DE102019209160B3

DE102019209160B3 - Kryostatanordnung mit federndem, wärmeleitendem Verbindungselement

Info

Publication number: DE102019209160B3
Application number: DE102019209160.1A
Authority: DE
Inventors: Pierre-Alain Bovier; Robert Schauwecker; Günter Kübler; Thomas Wüthrich
Original assignee: Bruker Switzerland AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: US20200411218A1; US11810711B2; CN112133514B; CN112133514A

Abstract

Eine Kryostatanordnung (1) mit einem Außenbehälter (2), in welchem ein Spulentank (3) mit einem zu kühlenden supraleitenden Magnetspulensystem (4) sowie einem ersten kryogenen Fluid (5) und ein Vorratstank (6) mit einem zweiten kryogenen Fluid (7) angeordnet sind, wobei im Betrieb die Temperatur des ersten unter derjenigen des zweiten kryogenen Fluids liegt, wobei der Spulentank mittels mindestens eines ersten Aufhängungselements (8) und der Vorratstank mittels mindestens eines zweiten Aufhängungselements (9) mechanisch starr am Außenbehälter befestigt sind, und wobei der Vorratstank thermisch mit einem Deckelelement (10) verbunden ist, welches thermisch leitend sowie mechanisch starr mit einem Rohrelement (13) und über mindestens ein Koppelelement (11) thermisch leitend sowie mechanisch starr mit dem ersten Aufhängungselement verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement mechanisch über ein federndes, wärmeleitendes Verbindungselement (12) mit dem Vorratstank verbunden ist, wobei das Verbindungselement sowohl mit dem Deckelelement als auch mit dem Vorratstank in thermischem Kontakt steht. Damit werden eine gute thermische Ankopplung des Vorratstanks an das Deckelelement sowie unabhängige Relativbewegungen zwischen Vorratstank und Deckelelement ermöglicht, wobei aber Relativbewegungen zwischen Rohrelement und supraleitendem Magnetspulensystem effektiv unterdrückt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryostatanordnung mit einem Außenbehälter, in welchem ein Spulentank mit einem zu kühlenden supraleitenden Magnetspulensystem sowie einem ersten kryogenen Fluid und ein Vorratstank mit einem zweiten kryogenen Fluid angeordnet sind, wobei zumindest in einem Betriebszustand des supraleitenden Magnetspulensystems die Temperatur des ersten unter derjenigen des zweiten kryogenen Fluids liegt, wobei der Spulentank mittels mindestens eines ersten Aufhängungselements und der Vorratstank mittels mindestens eines zweiten Aufhängungselements mechanisch starr am Außenbehälter befestigt sind, wobei der Vorratstank thermisch mit einem Deckelelement verbunden ist, welches thermisch leitend sowie mechanisch starr mit einem Rohrelement und über mindestens ein Koppelelement thermisch leitend sowie mechanisch starr mit dem ersten Aufhängungselement verbunden ist.
Eine solche Kryostatanordnung ist etwa aus der EP 0 780 698 B1 bzw. US 5,744,959 A (= Referenz [1]) bekannt geworden.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Bereich der Kühlung von supraleitenden Magnetspulensystemen, welche im Betrieb auf sehr tiefen (=kryogenen) Temperaturen gehalten werden müssen. Derartige Magnetanordnungen werden etwa auf dem Gebiet der Magnetresonanz, beispielsweise in MRI-Tomographen oder NMR-Spektrometern eingesetzt. Sie werden üblicherweise mit flüssigem Helium als erstem kryogenen Fluid gekühlt. Zu diesem Zweck sind sie in einem Kryostaten untergebracht, der mit kryogenen Flüssigkeiten betrieben wird. Der Kryostat muss so optimiert werden, dass die Verluste an kryogenen Flüssigkeiten möglichst gering sind. Um den Verbrauch von teurem Helium zu senken, ist der Spulentank innerhalb des Kryostaten in der Regel von einem Vorratstank mit einem zweiten, höher siedenden kryogenen Fluid, zumeist flüssigem Stickstoff, umgeben.
Der Aufbau eines Kryostaten als ineinander geschachtelte Struktur aus isothermischen Schalen wird beispielsweise in DE 29 06 060 A1 (= Referenz [3]) beschrieben. Die innerste Schale umfasst einen Behälter (=„Spulentank“) mit flüssigem Helium zur Kühlung eines supraleitenden Magneten, eine weitere Schale enthält einen Behälter (=„Vorratstank“) mit flüssigem Stickstoff. Der Raum innerhalb des äußersten Behälters ist evakuiert. In Referenz [1] wird ein solcher Kryostat gezeigt, der eine supraleitende Spule für die NMR enthält.
In DE 42 27 388 C2 , EP 0 586 947 B1 und US 5,404,726 A (= Referenz [2]) wird beschrieben, dass der Spulentank üblicherweise über dünne Stahlrohre (=„erste Aufhängungselemente“) an einem Außenbehälter aufgehängt ist. Dasselbe gilt für den Vorratstank, welcher über „zweite Aufhängungselemente“ aufgehängt ist. Strukturen, die über Wärmeleitung mit dem Vorratstank verbunden sind, umgeben den gesamten Spulentank und schützen diesen vor einem Energieeintrag durch Strahlung. Diese Strukturen umfassen einen Boden, einen Deckel sowie ein Innenrohr. Der Spulentank und der Außenbehälter umfassen auch je ein Innenrohr, so dass insgesamt mindestens drei Innenrohre die Raumtemperaturbohrung vom supraleitenden Magnetspulensystem trennen.
Um die Verluste an flüssigem Helium während des Betriebs zu reduzieren, ist es nötig, den Vorratstank thermisch an die ersten Aufhängungselemente zu koppeln. Zu diesem Zweck werden Kontaktierelemente (=„Koppelelemente“) in der Form von Rohren eingesetzt, die konzentrisch zu den ersten Aufhängungselementen sind und die ersten Aufhängungselemente thermisch mit dem Vorratstank verbinden.
Eine starre Ankopplung des Vorratstanks an die ersten Aufhängungselemente würde zu einer mechanischen Überbestimmung und damit zu unkontrollierbaren Bewegungen des Spulentanks führen, wenn z.B. das zweite kryogene Fluid in den Vorratstank nachgefüllt wird. Um dieses Problem zu lösen, werden in Referenz [2] die oben beschriebenen Koppelelemente mit Hilfe von Schlitzen „mechanisch weich“ ausgeführt. Abgesehen von den Koppelelementen gibt es keine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Vorratstank und dem Spulentank. In der Ausführung von Referenz [2] sind der Spulentank und der Vorratstank mechanisch also weitgehend voneinander entkoppelt.
Insbesondere kann es zwischen diesen beiden Strukturen zu Relativbewegungen kommen, beispielsweise bei Vibrationen. Falls sich das Stickstoffinnenrohr (=„Rohrelement“), das sich synchron zum Vorratstank bewegt, im Hintergrundfeld des supraleitenden Magneten verschiebt, führt das nach der Lenz'schen Regel zu Wirbelströmen in diesem Rohr, welche das Magnetfeld im Zentrum des Magneten verändern und im NMR-Spektrum zu Stör-Seitenbändern führen.
Wirbelströme im Rohrelement könnten durch die Wahl eines elektrisch schlechter leitenden Materials unterbunden werden. Jedoch sind elektrisch schlecht leitende Materialien in der Regel auch thermisch schlecht leitend, was eine Erhöhung der Temperatur des Rohrelements und somit der Verluste an erstem kryogenen Fluid zur Folge hätte.
Das Rohrelement könnte auch in Achsenrichtung geschlitzt werden, um die Wirbelströme zu unterbinden. Dadurch würde aber das Rohrelement mechanisch geschwächt werden. Beim Schlitzen könnten auch mechanische Spannungen gelöst werden, was zu unerwünschten Deformationen des Rohrelements führen würde. Durch die engen Toleranzen zwischen den Innenrohren der Kryostatanordnung könnte es dann zu einer Berührung zwischen zwei dieser Rohre kommen, die unweigerlich zu einer Erhöhung der Verluste an kryogenen Flüssigkeiten führen würde.
Zur weiteren Verbesserung der Homogenität des vom supraleitenden Magnetspulensystem im NMR-Betrieb erzeugten Magnetfelds werden häufig Shim-Systeme eingesetzt. Shims aus magnetischem Material befinden sich meistens in einem Raumtemperaturbereich, weil sie dann gut zugänglich und leicht veränderbar sind. Man findet Shims aus magnetischem Material aber gelegentlich auch im kältesten Bereich des Magnetsystems, insbesondere im Spulentank, in welchem das supraleitende Magnetspulensystem untergebracht ist, wie etwa in DE 101 04 054 C1 , EP 1 229 340 B1 , US 6,617,853 B2 (=Referenz [4]) beschrieben wird. Kalte Shims haben den Vorteil einer sehr stabilen Magnetisierung, weil einerseits ihre Temperatur wenig schwankt und andererseits die Magnetisierung des Materials bei tiefen Temperaturen praktisch temperaturunabhängig ist. Magnetisches Material in starrem mechanischen Kontakt mit den Magnetspulen bewegt sich zudem nicht bezüglich dieser Spulen, wenn z.B. die Labortemperatur veränderlich ist, was eine sehr stabile Homogenität im Betrieb zur Folge hat.
Eine elegante Lösung ist in DE 10 2015 225 731 B3 , EP 3 182 147 B1 , US 9,766,312 B2 (=Referenz [5]) beschrieben. Sie besteht darin, das magnetische Material außerhalb des Spulentanks in einem Bereich zwischen Heliuminnenrohr und Stickstoffinnenrohr (=Rohrelement) anzubringen. Wenn das magnetische Material erst nach dem Magnettest montiert wird, erspart man sich dadurch die komplette Zerlegung des Kryostaten. Die Vorteile von kaltem magnetischem Material werden beibehalten. Der Bereich zwischen Heliuminnenrohr und Rohrelement bleibt jedoch schwer zugänglich.
In JP 2000037366 A (=Referenz [6]) wird ein supraleitendes Magnetsystem beschrieben, bei dem eine Feldhomogenisierung mit magnetischen Folien erzeugt wird, welche auf einem Rohr angebracht sind, das mechanisch und thermisch mit einem Tank verbunden ist, welcher flüssigen Stickstoff enthält. Da sich der Tank mit dem flüssigen Stickstoff abhängig zu seinem Füllstand relativ zu den Magnetspulen bewegt, bewegen sich auch die magnetischen Folien, was mit einer Instabilität der Homogenität einhergeht.
In der eingangs zitierten Referenz [1] wird eine gattungsgemäße Kryostatanordnung mit zwei Tanks mit unterschiedlichen kryogenen Fluiden (Spulentank mit flüssigem Helium, Vorratstank mit flüssigem Stickstoff) beschrieben. Auf die Problematik der thermischen und mechanischen Ankopplung wird dort allerdings nicht näher eingegangen.
Durch die im Stand der Technik stets vorhandene starre mechanische Verbindung zwischen dem Vorratstank und dem Stickstoffdeckel (=„Deckelelement“) wird eine „mechanische Überbestimmung“ des Systems erzeugt, was zu unkontrollierten Bewegungen führt. Erkannt wurde dieses Problem zwar in der oben zitierten Referenz [2]. Die dort vorgeschlagene Lösung der mechanischen Entkopplung des Spulentanks von allen sich auf der Temperatur des Vorratstanks befindlichen Strukturen führt aber dazu, dass sich das Rohrelement des Kryostaten relativ zum supraleitenden Magnetspulensystem bewegen kann. Bei Vibrationen werden Wirbelströme in diesem Rohrelement induziert, die die NMR-Messung durch Seitenbänder im Spektrum empfindlich stören. Andererseits steht das Rohrelement auch nicht als Träger für Shimelemente zur Verfügung, da Relativbewegungen der Shimelemente zum supraleitenden Magnetspulensystem zu einer instabilen Homogenität führen würden.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kryostatanordnung der eingangs beschriebenen Art mit einem supraleitenden Magnetspulensystem mit möglichst unaufwändigen technischen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass die oben diskutierten Nachteile bekannter gattungsgemäßer Anordnungen vermieden werden. Insbesondere soll die Erfindung eine verbesserte Kryostatanordnung schaffen, bei welcher einerseits eine gute thermische Ankopplung des Vorratstanks an das Deckelelement hergestellt wird, andererseits aber auch unabhängige Relativbewegungen zwischen dem Vorratstank und dem Deckelelement ermöglicht werden. Das Deckelelement soll weiterhin starr verbunden sein mit den ersten Aufhängungselementen und mit dem Rohrelement. Auf diese Weise werden Relativbewegungen zwischen dem Rohrelement und dem supraleitenden Magnetspulensystem unterdrückt. Gleichzeitig soll die neue Kryostatanordnung einfach und zuverlässig im Aufbau sowie kostengünstig in der Herstellung sein.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese -im Detail betrachtet relativ anspruchsvolle und komplexe- Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass bei einer Kryostatanordnung der eingangs definierten Art das Deckelelement mechanisch über ein federndes -und damit Schwingungs-absorbierendes oder zumindest Schwingungsdämpfendes-, andererseits aber auch wärmeleitendes Verbindungselement mit dem Vorratstank verbunden ist, wobei das Verbindungselement sowohl mit dem Deckelelement als auch mit dem Vorratstank in thermischem Kontakt steht.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es vor allem darum, das Rohrelement des Kryostaten mechanisch möglichst starr mit dem Spulentank zu verbinden, damit Relativbewegungen der beiden Strukturen unterbunden werden können. Durch diese Maßnahme werden Wirbelströme im Rohrelement unterdrückt, was bei Magneten für die Kernspinresonanz ein großer Vorteil ist. Darüber hinaus eignet sich das Rohrelement dann auch als Träger für einen Shim aus magnetischem Material oder für einen elektrischen Shim.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine starre mechanische Verbindung vom Deckelelement mit den ersten Aufhängungselementen und eine starre mechanische Verbindung des Rohrelements mit dem Deckelelement erreicht. Im Gegenzug wird aber die mechanische Verbindung des Deckelelements mit dem Vorratstank weich ausgeführt, um unabhängige Bewegungen des letzteren zu ermöglichen. Die thermische Verbindung zwischen diesen beiden Strukturen muss aber aufrecht erhalten bleiben, zum Beispiel indem Kupferlitzen oder Wellbälge als elastische beziehungsweise federnde Verbindungselemente verwendet werden.
Die Hauptfunktion des Deckelelements und des Rohrelements ist es, den Spulentank vor der Strahlung des Außenbehälters zu schützen. Da die Strahlungsenergie proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist, ist eine möglichst niedrige Temperatur von Deckelelement und Rohrelement sehr wichtig, um die Verluste an kryogener Flüssigkeit des Spulentanks tief zu halten. Mit einer guten wärmeleitenden Verbindung mit dem Vorratstank überträgt sich dessen Temperatur auf diese Elemente.
Weiter bewirkt die thermische Verbindung des Deckelelements mit den ersten Aufhängungselementen über das Koppelelement eine tiefe Temperatur der ersten Aufhängungselemente an der Kontaktstelle. Dank dieser tiefen Temperatur ist der Temperaturgradient und somit auch der Wärmeeintrag in den Spulentank über die ersten Aufhängungselemente klein.
Weiter wird auch die starre mechanische Verbindung sowohl zwischen dem Deckelelement und dem ersten Aufhängungselement als auch zwischen dem Rohrelement und dem Deckelelement beibehalten, die erforderlich ist, um Relativbewegungen zwischen Rohrelement und supraleitendem Magnetspulensystem wirksam zu unterdrücken.
Jedoch wird nun an der Verbindungsstelle zwischen dem Deckelelement und dem Vorratstank mit dem neuen, zwar immer noch gut wärmeleitenden, jedoch federnden Verbindungselement quasi eine lokal „mechanisch weiche“ Verbindung geschaffen, wodurch die ansonsten (jedenfalls bei allen bisher bekannten Anordnungen) erzeugte mechanische Überbestimmung des Systems verhindert wird. Auf diese Weise können unkontrollierbare räumliche Verschiebungen zwischen den einzelnen Teilen der thermischen Leitungskette und somit thermische Kurzschlüsse wirksam unterbunden werden.
Mit der vorliegenden Erfindung werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:

Bei aktiv gekühlten Systemen werden die Vibrationen des Kühlers, vor allem im Fall eines Kühlers für den Vorratstank, deutlich schwächer auf das Rohrelement übertragen, so dass dort fast keine Wirbelströme induziert werden. Bei spektroskopischen Anwendungen werden die Störseitenbänder im Spektrum daher stark unterdrückt.

Ein ähnlicher Vorteil ergibt sich bei Bodenvibrationen, da das Rohrelement in Phase mit dem supraleitenden Magneten schwingt und nicht wie im Stand der Technik in Phase mit dem Vorratstank. Relativbewegungen zwischen Rohrelement und supraleitendem Magneten werden auf diese Weise weitgehend eliminiert.
Das Rohrelement eignet sich aufgrund seiner starren Verbindung zum Spulentank als Trägerelement für Shims, mit denen die Feldhomogenität des Magneten verbessert werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung
Das erste kryogene Fluid wird bei den meisten Anwendungen Helium, das zweite kryogene Fluid Stickstoff sein - wie oben bereits mehrfach erwähnt.
Der Außenbehälter wird in der Regel als Vakuumbehälter ausgeführt und wird zumindest im NMR-Betriebszustand des supraleitenden Magnetspulensystems in den Bereichen zwischen dem Spulentank und dem Vorratstank evakuiert sein, um eine möglichst hohe thermische Isolation zwischen den Bauteilen innerhalb des Außenbehälters sicherzustellen.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, bei der das Verbindungselement einen Wellbalg, Litzen oder Gewebe aus thermisch leitendem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit > 100W/mK, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, umfasst. Die Litzen, die eine lose mechanische Verbindung darstellen, erfüllen den Zweck der mechanischen Entkopplung, ohne dass dafür die thermische Verbindung geopfert werden muss.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Verbindungselement bei Verschiebung des Vorratstanks nur eine Kraft ≤ 100N/mm auf das Deckelelement überträgt. Im Betriebszustand treten die größten Verschiebungen des Vorratstanks dann auf, wenn er mit seiner kryogenen Flüssigkeit gefüllt wird. Bei Vertikalsystemen verschiebt sich der Vorratstank dabei typischerweise um wenige Zehntelmillimeter, was einer Kraftübertragung von höchstens einigen 10N auf den Deckel entspricht. Eine dermaßen kleine Kraft vermag aufgrund der starren Verbindung des Deckelelements mit dem ersten Aufhängungselement das Deckelelement nur insignifikant zu verschieben.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl zur thermischen als auch zur starren mechanischen Verbindung des Deckelelements mit dem Rohrelement ein Flanschelement vorhanden ist, welches aus einem Material besteht, das sich beim Abkühlen von Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur der Kryostatanordnung stärker zusammenzieht als das Material des Rohrelements. Die Verbindung zwischen Deckelelement und Rohrelement soll sowohl thermisch wie auch mechanisch besonders gut sein. Wenn das Rohrelement bei Raumtemperatur in den Flansch gesteckt wird, wird es auf Betriebstemperatur eingeklemmt sein, was sowohl einen guten thermischen wie auch einen guten mechanischen Kontakt gewährleistet, falls beide Materialien thermisch gut leitend sind.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sowohl zur thermischen als auch zur starren mechanischen Verbindung des Deckelelements mit dem Rohrelement ein Flanschelement vorhanden ist, welches einerseits mit dem Deckelelement verschraubt und andererseits mit dem Rohrelement verlötet oder verschweißt ist. Auch mit einer solchen Anordnung sind ein guter thermischer und ein guter mechanischer Kontakt gewährleistet.
Bei bevorzugten Weiterbildungen dieser Ausführungsformen ist das Rohrelement aus Kupfer, das Flanschelement aus Aluminium aufgebaut.
Da sich Aluminium beim Abkühlen stärker zusammenzieht als Kupfer, entsteht im Betriebszustand sowohl ein guter thermischer wie auch ein guter mechanischer Kontakt.
Eine Klasse von Ausführungsformen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratstank sowohl über das Deckelelement als auch über ein Bodenelement thermisch mit dem Rohrelement verbunden ist. Durch diese zweifache Verbindung kann die Temperatur des Rohrelements über Wärmeleitung näher an die Temperatur des Vorratstanks gebracht werden. Außerdem sorgt das Bodenelement dafür, dass der Außenbehälter nicht direkt auf den Spulentank strahlen kann.
Bei bevorzugten Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen ist das Bodenelement mechanisch über ein weiteres federndes, wärmeleitendes Verbindungselement, vorzugsweise mit einer Federkonstante ≤ 100N/mm, mit dem Vorratstank verbunden. Auf diese Weise wird wirksam vermieden, dass sich die Bewegungen des Vorratstanks auf das Rohrelement übertragen.
Andere Weiterbildungen zeichnen sich dadurch aus, dass das Bodenelement mechanisch flexibel aufgebaut ist und vorzugsweise bezüglich einer Raumtemperaturbohrung der Kryostatanordnung radial verlaufende Schlitze aufweist. Die mechanische Schwächung des Bodenelements sorgt dafür, dass Bewegungen des Vorratstanks nur teilweise auf das Rohrelement übertragen werden. Durch die radiale Gestaltung der Schlitze wird die Wärmeleitung zwischen dem Vorratstank und dem Rohrelement nur unwesentlich beeinflusst.
Ganz besonders vorteilhaft ist eine Klasse von Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen ein Shimsystem zur Homogenisierung des vom supraleitenden Magnetspulensystem erzeugten Magnetfelds vorhanden ist, welches Shimelemente aus magnetischem Material und/oder elektrische Shimelemente umfasst. Bei NMR-Anwendungen sind die Feldhomogenitätsspezifikationen so streng, dass sie nur mithilfe von Shimelementen erreicht werden können. Üblicherweise wird das Feldprofil im Messvolumen aufgenommen und daraus die notwendigen Shimströme oder die Geometrie von magnetischen Shimelementen mit einem numerischen Verfahren ermittelt.
Günstig sind Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen, bei denen Shimelemente radial innerhalb oder außerhalb am Rohrelement angebracht sind. Beim bekannten Stand der Technik werden MRI-Magnete typischerweise ausschließlich mit Raumtemperatur-Shims aus magnetischem Material homogenisiert, während in der Spektroskopie üblicherweise Kryoshims im Spulentank und warme elektrische Shims im Raumtemperaturbereich zum Einsatz kommen. Die warmen elektrischen oder magnetischen Shims führen gelegentlich zu einer schwankenden Homogenität, wenn die Temperatur oder der Druck im Labor variiert. Ein Grund dafür ist eine Relativbewegung zwischen diesen Shimelementen und dem supraleitenden Magnetspulensystem. Die Erfindung ermöglicht nun dank der mechanischen Entkopplung vom Vorratstank auch eine Platzierung gewisser Shimelemente im gekühlten Innenraum der Kryostatanordnung, insbesondere mit dem Rohrelement als Träger. Weder Temperatur- und Druckschwankungen im Labor noch Bewegungen des Vorratstanks beim Füllen mit seiner kryogenen Flüssigkeit beeinflussen die Position des Rohrelements und somit auch die Position der dort platzierten Shimelemente. Dieser Umstand führt zu einer sehr stabilen Homogenität.
Falls ein elektrischer Shim auf dem Rohrelement angebracht wird, hat man gegenüber dem Shim mit magnetischem Material den Vorteil einer variablen Shim-Stärke, da der Strom durch den elektrischen Shim variabel eingestellt werden kann. Dank der tiefen Temperatur des im gekühlten Innenraum der Kryostatanordnung angeordneten elektrischen Shims ist dessen elektrischer Widerstand typischerweise um einen Faktor 10 kleiner als bei Raumtemperatur-Shims, was die Einspeisung von Strömen erlaubt, die mindestens dreimal größer sind und daher deutlich höhere Magnetfelder erzeugen können.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die elektrischen Shimelemente aus Kupfer gefertigt sind, weil Kupfer eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Dadurch wird die Wärmeentwicklung des stromdurchflossenen Leiters reduziert.
Besonders bevorzugt sind auch Ausführungsformen der Erfindung, bei denen zwischen dem Vorratstank und dem Spulentank mindestens ein Strahlungsschild vorgesehen ist, welcher in einem Betriebszustand des Magnetspulensystems eine Temperatur zwischen derjenigen des ersten und des zweiten kryogenen Fluids aufweist. Eine wesentliche Anforderung an einen Strahlungsschild ist, dass es möglichst isotherm ist. Dies bedingt üblicherweise, dass der Strahlungsschild aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, und dass die Geometrie des Strahlungsschilds so gewählt wird, dass von jedem Punkt des Strahlungsschilds guter Wärmetransport zu dem Punkt möglich ist, an dem der Strahlungsschild mit einer „Wärmesenke“ verbunden ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung ist mindestens ein Kryokühler zur Reduzierung des Verbrauchs des ersten und/oder des zweiten kryogenen Fluids in der Kryostatanordnung vorhanden. Kryokühler erzeugen Vibrationen, die sich auf die verschiedenen Bauteile des Kryostaten übertragen. Die Erfindung jedoch sorgt dafür, dass das Rohrelement und der Spulentank synchron vibrieren und somit Wirbelströme im Rohrelement unterdrückt werden.
Mit besonderem Vorteil lässt sich die vorliegende Erfindung einsetzen, wenn in der Kryostatanordnung eine Raumtemperaturbohrung mit vertikaler oder horizontaler Achse vorhanden und die Kryostatanordnung Teil einer NMR-Apparatur für Spektroskopie oder Bildgebung ist. Horizontale Magnetbohrungen sind gerade für MRI-Systeme besonders günstig, da das Untersuchungsobjekt (z.B. ein Mensch oder ein Tier) dann waagerecht liegend in den Probenraum im Magnetzentrum eingebracht werden kann. In Systemen für Spektroskopie, in denen vorwiegend Flüssigkeiten untersucht werden, kommen oft vertikale Magnetbohrungen zum Einsatz, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeitsoberfläche nicht im Probenvolumen liegt.
Innerhalb der Bohrung sind die Platzverhältnisse sehr begrenzt, da zusätzlich zum Rohrelement, das thermisch leitend mit dem Vorratstank verbunden ist, auch noch das Innenrohr des Spulentanks und das Innenrohr des Außenbehälters untergebracht werden müssen. Diese Innenrohre sollen dem supraleitenden Magnetspulensystem möglichst wenig Platz wegnehmen. Berührungen zwischen den Innenrohren müssen allerdings um jeden Preis vermieden werden. Bei vertikalen Magnetbohrungen verläuft der Gravitationsvektor parallel zur Achse der Bohrung, d.h. Verformungen aufgrund des Eigengewichts führen üblicherweise nicht zu Berührungen der Komponenten (Strahlungsschilde, etc.) innerhalb der Bohrung. Dies ist bei Systemen mit horizontaler Bohrung nicht so, weshalb die Aufhängungen des Spulentanks bei Systemen mit horizontaler Bohrung besonders fest ausgeführt werden müssen.
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.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Vertikalschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;
2 eine Vertikalschnittansicht einer Kryostatanordnung nach dem Stand der Technik;
3 eine schematische Detailansicht des geschlitzten Bodenelements von der Seite und von unten;
4 eine schematische Detailansicht des Rohrelements mit darauf aufgebrachten elektrischen Shimelementen;
5 eine schematische Vertikalschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit einem Kryokühler; und
6 eine isometrische Ansicht des Vorratstanks, welcher über federnde, wärmeleitende Verbindungselemente mit dem Deckelelement verbunden ist.

Die 1 und 3 bis 6 der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Ansicht in unterschiedlichem Detail bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetanordnung, während 2 eine generische Kryostatanordnung nach dem nächstkommenden Stand der Technik darstellt.
Eine derartige Kryostatanordnung 1 weist einen Außenbehälter 2 auf, in welchem ein Spulentank 3 mit einem zu kühlenden supraleitenden Magnetspulensystem 4 sowie mit einem ersten kryogenen Fluid 5 angeordnet sind. Das supraleitende Magnetspulensystem 4 wird zumindest in einem Betriebszustand auch von einem in einem Vorratstank 6 befindlichen zweiten kryogenen Fluid 7 gekühlt, dessen Temperatur über der des ersten kryogenen Fluids 5 liegt. Der Spulentank 3 ist mittels mindestens eines ersten Aufhängungselements 8 und der Vorratstank 6 mittels mindestens eines zweiten Aufhängungselements 9 mechanisch starr am Außenbehälter 2 befestigt. Zudem ist der Vorratstank 6 thermisch mit einem Deckelelement 10 verbunden, welches über mindestens ein Koppelelement 11 thermisch leitend sowie mechanisch starr mit dem ersten Aufhängungselement 8 und thermisch leitend sowie mechanisch starr mit einem Rohrelement 13 verbunden ist.
Als erstes kryogenes Fluid wird in der Regel flüssiges Helium eingesetzt, welches eine tiefere Betriebstemperatur als das zweite kryogene Fluid -zumeist flüssiger Stickstoff- aufweist. Der Außenbehälter 2 wird normalerweise als Vakuumbehälter ausgeführt sein.
Zur Erzeugung hoher Magnetfelder oder zur Volumenreduktion von supraleitenden Magnetspulensystemen ist es oft vorteilhaft, das flüssige Helium zu unterkühlen, denn damit wird die kritische Stromdichte des Supraleiters erhöht. Die Unterkühlung erfolgt entweder durch Generierung eines Unterdrucks im Spulentank oder durch den Einsatz einer Unterkühleinheit wie z.B. in der DE 40 39 365 A1 (= Referenz [7]) beschrieben wird. Insbesondere kann es vorkommen, dass ein weiterer Vorratstank vorkommt mit z.B. flüssigem Helium bei Normaldruck. Auch für solche Kryostatanordnungen ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft.
Die vorliegende Erfindung erweitert diese an sich bekannte Anordnung um folgende erfindungswesentlichen Elemente: Die erfindungsgemäße Kryostatanordnung 1 zeichnet sich gegenüber den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik dadurch aus, dass das Deckelelement 10 mechanisch über ein federndes, wärmeleitendes Verbindungselement 12 mit dem Vorratstank 6 verbunden ist, wobei das Verbindungselement 12 sowohl mit dem Deckelelement 10 als auch mit dem Vorratstank 6 in thermischem Kontakt steht.
Bei Ausführungsformen der Erfindung kann -wie in 1 gut zu erkennen istein Flanschelement 14 vorhanden sein, welches sowohl zur thermischen als auch zur starren mechanischen Verbindung des Deckelelements 10 mit dem Rohrelement 13 dient. Das Flanschelement 14 kann aus einem Material bestehen, das sich beim Abkühlen von Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur der Kryostatanordnung 1 mehr zusammenzieht als das Material des Rohrelements 13. Beispielsweise kann das Rohrelement 13 aus Kupfer, das Flanschelement 14 aus Aluminium aufgebaut sein. Das Flanschelement 14 kann auch einerseits mit dem Deckelelement 10 verschraubt und andererseits mit dem Rohrelement 13 verlötet oder verschweißt werden.
Wie ebenfalls in 1 zu erkennen, kann der Vorratstank 6 sowohl über das Deckelelement 10 als auch über ein Bodenelement 15 thermisch mit dem Rohrelement 13 verbunden sein. Dieses Bodenelement 15 wiederum kann mechanisch über ein weiteres federndes, wärmeleitendes Verbindungselement 12', vorzugsweise mit einer Federkonstante ≤ 100N/mm, mit dem Vorratstank 6 verbunden sein.
Vorzugsweise wird das Bodenelement 15 mechanisch flexibel aufgebaut sein. Bei Weiterbildungen kann dies dadurch realisiert werden, dass es bezüglich einer Raumtemperaturbohrung 16 der Kryostatanordnung 1 radial verlaufende Schlitze 15' aufweist. Dies ist schematisch in 3 gezeigt.
Details einer weiteren Ausführungsform sind in 4 dargestellt. Hier ist ein Shimsystem zur Homogenisierung des vom supraleitenden Magnetspulensystem 4 erzeugten Magnetfelds vorhanden, welches Shimelemente 17 aus magnetischem Material und/oder elektrische Shimelemente 17 umfasst. Die Shimelemente 17 können radial innerhalb oder außerhalb am Rohrelement 13 angebracht sein. Im Falle von elektrischen Shimelementen 17 werden diese aus Kupfer gefertigt sein und beispielsweise in Form von Schlaufen-förmigen elektrischen Spulen auf dem Außenumfang des Rohrelements 13 aufgebracht sein.
5 zeigt außerdem eine Ausführungsform, bei der zwischen dem Vorratstank 6 und dem Spulentank 3 mindestens ein Strahlungsschild 18 vorgesehen ist, welcher in einem Betriebszustand des supraleitenden Magnetspulensystems 4 eine Temperatur zwischen derjenigen des ersten und des zweiten kryogenen Fluids aufweist.
Zusätzlich ist in dieser Figur auch ein aktiver Kühler in Form eines Kryokühlers 19 zur Reduzierung des Verbrauchs des ersten und/oder des zweiten kryogenen Fluids in der Kryostatanordnung 1 abgebildet. Im Falle von NMR-Magneten kann beispielsweise ein vibrationsarmer Pulsrohrkühler zum Einsatz kommen.
Schließlich zeigt 6 eine isometrische Ansicht des Vorratstanks 6, welches über federnde, wärmeleitende Verbindungselemente 12 mit dem Deckelelement 10 verbunden ist. Diese Verbindungselemente sind hier als Weilbälge dargestellt. In einer anderen Ausführungsform werden Litzen, vorzugsweise aus Kupfer, verwendet.
Die Merkmale aller oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können -jedenfalls größtenteils- auch miteinander kombiniert werden.
Referenzliste:
Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften

[1] EP 0 780 698 B1 ; US 5,744,959 A
[2] DE 42 27 388 C2 ; EP 0 586 947 B1 ; US 5,404,726 A
[3] DE 29 06 060 A1
[4] DE 101 04 054 C1 ; EP 1 229 340 B1 ; US 6,617,853 B2
[5] DE 10 2015 225 731 B3 ; EP 3 182 147 B1 ; US 9,766,312 B2
[6] JP 2000037366 A
[7] DE 40 39 365 A1

Bezugszeichenliste

1: Kryostatanordnung
2: Außenbehälter
3: Spulentank
4: supraleitendes Magnetspulensystem
5: erstes kryogenes Fluid
6: Vorratstank
7: zweites kryogenes Fluid
8: erstes Aufhängungselement
9: zweites Aufhängungselement
10: Deckelelement
11: Koppelelement
12: Verbindungselement
12': weiteres Verbindungselement
13: Rohrelement
14: Flanschelement
15: Bodenelement
15': Schlitze
16: Raumtemperaturbohrung
17: Shimelemente
18: Strahlungsschild
19: Kryokühler

Claims

Kryostatanordnung (1) mit einem Außenbehälter (2), in welchem ein Spulentank (3) mit einem zu kühlenden supraleitenden Magnetspulensystem (4) sowie einem ersten kryogenen Fluid (5) und ein Vorratstank (6) mit einem zweiten kryogenen Fluid (7) angeordnet sind, wobei zumindest in einem Betriebszustand des Magnetspulensystems (4) die Temperatur des ersten (5) unter derjenigen des zweiten (7) kryogenen Fluids liegt, wobei der Spulentank (3) mittels mindestens eines ersten Aufhängungselements (8) und der Vorratstank (6) mittels mindestens eines zweiten Aufhängungselements (9) mechanisch starr am Außenbehälter (2) befestigt sind, wobei der Vorratstank (6) thermisch mit einem Deckelelement (10) verbunden ist, welches thermisch leitend sowie mechanisch starr mit einem Rohrelement (13) und über mindestens ein Koppelelement (11) thermisch leitend sowie mechanisch starr mit dem ersten Aufhängungselement (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (10) mechanisch über ein federndes, wärmeleitendes Verbindungselement (12) mit dem Vorratstank (6) verbunden ist, wobei das Verbindungselement (12) sowohl mit dem Deckelelement (10) als auch mit dem Vorratstank (6) in thermischem Kontakt steht.
Kryostatanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12) einen Wellbalg, Litzen oder Gewebe aus thermisch leitendem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit > 100 W/mK, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, umfasst.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12) bei Verschiebung des Vorratstanks (6) nur eine Kraft ≤ 100 N/mm auf das Deckelelement (10) überträgt.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl zur thermischen als auch zur starren mechanischen Verbindung des Deckelelements (10) mit dem Rohrelement (13) ein Flanschelement (14) vorhanden ist, welches aus einem Material besteht, das sich beim Abkühlen von Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur der Kryostatanordnung (1) mehr zusammenzieht als das Material des Rohrelements (13).
Kryostatanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (13) aus Kupfer, das Flanschelement (14) aus Aluminium aufgebaut ist.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl zur thermischen als auch zur starren mechanischen Verbindung des Deckelelements (10) mit dem Rohrelement (13) ein Flanschelement (14) vorhanden ist, welches einerseits mit dem Deckelelement (10) verschraubt und andererseits mit dem Rohrelement (13) verlötet oder verschweißt ist.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratstank (6) sowohl über das Deckelelement (10) als auch über ein Bodenelement (15) thermisch mit dem Rohrelement (13) verbunden ist.
Kryostatanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenelement (15) mechanisch über ein weiteres federndes, wärmeleitendes Verbindungselement (12'), vorzugsweise mit einer Federkonstante ≤ 100 N/mm, mit dem Vorratstank (6) verbunden ist.
Kryostatanordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenelement (15) mechanisch flexibel aufgebaut ist und vorzugsweise bezüglich einer Raumtemperaturbohrung (16) der Kryostatanordnung (1) radial verlaufende Schlitze (15') aufweist.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Shimsystem zur Homogenisierung des vom Magnetspulensystem (4) erzeugten Magnetfelds vorhanden ist, welches Shimelemente (17) aus magnetischem Material und/oder elektrische Shimelemente (17) umfasst.
Kryostatanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9 sowie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Shimelemente (17) radial innerhalb oder außerhalb am Rohrelement (13) angebracht sind.
Kryostatanordnung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Shimelemente (17) am Rohrelement (13) aus Kupfer gefertigt sind.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorratstank (6) und dem Spulentank (3) mindestens ein Strahlungsschild (18) vorgesehen ist, welcher in einem Betriebszustand des supraleitenden Magnetspulensystems (4) eine Temperatur zwischen derjenigen des ersten (5) und des zweiten (7) kryogenen Fluids aufweist.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kryokühler (19) zur Reduzierung des Verbrauchs des ersten (5) und/oder des zweiten (7) kryogenen Fluids in der Kryostatanordnung (1) vorhanden ist.
Kryostatanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Raumtemperaturbohrung (16) mit vertikaler oder horizontaler Achse vorhanden ist, und dass die Kryostatanordnung (1) Teil einer NMR-Apparatur für Spektroskopie oder Bildgebung ist.