超導(dǎo)磁共振冷頭的原理和維修

支洪生 王建軍

[摘要] 超導(dǎo)磁共振機(jī)是由計算機(jī)、射頻系統(tǒng)、梯度電源系統(tǒng)、自動控制部分、超導(dǎo)磁體以及冷卻系統(tǒng)組成。其中冷卻系統(tǒng)是超導(dǎo)磁共振機(jī)正常運行的重要保障，而冷頭是磁共振冷卻系統(tǒng)的重要組件。本文著重介紹冷頭的工作原理和維修。

[關(guān)鍵詞] 磁共振；超導(dǎo)；冷頭；壓縮機(jī)

[中圖分類號] R445.2[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] B[文章編號] 1673-9701（2012）32-0089-02

目前超導(dǎo)技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的核磁共振成像方面，低溫制冷技術(shù)作為超導(dǎo)技術(shù)的重要組成部分之一，在整個超導(dǎo)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，目前無論低溫超導(dǎo)材料還是所謂高溫超導(dǎo)材料仍需要在低溫下才能達(dá)到超導(dǎo)臨界點，一旦溫度超過臨界點材料會產(chǎn)生電阻，失去超導(dǎo)性，因此低溫制冷機(jī)的運行在整個超導(dǎo)裝置中起著至關(guān)重要的作用[1]。本文主要對超導(dǎo)磁共振冷頭的原理和維修進(jìn)行闡述如下：

1冷頭的種類

醫(yī)用MRI設(shè)備的核心部件是一個高磁場強(qiáng)度的低溫超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)線圈浸泡在4K（-269℃）左右的液氦之中，以實現(xiàn)超導(dǎo)。MRI用低溫制冷機(jī)從溫區(qū)上分為4K制冷機(jī)與10K制冷機(jī)兩種，其中4K制冷機(jī)因為可以將磁體蒸發(fā)出來的氦氣全部液化，從而實現(xiàn)磁體液氦的零消耗，正在成為MRI使用的主流低溫制冷機(jī)。

2 冷頭的構(gòu)造和原理

GM型低溫制冷機(jī)是由W.E.Gifford與H.O.McMahon于1959年發(fā)明，目前世界上95%以上的MRI均配備了GM型低溫制冷機(jī)。GM低溫制冷機(jī)系統(tǒng)由膨脹機(jī)（冷頭）、氣體發(fā)生器（氦氣壓縮機(jī)組）、連接管道組成，關(guān)鍵部件是膨脹機(jī)，其由閥組配氣系統(tǒng)、汽缸、高效低溫蓄冷器、排出器、冷端換熱器、熱端換熱器組成。其產(chǎn)生冷量的基本過程是高壓氣體在汽缸中換熱、膨脹制冷、與蓄冷器換熱儲存冷量、輸出冷量。目前世界上采用的蓄冷材料主要是一系列磁性蓄冷材料[2]。

我院核磁為西門子avanto1.5T MRI，配置了日本住友生產(chǎn)的低溫制冷機(jī)RDK408L2，該機(jī)為GM型兩級4.2K冷頭，最低制冷溫度達(dá)到3.1K，在4.2K溫度下可以輸出1瓦的冷量。磁體蒸發(fā)出的氦氣被引入再冷凝器重新液化，實現(xiàn)了MRI磁體液氦的零消耗。圖1為該制冷機(jī)的外觀。MRI低溫系統(tǒng)由冷水機(jī)、氦壓縮機(jī)組（型號：CSW-71）、冷頭及聯(lián)接管路組成。在設(shè)備運行中應(yīng)密切關(guān)注各個組件的運行狀態(tài)，并做好日常記錄，出現(xiàn)故障應(yīng)及時維修，否則會導(dǎo)致磁體溫度壓力上升，液氦大量揮發(fā)，成像出現(xiàn)偽影，甚至不能成像，最嚴(yán)重的情況是磁體失超給醫(yī)院造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 故障及維修實例

3.1 故障原因

我院核磁室報修冷頭故障顯示，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)冷頭停止運行，氦壓縮機(jī)液晶屏顯示故障：Helium temp.err復(fù)位后冷頭可以正常運行，但運行半小時左右冷頭再次停機(jī)，報相同故障。反復(fù)幾次均是同樣現(xiàn)象，用手摸壓縮機(jī)組外殼發(fā)現(xiàn)外殼溫度很高，接近60℃。冷水機(jī)水溫11℃，正常。打開壓縮機(jī)組機(jī)殼發(fā)現(xiàn)機(jī)殼底部有大量油跡，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)底部一直徑6mm銅管接頭處松動滴油，用扳手?jǐn)Q緊后不再漏油。觀察壓縮機(jī)油鏡無法看到油面，判斷造成壓縮機(jī)排氣溫度過高的原因是由于氦壓縮機(jī)潤滑油泄漏造成的，因此必須加注潤滑油[3]。

3.2 故障維修過程

①潤滑油型號的選擇由于氦氣的絕熱指數(shù)遠(yuǎn)高于氟利昂，導(dǎo)致氦壓縮機(jī)運行時的溫度接近120℃，普通的制冷壓縮機(jī)油在這種工況下長期運行會失去必要的粘度甚至分解失效，經(jīng)與潤滑油廠家討論我們選擇了一種合成機(jī)油，該潤滑油在200℃的高溫下具有良好的穩(wěn)定性，在150℃條件下可長期使用。

②解決潤滑油中易揮發(fā)雜質(zhì)的問題由于冷頭的工作溫度為-269℃，任何除了氦以外的物質(zhì)都會在冷頭的蓄冷器中固化，堵塞微小換熱通道造成冷頭制冷效率的大幅下降。因此氦壓縮機(jī)提供給冷頭的氦氣純度需要達(dá)到99.999%以上，而潤滑油由于生產(chǎn)與儲運過程中必然會存在一些雜質(zhì)，如何去除這些雜質(zhì)是保證氦壓縮機(jī)正常運行的關(guān)鍵因素。我們將潤滑油裝在一個密閉金屬容器中，利用沸水浴的方法將潤滑油加熱到100攝氏度并保持此溫度3 h，同時利用真空泵抽走易揮發(fā)的雜質(zhì)，基本保證得到“純凈”的潤滑油而不會對系統(tǒng)造成污染[4]。

③將處理好的潤滑油加入壓縮機(jī) 由于氦壓縮機(jī)充有16bar的高純氦氣，為不使冷頭受到污染，我們將處理好的金屬容器中充入了18bar的高純氦氣，利用壓力差將容器中的潤滑油壓入氦壓縮機(jī)，充注的同時密切觀察壓縮機(jī)油鏡，當(dāng)油面剛剛超過油鏡時立刻關(guān)閉閥門，停止加油，以防止注油過多影響壓縮機(jī)效率[5]。

4 冷頭的維護(hù)和保養(yǎng)中的注意事項

通過上述維修過程，我們開機(jī)試運行，冷頭一切正常，磁體壓力5 h后恢復(fù)正常，目前該冷頭已正常使用，未再出現(xiàn)過故障。我們認(rèn)為對冷頭的維護(hù)和保養(yǎng)應(yīng)注意：值班人員應(yīng)每天記錄液氦面值，如發(fā)現(xiàn)有上升趨勢及時采取措施。注意監(jiān)聽冷頭工作鳴音，密切觀察氦壓機(jī)的壓力值以及冷水機(jī)的工作狀態(tài)，做好冷水機(jī)組室外機(jī)的清潔工作。活塞（displacer）是制冷的關(guān)鍵部件，活塞長年以2Hz的頻率在缸筒內(nèi)往復(fù)運動造成氣密不嚴(yán)、制冷效率下降。更換冷頭活塞需要將冷頭停機(jī)，更換活塞后應(yīng)對冷頭內(nèi)部進(jìn)行純化，使系統(tǒng)內(nèi)充滿相應(yīng)壓力的高純度氦氣。另外，吸附器應(yīng)定期更換，有利于延長冷頭的使用壽命。吸附器的主要成分是活性炭，一定時間后會飽和，失去吸附作用會跟隨氦氣污染管道，進(jìn)入冷頭中凍結(jié)，造成活塞急劇磨損[6]。

綜上，預(yù)防冷頭故障的發(fā)生需要廣大工作人員精心的維護(hù)與保養(yǎng)，詳細(xì)記錄故障的現(xiàn)象，通過分析判斷故障發(fā)生的原因進(jìn)行排除等，同時要掌握其作用的基本理論及基礎(chǔ)知識，熟悉冷頭的結(jié)構(gòu)、性能及常用的技術(shù)指標(biāo)，才能提高設(shè)備運轉(zhuǎn)的效率，減少故障的發(fā)生。因此，要求我們應(yīng)定期進(jìn)行檢查和保養(yǎng)，而絕不能在發(fā)生故障后再進(jìn)行檢修。本文中，我們通過本院的技術(shù)迅速而及時地解決了MRI冷頭出現(xiàn)的故障，為醫(yī)院節(jié)省了大量的費用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳國邦. 最新低溫制冷技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)部出版社，1994：29-30.

[2]劉毅，陳懷亮. 超導(dǎo)磁共振機(jī)維護(hù)與保養(yǎng)的體會[J]. 醫(yī)療裝備，2003，7：37-38.

[3]唐慶順. 超導(dǎo)核磁的冷頭壓縮機(jī)故障維修[J]. 醫(yī)療設(shè)備信息，2002，17（12）：55.

[4]張方林，黃曉明，郭正奎. GE SIGNA 0.5T MR冷頭系統(tǒng)故障分析[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004，25（1）：71-72.

[5]賀長安，楊軍，賈琳，等. E1.5T磁共振機(jī)冷頭的相關(guān)故障[J]. 實用放射學(xué)雜志，2005，21（5）：553-554.

[6]馬毅，劉騰，史磊. 超導(dǎo)型磁共振冷頭的工作原理及維護(hù)保養(yǎng)[J]. 醫(yī)療設(shè)備信息，2006，21（6）：96-97.

（收稿日期：2012-05-02）