MRI基础原理 –Blue Seal磁体技术2-器械之心

本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。

MR技术博大精深，上一篇文章老王从真空液氦腔体出发，通过回顾气体状态方程以及其对应的不同温度，压力，体积状态，对Blue Seal技术液氦腔体中氦气的状态进行了初步的讲解。

Blue Seal磁体技术已经和传统的杜瓦罐式液氦压力容器有了很大的区别，我们现在已经知道了磁体内部的液氦容积内部其实是真空的，而为了更好的进行制冷需要将氦气分子尽可能的束缚在墙体表面上，但是依然有一个重要的问题需要解决，那就是在确保腔体内部温度状态的相对稳定。

为了搞清楚腔体内部温度分布的问题，首先需要搞清楚腔体内部氦气和液氦的状态以及互相之间热量交换，我们还是照例先拿一个传统磁体来进行说明，下图是一个传统4K磁体的刨面图。

由于腔体内部有热量交换，因此必然存在液氦蒸发为氦气的过程，同时由于冷头又将氦气降温为液态，因此大体上可以腔体内分为3个区域：

下部是低温液氦，温度为4K，氦的状态是最低温的液态

中部是氦气，温度大致上从下往上依次升高。此处的氦的状态是较高温度的气态

最上部与冷头第二级冷芯接触的位置是低温液氦，温度降低到4K。此处由于有高温氦气上升，又有冷头制冷的低温液氦下落，因此此处是气液共融的状态。

有了以上的分析，我们知道传统磁体内部是一个不断进行热交换的过程，看似稳定的磁体内部其实无时无刻不在进行着比较复杂的气液多向流的流体运动以及相互之间的热交换，而正因为有了这些热交换，才能够保证腔体内部的所有区域的温度都足以满足铌钛合金的超导低温，从而实现超导状态。

这里需要多说一句，传统超导磁体是有是要加注液氦的，而加液氦其实是用一个管子把液氦直接注入到磁体腔内部。看似简单的一个操作实际上还分为两种方式：

顶部灌注：加液氦的出口仅仅在磁体顶部，从杜瓦罐中加注的液氦从磁体顶端向下洒落。

底部灌注：加液氦的出口直接通过连接管路将杜瓦罐中的液氦一次性从磁体底部的出口流出。

常规加注一般都是顶部灌注，特殊时候需要底部灌注，如果常规情况用底部灌注反而有失超风险，为什么会有这些现象呢？我们分来来看。

顶部灌注的效果就好像冷头将氦气冷却成液氦一样，从磁体顶端向下洒落，在洒落的过程中伴随着热交换部分液氦蒸发成氦气，但大部分液氦会被灌注到低端。因此加液氦的时候我们会发现必须要打开泄压黄阀，同时会发现有大量的氦气排出，另外还会注意到有加注效率这个指标，这是因为一部分液氦其实蒸发损失掉了，因此比较好理解。

底部灌注一般是在磁体发热的特殊情况下才会使用的，当磁体已经发热，内部已经基本没有液氦，此时腔体内部都是高温的氦气，当使用顶部灌注的时候，从顶部滴落的这些液氦在下落的过程中与氦气进行热交换，大部分液氦还没有到底部就已经被蒸发了，最后的结果就是根本加不进去液氦，加多少全部变成氦气损失掉了，此时就需要避开与氦气的热交换，直接将液氦加到底部，把高温氦气从上部顶出腔体

之所以在常规情况下不能直接底部灌注是因为很难保证液氦杜瓦罐刚刚喷出来的那些液氦是不是还夹杂着部分高温氦气，一旦有一些高温的氦气直接从磁体底部注入，那么氦气会从下向上运动，直接与超导线圈接触，一旦这些气体温度较高，那么这个过程就好像打开了Quench Heater给超导线圈加热一样，可能会有失超风险。从这个角度来讲加液氦是一个技术活，一定要专业的工程师来操作。

讲完了传统磁体的腔体内液氦氦气之间的多相流以及热交换，我们会发现2000L液氦容积里面竟然发生了这么多事，那现在只有7L液氦了，怎么实现这些气液多相流和热交换呢，这时候Blue seal的微流动技术就应运而生。

我们先回到上一篇文章的一个结论，通过将液氦腔体抽真空，氦气分子会被吸附在腔体表面，但实际上这个”真空”是有条件的，下面这张图体现的是不同压力下氦气的不同状态。

我们希望的状态是气体分子都吸附于腔体表面，但又不能压力过低导致分子产生渗透效应，此时氦气分子在腔体内的状态理论上如下图所示。

Blue Seal腔体内部的液氦其实为真空状态下的氦气，这些氦气分子均匀的分布在腔体管路的表面，这种情况下需要解决一个很基础的问题，就是热交换。首先需要明确磁体内部常规状态下由于与磁体外面自然界的热量交换，整体温度不加控制是几乎均匀上升的，而唯一能够将温度降下去的方式就是冷头制冷，但是冷头位于磁体的固定位置，制冷是需要传递的。前面介绍了传统磁体内部的气液热交换可以继续较为充分的热交换，但在Blue Seal这个特殊的环境下，气液之间粗狂的热交换显然不现实。

因此为了保证腔体内部的这些氦气温度均匀，且足够保证超导线圈的超导状态，必须要在大部分氦气分子束缚在表面的基础上，有充分的流动继续热交换，呢么这就需要在真空状态下氦气分子还要在腔体内部进行微循环。

Blue Seal磁体的冷头与传统的4K冷头有一个区别就是冷头的第二级冷芯不直接与氦气接触，而是直接对腔体继续降温，这样的结果是冷头是无法将氦气制冷降温成液氦的，当然我们也不希望氦气直接降温成液氦，因为那样会直接影响到微循环液氦腔体中的氦气容量。

这里的微循环利用了气体的一个特性，就是高温气体相比较低温气体更轻，在重力的作用下，高温气体会自然向上运动，而低温气体会向下运动。相信家里有暖气的同学冬天开暖气后应该会有这个感觉。

有了这个前提，在磁体下方（冷头以下位置）腔体中的氦气会因为自然的热交换等因素温度升高从而向上自然进行微运动，当这些热氦气进入冷头冷芯区域后，开始热交换降温，热氦气变成冷氦气向下运动，回到磁体下方，从而随着冷头的工作形成一个不断进行的循环。又因为自然热交换的程度较低，并且大部分氦气分子是被束缚在各自所处的腔体表面，因此整个过程运行的比较缓慢，因此叫做微循环过程

下面就是微循环的示意过程。

1. 首先腔体内的氦气分子在腔体壁处分布，此时氦气分子低温状态。

2. 由于热辐射等因素，腔体壁开始发热，对靠近腔体的氦气分子加热。

3. 由于高温氦气分子相对低温氦气分子运动更强，因此这部分高温氦气分子开始扩散，从他们原本所处的位置移动开

4. 大量高温氦气分子转移走，原有的位置重新被低温氦气分子填充，进入下一个循环。

通过循环往复的氦气微循环过程，低温氦气得以均匀的分布在腔体各个位置，保证磁体液氦腔体内部热力学均匀。

在整个微循环过程中我们会发现，因为冷头不会直接将氦气制冷成液氦，而制冷的作用一方面是保证整个磁体内部整体的热量传入功率小于或等于制冷的功率，避免出现磁体过热。另一方面是保证腔体内部的氦气继续微循环而对高温氦气降温为低温氦气，因此可以说冷头的制冷量是有很大的余量的，因此冷头寿命与常规冷头基本没有差别，更不需要所谓的两个冷头靠制冷量硬性降温这种原始的低液氦技术。

MR技术博大精深，本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。

老王通过两篇文章从液氦腔体的真空特殊状态开始引入了氦气的微循环过程，有了这些技术也就能够初步从原理上可能实现在少量液氦的情况下保证与传统磁体同样体积同样材质的铌钛合金超导线圈的稳定低温超导状态。下篇文章我们继续研究Blue Seal技术，研究另一个关键的基础物理知识—Blue Seal磁体内部热交换过程，敬请期待。