CH641548A5

CH641548A5 - Cryostat for a superconducting nuclear resonance spectrometer.

Info

Publication number: CH641548A5
Application number: CH169279A
Authority: CH
Inventors: George Dewey Jun Kneip; Marvin Henry Anderson
Original assignee: Varian Associates
Priority date: 1978-02-21
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1984-02-29
Also published as: GB2015716A; DE2906060A1; GB2015716B; DE2906060C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kryostaten gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to a cryostat according to the preamble of claim 1.

Bekannte Kryostaten zur Aufnahme von supraleitenden Geräten, beispielsweise supraleitenden Magneten, haben ein Helium-gefäss verwendet, das so geformt war, dass es ein relativ kleines zylindrisches Volumen zeigte, das den supraleitenden Magneten umgab, in offener Verbindung mit einem grösseren Volumen, das unmittelbar oberhalb der Spule angeordnet war. Bei dieser Geometrie wird die Spule vollständig in das Bad aus flüssigem Helium eingetaucht gehalten. Eine ausreichende Haltezeit für das flüssige Helium wird durch den Überbau an flüssigem Helium in grossen Volumen geschaffen. Diese Form eines Heliumreservoirs zeigt ein Verhältnis Oberfläche/Volumen, das erheblich höher ist als das erreichbare Minimum; dementsprechend werden zusätzliche Strahlungsverluste eingeführt, die zu einer höheren Rate des Heliumabsiedens beitragen. Known cryostats for holding superconducting devices, such as superconducting magnets, have used a helium vessel that was shaped to have a relatively small cylindrical volume that surrounded the superconducting magnet, in open communication with a larger volume that was immediately above the coil was arranged. With this geometry, the coil is kept completely immersed in the liquid helium bath. A sufficient holding time for the liquid helium is created by the large volume of liquid helium. This form of helium reservoir shows a surface / volume ratio that is considerably higher than the minimum that can be achieved; accordingly, additional radiation losses are introduced which contribute to a higher rate of helium boiling.

Bekannte Kryostaten haben die Form ineinandergeschachtelter Kammern gehabt, die intern verspannt waren, beispielsweise mit Speichen aus rostfreiem Stahl, um mechanischen Schocks zu widerstehen und minimale Abstände zwischen benachbarten ineinandergeschachtelten Wänden aufrechtzuerhalten. Rostfreier Stahl war eine beliebte Materialwahl wegen der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Festigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit einer solchen Verspannung setzt jedoch eine Grenze für die Wärmeisolation, die zwischen benachbarten Flächen ineinandergeschachtelter Stukturen erreicht werden kann. Known cryostats have been in the form of nested chambers that have been internally braced, such as with stainless steel spokes, to withstand mechanical shocks and to maintain minimal distances between adjacent nested walls. Stainless steel was a popular choice of materials because of its relatively low thermal conductivity and high strength. However, the thermal conductivity of such bracing places a limit on the thermal insulation that can be achieved between adjacent surfaces of nested structures.

Bekannte Kryostaten haben mit einem zweiten Temperaturbad gearbeitet, um das Kühlmittel niedrigster Temperatur gegen die Umgebungstemperatur abzuschirmen. Gewöhnlich ist das Sekundärkühlmittelreservoir selbst gegen die Umgebungstemperaturisoliert, beispielsweise mit Lagen aus Isoliermaterial. In einem supraleitenden Magneten mit Zimmertemperaturzugang wird eine relativ grosse Magnetbohrung in bekannten Kryostat-strukturen gefordert, um einen ausreichenden Raum für diese Isolierung zu erhalten. Dadurch wird es notwendig, den Innendurchmesser der Spule so gross zu wählen, dass ein entsprechend grosser Durchmesser überspannt wird, um die zusätzliche Isolierung aufzunehmen, so dass eine erheblich grössere Länge supraleitender Draht zur Herstellung der Spule benötigt wird. Known cryostats have used a second temperature bath to shield the lowest temperature coolant from the ambient temperature. The secondary coolant reservoir itself is usually insulated from the ambient temperature, for example with layers of insulating material. In a superconducting magnet with room temperature access, a relatively large magnetic hole in known cryostat structures is required in order to obtain sufficient space for this insulation. This makes it necessary to choose the inside diameter of the coil so large that a correspondingly large diameter is spanned in order to accommodate the additional insulation, so that a considerably greater length of superconducting wire is required to produce the coil.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Kryostaten zur Aufnahme eines verflüssigten Gases verfügbar zu machen, bei dem die Verluste an diesem verflüssigten Gas vom Kryostaten durch das Sieden dieses verflüssigten Gases minimiert sind. The object of the invention is to provide an improved cryostat for holding a liquefied gas, in which the losses of this liquefied gas from the cryostat are minimized by the boiling of this liquefied gas.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, die Menge an flüssigem Helium zu minimieren, die für den Betrieb eines supraleitenden Magneten benötigt wird, und das Intervall zwischen Nachfüllungen an flüssigem Helium zu maximieren. It is a further object of the invention to minimize the amount of liquid helium required to operate a superconducting magnet and to maximize the interval between refills of liquid helium.

Dies wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. According to the invention, this is achieved by the characterizing features of patent claim 1.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Advantageous developments of the invention result from the dependent claims.

Weitere Merkmale und Vorteile spezieller Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen: Further features and advantages of specific embodiments of the invention will become apparent from the following description in conjunction with the drawing; show it:

Fig. 1 ein Schema eines Spektrometersytems für die magnetische Kernresonanz; 1 shows a diagram of a spectrometer system for nuclear magnetic resonance;

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Kryostaten nach der bevorzugten Ausführungsform ; 2 is a top view of the cryostat according to the preferred embodiment;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Kryostaten entsprechend Linie 3-3 in Fig. 2; 3 shows a section through the cryostat according to line 3-3 in FIG. 2;

Fig. 4 einen Schnitt entsprechend der Linie 4-4 in Fig. 2; Fig. 4 is a section along the line 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 einen Schnitt entsprechend der Linie 5-5 in Fig. 2, und Fig. 5 is a section along the line 5-5 in Fig. 2, and

Fig. 6 den Kältekopf zur thermischen Verbindung zur Kühleinrichtung. Fig. 6 shows the cold head for thermal connection to the cooling device.

Beim Kryostaten ist das Primärkühlmittel (im folgenden der Einfachheit halber mit «flüssiges Helium» bezeichnet) in einem Zentralreservoir enthalten, das eine im wesentlichen sphärische Form hat. Das Zentralreservoir ist aus Aluminium hergestellt und eine durch seinen Mittelpunkt führende Bohrung ist durch eine zylindrische Wand aus Aluminium definiert, die an das quasi-sphärische Reservoir angeschweisst ist. Eine supraleitende Spule ist koaxial mit der Bohrung innerhalb des Zentralreservoirs angeordnet. Das Verhältnis Oberfläche/Volumen ist so minimiert, dass die Fläche des Zentralreservoirs zur Absorption von Wärme durch Strahlung reduziert wird und der Betrieb der Spule fortgesetzt werden kann, wenn der Spiegel des flüssigen Heliums merklich unter die Oberkante der Spule fällt. In the cryostat, the primary coolant (hereinafter referred to simply as "liquid helium" for the sake of simplicity) is contained in a central reservoir which has an essentially spherical shape. The central reservoir is made of aluminum and a bore through its center is defined by an aluminum cylindrical wall welded to the quasi-spherical reservoir. A superconducting coil is arranged coaxially with the bore within the central reservoir. The surface area / volume ratio is minimized so that the area of the central reservoir for absorbing heat by radiation is reduced and the operation of the coil can be continued if the level of the liquid helium falls significantly below the top edge of the coil.

Ein das Heliumreservoir umgebender Strahlungsschirm ist vorgesehen, um eine erste isothermische Fläche zwischen dem Zentralreservoir und einer umgebenden zweiten isothermischen Fläche zu schaffen, die auf der Temperatur eines Sekundärkühlmittels (im folgenden der Klarheit halber «flüssiger Stickstoff» genannt) gehalten wird. Der Strahlungsschirm wird auf etwa 50° K gehalten, und zwar durch Dampfkühlung, die durch das Absieden von Helium bewirkt wird, das durch die Füll- und Belüftungsrohre entweicht, mit denen der Strahlungsschirm in Wärmekontakt steht. A radiation shield surrounding the helium reservoir is provided to create a first isothermal surface between the central reservoir and a surrounding second isothermal surface which is maintained at the temperature of a secondary coolant (hereinafter referred to as "liquid nitrogen" for clarity). The radiation shield is kept at about 50 ° K by steam cooling caused by the boiling of helium that escapes through the fill and vent pipes with which the radiation shield is in thermal contact.

Um den Strahlungsschirm herum und teilweise die Füll- und Around the radiation shield and partly the filling and

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 641 548 3,641,548

Belüftungsrohre umgebend ist eine zweite isothermische Schale Steuerung von Obergängen zwischen dem normalleitenden und vorgesehen^ die durch Wärmekontakt mit einem Reservoir von dem supraleitenden Zustand für ausgewählte Wicklungen sind flüssigem Stickstoff gekühlt wird, das ausserhalb der Schale ebenfalls vorgesehen, solche Zusatzschaltungen sind bekannt angeordnet ist, oberhalb des Bereichs des Zentralreservoirs. In und brauchen deshalb hier nicht näher erläutert zu werden, Surrounding ventilation pipes is a second isothermal shell control of transitions between the normally conductive and provided ^ which are cooled by thermal contact with a reservoir from the superconducting state for selected windings, liquid nitrogen, which is also provided outside the shell, such additional circuits are known to be arranged above the area of the central reservoir. In and therefore need not be explained here in more detail,

dieser Geometrie verläuft das Belüftungs- und Füllrohr vom 5 Das zentrale Kühlmittelreservoir 110 ist aus 3,18 mm starkem In this geometry, the ventilation and filling pipe runs from the 5. The central coolant reservoir 110 is made of 3.18 mm thick

Zentralreservoir (das teilweise von einem zylindrischen Teil der Aluminium zu einer im wesentlichen sphärischen Form, wie zweiten isothermischen Schale umgeben ist) durch eine grössere dargestellt, geformt, und zwar durch bekannte Drucktechniken. Central reservoir (which is partially surrounded by a cylindrical portion of the aluminum into a substantially spherical shape, such as a second isothermal shell), represented by a larger one, by known printing techniques.

Länge des Sekundärkühlmittelreservoirs verglichen mit bekann- Bei der bevorzugten Ausführungsform hat das Reservoir 110 Secondary Coolant Reservoir Length Compared to Known In the preferred embodiment, the reservoir has 110

ten Kryostaten mit entsprechend verbesserter Wärmeisolierung eine Kühlmittelkapazität von etwa 251. Das Reservoir 110 ist für das Flüssigheliumreservoir. io weiter durch eine Bohrung gekennzeichnet, die durch eine th cryostat with correspondingly improved thermal insulation a coolant capacity of about 251. The reservoir 110 is for the liquid helium reservoir. io further characterized by a hole marked by a

Die Wärmeisolierung des Sekundärkühlmittelreservoirs und Zylinderwand 111 gebildet wird, die an das Reservoir 110 The thermal insulation of the secondary coolant reservoir and cylinder wall 111 is formed, which is attached to the reservoir 110

der zugehörigen sekundären isothermischen Schale gegen die angeschweisst ist. Auf diese Weise wird ein Zimmertemperatur- the associated secondary isothermal shell against which is welded. In this way, a room temperature

Umgebungstemperatur kann weiter dadurch verbessert werden, Zugang zum Magnetfeld der Spuleneinheit 50 erreicht. Das dass ein äusserer Strahlungsschirm vorgesehen wird, der das Reservoir 110 ist gegen die Umgebungstemperatur mittels einer Ambient temperature can be further improved by accessing the magnetic field of the coil unit 50. That an external radiation shield is provided, which is the reservoir 110 against the ambient temperature by means of a

Sekundärkühlmittelreservoir und die zugehörige isothermische 15 Schale 112, einem Strahlungsschirm 114, einer Schale 116 und Secondary coolant reservoir and the associated isothermal shell 112, a radiation shield 114, a shell 116 and

Kammer umgibt. Dieser äussere Strahlungsschirm wird bei einer einem Behälter 118, die aufeinander folgen isoliert, die koaxiale Chamber surrounds. This outer radiation shield is insulated in the case of a container 118 which follows one another and which is coaxial

Ausführungsform der Erfindung auf einer Temperatur zwischen Bohrungen aufweisen, die durch zylindrische Rohre 113,115, Embodiment of the invention at a temperature between bores, which are formed by cylindrical tubes 113, 115,

der des Sekundärkühlmittels und der Umgebungstemperatur 117 bzw. 119 gebildet werden. Die Wandstärke der betreffenden mittels einer zusätzlichen Kühleinrichtung gehalten. Bei einer zylindrischen koaxialen Rohre wird durch die Wärmebelastung anderen Ausführungsform der Erfindung wird dieser Strahlungs- 20 in jedem bestimmt und variiert von 0,51 mm bis 1,24 mm. Die schirm auf einer Temperatur zwischen der des Sekundärkühlmit- Zwischenräume zwischen der Schale 112, dem Strahlungsschirm tels und der Umgebungstemperatur mittels Wärmeübertragung 114, der Schale 116 und dem Behälter 118 stehen in noch zu vom äusseren Strahlungsschirm zum Dampf gehalten, der von beschreibender Weise miteinander in Verbindung und sind durch den flüssigen Gasen absiedet und durch die zugehörigen Füll- eine Auspumpöffnung 120 im Behälter 118 evakuiert, um einen und Belüftungsrohre entweicht. 25 sehr niedrigen Druck zu erreichen, beispielsweise 1,33 xl0"4Pa, that of the secondary coolant and the ambient temperature 117 and 119 are formed. The wall thickness of the relevant is maintained by means of an additional cooling device. In the case of a cylindrical coaxial tube, the heat load of another embodiment of the invention determines this radiation 20 in each and varies from 0.51 mm to 1.24 mm. The screen at a temperature between that of the secondary coolant gaps between the shell 112, the radiation shield means and the ambient temperature by means of heat transfer 114, the shell 116 and the container 118 are still held from the outer radiation shield to the steam, which is descriptively related to one another Connection and are boiled off by the liquid gases and evacuated through the associated filling an pump-out opening 120 in the container 118 to escape and ventilation pipes. 25 to reach very low pressure, for example 1.33 xl0 "4Pa,

Ein äusseres, hermetisch abgedichtetes Gefäss umschliesst den um die Wärmeleitung zwischen benachbarten ineinanderge- An outer, hermetically sealed container encloses the

äusseren Strahlungsschirm und das Innere des Kryostaten, so schachtelten Flächen durch Gas-Leitung und -Konvektion zu dass die Zwischenräume zwischen benachbarten ineinanderge- minimieren. outer radiation shield and the inside of the cryostat, surfaces are nested by gas conduction and convection so that the gaps between neighboring one another are minimized.

schachtelten Flächen auf einen Druck in der Grössenordnung Ein zweites Kühlmittelreservoir 114' ist oberhalb des Zentral- nested areas at a pressure in the order of magnitude. A second coolant reservoir 114 'is above the central

von 1,33 • 10"4 Pa Torr evakuiert werden können. Auf diese Weise 30 reservoirs 110 und in Wärmekontakt mit dem Strahlungsschirm werden Gas-Leitungs- und -Konvektions-Mechanismen für den 114 angeordnet, so dass der Strahlungsschirm 114, der vorzugs- of 1.33 • 10 "4 Pa Torr can be evacuated. In this way 30 reservoirs 110 and in thermal contact with the radiation shield, gas conduction and convection mechanisms are arranged for the 114, so that the radiation shield 114, the preferred

Wärmetransport zum Zentralreservoir minimiert. weise aus Aluminium mit einer Nenndicke von 4,83 mm geformt Heat transfer to the central reservoir minimized. formed of aluminum with a nominal thickness of 4.83 mm

Direkte Leitungsverluste zwischen ineinandergeschachtelten ist, eine Schale auf der Temperatur des Sekundärkühlmittels, Direct line loss between nested is a shell on the temperature of the secondary coolant,

Strukturen werden praktisch dadurch eliminiert, dass die Ver- vorzugsweise flüssiger Stickstoff, bildet. Structures are practically eliminated by the fact that they preferably form liquid nitrogen.

spannungsspeichen bekannter Art durch Verspannung aus Poly- 35 Gemäss Fig. 2 sind zwei Lüftungs- und Füllrohre 130 und 130' voltage spokes of known type by bracing made of poly 35 According to FIG. 2, two ventilation and filling pipes 130 and 130 '

esterseil ersetzt werden. für den Zugang zum Zentralreservoir nötig. Diese bestehen aus ester rope to be replaced. necessary for access to the central reservoir. These consist of

Alle Wände, die die ineinandergeschachtelte Struktur des rostfreiem Stahl von 15,9 mm Innendurchmesser mit einer Kryostaten bilden, sind aus Aluminium hergestellt, ausgenom- Wandstärke von 0,13 mm. Zwei solche Belüftungs- und Füllrohmen die Füll- und Belüftungsrohre für die Flüssigstickstoff- und re 130 und 130' erscheinen in Fig. 1, und eine solche Struktur ist Helium-Reservoirs. Die Aluminiumflächen werden einer Be- 40 näher in Fig. 3 dargestellt. Diese Belüftungs- und Füllstrukturen handlung unterworfen, die die Strahlungsemissionsfähigkeit der unterscheiden sich nur darin, dass ein elektrischer Anschluss 54 Oberfläche reduziert. Dementsprechend wird der Wärmetrans- nur für Rohr 130 erforderlich ist. Das Rohr 130 (und 130') All walls, which form the nested structure of the stainless steel of 15.9 mm inner diameter with a cryostat, are made of aluminum, with the exception of a wall thickness of 0.13 mm. Two such vent and fill tubes, the fill and vent tubes for the liquid nitrogen and re 130 and 130 'appear in Figure 1, and one such structure is helium reservoirs. The aluminum surfaces are shown in more detail in FIG. 3. These ventilation and filling structures are subjected to action that only differ in the radiation emissivity in that an electrical connection 54 reduces surface area. Accordingly, the heat transfer is only required for tube 130. The pipe 130 (and 130 ')

port durch Strahlung zwischen benachbarten Flächen weiter besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, um die Wärmeleitfä- port by radiation between adjacent surfaces is preferably made of stainless steel to protect the heat

reduziert. higkeit vom Flüssighelium-Reservoir zum Äusseren des Kryosta- reduced. ability of the liquid helium reservoir to the exterior of the cryostat

Ein supraleitendes Spektrometersystem für die magnetische 45 ten zu minimieren. Das Rohr 130 wird durch koaxiale Rohre 132, A superconducting spectrometer system to minimize the magnetic 45th. The tube 130 is covered by coaxial tubes 132,

Kernresonanz verwendet einen Kryostaten 1, der einen Zimmer- 134,136 und 138 abgeschirmt, die jeweils Teil der Schale 112, des temperaturzugang zum Magnetfeld aufweist, das innerhalb des Strahlungsschirmes 114, der Schale 116 und des Behälters 118 Nuclear magnetic resonance uses a cryostat 1 which shields a room 134, 136 and 138, each of which has part of the shell 112, the temperature access to the magnetic field which is within the radiation shield 114, the shell 116 and the container 118

Kryostaten 1 in einer noch näher beschriebenen Weise erzeugt bilden. Ein Wärmeübertragungskragen 133 (und 133', nicht wird. Eine Sonde 5, die eine Probe 7 enthält, wird zur Untersu- dargestellt), vorzugsweise aus Aluminium, dient dazu, Wärme chung durch eine Bohrung 3 eingeführt. Ein Sender 9, ein 50 zum absiedenden Heliumdampf zu übertragen, der durch das Form cryostat 1 generated in a manner described in more detail. A heat transfer collar 133 (and 133 ', is not. A probe 5, which contains a sample 7 is shown for examination), preferably made of aluminum, serves to introduce heat through a bore 3. A transmitter 9 to transmit a 50 to the boiling helium vapor through the

Empfänger 11 und eine Steuereinheit 13 sowie eine Datenverar- Rohr 130 (130') strömt, so dass die isothermische Schale 112 auf beitungseinheit 15 und eine Anzeigeeinrichtung 17 bilden das einer festen Temperatur gehalten wird. Receiver 11 and a control unit 13 as well as a data processing tube 130 (130 ') flows so that the isothermal shell 112 forms on processing unit 15 and a display device 17 which is kept at a fixed temperature.

komplette Spektrometer (abgesehen von Stromversorgungssy- Eine als Strahlungsschirm dienende Schale 112 ist vorzugswei-stemen zur Einleitung von Persistenzströmen für den Magneten). se aus Aluminium nach konventionellen Drucktechniken herge-Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform 55 stellt und definiert eine isothermische Schale mit einer Temperades Kryostaten 1 nach der Erfindung. Eine Bohrung 3 erlaubt tur zwischen der des Sekundärkühlmittels (flüssiger Stickstoff bei einen Zimmertemperaturzugang zum Magnetfeld, das durch die 77,4° K) und der des Primärkühlmittels (flüssiges Helium bei 4,2° Vorrichtungen innerhalb des Kryostaten 1 in der später beschrie- K). Für Kombinationen aus flüssigem Stickstoff und flüssigem benen Weise erzeugt wird. Helium ist die Temperatur der Schale optimal bei etwa 50° K. Complete spectrometer (apart from power supply system- A shell 112 serving as a radiation shield is preferably for introducing persistence currents for the magnet). se made of aluminum according to conventional printing techniques. FIG. 2 shows a top view of the preferred embodiment 55 and defines and defines an isothermal shell with a temperades cryostat 1 according to the invention. A hole 3 allows tur between that of the secondary coolant (liquid nitrogen at a room temperature access to the magnetic field through the 77.4 ° K) and that of the primary coolant (liquid helium at 4.2 ° devices within the cryostat 1 in the later described K ). For combinations of liquid nitrogen and liquid benen is generated. Helium, the temperature of the shell is optimal at around 50 ° K.

Gemäss Fig. 1 enthält der Kryostat 1 eine supraleitende 60 Wärme wird zur Schale hauptsächlich durch Strahlung übertra- According to FIG. 1, the cryostat 1 contains superconducting heat, which is mainly transmitted to the shell by radiation.

Spuleneinheit 50 innerhalb eines Zentralreservoirs 110. Das gen (und durch Leitung durch mechanische Verspannungsein- Coil unit 50 within a central reservoir 110. The gene (and by conduction by mechanical bracing

Reservoir 110 enthält ein Primärkühlmittel, vorzugsweise flüssi- richtungen, die noch beschrieben werden), und zwar vom Inne- Reservoir 110 contains a primary coolant, preferably liquid devices, which will be described later), from the inside

ges Helium, um den supraleitenden Zustand der die Solenoidein- ren des umgebenden Strahlungsschirmes 114, und wird von der heit 50 bildenden Wicklungen aufrechtzuerhalten. Leitungen Schale 112 zum Heliumdampf in den Füll- und Belüftungsrohren von den Spulenwicklungen, allgemein mit 52 bezeichnet, laufen 65130 und 130' durch Aluminium-Kontaktkragen 133 bzw. 133' helium to maintain the superconducting state of the solenoid elements of the surrounding radiation shield 114, and will be maintained by the unit 50 windings. Lines shell 112 to helium vapor in the fill and vent tubes from the coil windings, generally designated 52, run 65130 and 130 'through aluminum contact collars 133 and 133', respectively.

in einem Anschluss 54 zum Anschluss an externe Stromquellen übertragen, die an die Füll- und Entlüftungsrohre 130 und 130' transmitted in a connection 54 for connection to external power sources, which are connected to the filling and ventilation pipes 130 and 130 '

aus, die in noch zu beschreibender Weise eingeführt werden. und an die Schale 112 angeschweisst sind. Ein Wärmekontakt which are introduced in a manner to be described. and are welded to the shell 112. A thermal contact

Zusätzliche Schaltungen bestehend aus Persistenzschaltern zur zwischen den Rohren 130 und 130' und den jeweiligen Kragen Additional circuits consisting of persistence switches between the tubes 130 and 130 'and the respective collar

641 548 641 548

133 und 133' erfolgt an einem Punkt, an dem etwa 10 mW thermische Energie von der Schale 112 dem entweichenden Heliumdampf zugeführt wird. 133 and 133 'occurs at a point where approximately 10 mW of thermal energy is supplied from the shell 112 to the escaping helium vapor.

Die Schale 112 ist in dem umgebenden isothermischen Strahlungsschirm eingeschachtelt, die durch geschweissten Kontakt mit Flüssigstickstoff-Reservoir 114' auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff gehalten wird. Die Aussenfläche des isother-mischen Körpers 114-114' wird selbst durch eine äussere Schale 116 abgeschirmt, die auf einer Temperatur zwischen der von flüssigem Stickstoff und Zimmertemperatur gehalten wird, wie noch näher erläutert wird. The shell 112 is nested in the surrounding isothermal radiation shield, which is kept at the temperature of liquid nitrogen by welded contact with liquid nitrogen reservoir 114 '. The outer surface of the isothermal body 114-114 'is itself shielded by an outer shell 116 which is maintained at a temperature between that of liquid nitrogen and room temperature, as will be explained in more detail.

Ein hermetisch dichtes Aussengefäss 118 umschliesst die Kryostatstruktur und sorgt für eine externe mechanische und Vakuum-Integrität. A hermetically sealed outer vessel 118 encloses the cryostat structure and ensures external mechanical and vacuum integrity.

Mit Prallwänden versehenen Öffnungen 135 und 137 sind in der dargestellten Weise in den als Strahlungsschirme dienenden Schalen 112 und 116 vorgesehen. Eine in ähnlicher Weise mit Prallwänden versehene Öffnung im Strahlungsschirm 114, im Schnitt in Fig. 2 nicht sichtbar, sorgt für eine Verbindung zwischen allen Innenräumen der ineinandergeschachtelten Struktur, so dass diese Innenräume auf einem gemeinsamen Druck durch Evakuieren durch Öffnung 120 gehalten werden. Das Flüssigstickstoff-Reservoir 114' und der zugehörige Strahlungsschirm 114 werden effektiv durch zusätzliche Kühlung der äusseren Schale 116 auf eine Temperatur zwischen der von flüssigem Stickstoff und Umgebungstemperatur isoliert. Die Schale 116 wird vorzugsweise auf 173-183° K gehalten, indem ein Wärmetauscher, der später besprochen wird, im Rohr 145 vorgesehen wird, um den Wärmeaustausch zwischen der äusseren Schale 116 und einer Hiifs-Kühleinrichtung 140 zu bewirken. Ein externer mechanischer Kühler, beispielsweise von Neslab Instruments, Inc., Cryocool CC-100, hat sich als zweckmässig für diesen Zweck erwiesen, wenn auch ähnliche Einrichtungen zweifellos ebenso gut dienen. In Fig. 5 ist die Einrichtung, mit der die externe Kühleinrichtung mit dem Kryostaten gekoppelt ist, mit näheren Einzelheiten dargestellt. Apertures 135 and 137 provided with baffle walls are provided in the shells 112 and 116 serving as radiation shields as shown. A similarly provided with baffle opening in the radiation screen 114, not visible in section in Fig. 2, provides a connection between all interiors of the nested structure, so that these interiors are kept at a common pressure by evacuation through opening 120. The liquid nitrogen reservoir 114 'and the associated radiation shield 114 are effectively isolated by additional cooling of the outer shell 116 to a temperature between that of liquid nitrogen and ambient temperature. Shell 116 is preferably maintained at 173-183 ° K by providing a heat exchanger, which will be discussed later, in tube 145 to effect heat exchange between outer shell 116 and a Hiifs cooler 140. An external mechanical cooler, for example from Neslab Instruments, Inc., Cryocool CC-100, has proven to be useful for this purpose, although similar devices will no doubt serve as well. 5 shows the device with which the external cooling device is coupled to the cryostat in more detail.

Eine Zugangsöffnung 142 (Fig. 2) auf der Oberseite des Gefässes 118 ist mit Rohr 143 hermetisch abgedichtet, das eine Tauchrohranordnung zum Wärmezugang zur äusseren als Strahlungsschirm dienende Schale 116 trägt. Eine Aussenwand 144 und ein inneres leitendes Rohr 144' für das Tauchrohr wird durch ein Rohr aus geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise rostfreiem Stahl gebildet, und ein inneres Kontaktrohr 145 ist aus thermisch leitendem Rohrmaterial hergestellt, das in einer Ein-zelwindung, die längs des Umfangs des Schirms 116 angeschweisst ist, mit dem äusseren Strahlungsschirm 116 verbunden ist. Die Innen- und Aussenwände 144' und 144 sind hermetisch mit einem Endstopfen 144" verbunden. Die thermische Verbindung zwischen der Kühleinrichtung 140 und dem Strahlungsschirm 116 wird durch Einsatz des Kältekopfes 147 (näher in Fig. 6 dargestellt) in das Kühlrohr 145 durchgeführt. An access opening 142 (FIG. 2) on the top of the vessel 118 is hermetically sealed with tube 143, which carries an immersion tube arrangement for heat access to the outer shell 116 serving as a radiation shield. An outer wall 144 and an inner conductive tube 144 'for the immersion tube is formed by a tube of low thermal conductivity, for example stainless steel, and an inner contact tube 145 is made of thermally conductive tube material, which in a single winding, which runs along the circumference of the Screen 116 is welded, is connected to the outer radiation screen 116. The inner and outer walls 144 'and 144 are hermetically connected to an end plug 144 ". The thermal connection between the cooling device 140 and the radiation shield 116 is carried out by inserting the cold head 147 (shown in more detail in FIG. 6) into the cooling pipe 145.

Der Kältekopf 147 besteht aus einem flexiblen Balgen 148 aus nickelplattiertem Messing- oder Kupferrohr mit einem Ende sowie einem Montageflansch 149 und einem koaxialen Kapillarrohr 150. Kaltes Kühlmittel von der Kältemaschine 140 fliesst durch die Kapillare 150 und kehrt längs der Aussenseite der Kapillare 150 durch Öffnungen im Flansch 149 zurück. Die Balgenfalten sorgen für eine grosse Kühlfläche und der Raum zwischen den Balgenfalten und der Innenwand des Kühlrohres 144' ist mit einer Mischung von 90 % Methanol und 10 % Wasser gefüllt, um den Wärmeübergang zwischen dem Kühlrohr 144' und dem Kältekopf 147 zu erleichtern. The cold head 147 consists of a flexible bellows 148 made of nickel-plated brass or copper tube with one end and a mounting flange 149 and a coaxial capillary tube 150.Cold coolant from the cooling machine 140 flows through the capillary 150 and returns along the outside of the capillary 150 through openings in the Flange 149 back. The bellows folds provide a large cooling surface and the space between the bellows folds and the inner wall of the cooling tube 144 'is filled with a mixture of 90% methanol and 10% water in order to facilitate the heat transfer between the cooling tube 144' and the cold head 147.

Ohne zusätzliche Kühlüng wird die Schale 116 auf235° K dadurch gehalten, dass für einen Wärmeaustausch mit den entweichenden Helium- und Stickstoff-Dämpfen in ähnlicher Weise wie beim inneren Strahlungsschirm gesorgt wird. Bei einem Kryostaten, der aus wenigstens drei ineinandergeschachtelten Strukturen besteht, wobei die Zwischenräume zwischen diesen Strukturen evakuiert sind und die innerste der Strukturen aus einem thermisch widerstandsfähigen Rohr zur Verbindung mit dem Äusseren des Kryostaten besteht und dazu geeignet ist, ein verflüssigtes Gas zu enthalten, besteht ein Verfahren, mit dem die Struktur, die den Flüssiggasbehälter eingrenzend umgibt, auf einer Temperatur zwischen der des Flüssiggasbehälters und der Temperatur der äussersten der Strukturen gehalten wird, darin, dass Dampf vom verflüssigten Gas erlaubt wird, durch das Entlüftungsrohr zu entweichen und ein Wärmekontakt zwischen der Zwischenstruktur und dem Entlüftungsrohr hergestellt wird, der auf einen mittleren Bereich des Rohres eingeschränkt ist, so dass vom äussersten Körper auf den Schirm abgestrahlte Leistung in einen Bereich des Rohrs auf einer Zwischentemperatur übertragen wird, und diese Leistung mit dem entweichenden Dampf zum Äusseren des Kryostaten zurückgeführt wird. Without additional cooling, the shell 116 is kept at 235 ° K by providing heat exchange with the escaping helium and nitrogen vapors in a manner similar to that of the inner radiation shield. In the case of a cryostat which consists of at least three nested structures, the gaps between these structures being evacuated and the innermost of the structures consisting of a thermally resistant tube for connection to the exterior of the cryostat and capable of containing a liquefied gas a method by which the structure surrounding the liquefied gas container is maintained at a temperature between that of the liquefied gas container and the temperature of the outermost of the structures, in that steam from the liquefied gas is allowed to escape through the vent pipe and a thermal contact between the intermediate structure and the ventilation pipe is produced, which is restricted to a central region of the pipe, so that power radiated from the outermost body onto the screen is transferred to a region of the pipe at an intermediate temperature, and this power with the escaping steam to Exterior of the cryostat.

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Flüssigstickstoff-Be- und Entlüftungs-Rohreinheit 152. Ein thermisch nichtleitendes zentrales Füllrohr 153, vorzugsweise aus rostfreiem Stahlrohr von 0,13 mm Wandstärke, fuhrt einen Wärmegradienten zwischen der Temperatur des Flüssigstickstoff-Reservoirs 114' von 77° K und einer Umgebungstemperatur über eine Distanz von etwa 57 mm. Dieses Rohr wird mit konzentrischen Rohren 154 und 155 abgeschirmt, die jeweils Stickstoff-Füllrohr-Schirmteile des Aussenstrahlungsschirms 116 bzw. des Gefässes 118 sind. Aluminium-Endkontaktrohre 156, die an das zentrale Füllrohr 153 angelötet sind, sorgen für Festigkeit und eine Fläche zum weiteren Anschweissen an Reservoir 114' und Aussenschirmrohr 155. Ein thermisch leitender Kragen 157 berührt das zentrale Stickstoff-Füllrohr 153 an einem Punkt längs des Wärmegradienten, bei dem der Wärmeübergang vom äusseren Strahlungsschirm 116 auf flüssigen Stickstoff, der durch das zentrale Füllrohr 153 entweicht, ausreicht, um den äusseren Strahlungsschirm 116 auf einer gewünschten Temperatur zwischen der Temperatur von flüssigem Stickstoff und Umgebungstemperatur zu halten. In ähnlicherWeise ist das Helium-Füll- und Belüftungsrohr 130 (vgl. Fig. 3) thermisch mit dem Flüssigstickstoff-Reservoir 114' über Wärmeübergangskragen 158 verbunden, und an einem Punkt längs des Wärmegradienten des Rohrs 130 sorgt ein weiterer Wärmekragen 159 für einen Wärmeübergangsweg vom äusseren Strahlungsschirm 116 zum Dampf, der durch das Rohr 130 entweicht. Die Temperatur des Wärmekontaktpunktes des Kragens 159 wird so ausgewählt, dass sie im wesentlichen gleich ist der des Kragens 157 am Stickstoff-Füll- und Belüftungsrohr 153. Ein zweites, nicht dargestelltes Helium-Füll- und Belüftungsrohr 130' sorgt für einen weiteren Wärmekontaktpunkt, dessen Details sich nicht von den oben beschriebenen unterscheiden. Auf diese Weise wird, zusätzlich zur Kühlung durch die Kältemaschine 140, der äussere Strahlungsschirm 116 exakt analog zur Kühlung des Strahlungsschirms 112 in der oben beschriebenen Weise dampfgekühlt. FIG. 4 is a section through a liquid nitrogen venting and venting pipe unit 152. A thermally non-conductive central fill pipe 153, preferably made of stainless steel pipe with a wall thickness of 0.13 mm, carries a thermal gradient between the temperature of the liquid nitrogen reservoir 114 'of 77 ° K and an ambient temperature over a distance of about 57 mm. This tube is shielded with concentric tubes 154 and 155, each of which is a nitrogen fill tube shield part of the external radiation shield 116 and the vessel 118, respectively. Aluminum end contact tubes 156, which are soldered to the central filling tube 153, provide strength and an area for further welding to the reservoir 114 'and the outer shield tube 155. A thermally conductive collar 157 touches the central nitrogen filling tube 153 at a point along the thermal gradient, wherein the heat transfer from the outer radiation shield 116 to liquid nitrogen escaping through the central fill tube 153 is sufficient to maintain the outer radiation shield 116 at a desired temperature between the temperature of liquid nitrogen and ambient temperature. Similarly, the helium fill and vent tube 130 (see Fig. 3) is thermally connected to the liquid nitrogen reservoir 114 'via heat transfer collars 158, and at a point along the thermal gradient of the tube 130, another heat collar 159 provides a heat transfer path from outer radiation shield 116 to the steam escaping through tube 130. The temperature of the thermal contact point of the collar 159 is selected so that it is essentially the same as that of the collar 157 on the nitrogen filling and venting tube 153. A second helium filling and venting tube 130 ', not shown, provides a further thermal contact point, the Details do not differ from those described above. In this way, in addition to cooling by the refrigeration machine 140, the outer radiation shield 116 is steam-cooled in exactly the same way as the cooling of the radiation shield 112 in the manner described above.

Das zentrale Reservoir 110, der Strahlungsschirm 112, das Flüssigstickstoff-Reservoir 114' und die Schale 114, der äussere Strahlungsschirm 116 und das Behältergefäss 118 sind aus Aluminiumlegierung hergestellt, vorzugsweise Legierung 1100-0. Diese Legierung ist bekannt und kommerziell von verschiedenen Herstellern erhältlich. Nachdem die erwähnten Körper durch Spinnen geformt sind, werden die inneren, benachbarten, zum anderen weisenden Oberflächen der jeweiligen Körper poliert und einer Oberflächenbehandlungstechnik unterworfen, die die Emissionsfähigkeit dieser Oberflächen um 35 % erniedrigt. Auf diese Weise wird der Wärmetransport zum Flüssighelium-Zentralreservoir durch Strahlung drastisch reduziert. The central reservoir 110, the radiation shield 112, the liquid nitrogen reservoir 114 'and the shell 114, the outer radiation shield 116 and the container vessel 118 are made of aluminum alloy, preferably alloy 1100-0. This alloy is known and commercially available from various manufacturers. After the above-mentioned bodies are formed by spinning, the inner, adjacent, facing surfaces of the respective bodies are polished and subjected to a surface treatment technique which reduces the emissivity of these surfaces by 35%. In this way, the heat transport to the liquid helium central reservoir is drastically reduced by radiation.

Es ist wichtig, dass die Koaxialrohre 111,113,115,117 und 119, die die Bohrung für Zimmertemperaturzugang bilden, präzise lokalisiert werden. Es ist gleicherweise wichtig, die ineinandergeschachtelte Struktur während des Versands des Gerätes festzuhalten, weil die thermisch-mechanischen Anforderungen an gewisse Bauteile eine gewisse mechanische Empfind4 It is important that the coaxial tubes 111, 113, 115, 117 and 119, which form the hole for room temperature access, are precisely located. It is equally important to keep the nested structure in place while the device is being shipped, because the thermal-mechanical requirements for certain components have a certain mechanical sensibility4

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lichkeit mit sich bringen. Es ist klar, dass irgendeine mechanische Halterung, die benachbarte Strukturen verbindet, zwangsläufig einen Wärmeleitungsweg mit sich bringt, dementsprechend ist eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit notwendig. Darüber hinaus ist hohe Festigkeit erforderlich, um die erforderliche mechanische Halterung zu schaffen. Geflochtenes Polyesterseil wurde als ideales Material für diesen Zweck ermittelt, trotz der Präzision, die zur Ausfluchtung der Komponenten des Kryostaten benötigt wird. bring with it. It is clear that any mechanical bracket that connects adjacent structures inevitably involves a heat conduction path, so very low thermal conductivity is necessary. In addition, high strength is required to create the required mechanical bracket. Braided polyester rope was found to be the ideal material for this purpose, despite the precision required to align the components of the cryostat.

Aus Fig. 3 ist erkennbar, dass benachbarte Elemente der ineinandergeschachtelten Strukturen 110,112,114und 114', 116 und 118 über Polyesterseil-Zentrierspeichen gehaltert werden. Im Interesse der Klarheit wird nur eine repräsentative Speiche 160 näher beschrieben. Die Speiche selbst ist aus Polyesterseil hergestellt, vorzugsweise aus geflochtenem Dacron. Die Festigkeit und der Parameter Wärmeleitfähigkeit dieses Materials sind bekannt und zeigen das höchste bekannte Verhältnis Festigkeit/ Wärmeleitfähigkeit. Das Polyestermaterial, das in der bevorzugten Ausführungsform verwendet worden ist, wird als Nr. 2 Corsair DB von Rocky Mount Cord Company, Rocky Mount, North Carolina, geliefert. An jedem Ende wird eine Schleife gebildet, die mit der laufenden Länge des Seils durch Aluminiumhülsen 162 verbunden ist. Eine der so gebildeten Schleifen ist an einem Augbolzen 164 befestigt, der an einem der benachbarten Schalenpaare befestigt ist, und die andere Schleife umgreift einen Seilbremspfosten oder Poller 166, der an die andere benachbarte Schale geschweisst ist. Diese Polyesterspeichen sind in regelmässigen Abständen von etwa 120° um die Achse der Bohrung 3 angeordnet. From Fig. 3 it can be seen that adjacent elements of the nested structures 110, 112, 114 and 114 ', 116 and 118 are held via polyester rope centering spokes. For the sake of clarity, only a representative spoke 160 is described in more detail. The spoke itself is made of polyester rope, preferably braided dacron. The strength and the parameter thermal conductivity of this material are known and show the highest known ratio strength / thermal conductivity. The polyester material used in the preferred embodiment is supplied as the No. 2 Corsair DB by Rocky Mount Cord Company, Rocky Mount, North Carolina. A loop is formed at each end which is connected to the running length of the rope by aluminum sleeves 162. One of the loops thus formed is attached to an eyebolt 164 which is attached to one of the adjacent pairs of shells, and the other loop encompasses a rope brake post or bollard 166 which is welded to the other adjacent shell. These polyester spokes are arranged at regular intervals of approximately 120 ° around the axis of the bore 3.

Der repräsentative Abstand zwischen benachbarten koaxialen Bohrungsrohren 111-13,113-15,115-117 und 117-119 reicht von 4,52 mm bis 4,06 mm für das Bohrungspaar mit dem grössten bzw. kleinsten Abstand; es ist erwünscht, diese Bohrungsrohre mit einer Genauigkeit erheblich besser als 0,76 mm koaxial zueinander und zur Spuleneinheit 50 zu halten. Das ist mit den erwähnten Polyesterspeichen erreicht worden, wodurch sich eine zusätzliche Verbesserung in den Versandeigenschaften der Vorrichtung bei Zimmertemperatur ergab. Speichen aus rostfreiem Stahl, die richtig dimensioniert sind für Betriebsbedingungen im Temperaturbereich von flüssigem Helium und flüssigem Stickstoffbefinden sich bei Zimmertemperatur unter erheblicher Zugspannung. Solche steifen Speichen, die eine thermische Leitfähigkeit vergleichbar mit den Speichen nach der Erfindung zeigen würden, sind ausserordentlich empfindlich für Ausfälle durch Schock und Vibration. Im Gegensatz dazu zeigen die spannungsbelasteten Polyesterspeichen einen Grad Streckung bei Zimmertemperatur während des Versands. Die Bohrungsrohre können sich auf diese Weise bei seitlichem Schock und Vibrationen berühren. Für Versandzwecke verhindert ein mit Gleitsitz in die Zentralbohrung eingesetzter Kern eine permanente Verformung der verschiedenen koaxialen Bohrungsrohre bei Kollision. The representative distance between adjacent coaxial bore tubes 111-13,113-15,115-117 and 117-119 ranges from 4.52 mm to 4.06 mm for the pair of holes with the largest or smallest distance; it is desirable to hold these bore tubes coaxially to each other and to the coil unit 50 with an accuracy considerably better than 0.76 mm. This has been achieved with the polyester spokes mentioned, which resulted in an additional improvement in the shipping properties of the device at room temperature. Correctly dimensioned stainless steel spokes for operating conditions in the temperature range of liquid helium and liquid nitrogen are at room temperature under considerable tension. Such rigid spokes, which would show thermal conductivity comparable to the spokes according to the invention, are extremely sensitive to failures due to shock and vibration. In contrast, the tensioned polyester spokes show a degree of stretching at room temperature during shipping. In this way, the bore pipes can touch in the event of lateral shock and vibrations. For shipping purposes, a core with a sliding fit in the central bore prevents permanent deformation of the various coaxial bore tubes in the event of a collision.

Eine präzise Lage der Komponenten wird durch das Verhalten der Dehnungskoeffizienten des Speichenmaterials im Temperaturbereich von flüssigem Helium bis Umgebungstemperatur erleichtert. Als Resultat wurde festgestellt, dass der Dehnungskoeffizient des interessierenden Materials, der bis zu — 25° C sich normal verhält, in anomaler Weise das Vorzeichen wechselt und das Material sich dehnt, wenn die Temperatur weiter reduziert wird. Auf diese Weise wird eine sehr geringe Netto-Wärmedeh-nung für dieses Material erreicht. A precise position of the components is facilitated by the behavior of the expansion coefficients of the spoke material in the temperature range from liquid helium to ambient temperature. As a result, it was found that the expansion coefficient of the material of interest, which behaves normally down to -25 ° C, abnormally changes sign and the material stretches when the temperature is further reduced. In this way, a very low net thermal expansion is achieved for this material.

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Der Kryostat nach der bevorzugten Ausführungsform bringt eine sehr erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich des Kühlmittelverbrauchs. Beispielsweise beläuft sich die Absiederate an flüssigem Helium für einen bekannten Kryostaten auf 30 cm3/h, während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine gemessene Absiederate von etwa 6 cm3/h zeigt. Die niedrige Absiederate in Verbindung mit der Geometrie des Zentralreservoirs 110 ergibt eine verlängerte mittlere Zeit zwischen Nachfüllungen an flüssigem Helium von etwa 120 Tagen, wobei etwa 20,51 flüssiges Helium verbraucht werden. Ein supraleitendes Spektrometer für die magnetische Kernresonanz mit einem Magneten vergleichbarer Charakteristiken erfordert eine Flüssighelium-Nachfüllung in Intervallen von 8 Tagen und verbraucht etwa 86,41 flüssiges Helium in der gleichen Zeitspanne von 120 Tagen. The cryostat according to the preferred embodiment brings a very significant improvement over the prior art in terms of coolant consumption. For example, the boiling rate of liquid helium for a known cryostat is 30 cm3 / h, while the preferred embodiment of the invention shows a measured boiling rate of about 6 cm3 / h. The low evaporation rate in connection with the geometry of the central reservoir 110 results in an extended mean time between refills of liquid helium of approximately 120 days, whereby approximately 20.51 liquid helium is consumed. A nuclear magnetic resonance superconducting spectrometer with a magnet of comparable characteristics requires liquid helium refill at 8 day intervals and consumes approximately 86.41 liquid helium in the same 120 day period.

Die verlängerte mittlere Zeit zwischen dem Füllen des Zentralreservoirs 110 wird teilweise dadurch erreicht, dass das Reservoir HO eine im wesentlichen sphärische Form hat. Das Zentralreservoir 110 wird aus Aluminium von einer solchen Stärke gefertigt, dass der Wärmegradient von der Oberseite zum Boden des Zentralreservoirs (aufgrund von Wärme, die die Füll- und Belüftungsrohre 130 und 130' hinabgeleitet wird und durch Strahlung vom Schirm 112 kommt) so reduziert ist, dass das Reservoir 110 isothermisch ist, unabhängig vom Spiegel des flüssigen Heliums, das darin enthalten ist. Es wurde festgestellt, dass es in diesem Reservoir zugelassen werden kann, dass der Flüssighelium-Spiegel weit unter die Oberkante der supraleitenden Spule fällt, ohne dass der Betrieb der Spule ungünstig beeinflusst wird. Die Solenoideinheit 50, die eine Länge von etwa 25,4 cm hat, wurde zufriedenstellend betrieben, wenn der Flüssighelium-Spiegel auf etwa 7,5 cm im Reservoir 110 abgesunken war, so dass etwa 18 cm der Spuleneinheit 50 freilagen. The extended mean time between the filling of the central reservoir 110 is achieved in part by the reservoir HO having an essentially spherical shape. The central reservoir 110 is made of aluminum such that the heat gradient from the top to the bottom of the central reservoir is reduced (due to heat that is directed down the fill and vent pipes 130 and 130 'and comes from radiation from the screen 112) that reservoir 110 is isothermal regardless of the level of liquid helium contained therein. It has been found that the reservoir can allow the liquid helium level to fall well below the top edge of the superconducting coil without adversely affecting the operation of the coil. The solenoid unit 50, which is approximately 25.4 cm in length, was operated satisfactorily when the liquid helium level had dropped to approximately 7.5 cm in the reservoir 110, so that approximately 18 cm of the coil unit 50 was exposed.

Für das Kühlmittel flüssiger Stickstoff ist die Verbrauchsrate ebenfalls reduziert und das mittlere Intervall zwischen Nachfüllungen verlängert. Die Flüssigstickstoff-Absiederate wird bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der der äussere Strahlungsschirm auf 173-183° K abgekühlt wird, zu etwa 20 cm3/h gemessen. Wenn das Flüssigstickstoff-Reservoir gegen Umgebungstemperatur ohne den Vorteil der Kühlung des Strahlungsschirms mittels der Kältemaschine 140 gekühlt wird, so dass seine Temperatur etwa 235° K wird, steigt die Flüssigstickstoff-Absiederate auf 80 cm3/h und würde ohne Abschirmung auf 160 cm3/h steigen. Der äussere Strahlungsschirm, der auf die oben erwähnte bevorzugte Temperatur abgekühlt ist, reduziert den Wärmeübergang zum Flüssigstickstoff-Reservoir 114' durch Strahlung um etwa 88 % im Vergleich mit einem ungeschirmten Reservoir. Das ist eine Konsequenz des Stefan-Boltzmann'sehen Strahlungsgesetzes, das sagt, dass die pro Zeiteinheit von einem emittierenden Körper abgestrahlte (oder absorbierte) Energie proportional der Differenz der vierten Potenzen der absoluten Temperaturen der strahlenden (absorbierenden) Körper und der ihrer Umgebung ist. The consumption rate for the coolant liquid nitrogen is also reduced and the mean interval between refills is extended. In the preferred embodiment, in which the outer radiation screen is cooled to 173-183 ° K, the liquid nitrogen boiling rate is measured at approximately 20 cm 3 / h. If the liquid nitrogen reservoir is cooled to ambient temperature without the benefit of cooling the radiation shield by means of the chiller 140 so that its temperature becomes about 235 ° K, the liquid nitrogen boiling rate increases to 80 cm3 / h and would be 160 cm3 / h without shielding climb. The outer radiation shield, which has cooled to the preferred temperature mentioned above, reduces the heat transfer to the liquid nitrogen reservoir 114 'by radiation by approximately 88% compared to an unshielded reservoir. This is a consequence of the Stefan-Boltzmann radiation law, which says that the energy radiated (or absorbed) by the emitting body per unit of time is proportional to the difference between the fourth powers of the absolute temperatures of the radiating (absorbing) bodies and that of their surroundings.

Der erfindungsgemässe Kryostat ist anhand einer Ausführungsform beschrieben worden, in der ein mit flüssigem Helium gekühlter supraleitender Magnet für ein Spektrometer für die gyromagnetische Kernresonanz mit Flüssigstickstoff abgeschirmt ist. Die Erfindung überschreitet jedoch die spezielle Anwendung und Verwendung spezieller Kühlmittel. The cryostat according to the invention has been described with reference to an embodiment in which a superconducting magnet cooled with liquid helium for a spectrometer for the gyromagnetic nuclear magnetic resonance is shielded with liquid nitrogen. However, the invention exceeds the specific application and use of special coolants.

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2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

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1. Cryostat for a superconducting nuclear magnetic resonance spectrometer with a substantially spherical central container (110) for a first liquefied gas, a superconducting coil (50) within the central container (110) and means for venting the central container (110) and means for venting the Central container (110) to the outside of the cryostat (1), characterized by a first shell (112) which partially surrounds the central container (110) and the ventilation means (130), a radiation shield (114) which partially and partially the shell (112) surrounds the ventilation means (130) and a second container (114 ') for a second liquefied gas, the second container (114') being in thermal contact with the radiation shield (114) in the region above the central container (110), and the radiation shield (114) and the container (114 ') form an isothermal body at the temperature of the second liquefied gas, the shell (112) further being a thermally conductive agent (133), which is in contact with a ventilation pipe (130) at a location along the pipe, the shell being heated to a selected temperature between the temperature of the gas by the vapor of the first liquefied gas escaping through the ventilation pipe (130) first liquefied gas and the temperature of the outer environment of the first radiation shield, an outer shell (116) surrounds the isothermal body and partially the ventilation means (130), the outer shell (116) further comprises a thermally conductive means (159), which is in contact with the ventilation means (130), the outer shell (116) being kept at a temperature which lies between the temperature of the second liquefied gas and ambient temperature through the vapor of the first liquefied gas which escapes through the ventilation means (130) and a hermetically sealed container (118) containing the outer shell (116) and partially the ventilation means (130) surrounds.

2. Cryostat according to claim 1, characterized in that the container (118), the outer shell (116), the radiation shield (114) and the second container (114 '), the first shell (112) and the central container (110) have mutual coaxial bores (113, 115, 117, 119) which define an area which is accessible from the outside of the cryostat (1).

3. Cryostat according to claim 1, characterized in that the first liquefied gas is helium.

4. Cryostat according to claim 1 or 3, characterized in that the second liquefied gas is nitrogen.