CN104921726A - 一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置。装置主要由液氮加注器、液氮槽、液位指示标杆、杜瓦瓶、液氮回收连通器等构件组成。此装置实现了超极化氙收集过程中的液氮液位的自动控制和显示，能够有效避免超极化氙收集过程中，由于液氮液位不稳定造成的超极化氙浪费、超极化氙的纯度降低以及气路的堵塞。

Description

一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置

技术领域

本发明涉及肺部磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术领域，具体涉及一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置。

背景技术

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）技术具有非侵入、无放射性等特点，可以用来得到人体大部分组织和器官的影像，已经被广泛应用于活体成像和临床疾病诊断中。但是传统基于质子(¹H)的MRI技术并不适用于肺部。可以使用经过超极化后的氙作为造影剂对肺部进行成像。

成像过程中获得信号的信噪比和超极化氙的极化度成正比。现有技术在制备超极化氙的过程中生产速率较低，难以满足随产随用的需要。同时制备完成的超极化氙的极化度会随时间迅速衰减。气态存储情况下，超极化氙的去极化时间为分钟量级，而在固态存储情况下超极化氙的去极化时间可以达到若干小时。所以使用超极化氙作为造影剂对肺部进行成像时，一般先将制备好的超极化氙冷冻为固体，累积达到所需要的量以后，再升华为气体供成像对象呼入。

氙的熔点为161.25K，液氮的沸点为77K，一般使用液氮作为冷源配合使用冷阱将制备好的超极化氙冷冻为固体。冷阱插入液氮后需要合理控制液氮的液面位置。在超极化氙的制备过程中，氙气中会混有氮气。如果液氮液面过高，氙气在凝结为固态的同时，部分氮气也会凝结为液氮混合到氙的固体中，同时氙气也有可能会因凝结为固体的速度太快而堵塞气路。反之，如果液氮液面过低，部分氙气有可能未及时冷凝就随着氮气被排走，造成超极化氙的损失。此外，整个收集过程是在常温常压下进行的，液氮会不断的快速挥发减少，如果不采取控制措施，液氮的液面会随时间下降。

传统的液氮液位控制和显示装置或技术一般会涉及到磁性部件和电流。在超极化氙的收集过程中，为了更好的保持超极化氙的极化度，会在冷阱的周围安装磁体提供一个较为均匀的静磁场。磁性部件或者电流的引入将破坏磁场的均匀性使超极化氙的去极化速度加快。所以需要一种使用抗磁性材料制备的，并不涉及电流的液面控制装置来控制和显示液氮液面位置。

发明内容

本发明是针对超极化氙收集过程中，需要在对液氮液面位置进行控制和显示的同时不引入外加磁场的问题，提出的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：

一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，包括杜瓦瓶，所述杜瓦瓶内设置有液氮槽，杜瓦瓶上设置有用于向液氮槽注入液氮的液氮加注器，杜瓦瓶上还设置有冷阱，冷阱的冷却端延伸至液氮槽内，还包括一端与杜瓦瓶内连通，另一端与杜瓦瓶外的液氮回收杯连通的液氮连通回收管，杜瓦瓶外侧设置有磁体，液氮槽上设置有溢流装置。

如上所述的液氮槽包括液氮槽体和套设在液氮槽体中的导流套，溢流装置包括在液氮槽体各个设定高度设置的槽体溢流孔，溢流装置还包括导流套上设置的若干个套体溢流孔，套体溢流孔与槽体溢流孔的高度一一对应，旋转导流套使得同一高度的槽体溢流孔和套体溢流孔重合时，剩余的槽体溢流孔和套体溢流孔不重合。

一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，还包括液位指示标杆，液位指示标杆包括漂浮在液氮槽体内液氮表面的空心球，空心球连接有延伸出杜瓦瓶外的指示杆。

如上所述的冷阱包括出气管和底部延伸至出气管底部的进气管，进气管的上部设置有进气口，出气管的上部设置有出气口。

如上所述的液氮加注器包括加注器瓶体、盖设在加注器瓶体的进液口的盖体和设置在加注器瓶体上的加注阀门，加注器瓶体的出液口为锥形并延伸至液氮槽内。

如上所述的液氮连通回收管上设置有回收阀门。

如上所述的液氮槽体和导流套均为石英或pyrex玻璃材质；所述的液氮加注器瓶体、盖体和加注阀门均为石英或pyrex玻璃材质；所述的液氮连通回收管和回收阀门均为聚四氟乙烯材质。

如上所述的液氮槽内的液氮液面位于进气管底端上下2mm高度范围内。

装置的主要工作原理为通过液氮加注器以一定速度向液氮槽中加注液氮。液氮槽中在需要控制的液氮液面位置开有溢流孔。当液氮加注速度大于液氮挥发速度而又小于溢流速度时，挥发掉的液氮通过液氮加注得到了补充，超出溢流孔高度的液氮会从溢流孔排除，从而实现了液氮液面位置的稳定控制。液位指示杆上标有刻度，会随液氮液面位置上下移动，从而为操作者指示液面的位置。

装置中的液氮加注器包括注器瓶体、盖体和加注阀门，注器瓶体、盖体和加注阀门均为石英或pyrex玻璃材质。通过加注阀门可以调整液氮的加注速度。石英的热膨胀稀疏和热传递系数都比较小，可以在温度剧烈变化时不发生破裂，同时可以为液氮提供一定的保温功能，减少液氮的挥发。

液氮槽包括液氮槽体和导流套，液氮槽体和导流套上在不同的高度开有溢流孔，其材质都为石英或pyrex玻璃。液氮槽体和导流套紧密贴合，使用时需要将导流套旋转到合适的位置，使液氮槽体和导流套上的开孔在合适的高度对齐，形成溢流孔。这种设计能使操作者根据需要调节液氮液面的控制高度。和液氮加注器一样，液氮槽的材质为石英或pyrex玻璃。可以在温度剧烈变化下不发生破裂，减少液氮挥发，同时石英或pyrex玻璃作为抗磁性材料，不会对超极化氙周围的磁场产生干扰。杜瓦瓶用于保温，减少液氮的挥发。

液氮回收连通器包括连通管和回收阀门，其材质都为聚四氟乙烯。通过液氮回收连通器可以将从液氮槽内溢流出来留存在杜瓦瓶底部的液氮回收，重新加注到液氮加注器中循环使用。聚四氟乙烯可以承受液氮的低温，同时又是抗磁性材料，不会对磁场产生干扰。

聚四氟乙烯的密度大于液氮，液位指示标杆一端的空心圆球为其提供浮力。

本发明具有以下优点和积极效果：

1. 本发明可以在超极化氙收集过程中控制和显示液氮液面位置，防止超极化氙的浪费、超极化氙的纯度降低以及气路的堵塞。

2. 本装置的部件均为抗磁性材料制成并不涉及电流，不会对超极化氙周围的磁场产生干扰，不会加快超极化氙的去极化速度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2-1为液氮槽体的结构示意图；

图2-2为导流套的结构示意图；

图3为冷阱的结构示意图。

图中：1-液氮加注器；2-液氮槽；3-液氮连通回收管及阀门；4-液氮回收杯；5-液位指示标杆；6-杜瓦瓶；7-冷阱；8-磁体；a-液氮槽体；a1-液氮槽体溢流孔；b-导流套；b1-导流套溢流孔；7-1-进气管；7-2出气管；7-1a-第一进气口；7-1b-第二进气口；7-2a-第一出气口；7-2b第二出气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

实施例1：

如图1-3所示，超极化后的氙氮混合气体将从冷阱的第一进气口或第二进气口通入冷阱7。如果液氮液面位置控制合理，由于氙的凝固温度高于液氮温度，所以氙气会变为固体，留存到冷阱7底部。氮气仍然保持气态并从第一出气口或第二出气口被排出，从而实现超极化氙的提纯和收集。图1中的1为液氮加注器，通过加注器上的加注阀门可以控制加注速度。图1中的2为液氮槽，调整液氮加注器的加注速度大于液氮槽2中液氮的挥发速度时，液氮槽2中的液氮液面将上升直至溢流孔高度，此后加注的液氮将从溢流孔溢出，液面位置保持稳定不变。图2为构成液氮槽2的两个部件，液氮槽体a和导流套b。在液氮槽体a的侧壁上沿纵向开有若干溢流孔，在导流套b上与垂线呈45度角方向也依次开有若干溢流孔，导流套b上的溢流孔与液氮槽体a上的溢流孔的个数一致，导流套b上的各个溢流孔的高度与对应的液氮槽体a上的溢流孔高度一致，导流套b上的各个溢流孔在垂直方向错开分布。在导流套b装入液氮槽体a后，导流套b的外壁和液氮槽体a的内壁紧密贴合，通过旋转导流套可以使导流套b上和液氮槽体a上不同高度的溢流孔重合。当溢流孔重合时，多余的液氮将从这里溢出，而没有重合的溢流孔由于有液氮槽体a或导流套b的遮挡，不会有液氮溢出。通过这种设计可以调整需要控制的液氮液面高度。图1中的3为液氮连通回收管及阀门，4为液氮回收杯，当装置使用一段时间后，液氮在杜瓦瓶6内积累到一定的高度可以将杜瓦瓶6内的液氮通过液氮连通回收管及阀门3抽出存入液氮回收杯4，加注到液氮加注器1中循环使用。图1中的5为液位指示标杆，其漂浮在液氮表面，随液氮液面位置起落，可以为操作者指示液氮液面高度。图1中的6为杜瓦瓶，通过保温减少液氮的挥发，节省液氮的使用量。图1中的8为永磁体提供均匀恒定的静磁场，延缓超极化氙的去极化速度。

通过以上的描述，可以看出根据本发明可以在超极化氙收集过程中自动控制和显示液氮液面位置，防止超极化氙的浪费或者气路的堵塞。同时装置的部件均为抗磁性材料制成，不会对超极化氙周围的磁场产生干扰，不会加快超极化氙的去极化速度。

实施例2

在如下实验条件时：冷阱7直径3cm，液氮槽2直径6cm，磁体8提供2000G静磁场，液氮加注器1流量为0.05L/min，液氮液面控制在冷阱进气管的底端上下2mm高度位置内，氙氮混合气体比例为氙2%氮98%，通气时间为30分钟。经过纯化后的氙的纯度为99%，氙的留存率为99.2%。

在其他条件相同的情况下，不进行液氮液面控制时，初始液氮液面高度加注到冷阱进气管戊底端上方3cm时，装置工作到15min时，进气管发生了堵塞无法继续正常工作。经过纯化后的氙的纯度为82%，氙的留存率为99.3%。

在其他条件相同的情况下，不进行液氮液面控制时，初始液氮液面高度加注到冷阱进气管戊底端时，经过纯化后的氙的纯度为99.1%，氙的留存率为70%。

通过实例验证可以看出，通过液氮液面控制可以有效提高氙在纯化后的纯度和气体留存率。在不使用液氮页面控制时，可能导致装置无法工作或指标显著下降。

本文中所描述的具体实施示例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施示例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，包括杜瓦瓶（6），其特征在于，所述杜瓦瓶（6）内设置有液氮槽（2），杜瓦瓶（6）上设置有用于向液氮槽（2）注入液氮的液氮加注器（1），杜瓦瓶（6）上还设置有冷阱（7），冷阱（7）的冷却端延伸至液氮槽（2）内，还包括一端与杜瓦瓶（6）内连通，另一端与杜瓦瓶（6）外的液氮回收杯（4）连通的液氮连通回收管（3），杜瓦瓶（6）外侧设置有磁体（8），液氮槽（2）上设置有溢流装置。

2.根据权利要求1所述的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，其特征在于，所述的液氮槽（2）包括液氮槽体（a）和套设在液氮槽体（a）中的导流套（b），溢流装置包括在液氮槽体（a）各个设定高度设置的槽体溢流孔，溢流装置还包括导流套（b）上设置的若干个套体溢流孔，套体溢流孔与槽体溢流孔的高度一一对应，旋转导流套（b）使得同一高度的槽体溢流孔和套体溢流孔重合时，剩余的槽体溢流孔和套体溢流孔不重合。

3.根据权利要求2所述的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，其特征在于，还包括液位指示标杆（5），液位指示标杆（5）包括漂浮在液氮槽体（a）内液氮表面的空心球，空心球连接有延伸出杜瓦瓶（6）外的指示杆。

4.根据权利要求3所述的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，其特征在于，所述的冷阱（7）包括出气管和底部延伸至出气管底部的进气管，进气管的上部设置有进气口，出气管的上部设置有出气口。

5.根据权利要求4所述的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，其特征在于，所述的液氮加注器（1）包括加注器瓶体、盖设在加注器瓶体的进液口的盖体和设置在加注器瓶体上的加注阀门，加注器瓶体的出液口为锥形并延伸至液氮槽（2）内。

6.根据权利要求5所述的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，其特征在于，所述的液氮连通回收管（3）上设置有回收阀门。

7.根据权利要求 6所述的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，其特征在于，所述的液氮槽体（a）和导流套（b）均为石英或pyrex玻璃材质；所述的液氮加注器（1）瓶体、盖体和加注阀门均为石英或pyrex玻璃材质；所述的液氮连通回收管（3）和回收阀门均为聚四氟乙烯材质。

8.根据权利要求4或5或6或7所述的一种用于超极化氙收集的液氮液位控制和显示装置，其特征在于，所述的液氮槽（2）内的液氮液面位于进气管底端上下2mm高度范围内。