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MRI基础原理 -- Blue Seal磁体技术1

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。

MR技术博大精深,这段时间以来国内MR领域最轰动的新闻可能就要数飞家Ingenia Ambition 1.5T 正式上市了,7L液氦这个卖点算得上是超导MR领域的一个里程碑式的突破。老王几年前就在美国磁体工厂学习过这个新磁体,对他的印象非常深刻,因此就让老王带大家学习一下这一里程碑式的磁体技术—Blue Seal。
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    在正式介绍Blue Seal技术之前,我们先来尝试回答市面上已经存在的一些质疑。一项新技术的出现必然伴随着种种因为不了解产生的误解,甚至由于目前市面上这项技术飞家独一份,因此同时也带来了种种造谣和攻击。这里我们不谈商业行为,只针对目前存在的一些问题先做一个解答。疑问一:磁体内部没有大量液氦,肯定是用了巨大的制冷系统维持低温,耗电非常大,长时间算下来比液氦还要贵,而且巨型制冷机成本和后期维护费用更高。

回答:Blue Seal磁体使用的也是住友公司生产的冷头,其功率是1.5W,而氦气压缩机使用的也是与传统Ingenia 1.5T相同的F-40压缩机,因此基本不存在耗电量大的问题。进一步来说,能提出制冷机这个概念那基本上就说明他不懂MR硬件,老王讲过很多次超导MR的制冷系统,冷头,氦气压缩机,初级水冷共同构成了MR的制冷系统,初级水冷机的功率大体上取决于梯度放大器,射频放大器和氦压机的制冷需求,而Blue Seal既然氦压机也F-40,那么初级水冷机的功率也就和普通的Ingenia 1.5T设备一致,不存在成本高维护费用大的问题。

 

疑问二:磁体腔体从2000L液氦减少到7L液氦,那正常磁体里面不放液氦放成低温氦气不就行了,反正超导线圈的超导温度也高于4K,这个技术国产厂家都有。

回答:从实验室的角度来看这句话说的没错,而且国产厂家新xxx也已经有类似的技术面世了,但是这仅仅是理论。具体来看为了保持磁体内部始终处于氦气的状态,那就需要冷头控制磁体腔体的温度在一个非常小的范围,既不能液化,也不能温度过高,那么冷头需要重新制作甚至需要多冷头共同工作。同时氦气在腔体内可不是静止不动的,而是随着冷头热交换进行复杂的湍流,因此造成的结果就是基本几个小时可能就会失超,那么这种技术就不具备工程应用价值。

 

疑问三:宣传中讲了0失超风险,那是不是意味着磁体始终保持在有磁场的状态,那么真遇到危险怎么办。

回答:这里讲的0失超风险指的是与传统的失超不同的概念。老王之前的文章里面详细介绍过失超的概念。我们讲的失超分为失超的现象以及失超的危害两部分:

a.       失超本身的含义是超导线圈失去超导状态,线圈中的电流消耗降为0,从而达到超导磁场消失的现象。这是失超的表现。

b.       传统磁体失超带来的问题是线圈中的电流经过电阻之后会发热,因此失超是电流的功率转化为热功率的现象,就好像电炉子,而这些热量需要用液氦气化来吸收。而又因为液氦气化成氦气体积膨胀763倍,这些氦气必须要通过失超管排出,不然磁体就是一个炸弹。因此失超后造成的危害是氦气泄露,磁体内部结冰,液氦消耗。

c.        对于Blue Seal磁体来说,内部只有7L液氦,因此气化之后体积膨胀也不会存在爆炸的情况,同时磁体内外没有通道,因此也就不存在液氦消耗和磁体内部除冰的问题,所以用老王的话来说就是Blue Seal可以实现磁场退掉的现象,但又没有传统失超的危害,因此叫0失超风险。

 

相信有了上面的解答,大家对Blue Seal会有一个简单的概念,那么接下来我们就正式开始学习这一跨时代的超导磁体技术。由于Blue Seal技术与传统超导磁体技术有非常大的差别,因此老王会作为一个专题对其进行讲解,本篇文章先介绍其中的理论基础,液氦腔体真空状态。

我们知道传统的超导磁体就好像是一个杜瓦罐,2000L的容积里面装了一定量的液氦,由于液氦的蒸发导致腔体下面是液氦,上面是低温氦气,在冷头的作用下形成气液共存的状态。同时由于氦气的存在,磁体腔体都是正压,也就是说磁体内部压力大于标准大气压,传统磁体设计分为高压磁体(G家)和低压磁体(P家和S家)。

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    Blue Seal磁体技术中,液氦腔体不再是整体股瓦罐的构造,而是变成了4个小的腔体互相连接,同时最核心的一点在于液氦腔体处于真空状态。
     而这里的真空可以简单的看做是很小的空气压力环境。我们回顾一个中学物理的试验,托里拆利水银试验。
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    通过托里拆利试验我们可以知道,在标准大气压下水银柱的高度始终保持在760mm高,换算成压力单位就是760 Torr。这也就是说在给定的空间条件下,任何压力低于760 Torr的条件都可以等效于真空状态。有了真空状态的概念,那么我们看真空的状态下物质的特性有了什么变化。如果从分子层面看,基础物理知识里面任何一种容器内部气体的分子都具有4个物理特性。

体积—V。表示能够容纳气体的空间

压力—P。有多少分子在容积表面产生反弹的力

温度—T。气体分子运动的速度

分子数—N。有多少气体分子

以下以2L容积,标准温度(20℃),标准大气压(760Torr)为基础条件进行分析。

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      气体的分子特性决定其总是趋向于相互扩散,那么我们在给定的条件下,在这个密闭的空间内均匀的对气体施加力。由于之前已经给定了空间中的分子数,因此这时就变成了热力学定理里面压力,体积,温度的相互关系,也叫状态方程,其计算一般遵循克拉伯龙方程:PV=(m/M)RT

由于气体质量已定,因此对于基础条件可以简单的将公式看做:

PV=kT

也就可以得到不同状态下气体的特性:

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相同温度下,体积大的情况下压力小。
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相同体积下,温度高的压力大。 

那么对于液氦腔体来说,腔体表面直接连接着冷头的第二级冷芯,因此这里可以看做4K,因此液氦腔体内的氦气接近腔体表面的地方温度降低,根据以上分析,此处气体分子处于非常不活跃的状态,相互之间的运动减弱,压力降低,最终达到的一个状态是气体分子都被吸附在腔体表面,并且气体分子相对静止。

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     根据前面的分析可以得到,在真空状态下,液氦腔体中的氦气分子被吸附在腔体表面,同时由于低压的作用,其本身分子处于不活跃状态,温度降低到4k左右。同时所谓的7L液氦中的液氦腔体容积不是只有7L,而是由于低温腔体表面以及真空的共同作用,氦气分子都吸附在了腔体表面,导致整体低温的表面积扩大,从而实现了对超导线圈的制冷。为了实现腔体的真空状态,磁体再生产过程中会增加抽真空工艺,由专用真空泵对磁体进行操作。

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      MR技术博大精深,本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磁体并不是简单的在传统磁体基础上仅仅减少液氦装量就能够实现的,其背后的物理基础已经完全不同,真空状态下的氦气状态需要从分子角度去分析才能够理解其低温系统保持的背后逻辑。当然仅仅是将液氦腔体抽真空依然无法达到超导磁体制冷的要求,4个腔体及管路之间还需要达到微循环状态才能够保持超导状态,因此下一篇文章老王将继续带大家了解Blue Seal磁体的魅力,敬请期待。

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文章名称:《MRI基础原理 -- Blue Seal磁体技术1》
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