用于在准持久超导磁体中进行失超保护和稳定衰减的设备.pdf

本发明提供一种超导磁体组合件，其包括在工作条件下在一工作体积中产生磁场的超导磁体(1)，该超导磁体与一个超导故障电流限制器(7)和一个电阻器(5)的串联组合并联。所述磁体还与一个DC电源(4)并联，这样在工作条件下，所述磁体可由所述电源激励以在所述工作体积中产生所需磁场。

1.  一种超导磁体组合件，其包括在工作条件下在一工作体积中产生磁场的超导磁体(1)，该超导磁体与一个超导故障电流限制器(7)和一个电阻器(5)的串联组合并联，
所述超导磁体组合件还包括连接装置(9)，所述连接装置(9)用于进一步将所述磁体与一个DC电源(4)并联，借此在工作条件下，所述磁体由此电源激励以在所述工作体积中产生所需磁场。

2.  根据权利要求1所述的超导磁体组合件，其中一个DC电源(4)以与所述磁体并联且与所述故障电流限制器(7)和所述电阻器(5)的串联组合并联的方式连接到所述连接装置。

3.  根据权利要求1或2所述的超导磁体组合件，其中又一超导故障电流限制器(7a)串联置于所述连接装置(9)与所述磁体(1)之间。

4.  根据权利要求3所述的超导磁体组合件，其中所述又一超导故障电流限制器(7a)串联置于所述故障电流限制器(7)和所述电阻器(5)的串联组合与所述磁体(1)之间，
所述磁体(1)、所述又一超导故障电流限制器(7a)、所述故障电流限制器(7)和所述电阻器(5)形成一个闭合的串联电路。

5.  根据权利要求3所述的超导磁体组合件，其中所述又一超导故障电流限制器(7a)串联置于所述连接装置(9)与一个节点之间，所述节点连接
-所述磁体(1)，
-所述保护电阻器(8)，以及
-所述故障电流限制器(7)和所述电阻器(5)的串联组合，
所述电源(4)，所述故障电流限制器(7)和所述电阻器(5)的串联组合，以及所述又一超导故障电流限制器(7a)形成一个闭合的串联电路。

6.  根据前述任一权利要求所述的超导磁体组合件，其中所述电阻器(5)的电阻是所述磁体(1)的电阻(2)的1到1000倍。

7.  根据前述任一权利要求所述的超导磁体组合件，其中所述电阻器(5)的电阻是所述磁体(1)的所述电阻(2)的10到100倍。

8.  根据前述任一权利要求所述的超导磁体组合件，其中所述电源、所述磁体和所述电阻经布置使得在使用时，所产生的磁场的不稳定性大体上小于10ppm/小时。

用于在准持久超导磁体中进行失超保护和稳定衰减的设备
技术领域
本发明涉及在准持久模式中操作的超导磁体的衰减的稳定性，还涉及对此磁体的失超保护。
背景技术
一种典型的超导磁体系统由产生所需磁场强度的主磁体线圈以及与这些线圈并联安装以实现持久操作模式的超导开关组成。
超导磁体通常在持久模式中运行，在这种模式下使用斜升(ramp-up)程序(此期间开关断开)通过电流引线将电流从电源引入超导线圈。随后闭合超导开关，而电流仍能在超导线圈中流动相对长的时间。这样就产生稳定的磁场。然而，不必由电流电源保持对磁体连续供电。通过闭合超导开关从而使电流能够在由磁体和开关形成的连续超导回路中循环，并通过使引线中的电流逐渐下降到零，来使磁体处于持久模式。
电流引线中的电流下降到零之后，通常随即完全移除电流引线。因此，允许电流在由磁体和开关形成的超导回路中连续循环。如这些常规的持久模式磁体中已知，电流随时间漂移，且磁体将具有衰减性能的特征，所述衰减性能将在较大程度上取决于超导接头的电阻。对于衰减的磁体，已开发出如美国专利申请为US20030057942中所描述的借助于电阻电路和超导开关的稳定解决方案，该方案已成功地用于超导磁体上。所述专利申请中描述的配合开关的电阻器稳定解决方案尤其适用于通常由保护电路分区段保护的磁体，所述保护电路包括连接在磁体的至少某些区段中的每一区段的端子上的电阻器和/或二极管布置。常规上作为超导磁体电路的一部分提供的超导开关也受到类似保护。这些类型的磁体通常由通常额定为几百安培且具有通常约10V级的相对低的顺从电压(compliance voltage)的电源来激励。
如图1中说明，超导磁体1通常带有一并联的超导开关3。在激励期间，使用并入开关内的加热器(未图示)使开关3处于电阻性模式，从而可通过从电源4施加幅度增加的电流而将磁体1激励到一设定电流。在电阻性模式中开关3的相对大的电阻会限制通过开关的电流，且几乎所有电流均直接进入磁体1。一旦达到所需的磁体操作电流，便关闭开关加热器，同时超导开关3返回到超导状态。电流引线中的电流减小到零为止。在磁体1中流动的电流现在在由开关3和磁体1形成的超导回路中循环。一旦电流引线中的电流减少到零，即可切断并完全移除电源4。
正如在这个领域中公知的那样，超导磁体易发生失超事件。在这些事件中，出于某一原因，磁体的一部分不再超导。例如，出现这种情况的原因可能是局部加热，所述局部加热是因较小长度导线的移动或与线圈结构完整性相关的事件引起的。不再超导的部分变为电阻性的。流过磁体的电流引起此电阻性部分的加热，这又将超导导线的更多部分加热而使其变为电阻性的，因此热量通过磁体的其余部分传播。这种情况的影响在于已储存在磁体中的能量作为热量在磁体线圈的导线中耗散。另外，还引起通过磁体的电感的电流下降，致使在磁体的端子处产生高电压。在失超期间，电流、电压和温度全部上升。这些可能升得太高而使已知保护力度不够的磁体(和开关)易受损坏。因此通常提供保护电路以包含和管理失超。
已知的超导磁体(例如用于MRI、NMR成像、粒子加速器以及研究物理学的那些超导磁体)通常以若干线圈以及线圈内的若干区段来建立。通常采用用于失超保护的两个主要策略。首先，可设想单个保护电路为整个磁体提供保护。此电路通常具有单个保护电阻器或电阻器网，其在容纳超导磁体的低温恒温器内部或外部。或者，使用电阻器和/或二极管的网来布置保护电路以保护磁体和/或开关内的各个线圈或线圈区段。此第二布置是对美国专利申请US20030057942提出的改进的一个计划。各保护电阻器的使用通常意味着保护电阻器在低温恒温器内，但这些电阻器可位于低温恒温器外部；而在使用单个电阻器的布置中通常将所述电阻器放在低温恒温器外部，尽管相应地，单个电阻器也可位于低温恒温器内。此外部保护电阻器增加了将电导体延伸到低温恒温器外的难题，但其优点在于在失超期间由电阻器耗散的任何热量均不会消耗致冷剂或将热量引入低温恒温器。
在失超期间，用本领域技术人员熟悉的方法将超导开关驱动为正常的或电阻性的，并通过开关的保护电路驱动其余电流，进而耗散储存在磁场中的能量。
在磁体的端子上使用单个电阻器来保护整个磁体且假定超导磁体以几百安培的持久电流运行的情况下，则非常高的电压(可能千伏级)可出现在磁体的各个端子上，也可出现在稳定电路中使用的开关3和电阻器5的组合上。超导开关通常不会被设计成能承受如此高的电压，因此它们将受到破坏。通常提供作为超导开关的一部分的保护电路来避免超导元件的毁坏。此保护电路可采用在开关本身两端的二极管和/或电阻器的并联电路的形式。然而，超导开关仅能够承受数十伏的电压。
超导开关3通常在以下方面受到限制：其可承载多少电流(通常几百安培)及其可容许多高的电压通过(通常仅为几十伏)。通常用二极管和/或电阻器来保护超导开关3。开关上的保护通常为如数十到数百比1的比率，因而在失超期间，当开关变为电阻性时，大部分电流将通过失超保护电路。这样在失超期间流过开关的电流非常小，因此通过开关耗散的热量会保持为最小。如果开关没有受到足够的保护，则其将烧坏且将必须修理或更换磁体和/或开关。
参看图1和图2，美国专利申请US20030057942描述了一种用于稳定超导磁体中的场衰减的方法和布置。先前，在斜升期间激励超导磁体，随后一旦在磁体中流动的电流已达到所需值便通过超导开关将超导磁体短路。在US20030057942中，如图2阐述了添加与超导开关3串联的电阻器5，且电流升高到略高于标称的操作电流的过程。这使得将由磁体、开关和电阻器界定的电路中的电压的代数和被调节成零或接近于零，这是零磁场漂移所需的条件。图1和图2中未示出保护电阻器，但此解决方案特别适用于磁体的各个区段都有各自的保护电路的磁体。
特定来说，美国专利申请US20030057942描述了一种超导磁体组合件，其包括超导磁体1，它在工作条件下在工作体积中产生磁场，所述超导磁体与超导开关3并联，该开关和所述磁体适于并联连接到电源4，借此在开关3断开(即电阻性模式)的工作条件下，可由电源激励磁体以在工作体积中产生所需的磁场，其后将开关3闭合(即允许返回到超导模式)。特定来说，所述组合件还包括与开关3串联的电阻器5，电阻器5和开关3一起与磁体1并联，也与电源4并联。电阻器5的电阻是磁体电阻(图1中由电阻2表示)的1-1000倍(优选为10-100倍)。电源4、磁体1和电阻5可经布置以便在使用时，所产生的磁场中的不稳定性小于10ppm/小时，但更优选小于0.01ppm/小时。
美国专利申请US20030057942还描述一种激励此超导磁体组合件的方法，所述方法包括：
i)在开关3断开的情况下从电源4激励磁体1；
ii)闭合开关3；以及
iii)改变来自电源4的电流供应以便减少工作体积中产生的磁场的漂移。
所述方法还可包括步骤iv)监视磁场衰减；以及重复步骤iii)至iv)，但在步骤iii)中进行不同的电流改变以减少磁场衰减。
下文更多地复制美国专利申请US20030057942的教示，以给本发明提供更完整的背景技术。
有许多使用超导磁体来在工作体积中产生稳定磁场的应用。实例包括MRI、NMR、ICR和回旋加速器，其中磁体在所谓的“持久模式”中操作。这包含一旦已激励磁体便在磁体的起始端与末端之间连接近似零欧姆的连接件。实现此做法的技术是众所周知的。随后通过磁体电感的时间常数和总电路电阻来确定得到的场稳定性。
时间常数定义为L/R，其中L为以亨为单位的磁体电感，R为以欧姆为单位的总电路电阻，时间常数以秒为单位。
因此除非L＝∞或R＝0Ω，否则所得的时间常数将是有限的，导致磁体电流与场均随时间而出现指数衰减。
依据应用而定，需要使衰减速率尽可能接近于零，通常，NMR应用将要求衰减速率小于0.01ppm/小时。
对于大多数系统，磁体电感因产生非常高的匀质场所需的几何形状以及所需的操作电流而固定。因此在实践中，磁体的电路电阻将决定场衰减速率。
先前，场漂移问题已被接受且其唯一的解决方案是再次激励磁体。
通过添加与开关串联的电阻器来克服上文概述的关于磁场漂移的问题。这使得将由磁体、开关和电阻器来确定的电路中的电压的代数和被调整成零或接近于零，这是零磁场漂移所需的条件。
与一旦开关已闭合则将供应到磁体电路的功率减小到零的常规系统相比，电源必须保持连接，但相信实现大体上较长时期的稳定磁场的益处在价值上超过维持电源的成本。
通常，电阻器的电阻至少比磁体电阻大10-100倍，但它是磁体电阻的1-1000倍也是可能的。另外，电阻器大体上应不具有电感。
有多种方法可用来确定实现零磁场漂移的正确电流。
在第一方法中，可确定磁体的电阻。常规上可通过以下方法来实现：提供一个与磁体和电源并联的第二超导开关，一旦已将磁体供电到所需场强度便闭合该第二开关；随后监视磁场衰减，以便获得磁体电阻的值。衰减速率＝1/时间常数，这里的时间常数也是L/R(其中L是磁体电感，R是磁体电阻)。因此磁体电阻R＝衰减速率(单位是ppm/秒)乘以磁体电感L。例如，如果L＝100H，衰减速率＝3.6ppm/小时，则3.6×10^-6/3600＝10^-9秒，再结合电感L＝100H就可给出R＝10^-7欧姆。
在第二方法中，可在磁体两端安装电压表，电阻可由对已知电流的通过的响应来直接确定。
在第三方法中，所述方法进一步包括：
iv)监视磁场衰减；以及
重复步骤iii至iv，但在步骤iii中进行不同的电流改变以减少磁场衰减。使用此重复技术将不需要额外组件。
磁体可能具有利用低温超导材料或/和高温超导材料或其它具有低体积电阻率的材料的任何常规构造。由于电源保持连接到磁体，因此优选用高温超导电流引线以减少热传导且使环境中的热损失最小化。
如图1所示，组合件包括常规形式的超导磁体1，磁体的电阻R₁在2处单独绘示。磁体与超导开关3和电源4并联。以上描述的组件是常规的。在此常规系统中，开关3起初断开，磁体1由电源4供电直到其在工作体积中产生所需的磁场为止。随后闭合超导开关3，但直到电源4逐渐失效为止才有电流开始流过开关3。此失效引起电流在“持久模式”中流过由磁体1(包含电阻R₁)和开关3形成的串联电路。然而如上解释，由于磁体1的固有电阻2(R₁)，磁体1在工作体积中产生的磁场将逐渐漂移或衰减。
在本发明中通过插入与超导开关3串联的额外电阻器5(R₂)来克服上述问题。
现在参看图2，在开关3断开的情况下，将磁体1激励到正常操作电流I(步骤10)，随后闭合开关3(步骤11)，之后将电流进一步增加ΔI(步骤12)，在该电流点处，通过与开关3串联的电阻器5的额外电流产生相等但相反极性的电压以恰好抵消在磁体1内部产生的电阻性电压(即，电路电压的代数和为零)。
应了解，增加的电源电流并不流过磁体1(在开关3闭合的情况下)而只流过开关3和电阻器5。这是因为一旦开关3已闭合，电源中电流的改变就将分成流过开关电路和流过磁体电路两路。两路电流之间的比率将由电路电感的反比确定。由于磁体具有非常大的电感(通常100H)而开关电感非常小(通常100纳亨)，电流比率为10^-9，因此出于所有实际考虑，所有电源电流改变均在开关电路中流动。还应注意，此处与持久模式中不同，在磁体1的操作期间，电源单元4保持连接且将电流I+ΔI供应到电路。
磁场稳定性的所需条件是当在磁体-开关回路中磁体和电阻器5两端的电压降相等且极性相反时，也就是：
I·R(磁体)＝ΔI·R(电阻器5的)    [1]
电源的小变化由电路电阻和磁体电感的时间常数过滤，使得所得的时变场速率可比在“持久模式”中操作或直接由电源单独激励的磁体的时间常数确定的情况下的时变场速率低几个数量级。
典型的值可能为：
磁体电感＝100亨。
磁体电阻＝10^-7Ω。
电阻器5＝10^-6Ω。
I电源＝100安培。
ΔI过电流＝10安培。
在正常“持久模式”中操作的磁体将显示出10^-9秒的时间常数或3.6ppm/小时的衰减速率。
使用如上所述的电阻器5的在“准持久”模式中操作的相同磁体对于10^-5的电源变化将呈现出3.6×10^-4ppm/小时的场稳定性，而对于10^-4的电源变化将呈现出3.6×10^-3ppm/小时的场稳定性。因此在后一种模式中是电源电流的不稳定性控制场稳定性。顺便提一下，如果电源在持久模式中保持连接，那么应了解，与准持久模式相比将产生大得多的场不稳定性，因为电路的时间常数将更小。
为了达到所需的零衰减条件，必须准确设定电流改变ΔI。有多种方法可实现这种准确设定。
在第一方法中，可将额外超导开关6与开关3和电阻器5并联。首先，激活电源4以将磁体1供电到所需场强度，闭合开关6并使电源失效。随后使用例如常规的NMR技术来监视磁场衰减(步骤13)，该技术可通过测量NMR谐振频率随时间的改变来计算磁体衰减，NMR谐振频率随时间的改变随后用于确定场随时间改变的速率。已知磁体电感和磁体操作电流之后，可计算等效的磁体电阻性电压。随后将磁体电阻性电压除以电阻器5的阻值以使用上述等式[1]给出来自电源的增加电流ΔI的值。随后将断开开关6，在开关3闭合之后预先计算出额外电流ΔI来实现上述过程。
在第二方法中，可在磁体1的两端附接电压表(未图示)以确定其电阻2。
在第三方法中，提供ΔI的粗略值(步骤12)并在步骤13中测量场衰减或漂移。如果漂移过大(步骤14)，则增加电源并重复步骤12和13的过程。可重复此组步骤，直到实现所需的场衰减为止。
当然，这种情况下假定电流增加对于实现所需场衰减或漂移是必要的，但也可能需要电流减小，因此将相应地调节步骤12。
现在将更详细解释准持久模式。
通常根据已知方法，在持久模式中，磁体中的衰减由与磁体串联的磁体电阻器2(R₁)来控制。在此情况下，由于磁体电感器内电流的改变而引起的磁体电感器两端的电压降等于磁体电阻2两端的电压降，也就是：
LΔIΔt=R1·I1---[2]]]>
其中L是磁体电感，I₁是流过磁体的电流，R₁是磁体电阻2。
因此得出，对于特定磁体，由于NMR质子频率与磁体中的电流成比例，所以磁体的操作质子频率f的衰减Δf如下给定：
Δf=Δt·R1·fL---[3]]]>
例如，在频率f＝400MHz的磁体，L＝58亨，标称R₁＝4μΩ的情况下，这将给出频率约为100,000PHz/小时的理论速率(“PHz/小时”表示质子谐振频率的衰减)。
与上文相比，根据准持久模式，电流电源4保持连接到磁体，开关3闭合，使得电流流过磁体1且并联地流过开关3和电阻器5。由于电源保持连接，因此其除了流过磁体电阻2(这里电阻值定义为R₁)的直流I₁⁰外还供应通过电阻器5(具有电阻R₂)的直流I₂⁰。在静态模式中，R₂两端产生的电压应与磁体电阻器R₁两端的电压相同。因此由于电压等于：
I20=R1R2I10---[4]]]>
开关3和电阻器5中的电流I2(t)(=I20+δI2)]]>的任何改变δI₂都将伴有电流I1(t)(=I00+δI1)]]>中的时变δI₁或与其平衡。电源保持运行，因此确定衰减速率的决定因素是电源的稳定性。为了进一步考虑此情况，现在采用小数学符号。
由于电源4的稍微不稳定性导致小的电流改变，通过电压平衡计算：
LδI1δt+R1·(I10+δI1)=R2·(I20+δI2)=LδI1δt+R2·I20+R1·δI1---[5]]]>
给出抵消项：
LδI1δt+R1·δI1=R2·δI2---[6]]]>
由于总电流I是I₁+I₂，所以总电流改变是：
δI＝δI₁+δI₂    [7]
代入δ₂＝δI-δI₁，得到：
LδI1δt+R1·δI1=R2·(δI-δI1)---[8]]]>
重新排列项：
δI1=δIR2(Lδt)+(R1+R2)---[9]]]>
电流源的稳定性的重要性是最主要的。对于具有10ppm/小时电流稳定性的电源，改变δI₁减小到3.6×10^-4ppm/小时。对于时间δt《L/(R₁+R₂)，δI₁如下给定：
δI1δt=δIL/R2---[10]]]>
为了测试以上分析，有意将接近零电阻且具有57.52亨的电感的实验超导磁体放置成与4μΩ的有限标称电阻R₁串联。在工作条件下在持久模式和准持久模式两者中测量衰减速率。
在持久模式中，在400.419MHz的质子频率下使用95.5A的电流操作磁体，在4μΩ电阻器两端产生0.382mV的电压降。所得的衰减速率测得为111,000PHz/小时。
在准持久模式中，将90μΩ电阻器(图1中的电阻器5)放置成与磁体并联(因此与开关3串联)。使用99.256A的增加电流来考虑并联电阻器2。这产生+49PHz/小时的衰减速率，这表明电流稍大于最佳值，因此质子频率实际上向上移动。然而，可见到质子频率改变的总体速率大体上减小。因此可通过使用99.254A的稍小电流来实现改善的值。此结果证明即使在4μΩ的高磁体电阻的情况下，本发明也可实现0.01ppm/小时的衰减速率(之前描述过)。
通过使用上述等式，在90μΩ电阻器两端产生0.382mV的电压需要4.24A的电流，从而给出99.7A的总电流。
假定电源电流漂移是10ppm/小时，对于99.7A的电流(用于400MHz操作的近似电流)，电流源的预期不稳定性约为1mA/小时。
使用δI/δt＝1mA/小时和R₂＝90μΩ，这就给出磁体中电流的改变速率δI/δt＝5.6×10^-6A/小时。
这等于23PHz/小时的计算出的衰减速率。
因此可见提供并联电阻R₂和在磁体操作期间使用电源可大体上改善场稳定性。
作为使用实验磁体系统的进一步测试，将电流减小2mA以模拟电源电流的改变。在衰减轨迹中没有发现此改变的对应步进迹象，仅发现衰减斜率的34PHz/小时的微小改变，此结果与磁体电路的较大时间常数一致。
在一些超导磁体中，磁体本身的电阻(R₁)非常小，例如为10^-10Ω到10^-13Ω，因此在持久模式中对磁体电路产生非常长的时间常数。然而，其它超导磁体具有较高的电阻值。这些超导磁体中的一个特定实例是高温超导体，它常具有“有限的”电阻因此这些磁体易受其所在磁场的较大不稳定性的影响。制造工艺也可引起较传统的低温超导材料的电阻增加。本发明尤其适用于具有有限电阻值的这些类型的磁体，因为磁体电路的时间常数可大体上减小。
发明内容
以上陈述了US20030057942中公开的现有技术之后，现在将描述本发明。
美国专利申请US20030057942中陈述的解决方案具有至少以下几个潜在缺陷。本发明旨在提供一种改善的超导磁体电流稳定电路，以便减轻一个以上的这些缺陷。
美国专利申请US20030057942中陈述的解决方案适用于具有用于磁体不同区段的单独保护电路的磁体，但不适用于由单个保护电路保护的磁体。所述的用于减轻磁体中的漂移的布置仅在开关3和稳定性电阻器5两端的电压小于数十伏的情况下有效，否则过量的加热和过量的电流将破坏开关3。如现在描述的那样，此布置在失超的情况下容易受损坏。
考虑到被激励到1000A且在相关的开关3两端具有例如2Ω并联保护电阻器的超导磁体1的情况。在失超期间，约1000A的电流将开始流过2Ω电阻器，这将在磁体1两端和开关3两端产生约2kV的电压。显然，将不可能在此磁体上使用此些开关和保护电阻器，因为电压非常大因而加热功率也非常大。在电阻性模式中超导开关3的电阻可以是从几欧姆到几百欧姆的任何值。
超导故障电流限制器(SFCL)，通常它们在配电行业中用于防止例如由于短路引起的过量电流流动对配电网的损坏。已知几种不同类型的SFCL，例如电阻性、电感性和整流器类型。这些类型的比较公开在A.Morandi等人的Journal of Physics.：Conference series 43(2006)909-912上。已知超导体在温度、磁场和电流密度的某些限制内操作时具有零电阻。如果这些量中的任一者超过某一值(对于每一超导材料不同)，那么超导体将回到“正常的”电阻性状态。各种类型的SFCL使用此特性来提供能够在千伏电位下处理数百安培电流的电流限制装置。一些类型的SFCL将通过装置的电流限制为当前电平而作用于过量电流、过强磁场或过高温度。其它类型的SFCL通过将电流减小到相对低的或零电平而作用。
附图说明
以下结合附图对仅以举例方式给出的某些实施例的描述将使本发明的上述和进一步的目的、特性和优点更加显著，其中：
图1是美国专利申请US20030057942中描述的设备的示意框图；
图2是美国专利申请US20030057942号中描述的方法的实例的流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的设备的示意框图；
图4是根据本发明的再一个实施例的设备的示意框图；以及
图5是根据本发明另一个实施例的设备的示意框图。
具体实施方式
所描述的现有技术解决方案可应用于磁体较小或由若干电路(各自由一保护电阻器保护)构成的布置。在仅用一个电阻器(通常在低温恒温器外部，但也可在低温恒温器内部)保护整个磁体的情况下，则出于至少以下原因，现有技术的解决方案不再有效。在超导磁体的自发失超期间，在磁体线圈的起始端和末端上将产生若干千伏。例如在超导磁体(如MRI磁体)上使用的常规超导开关并未被建立成能承受这些极端条件。
本发明通过提供在这些环境中适用的稳定电路来解决此难题。特定来说，本发明的稳定电路采用超导故障电流限制器，其切断高于某一电平的电流。通过把电流限制到某一最大值或当电流减小到较小值(可能为零)就会发生这种切断。
本发明提供用于超导磁体的电流稳定性电路，它在某些方面类似于美国专利申请US20030057942的布置，但在失超情况下比较不容易损坏，它可应用于具有单个保护电路的超导磁体。
图3是根据本发明的一个实施例的电路。本发明提出一种稳定电路，其通过提供超导故障电流限制器7以减少或消除超导磁体中的电流漂移，超导故障电流限制器7与稳定电阻器5串联，与受保护的磁体1并联，磁体1本身包括磁体线圈和电阻2。提供连接装置9，借此与超导故障电流限制器7和稳定电阻器5的串联组合并联的磁体1可进一步与DC电源4并联。
实质上，超导故障电流限制器7取代了现有技术美国专利申请US20030057942的开关3(图1)。然而，在失超的情况下，超导故障电流限制器7足够强大而能承受其经受的高电流和高电压，且在极端负载的条件下，改变其特性以使磁体1中流动的电流转向而通过保护电阻器8(存储在磁体中的能量在该处耗散)。超导故障电流限制器是可承受远超过超导开关的限制值的施加电压和施加电流的装置。例如，已知超导电流故障限制器可承受数千安培和数千伏而不会损坏。
一旦流过超导故障电流限制器的电流由于过量电流密度、过强磁场或过高温度而达到足够高的值而使所包含的超导体变为电阻性的，所述超导故障电流限制器便用以限制所述电流。图3的是以单个保护电阻器8的形式的保护电路的电路图，例如保护电阻器8可位于低温恒温器的外部。这可通过单个电阻器或多个电阻器的阵列来实现。这些电阻器优选位于低温恒温器外部以使致冷剂蒸发减到最少或将不含致冷剂的低温恒温器的温度保持为最低。保护电阻器8为整个磁体1提供单个保护布置。
现有技术的开关3和本发明的超导故障电流限制器7都是超导装置。它们各自基于其在超导状态下的电阻为零且当超过临界电流或临界温度时就会表现出大电阻特性的原理而工作。这两个装置之间的主要差异在于，超导故障电流限制器更能承受高电流和高电压，因此表现更稳健。
超导故障电流限制器是本身已知通常用于检测和隔离配电电路中的故障的组件。其以如下方式操作。将超导导线冷却到可能产生超导性的温度。在正常操作条件期间，低于临界电流密度的电流流过超导导线及其相关电路。临界电流密度是一个电流密度值，当它流过超导导线时将引起超导导线停止超导并返回到正常的电阻性模式(无论其温度如何)。在故障条件(在本发明上下文中为失超事件)期间，致使过电流流过超导故障电流限制器的超导导线。超导故障电流限制器经布置以使得此过电流超过临界电流密度。过电流将使超导导线停止超导而变为电阻性导线。超导导线以及用于超导导线的任何导电镀层经布置以使其阻抗足够高，从而将流过它的电流限制在对相关电路来说安全的电平。在此状态中可提供并联的电阻性传导路径以承载电流的一部分。在本发明上下文中，至少通过保护电阻器8来提供这样的并联电阻性路径。通常，超导故障电流限制器在电流流过它时保持在高阻抗条件，因为其阻抗确保它能维持在超过其临界温度的温度。当电流流动停止时(通常是由于维修工程师干预之后电路被切断，或复位电路操作)，超导故障电流限制器冷却，回到可能出现超导性的温度，这时超导故障电流限制器准备好再次在其正常状态中操作。
在配电系统中通常采用此操作以避免在故障条件下过量电流的流动，例如在加拿大专利CA2070322和A.Morandi等人的Journal of Physics：Conference series 43(2006)909-912中所描述。
本发明在新的应用中，也就是，在维持超导磁体中的磁场强度的稳定性时采用此超导故障电流限制器。
本发明所设想的超导故障电流限制器(SFCL)可由任何类型的超导材料(HTS、MgB₂或LTS)制成。HTS是优选的，因为这将使SFCL能够放置在其将不耗散过多致冷剂且仍在较低电流下切断的高温区中。FCL可由低温冷却机独立冷却以使得其相当快速地切断。
图3是本发明的一个实施例的示意图。在本发明的优选实施例中，优选将高功率保护电阻器8放置在含有超导磁体的低温恒温器外部，其中电缆连接到低温恒温器内的磁体和超导故障电流限制器上。还可将外部电阻器放置在单独的隔室中或磁体低温恒温器内部。优选对保护电阻器进行冷却，例如用空气冷却、水冷却或用其它冷冻剂，以便能从磁体中有效地耗散能量。
在典型的DC操作的超导磁体的上下文中，串联超导故障电流限制器7将限制失超期间的电流，且将电流转向而通过保护电阻器8，串联超导故障电流限制器7用于代替现有技术的电阻器稳定解决方案中的开关。
提供连接装置9以实现与磁体以及超导故障电流限制器7和电阻器5的串联组合并联的DC电源的连接和断开。此连接装置可包括例如插头、插座、接线端子板、暴露的电导体、持久(超导)接头等等。当磁体正在使用时将把DC电源4连到连接装置。
本发明因此提供超导故障电流限制器的使用以实现超导磁体和失超保护的持久稳定性。
图4是本发明的一个替代实施例。根据此第二实施例，将又一超导故障电流限制器7a串联放置在连接装置9与磁体1之间。与电源4串联的此超导故障电流限制器7a的使用还用来保护电源4且以标准10V电源启用磁体的激励，因为磁体中的失超将导致所述又一超导故障电流限制器7a本质上变为开路，从而隔离电源4，仅使保护电阻器8连接到磁体。
如上所说明，在此实施例中，将又一超导故障电流限制器7a串联放置在连接装置9与磁体1之间。优选地，将又一超导故障电流限制器7a串联放置在磁体1与故障电流限制器7和电阻器5的串联组合之间。磁体1、又一超导故障电流限制器7a、故障电流限制器7和电阻器5形成闭合串联电路。
图5是本发明的第三实施例，它与图4的实施例有某些相似性。根据此第三实施例，将图4的又一超导故障电流限制器7a移动到一个新位置，该位置处又一超导故障电流限制器7a串联在连接装置9与连接磁体1、保护电阻器8以及故障电流限制器7和电阻器5的串联组合的节点之间。如同图4的实施例，与电源4串联的此又一超导故障电流限制器7a的使用还用以保护电源4且以标准10V电源启用磁体的激励，因为磁体中的失超将导致超导故障电流限制器7、7a本质上变为开路，从而隔离电源4，仅将保护电阻器8连接到磁体。
如上所说明，在此实施例中，电源4、故障电流限制器7与电阻器5的串联组合、以及又一超导故障电流限制器7a形成闭合串联电路。