DE3308157C2 - Tieftemperatur-Magnetsystem - Google Patents

Abstract

Eine Kühleinrichtung für ein Tieftemperatur-Magnetsystem umfaßt eine supraleitende Magnetspule (32), die einen Probenraum (36) umschließt. Die Magnetspule (32) ist von wenigstens einem Zwischenschild (26, 29) umgeben und wird in einer evakuierten Außenhülle (22) gehalten. Auf der Außenhülle (22) ist ein motorisch angetriebener Refrigerator (11) vorgesehen, der über einen durch die Außenhülle (22) führenden Kühlarm (18) den wenigstens einen Zwischenschild (26, 29) aktiv kühlt. Zur Kompensation von Störfeldern, die vom motorischen Antrieb des Refrigerators (11) ausgehen, ist eine Sensoreinrichtung zum Erfassen dieser magnetischen und/oder mechanischen Störsignale vorgesehen. Das Sensorsignal steuert mindestens eine Spule (62) zum Kompensieren des im Probenraum (36) wirksamen Störfeldes (Fig. 1).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Tieftemperatur-Magnetsystem, bei dem eine einen Probenraum umschließende Magnetspule von wenigstens einem Zwischenschild umgeben in einer evakuierten Außenhülle gehalten ist und ferner ein auf der Außenhülle angeordnetes, motorisch angetriebenes Kühlsystem vorgesehen ist, das über einen durch die Außenhülle führenden Kühlarm den/die Zwischenschild/e kühlt.
• Ein derartiges Tieftemperatur-Magnetsystem ist aus der Zeitschrift "Review of Scientific Instruments", 50, (1979), Seite 1382 bis 1385, bekannt. Dabei ist das Kühlsystem fest mit der Außenhülle verbunden und kühlt über zwei unterschiedlich lange Kühlarme innere Zwischenschilde des Kryostaten.
• Auf verschiedenen Gebieten der Meßtechnik, insbesondere der analytischen Maßtechnik und der medizinischen Meßtechnik, werden homogene Magnetfelder hoher Feldstärke benötigt. Hierzu werden in immer größerem Umfange anstelle der klassischen Elektromagnete supraleitende Magnete eingesetzt. Diese supraleitenden Magnete bestehen im wesentlichen aus einer Magnetspule, die aus supraleitendem Draht gewickelt ist und sich in einem Kryostaten befindet, der die supraleitende Magnetspule auf der Betriebstemperatur von etwa 4 K hält.
• Üblicherweise werden als Magnetspulen Solenoidspulen verwendet, die sich in einem Behälter für flüssiges Helium befinden. Dieser Behälter ist von einem weiteren Behälter umgeben, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Zwischen diesen Behältern und ggf. zwischen dem Stickstoffbehälter und der Außenhülle des Magnetsystems sind sog. Zwischenschilde angeordnet, die auf einer jeweils zwischen den angrenzenden Temperaturen liegenden Temperatur gehalten werden und ebenfalls zur Vorkühlung des Innersten, das flüssige Helium enthaltenden Behälters dienen.
• Die supraleitende Spule wird mit einem Strom beaufschlagt und dann ihr Anfang und Ende kurz geschlossen, so daß der eingespeiste Strom in der supraleitenden Spule praktisch unendlich lange fließen kann, solange die Supraleitung aufrechterhalten wird.
• Die Betriebskosten eines derartigen supraleitenden Magneten werden entscheidend durch den Verbrauch an den erwähnten flüssigen Gasen, nämlich flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium bestimmt. Gelingt es dabei, die Abdampfrate dieser flüssigen Gase niedrig zu halten, können die Betriebskosten eines derartigen supraleitenden Magneten niedrig gehalten werden, so daß - zusätzlich zu den Magnetfeldeigenschaften - auch hinsichtlich der Betriebskosten wesentlich günstigere Verhältnisse als bei klassischen Elektromagneten vorliegen.
• Um die Abdampfrate der flüssigen Gase niedrig zu halten, ist bei dem bekannten supraleitenden Magnetsystem ein Kühlsystem an die Außenhülle angebaut. Dieses Kühlsystem verfügt über einen Kühlarm, der sich durch die Außenhülle des Kryostaten hindurch erstreckt und bis zu einem oder mehreren der Zwischenschilde reicht und diese aktiv kühlt. Der Kühlarm hält dabei die Zwischenschilde auf einer so niedrigen Temperatur, daß die Abdampfverluste der flüssigen Gase einen besonders niedrigen Wert erreichen.
• Bekannte Kühlsysteme weisen einen außerhalb der Außenhülle des Magnetsystems angeordneten Kühlkopf auf, der einen motorischen Antrieb enthält. Dieser motorische Antrieb wird vorzugsweise mit Preßluft angetrieben, die von einem weiter entfernt stehenden Kompressor über eine flexible Leitung geliefert wird. Damit sind zwar die wesentlichen bewegten und Störungen verursachenden Teile weitab von der Magnetspule angeordnet, trotzdem verbleibt im Kühlkopf noch eine Reihe motorisch angetriebener Elemente, die zu Störungen führen können. Der oder die im Kühlkopf angeordneten beweglichen Kolben wirken sich nämlich direkt auf das Magnetfeld aus, sei es dadurch, daß sie das supraleitende Magnetsystem in Vibration versetzen, sei es, daß durch die Bewegung der metallischen Kolben Störfelder induziert werden.
• Supraleitende Magnetsysteme der beschriebenen Art werden vorzugsweise zur Messung von magnetischen Resonanzen, beispielsweise der magnetischen Kernresonanz, verwendet. Bei hochauflösenden Messungen, die ein besonders homogenes Magnetfeld erfordern, wirken sich Störungen der genannten Art besonders aus, weil der motorische Antrieb bei verhältnismäßig tiefen Frequenzen arbeitet und die hierdurch verursachten Störungen durch die üblichen Stabilisierungsmaßnahmen nicht ausgeglichen werden können. Dies gilt auch dann, wenn das Magnetfeld mit Hilfe einer Referenzlinie im Kernresonanz- Spektrum geregelt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, bei der die durch das Kühlsystem verursachten dynamischen Störungen vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der vom motorischen Antrieb des Kühlsystems ausgehenden, dynamischen magnetischen und/ oder mechanischen Störsignale vorgesehen ist, die mindestens eine Kompensationsspule zum Kompensieren des im Probenraum durch die Störsignale bewirkten magnetischen Störfeldes steuert.
• Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung hat damit den besonderen Vorteil, daß sie den Einsatz von aktiv gekühlten Zwischenschilden selbst bei hochauflösenden Kernresonanz-Messungen erlaubt.
• Zwar ist aus der Zeitschrift "Cryogenics", (1976) Seiten 521 bis 531, eine Anordnung zum Kühlen von flüssigen Helium-3 bekannt, bei der im Inneren der Tieftemperatureinheit zwei Kompensationsspulen vorgesehen sind; dem Aufsatz ist jedoch weder zu entnehmen, nach welchen Gesichtspunkten diese Kompensationsspulen mit Strom versorgt werden, noch welche physikalische Größe kompensiert werden soll. Insbesondere enthält der Aufsatz keinen Hinweis auf eine Sensoreinrichtung zum Erfassen irgendwelcher dynamischer Störungen.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
• Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Hälfte eines Tieftemperatur-Magnetsystems und
• Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes aus Fig. 1.
• In Fig. 1 bezeichnet 10 ein supraleitendes Magnetsystem, das über ein Kühlsystem 11 zum Kühlen von innenliegenden Zwischenschilden verfügt. Das Kühlsystem 11 wird von einem räumlich getrennten Kompressor 12 über eine flexible Druckleitung 13 mit beispielsweise Hochdruckgas versorgt. Das Kühlsystem 11 ist als Aufsatz ausgebildet, der aus einem Kühlkopf 14 sowie einem daran angeformten ersten Flansch 15 besteht. Der erste Flansch 15 liegt abgedichtet durch eine O-Ring-Dichtung auf einem zweiten Flansch 16 auf, der in einen Hals 21 übergeht, der einen vom Kühlkopf 14 sich erstreckenden Kühlarm 18 umschließt. Der Hals 21 ist an einer Außenhülle 22 des supraleitenden Magnetsystems 10 angeformt.
• Die Außenhülle 22 geht an den Endabschnitten des supraleitenden Magnetsystems 10 in Deckenteile über, in denen sich auch eine Probenöffnung 24 in der Achse 25 des Magnetsystems 10 befindet. Die Fig. 1 zeigt nur eine Hälfte des im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Magnetsystems 10.
• Die Außenhülle 22 umgibt zunächst einen ersten Zwischenschild 26, der in unmittelbarem mechanischen und damit wärmeleitenden Kontakt zu einem Behälter 27 steht, der flüssigen Stickstoff 28 enthält. Der erste Zwischenschild 26 umgibt einen zweiten Zwischenschild 29. Der zweite Zwischenschild 29 umgibt wiederum einen Behälter 30 für flüssiges Helium 31. Im Behälter 30 bzw. im flüssigen Helium 31 befindet sich eine Magnetspule 32, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Solenoidspule. Die Zwischenräume 33 zwischen der Außenhülle 22, dem ersten Zwischenschild 26, dem zweiten Zwischenschild 29 sowie dem Behälter 30 sind dabei evakuiert.
• Es versteht sich, daß in der Darstellung in Fig. 1 die aus dem Stand der Technik bekannten Befestigungsmittel und Isolationsfolien (Superisolation) für die einzelnen Behälter des Magnetsystems 10 nicht dargestellt sind.
• Im Inneren der Probenöffnung 24 ist mit 36 ein Probenraum bezeichnet, in den die mit dem Magnetsystem 10 auszumessende Probe gebracht wird, beispielsweise eine Probe, an der hochauflösende Kernresonanz(NMR)-Messungen durchgeführt werden sollen.
• Um den Wärmeübergang zwischen dem Kühlarm 18 und dem von diesem zu kühlenden ersten Zwischenschild 26 bzw. zweiten Zwischenschild 29 herzustellen, sind an den Schilden 26, 29 Kopplungsteile 34, 35 vorgesehen.
• Betrachtet man nun die vergrößerte Darstellung des Kühlsystems 11 mit den zugehörigen Teilen des Magnetsystems 10 in Fig. 2, so erkennt man, daß der Kühlarm 18 an seinem der Magnetspule 30 zugewandten Ende von einem Abschnitt 38 in einen dazu konzentrischen Endabschnitt 39 mit gegenüber dem Abschnitt 38 vermindertem Querschnitt übergeht.
• Der Abschnitt 38 ist in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kopplungsteil 34 und der Endabschnitt 39 in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kopplungsteil 35. Hierzu sind die Kopplungsteile 34 bzw. 35 als zylinderartige Vorsprünge 37 der Schilde 26 bzw. 29 ausgebildet, durch die zentrale Bohrungen führen. Der Außendurchmesser 44 bzw. 46 von Abschnitt 38 bzw. Endabschnitt 39 sowie die Innendurchmesser 45 bzw. 47 der genannten Vorsprünge 37 sind dabei so bemessen, daß sich eine gute mechanische Passung und damit ein guter Wärmeübergang zwischen den genannten Teilen ergibt. Der Abschnitt 38 wird dann vom Kühlkopf 14 auf die Temperatur gebracht, die der erste Zwischenschild 26 annehmen soll, beispielsweise 80 bis 100 K, während der Endabschnitt 39 auf die Temperatur abgekühlt wird, die der zweite Zwischenschild 29 annehmen soll, beispielsweise 20 bis 50 K.
• Um das Einführen von Abschnitt 38 bzw. Endabschnitt 39 in die Kopplungsteile 34 bzw. 35 zu erleichtern, sind die jeweiligen Stirnflächen mit Fasen 48 bzw. 50 versehen, ebenso wie die nach außen weisenden Stirnflächen der Vorsprünge 37 mit Fasen 49 bzw. 51 versehen sind.
• Es versteht sich dabei, daß die dabei verwendeten Materialien, insbesondere für die Kopplungsteile 34, 35 so gewählt sind, daß sie bei tiefen Temperaturen eine besonders gute Wärmeleitung aufweisen.
• Im Kühlkopf 14 befindet sich ein motorischer Antrieb, wie er durch einen beweglichen Kolben 60 in Fig. 2 angedeutet ist. Neben dem Kolben 60 befinden sich selbstverständlich noch weitere bewegliche Teile im Kühlkopf 14, beispielsweise Pleuel, Achsen u. dgl.. Diese mechanisch bewegten Teile des motorischen Antriebes wirken sich in zweierlei Hinsicht störend auf den Betrieb des Magnetsystems 10 aus. Zum einen induzieren bewegte metallische Teile unmittelbar ein magnetisches Feld, zum anderen wirkt sich die Bewegung der massebehafteten Teile als Vibration auf das Magnetsystem 10 aus. Dies ist in dem hier vorliegenden Falle besonders kritisch, weil sich unmittelbar vom Kühlkopf 14 hinweg der Kühlarm 18 erstreckt, der eine feste mechanische Kopplung über den Abschnitt 38 mit dem Kopplungsteil 34 bzw. den Endabschnitt 39 mit dem Kopplungsteil 35 zu den Zwischenschilden 26, 29 in unmittelbarer Nähe der Magnetspule besitzt. Im Bereich des Kühlkopfes 14 entstehende Vibrationen pflanzen sich damit unmittelbar in die direkte Nähe der Magnetspule 32 fort.
• Zur Kompensation dieser Störungen ist eine Kompensationsspule 61 in der Probenöffnung 24 vorgesehen, die den Probenraum 36 umschließt. Das Speisesignal für die Kompensationsspule 61 wird von einer Detektorspule 62 abgeleitet, die in dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel eine Solenoidspule ist, die den Hals 21 umgibt. Das Ausgangssignal der Detektorspule 62 wird über eine Leitung 63 einem elektronischen Steuergerät 64 zugeführt, das über eine Leitung 65 die Spule 61 speist. Beispielsweise kann das elektronische Steuergerät 64 das Signal der Detektorspule 62 verstärken oder mit einem vorbestimmten Faktor abschwächen, d. h. insgesamt gewichten, wenn eine derartige lineare Beziehung von gemessenem Signal zu Korrektursignal ausreicht. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, im Falle einer nichtlinearen Abhängigkeit im Steuergerät 64 eine Kennlinie oder ein Kennfeld vorzusehen, je nachdem, ob ein oder mehrere bestimmende Einflußfaktoren berücksichtigt werden. Bei Verwendung eines Kennfeldes können auch weitere Parameter dem Steuergerät 64 zugeführt werden, beispielsweise die eingestellte Grundfeldstärke, eingestrahlte Modulationsfrequenzen, eine Probentemperatur o. dgl.
• In jedem Falle wird das von der Detektorspule 62 erfaßte Signal entsprechend einer vorgegebenen Beziehung in ein Korrektursignal umgesetzt und mit diesem Korrektursignal die Kompensationsspule 61 beaufschlagt.
• Während die vorstehend beschriebene Anordnung über die Detektorspule 62 die Störung durch das Kühlsystem 11 an der Stelle erfaßt, an der sie erzeugt wird, kann diese Störung natürlich auch an jedem anderen geeigneten Ort erfaßt werden, insbesondere am Probenort 36.
• Ebenso kann die Korrektur des Störfeldes nicht nur, wie in Fig. 1 dargestellt, am Probenort 36 über die Kompensationsspule 61 erfolgen, es ist vielmehr auch vorgesehen, die Störung an der Stelle zu kompensieren, an der sie erzeugt wird. Hierzu ist koaxial um die Detektorspule 62 eine weitere Kompensationsspule 66 angeordnet, die vom elektronischen Steuergerät 64 über eine Leitung 65 a angesteuert wird. Für das der Spule 66 zugeführte Signal gelten dieselben Überlegungen, wie sie weiter oben zur Spule 61 angestellt wurden. Das heißt, daß die Spule 66 in Abhängigkeit von einem vom Steuergerät 64 gebildeten Korrektursignal angesteuert wird, das aus dem von irgendeiner Detektorspule, beispielsweise der Detektorspule 62, abgegebenen Signal abgeleitet wird.
• Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der eine Grobkompensation über die Leitung 65 a und die Spule 66 im Bereich des Kühlsystems 11 vorgenommen wird und nachfolgend in einem zweiten Schritt eine Feinkompensation über die Spule 61 im Bereich des Probenortes 36 erfolgt.
• Da die vom Kühlsystem 11 ausgehenden Störungen sich nicht nur in einer einzigen Richtung ausbreiten, sondern vielmehr einen beliebigen Störfeldverlauf aufweisen, ist vorgesehen, die an einem oder mehreren Orten angeordneten Detektor- und/oder Kompensationsspulen jeweils mehrfach vorzusehen, wobei die Einzelspulen der dann entstehenden Anordnungen in definierten Gradientenrichtungen wirksam sind. Diese mehrfachen Spulenanordnungen sind an sich bekannt und werden üblicherweise als " Shimspulen" bezeichnet, wobei jede einzelne bzw. jedes Paar derartiger Shimspulen zur Kompensation eines der bekannten Magnetfeldgradienten vorgesehen ist.

Claims (11)

1. Tieftemperatur-Magnetsystem, bei dem eine einen Probenraum (36) umschließende Magnetspule (32) von wenigstens einem Zwischenschild (26, 29) umgeben in einer evakuierten Außenhülle (22) gehalten ist und ferner ein auf der Außenhülle (22) angeordnetes, motorisch angetriebenes Kühlsystem vorgesehen ist, das über einen durch die Außenhülle (22) führenden Kühlarm (18) den/die Zwischenschild/e (26, 29) kühlt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der vom motorischen Antrieb des Kühlsystems ausgehenden, dynamischen magnetischen und/oder mechanischen Störsignale vorgesehen ist, die mindestens eine Kompensationsspule (61, 66) zum Kompensieren des im Probenraum (36) durch die Störsignale bewirkten magnetischen Störfeldes steuert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung eine oder mehrere Detektorspulen (62) als Sensoren umfaßt.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, in unterschiedlicher Richtung ausgerichtete Detektorspulen (62) und mehrere, in unterschiedlicher Richtung ausgerichtete Kompensationsspulen (61, 66) vorgesehen sind.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kompensationsspule (61) den Probenraum (36) umgibt.

5. System nach Anspruch 2, bei der das Kühlsystem über eine Flanschverbindung (15, 16) mit der Außenhülle (22) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß an die Außenhülle (22) ein in einen Flansch (16) übergehender Hals (21) angeformt ist und daß die Detektorspule (62) eine den Hals (21) axial umfassende Solenoidspule ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung Beschleunigungs- oder Vibrationsaufnehmer als Sensoren umfaßt.

7. System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Sensoren den Kompensationsspulen (61, 66) über ein in der Sensoreinrichtung enthaltenes elektronisches Steuergerät (64) zugeführt werden.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (64) die Ausgangssignale der Sensoren wichtet.

9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (64) die Ausgangssignale der Sensoren entsprechend einer Kennlinie oder einem Kennfeld umsetzt.

10. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kompensations- (66) und zugehörige Solenoidspule koaxial zueinander angeordnet sind.

11. System nach Anspruch 4, 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (64) zunächst die den Probenraum (36) umgebende Kompensationsspule (61) und alsdann die zur Solenoidspule koaxiale Kompensationsspule (66) ansteuert.