DE4227388C2 - Kryostat mit mechanisch flexibler thermischer Kontaktierung - Google Patents
Kryostat mit mechanisch flexibler thermischer KontaktierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kryostat, insbesondere zur Aufnahme
einer supraleitenden Magnetspule beispielsweise für Kernspin
resonanz (NMR)- oder Ionenzyklotronresonanz (ICR)-Messungen,
mit einem Zentralbehälter für eine kryogene Flüssigkeit, ins
besondere flüssiges Helium, der durch Befestigungsmittel, vor
zugsweise dünnwandige Aufhängungsrohre, mit der Innenseite
eines geschlossenen Außenmantels des Kryostaten mechanisch
verbunden, vorzugsweise daran angehängt ist, wobei die Befesti
gungsmittel über thermisch gut leitfähige, rohrförmige Verbin
dungselemente, die die Befestigungsmittel allseitig umgeben,
in gutem thermischen Kontakt mit einer den Zentralbehälter
umgebenden Schale stehen, die auf der Temperatur einer zweiten
kryogenen Flüssigkeit, insbesondere flüssigen Stickstoffs,
deren Siedepunkt höher als der Siedepunkt der Flüssigkeit im
Zentralbehälter liegt, gehalten wird.
Ein solcher Kryostat ist beispielsweise aus der DE 29 06 060
C2 bekannt.
Beim Bau von Kryostaten kommt es häufig vor, daß eine thermische
Kontaktierung benötigt wird, welche auf die übrigen Konstruk
tionsteile möglichst geringe mechanische Kräfte ausüben darf.
Beispielsweise ist es üblich, bei einem Kryostaten für NMR-
Magnete die den flüssigen Stickstoff enthaltende Schale an
drei dünnwandigen Stahlrohren, die gleichmäßig über den Umfang
verteilt sind, aufzuhängen und an der Innenseite des Außenman
tels des Kryostaten zu befestigen. Eine solche Aufhängung ist
statisch definiert und führt zu keinen besonderen Problemen.
Zusätzlich muß aber die Forderung erfüllt werden, daß das Stick
stoffgefäß thermisch mit den beiden dünnwandigen Stahlrohren
der Aufhängung des flüssiges Helium enthaltenden Zentralbe
hälters kontaktiert werden muß, um eine bessere thermische
Trennung des Helium-Behälters von der im Außenraum des Kryo
staten herrschenden Temperatur (ca. 300 K) zu erreichen.
Die Kontaktelemente zwischen der Aufhängung des Heliumbehälters
und der ihn umgebenden Schale mit flüssigem Stickstoff werden
bisher normalerweise relativ starr ausgeführt. In der oben
genannten Druckschrift sind die Aufhängungsrohre, die gleich
zeitig als Lüftungs- und Füllrohre für den Helium-Behälter
dienen, über starre Wärmeübergangskragen aus Aluminium mit
allseits geschlossenen, thermisch leitfähigen und zu den Auf
hängungsrohren koaxialen Verbindungsrohren verbunden, die an
ihrem anderen Ende mit dem Behälter für flüssigen Stickstoff
in thermischem Kontakt stehen und sich daher im wesentlichen
auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs befinden.
Diese mechanisch starre thermische Kontaktierung kann bei Ab
kühlung des Kryostaten auf die Temperatur des flüssigen Stick
stoffs bzw. des flüssigen Heliums aufgrund der dabei auftreten
den thermisch verursachten Spannungen, welche durch die noch
vorhandene Elastizität der mechanischen Konstruktion aufgenommen
werden müssen, zu einem statisch undefinierten mechanischen
Zustand führen.
Solange das Gefäß mit dem flüssigen Stickstoff symmetrisch
aufgebaut ist und die Aufhängungen (in der Regel drei) gleich
mäßig abgekühlt werden, kann sich das Stickstoffgefäß nur in
Richtung der Aufhängungen, also nach oben oder unten verschie
ben. Es treten daher keine seitlichen Verschiebungen und damit
auch keine Störungen der vorhandenen Axialsymmetrie des Kryo
statenaufbaus auf. Dies hat zur Folge, daß die beiden Verbin
dungsanordnungen zwischen dem Flüssigstickstoffgefäß und den
thermischen Kontaktierungen an den beiden Stahlrohraufhängungen
nur Kräfte in vertikaler Richtung, die annähernd gleich groß
sind, auf die beiden Stahlrohre der Aufhängung des Heliumgefäßes
übertragen können. Das Heliumgefäß kann sich somit nur in ver
tikaler Richtung verschieben, und dies auch nur geringfügig
infolge der in dieser Richtung äußerst großen mechanischen
Festigkeit der beiden Stahlrohre. Dieser Fall ist deshalb im
allgemeinen unkritisch.
Anders verhält es sich, wenn die drei Aufhängungsrohre des
Stickstoffbehälters nicht gleichmäßig abgekühlt werden. In
diesem Fall verändern sich die Längen der drei Aufhängungen
unterschiedlich und der Stickstoffbehälter erfährt eine seit
liche Verschiebung, welche über die beiden Verbindungsanordnun
gen zu den thermischen Kontaktierungen auf das Heliumgefäß
übertragen wird. Die beiden Aufhängungsrohre des Heliumgefäßes
können dieser seitlichen Verschiebung keine genügend große
Kraft entgegenbringen, so daß das Heliumgefäß nahezu dieselbe
seitliche Verschiebung wie der Stickstoffbehälter erfährt. Mit
dem Heliumgefäß verschiebt sich aber auch das Zentrum der darin
angeordneten Kryomagnetspule in Bezug auf die ruhende Meßprobe
innerhalb der zentralen Raumtemperaturbohrung des Kryostaten.
Die Meßprobe erfährt damit eine Feldänderung, die das NMR-Spek
trum nachteilig beeinflußt und zumindest ein neues "Shimen"
des Feldes notwendig macht. Störend kommt noch hinzu, daß dieser
Vorgang zusätzlich von der Höhe des Pegels des flüssigen Stick
stoffs abhängt, genauer gesagt vom aktuellen Gewicht dieser
Flüssigkeit.
Die Aufhängungsrohre des Flüssigstickstoffbehälters können
normalerweise nicht gleichmäßig abgekühlt werden, weil eines
der Rohre ständig aus Sicherheitsgründen mit einem Überdruck
ventil versehen sein muß. Durch dieses Rohr kann daher kein
kaltes Stickstoffgas abdampfen, so daß es nach einiger Zeit
deutlich wärmer als die beiden anderen Rohre ist. Damit kommt
es in der Regel zu den oben beschriebenen Querverschiebungen
des zentralen Heliumbehälters relativ zur Raumtemperaturbohrung
des Kryostaten.
Wegen der Symmetrie und der Stärke der stählernen Aufhängungs
rohre in vertikaler Richtung bestand in der Fachwelt bisher
die Meinung, daß es bei Abkühlung des Kryostaten zu keinen
Geometrieverschiebungen kommen könne.
Als Beleg für die bis jetzt übliche mechanisch starre Ausführung
der rohrförmigen thermischen Verbindungselemente zwischen dem
zentralen Heliumbehälter und dem umgebenden Stickstofftank
können beispielsweise die US 3,119,238, die US 3,894,403 und
die US 4,187,956 angegeben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Kryostaten
herkömmlicher Art mit möglichst einfachen Mitteln so zu modifi
zieren, daß der Kryostat möglichst bald nach einer Befüllung
mit kryogener Flüssigkeit in Betrieb genommen werden kann, und
daß die oben geschilderte horizontale Verschiebung des den
Kryomagneten enthaltenden Zentralbehälters bei Abkühlung des
Kryostaten aufgrund einer Verkippung der den Zentralbehälter
umgebenden, mit einer zweiten kryogenen Flüssigkeit gefüllten
Schale, die sich auf den Zentralbehälter überträgt, während
des eigentlichen Betriebs deutlich reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ebenso verblüffend
einfache, wie wirkungsvolle und kostengünstig durchzuführende
Art und Weise dadurch gelöst, daß die thermisch gut leitfähigen,
rohrförmigen Verbindungselemente am Umfang derart mit Schlitzen
versehen sind, daß sie mechanisch flexibel sind. Dies hat den
zusätzlichen Vorteil, daß die Verbindungselemente gleichzeitig
als Strahlungsschilde wirken, die das Abdampfrohr von der Kon
taktstelle abwärts allseitig umschließen und höhere Temperaturen
als die Temperatur des flüssigen Stickstoffs, auf der sie sich
selbst aufgrund ihrer thermischen Verbindung mit dem Stickstoff
behälter befinden, von dem Heliumabdampfrohr abhalten.
Das oben geschilderte und von der Fachwelt bisher nicht richtig
erkannte Problem liegt nämlich nicht in der mechanischen Festig
keit und Zuverlässigkeit der Verbindungselemente, die auch
bisher schon gewährleistet war, sondern in der Übertragung
mechanischer Kräfte vom Flüssigstickstoffbehälter über die
bisher bekannten starren Verbindungselemente auf den zentralen
Heliumbehälter. Dieses Problem wird durch die mechanisch flexi
ble Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungselemente
elegant umgangen. Im Gegensatz zu den Aufhängungsrohren und
der Ankopplung von Zwischenstrahlungsschilden muß nämlich die
thermische Verbindung zwischen dem Flüssigstickstoffbehälter
und dem Heliumabdampfrohr außer ihrem eigenen Gewicht nichts
tragen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden gleichzeitig
zwei an sich konkurrierende Maßnahmen vorgenommen, nämlich die
Verwirklichung einer guten thermischen Leitfähigkeit der Ver
bindungselemente und deren gleichzeitige mechanisch flexible
Gestaltung.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Schlit
ze spiralwendelförmig am Umfang der Rohre vorgesehen. Ausgehend
von einer zylinderförmigen Rohranordnung, die bereits durch
ihre geometrische Form bestens an die in der Regel zylinderför
mige Kontaktierungsfläche am Heliumabdampfrohr angepaßt ist,
wird durch eine spiralförmige Aussparung am Umfang, die ohne
weiteres leicht in ein zylinderförmiges Rohr eingefräßt werden
kann, eine Federwirkung hervorgerufen, welche die Übertragung
von horizontalen wie auch vertikalen Kräften sehr stark vermin
dert. Der thermische Widerstand derartiger Verbindungselemente
wird zwar durch den spiralförmigen Einschnitt ein wenig erhöht.
Dies ist aber ohne größere Bedeutung, da dieser thermische
Widerstand ohnehin schon wesentlich kleiner ist als der ther
mische Widerstand der Kontaktierung selbst. Die Form der Ver
bindungselemente läßt sich bei dieser Ausführungsform einfach
und kostengünstig aus einem zylinderförmigen Rohr ( beispiels
weise aus Kupfer) herstellen, welches durch die spezielle Ver
formungstechnik des Drückens in die gewünschte Form gebracht
wird.
Bei einer anderen, ebenfalls sehr einfachen, kostengünstig
herzustellenden Ausführungsform sind die Schlitze im wesent
lichen parallel zur Längsachse der Rohre vorgesehen. Durch
diese Längsschlitze werden die Rohre in horizontaler Richtung
quer zu ihrer Längsachse nachgiebig.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weisen die
Schlitze mindestens eine der halben axialen Erstreckung der
Rohre entsprechende Länge auf. Durch die langen Schlitze wird
eine besonders hohe Verformbarkeit und Flexibilität der Ver
bindungselemente in einer Richtung quer zur Achse erzielt.
Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht jedoch darin, daß
durch die große axiale Erstreckung der Schlitze der thermische
Widerstand der Verbindungselemente stark erhöht und ihre Ab
schirmfähigkeit als Strahlungsschilde erniedrigt wird. Diese
Nachteile werden bei einer Ausführungsform vermieden, bei der
die Schlitze eine im Verhältnis zur axialen Erstreckung der
Rohre geringe Länge aufweisen.
Damit der dadurch eingehandelte Verlust an Flexibilität der
Rohre wieder wettgemacht wird, sind bei einer Weiterbildung
dieser Ausführungsform sowohl in Umfangsrichtung nebeneinander
als auch in axialer Richtung übereinander eine Vielzahl von
Schlitzen vorgesehen.
Um Flexibilität auch in axialer Richtung zu erreichen, können
bei Ausführungsformen der Erfindung auch Schlitze in einer
Richtung quer zur Längsachse der Rohre vorgesehen sein.
Eine Verbindung der Vorteile und Nachteile der oben geschilder
ten Ausführungsformen ergibt sich bei einer weiteren Ausfüh
rungsform, bei der kreuzförmige und/oder X-förmige Schlitze
vorgesehen sind.
Eine andere Möglichkeit der flexiblen Gestaltung der rohrförmi
gen Verbindungselemente besteht darin, daß sie flexible Bänder,
insbesondere zu Bändern geflochtene Filamente, beispielsweise
Kupferfilamente aufweisen. Diese weichen Bandstrukturen können
sich bei einer Verschiebung des Flüssigstickstoffbehälters in
irgendeine Richtung ohne weiteres nach außen bauschen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die rohrförmigen
Verbindungselemente nur in einem bestimmten Bereich ihrer
axialen Länge flexibel, vorzugsweise im mittleren Bereich zwi
schen den Rohrenden. Dadurch können die Kontaktstellen der
Verbindungselemente mit den Befestigungsmitteln bzw. mit der
den Zentralbehälter umgebenden Schale zum Zwecke eines guten
Wärmeüberganges starr und eng anliegend gestaltet werden, ohne
die Flexibilität der Verbindungselemente einzuschränken, so
daß sie insbesondere immer noch ihre erfindungsgemäße Aufgabe
erfüllen, nämlich die Bewegungen der äußeren Schale mechanisch
von den Befestigungsmitteln des Zentralbehälters abzukoppeln.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die rohrförmigen
Verbindungselemente auf ihrer axialen Länge unterschiedliche
Durchmesser aufweisen. Dadurch können die Verbindungselemente
einerseits an die Form und den Verlauf der Befestigungsmittel,
andererseits an die Geometrie der den Zentralbehälter umgebenden
Schale angepaßt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausbil
dungsform weisen die rohrförmigen Verbindungselemente an dem
Ende, an dem sie mit dem Befestigungsmittel in thermischem
Kontakt stehen, einen engen Querschnitt auf, während sie in
axialen Abstand von der Kontaktstelle radial weiter sind. Auf
diese Weise kann die Funktion der Verbindungselemente als Zwi
schenstrahlungsschilde sichergestellt werden.
Diesem Ziel dient auch eine Ausführungsform, bei der die rohr
förmigen Verbindungselemente an der Kontaktstelle mit den Ver
bindungsmitteln einen starren, die Verbindungsmittel eng um
schließenden ringförmigen Kragen aufweisen, der vorzugsweise
aus Kupfer oder Aluminium besteht, und an den die übrigen Teile
der Verbindungselemente, insbesondere der flexible Teil, ther
misch gut leitend angeschlossen sind. Mit dieser Ausführungsform
kann insbesondere ein besonders guter Wärmeübergang zwischen
den Verbindungselementen und den Befestigungsmitteln bewirkt
werden.
Ihre Zusatzaufgabe als Zwischenstrahlungsschilde können die
erfindungsgemäßen rohrförmigen Verbindungselemente schließlich
bei einer Ausführungsform besonders gut erfüllen, bei der sie
die Befestigungsmittel außerhalb der Kontaktstelle über eine
axiale Länge in Richtung von der Kontaktstelle zum Zentralbe
hälter berührungsfrei vollständig umgeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er
läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden
Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung
einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination
Anwendung finden. Es zeigen:
Fig. 1a einen Ausschnitt aus einem schematischen Vertikal
schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kryostaten;
Fig. 1b ein erfindungsgemäßes Verbindungselement mit einem
spiralwendelförmigen Schlitz am Umfang;
Fig. 2 eine schematische, teilweise geschlossene Vertikal
schnittansicht eines Kryostaten für NMR-Magnete nach
dem Stand der Technik und
Fig. 3a-g schematische Darstellungen von Schlitzgeometrien der
erfindungsgemäßen Verbindungselemente.
Der in Fig. 2 gezeigte Kryostat 1 nach dem Stand der Technik
eignet sich insbesondere für die Aufnahme einer supraleitenden
Magnetspule 2 für Kernspinresonanz (NMR)-Messungen. Er steht
auf einem dreibeinigen Gestell 14 und ist umgeben von einem
metallischen Außenmantel 5. Die supraleitende Magnetspule 2
ist in einem Zentralbehälter 3 gelagert, der mit flüssigem
Helium zur Kühlung der Magnetspule 2 gefüllt ist.
Um eine möglichst geringe thermische Berührung mit der Außenwelt
zu erreichen, ist der Zentralbehälter 3 über Befestigungsmittel
4, die gleichzeitig als Zuleitungs- und Abdampfrohre für das
flüssige Helium dienen, an der Innenseite des Außenmantels 5
aufgehängt. Auf dem Weg durch das Abdampfrohr 4 gibt das aus dem
Zentralbehälter 3 abdampfende Helium seine restliche Enthalphie
über die Rohrwand zunächst an einen thermisch gut leitend daran
angeschlossenen Strahlungsschild 15 ab, der auf einer Temperatur
zwischen dem Siedepunkt von Helium und dem Siedepunkt von Stick
stoff liegt. Bei seinem weiteren Weg durch den im Außenmantel
5 gebildeten Heliumabdampfturm 11, der das Abdampfrohr 4 all
seitig umgibt, erreicht das abdampfende Helium eine in der
Nähe der Oberseite des Turmes 11 vorgesehene Kontaktstelle 17,
die über ein Verbindungselement 6, das nach dem Stand der Tech
nik als ein das Heliumabdampfrohr 4 umgebendes starres Rohr
ausgeführt ist und mit einem den Zentralbehälter 3 schalenförmig
umgebenden Behälter 7 mit flüssigem Stickstoff in thermischem
Kontakt steht. An der Kontaktstelle 17 hat daher das Abdampfrohr
4 und das darin abdampfende Helium ungefähr die Siedetemperatur
von flüssigem Stickstoff.
Das Verbindungselement 6 wirkt dabei für den unteren Teil des
von ihm ummantelten Heliumabdampfrohres 4 als Strahlungsschild,
der höhere Temperaturen als die Temperatur flüssigen Stickstoffs
vom größten Teil des Heliumabdampfrohres 4 fernhält. Im letzten
kurzen Wegstück bis zur Aufhängung des Heliumabdampfrohres 4
im Heliumabdampfturm 11 schließlich erwärmt sich das abdampfende
Helium von der Temperatur flüssigen Stickstoffs bis ungefähr
auf Zimmertemperatur der den Kryostaten 1 umgebenden Atmosphäre
und gibt dabei seine restliche Enthalphie über die Außenwand
des Heliumabdampfrohres 4 hauptsächlich an die Innenseite des
Außenmantels 5 und teilweise auch an die umgebende Luft ab.
Ähnlich wie der Zentralbehälter 3 ist auch der schalenförmige
Flüssigstickstoffbehälter 7 über Stahlrohre 13, die von Stick
stoffabdampftürmen 12 im Außenmantel 5 umgeben sind, am Außen
mantel 5 aufgehängt. Üblicherweise sind die bekannten Kryostaten
1 für NMR-Magente mit drei Stickstoffabdampftürmen 12 und zwei
Heliumabdampftürmen 11 ausgestattet.
Moderne Kryostaten 1 dieser Art arbeiten mit äußerst geringen
Helium-Verlustraten in einer Größenordnung von 10 ml/h ("low
loss"), wodurch sich Haltezeiten bis über ein Jahr erzielen
lassen.
Die von diesen Kryostaten aufgenommenen NMR-Magnetspulen können
Magnetfelder von 2 bis 15 Tesla und einer Stabilität von 10-8/h
(maximale Felddrift) erzeugen. Die Homogenität derartiger Mag
netfelder für die hochauflösende NMR-Spektroskopie beträgt
derzeit zwischen 10-8 bis 10-10 bei Verwendung von Shimspulen
im Raumtemperaturbereich, die zum Ausgleich von kleinen Feld
fehlern des Hauptfeldmagneten dienen. Den höheren Homogenitäts
wert von ca. 10-10 erreicht man in der Praxis bei Meßproben
mit ca. 5 mm Durchmesser und ca. 8 mm Länge.
Wie eingangs diskutiert, können sich durch ungleichmäßige Ab
kühlung der Stahlrohre 13, durch die flüssiger Stickstoff in
den Behälter 7 eingeleitet, bzw. abdampfender Stickstoff daraus
entfernt wird, mechanische Verspannungen durch unterschiedliche
thermisch bedingte Kontraktionen der Stahlrohre 13 ergeben,
die zu einem Verkippen bzw. zu einer horizontalen Verschiebung
des Flüssigstickstoffbehälters 7 aus seiner ursprünglichen
Lage führen. Eine derartige ungleichmäßige Abkühlung ist ins
besondere deshalb zu erwarten, da an einem der drei Stahlrohre
13 aus Sicherheitsgründen ständig ein Überdruckventil vorgesehen
sein muß, durch welches kein flüssiger Stickstoff fließt, so
daß bereits in der Auffüllphase des Stickstoffbehälters 7 das
betreffende Stahlrohr 13 wärmer ist als die beiden anderen.
Über die nach dem bekannten Stand der Technik mechanisch starr
ausgeführten thermischen Verbindungselemente 6 zwischen dem
Flüssigstickstoffbehälter 7 und den Heliumabdampfrohren 4 wird
eine Kippbewegung oder seitliche Verschiebung des Flüssigstick
stoffbehälters 7 mechanisch über die als Befestigungsmittel
wirkenden Abdampfrohre 4 auf die mit flüssigem Helium gefüllten
und die NMR-Magnetspule 2 enthaltenden Zentralbehälter 3 über
tragen. Dies führt wiederum zu einer Verschiebung der Magnet
spule 2 und damit des durch sie erzeugten Magnetfeldes relativ
zu der in einer zentralen Zimmertemperaturbohrung 18 durch den
Kryostaten 1 befindlichen, in der Zeichnung nicht dargestellten
NMR-Meßprobe. Damit wird sowohl die oben erwähnte hohe Homo
genität des NMR-Magnetfeldes als auch dessen zeitliche Stabili
tät beeinträchtigt, und es wird ein "Nachshimen" des Feldes
erforderlich, sobald wieder ein definierter mechanischer Zustand
der Geometrie der Kryostatenbestandteile erreicht ist.
Um eine solche relative Feldverschiebung zu vermeiden, werden
erfindungsgemäß die Verbindungselemente 6 mechanisch flexibel
gehalten, um mögliche Bewegungen des Flüssigstickstoffbehälters
7 von dem Zentralbehälter 3 und damit von der Magnetspule 2
mechanisch abzukoppeln.
In Fig. 1a ist ausschnittsweise ein Längsschnitt durch den Kryo
staten 1 dargestellt, der einen Heliumabdampfturm 11 und einen
Stickstoffabdampfturm 12 sowie die darin befindlichen Elemente
zeigt. Wesentlich für die Erfindung ist insbesondere das mecha
nisch flexibel gestaltete rohrförmige Verbindungselement 6,
das aus einem thermisch besonders gut leitfähigen Material,
beispielsweise aus Kupfer bestehen kann.
In der in Fig. 1b gezeigten Ausführungsform erhält das Verbin
dungselement 6 seine Flexibilität durch einen spiralwendel
förmigen Schlitz 8 am Umfang des Rohres 16. Wie in der Zeichnung
angedeutet, erstreckt sich der Schlitz 8 lediglich in einem
bestimmten begrenzten Bereich 10 der axialen Länge des Ver
bindungselementes 6, der vorzugsweise etwa in der Mitte zwischen
den Rohrenden des Rohres 16 liegt. Nur in diesem Bereich 10
weist daher das Verbindungselement 6 die zur Lösung der Erfin
dungsaufgabe erforderliche mechanische Flexibilität auf. Diese
reicht aber bereits aus, um die erwünschte mechanische Abkopp
lung der Bewegung des Stickstoffbehälters 7 vom Zentralbehälter
3 zu erreichen.
In Richtung seiner Längsachse 26 weist das in Fig. 1b darge
stellte Verbindungselement 6 unterschiedliche Durchmesser auf.
Insbesondere hat das Rohr 16 an der Kontaktstelle 17 mit dem
Heliumabdampfrohr 4 einen engen Querschnitt, während es in
axialem Abstand von der Kontaktstelle 17 abwärts radial weiter
ist, um das Heliumabdampfrohr 4 nicht zu berühren und als Strah
lungsschild wirken zu können.
Um eine besonders gute thermische Verbindung mit dem Heliumab
dampfrohr 4 herstellen zu können, weist das Verbindungselement
6 an der Kontaktstelle 17 einen starren, das Heliumabdampfrohr
4 eng umschließenden ringförmigen Kragen 9 auf, der vorzugsweise
aus Kupfer oder Aluminium besteht und Teil des sich an dieser
Stelle verjüngenden Rohres 16 sein kann. Der Kragen 9 kann
aber auch als eigenständiges Teil ausgeführt sein, wobei auf
eine sehr gute thermische Verbindung zu dem Rohr 16, das den
flexiblen Teil 10 des Verbindungselementes 6 trägt, geachtet
werden muß.
Statt der in Fig. 1b gezeigten Ausführungsform des Verbindungs
elementes 6 mit gewendeltem Schlitz 8 sind auch andere Schlitz
formen möglich, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet. Fig. 3a
zeigt ein Verbindungselement 6 mit im wesentlichen parallel
zur Längsachse 26 des Rohres 16 geführten Schlitzen 8′. Bei
der Ausführungsform nach Fig. 3a sind die Schlitze im Verhältnis
zur Rohrlänge relativ lang, um eine hohe Flexibilität des Ver
bindungselementes 6 in einer Richtung quer zur Längsachse 26
zu erreichen.
In Fig. 3b sind ebenfalls Längsschlitze 8′ gezeigt, die jedoch
eine im Verhältnis zur axialen Erstreckung des Rohres 16 geringe
Länge aufweisen. Das gleiche gilt auch für die Schlitze 8′ in
der Ausführungsform nach Fig. 3c. In beiden Fällen ist sowohl
in Umfangsrichtung nebeneinander als auch in axialer Richtung
des Rohres 16 untereinander eine Vielzahl von Schlitzen 8′
vorgesehen, um die aufgrund der geringeren Schlitzlänge geringe
re Flexibilität des Verbindungselementes 6 gegenüber der Aus
führungsform nach Fig. 3a auszugleichen. Ein Vorteil der Aus
führungsformen nach Fig. 3b und 3c besteht in der etwas höheren
Wärmeleitfähigkeit der entsprechenden Rohre 16. Durch die unter
schiedliche Anordnung der Längsschlitze 8′ in den Ausführungs
formen nach Fig. 3b und 3c können die mechanischen Eigenschaf
ten, insbesondere die Reaktion auf Zug- und Verwindungskräfte
des Rohres 16 unterschiedlich gestaltet werden.
Wie in Fig. 3d und 3e gezeigt, können die Rohre 16 außer den
Längsschlitzen 8′ auch Querschlitze 8′′ in einer Richtung quer
zur Längsachse 26 aufweisen, die eine Ausdehnung oder Stauchung
der Rohre 16 in Richtung der Längsachse 26 erlauben. Die rela
tive Anordnung von Längsschlitzen 8′ und Querschlitzen 8′′
kann ebenfalls unterschiedlich gewählt werden, wie in Fig. 3d
und 3e gezeigt, um unterschiedliche mechanische Eigenschaften
des jeweiligen Rohres 16 zu erzielen.
Schließlich können, wie in Fig. 3f gezeigt, auch kreuzförmige
Schlitze 8′′′, und wie in Fig. 3g gezeigt X-förmige Schlitze
8′′′′ Verwendung finden. Daneben sind noch beliebig viele andere
Schlitzgeometrien denkbar, die hier im einzelnen nicht vorge
stellt werden können.
Bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform
weisen die rohrförmigen Verbindungselemente 6 flexible Bänder
auf, die beispielsweise aus geflochtenen Kupferfilamenten be
stehen können. Vorzugsweise sind diese flexiblen Bänder am
einen Ende des Verbindungselementes 6 mit einem starren Kragen
9 thermisch gut leitend verbunden, um einen möglichst guten
Wärmeübergang zu den Befestigungsmitteln 4 herzustellen. Auch
am anderen Ende, an dem das Verbindungselement 6 mit dem Flüs
sigstickstoffbehälter 7 in Kontakt steht, empfiehlt sich die
Verwendung eines starren Kontaktkragens, der beispielsweise
aus einem dem in Fig. 1a gezeigten, am Rohr 16 vorgesehenen
Flansch 19 entsprechenden Teil bestehen kann. Der Vorteil dieser
Ausführungsform des Verbindungselementes 6 mit flexiblen Bändern
besteht in der dadurch möglichen totalen mechanischen Entkopp
lung des Zentralbehälters 3 von dem ihn schalenförmig umgebenden
Flüssigstickstoffbehälter 7, da die flexiblen Bänder jegliche
Relativbewegung durch ein Ausbauschen vollständig aufnehmen.
Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht allerdings darin,
daß die Funktion des Verbindungselementes 6 als Strahlungsschild
beeinträchtigt wird.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel beträgt der Außendurch
messer des Außenmantels 5 670 mm, der Stickstoffabdampfturm 12
liegt auf einem Teilkreis um die Mittelachse des Kryostaten 1
mit einem Durchmesser von 550 mm, der Heliumabdampfturm 11
liegt auf einem Teilkreis mit einem Durchmesser von 330 mm und
hat eine Höhe von ungefähr 390 mm; die Höhe des Stahlrohres 13
gemessen vom oberen Ende des Flüssigstickstoffbehälters 7 be
trägt 270 mm; der Abstand der Oberkante des Verbindungselementes
6 von der Oberseite des Flüssigstickstoffbehälters 7 beträgt
315 mm und der Abstand des Flansches 19 von der Oberseite des
Flüssigstickstoffbehälters 7 beträgt 43 mm.
Das Verbindungselement 7, wie es im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1b gezeigt ist, kann aus einem nach oben hin verengten
Rohr der Gesamthöhe von 275 mm und einem maximalen Außendurch
messer von 60 mm bestehen, wobei der gezeigte spiralwendel
förmige Schlitz 8 eine axiale Ausdehnung von 82 mm und eine
Schlitzbreite von 4 mm aufweist.
Der Kryostat 1 im Ausführungsbeispiel besitzt drei gleich lange
Stahlrohre 13 zum Abdampfen von flüssigem Stickstoff, die an
ihrer Unterseite eine Temperatur von 77 K aufweisen. An ihrer
Oberseite können die Temperaturen unterschiedlich sein: Bei
dem mit einem Sicherheitsventil versehenen Stickstoffabdampfrohr
liegt die Temperatur der Oberseite auf Umgebungstemperatur
(ungefähr 290 K), während sie bei den anderen Rohren etwa 210 K
betragen kann. Der Temperaturverlauf der Stahlrohre 13 sollte
in jedem Fall linear sein. Der Längenunterschied zwischen einem
Stahlrohr 13 mit Ventil gegenüber den beiden anderen Stahlrohren
ohne Ventil beträgt dann ca. 0,17 mm. Unter der Annahme, daß
das Heliumgefäß 3 samt seinen beiden zugehörigen Abdampfrohren
4 nicht vorhanden wäre, würde der Ort der Kontaktstelle 17
eine horizontale Verschiebung von ca. 0,11 mm erfahren. Bei
vorhandenem Heliumbehälter dürfte dieser Wert etwas kleiner
sein. Diese Angaben beruhen allerdings lediglich auf einer
groben Abschätzung, da eine exakte Berechnung der tatsächlichen
horizontalen Verschiebungen extrem aufwendig wäre.
Der Verschiebungswert von 0,11 mm mag zunächst sehr gering
erscheinen. Man muß dabei jedoch beachten, daß in der hochauf
lösenden NMR-Spektroskopie wie bereits oben erwähnt Feldhomo
genitäten von 10-9 bis 10-10 erforderlich sind. Der Kryomagnet
selbst liefert eine Feldhomogenität von 10-6 bis 10-7 innerhalb
eines Probengläschens von 5 mm Durchmesser. Die verbleibenden
drei Größenordnungen müssen durch ein Raumtemperatur-Shim er
reicht werden. Die resultierende Homogenität muß also einerseits
sehr hoch sein und ist aber andererseits von zwei Systemen
abhängig, die nicht starr miteinander verbunden werden können.
Diese beiden Tatsachen führen zusammen zu dem Problem, daß
bereits kleinste relative Verschiebungen zwischen Magnetsystem
und Shimsystem nicht-tolerierbare Feldinhomogenitäten verur
sachen. Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung für dieses
Problem.
Claims (13)
1. Kryostat, insbesondere zur Aufnahme einer supraleitenden
Magnetspule beispielsweise für Kernspinresonanz (NMR)-
oder Ionenzyklotronresonanz (ICR)-Messungen, mit einem
Zentralbehälter für eine kryogene Flüssigkeit, insbesondere
flüssiges Helium, der durch Befestigungsmittel, vorzugs
weise dünnwandige Aufhängungsrohre, mit der Innenseite
eines geschlossenen Außenmantels des Kryostaten mechanisch
verbunden, vorzugsweise daran angehängt ist, wobei die
Befestigungsmittel über thermisch gut leitfähige, rohr
förmige Verbindungselemente, die die Befestigungsmittel
allseitig umgeben, in gutem thermischen Kontakt mit einer
den Zentralbehälter umgebenden Schale stehen, die auf der
Temperatur einer zweiten kryogenen Flüssigkeit, insbeson
dere flüssigen Stickstoffs, deren Siedepunkt höher als der
Siedepunkt der Flüssigkeit im Zentralbehälter liegt, ge
halten wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die thermisch gut leitfähigen, rohrförmigen Verbin
dungselemente (6) am Umfang derart mit Schlitzen (8, 8′,
8′′, 8′′′, 8′′′′) versehen sind, daß sie mechanisch
flexibel sind.
2. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze (8) spiralwendelförmig am Umfang der rohrförmigen
Verbindungselemente (6) vorgesehen sind.
3. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze (8′) i.w. parallel zur Längsachse (26) vorgesehen
sind.
4. Kryostat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze (8′) mindestens eine der halben axialen
Erstreckung der rohrförmigen Verbindungselemente (6)
entsprechende Länge aufweisen.
5. Kryostat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze (8′) eine im Verhältnis zur axialen Erstreckung
der rohrförmigen Verbindungselemente (6)
geringe Länge aufweisen.
6. Kryostat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl in Umfangsrichtung nebeneinander als auch in axialer
Richtung übereinander eine Vielzahl von Schlitzen (8′)
vorgesehen ist.
7. Kryostat nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß auch Schlitze (8′′) in einer Richtung
quer zur Längsachse (26) der rohrförmigen Verbindungs
elemente (6) vorgesehen sind.
8. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß kreuzförmige und/oder X-förmige
Schlitze (8′′′ bis 8′′′′) vorgesehen sind.
9. Kryostat, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Verbindungselemente
(6) nur in einem bestimmten Bereich (10) ihrer axialen
Länge flexibel sind, vorzugsweise im mittleren Bereich
(10) zwischen den Rohrenden.
10. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Verbindungselemente
(6) auf ihrer axialen Länge unterschiedliche Durchmesser
aufweisen.
11. Kryostat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
rohrförmigen Verbindungselemente (6) an dem Ende, an dem
sie mit den Befestigungsmitteln (4) in thermischem Kontakt
stehen, einen engen Querschnitt aufweisen, während sie in
axialem Abstand von der Kontaktstelle (17) radial weiter
sind.
12. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Verbindungselemente
(6) an der Kontaktstelle (17) mit den Befestigungsmitteln
(4) einen starren, die Befestigungsmittel (4) eng
umschließenden ringförmigen Kragen (9) aufweisen, der
vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium besteht, und an
den die übrigen Teile der Verbindungselemente (6), ins
besondere der flexible Teil (10), thermisch gut leitend
angeschlossen sind.
13. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Verbindungselemente
(6) die Befestigungsmittel (4) außerhalb der Kontaktstelle
(17) über eine axiale Länge in Richtung von der Kontakt
stelle (17) zum Zentralbehälter (3) berührungsfrei voll
ständig umgeben.
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