В кабинете магнитно-резонансной томографии (МРТ) сверхпроводящий магнит устанавливается в центре экранированной комнаты, клетки Фарадея, защищающей аппарат от помех со стороны внешних электромагнитных полей. Обычно это заземленная клетка, изготавливается из хорошо проводящего материала, например, медной фольги.

Чтобы магнит находился в сверхпроводящем состоянии, необходимо поддерживать его температуру 4.2 градуса Кельвина, -269 градуса Цельсия, что достигается за счет использования жидкого гелия. Для того чтобы снизить испаряемость дорогостоящего жидкого гелия до нуля, в современных магнитах систем МРТ устанавливается двухступенчатая криоголовка замкнутого цикла (cold hеad, криорефрижератор), позволяющий достигать температур ниже 4 Кельвина и, соответственно, ожижать испаряющийся гелий в магните.

За пределами клетки Фарадея устанавливается компрессор, необходимый для работы рефрижератора. Компрессор соединяется с криоголовкой посредством гелиевых магистралей высокого давления, прямого и обратного потока (Supply, Return). Гелиевый контур рефрижератора не связан с жидким гелием в самом магните. Первая ступень рефрижератора охлаждает тепловой экран, значительно снижающим теплоприток к жидкому гелию. Вторая ступень рефрижератора охлаждает теплообменник, который сжижает испаряющийся гелий обратно в криостат. Как правило, скорость сжижения больше скорости испарения гелия и если не принимать специальных мер, то давления в гелиевом объеме криостата станет отрицательным, что может привести к подсасыванию воздуха из комнаты в криостат.

Жидкий гелий имеет самую низкую температуру из всех существующих веществ, поэтому любые другие газы, попавшие в объем с гелием будут находиться в твердом состоянии, превратятся в «лёд», что крайне опасно. Для того, чтобы сбалансировать скорости испарения и сжижения гелия в криостате устанавливается автоматически управляемый нагреватель, который повышает скорость испарения гелия. Со временем производительность рефрижератора может снижаться, соответственно будет снижаться и мощность нагревателя. В некоторых моделях МРТ предусмотрено автоматическое отключение рефрижератора при снижении давления в магните ниже установленного уровня, что позволяет предотвратить образование льда.

В криостате МРТ с помощью нагревателя поддерживается избыточное давление в гелиевом объеме для предотвращения образования льда. Однако за длительный срок эксплуатации все же возможно образование льда внутри криостата. Наледь на теплообменнике криоголовки приводит к уменьшению скорости ожижения в сравнении со скоростью испарения, т.е. избыточный газ не ожижается и спускается через предохранительные клапаны, система начинает терять жидкий гелий.

Более опасна полная закупорка льдом сервисной горловины, через которую заливается жидкий гелий, сбрасывается избыточное давление, вставляются токовводы. В данном случае система подержания избыточного давления, при помощи датчика давления, измеряет недостоверные значения в объеме, расположенном наверху сервисной горловины (выше уровня льда). При этом в основном гелиевом объеме может образоваться избыточное давление выше предельного, что в конечном счете приведет к квенчу. При этом, существенна вероятность повреждения магнита, поскольку линия сброса испарившегося жидкого гелия закупорена льдом. К сожалению, закупорка горловины нередкое явление, поэтому некоторые модели МРТ снабжаются дополнительным аварийным сбросом давления (с дополнительной защитной мембраной), расположенным ниже уровня сервисной горловины.

При частичной закупорке сервисной горловины часто наблюдается значительное снижение эффективности перелива жидкого гелия при заправке МРТ, количество % уровня жидкого гелия с полного транспортного сосуда Дьюара.

Для удаления льда (de-ice) в большинстве случаев необходимо вывести магнитное поле из магнита, а после процедуры ввести его заново. Процесс ввода/вывода тока является довольно дорогостоящим.

Потеря жидкого гелия может быть связана со следующими факторами:

-          Недостаточная эффективность работы криоголовки (несвоевременная замена и её износ, наледь на рефрижераторе/ теплообменнике, недостаточное охлаждение компрессора рефрижератора).

-          Утечка газообразного гелия

-          Периодические отключения рефрижератора

-          Избыточный теплоприток к гелию за счет ухудшения вакуума

При первых симптомах снижения уровня жидкого гелия следует незамедлительно провести диагностику магнита специалистами. При снижении уровня до критического, около 40% (зависит от модели МРТ) высока вероятность квенча, при дальнейшем снижении уровня гелия – квенч неизбежен.

Следует помнить, что при неработающем рефрижераторе скорость испарения жидкого гелия составляет 3-6% в день, т.е. время, за которое магнит достигнет критического уровня измеряется днями.

Квенч (quench) – это переход магнита из сверхпроводящего состояния в несверхпроводящее, сопровождающийся превращением энергии запасенной в магните в тепло. Т.е. магнитного поля после квенча нет. При этом происходит интенсивное испарение жидкого гелия (сотни литров), приводящее к резкому увеличению давления в криостате с последующим разрывом предохранительной мембраны (burst disk). В некоторых моделях МРТ предохранительная мембрана может остаться целой за счет использования специализированного сбросного клапана.

Возможные причины квенча:

-          Нажатие кнопки аварийного вывода поля

-          Уровень гелия ниже критического

-          Неисправность (или подключение посторонних потребителей) в цепь заземления МРТ

-          Полная закупорка сервисной горловины

-          Посторонние предметы, попавшие на обмотку магнита (кусочек льда или изоляции).

Можно оценить, что в магните с индуктивностью 15 Гн и рабочим током 600 А запасено 2.7 МДж энергии. Учитывая теплоту парообразования гелия (20.2 кДж/кг), этой энергии достаточно для испарения 1070 литров жидкого гелия. Однако часть энергии расходуется на разогрев обмотки и элементов криостата, часть абсорбируется в защитной системе, поэтому при квенче испаряется меньшее количество гелия, но оно измеряется в сотнях литров.

Для того чтобы произошел квенч, достаточно чтобы небольшой участок сверхпроводника, порядка миллиметра, перешел в несверхпроводящее состояние. Далее процесс будет лавинообразным и необратимым. Порядок величины энергии, необходимой для перевода участка сверхпроводника в несверхпроводящее состояние составляет 10 мДж. Чтобы понять, что такое 10 мили Джоуль достаточно вспомнить, что такой энергией обладает тело массой 0.1 г (швейная игла), поднятое на 1 см над поверхностью земли. Т.е. падение швейной иглы с высоты 1 см на обмотку магнита достаточно для того, чтобы вызвать квенч. В магните МРТ обмотка защищена слоем бандажа, для перевода её в несверхпроводящее состяние требуется несколько большая энергия, однако кусочек льда, упавший на обмотку вполне может стать причиной квенча магнита.

В большинстве случаев после квенча разрушается предохранительная мембрана (burst disk). Необходимо всегда иметь запасную мембрану в наличии на объекте. В некоторых магнитах устанавливаются мембраны сразу двух типов: графитовая и металлическая. Новую мембрану крайне желательно установить сразу при нормализации давления после квенча. Следует отогреть все клапана сброса гелия и добиться стабильного положительного давления в криостате.

Для стабильной работы криогенной системы МРТ требуется её своевременное и профессиональное обслуживание, включающее в себя:

- Замену адсорбера в гелиевом компрессоре

- Замена криоголовки или её дисплейсера

- Дозаправка компрессора маслом и газообразным гелием марки 6.0.

- Промывка или замена гелиевых линий,

- Обслуживание внешней системы охлаждения, чиллера