EP1742234A1

EP1742234A1 - Unterkühlte Horizontalkryostatanordnung

Info

Publication number: EP1742234A1
Application number: EP05014826A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Roth; Marco Strobel
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: EP1742234B1; KR20070006590A; KR100843389B1; DE502005005693D1; US20100236260A1

Abstract

Eine Kryostatanordnung mit in einem Heliumtank (1) angeordneten Magnetspulensystem (2) und einer horizontalen Raumtemperaturbohrung (3), die Zugang zu einem Untersuchungsvolumen im Zentrum des Magnetspulensystems (2) ermöglicht, wobei der Heliumtank (1) unterkühltes flüssiges Helium mit einer Temperatur von kleiner als 3,5K, insbesondere von ungefähr 2K, enthält, wobei die Kryostatanordnung auf ihrer Oberseite zum Einfüllen und Abdampfen von Helium zumindest einen vertikalen Turmaufbau (4) aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Turmaufbau (4) ein Behälter (5) mit flüssigem Helium auf 4,2K angeordnet ist, der durch eine thermische Barriere (7) vom Heliumtank (1) getrennt ist, und dass im Heliumtank (1) eine Unterkühleinheit (9) vorgesehen ist. Es ergibt sich eine kompakte Kryostatanordnung, mit welcher ein kontinuierlicher stabiler Langzeitbetrieb mit unterkühlter Hochfeldmagnetspule erzielt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryostatanordnung mit in einem Heliumtank angeordneten Magnetspulensystem und einer horizontalen Raumtemperaturbohrung , die Zugang zu einem Untersuchungsvolumen im Zentrum des Magnetspulensystems ermöglicht, wobei der Heliumtank unterkühltes flüssiges Helium mit einer Temperatur von kleiner als 3,5K, insbesondere von ungefähr 2K, enthält und wobei die Kryostatanordnung auf ihrer Oberseite zum Einfüllen und Abdampfen von Helium zumindest einen vertikalen Turmaufbau aufweist.
Eine derartige Anordnung ist aus "Specification for an 11.74Tesla/310mm room temperature bore magnet system" der Firma Magnex vom September 2001 bekannt.
Bei der aus "Specification for an 11.74Tesla/310mm room temperature bore magnet system" bekannten horizontalen Kryostatanordnung ist ein einziger Heliumtank vorgesehen, an dem zur Unterkühlung des darin befindlichen Heliums direkt abgepumpt wird. Durch die daraus resultierende Reduzierung des Drucks innerhalb des Heliumtanks wird ein Abkühlen des Heliums bewirkt. Das Nachfüllen des abgepumpten Heliums wird mit einem zweigeteilten Helium-Einlassventil realisiert, das es ermöglicht, Helium direkt in den sich auf Unterdruck befindlichen Heliumtank einzufüllen. Derartige Kryostatanordnungen mit unterkühltem Helium werden benötigt, um hohe Magnetfelder zu erzeugen und die Effizienz der Anordnung zu verbessern.
Ein Nachteil eines direkten Pumpens am Heliumtank besteht darin, dass der Heliumtank permanent bei einem Unterdruck von ca. 30 mbar betrieben wird. Bei der beabsichtigten kontinuierlichen Betriebsdauer solcher Systeme über viele Jahre hinweg stellt dieser permanent vorhandene Unterdruck ein erhebliches Risiko für das System dar. Beim Vorhandensein selbst kleinster Undichtigkeiten kann Luft in das System eindringen und dann im Heliumtank Eis bilden (Wassereis, N₂-Eis, CO₂-Eis, usw.). Das Eis kann sich auf der Spule absetzen, deren Kühlung behindem und so zum Quench führen.
Ein weiteres Risiko besteht darin, dass Helium in ein sich auf Unterdruck befindliches System eingefüllt werden muss. Dabei muss Helium über ein Sicherheitsventil in den Heliumtank eingelassen und gleichzeitig von 4.2 K auf die Betriebstemperatur von ungefähr 2 K abgekühlt werden. Handhabungsfehler können leicht zu einem Störfall mit Magnetquench führen. Ein weiterer Nachteil ist, da die Magnetspule nur bei niedrigerer Temperatur betrieben werden kann, dass ein Ersatz von fehlerhaften Komponenten, die die Dichtheit des Systems gewährleisten (Ventile, Dichtringe, usw.), im Betrieb nur schwer möglich ist.
Ein weiterer Nachteil ist, dass zum Laden und Entladen des Magneten die Stromzuführung ebenfalls von außen in den Unterdruckbereich eingeführt werden muss, wodurch wiederum leicht Handhabungsfehler mit schwerwiegenden Folgen entstehen können.
Anordnungen, die diese Nachteile vermeiden, sind aus DE 40 39 332 A1 und DE 40 39 365 A1 für Vertikalmagnete mit unterkühltem Helium bekannt, bei denen entlang der Achse der Raumtemperaturbohrung zwei Heliumtanks übereinander angeordnet sind. Die Heliumtanks stehen miteinander in Kontakt und sind durch eine thermische Barriere getrennt. In einem solchen System befindet sich der obere Heliumtank bei 4.2 K auf Normaldruck, wodurch die oben beschriebenen Nachteile bei Vertikalmagneten vermieden werden und die Magnetspule befindet sich im unteren Tank in Helium bei ca. 2 K, das, da es über schmale Spalte hydrostatisch mit dem oberen Tank verbunden ist, sich ebenfalls auf Normaldruck befindet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine horizontale Kryostatanordnung mit einem Magnetspulensystem vorzuschlagen, die die oben beschriebenen Nachteile vermeidet und die dazu geeignet ist, bei kompaktem Aufbau hohe Magnetfelder zu erzeugen, so dass ein kontinuierlicher stabiler Langzeitbetrieb mit unterkühlter Hochfeldmagnetspule erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Turmaufbau ein Behälter mit flüssigem Helium auf 4,2K angeordnet ist, der durch eine thermische Barriere vom Heliumtank getrennt ist und dass im Heliumtank eine Untefkühleinheit vorgesehen ist.
Der im Turmaufbau befindliche Behälter beinhaltet auf 4,2K befindliches, flüssiges Helium, welches bei Bedarf in den Heliumtank geleitet werden kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik findet hier kein direktes Abpumpen von Heliumgas über dem Heliumbad zur Erzeugung eines Unterdrucks im Heliumtank statt. Stattdessen erfolgt eine Unterkühlung des im Heliumtank befindlichen Heliums mittels einer Unterkühleinheit. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Joule Thomson Ventil handeln, welches durch eine Expansion des Heliums eine Unterkühlung des Heliums im Heliumtank bewirkt.
Im Behälter des Turmaufbaus befindet sich flüssiges Helium bei einer Temperatur von ca. 4,2K. Durch die thermische Barriere zwischen dem Heliumtank und dem Behälter im Turm kann zwar prinzipiell ein Übergang der kryogenen Flüssigkeiten ermöglicht werden, ein Wärmaustausch zwischen dem unterkühlten Helium mit dem Helium im Behälter und somit auch die Verluste an unterkühltem Helium werden hierdurch jedoch minimiert.
Durch die geschilderte Bauform ist es möglich, die weiter oben beschriebenen Nachteile eines direkten Pumpens am Heliumbad vollständig zu vermeiden. Die Integration des Behälters in den Turmbereich macht dies möglich, so dass all die Vorteile, die bislang ausschließlich für Kryostaten für Vertikalmagnete zur Verfügung standen, nun auch für Horizontal-Magnete ermöglicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung sind mindestens zwei Strahlungsschilde zwischen Heliumtank und Raumtemperaturbereich vorgesehen. Die Kryostatanordnung kann dann als Hochleistungskryostat verwendet werden.
Um das System möglichst effizient zu gestalten ist es von Vorteil, wenn der Turmaufbau domartig aufgebaut ist und an seiner Oberseite mindestens ein weiterer Turm angeordnet ist, in dem das aus der Kryostatanordnung abdampfende Helium seine Enthalpie an die in der Kryostatanordnung vorgesehenen Strahlungsschilde abgibt,
Vorzugsweise sind mindestens zwei, vorzugsweise drei ringförmig angeordnete weitere Türme vorgesehen, wobei insbesondere Drosseln mit vorgegebenem Strömungsquerschnitt zur gleichmäßigen Verteilung des abgepumpten Heliums auf die Türme vorgesehen sind.
Darüber hinaus können Strömungswächter, die die Flussmenge des abdampfenden Heliums durch die weiteren Türme messen, und vorzugsweise eine Durchflussvorrichtung vorgesehen sein, die die Flussmenge des abdampfenden Heliums durch die weiteren Türme automatisch regelt.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, bei der in den weiteren Türmen ein Ringraumwärmetauscher in Form eines Hohlrohres angeordnet ist, durch den das aus der Kryostatanordnung abdampfende und/oder abgepumpte Helium nach außen geführt wird und an dessen Außenseite die Strahlungsschilde thermisch leitend angekoppelt sind. Der Wärmeeintrag auf den Kryostaten wird auf diese Weise minimiert, da durch den Ringwärmetauscher und das abgepumpte Helium das Schildsystem besonders effektiv gekühlt wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Refrigerator, insbesondere ein Pulsrohrkühler, zur Rückverflüssigung des Heliums in den Behälter ragt. Das vom Heliumbad abdampfende Helium muss dann nicht mehr aus dem Behälter abgepumpt und neues Helium wieder zugeführt werden, sondern kann ohne Heliumverluste innerhalb des Behälters wieder verflüssigt werden. Der Behälter kann entsprechend klein ausgestaltet werden, da der benötigte Vorrat an Helium wegen der geringeren Verluste kleiner ausfallen kann.
Vorzugsweise ist der Refrigerator zweistufig und kühlt mindestens eines der Strahlungsschilde.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das von der Unterkühleinheit abgepumpte Helium zumindest eines der Strahlungsschilde kühlt.
Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung sieht vor, dass über die Unterkühleinheit Helium aus dem Heliumtank oder dem Behälter entnommen wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Behälter zusätzlich mit einem externen Reservoir mit gasförmigem Helium verbunden ist, und das Reservoir gegenüber dem Atmosphärendruck vorzugsweise einen leichten Überdruck aufweist. Der Refrigerator kann dann Helium aus dem Reservoir ansaugen, welches wieder in den Behälter verflüssigt wird und von dort zur Unterkühlung in den Heliumtank weitergeleitet werden kann. Aufgrund des leichten Überdrucks des Reservoirs gegenüber der Atmosphäre wird vermieden, dass Verunreinigungen in den Behälter gelangen.
Vorzugsweise wird das über die Unterkühleinheit abgepumpte Helium in das Reservoir gepumpt. Das Reservoir wird auf diese Weise ständig aufgefüllt. Somit kann die Kryostatanordnung ein geschlossenes System bilden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das externe Reservoir mit dem Refrigerator verbunden, so dass zumindest ein Teil des Gases des Reservoirs vom Refrigerator direkt zurückverflüssigt wird. Zusätzlich kann das Reservoir mit dem oberen Teil des Behälters verbunden sein.
Es ist auch vorstellbar, dass das externe Reservoir ausschließlich mit dem Refrigerator verbunden ist. Ebenso kann das Reservoir ausschließlich mit dem Behälter verbunden sein.
Um einem zu starken Druckabfall z.B. aufgrund übermäßiger Verflüssigung des Heliums durch den Pulsrohrkühler, im Behälter zu vermeiden, kann im Behälter ein Heizelement vorgesehen sein. Mit diesem kann der Druck im Behälter geregelt werden.
Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung bilden der Heliumtank und der Behälter zusammen einen geteilten Tank, wobei der Heliumtank mit dem unterkühlten flüssigen Helium unterhalb des Behälters angeordnet ist. Die Teilung des Tanks erfolgt hierbei durch die thermische Barriere.
Vorzugsweise besteht die den Behälter vom Heliumtank trennende Barriere aus einem Wärme schlecht leitenden Material, so dass ein Wärmeübergang vom Helium im Behälter zum unterkühlten Helium im Heliumtank weitgehend vermieden wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die thermische Barriere aus mindestens zwei Platten besteht, die im Wesentlichen durch ein Vakuum getrennt sind, und dass das die Platten trennende Vakuum vorzugsweise Teil eines einheitlichen Vakuums innerhalb der Kryostatanordnung ist. Durch Vakuumisolation wird ein Wärmeaustausch zwischen dem Behälter und dem Heliumtank besonders effektiv verhindert.
Im Falle eines Quenchs des Magnetspulensystems wird von dem Magnetspulensystem eine große Menge an Energie in Form von Wärme an das unterkühlte Heliumbad abgegeben, so dass sich das Helium im Heliumtank schlagartig aufwärmt und ausdehnt. Es ist daher von Vorteil, wenn in der Barriere ein Überdruckventil vorgesehen ist, das bei Überschreiten einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Heliumtank und dem Behälter einen erhöhten Druckausgleichsquerschnitt in der Barriere freigibt, und/oder dass in mindestens einer nicht an den Heliumtank angrenzenden Wand des Behälters mindestens eine Berstscheibe vorgesehen ist, die bei Überschreitung eines maximalen Drucks im Behälter einen großen Querschnitt nach außerhalb der Kryostatanordnung öffnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Heliumtank und dem Behälter ein eingeschränkter Strömungsquerschnitt, insbesondere ein Druckausgleichsspalt, vorzugsweise ein Ringspalt, vorgesehen, durch den flüssiges Helium vom Behälter in den Heliumtank strömen kann.
Bei einer besonders einfachen Ausführungsform besteht das Überdruckventil aus einem vorzugsweise konischen Stopfen mit in den Behälter und den Heliumtank gerichteten Wärmeaustauschflächen, der in einen ebenfalls vorzugsweise konischen, in Richtung auf den Heliumtank sich verengenden Sitz in der Barriere eingesetzt ist. Der Stopfen wird bei normalem Betrieb durch sein Gewicht in seiner Position gehalten, das so gewählt ist, dass es der maximal zulässigen auf den Stopfen einwirkenden Druckkraft entspricht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die für die Aufladung einer supraleitenden Magnetspule des Magnetspulensystems erforderlichen elektrischen Zuleitungen vor dem Eintritt in den Heliumtank erst durch den Behälter geführt sind, und dass vorzugsweise Vorrichtungen vorgesehen sind, die einen Kurzschlussbetrieb der Magnetspule ermöglichen, wobei die elektrischen Zuleitungen zur Magnetspule nach dem Kurzschließen abgezogen werden. Dadurch werden die Zuleitungen vor dem Eintritt in den Heliumtank mit dem unterkühlten Helium durch das wärmere Helium im Behälter im Turmaufbau vorgekühlt und der Wärmeeintrag über die Zuführungen reduziert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung sieht vor, dass das Zentrum des Magnetspulensystems in radialer Richtung nicht mit dem Zentrum der das Magnetspulensystem umgebenden Behälter übereinstimmt. Dadurch kann das magnetische Zentrum näher an ein Behälterende gelegt werden, wodurch der Zugang zum magnetischen Zentrum erleichtert wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung sieht vor, dass das Zentrum des Magnetspulensystems und das Zentrum des Behälters in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Achse der Raumtemperaturbohrung angeordnet sind. Die Spulenlängsachse fällt dann nicht mit der Behälterlängsachse zusammen. Dadurch wird es ermöglicht, über der Magnetspule ein größeres Helium-Vorratsvolumen zur Verfügung zu stellen, bei gleichzeitiger Beibehaltung der zylindrischen Bauform der verschiedenen Behälter. Selbstverständlich müssen die Behälter nicht kreisförmig sein, sondern können auch in anderen freien Formen ausgeführt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Vertikalschnitt entlang der Achse der Raumtemperaturbohrung einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;
Fig. 2: einen schematischen Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit asymmetrisch angeordneten Magnetspulensystem;
Fig. 3: einen schematischen Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit asymmetrisch angeordneten Magnetspulensystem und Refrigerator ohne Stickstofftank;

Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung. Oberhalb eines Heliumtanks 1, in dem ein Magnetspulensystem 2 um eine horizontale Raumtemperaturbohrung 3 angeordnet ist, ist ein Turmaufbau 4 mit einem Behälter 5 vorgesehen, in dem sich Helium befindet. Der Behälter 5 ist (Fig. 3) mit einem Refrigerator 6, vorzugsweise mit einem mehrstufigen Pulsrohrkühler ausgestattet, dessen kälteste Kältestufe 10 das im Behälter 5 befindliche Helium verflüssigt. Im Behälter 5 des Turmaufbaus 4 befindet sich also bereits vorgekühltes, flüssiges Helium auf einer Temperatur von ca. 4,2K. Im Falle eines Wärmeeintrags in den Behälter 5 kann das hierdurch verdampfende Helium mittels des Refrigerators 6 wieder verflüssigt werden, so dass ein Abdampfen von Helium aus dem Behälter 5 weitgehend vermieden werden kann. Daher ist es hier, im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, nicht notwendig, eine große Menge an flüssigem Helium vorrätig zu halten, so dass der Behälter 5 relativ klein dimensioniert sein kann.
Der Turmaufbau 4 mit dem Behälter 5 ist bezüglich der Achse der Raumtemperaturbohrung 3 radial außerhalb des Magnetspulensystems 2 angeordnet. Üblicherweise wird der Behälter auch in axialer Richtung am Rand der Kryostatanordnung angeordnet, so dass ein einfacher Zugang beispielsweise für Wartungsarbeiten möglich ist. Das Zentrum des Magnetspulensystems und das Zentrum des Behälters 5 werden daher im Allgemeinen in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Achse der Raumtemperaturbohrung angeordnet sein. Ebenso werden die im Allgemeinen zentrale Längsachse der Magnetspule und die zentrale Längsachse der verschiedenen Behälter und Schilde nicht übereinstimmen, sondern radial versetzt sein.
Durch eine thermische Barriere 7 wird der Behälter 5 vom Heliumtank 1 getrennt. Das flüssige Helium kann bei Bedarf über einen Ringspalt 8 vom Behälter 5 in den Heliumtank 1 überströmen, wo es mit Hilfe einer Unterkühleinheit 9 auf unter 3,5K weiter abgekühlt wird. Die Unterkühleinheit 9 kann als geschlossener Kühlkreislauf mit einem separaten Kühlmittel realisiert sein, oder aber das für die Unterkühlung zu expandierende Helium aus dem Heliumtank 1 oder dem Behälter abpumpen. Um die Abmessungen der Kryostatanordnung möglichst klein zu halten, ist es vorteilhaft, wenn der Behälter 5 von einem externen Reservoir (nicht dargestellt) gespeist wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das von der Unterkühleinheit 9 abgepumpte Helium dem Reservoir zugeführt werden. Der Druck im Reservoir wird dadurch ansteigen. Gleichzeitig wird im Behälter 5 des Turmaufbaus 3 durch den Refrigerator 6 Helium verflüssigt, wodurch der Druck im Behälter 5 sinkt. Ist das Reservoir mit dem Behälter 5 verbunden, wird durch den Druckunterschied zwischen dem Reservoir und dem Behälter 5 Heliumgas vom Reservoir in den Behälter 5 gesaugt, welches wiederum vom Refrigerator 6 verflüssigt wird. Es ergibt sich somit ein geschlossener Kühlmittelkreislauf, der sicherstellt, dass die Verluste an Helium minimiert werden und keine Verschmutzungen in das System gelangen.
Wird durch die Unterkühleinheit mehr Helium in das Reservoir gepumpt als vom Reservoir in den Behälter 5 gelangt, kann es zu einem Überdruck innerhalb des Reservoirs kommen. Es ist daher sinnvoll, das Reservoir mit einem Überdruckventil auszustatten. Andererseits kann eine zu große Kühlleistung des Refrigerators 6 zu einem Druckabfall im Reservoir führen. Dem kann entweder durch Drosseln des Refrigerators 6 oder durch Gegenheizen des Heliums im Behälter 5 mittels eines im Behälter 5 angeordneten Heizelements entgegen gewirkt werden.
Um die auf den Heliumtank 1 einfallende Strahlungsenergie zu reduzieren, sind bei den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnungen aus Fig. 1 und 2 zwischen dem Heliumtank 1 und einem Außenmantel 11 Strahlungsschilde 12a, 12b, 12c vorgesehen, wobei die Strahlungsschilde 12b und 12c durch das von der Unterkühleinheit 9 abgepumpte Helium gekühlt werden kann. Dazu sind an der Oberseite des Turmaufbaus 3 weitere Türme 14 vorgesehen, in denen Ringraumwärmetauscher 15 in Form von Hohlrohren angeordnet sind, durch die das aus dem Behälter 5 abdampfende und das von der Unterkühleinheit 9 abgepumpte Helium nach außen geführt wird und an deren Außenseiten die Strahlungsschilde 12b, 12c thermisch leitend angekoppelt sind. Es ist jedoch auch möglich, zumindest eines der Strahlungsschilde 12b, 12c mit der ersten Kältestufe 13 des Refrigerators 6 zu kontaktieren.
Das äußerste Strahlungsschild 12c ist, wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, als Stickstofftank 16 zur Abschirmung gegen Wärmestrahlung ausgeführt. Der Stickstoff im Stickstofftank 16 kann zusätzlich von der ersten Kältestufe 13 des Refrigerators 6 gekühlt werden.
Die thermische Barriere 7, welche den Behälter 5 und den Heliumtank 1 trennt, umfasst zwei Platten 17 aus einem thermisch schlecht leitenden Material. Der Raum zwischen den Platten 17 ist evakuiert, so dass ein Wärmeübertrag vom Behälter 5 in den Heliumtank 1 weitgehend vermieden wird. In der thermische Barriere 7 ist ein Überdruckventil in Form eines konischen Stopfens 18 vorgesehen, der im Falle eines Quenchs einen erhöhten Druckausgleichsquerschnitt in der thermische Barriere 7 freigibt, so dass das sich ausdehnende Helium aus dem Heliumtank 1 entweichen kann.
Die thermische Barriere 7 ist in den gezeigten Ausführungsformen so angebracht dass der Behälter 5 genau mit dem Turmaufbau 3 abschließt. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. Beispielsweise kann die thermische Barriere 7 radial weiter außen angeordnet sein, so dass der Heliumtank 1 in den Turmaufbau 3 hinein ragt. Das Volumen des Heliumtanks 1 ist dann gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten vergrößert. Es kann aber auch von Vorteil sein, die thermische Barriere radial innerhalb des Turmaufbaus 3 vorzusehen, so dass der Behälter 5 sich nur teilweise im Turmaufbau 3 befindet. Um die Abmaße der Kryostatanordnung klein zu halten, ist es vorteilhaft, wenn das Magnetspulensystem 2 asymmetrisch bezüglich des Außenmantels 11 und der Strahlungsschilde 12a, 12b, 12c der Kryostatanordnung angeordnet ist.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen Kryostatanordnungen mit asymmetrisch angeordnetem Magnetspulensystem 2. Die thermische Barriere 7 ist hier jeweils an der Grenze des Turmaufbaus 3 angeordnet, so dass das Magnetspulensystem 2 der Kryostatanordnung auch bezüglich des Heliumtanks 1 asymmetrisch angeordnet ist.
In Fig. 3 ist in der Kryostatanordnung zusätzlich ein Pulsrohrkühler vorgesehen, dessen erste Stufe das äußerste Strahlungsschild kühlt, das hier nicht als Stickstofftank, sondern nur als metallisches Strahlungsschild 19 ausgeführt ist.
Insgesamt ergibt sich eine kompakte Kryostatanordnung, mit der der für den Betrieb eines Hochleistungskryostaten notwendige Haliumverbrauch minimiert werden kann.

Bezugszeichenliste

1: Heliumtank
2: Magnetspulensystem
3: Raumtemperaturbohrung
4: Turmaufbau
5: Behälter
6: Refrigerator
7: thermische Barriere
8: Ringspalt
9: Unterkühleinheit
10: kälteste Kältestufe des Refrigerators
11: Außenmantel
12a, b, c: Strahlungsschild
13: erste Kältestufe des Refrigerators
14: weiterer Turm
15: Ringwärmetauscher
16: Stickstofftank
17: Platte
18: Stopfen
19: metallisches Strahlungsschild

Claims

Kryostatanordnung mit in einem Heliumtank (1) angeordneten Magnetspulensystem (2) und einer horizontalen Raumtemperaturbohrung (3), die Zugang zu einem Untersuchungsvolumen im Zentrum des Magnetspulensystems (2) ermöglicht, wobei der Heliumtank (1) unterkühltes flüssiges Helium mit einer Temperatur von kleiner als 3,5K, insbesondere von ungefähr 2K, enthält, wobei die Kryostatanordnung auf ihrer Oberseite zum Einfüllen und Abdampfen von Helium zumindest einen vertikalen Turmaufbau (4) aufweist
dadurch gekennzeichnet,
dass im Turmaufbau (4) ein Behälter (5) mit flüssigem Helium auf 4,2K angeordnet ist, der durch eine thermische Barriere (7) vom Heliumtank (1) getrennt ist und dass im Heliumtank (1) eine Unterkühleinheit (9) vorgesehen ist.
Kryostatanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strahlungsschilde (12a, 12b, 12c) zwischen Heliumtank und Raumtemperaturbereich vorgesehen sind.
Kryostatanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmaufbau domartig aufgebaut ist und an seiner Oberseite mindestens ein weiterer Turm (14) angeordnet ist, in dem das aus der Kryostatanordnung abdampfende Helium seine Enthalpie an die in der Kryostatanordnung vorgesehenen Strahlungsschilde (12b, 12c) abgibt.
Kryostatanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, vorzugsweise drei ringförmig angeordnete weitere Türme (14) vorgesehen sind, und dass insbesondere Drosseln mit vorgegebenen Strömungsquerschnitt zur gleichmäßigen Verteilung des abgepumpten Heliums auf die weiteren Türme (14) vorgesehen sind.
Kryostatanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungswächter vorgesehen sind, die die Flussmenge des abdampfenden Heliums durch die weiteren Türme (14) messen, und dass vorzugsweise eine Durchfilussvorrichtung vorgesehen ist, die die Flussmenge des abdampfenden Heliums durch die weiteren Türme (14) automatisch regelt.
Kryostatanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den weiteren Türmen (14) ein Ringraumwärmetauscher (15) in Form eines Hohlrohres angeordnet ist, durch den das aus der Kryostatanordnung abdampfende und/oder abgepumpte Helium nach außen geführt wird und an dessen Außenseite die Strahlungsschilde (12b, 12c) thermisch leitend angekoppelt sind.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Refrigerator (6), insbesondere ein Pulsrohrkühler, zur Rückverflüssigung des Heliums in den Behälter (5) ragt.
Kryostatanordnung nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Refrigerator (6) zweistufig ist und mindestens eines der Strahlungsschilde (12a, 12b, 12c) kühlt.
Kryostatanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Unterkühleinheit (9) abgepumpte Helium zumindest eines der Strahlungsschilde (12a, 12b, 12c) kühlt.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Unterkühleinheit (9) Helium aus dem Heliumtank (1) oder dem Behälter (5) entnommen wird.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (5) mit einem externen Reservoir mit gasförmigen Helium verbunden ist, und dass das Reservoir gegenüber dem Atmosphärendruck vorzugsweise einen leichten Überdruck aufweist.
Kryostatanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Unterkühleinheit (9) abgepumpte Helium in das Reservoir gepumpt wird.
Kryostatanordnung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das externe Reservoir mit dem Refrigerator (6) verbunden ist.
Kryostatanordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass das externe Reservoir ausschließlich mit dem Refrigerator (6) verbunden ist.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (5) ein Heizelement vorgesehen ist.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heliumtank (1) und der Behälter (5) zusammen einen geteilten Tank bilden, wobei der Heliumtank (1) mit dem unterkühlten flüssigen Helium unterhalb des Behälters (5) angeordnet ist.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Behälter (5) vom Heliumtank (1) trennende thermische Barriere (7) aus einem Wärme schlecht leitenden Material besteht.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriere (7) aus mindestens zwei Platten (17) besteht, die im Wesentlichen durch ein Vakuum getrennt sind, und dass das die Platten (17) trennende Vakuum vorzugsweise Teil eines einheitlichen Vakuums innerhalb der Kryostatanordnung ist.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der thermischen Barriere (7) ein Überdruckventil vorgesehen ist, das bei Überschreiten einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Heliumtank (1) und dem Behälter (5) einen erhöhten Druckausgleichsquerschnitt in der thermischen Barriere (7) freigibt, und/oder dass in mindestens einer nicht an den Heliumtank (1) angrenzenden Wand des Behälters (5) mindestens eine Berstscheibe vorgesehen ist, die bei Überschreitung eines maximalen Drucks im Behälter (5) einen großen Querschnitt nach außerhalb der Kryostatanordnung öffnet.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Heliumtank und dem Behälter ein eingeschränkter Strömungsquerschnitt, insbesondere ein Druckausgleichsspalt, vorzugsweise ein Ringspalt (8), vorgesehen ist, durch den flüssiges Helium vom Behälter (5) in den Heliumtank (1) strömen kann.
Kryostatanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil aus einem vorzugsweise konischen Stopfen (18) mit in den Behälter (5) und den Heliumtank (1) gerichteten Wärmeaustauschflächen besteht, der in einen ebenfalls vorzugsweise konischen, in Richtung auf den Heliumtank (1) sich verengenden Sitz in der thermischen Barriere (7) eingesetzt ist.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Aufladung einer supraleitenden Magnetspule des Magnetspulensystems (2) erforderlichen elektrischen Zuleitungen vor dem Eintritt in den Heliumtank (1) erst durch den Behälter (5) geführt sind, und dass vorzugsweise Vorrichtungen vorgesehen sind, die einen Kurzschlussbetrieb der Magnetspule ermöglichen, wobei die elektrischen Zuleitungen zur Magnetspule nach dem Kurzschließen abgezogen werden.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Magnetspulensystems (2) in radialer Richtung nicht mit dem Zentrum der das Magnetspulensystem (2) umgebenden Behälter (5) übereinstimmt.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Magnetspulensystems (2) und das Zentrum des Behälters (5) in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Achse der Raumtemperaturbohrung (3) angeordnet sind.