EP1999764A1 - Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine unterkühlte lts- und eine in einem separaten heliumtank angeordnete hts-sektion umfasst - Google Patents

Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine unterkühlte lts- und eine in einem separaten heliumtank angeordnete hts-sektion umfasst

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EP1999764A1
EP1999764A1 EP07723070A EP07723070A EP1999764A1 EP 1999764 A1 EP1999764 A1 EP 1999764A1 EP 07723070 A EP07723070 A EP 07723070A EP 07723070 A EP07723070 A EP 07723070A EP 1999764 A1 EP1999764 A1 EP 1999764A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cryostat
helium
section
hts
lts
Prior art date
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Granted
Application number
EP07723070A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1999764B1 (de
Inventor
Theo Schneider
Gerhard Roth
Arne Kasten
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bruker Biospin GmbH
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Bruker Biospin GmbH
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Bruker Biospin GmbH, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Bruker Biospin GmbH
Publication of EP1999764A1 publication Critical patent/EP1999764A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1999764B1 publication Critical patent/EP1999764B1/de
Ceased legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Definitions

  • Krvostat with a magnetic coil system which includes a supercooled LTS and a HTS section arranged in a separate helium tank
  • the invention relates to a cryostat comprising a magnetic coil system comprising a superconductive conductor for generating a magnetic field Bo in a measuring volume, having a plurality of radially-nested, electrically connected, coil-shaped coil sections, of which at least one LTS section comprises a conventional cryogenic superconductor ( LTS) and at least one HTS section comprises a high temperature superconductor (HTS), wherein the liquid helium LTS section is located in a first helium tank of the cryostat at a helium temperature T L ⁇ 4K.
  • LTS conventional cryogenic superconductor
  • HTS high temperature superconductor
  • LTS low-temperature superconductors
  • NbTi and Nb 3 Sn are relatively easy to process and reliable in use.
  • the conductor of an LTS coil section usually consists of a good normal conductive metallic matrix (eg copper), in which superconducting filaments are located, which completely take over the current during normal operation.
  • NbTi these are usually tens to hundreds, in the case of Nb 3 Sn, it may be more than a hundred thousand.
  • the inner structure of the ladder is a bit more complex, but this does not matter in the present context.
  • the coil sections are cooled with liquid helium in a cryostat.
  • the superconducting coil sections generally dive at least partially into liquid helium.
  • the coil sections are possibly operated with supercooled helium at a temperature below 4 K, whereby their current carrying capacity and their critical magnetic field can be increased even more.
  • the temperature may be at or below the so-called lambda point (about 2.2 K) at which the liquid helium becomes superfluous.
  • HTS high-temperature superconductor
  • conductors containing HTS can carry much more current and achieve higher magnetic field strengths than those with LTS.
  • HTS material is therefore primarily suitable as material for the innermost coil sections of a magnetic coil system.
  • HTS or even ceramic superconductors are mainly available as bismuth conductors with HTS filaments in a silver-containing matrix.
  • the ladders are predominantly in the form of ribbons.
  • a cryostat of the type presented at the outset which is characterized in that the HTS section is arranged radially inside the LTS section in a separate helium tank of the normal liquid helium cryostat and from the LTS section at least one wall between the two helium tanks is separated.
  • the present invention is based on the finding that the ballooning is caused by supercooled, at least temporarily superfluid, helium which penetrates into the interior of the HTS material where it expands or evaporates HTS material is ceramic and therefore typically has a certain porosity
  • the liquid helium can penetrate through the pores into the interior of the HTS, in particular in the superfluid state of helium, which is below the ⁇ -point temperature of approximately 2.2 K (due to fluctuations possibly also slightly above 2, 2), the helium can also penetrate even the smallest of gaps: in the case of a later warming above the boiling point of helium, the helium increases in volume during evaporation, and if the heating is too rapid, the evaporating helium can not escape from the pores in time A considerable pressure builds up in the pores of the HTS Since HTS is a ceramic and thus brittle material, the HT S finally be blown up by this pressure.
  • the HTS section or HTS sections of the magnet coil system is located in the separate helium tank of the cryostat between the inner wall of the first helium tank and the room temperature bore. In the separate helium tank certainly no superfluid helium is present.
  • the operating temperature of the HTS section may well be slightly higher than that of the LTS sections in the first helium tank, because at or below 4 K, the critical current of the HTS conductor depends only very little on the temperature, in contrast to the situation with the LTS sections.
  • cryostat Preferred is an embodiment of the cryostat according to the invention, wherein the temperature of the liquid helium in the first tank T L ⁇ 2.5 K, in particular ⁇ 2.2 K. At these low temperatures is the danger a Ballooning without the measures according to the invention particularly large, so that the advantages of the invention come into its own. Since the critical current densities of the conductors of the LTS sections increase with decreasing temperature, the low temperatures permit higher magnetic field strengths B 0 and / or more compact LTS sections.
  • a preferred embodiment of the cryostat according to the invention provides that superconducting leads also run to the at least one HTS section in the separate helium tank, specifically at least as far as the supply lines contain HTS. This protects all HTS material up to and including the joints from superfluid helium.
  • a conductor of conventional superconducting material e.g. a NbTi multifilamentary wire, to a passage in the first helium tank.
  • the superconducting conductor is passed through this feedthrough so that the full magnet current can pass losslessly from the HTS section to the LTS sections and back.
  • a superconductive switch for the lossless continuous current mode is usually located in a separate helium tank, with a vertically arranged magnet coil above the LTS sections.
  • the radiation shield reduces heat input by radiation from the room temperature hole into the HTS section.
  • a preferred embodiment provides that the magnetic field B 0 generated in the measurement volume by the magnet coil system is greater than 20 T, in particular greater than 23 T. These strong magnetic fields are easily accessible by means of HTS section and the cryostat according to the invention. In contrast, with conventional magnet systems based only on LTS sections, the theoretical limit is almost reached at these field strengths, and the critical current density tends toward zero. Also preferred is an embodiment in which the coil sections of the magnet coil system can be superconductingly short-circuited during operation. As a result, a particularly stable magnetic field B 0 is achieved.
  • an embodiment which is characterized in that the magnetic coil system with respect to the homogeneity of the magnetic field B 0 in the measurement volume and the temporal stability of Bo meets the requirements of high-resolution NMR spectroscopy.
  • the separate helium tank has a temperature of the liquid helium contained therein of about 4.2 K. This makes refilling this tank particularly easy and safe.
  • the separate helium tank is preferably separated from the first by a vacuum barrier, but connected to the first helium tank (see eg US 5,220,800).
  • the liquid helium in the first helium tank has a temperature T L ⁇ 4K.
  • the separate helium tank is arranged partially above the first helium tank about a common, preferably vertical room temperature bore.
  • the two tanks can be separated by a vacuum barrier and coupled via a narrow, eg gap-shaped connection.
  • the upper tank may be at about normal pressure or slightly above it so that overall refilling of helium can be easier and safer. So that the tanks do not oscillate with the sections in them against each other and thereby the stability of measurements suffers, they can be rigidly connected. This is done on the one hand on the suspensions of the tanks in the cryostat or on preferably thermally poorly conductive spacers, possibly with ddlingförmigem contact from the usually provided in the Kryostatenbau therefor materials. If the associated thermal contact can be accepted, the sections or their supports can also be attached to a common floor plate or strut, for example made of steel or titanium, which is part of the helium tanks or firmly connected.
  • the sections or their carriers can in turn be rigidly connected to the tanks. It may be sufficient to have the connected LTS sections on the bottom of the first tank and the HTS section on the bottom of the separate tank.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a cryostat according to the invention with LTS section and HTS section in separate helium tanks in a schematic representation.
  • 1 shows an embodiment of a cryostat 1 according to the invention.
  • the cryostat 1 has a room temperature bore 2 in which a measuring volume 3 for a sample is provided.
  • the measuring volume 3 is located in the center of a magnetic coil system, which here is formed by three solenoid-shaped coil sections 4, 5, 6.
  • the middle coil section 5 is wound with Nb ⁇ Sn wire and the outermost coil section 6 is wound with NbTi wire.
  • the coil sections 4, 5, 6 are electrically connected in series with one another, by way of example with the two superconducting transition points (joints) 7a and 7b.
  • the HTS material of a lead 4a to the HTS coil section 4 is connected to a junction piece 8 made of NbTi, and at the joint 7b the junction piece 8 is connected to the Nb ⁇ Sn wire of the LTS section 5.
  • the transition piece 8 enters a passage 18 through a vacuum barrier 9a between a first helium tank 9, in which the LTS sections 5 and 6 are nested in one another, and a separate helium tank 19, in which the HTS section 4 is located.
  • the passage 18 is a connection of the two tanks 9, 19 and sealed against the vacuum 14 of the cryostat.
  • the first helium tank 9 is filled with liquid helium.
  • the liquid helium in the helium tank 9 has a temperature T L ⁇ 4 K, in particular about 2 K.
  • the helium tank 9 is for isolation, in particular radially outwardly surrounded by a radiation shield 10.
  • the radiation shield 10 also extends between the HTS section 4 and the room temperature bore 2.
  • the radiation shield 10 is cooled with liquid nitrogen, which can be filled into container 10a.
  • further radiation shields can be provided, which are usually also cooled by evaporating helium gas.
  • a radiation shield can also be thermally coupled directly to the separate helium tank 19 and substantially surround the first tank 9.
  • the radiation shields can be battery-cooled, whereby the nitrogen tank 10a can be omitted.
  • the refrigerator can also be a Re-cooling the evaporating helium take over, so that the refill intervals are extended for liquid helium or refilling is necessary only after a major accident.
  • the HTS coil section 4 While the LTS coil sections 5, 6 are immersed in possibly superfluid helium, the HTS coil section 4 together with the supply line 4a and the joint 7a is arranged in the separate helium tank 19, which contains only normal liquid or gaseous helium. This ensures that no superfluid helium in HTS material of the HTS coil section 4 or its lead 4a can penetrate. As a result, it can not happen that superfluid helium inside the HTS material evaporates again and the volume increase can cause the HTS material to burst from the inside.
  • Helium tank 19 should drop noticeably below 4 K, a heater 17 for the HTS section 4 including supply line 4a and joint 7a is provided so that in a separate tank 19 under no circumstances superfluid helium can occur.
  • the entirety of the evacuated interior of the cryostat 1 forms the vacuum part 14 of the cryostat 1.
  • the vacuum part 14 there is a pressure of less than 10 "5 mbar.
  • the HTS section 4 is slightly warmer than the LTS sections 5 and 6.
  • a bottom plate 15 forms with a radially outer part of the lower wall of the helium tank 9.
  • the bottom plate 15 continues radially inward to below the HTS section 4 on.
  • On the bottom plate 15 has two annular flanges 16a, 16b attached.
  • the LTS section 6 is directly attached, and the LTS section 5 via a coil carrier, not shown.
  • the bottom plate 15 with the bottom plate 15a of the separate helium tank 19, on the HTS section. 4 is firmly mounted, rigidly connected.
  • the bottom plate 15 is preferably formed in one piece. The arrangement described allows simultaneous handling of all coil sections 4, 5, 6 during assembly of the cryostat 1 via the common base plate 15.
  • the cryostat 1 of FIG. 1 is preferably part of an NMR apparatus, such as an NMR spectrometer or an NMR tomograph, in particular a high-resolution high-field NMR spectrometer with a magnetic field B 0 > 20 T, preferably> 23 T in the measurement volume, wherein the magnetic coil system with respect to the homogeneity of the magnetic field B 0 in the measuring volume and the time stability of B 0 meets the requirements of high-resolution NMR spectroscopy, which usually requires that the coil sections of the magnetic coil system can be superconductingly short-circuited during operation.
  • the coil axes and the room temperature bore are vertical.
  • the invention also relates to horizontal-bore cryostats which are preferably used in the imaging region (MRI) or else for ion cyclotron resonance spectrometers.
  • MRI imaging region
  • ion cyclotron resonance spectrometers ion cyclotron resonance spectrometers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

Ein Kryostat (1), mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds B<SUB>0</SUB> in einem Messvolumen (3), mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensektionen (4, 5, 6), von denen mindesten eine LTS-Sektion (5, 6) einen konventionellen Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion (4) einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS-Sektion mit flüssigem Helium in einem ersten Heliumtank (9) des Kryostaten (1) bei einer Helium-Temperatur T<SUB>L</SUB> < 4 K befindet, ist dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Sektion (4) radial innerhalb der LTS-Sektion (5, 6) in einem separaten Heliumtank (19) des Kryostaten (1) mit normalflüssigem Helium angeordnet ist und von der LTS-Sektion (5, 6) durch mindestens eine Wand zwischen den beiden Heliumtanks getrennt ist. Im erfindungsgemäßen Kryostaten kann eine HTS-Spulensektion langfristig und zuverlässig eingesetzt werden.

Description

Krvostat mit einem Magnetspulensvstem. das eine unterkühlte LTS- und eine in einem separaten Heliumtank angeordnete HTS-Sektion umfasst
Die Erfindung betrifft einen Kryostaten, mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds Bo in einem Messvolumen, mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensek- tionen, von denen mindesten eine LTS-Sektion einen konventionellen Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS-Sektion mit flüssigem Helium in einem ersten Heliumtank des Kryostaten bei einer Helium-Temperatur TL < 4 K befindet. Ein solcher Kryostat ist beispielsweise bekannt geworden aus der DE 10 2004 007 340 A1.
Zum Beispiel für Kernspinresonanz-Apparaturen, insbesondere Spektrometer, werden sehr starke, homogene und stabile Magnetfelder benötigt. Je stärker das Magnetfeld, desto besser ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die spektrale Auflösung der NMR-Messung.
Zur Erzeugung starker Magnetfelder werden supraleitende Magnetspulen- Systeme eingesetzt. Weit verbreitet sind Magnetspulensysteme mit solenoidförmigen Spulensektionen, die ineinander geschachtelt sind und in Serie betrieben werden. Supraleiter können elektrischen Strom verlustfrei tragen. Die Supraleitung stellt sich unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur ein. Als Supraleitermaterial werden typischerweise kon- ventionelle Tieftemperatur-Supraleiter (LTS) eingesetzt. Diese Metalllegierungen wie beispielsweise NbTi und Nb3Sn sind verhältnismäßig leicht zu verarbeiten und zuverlässig in der Anwendung. Der Leiter einer LTS-Spulen- sektion besteht in der Regel aus einer gut normalleitenden metallischen Matrix (z.B. Kupfer), in der sich supraleitende Filamente befinden, die im Normalbetrieb vollständig den Strom übernehmen. Im Fall von NbTi sind das üblicherweise einige zehn bis hundert, im Fall von Nb3Sn können es mehr als hunderttausend sein. Tatsächlich ist der innere Aufbau der Leiter noch etwas komplexer, was aber im vorliegenden Zusammenhang keine Rolle spielt.
Um die Spulensektionen unter die Sprungtemperatur abzukühlen, werden die Spulensektionen mit flüssigem Helium in einem Kryostaten gekühlt. Die supraleitenden Spulensektionen tauchen dabei i.a. zumindest teilweise in flüssiges Helium ein. In Höchstfeldmagneten werden die Spulensektionen ggf. mit unterkühltem Helium bei einer Temperatur unterhalb von 4 K betrieben, wodurch ihre Stromtragfähigkeit und ihr kritisches Magnetfeld noch etwas gesteigert werden kann. Die Temperatur kann dabei am oder auch unterhalb des sog. Lamda-Punktes (etwa 2,2 K) liegen, bei dem das flüssige Helium superflüssig wird. Um die erreichbare Magnetfeldstärke in einem Magnetspulensystem noch weiter zu steigern, ist es wünschenswert, auch Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) einzusetzen. Bei gleicher Temperatur können Leiter, die HTS enthalten, sehr viel mehr Strom tragen und höhere Magnetfeldstärken erreichen als solche mit LTS. HTS-Material bietet sich somit vor allem als Material für die innersten Spulensektionen eines Magnetspulensystems an.
HTS oder auch keramische Supraleiter gibt es derzeit vor allem als Wismut- Leiter mit HTS-Filamenten in einer silberhaltigen Matrix. Die Leiter haben vorwiegend die Form von Bändchen.
Spulensektionen aus HTS vor allem in unterkühltem Helium haben sich bisher allerdings als kurzlebig und unzuverlässig erwiesen. Eine Untersuchung von ausgefallenen HTS-Sektionen hat ergeben, dass das HTS-Material aufplatzt und die Stromtragfähigkeit des HTS-Leiters damit zerstört wird. Dieser an sich auch in anderen Zusammenhängen bekannte Effekt wird gelegentlich als „ballooning" bezeichnet.
Aufgabe der Erfindung
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kryostaten bereitzustellen, in dem eine HTS-Spulensektion langfristig und zuverlässig eingesetzt werden kann, und insbesondere das Risiko für „ballooning" reduziert ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kryostaten der eingangs vorgestellten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die HTS-Sektion radial innerhalb der LTS-Sektion in einem separaten Heliumtank des Kryostaten mit normalflüssigem Helium angeordnet ist und von der LTS-Sektion durch mindestens eine Wand zwischen den beiden Heliumtanks getrennt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das „ballooning" durch unterkühltes, zumindest zeitweise superflüssiges Helium verursacht wird, das in das Innere des HTS-Materials eindringt, dort expandiert oder verdampft. HTS-Material ist keramisch und weist daher typischerweise eine gewisse Porosität auf. Das flüssige Helium kann durch die Poren in das Innere des HTS eindringen. Insbesondere im superflüssigen Zustand des Heliums, der unterhalb der λ-Punkt-Temperatur von ca. 2,2 K gegeben ist (durch Fluktuationen u.U. auch etwas oberhalb von 2,2 K), kann das Helium auch durch kleinste Spalte dringen. Im Falle einer späteren Erwärmung über den Siedepunkt des Heliums hinaus nimmt das Helium beim Verdampfen stark an Volumen zu. Erfolgt die Erwärmung zu rasch, so kann das verdampfende Helium nicht rechtzeitig aus den Poren entweichen, und ein erheblicher Druck baut sich in den Poren des HTS auf. Da HTS ein keramisches und damit sprödes Material ist, kann der HTS schließlich von diesem Druck gesprengt werden.
Dies kann durch den erfindungsgemäßen Kryostaten verhindert werden. Die HTS-Sektion oder die HTS-Sektionen des Magnetspulensystems, und damit alles HTS-Material, ist im separaten Heliumtank des Kryostaten zwischen der Innenwand des ersten Heliumtanks und der Raumtemperaturbohrung angeordnet. Im separaten Heliumtank ist sicher keinerlei superflüssiges Helium vorhanden.
Dabei darf die Betriebstemperatur der HTS-Sektion durchaus etwas höher sein als die der LTS-Sektionen im ersten Heliumtank, da um oder unter 4 K der kritische Strom des HTS-Leiters nur noch sehr wenig von der Temperatur abhängt, im Gegensatz zur Situation bei den LTS-Sektionen.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten, bei der die Temperatur des flüssigen Heliums im ersten Tank TL < 2,5 K, insbesondere < 2,2 K ist. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist die Gefahr eines Balloonings ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders groß, so dass die Vorteile der Erfindung besonders zur Geltung kommen. Da die kritischen Stromdichten der Leiter der LTS-Sektionen mit sinkender Temperatur zunehmen, gestatten die niedrigen Temperaturen höhere Magnetfeldstärken B0 und/oder kompaktere LTS-Sektionen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten sieht vor, dass auch supraleitende Zuleitungen zur mindestens einen HTS-Sektion im separaten Heliumtank verlaufen, und zwar mindestens soweit die Zuleitungen HTS enthalten. Dadurch wird alles HTS-Material bis einschließlich der Joints vor superflüssigem Helium geschützt. Ab diesen Joints verläuft dann in der Regel jeweils ein Leiter aus konventionellem Supraleitermaterial, z.B. ein NbTi-Multifilamentdraht, zu einer Durchführung in den ersten Heliumtank. Der supraleitende Leiter wird durch diese Durchführung durchgeführt, so dass der volle Magnetstrom verlustfrei von der HTS-Sektion zu den LTS-Sektionen und zurück gelangen kann. Ein supraleitender Schalter für den verlustfreien Dauerstrombetrieb (persistent mode) befindet sich in der Regel im separaten Heliumtank, bei vertikal angeordneter Magnetspule oberhalb der LTS- Sektionen.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, gemäß der sich zwischen separatem Heliumtank und Raumtemperaturbohrung mindestens ein Strahlungsschild befindet. Der Strahlungsschild reduziert einen Wärmeeintrag durch Strahlung von der Raumtemperaturbohrung in die HTS- Sektion.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das im Messvolumen durch das Magnetspulensystem erzeugte Magnetfeld B0 größer als 20 T, insbesondere größer als 23 T ist. Diese starken Magnetfelder sind mittels HTS-Sektion und dem erfindungsgemäßen Kryostaten gut erreichbar. Im Gegensatz dazu wird mit konventionellen Magnetsystemen, die nur auf LTS- Sektionen basieren, bei diesen Feldstärken schon die theoretische Grenze nahezu erreicht, und die kritische Stromdichte strebt gegen null. Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Spulensektionen des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können. Dadurch wird ein zeitlich besonders stabiles Magnetfeld B0 erreicht.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B0 im Messvolumen und der zeitlichen Stabilität von Bo die Anforderungen der hochauflösenden NMR-Spektroskopie erfüllt.
Bevorzugt ist schließlich eine Ausführungsform, bei der der separate Heliumtank eine Temperatur des darin enthaltenen flüssigen Heliums von etwa 4,2 K aufweist. Dadurch ist das Nachfüllen dieses Tanks besonders einfach und sicher.
Der separate Heliumtank ist vorzugsweise vom ersten durch eine Vakuumbarriere getrennt, jedoch mit dem ersten Heliumtank verbunden (vgl. z.B. US 5,220,800). Das flüssige Helium im ersten Heliumtank hat eine Temperatur TL < 4K. Durch die Verwendung zweier solcher Heliumtanks können einerseits die LTS-Sektionen bei tieferer Temperatur betrieben werden, was ihre Stromtragfähigkeit erhöht und andererseits das Helium bei etwa Normaldruck aus dem Kryostaten abdampfen und auch bei diesem Druck für beide Tanks ein- bzw. nachgefüllt werden, was der Wirkungsgrad der Kühlung und die Betriebssicherheit erhöht.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der separate Heliumtank teilweise über dem ersten Heliumtank um eine gemeinsame, vorzugsweise vertikale Raumtemperaturbohrung angeordnet. Bei diesem Aufbau können die beiden Tanks durch eine Vakuumbarriere getrennt und über eine enge, z.B. spaltförmige Verbindung gekoppelt werden. Der obere Tank kann sich etwa auf Normaldruck oder leicht darüber befinden, so dass insgesamt das Nachfüllen von Helium leichter und sicherer erfolgen kann. Damit die Tanks mit den in ihnen befindlichen Sektionen nicht gegeneinander schwingen und dadurch die Stabilität von Messungen leidet, können sie starr miteinander verbunden sein. Dies geschieht einerseits über die Aufhängungen der Tanks im Kryostaten oder auch über bevorzugt thermisch schlecht leitende Distanzstücke, ggf. mit punktförmigem Kontakt aus den im Kryostatenbau dafür in der Regel vorgesehenen Materialien. Falls der damit verbundene thermische Kontakt akzeptiert werden kann, können die Sektionen bzw. ihre Träger auch an einer gemeinsamen Bodenplatte bzw. Verstrebung z.B. aus Stahl oder Titan befestigt sein, die Teil der Heliumtanks ist oder mit diesen fest verbunden.
Die Sektionen bzw. ihre Träger können ihrerseits starr mit den Tanks verbunden sein. Dazu kann es genügen, wenn die verbundenen LTS- Sektionen auf dem Boden des ersten Tanks stehen und die HTS-Sektion auf dem Boden des separaten Tanks.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.
Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten mit mit LTS-Sektion und HTS-Sektion in separaten Heliumtanks in schematischer Darstellung. Die Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten 1. Der Kryostat 1 weist eine Raumtemperaturbohrung 2 auf, in der ein Messvolumen 3 für eine Probe vorgesehen ist. Das Messvolumen 3 befindet sich im Zentrum eines Magnetspulensystems, das hier von drei solenoid- förmigen Spulensektionen 4, 5, 6 gebildet wird. Die radial innerste Spulensektion 4 ist mit einem Draht aus Hochtemperatursupraleiter(=HTS) gewickelt. Die mittlere Spulensektion 5 ist mit NbßSn-Draht gewickelt, und die äußerste Spulensektion 6 ist mit NbTi-Draht gewickelt. Die Spulensektionen 5, 6 stellen somit Tieftemperatursupraleiter(=LTS)-Spulensektionen dar. Die Spulen- Sektionen 4, 5, 6 sind in Serie elektrisch miteinander verbunden, beispielhaft ist dies mit den beiden supraleitenden Übergangsstellen (Joints) 7a und 7b dargestellt. Am Joint 7a wird das HTS-Material einer Zuleitung 4a zur HTS- Spulensektion 4 mit einem Übergangsstück 8 aus NbTi verbunden, und am Joint 7b wird das Übergangsstück 8 mit dem NbßSn-Draht der LTS-Sektion 5 verbunden. Das Übergangsstück 8 tritt an einer Durchführung 18 durch eine Vakuumbarriere 9a zwischen einem ersten Heliumtank 9, in dem sich ineinander geschachtelt die LTS-Sektionen 5 und 6 befinden, und einem separaten Heliumtank 19, in dem sich die HTS-Sektion 4 befindet. Die Durchführung 18 ist eine Verbindung der beiden Tanks 9, 19 und gegen das Vakuum 14 des Kryostaten dicht.
Der erste Heliumtank 9 ist mit flüssigem Helium gefüllt. Das flüssige Helium im Heliumtank 9 hat eine Temperatur TL < 4 K, insbesondere etwa 2 K. Der Heliumtank 9 ist zur Isolation, insbesondere radial außen von einem Strahlungsschild 10 umgeben. Der Strahlungsschild 10 verläuft auch zwischen der HTS-Sektion 4 und der Raumtemperaturbohrung 2. Der Strahlungsschild 10 wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt, der in Behälter 10a eingefüllt werden kann. Zusätzlich können weitere Strahlungsschilde vorgesehen sein, die üblicherweise auch durch abdampfendes Heliumgas gekühlt werden. Ein Strahlungsschild kann auch direkt an den separaten Heliumtank 19 thermisch angekoppelt sein und im wesentlichen den ersten Tank 9 umgeben. Alternativ oder zusätzlich können die Strahlungsschilde refrigeratorgekühlt werden, wodurch der Stickstofftank 10a entfallen kann. Der Refrigerator kann auch eine Rückkühlung des abdampfenden Heliums übernehmen, so dass die Nachfüllintervalle für flüssiges Helium verlängert werden oder Nachfüllen überhaupt nur noch nach einem Störfall nötig ist.
Während die LTS-Spulensektionen 5, 6 in ggf. superflüssiges Helium eintauchen, ist die HTS-Spulensektion 4 samt der Zuleitung 4a und dem Joint 7a im separaten Heliumtank 19 angeordnet, der nur normalflüssiges oder gasförmiges Helium enthält. Dadurch wird sichergestellt, dass kein superflüssiges Helium in HTS-Material der HTS-Spulensektion 4 oder deren Zuleitung 4a eindringen kann. Infolgedessen kann es auch nicht dazu kommen, dass superflüssiges Helium im Inneren des HTS-Materials wieder verdampft und durch die Volumenzunahme das HTS-Material von Innen heraus aufsprengen kann.
Für den Fall, dass während des Betriebs die Temperatur im separaten
Heliumtank 19 merklich unter 4 K absinken sollte, ist eine Heizung 17 für die HTS-Sektion 4 einschließlich Zuleitung 4a und Joint 7a vorgesehen, so dass im separaten Tank 19 keinesfalls superflüssiges Helium auftreten kann.
Die Gesamtheit des evakuierten Innenraums des Kryostaten 1 bildet den Vakuumteil 14 des Kryostaten 1. Im Vakuumteil 14 herrscht ein Druck von weniger als 10"5 mbar.
Es kann in der Regel toleriert werden, dass die HTS-Sektion 4 etwas wärmer ist als die LTS-Sektionen 5 und 6.
Eine Bodenplatte 15 bildet mit einem radial äußeren Teil die untere Wand des Heliumtanks 9. Die Bodenplatte 15 setzt sich radial nach innen bis unter die HTS-Sektion 4 fort. Auf der Bodenplatte 15 sind zwei Ringflansche 16a, 16b befestigt. Auf der Bodenplatte 15 ist die LTS-Sektion 6 direkt, und die LTS- Sektion 5 über einen nicht dargestellten Spulenträger befestigt. Über die thermisch schlecht leitenden Ringflansche 16a, 16b ist die Bodenplatte 15 mit der Bodenplatte 15a des separaten Heliumtanks 19, auf der die HTS-Sektion 4 fest montiert ist, starr verbunden. Die Bodenplatte 15 ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Die beschriebene Anordnung gestattet eine gleichzeitige Handhabung aller Spulensektionen 4, 5, 6 bei der Montage des Kryostaten 1 über die gemeinsame Bodenplatte 15.
Der Kryostat 1 der Figur 1 ist bevorzugt Teil einer NMR-Apparatur, wie etwa eines NMR-Spektrometers oder eines NMR-Tomographen, insbesondere eines hochauflösenden Hochfeld-NMR-Spektrometers mit einem Magnetfeld B0 > 20 T, vorzugsweise > 23 T im Messvolumen, wobei das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B0 im Messvolumen und der zeitlichen Stabilität von B0 die Anforderungen der hochauflösenden NMR- Spektroskopie erfüllt, was in der Regel voraussetzt, dass die Spulensektionen des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können. In der Regel werden - wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen - die Spulenachsen und die Raumtemperaturbohrung vertikal stehen. Die
Erfindung bezieht sich aber auch auf Kryostaten mit horizontaler Bohrung, die vorzugsweise im bildgebenden Bereich (MRI) oder auch für lonenzyklotron- Resonanzspektrometer Verwendung finden.

Claims

Patentansprüche
1. Kryostat (1), mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur
Erzeugung eines Magnetfelds B0 in einem Messvolumen (3), mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensektionen (4, 5, 6), von denen mindesten eine LTS-Sektion (5, 6) einen konventionellen Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion (4) einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS- Sektion mit flüssigem Helium in einem ersten Heliumtank (9) des Kryostaten (1 ) bei einer Helium-Temperatur TL < 4 K befindet
dadurch gekennzeichnet,
dass die HTS-Sektion (4) radial innerhalb der LTS-Sektion (5, 6) in einem separaten Heliumtank (19) des Kryostaten (1 ) mit normalflüssigem Helium angeordnet ist und von der LTS-Sektion (5, 6) durch mindestens eine Wand zwischen den beiden Heliumtanks getrennt ist.
2. Kryostat (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Heliums im ersten Tank (9) TL < 2,5 K, insbesondere < 2,2 K ist.
3. Kryostat (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Heliums im separaten Tank (19) TH > 2,5 K, insbesondere > 4 K ist.
4. Kryostat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im separaten Heliumtank (19) eine Heizung (17) vorgesehen ist.
5. Kryostat (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Heliumtanks (9, 19) durch eine Vakuumbarriere (9a) getrennt sind.
6. Kryostat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch supraleitende Zuleitungen (4a) bzw. Joints
(7a) zur mindestens einen HTS-Sektion (4) im separaten Heliumtank (19) verlaufen, und zwar mindestens soweit die Zuleitungen (4a) bzw. Joints (7a) HTS enthalten.
7. Kryostat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Heliumtanks (9, 19) über thermisch schlecht leitende Mittel (16a, 16b) mechanisch starr verbunden sind derart, dass Schwingungen der Sektionen (4, 5, 6) gegeneinander weitgehend unterbunden werden.
8. Kryostat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektionen (4, 5, 6) mechanisch starr mit den Heliumtanks (9, 19) verbunden sind derart, dass Schwingungen der Sektionen (4, 5, 6) gegeneinander weitgehend unterbunden werden.
9. Kryostat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem eine vertikale Achse umgibt.
10. Kryostat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Raumtemperaturbohrung (2) mit dem Messvolumen (3) aufweist, die vom Magnetspulensystem umgeben ist.
11. Kryostat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen separatem Heliumtank (19) und Raumtemperaturbohrung (2) mindestens ein Strahlungsschild (10) befindet.
12. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Messvolumen (3) durch das Magnetspulensystem erzeugte Magnetfeld Bo größer als 20 T, insbesondere größer als 23 T ist.
13. Kryostat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulensektionen (4, 5, 6) des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können.
14. Kryostat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B0 im Messvolumen (3) und der zeitlichen
Stabilität von B0 die Anforderungen der hochauflösenden NMR- Spektroskopie erfüllt.
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