DE3408138C2 - Kryogenische supraleitende Magnetanordnung - Google Patents
Kryogenische supraleitende MagnetanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft kryogenische Magnetsysteme
für NMR-Diagnostik-Abbildungsvorrichtungen.
Supraleitende Magnetsysteme werden in vielen bekannten diagnostischen
Abbildungsvorrichtungen mit kernmagnetischer Resonanz
verwendet. Flüssiges Helium dient zur Kühlung der Elektromagnete
auf die erforderliche niedrige Temperatur. Eines der Probleme
bei mit flüssigem Helium gekühlten Systemen besteht darin, daß
die niedrige Temperatur durch das Verdampfen des flüssigen
Heliums aufrechterhalten wird.
Aufgrund des Verdampfens muß das Helium häufig ersetzt werden.
Damit ist ein kostspieliges und mühsames Nachfüllen des Heliums
nach verhältnismäßig kurzer Zeit erforderlich.
Eine Lösung dieses Problems besteht darinn, eine Verflüssigungsvorrichtung
zu verwenden, um das verdampfte flüssige Helium
erneut zu komprimieren. Derartige Verflüssigungsvorrichtungen
sind jedoch große, unförmige und teuere Geräte.
Eine andere beispielsweise in der US 4 291 541 beschriebene
Lösung besteht darin, die Menge an verdampftem
flüssigem Helium dadurch zu reduzieren, daß die Temperatur eines
Strahlungsschirmes, der den Tank mit flüssigem Helium umgibt,
abgesenkt wird.
Theoretisch klingen die bekannten Lösungen vielversprechend. In der
Praxis jedoch treten erhebliche Probleme auf. Diese Probleme
müssen gelöst werden, wenn eine Kühlvorrichtung
geschaffen werden soll, die auf eine ausreichend niedrige
Temperatur gebracht werden kann, damit die Temperaturdifferenz
zwischen der Abschirmung und dem Heliumbehälter wirksam reduziert
wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der vorstehend
geschilderten bekannten Vorrichtungen zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein kryogenisches Magnetsystem,
mit dem im Anspruch 1
aufgeführten Merkmalen.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen
enthalten.
Mit vorliegender Erfindung werden verbesserte kryogenische
Magnetsysteme vorgeschlagen, bei denen das zeitraubende und
teuere, nahezu monatlich vorzunehmende Heliumnachfüllen vermieden
wird, das bei bekannten Systemen notwendig ist. Ein Magnetsystem
nach vorliegender Erfindung kann einwandfrei etwa ein Jahr lang
arbeiten, ohne daß flüssiges Helium
nachgefüllt werden muß.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine teilweise herausgebrochene Seitenansicht des
kryogenischen Magnetsystems mit einigen der wesentlichen
Bestandteile, und
Fig. 2 eine Schnittansicht des Systems nach Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab, das Einzelheiten der mechanischen und der
thermischen Kopplung zwischen der äußeren Kühlvorrichtung und
der Wärmeabschirmung zeigt.
Das verbesserte kryogenische Magnetsystem 11 nach der Erfindung
weist nach Fig. 1 ein äußeres zylindrisches Gehäuse 12 auf.
Das zylindrische Untersuchungs-Volumen 13 zwischen den
gestrichelten Linien ist hohl.
Der äußere Teil 12 besteht aus zwei zylindrischen Rohren
14 und 16, die sich auf Raumtemperatur befinden. Die Rohre sind an ihren
Enden durch einen Ring 17 miteinander verbunden.
Ein erster hohler zylindrischer Tank 18 ist mit
einem ersten Flüssiggas gefüllt, wobei Helium bevorzugt wird.
Der Tank enthält ferner den supraleitenden
Elektromagneten 19.
Der supraleitende Magnet 19 besteht aus einer Spule mit Wicklungen
aus supraleitendem Draht 21.
Der Heliumtank ist in einer Vakuumkammer
angeordnet.
Strahlungsabschirmrohre 23 und 26 sowie die
Endplatte 27 bilden eine gegen Wärme abgeschirmte
Kammer 24 für den Heliumtank. Ein weiterer Behälter,
der aus den Rohren 29 und 30 besteht, die z. B. durch die Endplatte
32 miteinander verbunden sind, umgibt den gegen Strahlung
abgeschirmten Behälter.
Durch das Rohr 30 und die
innere Wandung 34 mit einem Endstück 36
wird gleichzeitig der Stickstofftank 33 ausgebildet.
Die Kühlung der Strahlungsabschirmung gemäß
der Erfindung wird nicht nur durch Verdampfen
des flüssigen Heliums erreicht, sondern auch durch Wärmeleitung
unter Verwendung einer externen Kühlvorrichtung, wie dies in Fig. 2
dargestellt ist. Die externe Kühlvorrichtung ist in
Fig. 1 mit 31 bezeichnet.
Die externe Kühlvorrichtung 31 ist vorzugsweise eine kommerziell
verfügbare kryogenische Kühlvorrichtung mit geschlossenem
Kreislauf, die einen Kompressor 38 und den
Kaltkopf 39 aufweist.
Im Stickstofftank 33 ist eine Eindringkammer 41 ausgebildet. Der
Kopf 39 erstreckt sich durch diese Kammer hindurch.
Eine Wärmeübertragungsvorrichtung
42 steht in thermischem Kontakt zum Stickstofftank und entfernt ebenfalls
Wärme aus ihm.
Eine Wärmeübertragungsvorrichtung 43, die mit der Strahlungsabschirmung
in Verbindung steht, wird im einzelnen anhand Fig. 2
erläutert. Ein Versorgungsanschluß 46 dient dazu, die verwendeten
Flüssiggase bereitzustellen und die supraleitende Spule mit
einer elektrischen Energiequelle zu verbinden.
Es sind Vorkehrungen getroffen, um die Aufrechterhaltung des Vakuums in
der durch die Raumtemperatur-Rohre 14 und 16 definierten Kammer
zu gewährleisten. Insbesondere ist die Kühleinheit mit dem Rohr
14 durch nicht dargestellte Befestigungsmittel gekoppelt, die
eine Platte 51 und eine Dichtung 52 zur Abdichtung der Öffnung
53 mit dem Rohr 14 verbinden.
Ferner ist eine Vorrichtung vorgesehen, die die Abgeschlossenheit des
Stickstofftanks, der durch die Rohre 30 und 34 gebildet ist,
aufrechterhält. Insbesondere ist ein Durchflußkanal
41 vorgesehen, der sich durch den Stickstofftank erstreckt. Im
Querschnitt wird der Durchflußkanal 41 durch ein Bauteil 56 mit
einem breiteren ersten Abschnitt 57 und einem schmaleren, mit
Öffnung versehenen Abschnitt 58 gebildet.
Der Wärmeübergang zwischen der gegen Strahlung abgeschirmten
Kammer 24 und dem Kopf 39 wird durch Wärmeleitungsmittel
vereinfacht. Insbesondere ist der Kopf 39 mit dem Abschirmrohr
23 durch ein Metallwollegebilde 59 z. B. wärmeleitende Kupferwolle
verbunden. Um das Metallwollegebilde
59 gegen das Strahlungsabschirmrohr zu drücken,
ist eine Platte 61 aus magnetisierbarem Material
vorgesehen. Die Platte 61 ist mit einer anderen Schicht 62 des Metallwollegebildes
verbunden.
Die magnetischen Kräfte wirken auch auf die Platte 64 ein und
stellen sicher, daß zwischen dem Kaltkopf 39 und dem Rohr 34 ein guter Wärmeübergang
erreicht wird.
Das Metallwollegebilde kann entweder magnetisierbares oder
nichtmagnetisierbares Material sein, hat jedoch im Rahmen
vorliegender Erfindung gute wärmeleitende Eigenschaften.
Es sind Vorkehrungen getroffen, um die externe Wärmeübertragungsvorrichtung
entfernen zu können, ohne daß die Vakuumabdichtung
unterbrochen wird, was bewirken würde, daß die Flüssiggase
verdampfen würden. Insbesondere sind eine Balganordnung und
eine Ventilvorrichtung vorgesehen, um den Kopf zu entfernen und
das Vakuum aufrechtzuerhalten.
Claims (11)
1. Kryogenische supraleitende Magnetanordnung zur Verwendung
in Kernmagnetresonanzvorrichtungen, bei der
ein kryogenischer supraleitender Elektromagnet (19) in
einen ersten, ein erstes Flüssiggas enthaltenden Tank
(18) eingetaucht ist,
der erste Tank (18) in einem Vakuumbehälter (14, 16) befestigt ist,
eine Wärmeabschirmung (23, 26, 27) den ersten Tank (18) im Vakuumbehälter (14, 16) umgibt, außerhalb des Vakuumbehälters (14, 16) ein Kühlsystem (31) vorgesehen ist, das Kühlmittel und eine Vorrichtung zum Komprimieren des Kühlmittels enthält, und bei der ein Kaltkopf (39) zum Heranführen des komprimierten Kühlmittels an die Wärmeabschirmung (23, 26, 27) vorgesehen ist, um Wärme von dieser zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Tank (18) in einem Vakuumbehälter (14, 16) befestigt ist,
eine Wärmeabschirmung (23, 26, 27) den ersten Tank (18) im Vakuumbehälter (14, 16) umgibt, außerhalb des Vakuumbehälters (14, 16) ein Kühlsystem (31) vorgesehen ist, das Kühlmittel und eine Vorrichtung zum Komprimieren des Kühlmittels enthält, und bei der ein Kaltkopf (39) zum Heranführen des komprimierten Kühlmittels an die Wärmeabschirmung (23, 26, 27) vorgesehen ist, um Wärme von dieser zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) zwischen Kaltkopf (39) und Wärmeabschirmung (23, 26, 27) ein wärmeübertragendes Metallwollegebilde (59, 62) angeordnet ist, und
- b) eine Vorrichtung (61) vorgesehen ist, die die Magnetkraft des Magneten (19) des kryogenischen supraleitenden Magnetsystems ausnutzt, um den Kontakt zwischen dem Metallwollegebilde (59), dem Kaltkopf (39) und der Wärmeabschirmung (23, 26, 27) zu verbessern.
2. Magnetanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine Vorrichtung zum Entfernen des Kaltkopfes (39) ohne
Verlust an Vakuum.
3. Magnetanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Entfernen des Kaltkopfes ein
Balg ist.
4. Magnetanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Entfernen des Kaltkopfes eine
Ventilvorrichtung ist.
5. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Tank (33) vorgesehen ist, der
ein zweites Flüssiggas enthält, das die Wärmeabschirmung
(23, 26, 27) umgibt.
6. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Flüssiggas Helium ist.
7. Magnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Flüssiggas Stickstoff ist.
8. Magnetanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vorrichtung (41) vorgesehen ist, um den Kaltkopf
(39) durch den zweiten Tank (33) zu bewegen.
9. Magnetanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung (41) ein Durchgangskanal ist.
10. Magnetanordnung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallwollegebilde
(59, 62) federnd elastisch ausgebildet ist, um die Berührung
zwischen dem Kaltkopf (39) und der Wärmeabschirmung
(23, 26, 27) zu verbessern.
11. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Metallwollegebilde (59, 62) aus
magnetisierbarem Material besteht.
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