DE1551360A1

DE1551360A1 - Kyrostat

Info

Publication number: DE1551360A1
Application number: DE19671551360
Authority: DE
Inventors: Pierre Roubeau
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1966-01-10
Filing date: 1967-01-10
Publication date: 1970-03-19
Also published as: LU52755A1; BE691865A; GB1168912A; FR1485543A; ES335451A1

Description

Patentanwalt·

Dfpf.-ln:?. R. Beetz ti. 4io-l2.o;57P( 12.038h)-NoH (7) . Dipl.-ing. Lamprecht _B vorg ,

Mönchen 22. StelnidorfitMO * 2 ·-> 1551360

Commissariat a l^fEnergie Atomique, Paris (Frankreich)

Kryostat

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kryostaten mit verflüssigtem Gas von vermindertem Raumbedarf*

Immer häufiger werden die günstigen Eigenschaften gewisser elektrisöher Schaltungen oder Bauelemente bei sehr tiefen Temperaturen, zwischen 0,5 und 5°K, ausgenutzt, wie bei speziellen in der Radartechnik (radiodetection) verwendeten parametrisohen Verstärkern von besonderem Typ, bei Maser- und Laser-Verstärkern oder bei Scheiben oder Targets, die zur Auslösung von Wechselwirkungen zwischen polarisierten Protonen mit anderen Teilchen verwendet werden.

Die benutzten Kryostaten haben oft einen erheblichen Raumbedarf und einen oder mehrere der folgenden Mängel: Sie ermöglichen keine stabile und sehr genaue Einrichtung der Lage der Gegenstände, die gekühlt werden sollen; die Stabilität der Temperatur ist ungenügend und/oder ihr Verbrauch an verflüssigtem Gas ist zu grofi.

Ziel der Erfindung ist daher ein Kryostat, der frei von diesen Mängeln ist.

009812/0511

BAD ORIGINAL

Der zu diesem Zweck entwickelte, mit verflüssigtem Gas betriebene Kryostat von vermindertem Raumbedarf und mit geringem Kühlmittelverbrauch gemäß der Erfindung gehört zu dem Typ, der innerhalb einer wärmeleitenden Wandung untergebracht ist, die selbst wiederum von einer weiteren wärmeleitenden Wand umgeben wird, wobei der Druck zwischen diesen beiden Wänden sehr gering ist und er ist im wesentlichen gekennzeichnet durch koriinuierlichen Betrieb und eine horizontale Symmetrieachse, eine thermisch leitende .Wärmestrahlungsabschirmung zwischen den beiden Wänden; eine Phasentrennvorrichtung, in die das als Kühlmittel dienende Gemisch aus verflüssigtem Gas und Dampf geschickt wird, die den Dampf zu einer Rohrschlange lenkt, welche zwischen der. wärmeleitenden Wand und der Elektrode angeordnet ist und die Flüssigkeit über einen Wärme-Austauscher in Richtung eines Entspannungsventils, über welches eine mit einem Rezipienten für das zu kühlende Teil in Verbindung stehende Kapsel gespeist wird, während der Dampf schließlich über eine Pumpe mit großem Durchsatz abgezogen wird.

Die vorzugsweise angewandte Phasentrennvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie durch einen Behälter bzw. eine Kammer gebildet wird, der bzw. die durch eine poröse Wand aus beispielsweise Sinterbronze bzw. -metall in zwei übereinander angeformte Abteile bzw. Räume unterteilt ist, wobei das Kühlmittel durch eine in den oberen Raum einmündende Leitung zugeführt wird, während der Dampf durch eine oder mehrere im oberen

009812/0511

Teil dieses Raumes endende Xeitung(en) entweicht und die flüssige Phase durch Leitungen fortgeführt wird, die in den unteren Raum einmünden.

Eine der wesentlichen Anwendungen des erfindungsgemäßen Kryostaten besteht in der Kühlung eines Targets für polarisierte Protonen (cible de protons polarises), die dadurch gekennzeichnet ist, daß der dieses Target enthaltende Behälter ein Resonanzhohlraum ist, der einen (Wellen)Leiter für ultrakurze Wellen speist bzw. mit diesem in Verbindung steht, wobei dieser Hohlraum sowie die verschiedenen ihn umgebenden Wandungen bzw. Gehäuse mit einem Fenster versehen sind, das den Durchtritt eines Strahlenbündels, mit dem dieses Target beschossen werden soll, ermöglicht.

Neben diesen wesentlichen Anordnungen umfaßt die Erfindung ebenso verschiedene sekundäre Merkmale, die im nachfolgenden bezugnehmend auf eine Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Kryostaten genannt werden.

Zum besseren Verständnis der technischen Merkmale der vorliegenden Erfindung und ihrer verschiedenen Vorteile, folgt nun die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das die Anwendung des erfindungsgemäßen Kryostaten auf die Kühlung eines Targets für polarisierte Protonen betrifft. Die Beschreibung bezieht sich auf die angefügten Zeichnungen; es zeigen:

009812/0511

BAD

Pig. 1 das wesentliche Element eines Kryostaten mit horizontalem. Reservoir bzw. Behälter für verflüssigtes Helium, der zum Kühlen eines Targets für polarisierte Protonen mit einer Energie von 20 MeV dient. Diese Vorrichtung dientt als Basis für die Konzeption des entsprechenden Elementes eines Kryostaten für Targets für polarisierte Protonen bei dem System gemäß der Erfindung;

Fig. 2 schematisch die Gesamtheit eines erfindungsgemäßen Kryos^aten für die Kühlung eines Targets für polarisierte Protonen; und

Pig. J5 die bei der Anordnung gemäß Fig. 2 vorgesehene .Phasentrennvorrichtung.

Das wesentliche Element des Kryostaten mit horizontaler Achse und kontinuierlichem Betrieb, das In Fig. 1 gezeigt wird, besteht aus einem gut wärmeleitenden Metallblock 2, in den verschiedene Hohlräume eingearbeitet sind. In einen zylindrischen Hohlraum 4 mit horizontaler Achse, der die Punktion des Heliumreservoirs übernimmt, ist eine koaxiale Doppelleitung eingepaßt, die ein zentrales Rohr 6 umfaßt, durch welches das flüssige Helium zutritt und ein äußeres Rohr 8, durch welches der Heliumdampf entweicht. Ein Resonanzhohlraum 10 nimmt das nichtgezeigte zu kühlende Target auf und wird durch einen Wellenleiter 12 für Wellen hoher Frequenz gespeist, der mit ihm über eine zylindrische öffnung 18 in Verbindung steht. Schließlich ist eine Schleife oder Leitung 20 quer zum Resonanzhohlraum 10 angeordnet, deren eines Ende mit dem zentralen Leiter 22 des für die Messungen

009812/0511

dienenden Koaxialkabels 16 verbunden 1st, während das andere an ■die Außenfläche des Blockes 2 angeschlossen ist.

Das soeben beschriebene Element diente zur Kühlung eines Targets für polarisierte Protone bei einer Untersuchung, bei der dieses einem Fluß bzw, Strom von polarisierten Protonen mit einer Energie 20 MeV ausgesetzt wurde. Dieses Element diente als Basis für die Entwicklung des analogen im erfindungsgemäßen Kryostaten für Targets für polarisierte Protonen verwendeten Organs. ■

Der Resonanzhohlraum, dem Ultrahochfrequenzwellen zugeleitet werden sollen sowie" die Spulen für die Messung der Kernpolarisation können je nach Geometrie des Targets verschiedene Form und Abmessungen haben. So wurde beispielsweise Helium bei Untersuchungen zur Bestimmung der Parität des 3; -Hyperons durch den Wellenleiter zugeleitet, der mit dem unteren Teil des Hohlraumes in Verbindung stand, um diesen zu füllen und durch eine große Anzahl von liöchern oder Bohrungen im oberen Teil dieses Hohlraums wieder auszutreten*

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Target 30 (Fig. 2), dessen Temperatur abgesenkt werden soll, ebenfalls in einem Resonanzhohlraum 32 angeordnet, der durch. Heliumdampf und -flüssigkeit im Gleichgewicht gekühlt wird. Dieser Hohlraum ist in dem am besten temperaturstabilisierten Teil des Kryostaten A angeordnet? Dieser Teil des Innenraums des Doppelmantels wird durch

009812/05
BAD ORIGINS

ein inneres Gehäuse 58 gebildet, das von einem äußeren Gehäuse 40 umgeben wird, zwischen denen ein mit dem Gehäuse 38 fest verbundener Wärmestrahlenschirm 42, beispielsweise aus Kupfer, angeordnet ist.

Diese Gehäuse haben die Form eines wärmeleitenden Kegelstumpfes 44, dessen schmales Ende durch einen geschlossenen Zylinder 46 verlängert wird. Das innere Gehäuse 30 enthält den Hohlraum 32j das breite Ende des äußeren Gehäuses 40 wird durch einen ,Zylinder 47 verlängert, der über eine Leitung 48 an eine nicht gezeigte Pumpe 30 angeschlossen ist, die zum Abziehen des gasförmigen Heliums dient.

Das Helium wird durch eine Transportleitung 52 mit zwei Wänden 52, und 52« zugeführt, zwischen denen ein Vakuum herrscht, Diese Leitung endet in einer Phasentrennvorrichtung 49, die den Heliumdampf in eine Rohrschlange 53 lenkt, welche am inneren Gehäuse angelötet bzw. angeschweißt ist, während das flüssige Helium durch einen Wärmeaustauscher 54 zu einem Ventil 56 weitergeleitet wird, das durch ein Handrad 57 zu betätigen ist. Perforierte Wärmeabschirmungen 5& verhindern ein Eindringen von Wärmestrahlung bis zur Trennvorrichtung. Man kann angeben, daß der Austauscher 54 zum Vorkühlen der Flüssigkeit bestimmt ist, indem die Wiedererwärraung des Gases aischen der Verdampfengstemperatur und 4°K ausgenutzt wird. Dieser Austauscher arbeitet unter sehr guten Bedingungen, da die spezifische Wärme des Gases höher ist als die mittlere spezifische Wärme der Flüssigkeit, was die Erzielung sehr tiefer Temperaturen am kalten Ende begUnstigt. 009812/0511

Das vom Ventil 56 ausgehende Helium wird zu einer Kapsel geschickt, die mit dem Hohlraum- 52 in Verbindung steht, dessen untere und obere Wände für den Ein» und Auslaß des Heliums perforiert sind. Es ist zu vermerken» daß der Hohlraum 32 sowie die Gehäuse ^S,40 und die Abschirmung 42 mit dünnen Penstern verseilen sind für den Durchtritt von Teilehenstrahlen, die das Target erreichen sollen.

Durch den Leiter ολ übermittelt.« .Επ-λ-γ i·. ultranoher Frequenz erregt den Resona, i^h

. Es ist zu bemerken, daß ^ie Vorrichtung ^ernäiä Pi^. 2 s..:öeinandernehmfoar ist. Die bei 7^ und ?o' angeordneter Schrauben gestatten eine Trennung des äußeren Gehäuses 40 von der i-esamten Anordnung.

Pig. 3 zeigt die Phasentrennvorrichtung 49, uie durcn eine Kammer mit rechteckigem vertikalen Querschnitt gebildet und durch eine poröse Wand co aus beispielsv/eise Sinterbronze bzv/. -metall in zwei übereinander angeordnete Abtelle czv;. Räume 02 bis 64 getrennt v.-iru, wobei -die Wand für aie Abtrennung ic-r Flüssigkeit sorgt und daneben für ciie Reinigung derselben von allen Verunreinigungen, die den störungsfreien Betrieb ^es Ventils 56 beeinträchtigen könnten. Das Helium wird in den oberen Raum der Trennvorrichtung durch eine Leitung 68 zugeführt, die zur porösen Wand hin gekrümmt ist. Eine geradlinige Leitung 70, die im oberen Teil dieses Raumes 62 endet, führt das gasförmige Helium fort. Die Leitungen 72-74, die im unteren Raum enden und

009812/0511 BAD ORIGINAL

-B-

die mit ihrem jeweiligen Ende zu der unteren Wand dieses Raumes hin gekrümmt sind, sorgen für die Weiterleitung des flüssigen Heliums zu verschiedenen Ventilen.

Der in Pig. 2 gezeigte Kryostat ist an Polschuhen eines nicht gezeigten Magneten befestigt, und zwar mittels einer Halterung, die geringe Verschiebungen zuläßt, in der Weise, daß es möglich ist, das Zentrum des Targets mit dem Zentrum der Anordnung der Polschuhe zur Koinzidenz zu bringen.

009812/0511

Claims

■ - 9 Patentansprüche

1. Mit verflüssigtem Gas betriebener Kryostat mit vermindertem Raumbedarf und geringem Kühlmittelverbrauch, der von einer wärmeleitenden Wand begrenzt wird, die selbst wiederum von einer weiteren wärmeleitenden Wand umgeben wird, zwischen denen ein sehr geringer Druok herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß diese kontinuierlich arbeitende Vorrichtung eine horizontale Symmetrieachse hatι daß zwisohen den beiden Wänden (38,40) eine wärmeleitende Wärmestrahlungsabsohirmung (42) angeordnet ist; daß die Mischung aus verflüssigtem Gas und Dampf, die das Kühlmittel bildet *, in eine Phasentrennvorrlchtung (49) geschickt wird, dia den Dampf zu einer an der ersten wärmeleitenden Wand (jj8) aligeordneten Rohrschlange (53) leitet und die Flüssigkeit über einen Wärmeaustauscher (54) zu einem JBntspannungsventil (56), von dem aus eine Kapsel (6o) gespeist wird, die mit einem Rezipienten (32) In Verbindung steht, Indem das zu kühlende Teil (30) enthalten ist, während der Dampf schließlich durch eine Pumpe (50) mit großer Leistung abgezogen Wird.

2. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pnasentreniwvorrichtung (49) durch eine Kammer gebildet wird, die durch eine poröse Wand (66} beispielsweise aus Sinterbronze bzw. -metall in zwei Abteile bzw. Räume (Ö2,64) getrennt wird und in die das Kühlmittel durch eine Leitung (68) zugeführt wird, die in «lern öfceren Baum -(6a) endet« während der gebildete Dtopf -durch

'009812/0511

- ίο

eine oder mehrere im oberen Teil dieses Raumes (62) endende Leitung(en) (70) fortgeführt wird und die flüssige Phase durch Leitursgen (72,7^)* die im untenan Raum (64) enden.

j5. Kryostat nach Anspruch 1 zur Kühlung eines Targets für polarisierte Protonen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezipient bzw· Behälter (32) für das Target (;$0) ein Resonanzhohlraum ist, an den ein Wellenleiter (12) für ultrakurze Wellen angeschlossen ist und der selbst sowie die verschiedenen ihn umgebenden Gehäuse mit einem dünnen Fenster für den Durchtritt eines Strahlenbündels versehen ist, welches das Target erreichen soll.

009812/051 1

e@rs ei fr