MRI基础原理— Blue Seal磁体技术3-器械之心

本篇文章老王从基础的热交换理论出发，介绍了Blue Seal超导磁体真空隔热技术，并通过对热辐射效应的进一步阐述，对不同材料对热辐射的吸收反射效应分析，介绍了Blue Seal磁体的高效隔热层设计。

上一篇文章老王从传统超导磁体内气液两相流和热交换出发，通过Blue Seal特殊的结构和原理介绍了低温氦气在真空状态下微循环的特殊状态，通过磁体内部的氦气微循环实现了超导线圈的温度场均匀以及液氦腔体内部的状态稳定。可以说Blue Seal技术保证磁场稳定最关键的地方就在于低温氦气的微循环状态，但是既然是微循环，也就意味着腔体内部各处热量交换也不能过于剧烈，因此需要保证整个腔体内部的热力学分布相对比较均衡，同时冷头的制冷量要与传递给氦气的热量相互匹配，这里就存在另一个核心技术—液氦腔体隔热技术。

我们都知道对于超导磁体来说，磁体外部是室温（290K）的环境温度，而内部液氦腔体内保持4K的低温，他们之间存在着近290K的温差。温差导致热交换的产生，那么如何有效的进行物理隔热也就是一个好的超导磁体必须要解决的核心问题。

我们先回到传统物理学概念里面，看看热量交换是如何发生的。

热量传递主要由三个物理模式：

1. 热传导。热传导（thermal conduction）是介质内无宏观运动时的传热现象，物体或系统内的温度差，是热传导的必要条件，热传导速率决定于物体内温度场的分布情况。热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。可以看出热传导的基本要求是物质直接相互接触。

2. 热对流。热对流（thermal convection/heat convection）又称对流传热，指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流要求物质的基础是气体或者液体等流动物质，只有产生流动才可能会有对流，同时这些流体物质要求能够相互接触并且形成温度差

3. 热辐射。热辐射（Heat Radiation），物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多，同时热辐射可以在真空和空气中传播。可以看出只要物质有温度，就会以电磁波的形式发射出热辐射。

有了以上的知识基础，我们来看超导磁体内部的热交换都发生了什么过程，我们回到超导磁体的结构来进行分析（由于BlueSeal技术刚刚推出，目前内部详细刨面图还处于涉密状态，因此文章中不进行展示，仅仅以传统4K磁体进行类比）。

与传统4K冷头磁体类似，根据之前介绍过的超导磁体内部结构，Blue Seal磁体的4K冷头的两级冷芯对应磁体内部两个部分：1. 第一级冷芯（40K）对应磁体内部的40K真空隔热层（冷屏）

2. 第二级冷芯（4K）对应内部液氦腔体的外表面

根据上面对热量传导的分析可以看出，由于磁体外自然空间的热量与液氦腔体之间间隔着真空层，真空层意味着这层空间内使没有物质存在的，而物质的存在是热传导效应的必要条件，同时没有物质存在也就不可能有流体存在，因此热对流也不成立。

因此从宏观上来看，环境中的热量传递到液氦腔体的唯一途径是热辐射。

那么我们接下来继续分析热辐射过程。

当物体受热后（相对于绝对零度高都可以认为受热），某些原子或分子由于能量的转移被激发形成激发态，类似于MRI的机理，分子在激发状态消失后会恢复到原始状态，从而产生能级的转移由高能级转移到低能级，同时释放能量，而这些能量会以电磁波的方式发热出来，由此产生的电磁波就是热辐射。

既然热辐射是电磁波，那么它同样必须复合波的特性，因此热辐射具有以下基本特性：

1. 热辐射在均匀介质中沿直线传播

2. 在真空或者大多数的气体中，热辐射直接穿透

3. 在常见的固体和液体中，热辐射无法穿透

对于超导磁体真空隔热层来说，这里需要考虑的就是热辐射波在两层固体（液氦腔体以及超导磁体外表面两层）的物理作用。我们既然知道热辐射波无法穿透固体，那么对于波的特性来说，只有两种传播状态。

1. 热辐射波被物体吸收。这里吸收的热辐射能量会直接传到进入液氦腔体对液氦加热。

2. 热辐射波被物体反射。这里反射的热辐射能量会在真空层中不断的进行反射，每次反射都会有一部分能量被一个表面吸收，直到最终能量衰减完。

已经知道磁体内部使用了真空绝热层，环境中的热量只能够通过热辐射的吸收传递到液氦腔体内，那么接下来的问题就是分析物质对热辐射的两种状态的效率有怎样的规律。换句话说对于超导磁体来说我们希望的是液氦腔体尽可能的将热辐射反射而不是吸收，以此来尽可能的减少热量的传输。

当热辐射投射到物体表面时，辐射能量在吸收、反射、穿透的关系如下：

这里我们分析的是磁体真空层两端的固体材料，因此辐射透射率τ=0，只会发生反射和吸收，并且他们之间成反比，也就是说反射率越高，吸收率就越低，反之亦然。进一步分析反射率，对于热辐射来说，类似光的反射概念，热辐射反射分为镜面反射和漫反射两种。

对于理想状态的镜面体或者白体来说，反射率ρ=1，能量全部反射，也就意味着全部能量都发生了反射，没有能量被吸收。对于不同材料的热辐射反射吸收率，有以下关系。我们选用3种材料进行分析，分别是：

1. Shiny Silver。亮银，金属表面覆盖了一色银，带有银色耀目金属光泽的色彩，像白银那么闪亮，很亮反光效果很好。

2. Matte White。亚光白，金属表面覆盖的是带亚光色的白，表面没有明显的光泽，也不会很闪亮，呈现白色，光泽大部分发生了漫反射。

3. Matte Black。亚光黑，金属表面覆盖的亚光色的黑，黑色并没有光泽。

三种材料中亮银的反射率最大，而亚光黑吸收率最大，亚光白同时发生反射和吸收。因此我们选择亮银和亚光黑这两种颜色进行单一辐射源的分析：

可以看到在理想状态下，当有一个辐射源在两种材料中间发射热辐射能量的时候，辐射能量在亮银金属表面全部发生了反射，因此亮银材料整体相对低温。辐射能量在亚光黑金属表面几乎全部被吸收，因此金属表面温度相对高温。同时被亮银金属表面反射的热辐射能量最终又会传递到亚光黑表面，同样被吸收掉，因此随着时间推进，亮银金属表面温度适中保持低温，而亚光黑金属表面始终保持高温，换句说话从宏观上来看就是亚光黑金属将辐射源的热辐射能量全部吸收了，而亮银金属将辐射源的热辐射能量全部反射了。

有了上面的分析，对于Blue Seal超导磁体内部的真空层设计就有了基本概念了，实际上就是对于真空层的内外两层使用不同的电镀工艺，靠近液氦腔体的一面使用亮银电镀，而外表面使用亚光黑电镀。

在使用了新型电镀工艺以后，Blue Seal磁体内层使用了高反射率亮银电镀工艺，同时外层使用了较高吸收率的黑体电镀层。又由于7L液氦腔体本身体积和表面积就远小于传统2000L液氦的杜瓦罐结构腔体，因此在保证本身总热辐射量就小的基础上，又极大的提高了液氦腔体热辐射反射效率，因此保证了液氦腔体的极高绝热能力。

MR技术博大精深，本篇文章老王从基础的热交换理论出发，介绍了Blue Seal超导磁体真空隔热技术，并通过对热辐射效应的进一步阐述，同时对不同材料对热辐射的吸收反射效应分析，研究了Blue Seal磁体的高效隔热层设计。可以说Blue Seal技术包含了新型超导磁体设计的方方面面的细节设计，每一处都是巧妙智慧的体现，值得深入研究。截止本篇文章老王就基本介绍完了Blue Seal技术在磁体方面硬件的设计，但实际上这些基础硬件设计只能解决标准状态下的运行问题，想要整个系统长时间稳定运行并在各种特殊状态下进行特情处置才是真正体现技术能力的地方，因此下篇文章开始老王会给大家介绍Blue Seal另一个重要的技术领域，AI磁体控制系统，敬请期待！