DE102006035094B3

DE102006035094B3 - Magnet mit einer supraleitenden Wicklung und einer zugeordneten Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102006035094B3
Application number: DE200610035094
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: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-07-29

Abstract

Der Magnet (2) mit einer supraleitenden Wicklung (22) und einer zugeordneten Kühlvorrichtung ist um eine außerhalb des Magneten gelegene Achse (A) drehbar, und weist wenigstens eine in einem Kryostaten (110) angeordnete supraleitende Wicklung (22) auf. Die dem Magneten (2) zugeordnete Kühlvorrichtung enthält kälteerzeugende Mittel (12) und ein Rohrleitungssystem (14, 17, 112) zur Aufnahme eines Kältemittels. Die kälteerzeugenden Mittel (12) weisen mindestens zwei Wärmesenken (15, 16) auf. Eine erste Wärmesenke (15) ist einem achsnahen Bereich und eine zweite Wärmesenke (16) einem achsfernen Bereich des Rohrleitungssystems (14, 17) zugeordnet. Weiterhin sind die Wärmesenken (15, 16) derart dem Rohrleitungssystem zugeordnet, dass bei einer Drehung des Magneten (2) um eine Achse (A) stets mindestens eine Wärmesenke (15, 16) auf mindestens gleicher oder größerer geodätischer Höhe als mindestens eine weitere Wärmesenke (15, 16) liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magneten mit einer Kühlvorrichtung, wobei der Magnet um eine außerhalb des Magneten gelegene Achse drehbar ist und wenigstens eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Wicklung enthält.
Leistungsstarke Magnete kommen verbreitet als Strahlführungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete in Teilchenbeschleunigeranlagen zur Führung, Ablenkung und/oder Fokussierung eines Strahls geladener Teilchen zum Einsatz. Die in Beschleunigeranlagen auf hohe kinetische Energien gebrachten geladenen Teilchen werden zunehmend auf dem Gebiet der Strahlentherapie eingesetzt. Bei der Strahlentherapie werden verbreitet hochenergetische Protonen oder mehrfach geladene Ionen (z.B. C⁶⁺) verwendet.
Der aus einer Quelle austretende, vom Beschleuniger auf hohe kinetische Energien gebrachte Teilchenstrahl wird im Folgenden zu Therapiezwecken auf einen zu bestrahlenden Bereich (z.B. eine Geschwulst) eines Probanden gerichtet. Um die Strahlendosis im umliegenden nicht zu therapierenden Gewebe des Probanden möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, die Strahlendosis auf ein möglichst großes Volumen zu verteilen.
Der Teilchenstrahl wird mit Hilfe einer so genannten Gantry aus der durch die Geometrie der Beschleunigeranlage vorgegebenen Strahlrichtung 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, die durch die Geometrie der Beschleunigeranlage vorgegeben ist. Die Gantry und die ihr zugeordneten Magnete drehen sich dabei derart um eine vorgegebene Achse, dass der Teilchenstrahl durch einen festen Punkt im so genannten „Isozentrum" verläuft. Auf diese Weise wird die Strahlenbelastung im umliegenden Gewebe der zu bestrahlenden Geschwulst auf ein großes Volumen verteilt. Durch eine derartige Verteilung der Strahlendosis kann das nicht zu therapeutischen Zwecken zu bestrahlende Gewebe geschont werden.
Eine Strahlentherapieanlage unter Verwendung einer Gantry ist z.B. aus WO 02/063638 A1 oder DE 199 04 675 A1 bekannt.
Bei den aus den vorgenannten Druckschriften bekannten Gantries sind die Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete mit Hilfe von Leitern aus normalleitendem Material wie z.B. Kupfer gebildet. Wicklungen aus normalleitendem Material sind verhältnismäßig einfach herzustellen. Zur gezielten Generierung von den Teilchenstrahl ablenkenden und/oder fokussierenden Magnetfeldern werden zusätzlich zu den Magnetwicklungen magnetflussführende Elemente aus ferromagnetischem Material wie z.B. Eisen verwendet.
Das zur Strahlführung, Ablenkung und/oder Fokussierung zur Verfügung stehende Magnetfeld ist infolge der magnetischen Sättigung des Eisens auf etwa 1,8 Tesla beschränkt. Auf Grund dieser physikalischen Begrenzung der magnetischen Flussdichte wird der Kurvenradius für die Ablenkung der geladenen Teilchen auf einen von der Art der geladenen Teilchen abhängigen minimalen Radius begrenzt. Bei der Verwendung von C⁶⁺-Ionen ergeben sich Abmessungen für die Gantry von einigen Metern. Weiterhin beträgt das Gewicht der Gantry, insbesondere bedingt durch das Gewicht der Magnete und Eisenjoche, mehrere Tonnen. Die Magnete einer bekannten Gantry erreichen so z.B. ein Gesamtgewicht von etwa 95 t. Das erforderliche Drehgestell für die schwenkbaren Magnete einer solchen Gantry ist entsprechend aufwendig zu realisieren, um in Gegenwart der hohen Massen eine stabile und exakte Strahlführung zu gewährleisten.
Ein weiterer bei Gantries mit normalleitenden Wicklungen auftretender Effekt sind hohe thermische Verlustleistungen der Strahlführungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete. Zur Abfuhr der Verlustwärme sind die normalleitenden Wicklungen der Magnete mit einer Wasserkühlung versehen. Eine Gantry weist somit neben ihrem hohen Gesamtgewicht eine für die Kühlung der normalleitenden Magnetwicklungen notwendige hohe Kühlleistung auf, die typischerweise 800 kW betragen kann.
Um die vorgenannten technischen Probleme bei der Konstruktion einer Gantry mit normalleitenden Magnetwicklungen zu überwinden, können für die Führung, Ablenkung und/oder Fokussierung der geladenen Teilchen von supraleitenden Wicklungen erzeugte Magnetfelder eingesetzt werden. Durch den Einsatz von supraleitenden Magneten ergibt sich zum einen die Möglichkeit, höhere Magnetfelder für die Strahlführung, Ablenkung und/oder Fokussierung zu verwenden; zum anderen ergeben sich erhebliche Einsparungen bei Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme der Gantry.
Zur Aufrechterhaltung der Supraleitung müssen die supraleitenden Wicklungen der Strahlführungs-, Ablenk-, und/oder Fokussierungsmagnete auf einer für die Supraleitung hinreichend tiefen Temperatur gehalten werden. Supraleitende Magnetwicklungen werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt, typischerweise durch Eintauchen in ein kryogenes Kältemittel wie z.B. flüssiges Helium beim Einsatz von Niob-Titan-Leitern, gekühlt. Beim Einsatz von Hochtemperatursupraleitern kann die Kühlung z.B. mit Hilfe von flüssigem Neon oder Stickstoff realisiert werden.
Bei einer solchen Badkühlung wird der verdampfte Teil des Kältemittels im Allgemeinen mit Hilfe von Kryokühlern rückverflüssigt und dem Kühlkreislauf wieder zugeleitet. Typischerweise befindet sich zu diesem Zweck eine einzige Wärme senke an einem Ort im Kühlsystem, an dem ihre Rekondensationsfläche in Kontakt mit dem gasförmigen Kältemittel steht. So kann das rückverflüssigte Kältemittel dem Kühlkreislauf von oben wieder zugeführt werden.
Für eine Gantry und die ihr zugeordneten Magnete ergibt sich die Notwendigkeit, dass die Magnete 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 bzgl. stationärer Magnete bekannte Badkühlung von supraleitenden Magnetwicklungen arbeitet jedoch nicht lageunabhängig. Somit ist diese Technik für Magnete rotierender Gantries nicht geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Magneten mit einer supraleitenden Wicklung und einer zugeordneten Kühlvorrichtung anzugeben, die derart ausgestaltet ist, dass die supraleitenden Wicklungen des Magneten auch bei einer Drehung des Magneten um eine außerhalb des Magneten liegende Achse stets auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur gehalten werden können.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll ein Magnet mit einer Kühlvorrichtung derart ausgestaltet sein, dass er um eine außerhalb des Magneten gelegene Achse drehbar ist und wenigstens eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Wicklung enthält. Die dem Magneten zugeordnete Kühlvorrichtung soll kälteerzeugende Mittel und ein Rohrleitungssystem zur Aufnahme des Kältemittels aufweisen, wobei die kälteerzeugenden Mittel mindestens zwei Wärmesenken ausbilden. Eine erste Wärmesenke soll einem achsnahen Bereich und eine zweite Wärmesenke dem achsfernen Bereich des Rohrleitungssystems zugeordnet sein. Die Wärmesenken sollen dem Rohrleitungssystem derart zugeordnet sein, dass bei einer Drehung des Magneten um die außerhalb des Magneten gelegene Achse stets mindestens eine Wärmesenke auf mindestens gleicher oder größerer geodätischer Höhe als mindestens eine weitere Wärmesenke liegt.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind die folgenden Vorteile verbunden: Der erfindungsgemäße Magnet eignet sich insbesondere für den Einsatz in einer Gantry. Insbesondere vorteilhaft für den Einsatz des erfindungsgemäßen Magneten in einer Gantry ist, dass die supraleitenden Wicklungen des Strahlführungs- und/oder Fokussierungsmagneten mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung bei nahezu jedem Drehwinkel der Gantry auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur gehalten werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magneten mit einer 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 der Magnet mit einer Kühlvorrichtung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

– Das Rohrleitungssystem kann in dem Kryostaten verlaufende erste Teile und außerhalb des Kryostaten verlaufende zweite Teile aufweisen. Die erste Wärmesenke kann einem achsnahen Bereich und die zweite Wärmesenke einem achsfernen Bereich der zweiten Teile des Rohrleitungssystems zugeordnet sein. Durch die Ausgestaltung des Rohrleitungssystems, so dass es außerhalb und innerhalb des Kryostaten verlaufender Teile enthält, kann insbesondere eine verbesserte Verteilung und Zufuhr des Kältemittels zu den zu kühlenden supraleitenden Wicklungen erreicht werden.
– Die zweiten Teile des Rohrleitungssystems können an einem achsfernen und einem achsnahen Ort mit den ersten Teilen des Rohrleitungssystems verbunden sein. Durch eine Verbindung der zweiten, außerhalb des Kryostaten verlaufenden Teile des Rohrleitungssystems mit einem achsnahen und einem achsfernen Ort der ersten, innerhalb des Kryostaten verlaufenden Teile des Rohrleitungssystems, wird die Bildung größerer Ansammlungen aus gasförmigem Kältemittel in den geodätisch höher liegenden Teilen der Kryostate verhindert. Ansammlungen aus gasförmigem Kältemittel können zu einer unzureichenden Kühlung der supraleitenden Wicklungen führen. Dies wiederum kann zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Indem der Bildung von Gasansammlungen vorgebeugt wird, kann die Zuverlässigkeit des Magneten erhöht werden.
– Die ersten Teile des Rohrleitungssystems und die zweiten Teile des Rohrleitungssystems sind derart miteinander verbunden, dass zumindest Teile der supraleitenden Wicklung bei einer Drehung des Magneten um eine außerhalb des Magneten gelegene Achse stets geodätisch tiefer als die zweiten Teile des Rohrleitungssystems liegen. Vorteilhaft kann durch eine Verbindung der zweiten Teile des Rohrleitungssystems mit den innerhalb des Kryostaten verlaufenden ersten Teilen des Rohrleitungssystems, an einem Punkt der stets geodätisch höher als die supraleitende Magnetwicklung liegt, die Ansammlung von gasförmigem Kältemittel, welches sich in Kontakt mit der supraleitenden Wicklung befindet, vermieden werden. An den supraleitenden Wicklungen anfallendes gasförmiges Kältemittel kann auf diese Weise ungehindert zu den geodätisch höher liegenden Rekondensationsflächen aufsteigen. Die Zuverlässigkeit der Kühlvorrichtung kann auf diese Weise verbessert werden.
– Die zweiten Teile des Rohrleitungssystems weisen ein im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Magneten ausgerichtetes Teilstück auf. Durch die vorgenannte Ausführung der zweiten Teile des Rohrleitungssystems wird eine besonders einfache und effektive Realisierung der außerhalb des Kryostaten verlaufenden Teile des Rohrleitungssystems angegeben.
– Das Kältemittel liegt in flüssiger und gasförmiger Phase im Rohrleitungssystem vor. Durch die Verwendung eines in flüssiger und gasförmiger Phase vorliegenden Kältemittels kann die Wärmetönung des Phasenübergangs auf vorteilhafte Weise zur Kühlung der Magnetwicklungen ausgenutzt werden.
– Die Kälteleistung wird zumindest an der Wärmesenke, die sich in thermischem Kontakt mit der gasförmigen Phase des Kältemittels befindet, in das Kältemittel eingebracht. Durch den thermischen Kontakt einer Wärmesenke mit der gasförmigen Phase des Kältemittels kann die Kälteleistung der Kühlvorrichtung in vorteilhafter Weise besonders effektiv in den Kältemittelkreislauf eingebracht werden.
– Die Wärmesenken sind thermisch an die Kontaktflächen von Kaltköpfen angekoppelt oder durch die Kontaktflächen der Kaltköpfe gebildet. Die Realisierung der Wärmesenken der Kühlvorrichtung mit Hilfe von Kaltköpfen ergibt eine wartungsarme Ausgestaltung der Kühlvorrichtung. Es können Kaltköpfe verwendet werden, die nach dem Gifford-McMahon-Prinzip arbeiten, da diese für einen drehbaren Magneten vorteilhaft lageunabhängig eingesetzt werden.
– Der Magnet ist als Ablenkmagnet einer Gantry zur Ablenkung elektrisch geladener Teilchen ausgebildet. Vorteilhaft kann der Magnet mit einer Kühlvorrichtung in einer Gantry eingesetzt werden, deren Gesamtgewicht durch den Einsatz von Magneten mit supraleitenden Wicklungen reduziert werden kann. Elektrisch geladene Teilchen können durch den Einsatz von Supraleitern, welche im Vergleich zu konventionellen Magnetwicklungen höhere Magnetfelder ermöglichen, auf Ablenktrajektorien mit geringerem Bahnradius geführt werden. Dies erlaubt eine räumliche Verkleinerung der Gantry bei zusätzlich geringerem Gesamtgewicht.
– Die geladenen Teilchen sind C⁶⁺-Ionen. Vorteilhaft können C⁶⁺-Ionen für die Bestrahlung eingesetzt werden, da sie sich medizinisch als besonders vorteilhaft erwiesen haben.
– Eine Zirkulation des Kältemittels ist zumindest in Teilen des Rohrleitungssystems bedingt durch einen Thermosiphoneffekt vorgesehen. Die Kältemittelzirkulation kann insbesondere in einem geschlossenen Kreislauf erfolgen. Eine Zirkulation des Kältemittels, bedingt durch einen Thermosiphoneffekt, bietet die Möglichkeit eine Kältemittelzirkulation ohne den Einsatz von Pumpen zu realisieren. Pumpen zur Förderung von sich auf tiefen Temperaturen befindlichem Kühlmittel sind technisch aufwändig, wartungsintensiv und kostspielig in der Anschaffung.
– Helium ist als Kältemittel vorgesehen. Helium bietet mit einer Siedetemperatur von 4,2 K die Möglichkeit, eine Vielzahl von verschiedenen Supraleitern auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur zu halten. Helium ist ferner gut verfügbar und in der technischen Anwendung erprobt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magneten mit einer supraleitenden Wicklung und einer zugeordneten Kühlvorrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der Zeichnung hervor.
1 zeigt eine Gantry 3 in drei verschiedenen Drehpositionen. Ein entlang einer Achse A verlaufender Teilchenstrahl 11, welcher innerhalb eines Strahlführungsrohres 18 verläuft, wird mit Hilfe mehrerer Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete 4, 5, 2 in eine Richtung, welche vorzugsweise senkrecht zur Achse A verläuft, abgelenkt. In einer solchen Gantry 3 kann mindestens einer der Ablenkmagnete 2, 4 oder 5 als Ablenkmagnet mit supraleitenden Wicklungen 22 ausgeführt sein. Die übrigen Ablenkmagnete 4, 5 können mit Hilfe normalleitender Wicklungen realisiert sein. Durch den Einsatz von Supraleitern als Material für die Magnetwicklungen können höhere Felder zur Ablenkung des Teilchenstrahls 11 erzeugt werden als bei Einsatz von Magnetwicklungen aus normalleitendem Material. Außerdem kann die Größe und das Gesamtgewicht der Gantry 3 verringert werden. Wahlweise können ein einzelner, mehrere oder alle Strahlführungs-, Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete 2, 4, 5 der Gantry 3 supraleitend ausgeführt sein. Insbesondere vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Gantry 3 in der der letzte Ablenkmagnet 2, bevor der Teilchenstrahl 11 an den für die Teilchentherapie vorgesehenen Ort B (Isozentrum) gelenkt wird, supraleitend ausgeführt ist.
Die für ein Kühlsystem notwendigen typischerweise ölgeschmierten Kompressoren 20 eines Kryokühlers arbeiten nur in aufrechter Position. Für eine Gantry 3 ist es daher vorteilhaft Gifford-McMahon-Kaltköpfe einzusetzen, welche lageunabhängig arbeiten und so gemeinsam mit den Magneten bei der Drehung der Gantry 3 umlaufen können. Ebenfalls vorteilhaft ist der Einsatz von flexiblen Druckgasleitungen 19 zwischen Kompressor 20 und Kaltkopf 12 für das warme Druckgas. Eine direkte Versorgung der Rekondensationsflächen 15, 16 mit kryogenem Kältemittel ist technisch aufwändig. Leitungen für kryogene Flüssigkeiten sind in der Regel vakuumisoliert und daher meist starr. Flexible Leitungen weisen eine geringe Zuverlässigkeit auf und haben zudem hohe Wärmeverluste. Vorteilhaft werden daher die Kaltköpfe 12 direkt in das Kühlsystem des Magneten 2 integriert. Der Kompressor 20 zu ihrer Versorgung ist außerhalb der Gantry 3 ortsfest aufgestellt, er ist mittels flexibler Leitungen 19 mit den Kaltköpfen 12 verbunden.
Weiterhin vorteilhaft für eine lageunabhängige Kühlung eines Gantry-Magneten 2 ist eine Ausführung des dem Magneten 2 zugeordneten Kühlsystems wie es in 1 dargestellt ist. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform verfügt das Kühlsystem über ein senkrecht zur Drehachse A orientiertes, vakuumisoliertes Teilstück 17, welches mit den radial innen und außen liegenden Enden des innerhalb des Kryostaten 110 verlaufenden Rohrsystems 112 über starre Kryoleitungen 14 verbunden ist.
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Gantry 3 mit einem gekrümmten 90° Gantry-Strahlführungs- und/oder Ablenkmagneten, beispielhaft dargestellt für drei verschiedene Winkelpositionen der Gantry 3. Den achsnahen und achsfernen Teilen des vakuumisolierten, senkrecht zur Drehachse A orientierten Teilstücks 17 ist jeweils ein Kaltkopf 12 zugeordnet, welcher jeweils in thermischem Kontakt mit einer Rekondensationsfläche 15 bzw. 16 steht. Mindestens eine dieser Rekondensationsflächen 15, 16 steht bei jedem Drehwinkel der Gantry 3 in thermischem Kontakt mit dem gasförmigen Kältemittel.
Vorteilhaft kann die in 1 dargestellte Gantry 3 derart realisiert sein, dass die jeweils geodätisch höher liegende Rekondensationsfläche 15, 16 gasförmiges Kältemittel rekondensiert. Die geodätisch tiefer liegende Rekondensationsfläche 15, 16 kann wahlweise das flüssige Kältemittel unterkühlen oder abgeschaltet werden. Durch die vorteilhafte Anordnung der Rekondensationsflächen 15, 16 in der Kühlvorrichtung, sowie die vorteilhafte Ausführung des Rohrleitungssystems kann in fast jeder Lage (i.e. bei praktisch jedem Drehwinkel) der Gantry 3 eine hinreichende Kühlung der supraleitenden Magnetwicklungen 22 aufrechterhalten werden.
Vorteilhaft kann durch die achsnahe und achsferne Verbindung der außerhalb des Kryostaten 110 verlaufenden Teile 14, 17 des Rohrleitungssystems mit den innerhalb des Kryostaten 110 verlaufenden Teilen 112 des Rohrleitungssystems eine Ansammlung von gasförmigem Kältemittel innerhalb des Kryostaten 110 vermieden werden. An den supraleitenden Wicklungen 22 anfallendes gasförmiges Kältemittel kann, bedingt durch die Konstruktion des Rohrleitungssystems 14, 17, 112, stets ungehindert zu der jeweils geodätisch höher liegenden Rekondensationsfläche 15, 16 aufsteigen.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel steigt bei einem Drehwinkel, der der oberen Darstellung der Gantry 3 in 1 entspricht, gasförmiges Kältemittel zu der achs fernen Rekondensationsfläche 16 auf. Bei einem Drehwinkel der Gantry 3, welcher der unteren Darstellung in 1 entspricht, steigt gasförmiges Kältemittel zu der in diesem Fall geodätisch höher liegenden, achsnahen Rekondensationsfläche 15 auf.
Ebenfalls vorteilhaft kann sich ein Kreislauf von gasförmigem und flüssigem Kältemittel einstellen. Eine Zirkulation des Kältemittels kann in diesem Fall bedingt durch einen Thermosiphoneffekt stattfinden. In diesem Fall sinkt an der geodätisch höher liegenden Rekondensationsfläche verflüssigtes Kältemittel in dem senkrechten Teil 17 des Rohrleitungssystems an den geodätisch am tiefsten liegenden Punkt desselben. In Bezug auf die im oberen Teil von 1 dargestellte Drehposition der Gantry 3, wird an der Rekondensationsfläche 16 gasförmiges Kältemittel verflüssigt, und sinkt durch den senkrechten Teil 17 des Rohrleitungssystems in den die Kondensationsfläche 15 umgebenden Raum. Ausgehend von diesem gelangt das flüssige Kältemittel über Teil 14 des Rohrleitungssystems von unten in den Kryostaten 110. Etwaig an den supraleitenden Wicklungen 22 anfallendes gasförmiges Kältemittel steigt ungehindert durch die innerhalb des Kryostaten 110 verlaufenden Teile 112 des Rohrleitungssystems, sowie das achsferne Teilstück 14, wieder zu der Rekondensationsfläche 16 auf.
Der Kühlvorrichtung können vorteilhaft Kaltköpfe 12 mit einer Kälteleistung von etwa 1,5 W bei 4,2 K zugeordnet werden, welche kommerziell zu erhalten sind. Der für den Betrieb der Kaltköpfe 12 notwendige Kompressor 20 kann ortsfest, gegebenenfalls außerhalb der Gantry 3, aufgestellt sein. Er kann mit flexiblen Druckgasschläuchen 19 mit den Kaltköpfen 12 verbunden werden.
Die Anwendung des Kühlsystems ist weiterhin nicht auf gekrümmte Strahlführungsmagnete 2 beschränkt. Ebenso vorteilhaft ist das Kühlsystem einzusetzen, wenn anstatt des in 1 gezeigten gekrümmten Ablenkmagneten 2 ein nicht ge krümmter Magnet, z.B. ein gerade ausgeführter Fokussierungsmagnet, verwendet wird. Auch die Wicklungen eines solchen nicht gekrümmten Magneten können vorteilhaft unter verschiedenen Drehwinkeln gekühlt werden.
2 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Magneten 6 mit einer supraleitenden Wicklung 22 und einer zugeordneten Kühlvorrichtung. Das Kühlsystem ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Gehäuse 210 mit den supraleitenden Wicklungen 22 untergebracht.
Der Magnet 6 ist um eine außerhalb des Magneten 6 gelegene Achse A drehbar. An den supraleitenden Wicklungen 22 ggf. anfallendes gasförmiges Kältemittel kann bei dem in 2 dargestellten Drehwinkel des Magneten 6 vorteilhaft an einer achsfernen Rekondensationsfläche 16 rekondensiert werden. Der der achsnahen, geodätisch tiefer liegenden Rekondensationsfläche 15 zugeordnete Kaltkopf 12 kann wahlweise das flüssige Kältemittel unterkühlen oder kann abgeschaltet werden.
Die Rekondensationsflächen 15, 16 können sich in thermischem Kontakt mit der zweiten Stufe 24 eines Kaltkopfes 12 befinden. Ein Strahlungsschild 21 kann thermisch mit der ersten Stufe 25 eines oder beider Kaltköpfe 12 verbunden sein. Der Strahlungsschild 21 kann weiterhin zusätzlich durch thermische Ankopplung an einen oder mehrere weitere Kryokühler oder Kaltköpfe gekühlt werden. Zusätzlich kann der Kryostat 110 eine Superisolation als zusätzliche Isolierung aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist diese in 2 nicht dargestellt.
Beide Kaltköpfe 12 können vorzugsweise baulich in das Gehäuse 210 des Magneten 6 integriert werden oder an dieses angebaut sein.
Wird gemäß einer besonderen Ausführungsform Helium als Kältemittel verwendet, so werden Kaltköpfe, deren erste Stufe 25 vorzugsweise eine Temperatur von etwa 30 bis 70 K und deren zweite Stufe 24 vorzugsweise eine Temperatur von etwa 4,2 K aufweist, zum Einsatz gebracht.
Vorteilhaft kann zum einen durch die Verwendung von mindestens zwei Kaltköpfen 12, und eine entsprechende Anordnung der Kaltköpfe 12 in dem innerhalb des Kryostaten verlaufenden Rohrleitungssystem 112, bei jedem Drehwinkel des Magneten 6 eine ausreichende Kühlung der supraleitenden Wicklungen 22 erreicht werden. Weiterhin können Ansammlung von gasförmigem Kältemittel in einem Teil des Kryostaten 110 vermieden werden. Dies geschieht indem stets mindestens eine Rekondensationsfläche 15, 16 in Kontakt mit dem gasförmigen Kältemittel steht. Das innerhalb des Kryostaten verlaufende Rohrleitungssystem 112 kann ferner derart ausgestaltet sein, dass mindestens eine Rekondensationsfläche 15, 16 bei jedem Drehwinkel des Magneten 6 zumindest teilweise geodätisch höher als die supraleitende Wicklung 22 liegt.
Ebenfalls vorteilhaft kann eine Zirkulation von flüssigem und gasförmigem Kältemittel, bedingt durch einen Thermosiphoneffekt, zumindest in Teilen des Rohrleitungssystems 112 stattfinden. Hierbei kann sich eine Zirkulation von flüssigem Kältemittel, welches an einen geodätisch tieferen Ort sinkt und gasförmigem Kältemittel, welches in ein und demselben Teil des Rohres an einen geodätisch höher liegenden Ort steigt, einstellen. Die Dimensionierung der entsprechenden Teile des Rohrleitungssystems entspricht den Anforderungen an eine störungsfreie Zirkulation, wie sie oben beschrieben ist.
3 zeigt einen Querschnitt des in 2 dargestellten Magneten 6 mit supraleitenden Wicklungen 22 und einem zugeordneten Kühlsystem. Für die sechs mit 22 bezeichneten Wicklungen sind zusätzlich die Richtungen des Stromflusses mit Plus- oder Minuszeichen markiert. Weitere Einzelheiten zu diesem Ausführungsbeispiel sind der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2006 018 635.4 zu entnehmen.
Vorteilhaft wird gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel gasförmiges Kältemittel an den vorzugsweise planparallelen Rekondensationsblechen 31 kondensiert und auf diese Weise dem Kühlkreislauf zugefügt. Die Rekondensationsbleche 31 befinden sich in thermischem Kontakt mit der zweiten Stufe 24 eines Kaltkopfes 12. Die erste Stufe 25 des Kaltkopfes 12 befindet sich im thermischem Kontakt mit einem Kryoschild 21. Vorteilhaft können mit der angegebenen Kühlvorrichtung die für die Strahlführung und/oder Fokussierung eines Teilchenstrahls, welcher innerhalb eines Strahlrohres 18 verläuft, notwendigen supraleitenden Wicklungen 22 auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur gehalten werden. Der Kryostat 110 ist von dem Gehäuse 210 zusätzlich durch eine Superisolation 32 getrennt.

Claims

Magnet mit einer Kühlvorrichtung, wobei a. der Magnet (2) um eine außerhalb des Magneten (2) gelegene Achse (A) drehbar ist und wenigstens eine in einem Kryostaten (110) angeordnete supraleitende Wicklung (22) enthält, b. die Kühlvorrichtung kälteerzeugende Mittel (12) und ein Rohrleitungssystem (14, 17, 112) zur Aufnahme eines Kältemittels umfasst, wobei die kälteerzeugenden Mittel (12) mindestens zwei Wärmesenken (15, 16) ausbilden, und eine erste Wärmesenke (15) einem achsnahen Bereich und eine zweite Wärmesenke (16) einem achsfernen Bereich des Rohrleitungssystems (14, 17, 112) zugeordnet ist, wobei c. die Wärmesenken (15, 16) dem Rohrleitungssystem (14, 17, 112) derart zugeordnet sind, dass bei einer Drehung des Magneten (2) um die Achse (A) stets mindestens eine Wärmesenke (15, 16) auf mindestens gleicher oder größerer geodätischer Höhe als mindestens eine weitere Wärmesenke (15, 16) liegt.
Magnet gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (14, 17 112) in dem Kryostaten (110) verlaufende erste Teile (112) und außerhalb des Kryostaten verlaufende zweite Teile (14, 17) aufweist, und die erste Wärmesenke (15) einem achsnahen Bereich und die zweite Wärmesenke (16) einem achsfernen Bereich der zweiten Teile (14, 17) des Rohrleitungssystems (14, 17, 112) zugeordnet sind.
Magnet gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teile (14, 17) des Rohrleitungssystems an einem achsfernen und einem achsnahem Ort mit den ersten Teilen (112) des Rohrleitungssystems verbunden sind.
Magnet gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teile (112) des Rohrleitungssystems und die zweiten Teile (14, 17) des Rohrleitungssys tems derart miteinander verbunden sind, dass zumindest Teile der supraleitenden Wicklung (22), bei einer Drehung um die Achse (A), stets geodätisch tiefer als die zweiten Teile (14, 17) des Rohrleitungssystems liegen.
Magnet gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teile (14, 17) des Rohrleitungssystems ein im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse (A) des Magneten ausgerichtetes Teilstück (17) aufweisen.
Magnet gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel in flüssiger und gasförmiger Phase vorliegt.
Magnet gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kälteleistung zumindest an der Wärmesenke (15, 16) in das Kältemittel einzubringen ist, die sich in thermischem Kontakt mit der gasförmigen Phase des Kältemittels befindet.
Magnet gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Wärmesenken (15, 16) thermisch an die Kontaktflächen von Kaltköpfen (12) angekoppelt sind oder diese Kontaktflächen bilden.
Magnet gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Ablenkmagnet (2, 4, 5) einer Gantry (3) zur Ablenkung elektrisch geladener Teilchen.
Magnet gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die geladenen Teilchen Protonen oder C⁶⁺ Ionen sind.
Magnet gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zirkulation des Kältemittels zumindest in Teilen des Rohrleitungssystems (14, 17, 112), bedingt durch einen Thermosiphon-Effekt, vorgesehen ist.
Der Magnet gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Helium als Kältemittel vorgesehen ist.