Начало бесконечности: история первой в мире коммерческой системы ЯМР, не требующей пополнения гелия
В апреле 2013 года компания JEOL RESONANCE Ltd. (объединившаяся с JEOL Ltd. в 2022 году) успешно выпустила первую в мире систему ЯМР со сверхпроводящим магнитом с нулевым кипением. Здесь мы проследим рождение этой эпохальной системы, которая решает 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, что приходит мне на ум, это...»
Идея была довольно надуманной.
«Разумеется, это не имеет к делу никакого отношения».
«Ну, возможно, но на данном этапе 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. Его можно производить как побочный продукт природного газа. Поскольку его невозможно производить внутри страны, Япония зависит от импорта, причем 95% поставок поступает из США. Кроме того, большая часть этих поставок поступает от BLM (Бюро по управлению земельными ресурсами США) и нефтяных месторождений ExxonMobil, одной из крупнейших в мире нефтяных компаний. Неблагоприятные обстоятельства в BLM или ExxonMobil могут немедленно привести к нестабильности поставок.
Фактически, летом 2012 года Япония столкнулась с «гелиевым кризисом», когда на заводе Exxon началось плановое техническое обслуживание, растянувшееся на несколько месяцев. Но за этим последовали неполадки на заводе BLM, что привело к внезапному ухудшению системы поставок. 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
«Неужели вы не можете построить систему ЯМР, которая не нуждается в пополнении запасов гелия?» — раздавались громкие крики. Но даже без проблем с поставками пополнение жидкого гелия в системе ЯМР не только требует остановки прибора на часть дня, что нарушает ход исследований, но и является потенциально опасной процедурой, которая может привести к обморожению или другим травмам.
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 Ltd. (объединившаяся с JEOL Ltd. в 2022 году) решила заняться этой проблемой в январе 2011 года. В апреле того же года было получено финансирование от Innovation Network Corporation of Japan, были заложены в бюджет расходы на разработку и началась разработка.
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 работы инженером я никогда не видел такого большого шума. Я подумал, что это какая-то простая ошибка в электрической системе, например, подано неправильное напряжение или что-то 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 в конце концов на одном из бесчисленных совещаний было высказано предположение, которое никто не рассматривал - "невидимая вибрация".
Революция только началась
«Существует вибрация, которая, кажется, всегда возникает из-за конфигурации системы, но она действительно 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 прекрасно подавлен.
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, дефицит гелия не является временной ситуацией - это, вероятно, будет хронической проблемой в будущем. Недавно была разработана технология добычи сланцевого газа (без гелия), поэтому использование установок по добыче природного газа снижается. Гелий, доступный на установках по добыче природного газа, составляет лишь небольшой процент, поэтому маловероятно, что установки по добыче природного газа будут эксплуатироваться только для извлечения гелия, что добавляет еще больше причин для беспокойства о будущих поставках гелия. Помимо снижения производственных мощностей, спрос на гелий растет, особенно по мере того, как Китай и Корея продолжают усиливать свое производство полупроводников. Это еще больше увеличивает давление на будущую доступность поставок гелия.
В этих условиях выпуск ZB400 становится еще более значимым.
Однако лидер группы Суэмацу по-прежнему не улыбается.
«Решение было найдено случайно после сбора множества косвенных доказательств. Это все еще не доказано теоретически. Чтобы создавать более качественные продукты, мы должны продолжать проверять механизмы и результаты»
Революция только началась.