DE69929494T2

DE69929494T2 - Druckkontrollsystem für einen supraleitenden Magneten ohne Verdampfungsverluste

Info

Publication number: DE69929494T2
Application number: DE69929494T
Authority: DE
Inventors: Philip William Florence Eckels
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: EP0937995A2; JP4960539B2; US5936499A; EP0937995A3; JPH11317307A; EP0937995B1; DE69929494D1

Description

Diese Erfindung betrifft Druckregelung für heliumgekühlte, supraleitende Magnetanordnungen, die für Magnetresonanzbildgebung (hierin nachstehend als "MRI" bezeichnet) geeignet sind, sowie insbesondere eine verbesserte und vereinfachte Heliumbad-Druckregelung für Systeme, die eine Rückkondensationseinrichtung zum Rückkondensieren des sich ergebenden Heliumgases in flüssiges Helium nutzen.
Wie es allgemein bekannt ist, kann ein supraleitender Magnet supraleitend gemacht werden, indem er in einer extrem kalten Umgebung platziert wird, wie zum Beispiel durch Einschließen in einem Kryostat oder Druckbehälter, der ein Kryokältemittel, wie zum Beispiel flüssiges Helium enthält. Die extreme Kälte hält den Stromfluss durch die Magnetspulen, nachdem eine anfänglich mit den Spulen (für eine relativ kurze Dauer) verbundene Energiequelle abgetrennt wurde, aufgrund des fehlenden elektrischen Widerstandes in den kalten Magnetspulen aufrecht, und hält dadurch ein starkes Magnetfeld aufrecht. Supraleitende Magnetanordnungen finden auf dem Gebiet der MRI breite Anwendung.
Die Bereitstellung und Lagerung eines ständigen Vorrates an flüssigen Helium für MRI-Installationen hat sich weltweit als schwierig und teuer erwiesen, was zu erheblichen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen führte, die auf die Minimierung der Notwendigkeit der Nachfüllung von siedendem flüssigen Helium, wie zum Beispiel durch Rückkondensation des sich ergebenden Heliumgases gerichtet sind. Es ist auch erwünscht, die bei der Lagerung von flüssigem Helium bei Tieftemperaturen von etwa 4°K (oder nahe an absolut Null) anzu treffenden Schwierigkeiten und die damit verbundenen Probleme einer periodischen Übertragung eines Teils des flüssigen Heliums in dem Lagerbehälter zu dem Flüssigheliumvorrat in dem MRI-Supraleitermagneten zu vermeiden.
In einem typischen MRI-Magnet sind die supraleitenden Hauptmagnetspulen in einem zylindrisch geformten Druckbehälter eingeschlossen, der eine Bildgebungsbohrung in dem mittigen Bereich entlang seiner Achse ausbildet. Das Magnetfeld in der Bildgebungsbohrung muss für eine genaue Bildgebung sehr homogen und zeitlich konstant sein.
Supraleitende Magnete, welche das Helium wieder zu flüssigem Helium kondensieren, werden oft als verdampfungsverlustlose (ZBO – zero boiloff) Magnete bezeichnet. In derartigen ZBO-Magneten muss der Druck innerhalb des Heliumbehälters auf Druckwerten über den Atmosphärendruck gehalten werden, um Kryopumpeffekte zu verhindern. Kryopumpeffekte treten auf, wenn der Innendruck des Heliumbehälter niedriger als der umgebende Atmosphärendruck ist, so dass Verschmutzungen in den Heliumbehälter gezogen werden können, die Blockierungen in der Magnetdurchdringung bewirken können, welche nachteilig die MRI-Leistung beeinflussen. Ein Heliumbehälterdruck unter Atmosphärendruck kann sich ergeben, wenn die Kühlkapazität der Kryo-Rückkondensationseinrichtung die Wärmebelastung aus der Umgebung, nämlich die des Kryostaten überschreitet. Ein typisches elektrisches Druckregelsystem zum Vermeiden von Kryopumpeffekten erfordert einen Drucksensor, einen Regler, eine Verdrahtung, einen Wandler und eine Regelantwort, welche entweder ein interner Heizer sein kann, welcher durch den Regler eingestellt wird, oder ein Kryokühler-Drehzahlregelungssystem, das auf Veränderungen im Druck innerhalb des Heliumbehälters reagiert. Siehe beispielsweise U.S. Patente 4,543,794, in welchen ein Temperatursensor innerhalb des Druckbehälters zur Druckregelung verwendet wird und 4,279,127 sowie EP 0 544 943A .
Es wurde entdeckt, dass Betriebsveränderungen im Heliumgas innerhalb des Heliumdruckbehälters den Heliumbehälter und Supraleitermagnetspulendrähte verbiegen können und dadurch die räumliche Verteilung des Stromflusses durch die Spulen und die Homogenität des Magnetfeldes so weit verändern können, dass sich die Qualität der durch das MRI-Bildgebungssystem erzeugten Bilder verschlechtert. Das Problem ist bei leichteren Druckbehältern, die in einem leichten MRI-Gerät verwendet werden, am meisten ausgeprägt.
Auf Drucksensoren basierende Druckregelungssysteme erfordern unabhängig davon, ob sie nur einen Drucksensor oder ein Paar getrennter Drucksensoren zum Erfassen von Differenzdrücken verwenden, einen Innendrucksensor, der dem Heliumgas innerhalb des Heliumdruckbehälters ausgesetzt ist, was einen Zugang zum Inneren des Heliumbehälters von dem äußeren Druckregelsystem durch eine Öffnung oder ein Rohr erfordert. Dieses erzeugt einen Kanal, durch welchen unerwünschte Wärme in den Heliumdruckbehälter eingeführt wird, wodurch sich ergebende Taconis-Schwingungen oder Pumpaktionen Wärme in das Innere des Heliumbehälters unter Steigerung von Heliumsieden pumpen können. Es ist auch möglich, dass sich Reif in dem Drucksensorrohr ausbildet, der dessen Betrieb beeinträchtigt. Ferner sind Drucksensoren teurer als andere Arten von Sensoren.
Demzufolge haben sich Drucksensoren, welche auf Druckänderungen innerhalb des Heliumbehälters reagieren, in MRI- Heliumdruck-Regelungssystemen als nicht vollständig zufrieden stellend erwiesen.
Somit besteht ein besonderer Bedarf nach einem verbesserten Druckregelsystem für den Heliumdruckbehälter, welches die vorgenannten Probleme vermeidet, und trotzdem genau auf Veränderungen des Drucks reagiert und diesen korrigiert, um einen vorgewählten Druck innerhalb des Heliumbehälters aufrechtzuerhalten.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Der Anspruch 1 wurde bezüglich EP-A-0720024 in die zweiteilige Form gebracht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein eine Heliumgas-Rückkondensationseinrichtung verwendender verdampfungsverlustloser heliumgekühlter supraleitender Magnet ein Druckregelsystem, um einen vorgewählten Druck innerhalb des Heliumdruckbehälters aufrechtzuerhalten, und welcher auf Veränderungen im Druck innerhalb des Heliumbehälters reagiert, die von einem Temperatursensor detektiert werden, der entsprechende Veränderungen in der Temperatur an der außerhalb des Druckbehälters angeordneten Rückkondensationseinrichtung erfasst, um ein genaues Regelsignal zur Regelung des Druckes innerhalb des Heliumbehälters über eine Rückkondensationseinrichtungs-Temperaturregelung zu erzeugen.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Querschnitt eines Abschnittes eines MRI-Supraleitermagnetes in vereinfachter Form ist, der den Sensorabschnitt der vorliegenden Erfindung enthält.
2 ein vergrößerter Abschnitt von 1 ist, der Details des auf die in 1 dargestellten reagierenden Druckregelsystems zeigt.
Gemäß 1 enthält das MRI-Magnetsystem 10 einen flüssiges Kryokältemittel, wie z.B. Helium, enthaltenden Heliumdruckbehälter 4, der von einem Druckbehälter 2 umgeben ist, wobei ein wärmeisolierender Strahlungsschild 6 zwischen dem Heliumbehälter und dem Vakuumbehälter angeordnet ist. Ein Kryokühler 12 (welcher ein Gifford-Mahon-Kryokühler sein kann) erstreckt sich innerhalb einer Hülse 8 so durch den Vakuumbehälter 2, dass das kalte Ende des Kryokühlers selektiv innerhalb der Hülse positioniert werden kann, ohne das Vakuum innerhalb des Vakuumbehälters 2 zu zerstören, und dass die durch den Motor 9 des Kryokühlers erzeugte Wärme sich außerhalb des Vakuumbehälters befindet. Ein äußerer Kryokühler-Hülsenring 14 erstreckt sich außerhalb des Vakuumbehälters 2, und ein Bund 19 und Hülsenflansch 15 ermöglichen die Befestigung der äußeren Kryokühlerhülse 13 an dem Vakuumbehälter 12. Der Kryokühler 12 ist im Inneren 31 der Kryokühlerhülsenanordnung 8, 18, 23 mit einem passenden Übergangsflansch 21 eingebaut und mit Schrauben 82 und zugeordneten Scheiben befestigt.
Die Wärmestation 16 der ersten Stufe des Kryokühlers 12 steht mit der Wärmehülse oder Wärmesenke 18 aus Kupfer der ersten Stufe in Kontakt, welche thermisch über geflochtene flexible Kupferwärmekupplungen 22 und 24 und Kupferwärmeblöcke 26 und 28 auf einem isolierenden Strahlungsschild 6 ver bunden ist, um den Strahlungsschild auf eine Temperatur von angenähert 60°K zu kühlen, was eine Wärmeisolation zwischen dem Heliumbehälter 4 und dem Vakuumbehälter 2 bereitstellt. Die flexiblen Kupplungen 22 und 24 sorgen auch für eine mechanische oder Schwingungsisolation zwischen dem Tieftemperaturkühler 12 und dem Strahlungsschild 6.
Die untere Oberfläche der Wärmestation 30 der zweiten Stufe des Kryokühlers 12 steht mit einer Indiumzwischenlage 29 in Kontakt, um effizient eine Temperatur von 4°K an die Wärmesenke 11 zu liefern, die auf der gegenüberliegenden Seite der Indiumzwischenlage angeordnet ist. Die Indiumzwischenlage 29 sorgt für einen guten Wärmekontakt zwischen der Kryokühler-Wärmestation 30 und der Wärmesenke 11.
Sich nach unten erstreckend und thermisch mit der Wärmesenke verbunden ist eine Helium-Rückkondensationskammer 38 angeordnet, die aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit wie z.B. Kupfer besteht, welche mehrere im Wesentlichen parallele Wärmeübertragungsplatten oder Oberflächen 42 in thermischem Kontakt mit der Wärmesenke 11 enthält und Kanäle zwischen den Oberflächen der Platten für den Strom des Heliumgases aus dem Heliumdruckbehälter 4 ausbildet.
Heliumgas 40 bildet sich über dem Oberflächenpegel 44 des flüssigen Heliums des flüssigen Heliumvorrats 46 durch das Sieden des flüssigen Heliums bei der Erzeugung von Tieftemperaturen an dem MRI-Magnetsystem 10. Das Heliumgas 40 verläuft durch einen Gaskanal 52, durch die Wand 53 des Heliumbehälters 4 und durch einen Heliumgaskanal 50 zu dem Innenraum des oberen Abschnittes 41 der Heliumrückkondensationskammer oder der Dose 38. Wärmeübertragungsplatten 42 innerhalb der Rekondensationseinrichtung 39 werden durch die zwei te Stufe 30 des Tieftemperaturkühlers 12 auf 4°K abgekühlt, so dass zwischen den Platten hindurchtretendes Helium 40 wieder zu flüssigem Helium kondensiert, um sich im Bodenbereich 48 der Heliumrückkondensationskammer 38 zu sammeln. Das rückkondensierte Flüssighelium fließt dann durch Schwerkraft durch eine Heliumrücklaufleitung 54 und Flüssigheliumkanal 58 im Heliumbehälter 4 zurück zu dem Flüssigheliumvorrat 46.
Demzufolge kühlt flüssiges Helium 46 während des Betrieb des MRI-Magnetsystems 10 die (insgesamt als 60 dargestellte) supraleitende Magnetspulenanordnung mit der insgesamt durch den Pfeil 62 angezeigten Kühlung in der auf dem Gebiet der MRI-Technik bekannten Weise auf eine Supraleitungstemperatur, welche zum Sieden von flüssigem Helium 46 und der Erzeugung von Heliumgas über dem Heliumoberflächenpegel führt. Jedoch strömt Heliumgas 40, anstelle einer Abgabe an die umgebenden Atmosphäre 37, wie es in vielen MRI-Geräten üblich ist, durch einen Gaskanal 52 in der Wand 53 des Heliumdruckbehälters 4 und durch einen Heliumgaskanal 50 zum Inneren der Heliumrückkondensationskammer 38, um zwischen den Kryokühler-gekühlten Wärmeübertragungsplatten hindurchzutreten, um wieder zu flüssigem Helium zu kondensieren. Das wieder kondensierte flüssige Helium tropft in den Bodenbereich 48 der Heliumrückkondensationskammer 38, wo es sich sammelt und durch Schwerkraft durch eine Heliumrücklaufleitung 54 und Flüssigheliumkanal 58 durch den Heliumbehälter 4 hindurch zu dem Flüssigheliumvorrat 46 fließt und somit das wieder kondensierte Heliumgas zu dem Flüssigheliumvorrat als flüssiges Helium zurückführt.
Zusätzlich zu dem Kühlungsstrahlungsschild 6 durch die erste Stufe 16 des Kryokühlers 12 ist eine Superisolation 34 in dem Raum zwischen dem Strahlungsschild 6 und dem Vakuumbehälter 2 vorgesehen, um den Heliumbehälter 4 von dem Vakuum behälter 2 weiter thermisch zu isolieren. Eine Superisolierung 35 ist auch zwischen der Rückkondensationskammer 38 und dem Heliumbehälter 4 vorgesehen, um die Rückkondensationskammer 38 während einer Wartung des Kryokühlers 12, welche die Kryokühlerhülse 13 aufwärmt, thermisch zu isolieren. Die Superisolation 34 und 35 ist eine aluminisierte Mylar-Mehrlagenisolation, die in der Supraleitermagnet-Industrie verwendet wird.
Wie es am besten in 2 dargestellt ist, ist ein Temperatursensor 70, welcher ein Rutheniumoxid-Kryotemperatursensor sein kann, wie er von Scientific Instruments, Inc. als Modell R0600 vertrieben wird, auf der Oberfläche der Rückkondensationseinrichtungsdose 39 unmittelbar an der Wärmesenke 11 der zweiten Stufe positioniert, um die Temperatur der Rückkondensationseinrichtung 39 zu erfassen. Das Ausgangssignal 71 des Temperatursensors 70 wird über einen Verbinder 56 einer Computerregelung oder Regler 74, einem Scientific Instruments Modell 9650 Regler zugeführt, um ein Regelsignal 75 an eine einstellbare Spannungsquelle 76 innerhalb des Reglers 74 zum Steuern des Stromflusses durch einen elektrischen Streifenheizer 80 liefern, der auf der Dose 38 der Rückkondensationseinrichtung 39 angeordnet ist. Der Temperatursensor 70 und Heizer 80 sind an angenähert diametral gegenüberliegenden Positionen auf der Rückkondensationskammer 38 angeordnet, um erwünschte Wechselwirkungszeitkonstanten zu liefern. D.h., die räumliche Trennung des Temperatursensors 70 und Heizers 80 stellt sicher, dass die Temperaturregelungsaktion dahingehend stabil ist, dass der Temperatursensor die Temperatur der Rückkondensationseinrichtung 39 und nicht die des Heizers erfasst, welcher, wenn er aktiviert wird, auf einer höheren Temperatur als der der Rückkondensationseinrichtung liegt. Obwohl der Rückkondensationseinrichtungs-Temperatur sensor 70 auf der Rückkondensationseinrichtungsdose 30 unmittelbar oder angrenzend an die Wärmestation oder Wärmesenke 30 angeordnet dargestellt ist, kann er direkt auf der Wärmestation angeordnet sein.
Es hat sich herausgestellt, dass Messwerte der Temperatur der Rückkondensationseinrichtung 39 und des Druckes des Heliumbehälters 4 genau mit der Temperatur/Druck-Sättigungskurve des flüssigen Heliumkryokältemittels 47 korrelieren. Andere mögliche Temperaturmessstellen in dem Heliumdruckbehälter 4 folgen aufgrund von Wärmeschichtung, variierenden Heliumpegeln und Wärmefluss innerhalb des Heliumdruckbehälters nicht dieser Sättigungskurve. Somit erwies sich die Temperatur der Rückkondensationseinrichtung 39 außerhalb des Heliumbehälters 4 als eine unerwartete Ferntemperaturmessstelle, die auf den Heliumbehälterinnendruck reagiert und somit ein Regelsignal für eine genaue Regelung dieses Druckes liefert.
Ferner ist der Temperatursensor 70 weniger teuer und leichter als innerhalb des Heliumbehälters 4 angeschlossene Drucksensoren zugänglich. Ferner ist die Regelung über die Temperaturerfassung der Rückkondensationseinrichtung von Unterschieden im Heliumpegel 44 unabhängig, welcher während des Betriebs des supraleitenden Magneten 10 auftritt.
Ein zweiter Temperatursensor 84 kann hinzugefügt werden, um das Vorhandensein und die Position des Temperatursensors 70 zur Unterstützung der korrekten Anpassung des Kryokühlers 12 in Bezug auf die Rückkondensationseinrichtung 39 zu nutzen. Es ist für die korrekte Kühlung der Rückkondensationseinrichtung 39 wichtig, den optimalen oder korrekten Druck über der Indiumzwischenschicht 29 zu haben, um einen effektiven Wärmekontakt und einen Wärmeverbindung zur Minimierung von Wärmeverlusten zu erzeugen. Der durch die Schichtungsanordnung der Unterseite des Kryokühlers 12 und der Rückkondensationseinrichtung 39 auf die Zwischenlage 29 ausgeübte Druck oder die Kraft wird durch selektives Anziehen der Schrauben 82 eingestellt. Der Temperaturabfall über der Indiumzwischenlage 29, falls überhaupt vorhanden, kann durch ein Messinstrument 86 an der Regelung 74 angezeigt werden. Der Temperatursensor 84 ist auf der Kryokühlerseite der Indiumzwischenlage 29 angeordnet, um ein zweites Temperaturreaktionssignal 88 zu erzeugen. Demzufolge können die Schrauben 82 selektiv angezogen werden, um den Kryokühler 12 ausreichend gegen die Indiumzwischenlage 29 zur Sicherstellung eines guten Wärmekontakt gemäß Detektion durch die Temperaturdifferenz, die falls überhaupt vorhanden durch die Temperatursensoren 70 und 84 erfasst und durch das Instrument 86 angezeigt wird, ohne Überziehen und mögliche Beschädigung der Indiumzwischenlage anzudrücken.

Claims

Verdampfungsverlustlose durch Kryokältemittel gekühlte (62) rückkondensierende supraleitende Magnetanordnung (10) mit zur Magnetresonanzbildgebung geeigneten supraleitenden Magnetspulen (60), aufweisend: einen Kryokältemittel-Druckbehälter (4) zur Aufnahme eines flüssigen Kryokältemittelvorrats (46), um an den Magnetspulen Tieftemperaturen für einen supraleitenden Betrieb zu erzeugen; einen den Druckbehälter umgebenden und von dem Druckbehälter im Abstand angeordneten Vakuumbehälter (2); einen Kryokühler (12); eine Rückkondensationseinrichtung (39), die in dem Raum zwischen dem Druckbehälter und dem Vakuumbehälter angeordnet und thermisch über eine Wärmeübergangsstelle (29, 11) mit dem Kryokühler verbunden ist, um von dem Druckbehälter geliefertes Kryokältemittelgas wieder zu Flüssigkeit zu kondensieren; und eine Einrichtung (54, 58), um das rückkondensierte flüssige Kryokältemittel an den Druckbehälter zurückzuführen; gekennzeichnet durch: eine Druckregeleinrichtung (74), um den Druck des Kryokältemittelgases innerhalb des Druckbehälters über dem Druck außerhalb (37) des Druckbehälters zu halten; einen Temperatursensor (70), der außerhalb des Kryokältemittel-Druckbehälters in der Nähe der Wärmeübergangsstelle positioniert ist und die Temperaturveränderungen in dem Bereich in der Nähe dieser erfasst; und wobei die Druckregeleinrichtung auf dem Temperatursensor reagiert, indem sie den Druck des Kryokältemittelgases innerhalb des Kryokältemittel-Druckbehälters regelt.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 1, wobei die Druckregelungseinrichtung die Temperatur der Rückkondensationseinrichtung regelt, um wiederum den Druck innerhalb des Druckbehälters zu regeln.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 2, die eine in Wärmekontakt mit der Rückkondensationseinrichtung stehende und stabil auf Veränderungen in der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur der Rückkondensationseinrichtung reagierende elektrische Heizeinrichtung enthält.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 3, wobei der Temperatursensor und der elektrische Heizer ausreichend voneinander beabstandet sind, um einen auf die Temperatur der Heizeinrichtung ansprechende Regelungsvorgang zu vermeiden.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 4, wobei der Abstand um die Oberfläche der Wärmeübergangsstelle herum angenähert 180° beträgt.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 2, wobei die Wärmeübergangsstelle eine Wärmesenke enthält und der Temperatursensor auf der Wärmesenke positioniert ist.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 2, wobei die Wärmeübergangsstelle eine Wärmesenke enthält und der Temperatursensor auf der Rückkondensationseinrichtung in der Nähe der Wärmesenke positioniert ist.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 4, wobei der Temperatursensor ein Rhutheniumoxid-Kryosensor ist.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 4, wobei zwischen dem Kryokühler und der Rückkondensationseinrichtung eine thermisch wirksame Zwischenlage zur Schaffung einer Wärmeübergangsstelle und eine Einrichtung vorgesehen ist, um selektiv den mechanischen Druck über der Wärmeübergangsstelle einzustellen, wobei die Einstellungseinrichtung eine Einrichtung zum Anzeigen des Temperaturabfalls über der Wärmeübergangsstelle enthält.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 9, wobei auf dem Kryokühler angrenzend an die Wärmeübergangsstelle ein zweiter Temperatursensor positioniert ist und die Einrichtung zum Anzeigen die von dem Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor gemessene Temperaturdifferenz über der Wärmeübergangsstelle verwendet.
Verdampfungsverlustloser supraleitender Magnet nach Anspruch 9, wobei die thermisch wirksame Zwischenlage eine Wärmeleitzwischenlage aus Indium ist.