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Die
Erfindung betrifft einen Kryostat für einen MR-Magneten
für medizinische Magnetresonanz-(MR-)Bildgebung und insbesondere,
aber nicht ausschließlich einen Kryostaten nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Supraleitende
Magnetspulen werden insbesondere bei der medizinischen Bildgebung
bei Magnet-Resonanz-Tomographie-(MRT-)Geräten eingesetzt.
Die supraleitenden Magnetspulen werden mit flüssigem Helium
gekühlt. Wenn die supraleitenden Magnetspulen schlagartig
in den normalleitenden Zustand übergehen (”quenchen”),
wird die Energie des Magnetfeldes in Wärme umgesetzt. Dadurch
wird das flüssige Helium zum Verdampfen gebracht, und es
müssen große Mengen kalten Heliumgases sicher an
die Atmosphäre geleitet werden. Dazu ist eine Öffnung
oben am Tank vorgesehen, in welchem sich der Magnet befindet. Über
der Öffnung erstreckt sich der sog. Turm mit einem Turmrohr,
das zum Befüllen des Tanks mit flüssigem Helium
dient. Das Turmrohr geht in das Quenchrohr über. Der Durchmesser
des Quenchrohres hängt von seiner Länge und seinen Krümmungsradien
ab und liegt in der Größenordnung von 20 bis 40
cm. Der Durchmesser des Turmrohres kann kleiner sein, weil das Heliumgas
bei einem Quench an dieser Stelle noch sehr kalt ist und daher nicht
viel Volumen einnimmt.
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Eine
besondere Gefahr besteht darin, dass das Turmrohr des Magneten durch
Luft-Eispfropfen vollständig verschlossen wird. Ein solcher
Verschluss kann durch Fehlbedienung beim Nachtanken mit flüssigem
Helium oder durch Undichtigkeiten im System entstehen. Der Verschluss
bildet sich aus gefrorener Luft, die sich in dem unteren kalten
Bereich des Turms befindet. Der Verschluss hält Drücken
bis zu mehreren Bar stand, sodass die Gefahr besteht, dass der Heliumkessel
platzt. Beim Quenchen eines vereisten Magneten besteht die Gefahr,
dass der Magnet birst.
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Es
ist daher unerlässlich, einen Verschluss in dem Turmrohr
oder Quenchrohr unverzüglich zu beseitigen. Dies kann durch
Strahlungswärme oder durch vorsichtiges Einblasen von warmem
Heliumgas auf den Verschluss erfolgen, wobei der Magnet jedoch nicht
durch die zugeführte Wärme zum Quenchen gebracht
werden darf. Ein Aberregen des Magneten bei verschlossenem Rohr
ist nicht möglich, da bei der Aberregung vermehrt Helium
verdampft wird, das den Druck im Heliumkessel erhöhen würde.
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Die
Erkennung eines Verschlusses in einem der Rohre ist im Stand der
Technik nur durch optische Sichtkontrolle möglich, d. h.
durch Kameras oder andere derartige Sensoren in dem Turmrohr, wie
es beispielsweise in der
DE 10 2005 058 650 B3 beschrieben ist. Aus
dieser ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Turmrohres
bei einem Kryomagneten bekannt, die zumindest eine Überwachungseinheit umfasst,
die in funktioneller Wechselwirkung mit einem Zustand des Inneren
des Turmrohres eines Kryomagneten zur Überwachung der Durchgängigkeit des
Inneren des Turmrohres steht.
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Die
im Stand der Technik vorgeschlagene Lösung soll verbessert
werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Kryostaten zu schaffen, bei dem das
Verschließen von Befüllungsrohren und Entlüftungsrohren
durch beispielsweise Eis unmittelbar gemeldet wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch den Kryostaten nach Anspruch
1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die
Erfindung beruht im Wesentlichen darauf, den Kryostaten mit einem
zusätzlichen dünnen Rohr zu versehen. Dieses Zusatzrohr
verläuft vorzugsweise von dem Turm des Kryostaten aus über die
Wicklung bzw. den Wickelkörper des Magneten hinaus in den
Heliumkessel, wobei es eine leichte Biegung um den Wickelkörper
herum beschreibt. Dadurch, dass sich das Zusatzrohr weit in den
Heliumkessel hinein erstreckt, reduziert sich die Wahrscheinlichkeit,
dass das Rohr vereist, da sich das Lufteis zuerst an den kalten
Stellen im System bildet, und das ist der untere Teil des Turmrohres.
In dem Zusatzrohr wird ein Drucksensor angeordnet, der somit mit
dem Inneren des Heliumtanks in kommunizierender Verbindung steht,
so dass der Druck im Inneren des Heliumtanks auf diese Art mit dem
Drucksensor in dem Zusatzrohr überwacht werden kann.
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Dementsprechend
ist der erfindungsgemäße Kryostat mit einem Tank
zur Aufnahme von einem Kühlmittel und wenigstens einer
supraleitenden Magnetspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes, wobei der
Tank an einer Oberseite wenigstens ein Turmrohr zum Einfüllen
des Kühlmittels und/oder zum Ablassen von verdampftem Kühlmittel
aufweist, gekennzeichnet durch einen Drucksensor, der über
ein Drucksensorrohr mit dem Innern des Tankes in kommunizierender
Verbindung steht.
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Vorzugsweise
weist der Kryostat eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf:
Das
Drucksensorrohr und das Turmrohr werden gemeinsam durch einen Turm
an der Oberseite des Tanks geführt. Dies hat den Vorteil,
dass die notwendige Anzahl von Öffnungen im Tank auf ein
Minimum beschränkt wird und so die Oberfläche, über
die ein Wärmeaustausch des Tanks mit der Umgebung stattfinden
kann, möglichst gering gehalten wird.
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Das
Drucksensorrohr erstreckt sich über das Turmrohr hinaus
in den Tank hinein. Insbesondere erstreckt sich das Drucksensorrohr über
die supraleitende Magnetspule hinaus in den Tank und ist dabei um
die supraleitende Magnetspule herum gekrümmt. Mit diesen
Ausführungsformen wird ausgenutzt, dass die Wahrscheinlichkeit,
dass sich ein Eisverschluss unter dem Drucksensorrohr bildet und
damit der Druck in dem Drucksensorrohr nicht mehr dem Druck im Inneren
des Tanks entspricht, umso geringer ist, je tiefer das Drucksensorrohr
in den Tank hineinragt.
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Ein
zweiter Drucksensor ist vorgesehen zum Erfassen einer Druckdifferenz
zwischen dem Turm und dem Drucksensorrohr, wobei der zweite Drucksensor
in dem Turm angeordnet ist. Damit lässt sich sowohl der
Absolutdruck in dem Turm als auch der Differenzdruck zwischen Turm
und erstem Drucksensor feststellen.
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Das
Drucksensorrohr ist mit einem Drucksensorrohr-Verschluss abgeschlossen,
der beim Überschreiten eines vorgegebenen Druckwertes bricht,
so dass der Tank über das Drucksensorrohr entlüftet
werden kann und der Überdruck abgebaut werden kann. Mit
dieser Vorrichtung lässt sich die Sicherheit des Kryostaten
weiter verbessern.
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Ein
Vorteil u. a. der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass
der gefährlichste Zustand eines MR-Magneten unmittelbar
erkannt wird, nämlich die Verstopfung des Turmrohres.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, bei
der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen Kryostaten für
einen Supraleitungsmagneten nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Kryostaten für einen Supraleitungsmagneten.
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Die
Zeichnung ist nicht maßstäblich. Gleiche oder
gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugsziffern versehen,
soweit nicht anders vermerkt.
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Die
Erfindung geht von einem Bad-Kryostaten aus. In einem Bad-Kryostaten
ist die zu kühlende Magnetspule von einem Kühlmittel
umgeben. Als Kühlmittel dient flüssiges Helium
mit einer Siedetemperatur von –268,93°C bzw. bzw.
4,2 Kelvin. Der Tank mit der Magnetspule wird zur besseren thermischen Isolierung
in der Regel mit zwei thermischen Schilden umgeben.
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In 1 ist
ein schematischer Querschnitt durch einen Kryostaten für
einen Supraleitungsmagneten dargestellt. Der Kryostat umfasst ein
Magnetgehäuse mit einer Außenfläche 1 und
einer Innenfläche 2. Ein derartiger Kryostat mit
Supraleitungsmagnet wird beispielsweise bei einem MRT-Gerät
zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes eingesetzt, der (nicht dargestellte)
Patient liegt dann in dem Innenraum, der durch die Innenfläche 2 des
Gehäuses definiert wird.
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Die
das Magnetfeld erzeugenden Leiterspulen 9 sind lediglich
schematisch angedeutet und bestehen aus einem supraleitenden Material.
Um ihre Temperatur auf einem erforderlichen niedrigen Wert zu halten,
befinden sie sich in einem mit flüssigem Helium 8 gefüllten
Heliumtank, dessen Außenseite 5 und Innenseite 6 in 1 angedeutet
sind. Außerdem sind noch ein äußeres
Strahlungsschild 3 und ein inneres Strahlungsschild 4 um
den Magneten 9 herum vorgesehen. Diese dienen der zusätzlichen thermischen
Abschirmung.
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Das
flüssige Helium 8 wird über ein Turmrohr 7 in
den Kryostaten eingefüllt, das über einen sog. Turm 10 in
das Innere des Kryostaten geführt wird. Das Turmrohr 7 dient
gleichzeitig zum Entlüften des Kryostaten. Der Turm 10 ist
an einer oben liegenden Seite des Kryostaten angeordnet. Das flüssige
Helium 8 füllt den Heliumtank 5, 6 im
wesentlichen ganz aus, lediglich Helium, das sich unmittelbar an
der oberen Seite des Heliumtanks 5, 6 befindet,
ist im gasförmigen Zustand. (Das verdampfte Kühlmittel 13 ist
durch einige Kreise über der Flüssigkeitsoberfläche
angedeutet, die Grenzfläche zwischen verdampftem Kühlmittel 13 und
flüssigem Kühlmittel 8 ist durch eine
Wellenlinie angedeutet.) Durch das flüssige Helium 8 sind
die Leiterspulen 9 im Inneren des Heliumtanks 5, 6 auf
eine Temperatur von 4,2 K gekühlt. Im oberen Teil des Einfüllstutzens
bzw. Turmrohres 7 herrscht dagegen eine Temperatur, die
der Raumtemperatur nahe kommt.
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Mit
dem Turmrohr 7 ist ein Quench-Rohr 11 verbunden,
das bei einem Quench des Supraleitungsmagneten 9 eine Verbindung
zwischen dem Heliumtank 5, 6 und der Außenwelt
herstellt, so dass gasförmiges Helium entweichen kann und
sich kein Überdruck im Inneren des Kryostaten aufbaut.
Hierfür ist es notwenig, dass sowohl das Turmrohr 7 als auch
das Quench-Rohr 11 frei durchgängig bleiben. Damit
andererseits das Helium während des normalen, störungsfreien
Betriebes des Supraleitungsmagneten nicht entweichen kann, ist das
Quench-Rohr 11 mit einer Berstscheibe 11a abgedichtet,
die im Falle eines Quenches bricht, so dass das gasförmige
Helium 13 entweichen kann.
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Durch
Undichtigkeiten des Quench-Rohres 11 oder des Turmes 10 und
durch Unachtsamkeiten beim Befüllen des Kryostaten 1 mit
flüssigem Helium kann in den Turm 10 Luft gelangen.
Diese Luft kann im unteren Bereich des Turmrohres 7 – also
in einem Bereich, wo Temperaturen um 4,2 K herrschen – gefrieren,
da beispielsweise die Schmelzpunkte von Sauerstoff oder Stickstoff
deutlich über 4,2 K liegen. Dieser Bereich ist in 1 mit
der Bezugsziffer 12 bezeichnet. Die Vereisung 12 kann
den freien Durchmesser des Turmrohres 7 verengen oder ganz
verschließen, was unter Umständen eine große
Gefahr darstellt, wie im folgenden kurz erläutert wird.
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Flüssiges
Helium hat bei 4,2 Kelvin ein spezifisches Gewicht von 125 kg/m3. Gasförmiges Helium hat bei dieser
Temperatur ein spezifisches Gewicht von 17 kg/m3.
Das Volumen steigt beim Verdampfen des Heliums um den Faktor 7,
was bei vollständig gefülltem und geschlossenem
Gefäß eine Druckzunahme auf 7 Bar bedeutet. Gasförmiges
Helium hat bei Raumtemperatur ein 700-faches Volumen von flüssigem
Helium. Somit kann sich in einem abgeschlossenen Heliumkessel theoretisch
ein Maximaldruck von einigen hundert Bar bei Raumtemperatur aufbauen.
In der Realität folgt das System den komplizierten Gesetzen
der Thermodynamik: Es steigt die Temperatur und der Druck nur langsam
und mit der steigenden Temperatur und dem steigenden Druck erhöht
sich der Siedepunkt des Heliums bis zur maximalen Temperatur von
flüssigem Helium (Kritischer Punkt) von 5,2 K. Ab diesem
Punkt bleibt das Helium unter jedem Druck gasförmig.
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Damit
die Durchgängigkeit des Quench-Rohres 11 sowie
des Turmrohres 7 auf einfache Weise schnell und problemlos
kontrolliert werden kann, ist erfindungsgemäß eine
Drucküberwachungseinheit vorgesehen, die in Wechselwirkung
mit einem funktionellen Zustand im Inneren des Turmes 10 steht
und damit den Zustand des Turmrohres 7 überwachen kann.
Vorzugsweise ist die Drucküberwachungseinheit am Turmrohr 7 angeordnet.
Eine mögliche Ausgestaltung der Drucküberwachungseinheit
ist in 2 gezeigt und wird im folgenden erläutert.
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In
der Ausführungsform der Erfindung nach 2 umfasst
die Drucküberwachungseinheit einen Drucksensor 14,
der über ein Drucksensorrohr 15 mit dem Innern
des Tankes 5, 6, in welchem sich der Supraleitungsmagnet
befindet, in Verbindung steht. Auf diese Art ist sichergestellt,
dass der Drucksensor 14 immer den Druck in der Kammer des
Supraleitungsmagneten anzeigt und es keine Verfälschungen
der Messwerte geben sollte. Dies setzt natürlich voraus, dass
das Drucksensorrohr 15 frei ist, so dass tatsächlich
ein Druckausgleich mit dem Bereich des Kryostaten um den Supraleitungsmagneten
herum stattfinden kann.
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Wie
weit sich das Drucksensorrohr 15 in den Kryostat hinein
erstreckt, hängt unter anderem von der Wahrscheinlichkeit
ab, dass auch das Drucksensorrohr 15 durch Lufteis o. dgl.
verschlossen wird. Das Drucksensorrohr 15 sollte sich daher
vorzugsweise über das Turmrohr 7 hinaus in den
Tank 5, 6 erstrecken. Insbesondere sollte sich
das Drucksensorrohr 15 über die supraleitende
Magnetspule 9 hinaus in den Tank 5, 6 erstrecken.
Dies ist in 2 angedeutet, wo das Drucksensorrohr 15 mit
seinem unteren Ende etwa in Höhe des Mittelpunktes der
kreisförmig gewickelten Magnetspule 9 endet. Dabei muss
sich das Drucksensorrohr 15 der Krümmung der supraleitenden
Magnetspule 9 um ihren Mittelpunkt herum anpassen und seinerseits
gekrümmt sein. Auf diese Art kommt das Drucksensorrohr 15 zwischen
der Spule 9 und der Außenfläche 5 des
Heliumtanks 5, 6 zu liegen.
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Um
die Anzahl und Größe der Öffnungen des Kryostaten
möglichst gering zu halten, verlaufen das Drucksensorrohr 15 und
das Turmrohr 7 vorzugsweise gemeinsam durch den Turm 10 des
Kryostaten und durchstoßen dessen Außenhaut 1 an
seiner Oberseite.
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Um
die Druckdifferenz zwischen dem Turmrohr 7 und dem Drucksensorrohr 15 zu
erfassen, ist vorzugsweise ein zweiter Drucksensor 16 in
dem Turmrohr 7 vorgesehen. Mit diesen beiden Drucksensoren 14 und 16 wird
ständig der Differenzdruck zwischen Drucksensorrohr 15 und
Turmrohr 7 gemessen. Ist der Differenzdruck längere
Zeit unterschiedlich, dann lässt sich daraus unmittelbar
schließen, dass sich entweder in dem Turmrohr 7 oder
in dem Drucksensorrohr 15 ein Verschluss gebildet hat.
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In
einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung
wird gleichzeitig überwacht, ob in dem Turmrohr 7 oder
dem Drucksensorrohr 15 ein Unterdruck gegen Atmosphäre
herrscht. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass Luft in das Turmrohr 7 gesaugt
wird und das Turmrohr 7 vereist. Folglich sollte immer
ein leichter Überdruck im Turm herrschen. Die Einhaltung
dieses Überdruckes lässt sich mit einer Kontrollmessung
durch die Drucksensoren 14 und 16 sicherstellen.
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Sollte
das Drucksensorrohr 15 dennoch vereisen, so ist ein Öffnen
des Drucksensorrohres 15 mittels Wärme in der
Regel nur möglich, wenn der Druckaufbau im Tank noch nicht
allzu weit fortgeschritten ist. Das Öffnen erfolgt mit
einem (nicht gezeigten) elektrischen Heizer, der in das Drucksensorrohr 15 eingeführt
wird, oder mit warmem Heliumgas, vorzugsweise bei aberregtem Magneten.
Dabei besteht die Gefahr, dass sehr viel Helium freigesetzt wird,
was den Druck im Magneten erhöhen würde. Auch
könnte ein Quench ausgelöst werden. Bei einem
höheren Druckaufbau im Tank kann das Drucksensorrohr 15 in
jedem Zustand des Magneten mit einem Fräser, der an einer
biegsamen Welle befestigt ist, geöffnet werden. Wenn der
Magnet auferregt ist, ist der Fräser vorzugsweise antimagnetisch.
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Darüber
hinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Kryostat
nach einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform das
Drucksensorrohr 15 mit einem Drucksensorrohr-Verschluss 17 abgeschlossen,
der beim Überschreiten eines vorgegebenen Druckwertes bricht,
so dass der Tank 5, 6 über das Drucksensorrohr 15 entlüftet
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005058650
B3 [0005]