MRI基础知识 --- 励磁

前面我们学习超导磁共振磁体的时候介绍过，磁场是由超导电磁线圈产生的，线圈没有充电也就没有磁场，而给线圈充电的过程就是励磁。

虽然听起来只是给线圈充电仿佛比较简单，但实际上实现起来却有很多技术困难，首先需要解决的是一个很直观的问题，怎么充电。

如果我们把磁体中的主线圈简单看成一个整体，励磁的电源（MPS）连接到线圈的两个端点，结构如下图所示。

根据图我们可以发现整个系统被分成了两个并联的通路：励磁回路，主线圈回路。

同时根据线圈物理结构，励磁电极连接点一般在主线圈上方，而剩余大量的线圈都在下方泡在液氦中。

回顾中学物理中的知识，并联电路的两个回路中，电阻越小的回路电流越大，而对于超导线圈来说，这个定律可以得到结论:所有的电流都流过励磁回路，主线圈回路没有电流经过。

换句话说就是主线圈没有电流，也就没有磁场，因此单纯的将励磁回路连接到主线圈上还不能起到励磁作用。

有什么办法能让电流通过主线圈回路呢？还是利用基本的并联电路基础，将励磁回路电阻增大就可以了。根据这个原理，设计了Main heater：一个加热器。

Main heater单纯加热两个电极之间部分主线圈，加热的目的是使这一部分人为失超，那么励磁回路的电阻必然就会增加，从而迫使电流流向主线圈。Main heater开关时电流流向如下图所示。

明白了电路原理，在打开Main heater的时候还必须有一个重要前提：励磁回路与主线圈回路的电流必须相等才能打开Main heater。为了说明这个原因，我们分开来讲两种状态。

这个状态一般是退场的过程。如果此时打开Main heater，可以看到主线圈中的电流会瞬间完全流向MPS，根据简单的功率公式 P=I²R ，虽然超导线圈没有电阻，但是励磁电源存在电阻，而瞬间大电流会产生非常大的热量，直接烧坏励磁电源。

这个状态一般是励磁过程。如果此时打开Main heater，电流瞬间流向主线圈，但是别忘了线圈本身可以看成是一个电感，因此它存在着阻抗作用。

如果不好理解我们可以用能量守恒来考虑，假设一个完整的励磁完成后，整体励磁回路的做功为 W=I²Rt ，可以认为主线圈中存储的能量大约等于励磁电源做的功。

如果励磁回路电流很大，而主线圈没有电流，这时将两个回路接通，由于励磁电源的功率限制，主线圈不可能瞬间升到需要的电流，此时回路电流一定会瞬间下降，而此时会产生电流差，很容易会将电极与线圈连接点烧坏，从而烧坏整个主线圈。

下图给出一个完整的励磁工具连接示意图

其中各个器件的作用：

MPS：励磁电源

G-MDU：主电源，给励磁过程供电

ACCELERATOR：加速器，实际是一个电阻，并且包裹着良好的散热，作用是在退场的时候辅助将电能转换为热能并有效散热。

MEU：磁体控制器，在励磁过程中控制Main heater等器件

LEAD：励磁电极，在励磁时直接插入磁体中并连接到主线圈。由于主线圈泡在液氦中，因此在插电极的过程中会从电极口直接喷出低温氦气，因此插电极的过程必须由经过培训的专业工程师进行操作。

VALVE：液氦阀门，在励磁过程中由于会产生热量，需要持续将磁体中蒸发的氦气及时排出。这就是励磁过程需要消耗大量液氦的原因。

励磁完毕后先关闭Main heater，这时由于主线圈回路电阻为0，而励磁回路存在电阻，这时主线圈回路就会自主循环，产生主磁场。

如果需要重新将磁场褪去，只有两个办法：

可控退场

需要重新走一遍励磁的逆过程，有序可控的将主线圈中的电能缓慢的转换为热量在加速器和MPS中消耗掉。有序指的是退场过程按程序进行。

可控指的是退场过程可以中断转换为升场。

但是所有流程必须遵守前提：励磁回路与主线圈回路的电流必须相等才能打开Main heater，因此主线圈的状态有且只有两种，电流为0或电流为 I_magent，没有中间状态。

也就意味着无法简单的将3.0T的磁体通过退场的方法降为1.5T使用。

快速退场

如同介绍超导磁体的时候介绍的，直接按下矢超开关，主线圈中的电流会瞬间转换为热量通过将液氦蒸发成氦气的方式快速消耗。

此过程不可控且不可逆，一旦按下后续需要长时间复杂的除冰过程并补充液氦才能重新励磁。