深度解析GE超导磁共振的磁体和制冷系统  前两天收到消息，某医院的GE磁共振在厂家保修期结束后，没有及时续保，处于无保状态。公司的销售到医院拜访，发现磁体的液氦面只有20%左右了，GE磁体如果液氦面低于50%，磁体就有很大的失超风险。一旦失超，就意味着需要重新加装液氦，做除冰、励磁、匀场等一系列安装调试过程。医院面临巨大经济损失的同时，机器也还要停机一周到十几天时间。 更严重的后果是，磁体有一定的概率在失超过程中彻底损坏，无法恢复。这样医院的损失就将以数百万人民币计算了。这时，能做的是紧急给磁体添加液氦，并祈求添加液氦的过程一切顺利，磁体没有失超，把磁体的液氦面添加到80%以上，确保磁体的安全。
这是笔者今年第二次听到这样的消息了。随着超导磁共振的进一步普及，越来越多医院开始使用超导机型。对于基层医院，大部分是第一次接触超导机器，用户对超导机器的磁体构造，制冷系统的工作原理，都不太了解。厂家一般也不会给医院的技术人员详细的培训。
作为专业的GE磁共振维修工程师，我觉得很有必要在这里向医院客户详细介绍一下超导磁体的相关知识，在磁体安全和制冷系统方面要了解的注意事项。
超导现象与核磁共振
我们先从超导现象说起。
大家都知道，电阻（Resistance，通常用“R”表示），在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的材料，有不同的电导率。
金属导体的电阻一般会随着温度的降低而逐渐变小，1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃（4.2K）时，汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
零电阻效应和迈斯纳效应是超导现象出现的基本标志。
在螺线管上面加上直流电，能够产生感生磁场。
通电螺线管感生的磁场强度，与螺线管的匝数，通过的电流大小成正比。
为了达到足够强的磁场，必须通过使线圈的匝数足够多，通过线圈的电流足够大。
根据焦耳定律，电流通过导体产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体电阻成正比。
如果用普通导体来产生磁场，所消耗的能量将十分巨大。而超导现象中的零电阻效应，正好解决了线圈发热的问题。在超导体中的大电流，能够长久运行，而不会转变成热量。
为了获得超导现象，超低温就成了必然的选择。
氦在通常情况下为无色、无味的气体；熔点-272.2°C(25个大气压)，沸点-268.785°C；密度0.1785克/升，临界温度-267.8°C，临界压力2.26大气压；水中溶解度8.61厘米3/千克水。氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。
液氦，是目前能够实现超低温的最优选择，也是超导磁共振得以实现的基础。
上图，超导材料一般是铌锆合金或铌钛合金，外层用铜线保护。外表看跟普通铜线差别不大。
GE磁体和制冷系统结构 了解了液氦和超导材料的基本知识，我们就可以看看磁体是怎么构造起来的了。
目前几乎所有厂家的超导磁体，外观看上去都是一个横着放置的空心圆柱体。
下图，GE磁体和制冷系统结构示意图。
从上面两幅图中我们可以看到，GE的超导磁体，是把液氦和超导线圈，放置在一个密闭容器中，超导线圈平时是泡在液氦里面的。密闭容器和磁体外壁之间有真空绝热层，尽可能减少外界的热量辐射进去密闭容器里面。
磁体内部液氦压力和液氦面水平监测
我们先看看磁体腔里面，这里有两个指标是我们平时需要特别关注的：磁体压力和液氦面水平。
磁体内部液氦压力监测
磁体压力，是指密闭液氦腔里面的气氦压力，由结构示意图左下角那个压力传感器测量，同时磁体顶部还有一个机械式压力表，方便在磁体间操作时观察磁体压力。
磁体间机械压力表构造图
这个压力表，是一个弯曲的铜腔体，带动指针结构显示压力值。时间长了，这个指针的读数都会偏大。
为了在强磁场环境下能正确读数，这个压力表的构造也是别出心裁的。
压力传感器检测压力值，反馈一个电压信号给磁体监视器，磁体监视器就能测量磁体压力。
一般情况下，GE的磁体压力，是设置在3.9到4.1之间的。也有一些场地，会设置不同的压力值范围，例如有的场地会设置在0.9到1.1之间。
磁体监视器图片
从上面的磁体和制冷系统结构图我们可以看到，磁体上面有两个泄压阀，分别是5.25PSI和7.25PSI，还有一个爆破膜，是10PSI的。
平时只要磁体压力低于5.25PSI，磁体里面的氦气是不会泄漏出来的，也就是说，正常情况下，GE的磁体是零液氦损耗的。
那这个零液氦损耗是怎实现的呢？从结构图我们可以看到，磁体顶上有一个冷头，磁体底部有一个加热器。
冷头是超导磁共振系统中一个核心的备件。目前很多厂家都采用日本住友提供的冷头。冷头一般有两种，一种是10K冷头，一种是4K冷头，是根据冷头所能达到的最低温度进行区分的。
早期的磁共振，包括目前飞利浦的某些机型，采用10K冷头。由于10K的温度没有达到氦气液化的温度，采用10K冷头的磁体，液氦是会不断损耗的，需要定期加装液氦。
4K冷头，可以使冷头二级的温度达到4K。从图中我们可以看到，气氦从磁体腔里面进入与冷头接触的冷凝腔，在冷凝腔里液化成液氦，再流入磁体腔里面。
这就跟在夏天温度很高的房间里，拿一瓶冰冻啤酒出来，啤酒瓶上就会凝结很多水珠一样的原理。
冷头工作示意图 冷头实际上是一个活塞结构，跟汽车的汽缸工作原理类似，只不过是刚好反过来，利用气体膨胀吸热过程，把热量通过氦气带到氦压缩机。
这种活塞结构，决定了冷头是一个易损件，冷头的工作寿命，一般为两年左右，也有能用到三年或者更长时间的。
笔者维修的一个医院，有个冷头创纪录的使用了八年半的时间。抗战都胜利了，冷头还在坚持使用呢。
由于冷头工作的温度很低，只能用高纯氦气作为冷媒。平时医院应该注意定期检查给氦压缩机制冷的室外水冷机组的工作状况，遇到水冷机组故障，应该尽快把氦压缩机切换到备用的自来水冷却模式，避免氦压缩机长时间停机。
一般医院装机的时候都会设置自来水应急备用转换阀门
如果氦压缩机停机时间过长，或者氦压缩机频繁停机，冷头一级和二级温度就会上升，不同材料热胀冷缩比例的不同，必然导致活塞结构气密性变差，冷头寿命就会显著变短。
如果因为冷头或者氦压缩机故障，磁体压力就会上涨。从结构示意图可以看到，只要压力不超过5.25PSI，就不会有氦气泄漏出来。
如果磁体压力超过5.25PSI，一般就不建议医院继续扫描病人了。
因为氦气是无色无味的气体，万一氦气排气管堵塞，氦气无法排放出去，会对扫描间里面正在检查的病人有一定的潜在危险，虽然氦气无毒，但是吸入过多的氦气还是会造成窒息的。
在保证冷头一直正常工作的前提下，如果冷头的效率又比较好的时候，磁体的压力是会一直下降的，为了维持磁体压力在一定的范围，就需要通过磁体监视器给磁体加热。
从北京绪水公司（www.aquiferre.com）的远程诊断系统中，我们可以实时监测磁体的压力和液面，磁体压力是在3.9和4.1之间不断循环的。平时，我们可以通过每天磁体压力完成这个循环的次数，来判断冷头的效率。如果每天只能走一个循环，或者只是能勉强维持压力，下降趋势不明显，就需要考虑更换冷头了。
磁体里面液氦的液面监测
讲完磁体的压力，我们再来讲讲磁体的液面。
GE 1.5T磁体的容积和液面对照表
从图中我们可以看到，液面和容量不是简单的线性关系，客户添加液氦的时候，最好还是对照表格进行计算。
因为液氦的价格，一般在150人民币一升，最贵的时候，还到过300多人民币每升。
平时医院应该每天记录磁体的压力和液面，发现压力上涨，或者液面下降趋势明显，就要尽快找专业的维修公司，或者厂家过来看看，避免液氦损失。
失超 失超就是指磁体失去超导状态，磁场消失，超导线圈中的电流变成热量释放出来的过程。在这个过程中，磁体的防爆膜会破裂，液氦会大量排出。
遇到磁体失超的时候，医院相关人员要远离磁共振扫描间，找专业的维修公司或者厂家过来做失超恢复工作。
失超时磁体失超管上结满了霜
本文转自：修磁共振的马达的博客
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发表于 2019-3-11 08:20:43
