之前老王也给大家介绍过,超导MR系统如果不考虑超导磁体的话,梯度、射频系统与永磁体MR原理上区别并不太大,那么最大的不同也就是主磁场使用超导磁体提供,而冷却系统的作用就是为了维持超导磁体的正常工作。
依照惯例先介绍概念, 超导MR的冷却系统共有3级:
1. 初级水冷回路
2. 次级水冷回路
3. 冷头回路
1. 初级水冷回路。
初级回路的目的是对MR系统的次级回路进行制冷。初级回路有2路:
a. 从第三方大功率水冷机起点,通过水管连接到MR系统的水冷柜(LCC)内的热交换器,最终回到第三方水冷机。
b. 水冷机水管连接到氦气压缩机内热交换器,最终再回到水冷机。
可以看到初级水冷回路是整个超导MR冷却系统的基础,如果初级水冷系统有问题,整个后端冷却系统会全部停止工作。
日常运行中很多的MR系统宕机问题是由于初级水冷异常导致次级回路及冷头停止工作造成的。而且由于大部分厂家系统的初级水冷机都是由第三方提供的,因此除了初级水冷机冷却水的温度,流量数据之外,水冷机本身的故障字等信息无法直接传输到MR系统主机或者通过PRS等远程诊断及时发现。
由于水冷系统的故障往往由滞后性,因此往往出现报错的时候初级水冷机已经出现了故障,因此日常使用的时候还需要各位老师日常记录水冷机运行数据。
2.次级水冷回路。
次级水冷回路的目的是给MR系统内部需要制冷的部件进行制冷,一般来说包括以下几部分:
a. 水冷柜(LCC)。水冷柜指的是MR系统的水冷机柜,它的作用首先通过热交换器,将MR系统产生的热量与初级水冷回路进行热交换从而达到制冷作用。其次MR系统需要制冷的部件中的水冷管路最终汇总到水冷柜内统一进行控制。另外压缩机的电源控制一般也有LCC控制,压缩机在放入LCC水冷柜中。
b. 梯度线圈水冷管路。之前老王介绍梯度系统的时候提到过,一方面梯度线圈里面接通的是大电流,由于有电阻的存在因此会产生热量,另一方面由于MR系统在运行中梯度线圈内电流快速切换,会产生涡流,其中的原理大家可以联想电磁炉,这个现象也会产生大量热量,因此梯度线圈需要水冷系统进行制冷。
c.梯度放大器水冷管路。梯度放大器是大功率器件,运行中放大器会产生大量的热量,因此需要单独进行水冷
d. 射频放大器水冷管路。MR系统使用的射频放大器一般有水冷型和风冷型,目前大部分新系统的射频放大器为了更稳定的运行,使用了水冷冷却系统。
可以看到次级水冷回路的核心就是LCC水冷柜。
a. 水冷连接部件(Connections)。汇总各个水冷管路
b. GC回路。给梯度线圈提供制冷的回路,同时也提供射频放大器(RFA)的制冷。
c. GA回路。梯度放大器提供制冷回路。
d. 水冷柜电控箱(EB)。水冷柜的开关控制,控制各个水冷回路的温度以及提供氦气压缩机的控制及供电。
e. 氦气压缩机(Compressor)。冷头回路的压缩机,放在这里便于控制及接入水冷回路。
这里先大致介绍系统组成,LCC机柜内部原理老王会在以后的章节进行讲解。
3. 冷头回路。
前面介绍的初级水冷回路及次级水冷回路内部的制冷媒介用的是去离子水或者乙二醇防冻液,但是到冷头回路的时候制冷剂会换成高纯度氦气(99.999%)。
使用高纯度氦气原因很简单,磁体上的冷头下部是直通超导磁体内部,因此冷头内部的温度是非常低的,如果用其他制冷媒介或者由空气混入之后导致氦气纯度下降,很可能在冷头内部“结冰”(氧气的冰点大约-219℃,氮气的冰点大约-210℃),这样会直接导致冷头内部机械运动阻塞或卡住,这也是冷头不正常工作时发出的刺耳声响的一个来源。
老王在前面冷头的章节已经详细介绍了4K冷头和10K冷头的区别以及大致的工作流程,这里就不详细介绍了。
老王介绍一个冷头的维护知识:判断冷头是否正常最终的依据还是冷头的制冷效率。对于10K冷头的制冷效率判断的依据是液氦的挥发速度,也就是每个月磁体内液氦的液位变化速度。
对于4K冷头来说,制冷效率的判断分为2部分:
1. 冷头效率过低的时候磁体压力会持续升高,但此时液氦液位不变,最终压力上升到一定程度时(磁体泄压单向阀压力),液氦液位会开始下降。
2. 当冷头效率降低但是还没有特别低(还能够将氦气压缩成液氦,同时单位时间内压缩的液氦量依然高于蒸发量)的时候,单纯看磁体压力和液位是无法判断冷头效率的。这时候就需要通过查看磁体Bath Heater的功率来判断。有关Bath heater的知识老王在介绍冷头的时候也有过描述,有兴趣的可以去查看。
一般情况下冷头出现异响很可能是冷头效率下降的外在表现,因此在日常运行时还是请各位老师关注冷头的运行声音,什么时候“鸟叫”声不再那么清脆或者有了杂音就是提醒大家需要关注冷头的状态了。