$超导磁体失超传播与失超保护研究

超导失超引言超导材料是一种在低温下具有零电阻特性的材料，它在电力输送、磁共振成像等领域具有广泛应用。

然而，由于多种原因，超导材料在某些情况下会失去超导状态，这种现象被称为超导失超。

本文将讨论超导失超的原因、影响以及相关的研究进展。

超导失超的原因超导失超可以由多种原因引起。

最常见的原因是温度升高。

超导材料只在低温下表现出超导特性，当温度超过临界温度时，超导材料将失去超导状态。

此外，超导材料中存在的缺陷和杂质也会影响超导性能，导致失超现象的发生。

磁场的作用也是导致超导失超的原因之一，当外部磁场超过一定阈值时，超导材料将失去超导性。

超导失超的影响超导失超对超导体材料的应用带来了一定的限制和挑战。

首先，超导体材料失去超导性后将表现出普通导体的特性，即电阻出现，电流的传输效率下降，这对电力输送系统等对低电阻性能有严格要求的应用来说是不能接受的。

其次，超导失超也会导致超导体中的能量损耗增加，温度升高，对低温系统的稳定性产生负面影响。

此外，超导失超还会导致超导体材料中的磁场强度剧烈变化，导致超导体材料损坏或性能下降。

超导失超的研究进展为了解决超导失超问题，科学家们进行了大量的研究工作。

一方面，他们希望通过改进超导材料的制备工艺，消除缺陷和杂质，提高超导材料的纯度，从而降低超导失超的概率。

另一方面，研究人员也致力于寻找新的超导材料，以提高超导材料的临界温度和磁场耐受能力，从而减轻超导失超的影响。

此外，研究人员还在探索新的超导机制，并开展了针对超导失超现象的理论研究。

在实际应用方面，针对超导失超问题，人们采取了一系列措施来减轻它的影响。

例如，在电力输送系统中，可以采用多级制冷系统来降低温度，减小失超概率；在超导磁体中，可以采用制冷技术来控制温度，减小外磁场对超导体的影响。

此外，还有一些研究致力于发展新的超导体故障诊断方法，以提前发现超导失超现象，提高系统的可靠性和稳定性。

结论超导失超是超导材料存在的一个限制，该现象的发生受温度、缺陷、磁场等多种因素的影响。

一种用于超导磁体系统的失超保护电路及失超保护方法技术领域本申请实施例涉及用于磁共振成像的超导磁体，尤其涉及用于超导磁体系统的失超保护电路及失超保护方法。

背景技术众所周知，磁体是磁共振成像(MRI)系统中最重要的核心部件之一，它提供了均匀的主磁场，用于氢原子发生拉莫尔进动，从而在射频场的激励下发生磁共振现象。

由于超高性价比，超强稳定的均匀性和磁感应强度，目前市场上主流磁体大多为超导磁体，其利用既定位置排列的超导线圈在低温下的零电阻效应，与超导开关形成闭环模式(persistent mode)，并参考毕奥萨伐尔定律从而产生了既定的磁场。

当超导磁体在某些扰动下其运行参数超过临界参数时，将导致超导体失去超导特性，称为超导磁体的失超(quench)。

失超是不可逆的过程，且伴随着电磁能快速转化为热能，如没有失超保护，磁体线圈局部失超点(hot spot)将面临过热过压的风险。

目前常用的超导磁体的失超保护电路有两种方式：主动保护(又称有源保护)和被动保护(又称无源保护)。

较之主动保护，被动保护有效的避免了主动保护可能误启动带来的风险，且简单易行。

目前现有技术中常用的被动失超保护电路如图1所示：多个超导线圈单元(L1-L8)连接正、负电流引线22和23可组成超导磁体回路，在D1端点位置(超导线圈单元L3的左侧)、D2端点位置(超导线圈单元L6的右侧)串联连接有H1-H8等八个加热器组成失超保护电路(即超导线圈单元L3、L4、L5和L6与加热器H1-H8并联设置)。

利用超导磁体的超导线圈单元失超时其并联的多个加热器两端(D1和D2)之间出现电阻电压或者电感电压，亦或者两者叠加充当了加热器的“电源”，部分电流从超导线圈中分流至加热器导致发热，超过线圈的临界温度从而加速了线圈的失超，对能量是一种均衡释放，避免了磁体能量在局部释放烧坏磁体的风险，但这种方法的弊端在于对于大能量磁体有损坏加热器和失超启动滞后的风险。

另一种被动失超保护方法为采用电感耦合的方式来加速磁体失超，从而起到保护作用，这个方法的弊端在于需额外绕制电阻线圈，成本增加且需遏制干扰带来的风险。

材料科学视角超导材料实验室失超原因探究超导材料是一类具有零电阻和完全抗磁性的特殊材料，受到广泛的关注和研究。

然而，在实际应用过程中，超导材料会因为一些原因丧失其超导性能，这给超导材料的研究者带来了一定的挑战。

本文将从材料科学的视角出发，探究超导材料实验室中超导材料失超的原因。

首先，超导材料实验室中超导材料失超的一个主要原因是温度的上升。

超导材料只有在低温下才能表现出超导性能，而随着温度的升高，超导材料逐渐失去其超导特性。

这是因为超导材料的超导性是通过电子和晶格之间的相互作用来实现的。

在低温下，晶格的振动较小，电子之间的散射减少，进而电子可以在材料中自由传输而不受电阻的干扰。

而随着温度的升高，晶格的振动增大，导致电子的散射增加，使得电子在传输过程中受到较强的阻碍，从而导致超导特性的丧失。

除了温度的影响，超导材料失超的另一个原因是材料失序。

超导材料中的超导性是由电子对（Cooper对）的形成来实现的。

而这些Cooper对需要在材料中形成有序的态，以保持超导特性。

然而，当材料中存在杂质、缺陷或外界扰动时，它们会破坏Cooper对的有序性，从而导致超导性的消失。

这是因为杂质、缺陷和外界扰动会引入额外的散射中心或破坏电子对的配对结构，使得电子对之间的耦合减弱，从而丧失超导性能。

此外，超导材料中的磁场也是影响超导性能的重要因素。

在材料中施加磁场会引起磁通量的穿透和磁通束缚现象。

在低温下，超导材料可以完全排斥磁场的进入，形成所谓的Meissner效应。

然而，当磁场强度超过一定临界值时，超导材料将失去对磁场的排斥效应，超导性会被破坏。

这是因为磁场在材料中引起的磁通量穿透会破坏电子对的配对结构，并增加电子的散射，从而导致超导性的消失。

此外，磁场还会形成磁通束缚，限制电子在材料中的自由传输，从而使得超导性被抑制。

最后，超导材料中的电流密度也是导致超导性丧失的一个重要因素。

在实验室中，为了实现超导材料的电流传输，通常会施加电流。

电网用高温超导储能磁体的失超保护研究的开题报告一、研究背景和意义随着能源需求的不断增长和不可再生能源的逐渐枯竭，绿色能源的开发、利用和存储成为人类社会的重要课题。

储能技术是大规模利用可再生能源和调峰保障电网稳定运行的关键技术之一。

高温超导储能磁体作为一种新型的储能设备，在能量密度、效率等方面都具有优异的性能，同时可以根据需要进行容量扩展。

因此，高温超导储能磁体在电网的储能领域中具有广泛的应用前景。

然而，高温超导储能磁体在实际应用中存在失超问题，即在磁体运行时，当超导磁体的临界电流受到一定的扰动时，会导致超导体状态变化，使得磁体失去超导状态，从而引起磁场瞬间崩溃，磁体内部能量的瞬间释放，可能造成磁体内部的损坏，严重时还可能引起火灾等安全事故。

因此，为保障高温超导储能磁体在电网中的安全运行，必须对其失超保护技术进行研究。

二、研究内容和方法本研究将从高温超导储能磁体的失超机理出发，探究失超保护技术的研究现状和存在的问题，并针对高温超导储能磁体的失超问题，设计并实验验证一种失超保护方案。

具体而言，研究内容和方法包括以下几个方面：1、失超机理分析和建模：在了解高温超导储能磁体失超机理的基础上，采用有限元方法建立高温超导储能磁体失超过程的数学模型，分析失超过程中磁场和电流的变化规律。

2、失超识别算法设计：根据高温超导储能磁体失超机理和模型，设计针对失超过程中磁场和电流变化的特征识别算法，实现失超的及时识别和定位。

3、失超保护方案设计：根据失超识别算法的结果，设计高温超导储能磁体的失超保护方案，探讨不同保护方案对磁体性能和安全的影响，选择最优方案。

4、实验验证：在实验室中建立高温超导储能磁体失超测试系统，进行失超保护方案的实验验证，并分析实验结果，验证保护方案的有效性和可靠性。

三、研究进展和预期成果目前，本研究已经完成了高温超导储能磁体的失超机理分析、建模和失超识别算法的设计，并开始进行失超保护方案的优化。

预计在接下来的研究中，将进一步完善失超保护方案，并进行实验验证，最终得到一种针对高温超导储能磁体的可靠失超保护方案。

专利名称：一种超导磁体失超保护装置专利类型：发明专利
发明人：陈顺中,王秋良
申请号：CN201110139941.X
申请日：20110527
公开号：CN102214911A
公开日：
20111012
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种超导磁体的失超保护装置，由加热器电路(17)和失超探测器(11)组成。

超导磁体(1)的每个线圈均装有紧贴该线圈的加热器，所有加热器串联，并与两个二极管组件(2、8)串联形成加热器电路(17)。

失超探测器(11)通过采集超导磁体(1)各个线圈的端电压来观测超导磁体(1)是否失超，如果观测到超导磁体(1)失超，失超探测器(11)触发超导开关(4)失超，超导开关(4)失超产生的电压同时施加在加热器电路(17)两端，电流开始流过加热器，触发所有线圈局部开始失超。

申请人：中国科学院电工研究所
地址：100190 北京市海淀区中关村北二条6号
国籍：CN
代理机构：北京科迪生专利代理有限责任公司
代理人：关玲
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令人为之色变的“超导磁共振失超”，到底多可怕！？每一台超导磁共振在“走下”生产线之前，都要经过一道特殊的“关卡”，只有越过这一关，才有资格进入各大医院，履行它的使命！这道关，叫做“励磁”。

之所以关键，是因为励磁时一旦发生“失超”等情况导致励磁失败，则可能前功尽弃。

另外，当超导磁共振设备在医院为患者服务时，也可能会“生病”，而在所有“病症”中，令人为之色变的就是“失超”。

本期，小编就带各位了解什么是超导磁共振失超？它到底有多可怕？如何能有效避免？▲奥泰磁体首先，我们需要了解“超导磁共振失超”的概念：在超导磁共振励磁或工作过程中，超导体因某种原因突然失去超导特性而进入正常态的过程。

由于超导体是在极高的电流密度下工作的，需要处于低温环境，此时温度急剧升高，液氦大量挥发，磁场强度迅速下降，即为失超。

▲奥泰线圈引起失超的因素很多：磁体结构和线圈、超导材料性能不稳定、磁体超低温环境被破坏、以及人为因素等，通常有以下五类情况：第一类：励磁时充磁电流超过额定值，或者充磁电流增加速度过快，均会导致超导线圈整体受到径向和轴向的电磁挤压力，使得浸渍于线圈绕组之间的环氧树脂局部开裂，此变形能的释放会转化为热能，从而引发失超；第二类：灌注液氦速度过快，以及输液管尚未完全冷却到4.2K温度时，就将其插入磁体输液孔内，会引起杜瓦容器内液氦沸腾，迅速气化并喷发而出，导致超导环境遭到破坏，从而引发失超；第三类：磁体杜瓦容器中的液氦液面降到一定限度(各厂家规定的液氦低限容量不等，一般极限经验值是满容量的30％)时，如果仍未按规定及时补充，则会导致失超；第四类：磁体的真空隔温层真空环境破坏后，发生失超是肯定无疑的；第五类：误操作紧急失超开关造成“意外”失超。

在此，说说上面提到的励磁。

对于医用超导磁共振，励磁简单来说就是缓慢增加主磁体线圈内的电流，以提高磁体产生的磁场，达到额定场强后闭合线圈，关闭电源。

主磁体线圈形成闭合回路，在超导状态下电流不会衰减，从而得到稳定主磁场。