用于超导磁体的线圈节点电压输出端

摘要

本发明公开了一种超导磁体组件，包括串联方式连接并且容纳在低温箱内的多个超导线圈，包括位于两个电气相邻线圈之间的线圈节点。线圈节点提供输入电压。设置有线圈节点电压输出端，包括：串联电阻器，其连接在线圈节点与另外节点之间；非线性元件，其连接在另外节点与地电压之间；以及，输出连接器，其与另外节点电连接，并且穿过低温箱的边界(18)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导磁体组件。

背景技术

超导磁体，诸如在核磁共振成像(MRI)系统中用来产生均匀背景磁场的 那些超导磁体，通常由几个串联方式电连接的分立线圈构成。磁体结构容纳在 低温箱内，低温箱保持磁体被冷却至线圈超导所在的温度。在许多磁体中，线 圈容纳在致冷剂容器内，致冷剂容器部分填充有液态致冷剂，部分填充有气态 致冷剂。

为了测量骤冷电压(quench voltage)以及诊断哪个线圈或线圈的哪一段首 先骤冷，理想的是具有到各线圈接合点的电入口(electrical access)。周知的系 统设置有从线圈间节点到简易高压引入(lead-through)的简易电连接，布置成 将高达数千伏的电压传导至低温箱外部。由于这些电压可以达到数千伏，气态 致冷剂氛围例如氦气中的适当绝缘是极富挑战性并且极其危险的。氦气具有比 空气低得多的击穿电压，因而，所要求的绝缘标准比空气中的情形要高得多。 这种装置的另一缺点是，必要的高电压连接器给低温箱引入显著的泄热通道。

常规地，通过在线圈间各节点附近设置分压器来解决这一问题。图5图示 这样一种常规装置。线圈10、线圈12之间的节点14与第一电阻器R1电连接。 R1经由第二电阻器R2与地电压(通常为低温箱体的电压)相连接。电阻器R1 为远大于R2的值，例如，R1＝100MΩ，R2＝100KΩ。R1与R2之间的节点22 与连接器16电连接，连接器16穿过低温箱的边界18传送节点22处的电压。 在低温箱的外部，可以将电压测量设备24如数据记录器安装至连接器16，以便 在连接器处测量电压。

构成分压器的电阻器R1和R2通常安置在靠近线圈间节点14的小电路板 上。从节点14得到的任何电压Vin按照电阻器R1和R2的比例进行分压，并将 电压Vin的一小部分供至连接器16。在图示的实施例中，R1＝100MΩ， R2＝100kΩ，因而，出现在电压测量设备处的电压Vout是节点14处电压的大约 千分之一，也就是，Vout≈Vin/1000。使用这么大值的电阻器来限制可能流过连 接器的电流。如果通过100MΩ电阻器到地施加5kV电压，只有50μA的电流流 过，这被认为是安全的。

这样一种装置保证：即使在骤冷期间可能出现5kV的电压，在这些电压离 开致冷剂容器之前，已缩放至5V的安全值。在将这种高电压缩放至小的安全值 的同时，可能产生的任何小电压Vin，例如由线圈运动所产生的小电压Vin，在 进行测量时也按相同比例减小。

周知对由诸如精确个体线圈斜线电压、线圈运动、场衰减、短路、磁通量 突变和热骤冷开始(thermal quench initiation)等许多现象及故障模式所产生的 小电压进行分析，可以展现大量导致精确诊断的信息。

在以图5所示的方式衰减之后，由于从这种小电压得到的真实信号Vout≈ Vin/1000，被淹没在类似幅值的电噪声和热噪声中，并且也出现在测量所用的衰 减的电压Vout中，则无法得到这种信息。

发明内容

本发明提供一种装置，能从低温箱取出未衰减的低噪声小电压，同时限制 在骤冷期间所产生的任何高电压，保证向低温箱外部仅提供安全电压。这使得 能对线圈接合点进行甚至微伏范围电压的高速实时精细测量，即使这部分在数 秒内可能突然激增至数千伏。

附图说明

根据下文结合附图对其某些实施例进行的详细描述，本发明的这些以及其 它的目的、特点和优点将更为明了，其中：

图1示出本发明示范实施例的电路图；

图2示出在如图5所示装置中从超导磁体输出的常规线圈电压的电压特性；

图3示出从根据本发明实施例的超导磁体输出的线圈电压的电压特性；

图4示出本发明的实施例的更完整的电路图；以及

图5示出常规线圈电压输出装置的电路图。

具体实施方式

本发明提供一种装置，用于提供从形成超导磁体的个体线圈得到的含有未 衰减的低噪声的小电压的信号，以将这些信号从低温箱取出，同时，衰减可能 出现在信号中的来自线圈的任何高电压，诸如骤冷期间所产生的电压。

在本发明的实施例中，通过将待测的线圈节点电压施加至串联电阻器R1 (例如，大约100kΩ)的输入端，并设置连接在串联电阻器的输出端与地电压 之间的第二电阻器R2，第二电阻器R2位于致冷剂容器外部，从而，达到本发 明的目的。优选的是，在超导磁体结构上，串联电阻器R1安装成紧邻线圈节点。 通过在致冷剂容器外部设置第二电阻器R2，所得到的分压器的衰减比可以由用 户根据待测电压的要求幅值进行选择。

通过在低温箱外部在串联电阻器R1与地之间放置低值第二电阻器R2，节 点电压Vin仅仅小部分将会作为Vout出现在连接器处。如果寻求骤冷电压，这 是有益的。通过在低温箱外部在串联电阻器R1与地之间放置高值第二电阻器 R2，线圈节点电压Vin的大部分将会作为Vout出现在连接器处。当寻求较小电 压时，诸如个体线圈斜线电压(individual coil ramp voltage)，或由线圈运动、场 衰减、短路、磁通突变、以及热骤冷开始(thermal quench initiation)所导致的 电压时，这是有益的。

根据本发明的一方面，串联电阻器R1和第二电阻器R2所构成的分压器中 的第二电阻器R2是根据需要选自可用电阻值范围之中的电阻。

非线性元件置于线圈节点附近，连接串联电阻器R1的输出端与地电压。非 线性元件可以是压敏电阻(VDR)、齐纳二极管、或者任何其他元件，这些元件 当线圈节点的电压Vin较低，例如，低于大约50V时为极高阻抗，而当电压Vin 较高，例如，高于大约50V时为低阻抗。

这种非线性元件的作用是这样的：对于线圈节点的低电压Vin，出现在连接 器处的电压Vout由串联电阻器R1和第二电阻器R2所构成的分压器缩放 (scaled)，Vout＝Vin·R2/(R1+R2)。对于较大电压，连接器处的电压Vout由非 线性元件的导通门限电压进行限制。将非线性元件的门限电压记为Vz， Vout＝Vz。连接器处的电压Vout不能增大超过Vz，因而，可以提供线圈节点电 压Vin的高达Vin＝Vz·(R1+R2)/R2限度的测量。例如，如果非线性元件的门 限电压Vz为50V，且R2＝R1，那么，可以测量高达100V的电压Vin。如果 R2＝R1/100，则可以测量高达5050V的电压Vin。

这种装置提供了小电压的缩放，但将限制导致非线性元件变成导电的更高 电压。例如，高电压，诸如骤冷电压，将导致非线性元件具有高导电性，将串 联电阻器输出端处由测量设备得到的电压限制于非线性元件的门限电压Vz。这 提供了非常重要的安全特性：无论线圈节点处的电压可能会有多高，出现在连 接器处并且从低温箱外部可达的电压再也不会超过非线性元件的门限电压Vz。 高值串联电阻器R1保证不会向低温箱外部提供任何危险的大电流。

由于在低温箱外部不传输高电压，就不需要高电压引入(high voltage  lead-through)，以及，可以使用非常小、更简易并且更安全的低电压连接器。这 降低了绝缘要求，并且减小了进入低温箱的泄热通道。

在低温箱外部选择第二电阻器R2，让所得到的待选择分压器的衰减比能适 合于任何特定的测量任务。诸如R2＝R1/100或者R1/1000的低值，提供了足以 观测骤冷电压的缩小比例。R2的高值，则允许以一定精度测量较小电压。极端 情况下，可以省略R2，这等效于给出R2＝∞。这提供了与线圈节点电压Vin相 等的输出电压Vout，只要Vin不超过非线性元件的门限电压Vz。非线性元件不 参与电压缩放，而是作为用于安全的电压限制器，保证输出电压Vout不会超过 Vz。门限电压Vz应当适当选择，以给出足够大范围的输出电压，从而，既能进 行有意义的测量，又能低到足以保证安全。10V-50V范围内的门限电压目前认 为是恰当的。据此，在低温箱外部，通过改变第二电阻器R2的值，从而改变含 有电阻器R1、R2的分压器的衰减比，本发明能精确地测量微伏和数千伏的范围。

图1示出本发明的示范实施例。示出了超导磁体的两个电气相邻的线圈10、 线圈12。超导磁体电路的其余部分并未示出。根据本发明，线圈间的节点14 通过高值串联电阻器R1(例如，100kΩ)与低电压连接器16相连接。低电压 连接器16提供穿过低温箱边界18到达外部世界的电气通道。可以将测量设备 与低电压连接器16相连接，以检测出现在节点14处的电压。

非线性元件20电连接在节点22与地电压(其通常是低温箱边界18的电压) 之间。节点22是电阻器R与低电压连接器16之间的节点。优选的是，串联电 阻器R1和非线性元件20二者都安装在磁体结构上，靠近于节点14。低电压连 接器16与节点22电连接。

此外，可选值的第二电阻器R2，在低温箱外部连接在低电压连接器16与 地电压之间。在图示示例中，R2＝1kΩ，因而，Vout＝Vin/101。

参照图2和图3，可以说明如图1所示本发明的操作。图2示出使用固定 式分压器时，以地电压为基准出现在节点14处的电压Vin与出现在低温箱外部 的电压Vout之间的常规关系。在此常规装置中，无论Vin是10-7V或者是104V， Vout∝Vin。在图示的关系中，Vout＝Vin/100。

图3示出对于本发明的实施例，以地电压为基准出现在节点14处的电压 Vin与出现在低温箱外部的电压Vout之间的关系，使用与图2的示例相同的R1： R2的比例。对于低值Vout，例如高达10V，Vout＜Vz，且非线性元件20开路。 本质上，对于这些值，Vout＝Vin/100。

对于高值Vout，此时Vin·R2/(R1+R2)＞Vz，非线性元件20导电。在图示示 例中，Vz＝10V。据此，出现在低温箱外部的电压Vout限制于Vz＝10V。在此示 例中，Vout＝10V表示Vin＝1000V。然而，根据本发明的特征，第二电阻器R2 的值的选择允许改变此比例。

据此，低电压连接器16只需能够处理高达Vz的电压，通常不超过大约50V， 而不是过去情况下的至少5kV。这意味着连接器可以制造得比常规装置置中的 小，也就意味着连接器给低温箱带来较少的绝缘风险和热负荷。

在低温箱外部，布置电压测量设备24，诸如数据记录器(data logger)来 检测连接器16处的电压Vout。电压测量设备24只需能够测量高达Vz的电压， 诸如10V-50V。但是，根据本发明，通过适当选择第二电阻器R2的阻值，微伏 范围内的低压，将其施加至测量设备而未经显著衰减，也能从噪声中区分出来， 同时，还能可靠安全地检测数千伏的骤冷电压。

在本发明的优选实施例中，测量设备24设置有第二电阻器R2电阻值的指 示，并且使用此指示来缩放(scale)电压Vout的测量值，以提供线圈节点电压 Vin的直接指示。测量设备24可以适合于，例如，通过编程数字测量系统，或 者通过适当的硬件结构，将所接收到的Vout值转换成对应的Vin值。以这种方 式，能可靠地测量数千伏的非常大的电压，也能测量数微伏的非常小的电压。

电阻R2可以在为此目的所设置的分立电阻器的范围之中选择。可选择地， 可以使用切换电路来选择到电阻器组(a bank of resistors)的所需连接。可选择 地，R2可以是连续变阻的电位器。在这种实施例中，电位器最好经过校准，使 得所得到的衰减比已知。电位器、切换的电阻、或分立电阻器可以贴有衰减比 的标签，以便于说明测得的电压。一个分立电阻器、切换位置、或电位器位置， 可以与允许选择Vout＝Vin比的开路相对应。

图4示出本发明的另一更完整的实施例。在图4中，示出了连同超导开关 120一起的超导线圈110、112、114、116、118的完整电路，超导开关120布置 成当操作处于持久模式时闭合线圈的电路，以形成线圈110、112、114、116、 118和超导开关120的闭合超导电路。

在各节点122、124、126、128、130处，连接对应的串联电阻器R1，将该 节点与低电压连接器16连接起来，低电压连接器16提供从低温箱边界18外部 的入口。各低电压连接器16可以与电压测量设备24连接。可以设置具有多个 输入通道的单个电压测量系统24，每个输入通道与一个低电压连接器16相连 接。在每个串联电阻器R1与对应的连接器16之间是节点22。每个节点22与 非线性元件20相连接，非线性元件20另一端接地。每个低电压连接器16与接 地的第二电阻器R2相连接，至少在测量各自连接器的输出电压Vout时。

在各节点122、124、126、128、130处，线路R1、20、R2、16、22如以 上参照图1所述那样操作，以提供直至由非线性元件20的门限Vz设定的一定 限定值的缩放的输出电压Vout。对于低温箱的外部而言，比例因数可由用户通 过选择所安放的第二电阻器R2的电阻进行选择，或者，比例因数至少是可控的。

如果R2＝∞(开路)，连接器16处的电压Vout等于线圈节点电压Vin，在 串联电阻器R1两端几乎没有电压降。这种电压的输出阻抗等于电阻器R1的值， 而且，一定程度上可以比常规装置中的小。减小的串联电阻器R1的值可以是优 选的，因为较低的电阻较少受噪声影响。

当节点22处缩放的输出电压Vout超过非线性元件20的门限电压Vz时， 例如，在骤冷期间，输出电压Vout将由非线性元件20限制为Vz。于是，骤冷 电压基本上出现在相应消耗功率的串联电阻器R1的两端。由于骤冷电压是数秒 持续期的脉冲，此部件仅需在数秒内消耗此功率，因而，可以适当地估算大小。

合适的非线性元件20的示例包括压敏电阻(VDR)、齐纳二极管、二极管 网络、或者有时周知为“瞬变吸收(Transorb)”的瞬变电压抑制(transient voltage  suppression，TVS)二极管。

在可选实施例中，将用作第二电阻器R2的可选电阻器或可变电阻器置于低 温箱内，诸如靠近于串联电阻器R1安装在线圈组件上，只要在低温箱外部可以 进行R2值的选择。例如，可以设置场效应晶体管(FET)，通过穿越低温箱边界 的电连接器，从低温箱外部的控制器将控制电压施加至FET栅极，从而，切换所 选择的电阻器进入分压器。在这种装置中，将输出电压Vout施加至连接器16， 并且，不需要在低温箱外部设置可选电阻器。