MRI磁体系统电流引线及其超导开关研究.pdfVIP

lVlRI磁体系统电流引线及超导开关的研究 204室黄梅 唐本政 摘要 本文对MRI超导磁体系统的供电技术j苴行了研究，即对高温超导电流引线 及超导开关进行了计算与设计。 一、引言 MRI系统的核心部件是能在相当大空间内产生一个高均匀度、高稳定性静 磁场的磁体系统。一个磁体的成败如何，在很大程度上取决了它的稳定化和保 护问题。本文列该磁体系统供电系统中的电流引线及超导开关进行了研究。对 电流引线进行了最佳化计算。并以此为依据设计出了最佳的高温超导体电流引 线；设计出了超导开关及其闭环运行电路的具体结构。 二、高温超导体最佳电流引线计算与设计 1、电流引线材料的选择 IvlRI碰体系统采用实用的低温超导体制作，须用室温电源通过延伸到液氦 的电流引线供电。对电流引线材料的选择，希望其有最小电阻率、低的导热系 数。电流引线跨越低温磁体与处于常温的电源的较大温差，是低温环境的漏热 来源，就足这漏热主要决定着磁体系统的运行费用。使用高温超导体，可以把 电流引线的超导部分运行在低于临界温度T。的超导态，消除了焦耳热量。男一 方面．作J,j陶瓷材料的高温氧化物超导体的热导率很低．降低了沿引线从高温 区向低温区的传导热流。因此，用高温超导体制作的电流引线能显著降低蒜耳 热与传导热。大大地降低了液氦的消耗，减小了磁体的运行费用，是最好的选 挥。 2、最佳电流引线的计算 高温超导体电流引线为由高纯铜引线与高温超导体引线组成的混合电流引 线，如图l所示。 睡 罔I高温超导体电沛引线示意图 高温趟导线在下端，用被氮气冷却；铜引线在上端。用氮气冷却．因此 在计算最佳引线时，要对锕引线及高温超导引线分段进行最佳化计算。 (1)铜引线 57 由铜电流引线产生的热量包古传导漏热和焦耳热两部分，合理地处理引线 的漏热和在引线上电流所产生的焦耳热的大小之间的关系是引线设计中的关 键。增大引线的截面积可以减小焦耳热。但却增加了热传导所引起的漏热。减 小引线的截面积9lU相反。所以必须寻找使进入冷却刺的总热流最小的最佳尺寸。 (1) 对于铜引线·热平衡方程如下：Q=月五p)等+与rpo皿 其甲，九一引线的导热率；A一引线的截面积； p—gI线的电阻率iI一引 线的通电电流；Q。一从引线冷端流出的热流。等式(1)右边第一项为距冷端x’处 由传导流入引线的热流，第二项为从冷端到x处之间电流产生的焦耳热。 (2) 假殴为p常数，则(1)式简化为：Q。=—I_-fK+A置仃)!} 分离变量后积分得：Q=；，2p丢+了A扛A∽)刀(3) 对于纯铜金属，由于九、p都为温度的显著函数，因此，采用下述方法计算。 将引线分为n段，每段的温差都相等且为△r=二(咒一t)-每段的电阻率P 和热导率九股该段中点温度对应的值．对于第i段。中点的温度为： r=￡一Ii一；b，(4)，当n足够大时，对于每一段可以认为它的电阻率和热 ＼ ￡／ 导率为常数，并为p。和九、，于是应用方程(3)，从第i段流出的热流Q为； ；邝。等+AA石AT(s)a 根据能量守恒定律。从每一段冷端流出的热流应等于从该段热端流入的热 流和该段产生的焦耳热之和。显然．如果从熟端流入的热流越小，则从冷端流 出的热流也越小。因此，如果从第一段熟端及引线热端流入的热流为零，则从 第一段冷端流出的热流最小，从引线冷端流出的热流也最小。这样对于最佳电 流引线，从第一段冷端流出的热流等于该段产生的焦耳热，即：Q1=，2n--一71-(6) 由力程(5)和(6)可解得第一段的尺寸比：冬：i1(2岛五△r竟(7) ．q 』A