摘要：目前關(guān)于超導(dǎo)磁共振是將磁體主線圈置于液態(tài)氦氣所提供的絕對零度的環(huán)境中來實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)的，而維持氦氣的液體狀態(tài)關(guān)鍵一環(huán)便是冷頭的制冷效果。實(shí)現(xiàn)制冷的主要構(gòu)成主要有水冷機(jī)，壓縮機(jī)以及冷頭。本文主要對冷頭的維修進(jìn)行如下闡述：

關(guān)鍵詞：超導(dǎo) 冷頭 液氦 壓縮機(jī)

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(shí)現(xiàn)液氦的零揮發(fā)。相比較10K冷頭僅僅只能減緩液氦的揮發(fā)，一般三年內(nèi)需要重新添加液氦。隨著工業(yè)技術(shù)等領(lǐng)域不斷發(fā)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(dǎo)磁共振生產(chǎn)廠家也漸漸淘汰了10K冷頭的使用。

冷頭與氦氣壓縮機(jī)以及氦氣銅管組成一個(gè)氦氣循環(huán)的回路，充滿99.999%純度的氦氣。冷頭是一個(gè)二級膨脹機(jī)，經(jīng)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(fā)的氦氣重新液化的環(huán)境。冷頭由驅(qū)動電機(jī)、旋轉(zhuǎn)閥、配氣盤、活塞和氣缸等組成。其運(yùn)行方式是驅(qū)動電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)閥在配氣盤上旋轉(zhuǎn)，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(huán)，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(shí)將冷頭中的熱量帶到氦壓機(jī)中。氦壓機(jī)將返回的低壓高溫氦氣，經(jīng)過壓縮機(jī)提升壓力以及與冷卻油混合完成與水冷機(jī)提供的冷卻水進(jìn)行熱交換，后通過活性炭進(jìn)行濾油，將高壓低溫氦氣輸送回冷頭，建立氦氣循環(huán)過程。通過冷頭和壓縮機(jī)24小時(shí)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(fā)。

二、故障現(xiàn)象

醫(yī)院的一臺3.0T磁共振醫(yī)生在日常使用中發(fā)現(xiàn)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(fā)的。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)磁體壓力居高不下，通過系統(tǒng)軟件我們明顯的發(fā)現(xiàn)磁體內(nèi)部壓力不斷升高的趨勢。為維持磁體內(nèi)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(xiàn)象，我們不得不采取緊急措施：打開壓力閥進(jìn)行排氣。但是這樣造成了液氦的大量損耗，且是治標(biāo)不治本的做法，必須找出其根本原因即冷卻系統(tǒng)的問題所在。通過專業(yè)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(gè)圖表中縱坐標(biāo)為磁體壓力，橫坐標(biāo)為日期。從該圖表中我們可以發(fā)現(xiàn)磁體自2013年11月23日至2013年12月22日之內(nèi)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(shí)我們采取了打開閥門進(jìn)行卸壓措施，所以壓力從100mbar將至20mbar左右。從系統(tǒng)所記錄設(shè)備的數(shù)據(jù)文檔中提取磁體壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力圖表的繪制，從而幫助我們更加明確地對該故障進(jìn)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(jī)。而整個(gè)制冷系統(tǒng)的構(gòu)成主要有水冷機(jī)組，壓縮機(jī)，冷頭和連接冷頭以及壓縮機(jī)的液氦回路。

首先查看水冷機(jī)的運(yùn)作以及溫度，檢查發(fā)現(xiàn)水冷機(jī)給壓縮機(jī)提供的冷卻水溫度在13.2°C，是正常的水溫，而從壓縮機(jī)的回水溫度為23°C。排除了水冷機(jī)的問題，可以將范圍縮小至壓縮機(jī)，冷頭以及兩者之間的氦氣回路。由于壓縮機(jī)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(xiàn)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(jī)的兩級壓力表可判斷出有無漏氣現(xiàn)象，通過壓縮機(jī)壓力表我們可以很清晰的發(fā)現(xiàn)氣體回路并不存在漏氣現(xiàn)象，因此排除第一種假設(shè)，懷疑氣路被污染。

如果氣路污染，需要對冷頭以及壓縮機(jī)的整個(gè)氣路進(jìn)行凈化，凈化采用99.999%的氦氣將內(nèi)部氣體置換出來，排除可能存在的雜質(zhì)氣體。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)大部分雜質(zhì)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(zhì)氣體在4K的環(huán)境中固化成固體狀態(tài)。

置換的過程主要有：

1.抬升冷頭并加熱冷頭內(nèi)冷心的溫度，這步十分關(guān)鍵，必須先將冷頭抬升后再加熱否則會造成磁體失超現(xiàn)象的發(fā)生；

2.關(guān)閉壓縮機(jī)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(yè)人員陪同操作），步驟如顛倒同樣會造成失超的風(fēng)險(xiǎn)。從磁體冷頭這端斷開氦氣管路，改用兩個(gè)可開關(guān)式閥門；

3.由于剛剛冷頭被加熱，使得凝結(jié)在冷心即附近腔體內(nèi)的固態(tài)雜質(zhì)氣化，腔體內(nèi)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(jī)讓冷頭工作起來，使得高純度的氦氣進(jìn)入冷頭；

4.冷頭內(nèi)部的壓力會不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)及冷頭活塞工作的聲音逐漸消失時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口，打開排氣口，讓氣體排出使得內(nèi)部雜質(zhì)氣體被置換出來。這樣重復(fù)第3和第4步驟20次左右?；究梢赃_(dá)到排出雜質(zhì)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(dāng)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(dá)原來位置。

6.在完成上述步驟后，繼續(xù)測量冷頭溫度，發(fā)現(xiàn)冷心溫度有了明顯下降。設(shè)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(fā)現(xiàn)磁體壓力不再上升，液氦水平不再減少。設(shè)備恢復(fù)正常狀態(tài)。

四、維修總結(jié)

對于超導(dǎo)核磁共振冷頭日常使用中要注意維護(hù)和保養(yǎng)，做到“一測，二聽，三觀察”，即每天開機(jī)測量液氦的水平，細(xì)聽冷頭的工作聲音，觀察壓縮機(jī)的氦氣壓力，日常使用中一定要密切關(guān)注冷頭的工作狀態(tài)，并做好記錄工作，保證能在冷頭出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，將損失降到最低。

參考文獻(xiàn)：

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