MRI基础原理–磁体压力保持技术-器械之心

MR技术博大精深，上一篇文章老王给大家介绍了超导MR磁体的三级压力安全保护机制的设计及作用原理，整个系统是在冷头失去效率或者运输状态下超导磁体内部液氦蒸发造成磁体内部压力升高的情况下作为安全措施而存在的。既然是在特殊情况下需要有安全措施，那么常规运行的时候磁体内部压力是如何变化的呢？本篇文章我们就来看看磁体内部压力稳定系统的工作原理。

谈到磁体压力保持首先不得不先回顾一下冷头的基础知识，老王在前面的文章中讲过超导MR磁体的冷头大体上分为2类：

10K冷头：冷头的制冷能力可以将高温（相对于液氦的极低温度来说高一些）氦气冷却到10K的温度，此时的氦依然是气态。

4K冷头：冷头的制冷能力可以将高温氦气冷却到4K的温度，此时氦气液化成为液态。

这两种常规冷头的磁体压力保持方式是截然不同的，我们需要分开讨论。

首先从简单一些的10K冷头的制冷系统开始分析，其制冷系统原理框图如下所述：

我们先来了解一下10k冷头磁体内部的结构：

1. 10K冷头的冷芯分为2级（Stage），这2级分别与2层保温层（Shield）连接。

2. 存储液氦的腔体Helium vessel与2个保温层之间是真空的，这样可以保证尽可能维持很小的物质热交换，减少液氦蒸发。

3. 主磁场线圈位于液氦腔体内部，一部分部分浸泡在液氦中。

4. 液氦腔体内部分上下两部分，下部分为液氦，上部分为氦气

由于本篇文章介绍压力稳定技术，因此我们先不考虑线圈浸泡方法等内容，单纯聚焦在液氦腔体内部的压力变化。我们知道氦气液化成为液氦温度大约需要降温到4K，但是由于10K冷头不具备这样的制冷能力，因此通俗来说10K冷头磁体的制冷是能够让高温氦气的温度降低一些变成更低温一些的氦气，减少腔体内部的液氦挥发速度。

因为10K冷头的磁体只能够让高温氦气通过降温变成低温氦气，因此假设腔体是密封的，长期来看由于热交换的存在，液氦腔体内部的氦气会越来越多，而液氦会越来越少，而由于氦气和液氦体积相差大约700倍，因此腔体内部的压力会持续上升。

有了以上的基础知识，压力理论上是单向增加的，因此想保证10K冷头磁体压力稳定就很简单了，泄压就好了。因此10K冷头的磁体上设计有一个1PSI（70mbar）的单向阀，单向阀持续将腔体内的氦气通过失超管排出，从而保证腔体内部的压力始终稳定在1PSI（70mbar）。这也是为什么老式的10K冷头磁体液氦液位会持续下降需要经常性的补充液氦的原因。

与10K冷头磁体相比，4K冷头磁体结构复杂许多，在介绍之前我们先来考虑一个问题，假设冷头能够有办把高温氦气冷却到4K从而液化，那么为了保证液氦零挥发，原则上需要满足两个条件：

1. 冷头制冷速度不能超过液氦挥发速度。如果制冷速度超过液氦挥发速度，那么冷头长期来看会把所有的氦气都冷却成液氦，那么液氦腔体内部就会形成负压，从而将空气吸入液氦腔体，这是绝对不愿意看到的结果。

2. 冷头制冷速度不能低于液氦挥发速度。如果制冷速度低于液氦挥发速度，那么参考10K冷头，挥发出来的氦气依然比冷却的氦气多，那么液氦腔体内压力长期来看持续上升，必然出发上一篇文章介绍的三级安全泄压阀，导致液氦消耗。

由于冷头制冷系统是透平机械（高速离心式压缩机）与热泵（冷头）的结合，因此从自动控制角度来看单纯靠冷头自身的控制从而保证冷头的制冷效率始终与液氦挥发速度严格匹配一致成为动态平衡基本是不可能做到的，那么就需要磁体内部有另外一套系统发挥作用从而保证磁体压力稳定。下面是4K冷头的原理框图：

我们还是先来看4K冷头磁体内部结构：

1. 4K冷头的冷芯同样具有2级，这里1级与保温层相连，2级直接与液氦腔体连接。此处我们可以明显看到10k冷头磁体只需要1级保温层就可以了，结构上相比较10k冷头磁体更简单了。

2. 存储液氦的腔体Helium vessel与唯一保温层之间是真空的，但是在冷头连接处有一段空隙是没有真空层绝缘的，而是直接通往冷芯进而直接通到冷头上部，因此假设4k冷头没有工作，那么冷头处与外界环境的热交换明显增加，因此一般来说如果冷头停止工作，4k冷头磁体的压力增速是远大于10k冷头磁体的。

3. 主磁场线圈同样位于液氦腔体内部，部分浸泡在液氦中。

4. 液氦腔体内部同样分为上下两部分，下部分为液氦，上部分为氦气，但此氦气有一部分直接与冷头的2级冷芯相连。

5. 4K冷头磁体内部最关键的压力控制模块-Bath Heater，用来控制磁体压力稳定。

从4K冷头磁体与10K冷头磁体的结构对比来分析，最大的区别也是最关键的地方就是Bath heater了。那么我们回到一开始老王抛出来的问题，如何保证冷头的制冷效率与液氦的挥发速度相匹配，最直接也是最精确的方法就是利用这个Bath heater了。

从Bath heater的字面可以知道，这是一个加热器，类似的其它加热器老王之前的文章中都有所涉及（main heater，b0 heater，quench heater）。加热器的原理很简单，对一个电阻接通一定的电流从而产生功率，这个功率转化为热能从而起到加热的作用，那么bath heater与4K冷头是怎么结合使用的呢？

首先确保4K冷头的制冷效率大于液氦自然挥发速度，这是保证液氦0挥发的前提。在此基础上通过控制bath heater的电流，从而控制加热器的发热量，进一步控制液氦的挥发速度，保证其与冷头的制冷效率始终一致，从而使液氦腔体内部保持动态平衡。

而因为这套系统不需要像10K冷头磁体那样需要靠泄压保持压力，因此磁体的结构进一步简化取消了1psi单向阀，但是相应的磁体内部增加了实时进行的闭环自动控制系统。

之所以用改变电流从而改变液氦蒸发速度的方式去匹配冷头的制冷效率，至少有以下几个优点：

1. 相比较对热机的机械结构进行精密控制，电流是最简单的自动控制对象。

2. 冷头这种4冲程热泵系统如果想要精确控制可以参考变频空调，需要在压缩机端增加变频器等部件，极大的增加了系统的复杂程度，同时温度控制还不一定能够保证足够的精度，且控制鲁棒性很差。

3. 使用加热器通过使液氦蒸发速度匹配冷头效率这种方法可以避免冷头的经常性启停，对于高速离心式压缩机来说极大的减少了能耗并且提高了设备运行寿命。

4. 使用Bath heater加热的方式可以更直观通过对施加电流的实时监测，实现对冷头的全周期运行状态和制冷效率变化曲线的监测。

MR技术博大精深，本篇文章老王给大家简单介绍了4K冷头和10K冷头的磁体压力稳定技术的基本原理与实现方法，进而介绍了两种不同冷头对应磁体的内部结构以及不同的控制逻辑。看似简单的液氦制冷系统如果详细分析其实里面包含了许多自动控制领域的基本知识，尤其是4K冷头磁体内部就是一个标准的压力闭环控制系统，通过这种先进的闭环控制系统可以保证磁体压力的稳态误差在非常小的范围内波动，从而提高磁体的稳定，减少失超的发生，并且提高冷头系统的运行寿命和能耗。老王将在下一篇文章中进一步对4K冷头的压力闭环控制系统进行展开说明，敬请期待。