DE102006035093B3

DE102006035093B3 - Kühlvorrichtung eines Systems aus mindestens zwei Magneten

Info

Publication number: DE102006035093B3
Application number: DE200610035093
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-07-29

Abstract

Die Magnete 12, 13, 14 enthalten jeweils wenigstens eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Wicklung 110. Das System aus mindestens zwei Magneten 12, 13, 14 ist um eine gemeinsame Achse A rotierbar, wobei die Achse A außerhalb mindestens eines der Magnete 12, 13, 14 liegt. Die Kühlvorrichtung umfasst kälteerzeugende Mittel 101 und ein geschlossenes Rohrleitungssystem zur Aufnahme eines Kältemediums. Das Rohrleitungssystem umfasst wiederum innerhalb der Kryostate verlaufende Teile 18, sowie achsnahe und achsferne Teile 17 bzw. 16. Die achsnahen und die achsfernen Teile des Rohrleitungssystems enthalten jeweils mindestens einen Kältemittelraum 121, 122, 223. Die kälteerzeugenden Mittel 101 bilden mindestens zwei Wärmesenken 123, 124, 220, 221 aus, wobei eine Wärmesenke 123, 220 dem achsnahen 121, 223, und eine weitere Wärmesenke 124, 221 dem achsfernen Kältemittelraum 122 des Rohrleitungssystems zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung eines Systems aus mindestens zwei Magneten, wobei

– die Magnete jeweils wenigstens eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Wicklung enthalten und
– das System um eine gemeinsame Achse rotierbar ist, die außerhalb mindestens eines der Magnete liegt.

Elektromagnete kommen verbreitet als Strahlführungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete in Teilchenbeschleunigeranlagen zur Führung, Ablenkung und/oder Fokussierung eines Strahls geladener Teilchen zum Einsatz. Die in einer Beschleunigeranlage auf hohe kinetische Energien beschleunigten geladenen Teilchen werden zunehmend auf dem Gebiet der Strahlentherapie zum Einsatz gebracht. Bei der Strahlentherapie mit Protonen oder schweren Ionen wird ein hochenergetischer Teilchenstrahl auf eine zu bestrahlende Geschwulst eines Probanden gerichtet.
Um die Strahlendosis im umliegenden, nicht zu therapierenden Gewebe möglichst gering zu halten, wird der Teilchenstrahl mit einer so genannten Gantry mehrfach aus der ursprünglichen durch die Geometrie der Beschleunigeranlage vorgegebenen Richtung abgelenkt. Unter einer Gantry ist in diesem Zusammenhang eine drehbare Anordnung von Strahlführungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten zu verstehen mit deren Hilfe der Teilchenstrahl typischerweise unter einem Winkel zwischen 45° und 90° auf den zu bestrahlenden Bereich des Probanden gerichtet wird. Die Gantry ist typischerweise um eine Achse drehbar, welche durch die Geometrie der Beschleunigeranlage und somit durch die Richtung des Teilchenstrahls, welcher in die Gantry eintritt, vorgegeben ist.
Wie erwähnt besteht eine Gantry im Wesentlichen aus einer Anordnung von Magneten, welche an einem drehbar gelagerten Gestell angeordnet sind. Das Gestell der Gantry und die ihr zugeordneten Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete sind nun derart drehbar, dass der aus der Gantry austretende Teilchenstrahl durch einen festen Punkt im so genannten „Iso-Zentrum" verläuft. Auf diese Weise wird die Strahlenbelastung im umliegenden Gewebe der zu bestrahlenden Geschwulst auf ein möglichst großes Volumen verteilt. Durch diese Maßnahme wird das nicht zu therapierende Gewebe geschont.
Eine Strahlentherapieanlage, in denen eine Gantry zum Einsatz kommt, ist z.B. aus WO 02/063638 A1 oder DE 199 04 675 A1 bekannt oder wird in der nicht vorveröffentlichen Anmeldung DE 10 2006 018 635.4 vorgeschlagen.
Typischerweise wird in einer Gantry der Teilchenstrahl von einem 45°-Ablenkmagneten aus der durch den Beschleuniger vorgegebenen Richtung abgelenkt und von einem weiteren 45°-Ablenkmagneten in eine Richtung parallel zur ursprünglichen Richtung gebracht. Schließlich erfährt der Teilchenstrahl mit Hilfe eines 90°-Magneten eine weitere Ablenkung, und wird auf die zu bestrahlende Geschwulst eines Probanden gerichtet. Alternativ kann der Teilchenstrahl zuerst mit einem 45°-Ablenkmagneten aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt werden und mit einem weiteren 135°-Ablenkmagneten auf den Probanden gerichtet werden. Alle gängigen Gantries weisen also mindestens zwei Ablenkmagnete auf.
Bei den aus den Druckschriften WO02/063638 A1 und DE 199 04 675 A1 bekannten Gantries sind die Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete mit Hilfe von Leitern aus normalleitendem Material wie z.B. Kupfer gebildet. Magnetwicklungen aus normalleitendem Material sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und verhältnismäßig einfach herzustellen. Zur gezielten Generierung und Formung von den Teilchenstrahl ablenkenden und/oder fokussierenden Magnetfeldern werden magnetflussführende Elemente aus ferromagnetischem Material wie z.B. Eisen verwendet. Das zur Strahlablenkung und/oder Fokussierung zur Verfügung stehende Magnetfeld ist bei der konventionellen Technik in Folge der magnetischen Sättigung des Eisens auf etwa 1,8 Tesla beschränkt.
Zusätzlich weisen Gantries mit normalleitenden Magnetwicklungen, die zur Magnetfeldformung Eisenjoche verwenden, ein sehr hohes Gewicht und einen hohen Bedarf an elektrischer Energie und Kühlwasser auf. So kann das Gesamtgewicht einer solchen Gantry leicht 95 t betragen. Die Energieaufnahme für die Kühlung der Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete kann typischerweise 800 kW betragen.
Zur Reduzierung des Gesamtgewichts der Gantry sowie zur Reduzierung der Leistungsaufnahme der Magnete und der für die Magnete notwendigen Kühleinrichtungen können die Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete mit Hilfe von supraleitenden Wicklungen realisiert werden. Ein solcher Magnet mit einer supraleitenden Wicklung und einer zugeordneten Kühlvorrichtung ist der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2006 018 635.4 zu entnehmen.
Zur Aufrechterhaltung der Supraleitung müssen die supraleitenden Wicklungen der Strahlführungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur gehalten werden. Zur Kühlung von supraleitenden Materialien ist aus dem Stand der Technik bekannt, diese in ein kryogenes Kältemittel einzutauchen. Für diese so genannte Badkühlung ist z.B. flüssiges Helium zur Kühlung von NbTi-Supraleitern geeignet. Flüssiges Neon oder flüssiger Stickstoff eignen sich zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern. Kühlverluste können durch den Einbau der Wicklungen in einen vakuumisolierten Kryostaten gering gehalten werden.
Bei einer Badkühlung wird der verdampfte Teil des Kältemittels an einer einzigen Wärmesenke rückverflüssigt und von oben dem Kältemittelbad wieder zugeführt. Zu diesem Zweck befindet sich die eine Wärmesenke, an die eine Rekondensati onsfläche thermisch angekoppelt ist, in Kontakt mit dem gasförmigen Kältemittel, welches sich oberhalb des flüssigen Kältemittels sammelt.
Für eine Gantry und die ihr zugeordneten Magnete ergibt sich die Notwendigkeit, dass die Magnete vorzugsweise unter allen Drehwinkeln der Gantry stets zur Führung, Ablenkung und/oder Fokussierung des Teilchenstrahls ein geeignetes Magnetfeld zur Verfügung stellen müssen. Die aus dem Stand der Technik bekannte Badkühlung von supraleitenden Magnetwicklungen arbeitet jedoch nicht lageunabhängig. Da sich bei einer Drehung der Magnetwicklung und ihrer zugeordneten Kühlvorrichtung, von vorzugsweise 180°, der zuvor in Kontakt mit dem gasförmigen Kältemittel befindliche Kaltkopf nun in Kontakt mit dem flüssigen Kältemittel befindet, kann keine effektive Rückverflüssigung des Kältemittels mehr stattfinden. Folglich ist eine solche Kühlvorrichtung für die supraleitenden Wicklungen eines Gantry-Magneten ungeeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung für ein System aus mindestens zwei Magneten mit supraleitenden Wicklungen anzugeben, welches die supraleitenden Magnetwicklungen bei einer gemeinsamen Drehung der Magnete um eine Achse, welche außerhalb mindestens eines der Magnete liegt, auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur hält.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll die Kühlvorrichtung für ein System aus mindestens zwei Magneten vorgesehen sein. Die Magnete des Systems sollen jeweils wenigstens eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Wicklung enthalten, und das System soll um eine gemeinsame Achse, welche außerhalb mindestens eines der Magnete liegt, rotierbar sein. Die Kühlvorrichtung soll kälteerzeugende Mittel und ein geschlossenes Rohrleitungssystem zur Aufnahme eines Kältemediums umfassen, wobei das Rohrleitungssystem innerhalb der Kryostate verlaufende Teile, sowie achsnahe und achsferne Teile umfassen soll. Die achsnahen und die achsfernen Teile des Rohrleitungssystems sollen jeweils mindestens einen Kältemittelraum enthalten. Die kälteerzeugenden Mittel sollen mindestens zwei Wärmesenken ausbilden, von denen jeweils eine Wärmesenke dem achsnahen und eine weitere Wärmesenke dem achsfernen Kältemittelraum des Rohrleitungssystems zugeordnet ist.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind die folgenden Vorteile verbunden: Die Kühlvorrichtung des Systems aus mindestens zwei Magneten versorgt die supraleitenden Wicklungen der Magnete über ein gemeinsames Rohrleitungssystem mit Kältemedium. Auf diese Weise können vorteilhaft mehrere Magnete mit einer geringen Anzahl von Wärmesenken kältetechnisch versorgt werden. Des Weiteren kann durch die Anordnung der Wärmesenken in einem achsnahen und einem achsfernen Kältemittelraum die Versorgung der supraleitenden Wicklungen der Strahlführungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete mit einem Kältemedium bei nahezu allen Winkellagen der Gantry aufrechterhalten werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines Unteranspruches oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die Kühlvorrichtung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

– Die Wärmesenken können derart dem Rohrleitungssystem zugeordnet werden, dass stets mindestens eine Wärmesenke auf mindestens gleicher oder größerer geodätischer Höhe als mindestens eine weitere Wärmesenke liegt. Durch die vorgenannte Anordnung von mindestens zwei Wärmesenken in oder an dem Rohrleitungssystem ergibt sich der Vorteil, dass in Folge der unterschiedlichen geodätischen Höhen der Wärmesenken eine Zirkulation des Kältemediums zumindest in Tei len des Rohrleitungssystems, insbesondere bedingt durch einen Thermosyphon-Effekt erzeugt werden kann.
– Die achsfernen und die achsnahen Teile des Rohrleitungssystems können mit den innerhalb der Kryostaten verlaufenden Teilen derart verbunden sein, dass sich zumindest Teile der supraleitenden Wicklung bei jedem Drehwinkel der Gantry geodätisch tiefer als die achsnahen oder achsfernen Teile des Rohrleitungssystems befinden. Durch eine derartige Anordnung der achsnahen und achsfernen Teile des Rohrleitungssystems kann gasförmiges Kältemedium, welches an den zu kühlenden supraleitenden Wicklungen anfällt ungehindert zu den Kältemittelräumen aufsteigen. Vorteilhaft wird durch die Anordnung der Kältemittelräume in dem Rohrleitungssystem eine Ansammlung von gasförmigem Kältemedium in einem Kryostaten vermieden.
– Das Kältemedium kann in flüssiger und gasförmiger Phase vorliegen. Durch die Verwendung eines in flüssiger und gasförmiger Phase vorliegenden Kältemediums kann die Warmetönung des Phasenüberganges zur Kühlung der Magnetwicklungen ausgenutzt werden.
– Die Kälteleistung kann zumindest an der Wärmesenke in das Kältemedium eingebracht werden, die sich in thermischem Kontakt mit der gasförmigen Phase des Kältemediums befindet. Durch den thermischen Kontakt einer Wärmesenke mit der gasförmigen Phase des Kältemediums kann die Kälteleistung der Kühlvorrichtung in vorteilhafter Weise besonders effektiv in den Kreislauf des Kältemediums eingebracht werden.
– Die Wärmesenken können thermisch an die Kontaktflächen von mindestens einem Kaltkopf angekoppelt sein oder können durch die Kontaktflächen des/der entsprechenden Kaltkopfes/Kaltköpfe gebildet werden. Eine Ausgestaltung der Warmesenken der Kühlvorrichtung mit Hilfe von Kaltköpfen ist besonders wartungsarm. Vorteilhaft können Kaltköpfe ver wendet werden, die nach dem Gifford-McMahon-Prinzip arbeiten. Da diese Kaltköpfe lageunabhängig arbeiten, können sie vorteilhaft in einer drehbaren Anordnung eingesetzt werden.
– Die Wärmesenken können durch thermisch an mindestens einen Kaltkopf angekoppelte Rekondensatorkörper gebildet werden, welche in einem Kältemittelraum angeordnet sein können. Vorteilhaft kann die Rekondensation von gasförmigem Kältemedium an einem möglichst großflächigen Rekondensationskörper erfolgen. Auf diese Weise kann die von dem mindestens einen Kaltkopf in das Kühlsystem eingebrachte Kälteleistung dem Kältemedium besonders effektiv zugeführt werden.
– Die Kühlvorrichtung kann einem System von Magneten, welches Teil einer Gantry zur Ablenkung elektrisch geladener Teilchen ist, zugeordnet sein. Das Gesamtgewicht der Gantry kann durch den Einsatz von Führungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten mit supraleitenden Magnetwicklungen deutlich reduziert werden. Durch den Einsatz von supraleitenden Wicklungen können, im Vergleich zur Verwendung konventioneller normalleitender Magnetwicklungen, höhere Magnetfelder erzeugt werden. Dies erlaubt es, die elektrisch geladenen Teilchen auf Ablenktrajektorien mit geringerem Bahnradius zu führen. Dies erlaubt wiederum eine räumliche Verkleinerung der Gantry bei gleichzeitig geringerem Gesamtgewicht.
– Die geladenen Teilchen können bevorzugt Protonen oder C⁶⁺-Ionen sein. Protonen oder C⁶⁺-Ionen können für die Bestrahlung von Geschwulsten eingesetzt werden, da sie sich medizinisch als besonders vorteilhaft erwiesen haben.
– Als Kältemedium kann Helium vorgesehen sein. Helium bietet mit seiner Siedetemperatur von 4,2 K die Möglichkeit eine Vielzahl von verschiedenen Supraleitermaterialien auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur zu halten. Ferner ist Helium kommerziell gut verfügbar und in der technischen Anwendung erprobt.
– Eine Zirkulation des Kältemediums, bedingt durch einen Thermosyphoneffekt, kann zumindest in Teilen des Rohrleitungssystems vorgesehen sein. Eine Zirkulation des Kältemediums, bedingt durch einen Thermosyphon-Effekt, bietet die Möglichkeit eine Kältemittelzirkulation ohne den Einsatz von Pumpen zu realisieren. Pumpen zur Förderung von sich auf tiefen Temperaturen befindlichen Kältemedien sind technisch aufwendig, wartungsintensiv und kostspielig in der Anschaffung.
– Zumindest Teile des Rohrleitungssystems können derart dimensioniert sein, dass bedingt durch einen Thermosyphon-Effekt zirkulierendes flüssiges und gasförmiges Kältemedium in den entsprechenden Teilen des Rohrleitungssystems in gegenläufiger Richtung strömen kann. Vorteilhaft kann in der Kühlvorrichtung eine Zirkulation des Kältemediums, bedingt durch einen Thermosyphon-Effekt, nicht nur in einem Kreislauf erfolgen, welcher bestimmte Teile des Rohrleitungssystems als Hinleitung und andere Teile des Rohrleitungssystems als Rückleitung verwendet. Eine Zirkulation des Kältemediums kann ebenfalls in einem Kreislauf erfolgen, bei dem in ein- und denselben Teilen des Rohrleitungssystems sowohl Hinleitung von vorzugsweise flüssigem Kältemedium wie auch Rückleitung von vorzugsweise gasförmigem Kältemedium erfolgt. Durch eine entsprechende Dimensionierung, der für eine solche Zirkulation vorgesehenen Teile des Rohrleitungssystems, kann in einem gemeinsamen Rohr flüssiges Kältemedium zu einem geodätisch tiefer liegenden Punkt gelangen und umgekehrt gasförmiges Kältemedium zu einem geodätisch höher liegenden Punkt, z.B. einer Rekondensationsfläche, aufsteigen. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine zweite Rohrleitung vermieden werden.
– Zumindest Teile des Rohrleitungssystems können mit thermischen Isolationsmitteln ausgestattet sein. Durch den Ein satz von thermischen Isolationsmitteln kann das Abdampfen von Kältemedium außerhalb der von dem Kältemedium aktiv zu kühlenden Bereiche, wie z.B. den supraleitenden Wicklungen, vermindert werden.
– Als Isolationsmittel kann eine Superisolation und/oder eine Vakuumisolation verwendet werden. Eine Superisolation kann zur Verminderung von Wärmestrahlungsverlusten und eine Vakuumisolation zur Verminderung von Wärmeverlusten bedingt durch thermische Konvektion eingesetzt werden. Beide Isolationsmittel können ferner miteinander kombiniert werden.
– Die Kältemittelräume und die übrigen Teile des Rohrleitungssystems können jeweils mittels einer Vakuumisolation isoliert werden. Hierbei können die Isoliervakua voneinander getrennt oder miteinander verbunden sein. Vorteilhaft können durch die Verbindung der Isoliervakua alle zu evakuierenden Räume mittels eines gemeinsamen Pumpstandes auf das notwendige Isoliervakuum gebracht werden. Durch diese Maßnahme vermindert sich der Aufwand für die Erzeugung des Isoliervakuums. Durch eine Trennung der Isoliervakua können verschiedene Teile des Rohrleitungssystems mit verschiedenen Klassen von Isoliervakua versehen werden. So kann beispielsweise ein Kältemittelraum mittels Ultrahochvakuum und andere Teile des Rohrleitungssystems mittels Hochvakuum isoliert werden. Vorteilhaft ergibt sich so für die Teile des Rohrleitungssystems für die eine Hochvakuumisolation ausreichend ist ein geringerer Aufwand für die Erzeugung des Isoliervakuums.
– Die innerhalb der Kryostate verlaufenden Teile des Rohrleitungssystems sowie die übrigen Teile des Rohrleitungssystems können jeweils mittels einer Vakuumisolation isoliert werden. Die Isoliervakua können hierbei voneinander getrennt oder miteinander verbunden sein. Für eine Trennung oder Verbindung der jeweiligen Isoliervakua ergeben sich gleiche oder zumindest ähnliche Vorteile wie die zuvor genannten.
– Das Rohrleitungssystem kann in thermischer Verbindung mit supraleitenden Drähten stehen, welche zumindest zwei Magnete des Systems elektrisch miteinander verbinden. Durch eine elektrische Verbindung von zwei oder mehreren Magneten, mittels innerhalb des kryogenen Bereiches verlaufenden supraleitenden Drähten, wird vorteilhaft nur noch ein Paar Stromzuführungen für die Versorgung mehrerer Magnete benötigt. Auf diese Weise können die durch die Stromzuführungen in den gekühlten Bereich einfließenden Wärmeverluste verringert werden. Weiterhin ergibt eine elektrische Kontaktierung zweier Magnete mittels eines supraleitenden Drahts die typischen von der Supraleitung bekannten technischen Vorteile. Gemäß dem vorgenannten Ausführungsbeispiel können die supraleitenden Drähte vorteilhaft mittels der ohnehin in dem Rohrleitungssystem zur Verfügung stehenden Kälteleistung, auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur gehalten werden.
– Die supraleitenden Drähte können einen hohen Anteil an normalleitendem Matrixmaterial aufweisen. Bei der Verwendung von klassischen Supraleitern (Tieftemperatursupraleitern) kann durch die Verwendung eines Drahtes mit einem hohen Anteil an normalleitendem Matrixmaterial die Verbindung mechanisch widerstandsfähig gemacht werden. Dies verbessert die Zuverlässigkeit der supraleitenden elektrischen Verbindung.
– Die supraleitenden Drähte können miteinander verdrillt sein. Durch eine Verdrillung der stromtragenden supraleitenden Drähte kann die Summe der Magnetkräfte, die auf sie wirkt, nahezu eliminiert werden. Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass die zwischen den Ablenkmagneten im Wesentlichen parallel zu den Teilen des Rohrleitungssystems verlaufenden Strahlrohre, und die darin ge führten elektrisch geladenen Teilchen, auf diese Weise keine störende Ablenkung erfahren.
– Zur thermischen Isolation der Magnete des Systems können Strahlungsschilde vorgesehen sein. Vorteilhaft können aktiv oder passiv gekühlte Strahlungsschilde zur Verminderung von Verlusten des Kältemediums beitragen, indem sie eine weitere kryogene Barriere für thermische Strahlung oder thermische Konvektion schaffen.
– Die Strahlungsschilde können durch mindestens einen Kaltkopf, welcher in thermischer Verbindung mit dem Strahlungsschild steht, gekühlt werden. Eine aktive Kühlung der Strahlungsschilde mittels eines Kaltkopfes erlaubt es, diese auf einer durch den Kaltkopf regelbaren, definierten tiefen Temperatur zu halten.
– Die Magnete können mehrere Wicklungen aufweisen, welche Leiter aus LTS-Material oder HTS-Material enthalten. Durch die Verwendung von mehreren einzelnen Wicklungen für die supraleitenden Magnete ergibt sich die Möglichkeit, das erzeugte magnetische Feld definiert zu formen. Auf diese Weise kann auf magnetflussführendes Material, wie z.B. Eisen verzichtet werden. Durch die Verwendung von metallischem Tieftemperatur-Supraleitermaterial (LTS-Material) für die Magnetwicklungen (z.B. NbTi-Legierungen), kann ein technisch bekanntes und verhältnismäßig einfach zu verarbeitendes Material eingesetzt werden. Metalloxidisches Hochtemperatur-Supraleitermaterial (HTS-Material) z.B. so genanntes YBCO erlaubt gegenüber dem Tieftemperatur-Supraleitermaterial höhere Betriebstemperaturen. Diese können insbesondere zwischen 10 und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 und 30 K liegen. Vorteilhaft vermindert sich durch die höheren Betriebstemperaturen für HTS-Material der Aufwand für die Kältetechnik.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung eines Systems aus mindestens zwei Magneten gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der Zeichnung hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert. Aus dieser gehen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung eines Systems aus mindestens zwei Magneten hervor. Die Erfindung ist nicht auf die konkret veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt. Dabei zeigen
1 als Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer Kühlvorrichtung eines Systems aus drei Magneten,
2 eine 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kühlvorrichtung eines Systems aus drei Magneten, wobei zwei der Magnete mittels eines supraleitenden Kabels miteinander elektrisch verbunden sind,
3 eine Detailansicht eines Ablenkmagneten, dessen Wicklung mit einem supraleitenden Kabel angeschlossen ist sowie
4 einen Querschnitt eines Strahlführungsmagneten.
1 zeigt ein System aus drei Ablenkmagneten 12, 13, 14, mit deren Hilfe einen Strahl geladener Teilchen 11 abgelenkt wird. Der entlang einer Achse A aus einer Beschleunigeranlage austretende Strahl geladener Teilchen 11 wird in einem Strahlführungsrohr 15 geführt. Die Ablenkmagnete 12, 13 und 14 sind Teil einer Gantry 2, welche um die durch die Geometrie der Beschleunigeranlage vorgegebene Achse A drehbar ist. Der Strahl geladener Teilchen 11 wird in ein so genanntes ISO-Zentrum B gelenkt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dem System aus drei Ablenkmagneten 12, 13, 14 eine Kühlvorrichtung zugeordnet, die ein Rohrleitungssystem enthält. Das Rohrleitungssystem der Kühlvorrichtung weist achsferne Teile 16 und achsnahe Teile 17 auf. Die Ablenkmagnete 12, 13, 14 sind mit supraleitenden Wicklungen 110 ausgestaltet, welche sich innerhalb von Kryostaten 19 befinden. Das Rohrleitungssystem umfasst neben den achsnahen und achs fernen Teilen 17 bzw. 16, innerhalb der Kryostate 19 der Ablenkmagnete 12, 13, 14 verlaufende Teile 18.
Den achsnahen Teilen 17 und den achsfernen Teilen 16 des Rohrleitungssystems ist jeweils einen Kältemittelraum 121 bzw. 122 zugeordnet. Als kälteerzeugende Mittel weisen sowohl der achsnahe Kältemittelraum 121, als auch der achsferne Kältemittelraum 122 jeweils ein Kaltkopf 101 auf. Vorzugsweise kann die erste Stufe des Kaltkopfes 101 mit einem Kryoschild 102, welches sich innerhalb des Kältemittelraumes 121, 122 befindet, thermisch verbunden sein. Die zweite Stufe des Kaltkopfes 101 befindet sich jeweils in thermischer Verbindung mit einer nach Möglichkeit großflächigen Rekondensationsfläche 123, 124. Die Rekondensationsflächen 123, 124 können durch eine Vielzahl von thermisch miteinander verbundenen, im Wesentlichen planparallelen und gut wärmeleitfähigen Blechen aus z.B. Kupfer realisiert sein. Bei nahezu jedem Drehwinkel der Gantry 2 steht mindestes eine der Rekondensationsflächen 123, 124 stets in thermischem Kontakt mit dem gasförmigen Kältemedium.
Sowohl die achsfernen Teile 16, wie auch die achsnahen Teile 17 des Rohrleitungssystems sind derart mit den Kryostaten 19 der Ablenkmagnete 12, 13, 14, wie auch mit den Kältemittelräumen 121, 122 verbunden, dass bei nahezu jedem Drehwinkel der Gantry 2, gasförmiges Kältemedium ungehindert zu der jeweils geodätisch höher liegenden Rekondensationsfläche 123, 124 aufsteigen kann. In der in 1 dargestellten Ausführungsform liegt die achsferne Rekondensationsfläche 124 geodätisch höher als die achsnahe Rekondensationsfläche 123. Etwaig an den supraleitenden Magnetwicklungen 110 anfallendes gasförmiges Kältemedium kann ausgehend von den Kryostaten 19 der Ablenkmagnete 12, 13, 14 über die achsfernen Teile 16 des Rohrleitungssystems ungehindert zu der Rekondensationsfläche 124 aufsteigen.
Die im Wesentlichen in Kontakt mit dem gasförmigen Kältemedium stehende Rekondensationsfläche 124 kann gasförmiges Kälte medium rekondensieren und es auf diese Weise dem Kältemittelbad wieder zuführen. Die geodätisch tiefer liegende Rekondensationsfläche 123 kann das flüssige Kältemedium unterkühlen, oder der ihr zugeordnete Kaltkopf kann wahlweise abgeschaltet werden.
In dem in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung eines Systems aus drei Magneten 12, 13, 14 kann ein Kreislauf von flüssigem und gasförmigem Kältemedium auf mindestens zwei verschiedene Arten stattfinden.
Zum einen kann gasförmiges Kältemedium an der geodätisch höher liegenden Rekondensationsfläche 124 kondensiert werden, und in Folge der Schwerkraft zu den geodätisch tiefer liegenden zu kühlenden Magnetwicklungen 110 der Magnete 12, 13, 14 laufen. In diesem Fall kann der Kaltkopf 101 der geodätisch tiefer liegenden Rekondensationsfläche 123 abgeschaltet werden oder wahlweise das flüssige Kältemedium unterkühlen. Gasförmiges Kältemedium kann ungehindert durch die innerhalb der Kryostaten der Magnete 12, 13 und 14 verlaufenden Teile 18 des Rohrleitungssystems wiederum zu der geodätisch höher liegenden Rekondensationsfläche 124 aufsteigen, um anschließend rückverflüssigt zu werden. Auf diese Weise findet eine Zirkulation von flüssigem und gasförmigem Kältemedium zumindest teilweise in den achsfernen Teilen 16 und in den innerhalb der Kryostaten verlaufenden Teilen 18 des Rohrleitungssystems derart statt, dass sich flüssiges und gasförmiges Kältemedium in entgegengesetzter Richtung bewegen. Eine Kältemittelzirkulation kann gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auch nur Teile des Rohrleitungssystems erfassen. Gasförmiges Kältemedium kann jedoch stets ungehindert an den geodätisch höchstliegenden Punkt, an welchem sich vorzugsweise ein Kältemittelraum 121, 122 befindet aufsteigen.
Vorzugsweise kann die ungehinderte Bewegung von gasförmigem Kältemittel innerhalb des Rohrleitungssystems erreicht werden, in dem die supraleitenden Magnetwicklungen 110 in den Kryostaten 19 der Ablenkmagnete 12, 13, 14 derart angeordnet sind, dass sie bei jedem Drehwinkel der Gantry geodätisch tiefer liegen als der an den jeweiligen Kryostaten 19 angeschlossene Teil 16 des Rohrleitungssystems.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung eines Systems aus drei Magneten. Gegenüber 1 ist die Gantry 2 um 180° um die Achse A verdreht.
An der in 2 geodätisch höher liegenden Rekondensationsfläche 220 kondensiertes Kältemedium kann durch den mit 203 bezeichneten Teil des Rohrleitungssystems zu den geodätisch tiefer liegenden zu kühlenden supraleitenden Wicklungen des Magneten 14 gelangen. Der der geodätisch tiefer liegenden Rekondensationsfläche 221 zugeordnete Kaltkopf 101 kann das flüssige Kältemedium unterkühlen, oder kann wahlweise abgeschaltet werden.
Das flüssige Kältemedium kann durch die achsfernen Teile 16 des Rohrleitungssystems weiter zu den zu kühlenden supraleitenden Wicklungen 110 der Magnete 13 und 12 gelangen. Insbesondere kann in den Kryostaten der Magnete 12 und 13 verdampfendes Kältemedium in gasförmigem Zustand über den mit 204 bezeichneten Teil des Rohrleitungssystems zurück zu der geodätisch höher liegenden achsfernen Rekondensationsfläche 220 gelangen. Das gasförmige Kältemedium kann an dieser Rekondensationsfläche 220 rekondensiert werden.
Auf diese Weise stellt sich ein Kreislauf des Kältemediums ein, bei dem flüssiges Kältemedium ausgehend von der geodätisch höher liegenden Kältemittelkammer 223 im Uhrzeigersinn entlang des Rohrleitungssystems, an das die zu kühlenden Magnete 14, 13 und 12 angeschlossen sind, fließen und schließlich in gasförmigem Zustand zurück gelangen kann.
Ohne Beschränkung auf die in den vorgenannten Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele können vorteilhaft die Kaltköpfe 101 mittels flexibler Leitung 106 mit außerhalb der rotierenden Gantry aufgestellten Kompressoren 107 verbunden werden.
Die supraleitenden Wicklungen der Ablenkmagnete 12 und 13 können gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines supraleitenden Drahtes elektrisch miteinander verbunden werden.
3 zeigt eine Detailansicht des aus 2 bekannten Ablenkmagneten 12. Über ein einziges Paar Stromzuführungen 205 wird die supraleitende Wicklung 110 des Magneten 12 an eine Stromversorgung angeschlossen. Mit Hilfe eines supraleitenden Drahtes 206 kann nun die Wicklung 110 eines weiteren Ablenkmagneten 13, 14 parallel zu der Wicklung 110 des Ablenkmagneten 12 geschaltet werden. Der supraleitende Draht/das supraleitende Kabel 206 kann auf der Verbindungsstrecke zwischen den Ablenkmagneten 12, 13, 14 in thermischem Kontakt mit dem in dem Rohrleitungssystem befindlichen Kältemedium geführt werden. Vorzugsweise kann das supraleitende Kabel 206 innerhalb der achsfernen Teile 16 des Rohrleitungssystems geführt werden. Ebenso vorteilhaft kann auch die supraleitende Wicklung des Ablenkmagneten 14, mit Hilfe eines in thermischer Verbindung mit den achsfernen Teilen 16 des Rohrleitungssystems geführten supraleitenden Drahtes, elektrisch miteinander verbunden sein.
Unter einem supraleitenden Draht 206 ist in diesem Zusammenhang jedwede elektrische Verbindung, welche einen Supraleiter als stromtragendes Element verwendet zu verstehen. Verwendbar sind z.B. Filamentleiter, welche klassische metallische Supraleiter verwenden, als auch Bandleiter (coated conductors), welche aus einem mit einem oxidischen Supraleiter beschichteten metallischen Band bestehen.
Vorteilhaft kann zur elektrischen Verbindung der supraleitenden Wicklungen 110 der Ablenkmagnete 12 und 13 ein Filamentleiter verwendet werden, welcher ein hohes Aspektverhältnis aufweist.
Unter dem Aspektverhältnis eines supraleitenden Drahtes 206 oder sonstigem Supraleiter ist in diesem Zusammenhang der Quotient der Querschnittsflächen zu verstehen, welche von normalleitendem Matrixmaterial im Vergleich zu dem supraleitenden Material eingenommen wird. Dieses Aspektverhältnis kann vorzugsweise größer als 2 sein, d.h., das Matrixmaterial nimmt mindestens die doppelte Querschnittsfläche als das supraleitende Material ein. Vorteilhaft kann auf diese Weise der supraleitende Draht 206 mechanisch und elektrisch stabilisiert werden, und weist somit eine hohe Zuverlässigkeit auf.
Durch eine supraleitende Verbindung 206 der Magnete 12 und 13, wird vorteilhaft zur Stromversorgung dieser Magnete nur eine einzige Stromzuführung 205 benötigt. Der durch die Stromzuführung 205 bedingte Wärmeeintrag in den Kryobereich, kann auf diese Weise verringert werden.
4 zeigt einen Querschnitt eines zur Ablenkung von geladenen Teilchen geeigneten Magneten 12, 13, 14 mit supraleitenden Wicklungen 301, welcher eine Kühlvorrichtung gemäß einem der vorgenannten bevorzugten Ausführungsbeispiele aufweist. Weitere Einzelheiten zum Aufbau des Magneten sind der nicht vorveröffentlichten Anmeldung E 10 2006 018 635.4 zu entnehmen.
Die supraleitenden Wicklungen 301 erzeugen, ohne dass weitere Mittel wie z.B. Eisenjoche zur Führung des Magnetflusses notwendig sind, innerhalb des Strahlrohres 15 ein zur Führung der geladenen Teilchen notwendiges magnetisches Feld.
Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die innerhalb des Kryostaten 19 verlaufenden Teile des Rohrleitungssystems 18 konstruktionsbedingt durch die Halterungen der supraleitenden Wicklungen 301 gebildet. Der Kryostat 19 weist als zusätzliche thermische Isolation einen Strahlungsschild 302 auf, welcher aktiv mit Hilfe eines oder mehrerer Kaltköpfe 303 gekühlt werden kann. Zusätzlich kann der Kry ostat 19 mit einer Superisolation 304 zur Verminderung von Wärmestrahlungsverlusten ausgestattet sein.

Claims

Kühlvorrichtung eines Systems aus mindestens zwei Magneten (12, 13, 14), wobei a. die Magnete (12, 13, 14) jeweils wenigstens eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Wicklung (110) enthalten, und das System um eine gemeinsame Achse (A) rotierbar ist, wobei die Achse (A) außerhalb mindestens eines der Magnete (12, 13, 14) liegt, b. die Kühlvorrichtung kälteerzeugende Mittel (101) und ein geschlossenes Rohrleitungssystem zur Aufnahme eines Kältemediums umfasst, wobei b1. das Rohrleitungssystem innerhalb der Kryostate verlaufende Teile (18) sowie achsnahe (17) und achsferne (16) Teile enthält, und die achsnahen (17) und achsfernen (18) Teile des Rohrleitungssystems jeweils mindestens einen Kältemittelraum (121, 122, 223) enthalten, und b2. die kälteerzeugenden Mittel (101) mindestens zwei Wärmesenken (123, 124, 220, 221) ausbilden, von denen eine Wärmesenke (123, 220) dem achsnahen (121, 223) und eine Wärmesenke (124, 221) dem achsfernen Kältemittelraum (122) des Rohrleitungssystems zugeordnet ist.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Wärmesenken (123, 124, 220, 221) derart dem Rohrleitungssystem zugeordnet sind, dass stets mindestens eine Wärmesenke (123, 124, 220, 221) auf mindestens gleicher oder größerer geodätischer Höhe als mindestens eine weitere Wärmesenke (123, 124, 220, 221) liegt.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die achsfernen Teile (16) und achsnahen Teile (17) des Rohrleitungssystems mit den innerhalb der Kryostate verlaufenden Teilen (18) derart verbunden sind, dass sich zumindest Teile der supraleitenden Wicklung (110) bei jedem Drehwinkel der Gantry (2) geodätisch tiefer als die achsnahen (17) oder achsfernen (16) Teile des Rohrleitungssystems befinden.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemedium in flüssiger und gasförmiger Phase vorliegt.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kälteleistung zumindest an der Wärmesenke (124, 220) in das Kältemedium einzubringen ist, die sich in thermischem Kontakt mit der gasförmigen Phase des Kältemediums befindet.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenken (123, 124, 220, 221) thermisch an die Kontaktflächen von mindestens einem Kaltkopf (101) angekoppelt sind, oder durch diese gebildet werden.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenken (123, 124, 220, 221) durch thermisch an mindestens einen Kaltkopf (101) angekoppelte Rekondensatorkörper gebildet werden, welche in einem Kältemittelraum angeordnet (121, 122, 223) sind.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuordnung zu einem System von Magneten (12, 13, 14), welche Teil einer Gantry (2) zur Ablenkung elektrisch geladener Teilchen ist.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geladenen Teilchen Protonen oder C⁶⁺-Ionen sind.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Helium als Kältemedium vorgesehen ist.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zirkulation des Kältemediums, bedingt durch einen Thermosyphoneffekt, zumindest in Teilen des Rohrleitungssystems vorgesehen ist.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile des Rohrleitungssystems derart dimensioniert sind, dass bedingt durch den Thermosyphoneffekt zirkulierendes flüssiges und gasförmiges Kältemedium in Teilen des Rohrleitungssystems in gegenläufiger Richtung strömen kann.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile des Rohrleitungssystems mit thermischen Isolationsmitteln (302, 304) versehen sind.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsmittel Superisolation (304) und/oder Vakuumisolation sind/ist.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kältemittelräume (121, 122, 223) und die übrigen Teile des Rohrleitungssystems (16, 17 ,18) jeweils eine Vakuumisolation vorgesehen ist und die Isoliervakua von einander getrennt oder mit einander verbunden sind.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die innerhalb der Kryostate verlaufenden Teile (18) des Rohrleitungssystems und für die übrigen Teile (16, 17) des Rohrleitungssystems jeweils eine Vakuumisolation vorgesehen ist und die Isoliervakua von einander getrennt oder mit einander verbunden sind.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem in thermischer Verbindung mit supraleitenden Drähten (206) steht, welche zwei Magnete (12, 13) des Systems elektrisch miteinander verbinden.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung der mindestens zwei Magnete (12, 13) des Systems.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch supraleitende Drähte (206) mit einem hohen Anteil an normalleitendem Material.
Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden Drähte (206) miteinander verdrillt sind.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolation der Magnete des Systems ein Strahlungsschild (302) vorgesehen sind/ist.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsschild (302) durch mindestens einen Kaltkopf (303), welcher in thermischer Verbindung mit dem Strahlungsschild (302) steht, zu kühlen ist.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (12, 13, 14) mehrere Wicklungen (110) aufweisen.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (110) Leiter mit LTS-Material oder HTS-Material enthalten.