DE102011078608B4

DE102011078608B4 - Kryostatanordnung

Info

Publication number: DE102011078608B4
Application number: DE102011078608.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kraus; Joerg HINDERER; Alexander Bär
Original assignee: Bruker Switzerland AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: CH705269B1; DE102011078608A1; GB2492645A; US20130008187A1; GB201211751D0; GB2492645B8; CH705269A2; GB2492645B; GB2492645A8

Abstract

Eine Kryostatanordnung mit einem Vakuumbehälter (1) und einem darin eingebauten Kryobehälter (2), sowie einer Hülse (8), in die ein Kryokühler (7) eingebaut ist, wobei das obere warme Ende der Hülse mit dem Außenmantel verbunden ist und das untere kalte, dem Kryobehälter zugewandte Ende durch einen Hülsenboden (9) gasdicht verschlossen ist, und wobei der Kryobehälter eine supraleitende Magnetanordnung (3) enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kryobehälter bis auf eine Gaskapillare (13) hermetisch dicht geschlossen und mit gasförmigem Fluid (12) unter einem Druck unterhalb des Dampfdrucks der flüssigen Phase des Fluids bei der entsprechenden Betriebstemperatur befüllt ist und die kälteste Stufe des Kryokühlers in einer gut wärmeleitenden Weise mit einem innerhalb des Kryobehälters liegenden Wärmetauscher (11) verbunden ist. Damit kann die supraleitende Magnetanordnung innerhalb des Kryobehälters ohne kryogene Flüssigkeit und gleichzeitig ohne direkte mechanische Ankoppelung an den Kryokühler gekühlt werden, wobei während der Betriebszeit auf die Handhabung kryogener Flüssigkeiten verzichtet werden kann und ein Ausströmen von kaltem Fluid im Falle eines Quenches der supraleitenden Magnetanordnung vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryostatanordnung mit einem Vakuumbehälter und einem darin eingebauten Kryobehälter, sowie einer Hülse, in die ein Kryokühler eingebaut ist, wobei das obere warme Ende der Hülse mit dem Außenmantel verbunden ist und das untere kalte, dem Kryobehälter zugewandte Ende durch einen Hülsenboden gasdicht verschlossen ist und der Kryobehälter eine supraleitende Magnetanordnung enthält.
Eine derartige Anordnung ist bekannt aus US 2006/022779 A1 .
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung bildet ein kryogenes System zur Kühlung einer supraleitenden Magnetanordnung beispielsweise für Anwendungen der Magnetresonanzspektroskopie (=NMR) oder der Magnetresonanztomographie (=MRI).
Typischerweise werden supraleitende Magnetanordnungen in einem Kryobehälter in der Regel mit flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff gekühlt, um die Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur zu halten. Dabei taucht die supraleitende Magnetanordnung zumindest teilweise in das flüssige Kühlfluid ein. Damit ergibt sich eine sehr temperaturstabile und gleichmäßige Kühlung innerhalb des Kryobehälters. Solche badgekühlten Systeme sind üblich für beispielsweise NMR Spektrometer. Bei diesen Systemen wird als Kühlfluid flüssiges Helium verwendet, welches in regelmäßigen Zeitintervallen nachgefüllt werden muss, da der Wärmeeintrag auf den Kryobehälter für ein stetiges Verdampfen des Kühlfluids sorgt. Anhand von 2 wird ein solches System gemäß dem Stand der Technik nach der US 2006/0021355 A1 , der US 2002/0002830 A1 sowie der eingangs zitierten US 2006/022779 A1 schematisch dargestellt.
Im Inneren eines Vakuumbehälters 1 ist ein Kryobehälter 2 angeordnet. Der Kryobehälter 2 ist zumindest teilweise mit einem flüssigen Fluid 4, typischerweise flüssigem Helium, gefüllt und enthält eine supraleitende Magnetanordnung 3, welche ein Magnetfeld erzeugt. Ein Raumtemperaturrohr 5 erlaubt es, eine Messvorrichtung, welche hier nicht gezeigt ist, im Magnetfeld anzuordnen. Mindestens eine Ableitungs- und Füllöffnung 6 ist vorhanden, um das Kühlfluid 4 in den Kryobehälter 2 zu transferieren und wieder abzuleiten.
Steigende Heliumkosten und die Verfügbarkeit geeigneter Kühlmaschinen haben dazu geführt, dass Methoden entwickelt wurden, um den Verbrauch an flüssigem Helium zu minimieren bzw. ganz auf flüssiges Helium zu verzichten. Solche Systeme werden mittels Kryokühlern gekühlt. Um Temperaturen von 3 bis 4 Kelvin zu erreichen, werden mehrstufige Kühler vom Typ Gifford-McMahon oder Pulse-Tube verwendet. Infolge eines stetigen Wärmeeintrages auf den Kryobehälter 2 verdampft das Kühlfluid 4 und kann an der kalten Stufe des Kryokühlers 7 rekondensiert werden.
Diese Anordnungen, welche abdampfendes Kühlfluid rekondensieren, enthalten systembedingt mehr oder weniger flüssiges Kühlfluid im Kryobehälter, welches in Kontakt zur supraleitenden Magnetanordnung steht. Das Kühlfluid muss zumindest bei der Installation des Systems eingefüllt werden. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei diesen Anordnungen ist die Vibrationsentkopplung zwischen Kryokühler 7 und Magnetanordnung 3 sowie die Demontierbarkeit des Kryokühlers 7 für Service-Arbeiten, ohne dass die Magnetanordnung 3 entladen werden muss. Dies gelingt dadurch, dass die kalte Stufe des Kryokühlers 7 frei in der Dampfphase des Kühlfluids angeordnet und somit nicht direkt mit der Magnetanordnung 3 verbunden ist. In einer solchen Vorrichtung wird der Kryokühler 7 in eine Hülse 8 eingebaut, welche am oberen Ende mit dem Vakuumbehälter 1 und am unteren Ende mit dem Kryobehälter 2 verbunden ist, so dass die Hülse 8 also unten gegen den Kryobehälter 2 offen ist, womit das verdampfte Kühlfluid direkt an der kalten Stufe des Kryokühlers 7 kondensieren und in den Kryobehälter 2 zurückfließen kann.
In einer weiteren Anordnung - beispielhaft in US 2006/022779 A1 beschrieben - wird die Hülse 8 mit dem darin eingebauten Kryokühler 7 am unteren Ende durch einen Hülsenboden 9 dicht verschlossen. Die Hülse 8 bildet dann einen eigenen gegen den Kryobehälter 2 und Vakuumbehälter 1 abgeschlossenen Raum. Das abdampfende Fluid des Kryobehälters 2 kondensiert an der Unterseite der dicht verschlossenen Hülse 8 und die Wärmeübertragung vom kondensierenden Fluid im Kryobehälter 2 zur kalten Stufe des Kryokühlers 7 geschieht über eine thermisch gut leitende Trennwand.
Ein Nachteil solcher Anordnungen liegt in der Abhängigkeit von flüssigen Kryogenen, welche für das Abkühlen und den Betrieb der Magnetanordnung gebraucht werden. Diese erfordert spezielles Equipment für das Befüllen und die Beschaffung der dafür notwendigen Vorratsbehälter.
Bei supraleitenden Magnetanordnungen kann beispielsweise durch spontane Leiterbewegungen auf Grund der auf den Supraleiter wirkenden Magnetkräfte ein Leiterabschnitt normalleitend werden. Dies kann sich auf die gesamte Spule ausbreiten. Bei einem solchen Magnetquench wird innerhalb von Sekunden die magnetische Energie der Spule in Wärme umgesetzt und alles flüssige Kühlfluid 4 verdampft sehr schnell und führt zu einer Druckerhöhung im Kryobehälter 2 und einem heftigen Ausstoß an kaltem Gas. Es müssen deshalb konstruktive Maßnahmen getroffen werden, um zwischen Kryobehälter 2 und Umgebung einen genügend großen Leitungsquerschnitt für das ausströmende tiefkalte Gas gewährleisten zu können. Zusätzlich muss das ausströmende Gas meist durch eine separate Rohrleitung aus dem Raum, in welchem die Vorrichtung aufgestellt ist, abgeleitet werden, da sonst der Sauerstoffgehalt in der umgebenden Luft auf gefährlich tiefe Werte sinken könnte oder Personen durch das kalte Gas verletzt werden könnten. Ein Magnetquench muss demzufolge sicherheitstechnisch durch entsprechend aufwändige Maßnahmen abgesichert werden. Aus diesem Grunde wäre es wünschenswert, möglichst ganz auf kryogene Flüssigkeiten im Kryobehälter 2 verzichten zu können.
DE 10 2005 029 151 A1 offenbart eine Kryostatanordnung zur Aufbewahrung von kryogenen Fluiden in einem Kryobehälter, wobei sich im Halsrohr ein kryogenes Fluid befindet.
US 2008 / 0 216 486 A1 offenbart eine Kühlanordnung mit einer thermischen Schnittstelle zwischen einem Refrigerator und einem zu kühlenden Objekt, wobei die Schnittstelle eine Rückkondensationskammer zum Kondensieren einer kryogenen Flüssigkeit aufweist.
US 2007 245 749 A1 offenbart eine Anordnung zum Vorkühlen eines supraleitenden Magneten in einem Kryogenbehälter, umfassend einen geschlossenen Kühlkreislauf, wobei der Kreislauf Wärmeübertragungsfluid in und aus einem Innenvolumen des Kryobehälters befördert.
US 5 412 363 A offenbart einen MRI-Magneten mit offenem Zugang mit supraleitenden Spulenanordnungen. Jede supraleitende Spulenanordnung umfasst ein ringförmiges, vakuumdichtes Gefäß, eine Isolierung und eine oder mehrere Temperaturabschirmungen, die innerhalb des vakuumdichten Gefäßes montiert sind. Die supraleitenden Spulen, die thermischen Abschirmungen und der Dauerschalter werden durch einen Kryokühler mittels Leitung durch feste Wärmeleiter oder durch eine Kombination aus Leitung und Konvektion durch einen Flüssigkeitskühlkreislauf gekühlt.
DE 10 2005 028 414 A1 offenbart eine Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Magnetfelds mit einem im Pulsbetrieb betreibbaren Magneten, der mindestens eine supraleitfähige kältemittelfreie Wicklung enthält.
DE 27 15 979 A1 offenbart einen Kryostaten, bei welchem verflüssigtes Helium mit der Atommasse 3 verwendet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, mit technisch möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln eine Kryostatanordnung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die supraleitende Magnetanordnung innerhalb des Kryobehälters ohne kryogene Flüssigkeit und gleichzeitig ohne direkte mechanische Ankoppelung an den Kryokühler gekühlt werden kann. Der Anwender der Apparatur soll während der Betriebszeit auf die Handhabung kryogener Flüssigkeiten wie beispielsweise Helium und Stickstoff verzichten können. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Vermeidung von kaltem ausströmendem Fluid im Falle eines Quenches der supraleitenden Magnetanordnung.
Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und dennoch wirkungsvolle Weise durch eine Kryostatanordnung nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 8 gelöst.
Erfindungsgemäß ist der Kryobehälter bis auf eine Gaskapillare hermetisch dicht geschlossen und mit einem gasförmigen Fluid unter einem Druck jeweils unterhalb des entsprechenden Dampfdrucks der flüssigen Phase dieses Fluids bei der jeweiligen Betriebstemperatur befüllt, wobei während der Betriebszeit auf die Handhabung kryogener Flüssigkeiten wie beispielsweise Helium und Stickstoff verzichtet wird. Die kälteste Stufe des Kryokühlers ist in einer gut wärmeleitenden Weise mit einem innerhalb des Kryobehälters liegenden Wärmetauscher verbunden, so dass die supraleitende Magnetanordnung innerhalb des Kryobehälters nur durch das gasförmige Fluid ohne kryogene Flüssigkeit und gleichzeitig ohne direkte mechanische Ankoppelung an den Kryokühler gekühlt wird.
Zahlreiche Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ergeben sich in folgenden Punkten:

Der Kryobehälter mit der supraleitenden Magnetanordnung bleibt während der gesamten Betriebszeit versiegelt und für den Betrieb wird deshalb kein zusätzliches Kühlmedium benötigt. Während der Lebensdauer des Systems muss demzufolge keinerlei Kühlfluid nachgefüllt werden.
Die supraleitende Magnetanordnung wird über den im Kryobehälter angeordneten Wärmetauscher berührungsfrei gekühlt, da sich innerhalb des gasförmigen Fluids Konvektionsströmungen ausbilden, welche einen guten Wärmeübergang zwischen Wärmetauscher, Kryobehälter und der darin angeordneten Magnetanordnung gewährleisten.

Im Gegensatz zu einer direkten mechanischen Verbindung von Kryokühler und Magnetspule ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Vibrationsentkopplung möglich, was erst den Betrieb als Bestandteil eines hochauflösenden NMR oder MRI Spektrometers erlaubt.
Der Kryobehälter kann mittels des Kryokühlers vollautomatisch abgekühlt werden, da keine kryogenen Flüssigkeiten zugeführt werden müssen.
Bei einem unerwarteten großen Wärmeeintrag auf den Kryobehälter wie z.B. einem Quench der supraleitenden Magnetanordnung oder einem Vakuumbruch des Isolationsvakuums im Vakuumbehälter kann vermieden werden, dass große Mengen an kaltem Fluid ausströmen, wie dies bei badgekühlten Systemen zwangsläufig der Fall ist. Entsprechend erhöht sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Sicherheit für den Anwender.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kryobehälter lediglich über eine dünne und schlecht wärmeleitende, beispielsweise aus austenitischem Stahl bestehende Gaskapillare von außen zugänglich. Diese Gaskapillare wird über eine vakuumdichte Durchführung durch die Außenwand des Vakuumbehälters geführt und verfügt über ein Absperrventil, welches es erlaubt, den Gasraum des Kryobehälters hermetisch zu schließen. Es ist vorteilhaft, den Kryobehälter vor dem Abkühlen bereits über diese Gaskapillare mit einem definierten Gasdruck zu befüllen und die Kapillare dann außerhalb des Vakuumbehälters über beispielsweise ein Absperrventil dicht zu verschließen. Der Kryokühler wird in eine hermetisch dichte Hülse eingebaut und die kälteste Stufe des Kühlers steht in gutem thermischem Kontakt zum Boden der Hülse. Da im Kryobehälter kein Fluid mehr rekondensiert wird, wird der ansonsten erforderliche Recondenser durch einen einfachen großflächigen Wärmetauscher innerhalb des Kryobehälters ersetzt. Der Boden der Hülse steht demnach in gutem thermischen Kontakt zu diesem Wärmetauscher.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass der Wärmetauscher im Kryobehälter durch ein gewendeltes und hermetisch dicht geschlossenes Rohr gebildet wird. Dieses Rohr wird vor dem Abkühlen des Systems bei Raumtemperatur mit einem möglichst hohen Fülldruck mit Wasserstoff, Helium, Neon, Stickstoff oder einem Gemisch aus diesen Gasen befüllt und hermetisch verschlossen. Durch das Abkühlen wird sich der Druck in diesem Rohr gemäß dem isochoren Gleichgewichtsdruck vermindern. Dieses geschlossene Rohr dient dann als zusätzlicher thermischer Puffer, um die Temperatur im Kryobehälter stabil zu halten.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Hülse mit dem darin eingebauten Kryokühler über eine Verbindungsleitung mit Druckreduzierventil ständig mit einer externen Druckgasflasche verbunden. Bei Raumtemperatur wird in der Hülse vor dem Abkühlen ein definierter Gasdruck eingestellt. Dieser Gasdruck wird während des Abkühlvorgangs aufrechterhalten, wodurch Gas aus der Gasflasche ständig nachströmt. Andernfalls würde der anfängliche Gasdruck in der hermetisch abgeschlossenen Hülse infolge der sinkenden mittleren Temperatur innerhalb der Hülse stetig absinken. Bei Unterschreitung des Dampfdrucks des zugeführten Gases bildet sich im unteren Teil der Hülse ein Reservoir von Flüssigkeit des verwendeten Gases. Diese Flüssigkeit verbessert die Wärmeübertragung vom Boden der Hülse auf die kälteste Stufe des Kryokühlers und erlaubt es, den Kryokühler vollständig berührungsfrei zum Boden der Hülse zu lagern.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dient insbesondere der Verbesserung des Wärmeübergangs von der kalten Stufe des Kryokühlers zum Wärmetauscher innerhalb des Kryobehälters. Dazu wird der Wärmetauscher mit einem Thermosiphon in Verbindung gebracht. Der Thermosiphon kann als Rohrleitung ausgeführt werden, deren Anfang und Ende in der Hülse endet und vakuumdicht durch die Wandung der Hülse und den Deckel des Kryobehälters geführt wird. Der Thermosiphon funktioniert so, dass das flüssige Fluid, welches sich in der Hülse gebildet hat, im Rohr des Thermosiphons nach unten fließt und im Kontakt mit dem Wärmetauscher verdampft und dann gasförmig zurück zur Hülse strömt. Mit dieser Anordnung lässt sich insbesondere der Temperaturgradient zwischen Kryokühler und Gaswärmetauscher minimieren. Als weiteres Merkmal dieser Ausführungsform kann daher auf einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Hülsenboden und dem Wärmetauscher verzichtet 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:

1 einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit einem hermetisch abgeschlossenen und mit einem gasförmigen Fluid gefüllten Kryobehälter, einem in eine geschlossene Hülse eingebauten Kryokühler sowie einem Wärmetauscher im Kryobehälter;
2 einen schematischen Querschnitt einer Kryostatanordnung gemäß dem Stand der Technik mit einem in eine geschlossene Hülse eingebauten Kryokühler und einem Rekondenser zur Rückverflüssigung des Kühlfluids im Kryobehälter;
3 einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Wärmetauscher in Form einer gasgefüllten und hermetisch dichten Rohrschlange;
4 einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer externen Gasflasche zum Befüllen der Hülse; und
5 einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Thermosiphon zwischen Hülse und Wärmetauscher.

Zur Kühlung einer supraleitenden Magnetanordnung innerhalb eines Kryobehälters wird anstelle eines Fluids im flüssigen Aggregatzustand ein solches in gasförmigem Aggregatzustand verwendet. Das Fluid wird durch thermischen Kontakt mit einem Kryokühler auf die erforderliche Betriebstemperatur gekühlt.
Der Kryokühler wird in eine hermetisch dichte Hülse eingebaut und die kälteste Stufe des Kühlers steht in gutem thermischem Kontakt zum Boden der Hülse. Da im Kryobehälter kein Fluid mehr rekondensiert wird, wird der bei Anordnungen nach dem Stand der Technik erforderlich Recondenser durch einen großflächigen Wärmetauscher ersetzt. Der Boden der Hülse steht in gutem thermischen Kontakt zu diesem Wärmetauscher. Die aneinander grenzenden Räume der Hülse zur Aufnahme des Kryokühlers und des Kryobehälters zur Aufnahme der supraleitenden Magnetanordnung sind also gegeneinander hermetisch dicht abgetrennt.
In dieser Anordnung kann nun eine supraleitende Magnetanordnung über die Gasatmosphäre innerhalb des Kryobehälters gekühlt werden, was unter anderem eine verbesserte Vibrationsentkopplung erlaubt, da keine direkte Verbindung von Kryokühler und Magnetanordnung notwendig ist. Innerhalb der Hülse kann unabhängig vom Kryobehälter ein anderes Fluid bzw. ein anderer Druck gewählt werden.
Durch die Wahl eines großflächigen Wärmetauschers wird erreicht, dass die supraleitende Magnetanordnung durch eine sich bildende Konvektionsströmung wesentlich effektiver gekühlt wird als durch reine Wärmeleitung über das Kühlfluid. Um den erforderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu gewährleisten, sollte die Fläche des Wärmetauschers mindestens 1000cm² betragen.
Der Kryobehälter ist lediglich über eine dünne und schlecht wärmeleitende, beispielsweise aus austenitischem Stahl bestehende Gaskapillare für das Befüllen beziehungsweise Entleeren eines Kühlfluids zugänglich. Diese Gaskapillare wird über eine vakuumdichte Durchführung durch die Außenwand des Vakuumbehälters geführt. Es ist vorteilhaft, den Kryobehälter vor dem Abkühlen bereits über diese Gaskapillare mit dem Kühlfluid unter einem definierten Gasdruck zu befüllen und die Gaskapillare dann außerhalb des Vakuumbehälters über beispielsweise ein Absperrventil dicht zu verschließen. Typischerweise wird der Kryobehälter vor dem Abkühlen bei Raumtemperatur mit einem Druck von 1bar gefüllt. Während des Abkühlprozesses wird sich der Druck im Kryobehälter gemäß dem isochoren Gleichgewichtsdruck vermindern und das Kühlfluid wird so ausgewählt, dass der gasförmige Aggregatzustand bis zur Endtemperatur erhalten bleibt. Bei Verwendung von Heliumgas als Kühlfluid und einer Endtemperatur von 4K wird sich der Druck beispielsweise von 1bar bei Raumtemperatur durch das Abkühlen auf 13mbar verringern, ohne dass flüssiges Helium gebildet wird. Ein höherer Fülldruck verbessert den konvektiven Wärmeübergang vom Wärmetauscher auf die supraleitende Magnetanordnung innerhalb des Kryobehälters. Der anfängliche Fülldruck richtet sich demgemäß auch nach der mechanischen Auslegung des Kryobehälters und dem maximal erlaubten Druck. Die erreichbare Endtemperatur wird maßgeblich vom verwendeten Kryokühler bestimmt und wird so gewählt, dass die supraleitende Magnetanordnung bestimmungsgemäß betrieben werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber dem Stand der Technik ist der Sicherheitsaspekt im Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten. Da der Kryobehälter bei Raumtemperatur befüllt und danach hermetisch abgeschlossen wird, müssen keine Maßnahmen getroffen werden, um das Kühlfluid bei einem Magnetquench ableiten zu können, da die magnetische Energie einer supraleitenden Magnetspule zur gering ist, um diese über Raumtemperatur zu erwärmen. Damit ist die Sicherheit des Systems während der gesamten Lebensdauer gewährleistet und der Betreiber des Systems kommt niemals mit kryogenen Flüssigkeiten oder Gasen in Berührung. Bei einem vollständigen Aufwärmen des Kryobehälters bei längeren Stillstandzeiten wird sich im Kryobehälter wieder der anfängliche Fülldruck einstellen. Das Abkühlen bzw. Aufwärmen des Kryobehälters kann vollautomatisch lediglich durch das Ein- oder Ausschalten des Kryokühlers durchgeführt werden.
Um die Temperaturstabilität innerhalb des Kryobehälters zu verbessern, kann der Wärmetauscher auch in Form eines abgeschlossenen und gewendelten Rohres ausgeführt werden, was ebenfalls eine große Oberfläche für den Wärmeübergang an das Kühlfluid erzeugt. Dieses Rohr wird vor dem Abkühlen des Systems bei Raumtemperatur mit einem möglichst hohen Fülldruck von typischerweise 200bar mit beispielsweise Helium, Neon oder Stickstoff befüllt und hermetisch verschlossen. Durch das Abkühlen wird sich der Druck in diesem Rohr gemäß dem isochoren Gleichgewichtsdruck vermindern. Bei der Verwendung von Heliumgas und einem Anfangsdruck von 200bar bei 293K resultiert beispielsweise ein Druck von 0.81 bar bei 4K. Unter diesen Umständen wird auch ein Teil des Gases im Rohr verflüssigt. Dieser als geschlossenes Rohr ausgeführte Wärmetauscher dient dann als zusätzlicher thermischer Puffer, um die Temperatur im Kryobehälter stabil zu halten. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Wärmetauscher bei einem Ausfall des Kryokühlers beispielsweise auf Grund eines Stromunterbruchs als thermisches Reservoir dient und die supraleitende Magnetanordnung für eine kurze Zeitdauer von typischerweise einer Stunde so kalt halten kann, dass ein Quenchen vermieden werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass insbesondere Helium bei kryogenen Temperaturen eine im Vergleich zu Festkörpern sehr hohe spezifische Wärme aufweist, was noch dadurch verbessert wird, dass ein Teil des Heliums verflüssigt ist und bei einer Temperaturerhöhung zusätzlich die Verdampfungsenthalphie genutzt werden kann. Dieses Prinzip lässt sich jedoch auch auf andere Gase übertragen.
Da die Hülse mit eingebautem Kryokühler einen hermetisch geschlossenen Raum bildet, kann dort unabhängig vom Kryobehälter ebenfalls ein Fluid eingefüllt werden. Bei Verwendung eines Fluids im Vergleich zu einem Vakuum kann insbesondere die kalte Stufe des Kryokühlers mechanisch vom Hülsenboden entkoppelt werden, da die Wärmeübertragung durch das eingefüllte Fluid gewährleistet wird. Dadurch kann der Vibrationseintrag vom Kryokühler auf die supraleitende Magnetanordnung nochmals stark verringert werden.
Zur Befüllung der Hülse ist es sinnvoll, eine Hochdruck-Gasflasche des gewünschten Fluids mittels Druckreduzierventil mit dem warmen Ende der Hülse zu verbinden. Mit dieser Anordnung kann der Druck innerhalb der Hülse auch beim Abkühlvorgang konstant gehalten werden, indem mit sinkender mittlerer Temperatur innerhalb der Hülse der Druck sinkt und Gas automatisch nachfließt. Insbesondere kann durch Wahl des geeigneten Fluids eine Verflüssigung desselben im unteren kältesten Teil der Hülse erreicht werden. Die Temperatur der Flüssigkeit kann über den eingestellten Gleichgewichtsdruck eingestellt werden, sofern der Kryokühler diese Temperatur erreicht. Entsprechend kann als Gas beispielsweise Helium, Neon oder Stickstoff gewählt werden. Da die Hülse gegen oben immer wärmer wird, können sich von alleine ein Gleichgewichtszustand und eine konstant bleibende Füllhöhe ausbilden.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist das thermische Reservoir, welches durch die Flüssigkeit gebildet wird. Bei einem Ausfall des Kryokühlers wird die Flüssigkeit im Halsrohr langsam verdampfen und kann so die Temperatur des Kryobehälters und der supraleitenden Magnetanordnung über einige Zeit konstant halten.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Boden der Hülse und dem Wärmetauscher innerhalb des Kryobehälters kann nun die Flüssigkeit innerhalb der Hülse in einer geschlossenen Thermosiphon-Leitung zum Wärmetauscher geführt werden, wo sie in gutem thermischen Kontakt mit demselben steht. Die Flüssigkeit im Thermosiphon verdampft im Kontaktbereich und wird dampfförmig zurück in die Hülse geführt. Mit dieser Anordnung kann erreicht werden, dass sich die Temperaturen der Flüssigkeit innerhalb der Hülse und des Wärmetauschers nur noch geringfügig unterscheiden, wodurch sich wiederum das Kühlfluid innerhalb des Kryobehälters auf eine tiefere Temperatur kühlen lässt.
Anhand der 1 und 3 bis 5 werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben:

1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung. In einem Vakuumbehälter 1 ist zur Kühlung eines Kryobehälters 2 mit einer darin enthaltenen supraleitenden Magnetanordnung 3 ein Kryokühler 7 in eine Hülse 8 eingebaut, welche am unteren Ende durch einen Hülsenboden 9 gasdicht verschlossen ist. Der Hülsenboden 9 steht in gutem thermischen Kontakt zu einem Wärmetauscher 11, welcher sich innerhalb des Kryobehälters befindet. Der Hülsenboden 9 kann ein Bestandteil des Kryobehälters sein; Hülse 8 und Kryobehälter 2 bilden aber zwei getrennte Räume. Die Fläche des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 11 ist wesentlich größer als diejenige des Recondensers 10 in der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung nach 2.

Der Kryobehälter ist mit einem gasförmigen Kühlfluid 12 gefüllt und lediglich über eine Gaskapillare 13 zugänglich. Die Gaskapillare 13 wird vakuumdicht durch die Wand des Vakuumbehälters 1 geführt und dient dazu, den Kryobehälter 2 vor dem Abkühlen mit dem Kühlfluid 12 unter einem definierten Gasdruck zu befüllen. Die supraleitende Magnetanordnung 3 wird über Konvektionsströmung ausgehend vom Wärmetauscher 11 gekühlt. Die Kryostatanordnung enthält auch ein Raumtemperaturrohr 5, welches den Zugang zum Magnetzentrum für beispielsweise NMR Anwendungen erlaubt.
2 zeigt eine herkömmliche Anordnung nach dem oben diskutierten Stand der Technik. Der Kryobehälter 2 ist mit einem flüssigen Kühlfluid 4 gefüllt und eine supraleitende Magnetanordnung 3 ist in das flüssige Kühlfluid 4 eingetaucht. Abdampfendes Kühlfluid kondensiert an einem Recondenser 10 und tropft zurück in die Flüssigkeit. Zur Kühlung des Recondensers 10 wird ein Kryokühler 7 in eine unten geschlossene Hülse 9 eingebaut.
Der Kryobehälter ist über mindestens eine Ableitungs- und Füllöffnung 6 mit dem Vakuumbehälter 1 verbunden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Wärmetauscher 14 im Kryobehälter 2 durch ein gewendeltes und hermetisch dicht geschlossenes Rohr gebildet wird. Diese Rohrwendel 14 wird vor dem Abkühlen des Kryobehälters 2 mit einem hohen Gasdruck eines geeigneten Fluids 12 gefüllt und nachfolgend hermetisch dicht verschlossen. Der als Rohrwendel ausgeführte Wärmetauscher 14 steht in gut wärmeleitendem Kontakt zum Boden 9 der Hülse 8 und zur kalten Stufe des Kryokühlers 7.
4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Hülse 8 über eine Gasverbindungsleitung 16 mit Druckreduzierventil ständig mit einer externen Druckgasflasche 17 verbunden ist. Bei Raumtemperatur wird in der Hülse 8 vor dem Abkühlen ein definierter Gasdruck eingestellt. Dieser Gasdruck wird während des Abkühlvorgangs aufrechterhalten, wodurch Gas aus der Gasflasche 17 ständig nachströmt. Andernfalls würde der anfängliche Gasdruck im hermetisch abgeschlossenen Halsrohr infolge der sinkenden mittleren Temperatur der Hülse 8 stetig absinken. Bei Unterschreitung des Dampfdrucks des zugeführten Gases bildet sich im unteren Teil der Hülse ein Reservoir der flüssigen Phase des verwendeten Gases. Diese Flüssigkeit 15 verbessert die Wärmeübertragung vom Hülsenboden 9 auf die kälteste Stufe des Kryokühlers 7 und erlaubt es, den Kryokühler 7 vollständig berührungsfrei zum Boden 9 der Hülse zu lagern. Die Temperatur der Flüssigkeit 15 kann über den eingestellten Gleichgewichtsdruck eingestellt werden, sofern der Kryokühler 7 diese Temperatur erreicht. Entsprechend kann als Gas beispielsweise Helium, Neon oder Stickstoff oder ein Gemisch daraus gewählt werden. Da die Hülse 8 nach oben hin immer wärmer wird, bildet sich von alleine ein Gleichgewichtszustand und eine konstant bleibende Füllhöhe aus.
5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 4, welche insbesondere einen verbesserten Wärmeübergang vom Wärmetauscher 11 zum Kryokühler 7 erbringt. Dazu wird der Wärmetauscher 11 mit einem Thermosiphon 18 in eine gut wärmeleitende Verbindung gebracht. Der Thermosiphon 18 kann als Rohrleitung ausgeführt werden und funktioniert so, dass die Flüssigkeit 15 von der Hülse 8 im Thermosiphon18 nach unten fließt, im Kontakt mit dem Wärmetauscher 11 innerhalb des Thermosiphon 18 verdampft und der Dampf in einer zweiten Rohrleitung des Thermosiphon 18 aufsteigt und in die Hülse 8 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels zurückgeführt wird. Mit dieser Anordnung lässt sich insbesondere der Temperaturgradient zwischen Kryokühler 7 und Wärmetauscher 11 minimieren. Als weiteres Merkmal dieser Ausführungsform kann daher auf einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Hülsenboden 9 und dem Wärmetauscher 11 verzichtet werden.
Bezugszeichenliste

1: Vakuumbehälter
2: Kryobehälter
3: Magnetanordnung
4: Flüssiges Kühlfluid
5: Raumtemperaturrohr
6: Ableitungs- und Füllöffnung
7: Kryokühler
8: Hülse
9: Hülsenboden
10: Recondenser
11: Wärmetauscher
12: Gasförmiges Fluid im Kryobehälter
13: Gaskapillare
14: Rohrwärmetauscher
15: Füllfluid in der Hülse
16: Verbindungsleitung
17: Druckgasflasche
18: Thermosiphon

Claims

Kryostatanordnung mit einem Vakuumbehälter (1) und einem darin eingebauten Kryobehälter (2), sowie einer Hülse (8), in die ein Kryokühler (7) eingebaut ist, wobei das obere warme Ende der Hülse (8) mit dem Außenmantel verbunden ist und das untere kalte, dem Kryobehälter (2) zugewandte Ende durch einen Hülsenboden (9) gasdicht verschlossen ist, und wobei der Kryobehälter (2) eine supraleitende Magnetanordnung (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryobehälter (2) bis auf eine Gaskapillare (13) hermetisch dicht geschlossen und mit einem gasförmigen Fluid (12) unter einem Druck jeweils unterhalb des entsprechenden Dampfdrucks der flüssigen Phase dieses Fluids bei der jeweiligen Betriebstemperatur befüllt ist, wobei während der Betriebszeit auf die Handhabung kryogener Flüssigkeiten wie beispielsweise Helium und Stickstoff verzichtet wird, und dass die kälteste Stufe des Kryokühlers (7) in einer gut wärmeleitenden Weise mit einem innerhalb des Kryobehälters (2) liegenden Wärmetauscher (11; 14) verbunden ist, so dass die supraleitende Magnetanordnung (3) innerhalb des Kryobehälters (2) nur durch das gasförmige Fluid (12) ohne kryogene Flüssigkeit und gleichzeitig ohne direkte mechanische Ankoppelung an den Kryokühler (7) gekühlt wird.
Kryostatanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb des Kryobehälters (2) liegende Wärmetauscher (11; 14) eine Oberfläche von mindestens 1000cm² aufweist.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb des Kryobehälters (2) liegende Wärmetauscher (14) aus einer Rohrwendel besteht, welche bei Raumtemperatur mit einem Gas, bestehend aus Helium, Wasserstoff, Neon oder Stickstoff, befüllt und nachfolgend hermetisch dicht geschlossen ist.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) mit einem Gas oder Gasgemisch bestehend aus Helium, Wasserstoff, Neon oder Stickstoff gefüllt und der Gasdruck so eingestellt ist, dass sich Flüssigkeit (15) am unteren Ende der Hülse (8) bildet.
Kryostatanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kälteste Stufe des Kryokühlers (7) berührungsfrei zur Hülse (8) und zum Hülsenboden (9) montiert ist.
Kryostatanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hülse (8) und dem innerhalb des Kryobehälters (2) liegenden Wärmetauscher (11; 14) ein Thermosiphon (18) montiert ist, welcher in gut wärmeleitender Weise mit dem Wärmetauscher (11; 14) verbunden ist, so dass die Flüssigkeit (15) im Thermosiphon (18) verdampft und der Dampf oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in die Hülse (8) zurückgeführt wird.
Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Magnetanordnung (3) Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere zum Magnetic Resonance Imaging oder zur Magnetresonanzspektroskopie ist.
Verfahren zum Betrieb einer Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryobehälter (2) vor dem Abkühlen bei Raumtemperatur über die Gaskapillare (13) mit 1bar Heliumgas befüllt und anschließend dicht verschlossen wird.