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【服務(wù)提示】NMR超導(dǎo)磁體維護(hù)提示

來(lái)源:布魯克磁共振事業(yè)部   2023年12月13日 13:17  
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近期出現(xiàn)多次磁體相關(guān)的故障,為了讓大家更好地理解磁體維護(hù)的注意事項(xiàng),我們?cè)谶@里介紹一下核磁共振超導(dǎo)磁體的內(nèi)部構(gòu)造。

 

失超

 

超導(dǎo)磁體屬于電磁體,線圈使用超導(dǎo)線材繞制,電流可以一直在閉合線圈內(nèi)部持續(xù)流動(dòng)產(chǎn)生靜磁場(chǎng)。我們需要液氦維持線圈的超導(dǎo)。由于超導(dǎo)線材的連接焊接點(diǎn)殘留極小的電阻,其中的電流仍會(huì)極緩慢衰減,靜磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)持續(xù)降低,我們用場(chǎng)漂(field drift)來(lái)反映這個(gè)特性,并通過(guò)鎖場(chǎng)功能來(lái)保持靜磁場(chǎng)穩(wěn)定。但當(dāng)由于各種原因線圈中出現(xiàn)了額外的電阻時(shí),就形成了失超。

液氦

液氦的作用是保持超導(dǎo)線圈在超導(dǎo)狀態(tài),并保持真空腔的高真空狀態(tài)。由于空氣密度遠(yuǎn)大于氦氣,補(bǔ)加液氦過(guò)程中及補(bǔ)加后,確認(rèn)密封好所有接口,避免空氣下沉并被冰凍形成負(fù)壓倒吸。

液氮

液氮通過(guò)自身?yè)]發(fā)減低空間熱輻射,減少液氦的揮發(fā)消耗。由于空氣接觸到液氮時(shí)氧氣會(huì)被液化,補(bǔ)加液氮過(guò)程中及補(bǔ)加后,確認(rèn)密封避免負(fù)壓倒吸。

重要:空氣倒吸進(jìn)液氮或液氦腔會(huì)導(dǎo)致端口結(jié)冰被封閉,揮發(fā)的氣體不能正常釋出,形成超壓導(dǎo)致低溫液體沸點(diǎn)升高。液氦腔超壓可能直接導(dǎo)致失超。

真空

真空:隔絕周?chē)h(huán)境對(duì)液氮液氦的熱傳導(dǎo),由于液氦可以凍結(jié)真空腔內(nèi)多數(shù)氣體分子(游離的氦氣分子也會(huì)被吸附器捕捉),正常其可以維持在高真空狀態(tài),但當(dāng)液氦排空后,會(huì)進(jìn)入低真空狀態(tài)。

主場(chǎng)開(kāi)關(guān)

主場(chǎng)開(kāi)關(guān):由于超導(dǎo)線圈為近似零阻的閉合環(huán)路,安裝時(shí)我們需要通過(guò)加熱中間一小段超導(dǎo)線使其產(chǎn)生電阻,才可以將電流充進(jìn)超導(dǎo)線圈的主體部分。這一小段超導(dǎo)線和其上的加熱絲構(gòu)成主場(chǎng)開(kāi)關(guān)。其位置在超導(dǎo)線圈主體之上,充電完成后,關(guān)閉加熱,液氦會(huì)冷卻這段超導(dǎo)線從而整個(gè)超導(dǎo)線圈閉合并自持。

慢速失超

慢速失超:Opening Main Switch,為避免加熱時(shí)熱量傳導(dǎo),主場(chǎng)開(kāi)關(guān)位置略高于超導(dǎo)線圈主體,大約對(duì)應(yīng)液氦圖上標(biāo)注的minimum level during energizing,隨著液面下降,會(huì)較早的暴露在氦氣中,如果補(bǔ)加液氦時(shí)傳輸管沒(méi)有充分冷卻,熱的氦氣吹入可能導(dǎo)致這一部分出現(xiàn)電阻,或者是這里發(fā)生了磁通跳躍(參考下文)出現(xiàn)電阻,導(dǎo)致電流損耗加大,液氦揮發(fā)加速,鎖場(chǎng)失敗,形成慢失超,有幾率轉(zhuǎn)變成快失超。

快速失超

快速失超:Quench,是指超導(dǎo)線圈完全失去超導(dǎo)性,所有電流轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?,將液氦快速揮發(fā)掉(幾分鐘內(nèi)),常見(jiàn)于安裝過(guò)程中,由于導(dǎo)線受電磁力重新分布位移摩擦生熱出現(xiàn)。日常可能由于慢失超后液面下降至臨界值或者線圈主體發(fā)生了磁通跳躍(參考下文)導(dǎo)致,此過(guò)程中線圈主體的溫度會(huì)急劇升高,當(dāng)液氦面較低時(shí),有幾率導(dǎo)致磁體報(bào)廢。

失超處理

失超處理:當(dāng)發(fā)現(xiàn)慢失超時(shí),請(qǐng)立即聯(lián)系布魯克售后服務(wù)團(tuán)隊(duì)。工程師可以通過(guò)連接電源,使電流不再流經(jīng)主場(chǎng)開(kāi)關(guān),其會(huì)逐漸冷卻再次進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。當(dāng)電源不能及時(shí)到位時(shí),應(yīng)連續(xù)補(bǔ)加液氦避免出現(xiàn)快失超。當(dāng)工具和液氦都無(wú)法及時(shí)到位時(shí),或者突發(fā)的快失超,首先注意避免人員窒息,待失超完成后檢查各個(gè)閥門(mén)閉合,如果沒(méi)有液氦剩余,需排空液氮,因?yàn)檫@時(shí)的真空已經(jīng)變差,磁體表面及內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜等現(xiàn)象,應(yīng)關(guān)機(jī)并取下探頭,勻場(chǎng)線圈等附著配件,以減少損失。

失超后原因分析

失超后原因分析:只需要排除補(bǔ)加時(shí)操作不當(dāng),檢查磁體內(nèi)部沒(méi)有結(jié)冰,以及確認(rèn)了液氦補(bǔ)加周期和純度,(請(qǐng)液氦供應(yīng)商提供失超前最近一補(bǔ)加對(duì)應(yīng)批次液氦的出廠質(zhì)檢報(bào)告,如下圖),基本可以界定是磁通跳躍導(dǎo)致的失超,或稱(chēng)自發(fā)失超。絕大多數(shù)失超后的磁體可以再次成功安裝并穩(wěn)定工作。

圖片

?我們?cè)谶@里為大家介紹兩個(gè)電磁學(xué)概念,您也可以自行搜索相應(yīng)關(guān)鍵詞了解。

磁通釘扎

磁通釘扎:Flux Pinning,是指超導(dǎo)體量子磁通線被缺陷或其他各種勢(shì)阱所束縛的狀態(tài)。磁通線是二類(lèi)超導(dǎo)體中有磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的一根一根磁力線束。但超導(dǎo)材料中總有一些缺陷,使得磁通線剛好處于這些缺陷位置時(shí),系統(tǒng)的總能量最低,因此磁通線會(huì)被束縛住,這個(gè)現(xiàn)象叫磁通釘扎。

磁通跳躍

磁通跳躍:Flux Jumping,由于漲落效應(yīng),磁通線總是在其平衡位置周?chē)鳠o(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。被束縛的磁通線受到洛倫茲力作用可能會(huì)定向運(yùn)動(dòng),并在其正常芯及其周?chē)懦鰺崃?,超?dǎo)體就會(huì)有電阻出現(xiàn)磁通運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致有能量損耗,由于磁熱效應(yīng),能量損耗又導(dǎo)致局部升溫,局部升溫導(dǎo)致該處釘扎效應(yīng)降低,釘扎效應(yīng)降低又導(dǎo)致磁通進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。循環(huán)往復(fù),少量緩慢的磁通運(yùn)動(dòng)引起大量的、迅速的磁通運(yùn)動(dòng),如同雪崩,即稱(chēng)磁通跳躍。這種特性是二類(lèi)超導(dǎo)體的固有特性,其可以導(dǎo)致局部突然出現(xiàn)電阻,如果出現(xiàn)在主場(chǎng)開(kāi)關(guān)處,會(huì)導(dǎo)致慢失超,如果出現(xiàn)在線圈主體,會(huì)導(dǎo)致快失超。

 

布魯克BioSpin提供專(zhuān)業(yè)的液氦補(bǔ)加服務(wù),以及包含有磁體失超恢復(fù)的LabScape Connect合約。我們推薦用戶接入全球磁體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),及時(shí)發(fā)現(xiàn)磁體問(wèn)題。

 

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