끝없는 시작 : 헬륨 보충이 필요 없는 세계 최초의 상용 NMR 시스템 비하인드 스토리
2013년 XNUMX월, JEOL RESONANCE는 제로 비등(zero-boil-off) 초전도 자석을 사용한 세계 최초의 NMR 시스템을 성공적으로 출시했습니다. 여기서 우리는 신뢰할 수 없고 점점 더 비싸지는 헬륨 공급의 문제를 극복하는 이 획기적인 시스템의 탄생을 추적합니다.
지속적인 소음
스에마츠 히로토
회의 분위기는 암울했다.
헬륨 재충전이 필요 없는 NMR 시스템을 개발하는 프로젝트는 2011년에 시작되었습니다. 이미 2년이 지났지만 신호에 여전히 노이즈가 있었습니다. 그들이 생각할 수 있는 모든 방법을 시도했지만 효과적인 해결책은 고사하고 소음의 원인은 아직 찾지 못했습니다.
“내가 생각할 수 있는 유일한 다른 것은….”
그 생각은 꽤 가관이었다.
"당연히 그거랑은 상관없지."
"글쎄요, 하지만 이 시점에서 시도해 보는 것도 좋을 것 같습니다."
개발팀장인 엔지니어링부장 스에마츠 히로토는 토론을 들으며 한숨을 쉬며 고개를 저었다. 완성된 제품을 발표할 예정이었던 주요 컨퍼런스가 불과 몇 달 앞으로 다가왔습니다. 그는 발표가 연기되어야 한다고 거의 확신했습니다.
"헬륨 위기"
NMR을 위한 조건을 만드는 데 필요한 강한 자기장은 초전도 자석에 의해 생성됩니다. 자석은 특수 금속 또는 합금의 전기 솔레노이드이며 절대 영도에 가까운 극도로 낮은 온도에서 유지되어 자기장을 생성합니다. 이 극저온 상태를 유지하는 데 사용할 수 있는 유일한 냉매는 액체 헬륨입니다.
그러나 헬륨을 얻는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 천연 가스의 부산물로 생산될 수 있습니다. 일본은 국내에서 생산할 수 없기 때문에 수입에 의존하고 있으며 공급의 95%를 미국에서 옵니다. 또한, 이 공급의 대부분은 BLM(미국 토지 관리국)과 세계 최대 석유 회사 중 하나인 ExxonMobil의 유전에서 얻습니다. BLM 또는 ExxonMobil의 불리한 상황은 즉시 공급 불안정을 초래할 수 있습니다.
실제로 2012년 여름 일본은 Exxon 공장이 수개월에 걸친 정기 유지 보수를 시작하면서 "헬륨 위기"에 직면했습니다. 그러나 BLM 공장에서 문제가 발생하여 공급 시스템이 갑자기 악화되었습니다. 그 결과 헬륨은 가스 공급업체의 재고에서 사라졌습니다.
헬륨 풍선은 테마파크에서 사라졌을 뿐만 아니라 반도체 세척 및 광섬유 생산과 같은 공정에 헬륨이 필수 불가결한 많은 제조 시설에서 계획을 변경해야 했습니다. 연이어 연구기관들이 NMR 작동을 중단할 수밖에 없었다.
개발 시작
"헬륨 재충전이 필요 없는 NMR 시스템을 구축할 수 없습니까?" 울음소리가 컸습니다. 그러나 공급 문제가 없더라도 NMR 시스템에서 액체 헬륨을 보충하려면 기기를 하루 중 일부 중지해야 할 뿐만 아니라 연구를 방해할 뿐만 아니라 동상이나 기타 문제를 일으킬 수 있는 잠재적으로 위험한 절차입니다. 부상.
헬륨 재충전이 필요하지 않은 NMR 기기는 이러한 불편함을 완전히 제거할 수 있는 가능성이 있습니다.
이론적으로 이것은 어렵지 않습니다. NMR 자석 탱크의 액체 헬륨이 증발하면서 헬륨 가스가 생성됩니다. 이 헬륨 가스를 방출하는 대신 액체 헬륨으로 탱크로 되돌릴 수 있다면 초전도 자석에 대한 헬륨 공급을 보충할 필요가 없습니다. 따라서 순 효과는 제로 증발입니다. 냉동 장치가 통합된 동일한 종류의 초전도 자석을 통합하는 검사 애플리케이션용 MRI 시스템이 이미 있습니다. 그러나 훨씬 더 정밀한 NMR 측정을 위해서는 냉각 장치에서 발생하는 미세한 진동이 문제가 되어 실질적인 zero-boil-off NMR 시스템은 아직 구현되지 않았다. 그러나 최근 몇 년 동안 더 나은 냉각 장치가 등장하여 실현 가능성이 높아졌습니다.
JEOL RESONANCE는 2011년 XNUMX월에 이 문제를 해결하기로 결정했습니다. 같은 해 XNUMX월에 일본 Innovation Network Corporation에서 자금을 확보하고 개발 비용을 책정하고 개발을 시작했습니다.
보이지 않는 진동
프로젝트는 순조롭게 진행되어 2012년 후인 XNUMX년 XNUMX월에 프로토타입 시스템이 완성되었습니다. 그러나 스위치를 켰을 때 팀 리더 Suematsu는 모니터에 표시된 데이터를 거의 믿을 수 없었습니다.
측파대 잡음 생성 비교
“신호에 예기치 않게 큰 진동이 있었습니다. 내가 엔지니어로 일해 온 수년 동안 이렇게 많은 소음을 본 적이 없습니다. 예를 들어 잘못된 전압이 인가되거나 그런 종류의 오류가 발생하는 등 전기 시스템의 단순한 실수라고 생각했습니다.”
즉시 모든 것을 확인하고 조정하고 다시 테스트했지만 결과는 동일했습니다. 팀원들 모두 머리를 맞대고 있었다.
문제는 냉동 장치에서 발생하는 미세한 진동이라는 것이 분명해졌습니다. 냉동 장치의 작동으로 인한 미세한 진동이 액체 헬륨 탱크로 전달되어 리플이 발생하여 소음으로 감지되었습니다. 그만큼 이해가 되었다. 따라서 Suematsu와 그의 팀은 냉동 장치의 진동을 억제하기 위해 가능한 모든 조치를 취했습니다. 고유 진동이 매우 적은 장치를 사용하는 것 외에도 커넥터에 댐퍼가 내장되어 미세한 진동도 흡수합니다. 진동을 허용 가능한 수준으로 억제했어야 합니다.
하지만 여전히 남아 있었습니다.
초전도 자석 제조사인 JASTEC(Japan Superconducting Technology Inc., 다년간의 비즈니스 파트너) 외에도 기계적 진동 전문가들과 협의를 거쳐 이듬해에 5차례에 걸쳐 설계를 대대적으로 수정했다. 미세 조정을 포함한 테스트는 여러 번 수행되었습니다.
이러한 노력에도 불구하고 소음은 제거되지 않았습니다. 거의 기절할 즈음에 수많은 회의 중 하나에서 제안된 것은 아무도 고려하지 않은 "보이지 않는 진동"이었습니다.
혁명은 이제 막 시작되었다
“시스템 구성의 결과로 항상 발생하는 것처럼 보이는 진동이 있지만 실제로는 작습니다. 우리는 그런 작은 일이 그런 영향을 미칠 수 있다고 생각하지 않았습니다.”
성공을 거의 기대하지 않고 디자인을 여섯 번째로 변경했습니다.
그러나 효과가 있었습니다. 소음은 아름답게 억제되었습니다.
그 시점부터 상황이 빠르게 진행되었습니다.
평가를 수행하고 애플리케이션을 작성하기 위해 추가 직원이 프로젝트에 추가되었습니다. 제품 개발은 맹렬한 속도로 진행되었습니다. 2013년 400월, 미국에서 가장 큰 NMR 컨퍼런스에서 헬륨 보충이 필요 없는 ZBXNUMX NMR 시스템이 발표되었습니다.
전 세계의 연구 시설은 헬륨 부족으로 어려움을 겪고 있습니다. 여전히 ZB400의 성과에 박수를 보내면서도 시장은 이르면 XNUMX월부터 발주를 시작했다. 일이 순조롭게 시작되고 있습니다.
불행히도 헬륨 부족은 일시적인 상황이 아닙니다. 이는 미래에 만성적인 문제가 될 가능성이 높습니다. 최근에는 셰일가스(헬륨이 없는) 추출기술이 확립되면서 천연가스 플랜트의 사용이 감소하고 있다. 천연 가스 플랜트에서 얻을 수 있는 헬륨은 적은 비율에 불과하므로 천연 가스 플랜트가 단순히 헬륨을 추출하기 위해 운영될 가능성은 거의 없으며 향후 헬륨 공급에 대해 우려해야 할 이유가 더 많습니다. 생산능력 감소와 함께 헬륨 수요는 특히 중국과 한국이 반도체 생산을 더욱 강화함에 따라 증가하고 있다. 이것은 헬륨 공급의 미래 가용성에 대한 압력을 더욱 증가시킵니다.
이러한 상황에서 ZB400의 출시는 더욱 의미가 있습니다.
그러나 팀 리더 스에마츠는 여전히 웃고 있지 않습니다.
“여러 가지 정황 증거를 수집하다 우연히 해결책을 찾았습니다. 이것은 아직 이론적으로 증명되지 않았습니다. 더 나은 제품을 만들기 위해서는 메커니즘과 결과를 지속적으로 검증해야 합니다.”
혁명은 이제 막 시작되었습니다.