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yiliao—“液氦”助力核磁共振

发布时间:2018.08.23

核磁共振是一种物理现象,作为一种分析手段广泛应用于物理、化学生物等领域,到1973年才将它用于医学临床检测。由于氦气的低温超导性,它是作为磁共振和核磁共振超导磁体的理想冷冻气体,氦气可实现-451华氏度的深冷温度,有效获取内脏器官和组织等的高分辨率图像。

成像原理:核磁共振机使用较强大的磁场,使人体中所有水分子磁场的磁力线方向一致,这时磁共振机的磁场突然消失,身体中水分子的磁力线方向,突然恢复到原来随意排列的状态。反复多次施加磁场又突然消失,核磁共振机会得到充分的数据并运算后成像。

简单说就相当于用手摇一摇,让水分子振动起来,再平静下来,感受一下里面的振动。所以,核磁共振(MRI)也被戏说为是摇摇看的检查。

其中,液氦可是发挥了巨大作用

超导磁体浸在液氦环境中,液氦外边一层是液氮。液氦的作用是为了维持磁体的超导,以提供所需的磁场环境,液氮是为了在液氦与外界环境之间加一个“隔温层”,以减少液氦的挥发。

以1.5T超导磁共振制冷系统为例讲一下其工作原理

众所周知,维持超导磁体超导状态所用的制冷剂是价格昂贵的液氦。一个良好的、稳定的冷却系统,不仅是超导环境存在的重要保证,而且能大大降低液氦的挥发,减轻磁共振运行成本。

1 磁场的建立

超导型磁体的磁场建立是在超导环境中为超导线圈通电流而产生强磁场的。在理想状态下,磁场一旦建立,只要维持超导线圈的超低温环境,强磁场就长期存在。超导材料主要是铌,钛与铜的多丝复合线,它的工作温度为4.2K(-268.8℃)。因此我们必须建立超导环境,将超导材料置于工作温度4.2 K下。

建立超导环境的过程是首先将超导型磁体的真空绝热层抽真空,将内部压力抽至约0.001 Pa,然后将磁体预冷,把液氦容器腔内温度降到接近4.2K,zui后在磁体液氦容器中灌满液氦,使超导线圈浸泡在液氦中。

因此,磁共振的超导线圈用浸泡在低温液氦中的方法以获得其正常工作的超低温环境,虽然磁体采用了真空绝热结构,但由于结构支撑等多种因素,不可能完全阻止热传导,所以液氦会以蒸发的形式带出导入的热量,以维持4.2 K的温度。为减少液氦的蒸发,磁共振配备了制冷系统,提供降温减少液氦蒸发。

2 冷却系统

磁共振冷却系统是由液氦冷屏、冷头、氦压缩机和水冷机组四部分组成。液氦冷屏是磁体的组成部分之一,设有20 K、70 K两级冷屏,二者的作用都是直接减少辐射传导。

珍惜氦,节约氦

2012年日本曾发生过氦气稀缺的情况,导致东京迪士迪乐园暂停出售各种需要由氦气填充的卡通人物气球,yiyuan核磁共振检查也需要液态氦做制冷剂,导致当时部分日本yiyuan停止做核磁共振检查!

小到气球充气、“变声”搞怪,大到yiliao科研、航天军工,稀有气体氦气应用广泛。

但是,氦气其实非常珍贵,有限。氦气zui主要的来源不是空气,而是天然气。氦气在干燥空气中含量极微,平均只有百万分之五,地球引力束缚不住,排到空气中的氦气会直接散逸到太空,天然气中zui高则可含7.5%的氦,是空气的一万五千倍。可是这种高氦的天然气矿藏并不多,因为天然气中的氦气是铀之类的放射性元素衰变的产物。只有在天然气矿附近有铀矿时,氦气才能在天然气中汇集。

要说缺乏氦气zui严重的后果,也无非是严重阻碍低温技术的应用,其中受到zui大影响的就是低温超导技术了。现在已知所有的超导材料都要在-130℃以下的低温中才能表现出超导特性,其中应用zui广泛的那几种(比如Nb3Sn)更是需要比液氢的沸点还低的转变温度,这时候只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。虽然我们完全可以用别的办法实现同样的低温,但都不如液氦实惠。显然,假如我们没有氦,低温超导技术的普及就会受到严重的阻碍;低温超导技术如果不能普及,yiyuan就会用不起核磁共振成像仪(它需要超导材料制造强磁场)。

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