转贴：超导型磁共振冷头的工作原理及维护保养

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马毅，刘腾，史磊
(中国人民武装警察部队总医院磁共振科 北京100039)
【摘要】冷却系统是超导型磁共振正常运行的重要保障，而冷头是磁共振冷却系统的重要组件。本文着重介绍冷头的工作原理、运行方式及其在使用中的日常维护和定期保养。
【关键词】磁共振；冷头；氦压缩机
【中图分类号】R445．2 【文献标识码】C 【文章编号】1007—7510(2006)06—0095—02
Principle and maintenance of the cold head in supercOnductiVe M RI
M A Yi。LIU Teng。SHI Lei
(Department of MRI of General Hospital of Armed Police，Beijing 100039，China)
Abstract：Cooling system is essential in ensuring the high performance of superconductiVe M RI，and the cold head is the
important component of cooling system．This article focuses on the principle，operation and maintenance about the cold
head． ．
Key word：M RI；cold head；compressor
1引言
医用磁共振技术是现代医学影像诊断技术的一个里程碑。医用磁共振设备主要由磁体、梯度系统、射频系统、计算机系统等硬件组成。这些硬件的不断改进和变革是各种成像技术得以发展的物质基础。其中磁体的发展是从低场到高场，从永磁型磁体到超导型磁体。可以说超导型高场磁共振机是现今医学影像诊断中的主力，它是现代电子计算机技术、光学传导技术、低温制冷技术、精密仪器制造技术、医学物理和化学技术共同作用的结晶。
超导是指某些金属导体在温度降到接近绝对零度(一273℃)时，阻值接近于零。电子流在这种金属导体(即线圈)内高速运动从而产生高磁场。超导核磁共振必须使用液氦作为制冷介质，氦是已知所有物质中沸点最低的，沸点是4．2K，而且只有氦在非常接近绝对零度时不会凝成固体，利用液氦可获得接近绝对零度的低温为超导线圈建立和保持超导环境(4．2K，一269℃)。磁体采用多层真空绝热结构，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4．2K的低温。为减少液氦的蒸发，超导磁共振上一般都配有制冷系统，提供冷量减少液氦蒸发。制冷系统包括冷头、氦压缩机，水冷机组三个部分，下面将着重介绍我院使用的西门子Symphony1．5T磁共振上由Leybold公司生产的5／100系列冷头。

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2 冷头的工作原理及运行方式

如图所示：冷头与氦压机组成一个闭路氦气循环，二者通过绝热柔性压力管相连，充满高纯度氦气。本机磁体为减少辐射传热，设有2个冷屏。冷头是一个二级膨胀机，经过压缩的高纯氦气在这里膨胀带走周围的热量，通过两极缸套端面的铟垫圈将冷量传输到磁共振的这2个冷屏上，为其提供20K＼77K两级低温。冷头由驱动电机、旋转阀、配气盘、活塞和气缸组成。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氦气，经过压缩提升压力，并与水冷机组提供的冷却水换热、滤油，将高压氦气输送回冷头，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。
3 冷头的维护和保养
冷头和压缩机一刻不停的运行，额定工作寿命一般在(1．5～2)年。冷头的的工作状态直接影响液氦的挥发，同时冷头价格比较昂贵。对冷头的维护和保养应做到以下几点：
3．1 值班人员做好日常监测工作
值班人员应每天记录液氦面值，用以计算一段时期的液氦挥发率。如发现有上升趋势应及时采取相应措施。工作人员注意监听冷头工作鸣音是否正常。如发生意外停电，由于我科稳压电源不能自动恢复，来电后应及时人工恢复电力并开启氦压缩机。长时间停电，冷头两级要恢复正常温度需要(1～2)天时间，因此要尽量避免夜间无人值班，防止遇瞬间停电时不能及时恢复电力。技术人员注意观察氦压机的压力值以及冷水机的工作状态，做好冷水机组室外机的清洁工作。
3．2 定期更换冷头活塞
为延长冷头正常使用寿命，改善冷头的工作状态，应定期(2年左右)对冷头中的活塞进行更换。活塞(displacer)是冷头制冷的关键部件，材料是丝绸胶木(防磁不磨损缸筒)，以铅丸为填料(蓄冷增重)。活塞长年以2Hz的频率在缸筒内往复运动，随时间不断磨损，造成气密不严、制冷效率下降。另外超期使用会使填料松漏，严重的会将活塞卡死在缸套中造成彻底报废，也可引起磁体失超。更换冷头活塞需要将冷头停机，由于冷头并不与液氦层相连而是与冷屏相连，更换时间不会超过三个小时，因此不会造成液氦的大量损失。另外，更换活塞后应对冷头内部进行纯化。纯化的目的是使系统内充满相应压力的高纯度氦气，而不能含有空气，否则空气中的一些成分(水蒸气、二氧化碳)在冷头的超低温环境下形成结晶冻住活动部件，导致冷头在很短时间内损坏。因此应采取先抽真空，再充人纯度为99．999％的氦气，然后放掉氦气重新抽真空的方法，反复(4～5)次达到效果。
3．3 定期更换氦压机中的吸附器
吸附器是过滤氦气中油雾的重要部件，它的好坏与否关系到冷头的使用寿命，这是因为氦气经压缩机压缩后，气里面带有油雾(压缩需油润滑)经过油滤器过滤掉大部分，剩下的完全依靠吸附器吸附掉，而吸附器的主要成分是活性炭，一定时间后就会饱和，失去吸附作用这样油就会跟随氦气污染管道，进入冷头中冻结，造成活塞急剧磨损。因此吸附器应定期更换，有利于延长冷头的使用寿命。
4 小结
我院磁共振于1995年3月先后更换冷头活塞和吸附器。更换活塞前两个计时段液氦消耗从94％ ～74％ 分别经历112天和114天，更换活塞后一个计时段液氦消耗从94％-74％经历了161天。可以得出结论：更换冷头活塞和吸附器对提高冷头工作效率有显著效果。我国的超导磁共振有五百台左右，每年还以10％～15％的速度递增，对冷头的有力保障可以预防这些机器故障的发生并减少液氦挥发量提高医院效益。
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