DE102004012452A1 - Supraleitendes Magnetsystem mit Pulsrohr-Kühler - Google Patents

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Abstract

Ein supraleitendes Magnetsystem mit einer Betriebstemperatur T¶1¶ < 3K, das in einem ersten Helium-Tank (4) eines Kryostaten (1) angeordnet ist, wobei ein zweiter Helium-Tank (2) vorgesehen ist, der mit dem ersten Helium-Tank (4) in Verbindung steht und flüssiges Helium bei einer Betriebstemperatur T¶2¶ > 3K enthält, wobei im ersten Helium-Tank (4) eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, die im ersten Helium-Tank (4) eine Betriebstemperatur T¶1¶ < 3K erzeugt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung das kalte Ende (19) eines Pulsrohr-Kühlers (11) ist, dessen warmes Ende (10) außerhalb des Kryostaten (1) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Magnetsystem ermöglicht eine Minimierung des Heliumverbrauchs und somit einen kontinuierlichen Messbetrieb.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetsystem mit einer Betriebstemperatur T1 < 3K, das in einem ersten Helium-Tank eines Kryostaten angeordnet ist, wobei ein zweiter Helium-Tank vorgesehen ist, der mit dem ersten Helium-Tank in Verbindung steht und flüssiges Helium bei einer Betriebstemperatur T2 > 3K enthält, wobei im ersten Helium-Tank eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, die im ersten Helium-Tank eine Betriebstemperatur T1 < 3K erzeugt.
  • Ein solches Magnetsystem ist aus der US 5,220,800 an sich bekannt.
  • Derartige supraleitende Magnetsysteme umfassen im Allgemeinen einen Kryostaten mit zwei Kammern, wobei in der ersten Kammer eine supraleitende Magnetspule angeordnet ist und die zweite Kammer als Helium-Vorrat dient, welcher sich unter Atmosphärendruck oder leichtem Überdruck auf einer Temperatur von ca. 4,2K befindet. Die beiden Kammern kommunizieren miteinander, so dass Helium von der oberen in die untere Kammer strömen kann, wo es mit Hilfe einer in die erste Kammer ragenden Unterkühleinheit auf eine Temperatur deutlich unter 4,2K abgekühlt wird. Ein Strahlungsschild reduziert die einfallende Strahlungsenergie und ist von einem mit einer kryogenen Flüssigkeit gefüllten Tank umgeben, der den Strahlungsschild kühlt.
  • Zur Unterkühlung des Heliums in der ersten Kammer sind Unterkühleinheiten bekannt, bei denen das Helium durch ein Nadelventil auf niedrigen Druck entspannt und aus der ersten Kammer abgepumpt wird. Nachteilig daran ist, dass das Helium aus der ersten Kammer abgepumpt wird und so dem System entzogen wird, so dass sich die zweite Kammer, die mit der ersten in Verbindung steht, langsam entleert, so dass in regelmäßigen Abständen das Helium in der zweiten Kammer wieder ersetzt werden muss.
  • Bei dem Magnetsystem nach der US 5,220,800 pumpt die in die erste Kammer ragende Unterkühleinheit flüssiges Helium aus der ersten Kammer ab, welches durch Expansion eine Unterkühlung des Heliumbades in der ersten Kammer bewirkt. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass durch den Refrigerator ständig Helium verbraucht wird und dementsprechend immer wieder Helium in die Apparatur nachgefüllt werden muss. Dies kann durch bereits flüssig geliefertes Helium geschehen, wozu jedoch die entsprechenden Lagerkapazitäten vorhanden sein müssen. Zudem ist Helium nicht überall in beliebigen Mengen verfügbar. Es ist auch möglich das Magnetsystem durch Verflüssigung des aus der Apparatur entweichenden Heliums, erneut mit Helium nachzufüllen, was jedoch einen nicht unerheblichen gerätetechnischen Aufwand bedingt. In jedem Fall muss bei bekannten Magnetsystemen ein Nachfüllen des Heliums erfolgen, wodurch der Messbetrieb unterbrochen werden muss und somit mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden ist. Es ist daher wünschenswert, den Heliumverbrauch einer derartigen Magnetanordnung zu reduzieren.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein wenig störanfälliges, supraleitendes Magnetsystem vorzuschlagen, bei dem auf einfache Weise der Heliumverbrauch minimiert wird und somit der Messbetrieb durch häufiges Helium Nachfüllen nicht unnötig unterbrochen werden muss.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kühleinrichtung das kalte Ende eines Pulsrohr-Kühlers ist, dessen warmes Ende außerhalb des Kryostaten angeordnet ist
  • Pulsrohr-Kühler realisieren die Expansion bzw. Kompression des Arbeitsgases mit Hilfe einer Stoßwellenfront in einem Pulsrohr. Die Stoßwellenfront wird hierbei von einem rotierenden Ventil gesteuert. Das Pulsrohr ist mit einem Regenerator verbunden, in dem ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und dem Regeneratormaterial stattfindet. Nach einer Verdichtung des Arbeitsgases durchströmt das Gas den Regenerator, um dann im Expansionsraum einer Entspannung unterzogen zu werden. Das sich dabei abkühlende Gas nimmt Wärme aus der Umgebung des Expansionsraums auf, was zu einer Kühlung der Umgebung führt. Da das rotierende Ventil nicht in unmittelbarer Nähe des Magnetsystems angebracht sein muss, stellt ein Pulsrohr-Kühler eine laufruhige, verschleißarme Kühleinrichtung dar, die auf bewegliche Teile im Bereich tiefer Temperaturen verzichtet.
  • Wie bei der bekannten Einrichtung ist im ersten Helium-Tank eine Kühleinrichtung vorgesehen, um das sich im ersten Helium-Tank befindliche Helium zu unterkühlen. Im Gegensatz zu den bekannten Systemen wird bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem jedoch, da es sich bei der Kühleinrichtung nun um einen Pulsrohrkühler handelt, kein Helium aus den Helium-Tanks ausgelassen. Der Pulsrohr-Kühler bildet einen eigenen Kreislauf. Es findet daher weder ein Ausströmen von Helium in die Atmosphäre noch ein Erwärmen von Helium statt, was eine erneute. Verflüssigung des Gases erfordern und somit einen hohen energetischen und gerätetechnischen Aufwand erfordern würde. Der Heliumverbrauch wird somit durch das erfindungsgemäße Magnetsystem stark minimiert, so dass ein kontinuierlicher Messbetrieb ermöglicht werden kann.
  • Die Erfindung realisiert ein verdampfungsfreies supraleitendes Magnetsystem, wobei die Kühlung des Heliums im ersten Helium-Tank über eine vom Helium in den Helium-Tanks unabhängige Kühleinrichtung in Form eines Pulsrohr-Kühlers erfolgt. Durch den Betrieb des Pulsrohr-Kühlers wird kein Helium aus den Helium-Tanks verbraucht. Dadurch ist für den Betrieb des Magnetsystems ein Nachfüllen der Helium-Tanks weniger oft, im optimalen Fall gar nicht, notwendig. Das erfindungsgemäße System erlaubt daher einen kontinuierlichen Messbetrieb und erspart die Organisation der Heliumbeschaffung sowie des Nachfüllens. Darüber hinaus kann durch den verringerten Heliumverbrauch der zweite Helium-Tank im Vergleich zu bekannten Magnetsystemen kleiner dimensioniert werden, was eine Reduzierung der Größe der Gesamtapparatur ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Magnetsystems ist der Pulsrohr-Kühler mehrstufig, vorzugsweise zweistufig ausgeführt. Die zweite Stufe des Pulsrohrkühlers ragt direkt in den ersten Tank, wobei sich im Betrieb die Temperatur der zweiten Stufe bei T < 3K befindet, so dass das Helium im ersten Tank direkt und ohne Entnahme von Helium unterkühlt wird. Dadurch wird ein Verbrauch von flüssigem Helium aus dem ersten Tank völlig vermieden.
  • Das im zweiten Tank befindliche Helium wird durch Restwärmeleitung durch die thermische Barriere ebenfalls gekühlt. Durch Minimierung der Wärmezufuhr in den zweiten Tank sowie eine geeignete Wahl der Isolationseigenschaften der thermischen Barriere wird erreicht, dass auch aus dem zweiten Heliumtank, der sich auf Atmosphärendruck oder leichtem Überdruck befindet, kein Helium entweicht.
  • Besonders geeignet ist eine Auslegung der Isolationseigenschaften der Barriere derart, dass der zweite Heliumtank sich leicht unterkühlt. Durch Einbringung einer Heizung in den zweiten Heliumtank kann dieser dann bei Atmosphärendruck oder leichtem Überdruck gehalten werden, ohne dass Helium aus dem zweiten Heliumtank entweicht. In dieser Auslegung wird im Betrieb weder dem ersten noch dem zweiten Heliumtank Helium entnommen, so dass ein Nachfüllen des Kühlmittels vermieden wird.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Stufe des Pulsrohr-Kühlers vor dem kalten Ende mit einem im Kryostaten angeordneten Strahlungsschild thermisch leitend verbunden. Der Strahlungsschild kann somit mit der mit ihm verbundenen Stufe des Pulsrohr-Kühlers gekühlt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der mit der Stufe des Pulsrohr-Kühlers verbundene Strahlungsschild die Helium-Tanks umgibt und wenn der Pulsrohr-Kühler einen Tank mit flüssigem Stickstoff im Kryostaten ersetzt. In diesem Fall entfällt die Bestückung der Anordnung mit flüssigem Stickstoff. Zudem kann durch den Verzicht auf einen Stickstofftank die Bauweise der Anordnung kompakter gestaltet werden.
  • Vorzugsweise enthält der Pulsrohr-Kühler als Regeneratormaterial eine Substanz mit einem Phasenübergang bei tiefer Temperatur um 4K oder darunter, insbesondere einem magnetischen Phasenübergang. Der Phasenübergang bewirkt eine Steigerung der spezifischen Wärme des Regeneratormaterials, so dass auch bei sehr niedrigen Temperaturen (T < 4K) eine Wärmeabgabe des Arbeitsgases an das Regeneratormaterial möglich ist.
  • Besonders bei Regeneratormaterialien mit einem magnetischen Phasenübergang ist es vorteilhaft, wenn das Regeneratormaterial im Kryostaten magnetisch abge schirmt ist. Somit kann eine Störung des Hauptfelds durch den magnetischen Phasenübergang vermieden werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält der Pulsrohr-Kühler zusätzlich oder ausschließlich Helium als Regeneratormaterial. Da Helium keinen magnetischen Phasenübergang aufweist, wirkt es im Zusammenhang mit magnetischen Anwendungen nicht störend und ist im Gegensatz zu sonst üblichen Regeneratormaterialien vergleichsweise günstig. Die Verwendung von Helium unter hohem Druck als Regeneratormaterial ist aus der DE 199 24 184 A1 bereits bekannt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der den Regenerator enthaltene Abschnitt des Pulsrohr-Kühlers an einer Stelle im Kryostaten angeordnet, an der im Betrieb ein minimales Magnetfeld herrscht, z.B. radial außerhalb der Magnetspule etwa im Bereich ihrer Mittelebene. Eine Wechselwirkung des Regeneratormaterials mit dem Hauptmagnetfeld wird dadurch minimiert.
  • Vorzugsweise sind der Kryostat und der Pulsrohr-Kühler so ausgelegt und dimensioniert, dass im Betrieb kein Helium in den Kryostaten nachgefüllt werden muss. Dies erhöht die Benutzerfreundlichkeit des Magnetsystems und ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb der Magnetanordnung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Helium-Tank oberhalb des ersten Helium-Tanks angeordnet. Der zweite Helium-Tank hat dabei eine hydrostatische Funktion inne, um den ersten Helium-Tank auf Atmosphärendruck zu halten.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das warme Ende des Pulsrohr-Kühlers unterhalb des ersten Helium-Tanks angeordnet. Somit kommt die Anordnung mit einem kürzeren Pulsrohr aus und die Bauhöhe der Gesamtanordnung kann insgesamt geringer ausfallen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Magnetsystem eine Hauptfeld-Magnetspule und eine koaxial dazu und radial außerhalb der Hauptfeld-Magnetspule angeordnete aktive Abschirmspule umfasst, wobei die Achsen der beiden Spulen vertikal angeordnet sind, und dass das kalte Ende des Pulsrohr-Kühlers zwischen der Hauptfeld-Magnetspule und der Abschirmspule angeordnet ist. Das kalte Ende des Pulsrohr-Kühlers befindet sich dann in einem magnetischen Niederfeld, beziehungsweise in einem magnetischen Nullfeld, wodurch eine Störung des Hauptmagnetfeldes durch den Pulsrohr-Kühler minimiert beziehungsweise vermieden wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht im zweiten Helium-Tank eine Heizvorrichtung zur Erwärmung des Heliums vor. Dies ist vorteilhaft, da der Druck des in den Helium-Tanks befindlichen Heliums reguliert werden kann. So kann das unterkühlte Helium im ersten Helium-Tank beispielsweise auf Atmosphärendruck gehalten und somit ein stabiler Betriebszustand realisiert werden.
  • Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn am Kryostaten ein Ventil zum Einfüllen von Helium vorgesehen ist, das zumindest mit einem Helium-Tank verbunden ist. Dadurch kann, falls beispielsweise über ein Überdruckventil Helium entwichen ist, ein Nachfüllen von Helium erfolgen.
  • Bevorzugt ist das Magnetsystem Teil einer Apparatur der magnetischen Resonanz wie eines NMR-Spektrometers, eines Kernspintomographen oder eines ICR-Massenspektrometers. Diese Apparaturen sind besonders auf ein homogenes, stabiles und ungestörtes Magnetfeld in einem Untersuchungsvolumen angewiesen, so dass sie in erheblichem Maße von den Vorteilen des erfindungsgemäßen Magnetsystems profitieren.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter auf geführten Merkmale je für sich oder 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.
    •
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetsystems mit eingebauten Pulsrohr-Kühler, und
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetsystems mit eingebauten Pulsrohr-Kühler.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetsystem mit einem in einem Kryostaten 1 angeordneten ersten Helium-Tank 4, in dem sich eine Hauptfeld-Magnetspule 3 zur Erzeugung eines hochhomogenen Magnetfelds befindet. Oberhalb des ersten Helium-Tanks 4 ist ein zweiter Helium-Tank 2 angeordnet, der durch eine thermische Barriere 5 vom ersten Helium-Tank 4 getrennt ist. Im zweiten Helium-Tank 2 befindet sich flüssiges Helium unter Atmosphärendruck auf einer Temperatur von über 3K, vorzugsweise 4,2K. Die beiden Helium-Tanks kommunizieren miteinander, so dass Helium von der oberen in die untere Kammer strömen kann, in der das Helium mit Hilfe eines Pulsrohr-Kühlers 11 auf eine Temperatur deutlich unter 3K, vorzugsweise auf 1,8K, abgekühlt (unterkühlt) wird. Der Pulsrohr-Kühler 11 ist bei der in 1 abgebildeten Ausführungsform durch den zweiten Helium-Tank 2 hindurchgeführt, so dass das warme Ende 10 des Pulsrohr-Kühlers 11 außerhalb des Kryostaten 1 angeordnet ist wohingegen das kaltes Ende 19 des Pulsrohr-Kühlers 11 in den ersten Helium-Tank 4 hineinragt und auf diese Weise das im ersten Helium-Tank 4 befindliche Helium auf die gewünschte Temperatur herunterkühlt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Pulsrohr-Kühlers 11 wird eine Kühlung des Heliums ermöglicht, ohne dass Helium aus den Helium-Tanks 2, 4 entweicht, so dass ein Nachfüllen der Helium-Tanks 2, 4 im Normalbetrieb nicht notwendig ist. Auch eine aufwendige Verflüssigung von Helium-Gas entfällt somit. Aus sicherheitstechnischen Gründen kann das erfindungsgemäße Magnetsystem mit einem Überdruckventil ausgestattet sein, durch das bei Erhitzung des Heliums, beispielsweise durch einen Quench der Hauptfeld-Magnetspule 3, Helium in die Atmosphäre entweichen kann. In diesem Fall kann ein Nachfüllen von Helium in den zweiten Helium-Tank 4 erforderlich sein. Zu diesem Zweck ist bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem ein Einfüllventil 12 vorgesehen.
  • Der in dem erfindungsgemäßen Magnetsystem integrierte Pulsrohr-Kühler 11 ist zweistufig ausgebildet, um das Helium unter seine Siedetemperatur bei Atmosphärendruck abzukühlen. Das kalte Ende 19 der zweiten Stufe 14 des Pulksrohr-Kühlers 11 ragt in den ersten Helium-Tank 4 hinein, um das im ersten Helium-Tank 4 befindliche Helium zu kühlen. Um den Druck in den Helium-Tanks zu regeln beispielsweise damit das unterkühlte Helium im ersten Helium-Tank 4 auf Atmosphärendruck gehalten wird, ist im zweiten Helium-Tank 2 eine Heizvorrichtung vorgesehen. Die erste Stufe 13 des Pulsrohr-Kühlers 11 kann mit einem im Kryostaten 1 angeordneten Strahlungsschild 15 thermisch leitend verbunden sein. Der Strahlungsschild 15 dient zur Reduktion einfallender Strahlungsenergie. Durch eine thermische Verbindung des Strahlungsschilds 15 kann die Kühlung des Strahlungsschilds 15 über den Pulsrohr-Kühler 11 erfolgen, so dass auf einen separaten Stickstofftank 16 verzichtet werden kann. Hierdurch sowie durch die Reduzierung der Größe des zweiten Helium-Tanks 2 kann im Vergleich zu bekannten Magnetsystemen ein kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Magnetsystems realisiert werden.
  • Der Pulsrohr-Kühler 11 ist vorzugsweise innerhalb einer Vakuumsicherung angeordnet, die durch den Strahlungsschild 15 und den zweiten Heliumtank 2 hindurchragt und ist an der Vakuumsicherung druckdicht befestigt. Die Vakuumsicherung umfasst Seitenwände 8 aus Material mit schlechter Leitfähigkeit, beispielsweise aus Edelstahl, sowie ein mit dem kalten Ende 19 des Pulsrohr-Kühlers 11 kontaktiertes Endstück 9 aus einem Material, das eine gute Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise Kupfer, so dass der Wärmeaustausch des flüssigen Heliums in dem ersten Helium-Tank 4 und dem Pulsrohr-Kühler 11 hauptsächlich über das kalten Ende 19 des Pulsrohr-Kühlers 11 erfolgt. Zur Erzeugung der benötigten tiefen Temperaturen umfasst der Pulsrohr-Kühler 11 ein Regeneratormaterial mit einem Phasenübergang. Der Phasenübergang bewirkt eine Steigerung der volumetrischen spezifischen Wärme des Regeneratormaterials und ermöglicht eine Abkühlung des Heliums auf unter 3K. Als geeignete Regeneratormaterialien sind Pb und seltene Erdverbindungen, wie zum Beispiel HoCo, Er3Ni, ErNi, GdAlO3 und ErNi0,9Co0,1 bekannt. Diese Materialien weisen jedoch einen magnetischen Phasenübergang auf, der im Zusammenhang mit magnetischen Applikationen störend sein kann. Das erfindungsgemäße Magnetsystem sieht daher vor, das Regeneratormaterial im Kryostaten 1 magnetisch abzuschirmen. Dies kann beispielsweise mittels eine den Pulsrohr-Kühler 11 umgebende μ-Metallfolie oder mittels eines hochleitfähigen Gehäuses erfolgen, das die schwankende Magnetisierung eliminiert. Es ist auch denkbar, ein supraleitendes Gehäuse um den Pulsrohr-Kühler 11 vorzusehen, um den Einfluss der oben genannten aus dem magnetischen Phasenübergang des Regeneratormaterials resultierenden Störeffekte zu minimieren.
  • 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei der das warme Ende 10 des Pulsrohr-Kühlers 11 unterhalb des ersten Helium-Tanks 4 angeordnet ist. Mit einer derartigen Anordnung kann ein Pulsrohr-Kühler 11 mit einer verkürzten Bauform verwendet werden, da der Pulsrohr-Kühler 11 nicht durch den zweiten Helium-Tank 2 hindurchgeführt werden muss. Das erfindungsgemäße Magnetsystem kann zusätzlich zu der Hauptfeld-Magnetspule 3 eine aktive Abschirmspule aufweisen, die außerhalb der Hauptfeld-Magnetspule 3 koaxial zu dieser angeordnet ist und eine Abschirmung des Haupt-Magnetfelds nach außen bewirkt. Der Pulsrohr-Kühler 11 kann dann derart angeordnet sein, dass sich das kalte Ende 19 des Pulsrohr-Kühlers 11 zwischen der Hauptfeld-Magnetspule 3 und der Abschirmspule befindet. Aufgrund der Abschirmfunktion der Abschirmspule ist das zwischen der Hauptfeld-Magnetspule 3 und der Abschirmspule herrschende Magnetfeld gleich oder nahe null. Durch diese Anordnung des Pulsrohr-Kühlers 11 kann somit auch bei Verwendung von Regeneratormaterialen mit magnetischen Phasenübergängen eine Wechselwirkung des Regeneratormaterials mit dem Hauptmagnetfeld minimiert werden. Das erfindungsgemäße Magnetsystem erlaubt daher die Verwendung konventioneller Pulsrohr-Kühler, ohne die damit üblicherweise verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Magnetsystem ist ein verbesserter Messbetrieb möglich, da die Anzahl der Heliumnachfüllvorgänge erheblich reduziert werden kann. Der zweite Helium-Tank 2, der bei bekannten Magnetsystemen einen relativ großen Vorrat an Helium beinhaltet, um den ersten Helium-Tank 4 über einen längeren Zeitraum mit Helium versorgen zu können, kann bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem daher wesentlich kleiner ausgestaltet werden. Der zweite Helium-Tank 2 erfüllt hier hauptsächlich eine hydrostatische Funktion, nämlich die Beibehaltung des Atmosphärendrucks im den Helium-Tanks 2, 4. Da im Gegensatz zu bekannten Magnetsystemen bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem für den Kühlprozess kein Helium aus den Helium-Tanks 2, 4 verwendet wird, ist der erfindungsgemäße Aufbau auch für trockene Systeme geeignet und bietet daher ein breites Anwendungsspektrum.
  • Insgesamt ergibt sich daher ein einfach handhabbares, kompaktes Magnetsystem, das auf eine Erwärmung des in den Helium-Tanks befindlichen Heliums und somit auch auf eine Rückverflüssigung verzichtet und somit einen kontinuierlichen Messbetrieb erlaubt und dem Personal die Beschaffung sowie ein unkomfortables Nachfüllen von Helium weitgehend erspart.
  • Die Magnetsystem der 1 und 2 sind Teil einer hochauflösenden NMR-Apparatur bei hohem Magnetfeld um oder über 20 Tesla.
    • 1
    Kryostat
    2
    zweiter Helium-Tank
    3
    Hauptfeld-Magnetspule
    4
    erster Helium-Tank
    5
    thermische Barriere
    8
    Seitenwände der Vakuumsicherung
    9
    Endstück der Vakuumsicherung
    10
    warmes Ende des Pulsrohrkühlers
    11
    Pulsrohrkühler
    12
    Einfüllventil
    13
    1. Stufe des Pulsrohrkühlers
    14
    2. Stufe des Pulsrohrkühlers
    15
    Strahlungsschild
    19
    kaltes Ende des Pulsrohrkühlers

Claims (15)

  1. Supraleitendes Magnetsystem, insbesondere einer Apparatur der magnetischen Resonanz, mit einer Betriebstemperatur T1 < 3K, das in einem ersten Helium-Tank (4) eines Kryostaten (1) angeordnet ist, wobei ein zweiter Helium-Tank (2) vorgesehen ist, der mit dem ersten Helium-Tank (4) in Verbindung steht und flüssiges Helium bei einer Betriebstemperatur T2 > 3K enthält, und wobei im ersten Helium-Tank (4) eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, die im ersten Helium-Tank (4) eine Betriebstemperatur T2 < 3K erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung das kalte Ende (19) eines Pulsrohr-Kühlers (11) ist, dessen warmes Ende (10) außerhalb des Kryostaten (1) angeordnet ist.
  2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsrohr-Kühler (11) mehrstufig, vorzugsweise zweistufig ausgeführt ist.
  3. Magnetsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufe des Pulsrohr-Kühlers (11) vor dem kalten Ende (19) mit einem im Kryostaten (1) angeordneten Strahlungsschild (15) thermisch leitend verbunden ist.
  4. Magnetsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Stufe des Pulsrohr-Kühlers (11) verbundene Strahlungsschild (15) die Helium-Tanks (2, 4) umgibt und einen Tank mit flüssigem Stickstoff im Kryostaten (1) ersetzt.
  5. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Restleitfähigkeit der thermischen Barriere (5) so ausgelegt ist, dass das Helium des zweiten Heliumtanks (2) unterkühlt und dadurch der Verbrauch an flüssigem Helium im zweiten Heliumtank (2) minimiert wird.
  6. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Heliumtank (2) mit einer Heizung versehen ist, so dass über die Heizung der Druck im zweiten Heliumtank (2) eingestellt werden kann.
  7. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsrohr-Kühler (11) als Regenerator-Material eine Substanz mit einem Phasenübergang, insbesondere einem magnetischen Phasenübergang enthält.
  8. Magnetsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerator-Material im Kryostaten (1) magnetisch abgeschirmt ist.
  9. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsrohr-Kühler (11) Helium als Regenerator-Material enthält.
  10. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Regenerator enthaltende Abschnitt des Pulsrohr-Kühlers (11) an einer Stelle im Kryostaten (1) angeordnet ist, an der im Betrieb ein minimales Magnetfeld herrscht.
  11. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (1) und der Pulsrohr-Kühler (11) so ausgelegt und dimensioniert sind, dass im Betrieb kein Helium in den Kryostaten (1) nachgefüllt werden muss.
  12. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Helium-Tank (4) oberhalb des ersten Helium-Tanks (2) angeordnet ist.
  13. Magnetsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das warme Ende (10) des Pulsrohr-Kühlers (11) unterhalb des ersten Helium-Tanks (4) angeordnet ist.
  14. Magnetsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem eine Hauptfeld-Magnetspule (3) und eine koaxial dazu und radial außerhalb der Hauptfeld-Magnetspule (3) angeordnete aktive Abschirmspule umfasst, wobei die gemeinsame Achse der beiden Spulen vertikal angeordnet ist, und dass das kalte Ende (19) des Pulsrohr-Kühlers (11) zwischen der Hauptfeld-Magnetspule (3) und der Abschirmspule angeordnet ist.
  15. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kryostaten (1) ein Ventil (12) zum Einfüllen von Heliumgas vorgesehen ist, das zumindest mit einem der Helium-Tanks (2, 4) verbunden ist.
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