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Die
Erfindung betrifft einen Kryostaten mit einer Kühlmittelkammer und einem endseitig
offenen Anschlussstutzen, z.B. gemäß der
DE 39 24 579 A1 .
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Solche
Kryostaten sind bekannt und kommen überall dort zum Einsatz, wo
ein Gegenstand auf eine sehr niedrige Temperatur gekühlt werden
muss. Üblicherweise
dient als Kühlmittel,
das in einer Kühlmittelkammer
des Kryostaten vorgesehen ist, flüssiger Stickstoff mit einer
Temperatur von 77 K oder flüssiges
Helium mit einer Temperatur von 4,3 K. Ein Kryostat kommt beispielsweise
bei einer Magnetresonanzuntersuchungseinrichtung, die vornehmlich
zu medizinischen Zwecken verwendet wird (vgl. z.B.
DE 39 24 579 A1 ,
EP 0 587 423 B1 oder
EP 0 736 778 B1 ),
oder aber bei Untersuchungseinrichtungen für analytische Zwecke im Bereich
der Chemie (vgl. z.B.
US
4,291,541 A ) zum Einsatz. Auch diese bekannten Kryostaten
weisen einen mit einer Kühlmittelkammer kommunizierenden,
endseitig offenen Anschlussstutzen auf.
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Kryostaten
werden auch als thermisch isolierenden Behälter zum Transport und/oder
zur Aufbewahrung insbesondere von verflüssigtem Helium verwendet.
DE 43 14 806 C2 offenbart
einen solchen isolierenden Behälter,
wobei das verflüssigte
Helium über
einen Entnahmeheber aus dem Behälter
entnehmbar ist, und jener Entnahmeheber aus zwei Teilen besteht.
Dabei ist zumindest ein Teil des Entnahmehebers fest in dem isolierenden
Behälter
integriert und thermisch von der Umgebung entkoppelt.
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Bei
Einsatz eines Kryostaten bei einem Magnetresonanztomographen dient
der Kryostat zum Kühlen
des supraleitenden Magneten, der für die Erzeugung des Grundfelds
dient. Der in Rede stehende Kryostat besitzt einen offenen Anschlussstutzen,
d.h. es handelt sich um ein offenes System, bei dem die Kühlmittelkammer
in der das flüssige
Kühlmittel
ist mit der Umgebung kommuniziert. Dass das flüssige Kühlmittel über den offenen Anschlussstutzen
nicht schnell abdampft liegt daran, dass sich ein Siedegleichgewicht
einstellt, und die Wärme- bzw. Energiezufuhr
zum Kühlmittel über den
Anschlussstutzen relativ gering ist, so dass sehr wenig Kühlmittel
verdampft. Übliche
Wartungszyklen, innerhalb welcher Kühlmittel nachgefüllt werden
muss, betragen bei bekannten Magnetresonanztomographen rund ein
Jahr.
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Dem
Anschlussstutzen kommen bei einem solchen Kryostaten eines Magnetresonanztomographen
mehrere Eigenschaften zu. Zum einen kann über ihn die Erstbefüllung der
Kühlmittelkammer mit Kühlmittel
und ein Nachfüllen
des Kühlmittels
erfolgen. Zum anderen kann über
ihn verdampfendes Kühlmittel
abdampfen, das bei einem offenen System zur Vermeidung eines unzulässig hoch
ansteigenden Innendrucks in der Kühlmittelkammer abdampfen muss.
Darüber
hinaus dient der Anschlussstutzen gegebenenfalls auch zur Aufnahme
einer Elektrode, die mit dem supraleitenden Magneten beim Hochfahren
der Anlage verbunden ist. Über
diese Elektrode und eine zweite, ebenfalls mit dem supraleitenden Magneten
verbundene Elektrode wird ein Strom über den supraleitenden Magneten
geführt,
der nach Erreichen der Sprungtemperatur bei hinreichender Abkühlung des
Magneten verlustfrei im Magneten geführt wird, wonach die beiden
Elektroden vom supraleitenden Magneten getrennt werden.
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Dabei
sind im Wesentlichen drei Erfordernisse vom Anschlussstutzen zu
erfüllen.
Zum einen soll er sich bei einer Aufnahme einer Elektrode möglichst wenig
aufheizen, um zu vermeiden, dass ein unzulässig hoher Wärmetransport über den
Anschlussstutzen in Richtung der Kühlmittelkammer oder die die
Kühlmittelkammer
nach außen
isolierenden Schilde erfolgt. Ferner soll ein geringer Wärmetransport
von der Umgebung über
den Anschlussstutzen in das Kryostatinnere während des Betriebs erfolgen. Schließlich muss
ein möglichst
geringer Druckverlust beim Durchströmen des Anschlussstutzens mit
abdampfendem Kühlmittel
beispielsweise im Falle eines Quench's gegeben ist. Bei einem Quench wird der
supraleitende Magnet an einer Stelle unzulässig warm und geht in den normalleitenden
Zustand über, was
mit einer lokalen Erwärmung,
die sich ausbreitet und dazu führt,
dass im schlimmsten Fall der gesamte supraleitende Magnet in den
normalleitenden Zustand übergeht,
verbunden ist. Vor allem der Wärmetransport
in das Kryostateninnere über
den Anschlussstutzen besitzt einen großen Einfluss auf die Wartungszyklusdauer.
Je geringer der Wärmeeintrag desto
länger
können
die Wartungszyklen sein, was sich deutlich auf die Konkurrenzfähigkeit
des Produktes auswirkt.
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Um
die Wärmeeinkopplung
durch Wärmestrahlung
zu verringern ist es bekannt, Strahlungsschutzschilder im Inneren
des im Wesentlichen zylindrischen Anschlussstutzens anzubringen,
die so angeordnet sind, dass der Anschlussstutzen von außen gesehen
optisch geschlossen ist. D.h. Wärmestrahlung
kann nur bedingt nach innen geführt
werden und wird zum größten Teil
von den Strahlungsschutzschildern reflektiert.
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US 5,265,430 offenbart einen
Kryostaten für einen
supraleitenden Magneten, dessen Anschlussstutzen mit aktiv gekühlten Strahlungsschilden
zur Verminderung des Wärmeeintrags
ins Innere des Kryostaten versehen ist.
US 4,827,217 offenbart einen weiteren
Kryostaten, dessen Halsbereich mit einer Vielzahl von Wärmeschilden
gegenüber
der Umgebung abgeschirmt ist.
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Jedoch
führen
diese Strahlungsschutzschilder zu einem schlechteren Quench-Verhalten,
da sie, wenngleich der Strömungskanal
nach wie vor offen ist, dennoch einen hinreichenden Strömungswiderstand
bilden, was zu einem relativ hohen Druckverlust beim Durchströmen des
abgedampften Kältemittels
im Falles eines Quenches führt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kryostaten anzugeben, der
einen Anschlussstutzen aufweist, der gegenüber den aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen
zum einen hinsichtlich eines verringerten Wärmeeintrages durch Wärmestrahlung
und zum anderen hinsichtlich seines Verhaltens im Fall eines Quenches
eines in dem Kryostaten angeordneten supraleitenden Magneten verbessert
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein
Kryostat mit einer mit einem Kühlmittel
gefüllten
Kühlmittelkammer
und einem innerhalb der Kühlmittelkammer
angeordneten von dem Kühlmittel
gekühlten
supraleitenden Magneten und einem mit der Kühlmittelkammer kommunizierenden
endseitig offenen Anschlussstutzen angegeben. Der Anschlussstutzen
weist einen derart bemessenen Innendurchmesser D auf, dass im Fall
eines Quenches des supraleitenden Magneten entstehendes gasförmiges Kühlmittel
ungehindert aus der Kühlmittelkammer entweichen
kann und der Anschlussstutzen sich von einem Innendurchmesser auf
einen Außendurchmesser
düsenartig
unter Ausbildung eines Öffnungswinkels
zwischen der Mittelachse des Anschlussstutzens und dessen Innenwand
erweitert, wobei der Öffnungswinkel
derart gewählt
ist, dass der Wärmeeintrag
durch den Anschlussstutzen deutlich verringert ist.
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Die
Erfindung schlägt
einen divergierenden, sich düsenartig
nach außen
erweiternden Anschlussstutzens im Vergleich zu bisher verwendeten
zylindrischen Anschlussstutzen vor. Dieser divergierende Wandverlauf
führt dazu,
dass in den Anschlussstutzen eintretende Wärmestrahlung anders reflektiert wird
als dies bei einem zylindrischen Anschlussstutzen der Fall wäre. Hierüber kann
der Winkel der einkoppelbaren Strahlung, die durch Reflektion in
das Kryostateninnere eingekoppelt werden kann, deutlich verkleinert
werden. Insgesamt kann hierdurch sowohl diffuse Wärmestrahlung
als auch reflektierte und reemittierte Wärmestrahlung deutlich verringert werden.
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Nach
einer ersten Erfindungsausgestaltung kann sich dabei der Durchmesser
linear erweitern, d.h. der Anschlussstutzen ist kegelstumpfartig
ausgeführt.
Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, einen sich konvex
oder konkav erweiternden Anschlussstutzen zu verwenden.
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Zur
Modifizierung des Querschnittes des Anschlussstutzens kann in diesem
nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ein längliches,
sich vorzugsweise axial erstreckendes, vornehmlich konzentrisch
mit diesem angeordnetes Bauteil vorgesehen sein, wobei sein Durchmesser
sich – umgekehrt zum
Verlauf des Anschlussstutzendurchmessers – von einem Innendurchmesser
di auf einen Außendurchmesser da verjüngt. D.h.
der Durchmesser nimmt von innen nach außen ab. Dies führt ebenfalls zu
einem etwas veränderten
Reflektionsverhalten, so dass sich durch diese Maßnahme der
Wärmestrahlungseintrag
insgesamt weiter verringern lässt.
Auch bei diesem Bauteil kann sich der Durchmesser linear, konvex
oder konkav verjüngen.
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Eine
zweckmäßige Weiterbildung
des Erfindungsgedankens sieht vor, dass die Innenwand des Anschlussstutzens
und/oder die Außenwand
des Bauteils zur Beeinflussung des Absorptions- bzw. Emissionsverhaltens zumindest
teilweise beschichtet oder oberflächlich behandelt ist. Die Wärmestrahlung trifft
auf die Innen- oder die Außenwand
des jeweiligen Elements. Je nachdem wie nun das Absorptions- oder
Emissionsverhalten des Wandabschnitts, auf den die Wärmestrahlung
trifft, ist wird die Wärmestrahlung
unterschiedlich beeinflusst. D.h. diese Erfindungsausgestaltung
lässt eine
gezielte Einstellung der Absorptions- bzw. Emissionsparameter der
jeweiligen Wand oder bestimmter Wandabschnitte zu. Als Beschichtung
kann beispielsweise eine stark absorbierende Beschichtung aufgebracht
werden, beispielsweise eine nicht-metallische Beschichtung aus einem
Metalloxid, z.B. ZrO2 oder einem keramischen Material
oder dergleichen. Eine solche Beschichtung wird zweckmäßigerweise
im Stutzenbereich oder im Bauteilbereich am oberen offenen Austrittsende
vorgesehen, da dort eine leichte strahlungsbedingte Erwärmung keine
allzu großen
Auswirkungen auf die Gesamtwärmebilanz, über die
der Wärmeeintrag
definiert wird, hat. Im Rahmen der oberflächlichen Behandlung kann beispielsweise
auch eine Schwarzfärbung
durch entsprechende chemische Behandlung des Anschlussstutzens oder
die Ausbildung einer reflektierenden Oberfläche beispielsweise durch Polieren
oder Aufbringen einer spiegelnden Schicht oder dergleichen vorgesehen
sein. Auch hierdurch kann der Wärmetransport
durch Wärmestrahlung
verringert werden.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn
der Anschlussstutzen über
einen gekrümmten
Verbindungsbereich mit einem Gehäuseabschnitt
des Kryostaten verbunden ist. Dies ist im Hinblick auf eine Minimierung
des Druckverlusts über
den Anschlussstutzen vorteilhaft. Führt bereits die Vermeidung
der Strahlungsschutzschilder zu einer Verbesserung hinsichtlich
der Druckverhältnisse,
so bringt die erfindungsgemäße Verbindung
des Anschlussstutzens über
den gekrümmten
Verbindungsbereich eine weitere Verbesserung, da sich hierdurch
ein verbessertes Strömungsprofil
des Kühlmittelgases
am Eintritt in den Anschlussstutzen ergibt. Abdampfendes Kühlmittel,
das seinerseits zu einer Rückkühlung des
sich erwärmenden
Anschlussstutzens bzw. des Bauteils führt (sogenannte Abgaskühlung),
kann nun noch ungehinderter und strömungstechnisch besser in den Anschlussstutzen
ein- und durch diesen hindurchströmen, so dass sich auch das
Kühlergebnis
verbessert.
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Neben
dem Kryostaten betrifft die Erfindung ferner eine Magnetresonanzeinrichtung,
umfassend einen Kryostaten der beschriebenen Art.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung
ohne Gehäuse mit
Darstellung des Kryostaten,
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2 eine
Detailansicht eines erfindungsgemäßen Anschlussstutzens einer
ersten Ausführungsform
in Form einer Prinzipskizze,
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3 eine
Darstellung des Anschlussstutzens aus 2 mit einem
zusätzlichen
in ihm angeordneten zentralen Bauteil, und
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4 eine
Prinzipskizze zur Darstellung anderer Öffnungsgeometrien des Anschlussstutzens bzw.
eines in ihm angeordneten zentralen Bauteils.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung 1,
bei der aus Übersichtlichkeitsgründen das
Gehäuse
nicht dargestellt ist. Gezeigt ist ein Kryostat 2, der
bereits um den supraleitenden Grundfeldmagneten der Magnetresonanzeinrichtung 1 herum
angeordnet ist. Ersichtlich umgibt der Kryostat 2 den Magneten
sowie die sonstigen Bauteile vollständig, d.h. sowohl an den Wandflächen als
auch den Stirnseiten. Im oberen Bereich des Kryostaten 2 ist
ein Turm 3 vorgesehen, in dem sich ein nachfolgend noch
beschriebener Anschlussstutzen befindet, der mit einer Kühlmittelkammer
des Kryostaten 2, in der sich im Betrieb ein Kühlmittel,
beispielsweise flüssiger
Stickstoff oder vornehmlich flüssiges
Helium befindet, kommuniziert. Über
den Anschlussstutzen kann also dieses Kühlmittel in die Kühlmittelkammer
eingebracht und im Bedarfsfall nachgefüllt werden.
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2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Anschlussstutzen 4 einer
ersten Ausführungsform.
Der Anschlussstutzen ist im Wesentlichen düsenförmig ausgebildet. Er vergrößert seinen
Durchmesser von einem schmalen Innendurchmesser Di im
Bereich des übergangs
des Anschlussstutzens 4 zur Wand 5 des Kryostaten
auf einen Außendurchmesser
Da am offenen Ausgang des Anschlussstutzens 4.
Der Durchmesser nimmt linear zu, d.h. der Anschlussstutzen ist im
Wesentlichen kegelstumpfartig ausge bildet. In seinem Übergangsbereich
zur Wand 5 des Kryostaten (die hier nur exemplarisch dargestellt
ist und normalerweise aus mehreren Wandabschnitten umfassend Vakuumkammern
und Isolierschilde besteht und zum Isolieren der sich anschließenden Kühlmittelkammer,
in der z.B. flüssiger
Stickstoff (77 K) oder flüssiges
Helium (4,3 K) vorliegt, dient) ist der Anschlussstutzen 4 über einen
gekrümmten
Verbindungsabschnitt 6 mit der Wand verbunden. Insgesamt
ist die Konfiguration des Anschlussstutzens 4 sowie seines
Verbindungsbereichs der einer Laval-Düse ähnlich. Im gezeigten Beispiel
schließt
sich an den Verbindungsabschnitt ein faltenbalgartiger Dehnungsabschnitt 7 an,
der zum Aufnehmen etwaiger Material- oder Warendehnungen dient.
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Aufgrund
der Konizität
des Anschlussstutzens 4 steht die Normale der Wandoberfläche unter einem
Winkel γ zur
Horizontalen. Der Öffnungswinkel des
Anschlussstutzens beträgt α, wobei α in diesem Fall
gleich γ ist.
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Wird
nun Wärmestrahlung
in den Anschlussstutzen eingekoppelt, so wird ein Teil der Wärmestrahlung,
der unter einem Winkel ≤ γ bezogen
auf die Horizontale eingekoppelt wird, von der schrägstehenden
Wand reflektiert. 2 zeigt einen idealisierten
Wärmestrahl
W1, der genau entlang der Normalen verläuft. Trifft
er auf die Wand des Anschlussstutzens 4, so wird er reflektiert,
wie in 2 dargestellt ist. Wärmestrahlung, die unter einem
kleineren Winkel eintritt, wird ebenfalls vollständig nach Außen, also
nicht in den Anschlussstutzen reflektiert.
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Lediglich
Wärmestrahlung,
die unter einem größeren Winkel
eintritt (wie im gezeigten Beispiel der Wärmestrahl W2)
wird ebenfalls reflektiert, jedoch in das Innere des Anschlussstutzens 4.
Aufgrund der divergierenden Form des Anschlussstutzens 4 erfolgt im
Anschlussstutzen selbst jedoch eine Mehrfachreflektion, wie in 2 gezeigt
ist. Der Strahlungsweg wird also aufgrund der divergierenden Form
deutlich verlängert,
so dass aufgrund der bei jedem Reflektionsvorgang erfolgenden reflektionsbedingten
Energieübertragung
an die Wand des Anschlussstutzens 4 die Energie- oder Wärmemenge,
die tatsächlich
im unteren Bereich des Anschlussstutzens 4 ankommt, gering
ist. Im Idealfall läuft
sich die Wärmestrahlung während des
Reflektionsweges tot.
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Der Öffnungswinkel
des Anschlussstutzens 4 sollte nicht zu groß gewählt werden,
um ein Ablösen
der Strömung
zu verhindern. Er sollte aber gleichzeitig groß genug sein, um den beschriebenen Effekt
gut auszunutzen. Je größer der Öffnungswinkel α ist, desto
größer ist
der Winkelabschnitt, innerhalb welchem Wärmestrahlung nach außen reflektiert
wird.
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Die
Innenwand des Anschlussstutzens 4 kann mit einer Beschichtung
belegt oder oberflächlich
behandelt sein. Beispielsweise kann sie mit einer absorbierenden
Beschichtung belegt sein, vornehmlich im oberen Eintrittsbereich,
so dass dort auftreffende Wärmestrahlung
weitestgehend oder vollständig
absorbiert wird. Auch besteht die Möglichkeit, die Innenwand durch
oberflächliche
Behandlung schwarz zu färben,
was einen ähnlichen
Effekt hat. Auch eine reflektierende Oberfläche beispielsweise durch Polieren
kann erzeugt werden. Die jeweiligen Beschichtungen oder Oberflächenbehandlung
kann nur abschnittsweise vorgesehen sein, auch unterschiedliche
Kombinationen sind denkbar. Dies ist je nach gegebener Problemstellung,
ob also der Wärmetransport
durch Wärmestrahlung
oder durch Wärmeleitung überwiegt,
zu optimieren.
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Aufgrund
dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Anschlussstutzens kann vorteilhaft auf die Verwendung etwaiger
Strahlungsblenden verzichtet werden, da die tatsächlich eingetragene Wärmemenge
auch ohne die Verwendung dieser Strahlungsschilder deutlich verringert
werden kann. Die direkte Wärmestrahlung
(gerichtet, unreflektiert) ist letztlich vernachlässigbar.
Diffuse Wärmestrahlung, sowohl
in Form reflektierter als auch reemittierter Wärmestrahlung, wird wie be schrieben
aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen
deutlich verringert, so dass insgesamt ein geringer Wärmeeintrag
in den Kryostaten sowie ein sehr geringer Druckverlust im Falle
eines Quenches ergibt.
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3 zeigt
den Anschlussstutzen 4 aus 2. In diesem
ist ein Bauteil 8, im Wesentlichen konzentrisch angeordnet,
vorgesehen. Dieses zentrale Bauteil 8 ist länglich und
stabförmig.
Es besitzt ebenfalls eine sich konisch verjüngende Form, jedoch verjüngt sich
der Durchmesser von einem großen
Innendurchmesser di auf einen kleineren
Außendurchmesser
da. D.h. der Verlauf ist gegengleich dem des Anschlussstutzens.
Da es auch an diesem Bauteil 8 zu Reflektionen kommen kann,
wie in 3 gezeigt, ist es vorteilhaft, auch hier eine
entsprechende divergierende Form zu wählen, die zu einer Verlängerung
des Reflektionsweges führt.
Der zwischen dem Anschlussstutzen 4 und dem Bauteil 8 im
Inneren befindliche engste Teil des düsenartigen Ringspalts sollte
auf den erforderlichen freien Strömungsquerschnitt angepasst
sein.
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Während im
Vorliegenden vornehmlich der Reflektionsfall beschrieben wurde,
gilt Entsprechendes natürlich
auch bezüglich
der Emission von Wärmestrahlung
aus der sich lokal gegebenenfalls erwärmenden Wand des Anschlussstutzens.
Auch hier wird die Richtungsabhängigkeit
vorteilhaft ausgenutzt.
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Wie
die Wand des Anschlussstutzens kann auch die Außenwand des Bauteils 8 entsprechend beschichtet
oder oberflächlich
behandelt sein. Man nutzt also zweckmäßigerweise an allen Reflektions- oder
Emissionsflächen,
die innerhalb des Anschlussstutzens vorliegen, die gezielte Veränderung
wärmeoptischer
Oberflächeneigenschaften
aus, um den strahlungsbedingten Wärmetransport bzw. Wärmeeintrag
in den Kryostaten zu verringern.
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4 zeigt
schließlich
zwei weitere mögliche
Stutzen- und Bauteilgeometrien, die gleichermaßen zur Erzielung des be schriebenen
vorteilhaften Effekts dienlich sind. Wie die ausgezogene Darstellung
des Anschlussstutzens 9 zeigt, ist es möglich, dass sich der Anschlussstutzen
in seinem Durchmesser von innen nach außen hin vergrößert und
dabei eine konkav gewölbte
aufweist. Das entsprechende Bauteil 10 verjüngt sich
in seinem Durchmesser von innen nach außen, weist jedoch in diesem
Fall eine konvex nach außen
gewölbte
Außenwand
auf.
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Diese
Konfiguration kann auch umgedreht werden. So zeigt der Anschlussstutzen 11 eine
konkav nach außen
gewölbte
Form, während
das entsprechend gegengleich geformte Bauteil 12 eine konvex
nach innen gewölbte
Außenwand
besitzt.