超導磁共振冷頭的維修

摘要：目前關于超導磁共振是將磁體主線圈置于液態氦氣所提供的絕對零度的環境中來實現超導狀態的，而維持氦氣的液體狀態關鍵一環便是冷頭的制冷效果。實現制冷的主要構成主要有水冷機，壓縮機以及冷頭。本文主要對冷頭的維修進行如下闡述：

關鍵詞：超導 冷頭 液氦 壓縮機

一、冷頭的種類以及冷卻原理：

目前市場上主流的冷頭主要有兩種，及4K和10K，所謂的4K和10K是指冷頭能夠提供的冷卻溫度。4K冷頭能夠提供更高的冷卻效率，并使得汽化后的液氦重新液化，從而實現液氦的零揮發。相比較10K冷頭僅僅只能減緩液氦的揮發，一般三年內需要重新添加液氦。隨著工業技術等領域不斷發展，對于氦氣的需求不斷增加，而氦氣礦是有限的因此像原先10K冷頭的使用會不斷減少并逐漸淘汰。目前像飛利浦，GE以及西門子等超導磁共振生產廠家也漸漸淘汰了10K冷頭的使用。

冷頭與氦氣壓縮機以及氦氣銅管組成一個氦氣循環的回路，充滿99.999%純度的氦氣。冷頭是一個二級膨脹機，經過壓縮低溫的高純氦氣在磁體冷屏處膨脹帶走周圍的熱量，提供足以使揮發的氦氣重新液化的環境。冷頭由驅動電機、旋轉閥、配氣盤、活塞和氣缸等組成。其運行方式是驅動電機控制旋轉閥在配氣盤上旋轉，控制活塞壓縮和膨脹氣體，形成高壓氣體腔和低壓氣體腔的交替循環，完成吸入高壓低溫氦氣（20Bar，8℃）排出低壓高溫氦氣（8Bar，30℃）的過程，同時將冷頭中的熱量帶到氦壓機中。氦壓機將返回的低壓高溫氦氣，經過壓縮機提升壓力以及與冷卻油混合完成與水冷機提供的冷卻水進行熱交換，后通過活性炭進行濾油，將高壓低溫氦氣輸送回冷頭，建立氦氣循環過程。通過冷頭和壓縮機24小時不停的工作，就可以源源不斷地為磁共振磁體冷屏提供冷量，以減少液氦的揮發。

二、故障現象

醫院的一臺3.0T磁共振醫生在日常使用中發現液氦不斷減少，而此臺磁共振所安裝的冷頭為4K零液氦揮發的。經檢查發現磁體壓力居高不下，通過系統軟件我們明顯的發現磁體內部壓力不斷升高的趨勢。為維持磁體內部正常壓力防止壓力過高造成爆破莫爆裂從而引起失超現象，我們不得不采取緊急措施：打開壓力閥進行排氣。但是這樣造成了液氦的大量損耗，且是治標不治本的做法，必須找出其根本原因即冷卻系統的問題所在。通過專業工具我們測得冷頭的二極冷心溫度-238°C明顯高于正常溫度-269°C。

如圖：第一個圖表中縱坐標為磁體壓力，橫坐標為日期。從該圖表中我們可以發現磁體自2013年11月23日至2013年12月22日之內壓力是屬于正常的，自2013年12月22日后開始壓力在逐步升高，在2013年12月26日時我們采取了打開閥門進行卸壓措施，所以壓力從100mbar將至20mbar左右。從系統所記錄設備的數據文檔中提取磁體壓力數據進行壓力圖表的繪制，從而幫助我們更加明確地對該故障進行判斷。

三、維修步驟

為解決該問題我們首先想到了為磁共振提供制冷的冷頭以及壓縮機。而整個制冷系統的構成主要有水冷機組，壓縮機，冷頭和連接冷頭以及壓縮機的液氦回路。

首先查看水冷機的運作以及溫度，檢查發現水冷機給壓縮機提供的冷卻水溫度在13.2°C，是正常的水溫，而從壓縮機的回水溫度為23°C。排除了水冷機的問題，可以將范圍縮小至壓縮機，冷頭以及兩者之間的氦氣回路。由于壓縮機以及冷頭的維修成本過高，我們首先想到的是維修較為容易的氦氣回路，回路容易出現的問題主要有兩種：漏氣和被污染。檢查漏氣的方法即通過觀察壓縮機的兩級壓力表可判斷出有無漏氣現象，通過壓縮機壓力表我們可以很清晰的發現氣體回路并不存在漏氣現象，因此排除第一種假設，懷疑氣路被污染。

如果氣路污染，需要對冷頭以及壓縮機的整個氣路進行凈化，凈化采用99.999%的氦氣將內部氣體置換出來，排除可能存在的雜質氣體。根據經驗可發現大部分雜質會最終以固體成分存在于冷頭冷心這端。原因在于，大部分雜質氣體在4K的環境中固化成固體狀態。

置換的過程主要有：

1.抬升冷頭并加熱冷頭內冷心的溫度，這步十分關鍵，必須先將冷頭抬升后再加熱否則會造成磁體失超現象的發生；

2.關閉壓縮機后拔出給冷頭加熱的電源線（在磁場存在的情況下最好需專業人員陪同操作），步驟如顛倒同樣會造成失超的風險。從磁體冷頭這端斷開氦氣管路，改用兩個可開關式閥門；

3.由于剛剛冷頭被加熱，使得凝結在冷心即附近腔體內的固態雜質氣化，腔體內壓力升高，需打開氣體閥釋放出冷頭中原來的氣體。然后接入650Kpa壓力的99.999%純度的氦氣，重新打開壓縮機讓冷頭工作起來，使得高純度的氦氣進入冷頭；

4.冷頭內部的壓力會不斷升高，當達到一定程度時及冷頭活塞工作的聲音逐漸消失時關閉進氣口，打開排氣口，讓氣體排出使得內部雜質氣體被置換出來。這樣重復第3和第4步驟20次左右。基本可以達到排出雜質氣體的作用。

5.將冷頭歸位，在下降過程中兩級冷心溫度會慢慢下降，當二級冷心溫度下降速度突然加快可以判斷冷心接觸到冷屏，如此判斷冷頭是否到達原來位置。

6.在完成上述步驟后，繼續測量冷頭溫度，發現冷心溫度有了明顯下降。設備工作一日后再測得冷頭的二級冷心溫度逼近4K溫度。觀察一周后發現磁體壓力不再上升，液氦水平不再減少。設備恢復正常狀態。

四、維修總結

對于超導核磁共振冷頭日常使用中要注意維護和保養，做到“一測，二聽，三觀察”，即每天開機測量液氦的水平，細聽冷頭的工作聲音，觀察壓縮機的氦氣壓力，日常使用中一定要密切關注冷頭的工作狀態，并做好記錄工作，保證能在冷頭出現問題時及時的發現，將損失降到最低。

參考文獻：

[1] 支洪生，王建軍.超導磁共振冷頭的原理和維修[J].中國現代醫生，2012，32：13-14.

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