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Die Erfindung betrifft einen Kryostat mit einem Vakuumbehälter, in welchem eine Kammer mit mindestens einem zu kühlenden Objekt angeordnet ist, wobei an dem Vakuumbehälter mindestens ein hohles Halsrohr vorgesehen ist, welches die Kammer durch den Außenmantel des Vakuumbehälters hindurch mit dem Bereich außerhalb des Kryostaten verbindet, wobei im Halsrohr ein einerseits mit einer kälteerzeugenden Einrichtung thermisch verbundener Kühlarm eines Kühlkopfes angeordnet ist, der andererseits über eine erste thermische Kontaktfläche am Kühlarm mit einer zweiten thermischen Kontaktfläche am zu kühlenden Objekt in thermischen Kontakt gebracht werden kann.
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In der Kryotechnik werden zum Kühlen von Objekten – beispielsweise supraleitender Magnetspulen – meistens Kühlmaschinen verwendet, welche mittels eines Kühlkopfes die Wärme aus der Apparatur mit dem zu kühlenden Objekt abführen.
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Diese Kühlmaschinen arbeiten typischerweise mit Heliumgas als Kühlmittel, welches in einem Kompressor komprimiert und im Kühlkopf des Kryostaten entspannt wird (beispielsweise sogenannte „Pulsrohr-Kühler”). Kühlkopf und Kompressor sind in der Regel durch zwei Druckleitungen miteinander verbunden. Der Kühlkopf ist mit den zu kühlenden Bauteilen entweder direkt mechanisch oder durch ein Kontaktmedium (z. B. Kryo-Gas oder Kryo-Flüssigkeit) oder durch beides verbunden, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten.
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Fällt jedoch der Kompressor – etwa durch einen technischen Defekt oder Stromausfall – ganz oder teilweise aus, erwärmen sich die vormals gekühlten Bauteile. Der Kühlkopf des Kryostaten stellt in dieser Situation dann eine erhebliche Wärmebrücke zwischen den zu kühlenden Bauteilen und der Außenwelt dar.
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Bei einem supraleitenden Magneten kann in seinem persistiven Betriebsmodus der supraleitende Strom über extrem lange Zeiträume praktisch widerstandsfrei fließen. Eine Erwärmung des Magneten hingegen führt nach einer gewissen Zeit zum sogenannten „Quench” des persistiven Betriebsmodus: Der Magnet erreicht irgendwann die durch das Supraleitermaterial vorgegebene kritische Sprung-Temperatur, wird normalleitend und verliert dabei – in der Regel schlagartig – sein hohes Magnetfeld.
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Eine Reduzierung der Wärmelast nach einem Ausfall der Kühlmaschine würde die Zeit bis zum Quench zumindest deutlich verlängern. Dies gilt im Besonderen für solche Kryostatenanordnungen, die gänzlich ohne oder immerhin mit lediglich sehr geringen Mengen an flüssigem Kältemittel auskommen, wobei supraleitende Magnete derzeit üblicherweise in einem Bad aus flüssigem Helium betrieben werden.
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Da Helium zunehmend teurer wird, werden Kryostaten, welche vollständig ohne Helium oder zumindest ohne größere Mengen an Helium auskommen („Low-loss”- oder sogar „Cryo-free”-Systeme), sowohl technisch als auch wirtschaftlich immer attraktiver.
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Bei sehr tiefen Temperaturen nimmt allerdings die Wärmekapazität von Feststoffen stark ab. Darum wäre es ganz besonders wichtig, bei derartigen Systemen mit wenig oder gar keinem flüssigen Helium den Wärmeeintrag in das zu kühlende Objekt im Falle eines Ausfalls der Kühleinheit so gering wie möglich zu gestalten.
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In der
US 7,287,387 B2 ist ein Kühlaggregat zur Kühlung einer supraleitenden Magnetspule und der sie umgebenden Strahlungsschilde bzw. Kammern beschrieben. Während die Kühlung der Strahlungsschilde bzw. Kammern über direkten thermischen Kontakt erfolgt, wird die Spule über rückverflüssigtes Helium gekühlt. An der Schnittstelle des Gehäuses zu dem Kühlaggregat sollen Faltenbälge eingesetzt werden, um eine Schwingungsentkopplung zu erreichen. Das Kühlaggregat bleibt immer in festem Kontakt mit dem Strahlungsschild und der inneren Kammer. Eine Druckänderung im inneren dieses Kryostaten verändert den thermischen Kontakt nicht. Es wird lediglich angegeben, dass die Faltenbälge einem Überdruck von 1 bar widerstehen sollen.
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In der
US 8,069,675 B2 wird ebenfalls ein Kaltkopf beschrieben, der flexibel mit dem Kryostaten verbunden ist. Hier wird jedoch ein Aktuator betätigt, um den Wärmekontakt zu lösen. Es handelt sich nicht um ein automatisch funktionierendes passives System, sondern eine Bedienperson muss aktiv eingreifen. Dasselbe gilt auch für die Kühlanordnungen, wie sie etwa aus der
US-A 5,522,226 oder der
US-A 5,430,423 bekannt geworden sind.
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Die eingangs zitierte
US-A 5,934,082 schließlich offenbart ein „Cryo-free-System”, bei dem der Kühlkopf mit einem Wärmeschild und einer Magnetspule jeweils in wärmeleitendem körperlichen Kontakt steht. Der hohle Raum zwischen Wärmeschild und Kühlkopf ist dabei evakuiert. Zur Absorption beziehungsweise Dämpfung von Schwingungen sind Federelemente in der Kühlvorrichtung vorgesehen.
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Ein ähnliches Kühlsystem ist auch in der
US-A 4,535,595 beschrieben. Auch hier steht kein Gas in direktem Kontakt mit dem Kühlkopf, sondern der Hohlraum ist wiederum evakuiert. Im Übrigen offenbart die Druckschrift einen in der Vertikalen verschiebbaren Kühlkopf, der ebenfalls mit einem Wärmeschild und einer Magnetspule in thermischem Kontakt steht.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt demgegenüber die – im Detail betrachtet relativ anspruchsvolle und komplexe – Aufgabe zugrunde, bei einem Kryostaten der eingangs beschriebenen Art mit unaufwändigen technischen Mitteln und vollautomatisch ohne die Notwendigkeit des Eingreifens einer Bedienungsperson die Wärmelast durch den Kühlkopf auf das zu kühlende Objekt im Falle eines Ausfalls der Kältemaschine betriebssicher und signifikant zu reduzieren, wobei bereits vorhandene Einrichtungen möglichst einfach nachgerüstet werden können.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass das Hohlvolumen zwischen der Innenseite des hohlen Halsrohrs und dem wenigstens zum Teil darin angeordneten Kühlarm sowie dem zu kühlenden Objekt zumindest teilweise mit einem Gas oder Gasgemisch mit positivem thermischen Ausdehnungs-koeffizient gefüllt ist, wobei das Gas oder Gasgemisch mit seinem Binnendruck einen Teil des Kühlarms beaufschlagt, während ein anderer Teil des Kühlarms direkt oder indirekt mit Atmosphärendruck beaufschlagt ist, dass der Kühlarm so gehaltert ist, dass er innerhalb des hohlen Halsrohrs um eine Strecke von wenigstens 5 mm mit seiner ersten thermischen Kontaktfläche in Richtung auf die zweite thermische Kontaktfläche zu oder von dieser weg bewegt werden kann, und dass eine Kontakt-Vorrichtung vorgesehen ist, welche unterhalb eines vorgegebenen – niedrigen – Grenzdrucks des Gases oder Gasgemischs die erste thermische Kontaktfläche des Kühlarms mit der zweiten thermischen Kontaktfläche am zu kühlenden Objekt in thermischen Kontakt bringt oder hält, während die Kontakt-Vorrichtung bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzdrucks im Gas oder Gasgemisch die erste thermische Kontaktfläche des Kühlarms von der zweiten thermischen Kontaktfläche des zu kühlenden Objekts wegbewegt, so dass in dieser Position kein wärmeleitender Kontakt mehr zwischen den thermischen Kontaktflächen besteht, sondern ein mit Gas oder Gasgemisch gefüllter Spalt die Kontaktflächen thermisch trennt.
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Bei einer Kontaktierung mittels Gas zwischen den zwei Kontaktflächen ist der gegenseitige Abstand der Kontaktflächen von erheblicher Bedeutung für die Wärmeübertragung. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Kühlarm des Kühlkopfes durch das sich infolge der Erwärmung ausdehnende Gas derart bewegt, dass der thermische Kontakt zwischen den beiden Kontaktflächen aufgehoben wird, indem ein Gasspalt zwischen den Kontaktflächen entsteht, welcher sich vergrößert und so den Wärmeeintrag auf das zu kühlende Objekt – in der Regel einen supraleitenden Magneten – ganz erheblich verringert. Vergrößert sich der Spalt z. B. von 0,1 mm auf 10 Merkmal, so verringert sich der Wärmeeintrag (ohne Konvektion) um den Faktor 100.
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Durch die Reduzierung des Wärmeeintrags verlängert sich die Zeit bis die Magnetspule im Quench ihre kritische Temperatur erreicht und normalleitend wird erheblich. Diese Zeitspanne ist eine wesentliche Spezifikation von supraleitendenden Magneten.
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Auch der Kontakt des Kühlarms zu einem Wärmeschild wird durch die Bewegung verringert und der Wärmeeintrag auf den Schild somit auch hier reduziert. Der Schild erwärmt sich somit erheblich langsamer nach Ausfall des Kühlkopfs. Die Schildtemperatur ist von erheblicher Bedeutung für den sonstigen Wärmeeintrag auf das zu kühlende Objekt, insbesondere eine Magnetspule. Eine langsamere Erwärmung des Schilds führt daher automatisch zu einer langsameren Erwärmung der supraleitenden Magnetspule und somit zu einer Verlängerung der Zeit bis zum Quench.
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Die zur Spalt-Bildung und Spalt-Vergrößerung führende Bewegung wird ermöglicht, indem der Kühlarm (oder bei Varianten der Erfindung auch der ganze Kühlkopf) längs seiner Achse verschiebbar gelagert ist.
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Zur Sicherstellung eines gut wärmeleitenden Kontakts zwischen der ersten thermischen Kontaktfläche des Kühlarms und der zweiten thermischen Kontaktfläche am zu kühlenden Objekt in einem Betriebszustand unterhalb des vorgegebenen Grenzdrucks des Gases oder Gasgemischs sind im Wesentlichen prinzipiell drei unterschiedliche Varianten der thermischen Kontaktierung denkbar:
- 1. Direkter thermischer Kontakt ohne flüssiges Helium:
Hier wird auf ein Bad mit flüssigem Helium vollständig verzichtet und die beiden Kontaktflächen befinden sich in diesem Betriebszustand in engem, wärmeleitenden Körperkontakt.
- 2. Direkter thermischer Kontakt mit flüssigem Helium:
Der gleiche enge Körperkontakt zwischen den beiden Kontaktflächen im Betriebszustand unterhalb des vorgegebenen Grenzdrucks kann auch hergestellt werden, wenn sich die beiden Kontaktflächen in einem Bad aus flüssigem Helium befinden, welches zumindest in den Randbereichen den wärmeleitenden Kontakt noch erhöht.
- 3. Indirekter thermischer Kontakt mit flüssigem Helium:
Bei dieser Variante schließlich sind beide Kontaktflächen im Betriebszustand unterhalb des vorgegebenen Grenzdrucks zwar körperlich getrennt, befinden sich aber in einem gemeinsamen Bad aus flüssigem Helium, welches eine gut wärmeleitende thermische Verbindung zwischen den beiden Kontaktflächen in diesem Betriebszustand sicherstellt.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten, bei der die Kontakt-Vorrichtung einen Faltenbalg und/oder eine Membran und/oder eine Radialdichtung umfasst, mittels derer der Kühlarm im hohlen Halsrohr längs seiner Achse linear verschiebbar gelagert ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kontakt-Vorrichtung eine Anschlagfläche auf, gegen welche der Kühlarm im hohlen Halsrohr bei einer linearen Verschiebung längs seiner Achse in Richtung auf das zu kühlende Objekt hin mit seiner mit dem Kühlarm starr verbundenen Gegenfläche anschlagen kann, wobei die relativen Lagen der Flächen so gewählt sind, dass bei mechanischem Kontakt von Anschlagfläche und Gegenfläche auch die erste thermische Kontaktfläche des Kühlarms mit der zweiten thermischen Kontaktfläche am zu kühlenden Objekt in wärmeleitenden Kontakt kommt. Dieser Anschlag kann auch einstellbar sein um den Spalt zwischen den Kontaktflächen auf ein Optimum zu reduzieren. Die mechanische Entkopplung ist deswegen nötig, weil ansonsten schädliche Vibrationen vom Kühlarm auf das zu kühlende Objekt, insbesondere eine supraleitende Magnetspule übertragen werden können.
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Ohne weitere Maßnahmen würde die Bewegung erst beim Überschreiten des Atmosphärendrucks erfolgen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten ist daher vorgesehen, dass die Kontakt-Vorrichtung eine Vorspanneinrichtung aufweist, welche eine Zusatzkraft zu der auf den Kühlarm wirkenden Druckkraft des Gases oder Gasgemischs aufbaut, die in einer Bewegungsrichtung des Kühlarms bei linearer Verschiebung im hohlen Halsrohr längs seiner Achse in einer Richtung vom zu kühlenden Objekt weg wirkt. Dadurch kann der auf den verschiebbaren Kühlarm wirkende Bewegungsdruck abgesenkt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die von der Vorspanneinrichtung erzeugte Zusatzkraft auf den Kühlarm eine vom Verschiebeweg des Kühlarms aufgrund der einwirkenden Druckkraft des Gases oder Gasgemischs abhängige nicht-lineare Charakteristik auf, wobei die Zusatzkraft erst bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenz-Druckkraft des Gases oder Gasgemischs so groß wird, dass die erste thermische Kontaktfläche des Kühlarms von der zweiten thermischen Kontaktfläche am zu kühlenden Objekt abgehoben wird, so dass ein Spalt die Kontaktflächen trennt, und dass selbst bei einem nur noch geringen weiteren Ansteigen der Druckkraft des Gases oder Gasgemischs dieser Spalt aufgrund der auf den Kühlarm einwirkenden Zusatzkraft zügig vergrößert wird. Dies hat den Vorteil, dass schon kurz nach Ausfall des Kühlkopfs ein Entkoppeln des Kühlarms stattfindet. Ein typischer Betriebsdruck ist beispielsweise 200 mbar. Bis zum Erreichen des Atmosphärendrucks würde viel Zeit vergehen, in welcher der Kühlarm aufgrund seiner thermischen Kopplung Wärme auf das zu kühlende Objekt, insbesondere eine supraleitende Magnetspule überträgt.
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Bei besonders einfachen Weiterbildungen dieser Ausführungsform umfasst die Vorspanneinrichtung eine oder mehrere Vorspannfedern. Durch diese Federn wird besagte Vorspannkraft erzeugt und ermöglicht gleichzeitig eine Vibrationsentkopplung des Kühlarms vom Außenmantel des zu kühlenden Objekts, insbesondere einer supraleitenden Magnetspule.
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Ganz besonders bevorzugt sind Varianten, bei welchen die von den Vorspannfedern auf den Kühlarm wirkende Zusatzkraft mechanisch einstellbar ist, insbesondere mittels einer oder mehrerer Einstellschrauben. Hierdurch kann die Vorspannkraft an den sich einstellenden Betriebsdruck angepasst werden. Jede Kühlkopf/Kühlobjekt-Kombination ist geringfügig verschieden. Die Vorspannkraft einstellbar zu machen ist somit äußerst sinnvoll.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kryostaten sehen vor, dass der Kühlarm so gehaltert und die Kontakt-Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass der Kühlarm innerhalb des hohlen Halsrohrs um eine Strecke von mindestens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 20 mm, insbesondere von mindestens 50 mm, mit seiner ersten thermischen Kontaktfläche in Richtung auf die zweite thermische Kontaktfläche am zu kühlenden Objekt zu oder von dieser weg bewegt werden kann. Die Wärmeleitung zwischen den Kontaktflächen kann somit um einen Faktor von bis zu 500 verringert werden.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen sich die erste thermische Kontaktfläche des Kühlarms in einem Betriebszustand unterhalb des vorgegebenen Grenzdrucks des Gases oder Gasgemischs ganz oder teilweise in flüssigem Helium befindet und bei Überschreiten des Grenzdrucks durch die Bewegung von der zweiten thermischen Kontaktfläche des zu kühlenden Objekts weg aus dem Heliumbad in das umgebende Gas oder Gasgemisch auftaucht. Dabei kann der thermische Kontakt zwischen den Kontaktflächen in diesem Betriebszustand entweder durch einen direkten Körperkontakt der beiden Kontaktflächen und/oder indirekt vermittels des flüssigen Heliums mit dessen sehr guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Flüssiges Helium stellt quasi eine perfekte Wärmebrücke dar. Im Helium wird sich aufgrund von Konvektion nur ein winziger Temperaturgradient bilden. Sobald der Kühlkopf aber ausfällt, überträgt er seine Wärme direkt in das flüssige Helium und somit an das zu kühlende Objekt, insbesondere eine supraleitende Magnetspule. Taucht die Kontaktfläche aber aus dem Helium auf, wird nur noch im Gas und somit erheblich schlechter Wärme übertragen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist kein flüssiges Heliumbad vorhanden und die erste thermische Kontaktfläche des Kühlarms hat im Betriebszustand unterhalb des vorgegebenen Grenzdrucks des Gases oder Gasgemischs direkten körperlichen – und damit wärmeleitenden – Kontakt mit der der zweiten thermischen Kontaktfläche des zu kühlenden Objekts. Bei Überschreiten des Grenzdrucks werden dann die Kontaktflächen auseinander bewegt und es entsteht ein wärmeisolierender Gasspalt zwischen den beiden Kontaktflächen.
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Ebenfalls vorteilhaft ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten, bei der die das zu kühlende Objekt enthaltende Kammer innerhalb des Vakuumbehälters von einem Strahlungsschild umgeben ist. Damit wird die Wärmelast durch Strahlung und Wärmeleitung ganz erheblich reduziert.
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Bei einer Klasse von bevorzugten Ausführungsformen ist in der Kammer als zu kühlendes Objekt eine supraleitende Magnetspule angeordnet. Solche Magnetsysteme bestehen üblicherweise aus einer Magnetspule, einem Strahlungsschild einem Vakuumbehälter sowie einem oder mehreren Halsrohren die die Magnetspule bzw. Anbauteile mit dem Außenmantel verbinden.
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Magnetresonanz-Anordnung mit supraleitfähiger Magnetspule, insbesondere eine NMR-Spektrometer-Anordnung oder eine NMR-Tomographie-Anordnung, aber auch eine MRI- oder FTMS-Apparatur, jeweils umfassend einen erfindungsgemäßen Kryostaten wie oben beschrieben. Durch die vorliegende Erfindung ist die supraleitfähige Magnetspule der Magnetresonanz-Anordnung besonders geschützt gegen einen Quench des persistiven Betriebsmodus und daher für hochauflösende Messungen besonders gut geeignet. Eine solche Magnetresonanz-Anordnung umfasst typischerweise zumindest einen Magneten, der in der Regel supraleitend ausgebildet und in einem Kryostaten angeordnet ist, weiterhin Hochfrequenzkomponenten, etwa HF-Spulen in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten, und eine Probenposition für eine zu vermessende Probe. „Normale” marktübliche Hochfeld-NMR-Spektrometer arbeiten mit einer Protonen-Resonanzfrequenz zwischen etwa 200 MHz und 500 MHz. Ein höchstauflösendes Hochfeld-NMR-Spektrometer hingegen kann heutzutage bei Protonen-Resonanzfrequenzen ≥ 800 MHz betrieben werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine schematische Vertikalschnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten eines NMR-Spektrometers, wobei der Kühlarm des Kühlkopfs räumlich und damit auch thermisch von dem NMR-Magneten getrennt ist; und
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1b die Anordnung von 1a, aber mit körperlichem und thermischem Kontakt zwischen Kühlarm und Magnet;
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2a eine schematische Vertikalschnittansicht einer weiteren Ausführungsform mit körperlichem und thermischen Kontakt zwischen Kühlarm und zu kühlendem Objekt, wobei sich der Kühlarm im Bereich seiner ersten thermischen Kontaktfläche in einem Bad aus flüssigem Helium befindet;
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2b eine Anordnung wie in 2b, wobei aber der Kühlarm in keinem körperlichen Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt steht, sondern die erste mit der zweiten Kontaktfläche durch ein Bad aus flüssigem Helium thermisch miteinander verbunden sind; und
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3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten, bei welcher das mechanische Element, das den Kühlarm des Kühlkopfs flexibel mit dem Halsrohr des Kryostaten verbindet, als eine vakuumfeste Membran ausgestaltet ist.
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Die 1a, 1b, 2a und 2b zeigen jeweils in einer schematischen Vertikalschnittansicht Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kryostaten 11; 11'; 11''; 11''' mit einem Vakuumbehälter 9, in welchem eine Kammer 12 mit mindestens einem zu kühlenden Objekt 4 (insbesondere einer supraleitfähigen Magnetspule in einer NMR-, MRI- oder FTMS-Apparatur) angeordnet ist, wobei an dem Vakuumbehälter 9 mindestens ein hohles Halsrohr 10 vorgesehen ist, welches die Kammer 12 durch den Außenmantel des Vakuumbehälters 9 hindurch mit dem Bereich außerhalb des Kryostaten 11; 11'; 11''; 11''' verbindet, wobei im Halsrohr 10 ein einerseits mit einer kälteerzeugenden Einrichtung thermisch verbundener Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' eines Kühlkopfes 1 angeordnet ist, der andererseits über eine erste thermische Kontaktfläche 3a; 3a'; 3a'' am Kühlarm 1a; 1a; 1a''; 1a''' mit einer zweiten thermischen Kontaktfläche 3b; 3b'; 3b'' am zu kühlenden Objekt 4 in thermischen Kontakt gebracht werden kann.
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Die das zu kühlende Objekt 4 enthaltende Kammer 12 innerhalb des Vakuumbehälters 9 ist von einem Strahlungsschild 5 umgeben.
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Der erfindungsgemäße Kryostat 11; 11'; 11''; 11''' zeichnet sich dadurch aus, dass das Hohlvolumen 2; 2'; 2'' zwischen der Innenseite des hohlen Halsrohrs 10 und dem wenigstens zum Teil darin angeordneten Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' sowie dem zu kühlenden Objekt 4 zumindest teilweise mit einem Gas oder Gasgemisch mit positivem thermischen Ausdehnungskoeffizient gefüllt ist, wobei das Gas oder Gasgemisch mit seinem Binnendruck einen Teil des Kühlarms 1a; 1a'; 1a''; 1a''' beaufschlagt, während ein anderer Teil des Kühlarms 1a; 1a'; 1a''; 1a''' direkt oder indirekt mit Atmosphärendruck beaufschlagt ist, dass der Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' so gehaltert ist, dass er innerhalb des hohlen Halsrohrs 10 um eine Strecke von mindestens 5 mm mit seiner ersten thermischen Kontaktfläche 3a; 3a'; 3a'' in Richtung auf die zweite thermische Kontaktfläche 3b; 3b'; 3b'' zu oder von dieser weg bewegt werden kann, und dass eine Kontakt-Vorrichtung vorgesehen ist, welche unterhalb eines vorgegebenen – niedrigen – Grenzdrucks des Gases oder Gasgemischs die erste thermische Kontaktfläche 3a; 3a'; 3a'' des Kühlarms 1a; 1a'; 1a''; 1a''' mit der zweiten thermischen Kontaktfläche 3b; 3b'; 3b'' am zu kühlenden Objekt 4 in thermischen Kontakt bringt oder hält, während die Kontakt-Vorrichtung bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzdrucks im Gas oder Gasgemisch die erste thermische Kontaktfläche 3a; 3a'; 3a'' des Kühlarms 1a; 1a'; 1a''; 1a''' von der zweiten thermischen Kontaktfläche 3b; 3b'; 3b'' des zu kühlenden Objekts 4 wegbewegt, so dass in dieser Position ein mit Gas oder Gasgemisch gefüllter Spalt 13 die Kontaktflächen 3a, 3b; 3a', 3b'; 3a'', 3b'' thermisch trennt.
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Vorzugsweise ist der Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' so gehaltert und die Kontakt-Vorrichtung so ausgestaltet, dass der Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' innerhalb des hohlen Halsrohrs 10 um eine Strecke von mindestens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 20 mm, insbesondere von mindestens 50 mm, mit seiner ersten thermischen Kontaktfläche 3a; 3a'; 3a'' in Richtung auf die zweite thermische Kontaktfläche 3b; 3b'; 3b'' am zu kühlenden Objekt 4 zu oder von dieser weg bewegt werden kann.
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Die Kontakt-Vorrichtung kann einen Faltenbalg und/oder eine Membran und/oder – wie in den Figuren der Zeichnung dargestellt – eine Radialdichtung 6 umfassen, mittels derer der Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; im hohlen Halsrohr 10 längs seiner Achse linear verschiebbar gelagert ist.
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Die Kontakt-Vorrichtung weist eine Anschlagfläche 14a auf, gegen welche der Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' im hohlen Halsrohr 10 bei einer linearen Verschiebung längs seiner Achse in Richtung auf das zu kühlende Objekt 4 hin mit seiner mit dem Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' starr verbundenen Gegenfläche 14b anschlagen kann, wobei die relativen Lagen der Flächen so gewählt sind, dass bei mechanischem Kontakt von Anschlagfläche 14a und Gegenfläche 14b auch die erste thermische Kontaktfläche 3a; 3a'; 3a'' des Kühlarms 1a; 1a'; 1a''; 1a''' mit der zweiten thermischen Kontaktfläche 3b; 3b'; 3b'' am zu kühlenden Objekt 4 in wärmeleitenden Kontakt kommt.
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Weiter weist die Kontakt-Vorrichtung eine Vorspanneinrichtung auf, welche eine Zusatzkraft zu der auf den Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' wirkenden Druckkraft des Gases oder Gasgemischs aufbaut, die in einer Bewegungsrichtung des Kühlarms 1a; 1a'; 1a''; 1a''' bei linearer Verschiebung im hohlen Halsrohr 10 längs seiner Achse in einer Richtung vom zu kühlenden Objekt 4 weg wirkt. Die Vorspanneinrichtung umfasst eine oder mehrere Vorspannfedern 7, wobei die von den Vorspannfedern 7 auf den Kühlarm 1a; 1a'; 1a''; 1a''' wirkende Zusatzkraft mittels einer oder mehrerer Einstellschrauben 8 mechanisch einstellbar ist.
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Bei der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten 11 befindet sich im gesamten Hohlvolumen 2 lediglich Gas oder Gasgemisch, jedoch keine Flüssigkeit.
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Eine thermische Entkopplung zwischen dem Kühlarm 1a und dem zu kühlenden Objekt 4 wird durch Herstellung des Gas-gefüllten Spaltes 13 aufgrund der Gasdruck-getriebenen Bewegung des Kühlarmes 1a bei Erreichen oder Überschreiten des vorgegebenen Grenzdrucks durch Erwärmung des Gases oder Gasgemischs bewirkt. Dieser Betriebszustand ist in 1a dargestellt.
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1b hingegen zeigt einen Betriebszustand des Kryostaten 11 unterhalb des Grenzdrucks, wo die erste thermische Kontaktfläche 3a des Kühlarms 1a mit der zweiten thermischen Kontaktfläche 3b am zu kühlenden Objekt 4 in direktem körperlichen und damit auch thermischen Kontakt steht.
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Die in den 2a und 2b dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kryostaten 11'; 11'' zeichnen sich dadurch aus, dass sich die erste thermische Kontaktfläche 3a'; 3a'' des Kühlarms 1a'; 1a'' in einem Betriebszustand unterhalb des vorgegebenen Grenzdrucks des Gases oder Gasgemischs ganz oder teilweise in flüssigem Helium befindet und bei Überschreiten des Grenzdrucks durch die Bewegung von der zweiten thermischen Kontaktfläche 3b'; 3b'' des zu kühlenden Objekts 4 weg aus dem Heliumbad 20'; 20'' in das umgebende Gas oder Gasgemisch Hohlvolumen 2'; 2'' auftaucht.
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Bei der in 2a gezeigten Ausführungsform steht der in dem Betriebszustand unterhalb des vorgegebenen Grenzdrucks des Gases oder Gasgemischs im Heliumbad 20' eingetauchte Teil des Kühlarms 1a' mit seiner ersten thermische Kontaktfläche 3a' in körperlichem Kontakt zur zweiten thermischen Kontaktfläche 3b' am zu kühlenden Objekt 4.
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2b hingegen zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Kühlarm 1a'' auch im Betriebszustand unterhalb des Grenzdrucks in keinem körperlichen Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt 4 steht, sondern die erste Kontaktfläche 3a'' mit der zweiten Kontaktfläche 3b'' durch das Heliumbad 20'' thermisch miteinander verbunden sind.
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Bei Erreichen oder Überschreiten des vorgegebenen Grenzdrucks durch Erwärmung des Gases oder Gasgemischs und die damit einhergehende Erhöhung des Binnendrucks wird auch in den Ausführungsformen der 2a und 2b jeweils eine Bewegung des Kühlarmes 1a'; 1a'' vom zu kühlenden Objekt 4 weg hervorgerufen. Die Kontakt-Vorrichtungen dieser Ausführungsformen sind so ausgelegt, dass der Kühlarm 1a'; 1a'' in einem solchen Betriebszustand mit seiner ersten thermischen Kontaktfläche 3a'; 3a'' aus dem Heliumbad 20'; 20'' auftaucht und sich wiederum ein mit thermisch isolierendem Gas oder Gasgemisch gefüllter Spalt zur zweiten thermischen Kontaktfläche 3b'; 3b'' am zu kühlenden Objekt 4 ausbildet.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten 11''' schließlich umfasst die Kontakt-Vorrichtung eine vakuumfeste Membran 15, mittels derer der Kühlarm 1a''' im hohlen Halsrohr 10 längs seiner Achse linear verschiebbar gelagert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5934082 A [0002, 0012]
- US 4535595 A [0002, 0013]
- US 7287387 B2 [0010]
- US 8069675 B2 [0011]
- US 5522226 A [0011]
- US 5430423 A [0011]
