The Beginning of Endless : Kisah di sebalik sistem NMR komersial pertama di dunia yang tidak memerlukan penambahan helium
Pada April 2013, JEOL RESONANCE berjaya mengeluarkan sistem NMR pertama di dunia dengan magnet superkonduktor sifar-boil-off. Di sini, kami mengesan kelahiran sistem pembuatan zaman ini yang mengatasi masalah bekalan helium yang tidak boleh dipercayai dan semakin mahal.
Bunyi yang berterusan
Hiroto Suematsu
Suasana di mesyuarat itu suram.
Projek membangunkan sistem NMR yang tidak memerlukan pengisian semula helium telah dimulakan pada tahun 2011. Sudah, 2 tahun telah berlalu dan masih terdapat bunyi dalam isyarat. Setiap kaedah yang mereka fikirkan telah dicuba, tetapi punca bunyi itu, apatah lagi penyelesaian yang berkesan, masih belum ditemui.
“Satu-satunya perkara lain yang boleh saya fikirkan ialah….”
Idea itu agak jauh.
"Sudah tentu, itu tiada kaitan dengannya."
"Baiklah, mungkin, tetapi pada ketika ini kita juga boleh mencubanya."
Ketua pasukan pembangunan, pengurus besar jabatan kejuruteraan Hiroto Suematsu, mengeluh dan menggelengkan kepalanya ketika dia mendengar perbincangan itu. Persidangan utama di mana ia dirancang untuk mengumumkan produk siap hanya beberapa bulan lagi. Dia hampir yakin bahawa pengumuman itu perlu ditangguhkan.
"Krisis Helium"
Medan magnet kuat yang diperlukan untuk mewujudkan keadaan untuk NMR dijana oleh magnet superkonduktor. Magnet ialah solenoid elektrik bagi logam atau aloi khas, dan dipegang pada suhu yang sangat rendah, hampir kepada sifar mutlak, untuk menjana medan magnet. Satu-satunya bahan pendingin yang boleh digunakan untuk mengekalkan keadaan kriogenik ini ialah cecair helium.
Mendapatkan helium, bagaimanapun, bukanlah satu tugas yang mudah. Ia boleh dihasilkan sebagai hasil sampingan gas asli. Memandangkan ia tidak boleh dikeluarkan di dalam negara, Jepun bergantung kepada import, dengan 95% bekalan datang dari Amerika Syarikat. Tambahan pula, kebanyakan bekalan ini diperoleh daripada BLM (Biro Pengurusan Tanah AS) dan ladang minyak ExxonMobil, salah satu syarikat petroleum terbesar di dunia. Keadaan yang tidak baik di BLM atau ExxonMobil boleh mengakibatkan ketidakstabilan bekalan dengan serta-merta.
Malah, pada musim panas 2012, Jepun berhadapan dengan "krisis helium" apabila kilang Exxon memulakan penyelenggaraan berjadual selama beberapa bulan. Tetapi ini diikuti oleh masalah di loji BLM, yang mengakibatkan kemerosotan mendadak sistem bekalan. Akibatnya helium hilang daripada inventori pembekal gas.
Bukan sahaja belon berisi helium hilang dari taman tema, malah rancangan terpaksa diubah di banyak kemudahan pembuatan di mana helium amat diperlukan untuk proses seperti pembersihan semikonduktor dan pengeluaran gentian optik. Satu demi satu, institut penyelidikan terpaksa menghentikan operasi NMR.
Permulaan pembangunan
"Tidak bolehkah anda membina sistem NMR yang tidak memerlukan isian semula helium?" tangisan itu kuat. Tetapi walaupun tanpa masalah bekalan, penambahan semula helium cecair dalam sistem NMR bukan sahaja memerlukan instrumen dihentikan untuk sebahagian daripada sehari, yang mengganggu penyelidikan, tetapi juga merupakan prosedur yang berpotensi berbahaya yang boleh mengakibatkan radang dingin atau lain-lain. kecederaan.
Instrumen NMR yang tidak memerlukan pengisian semula helium berpotensi untuk menghapuskan kesulitan tersebut sepenuhnya.
Secara teori, ini tidak sukar. Apabila helium cecair dalam tangki magnet NMR tersejat, ia menghasilkan gas helium. Jika gas helium ini boleh dikembalikan ke dalam tangki sebagai helium cecair dan bukannya melepaskannya, ia tidak sekali-kali perlu untuk mengisi semula bekalan helium untuk magnet superkonduktor. Oleh itu, kesan bersih adalah sifar boil-off. Sudah ada sistem MRI untuk aplikasi pemeriksaan yang menggabungkan jenis magnet superkonduktor yang sama dengan unit penyejukan yang digabungkan. Walau bagaimanapun, untuk ukuran NMR yang lebih tepat, getaran minit yang disebabkan oleh unit penyejukan adalah masalah, jadi sistem NMR sifar-boil-off praktikal masih belum direalisasikan. Walau bagaimanapun, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, unit penyejukan yang lebih baik dan lebih baik muncul, meningkatkan kebolehlaksanaan.
JEOL RESONANCE memutuskan untuk menangani masalah itu pada Januari 2011. Pada bulan April tahun yang sama, pembiayaan diperoleh daripada Perbadanan Rangkaian Inovasi Jepun, kos pembangunan telah dianggarkan dan pembangunan bermula.
Getaran yang tidak kelihatan
Projek ini berjalan lancar, dan setahun kemudian, pada Januari 2012, sistem prototaip telah siap. Apabila suis dihidupkan, bagaimanapun, Ketua Pasukan Suematsu hampir tidak percaya data yang dilihatnya dipaparkan pada monitor.
Perbandingan penjanaan bunyi jalur sisi
“Terdapat getaran besar yang tidak dijangka dalam isyarat. Sepanjang tahun saya bekerja sebagai jurutera, saya tidak pernah melihat bunyi yang begitu besar. Saya fikir ia adalah kesilapan mudah dengan sistem elektrik, contohnya, voltan yang salah digunakan, atau ralat seperti itu."
Serta-merta, semuanya telah diperiksa, diselaraskan dan diuji semula, tetapi hasilnya adalah sama. Semua ahli pasukan memerah otak mereka.
Ia menjadi jelas bahawa masalahnya ialah getaran kecil yang disebabkan oleh unit penyejukan. Sedikit getaran yang disebabkan oleh operasi unit penyejukan telah dihantar ke tangki helium cecair, menyebabkan riak yang dikesan sebagai bunyi; itu banyak yang difahami. Oleh itu, Suematsu dan pasukannya menggabungkan setiap langkah yang mungkin untuk menyekat getaran unit penyejukan. Selain menggunakan unit dengan getaran bawaan yang sangat sedikit, peredam telah dibina ke dalam penyambung untuk menyerap walaupun ayunan yang sedikit. Ia sepatutnya menekan getaran kepada jumlah yang boleh diterima.
Tetapi masih kekal.
Sebagai tambahan kepada pembuat magnet superkonduktor, JASTEC (Japan Superconducting Technology Inc., rakan kongsi perniagaan selama bertahun-tahun), pakar tentang getaran mekanikal telah dirujuk, dan reka bentuk telah menjalani semakan besar 5 kali pada tahun berikutnya. Ujian, termasuk pelarasan halus, dilakukan berkali-kali.
Di sebalik usaha ini, bunyi bising tidak dihapuskan. Hampir di penghujungnya, cadangan pada salah satu mesyuarat yang tidak terhitung adalah sesuatu yang tidak pernah dipertimbangkan oleh sesiapa pun – "getaran yang tidak kelihatan".
Revolusi baru sahaja bermula
"Terdapat getaran yang kelihatan selalu berlaku akibat konfigurasi sistem, tetapi ia sangat kecil. Kami tidak pernah menyangka perkara sekecil itu boleh memberi kesan sebegitu”
Dengan hampir tiada jangkaan kejayaan, reka bentuk telah diubah untuk kali ke-6.
Tetapi, ia berjaya - bunyi itu dihalang dengan indah.
Perkara bergerak pantas dari situ.
Kakitangan tambahan telah ditambah ke projek untuk melaksanakan penilaian dan membuat aplikasi. Pembangunan produk berjalan dengan pantas. Pada April 2013, sistem NMR ZB400 yang tidak memerlukan penambahan helium telah diumumkan pada persidangan NMR terbesar di Amerika Syarikat.
Kemudahan penyelidikan di seluruh dunia telah bergelut dengan kekurangan helium. Sambil masih memuji pencapaian ZB400, pasaran mula membuat pesanan seawal Mei. Semuanya bermula dengan baik.
Malangnya kekurangan helium bukanlah keadaan sementara - ia berkemungkinan menjadi masalah kronik pada masa hadapan. Baru-baru ini, teknologi pengekstrakan untuk gas syal (tanpa helium) telah diwujudkan, jadi penggunaan loji gas asli semakin berkurangan. Helium yang tersedia daripada loji gas asli hanyalah peratusan kecil jadi tidak mungkin loji gas asli akan dikendalikan semata-mata untuk mengekstrak helium, menambah lebih banyak sebab untuk bimbang tentang bekalan helium pada masa hadapan. Di samping penurunan kapasiti pengeluaran, permintaan untuk helium telah meningkat terutamanya apabila China dan Korea mempergiatkan lagi pengeluaran semikonduktor mereka. Ini meningkatkan lagi tekanan ke atas ketersediaan bekalan helium pada masa hadapan.
Dalam keadaan ini, keluaran ZB400 menjadi lebih penting.
Walau bagaimanapun, ketua pasukan Suematsu masih tidak tersenyum.
“Satu penyelesaian ditemui secara tidak sengaja selepas mengumpul banyak bukti keadaan. Ini masih belum dibuktikan secara teori. Untuk membina produk yang lebih baik, kami mesti terus mengesahkan mekanisme dan hasil”
Revolusi baru sahaja bermula.