KR20070006590A

KR20070006590A - Undercooled horizontal cryostat configuration

Info

Publication number: KR20070006590A
Application number: KR1020060063481A
Authority: KR
Inventors: 게르하르트 로스; 마르코 스트로벨
Original assignee: 브루커 바이오스핀 게엠베하
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2007-01-11
Also published as: EP1742234B1; DE502005005693D1; KR100843389B1; EP1742234A1; US20100236260A1

Abstract

An undercooled horizontal cryostat apparatus is provided to minimize helium consumption required to operate a high performance cryostat apparatus. An undercooled horizontal cryostat apparatus includes a helium tank(1), a magnet coil system(2), a horizontal room temperature core(3), at least one tower structure(4), a vessel(5), a heat blocking wall(7), and an undercooled unit(9). The magnet coil system is disposed at the helium tank. The horizontal room temperature core allows access to a volume of a center of the magnet coil system. The at least one tower structure is installed at an upper surface of the cryostat apparatus to contain helium and evaporate the helium. The helium tank contains undercooled liquid helium of an undercooled temperature of lower than 3.5K, especially, about 2K. The vessel contains the liquid helium of about 4.2K separated from the helium tank by the heat blocking wall. The heat blocking wall separates the liquid helium from the helium tank. The undercooled unit is installed in the helium tank.

Description

Undercooled horizontal cryostat configuration

도 1은 본 발명의 저온유지장치의 실온 보어(bore)의 축을 따라 개략적인 수직 단면을 도시한다.Figure 1 shows a schematic vertical cross section along the axis of the room temperature bore of the cryostat of the present invention.

도 2는 비대칭적으로 배열된 자석 코일 시스템을 지닌 본 발명의 저온유지장치를 관통하는 개략적인 수직 단면을 도시한다.Figure 2 shows a schematic vertical cross section through the cryostat of the present invention with an asymmetrically arranged magnet coil system.

도 3은 질소 탱크 없이 냉장고 및 비대칭적으로 배열된 자석 코일 시스템을 지닌 본 발명의 저온유지장치를 관통하는 개략적인 수직 단면을 도시한다.Figure 3 shows a schematic vertical cross section through the cryostat of the present invention with a refrigerator and asymmetrically arranged magnetic coil systems without a nitrogen tank.

* 주요 도면 부호의 설명* Description of the main reference numerals

1: 헬륨 탱크 2: 자석 코일 시스템1: helium tank 2: magnetic coil system

3: 실온 보어 4: 타워 구조3: room temperature bore 4: tower structure

5: 용기 6: 냉장고5: container 6: refrigerator

7: 열 차단벽 8: 고리 틈7: thermal barrier 8: ring break

9: 과냉각 유닛 10: 냉장고의 최대 냉각 단(stage) 9: subcooling unit 10: maximum cooling stage of refrigerator

11: 외부 셀 12 a, b, c: 방사선 차폐11: outer cell 12 a, b, c: radiation shielding

13: 냉장고의 일차 냉각 단(stage) 14: 추가 타워13: primary cooling stage of the refrigerator 14: additional tower

15: 고리형 열 교환기 16: 질소 탱크15: annular heat exchanger 16: nitrogen tank

17: 플레이트 18: 마개17: plate 18: stopper

19: 금속 방사선 차폐19: metal radiation shielding

본 발명은 헬륨 탱크에 배치된 자석 코일 시스템과, 자석 코일 시스템의 중앙에서 조사중인 체적에 접근을 제공하는 수평의 실온 보어(bore)를 갖는 저온유지장치(cyrostat configuration)에 관한 것으로, 헬륨 탱크는 3.5 K 미만의, 특히 대략 2K의 온도에서 과냉각된 액체 헬륨을 함유하며, 상기 저온유지장치는 헬륨을 채우고 증발시키기 위해 상부면에 적어도 하나의 수직 타워 구조를 갖는다.The present invention relates to a cryostat configuration having a magnetic coil system disposed in a helium tank and a horizontal room temperature bore that provides access to the volume under irradiation at the center of the magnetic coil system. Containing liquid helium subcooled at a temperature of less than 3.5 K, in particular approximately 2 K, the cryostat has at least one vertical tower structure on the top surface for filling and evaporating helium.

이런 유형의 배열은 Magnex 회사에 의한 2001년 9월의 "11.74 테슬라/310mm 실온의 보어 자석 시스템에 관한 명세서"에 개시되어 있다.This type of arrangement is disclosed in the September 2001 "Specifications for Bore Magnet Systems at 11.74 Tesla / 310 mm Room Temperature" by Magnex.

"11.74 테슬라/310mm 실온 보어 자석 시스템에 관한 명세서"에 개시된 수평 저온유지장치는 하나의 단일 헬륨 탱크를 포함한다. 헬륨은 그 안에 위치한 헬륨을 과냉각시키기 위해서 그로부터 직접 펌핑된다. 결과 헬륨 탱크내 압력 감소가 헬륨을 냉각시킨다. 펌핑된 헬륨의 재충전은 부압(underpressure)에서 헬륨을 헬륨 탱크로 직접 채우는 것을 허용하는 이부(two-part) 헬륨 유입구를 사용함으로써 구현된다. 과냉각된 헬륨을 포함하는 이런 유형의 저온유지장치는 고자기장을 생성하고 배열의 효율을 개선할 것이 요구된다.The horizontal cryostat disclosed in "Specification for 11.74 Tesla / 310mm Room Temperature Bore Magnet System" includes one single helium tank. Helium is pumped directly from there to supercool the helium located therein. The resulting pressure drop in the helium tank cools the helium. Refilling of pumped helium is implemented by using a two-part helium inlet which allows for direct filling of helium into the helium tank at underpressure. This type of cryostat containing supercooled helium is required to generate a high magnetic field and improve the efficiency of the arrangement.

헬륨 탱크의 직접 펌핑의 한가지 단점은 헬륨 탱크가 대략 30 mbar의 부압에 서 영구적으로 작동한다는 것이다. 이러한 영구적 부압은 수년에 걸쳐서 연속 작동을 위해 의도된 시스템에 상당한 위험이 된다. 공기가 가장 작은 틈을 통해서도 시스템으로 들어가서 헬륨 탱크에서 얼음을 형성할 수 있다(물 얼음, N₂ 얼음, CO₂ 얼음, 등). 얼음은 코일과 이의 손상 냉각에 침적할 수 있으며, 이는 급랭을 야기할 수 있다.One disadvantage of direct pumping helium tanks is that helium tanks operate permanently at a negative pressure of approximately 30 mbar. This permanent negative pressure is a significant risk for systems intended for continuous operation over the years. Even the smallest air gap can enter the system and form ice in the helium tank (water ice, N ₂ Ice, CO ₂ Ice, etc.). Ice can deposit on the coil and its damaging cooling, which can cause quenching.

또 다른 위험은 헬륨 탱크가 부압에서 시스템 내로 채워져야 한다는 것이다. 이로써 헬륨은 안전 밸브를 통해 헬륨 탱크 내로 도입되어야 하며, 동시에 4.2 K로부터 대략 2 K의 작동 온도로 냉각되어야 한다. 작동 실수는 자석 급랭을 야기하는 동요를 쉽게 야기할 수 있다. 또 하나의 단점은 시스템의 견고함을 보장하는 구성요소(밸브, 봉합 링 등)의 결함을 대체하는 것이 자석 코일이 매우 낮은 온도에서만 작동될 수 있기 때문에 작동중에는 본래 불가능하다는 것이다.Another danger is that the helium tank must be filled into the system at negative pressure. This allows helium to be introduced into the helium tank via a safety valve, while simultaneously cooling to a operating temperature of 4.2 K to approximately 2 K. Operational errors can easily cause fluctuations that cause magnet quenching. Another disadvantage is that it is inherently impossible during operation to replace faults in components (valve, sealing ring, etc.) that ensure the robustness of the system because the magnet coil can only be operated at very low temperatures.

추가 단점은 전류가 자석의 충전 및 방전을 위해 바깥으로부터 부압 영역으로 공급되어야 한다는 것이다. 이는 심각한 결과를 갖는 작동 실수를 또다시 쉽게 야기케 할 수 있다.A further disadvantage is that current must be supplied from the outside to the negative pressure region for charging and discharging the magnet. This can again easily lead to operational mistakes with serious consequences.

이러한 단점들을 제거하는 배열이 과냉각된 헬륨을 지닌 수직 자석을 위한 DE 40 39 332 A1 및 DE 40 39 365 A1에 개시되어 있는데, 여기에는 두 개의 헬륨 탱크가 실온 보어의 축을 따라 서로의 상부에 놓여 있다. 헬륨 탱크는 서로 접촉하며 열 차단벽에 의해 분리되어 있다. 이러한 시스템에서, 상부 헬륨 탱크는 4.2 K, 정상 압력에 있다. 이는 수직 자석의 상기 기술된 바와 같은 단점을 제거한다. 자 석 코일은 협소한 틈을 통해 상부 탱크에 유체정역학으로 연결되어 있기 때문에, 역시 정상 압력의 대략 2 K의 헬륨에 의해 둘러싸인 하부 탱크 내에 있다.An arrangement that eliminates these drawbacks is disclosed in DE 40 39 332 A1 and DE 40 39 365 A1 for vertical magnets with supercooled helium, in which two helium tanks are placed on top of each other along the axis of the room temperature bore. . The helium tanks are in contact with each other and separated by a thermal barrier. In this system, the upper helium tank is at 4.2 K, normal pressure. This eliminates the disadvantages as described above of the vertical magnet. Since the magnet coil is hydrostatically connected to the upper tank through a narrow gap, it is also in the lower tank surrounded by helium at approximately 2 K at normal pressure.

본 발명의 주요 목적은 상기 기술된 단점을 제거하고, 컴팩트한 구조를 가지며, 과냉각된 고자기장 자석 코일로 연속적이고, 안정되며 장기간 작업을 달성할 수 있는 자석 코일 시스템을 포함하는 수평 저온유지장치를 제공함에 있다.The main object of the present invention is to provide a horizontal cryostat which eliminates the above-mentioned disadvantages, has a compact structure, and comprises a magnetic coil system which is capable of achieving continuous, stable and long term operation with a supercooled high magnetic field magnetic coil. In providing.

이러한 목적은 본 발명에 따라 타워 구조가 열 차단벽을 통해 헬륨 탱크로부터 분리된 4.2 K에서 액체 헬륨을 지닌 용기를 지탱하고 과냉각 유닛이 헬륨 탱크 내에 제공됨으로써 달성된다.This object is achieved according to the invention by the tower structure holding a vessel with liquid helium at 4.2 K separated from the helium tank via a heat barrier and the subcooling unit being provided in the helium tank.

타워 구조 내에 배치된 용기는 필요시 헬륨 탱크로 인도될 수 있는 4.2 K의 온도에서 액체 헬륨을 함유한다. 종래 기술과 대조적으로, 헬륨 기체는 헬륨 탱크에 부압을 생성하기 위하여 헬륨 배쓰 위로 직접 펌핑되지 않고 헬륨 탱크내 헬륨은 과냉각 유닛을 사용하여 과냉각된다. 이는 예컨대, 헬륨의 팽창을 통해 헬륨 탱크내 헬륨을 과냉각시키는 주울 톰슨 밸브(Joule Thomson valve)일 수 있다.The vessel disposed within the tower structure contains liquid helium at a temperature of 4.2 K which can be led to a helium tank if necessary. In contrast to the prior art, helium gas is not pumped directly onto the helium bath to create underpressure in the helium tank and helium in the helium tank is supercooled using a subcooling unit. This may be, for example, a Joule Thomson valve that supercools helium in a helium tank through expansion of helium.

대략 4.2 K의 온도에서 액체 헬륨은 타워 구조의 용기에 놓인다. 극저온 액체의 전이는 헬륨 탱크와 타워 내 용기 사이 열 차단벽에 의해 기본적으로 가능하며 이로써 과냉각된 헬륨과 용기내 헬륨 사이의 열교환은 과냉각된 헬륨 손실과 같이 최소로 된다.At a temperature of about 4.2 K, the liquid helium is placed in a tower structure vessel. The cryogenic liquid transfer is basically possible by the heat barrier between the helium tank and the vessel in the tower, whereby the heat exchange between the supercooled helium and the helium in the vessel is minimized, such as the loss of the supercooled helium.

이러한 구조는 상기 기술된 헬륨 배쓰의 직접 펌핑의 문제점을 완벽하게 제 거한다. 이는 타워 영역에 용기의 통합을 통해 가능하게 되었는데, 이제까지 수직 자석용 저온유지장치에서 독점적으로 가능하였던 모든 이점들이 수평 자석을 위해서도 이제 활용될 수 있게 되었다.This structure completely eliminates the problem of direct pumping of the helium bath described above. This is made possible by the integration of vessels in the tower area, with all the advantages previously available exclusively for cryostats for vertical magnets now available for horizontal magnets.

본 발명의 저온유지장치의 바람직한 한 실시예에서, 적어도 두 개의 방사선 차폐가 헬륨 탱크와 실온 영역 사이에 제공된다. 저온유지장치는 그러고나서 고성능 저온유지장치로 사용될 수 있다.In one preferred embodiment of the cryostat of the present invention, at least two radiation shields are provided between the helium tank and the room temperature region. The cryostat can then be used as a high performance cryostat.

최대 효율을 지닌 시스템을 제공하기 위하여, 타워 구조는 적어도 하나의 추가 타워가 이의 상부에 놓이는 돔형으로 유리하게 형성되는데, 여기에서 저온유지장치로부터 증발하는 헬륨은 이의 엔탈피를 저온유지장치에 제공된 방사선차폐에 방출한다.In order to provide a system with maximum efficiency, the tower structure is advantageously formed in a dome shape in which at least one additional tower is placed on top of it, where helium evaporates from the cryostat, which shields its enthalpy from the radiation shield provided to the cryostat. To emit.

적어도 두 개, 바람직하게는 세 개의 고리형으로 배치된 추가 타워에는 펌핑된 헬륨을 타워로 균일하게 분포시키기 위한 미리예정된 흐름 횡단면의 조절판(throttle)이 특히 제공된다.Further towers arranged in at least two, preferably three annular, are especially provided with throttles of a predetermined flow cross section for uniformly distributing the pumped helium into the tower.

추가 타워를 통한 증발 헬륨의 유동율을 측정하기 위한 흐름 탐지기, 바람직하게 추가 타워를 통해 증발 헬륨의 유동율을 자동으로 제어하는 흐름 장치도 또한 제공된다.Also provided is a flow detector for measuring the flow rate of evaporated helium through the further tower, preferably a flow device that automatically controls the flow rate of evaporated helium through the further tower.

본 발명의 저온유지장치의 특히 유리한 한 실시예에서, 속인 빈 관 모양을 갖는 고리형 열교환기가 추가 타워에 놓이고, 이를 통해 저온유지장치로부터 증발하거나 및/또는 펌핑되는 헬륨이 열 전도 방식으로 커플링된 방사선 차폐의 바깥면 및 바깥으로 안내된다. 이로써 차폐 시스템이 고리형 열 교환기 및 펌핑된 헬륨에 기인하여 특정 효율로 냉각되기 때문에 저온유지장치 내로의 열 유입은 최소로 된다.In one particularly advantageous embodiment of the cryostat of the invention, an annular heat exchanger with a hollow hollow tube is placed in an additional tower, through which helium, evaporated and / or pumped from the cryostat, is coupled in a thermally conductive manner. Guided to the outside and outside of the ring radiation shielding. This minimizes the heat input into the cryostat because the shielding system is cooled to a specific efficiency due to the annular heat exchanger and the pumped helium.

본 발명의 특히 바람직한 한 실시예에서, 냉장고, 특히 펄스 관 냉각기가 헬륨을 재-액화하기 위하여 용기 내로 돌출된다. 헬륨 배쓰로부터 증발하는 헬륨은 용기의 바깥으로 더 이상 펌핑되지 않아야 하며, 신선한 헬륨도 공급되지 않아야 한다. 헬륨을 잃지 않으면서 용기 내에서 재액화될 수 있다. 요구되는 헬륨 공급이 감소한 손실에 기인하여 더욱더 작기 때문에 용기는 상응하게 작을 수 있다.In one particularly preferred embodiment of the present invention, a refrigerator, in particular a pulsed tube cooler, projects into the vessel to re-liquefy helium. Helium evaporating from the helium bath should no longer be pumped out of the vessel and no fresh helium should be supplied. It can be re-liquefied in the vessel without losing helium. The vessel can be correspondingly small because the helium supply required is much smaller due to the reduced losses.

냉장고는 바람직하게 두 단(stages)의 냉장고이며 방사선차폐의 적어도 하나를 냉각시킨다.The refrigerator is preferably a two stage refrigerator and cools at least one of the radiation shields.

추가 이점은 과냉각 유닛으로부터 펌핑된 헬륨이 방사선차폐의 적어도 하나를 냉각시킨다는 것이다.A further advantage is that helium pumped from the subcooling unit cools at least one of the radiation shields.

본 발명의 저온유지장치의 특별한 한 실시예에서 헬륨은 과냉각 유닛을 통해 헬륨 탱크 또는 용기로부터 제거된다.In one particular embodiment of the cryostat of the present invention, helium is removed from the helium tank or vessel via a subcooling unit.

특히 이롭게, 용기는 기체 헬륨을 지닌 외부 저장고에 추가로 연결되고, 저장고는 대기압에 비해 약간 고압력을 갖는다. 냉장고는 용기에서 다시 액화된 저장고로부터 헬륨을 흡입할 수 있고 그 위치로부터 과냉각되는 헬륨 탱크로 추가 안내될 수 있다. 대기압에 비해 저장고의 약간의 고압력은 불순물이 용기로 들어가는 것을 막는다.In particular advantageously, the vessel is further connected to an external reservoir with gaseous helium, which has a slightly higher pressure than atmospheric pressure. The refrigerator may suck helium from the reservoir liquefied again in the container and may be further directed from the location to the helium tank that is supercooled. Slightly high pressure in the reservoir relative to atmospheric pressure prevents impurities from entering the vessel.

과냉각 유닛을 통해 펌핑된 헬륨은 바람직하게 저장고로 펌핑된다. 이로써 저장고는 변함없이 채워진다. 저온유지장치는 이로써 폐쇄 시스템을 이룬다.Helium pumped through the subcooling unit is preferably pumped into the reservoir. This ensures that the reservoir is filled invariably. The cryostat is thereby a closed system.

유리한 한 실시예에서, 외부 저장고는 저장고의 기체의 적어도 일부가 냉장고에 의해 직접 재액화되도록 냉장고에 연결된다. 저장고는 또한 용기의 윗부분에 연결될 수도 있다.In one advantageous embodiment, the external reservoir is connected to the refrigerator such that at least some of the gases in the reservoir are directly reliquefied by the refrigerator. The reservoir may also be connected to the top of the container.

외부 저장고는 냉장고에 독점적으로 연결될 수도 있다. 저장고가 용기에 독점적으로 연결될 수도 있다.The external store may be connected exclusively to the refrigerator. The reservoir may be exclusively connected to the container.

예컨대, 펄스 관 냉각기에 의한 헬륨의 과도한 액화로 인하여, 용기내 과도한 압력 하락을 막기 위하여 용기내 압력을 제어하는 가열 요소(heat element)가 용기에 제공될 수 있다.For example, due to excessive liquefaction of helium by a pulse tube cooler, a heating element may be provided in the vessel to control the pressure in the vessel to prevent excessive pressure drop in the vessel.

본 발명의 저온유지장치의 특정의 한 실시예에서, 헬륨 탱크와 용기는 분리된 탱크를 형성하는데, 여기에서 과냉각된 액체 헬륨을 지닌 헬륨 탱크는 용기 아래에 배치된다. 탱크는 이로써 열 차단벽에 의해 나누어진다.In one particular embodiment of the cryostat of the present invention, the helium tank and the vessel form a separate tank, where the helium tank with the supercooled liquid helium is disposed below the vessel. The tank is thereby divided by a thermal barrier.

용기를 헬륨 탱크로부터 분리시키는 차단벽은 용기의 헬륨으로부터 헬륨 탱크의 과냉각된 헬륨으로의 열 전달을 주로 막기 위하여 불량한 열 전도 성질을 갖는 물질로부터 유리하게 만들어진다.The barrier wall separating the vessel from the helium tank is advantageously made from a material having poor thermal conduction properties to primarily prevent heat transfer from the helium of the vessel to the supercooled helium of the helium tank.

특히 유리한 한 실시예는 열 차단벽이 진공에 의해 실질적으로 분리된 적어도 두 개의 플레이트로 구성되고, 플레이트를 분리시키는 진공은 바람직하게 저온유지장치 내에서 균일한 진공의 일부임을 특징으로 한다. 진공 절연은 특히 효과적인 방식으로 용기와 헬륨 탱크 사이 열 교환을 방지한다.One particularly advantageous embodiment is characterized in that the heat shield wall consists of at least two plates substantially separated by a vacuum, and the vacuum separating the plates is preferably part of a uniform vacuum in the cryostat. Vacuum insulation prevents heat exchange between the vessel and the helium tank in a particularly effective manner.

자석 코일 시스템이 급냉하는 경우, 열 형태의 다량의 에너지가 자석 코일 시스템으로부터 과냉각된 헬륨 배쓰로 방출되어 헬륨 탱크의 헬륨이 급격히 가열되 고 팽창된다. 이런 이유 때문에, 헬륨 탱크와 용기 사이에 일정한 압력 차이가 초과되었을 때 압력 제어 밸브가 열 차단벽에서 증가한 압력 보상 횡단면을 여는 차단벽에 제공되고, 및/또는 최대 용기 압력이 초과되었을 때 헬륨 탱크를 경계로 하지 않는 용기의 적어도 하나의 벽은 넓은 횡단면을 저온유지장치의 바깥으로 여는 적어도 하나의 파열 디스크를 갖는다.When the magnetic coil system is quenched, a large amount of energy in the form of heat is released from the magnetic coil system into the supercooled helium bath, which rapidly heats up and expands the helium in the helium tank. For this reason, a pressure control valve is provided on the barrier wall which opens the increased pressure compensation cross section at the thermal barrier when the constant pressure difference between the helium tank and the vessel is exceeded, and / or when the maximum vessel pressure is exceeded. At least one wall of the non-boundary container has at least one burst disk which opens a wide cross section out of the cryostat.

바람직한 한 실시예에서, 제한된 흐름 횡단면, 특히 압력 보상 틈, 바람직하게는 고리형 틈이 헬륨 탱크와 용기 사이에 제공되고 이를 통해 액체 헬륨이 용기로부터 헬륨 탱크 내로 흐를 수 있다.In a preferred embodiment, a limited flow cross section, in particular a pressure compensating gap, preferably an annular gap, is provided between the helium tank and the vessel through which liquid helium can flow from the vessel into the helium tank.

특히 간단한 한 실시예에서, 압력 제어 밸브는 용기 및 헬륨 탱크 내로 유도된 열 교환 표면을 갖는 바람직하게 원뿔형인 마개로 구성되고, 헬륨 탱크 쪽으로 좁아지며 차단벽에서 마찬가지로 바람직하게 원뿔형인 자리 내로 삽입된다. 정상 작동 동안, 마개는 마개에 가해지는 최대 허용 압력에 상응하도록 선택되는 무게에 의해 그 위치에서 지지된다.In one particularly simple embodiment, the pressure control valve consists of a preferably conical stopper having a heat exchange surface guided into the vessel and the helium tank, and is narrowed toward the helium tank and inserted into the likewise preferably conical seat at the barrier wall. During normal operation, the stopper is supported in position by the weight selected to correspond to the maximum allowable pressure exerted on the stopper.

특히 이롭게, 자석 코일 시스템의 초과전도 자석 코일을 충전하기 위해 요구되는 전기 공급선은 헬륨 탱크에 들어가기 전에 용기를 통해 안내되고, 자석 코일의 단락(short-circuit) 작동을 허용하는 장치가 바람직하게 제공되는데, 여기에서 자석 코일로의 전기 공급선은 단락 후에 제거된다. 이로써 공급선은 과냉각된 헬륨을 함유하는 헬륨 탱크에 들어가기 전에 타워 구조의 용기 내 좀 더 따뜻한 헬륨에 의해 냉각됨으로써 공급선을 통한 열 유입을 감소시킨다.Particularly advantageously, the electrical supply line required to charge the overconducting magnet coil of the magnet coil system is guided through the vessel before entering the helium tank, and a device is preferably provided which allows short-circuit operation of the magnet coil. Here, the electrical supply line to the magnetic coil is removed after a short circuit. This allows the supply line to be cooled by warmer helium in the tower structure vessel before entering the helium tank containing the supercooled helium, thereby reducing the heat input through the supply line.

본 발명의 저온유지장치의 바람직한 한 실시예에서, 방사상 방향으로 자석 코일 시스템의 중앙은 자석 코일 시스템을 둘러싼 용기의 중앙과 합치하지 않는다. 이리하여 자석 중앙은 용기 말단에 더 근접하게 놓일 수 있다. 이는 자석 중앙으로의 접근을 용이하게 한다.In one preferred embodiment of the cryostat of the present invention, the center of the magnet coil system in the radial direction does not coincide with the center of the container surrounding the magnet coil system. Thus the magnet center can be placed closer to the vessel end. This facilitates access to the center of the magnet.

본 발명의 저온유지장치의 바람직한 추가 실시예에서, 자석 코일 시스템의 중앙과 용기의 중앙은 실온 보어의 축에 직각인 상이한 평면에 배치된다. 이 경우, 코일의 세로축은 용기의 세로축과 합치하지 않는다. 이는 다양한 용기의 원통형 구조를 유지시키면서 자석 코일에 걸쳐서 더욱더 큰 헬륨 공급 체적을 제공한다. 용기는 또한 원형일 필요는 없으며 다른 임의 모양을 가질 수 있다.In a further preferred embodiment of the cryostat of the invention, the center of the magnet coil system and the center of the vessel are arranged in different planes perpendicular to the axis of the room temperature bore. In this case, the longitudinal axis of the coil does not coincide with the longitudinal axis of the container. This provides an even larger helium supply volume across the magnet coil while maintaining the cylindrical structure of the various vessels. The container also need not be circular and may have any other shape.

본 발명의 추가 이점은 상세한 설명 및 도면으로부터 추출될 수 있다. 상기 및 하기에서 기술된 특징들은 개별적으로 또는 임의 조합으로 집합적으로 이용될 수 있다. 도시되고 기술된 실시예들은 제한적인 열거가 아니라 본 발명을 기술하기 위한 예시적 성격을 갖는 것으로 이해되어야 한다.Further advantages of the invention can be extracted from the description and the drawings. The features described above and below can be used individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are to be understood as having an illustrative nature for describing the invention rather than a restrictive enumeration.

첨부 도면은 본 발명의 저온유지장치의 상이한 실시예들을 도시하고 있다. 헬륨 용기(5)를 지닌 타워 구조(4)가 자석 코일 시스템(2)이 수평 실온 보어(3) 근처에 배치된 헬륨 탱크(1) 위에 제공된다. 용기(5)(도 3)에는 냉장고(6), 바람직하게는 이의 최대 냉각 단(10)이 용기(5)의 헬륨을 액화시키는 다단계 펄스 관 냉각기가 제공된다. 타워 구조(4)의 용기(5)는 이리하여 대략 4.2 K의 온도의 미리 냉각된 액체 헬륨을 함유한다. 용기(5) 내로 열 유입의 경우, 이로써 증발되는 헬륨은 냉장고(6)를 사용하여 재액화될 수 있어서 용기(5)로부터 헬륨의 증발은 크게 예방된다. 따라서, 전통적인 장치와 대조적으로, 액체 헬륨의 대량 공급이 필요하 지 않으며 용기(5)는 상대적으로 작을 수 있다.The accompanying drawings show different embodiments of the cryostat of the present invention. A tower structure 4 with a helium container 5 is provided above the helium tank 1 in which the magnetic coil system 2 is arranged near the horizontal room temperature bore 3. The vessel 5 (FIG. 3) is provided with a refrigerator 6, preferably a multi-stage pulse tube cooler whose maximum cooling stage 10 liquefies the helium of the vessel 5. The vessel 5 of the tower structure 4 thus contains precooled liquid helium at a temperature of approximately 4.2 K. In the case of heat entry into the vessel 5, the helium evaporated thereby can be re-liquefied using the refrigerator 6 so that evaporation of helium from the vessel 5 is greatly prevented. Thus, in contrast to traditional devices, no bulk supply of liquid helium is required and the vessel 5 can be relatively small.

용기(5)를 지닌 타워 구조(4)는 실온 보어(3)의 축에 대하여 자석 코일 시스템(2)의 바깥쪽으로 방사상으로 배치된다. 용기는 또한 보수 작업 등을 위한 용이한 접근을 허용하는 축 방향으로 저온유지장치의 가장자리에 인접하여 대개 배치된다. 따라서 자석 코일 시스템의 중앙과 용기(5)의 중앙은 대개 실온 보어의 축에 직각으로 상이한 평면에 배치된다. 자석 코일의 일반적 중앙 세로축과 상이한 용기 및 차폐의 중앙 세로축도 또한 합치하지 않지만, 방사상으로 치우친다.The tower structure 4 with the vessel 5 is disposed radially outward of the magnet coil system 2 with respect to the axis of the room temperature bore 3. The vessel is also usually arranged adjacent to the edge of the cryostat in the axial direction allowing easy access for maintenance work and the like. The center of the magnet coil system and the center of the vessel 5 are therefore usually arranged in different planes perpendicular to the axis of the room temperature bore. The central longitudinal axis of the vessel and shield, which is different from the general central longitudinal axis of the magnet coil, is also inconsistent, but radially biased.

용기(5)는 열 차단벽(7)에 의해 헬륨 탱크(1)로부터 분리된다. 액체 헬륨은 과냉각 유닛(9)을 사용하여 3.5 K 미만으로 추가 냉각되어야 할 필요시 고리형 틈(8)을 통해 용기(5)로부터 헬륨 탱크(1)로 흐를 수 있다. 과냉각 유닛(9)은 분리 냉각수를 지닌 폐쇄 냉각 사이클의 형태로 구현될 수 있거나, 또는 헬륨 탱크(1) 또는 용기로부터 과냉각을 위해 팽창되도록 헬륨을 펌핑할 수 있다. 저온유지장치의 치수를 최소화하기 위하여 용기(5)는 유리하게 외부 저장고(비도시)를 통해 채워진다.The vessel 5 is separated from the helium tank 1 by a heat shield wall 7. The liquid helium may flow from the vessel 5 to the helium tank 1 through the annular gap 8 as needed to be further cooled to less than 3.5 K using the subcooling unit 9. The subcooling unit 9 can be embodied in the form of a closed cooling cycle with separate cooling water or can pump helium to expand for subcooling from the helium tank 1 or vessel. In order to minimize the dimensions of the cryostat, the container 5 is advantageously filled through an external reservoir (not shown).

본 발명의 특히 유리한 한 실시예에서, 과냉각 유닛(9)으로부터 펌핑된 헬륨은 저장고로 안내될 수 있다. 이로써 저장고의 압력이 증가할 것이다. 동시에 타워 구조(4)의 용기(5) 내 헬륨은 냉장고(6)에 의해 액화될 것이며, 이는 용기(5)의 압력을 감소시킨다. 저장고가 용기(5)에 연결될 때, 헬륨 기체는 저장고와 용기(5) 사이의 압력 차이에 기인하여 저장고로부터 용기(5)로 흡입되고, 다시 냉장고(6)에 의해 액화된다. 이는 헬륨 손실을 최소화하고 시스템이 더러워지지 않는 것을 보장 하는 폐쇄 냉각수 순환을 가져온다.In one particularly advantageous embodiment of the invention, helium pumped from the subcooling unit 9 can be led to a reservoir. This will increase the pressure in the reservoir. At the same time helium in the vessel 5 of the tower structure 4 will be liquefied by the refrigerator 6, which reduces the pressure in the vessel 5. When the reservoir is connected to the vessel 5, helium gas is sucked from the reservoir into the vessel 5 due to the pressure difference between the reservoir and the vessel 5, and liquefied by the refrigerator 6 again. This results in a closed coolant circulation that minimizes helium losses and ensures that the system is not dirty.

과냉각 유닛이 저장고로부터 용기(5)로 이송되는 것보다 저장고로 더 많은 헬륨을 펌핑한다면, 과중압력이 저장고에 구축될 수 있다. 이런 이유 때문에, 저장고에는 압력 제어 밸브가 유리하게 제공된다. 반면에, 냉장고(6)의 과다 냉각 성능은 저장고에서 압력 하락을 야기할 수 있다. 이는 용기(5)에 배치된 가열요소를 사용하여 용기(5) 내 헬륨을 가열하는 것을 통하거나 또는 냉장고(6)를 조절하는 것을 통해 반대로 작용될 수 있다.If the subcooling unit pumps more helium into the reservoir than is transferred from the reservoir to the vessel 5, an overpressure can be built up in the reservoir. For this reason, the reservoir is advantageously provided with a pressure control valve. On the other hand, the excessive cooling performance of the refrigerator 6 can cause a pressure drop in the storage. This may be reversed through heating the helium in the container 5 using a heating element disposed in the container 5 or by adjusting the refrigerator 6.

헬륨 탱크(1) 상에서 방사선 에너지 입사를 감소시키기 위해서, 도 1 및 도 2의 본 발명의 저온유지장치 실시예는 헬륨 탱크(1)와 외부 셀(11) 사이에 방사선 차폐(12a, 12b, 12c)를 갖는데, 방사선 차폐(12b 및 12c)는 과냉각 유닛(9)에 의해 펌핑된 헬륨에 의해 냉각될 수 있다. 이 말단을 향해 속이 빈 관 형태의 고리형 열 교환기(15)를 포함하는 추가 타워(14)가 타워 구조의 상부면 상에 제공되며, 이를 통해 용기(5)로부터 증발하고 과냉각 유닛(9)에 의해 펌핑된 헬륨은 열 전도 방식으로 커플링된 방사선 차폐(12b, 12c)의 바깥면 상에 및 바깥으로 안내된다. 그러나 방사선 차폐(12b, 12c)의 적어도 하나는 냉장고(6)의 일차 냉각 단(13)과 접촉하는 것이 가능할 것이다.In order to reduce radiation energy incidence on helium tank 1, the cryostat embodiment of the invention of FIGS. 1 and 2 provides radiation shielding 12a, 12b, 12c between helium tank 1 and outer cell 11. Radiation shields 12b and 12c can be cooled by helium pumped by the subcooling unit 9. An additional tower 14 comprising an annular heat exchanger 15 in the form of a hollow tube towards this end is provided on the top surface of the tower structure, which evaporates from the vessel 5 and into the subcooling unit 9. The helium pumped by is guided on and out of the outer surface of the radiation shields 12b, 12c coupled in a thermally conductive manner. However, at least one of the radiation shields 12b, 12c will be able to contact the primary cooling stage 13 of the refrigerator 6.

가장 바깥의 방사선 차폐(12c)는 열 방사(도 1 및 도 2)에 대한 차폐를 위해 질소 탱크(16)로서 설계된다. 질소 탱크(16) 내 질소는 냉장고(6)의 일차 냉각 단(13)에 의해 추가로 냉각될 수 있다.The outermost radiation shield 12c is designed as a nitrogen tank 16 for shielding against heat radiation (FIGS. 1 and 2). Nitrogen in the nitrogen tank 16 may be further cooled by the primary cooling stage 13 of the refrigerator 6.

용기(5)를 헬륨 탱크(1)로부터 분리시키는 열 차단벽(7)은 불량한 열 전도 성질을 갖는 물질로부터 만들어진 두 개의 플레이트(17)를 포함한다. 플레이트(17) 사이의 공간은 용기(5)로부터 헬륨 탱크(1)로 열 전달을 주로 막기 위하여 비워진다. 열 차단벽(7)은 급랭의 경우 열 차단벽(7)에서 증가된 압력 보상 횡단면을 여는 원뿔형 마개(18)의 형태로 압력 제어 밸브를 포함하는데, 팽창한 헬륨은 헬륨 탱크(1)로부터 빠져나갈 수 있다.The heat shield wall 7 separating the vessel 5 from the helium tank 1 comprises two plates 17 made from a material having poor heat conducting properties. The space between the plates 17 is emptied mainly to prevent heat transfer from the vessel 5 to the helium tank 1. The thermal barrier wall 7 comprises a pressure control valve in the form of a conical stopper 18 which opens the increased pressure compensation cross section at the thermal barrier wall 7 in the case of quenching, in which the expanded helium escapes from the helium tank 1. I can go out.

도시된 실시예에서, 열 차단벽(7)은 용기(5)가 타워 구조(4)와 똑같이 종료되도록 하는 방식으로 배치된다. 다를 배열들도 또한 실현가능하다. 열 차단벽(7)은 예컨대 더 큰 바깥 방사상 거리에 놓여 헬륨 탱크(1)가 타워 구조(4)로 돌출될 수 있다. 헬륨 탱크(1)의 체적은 그리고나서 도 1의 것과 비교하여 확장된다. 그러나 타워 구조(4) 내부에 방사상으로 열 차단벽을 제공하여 용기(5)가 타워 구조(4) 내에 오직 부분적으로만 위치하는 것이 유리할 수도 있다. 저온유지장치의 치수를 최소화하기 위하여 자석 코일 시스템(2)은 외부 셀(11) 및 저온유지장치의 방사선 차폐(12a, 12b, 12c)에 대하여 유리하게 비대칭이다.In the embodiment shown, the heat shield wall 7 is arranged in such a way that the vessel 5 is terminated exactly like the tower structure 4. Other arrangements are also feasible. The heat shield wall 7 is for example placed at a greater outer radial distance so that the helium tank 1 can protrude into the tower structure 4. The volume of the helium tank 1 is then expanded in comparison with that of FIG. 1. However, it may be advantageous to provide a thermal barrier wall radially inside the tower structure 4 such that the vessel 5 is only partially located within the tower structure 4. In order to minimize the dimensions of the cryostat, the magnetic coil system 2 is advantageously asymmetrical with respect to the outer shell 11 and the radiation shields 12a, 12b, 12c of the cryostat.

도 2 및 도 3은 비대칭으로 배치된 자석 코일 시스템(2)을 지닌 저온유지장치를 도시한다. 열 차단벽(7)이 타워 구조(4)의 경계상에 놓여 저온유지장치의 자석 코일 시스템(2)도 또한 헬륨 탱크(1)에 대하여 비대칭으로 배치된다.2 and 3 show a cryostat with an asymmetrically arranged magnet coil system 2. A thermal barrier wall 7 is placed on the boundary of the tower structure 4 and the magnet coil system 2 of the cryostat is also arranged asymmetrically with respect to the helium tank 1.

도 3의 저온유지장치는 일차 단계가 질소 탱크로서가 아니라 금속 방사선 차폐(19)로서만 설계된 가장 바깥의 방사선 차폐를 냉각시키는 추가 펄스 관 냉각기를 포함한다.The cryostat of FIG. 3 includes an additional pulsed tube cooler that cools the outermost radiation shield whose primary stage is designed only as a metal radiation shield 19 and not as a nitrogen tank.

요컨대, 고성능 저온유지장치를 작동시키는데 요구되는 헬륨 소모를 최소화하는 컴팩트한 저온유지장치를 얻는다.In short, a compact cryostat is obtained that minimizes the helium consumption required to operate the high performance cryostat.

Claims

A cryostat consisting of a magnet coil system (2) disposed in a helium tank (1), and a horizontal room temperature bore (3) that provides access to the volume under irradiation in the center of the magnet coil system (2), wherein the helium The tank 1 contains an undercooled liquid helium at a temperature of less than 3.5 K, in particular approximately 2 K, the cryostat having one or more vertical tower structures 4 on its top surface for filling and evaporating helium. The tower structure 4 has a container 5 with liquid helium of 4.2K separated from the helium tank 1 by a heat shield wall 7, the helium tank 1 having a supercooling unit A cryostat, characterized in that it comprises (9).

2. A cryostat according to claim 1, wherein at least two radiation shields (12a, 12b, 12c) are provided between the helium tank and the room temperature region.

3. The radiation shield 12b according to claim 2, wherein the tower structure is designed in a dome shape and has one or more additional towers 14 on its top surface, wherein helium evaporating from the cryostats provides enthalpy to the radiation shield 12b provided to the cryostats. , 12c) low temperature maintenance device characterized in that the discharge.

4. A flow cross section according to claim 3, characterized in that a predetermined flow cross section is provided for uniform distribution of helium pumped into the at least two, preferably three annular, further towers (14). A cryostat, characterized in that to provide a throttle having.

5. A flow detector according to claim 4, wherein a flow detector is provided for measuring the flow rate of helium evaporating through said additional tower 14, and a flow device for automatically controlling the flow rate of helium evaporating through said further tower 14 is preferred. Cold holding device, characterized in that provided.

6. A hollow tube-shaped annular heat exchanger (15) is provided to the additional tower (14), through which it is evaporated and / or pumped in the cryostat. Outgoing helium is guided to the outside, the radiation shield (12b, 12c) is coupled to the outer surface in a heat conduction method characterized in that the low temperature holding device.

Refrigerator (6) according to one of the preceding claims, characterized in that a refrigerator (6), in particular a pulsed tube cooler, projects into the vessel (5) to re-liquefy helium.

7. The refrigerator (6) according to any one of claims 7 and 2 to 6, having two stages and cooling one or more of the radiation shields (12a, 12b, 12c). Low temperature holding apparatus characterized in that.

The cryostat according to claim 2, wherein the liquid helium pumped by the subcooling unit 9 cools at least one of the radiation shields 12a, 12b, 12c. Device.

The cryostat according to claim 1, wherein helium is removed from the helium tank (1) or the vessel (5) via the subcooling unit (9).

The cryostat according to claim 1, wherein the vessel is connected to an external reservoir with gas helium, which reservoir is preferably slightly high pressure relative to atmospheric pressure.

12. The cryostat according to claim 11, characterized in that the liquid helium pumped by the subcooling unit (9) is pumped into the reservoir.

13. The low temperature holding apparatus according to claim 12, wherein said external reservoir is connected to said refrigerator (6).

14. The cold storage apparatus according to claim 13, wherein the external reservoir is exclusively connected to the refrigerator (6).

A cryostat according to any of the preceding claims, characterized in that a heating element is provided in the vessel (5).

2. The helium tank (1) and the vessel (5) form a separate tank together, wherein the helium tank (1) with subcooled liquid helium is under the vessel (5). Low temperature holding apparatus, characterized in that arranged.

The low temperature holding apparatus according to claim 1, wherein the heat shield wall (7) separating the vessel (5) from the helium tank (1) is made of a material having poor thermal conductivity.

The heat shield wall (7) according to any one of the preceding claims, wherein the heat shield wall (7) consists of two or more plates (17) substantially separated by a vacuum, and the vacuum separating the plates (17) is preferably maintained at the low temperature. Low temperature holding device, characterized in that part of the uniform vacuum in the device.

The heat shield wall (7) according to any one of the preceding claims, wherein a pressure control valve is provided to the heat shield wall (7) so that a constant pressure difference between the helium tank (1) and the vessel (5) has been exceeded. Open the increased pressure compensation cross-section in the shell and / or at least one wall of the vessel 5 not bounded by the helium tank 1 has one or more bursting discs so that the maximum pressure in the vessel 5 is increased. And a large cross section open to the outside of the cryostat when exceeded.

A limited flow cross section, in particular a pressure compensating gap, preferably an annular gap 8, is provided between the helium tank and the vessel, through which liquid helium is discharged from the vessel 5. Low temperature holding device, characterized in that flow in the helium tank (1).

20. The pressure control valve of claim 19, wherein the pressure control valve consists of a preferably conical stopper 18, having a heat exchange surface directed into the vessel 5 and the helium tank 1, and is also preferably conical and the helium tank. A low temperature holding apparatus, characterized in that it is inserted into a seat in the heat shield wall (7) narrowed toward (1).

The method according to any one of the preceding claims, wherein the electrical supply line required to charge the overconducting magnet coil of the magnet coil system (2) is first guided through the vessel (5) before entering the helium tank (1), A device for allowing short-circuit operation of the magnet coil is preferably provided, wherein the electrical supply line to the magnet coil is removed after a short circuit.

The cryostat according to claim 1, wherein the center of the magnet coil system in the radial direction does not coincide with the center of the container surrounding the magnet coil system.

The cryostat according to claim 1, wherein the center of the magnet coil system and the center of the container are arranged in different planes perpendicular to the axis of the room temperature bore.