Начало бесконечности: история создания первой в мире коммерческой ЯМР-системы, не требующей пополнения запасов гелия.
В апреле 2013 года JEOL RESONANCE успешно выпустила первую в мире ЯМР-систему со сверхпроводящим магнитом с нулевым выкипанием. Здесь мы прослеживаем рождение этой эпохальной системы, которая преодолевает проблемы ненадежных и все более дорогих поставок гелия.
Постоянный шум
Хирото Суэмацу
Настроение на собрании было мрачным.
Проект по разработке системы ЯМР, не требующей заправки гелием, стартовал в 2011 году. Уже прошло 2 года, а шум в сигнале все еще присутствует. Были опробованы все методы, какие только можно было придумать, но источник шума, не говоря уже об эффективном решении, так и не был найден.
«Единственное, о чем я могу думать, это…».
Идея была довольно надуманной.
— Конечно, это не имеет к этому никакого отношения.
«Ну, возможно, но сейчас мы могли бы попробовать».
Руководитель группы разработчиков, генеральный менеджер инженерного отдела Хирото Суэмацу, вздохнул и покачал головой, слушая обсуждение. До крупной конференции, на которой планировалось анонсировать готовый продукт, оставалось всего несколько месяцев. Он был почти уверен, что объявление придется отложить.
«Гелиевый кризис»
Сильные магнитные поля, необходимые для создания условий для ЯМР, создаются сверхпроводящим магнитом. Магнит представляет собой электрический соленоид из специального металла или сплава и выдерживается при чрезвычайно низкой температуре, близкой к абсолютному нулю, для создания магнитного поля. Единственным хладагентом, который можно использовать для поддержания этого криогенного состояния, является жидкий гелий.
Однако получение гелия — непростая задача. Он может быть получен как побочный продукт природного газа. Поскольку его нельзя производить внутри страны, Япония зависит от импорта, при этом 95% поставок приходится на США. Кроме того, большая часть этих поставок поступает от BLM (Бюро управления земельными ресурсами США) и нефтяных месторождений ExxonMobil, одной из крупнейших мировых нефтяных компаний. Неблагоприятные обстоятельства в BLM или ExxonMobil могут немедленно привести к нестабильности поставок.
Фактически, летом 2012 г. Япония столкнулась с «гелиевым кризисом», когда завод Exxon начал плановое техническое обслуживание, растянувшееся на несколько месяцев. Но за этим последовала авария на заводе BLM, которая привела к внезапному ухудшению работы системы снабжения. В результате гелий исчез из запасов поставщиков газа.
Не только воздушные шары, наполненные гелием, исчезли из тематических парков, но и пришлось изменить планы многих производственных предприятий, где гелий незаменим для таких процессов, как очистка полупроводников и производство оптических волокон. Один за другим научно-исследовательские институты были вынуждены прекратить работу ЯМР.
Начало разработки
«Разве вы не можете построить систему ЯМР, которая не нуждается в заправке гелием?» крики были громкими. Но даже без проблем с подачей пополнение жидкого гелия в ЯМР-системе не только требует остановки прибора на часть суток, что мешает исследованию, но и является потенциально опасной процедурой, которая может привести к обморожению или другим травмам. рана.
ЯМР-прибор, не требующий заправки гелием, может полностью устранить такие неудобства.
В теории это не сложно. Когда жидкий гелий в резервуаре магнита ЯМР испаряется, образуется газообразный гелий. Если бы этот газообразный гелий можно было возвращать в резервуар в виде жидкого гелия вместо его выпуска, никогда не было бы необходимости пополнять запас гелия для сверхпроводящего магнита. Таким образом, чистый эффект – нулевое выкипание. Уже существуют системы МРТ для инспекционных приложений, которые включают в себя сверхпроводящие магниты того же типа со встроенным холодильным агрегатом. Однако для гораздо более точных измерений ЯМР мельчайшие вибрации, вызванные холодильной установкой, представляют собой проблему, поэтому практическая система ЯМР с нулевым выкипанием еще не была реализована. Однако в последние годы появлялись все более и более совершенные холодильные агрегаты, что увеличивало возможности.
Компания JEOL RESONANCE решила заняться этой проблемой в январе 2011 года. В апреле того же года было получено финансирование от Японской инновационной сетевой корпорации, расходы на разработку были заложены в бюджет, и разработка началась.
Невидимая вибрация
Проект продвигался гладко, и год спустя, в январе 2012 года, прототип системы был завершен. Однако, когда переключатель был включен, руководитель группы Суэмацу с трудом мог поверить в данные, которые он видел на мониторе.
Сравнение генерации бокового шума
«В сигнале была неожиданно сильная вибрация. За все годы, что я проработал инженером, я никогда не видел такого большого количества шума. Я думал, что это какая-то простая ошибка в электрической системе, например, неправильное напряжение или ошибка в этом роде».
Тут же все было проверено, отрегулировано и перепроверено, но результаты остались прежними. Все члены команды ломали голову.
Стало ясно, что проблема заключалась в крошечных вибрациях, вызванных холодильной установкой. Небольшие вибрации, вызванные работой холодильной установки, передавались на бак с жидким гелием, вызывая рябь, которая была обнаружена как шум; что многое было понято. Поэтому Суэмацу и его команда предприняли все возможные меры для подавления вибрации холодильной установки. В дополнение к использованию блока с очень небольшой собственной вибрацией, в разъемы были встроены демпферы, чтобы поглощать даже малейшие колебания. Он должен был подавить вибрацию до приемлемого уровня.
Но все равно осталось.
В дополнение к производителю сверхпроводящих магнитов, JASTEC (Japan Superconducting Technology Inc., многолетний деловой партнер), были проведены консультации с экспертами по механической вибрации, и в течение следующего года конструкции 5 раз подвергались серьезным изменениям. Тестирование, включая тонкие настройки, проводилось много-много раз.
Несмотря на эти усилия, шум не был устранен. Почти до ума, предложение на одной из бесчисленных встреч было чем-то, что никто не рассматривал – «невидимая вибрация».
Революция только началась
«Кажется, что всегда возникает вибрация из-за конфигурации системы, но на самом деле она незначительна. Мы никогда не думали, что такая мелочь может иметь такой эффект».
Почти не рассчитывая на успех, конструкции менялись в 6-й раз.
Но это сработало — шум был подавлен прекрасно.
С этого момента дела пошли быстро.
В проект был добавлен дополнительный персонал для проведения оценок и создания приложений. Разработка продукта шла бешеными темпами. В апреле 2013 г. на крупнейшей ЯМР-конференции в США была анонсирована система ЯМР ZB400, не требующая подпитки гелием.
Исследовательские центры по всему миру борются с нехваткой гелия. Хотя все еще приветствовали достижение ZB400, рынок начал размещать заказы уже в мае. Дела идут хорошо.
К сожалению, нехватка гелия — это не временная ситуация, скорее всего, в будущем она станет хронической проблемой. Недавно была внедрена технология добычи сланцевого газа (без гелия), поэтому использование заводов, работающих на природном газе, сокращается. Гелий, доступный на заводах по производству природного газа, составляет лишь небольшой процент, поэтому маловероятно, что заводы по производству природного газа будут эксплуатироваться просто для извлечения гелия, что добавляет больше причин для беспокойства о будущих поставках гелия. В дополнение к сокращению производственных мощностей спрос на гелий растет, особенно в связи с дальнейшим увеличением производства полупроводников в Китае и Корее. Это еще больше увеличивает давление на доступность поставок гелия в будущем.
В этих условиях выпуск ZB400 становится еще более значимым.
Однако лидер группы Суэмацу по-прежнему не улыбается.
«Решение было найдено случайно после накопления множества косвенных улик. Это до сих пор не доказано теоретически. Чтобы создавать лучшие продукты, мы должны продолжать проверять механизмы и результаты».
Революция только началась.