超导磁共振冷头的维修,本文是维修类有关论文范文检索与磁共振和超导和维修类本科论文怎么写.
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摘 要：目前关于超导磁共振是将磁体主线圈置于液态氦气所提供的绝对零度的环境中来实现超导状态的,而维持氦气的液体状态关键一环便是冷头的制冷效果.实现制冷的主要构成主要有水冷机,压缩机以及冷头.本文主要对冷头的维修进行如下阐述：
关键词：超导 冷头 液氦 压缩机
一、冷头的种类以及冷却原理：
目前市场上主流的冷头主要有两种,及4K 和10K,所谓的4K 和10K 是指冷头能够提供的冷却温度.4K 冷头能够提供更高的冷却效率,并使得汽化后的液氦重新液化,从而实现液氦的零挥发.相比较10K 冷头仅仅只能减缓液氦的挥发,一般三年内需要重新添加液氦.随着工业技术等领域不断发展,对于氦气的需求不断增加,而氦气矿是有限的因此像原先10K 冷头的使用会不断减少并逐渐淘汰.目前像飞利浦,GE 以及西门子等超导磁共振生产厂家也渐渐淘汰了10K 冷头的使用.
冷头与氦气压缩机以及氦气铜管组成一个氦气循环的回路,充满99.999%纯度的氦气.冷头是一个二级膨胀机,经过压缩低温的高纯氦气在磁体冷屏处膨胀带走周围的热量,提供足以使挥发的氦气重新液化的环境.冷头由驱动电机、旋转阀、配气盘、活塞和气缸等组成.其运行方式是驱动电机控制旋转阀在配气盘上旋转,控制活塞压缩和膨胀气体,形成高压气体腔和低压气体腔的交替循环,完成吸入高压低温氦气（20Bar,8℃）排出低压高温氦气（8Bar,30℃）的过程,同时将冷头中的热量带到氦压机中.氦压机将返回的低压高温氦气,经过压缩机提升压力以及与冷却油混合完成与水冷机提供的冷却水进行热交换,后通过活性炭进行滤油,将高压低温氦气输送回冷头,建立氦气循环过程.通过冷头和压缩机24 小时不停的工作,就可以源源不断地为磁共振磁体冷屏提供冷量,以减少液氦的挥发.
二、故障现象
医院的一台3.0T 磁共振医生在日常使用中发现液氦不断减少,而此台磁共振所安装的冷头为4K 零液氦挥发的.经检查发现磁体压力居高不下,通过系统软件我们明显的发现磁体内部压力不断升高的趋势.为维持磁体内部正常压力防止压力过高造成爆破莫爆裂从而引起失超现象,我们不得不采取紧急措施：打开压力阀进行排气.但是这样造成了液氦的大量损耗,且是治标不治本的做法,必须找出其根本原因即冷却系统的问题所在.通过专业工具我们测得冷头的二极冷心温度-238°C明显高于正常温度-269°C.
如图：第一个图表中纵坐标为磁体压力,横坐标为日期.从该图表中我们可以发现磁体自2013 年11 月23 日至2013 年12 月22 日之内压力是属于正常的,自2013 年12 月22 日后开始压力在逐步升高,在2013 年12 月26 日时我们采取了打开阀门进行卸压措施,所以压力从100mbar 将至20mbar 左右.从系统所记录设备的数据文档中提取磁体压力数据进行压力图表的绘制,从而帮助我们更加明确地对该故障进行判断.
三、维修步骤
为解决该问题我们首先想到了为磁共振提供制冷的冷头以及压缩机.而整个制冷系统的构成主要有水冷机组,压缩机,冷头和连接冷头以及压缩机的液氦回路.
首先查看水冷机的运作以及温度,检查发现水冷机给压缩机提供的冷却水温度在13.2°C,是正常的水温,而从压缩机的回水温度为23°C.排除了水冷机的问题,可以将范围缩小至压缩机,冷头以及两者之间的氦气回路.由于压缩机以及冷头的维修成本过高,我们首先想到的是维修较为容易的氦气回路,回路容易出现的问题主要有两种：漏气和被污染.检查漏气的方法即通过观察压缩机的两级压力表可判断出有无漏气现象,通过压缩机压力表我们可以很清晰的发现气体回路并不存在漏气现象,因此排除第一种假设,怀疑气路被污染.
如果气路污染,需要对冷头以及压缩机的整个气路进行净化,净化采用99.999%的氦气将内部气体置换出来,排除可能存在的杂质气体.根据经验可发现大部分杂质会最终以固体成分存在于冷头冷心这端.原因在于,大部分杂质气体在4K 的环境中固化成固体状态.
置换的过程主要有：
1.抬升冷头并加热冷头内冷心的温度,这步十分关键,必须先将冷头抬升后再加热否则会造成磁体失超现象的发生；2.关闭压缩机后拔出给冷头加热的电源线（在磁场存在的情况下最好需专业人员陪同操作）,步骤如颠倒同样会造成失超的风险.从磁体冷头这端断开氦气管路,改用两个可开关式阀门；
3.由于刚刚冷头被加热,使得凝结在冷心即附近腔体内的固态杂质气化,腔体内压力升高,需打开气体阀释放出冷头中原来的气体.然后接入650Kpa 压力的99.999%纯度的氦气,重新打开压缩机让冷头工作起来,使得高纯度的氦气进入冷头；4.冷头内部的压力会不断升高,当达到一定程度时及冷头活塞工作的声音逐渐消失时关闭进气口,打开排气口,让气体排出使得内部杂质气体被置换出来.这样重复第3 和第4 步骤20 次左右.基本可以达到排出杂质气体的作用.
5.将冷头归位,在下降过程中两级冷心温度会慢慢下降,当二级冷心温度下降速度突然加快可以判断冷心接触到冷屏,如此判断冷头是否到达原来位置.
6.在完成上述步骤后,继续测量冷头温度,发现冷心温度有了明显下降.设备工作一日后再测得冷头的二级冷心温度逼近4K 温度.观察一周后发现磁体压力不再上升,液氦水平不再减少.设备恢复正常状态.
四、维修总结
对于超导核磁共振冷头日常使用中要注意维护和保养,做到“一测,二听,三观察”,即每天开机测量液氦的水平,细听冷头的工作声音,观察压缩机的氦气压力,日常使用中一定要密切关注冷头的工作状态,并做好记录工作,保证能在冷头出现问题时及时的发现,将损失降到最低.
参考文献：
[1] 支洪生,王建军.超导磁共振冷头的原理和维修[J].中国现代医生,2012,32：13-14.
[2] 陈国邦. 最新低温制冷技术[M]. 北京：机械工业部出版社,1994：29-30.
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