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Die
Erfindung bezieht sich auf eine supraleitfähige Magneteinrichtung für ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem
(nachfolgend "MRI" genannt) und insbesondere
auf eine verbesserte und vereinfachte sichere Rückzieheinrichtung für kryogene
thermische Verbindungen, die in MRI Magneten verwendbar sind.
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Bekanntlich
kann ein supraleitfähiger
Magnet dadurch supraleitend gemacht werden, dass er in einer extrem
kalten Umgebung angeordnet wird, beispielsweise indem er in einen
Kryostat oder Druckbehälter
eingeschlossen wird, der flüssiges
Helium oder ein anderes Kryogen enthält. Die extreme Kälte stellt sicher,
dass die Magnetspulen supraleitend sind, so dass, wenn anfänglich eine
Energiequelle mit der Spule (für
eine Periode von beispielsweise nur 10 Minuten) verbunden wird,
um einen Stromfluss durch die Spulen einzuführen, der Strom weiterhin durch die
Spulen fließt,
selbst nachdem die Energiezufuhr abgeschaltet ist, aufgrund des
Fehlens eines elektrischen Widerstandes bei der supraleitenden Temperatur,
wodurch ein starkes Magnetfeld beibehalten wird. Supraleitfähige Magnete
finden eine breite Anwendung auf dem Gebiet von MRI.
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US-A-5
111 665 zeigt ein Beispiel von einer supraleitfähigen Magneteinrichtung. Diese
Einrichtung weist zwei getrennte Kryo-Kühleinrichtungen und Rückziehmechanismen
zum Trennen der Kryo-Kühleinrichtungen
von dem Magneten auf.
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Flüssiges Helium
ist verwendet worden, um die kryogenen Temperaturen zu liefern,
die für
einen supraleitenden Magnetbetrieb erforderlich sind, und es ist
für einen
MRI Betrieb zufriedenstellend. Jedoch ist Helium nur an wenigen
Orten kommerziell erhältlich,
und die Bereitstellung einer stetigen Versorgung mit flüssigem Helium
für MRI
Installationen überall
in der Welt hat sich als schwierig und teuer erwiesen. Dies hat
zu weitreichenden Bemühungen
geführt,
die auf supraleitfähige
Magnetstrukturen gerichtet sind, die in einen supraleitfähigen Betrieb
gebracht und in diesem gehalten werden können mit einem minimierten
Erfordernis, abgesiedetes Helium kontinuierlich zu ersetzen. Erhebliche
Forschungs- und Entwicklungsbemühungen
sind auch auf die Verwendung von mechanischen Kryokühlern gerichtet
worden, um für
eine konduktive Kühlung
anstelle von einer Kyogen-Kühlung
mit flüssigem
Helium zu sorgen. Jedoch ist das Kühlvermögen von gegenwärtigen Kryokühlern nicht
so groß im
Umfang der Kühlung
oder in den erhältlichen
Kühltemperaturen,
im Vergleich zur Kühlung
mit flüssigem
Helium. Dies vergrößert das
Erfordernis für
gute thermische Isolation und Verhinderung von thermischer Leckage
in derartigen supraleitfähigen
Magneten.
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Dies
wiederum hat zu dem kontinuierlichen Erfordernis für verbesserte
thermische Verbindungen geführt,
um einen thermischen Widerstand zu verhindern, wenn Vorrichtungen
in einem supraleitenden Magneten aneinander befestigt werden. US-Patent 5,247,800
für Michael
T. Mruzek, Phillip Eckels und Clyde Gouldsberry, erteilt am 28.
September 1993 und auf die gleiche Rechtsnachfolgerin übertragen wie
die vorliegende Erfindung, beschreibt die Verwendung von weichem
Indiummaterial, wie beispielsweise einem Bauteil, das mit einem
erhöhten
Muster (wie beispielsweise einem geriffelten oder spiralförmigen Muster)
auf dem anderen der beiden Bauteile in Kontakt ist, die verbunden
werden sollen. Das erhöhte
Muster dringt in das weiche Indium ein und bildet einen sehr guten
thermischen Kontakt zwischen den verbundenen Teilen, wie beispielsweise
der Verbindung von einem Kryokühler
mit der Magneteinrichtung. Tatsächlich
ist der Kontakt so gut, dass die Verbindungen eine Tendenz haben, über einem
Zeitraum aneinander zu haften oder "kalt zu verschweißen", so dass es extrem schwierig wird,
später
die Teile zu trennen, wenn es für
eine Reparatur, einen Austausch oder einer Wartung erforderlich
ist.
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Es
ist bekannt, einen Faltenbalg in Kombination mit derartigen thermischen
Verbindungen zu verwenden. Der Faltenbalg wird während der Montage und einer
Vereinigung der Vorrichtungen zusammengepresst. Er überträgt später eine
Trennkraft, wenn die Befestigungsglieder, die die Vorrichtungen
ver einigen, gelöst
werden. Jedoch ist die Kraft des Faltenbalges nicht zuverlässig beim
Aufbrechen von thermischen Verbindungen, die für eine Zeitperiode in ihrer
Lage gewesen sind, aufgrund des vorgenannten Anhaftens oder Kaltschweißens; die
dünnwandigen Faltenbälge sind
nicht in der Lage, eine wesentliche Kraft zu übertragen.
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Dementsprechend
besteht ein Bedürfnis
für einen
verbesserten Mechanismus, um für
ein sicheres Zurückziehen
für eine
Trennung dieser thermischen Verbindungen zu sorgen, vorzugsweise
für einen
Mechanismus, der die Faltenbalgkraft ergänzen kann. Es ist jedoch auch
wichtig, dass jeder Rückziehmechanismus
eine Wärmeleckage
minimiert, die aus dem Verbinden von Vorrichtungen mit Abschnitten
auf unterschiedlichen Temperaturen resultiert, und den Mechanismus
gegenüber
umgebenden Bereichen mit höherer
Temperatur thermisch abzuschirmen. Darüber hinaus muss der Rückziehmechanismus
in einer Vakuumumgebung arbeiten und die Umgebungs- oder umgebende
Luft ausschließen
bis nach dem Aufbrechen der thermischen Verbindungen, um einen plötzlichen
Temperaturstoß zu
verhindern, der das thermische Gleichgewicht des supraleitfähigen Magneten
genügend
stören
könnte,
um den Magneten zu löschen
und eine plötzliche
Unterbrechung des supraleitenden Betriebs zu bewirken. Das heißt, es ist
wichtig, dass der Rückziehmechanismus
einen fortgesetzten supraleitenden Betrieb des Magneten während der
Entfernung des Kryokühlers
aus der Magneteinrichtung ermöglicht.
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Zusätzlich gibt
es eine Anzahl von anderen grundsätzlichen Problemen, die im
Betrieb von supraleitfähigen
Magneten bei supraleitenden Temperaturen auftreten, wozu Probleme
unterschiedlicher thermischer Expansion und Kontraktion von Materialien,
Kostenminimierung und Handhabung von Kräften gehören, die durch die signifikanten
Magnetfelder erzeugt werden, die benötigt werden. Alle diese sich überlappenden
und manchmal in Konflikt zueinander stehenden Erfordernisse müssen für eine praktikable und
zufriedenstellende supraleitfähige
MRI Magnetstruktur erfüllt
werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magneteinrichtung
mit einem verbesserten thermisch effizienten Rückziehmechanismus für kryogene
thermische Verbindungen bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, wird ein sicherer
Rückziehmechanismus
für kryogene
thermische Verbindungen in einer Magnetresonanz-Bildgebungs-Magneteinrichtung
bereitgestellt, die einen geschlossenen Behälter enthält, der auf supraleitende Temperaturen gekühlt ist.
Ein Kryokühler
ist lösbar
mit dem Behälter durch
die thermische Verbindung verbunden, die eine zusammenpressbare
deformierbare Indiumschicht enthält,
die zusammengepresst ist, um die thermische Verbindung zu bilden.
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Der
Kryokühler-Rückziehmechanismus
enthält
einen zusammengedrückten
Faltenbalg und Rückziehschrauben,
die während
der operativen Verbindung des Kryokühlers mit einem Rückziehflansch zusammenarbeiten,
aber durch Spielraumlöcher
von diesem getrennt sind. Während
der Entfernung des Kryokühlers
wird der Rückziehflansch
in einen Eingriff mit den Schrauben bewegt und übt einen positiven Druck aus,
um den Kryokühler
von dem Behälter zu
trennen und die thermische Verbindung aufzubrechen.
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Ein
zusammengedrückter
Faltenbalg, der um den Kryokühler
herum angeordnet ist, unterstützt die
Bereitstellung der Trennkraft, und eine Betätigungshülse um die Einrichtung herum
angeordnet und mit dem Flansch an seinem dem eingeschlossenen Behälter benachbarten
Ende verbunden ist, ist vorgesehen, damit sich der Rückziehflansch
in einen Eingriff mit den Rückziehschrauben
bewegen kann.
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Die
Erfindung stellt einen Rückziehmechanismus
für kryogene
Verbindungen bereit, der bei Vorhandensein von anhaftenden Verbindungen
sicher und brauchbar ist.
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Die
Erfindung stellt auch einen verbesserten Rückziehmechanismus für kryogene
Verbindungen bereit, der thermische Leckage und Kontaktwiderstand
minimiert und der das Aufbrechen der Verbindungen ermöglicht,
während
er von der umgebenden Atmosphäre
thermisch abgeschirmt ist.
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Die
Erfindung stellt auch einen Rückziehmechanismus
für kryogene
Verbindungen bereit, der einen komplikationslosen Mechanismus verwendet, um
die Kraft, die von einem zusammengedrückten flexiblen Faltenbalg übertragen
wird, zu verstärken, um
die Trennung und das Zurückziehen
der Verbindung herbeizuführen.
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Es
wird nun ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine supraleitfähige Magneteinrichtung
gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ein Querschnitt von einem
Abschnitt in 1 ist und
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3 ein Querschnitt von einem
größeren Abschnitt
von 1 ist als der in 2 gezeigte.
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Gemäß den 1 und 2 enthält eine supraleitfähige Magneteinrichtung 10 zwei
toroidförmige Gehäuse oder
Kryostate 1 und 2 aus rostfreiem Stahl, die durch
drei oder vier axial verlaufende Abstandshalter aus Stahl, wie beispielsweise
die bei 3 gezeigten, getrennt sind, die im Abstand von etwa 90° um die Achse
der im wesentlichen zylindrischen zentralen Patientenbohrung 4 herum
angeordnet sind.
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Kryokühler 6 und 8,
die an einer Basis 22 befestigt sind, sorgen für kryogene
Temperaturen für
die supraleitfähigen
Magnetspulen 5 innerhalb der Gehäuse 1 und 2 durch
einen Kühlverteiler 9.
Die Kryokühler 6 und 8 sind
Gifford-McMahon 2-Stufen-Kryokühler, die
die vorliegende Erfindung verwenden, um thermische Verbindungen
zwischen zweiten Kryokühler-Stufen 12 und
der Kühlverteilereinrichtung 9 zu
bilden.
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Es
wird nun auf die 2 und 3 Bezug genommen, wonach
der Kryokühler 8 eine
erste Stufe 11 und eine zweite Stufe 12 aufweist.
Ein Motor 25 treibt den Kryokühler 8 an, um für eine Temperatur von
40 K (Grad Kelvin) aus der ersten Stufe 11 zum Kühlen thermischer
Abschirmungen 13 in den Gehäusen 1 und 2 und
eine Temperatur von 10 K aus der zweiten Stufe 12 zu sorgen,
um die Magnetspulen 5 supraleitend zu machen. Eine Indiumschicht 14 ist
metallurgisch mit der zusammenpassenden oder Interfacefläche der
Wärmesenke 16 in
der Tasche 5 verbunden. Eine geriffelte Pass- oder Kontaktfläche 18 der
Wärmesenke 20 aus
Kupfer enthält
erhabene Teile in einem Riffel- oder Spiralmuster, die sich in die weiche
Indiumschicht 14 graben, um einen sehr guten thermischen
Kontakt und die thermische Verbindung 32 herzustellen.
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Der
Faltenbalg 28, der die zweite Stufe 12 des Kryokühlers 8 umschließt, wird
zwischen dem Rückziehflansch 26 und
der Wärmesenke 16 zusammengedrückt, wenn
der Kryokühler 8 in
seiner Stellung ist und thermisch mit dem Kühlverteiler 9 verbunden
ist. Der Verteiler 9 ist durch einen Einlass 11 mit
dem Inneren der Gehäuse 1 und 2 verbunden,
um die Spulen 5 auf supraleitende Temperaturen zu kühlen.
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Schulterschrauben 24,
die in Umfangsrichtung um den Rückziehflansch 26 herum
im Abstand angeordnet sind, führen
eine Anzahl von Tellerfederscheiben 30, die einen eingeschraubten
gewindelosen Abschnitt von den Schulterschrauben umgeben und die
becherförmig
sind, um sich wie Federn zu verhalten, die eine elastische und zusammengedrückte federähnliche
Kraft gegen einen Haltering 27 ausüben.
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Die
thermische Verbindung 32 wird dadurch gebildet, dass das
thermische Bauteil 16 in Richtung auf die geriffelte Passfläche 18 der
Wärmesenke 20 aus
Kupfer gedrückt
wird, um die Indiumschicht 14 in der Tasche 5 zusammenzupressen
und in diese einzudringen. Die thermische Verbindung 32 ist
eine sehr gute Verbindung, wobei der thermische Kontakt-Verlustwiderstand
minimiert ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperatur (von
10 K) an der thermischen Verbindung 32 bei einer sehr großen Temperaturdifferenz
von der Temperatur um das entfernte Ende der ersten Stufe 11 des
Kryokühlers 8 herum
ist. Es gibt eine lange thermische Bahn, die durch den Faltenbalg 28 erzeugt ist,
um eine thermische Leckage zu minimieren. Ein trichterförmiger Puffer 23 aus
Teflon ist durch ein Innengewinde 21 in seiner Lage befestigt,
das mit einem Außengewinde 19 auf
der Wärmesenke 20 aus
Kupfer zusammenarbeitet. Eine thermische Verbindung 7 verbindet
die zweite 10 K Stufe 12 des Kryokühlers 8 mit der supraleitfähigen Magneteinrichtung 17,
die die supraleitfähige
Magnetspule 5 enthält.
Der Teflon-Puffer 23 trägt
das eine Ende von dem dünnen,
mit einer Haut versehenen Faltenbalg 28, um ein Durchhängen des Faltenbalgs
zu verhindern und eine mechanische Ausrichtung der Einrichtung zu
fördern.
Eine zweite thermische Verbindung 29 verbindet die zweite
supraleitfähige
Magneteinrichtung 17 in dem Gehäuse 1. In dem Faltenbalg 28 sind
Rückziehschrauben 34 (nachfolgend
beschrieben) angeordnet.
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Die
thermische Verbindung 53 zwischen dem Kaltkopf 54 von
der zweiten Stufe 12 des Kryokühlers 8 und die das
thermische Bauteil 16 verbindet, enthält auch eine gepresste Indiumschicht 56 ähnlich der
Indiumschicht 14. Die Indiumschicht 56 ist in
der Tasche 58 des Kaltkopfes 54 enthalten, der auf
der einen Seite von der thermischen Verbindung 53 und der
geriffelten Oberfläche 60 auf
der benachbarten Oberfläche
von dem verbindenden thermischen Bauteil 16 angeordnet
ist, und sie bildet eine thermische Verbindung 53 ähnlich der
thermischen Verbindung 32. Führungsringe 63 und 65 aus
Teflon unterstützen
die Zentrierung des Kryokühlers 8 in
der Röhre 67.
Ein äußerer Faltenbalg 69 erstreckt
sich zwischen Flanschen 71 und 73.
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Nach
einem Zeitraum werden die thermischen Verbindungen 32 und 53 verklebt
oder "kaltgeschweißt", so dass es schwierig
wird, den Kryokühler 8 und
die Hülse
für Service,
Wartung oder Austausch zu entfernen. Es ist eine große Kraft
erforderlich, um die Schweißstellen
aufzubrechen. Die thermischen Verbindungen werden aufgebrochen,
um eine Störung
des thermischen Gleichgewichtes in den Gehäusen 1 und 2 zu
vermeiden. Die Ausdehnungskraft des zusammengedrückten Faltenbalges 28 hat
sich als unzureichend erwiesen, um den thermischen Bruch richtig
auszuführen.
Der Faltenbalg 28 ist notwendigerweise relativ dünn, um eine
Wärmeleckage möglichst
klein zu halten. Eine an gemessene Trenn- oder Ausdehnungskraft,
die für
den Faltenbalg erforderlich ist, um die thermische Verbindung 32 ohne Unterstützung aufzubrechen,
würde steife
und dicke Wände
für den
Faltenbalg 28 erfordern, was eine nicht akzeptable Wärmeleckage
zur Folge haben würde.
Der Faltenbalg 28 ist an einem Ende 35 mit dem
verbindenden thermischen Bauteil 16 und an dem gegenüberliegenden
Ende an dem Rückziehflansch 26 angelötet bzw.
angeschweißt.
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Drei
bis sechs lange Rückziehschrauben, wie
beispielsweise die Schraube 34, sind im Abstand um die
Achse 31 des Kryokühlers 8 herum
angeordnet und durch Gewinde oder Schweißen an ihren inneren Enden
an dem verbindenden thermischen Bauteil 16 befestigt. Die
entfernten Enden der Rückziehschrauben 34 führen durch
Spielraumlöcher 34 in
dem Rückziehring 38 hindurch,
und hängen
herab von und sind Teil von dem Rückziehflansch 26.
Die Rückziehschrauben
oder -stäbe 34 sind
fünf Zoll
lang und sind aus rostfreiem Stahl hergestellt, um die Wärmeleckage
zwischen dem Rückziehflansch 26 und
der thermischen Verbindung 32 zu minimieren, die auf wesentlich
unterschiedlichen Temperaturen von 40 K und 10 K sind.
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Der
Abstand zwischen dem Rückziehring 34 und
dem Kopf 42 der Rückziehschraube 34,
der durch Pfeile 40 angegeben ist, beträgt 6,35 mm (0,25 Zoll). Die
Rückziehschrauben 34 berühren somit nicht
den Rückziehflansch 26 während des
normalen Betriebs des Kryokühlers 8 und
der Wartung der thermischen Verbindung 32.
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Das
Ende des Kryokühlers 8 entfernt
von der thermischen Verbindung 32 umgibt eine Rückzieh- oder
bewegliche Hülsenanordnung 44,
die zusätzlich zu
dem Faltenbalg 28 und dem Rückziehflansch 26 eine
dünne rohrförmige Verlängerung 67 und
einen Endflansch 73 aufweist, der die erste Stufe 11 und den
Motor 25 von dem Kryokühler
in einem vakuumdichten Mantel umgibt. Die Hülse 46 ist an dem
Rückziehflansch 26 und
dem Rückzieh-Endflansch 73 an dem
anderen Ende angelötet
bzw. angeschweißt.
Ein Puffer 29 ist zwischen dem Rückziehflansch 26 und der äußeren Hülse 51 angeordnet
und aus einem Isoliermaterial, wie bei spielsweise einem Glasfaser-Verbundstoff
oder Teflon, hergestellt und führt
und erleichtert eine axiale oder Schiebebewegung der bewegbaren
Hülseneinrichtung 46 in
der äußeren Hülse, die
zwischen der bewegbaren Hülse 46 und
der umgebenden Luft 53 angeordnet ist.
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In
gleichen Abständen
um den Umfang des Endflansches 73 herum sind drei oder
mehr Ankerstäbe,
wie der bei 47 gezeigte Ankerstab, angeordnet, wobei jeder Ankerstab
einen Gewindeabschnitt 45 aufweist, der durch ein Durchsteckloch 49 hindurchführt. Die
Schrauben 47 werden befestigt, indem sie durch Querriegel 71 an
der Basis 22 befestigt werden. Muttern 43 auf
der den thermischen Verbindungen 32 und 53 nächstgelegenen
Seite des Endflansches 73 auf den feststehenden Gewindeabschnitten 45 können in
Kontakt mit dem Endflansch 73 gedrückt werden, um ihn in 2 nach rechts zu treiben,
wie es durch eine Pfeil 52 angegeben ist.
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Wenn
eine Notwendigkeit besteht, den Kryokühler 8 zum Service
oder Austausch von dem supraleitenden Magneten 10 zu entfernen,
wird der Endflansch 73 in der Richtung des Pfeils 52 und
von der Wärmesenke 20 des
Magneten 10 weg durch Drehung von Muttern oder Verkleidungsschrauben 43 gedrückt, die
den Rückziehflansch 26 durch
Bewegen der Verbindungshülse 46 6,35
mm (0,25 Zoll) oder mehr in Kontakt mit den Köpfen 42 der Rückziehschrauben 34 bewegen.
Diese Bewegung wird durch die Ausdehnungskraft des Faltenbalges 28 unterstützt.
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Wenn
die rohrförmige
Verlängerung 67 den Rückziehflansch 26 in
Kontakt mit den Köpfen 42 der Schrauben 34 bewegt
hat, sorgt eine weitere Rotation oder Drehung der Muttern 43 für eine sichere steuerbare
Bewegung des Rückziehflansches 26 nach
rechts, was durch die Rückziehstäbe 34 für eine gleichförmige Kraft
sorgt, um die thermische Verbindung 32 für die zweite
Stufe 12 des Kryokühlers
aufzubrechen. Dies wird erreicht, ohne das thermische Gleichgewicht
in den Gehäusen 1 und 2 des
supraleitenden Magneten 10 zu stören, da der Kryokühler 8 von
der heißen
Umgebungsluft 53 durch den Faltenbalg 69, Flansch 73,
die rohrförmige
Verlängerung 67,
den Flansch 26, den Fal tenbalg 28 und das Endstück 16 getrennt
ist. Die Bewegung der entfernten Rückzieh-Endplatte oder des Stellgliedes 73 bewegt somit
den Rückziehflansch 26 in
einen operativen Kontakt mit den Rückziehschrauben 34,
was seinerseits eine positive axiale Bewegung des Rückziehflansches 26 mit
dem Kryokühler 8 "im Schlepptau" ermöglicht,
um die thermische Verbindung 32 aufzubrechen. Nachdem die
thermische Verbindung 32 aufgebrochen ist, kann der Kryokühler 8 zum
Austausch und/oder zur Reparatur entfernt werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung thermischen Verlust minimiert
durch Fehlen eines direkten thermischen Kontaktes während des normalen
Betriebs der thermischen Verbindung, die nur während des thermischen Aufbrechvorganges der
Verbindung in Kontakt gebracht wird, was erreicht wird, ohne dass
das Vakuum innerhalb der umgebenden bewegbaren Hülseneinrichtung 55 gebrochen wird.
Der thermische Verlust und somit die Belastung auf den Kryokühler 8 wird
durch die Konstruktion minimiert, die den supraleitenden Betrieb
des supraleitenden Magneten 10 durch Verwendung von konduktiver
Kühlung
durch die Kryokühler 6 und 8 ermöglicht.
Dies hilft, die Verwendung von Kühlung
durch flüssiges
Helium zu vermeiden, und erleichtert eine offene Architektur der
supraleitenden Magnetkonstruktion, selbst mit seinen vergrößerten Problemen des
Kühlens
auf supraleitende Temperaturen über
einen mehr konventionellen einzelnen Zylindermagneten. Weiterhin
ermöglicht
die sequentielle inkrementale Rotation der mehreren Muttern0 43 auf
den Verkleidungsschrauben 47 einen gesteuerten Druck auf und
eine Bewegung des Kryokühlers 8 durch
den Rückziehflansch 26,
um die thermische Verbindung 32 aufzubrechen.