62 V acuum　&　C ryogen ics 1997年3月液氮冷却技术在超导磁体中的应用吴远宽(核工业西南物理研究院,四川乐山614007)(收稿日期1996—08—15)APPL I CAT I ON OF L N2COOL ING TECHN IQUE INSUPERCOND UCT INGM AGNETSW u Y uankuan(Southwest I n stitute of Physics,Nuclear M i n istry,L eshan614007)Abstract:In th is paper,the sufficien t p recoo ling of superconducting m agnets of M R I facility in LN2and dain ing m ethods of LN2befo re L H e tran spo rtati on are described.It is of qu ite i m po r2tan t econom ical sign ifance to m aster co rrectly the p recoo ling m ethod fo r reducti on of the first L H etran spo rtating amou t fo r p recoo ling.Keywords:P recoo ling,Superconducting m agnet,D ecomp ressi on,N uclear m agnetic resonancei m age.:介绍了核磁共振成像设备中超导磁体在液氦输送前,磁体在液氮中进行充分预冷以及液氮的排出方法。

掌握正确的预冷方法对减少第一次液氦输送预冷量有重要的经济意义。

关键词:预冷、超导磁体、减压制冷、核磁共振成像。

要获得低温液体,需要消耗很多能量,沸点越低,消耗的能量越大,生产越困难。

常用的低温制冷剂主要有,液氢(L H2)、液氦(L H e)、液氮(LN2)等。

L H2虽然具有资源丰富、污染小和燃烧率高等优点。

但氢的着火能很小,氢、氧混合物的燃烧极限和爆炸极限都很宽,L H2在生产、贮存、运输、输送和使用存在着燃烧和爆炸危险。

采用L H2作制冷剂不安全因素较多,稍一疏忽就会发生燃爆事故,一般很少使用。

L H e具有温度极低,使用安全,制冷效果好,已广泛地应用于低温超导技术。

但由于液氦价格贵,生产、贮存、运输、输送、脏氦气纯化比较困难,氦气(GH e)极容易泄漏,L H e使用时间、地点受到限制。

LN2具有使用安全、无腐蚀、输液操作简单、成本低、氮气(GN2)资源十分丰富,容易获得等优点。

GN2直接放空,目前已广泛应用到高温超导研究、低温生物学,在低温实验中用LN2预冷大型试件和核磁共振成像(M R I)超导磁体,收到了十分好的预冷效果。

1　预冷方法无论低温容器本身和其中被冷却的物体(超导磁体)质量大小,未经LN2充分预冷就直接采用L H e预冷是不经济的。

在给中国环流器一号(HL21)受控核聚变实验装置的电子回旋共振加热系统建立4.0T磁场过程中,超导磁体(几十公斤)和容器没有经LN2预冷,而直接采用L H e预冷超导磁体和容器。

用200多升液氦还不能把磁体和容器内壁从常温降到L H e温度。

由于L H e的气化潜热比LN2小得多,因而L H e的气化潜热在输液过程中得不到充分利用。

在L H e 输送过程中,容器内压力不允许超过0.05M Pa ,大量冷GH e 经回收系统管道回收,冷量被浪费,使Υ40mm ×2mm 紫铜管外壁严重挂霜(长约18m ),造成经济损失。

后来只好再用LN 2(约120L )将超导磁体和容器输满,预冷静泡8h 。

LN 2冷量充分被磁体和容器内壁吸收,排出LN 2并用GH e 清洗抽空处理二次。

输入L H e 预冷磁体和容器,只用L H e 55L 就将磁体及容器的内壁降到4.2K ,磁体线圈电阻从1508降到08。

输满容器共用L H e 90L 。

在正常使用情况下,当容器内L H e 液面高约80mm 时,需用L H e 45L 才能将容器输满到270mm ,容器净存L H e 25L 。

0.5T 、1.0T 、1.5T 核磁共振成像设备,其超导磁体及有关结构重达几吨。

在第一次输送L H e 前必须在LN 2条件下进行几十小时到100多小时充分预冷(静泡),然后再排出LN 2用GH e 清洗处理后方可输入L H e 。

一般LN 2预冷方法有三种,小试件小质量采用间接预冷,大质量物体采用直接浸泡预冷。

在某些条件下还可采用减压制冷方法,更进一步提高制冷效果。

1.1　间接预冷在玻璃外杜瓦中灌入LN 2,在内杜瓦中充入GH e 约0.01M Pa (表压)。

借助GH e 分子来传导外杜瓦中LN 2冷量,一般经24h 达到冷却内杜瓦中小试件的目的。

1.2　直接浸泡预冷在预冷大质量试件和超导磁体时,需要采用大量LN 2直接浸泡,经充分冷却,使其内部达到(接近)LN 2温度。

例如,M R I 1.0T 设备,超导磁体及有关结构重达几吨,采用2000多升LN 2预冷,浸泡80～120h 便可达到LN 2温度。

1.3　减压制冷在用LN 2直接浸泡预冷过程中,LN 2排出前可采用减压致冷方法,更进一步提高LN 2预冷效果,充分利用LN 2冷量,使磁体(试件)温度低于77K ,以减少L H e 预冷损耗。

在减压过程中,通常采用抽速比较大的真空泵抽2～7h 。

要求抽空管道要长一些,管直径大于20mm ,防止过冷GN 2进入真空泵影响抽空。

2　超导磁体输液氦前预冷重庆两家医院都引进德国西门子公司相同型号(O XFO RD 1.0T )M R I 设备,在L H e 输入前磁体采用相同制冷剂,采用不同预冷时间和方法,预冷结果如表1所示。

表1　M R I 设备磁体预冷情况单 位磁场强度 T预冷介质LN 2预冷量L预冷时间 h减压时间 h L H e 预冷磁体用量 L重庆市第三人民医院1.0LN 2200082—850重庆第三军医大学三附院1.0LN 220001085615从表1可以看出,同一厂家相同型号的超导磁体,均采用LN 2直接浸泡。

由于预冷时间不同,采用108h 预冷和减压抽空5h ,要比直接浸泡82h 预冷方法节约20%L H e 。

3　M R I 设备内预冷液氮的排出重庆市第三人民医院M R I 设备低温系统结构如图1所示[1]。

72吴远宽　液氮冷却技术在超导磁体中的应用图1　M R I 设备低温系统结构图　1-M R I 设备;2-冷头;3-冷箱;4-L H e 输液管;5-减压管;6-压力表;7-单向阀(调试时取下);8-三通管;9-三通旋塞阀;10-波纹管;11-低压回气管;12-绝缘回气管;13-爆破膜;14-连接法兰;15-放空管西门子公司工程技术人员采用我们的合理建议,很顺利地排出LN 2。

建议如下:1)用GN 2代替GH e 向M R I 容器内增压;2)从设备减压管口加入纯GN 2,关闭各回气管阀门,使M R I 容器内压力增压到13×104Pa 。

在增压过程中,使用GN 2约4m 3,50多分钟后即有LN 2从M R I 设备输液管口排出,约45m in ;3)将压力为0.03M Pa 的GH e 从输液管口充入,密闭容器各回气管道,使M R I 容器内压力达到0.05M Pa (表压)。

打开回气管道,将清洗GH e 与GN 2混合气抽空30m in 。

清洗二次让容器保持0.01M Pa GH e 压力待用。

在用L H e 预冷磁体和输满容器过程中,总共回收GH e 948m 3,收到了好的回收经济效益。

图2　M R I 设备低温系统结构图1-M R I 设备;2-冷头;3-冷箱;4-L H e 输液管;5-减压管;6-爆破膜;7-放空箱;8-放空管道;9-压力表;10-单向阀(调试时取下);11-三通旋塞阀;12-波纹管;13-低压回气管;14-绝缘回气管重庆第三军医大学三附院的M R I 设备的低温系统结构如图2所示。

西门子公司北京医疗部工程技术人员在排出M R I 设备内LN 2过程中,用了约40m 3GH e 还不能将容器内增压到13×104Pa的容器内LN 2排出。

经过我们认真分析检查,找出原因,排出故障,只用了5m 3GH e 就将容器内压力增到13×104Pa ,使容器内LN 2顺利从L H e 输液管口排出约1.5h 、排出LN 2约400多升。

参照重庆第三人民医院M R I 设备清洗方法处理,保证了L H e 正常输送,满足了使用需要。

4　结语在预冷大型试件或超导磁体时,正确地选用LN 2预冷方法是十分重要的。

相同厂家、相同型号的M R I 超导磁体,若用相同的LN 2介质预冷,采用较长时间预冷和减压抽空制冷方法,要比时间短普通浸泡预冷节约L H e 预冷量约20%,收到了明显的经济效益和社会效益。

参　考　文　献1　吴远宽.M R I 设备氦气放空管道和回收系统的研制.低温工程,1995(1):17作者简介:吴远宽,核工业西南物理研究院低温工程中心副主任。

工程师,四川省制冷学会会员。

20多年来,在低温应用技术研究工作中取得多项重要科研成果。

先后在国内外发表论文20多篇。

82 真空与低温 第3卷第1期。