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Hintergrund
der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Kryostatenanordnung
für die
Aufbewahrung von flüssigem
Helium, mit einem Außenmantel,
einem darin angeordneten Heliumbehälter, einem im Betriebszustand
mit gasförmigem
Helium gefüllten
Halsrohr und einem Refrigerator, wobei das obere Ende des Halsrohrs
mit dem im Betriebszustand umgebungswarmen Außenmantel und das untere Ende
des Halsrohrs mit dem im Betriebszustand mit flüssigem Helium beschickten Heliumbehälter verbunden
ist, wobei der Außenmantel, der
Heliumbehälter
und das Halsrohr einen evakuierten Raum begrenzen, welcher den Heliumbehälter umschließt; und
wobei der Refrigerator einen Kühlfinger
aufweist, welcher vom oberen Ende des Halsrohrs in das Halsrohr
hineinragt, und welcher im Bereich des unteren Endes des Halsrohrs
einen Kondensationskörper
aufweist, der im Betriebszustand auf die Temperatur flüssigen Heliums
abgekühlt
ist.
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Eine solche Kryostatenanordnung ist
beispielsweise aus der
DE
100 33 410 C1 bekannt geworden.
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Supraleitende Magnete werden zur
Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken eingesetzt, insbesondere
in Kernspinresonanzapparaturen. Zum Betrieb von supraleitenden Magneten
ist eine Kühlung
der zugehörigen
Magnetspulen, die aus einem supraleitenden Draht gewickelt sind,
notwendig. Zur Kühlung
werden die Magnetspulen typischerweise in flüssigem Helium mit einer Temperatur
von ca. 4,2 K angeordnet. Diese Kühltemperatur liegt unterhalb
der kritischen Temperatur (Sprungtemperatur) Tc des Drahtmaterials,
wodurch der supraleitende Zustand des Drahtes gewährleistet
wird.
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Die Kryostatenanordnung dient dazu,
den supraleitenden Magneten auf der vorgesehenen Betriebstemperatur
zu halten. Die wesentlichen Bauelemente der Kryostatenanordnung
sind ein Heliumbehälter,
welcher insbesonder flüssiges
Helium und den supraleitenden Magneten enthält, ein Außenmantel, ein oder mehrere
Halsrohre, welche den Heliumbehälter
und den Außenmantel
verbinden und Zugang zum Inneren des Heliumbehälters gewähren, sowie Strahlungsschilde,
die in einem evakuierten Raum zwischen dem Heliumbehälter und
dem Außenmantel
angeordnet sind.
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Das Halsrohr bzw. die Halsrohre sind
nötig, um
den supraleitenden Magneten zu laden, den Heliumbehälter mit
Helium zu füllen
und auch um ein Abdampfen des Heliums zu ermöglichen. Insbesondere bei einem
Quench einer Magnetspule im Heliumbehälter, bei dem sich die Magnetspule
spontan auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Helium
erwärmt,
werden große
Mengen flüssigen
Heliums in den gasförmigen
Aggregatszustand übergeführt. Um
einen unzulässig
hohen (d.h. explosionsgefährlichen)
Druckanstieg zu vermeiden, muss der Durchmesser des Halsrohrs (bzw.
der Halsrohre) sowie des Zugangsstutzens ausreichend groß ausgelegt
sein.
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Halsrohre sind in der Regel aus Edelstahl,
Titanlegierungen oder GFK gefertigt. Sie besitzen typischerweise
eine Länge
von etwa einem Meter oder weniger und erstrecken sich senkrecht
oder geringfügig
geneigt von ihrem kalten, mit dem Heliumbehälter verbundenen Ende zu ihrem
umgebungswarmen, mit dem Außenmantel
verbundenen Ende.
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Der evakuierte Raum und die Strahlungsschilde
dienen dazu, den Wärmeeintrag
in den Heliumbehälter
zu minimieren. Wärmeeintrag
erfolgt insbesondere durch Strahlung (ausgehend insbesondere vom
umgebungswarmen Außenmantel),
durch Konvektion und Wärmeleitung
von Restgas im evakuierten Raum, durch Wärmeleitung im Halsrohr sowie
durch Konvektion und Wärmeleitung
von Heliumgas im Halsrohr.
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Der Wärmeeintrag führt zu einem
Verdampfen des flüssigen
Heliums. Dieses muss entweder von außen nachgefüllt werden, was aufgrund der Größenordnung
von ca. 0,1 l/h (Liter pro Stunde) sehr teuer ist, oder aber es
müssen
Refrigeratoren zur aktiven Kühlung
der Kryostatenanordnung eingesetzt werden. Eine Kryostatenanordnung
mit einem Refrigerator als aktiver Kühlung ist zum Beispiel aus
EP 0 773 450 A1 bekannt.
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Ein Refrigerator besteht im wesentlichen
aus einem Kaltkopf, der über
Druckleitungen an einen entfernt aufgestellten Kompressor angeschlossen und über eine
Montageplatte am Außenmantel
befestigt ist, und aus einen Kühlfinger.
Der Kühlfinger ragt
in ein Halsrohr oder in eine separate Öffnung in den evakuierten Raum
hinein. Im Betrieb wird das von der Montageplatte abgewandte Ende
des Kühlfingers
auf Temperaturen von 2 bis 3 K abgekühlt. Die Wärmeleistung wird entweder mittels
eines Kondensationskörpers
(Wärmetauschers)
dem Helium entzogen oder über
wärmeleitfähige Verbindungen
dem Heliumbehälter
entzogen. Der Kühlfinger
besteht typischerweise aus mehreren parallel angeordneten Rohren,
die für
die Erzeugung einer optimalen Kühlleistung
unterschiedliche Funktionen besitzen.
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Kaltköpfe können grundsätzlich auch mehrstufig aufgebaut
sein. Dabei wird eine erste, näher
an der montageplatte angeordnete Stufe im Betrieb auf eine erste
niedrige Temperatur abgekühlt,
während die
weiteren Stufen auf noch tiefere Temperaturen abgekühlt werden.
Die verschiedenen Stufen können gut
wärmeleitend
mit den Strahlungsschilden und/oder dem Heliumbehälter verbunden
werden, um diese Komponenten aktiv zu kühlen.
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Refrigeratoren für diese Anwendung können beispielsweise
nach dem Prinzip von Gifford-McMahon arbeiten oder als Pulsrohrkühler aufgebaut
sein.
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Durch den Einbau eines Kaltfingers
in das Halsrohr des Kryostaten kann durch Temperaturgradienten in
der Halsrohrwand bzw. zwischen Halsrohrwand und Kühlfinger
eine Konvektion im Halsrohr verursacht werden, wodurch es zu einem
zusätzlichen,
unerwünschten
Wärmeeintrag
in den Heliumbehälter
kommt. Diese Temperaturgradienten können beispielsweise geometrisch
durch die räumliche Anordnung
bedingt sein oder durch unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten verursacht werden.
Diese Probleme treten besonders zu Tage, wenn nur wenig oder gar
kein Helium durch das Halsrohr abströmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es demgegenüber,
die thermischen Eigenschaften einer Kryostatenanordnung mit aktiver
Kühlung
durch einen Refrigerator zu verbessern, und insbesondere Kontrolle über Konvektionsströme von gasförmigem Helium
im Inneren eines Halsrohres zu erlangen.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
der Kondensationskörper
zumindest teilweise unmittelbar von einer Kondensationskammer umgeben
ist, welche eine erste, untere Öffnung
aufweist, die einen Abfluss von in der Kondensationskammer kondensiertem
flüssigen
Helium in den Heliumbehälter
ermöglicht,
und welche eine zweite Öffnung
aufweist, die in ein unteres Ende eines Gaszufuhrrohrs mündet, wobei
das obere Ende des Gaszufuhrrohr in den Bereich des oberen Endes
des Halsrohrs im Inneren des Halsrohres mündet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Kyrostatenanordnung wird der Kondensationskörper in zwei Bereiche unterteilt:
An der innerhalb der Kondensationskammer befindlichen Fläche des Kondensationskörpers kondensiert
Heliumgas, welches über
das Gaszufuhrrohr aus dem oberen, relativ warmen Bereich des Halsrohres
entnommen wird. Das Kondensat kann durch die erste, untere Öffnung der
Kondensationskammer abtropfen oder abfließen. Das im oberen Bereich
des Halsrohrs entnommene Heliumgas muss aus dem Heliumbehälter von
unten nachströmen,
wodurch eine Gasströmung
im Halsrohr erzeugt wird. Ein anderer Teil der Oberfläche des Kondensationskörpers ist
nicht von der Kondensationskammer umgeben. An diesem anderen Teil
kondensiert relativ kaltes Helium aus der unmittelbaren Umgebung,
nämlich
aus dem Heliumbehälter.
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Damit wird also ein Teil der zur
Kühlung
des Kaltfingers vorgesehenen Energie zur Erzeugung einer kontrollierten
Heliumgasströmung
im Halsrohr genutzt. Dabei kann die Wahl der Anteile zwischen von
der Kondensationskammer umgebener und freiliegender Oberfläche des
Kondensationskörpers
zur Einstellung der Stärke
der Heliumgasströmung
verwendet werden. Dadurch werden andere, unerwünschte Konvektionsströme unterbunden.
Durch die Erfindung kann also die Stärke des Konvektionsstroms insbesondere
der notwendigen bzw. erwünschten
Vorkühlung
der Halsrohrwand (durch aufströmendes,
relativ kaltes gasförmiges
Helium) angepasst werden.
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Je größer der Anteil der von der
Kondensationskammer umschlossenen Oberfläche des Kondensationskörpers ist,
desto größer ist
die relative Menge von kondensiertem, ursprünglich relativ warmen Heliumgas
aus dem oberen Bereich des Halsrohres, und desto stärker ist
die Heliumgasströmung im
Halsrohr. Die Strömung
wird auch von der Positionierung des oberen Endes des Gaszufuhrrohrs
und dem Innendurchmesser des Gaszufuhrrohres beeinflusst.
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Bei ausreichend langsamer Gasströmung ist die
thermische Bilanz der Heliumgasströme ausgeglichen, da das aufsteigende
Helium Wärmeenergie mit
dem im Gaszufuhrrohr absteigenden Helium bis zum Erreichen eines
Gleichgewichtszustands austauschen kann.
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Bei den herkömmlichen Kreislaufkryostaten ergibt
sich regelmäßig eine
Konvektion im Halsrohr, die sehr viel stärker ist als zur Kühlung der
Halsrohrwand nötig
wäre. Durch
Wechselwirkung des strömenden
Gases mit dem warmen, oberen Ende des Halsrohres oder der Montageplatte
kommt es dadurch zu einer ständigen,
unnötigen
Wärmeeinleitung
in den Heliumbehälter.
Diese unerwünschte Wärmeeinleitung
muss im Stand der Technik durch zusätzliche Kühlleistung, d.h. Energieaufwand,
ausgeglichen werden. Die erfindungsgemäße Kryostatenanordnung kann
somit zu einer Reduktion der Betriebskosten einer Kryostatenanordnung
bzw. einer NMR-Apparatur beitragen.
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Um eine merkliche Gaszufuhr in die
Kondensationskammer durch die erste, untere Öffnung zu vermeiden, ist erfindungsgemäß der Durchmesser der
ersten, unteren Öffnung
der Kondensationskammer deutlich kleiner als der Durchmesser der
zweiten Öffnung
und des Gaszuleitungsrohrs, oder aber es ist ein Ventil an der ersten,
unteren Öffnung
vorgesehen, das ausschließlich
ein Ausströmen
von Heliumgas und/oder flüssigem
Helium aus der Kondensationskammer gestattet, oder aber ein Einströmen von gasförmigen Helium
durch die erste, untere Öffnung wird
durch flüssiges
Helium des Heliumtanks blockiert (siehe unten).
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
enthält der
evakuierte Raum einen Strahlungsschild, welcher mittels einer Ankopplung
wärmeleitend
mit dem Halsrohr verbunden ist. Der Strahlungsschild verringert
die Wärmeeinstrahlung
auf den Heliumbehälters.
Durch die mit der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
angepasste Konvektion wird der Strahlungsschild vorgekühlt, wodurch
dessen Isolationseigenschaften weiter verbessert werden.
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In einer Weiterbildung der obigen
Ausführungsform
ist im Halsrohr ein gut wärmeleitendes Verbindungselement
zwischen der Ankopplung des Strahlungsschildes und einer Stufe des
Refrigerators vorgesehen. Dadurch kann eine direkte Kühlung des Strahlungsschildes über die
zusätzliche
Stufe des Refrigerators bewirkt werden, was die Isolationseigenschaften
der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
verbessert.
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In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieser
Weiterbildung enthält
das Verbindungselement Kupfer oder es besteht aus Kupfer. Kupfer
besitzt für
diese Anwendung optimale Materialeigenschaften, insbesondere gute
Wärmeleitfähigkeit
auch bei den im Betriebszustand tiefen Temperaturen.
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Eine alternative oder zusätzliche
Ausgestaltung obiger Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
sieht vor, dass das Verbindungselement das Innere des Halsrohres
in einen oberen und einen unteren Teil unterteilt, dass das Gaszufuhrrohr
das Verbindungselement durchstößt, und
dass das Verbindungselement im äußeren Bereich,
der dem evakuierten Raum zugewandt ist, eine oder mehrere Gasdurchlassöffnungen
aufweist. Bei diesem räumlichen
Aufbau herrschen besonders günstige
Konvektionseigenschaften vor. Insbesondere erfolgt die Aufwärtsströmung des
relativ kalten Heliumgases im Bereich der Wand des Halsrohres. Es versteht
sich, dass auch mehrere Strahlungsschilde mit mehreren Stufen des
Refrigerators über
mehrere Verbindungselemente erfindungsgemäß verbunden werden können.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der
Refrigerator ein Pulsrohrkühler
ist. Pulsrohrkühler
sind wartungsfreundlich und vibrationsarm.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der die Kondensationskammer eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als 300 W/mK.
Dadurch ist der Grad der Isolation der Kondensationskammer über deren
Wandmaterial vorwählbar.
Damit kann der reine Anteil der Kondensation in der Kondensationskammer
eingestellt werden, d.h. die absolute Menge kondensierten Heliums
pro Zeiteinheit, wodurch wiederum die Stärke des Heliumgasstroms im
Halsrohr zugänglich
ist.
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Eine weitere, ganz besonders bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
sieht vor, dass das Gaszufuhrrohr einen Wärmetauscher aufweist, der das
Gaszufuhrrohr thermisch an das im Betriebszustand im Halsrohr befindliche
gasförmige
Helium koppelt. Dadurch wird das in die Kondensationskammer einströmende Helium
vorgekühlt,
wodurch die Effizienz der Kondensation verbessert wird. Auch wird
der Wärmeeintrag
in den Heliumbehälter
verringert.
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Überaus
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei der die untere Öffnung
der Kondensationskammer im normalen Betriebszustand vollständig in flüssiges Helium
des Heliumbehälters
eingetaucht ist. Bei dieser Anordnung ist kein Einströmen von gasförmigem Helium
durch die erste, untere Öffnung in
die Kondensationskammer möglich.
Ein solches Einströmen
würde einerseits
den entgegengesetzten Abfluss des kondensierten Heliums behindern,
zum anderen aber auch die Menge des durch das Gaszufuhrrohrs angesaugten
Heliums verringern. Diese Ausführungsform
erhöht
also die Kontrolle über
den Heliumgasstrom (Stabilisierungskreislauf).
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Die gleichen Vorteile besitzt eine
erfindungsgemäße Ausführungsform,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass an der unteren Öffnung der
Kondensationskammer ein rohrförmiger
Fortsatz angebracht ist, dessen Ende im normalen Betriebszustand
vollständig
in flüssiges
Helium des Heliumbehälters
eingetaucht ist. Darüber
hinaus besitzt diese Anordnung über
die Wahl der Länge
des rohrförmigen
Fortsatzes eine größere Flexibilität, sowohl
bezüglich
der Position des Kühlfingers
als auch bezüglich
der möglichen
Füllstände des
flüssigen
Heliums im Heliumbehälter.
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Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung, bei
der im normalen Betriebszustand der Refrigerator so eingestellt
ist, dass aus dem Heliumbehälter
kein Helium abdampft. Dies schafft stabile thermische Verhältnisse,
d.h. es treten kaum oder keine zeitlichen Temperaturschwankungen
an der Kryostatenanordnung, insbesondere an etwaigen Magnetspulen im
Heliumbehälter,
auf. Außerdem
werden teuere Heliumverluste vermieden.
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In einer ganz besonders bevorzugten
Ausführungsform
enthält
der Heliumbehälter
eine supraleitende Magnetspule. Dies stellt eine wichtige Anwendung
von Kryostatenanordnungen dar.
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Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht
vor, dass im normalen Betriebszustand die supraleitende Magnetspule
supraleitend kurzgeschlossen ist. Aufgrund der sehr geringen Verluste
("low loss") bei der Stromleitung
in der kurzgeschlossenen supraleitenden Magnetspule kann eine hervorragende
zeitliche Stabilität
des durch die Magnetspule erzeugten Magnetfelds erreicht werden.
Die Stabilität der
erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
erhöht ebenfalls
die Stabilität
des Magnetfelds.
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Schließlich ist noch eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
bevorzugt, die Teil einer NMR-Apparatur ist. Da auf Nachfüllvorgänge von
flüssigem
Helium verzichtet werden kann, und auch eine hohe zeitliche Stabilität der Arbeitsbedingungen
der Kryostatenanordnung erreicht werden kann, kann die NMR-Apparatur
besonders hochaufgelöste
Messergebnisse liefern.
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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 aufgeführten 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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Zeichnung
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Die Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigt:
- 1:
einen schematischen Querschnitt einer Kryostatenanordnung im Halsrohrbereich
nach dem Stand der Technik;
- 2: einen schematischen
Querschnitt durch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
im Halsrohrbereich;
- 3: einen schematischen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform mit einem wärmeleitenden
Verbindungselement;
- 4: einen schematischen
Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform mit einem rohrförmigen Fortsatz
an einer Kondensationskammer.
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Die 1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch eine Kryostatenanordnung nach
dem bekannten Stand der Technik. Ein Refrigerator 1 ist mit
einer nicht eingezeichneten Kompressoreinheit über nicht eingezeichnete Druckleitungen
verbunden und ist über
eine Montageplatte 7 mit dem Außenmantel 2 der Kryostatenanordnung
verbunden. Die Montageplatte 7 verschließt gleichzeitig
ein oberes Ende eines Halsrohres 3, das sich vom Außenmantel 2 zum
Heliumbehälter 5 näherungsweise
senkrecht erstreckt. Durch einen Stutzen 8 in der Montageplatte 7 wird über das
Halsrohr 3 ein Zugang vom Außenraum 10 der Kryostatenanordnung
zum Inneren des Heliumbehälters 5 ermöglicht,
wo eine Magnetspule 6 aus supraleitfähigem Draht angeordnet ist.
Dieser Zugang wird beispielsweise zum Aufladen der Magnetspule für elektrische
Anschlüsse
oder zum Auffüllen
des flüssigen
Heliums benötigt.
Im Heliumbehälter 5 befindet
sich im normalen Betriebszustand flüssiges Helium, welches die
Magnetspule 6 vollständig umspült. Das
Halsrohr 3 und der Stutzen 8 ermöglichen
außerdem
ein Entweichen von Heliumgas in den Außenraum 10, welches
im Falle eines spontanen Zusammenbruchs der Supraleitung in der
aufgeladenen Magnetspule (Quench) plötzlich freigesetzt wird. Dadurch
wird ein gefährlich
hoher Druckanstieg im Heliumbehälter
im Falle eines Quenches vermieden.
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Der Außenmantel 2, das Halsrohr 3 und
der Heliumbehälter 5 begrenzen
einen evakuierten Raum 9, der zur thermischen Isolation
des Heliumbehälters 5 dient
und diesen vollständig
umhüllt.
Der evakuierte Raum 9 verhindert Wärmeeintrag in den Heliumbehälter 5 durch
Konvektion oder Wärmeleitung
von Gasen. Zur Verbesserung der Isolationseigenschaften ist im evakuierten
Raum 9 ein Strahlungsschild 11 angeordnet. Der
Strahlungsschild 11 ist über ein gut wärmeleitendes
Verbindungselement 12 an eine Zwischenstufe des Refrigerators
angekoppelt, so dass eine ständige
aktive Kühlung
des Strahlungsschildes 11 erfolgen kann. Dadurch wird Strahlungswärme, die
durch den Außenmantel 2 eingebracht
wird, nicht dem Heliumbehälter 5,
sondern dem Refrigerator 1 zugeführt.
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Der Refrigerator 1 weist
einen zweistufigen Kühlfinger 4 auf,
der weit in das Halsrohr von oben hereinragt und sich bis in den
Heliumbehälter 5 erstreckt.
An seinem unteren Ende besitzt der Kühlfinger 4 einen Kondensationskörper 15,
der auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von flüssigem Helium
(Siedepunkt Helium ca. 4,2 K) abgekühlt ist. Am Kondensationskörper 15 kommt
es daher zur Kondensation von gasförmigem Helium aus der unmittelbaren
Umgebung der Oberfläche
des Kondensationskörpers 15 zu
flüssigem
Helium, welches in das Reservoir im Heliumbehälter 5 tropft.
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Die Wand des Halsrohrs 3 steht
mit dem Außenmantel 2 in
thermischem Kontakt und ist daher wärmer als die mittlere Temperatur
des Heliumgases im Halsrohr 3. Das in unmittelbarer Näher der
Halsrohrswand befindliche Heliumgas wird daher erwärmt. Dadurch
sinkt dessen Dichte und es steigt nach oben. Die Wand des Refrigerators 1 bzw.
des Kühlfingers 4 ist
aufgrund der aktiven Kühlung
kälter als
die mittlere Temperatur des Heliumgases im Halsrohr. Daher wird
Heliumgas in unmittelbarer Nähe zum
Refrigerator 1 abgekühlt,
wodurch dessen Dichte ansteigt und infolge der Schwerkraft nach
unten sinkt. Dadurch kommt es zu unerwünschten Konvenktionsströmungen 13 und 14 von
Heliumgas im Halsrohr. Die Stärke
dieser Konvektionsströmungen hat
sich als vergleichsweise hoch erwiesen. Durch den Kontakt des Heliumgases
mit vergleichsweise warmen Bauelementen des Kryostaten, insbesondere
der Montageplatte 7 und dem oberen Ende der Halsrohrwand,
findet durch diese Konvektion ein Wärmeeintrag in den Heliumbehälter 5 statt.
Die Stärke
der Konvektion ist in der in 1 gezeigten Kryostatenanordnung
bei fester Gesamtkühlleistung kaum
kontrollierbar.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung
schematisch dargestellt. Diese umfasst sowohl wesentliche Elemente
einer herkömmlichen
Kryostatenanordnung als auch erfindungsgemäße Erweiterungen. Ein Refrigerator 1b weist
(wie der Refrigerator 1 in 1) eine
Zwischenstufe 19 auf, besitzt aber im Bereich eines Kondensationskörpers (d.h.
Wärmetauschers) 15b eine
Kondensationskammer 16, die einen Teil des Kondensationskörpers 15b umgibt.
Diese Kondensationskammer 16 besitzt zwei Zugänge: Eine erste,
untere Öffnung 17 ermöglicht den
Abfluss von kondensiertem, flüssigen
Helium aus der Kondensationskammer 16 in einen Heliumbehälter 5b.
Eine zweite, in der dargestellten Ausführungsform seitlich angebrachte Öffnung mündet in
ein Gaszuleitungsrohr 18, welches sich bis in den oberen
Teil des Innenbereichs des Halsrohrs erstreckt und dort mündet.
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Gasförmiges Helium, welches in der
Kondensationskammer 16 kondensiert, wird durch durch das
Gaszuleitungsrohr einströmendes
gasförmiges Helium
ersetzt. Das heißt,
die Kondensationskammer saugt gasförmiges Helium aus dem oberen
Bereich des Halsrohres ab. Im Gegenzug muss gasförmiges Helium aus dem Heliumbehälter 5b in
den oberen Bereich des Halsrohres nachströmen (siehe Pfeil nach oben).
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Dadurch wird eine Heliumgasströmung im Halsrohr
entsprechend den Pfeilrichtungen in 2 induziert.
Dieser Stabilisierungskreislauf verhindert insbesondere das Entstehen
einer unerwünschten Konvektionsströmung aufgrund
von Erwärmungs- und
Abkühleffekten
an den Wänden
von Halsrohr und/oder Refrigerator 1b und verbessert so
die thermischen Eigenschaften des Halsrohrbereichs. Die Stärke der
Heliumgasströmung
kann durch den Anteil der Kondensationskörperoberfläche, die von der Kondensationskammer 16 umgeben
ist, eingestellt werden und den Bedürfnissen der Kryostatenanordnung,
insbesondere der räumlichen
Anordnung der Bauelemente, angepasst werden.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform
besteht in der weitgehenden mechanischen Entkopplung von Refrigerator 1b und
Strahlungsschild durch den Verzicht auf ein Verbindungselement 12 wie
in 1 dargestellt. Dadurch übertragen
sich etwaige Vibrationen des Refrigerators nicht auf das Strahlungsschild,
was die Leistungsfähigkeit
von Magnetresonanzapparaturen, die sich dieser Ausführungsform einer
Kryostatenanordnung bedienen, erhöht.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.
Ein Strahlungsschild 11b ist über ein gut wärmeleitendes Verbindungselement 12b thermisch
an eine Zwischenstufe 19b des Refrigerators 1b gekoppelt.
Dadurch erfährt
der Strahlungsschild 11b eine aktive Kühlung, welche die Temperaturstabilität und Isolation
des Heliumbehälters
erhöht.
Im Verbindungselement 12b sind Gasdurchlassöffnungen 20 vorgesehen,
die die Ausbildung des gewünschten
Heliumkreislaufs trotz der Unterteilung des Halsrohres in einen
oberen und einen unteren Bereich ermöglichen.
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In der 4 ist
schließlich
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung dargestellt,
bei der eine Kondensationskammer 16b besonders ausgestaltet
ist. Eine erste, untere Öffnung
der Kondensationskammer 16b weist einen rohrförmigen Fortsatz
auf, der sich von der unteren Öffnung
aus nach unten erstreckt. Das Ende 17b des rohrförmigen Fortsatzes
befindet sich unterhalb der Oberfläche des Reservoirs von flüssigem Helium 21 im
Heliumbehälter.
Dadurch wird ein Zustrom von gasförmigem Helium in die Kondensationskammer 16b durch
die erste, untere Öffnung
vollständig
verhindert; selbst kleine Gasmengen sind ausgeschlossen. Somit steht
die innerhalb der Kondensationskammer 16b auftretende Volumenkontraktion
von Helium während
dessen Verflüssigung
voll für
das Ansaugen von gasförmigen
Helium aus dem oberen Bereich des Inneren des Halsrohres zur Verfügung. Unter
diesen Bedingungen ist die Flächenaufteilung des
Kondensationskörpers
eine sehr zuverlässige Methode
zur Einteilung der Kondensationsmengen von Heliumgas aus dem oberen
Halsrohrbereich und aus dem Heliumbehälter.
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Die erfindungsgemäße Kryostatenanordnung ist
grundsätzlich
nicht nur mit Helium betreibbar, sondern auch mit anderen Gasen
bzw. verflüssigten
Gasen, insbesondere Stickstoff. Stickstoff ist deutlich billiger
als Helium. Für
die Anwendung zur Kühlung
von supraleitfähigen
Magnetspulen muss lediglich die Sprungtemperatur Tc des
Supraleiters oberhalb des Siedepunkts des Betriebsgases liegen.
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Eine Kryostatenanordnung für die Aufbewahrung
von flüssigem
Helium, mit einem Außenmantel 2,
einem darin angeordneten Heliumbehälter 5, einem im Betriebszustand
mit gasförmigem
Helium gefüllten
Halsrohr 3 und einem Refrigerator 1; 1b, wobei
der Außenmantel 2,
der Heliumbehälter 5 und das
Halsrohr 3 einen evakuierten Raum 9 begrenzen, welcher
den Heliumbehälter
5 umschließt; und
wobei der Refrigerator 1; 1b einen Kühlfinger 4 aufweist, welcher
im Bereich des unteren Endes des Halsrohrs 3 einen Kondensationskörper 15; 15b aufweist,
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationskörper 15; 15b teilweise
von einer Kondensationskammer 16; 16b umgeben
ist, welche eine erste, untere Öffnung 17 aufweist,
die einen Abfluss von flüssigen
ermöglicht,
und welche eine zweite Öffnung aufweist,
die in ein unteres Ende eines Gaszufuhrrohrs 18 mündet, wobei
das obere Ende des Gaszufuhrrohrs 18 in den Bereich des
oberen Endes des Halsrohrs 3 mündet. Dadurch werden die thermischen
Eigenschaften der Kryostatenanordnung verbessert, insbesondere wird
Kontrolle über
Konvektionsströme
im Inneren des Halsrohres 3 erlangt.
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- 1,
1b
- Refrigerator
- 2
- Außenmantel
- 3
- Halsrohr
- 4
- Kühlfinger
- 5,
5b
- Heliumbehälter
- 6
- Magnetspule
- 7
- Montageplatte
- 8
- Stutzen
- 9
- evakuierter
Raum
- 10
- Außenraum
- 11,
11b
- Strahlungsschild
- 12,
12b
- Verbindungselement
- 13
- Konvektionsströmung
- 14
- Konvektionsströmung
- 15,
15b
- Kondensationskörper
- 16,
16b
- Kondensationskammer
- 17
- untere Öffnung
- 17b
- Ende
des rohrförmigen
Fortsatzes
- 18
- Gaszuleitungsrohr
- 19,
19b
- Zwischenstufe
- 20
- Gasdurchlassöffnungen
- 21
- flüssiges Helium