一种高时间稳定度的超导励磁方法及装置

本发明属于超导电工领域，更具体地，涉及一种高时间稳定度的超导励磁方法及装置。

背景技术：

1、二代高温超导带材相比于低温超导材料具有更高的工程电流密度、临界温度以及上临界磁场强度。使用高温超导带材绕制高磁场的超导核磁共振主磁体可以显著提高核磁共振波谱仪(nmr)和磁共振成像(mri)仪器的信噪比。

2、但是现有的高温超导核磁共振主磁体励磁技术存在以下问题：1、商用的电力电子恒流源时间稳定度达不到mri/nmr装置的需求。且其粗大的电流引线会向制冷系统中引入漏热，影响磁体安全稳定运行。2、使用行波磁通泵可以向高温超导磁体无接触励磁，但由于其磁场作用面积大，导致永磁体与超导磁体的耦合互感加大，使得超导磁体中的直流电流会叠加交流分量，从而电流时间稳定度达不到mri/nmr的要求。3、使用变压器-整流器磁通泵向高温超导磁体无接触励磁可以减小磁场与超导磁体回路的耦合，实现更高时间稳定度的电流控制。但是在超导磁体接头电阻很大，电流衰减迅速的情况下，需要变压器具有很高的运行频率才能补充磁体衰减的电流。且快速变化的开关电流会在超导磁体中叠加谐波，可能会导致磁体电流时间稳定度下降。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高时间稳定度的超导励磁方法及装置，旨在解决现有的高温超导核磁共振主磁体励磁技术中超导磁体接头电阻很大，电流衰减迅速的情况下，需要变压器具有很高的运行频率才能补充磁体衰减的电流问题。

2、为实现上述目的，一方面，本技术提供了一种高时间稳定度的超导励磁装置，包括：前级磁通泵或电力电子电源、负载超导开关、超导滤波线圈和超导负载线圈；

3、所述超导负载线圈和负载回路接头电阻串联构成第一支路，第一支路与所述负载超导开关并联，形成并联电路；

4、所述前级磁通泵或电力电子电源、超导滤波线圈和并联电路串联，形成串联回路；

5、所述前级磁通泵或电力电子电源用于通过为所述超导滤波线圈提供充电电压，补偿滤波回路接头电阻引入的电流衰减，为超导滤波线圈提供稳定电流，所述稳定电流用于向负载超导开关提供关断所需的电流；所述负载超导开关用于在外界施加信号作用下切换通断状态，为超导负载线圈提供高频或者恒定充电电压，补偿负载回路接头电阻引入的电流衰减，为超导负载线圈提供优于预设时间稳定度的负载电流；

6、进一步优选地，将超导滤波线圈和负载超导开关构成的电路作为超导滤波电感回路，设置多个超导滤波电感回路并联；从而使得每个超导滤波电感回路中电流纹波更小，进而为超导负载电感提供更高时间稳定度的电流。

7、进一步优选地，前级磁通泵为半波变压器整流器磁通泵、全波变压器整流器磁通泵或行波磁通泵。

8、更为具体地，所述前级磁通泵为半波变压器整流器磁通泵，包括：交流电源、第一电阻、第一电感线圈、第二电感线圈、第二电阻和第一可变电阻；

9、所述交流电源、第一电阻和第一电感线圈形成串联回路；所述第二电感线圈、第二电阻和第一可变电阻串联；所述第二电阻和第一可变电阻间的节点连接超导滤波线圈；所述第一可变电阻以及超导滤波线圈与并联电路串联形成回路；所述第一电感线圈和所述第二电感线圈耦合；

10、当ib1＝|i2|-|i3|>0时，所述第一可变电阻在交变磁场或直流磁场的作用下产生动态电阻效应或磁通流动效应，进而使所述超导滤波电感电流增大；

11、当ib1＝|i2|-|i3|＜0时，无交变磁场或直流磁场作用在第一可变电阻，第一可变电阻值为零，超导滤波电感电流由于滤波回路接头电阻的存在而减小；

12、其中，i2为流入第二电感线圈的电流；i3为负载超导开关与超导负载线圈流出电流之和；ib1为第一可变电阻的流入电流。

13、更为具体地，所述前级磁通泵为全波变压器整流器磁通泵，包括交流电源、第一电阻、第二可变电阻、第三可变电阻、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈；

14、所述变压器、所述第一电阻和所述第一电感线圈串联形成串联回路；所述第二可变电阻和所述第二电感线圈串联形成所述第一耦合支路；所述第三可变电阻和所述第三电感线圈串联形成第二耦合支路；所述第一耦合支路和所述第二耦合支路并联，第一耦合支路与第二耦合支路间的节点与超导滤波线圈连接；第一耦合支路、第二耦合支路和超导滤波线圈与并联电路串联形成闭合回路；所述第一电感线圈和所述第二电感线圈之间的互感与第一电感和第二电感线圈之间的互感相等；所述第二可变电阻和所述第三可变电阻交替关断；

15、当ib2大于零，ib3小于零或ib2小于零，ib3大于零时，所述第二可变电阻在交变磁场或直流磁场的作用下，产生动态电阻效应或磁通流动效应，使得所述超导滤波电感的电流增大；

16、当ib2小于零，ib3大于零或ib2大于零，ib3小于零时，所述第三可变电阻在交变磁场或直流磁场的作用下，产生动态电阻效应或磁通流动效应，使得所述超导滤波线圈的电流增大；

17、当无交变磁场或直流磁场作用在第二可变电阻和第三可变电阻上时，超导滤波线圈的电流减小；

18、其中，ib2为流过第二电感线圈的电流；ib3为流过第三电感线圈的电流。

19、更为具体地，所述前级磁通泵为行波磁通泵，其等效电路包括：电压源和动态电阻；所述电压源和所述动态电阻串联；

20、所述电压源使得所述超导滤波线圈的电流增大。

21、进一步优选地，负载超导开关包括交流磁控式超导开关、直流磁控式超导开关、屏蔽电流式超导开关或热控式超导开关。

22、进一步优选地，负载超导开关的超导材料包括铜基超导体、铁基超导体、mgb2、nbti或nb3sn。

23、进一步优选地，超导滤波线圈和超导负载线圈包括单饼线圈、双饼线圈、跑道型单饼线圈、跑道型双饼线圈、螺线圈、单匝闭合线圈或堆叠线圈。

24、另一方面，基于上述提供的超导励磁装置，本技术提供了相应的超导励磁方法，包括以下步骤：

25、s1：采用前级磁通泵或电力电子电源为超导滤波线圈以及负载超导开关提供稳定电流；

26、s2：在s1的基础上，利用负载超导开关在外界施加信号作用下持续切换通断状态，补偿负载接头电阻引入的电流衰减，为超导负载线圈提供稳定的负载电流；

27、进一步优选地，将超导滤波线圈和负载超导开关构成的电路作为超导滤波电感回路；

28、将若干超导滤波电感回路并联，以便提升负载超导开关电流的稳定度。

29、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

30、本技术提供了一种高时间稳定度的超导励磁方法及装置，其中，前级磁通泵或电力电子电源为超导滤波线圈提供稳定电流；稳定电流向负载超导开关提供关断所需的电流；负载超导开关在外界施加信号作用下切换通断状态，为超导负载线圈提供高频或者恒定充电电压，快速补偿负载回路接头电阻引入的电流衰减，为超导负载线圈提供稳定的负载电流；相比于现有高温超导核磁共振主磁体励磁技术，其中，使用变压器整流器磁通泵直接向超导负载线圈励磁，在超导磁体接头电阻很大的情况下，需要变压器具有很高的运行频率，从而快速变化的开关电流会在超导磁体中叠加谐波干扰，可能会导致磁体电流时间稳定度下降；而本技术通过高频率地运行前级磁通泵或直接使用电力电子电源供电，可以在短时间内补偿超导滤波线圈因接头电阻的存在而衰减的电流，从而流过超导滤波线圈的电流具有较高时间稳定度；由于流过超导滤波线圈的电流具有较高时间稳定度，所以输入超导负载线圈的电流受超导滤波线圈电流的波动的影响很小；通过快速地打开与关闭负载超导开关或者一直保持负载超导开关的开通，可以维持超导负载线圈中的电流具有更高的时间稳定度。

31、本技术提供了一种高时间稳定度的超导励磁方法及装置，其中，将超导滤波线圈和负载超导开关构成的电路作为超导滤波电感回路，设置多个超导滤波电感回路并联。随着超导滤波线圈的增加，可以使得负载电流的暂态波动进一步减小，从而进一步提高超导负载线圈磁场的时间稳定度，因此多级电路可以用在对超导负载线圈磁场时间稳定度具有更高要求的场景中。