可能變熱并因此可能排出已被吸收的氣體。諸如環(huán)氧樹脂、絕緣體、未清洗的焊劑等復(fù)雜磁體材料的化學(xué)分解也可以導(dǎo)致氣體產(chǎn)生，引起進(jìn)一步的真空惡化。所導(dǎo)致的真空污染可能導(dǎo)致原先被抽空的體積中的殘留壓力不受控制地增加，這繼而將導(dǎo)致失超電壓超過磁體的擊穿電壓。這最終導(dǎo)致對(duì)磁體的摧毀。存在各種被接受的抵消源于無(wú)低溫磁體的失超的高電壓?jiǎn)栴}的方法。例如，一種方法需要在任何暴露的或未被充分絕緣的金屬表面上應(yīng)用附加的絕緣層。另一種方法涉及將磁體電流密度保持足夠低，以使得失超期間形成的電壓也是低的。另一種方法需要利用分流器來保護(hù)磁體，所述分流器可以由電阻器或二極管或其兩者制成。這些方法在大規(guī)模生產(chǎn)中可能是過分昂貴的。此外，在MRI磁體中，二極管-電阻器分流器解決方案危害了失超期間的雜散場(chǎng)并且可能導(dǎo)致磁場(chǎng)綻開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的示范性實(shí)施例可以提供例如用于在失超事件期間保護(hù)磁體的系統(tǒng)、裝置、布置和方法。本公開的各方面可以提供在失超事件期間的額外的保護(hù)，以避免對(duì)磁體的潛在損害。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，可以提供一種用于在失超事件期間保護(hù)磁體的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以包括:(i)第一密封外殼，其具有第一壓力并容納預(yù)定氣體；(ii)第二密封外殼，其具有第二壓力，所述第一壓力高于所述第二壓力；(iii)磁體，其被設(shè)置在所述第二外殼內(nèi)；(iv )感測(cè)設(shè)備，其監(jiān)測(cè)所述磁體的各部分電壓；(V)處理器，其被配置為根據(jù)所述電壓來確定失超事件；(Vi)常規(guī)磁體保護(hù)系統(tǒng)；以及(Vii)閥，其能將所述第一外殼和所述第二外殼密封連接，所述閥能在第一位置與第二位置之間切換。當(dāng)所述閥在所述第一位置中時(shí)，所述第一外殼和所述第二外殼彼此密封，以分別保持所述第一壓力和所述第二壓力。當(dāng)所述閥在所述第二位置中時(shí)，所述第一外殼和所述第二外殼能密封地連接到彼此，以允許所述氣體從所述第一外殼流到所述第二外殼。當(dāng)檢測(cè)到所述失超事件時(shí)，所述閥從所述第一位置切換到所述第二位置，以使得所述氣體從所述第一外殼流到所述第二外殼中，直到達(dá)到所述第二外殼內(nèi)的第三壓力。所述第三壓力根據(jù)所述第一壓力、所述第二壓力、所述第一外殼和所述第二外殼的參數(shù)、以及所述失超事件的參數(shù)而被確定。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，可以提供一種用于在失超事件期間保護(hù)磁體的方法。所述方法可以包括使用感測(cè)設(shè)備來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的超導(dǎo)磁體的各部分的電壓。所述系統(tǒng)還包括第一密封外殼、第二密封外殼以及閥。所述第一外殼容納預(yù)定氣體，并在內(nèi)具有第一壓力。所述第二密封外殼容納所述磁體并在內(nèi)具有第二壓力。所述第一壓力高于所述第二壓力。所述閥能將所述第一外殼和所述第二外殼密封連接，并且能在第一位置與第二位置之間切換。所述方法還包括由處理器根據(jù)所述電壓來確定失超事件；并且在檢測(cè)到所述失超事件之后將所述閥從所述第一位置切換到所述第二位置，以使得所述氣體從所述第一外殼流到所述第二外殼中，直到達(dá)到所述第二外殼內(nèi)的第三壓力。所述第三壓力根據(jù)所述第一壓力、所述第二壓力、所述第一外殼和所述第二外殼的參數(shù)、以及在較小的程度上根據(jù)所述失超事件的參數(shù)而被確定。當(dāng)所述閥在所述第一位置中時(shí)，所述第一外殼和所述第二外殼彼此密封，以分別保持所述第一壓力和所述第二壓力。當(dāng)所述閥在所述第二位置中時(shí)，所述第一外殼和所述第二外殼能密封地連接到彼此，允許所述氣體從所述第一外殼流到所述第二外殼。
【附圖說明】
[0009]參考附圖在以下示范性實(shí)施例中更詳細(xì)地解釋了本發(fā)明，其中，由相同的附圖標(biāo)記部分地指示相同或相似元件，并且各示范性實(shí)施例的特征是可組合的。在附圖中:
[0010]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的示范性系統(tǒng)的示意圖。
[0011]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的用于在失超事件期間保護(hù)無(wú)低溫超導(dǎo)磁體的示范性方法。
[0012]圖3示出了根據(jù)在其電極之間具有固定距離的磁體中的擊穿電壓與壓力的已知關(guān)系的帕邢曲線的范例。
[0013]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的示范性系統(tǒng)的另一示范性實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0014]可以參考以下說明和附圖進(jìn)一步理解示范性實(shí)施例，其中，相同的附圖標(biāo)記指代相似的元件。示范性實(shí)施例總體上涉及用于在失超事件期間保護(hù)無(wú)低溫超導(dǎo)磁體的方法和系統(tǒng)。
[0015]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的用于在失超事件期間保護(hù)超導(dǎo)磁體103 (例如無(wú)低溫超導(dǎo)磁體)的示范性系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可以包括第一密封外殼101和第二密封外殼102 (例如低溫恒溫器)。第二密封外殼102容納磁體103和傳感器105。系統(tǒng)100還可以包括放大設(shè)備107 (例如繼電器線圈、放大器等)，以放大來自傳感器105的信號(hào)。
[0016]第一密封外殼101經(jīng)由閥104被連接到第二密封外殼102。第一密封外殼101容納具有第一壓力的預(yù)定氣體。應(yīng)當(dāng)指出，第一密封外殼101可以容納任何預(yù)定氣體，例如氦氣、氖氣、氬氣、氮?dú)獾取８鶕?jù)示范性實(shí)施例，使用氦氣是因?yàn)槠鋬?yōu)選的較低的氣-液轉(zhuǎn)變溫度。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，可以使用任何常規(guī)耦合將第一密封外殼101能移除地連接到第二密封外殼102。例如，第一密封外殼101可以是經(jīng)由常規(guī)螺紋連接耦合到閥104的罐。在另一示范性實(shí)施例中，第一密封外殼101相反可以永久耦合到閥104。在這樣的實(shí)施例中，第一密封外殼101優(yōu)選地包括用于一旦氣體被耗盡時(shí)利用預(yù)定氣體再填充第一密封外殼101的布置。
[0017]在正常操作期間，第二密封外殼102具有顯著小于第一壓力的第二壓力。優(yōu)選地，第二壓力對(duì)應(yīng)于真空壓力。此外，在正常操作期間，第二密封外殼102里面的溫度(Tl)在低溫超導(dǎo)體(例如Nb-Ti或Nb3Sn)的情況下可以在2K至1K之間，或者在高溫超導(dǎo)體(例如Y-Ba-Cu-O)的情況下也可以顯著地更高(例如高達(dá)70K)。
[0018]磁體103被設(shè)置在第二密封外殼102里面，并且包括至少第一磁體部分110和第二磁體部分111。然而應(yīng)當(dāng)指出，磁體103可以包括正確操作所必要的任何數(shù)量的部分。當(dāng)磁體103被充電時(shí)，第一磁體部分110和第二磁體部分111形成感應(yīng)電壓。當(dāng)磁體103被設(shè)計(jì)時(shí)，第一磁體部分110中形成的電壓與第二磁體部分111中形成的電壓的比率是已知的。在正常操作期間，第一磁體部分110和第二磁體部分111的電壓的比率應(yīng)當(dāng)基本與該已知比率相同。在失超事件期間，第一磁體部分110和第二磁體部分111的電壓的比率偏離已知比率。這出現(xiàn)是因?yàn)榇朋w103的至少部分變?yōu)檎５?即失去了其超導(dǎo)性)，導(dǎo)致電阻電壓。在失超事件的后期階段，磁體103的電阻電壓迅速升高。這可以導(dǎo)致發(fā)熱并因此導(dǎo)致磁體103的溫度的升高。同時(shí)，密封外殼102中的真空由于磁體的加熱部分中含有或產(chǎn)生的氣體的釋放而惡化。
[0019]傳感器105被配置為監(jiān)測(cè)磁體部分110、111的電壓。傳感器105可通信地耦合到放大設(shè)備107。應(yīng)當(dāng)指出，放大設(shè)備107不需要被設(shè)置在第二密封外殼102的里面。處理器106可以可通信地耦合到傳感器105。應(yīng)當(dāng)指出，在圖1中所示的配置是說明性的，并且處理器106備選地可以被定位在外殼102的外面并與傳感器105通信。處理器106被配置為分析傳感器105的測(cè)量結(jié)果并確定失超事件是否已經(jīng)開始。在檢測(cè)到失超事件之后，處理器106接合放大設(shè)備107，放大設(shè)備107放大信號(hào)并運(yùn)行常規(guī)磁體保護(hù)方案(未示出)。其還控制閥104的位置。在另一實(shí)施例中，可以利用監(jiān)測(cè)磁體部分110、111的電壓并控制常規(guī)保護(hù)電路和閥104的位置的計(jì)算設(shè)備來代替?zhèn)鞲衅?05、處理器106和放大設(shè)備107。應(yīng)當(dāng)指出，傳感器105和放大設(shè)備107可以由能夠監(jiān)測(cè)電壓并將信號(hào)發(fā)送到閥104以與常規(guī)保護(hù)電路一起控制其位置的任何設(shè)備來代替。例如，下面描述的計(jì)算設(shè)備400 (參見圖4)可以被用于監(jiān)測(cè)第一磁體部分110和第二磁體部分111的電壓，并與常規(guī)保護(hù)電路一起控制閥104。
[0020]閥104能在第一位置(例如關(guān)閉位置)與第二位置(例如打開位置)之間切換。應(yīng)當(dāng)指出，閥104可以包括適合于允許氣體進(jìn)入第二密封外殼102的任何類型的閥。例如，在氣體的快速爆發(fā)是必要的極端情況下，可以使用爆發(fā)隔膜(burst disk) ο這樣的隔膜在隔膜被致動(dòng)的每次失超事件之后需要被更換。在磁體103的正常操作期間，閥104保持在第一位置中，由此將第一密封外殼101和第二密封外殼102彼此密封。在檢測(cè)到失超事件之后，傳感器105將信號(hào)發(fā)送到放大設(shè)備107和常規(guī)保護(hù)電路。傳感器107隨后放大該信號(hào)并將其發(fā)送到閥104。這導(dǎo)致閥104的致動(dòng)，使得閥104從第一位置切換到第二位置。在第二位置中，預(yù)定氣體被允許從第一密封外殼101流到第二密封外殼102中，直到在第二密封外殼102中形成第三壓力。由于第一密封外殼101里面的第一壓力必須高于第二密封外殼102