MRI基础原理 -- 4K磁体压力安全机制

MR技术博大精深，对于超导MR系统来说，液氦始终是一个绕不开的话题，甚至简单理解超导MR系统与永磁MR最大的区别就是如何利用液氦的低温实现主磁场线圈的超导状态。

一篇文章我们学习了超导MR特殊情况下临时开冷头的操作方法，准备工具及注意事项。有了临时打开冷头的方法，可以尽可能的减少液氦焦虑，在特殊情况下提供给大家一个临时保持液氦的方法。既然我们已经知道了临时打开冷头保持液氦的知识，那么我们进一步看看，如果不去做这些事情一个4K冷头的超导MR磁体长时间不开冷头到底会发生什么，也就是磁体压力安全保护机制。

讨论这个话题需要结合磁体和冷头的结构一起进行分析。如果不考虑磁体内部的线圈等因素，单纯把它考虑成一个液氦容器，那么传统的超导磁体实际上就是一个带冷头的杜瓦罐。

由于液氦气化变成氦气体积膨胀739倍，而磁体腔体是一个体积固定的密闭空间。因此随着磁体与外界的热交换，腔体内部必然升温导致液氦气化从而压力升高，回想一下高中物理的知识，封闭空间内压力迅速膨胀的结果就是爆炸，参考下面这个高压锅。

因此磁体上必须设置有完善的多级泄压安全装置，由此就有了磁体维修塔上多个单向阀系统，下图描述了磁体维修塔上关键部件。

由于本篇文章分析冷头停止工作后的磁体状态，因此我们只考虑其中几个关键的部件：

1. 失超管及弯头，磁体氦气与外界唯一通路，无论发生失超还是主动泄压，磁体内部的氦气只会通过弯头流向失超管最终排出室外。

2. 磁体压力表，显示磁体内部目前的压力，当冷头停止工作后需要长时间持续关注压力表的变化。

3. 3.75 psi单向阀，磁体第一级泄压单向阀，位于冷头旁边，当磁体压力超过3.75psi时，单向阀打开，磁体内部压力从此流向弯头最终通过失超管排出室外。同时此单向阀导通后，一定时间会将冷头冻住并结冰，后面文章会详细说明。

4. 5 psi单向阀，磁体第二级泄压单向阀，当3.75psi单向阀启动但还不足以稳定压力，导致压力进一步上升到5psi时，此单向阀打开，此时磁体内部的氦气同时通过3.75psi和5psi两个单向阀流向弯头排出室外。

5. 爆破膜，磁体终极泄压通道，当3.75psi单向阀和5psi单向阀同时开启后依然无法控制磁体压力的情况下，磁体压力进一步上升到10psi，爆破膜破裂，磁体内部氦气从此直接排出。需要注意的是之所以叫做“爆破膜”是因为当超导磁体发生失超的时候，磁体压力瞬间升高，氦气也是会直接冲破爆破膜排出室外，因此爆破膜正常情况下只有发生失超或压力极度升高的情况下才会破裂。

通过分析我们可以看到磁体上设置了3级泄压装置用来在特殊情况下保护磁体的安全，前2级泄压是利用物理单向阀结构，属于可重复使用部件，而最后一级爆破膜是一次性消耗部件，一旦破裂就需要及时进行更换。

同时我们会发现磁体的第一级安全单向阀设计在3.75psi，换算后大约等于259mBar。老王之前讲过4K冷头磁体稳定磁体压力是30mBar，因此当冷头停止工作后，首先磁体压力会缓慢上升，当压力超过259mBar后，磁体内部的氦气开始从失超管排出，也就意味着液氦开始损耗.

那么换句话说，当磁体压力没有超过259mBar之前，冷头已经被打开磁体压力开始下降，那么在这个过程中是不会消耗液氦的。

这就说明短时间停止冷头工作，只要及时将冷头打开是不会影响液氦液位的，这个持续时间与磁体型号有关，不同磁体能够支撑的时间不一样，如果确实有临时停冷头的需求还请大家询问厂家责任工程师。

MR技术博大精深，本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。MR超导磁体由于本身就是液氦容器杜瓦罐结构，因此需要高安全余量的泄压装置保证发生问题时候的绝对安全。曾经当老王听说某公司说自己的磁体绝对安全，里面几千升液氦都是密封的不需要什么泄压装置的时候，我唯一能够想到的是这就是一颗炸弹。

当然随着技术的进步，BlueSeal 7L液氦磁体使用的是另一种开拓性质的技术，确实做到了磁体内外没有导通机制，这里就不做详细说明了。前面提到过3.75psi单向阀打开后会冻住冷头这个知识点老王会在下一篇文章介绍超导磁体运输装置的时候一并展开讲解，敬请期待。