强磁场实验室建设的探索

强磁场实验室建设的探索

王耀楠¹ 朱希洪^2* 王玉记³ 赵明^3*

(¹首都医科大学医学实验与测试中心 北京 100069;²北京科学仪器装备协作服务中心 北京100089;³首都医科大学化学生物学与药学院 北京 100069)

摘要 本文介绍了800MHz核磁共振谱仪实验室建设过程需要综合考虑的多方面因素，包括：满足包装体积较大的仪器能够顺利进入实验室的入口和通道； 在装卸和移动时都能避免精密线圈剧烈震动的专业工具和设备；保证大功率仪器用电功率的专门电路和不间断电源；保障仪器操作人员测试安全的专业培训。只有通过全面综合的考虑，才能确保强磁场实验室符合核磁共振谱仪的安装调试验收和正常运转。

关键词 核磁共振仪；强磁场；实验室建设

中图分类号 O482.52

Exploration of Construction of Strong Magnetic Field Laboratory

Wang Yaonan ¹, Zhu Xihong ^2*, Wang Yuji ³, Zhao Ming ³*

（¹ Medical Experiment and Test Center, Capital Medical University, Beijing,100069,Beijing;² Beijing Collaboration Service Center of Scientific Instrument Equipment,Beijing,100089;³ School of Chemical Biology and Pharmaceutical Sciences, Capital Medical University, Beijing, 100069）

Abstract The related factors on construction of the laboratory construction process of 800 MHz nuclear magnetic resonance spectrometer were introduced. And the various factors include enough space, entrances and channel for transferring and entering the entrance and laboratory smoothly. When specialized tools and equipments are unloaded and moved, violent vibrations of the precision coil can be avoided. The special electric power circuit and uninterrupted power supply (UPS) for high-power instruments and professional instrument and operation training for the operator can be ensured. based on the comprehensive consideration, the high magnetic field laboratory could be installed to insure the installation, commissioning and operation of the NMR spectrometer.

Keywords Nuclear magnetic resonance spectrometer; High magnetic field; Laboratory construction

1946年，斯坦福大学的科学家布洛赫和珀塞尔发现了核磁共振现象，此后，该技术在化学结构确定和医学影像等领域取得了飞速的发展^[1]，这两位科学家也获得了1952年的诺贝尔物理学奖^[2]。随着研究的不断深入，科学家们对磁场强度的要求也越来越高。而超导技术的发现，也使强磁场的产生有了可能。在医学影像学领域，由于被测试的对象是人体，需要考虑多方面的风险因素^[3]，所以磁场强度不是很高，现在临床应用的核磁共振仪的磁场强度，最高的有3特斯拉(T) ^[4]。但是在化学结构确定领域，测试的对象是化合物，所以可以使用较高磁场强度的磁体，目前已经有23.49 T (¹H共振频率1000.13 MHz) 的仪器在使用^[5]。虽然目前还没有对于强磁场相关的防护标准出现，但是也要注意强磁场可能出现的危险^[6]。我们学校为增强科研实力，购置了一台瑞士布鲁克拜厄斯宾 (Bruker - Biospin) 公司的800 MHz (磁场强度18.79T)核磁共振谱仪。目前已经安装调试完成，投入科研使用。但是在实验室建设的过程中的一些问题，值得我们探索研究。

1 仪器的装卸和移动

磁体内部由精密缠绕的线圈组成，这些线圈固定在低温的液氦腔中，磁场升起时有较大的电流，所以线圈的固定并不是十分的牢固，在运输和装卸的过程中需十分小心，任何轻微的震动都可能造成线圈的移位或损坏^[7]。因此，磁体的装卸不能使用叉车，而是需要大型的吊装设备。Bruker-Biospin公司的800 MHz核磁共振谱仪磁体包装箱的重量约为4100 Kg，为满足轻装轻卸的要求，至少需要12吨（ton）的起重吊车来将磁体从大型运输货车中卸下。

磁体吊卸至实验室门口后，磁体运至实验室的过程中也不能有震动，所以绝对不能使用地牛，而要用无振动的气垫来使磁体平稳的移动。由于该气垫只能在水平的地面上移动，所以在实验室的门外要事先建造一个和室内地面高度一致的平台，并将气垫置于该平台之上。待磁体吊卸至气垫上，缓慢移动磁体，将其运至实验室预定位置。

除了事先要准备一个和室内地面高度一致的平台，还要确保磁体包装箱能够平稳进入实验室预定位置，所以还要根据包装箱的尺寸设计强磁场实验室的大门、大门口的平台、相关的小门和过道。以Bruker-Biospin公司的800 MHz核磁共振谱仪的磁体包装箱为例，其尺寸为：长240 cm，宽220 cm，高240 cm。因此，卸货平台的大小宜为长300 cm，宽300 cm，进入实验室的大门至少要宽250 cm，高300 cm。

2 地面承重和空间要求

由于800MHz核磁共振谱仪的重量和体积都比较大，所以对地板的承重有较高的要求。该磁体加满液氦和液氮的总重量约是3600Kg，底座的面积约为3m²，所以地板的承重要求约为1200Kg/m²，而现在一般的建筑设计的楼层承重只有300-400Kg/m^2[8]，所以将核磁共振谱仪安装在直接接触大地的房间是理想的解决方案。

800 MHz核磁共振谱仪对实验室的空间及的换气速度都有要求：（1）1L液氦变为室温气态时体积扩大约七百倍，而800 MHz磁体需要450 L液氦才能将液氦腔加满，因此在安装仪器时需选择空间较大的实验室；（2）实验室还需安装失超管，失超管能够将仪器失超时产生的氦气排出室外，保证室内人员的安全；（3）由于仪器内的液氦和液氮不断挥发出氦气和氮气，实验室需要有良好的通风和排风设备，满足每小时将室内空气交换五次的要求；（4）另外，由于铁磁性的物质对强磁体有较强的吸引力，会影响磁体的工作。对于Bruker-Biospin公司的800MHz磁体来说，要求磁体5高斯线以内的空间不能有超过227 Kg的铁磁性物质。而天花板含有铁磁性物质-钢筋，经过计算，首都医科大学南校区的强磁场实验室的天花板的高度至少要距离磁体中心位置4米以上，才能满足磁体5高斯线以内的空间小于227 Kg的铁磁性物质的要求，加上800 MHz磁体中心距地面约1米，所以实验室天花板距离实验室地面的最少高度为5 m。

3 对减震的要求

由于仪器测试时对磁场的精度要求较高，因此任何来源的震动都可能造成磁场的漂移，避免震动对测试的准确度是必需的。解决这个问题的办法是为磁体单独建造一个独立的地基，将磁体和周围的地面用具有缓冲减震的材料隔离，避免任何可能的震动对测试的影响。建造独立地基的步骤为：首先开挖出长2.5 m，宽2.5 m，深1.65 m的方形坑基，在底层铺设1 m深的砂土，砂土上方放置20 cm厚的混凝土；混凝土上方放置5 cm厚的橡胶减震垫；再在橡胶减震垫上方放置40 cm厚的由碳纤维加固的混凝土层^[9]。使用碳纤维是避免磁体对钢筋混凝土中钢筋的吸引，从而避免磁体磁场的不均匀。按照此设计建造的独立地基，不仅可以减少绝大部分的震动对磁体的影响，而且也避免了铁磁性物质给磁体带来的不均匀。对于一些测试精度较高的实验 (比如NOE效应差异的实验) ，对磁场的均匀度要求更高，这时就可以利用磁体支架上的气垫，将磁体浮起来，减少任何可能的震动对磁体均匀度的影响。

4 对压缩空气的要求

样品进行测试时，样品在探头内温度的控制以及超低温探头气动阀门的控制都需要持续不断的压缩空气。为了保证磁场的均匀度，压缩空气的压力稳定性及水分含量都需要满足以下要求：压力为0.6 MPa(~90 psi)的空气持续供应^[10]，因此要有一个漩涡式的空气压缩机；在压缩机后接除油除尘设备，然后连接一个具有除油除水功能的储气罐，可以使空气压缩机间歇性的工作，延长空气压缩机的使用寿命，在储气罐的后部接一个吹扫干燥器，干燥进入仪器的空气。空气压缩机要定期保养，对易于磨损的部位添加润滑黄油，还要经常放出储气罐除去的水分，减少进入仪器的水分。

5 对电的要求

仪器的各个部件工作时的功率都比较大，不仅有单相的用电需求，还有三相的用电需求，因此需要精心设计：其中800 MHz核磁主机用电源单相，30A；BMPC用电源单相，60 A；超低温探头氦气压缩机室内机电源三相，10 KW；空压机电源三相，9 KW。核磁主机和BMPC需配置不间断电源(UPS)。

6 对安全的要求

核磁共振谱仪的磁场强度高达18.79T，因此任何进入室内的人员，均需注意强磁场带来的危害：使用心脏起搏器及安装有心脏支架（含铁磁性物质）的人员，靠近磁体时可能造成心脏起搏器停止工作，危害生命，应严格限制进入实验室；带有磁卡，耳机，手表，手机等进入实验室时也需注意，不要将此类物品靠近磁体，以免损坏设备或发生危险；钢瓶等物体也需放置在安全区域，防止发生危险；另外，由于氦气和氮气都是惰性气体，且无色无味，大量存在时不易发觉，同时会造成氧气密度的降低，引起人员窒息，因此，在实验室最好安装氧气传感器，监测室内氧气浓度，保证安全。

总之，具有较强磁场的核磁共振谱仪能够为我们的科研带来巨大的帮助，但是前提是我们必须在注意安全的条件下去使用它。通过以上六个因素的全面综合考虑，我校强磁场实验室建成后经过不断完善，已正常使用三年。只有我们对其有足够的了解，培训学习相关的安全知识，我们才能安全有效的利用它来为我们的科研服务。

致谢：本文是在首都医科大学项目drkt2014030、xsky2014021和13JYIVZ04的资助下完成，并受到了北京市多肽和小分子重点实验室的大力帮助，在此表示感谢。

参考文献

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