DE102005035894B3

DE102005035894B3 - Supraleitendes Magnetsystem mit Strahlungsschild zwischen Kryofluidtank und Refrigerator

Info

Publication number: DE102005035894B3
Application number: DE102005035894A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Schlenga; Claus Hanebeck
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2005-07-30
Filing date: 2005-07-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-07-31
Also published as: US8316651B2; GB0614866D0; GB2429051A; GB2429051B; US20070022761A1

Abstract

Ein supraleitendes Magnetsystem mit einem in einem Kryofluidtank (2) eines Kryostaten (1) angeordneten supraleitenden Magnetspulensystem und einem Refrigerator (6), der zur Kühlung des zur Magnetkühlung dienenden Kryofluids vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) vorgesehen ist, welches einen Refrigeratorraum (4) vom Kryofluidtank (2) abteilt, wobei der kühlende Bereich (9) des Refrigerators (6) vollständig im Refrigeratorraum (4) angeordnet ist, und wobei der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) mit Öffnungen (11; 22; 44, 45; 53) für den Gas- bzw. Fluidaustausch zwischen Refrigeratorraum (4) und Kryofluidtank (2) versehen ist. Bei einem Ausfall des Refrigerators ist der Wärmeeintrag in den Kryostaten reduziert, und im Quenchfall wird eine verbesserte Sicherheit für Wartungspersonal erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetsystem mit einem in einem Kryofluidtank eines Kryostaten angeordneten supraleitenden Magnetspulensystem und einem Refrigerator, der zur Kühlung des zur Magnetkühlung dienenden Kryofluids vorgesehen ist.
Eine solches Magnetsystem ist beispielsweise aus der DE 100 33 410 C1 bekannt.
Supraleitende Magnetsysteme dienen der Erzeugung hoher Magnetfeldstärken. Hohe Magnetfeldstärken werden beispielsweise in der Kernspinresonanz (NMR) benötigt, sowohl bei spektroskopischen als auch in bildgebenden Verfahren. Zur Erlangung des supraleitenden Zustands eines Magnetsystems muss die Magnetspulenanordnung gekühlt werden. Dies geschieht in einem Kryostaten. Der Kryostatumfasst mindestens einen Kryofluidtank, in dem ein Kryofluid, etwa flüssiges Helium, gespeichert ist. Ebenfalls im Kryofluidtank ist das Magnetspulensystem angeordnet. Das Kryofluid kühlt dabei das Magnetspulensystem. In seinem flüssigen Zustand hat das Kryofluid eine maximale Temperatur entsprechend seinem Siedepunkt.
Aufgrund von unvermeidlichem Wärmeeintrag in den Kryostaten ist es normalerweise notwendig, das Kryofluid regelmäßig nachzufüllen. Dieser Vorgang verursacht Ausfallzeiten und Kosten, da das System durch das Nachfüllen gestört wird. Dazu wird ein Refrigerator eingesetzt. Der Refrigerator besitzt einen kühlenden Bereich, an dem Kryofluid vorbeiströmen kann. Ein Teil des kühlenden Bereichs ist ausreichend kalt, um eine Verflüssigung von gasförmigem Kryofluid zu bewirken. Das verflüssigte Kryofluid tropft in den Kryofluidtank.

Aus der DE 100 33 410 C1 ist eine Kryostatenanordnung zur Aufnahme supraleitender Magnete bekannt, bei der ein Kryofluidtank in ein Halsrohr des Kryostaten mündet, wobei in dem Halsrohr ein Refrigerator angeordnet ist. Zur Leitung des gasförmigen Kryofluidstroms in einem Kreislauf ist mindestens ein Trennkörper vorgesehen, der das Halsrohr in zwei Teilvolumina unterteilt.

Bei einem Ausfall des Refrigerators erfährt der Kryostat einen großen Wärmeeintrag, sowohl über Konvektionsstöme von Kryofluid, als auch über Wärmestrahlung, ausgehend vom Refrigerator und/oder den ihn umgebenden Wänden. Dieser Wärmeeintrag führt zum Verdampfen von teurem Kryofluid; bei zu viel Kühlmittelverlust muss sogar der Magnet entladen werden.

Während Service- oder Reparaturarbeiten am Refrigerator, bei denen der Refrigeratorturm geöffnet werden muss, besteht die Gefahr, dass im Falle eines Quenchs (d.h. eines plötzlichen Zusammenbruchs der Supraleitung) im gekühlten Magneten und dem damit verbundenen massiven Wärmeeintrag in das flüssige Kryofluid kryogene Flüssigkeit und/oder tiefkaltes Gas in großen Mengen plötzlich austritt. Dadurch können ein Servicetechniker oder auch andere Personen in der Umgebung des Kryostaten verletzt werden.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem supraleitenden Magnetsystem den Kryostaten so auszubilden, dass bei einem Ausfall des Refrigerators der Wärmeeintrag in den Kryostaten reduziert wird, und im Quenchfall eine verbesserte Sicherheit für Wartungspersonal erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein supraleitendes Magnetsystem der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Strahlungsschild vorgesehen ist, welches einen Refrigeratorraum vom Kryofluidtank abteilt, wobei der kühlende Bereich des Refrigerators vollständig im Refrigeratorraum angeordnet ist, und wobei der Strahlungsschild mit Öffnungen für den Gas- bzw. Fluidaustausch zwischen Refrigeratorraum und Kryofluidtank versehen ist. Durch die Abteilung des Refrigeratorraums – und damit des Refrigerators – vom Kryofluidtank wird ein Isolationseffekt erreicht. Der Strahlungsschild hält Wärmestrahlung, die vom Refrigerator ausgeht, vom Kryofluidtank weitgehend ab. Konvektion zwischen Kryofluidtank und Refrigeratorraum wird durch die Öffnungen im Strahlungsschild bestimmt und im Vergleich zum Stand der Technik gering gehalten. Gleichzeitig bildet der Strahlungsschild einen Spritzschutz für kryogene Flüssigkeit im Quenchfall, wobei auch die Menge plötzlich freiwerdenden tiefkalten Gases durch die Öffnungen begrenzt wird. Andererseits gestatten die Öffnungen im Strahlungsschild einen ausreichenden Fluidaustausch, um im Normalbetrieb die Kühlung des Kryostaten ausreichend zu gewährleisten. Gasförmiges Kryofluid strömt aus dem Kryofluidtank in den Refrigeratorraum und wird am Refrigerator gekühlt und schließlich verflüssigt. Das verflüssigte Kryofluid fließt bzw. tropft durch die Öffnungen zurück in den Kryofluidtank.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems sieht vor, dass der Strahlungsschild einen Reflexionskoeffizienten ε < 0,5; bevorzugt ε < 0,2 und besonders bevorzugt ε < 0,05 hat. In diesem Fall ist ein etwaiger Strahlungswärmeeintrag durch den Refrigerator besonders gering.

Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Strahlungsschild aus poliertem Edelstahl besteht. Dieses Material hat sich für den Strahlungsschild besonders bewährt.

Bei einer alternativen Ausführungsform besteht der Strahlungsschild aus beschichtetem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK).

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild thermisch an den Refrigerator angekoppelt ist und als Rekondensationsfläche für das Kryofluid fungiert. In diesem Fall kann der Konvektionsstrom von Kryofluid besonders gering eingestellt werden, wodurch ein Wärmeeintrag durch Konvektion minimiert wird.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform erfolgt die thermische Ankopplung über Berührung eines Kupferblocks. Der Kupferblock verbindet somit Refrigerator und Strahlungsschild durch jeweils direkten Kontakt mit dem Kupferblock. Der Kupferblock gestattet einen großen Kontaktquerschnitt und damit eine starke Wärmekopplung.

Bei einer alternativen Weiterbildung der obigen Ausführungsform erfolgt die thermische Ankopplung über eine flexible Kupferlitze. Dadurch wird der Übertrag von Vibrationen auf den Strahlungsschild und damit in den Kryofluidtank minimiert.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems, bei dem der Strahlungsschild mechanisch so stabil ist, dass er im Quenchfall einem Überdruck von 1 bar standhält. Dies erhöht die Sicherheit für Personen in der Umgebung.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der durch die Position der Öffnungen der Strahlungsschild den Strahlungswinkel des Refrigerators weitgehend, insbesondere vollständig, einschränkt. Der Strahlungsschild verhindert weitgehend, dass Wärmestrahlung vom Refrigerator direkt auf den Kryofluidtank oder seinen Inhalt treffen kann. Dadurch wird der Wärmeeintrag in den Kryofluidtank bei Ausfall des Refrigerators minimiert.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems ist der Strahlungsschild aus mehreren übereinanderliegenden Schildlagen aufgebaut. Dies verbessert die Isolation des Kryofluidtanks gegenüber Wärmestrahlung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die Öffnungen der einzelnen Schildlagen gegeneinander versetzt. Dadurch wird auf einfache Weise eine gegenseitige Abschattung der Öffnungen insbesondere gegenüber Wärmestrahlung erreicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass die Öffnungen im Strahlungsschild runde oder eckige Form haben. Solche Formen sind leicht zu fertigen.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der größte Durchmesser der Öffnungen im Strahlungsschild 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm beträgt. Diese Durchmesser gestatten einen ausreichenden Fluidaustausch bei guten Schutzeigenschaften.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Refrigeratorraum ein Halsrohr umfasst, und dass die Erstreckungsrichtungen der Öffnungen im Strahlungsschild senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Halsrohrs verlaufen. Diese Ausführungsform verbindet guten Spritzschutz mit einer ausreichenden Ablaufmöglichkeit für flüssiges Kryofluid aus dem Strahlungsschild in den Kryofluidtank. Der Spritzschutz ist insbesondere deshalb gut, weil unter Druck stehendes Kryofluid quer in das Halsrohr einströmt und keine Geschwindigkeitskomponente in Erstreckungsrichtung des Halsrohrs aus dem Halsrohr heraus aufweist.

Alternativ oder zusätzlich ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Refrigeratorraum ein Halsrohr umfasst, und dass der Strahlungsschild eine öffnungsfreie Spritzschutzfläche aufweist, die flächenmäßig der dem Kryofluidtank zugewandten Öffnung des Halsrohrs entspricht und in einer gedachten Verlängerung des Halsrohrs liegt. Die Spritzschutzfläche verhindert, dass Kryofluid mit einer Bewegungsrichtung parallel zur Erstreckungsrichtung des Halsrohrs direkt aus dem Kryofluidtank in das Halsrohr spritzen kann. Dadurch wird die Sicherheit bei Servicearbeiten im Quenchfall erhöht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass der Strahlungsschild eine zur Erstreckungsrichtung des Halsrohrs senkrechte Schildfläche aufweist, die die öffnungsfreie Spritzschutzfläche umfasst, und dass die Schildfläche Öffnungen aufweist, die außerhalb der gedachten Verlängerung des Halsrohrs liegt. Die Schildfläche begrenzt typischerweise den Refrigeratorraum nach unten, d.h. zum Kryofluidtank hin. In diesem Fall gestatten die Öffnungen einen guten Abfluss von flüssigen Kryofluid, ohne den Spritzschutz zu beeinträchtigen.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitendes Magnetsystems, bei der der Strahlungsschild die Form eines Topfes hat. Die Topfform hat sich in der Praxis bewährt und ist einfach zu fertigen.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass der Strahlungsschild eine parabolische Form hat. Auch diese Form ist in der Praxis bewährt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrleitung für Kryofluid vorgesehen ist, die im Refrigeratorraum mündet. Durch die Rohrleitung kann aus dem Kryotank abgesaugtes, gasförmiges Kryofluid dem Kryostaten wieder zugeführt werden. Das durch die Rohrleitung einströmende Kryofluid wird durch den Refrigerator abgekühlt und verflüssigt, und tropft in den Kryofluidtank zurück. Dadurch kann die erreichbare Kühltemperatur gesenkt werden, ohne den Verbrauch an Kryofluid zu erhöhen. Die Rohrleitung kann im Refrigeratorraum minimal kurz sein; dann sollte das einströmende, zunächst gasförmige Kryofluid dem kühlenden Bereich des Refrigerators entlang gerichtet werden. Alternativ kann auch die Rohrleitung das einströmende Kryofluid am kühlenden Bereich des Refrigerators entlang führen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Rohrleitung thermisch an den kühlenden Bereich des Refrigerators gekoppelt, insbesondere wobei die Rohrleitung sich um den Refrigerator windet. Dies beschleunigt die Abkühlung des einströmenden Kryofluids.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der das Kryofluid Helium ist. Bei Helium können besonders tiefe Temperaturen erreicht werden. Außerdem fällt beim teuren Helium die Verringerung des Kryofluidverbrauchs bei Ausfall des Refrigerators besonders ins Gewicht.

Alternativ ist bei einer Ausführungsform das Kryofluid Wasserstoff, Neon oder Stickstoff.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform des supraleitenden Magnetsystems, bei der der Refrigerator ein Pulsrohrkühler ist. Pulsrohrkühler sind in der Praxis bewährt.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Refrigerator ein Gifford-McMahon-Kühler.

Weiterhin ist eine vorteilhafte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem eine Magnetresonanzapparatur ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. 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.

Die Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems mit einem parabolförmigen Strahlungsschild;
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems mit einem topfförmigen Strahlungsschild, der thermisch an den Refrigerator gekoppelt ist;
3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems mit einem Strahlungsschild umfassend eine an zwei Stiften befestigte Spritzschutzfläche;
4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems mit einem Strahlungsschild, der zwei Schildlagen mit zueinander versetzten Öffnungen umfasst;
5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems mit einem Strahlungsschild, der an seiner Unterseite Öffnungen umfasst, die außerhalb einer gedachten Verlängerung des Halsrohrs liegen;
6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems mit einer im Refrigeratorraum mündenden Rohrleitung für Kryofluid.
In der 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems dargestellt. Ein Kryostat 1 umfasst einen Kryofluidtank 2, in dem Kryofluid gespeichert ist. Das Kryofluid liegt zum Teil als flüssiges Kryofluid 3 vor, und zum Teil erfüllt es in gasförmiger Form den übrigen Kryofluidtank 2 und einen Refrigeratorraum 4. Der Refrigeratorraum 4 ist vom Kryofluidtank 2 durch einen Strahlungsschild 5 abgetrennt. Der Refrigeratoraum 4 umfasst im Wesentlichen das Innere eines Halsrohrs 12 und einen vom Strahlungsschild 5 überspannten Raum 13. In den Refrigeratorraum 4 ragt ein Refrigerator 6. Der Refrigerator 6 umfasst eine erste Kühlstufe 7 und eine zweite, kältere Kühlstufe 8. Die beiden Kühlstufen 7, 8 bilden den kühlenden Bereich 9 des Refrigerators 6. Der kühlende Bereich 9 ist vollständig im Refrigeratorraum 4 untergebracht; insbesondere befindet sich kein Teil des kühlenden Bereichs 9 innerhalb des Kryofluidtanks 2. Der Kryostat 1 weist weiterhin einen evakuierten Raum 10 auf, der den Kryofluidtank 2 und den Refrigeratorraum 4 thermisch von der Umgebung isoliert. Im Kryofluidtank 2 ist ein supraleitendes Magnetspulensystem angeordnet (nicht gezeichnet), das durch das flüssige Kryofluid 3 gekühlt wird.
Der Strahlungsschild 5 besitzt mehrere Öffnungen 11, die einen Austausch von Kryofluid zwischen Kryofluidtank 2 und Refrigeratorraum 4 ermöglichen. Gasförmiges Kryofluid kann durch die Öffnungen 11 vom Kryofluidtank 2 in den Refrigeratorraum 4 strömen. Dort wird es am kühlenden Bereich 9 des Refrigerators 6 abgekühlt und am unteren Ende der zweiten Kühlstufe 8 verflüssigt. Das verflüssigte Kryofluid tropft ab und kann durch die Öffnungen 11 in den Kryofluidtank 2 fließen. Auf diese Weise stellt sich ein Kreislauf ein.
Im Falle eines Ausfalls der Kühlung am Refrigerator 6 droht Wärme in den Kryofluidtank 2 einzudringen. Der Refrigerator 6 strahlt im Infrarotbereich in alle Raumrichtungen ab. Der Strahlungsschild 5 blockiert dabei weitgehend nach unten gerichtete Wärmestrahlung und somit einen Wärmeeintrag in den Kryofluidtank 2 und damit in das flüssige Kryofluid 3. Weiterhin droht in der Nähe des Refrigerators 6 erwärmtes gasförmiges Kryofluid durch Konvektion in den Kryofluidtank 2 einzudringen. Der Strahlungsschild 5 reduziert dabei den Konvektionsstrom auf die Menge Kryofluid, die durch die Öffnungen 11 strömen kann. Erwärmtes Kryofluid verbleibt größtenteils im Refrigeratorraum 4.
Im Falle eine Quenchs kommt es zu einer sehr raschen Erwärmung des flüssigen Kryofluids 3 im Kryofluidtank 2. Es entstehen große Mengen gasförmigen Kryofluids, und beim Sieden des flüssigen Kryofluids 3 kann flüssiges Kryofluid 3 in die Höhe geschleudert werden. Der Strahlungsschild 5 deckt den unteren Zugang zum Halsrohr 12 ab, so dass ein Eindringen von flüssigem Kryofluid 3 in das Halsrohr 12 weitgehend vermieden wird. Ein Aufsteigen von tiefkaltem gasförmigen Kryofluid in das Halsrohr 12 wird durch den Strahlungsschild 5 ebenfalls reduziert. Dadurch wird ein Servicetechniker, der gerade am geöffneten Refrigeratorturm arbeitet, vor dem Kryofluid weitgehend geschützt.
2 zeigt eine weitere, ähnliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetsystems. Zwischen Refrigeratorraum 4 und Kryofluidtank 2 ist ein topfförmiger Strahlungsschild 21 angeordnet. Dieser weist seitliche Öffnungen 22 auf. Die Öffnungen 22 durchbrechen die Wand des Strahlungsschilds 21 in horizontaler Richtung; sie besitzen somit eine horizontale Erstreckungsrichtung. Die äußerst rechte Öffnung 22 besitzt beispielsweise eine Erstreckungsrichtung 23. Im Gegensatz dazu verläuft das näherungsweise hohlzylindrische Halsrohr 12 mit einer vertikalen Achsrichtung und besitzt somit eine Erstreckungsrichtung 24. Die Erstreckungsrichtung der Öffnungen 22 und die Erstreckungsrichtung 24 des Halsrohrs 12 verlaufen somit senkrecht zueinander. Dadurch wird verhindert, dass Kryofluid mit aufsteigender Bewegungsrichtung in das Halsrohr 12 eindringt.
Der Refrigerator 6 ist an seinem unteren Ende mit einem Kupferblock 25 mit dem Boden des Strahlungsschildes 21 verbunden. Der Strahlungsschild 21 erreicht dadurch sehr tiefe Temperaturen und kann dann als Kondensationsfläche für Kryofluid dienen.
In der 3 ist eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems dargestellt. Ein Strahlungsschild 31 teilt wiederum den Refrigeratorraum 4 vom Kryofluidtank 2 ab. In einer gedachten Verlängerung 32 des Halsrohrs 12 in Richtung auf den Kryofluidtank 2 hin liegt eine öffnungsfreie Spritzschutzfläche 33. Diese ist über zwei Stifte 35 im Kryostaten befestigt. Der Raum zwischen den Stiften 35 bildet zwei Öffnungen.
Die öffnungsfreie Spritzschutzfläche 33 besitzt eine Fläche, die der Fläche der Öffnung 34 des Halsrohrs 12 zum Kryofluidtank 2 hin entspricht. Allerdings ist das Strahlungsschild 31 noch geringfügig breiter als die öffnungsfreie Spritzschutzfläche 33 für sich, d.h. das Strahlungsschild 31 ist breiter als es die Breite der Öffnung 34 des Halsrohrs 12 erfordern würde. Die öffnungsfreie Spritzschutzfläche 33 verhindert, dass im Quenchfall Kryofluid mit einer Bewegungsrichtung parallel zur Erstreckungsrichtung 24 des Halsrohrs 12 in das Halsrohr 12 gelangt. Durch die Verbreiterung des Strahlungsschildes 31 gegenüber der Breite der Öffnung 34 des Halsrohrs 12 wird der Spritzschutz auch auf solches Kryofluid ausgedehnt, dessen Bewegungsrichtung nicht ganz parallel zur Erstreckungsrichtung 24 des Halsrohrs 12 ist.
In der 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems gezeigt, bei der ein Strahlungsschild 41 aus zwei Schildlagen 42 und 43 aufgebaut ist. Die Schildlage 43 liegt mit etwas Abstand über der Schildlage 42; die Schildlagen 42, 43 sind somit ineinander geschachtelt. Die untere Schildlage 42 weist an ihrer Unterseite und auch seitlich Öffnungen 44 auf. Ebenso besitzt die obere Schildlage 43 einige Öffnungen 45. Die Öffnungen 44, 45 liegen jeweils öffnungsfreien Abschnitten der jeweils anderen Schildlage 43, 42 gegenüber, so dass etwaiges, spritzendes flüssiges Kryofluid 3 nicht in gerader Linie in den Refrigeratorraum 4 spritzen kann. Durch die gegeneinander versetzte Anordnung der Öffnungen 44, 45 der beiden Schildlagen 42, 43 kann Kryofluid nur mit Richtungsänderungen, insbesondere durch einen Spalt 46 zwischen den Schildlagen 42, 43 vom Kryofluidtank 2 in den Refrigeratorraum 4 oder umgekehrt gelangen. Auch der direkte Weg für Wärmestrahlung vom Refrigerator 6 zum Kryofluidtank 2 ist blockiert.
Die 5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems mit einem topfförmigen Strahlungsschild 51. Dieser Strahlungsschild 51 weist eine untere Schildfläche 52 auf, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung 24 des Halsrohrs 12 liegt. In ihrem zentralen Bereich bildet die Schildfläche 52 eine öffnungsfreie Spritzschutzfläche 33 aus, die in ihrer Breite und Fläche der Öffnung 34 des Halsrohrs 12 entspricht und in der gedachten Verlängerung 32 des Halsrohrs 12 zum Kryofluidtank 2 hin liegt. In ihrem äußeren, d.h. außerhalb der gedachten Verlängerung 32 liegenden Bereich verfügt die Schildfläche 52 über Öffnungen 53, die ein Abfließen von verflüssigtem Kryofluid aus dem topfförmigen Strahlungsschild 51 in den Kryofluidtank 2 ermöglichen. Aufgrund der Lage der Öffnungen 11, 53 im Strahlungsschild 5 kann keine Wärmestrahlung direkt vom Refrigerator 6 zum flüssigen Kryofluid 3 gelangen. Auch kann spritzendes flüssiges Kryofluid 3 im Halsrohr 12 nicht sehr weit nach oben gelangen.
In der 6 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetsystems dargestellt, die weitestgehend der Ausführungsform von 5 entspricht, und die eine Rohrleitung 61 aufweist, welche im Refrigeratorraum 4 mündet.
Um den Siedepunkt des flüssigen Kryofluids 3 im Kryofluidtank 2 und somit tiefstmögliche Temperatur für das Magnetsystem abzusenken, wird ständig gasförmiges Kryofluid aus dem Kryofluidtank 2 abgesaugt (nicht dargestellt). Das abgesaugte Kryofluid wird dem Kryostaten 1 über die Rohrleitung 61 wieder zugeführt.
Durch einen Einlass 62, der im Außenraum des Kryostaten 1 liegt, wird das gasförmige Kryofluid in die Rohrleitung 61 eingelassen. Die Rohrleitung 61 schlingt sich schraubenförmig um den kühlenden Bereich 9 des Refrigerators 6 herum, so dass das in der Rohrleitung 61 strömende Kryofluid abgekühlt wird. Im Bereich eines Auslasses 63 der Rohrleitung 61 ist das Kryofluid so weit abgekühlt, dass es in verflüssigter Form vorliegt. Der Auslass 63 liegt im Bereich des unteren, kältesten Endes des Refrigerators 6 und oberhalb des Strahlungsschildes 51. Aus dem Auslass 63 tropft somit flüssiges Kryofluid auf den Strahlungsschild 51 herab. Von dort tropft es wiederum durch die Öffnungen 53 an der Unterseite des Strahlungsschildes 51 in den Kryofluidtank 2 hinein.
Bei dieser Ausführungsform ist die Konvektion von gasförmigem Kryofluid zwischen Kryofluidtank 2 und Refrigeratorraum 4 von untergeordneter Bedeutung für die Kühlung des Kryofluids. Die Öffnungen 11, 53 im Strahlungsschild 51 müssen lediglich das Abtropfen von flüssigem Kryofluid gestatten.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Kryostaten für ein supraleitendes Magnetspulensystem, das in einem Kryofluidtank des Kryostaten anordenbar ist. Der Kryostat weist einen Strahlungsschild auf, der zwischen dem Kryofluidtank und einem Refrigeratorraum angeordnet ist. Der Refrigeratorraum beherbergt die Kaltstufen eines Refrigerators. Der Strahlungsschild weist Öffnungen für einen Durchtritt des Kryofluids auf, um eine Kühlung des Kryofluids im Kryofluidtank zu ermöglichen. Der Strahlungsschild behindert aber etwaige, über die Kühlfunktion hinaus gehende Konvektionsströme, die sich insbesondere bei Ausfall des Refrigerators einstellen würden. Vom Refrigerator ausgehende Wärmestrahlung wird bezüglich des Kryofluidtanks durch den Strahlungsschild abgeschattet. Der Strahlungsschild fungiert darüber hinaus auch als Spritzschutz für flüssiges Kryofluid, insbesondere im Quenchfall.

Claims

Supraleitendes Magnetsystem mit einem in einem Kryofluidtank (2) eines Kryostaten (1) angeordneten supraleitenden Magnetspulensystem und einem Refrigerator (6), der zur Kühlung des zur Magnetkühlung dienenden Kryofluids vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) vorgesehen ist, welches einen Refrigeratorraum (4) vom Kryofluidtank (2) abteilt, wobei der kühlende Bereich (9) des Refrigerators (6) vollständig im Refrigeratorraum (4) angeordnet ist, und wobei der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) mit Öffnungen (11; 22; 44, 45; 53) für den Gas- bzw. Fluidaustausch zwischen Refrigeratorraum (4) und Kryofluidtank (2) versehen ist.
Supraleitendes Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) aus poliertem Edelstahl besteht.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) aus beschichtetem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) besteht.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) thermisch an den Refrigerator (6) angekoppelt ist und als Rekondensationsfläche für das Kryofluid fungiert.
Supraleitendes Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Ankopplung über Berührung eines Kupferblocks (25) erfolgt.
Supraleitendes Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Ankopplung über eine flexible Kupferlitze erfolgt.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Position der Öffnungen (11; 22; 44, 45; 53) der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) den Strahlungswinkel des Refrigerators (6) weitgehend einschränkt.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) aus mehreren übereinanderliegenden Schildlagen (42, 43) aufgebaut ist.
Supraleitendes Magnetsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (44, 45) der einzelnen Schildlagen (42, 43) gegeneinander versetzt sind.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (11; 22; 44, 45; 53) im Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) runde oder eckige Form haben.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Durchmesser der Öffnungen (11; 22; 44, 45; 53) im Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) 1 bis 10 mm beträgt.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Refrigeratorraum (4) ein Halsrohr (12) umfasst, und dass die Erstreckungsrichtungen (23) der Öffnungen (11; 22; 44, 45; 53) im Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (24) des Halsrohrs (12) verlaufen.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Refrigeratorraum (4) ein Halsrohr (12) umfasst, und dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) eine öffnungsfreie Spritzschutzfläche (33) aufweist, die flächenmäßig der dem Kryofluidtank (2) zugewandten Öffnung (34) des Halsrohrs (12) entspricht und in einer gedachten Verlängerung (32) des Halsrohrs (12) liegt.
Supraleitendes Magnetsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) eine zur Erstreckungsrichtung (24) des Halsrohrs (12) senkrechte Schildfläche (52) aufweist, die die öffnungsfreie Spritzschutzfläche (33) umfasst, und dass die Schildfläche (52) Öffnungen (53) aufweist, die außerhalb der gedachten Verlängerung (32) des Halsrohrs (12) liegt.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) die Form eines Topfes hat.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (5; 21; 31; 41; 51) eine parabolische Form hat.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrleitung (61) für Kryofluid vorgesehen ist, die im Refrigeratorraum (4) mündet.
Supraleitendes Magnetsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (61) thermisch an den kühlenden Bereich (9) des Refrigerators (6) gekoppelt ist.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kryofluid Helium ist.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Kryofluid Wasserstoff, Neon oder Stickstoff ist.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Refrigerator (6) ein Pulsrohrkühler ist.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Refrigerator (6) ein Gifford-McMahon-Kühler ist.
Supraleitendes Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem eine Magnetresonanzapparatur ist.