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申请/专利权人：中国原子能科学研究院

摘要：本发明涉及一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，包括由电源和两个超导线圈组成的主回路，还包括失超保护模块，失超保护模块与两个超导线圈连接，失超保护模块分别检测两个超导线圈的电压并作出判断；所述主回路上串联有一卸能电阻和一失超保护开关，卸能电阻两端并联有一转换开关，电源两端并联有一续流二极管，所述转换开关和失超保护开关受控于失超保护模块。本发明针对紧凑型超导回旋加速器超导线圈失超保护要求，提出一种基于串联形式的失超保护电路，能够简单有效的实现超导线圈失超保护功能，降低能耗，同时检测更加准确。

主权项：1.一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，包括由电源（2）和两个超导线圈（5）组成的主回路，其特征在于：还包括失超保护模块（6），失超保护模块（6）与两个超导线圈（5）连接，失超保护模块（6）分别检测两个超导线圈（5）的电压并作出判断；所述主回路上串联有一卸能电阻（R1）和一失超保护开关（K2），卸能电阻（R1）两端并联有一转换开关（K1），电源（2）两端并联有一续流二极管（D1），所述转换开关（K1）和失超保护开关（K2）受控于失超保护模块（6）；其中，当所述超导线圈（5）正常工作时，所述失超保护开关（K2）和所述转换开关（K1）均处于闭合状态；当所述超导线圈（5）失超时，所述失超保护模块（6）控制关断所述失超保护开关（K2）和断开所述转换开关（K1）；所述失超保护模块（6）包括检测单元、比较单元、控制单元，检测单元用于检测两个超导线圈（5）的电压，比较单元用于将检测的电压与失超保护模块（6）中预设的电压相比较并输出失超信号，控制单元用于接收失超信号并控制失超保护开关（K2）和转换开关（K1）进行相应的开合。

全文数据：一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路技术领域本发明涉及回旋加速器领域，更具体地说，它涉及一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路。背景技术回旋加速器是一种利用磁场和电场的共同作用于带电粒子的仪器，磁场使带电粒子作回旋运动，在回旋运动中经高频电场反复加速从而形成高速粒子束流。回旋加速器在核医学、航天军工和核物理基础研究等领域有广泛的应用。而超导技术如今也已在电力、医学、国防军工等各个领域广泛应用，它对国民经济和国家建设发挥着巨大的作用。回旋加速器的超导线圈在极低温度下能够维持超导态。此时，超导线圈其自身阻抗接近零，线圈两端的电压非常低，因此，超导线圈具备非常大的电流载荷能力。但是当某些原因导致超导线圈的温度发生变化，超过临界温度时，超导线圈就会从超导态转化为非超导态，其自身阻抗会变大。而此时，如果有大电流流过超导线圈，就会产生大量热量，线圈就会迅速升温而导致机械应力等变化而损坏。因此，通常都会采用失超保护系统来保护超导线圈。在目前已有的超导磁体失超保护方案中，有单独采用磁体内设置失超保护电路的方式，多用于磁体正常工作时不需要带电源运行的装置。而类似于紧凑型回旋加速器的超导线圈，其工作时，需要带电源运行，因此，在磁体内单独设置失超保护电路不能满足要求。通常需要专门的失超检测模块来检测并判断失超信号，用于关断电源，同时利用外置的卸能电阻，将超导线圈的能量泄放掉。卸能电阻一般与电源并联设置，当超导线圈失超时，切断电源，超导线圈的部分能量通过卸能电阻释放。但是在超导线圈正常工作时，卸能电阻也会损耗部分的能量，增加了电源损耗。同时，针对失超保护电压信号的检测，现有的方案中，多采用通过检测加速器的两个超导线圈的电压差值来判断是否失超，此种模式在实际使用时，由于超导线圈的失超的不确定性，会存在失超时两个超导线圈电压同时变化的情况，单纯检测两个超导线圈的电压差值，易导致失超时，失超保护系统不工作的情况。因此，需采取更加可靠的失超电压检测方式来确保失超保护系统工作正常。发明内容针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，能耗低，检测准确。为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，包括由电源和两个超导线圈组成的主回路，还包括失超保护模块，失超保护模块与两个超导线圈连接，失超保护模块分别检测两个超导线圈的电压并作出判断；所述主回路上串联有一卸能电阻和一失超保护开关，卸能电阻两端并联有一转换开关，电源两端并联有一续流二极管，所述转换开关和失超保护开关受控于失超保护模块。当超导线圈正常工作时，失超保护开关处于闭合状态，电源接通，同时转换开关闭合，卸能电阻被短路，由于线圈处于超导态，其内阻非常小，因此，电流通过电源、失超保护开关、超导线圈构成的主回路，电流绝大部分流过超导线圈。失超保护模块实时监控两个超导线圈的电压，当超导线圈失超时，其内阻发生变化，导致超导线圈的电压发生变化，当超导线圈电压达到失超保护模块的设定值时，失超保护模块会发出信号，关断失超保护开关以断开电源，同时断开转换开关，此时，卸能电阻、续流二极管、超导线圈构成副回路，超导线圈内的储能通过卸能电阻释放。上述方案中，当超导线圈正常工作时，卸能电阻处于短路状态，不会产生额外的损耗，当超导线圈失超时，卸能电阻才会接入电路工作，更加节省能耗。同时，失超保护模块对两个超导线圈同时进行检测，有任何一个超导线圈失超都会触发失超保护模块进行失超保护，不会发生两个超导线圈同时失超但电压差不大使失超保护模块不被触发的现象。优选的，所述超导线圈两端并联有保护电路。通过上述技术方案，超导线圈失超时，保护电路可以对超导线圈上的电流进行分流，减缓超导线圈失超时急剧升高的热量，达到保护超导线圈的目的。优选的，所述的保护电路为并联在超导线圈两端的钳位二极管。通过上述技术方案，正常工作时，钳位二极管没有电流流过，当失超时，钳位二极管产生作用，限制超导线圈电压上升过高。钳位二极管用于限制电压，它是直接的限制电压，当施加的电压达到钳位的电压时，二极管的电流会增大，此时电压微小的增加都会引起电流剧烈的增加，从而增大电源内阻的分压，强制限制二极管两端的电压。优选的，所述的钳位二极管由一个或多个二极管单元串联形成，所述二极管单元由可工作在液氦温度的两个一组正反背靠背连接的功率二极管组成。通过上述技术方案，钳位二极管安装在液氦容器中，单个功率二极管组单元在低温下的正向导通电压不小于1V，多个串联后形成所需的导通钳位电压。解决了单纯利用卸能电阻时超导线圈失超电压过高的问题。优选的，所述的失超保护模块包括检测单元、比较单元、控制单元，检测单元用于检测两个超导线圈的电压，比较单元用于将检测的电压与失超保护模块中预设的电压相比较并输出失超信号，控制单元用于接收失超信号并控制失超保护开关和转换开关进行相应的开合。通过上述技术方案，检测单元可分别检测两个超导线圈的电压，比较单元将检测到的电压与预设的电压进行比较，一旦检测的电压超过预设电压，则发出信号给控制单元，控制单元控制失超保护开关和转换开关执行相应的操作，实现超导线圈的失超保护。优选的，所述的比较单元包括一比较器，比较器的两输入端分别连接检测单元的检测端和一变阻器，比较器的输出端串联一电阻后与控制单元连接；变阻器的电压即为失超保护模块中的预设电压，该预设电压可随变阻器的进行调整，即可根据实际情况调节失超保护模块的灵敏度。当超导线圈正常工作时，检测单元检测到的电压接近零，小于变阻器两端的电压，比较器输出低电平；当超导线圈失超时时，检测单元检测到的电压迅速升高并超过变阻器两端的电压，比较器输出高电平。优选的，所述的控制单元包括转换开关控制电路、失超保护开关控制电路和报警电路，转换开关控制电路和失超保护开关控制电路分别用于控制转换开关和失超保护开关的通断，报警电路在超导线圈失超时进行报警，通知工作人员，及时进行处理。优选的，所述的转换开关控制电路包括第一继电器和第一三极管，所述第一继电器的衔铁即为转换开关，第一继电器的线圈断电时，第一继电器的衔铁闭合在主回路上；第一继电器的线圈通电后，第一继电器的线圈吸合衔铁，使主回路断开。所述线圈的一端接电源端VCC，另一端接第一三极管的集电极，线圈的两端并联有三二极管；第一三极管的发射极接地，第一三极管的基极与比较器的输出端连接，第一三极管为NPN三极管。通过上述技术方案，当超导线圈正常工作时，比较器输出低电平，第一三极管截止，线圈不通电，衔铁保持闭合状态，转换开关闭合，主回路通电，超导线圈工作。当超导线圈失超时，比较器输出高电平，第一三极管导通，线圈通电并吸合衔铁，使主回路断开，即转换开关断开，使卸能电阻接入电路进行失超保护。优选的，所述失超保护开关控制电路包括第二继电器和第二三极管，所述第二继电器的衔铁即为失超保护开关，第二继电器的线圈断电时，第二继电器的衔铁闭合在主回路上，使电源接入主回路供电；第二继电器通电的线圈后，吸合衔铁，使主回路电源断开。所述线圈的一端接电源端VCC，另一端接第二三极管的集电极，线圈的两端并联有四二极管；第二三极管的发射极接地，第二三极管的基极与比较器的输出端连接，第二三极管为NPN三极管。通过上述技术方案，当超导线圈正常工作时，比较器输出低电平，第二三极管截止，线圈不通电，衔铁保持闭合状态，失超保护开关闭合，电源接入主回路通电，超导线圈工作。当超导线圈失超时，比较器输出高电平，第二三极管导通，线圈通电并吸合衔铁，使主回路断开，即失超保护开关断开，电源不对超导线圈继续供电。优选的，所述报警电路包括蜂鸣器和第三三极管，第三三极管的基极与比较器的输出端连接，第三三极管的发射极与蜂鸣器的一端连接，蜂鸣器的另一端接地，第三三极管的集电极串接一电阻后接电源端VCC，第三三极管为NPN三极管。通过上述技术方案，当超导线圈正常工作时，比较器输出低电平，第三三极管截止，报警电路不通电。当超导线圈失超时，比较器输出高电平，第三三极管导通，蜂鸣器通电后发出鸣音，提醒工作人员超导线圈处于失超状态。综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明针对紧凑型超导回旋加速器超导线圈失超保护要求，提出一种基于串联形式的失超保护电路，能够简单有效的实现超导线圈失超保护功能，降低能耗，同时检测更加准确。附图说明图1为实施例1的电路图。图2为实施例2的电路图。图3为实施例3中失超保护模块的示意框图。图4为实施例3中失超保护模块的电路图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。实施例1：如图1所示，一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，包括由电源2、两个超导线圈5、失超保护模块6，电源2与两个超导线圈5串联形成主回路，失超保护模块6与两个超导线圈5连接，分别检测两个超导线圈5的电压并作出判断。所述主回路上串联有一卸能电阻R1，卸能电阻R1两端并联有一转换开关K1；所述电源2串联有一失超保护开关K2，电源2及失超保护开关K2与一续流二极管D1并联；所述转换开关K1和失超保护开关K2受控于失超保护模块6。常态下，失超保护开关K2处于闭合状态，电源2当给导线圈5供电，超导线圈5正常工作；同时转换开关K1闭合，卸能电阻R1被短路，电流主要通过超导线圈5。由于线圈处于超导态，其内阻非常小，因此，电流通过电源2、失超保护开关K2、超导线圈5构成的主回路。降场和断电时，转换开关K1始终处于闭合状态。超导线圈5储能可通过电源2内部的内阻及可控硅进行释放。失超保护模块6实时监控两个超导线圈5的电压，当超导线圈5失超时，其内阻发生变化，导致超导线圈5的电压发生变化，当超导线圈5电压达到失超保护模块6的设定值时，失超保护模块6会发出信号，关断失超保护开关K2以断开电源2，同时断开转换开关K1。此时，卸能电阻R1、续流二极管D1、超导线圈5构成副回路，超导线圈5内的储能通过卸能电阻R1释放。本实施例中，当超导线圈5正常工作时，卸能电阻R1处于短路状态，不会产生额外的损耗，当超导线圈5失超时，卸能电阻R1才会接入电路工作，更加节省能耗。同时，失超保护模块6对两个超导线圈5同时进行检测，有任何一个超导线圈5失超都会触发失超保护模块6进行失超保护，不会发生两个超导线圈5同时失超但电压差不大使失超保护模块6不被触发的现象。本实施例中，超导线圈5正常工作时，电流不流过续流二极管D1。当超导线圈5失超时，续流二极管D1接入回路。续流二极管D1是间接的限制电压，它用于构成线圈的自感泄放回路。电感有阻碍电流变化的特性，当原本流经电感线圈电流突然减小时，线圈会产生自感电压以阻碍电流的变化。正常工作时，续流二极管D1反向不导通没有电流通过。失超时电流换向，续流二极管D1接通。本实施例的工作原理：如图1所示，图中A、B、C三点引出线即电源失超探测点。这三点与失超保护模块6相连，失超保护模块6实时监测两个线圈的电压Uab、Ubc的绝对值。当超导线圈5失超时，其内阻发生变化，导致电压Uab、Ubc变大，失超保护模块6中预先设定好失超保护电压设定值（1.5V），当Uab、Ubc任意一个电压值达到或超过设定值时，失超保护模块6发出关断信号，断开转换开关K1和失超保护开关K2。此时，卸能电阻R1串接到回路内，与超导线圈5、续流二极管D1构成一个完整回路，超导线圈5中的储能通过卸能电阻R1释放。实施例2：如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，超导线圈5两端并联有保护电路。超导线圈5失超时，保护电路可以对超导线圈5上的电流进行分流，减缓超导线圈5失超时急剧升高的热量，达到保护超导线圈5的目的。本实施例中，保护电路为并联在超导线圈5两端的钳位二极管D2，钳位二极管D2由可工作在液氦温度的两个一组正反背靠背连接的功率二极管组成。正常工作时，钳位二极管D2没有电流流过，当超导线圈5失超时，钳位二极管D2产生作用，限制超导线圈5电压上升过高。钳位二极管D2用于限制电压，它是直接的限制电压，当施加的电压达到钳位的电压时，二极管的电流会增大，此时电压微小的增加都会引起电流剧烈的增加，从而增大电源2内阻的分压，强制限制二极管两端的电压。本实施例中，钳位电压设置为22V，在失超过程中，由于钳位二极管D2的存在，使超导线圈的电压不会超过22V，达到保护超导线圈的目的。实施例3：本实施例与实施例2的区别在于，本实施例公开一种失超保护模块6的具体电路，但本发明的失超保护模块6电路并不限于本实施例。如图3-4所示，本实施例中，失超保护模块6包括检测单元、比较单元、控制单元，检测单元用于检测两个超导线圈5的电压Uab、Ubc，比较单元用于将Uab、Ubc与失超保护模块6中预设的电压相比较并输出失超信号，控制单元用于接收失超信号并控制失超保护开关K2和转换开关K1进行相应的开合，实现超导线圈5的失超保护。本实施例以失超保护模块6对其中一个超导线圈5的检测为例进行分析，Uab为该超导线圈5的实时电压。所述的比较单元包括一比较器A，比较器A的两输入端分别连接Uab和一变阻器R2，变阻器R2的电压即为失超保护模块6中的预设电压，该预设电压可随变阻器R2的进行调整，即可根据实际情况调节失超保护模块6的灵敏度。当超导线圈5正常工作时，Uab接近零，小于变阻器R2两端的电压U2，比较器A输出低电平；当超导线圈5失超时时，Uab迅速升高并超过U2，比较器A输出高电平。比较器A的输出端串联一电阻R3后与控制单元连接，控制单元包括转换开关控制电路、失超保护开关控制电路和报警电路。所述转换开关控制电路包括转换开关K1和第一三极管Q1，转换开关K1为继电器，常态下，继电器未通电，继电器的衔铁闭合在主回路上，使主回路通电；继电器通电后，继电器的线圈KM1吸合衔铁，使主回路断开，即转换开关K1断开，使卸能电阻R1接入电路进行失超保护。线圈KM1的一端接电源端VCC，另一端接第一三极管Q1的集电极，线圈KM1的两端并联有三二极管D3；第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的基极与比较器A的输出端连接，第一三极管Q1为NPN三极管。转换开关控制电路的工作原理：当超导线圈5正常工作时，比较器A输出低电平，第一三极管Q1截止，线圈KM1不通电，衔铁保持闭合状态，转换开关K1闭合，主回路通电，超导线圈5工作。当超导线圈5失超时，比较器A输出高电平，第一三极管Q1导通，线圈KM1通电并吸合衔铁，使主回路断开，即转换开关K1断开，使卸能电阻R1接入电路进行失超保护。所述失超保护开关控制电路包括失超保护开关K2和第二三极管Q2，失超保护开关K2为继电器，常态下，继电器未通电，继电器的衔铁闭合在主回路上，使电源2接入主回路供电；继电器通电后，继电器的线圈KM2吸合衔铁，使主回路电源2断开，即失超保护开关K2断开，电源2不对超导线圈5继续供电。线圈KM2的一端接电源端VCC，另一端接第二三极管Q2的集电极，线圈KM2的两端并联有四二极管D4；第二三极管Q2的发射极接地，第二三极管Q2的基极与比较器A的输出端连接，第二三极管Q2为NPN三极管。失超保护开关控制电路的工作原理：当超导线圈5正常工作时，比较器A输出低电平，第二三极管Q2截止，线圈KM2不通电，衔铁保持闭合状态，失超保护开关K2闭合，电源2接入主回路通电，超导线圈5工作。当超导线圈5失超时，比较器A输出高电平，第二三极管Q2导通，线圈KM2通电并吸合衔铁，使主回路断开，即失超保护开关K2断开，电源2不对超导线圈5继续供电。所述报警电路包括蜂鸣器1和第三三极管Q3，第三三极管Q3的基极与比较器A的输出端连接，第三三极管Q3的发射极与蜂鸣器1的一端连接，蜂鸣器1的另一端接地，第三三极管Q3的集电极串接一电阻R4后接电源端VCC，第三三极管Q3为NPN三极管。报警电路的工作原理：当超导线圈5正常工作时，比较器A输出低电平，第三三极管Q3截止，报警电路不通电。当超导线圈5失超时，比较器A输出高电平，第三三极管Q3导通，蜂鸣器1通电后发出鸣音，提醒工作人员超导线圈5处于失超状态。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

权利要求：1.一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，包括由电源（2）和两个超导线圈（5）组成的主回路，其特征在于：还包括失超保护模块（6），失超保护模块（6）与两个超导线圈（5）连接，失超保护模块（6）分别检测两个超导线圈（5）的电压并作出判断；所述主回路上串联有一卸能电阻（R1）和一失超保护开关（K2），卸能电阻（R1）两端并联有一转换开关（K1），电源（2）两端并联有一续流二极管（D1），所述转换开关（K1）和失超保护开关（K2）受控于失超保护模块（6）。2.根据权利要求1所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述超导线圈（5）两端并联有保护电路。3.根据权利要求2所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述的保护电路为并联在超导线圈（5）两端的钳位二极管（D2）。4.根据权利要求3所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述的钳位二极管（D2）由一个或多个二极管单元串联形成，所述二极管单元由可工作在液氦温度的两个一组正反背靠背连接的功率二极管组成。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述的失超保护模块（6）包括检测单元、比较单元、控制单元，检测单元用于检测两个超导线圈（5）的电压，比较单元用于将检测的电压与失超保护模块（6）中预设的电压相比较并输出失超信号，控制单元用于接收失超信号并控制失超保护开关（K2）和转换开关（K1）进行相应的开合。6.根据权利要求5所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述的比较单元包括一比较器（A），比较器（A）的两输入端分别连接检测单元的检测端和一变阻器（R2），比较器（A）的输出端串联一电阻（R3）后与控制单元连接。7.根据权利要求6所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述的控制单元包括转换开关控制电路、失超保护开关控制电路和报警电路。8.根据权利要求7所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述的转换开关控制电路包括第一继电器和第一三极管（Q1），所述第一继电器的衔铁即为转换开关（K1），第一继电器的线圈（KM1）断电时，第一继电器的衔铁闭合在主回路上；第一继电器的线圈（KM1）通电后，第一继电器的线圈（KM1）吸合衔铁，使主回路断开；所述线圈（KM1）的一端接电源端VCC，另一端接第一三极管（Q1）的集电极，线圈（KM1）的两端并联有三二极管（D3）；第一三极管（Q1）的发射极接地，第一三极管（Q1）的基极与比较器（A）的输出端连接，第一三极管（Q1）为NPN三极管。9.根据权利要求7所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述失超保护开关控制电路包括第二继电器和第二三极管（Q2），所述第二继电器的衔铁即为失超保护开关（K2），第二继电器的线圈（KM2）断电时，第二继电器的衔铁闭合在主回路上，使电源（2）接入主回路供电；第二继电器通电的线圈（KM2）后，吸合衔铁，使主回路电源（2）断开；所述线圈（KM2）的一端接电源端VCC，另一端接第二三极管（Q2）的集电极，线圈（KM2）的两端并联有四二极管（D4）；第二三极管（Q2）的发射极接地，第二三极管（Q2）的基极与比较器（A）的输出端连接，第二三极管（Q2）为NPN三极管。10.根据权利要求7所述的一种基于串联形式的紧凑型超导回旋加速器失超保护电路，其特征在于：所述报警电路包括蜂鸣器（1）和第三三极管（Q3），第三三极管（Q3）的基极与比较器（A）的输出端连接，第三三极管（Q3）的发射极与蜂鸣器（1）的一端连接，蜂鸣器（1）的另一端接地，第三三极管（Q3）的集电极串接一电阻（R4）后接电源端VCC，第三三极管（Q3）为NPN三极管。

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