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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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Aus
der
US 2006/0230769 ist
ferner ein Überwachungssystem
für einen
Supraleitungsmagneten sowie ein entsprechendes Überwachungsverfahren bekannt.
Bei dem System und Verfahren wird die noch vorhandene Menge von
flüssigem
Helium, in welchem sich die Supraleitungsspule befindet, erfasst.
Die Ausgabeeinheit gibt die Überwachungsinformation
in Abhängigkeit
von dem erfassten Restvolumen aus.
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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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- 1
- äußeres Magnetgehäuse
- 2
- inneres
Magnetgehäuse
- 3
- äußeres Strahlungsschild
- 4
- inneres
Strahlungsschild
- 5
- Heliumtank,
Außenseite
- 6
- Heliumtank,
Innenseite
- 7
- Einfüllstutzen
bzw. Turmrohr
- 8
- flüssiges Kühlmittel
- 9
- supraleitende
Magnetspule
- 10
- Turm
- 11
- Quench-Rohr, 11a Berstscheibe
- 12
- Vereisungsgebiet
- 13
- verdampftes
Kühlmittel
- 14
- erster
Drucksensor
- 15
- Drucksensorrohr
- 16
- zweiter
Drucksensor
- 17
- Drucksensorrohr-Verschluss