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“冷知识”｜关于磁共振冷头
稿件来源：新境医疗 新境医学工程
2022-07-03 17:36 发表于浙江
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MR的冷头（也即制冷机）是磁共振设备中的核心部件之一。一般来说，全新的冷头轻松用3-5年，价格20万内基本能搞定。在超导磁共振中，冷头的受关注程度仅次于磁体，远超过梯度放大器、射频放大器。
01一个4K冷头的诞生
1959年，雪城大学的Gifford与Mcmahon提出通过西蒙膨胀（绝热放气原理）来实现制冷，并基于此发明了GM制冷机，这是一种结构简单、运转可靠的小型回热式气体制冷机。其中，回热器是关键部件，因为回热材料要求有足够的热容量以便于蓄冷。
早期制冷机(GM Cryocooler)，使用铅作为回热材料，制作出性能优秀的20K以上冷头，但限于铅的性能，制冷温度始终无法低于10K。
1983年，日本住友使用稀土金属磁共化合物作为回热材料，推出了第一个商业10冷头，实现15K的跨越。
比起无冷头磁体，10K冷头大幅度减少磁共振的液氦挥发速度。然而，氦气的沸点4.3K，显然无法实现液氦零挥发，仍需要定期补充液氦。更重要的是，氦气是不可再生资源，按照全球目前的使用速度，预计2040年全球氦气将被消耗殆尽。
1995年，日本住友推出了第一个商业4K冷头，这是低温制冷技术的重大进展。从此，超导磁共振进入液氦零挥发(Zero-Boil-Off)时代。得益于4K冷头，目前所有超导磁共振均具备液氦零挥发技术，10K冷头磁共振已彻底退出历史舞台。
全球GM制冷机（GM Cryocoolers）核心厂商包括Sumitomo Heavy Industries、Edwards等，前三大厂商占有全球大约80%的份额。北美和欧洲是全球最大的市场，分别占有大约30%的市场份额，之后是中国，占有大约15%。
02住友 VS 国产
GM制冷机全球及国内主要厂商包括： 前三大厂商占有全球大约80%的份额。北美和欧洲是全球最大的市场，分别占有大约30%的市场份额，之后是中国，占有大约15%。其中，住友的4K冷头是全世界所有磁共振厂家的“标配”，比如GE磁共振采用408A/412A制冷机，西门子和部分佳能磁共振采用408L/412L制冷机，联影、日立磁共振等采用408D/412D制冷机。
住友4K冷头和氦气压缩机
2010年，作为中国船舶集团第八研究院南京鹏力科技集团发起成立的高科技企业，中船重工鹏力成功研制出4.2K GM制冷机，实现了磁共振市场的国内外批量供货，成为了国内首家、全球第二家拥有4K GM制冷机技术并进行产业化的企业。比如，联影、奥泰等厂家均是其合作伙伴。以其KDE425 SA型制冷机为例，由于稀土类蓄冷材料的发展和独特的设计，二级制冷能力达到了惊人 2.5W@4.2K。 鹏力KDE425 SA冷头和参数
2020年，全球GM制冷机市场规模达到了284.8百万美元，预计2027年可以达到378.2百万美元，年复合增长率(CAGR)为4.0% (2021-2027)。
03 另一个4K冷头的诞生
众所周知，磁共振励磁完成后，会一直发出类似“呲呲”的清脆小鸟叫声，这是因为4K冷头的活塞运动(约1次/秒)导致。一直存在机械振动等问题，不仅会导致冷头磨损，还会影响高灵敏度超体磁体的性能。 GM制冷机各关键部件寿命
1960年代，雪城大学的Gifford与Longsworth在研制GM制冷机时，意外发现了脉管制冷效应。与GM制冷机不同，脉管制冷机(PT Cryocooler)的冷端没有运动部件，不仅解决了磨损问题，更解决了因振动带来的可靠性问题。
经过数十年的研究，脉管制冷机的制冷温度和效率不断被突破。目前，Sumitomo和Cryomech已推出商业4K脉管制冷机。我国的浙江大学、西安交通大学、中科院均有类似产品。不过，因价格较高，尚未应用在超导磁共振，主要应用在要求更为苛刻的科研、军事、航天等领域。
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发表于 2022-10-13 08:25:02
