摆脱液氦困扰？无液氦是真技术还是假噱头？

发布日期：2024/2/28

氦气，被誉为“气体稀土”，是高端工业制造领域不可或缺的重要资源之一，其在航空航天、船舶制造、核工业、导弹武器工业、低温超导研究、半导体生产等产业都发挥着极其重要的作用。尤其在超导磁共振产业领域内，液氦有着举足轻重的作用。

在传统的超导磁体腔体内，磁体制造者们会将超导线圈浸泡在液氦之中，使其能够快速带走超导线圈中的热量，稳定在超导状态。同时，其中一部分液氦会汽化成为氦气，而这部分氦气会在冷头的制冷下，重新转化为液态。

所以，在传统超导磁体的内部会同时存在着液态氦与气态氦两种形态，并且两者处于互相转换的动态平衡之中。而为了避免外界空气进入到磁体内部，通常在制造之初，磁体腔内的压力会比外界气压略高，而这种内外的压力差会使腔体内的气态氦从密闭的腔体中微量溢出，久而久之当磁体内部的氦泄露得多了，就需要补充液氦了。

鉴于全球氦资源的分布不均以及资源性短缺，如今的液氦价格飞涨，如何减少液氦使用量、降低对液氦的依赖是摆在各磁共振系统厂商面前不得不应对的挑战。

零液氦挥发技术

零液氦挥发技术最早始于2003年的西门子，其原理是通过冷头搭配致密均匀的磁体，并尽可能消除来自外界的热量传导、对流以及辐射，使得在磁体腔内填充的液氦获得均匀的温度空间，从而使得液氦的填充周期更长补充量更少。

零液氦挥发技术结构简单，温度稳定性好，能够为医院节省可观的运行成本。作为市面上最为成熟的技术，目前大部分磁共振系统厂商都已经在自己旗下的磁共振系统中应用了零液氦挥发技术。

但是要能够真正实现零液氦挥发技术的厂商却是屈指可数，大部分厂商设计制造的磁体普遍需要在3-4年后填充液氦以维持运行，还是会有少量液氦从腔体内挥发逃逸。要想真正达到“零液氦”挥发的理想状态或是无限接近，磁体不仅需要做到稳定性极佳，密封绝缘性一流，还需要致密均匀隔热工差至少要保持在毫米级以内。

无液氦填充技术

无液氦磁共振采用的是通过冷头传导冷却整个磁体，从而达到超导状态，它舍弃了液氦冷却方式中庞大的低温系统，虽然消除了潜在的液氦蒸发或喷射带来的失超危险，提高了磁体的安全性，但是由于目前在技术上的不完善，市场上采用低温制冷机代替液氦作为冷源的超导磁体系统之中，存在着诸多问题，首先是固体相对于低温液体，它的热导率有限，当制冷机与超导磁体之间的距离较远时，就会有磁体线圈的温度梯度较大，磁体稳定性较弱等问题^[1]。

另外无液氦磁共振的磁体腔内没有了低温液体作为热缓冲，主要是依靠巨型制冷机维持低温，这类制冷机价格昂贵且维护成本高昂，且一旦停电或者制冷链中某一个环节出现故障，在很短的时间内，整个磁体就有可能会因为升温而导致失超，后续如果要重新升场，更是需要一周甚至更长时间，其可靠性仍有待市场验证。

低液氦填充技术

低液氦填充技术是目前超导磁体技术领域最前沿的技术，也是公认的超导磁共振未来的发展方向。

通过特殊设计使超导线圈仅局部与液氦接触，利用冷头产生的冷量抵消系统热负荷，冷却蒸发的氦气以实现液氦零蒸发，从而持续维持线圈的超导状态。

低液氦超导磁体仅使用了极少量的液氦，整体更轻便，但是也正是因此，在设计之初就没有设置失超管，一旦发生失超，腔体内的液氦将大量汽化，密封的磁体会瞬间变成一个压力巨大的容器，有一定的安全风险。

另外由于其结构复杂，制造工艺难度较大，且存在复杂的低温输送问题，运行维护频率更频繁。目前能够实现并做到性能优秀的仅有少数几家，大部分公司目前仍在研发相关技术之中^[2]。

无液氦以及少液氦填充技术成熟且稳定的运用于市场还有很长的一段路要走，不成熟的技术急于应用于市场只会背离它的开发初衷，相信在不远的将来，通过广大科研开发人员们的努力，上述两项技术能取得突破性的进步，实实在在的解决液氦短缺所带来的桎梏，让真技术成为真福祉。

[1]吕秉坤,郭仁栋,徐冬等.低温脉动热管冷却超导磁体实验研究[J].低温工程,2023,(02):1-7.

[2]罗莹,李俊杰,吴向阳.12 T/50 mm无液氦超导磁体低温系统热分析[J].低温工程,2023,(06):82-89.