Resfriamento por Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
Hélio líquido criogênico e nitrogênio líquido como refrigerantes
A imagem de Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é uma tecnologia de pesquisa em química analítica usada para analisar a composição física e química de materiais. É usada, em particular, em laboratórios universitários e hospitalares e nas indústrias alimentícia, biológica, farmacêutica e química.
O hélio líquido é necessário para resfriar o ímã de RMN e o nitrogênio líquido pode ser usado para absorver calor de fora do ímã e reduzir a taxa de ebulição do hélio.
O NMR contém um ímã semicondutor resfriado a hélio líquido para dar resultados de alta resolução. O hélio líquido é protegido por uma capa de nitrogênio líquido, que é um gás líquido mais barato e mais prontamente disponível, para evitar que o hélio líquido ferva na atmosfera.
Preenchendo um ímã de RMN
Existem dois conjuntos de criogênios necessários para operar a RMN, nitrogênio líquido (LN 2 ) e hélio líquido (LHe). Ambos são usados para manter as bobinas supercondutoras que alimentam o ímã resfriadas abaixo de sua temperatura supercondutora crítica (Tc).
Problemas de temperatura
O ar externo está tipicamente em torno de 20-25 graus Celsius (293-298 Kelvin). O Tc das bobinas supercondutoras é geralmente em torno de 10 K, ou dez graus acima do zero absoluto. Para isolar o ímã, há uma série de dewars de resfriamento e câmaras de vácuo para isolar as bobinas. Primeiro, há um espaço de vácuo ao redor de um dewar externo no ímã que é preenchido com LN 2 . O LN 2 pré-resfria o interior do ímã a 77 K. Há então um segundo espaço de vácuo que também é preenchido com isolamento radiante (alumínio ou mylar refletivo) que protege o dewar interno que contém as bobinas supercondutoras e é preenchido com LHe. O LHe serve para manter as bobinas em sua temperatura de 4 K.
Enchimento de Nitrogênio Líquido
Cada um desses líquidos deve ser reabastecido regularmente, pois eles evaporam com o tempo. O nitrogênio deve ser abastecido pelo menos a cada duas semanas, embora geralmente o abasteçamos semanalmente. Abaixo está nosso gerente de estoque Erik Ingebrigtsen, enchendo o LN 2. Isso requer simplesmente conectar o tanque a uma entrada na parte superior do ímã na parte traseira. O LN 2 é então transferido até que o dewar esteja cheio, o que pode ser visto quando o líquido começa a sair dos tubos de ventilação (mostrados na frente). Observe que a linha de transferência é um tubo de borracha de látex simples (você pode ver pela cor branca que ele está congelado e tem gelo se acumulando nele). Uma parte importante do enchimento é que o nitrogênio líquido fornecido deve estar em um dewar de aço inoxidável, que não é magnético. Se um dewar de aço comum fosse usado, ele seria atraído pelo ímã, o que seria perigoso e poderia ferir o pessoal entre ele e o ímã. O impacto com o ímã pode danificá-lo ou causar um resfriamento. Um quench é uma condição que ocorre quando o supercondutor perde sua capacidade de conduzir e dissipar a corrente como calor. Isso causa uma rápida ebulição do hélio líquido no dewar e pode danificar as bobinas e criar um risco de asfixia em uma sala pequena. Grandes ímãs de RMN são conhecidos por arrastar cilindros de gás cheios de uma distância considerável ou agarrar chaves de aço das mãos de pessoal que então voam pelo ar em direção ao ímã. Qualquer pessoa no caminho pode se ferir gravemente.
Enchimento de hélio líquido
Aproximadamente a cada seis ou sete meses, temos que encher o dewar interno com LHe. Este é um processo um pouco mais complexo. Primeiro, o dewar externo é coberto com LN 2 , como mostrado acima. Então, o dewar interno deve ser enchido com LHe. O custo do LHe é muitas vezes maior que o do LN 2. Ele é entregue em dewars especiais que têm o tubo de descarga no topo do dewar. Antes de encher, o dewar é "batido" para determinar a quantidade de hélio dentro. Bater envolve usar um longo tubo de aço inoxidável que tem uma grande abertura em uma extremidade. Quando a ponta do tubo está perto da superfície do hélio líquido, a ebulição cria uma batida que pode ser sentida no topo do tubo (veja onde está o polegar). A frequência dessa batida muda quando o tubo está na superfície. Medindo a distância em que o tubo é inserido, pode-se determinar com bastante precisão o volume de LHe no dewar.
Em seguida, o enchimento começa. Primeiro, um cilindro de gás He é conectado ao dewar LHe. Isso é para que possamos pressurizar o dewar para ajudar a transferir He através da linha de transferência. Deixado sozinho, o dewar não gerará pressão suficiente para transferir o líquido em um tempo razoável. A pressurização típica é de apenas 1-2 psig. Mais do que isso fará com que o líquido flua muito rapidamente.
Em seguida, a transferência de hélio começa. Isso requer o uso de um tubo de transferência isolado especial, que é conectado ao dewar e então inserido no ímã uma vez que LHe (líquido, não apenas gás frio) é visto vindo da extremidade. Observe a fita na linha de inserção. Isso indica a profundidade máxima de inserção. Em ímãs mais antigos, não havia defletor para amortecer a queda do LHe entrando no dewar. Se preenchido fortemente, isso poderia às vezes criar um respingo interno suficiente para fazer com que o gás de temperatura mais alta (10-12 K) entrasse em contato com as bobinas supercondutoras e causasse a têmpera.
