用于触发高磁场超导磁体失超的加热器

摘要

用于触发高磁场超导磁体失超的加热器，包括电流引线(1、5)、聚酰亚胺薄膜(2)、不锈钢薄片(3)、铜薄膜(4)。在不锈钢薄片(3)的一个外表面上沿薄片长度方向电镀一层铜薄膜，铜薄膜为多块，铜薄膜之间间隔相等。在不锈钢薄片(3)外表面包裹聚酰亚胺薄膜(2)，不锈钢薄片(3)和聚酰亚胺薄膜(2)用环氧树脂粘接。第一和第二电流引线(1、5)将加热器电流引入不锈钢薄片(3)，通过加热器产生的热量传递到超导磁体上触发超导磁体失超。本发明加热器可快速触发超导磁体失超并将热量均匀释放在外电阻上，对于多线圈的高磁场超导磁体因局部热点烧毁起到了很好的保护作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加热器，特别涉及用于触发高磁场超导磁体失超的加热器。

背景技术

高磁场超导磁体通常是由多个超导线圈组成，例如900MHz的核磁共振超导磁体采用了56个同轴超导线圈组成。为了减小低温系统的漏热，高磁场超导磁体采用一台电源供电。多个超导线圈采用串联供电的方式。这种超导磁体通常具有较高的储能密度。

超导体从超导态转变为正常态称失超，超导磁体的失超通常开始于某个线圈的局部。当超导磁体开始失超时，正常态区域在超导磁体内开始传播扩散，如果正常态区域能够在非常短的时间内扩展到磁体的大部分范围，磁体储存的能量将转变成热能。若低温系统有充分的冷量吸收超导磁体的热能，这种超导磁体无需外保护，此时仅要求断开充电电源即可。

超导磁体的失超过程是储存在超导体内的电磁能量向热能的转化过程。如果在失超过程中热能是在整个磁体内均匀释放，引起的热点温升要比热能在超导磁体内局部释放时低得多，因此一旦检测到超导磁体内出现失超信号，应尽可能使超导磁体储存的能量在整个磁体内均匀释放，通过回路将其能量消耗在外电阻上。对于应用目的不同的磁体，为了保证其失超后不至于损坏，有不同的设计准则。例如设计大型探测器超导磁体，设计规则为：磁体储存能量E与磁体的冷质量M之比小于5~10kJ/kg。实际上超导磁体失超总是从局部开始的，即所谓的点扰动。超导磁体的失超事件具有很大的随机性，失超传播是非常复杂的物理过程。

高磁场超导磁体为有效地降低热点温度一般使用分段保护。对于单一超导磁体，采用分段保护时，由于线圈之间有较强的电磁耦合，一个线圈失超可能导致临近没有失超的超导线圈的电流快速增加。由于线圈之间紧密接触具有较好的热耦合，因此失超的超导线圈的正常区传播能够很快触发邻近线圈失超。高磁场超导磁体是由相互分离或接触的多个线圈以一定电流分级组合而成，线圈之间除了电磁耦合外，没有热耦合。因此多线圈的超导磁体当中某一线圈失超时可能产生邻近的线圈电流快速增大，其失超线圈的能量快速转移到非失超线圈中，引起邻近线圈产生的电磁应力快速增大，使超导线圈的电流增加较高的一段线圈失超，线圈因热量没有均匀释放而被烧坏。为了克服这种电流急剧升高，引起线圈的机械不稳定性以及热量过于集中烧坏线圈的问题，在超导线圈表面安装加热器使得超导线圈提前失超，将超导磁体的能量均匀释放在整个超导磁体之中。触发超导磁体失超的加热器的形状、结构、加热面积、以及安装位置和方法对于触发超导磁体失超延迟的控制和效率是非常重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的加热器触发延迟时间长、效率低的缺点，本发明提出了一种加热器及其安装方法，本发明可有效加热未失超的超导线圈，使其快速失超，使超导磁体的能量均匀分布在每一个线圈中。

本发明的加热器以不锈钢薄片作为加热器基底，在不锈钢薄片的一个外表面上沿薄片长度方向电镀一层铜薄膜，铜薄膜为多块，每块铜薄膜厚度为2～4μm，长度大于等于100mm，铜薄膜之间间隔相等，铜薄膜的剩余电阻RRR值在30～50左右。再在薄片的外表面上包裹一层聚酰亚胺(kapton)薄膜和外界绝缘，通过环氧树脂直接将不锈钢片和聚酰亚胺薄膜粘接在一起形成加热器的整体。薄片两端通过铜电流引线通电形成一定的加热功率触发超导线圈快速失超。

所述的不锈钢薄片长度等于线圈轴向方向的长度，薄片的厚度在10～30μm左右，薄片的宽度取决于加热器所要求的功率。薄片的外表面包裹一层厚度为50～75μm的聚酰亚胺(kapton)薄膜和外界绝缘，通过环氧树脂直接将不锈钢薄片和聚酰亚胺薄膜粘接在一起形成加热器的整体。采用薄而长的不锈钢片一方面增大加热器的电阻，另一方面增大加热器的表面积，减小加热器的加热延迟时间。

本发明加热器的另一种结构是将不锈钢薄片上刻蚀齿状狭缝，其目的是减小线圈的电感和增加加热器的电阻，同时使用多面触发线圈失超。在不锈钢薄片的齿状狭缝之间利用电镀方法制成2～4μm厚的锯齿状铜薄膜，锯齿状铜薄膜的剩余电阻RRR值在30～50左右。薄片的外表面包裹厚度为50～75μm的聚酰亚胺薄膜和外界绝缘，通过环氧树脂直接将不锈钢片和聚酰亚胺薄膜粘接在一起形成加热器的整体。薄片通过铜电流引线通电形成一定的加热功率触发超导线圈快速失超。

本发明的加热器安装在线圈的高磁场区域，以减小加热器的输入电流，同时为了较好的热接触，不锈钢片表面要求非常光滑平整，将其和线圈的表面通过环氧树脂紧密粘接。

本发明的加热器与二极管相连，和金属氧化物变电阻器件以及超导磁体形成回路。其中串联电路中二极管的数目由磁体的总电感和充放电的速率快慢决定。

对于有骨架支撑的超导线圈，本发明加热器安装在磁体的骨架上。为了保证线圈表面绕制平整，加热器安装在骨架上开出的加热器安装槽内，再在骨架外面绕制超导线圈，此时超导线圈的绕制张力足可以使加热器和超导线圈之间具有较好的热接触。对于没有骨架支撑的超导线圈，可用较高的压力将加热器和超导线圈直接紧密粘贴以保证有较好的热接触。

本发明的加热器适用于高磁场超导磁体系统，特别是多线圈超导磁体系统。例如NMR、MRI以及制冷机冷却的传导冷却超导磁体系统。

附图说明

图1是加热器的结构示意图，图中：1第一电流引线、2聚酰亚胺薄膜、3不锈钢薄片、4铜薄膜；

图2是开有狭缝的加热器的结构示意图，图中：5第二电流引线、6锯齿状铜薄膜、7齿状狭缝；

图3是加热器在超导线圈内安装方法示意图，图中：8骨架、9加热器、超导线圈10；图3a为有骨架结构线圈的加热器的安装方法，图3b为无骨架结构线圈的加热器的安装方法。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明加热器的结构。加热器以厚度10～30μm左右、长度接近线圈轴向长度的不锈钢薄片3作为加热器基底。在不锈钢薄片3的一个外表面上沿薄片长度方向电镀一层铜薄膜，铜薄膜为多块，每块铜薄膜厚度为2～4μm，长度大于等于100mm，铜薄膜4之间间隔相等，铜薄膜4的剩余电阻RRR值在30～50左右。不锈钢薄片3的宽度取决于加热器所要求的功率，宽度越大电阻越小，加热器功率越小。然后在不锈薄钢片3外表面上包裹一层厚度为50～75μm的聚酰亚胺薄膜2，以和外界绝缘，通过的环氧树脂直接将不锈薄钢片3和聚酰亚胺薄膜2粘接在一起形成加热器的整体。通过薄片两端的第一电流引线1通电形成一定的加热功率，触发超导线圈快速失超。

图2为在不锈钢薄片上开有狭缝的加热器结构。加热器以厚度为10～30μm左右、长度接近于线圈轴向的长度的不锈钢薄片3作为加热器基底，采用薄而长的不锈钢薄片一方面可增大加热器的电阻，另一方面增大加热器的表面积，减小加热器的加热延迟时间。为在加热器加热面积基本不变的情况下增大加热器的电阻，以提高加热器的加热功率，将不锈钢薄片3上刻蚀齿状狭缝7。在不锈钢薄片3上的齿状狭缝7之间利用电镀方法制成2～4μm厚的锯齿状铜薄膜6，锯齿状铜薄膜6剩余电阻RRR值在30～50左右。再在薄片3的外表面上包裹一层厚度为50～75μm的聚酰亚胺聚酰亚胺薄膜2，以和外界绝缘。通过的环氧树脂直接将不锈钢片和聚酰亚胺聚酰亚胺薄膜2粘接在一起形成加热器的整体。薄片通过第二电流引线5通电形成一定的加热功率，触发超导线圈快速失超。

图3是加热器在超导线圈内的安装方法。如图3a所示，超导线圈有骨架支撑时，加热器9安装在磁体的骨架8上，为了保证线圈表面绕制平整，加热器9安装在骨架8上开出的安装槽内，再在骨架8外面绕制超导线圈10，此时超导线圈10的绕制张力足可以使加热器9和超导线圈10之间具有较好的热接触。如图3b所示，超导线圈没有骨架支撑时，用较高的压力将加热器9和超导线圈10直接紧密粘贴，以保证有较好的热接触。