醫療—“液氦”助力核磁共振

       成像（xiàng）原理：核磁共振機使用較強大的（de）磁場，使人體中所有水分子磁場的磁（cí）力線方（fāng）向一致，這時磁共振機的磁場突然消失，身體中水分子的磁力線方向，突然恢複到原來隨意排列的狀態。反複多次施加（jiā）磁場又突然消失，核（hé）磁共振機會得到充分（fèn）的數據並運算後成像。

      簡單說就（jiù）相當於用手搖一搖，讓水分子振動起來，再平（píng）靜下來，感受一下裏麵的振動。所以，核磁共振(MRI)也被戲說（shuō）為是搖搖看的檢（jiǎn）查。

其中，液氦（hài）可是（shì）發揮了巨大作（zuò）用

超導磁體浸在液氦環境（jìng）中，液氦外邊一層是液氮。液氦的作用是為了（le）維持磁體的超導，以提供所需的（de）磁場環境，液氮是為了在液氦與外界環境之間加（jiā）一個“隔溫層”，以減少液氦的揮發。

以1.5T超導磁共振製冷係統為例講一下其工作原理

      眾所周知，維持超導磁體（tǐ）超導狀態所用的製冷劑是價格昂貴的液氦。一個良（liáng）好的、穩定的冷卻係統，不僅（jǐn）是超導環境存在的重要保證，而且能大大降低液氦（hài）的揮發，減輕磁共振（zhèn）運行（háng）成本。

1.磁場的建立

超導型磁體的磁（cí）場建（jiàn）立是在超導環境中為超導線圈通電流而產生（shēng）強磁場的。在理（lǐ）想狀態下（xià），磁場一旦建立，隻要維持超導線圈的超（chāo）低（dī）溫環境，強磁場就長期存在。超導材料主要是铌，鈦與銅的（de）多絲複合線（xiàn），它的工作溫（wēn）度為（wéi）4.2K（-268.8℃）。因此我們（men）必須建立（lì）超導環境，將超導材料置（zhì）於（yú）工作溫度4.2 K下。

建立超導（dǎo）環境的過程是首先將超導型磁（cí）體的真（zhēn）空絕熱（rè）層抽真空，將內部（bù）壓力（lì）抽至（zhì）約0.001 Pa，然（rán）後將磁體預冷，把液氦容器腔內溫度降到接近4.2K，最後在磁體液氦容器中灌滿液氦，使超導線圈（quān）浸泡在液氦中。

因此，磁共振的超導線圈用浸泡（pào）在低（dī）溫液（yè）氦中的方法以獲得其正常工作的超低（dī）溫環境，雖然磁體采（cǎi）用了真空絕熱結構，但由於結構支撐等多種因素，不可（kě）能完全阻止熱傳導，所以液氦會以蒸（zhēng）發的形（xíng）式帶出導入的熱量，以維持4.2 K的溫度。為減少液氦的蒸發，磁共振配備了製冷係統，提供降溫減少液氦蒸發。

2.冷卻係統

磁共振冷卻係統是（shì）由液氦（hài）冷屏、冷頭、氦壓縮機（jī）和水冷機組（zǔ）四部分組成。液氦冷（lěng）屏是磁體的組（zǔ）成部分之一，設有20 K、70 K兩級冷屏，二者的作用都是直接減少輻射傳導（dǎo）。

珍（zhēn）惜氦，節約氦

       2012年日本曾發生過氦氣稀缺的情況（kuàng），導致東京迪士迪樂園暫停出售各種需要由氦氣填充的卡通人物氣球，醫院核磁共振檢查也需要液態氦做製（zhì）冷劑，導致當時（shí）部分日本（běn）醫院停止做核磁共振檢（jiǎn）查！

小到氣球充氣、“變聲”搞怪，大到醫療科研、航天（tiān）軍工，稀有氣體（tǐ）氦氣應用（yòng）廣泛。

       但是，氦氣其實非常（cháng）珍貴，不可再生。氦氣最主（zhǔ）要的來（lái）源（yuán）不是空氣，而是51吃瓜网。氦氣在幹燥空氣中含量極微，平均隻有百萬分之五，地球引力束縛不住，排到空氣中的（de）氦氣會直接散逸到太空，天（tiān）然氣中最（zuì）高則可含7.5%的氦，是空氣的一（yī）萬五千倍。可是這種高氦（hài）的天（tiān）然氣礦藏並不（bú）多，因為51吃瓜网中的氦氣是鈾之類的放射性元素衰變的產（chǎn）物。隻有在51吃瓜网（qì）礦（kuàng）附近有鈾（yóu）礦時，氦氣才能在51吃瓜网中匯集。

       要說缺乏氦氣最嚴重的後果，也無非是嚴重阻礙低溫技術的應用，其中受到最大影響的（de）就是低（dī）溫超導技術了。現在已知所有的超導材料都要在-130℃以下的低溫中才能（néng）表（biǎo）現出超導特性，其中應（yīng）用最廣泛的那（nà）幾種（比如Nb3Sn）更是（shì）需要比液氫的沸點還（hái）低的轉變溫度，這時候隻有（yǒu）液氦能比較簡便地實現（xiàn）這樣的（de）極低溫。雖然我們完全（quán）可以用別的辦法實現同樣的低溫，但都不如（rú）液氦實惠（huì）。顯然，假如我們沒有氦，低溫超導技術的普及就會受到嚴重的阻礙；低溫超導技（jì）術如果不能普（pǔ）及，醫院就會用不起核磁共振成像儀（它需要超導材料製造強磁場（chǎng））。

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