MRI、NMR低温超导磁体失超保护综述-物理论文.docx

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MRI、NMR低温超导磁体失超保护综述

物理论文

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论文导读:：用超导磁体制造NMR、MRI等核磁共振设备越来越普遍，超导磁体的失超保护在磁体设计中是一个很关键的问题。本文从失超保护方式，保护电路设计、加速失超方法等三个方面总结了如何为一个超导磁体尤其是核磁共振用超导磁体设计失超保护方案，指出了一些常见的问题的解决办法，最后还介绍并比较了一些常用失超模拟软件，以期为相关科研人员提供有价值的参考。。

关键词：NMR，MRI，超导磁体失超保护

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1.引言

NMR、MRI等核磁共振设备在生产生活中得到广泛应用，早期的核磁共振设备主要用永磁或常导磁体来制备的，随着人们对高分辨力和低能耗等提出新的要求，原先的磁体逐渐被超导磁体所取代。超导磁体的核磁共振设备具有能耗低，成像分辨率高等特点。

然而超导磁体一般都会伴有失超现象的发生。失超是超导磁体内电磁能迅速转化为热能的一种现象。失超过程会给磁体带来潜在危害，局部温升过高会烧坏磁体，层间电压过高会击穿绝缘材料，电流增长过大会导致机械损坏等等。因此人们采用各种方法来解决失超过程中的各种问题，给磁体提供保护，防止磁体受到不可恢复的损害。

一般来讲，为超导磁体设计失超保护方案需要考虑几个方面。针对NMR、MRI等闭环运行的超导磁体，本文根据近些年一些相关文献，分别从保护方式、保护电路、加速失超这三方面总结了如何为一个磁体设计失超保护方案，并介绍了几种失超分析软件。

2.保护方式

一般来说，一个超导磁体系统需要先明确是采用主动保护方式还是被动保护方式。当然，也可以同时采用两种方式将其中一种作冗余。两者的最主要区别在于是否依靠外部的保护系统。主动保护方式一般包括失超检测和保护启动两个步骤，而被动保护方式依靠失超过程中磁体自身电压来启动保护。下面分别给予阐述。

主动保护首先是要失超检测，而失超检测又分为信号获取和信号处理两个阶段，如图1。磁体一旦失超，那么正常区传播，电阻就会增长，表现为线圈的电流电压变化，为了取得这个信号，可以通过在线圈上放置电压测量点物理论文，通过引线取出电压值的方法[1]，也可以通过互感线圈耦合获取电压信号[1]。也可以将两种方式进行某种组合以为后续步骤所用[1]。

一般来说获取的信号会掺有各种干扰信号，主要有以下几种：励磁、退磁过程中的电感信号，外界环境中金属移动、震动等导致的毛刺信号、对于MRI还有梯度线圈工作时的脉冲扰动信号等[5][6]。不同的干扰信号由于产生原因不同，因此有不同的幅值及频率特点。为了判断失超，必须先去除这些干扰信号，信号处理一般会通过独立于磁体的外部电路系统，利用各种信号的特点来滤掉这些信号以获取真正的失超信号。

对于励磁、退磁信号，根据公式UL=LdI/dt，可以通过三种方式来滤掉。一种是通过常见的电桥[1]，先计算出每段电感，然后调整各段电阻之比为电感之比，这样在励磁和退磁的时候，桥路平衡，桥路中心抽头的信号为零，如果失超发生，那么将产生不平衡电压信号。如果失超从某段抽头中间对称向外扩散，那么可以采用多个中心抽头来加以克服[12]。另一种是采用差分的方式[10][11]，每段的电压信号取出来后，在后续电路中取其差分信号，由于励磁、退磁产生的电感电压UL正比于L，因此电感相同的两段差分信号为零，这样就滤掉了励磁、退磁信号。此外，由于UL还正比于dI/dt，因此可以事先根据励磁速率计算好UL作为预设值，在后续电路中将输入信号直接与预设值进行比较而将其滤掉。

对于其他干扰信号，每一种信号都有它们特有的信号周期及幅值。金属移动产生约0.1Hz信号，环境震动产生约10Hz信号，梯度线圈产生约100Hz信号[5][6]。由于失超后，电压会随时间不断增长，因此可以通过在后续电路中预设与或者作为特征值，当输入的信号小于这些预定值时，失超检测系统认为没有失超发生，反之认为失超发生。对于各种预设与，不太容易通过计算得到，如果取值过大，倒是可以保证滤掉干扰信号，但是会拖延保护启动时间，给磁体带来潜在危害，但如果取值过小，容易导致误动作，影响工作效率，为此有时需要针对磁体做试验，并根据采集到的信号波形来判断是否是误动作[4]，并由此找到合适的预设值。

当检测有失超发生之后，检测系统会开启保护动作。一般说来，保护动作常见有以下两项内容，一项是切断电源，如果是励磁退磁过程中发生失超物理论文，那么尽快断开电源，使磁体与保护电阻串联起来以保护电源和磁体，另一项是通过加热器来加速失超，避免热量释放过于集中造成热点温升过高。切断电源可以通过断路器[11]或者IGBT[7]等设备来完成，加热器的加热电流可以通过独立外部电源或磁体自身来提供。对于利用加热器加速磁体失超，被动保护方式也常常采用，这将在后面详细介绍。

主动保护的优点在于它能更准确的测出失超信号，排除干扰，获得