核磁共振停機的為什麼會造成巨大損失？

01-04

最近關於核磁共振的問題很多，也看到很多專業人士科普核磁原理。但是大家都說另機器停機需要斷電（很好理解），排出液氮或液氦，這就不能理解了。液氦的作用是降溫來實現超導，斷電之後內部沒有電了自然沒有磁了，與超導不超導有什麼關係？難道維持低溫不給電也會有磁場？？？請大神解釋一下排氦升溫的必要性，從物理學角度就好，我不關心核磁是怎麼檢查人體這種醫學問題。

超導磁體是個很大的電感(幾十到上百亨)，通過的電流也很大(幾十到幾百安培)，因此正常運行時儲存了大量的磁場能。以100H、100A為例，儲能為E = 1/2 L*I^2 = 0.5MJ。

磁體正常勵磁和退磁都必須以很慢的速度進行，避免金屬結構件中產生渦流發熱。退磁時儲存的磁場能大部分會釋放回磁體電源。

但出現緊急情況需要強行退磁時就沒辦法了，相當一部分磁場能會被磁體內部的阻尼二極體/阻尼電阻吸收，這個過程大量發熱，會使液氦大量氣化、磁體內部壓力升高。

雖然液氦浸泡式的磁體一般都配有氦氣再液化系統，靠制冷機把蒸發出來的氦氣重新液化，但低溫下制冷機的製冷能力也很有限，沒法在短時間內液化大量的氦氣，所以只能打開泄壓閥把氦氣放掉一部分。這個損失就大了。

在@張浩基礎上添加一點吧。

1.產生高場的是磁體內部的高匝數線圈

2.高場的工作電流預計在500A左右（視廠家和線圈設計而異）

3.線圈在磁體內部的固定方式非常脆弱，你可以理解為是一個重物靠幾根非導熱性鏈條懸掛在一個大孔腔內（避免接觸導熱）

4.電流的跳變會產生安培力，導致線圈內的繞線間產生相互作用力，嚴重時使線圈徹底報廢（這個嚴重只要使部分繞線產生錯位就可以達到了，精密繞制，可以理解為磁體線圈就是核磁設備的核心部件，一壞基本整套設備就報廢了）

在以上前提下，高場超導核磁設備的退磁過程只能通過外加電阻環路，使原先的閉環超導環路斷開，進行小速率的去電流過程，這個過程異常漫長。

這個外加的電阻環路必然產熱，而對於液氦4k的沸點而言，任何高於室溫的熱源對它都是一顆小型炸彈，雖然在退磁過程中只有外部電阻環路的兩個節點和磁體相連接，這個熱量對其也相當可觀，而且不同廠家的磁體設計基本都是低壓磁體容器，氦液態：氣態可能有四百多的比例，基本再紮實的容器也得被高壓擠爆了。

所以在退磁過程中還會有專門的旁路進行泄壓。

綜合上述三點：慢速退磁+持續的熱量+為泄壓一直開啟的旁路=高液氦損耗。

另，其他答案中也有提到，液氦屬稀缺的不可再生資源，目前工業技術水平沒法直接從空氣中分離高純氦，只能從油田裡分離，而且比較不好意思的是，這個技術目前只有美帝等國家有，供求關係決定價格。

每次看到這樣的問題和回答都有一種科普的急切感。

仔細看了問題和答案，都不令人十分滿意。

說不上實名反對，下面說說我的看法。

第一個答案，這回只是卸磁勵磁造成一點液氦損失，沒有人開電爐子。

第二個答案，沒那麼嚴重，損失10%左右吧。

還有個答案，西門慶每次卸磁都把液氦全放掉，這很奢侈，大官人都用這一招來招呼了？浙大的錢甭燒了，趕緊建個液化站吧。

《但是大家都說另機器停機需要斷電（很好理解），排出液氮或液氦，這就不能理解了。》

題主的疑惑估計是，有人告訴他：鐵磁性物體被吸入磁體孔徑或端面-----人力難以拉出來------需要卸磁（原文：機器停機斷電）----消耗低溫工質（原文：排出液氮或液氦）---------再勵磁繼續使用。

這裡可以肯定的是，這個流程是基本正確的。實際上還會在勵磁之後填充一些液氦。

幾點需要說明：

1. 低溫工質。現代超導磁體因為製冷技術的發展，從1990『s 開始，已經淘汰液氮夾層，或稱液氮冷屏。所以一般來講，除非見到超期服役的古董，不用再添加液氮。

2.斷電。超導磁體在正常運行中的供電，是給液氦壓縮機和冷頭工作用的。可以簡單理解成如果維持冷凍室溫度，就要給冰箱壓縮機。那麼斷電呢，可以想像成家裡停電冰箱會怎樣。液氦腔會升溫，液氦會蒸髮帶走熱量。這裡一般都是被動斷電，電網或其他故障，非人為主動斷電。

3. 此文問題中的斷電，題主的原意按照邏輯來理解應該是給超導線圈斷電，實際上這成為卸磁或降場。這裡需要說的是，不存在一個簡單的開關，關了就沒電沒磁了。

如果有，那就是電爐子開關。

《液氦的作用是降溫來實現超導，斷電之後內部沒有電了自然沒有磁了，與超導不超導有什麼關係？難道維持低溫不給電也會有磁場？？？》

這裡有必要簡單解釋一下勵磁原理：

1. 超導線圈浸泡在液氦腔里，達到超導態。

2. 將電阻打開加熱，線圈局部失超，此時加外加電源，電流開始在線圈內運轉。

3. 關閉電阻，失超的局部線圈回覆超導態，拔出電源引線，電流形成封閉迴路，從此永不停止的運轉產生磁場。

4.卸磁反過來。

這也就是說，產生磁場的電流，在初始時勵磁之後，不需要繼續供電。也就是說主磁場一直在，無法隨心所欲的想開就開想關就關。

那麼真正想關的時候怎們辦？比如，輪椅的主人還在磁體里，輪椅把他呼上了，拉不出來。

正常的卸磁需要打電話給廠家或服務商，加上幾個小時，等不及了。

磁體里有電爐子，急停按鈕一按，電爐子全開，線圈失超，電能變成熱能，對了，液氦蒸發正好帶走熱能，不然線圈都變成保險絲燒斷了，也就報廢了。

停電了，電爐子不管用怎麼辦？暖水瓶有個真空層，磁體也有，把他打破，讓300K室溫直接蒸發液氦，物理的妙用。

所以應該不難理解，勵磁和卸磁過程中，超導電流引線會傳導室溫300K到液氦腔4K，因此會損失一部分液氦。

至於液氦貴還是不貴，作為低溫工質，挺貴的。不是充氣球的。4K情況下所有氣體都成冰了，因此一定要保證氦純度，否則前功盡棄。

張浩同學已經分析的很到位了，我想補充一條，根據我的理解，緊急排出氦氣的話是直接排到空氣中散掉的。但是氦可是很稀有的很貴的，不可再生資源，空氣里沒有，因為地球引力束縛不住，排到空氣中的氦氣會直接散逸到太空。工業用的氦氣只能從某些天然氣田裡提取，氦氣在某個天然氣田中的含量完全看臉。世界上最大的氦氣生產國是美國，前幾年佔到全球總產量的78%，一度占市面上公開交易量的90%，近些年阿爾及利亞，卡達等也發現了氦氣田，卡達目前的產量大概佔25%左右。

中國只佔全球總產量中極小的一部分，絕大多數需要進口，所以各個科研院所都在拚命地做氦氣回收再利用。比如我在的研究所整棟大樓每個房間都有氦氣回收管道，然後架幾百米的管道通到再液化裝置，不能浪費一點。

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貌似評論區都在撕逼究竟什麼叫貴的問題，根據百度的數據液氦現在人民幣大概在 $10^2$ 元每升的量級，也就是百元量級，大家說好便宜啊，你不是在聳人聽聞嗎？這個可以分兩方面來解釋

環比其他氣體，液氮，液氧，液氫。氦氣就很貴了吧 ~ 當然你要是跟氦3或者其他的什麼同位素氣體放射性氣體比的話當我沒說。
用量，根據 @北峽灣的風的描述，結合我臨時google的數據，醫用MRI（非物理實驗用MRI）需要的液氦在1000升以上，一乘就很貴了吧。事實上世界上25%的液氦產能是專門供給各地的MRI的。

更開眼界的用量也有的，比如合肥科學島上的EAST托卡馬克，或者比如在建的國際熱核聚變反應堆項目（ITER）。暫時沒有搜到線圈冷卻系統的具體容量，冷卻腔尺寸大小是29米x29米，超導線圈9米x17米，從新聞EUR 83 million contract signed for Liquid Helium Plant可以看到， ITER的冷卻系統每小時液氦產量是12300升，需要一棟專門的冷卻廠。

所以大家還是少吹幾個氦氣球吧，要不然ITER就沒有氦用了。

一年多了， @倪大業的答案贊居然還這麼少，知乎人到底是帶腦子進來還是帶屁股進來？

看著科學大神們一本正經的談科學，談著談著突然插進幾句段子風格的，感覺很怪異。

例如：「對於液氦4k的沸點而言，任何高於室溫的熱源對它都是一顆小型炸彈」。對於4k的液氦來說，300k的室溫相對290k（常溫），有啥大差別？怎麼就是小炸彈了？

溫度的本質是什麼？是粒子的熱運動！

實際上對於低溫，C不是合適的單位。溫度其實是個對數值的倒數。

描述物質粒子熱運動的另外一個量就是熱容。

對於固體來說，當溫度低於德拜溫度的時候，熱容將遵循量子規律，而與熱力學溫度的三次方成正比，隨著溫度接近絕對零度而迅速趨近於零，後一結論又稱為德拜定律。

在那個問題，雖然液氦依然不是固體，但是，合適的單位依然是K（開爾文）

0.1K跟1K，差了10倍。

所以從4K到290K，跟4K到300K，沒啥大差別。

"大量的磁場能。以100H、100A為例，儲能為E = 1/2 L*I^2 = 0.5MJ"

1、這能量在多快的時間內釋放出來？

2、這能量有多大？

第一個問題，為什麼要快速卸磁？患者生命垂危，急需拉出來搶救？

第二個問題，大家習慣了mJ（毫焦耳）這個單位吧？

點火能量是論mJ的，MJ級的如果變成電火花，這確實可怕，如果是靜電放電，嗯，這不可能是靜電放電，這是閃電放電。

被MJ(百萬焦耳）這個單位嚇怕了吧？

一公斤汽油燃燒的熱量是46MJ。

100H電感100A電流的能量，就是10克汽油燃燒的能量。

大巴車的車百公里油耗是多少？

大家坐大巴是否坐在炸彈上？

外行強答一個，從其他回答對退磁上磁過程的描述來看，這麼複雜高風險的操作的花費不會比液氦的錢少。上完磁後把磁場調勻高技術的複雜工作。

另外按其它答案中的上限算，2000升 300塊/升的液氦也不過60萬，比維修價格還是少了半個數量級。

正好昨天參觀了位於浙大求是高等研究院的7T核磁共振儀，是國內繼中科院的第二台7T，現在一般醫院用的最高的是3T，每次消磁，都要把氦氣放掉，而重新抽一次氦氣，現在西門子給的報價的是一百二十萬。

大部分人都在答非所問，題主想知道的是從物理原理解釋為什麼不是『沒有電就沒有磁』。目前就只有最高票答案摸到了一點邊，但能量的角度來解釋還是太抽象了。作為物理人來科普一下：

首先為什麼題主會有『有電（源）才有磁』這種印象呢？因為普通導體和超導的性質是不一樣的。有電（動勢）才有磁只對普通導體適用。

還記得牛頓第一定律嗎？雖然不是一回事請，但認知的過程其實很相似。如果只是觀察日常的現象，會認為『力是物體運動的原因』。但其實這種認知是因為任何宏觀物體都是有摩擦力的，常溫狀態下的導體，就好像我們日常生活中各種有摩擦的平面。電子必須要有外力的推動，才能持續運動下去，產生電流和磁場。

而超導體內部就像是物理題當中的光滑平面，電子就像光滑平面上的小滑塊，不需要外力（電源產生的電場）也能高速運動。而這種運動產生了我們需要的磁場。可以想像正常狀態下的超導磁體內部，是一條光滑沒有阻力的高速公路，無數的電子在公路上盡情的飆車，儘管沒有任何動力，但飆車還是可以歡快的持續下去……

在外人看來，這條公路風平浪靜，什麼事也沒有發生。但其實公路上的每一輛車，都攜帶了足以撞塌一堵牆的巨大能量，只是沒有途徑釋放出來罷了。

那麼這時候我們升高溫度退出超導會發生什麼呢？想像這個理想的高速公路，突然從光滑狀態變成了有摩擦的狀態！而且因為升溫的過程不可能是完全均勻，所以公路的一部分出現了摩擦力的時候，另一部分還在光滑的高速飆車。

那麼這個時候整個高速公路就會變成可怕的車禍現場……載流電子飆車攜帶的巨大動能撞在一起，再撞到晶體內的其他原子核和電子，最後宏觀表現的就是整個導體內部突然釋放出了一股巨大的熱能。

然後後面的事情就是其他答案講到的部分了。

系統停電並不意味著就一定有損失，看你停多久。

1.系統電源斷電不意味著製冷系統斷電，磁共振系統製冷設備都有獨立電源供電，獨立電源正常，就不會跑液氦。

2.當製冷系統（水冷機｜氦壓縮機）停電不能工作時，磁體溫度會慢慢上升。只有當壓力達到一定程度後才會真正跑液氦。當然液氦跑的很慢，你停三四個小時基本沒啥損失。需要關注的是線圈是泡在液氦里的，液氦溫度上升到線圈所能承受的溫度時會有失超風險，這時候才會出現你提到的損失慘重的可能-液氦大部分噴出來。當然你有至少不少時間恢複電力或者接備用電源，一般醫院都有備用發電機，不然停電了手術咋做。

車都推進去了，還有啥進不去(?_? )?(((((((っ′Ι`)?

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