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鼎鹏阅读|超导核磁冷却系统概述

2023-07-06
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陕西鼎鹏医疗科技有限公司

为什么需要冷却系统


我们来整理一下思路:


1、磁共振成像需要一个稳定的磁场。


2、磁场可以由一个通电的线圈产生(电磁感应定律)


3、为了保证磁场的稳定性,必须保证线圈中电流的稳定性


4、常态下,常规的线圈都有电阻,如果使用电源供电来保证电流的稳定性,很难克服电源的干扰、电磁互感扰、温度等环境的干扰,很难保证磁场的稳定性


5、如果让线圈处于超导状态下,那么线圈中的电流就可以很稳定,磁场也可以很稳定



6、铌钛合金超导体是超导工业的“先导材料”,其临界温度为9.3K。磁共振超导主线圈是以铜为基体的多芯复合铌-钛与铜的超导线材,其临界温度为4.2K(-268.8℃)。


7、想让超导材料保持超导状态,必须让超导线圈处于一个稳定的低温环境。


8、目前为止,液氦是我们保证超导温度的最优选择(氦是目前已知物质中沸点最低的4.2K,而且也只有氦在接近绝对零度时仍然是液体)。


9、在磁共振设备中,我们设计冷却系统,一个很重要的功能就是为了保证磁体中液氦和氦气处于一个稳定的状态,进而为超导线圈提供一个稳定的超导环境,进而让超导线圈提供一个稳定的磁场。


冷却系统的作用


超导磁体的冷却系统是为了保证设备的各个组件都工作在一个安全的温度环境内。


具体来说,主要功能分两部分:


第一部分是保证液氦的温度在4K,进而保证主线圈处于低温环境,保持线圈超导性能;


第二部分是保证大功率、发热量大的组件(梯度系统、射频系统)工作在安全范围内;


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液氦冷却系统


冷却系统中,液氦冷却回路关系到液氦的压力、和失超紧密相关,关系到核磁的安全,这里重点阐述(系统柜的冷却系统在其他文章中阐述)。


液氦冷却系统可以用下图来描述




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冷却过程描述


整个冷却过程可分为四步


第一步,氦压机为冷头提供工作电源和低温高压的氦气。


第二步,冷头把氦压机提供的低温高压的氦气降低至4.2K的温度,让氦气液化。


第三步,冷头把磁体中的高温低压氦气送回氦压机。


第四步,氦压机把冷头送回的高温低压氦气转化为低温高压的氦气,并提供给冷头。


本文以Sumitomo Heavy Industries, Ltd的SRDK系列为例进行分析。


SRKD系列冷却系统框图如下:

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组成


主要组成部分:冷头、氦压机、氦管、电源线


冷头


冷头是一个GM压缩制冷机,提供特定温度的连续封闭式循环制冷。


在一些老式的超导核磁中,还有使用10K,这种冷头会导致液氦处于缓慢损耗的状态,现在的冷头都使用4K冷头,保证了液氦的零损耗。


对于4K冷头,一般有两级制冷,第一级制冷温度为25K to 45K,第二级制冷温度为3.5K to 4.2K(根据型号的不同,参数会有不同)。

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氦压机


氦压机主要用于为冷头提供电源和低温高压氦气。


氦压机从水冷机获取冷却水的温度范围为4 to 28℃,流速为7 to 10 liter/min。


氦压机可以把冷头返回的高温低压氦气转变为低温高压氦气,形成氦气冷却循环系统。


对于对接RDK-408A2冷头的氦压机


在工作状态下,高压氦气的压力范围为1.90 - 2.20 MPa,低压氦气的压力范围为0.40 - 0.60 MPa


在非工作状态下,氦气的压力范围为1.60 - 1.65 MPa

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电源线


电源线用于为冷头供电

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氦管


氦管是压缩机和冷头之间氦气互通的通道,一般成对使用,一根用于为冷头提供低温高压氦气,一根用于返回高温低压氦气


为什么会有连续不断的高温氦气产生?


对于使用4K冷头的磁共振设备,冷头制冷效果非常好,可以很好地把氦气转变为液氦。


但是如果把循环系统中的所有氦气都转换为液氦,那么设备中的压力会变成负压(相对外界的大气压而言),这样会导致空气进入液氦循环系统。


外界的空气进入磁体,会引起结冰,进而破坏超导低温环境。


所以,在磁共振磁体内,设计了Heater模块,为液氦加热,保证液氦和氦气处于一个动态平衡状态,既保持了低温超导环境,也保持了对外正压环境,保证了设备的整体稳定性。


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水冷副作用的预防


有水冷系统,一般都很容易产生冷凝水。设备中,为了防止冷凝水对设备部件产生影像,引入了保温棉保护,但是有些部件,为了屏蔽等作用,用金属密封,这种情况就需要保持良好的环境温湿度。


超导磁共振设备都配备了精密空调,要经常检查空调状态,做好空调的保养,保证设备环境的温湿度。

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