DE10226498B4

DE10226498B4 - Kryostatenanordnung mit verbesserten Eigenschaften

Info

Publication number: DE10226498B4
Application number: DE10226498A
Authority: DE
Inventors: Marco Dipl.-Ing. Strobel
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-06-15
Also published as: GB0312327D0; US6804968B2; US20030230089A1; DE10226498A1; GB2389647B; GB2389647A

Abstract

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), einem Gaszufuhrrohr (18) und einem Refrigerator (1; 1b), wobei das obere Ende des Halsrohrs (3) mit dem im Betriebszustand umgebungswarmen Außenmantel (2) und das untere Ende des Halsrohrs (3) mit dem im Betriebszustand mit flüssigem Helium (21) beschickten Heliumbehälter (5) verbunden ist, wobei der Außenmantel (2), der Heliumbehälter (5) und das Halsrohr (3) einen evakuierten Raum (9) begrenzen, welcher den Heliumbehälter (5) umschließt, wobei das obere Ende des Gaszufuhrrohrs(18) in den Bereich des oberen Endes des Halsrohrs (3) im Inneren des Halsrohres (3) mündet, und wobei der Refrigerator (1; 1b) einen Kühlfinger (4) aufweist, welcher vom oberen Ende des Halsrohrs (3) in das Halsrohr (3) hineinragt, und welcher im Bereich des unteren Endes des Halsrohrs (3) einen Kondensationskörper (15; 15b) aufweist, der im Betriebszustand auf...

Description

Hintergrund der Erfindung
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, einem Gaszufuhrrohr 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, wobei das obere Ende des Gaszufuhrrohrs in den Bereich des oberen Endes des Halsrohrs im Inneren des Halsrohrs mündet, 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.

Eine solche Kryostatenanordnung ist beispielsweise aus der DE 100 33 410 C1 bekannt geworden.

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) T_c des Drahtmaterials, wodurch der supraleitende Zustand des Drahtes gewährleistet wird.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Refrigeratoren für diese Anwendung können beispielsweise nach dem Prinzip von Gifford-McMahon arbeiten oder als Pulsrohrkühler aufgebaut sein.

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.

In der DE 100 33 410 C1 ist eine Kryostatenanordnung mit einem Heliumbehälter, einem Halsrohr, einem Kühlfinger und einem Außenmantel beschrieben. Im Halsrohr sind Trennkörper angeordnet, die Teilvolumina des Halsrohrs voneinander abgrenzen. Die Teilvolumina stehen am oberen und unteren Halsrohrende miteinander in Verbindung. Insbesondere kann ein Trennkörper als ein beidseitig offenes Kühlrohr, welches vakuumisoliert am Kühlfinger verläuft, ausgebildet sein. Die Trennkörper bewirken einen Konvektionskreislauf von Heliumgas im Halsrohr, wodurch der Heliumverbrauch des Kryostaten sinkt.

Die EP 0 726 582 A1 offenbart einen supraleitenden Elektromagneten, der in einem Heliumtank angeordnet ist. Der Heliumtank besitzt ein Halsrohr, an dem Strahlungsschilde mittels leitendem Schichtmaterial befestigt sind. Die Strahlungsschilde verlaufen zwischen dem Heliumtank und einer Vakuumisolation. Die Befestigungen der Strahlungsschilde sind gleichmäßig um das Halsrohr verteilt.

Durch die DE 196 12 539 A1 ist eine Kältemaschine zur Verwendung mit einer Kryostatenanordnung bekannt geworden. Die Kältemaschine umfasst eine erste Kühlstufe mit einem Verdränger-Refrigerator und eine weitere Kühlstufe mit einem Pulsrohr-Refrigerator. Die Schwingungen des Pulsrohr-Refrigerators werden durch ein flexibles Bauteil abgedämpft.

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.

Vorteile der Erfindung

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 das untere Ende des Gaszufuhrrohrs mündet.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kryostatenanordnung 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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der Refrigerator ein Pulsrohrkühler ist. Pulsrohrkühler sind wartungsfreundlich und vibrationsarm.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Kondensationskammer eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als 300W/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.

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.

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).

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.

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.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Heliumbehälter eine supraleitende Magnetspule. Dies stellt eine wichtige Anwendung von Kryostatenanordnungen dar.

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.

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.

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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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 T_c des Supraleiters oberhalb des Siedepunkts des Betriebsgases liegen.
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.

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

Claims

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), einem Gaszufuhrrohr (18) und einem Refrigerator (1; 1b), wobei das obere Ende des Halsrohrs (3) mit dem im Betriebszustand umgebungswarmen Außenmantel (2) und das untere Ende des Halsrohrs (3) mit dem im Betriebszustand mit flüssigem Helium (21) beschickten Heliumbehälter (5) verbunden ist, wobei der Außenmantel (2), der Heliumbehälter (5) und das Halsrohr (3) einen evakuierten Raum (9) begrenzen, welcher den Heliumbehälter (5) umschließt, wobei das obere Ende des Gaszufuhrrohrs(18) in den Bereich des oberen Endes des Halsrohrs (3) im Inneren des Halsrohres (3) mündet, und wobei der Refrigerator (1; 1b) einen Kühlfinger (4) aufweist, welcher vom oberen Ende des Halsrohrs (3) in das Halsrohr (3) hineinragt, und welcher im Bereich des unteren Endes des Halsrohrs (3) einen Kondensationskörper (15; 15b) aufweist, der im Betriebszustand auf die Temperatur flüssigen Heliums abgekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationskörper (15; 15b) zumindest teilweise unmittelbar von einer Kondensationskammer (16; 16b) umgeben ist, welche eine erste, untere Öffnung (17) aufweist, die einen Abfluss von in der Kondensationskammer (16; 16b) kondensiertem flüssigen Helium in den Heliumbehälter (5) ermöglicht, und welche eine zweite Öffnung aufweist, die in das untere Ende des Gaszufuhrrohrs (18) mündet.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der evakuierte Raum (9) einen Strahlungsschild (11; 11b) enthält, welcher mittels einer Ankopplung wärmeleitend mit dem Halsrohr (3) verbunden ist.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Halsrohr (3) ein gut wärmeleitendes Verbindungselement (12; 12b) zwischen der Ankopplung des Strahlungsschildes (11; 11b) und einer Stufe (19; 19b) des Refrigerators (1) vorgesehen ist.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12; 12b) Kupfer enthält oder aus Kupfer besteht.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12; 12b) das Innere des Halsrohres (3) in einen oberen und einen unteren Teil unterteilt, dass das Gaszufuhrrohr (18) das Verbindungselement (12; 12b) durchstößt, und dass das Verbindungselement (12; 12b) im äußeren Bereich, der dem evakuierten Raum (9) zugewandt ist, eine oder mehrere Gasdurchlassöffnungen (20) aufweist.
Kryostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Refrigerator (1; 1b) ein Pulsrohrkühler ist.
Kyrostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationskammer (16; 16b) eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als 300W/mK.
Kryostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszufuhrrohr (18) einen Wärmetauscher aufweist, der das Gaszufuhrrohr (18) thermisch an das im Betriebszustand im Halsrohr (3) befindliche gasförmige Helium koppelt.
Kryostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Öffnung (17) der Kondensationskammer (16; 16b) im normalen Betriebszustand vollständig in flüssiges Helium (21) des Heliumbehälters (5) eingetaucht ist.
Kryostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der unteren Öffnung (17) der Kondensationskammer (16; 16b) ein rohrförmiger Fortsatz angebracht ist, dessen Ende (17b) im normalen Betriebszustand vollständig in flüssiges Helium (21) des Heliumbehälters (5) eingetaucht ist.
Kryostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im normalen Betriebszustand der Refrigerator (1; 1b) so eingestellt ist, dass aus dem Heliumbehälter (5) kein Helium abdampft.
Kryostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heliumbehälter (5) eine supraleitende Magnetspule enthält.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im normalen Betriebszustand die supraleitende Magnetspule supraleitend kurzgeschlossen ist.
Kryostatenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer NMR-Apparatur ist.