DE10033410C1

DE10033410C1 - Kreislaufkryostat

Info

Publication number: DE10033410C1
Application number: DE2000133410
Authority: DE
Inventors: Marco Strobel; Michael Westphal
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2000-07-08
Filing date: 2000-07-08
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2020-07-09
Also published as: GB2367354A; GB0115706D0; US20020002830A1; GB2367354B; US6389821B2

Abstract

Eine Kryostatenanordnung zur Aufbewahrung flüssigen Heliums mit einem Außenmantel (2), einem darin eingebautem Heliumbehälter (6) und einem von dem Heliumbehälter zum Außenmantel verlaufenden Halsrohr (4), dessen oberes warmes Ende mit dem Außenmantel und dessen unteres kaltes Ende mit dem Heliumbehälter verbunden ist, wobei der Außenmantel, der Heliumbehälter und das Halsrohr einen evakuierten Raum (13) begrenzen, der einen den Heliumbehälter umschließenden und an einer Ankopplung wärmeleitend mit dem Halsrohr verbundenen Strahlungsschild (15) enthält, wobei in das Halsrohr ein Refrigerator mit einem in das Halsrohr hineinragenden, aus mindestens einem Rohr bestehenden Kühlfinger (5a) eingebaut ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Rohr des Kühlfingers von mindestens einem Trennkörper (3a) umgeben ist, der das Halsrohr in zwei Teilvolumina (8a und 9a) unterteilt, die durch eine untere Öffnung (10a) und eine obere Öffnung (7a) jeweils miteinander verbunden sind. Eine solche Kryostatenanordnung mit aktiver Kühlung durch Refrigeneratoren ist hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Kryostaten erheblich verbessert. DOLLAR A Insbesondere wird damit ermöglicht, den Verbrauch an flüssigem Helium völlig zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryostatenanordnung zur Aufbewahrung flüssigen Heliums bestehend aus einem Außenmantel, einem darin eingebauten Heliumbehälter und einem senkrecht oder geneigt von dem Heliumbehälter zum Außenmantel verlaufenden Halsrohr, dessen oberes warmes Ende mit dem Außenmantel und dessen unteres kaltes Ende mit dem Heliumbehälter verbunden ist, wobei der Außenmantel, der Heliumbehälter und das Halsrohr einen evakuierten Raum begrenzen, der einen den Heliumbehälter umschließenden und an einer Ankopplung wärmeleitend mit dem Halsrohr verbundenen Strahlungsschild enthält, wobei in das Halsrohr ein Refrigerator mit einem in das bestehenden Halsrohr hineinragenden, aus mindestens einem Rohr Kühlfinger eingebaut ist.

Solche Kryostatenanordnungen zur Aufnahme supraleitender Magnete, welche beispielsweise als Hauptfeldmagnete in Magnetresonanzapparaturen Anwendung finden, sind beispielsweise aus der US 5646532 A bekannt.

In der DE 196 12 539 A1 ist eine mehrstufige Tieftemperatur-Kältemaschine beschrieben, deren erste Stufe als Verdränger-Refrigerator ausgebildet ist, und die mindestens eine weitere Stufe enthält, die als Pulsrohr-Refrigerator ausgebildet ist. Zur Unterdrückung von Vibrationen wird vorgeschlagen, daß sich zwischen dem Verdränger-Refrigerator und dem Pulsrohr-Refrigerator ein flexibles, die Übertragung von Vibrationen verhinderndes Bauteil befindet.

Die DE 195 48 272 C1 beschreibt eine supraleitende, NMR-Magnetanordnung für ein hochauflösendes NMR-Spektrometer mit einem Kryostaten mit vertikaler Raumtemperaturbohrung, zu der ein transversaler Zugang durch den Kryostaten zur Erleichterung der Probenzufuhr vorgesehen ist.

In der DE 195 48 273 A1 ist eine NMR-Meßeinrichtung mit einem Kryostaten zur Kühlung eines supraleitenden Magnetspulensystems beschrieben, bei dem ein Pulsrohrkühler Verwendung findet.

Supraleitende Magnete bestehen aus Wicklungen aus supraleitendem Draht, welche mit flüssigem Helium auf Temperaturen von ca. 4,2 Kelvin abgekühlt werden. Die wesentliche Funktion der Kryostatenanordnung besteht darin, den supraleitenden Magneten mit flüssigem Helium auf der vorgesehenen Betriebstemperatur zu halten und dabei einen möglichst geringen Verbrauch an flüssigem Helium zu erreichen.

Die wichtigsten Bauelemente von Kryostatenanordnungen sind ein Heliumbehälter, der den supraleitenden Magneten sowie flüssiges Helium enthält, ein oder mehrere den Heliumbehälter umschließende Strahlungsschilde, ein äußerer im folgenden als Außenmantel bezeichneter Vakuumbehälter sowie ein oder mehrere Halsrohre, die den Heliumbehälter mit dem Außenmantel verbinden.

Der Heliumbehälter, ist von einem Vakuumraum umgeben, der von dem Heliumbehälter selbst, den Halsrohren und dem Außenmantel begrenzt wird. Durch den Vakuumraum wird Wärmeeintrag in den Heliumbehälter durch Konvektion und Wärmeleitung durch Restgas verringert. Zwischen dem Heliumbehälter und dem Außenmantel befinden sich die Strahlungsschilde, die den Wärmeeintrag durch Strahlung verringern. Um den Magneten mit Strom zu laden, mit Helium zu befüllen und ein Abdampfen des Heliums zu ermöglichen, sind eine oder mehrere Halsrohre nötig, die den Heliumbehälter mit dem Außenmantel verbinden. Der freie Querschnitt der Halsrohre muß so ausgelegt sein, daß auch größere Mengen an Heliumgas abströmen können wie sie beispielsweise bei einem sogenannten Quench des supraleitenden Magneten auftreten. Bei einem solchen Quench erwärmt sich der supraleitende Magnet spontan auf Temperaturen weit oberhalb der Siedetemperatur von Helium. Infolgedessen wird in starkem Maße flüssiges Helium in Heliumgas umgewandelt, welches ohne einen unzulässig hohen Druckanstieg im Heliumbehälter durch das Halsrohr in den Außenraum abströmen muß. Solche Halsrohre können beispielweise aus Edelstahl, Titanlegierungen oder GFK bestehen. Um die Höhe eines Kryostaten gering zu halten, besitzen die im oberen Bereich des Kryostaten angebrachten Halsrohre in der Regel eine geringe Länge von etwa 1 m oder weniger. Sie stellen damit eine Wärmebrücke zwischen dem Außenmantel und dem Heliumbehälter dar. Halsrohre erstrecken sich in der Regel senkrecht oder geringfügig geneigt von ihrem unteren kalten und mit dem Heliumbehälter verbundenen Ende zu ihrem oberen warmen und mit dem Außenmantel verbundenen Ende.

Der Wärmeeintrag in den Heliumbehälter resultierend aus Reststrahlung und der Wärmeleitung durch die Halsrohre und weitere Verspannungen führen zum Verdampfen des Heliums. Dies wiederum führt dazu, daß in regelmäßigen Abstand teures Helium nachgefüllt werden muss. Weil das verdampfende Helium die Halsrohre und auch daran angekoppelte Strahlungsschilde kühlt, wird der Wärmeeintrag in den Heliumbehälter stark reduziert. Die Verdampfungsrate für flüssiges Helium ist bei Kryostatenanordnungen für Magnetresonanzapparaturen ohne die im folgenden beschriebene aktive Kühlung von der Größenordnung von 0,1 l/h (Liter pro Stunde) Flüssigkeit und mehr.

Uni die Kosten für den Verbrauch an teurem flüssigem Helium sowie für das Nachfüllen zu senken, werden bei größeren Systemen Refrigeratoren zur aktiven Kühlung eingesetzt. Solche Refrigeratoren sind beispielsweise aus EP 0773450 bekannt. Sie bestehen aus einem am Kryostaten und seinen Komponenten befestigten Kaltkopf, einem von dem Kryostaten entfernt aufgestellten Kompressor und Druckleitungen, die den Kompressor mit dem Kaltkopf verbinden.

Kaltköpfe für die hier genannten Anwendungen besitzen in der Regel eine auf Zimmertemperatur befindliche Montageplatte, einen daran befestigten Kühlfinger, und weitere Komponenten. Bei der aktiven Kühlung von Kryostaten wird zumeist die Montageplatte so am Außenmantel des Kryostaten befestigt, daß der Kühlfinger entweder in ein Halsrohr oder in eine separate Durchführung in den Vakuumraum hineinragt. Im Betrieb wird das von der Montageplatte abgewandte Ende des Kühlfingers auf sehr tiefe Temperaturen bis herunter zu beispielsweise 2-3 K abgekühlt.

Der Kühlfinger kann aus mehreren parallel zueinander angeordneten Rohren bestehen, die für die Erzeugung einer optimalen Kühlleistung unterschiedliche Funktionen besitzen. Kaltköpfe können mehrstufig aufgebaut sein. Dabei wird eine erste, näher an der Montageplatte angeordnete Stufe im Betrieb auf eine erste niedrige Temperatur abgekühlt, während die weiteren Stufen auf noch tiefere Temperaturen abgekühlt werden.

Man kann die verschiedenen Stufen eines Kaltkopfes gut wärmeleitend mit den Strahlungsschilden und dem Heliumbehälter verbinden, um diese Komponenten aktiv zu kühlen. Refrigeratoren für diese Anwendungen können beispielsweise nach dem Gifford-McMahon-Prinzip arbeiten oder als Pulsrohrkühler aufgebaut sein. Pulsrohrkühler, besitzen weder kalte bewegliche Teile noch kalte Dichtungen. Dies bietet den Vorteil langer Wartungsintervalle sowie geringer mechanischer Vibrationen, was für Kryostate zur Kühlung von Magneten für Magnetresonanzapparaturen vorteilhaft ist. Bei Pulsrohrkühlern besteht der Kühlfinger in der Regel aus je zwei parallel nebeneinander angeordneten Rohren pro Stufe, von denen das eine als Regeneratorrohr und das andere als Pulsrohr bezeichnet wird.

Bereits 1997 beschreiben Thummes, Wang und Heiden in der Druckschrift C. WANG, G. THUMMES, C. HEIDEN, CRYOGENICS 37, 159-164 (1997) einen Refrigerator mit einem zweistufigen Pulsrohrkühler, dessen zweite Stufe bei der Siedetemperatur flüssigen Heliums von 4,2 K eine Kühlleistung von 170 mW erzeugt. Damit ist es theoretisch möglich, verdampftes Heliumgas bei einer Temperatur 4,2 K mit einer Rate von 0,23 l/h Flüssigkeit wieder zu verflüssigen.

In der Druckschrift C. WANG, G. THUMMES, C. HEIDEN, CRYOGENICS 38, 337-342 (1998) beschreiben dieselben Autoren die Verwendung dieses Pulsrohrkühlers in einer speziellen Anordnung, mit der es gelingt, ursprünglich auf Zimmertemperatur befindliches Heliumgas abzukühlen und mit einer Rate von 0,127 l/h Flüssigkeit zu verflüssigen. Dies wird erreicht, indem das Helium durch ein dünnes Rohr geleitet wird, welches um die Regeneratorrohre gewickelt und an diese angelötet ist. Zwar wird die Verflüssigungsleistung des Pulsrohrkühlers bei 4,2 K verringert, die Gesamtleistung jedoch wird erheblich erhöht, weil die Wärmeübertragung auf einer durchschnittlich höheren Temperatur erfolgt und somit einen besseren thermischen Wirkungsgrad ermöglicht.

Leider sind die Kühlleistungen dieser Kaltköpfe zu gering, um bei großen Magnetsystemen beispielsweise für Magnetresonanzapparaturen mit hohem Leistungseintrag einen völlig verschwindenden oder einen extrem geringen Heliumverbrauch vollständig zu erreichen.

Der Grund hierfür ist, daß im Falle einer Kryostatenanordnung ohne Heliumverbrauch das normalerweise aus der Verdampfung resultierende, durch die Halsrohre abströmende und die Halsrohre kühlende Heliumgas nicht mehr verfügbar ist und der Kaltkopf nun nicht nur die Leistung erbringen muß, welche das Helium beim Verdampfen aufnimmt, sondern auch die Leistung, die das Helium normalerweise durch Erwärmung beim Aufsteigen im Halsrohr von diesem aufnimmt. Diese Leistung durch Erwärmung beträgt ein Vielfaches der allein für die Umwandlung von Flüssigkeit in Gas bei der Siedetemperatur von 4,2 K erforderlichen Verdampfungsleistung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Kryostatenanordnung der eingangs beschriebenen Art mit aktiver Kühlung durch Refrigeratoren hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften zu verbessern. Insbesondere soll die Erfindung ermöglichen, den Verbrauch an flüssigem Helium völlig zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache, aber wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß mindestens ein Rohr des in das Halsrohr des Kryostaten eingebauten Kaltkopfes von mindestens einem Trennkörper umgeben ist, der das Halsrohr in zwei Teilvolumina unterteilt, die durch eine untere Öffnung und eine obere Öffnung jeweils miteinander verbunden sind.

Das eine Teilvolumen grenzt direkt an das Halsrohr und das andere an das genannte mindestens eine Rohr des Kühlfingers an. Durch den Wärmeeintrag durch das Halsrohr wird das Helium in dem an das Halsrohr angrenzenden Teilvolumen außerhalb des Trennkörpers erwärmt, während das Helium in dem Teilvolumen innerhalb des Trennkörpers durch die Kühlleistung des Refrigerators gekühlt wird.

Hierdurch entsteht ein Temperaturunterschied zwischen dem Helium innerhalb des Trennkörpers und dem zwischen Trennkörper und Halsrohr. Daraus wiederum ergibt sich eine unterschiedliche Dichte der beiden Gasmengen in den beiden Teilvolumina. Die kältere, schwerere Gasmenge auf der Innenseite des Trennkörper strömt nach unten und verdrängt dort an der unteren Öffnung das wärmere und leichtere Gas zwischen Halsrohr und Trennkörper. Ein Konvektionskreislauf entsteht. Dabei nimmt das Helium beim Aufströmen wie bei einer herkömmlichen Kryostatenanordnung mit Heliumverbrauch Wärme vom Halsrohr auf und gibt beim Abströmen Wärme an den Kaltkopf ab. Dadurch wird das abströmende Helium vorgekühlt.

Diese Vorkühlung kann so effizient sein, daß noch eine Verflüssigung des vorgekühlten Heliumgases mit hohen Verflüssigungsraten erfolgen kann, wie beipielsweise aus der Druckschrift C. WANG, G. THUMMES, C. HEIDEN, CRYOGENICS 38, 337-342 (1998) hervorgeht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Refrigerator in der Lage, Helium zu verflüssigen und das vorgekühlte Gas am unteren Ende des Trennkörpers zu kondensieren. Hierdurch ist es möglich, den Verbrauch flüssigen Heliums völlig zu vermeiden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Refrigerator ein Pulsrohrkühler. Pulsrohrkühler sind aufgrund ihrer Bauart besonders gut geeignet, um ursprünglich warmes Gas vorzukühlen und zu verflüssigen, wie auch aus der Druckschrift C. WANG, G. THUMMES, C. HEIDEN, CRYOGENICS 38, 337-342 (1998) hervorgeht. Außerdem sind Pulsrohrkühler aufgrund ihrer langen Wartungsintervalle und der stark gegenüber allen anderen Refrigeratortypen reduzierten mechanischen Schwingungen für die Kühlung von Magnetsystemen für Magnetresonanzapparaturen vorteilhaft.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Refrigerator mehrstufig. In diesem Fall kann beispielsweise die erste Stufe zum direkten Kühlen eines Strahlungsschildes verwendet werden. Außerdem können mit der letzten Stufe besonders niedrigere Temperaturen erzeugt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Trennkörper eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Auf diese Weise entsteht ein größerer Temperaturunterschied zwischen dem Gas außerhalb und innerhalb des Trennkörpers. Der Antrieb des Heliumkreislaufs wird dadurch verstärkt. Die Wärmedurchlässigkeit λ des Trennkörpers sollte dabei kleiner als 10 kW m^-2K^-1 sein, vorzugsweise in der Größenordnung 100 W m^-2K^-1 oder darunter liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht eine Verbindung aus einem gut wärmeleitfähigen Material zwischen einer Stufe des Refrigerators und einem Strahlungsschild. Hierdurch wird eine direkte aktive Kühlung des Strahlungsschildes möglich.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die gut wärmeleitende Verbindung zwischen einer Stufe des Kaltkopfs und einem Strahlungsschild als Durchführung durch den Trennkörper ausgebildet. Dadurch wird es möglich, einerseits ein Strahlungsschild direkt mit der Stufe des Refrigerators zu kühlen und außerdem den Trennkörper und damit den räumlichen Bereich des Heliumkreislaufs von dem unteren Ende des Kaltfingers bis zu seinem oberen Ende auszudehnen, was sich günstig für die Wirksamkeit der Anordnung auswirken kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die untere Öffnung des Trennkörpers auf etwa gleicher Höhe oder unterhalb des unteren Endes des Kühlfingers. Auf diese Weise werden auch die unteren besonders kalten Bereiche des Kühlfingers für die Kühlung und Verflüssigung des Heliums im Kreislauf genutzt.

Eine vorteilhafte Ausführung zeichnet sich dadurch aus, daß das untere Ende des Trennkörpers in das flüssige Helium eintaucht. Da die Phasengrenzfläche innerhalb des Trennkörpers zu klein ist, um genügend Helium abzudampfen, entsteht bereits allein durch die Kondensation ein Unterdruck im inneren Teilvolumen des Trennkörpers der zu einem Nachströmen von Heliumgas an der oberen Öffnung des Trennkörpers aus dem äußeren Teilvolumen führt. Der Heliumkreislauf erhält hierdurch einen stärkeren Antrieb. Des weiteren strömt nur soviel Gas nach wie kondensiert wird. Eine zu starke Konvektion wird vermieden.

In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die obere Öffnung des Trennkörpers unterhalb der 1. Stufe des Kaltkopfes. Dadurch wird nur der Bereich des Halsrohres durch das aufströmende Helium im Heliumkreislauf gekühlt, der unmittelbar mit dem Heliumbehälter verbunden ist und dessen Kühlung für das Erreichen eines verschwindenden Heliumverbrauchs besonders wichtig ist. Außerdem kann der Aufbau des Trennkörpers in diesem Fall vereinfacht werden.

In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform befindet sich die obere Öffnung des Trennkörpers oberhalb der 1. Stufe des Refrigerators. Auf diese Weise werden alle Stufen des Kaltkopfs in den Heliumkreislauf einbezogen. Die obere Öffnung im Trennkörper kann auch als rohrförmige Verbindung zwischen den beiden Teilvolumina ausgebildet und aus dem Halsrohr herausgeführt sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließlich besteht der Trennkörper aus einem mindestens ein Rohr des Kühlfingers vollständig umschließenden und evakuierten Behälter sowie mindestens einem darin eingebauten, an seinen Enden offenen Kühlrohr, welches an einer oberen und an einer unteren Position vakuumdicht durch den evakuierten Behälter geführt ist und sich innerhalb des evakuierten Behälters in wärmeleitenden Kontakt mit mindestens einem von dem evakuierten Behälter umschlossenen Rohr des Kaltkopfs befindet. Bei dieser Ausführungsform des Trennkörpers bildet der Innenraum des mindestens einen Kühlrohres das eine Teilvolumen und der den evakuierten Behälter umgebende Bereich das zweite Teilvolumen, und die Enden des mindestens einen Kühlrohres bilden die genannten Öffnungen des Trennkörpers. Auf diese Weise wird es prinzipiell möglich, durch die Auslegung des Kühlrohrs und die detaillierte Art der Führung des Kühlrohrs entlang den verschiedenen Rohren des Kühlfingers die Effizienz der Vorkühlung und der anschließenden Verflüssigung des abströmenden Heliumgases im Kühlrohr zu optimieren.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Halsrohrbereich einer erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.

Fig. 2 einen Schnitt durch eine spezielle Ausführungsform des Halsrohrbereichs einer erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.

Fig. 3 einen Schnitt durch eine weitere spezielle Ausführungsform des Halsrohrbereichs einer erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere spezielle Ausführungsform des Halsrohrbereichs einer erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.

Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere spezielle Ausführungsform des Halsrohrbereichs einer erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung

Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere spezielle Ausführungsform des Halsrohrbereichs einer erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.

Der in Fig. 1 gezeigte Schnitt durch den Halsrohrbereich einer Kryostatenanordnung zeigt die wesentlichen Bauelemente einer herkömmlichen Kryostatenanordnung sowie die erfindungsgemäßen Erweiterungen.

Der Außenmantel 2, das Halsrohr 4 und der Heliumbehälter 6 begrenzen den Vakuumraum 13. Der Vakuumraum 13 trennt den Heliumbehälter von dem Außenraum 20 und verhindert den Wärmeeintrag in den Heliumbehälter durch Konvektion oder Wärmeleitung von Gasen. Im Vakuumraum 13 ist ein Strahlungsschild 15 eingebaut, das den Heliumbehälter 6 vollständig umschließt. Das Strahlungsschild 15 ist mit dem Halsrohr 4 thermisch verbunden. Auf diese Weise kann die dem Strahlungsschild hauptsächlich durch Wärmestrahlung von dem Außenmantel 2 zugeführte Wärme an das Heliumgas im Halsrohr abgegeben werden. Das Halsrohr 4 bildet die Verbindung zwischen dem Heliumbehälter 6 und dem Außenmantel 2.

Durch den schematisch eingezeichneten Stutzen 12 in der Montageplatte 11 ist es möglich, flüssiges Helium einzufüllen sowie elektrische Verbindungen zu dem im Heliumbehälter eingebauten supraleitenden Magneten 14 herzustellen, beispielsweise um den supraleitenden Magneten zu laden. Außerdem muß das bei einem Quench entstehende Heliumgas durch das Halsrohr 4 und den Stutzen 12 in den Außenraum abströmen können. Ferner kann durch den Stutzen 12 eine Verbindung von dem im Heliumbehälter 6 und dem Halsrohr 4 eingeschlossenen Helium zu einem Vorratsbehälter oder zu einem Auffangbehälter für Heliumgas hergestellt werden, durch die im Falle hinreichend starker Verflüssigungsleistung der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung Heliumgas in den Heliumbehälter zurückgeleitet werden kann.

Der Kaltkopf 1a ist an der Montageplatte 11 befestigt und ragt mit seinem Kühlfinger 5a in das Halsrohr 4 hinein. Über die Montageplatte 11 ist der Kaltkopf 1a mit dem Außenmantel 2 des Kryostaten verbunden.

Die erfindungsgemäße Verbesserung einer solchen Kryostatenanordnung wird durch den Trennkörper 3a bewirkt, der das freie Halsrohrvolumen in die Teilvolumina 8a und 9a unterteilt. Der Trennkörper besitzt eine untere Öffnung 10a und eine obere Öffnung 7a, durch welche grundsätzlich das Entstehen eines Kreislaufs des Heliumgases im Halsrohr möglich wird.

Dem Heliumgas in dem Teilvolumen 8a wird durch den Kontakt zu der Oberfläche des Halsrohres 4 Wärme zugeführt, während dem Heliumgas in dem Teilvolumen 9a durch den Kontakt zu der Oberfläche von Teilen des Kühlfingers 5a Wärme entzogen wird. Infolgedessen besitzt das Heliumgas in dem Teilvolumen 8a im Mittel eine höhere Temperatur als das Heliumgas in dem Teilvolumen 9a. Infolge des mit den Temperaturunterschieden verbundenen Unterschiedes in der Dichte strömt das Helium in dem Teilvolumen 8a aufwärts, während es in dem Teilvolumen 9a abwärts strömt. Durch das Aufwärtsströmen des ursprünglich etwa 4.2 K kalten Heliumgase werden das Halsrohr 4 und das Strahlungsschild gekühlt. Dadurch reduziert sich die Wärmebelastung des Heliumbehälters 6 sowohl durch Wärmeleitung im Halsrohr 4 als auch durch Wärmestrahlung von dem so vorgekühlten Strahlungsschild 15 erheblich.

Die umgekehrt mit dem Kühlen des Halsrohres 4 und des Strahlungsschildes 15 verbundene Erwärmung des Heliumgases wird zur Aufrechterhaltung des hier beschriebenen Konvektionswirbels benötigt. Das Vorkühlen des im Teilvolumen 9a abwärts strömenden Heliumgases durch den Kühlfinger 5a oder Teile des Kühlfingers kann nach den Angaben der Druckschrift C. WANG, G. THUMMES, C. HEIDEN, CRYOGENICS 38, 337-342 (1998) mit einer sehr großen Effizienz erfolgen, so daß sogar noch eine Verflüssigung am unteren Ende des Kühlfingers mit beachtlichen Verflüssigungsraten möglich ist.

Der Heliumkreislauf im Halsrohr sowie die Strömungsrichtungen sind hier wie auch in den anderen Abbildungen mit Pfeilen angedeutet.

In Fig. 2 ist im Unterschied zu Fig. 1 der Trennkörper 3b so ausgeführt und der Betriebszustand der Kryostatenanordnung so gewählt, daß die untere Öffnung 10b des Trennkörpers 3b vollständig unterhalb der Oberfläche des Bades mit flüssigem Helium 16 liegt. Bei dieser Anordnung wird der gewünschte Heliumkreislauf auch ohne den Mechanismus der Konvektion möglich. Hier liegt das flüssige Helium im inneren Teilvolumen 9b durch vom Kühlfinger 5a abtropfendes unterkühltes Helium eher in unterkühltem Zustand mit entsprechend reduziertem Dampfdruck vor. Der Abwärtsstrom im inneren Teilvolumen 9b wird hier bereits allein durch die Kondensation von Heliumgas am unteren Ende des Kühlfingers 5a sowie an der Oberfläche des Heliumbades innerhalb des Teilvolumens 9b verursacht.

In Fig. 3 ist im Unterschied zu Fig. 1 der Kaltkopf 1b des Refrigerators zweistufig ausgeführt und seine erste Stufe mit einer gut wärmeleitenden Verbindung 17a mit dem Strahlungsschild 15 verbunden. Öffnungen 21a, b, c, d in der wärmeleitenden Verbindung ermöglichen die Ausbildung des gewünschten Heliumkreislaufs. Die wärmeleitende Verbindung 17a ermöglicht eine sehr gute Kühlung des Strahlungsschildes 15. Ein Nachteil dieser Anordnung kann jedoch darin bestehen, daß sich Vibrationen des Kaltkopfes 1b direkt auf das Strahlungsschild übertragen können, was die Qualität von Magnetresonanzapparaturen beeinträchtigen kann. Dieser prinzipielle Nachteil entfällt bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung völlig.

Auch in Fig. 4 ist die erste Stufe des Kaltkopfes 1b mit einer gut wärmeleitenden Verbindung 17b mit dem Strahlungsschild 15 verbunden. Im Unterschied zu Fig. 3 befindet sich der Trennkörper 3d mit seinen Öffnungen 7d und 10d gemäß einem der Ansprüche vollständig unterhalb dieser Verbindung 17b. Auf diese Weise wird der Aufbau des Trennkörpers 3d besonders einfach. Andererseits wird diese Art der Anordnung in vielen Fällen bereits ausreichen, um den Verbrauch flüssigen Heliums völlig zu vermeiden, weil die Wärmebelastung des Heliumbehälters 6 durch Wärmeleitung im Halsrohr auch hier weitgehend vermieden wird.

In Fig. 5 ist die obere Öffnung 7e des Trennkörpers 3e als rohrförmige Verbindung zwischen den beiden Teilvolumina 8e und 9e ausgeführt. Diese rohrförmige Verbindung befindet sich im Außenraum 20 und ist damit frei zugänglich. Mit Hilfe von in der rohrförmigen Verbindung eingebauten verstellbaren Ventilen oder aktiven Umwälzpumpen könnte bei dieser Anordnung die Stärke der Strömung in dem Heliumkreislauf beeinflußt und optimiert werden. Ferner ist hier der Kühlfinger 5c des zweistufigen Kaltkopfes 1c aus mehreren Rohren 22, 23, 24, 25 aufgebaut. Ein solcher Aufbau des Kühlfingers ist für Pulsrohrkühler typisch. Aber auch Gifford-McMahon- Kühler können so aufgebaut sein. Der Trennkörper umschließt hier den gesamten Kühlfinger.

Eine spezielle Form des Trennkörpers 3f ist in Fig. 6 gezeigt. Er ist aus einer Außenhülle 28 und einem Kühlrohr 26 aufgebaut, die zusammen einen Vakuumraum 27 einschließen. Das Kühlrohr 26 ist gut wärmeleitend mit den Rohren 22 und 24 des Kühlfingers 5c des Kaltkopfes, nahezu auf deren gesamter Länge, verbunden, beispielsweise angelötet. Das Kühlrohr kann ein integraler Bestandteil des Kaltkopfes sein. Das an den Kühlfinger angrenzende Teilvolumen des Halsrohres 9f wird von dem Kühlrohr 26 umschlossen, während sich das an das Halsrohr angrenzende Teilvolumen 8f außerhalb der Außenhülle 28 des Trennkörpers 3f liegt. Um den Wärmeaustausch zwischen dem Helium im Kühlrohr und dem Kühlfinger zu verbessern und gleichzeitig die durch das Kühlrohr dargestellte Wärmebrücke längs des Kühlfingers zu verlängern, kann es zweckmäßig sein, das Kühlrohr 26 in Windungen um die jeweiligen Rohre des Kühlfingers zu verlegen.

Claims

1. Kryostatenanordnung zur Aufbewahrung flüssigen Heliums mit einem Außenmantel (2), einem darin eingebauten Heliumbehälter (6) und einem senkrecht oder geneigt von dem Heliumbehälter (6) zum Außenmantel (2) verlaufenden Halsrohr (4), dessen oberes warmes Ende mit dem Außenmantel (2) und dessen unteres kaltes Ende mit dem Heliumbehälter (6) verbunden ist, wobei der Außenmantel (2), der Heliumbehälter (6) und das Halsrohr (4) einen evakuierten Raum (13) begrenzen, der einen den Heliumbehälter (6) umschließenden und an einer Ankopplung wärmeleitend mit dem Halsrohr (4) verbundenen Strahlungsschild (15) enthält, wobei in das Halsrohr (4) ein Refrigerator mit einem in das Halsrohr (4) hineinragenden, aus mindestens einem Rohr bestehenden Kühlfinger (5a; 5b; 5c) eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Rohr des Kühlfingers (5a; 5b; 5c) von mindestens einem Trennkörper (3a-3f) umgeben ist, der das Halsrohr (4) in zwei Teilvolumina (8a-8f und 9a-9f) unterteilt, die durch eine untere Öffnung (10a-10f) und eine obere Öffnung (7a- 7f) jeweils miteinander verbunden sind.

2. Kryostatenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Refrigerator aufgrund seiner Bauart Helium verflüssigen kann.

3. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Refrigerator ein Pulsrohrkühler ist.

4. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Refrigerator mehrstufig ist.

5. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkörper (3a-3f) eine Wärmedurchlässigkeit λ < 10 kW m^-2K^-1 aufweist.

6. Kryostatenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedurchlässigkeit einen Wert λ ≦ 100 W m^-2K^-1 aufweist.

7. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gut wärmeleitende Verbindung (17a; 17b; 17c) zwischen der Ankopplung eines Strahlungsschildes (15) im Halsrohr (4) und einer Stufe des Refrigerators vorgesehen ist.

8. Kryostatenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Verbindung (17a; 17b; 17c) aus Kupfer ist.

9. Kryostatenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Verbindung (17a; 17b; 17c) als Durchführung durch den Trennkörper (3a-3f) ausgebildet ist.

10. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Öffnung (10a-10f) des Trennkörpers (3a-3f) auf ungefähr gleicher Höhe mit dem unteren Ende des Kühlfingers (5a; 5b; 5c) des Refrigerators oder unterhalb desselben angeordnet ist.

11. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Öffnung (10b) mindestens eines Trennkörpers (3b) vollständig in das Bad mit flüssigem Helium (16) des Heliumbehälters (6) eingetaucht ist.

12. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Öffnung (7d) des Trennkörpers (3d) unterhalb der Ankopplung des Strahlungsschildes (15) im Halsrohr (4) angeordnet ist.

13. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkörper (3f) aus mindestens einem mindestens ein Rohr des Kühlfingers (5c) vollständig umschließenden und evakuierten Behälter (28) sowie mindestens einem darin eingebauten, an seinen Enden offenen Kühlrohr (26) aufgebaut ist, welches an einer oberen und an einer unteren Position vakuumdicht durch den evakuierten Behälter (28) geführt und innerhalb des evakuierten Behälters (28) in wärmeleitendem Kontakt mit mindestens einem von dem evakuierten Behälter (28) umschlossenen Rohr (22, 23, 24, 25) des Kühlfingers (5c) des Refrigerators angeordnet ist.