Enfriamiento por espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN)
Helio líquido criogénico y nitrógeno líquido como refrigerantes
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una tecnología de investigación en química analítica que se utiliza para analizar la composición física y química de los materiales. Se utiliza, en particular, en laboratorios universitarios y hospitalarios y en la industria alimentaria, biológica, farmacéutica y química.
Se necesita helio líquido para enfriar el imán de RMN y se puede utilizar nitrógeno líquido para absorber el calor del exterior del imán y reducir la velocidad de ebullición del helio.
El RMN contiene un imán semiconductor enfriado por helio líquido para proporcionar resultados de alta resolución. El helio líquido está protegido por una capa de nitrógeno líquido, que es un gas líquido más barato y más fácilmente disponible, para evitar que hierva en la atmósfera.
Llenado de un imán 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 cada seis o siete meses, tenemos que llenar el recipiente interno con LHe. Este es un proceso un poco más complejo. En primer lugar, el recipiente exterior se cubre con LN 2 , como se muestra arriba. Luego el recipiente interior debe llenarse con LHe. El costo del LHe es muchas veces mayor que el del LN 2. Se entrega en recipientes Dewar especiales que tienen el tubo de descarga en la parte superior del recipiente. Antes de llenarlo, se golpea ligeramente el recipiente Dewar para determinar la cantidad de helio que contiene. La extracción implica el uso de un tubo largo de acero inoxidable que tiene una abertura grande en un extremo. Cuando la punta del tubo está cerca de la superficie del helio líquido, la ebullición crea un golpe que se puede sentir en la parte superior del tubo (mira dónde está tu pulgar). La frecuencia de este ritmo cambia cuando el tubo está en la superficie. Midiendo la distancia en la que se inserta el tubo, se puede determinar con bastante precisión el volumen de LHe en el recipiente Dewar.
Luego comienza el relleno. En primer lugar, se conecta un cilindro de gas He al recipiente Dewar LHe. Esto es para que podamos presionar el depósito para ayudar a transferir He a través de la línea de transferencia. Si se deja solo, el Dewar no generará suficiente presión para transferir el líquido en un tiempo razonable. La presurización típica es de solo 1 a 2 psig. Cualquier cantidad mayor provocará que el líquido fluya demasiado rápido.
Luego comienza la transferencia de helio. Esto requiere el uso de un tubo de transferencia aislado especial, que se conecta al recipiente Dewar y luego se inserta en el imán una vez que se ve LHe (líquido, no solo gas frío) saliendo del extremo. Tenga en cuenta la cinta en la línea de inserción. Esto indica la profundidad máxima de inserción. En los imanes más antiguos, no había deflector para amortiguar la caída del LHe que entraba en el dewar. Si se llena demasiado, esto podría a veces crear suficientes salpicaduras internas para provocar que el gas a mayor temperatura (10-12 K) entre en contacto con las bobinas superconductoras y provoque su extinción.
