KR100843389B1

KR100843389B1 - Undercooled horizontal cryostat configuration

Info

Publication number: KR100843389B1
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: 2008-07-03
Also published as: KR20070006590A; EP1742234B1; DE502005005693D1; EP1742234A1; US20100236260A1

Abstract

헬륨 탱크(1)에 배치된 자석 코일 시스템(2), 및 자석 코일 시스템(2)의 중앙에 위치하는 체적에 제공되는 수평 실온 보어(3)로 구성되는 저온유지장치로서, 헬륨 탱크(1)는 3.5 K 미만의, 특히 대략 2K의 온도에서 과냉각된(undercooled) 액체 헬륨을 함유하며, 상기 저온유지장치는 헬륨을 채우고 증발시키기 위해 상부면에 적어도 하나의 수직 타워 구조(4)로 구성되며, 상기 타워 구조(4)는 열 차단벽(7)에 의해 헬륨 탱크(1)로부터 분리된 4.2K의 액체 헬륨을 지닌 용기(5)를 포함하고, 상기 헬륨 탱크(1)는 과냉각 유닛(9)을 포함함을 특징으로 한다. 이는 과냉각된 고자기장 자석 코일로 연속적이고 안정되며 장기간 작업을 달성하는 컴팩트한 저온유지장치를 얻는다.A low temperature holding device comprising a magnetic coil system (2) disposed in a helium tank (1), and a horizontal room temperature bore (3) provided in a volume located in the center of the magnetic coil system (2), the helium tank (1) Contains liquid helium undercooled at a temperature of less than 3.5 K, in particular approximately 2 K, the cryostat consisting of at least one vertical tower structure 4 on the top surface for filling and evaporating helium, The tower structure 4 comprises a container 5 with liquid helium of 4.2 K separated from the helium tank 1 by a heat shield wall 7, the helium tank 1 having a supercooling unit 9. Characterized in that it comprises a. This results in a compact, low temperature holding device that is continuous, stable and achieves long term operation with a supercooled high magnetic field magnetic coil.

저온유지장치, 헬륨 탱크, 보어, 자석 코일, 열 차단벽, 과냉각, 액체 헬륨 Cryostat, helium tank, bore, magnetic coil, thermal barrier, supercooling, liquid helium

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: 복사 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 복사 차폐19: metal radiation shielding

본 발명은 헬륨 탱크에 배치된 자석 코일 시스템과, 자석 코일 시스템의 중앙에 위치한 체적(volume)에 제공되는 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 provided in a volume located in 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 헬륨 탱크 안에 위치한 헬륨을 과냉각시키기 위해서 그로부터 직접 펌핑된다. 결과적으로 헬륨 탱크내 압력 감소가 헬륨을 냉각시킨다. 펌핑된 헬륨의 재충전은 부압(underpressure)에서 헬륨을 헬륨 탱크로 직접 채워지도록 하는 2부(two-part) 헬륨 유입 밸브를 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 it to supercool helium located in the helium tank. As a result, the pressure reduction in the helium tank cools the helium. Refilling of pumped helium is accomplished by using a two-part helium inlet valve that allows the helium to be filled directly 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 탱크를 직접 펌핑하는 한가지 단점은 헬륨 탱크가 대략 30 mbar의 부압에서 영구적으로 작동한다는 것이다. 이러한 영구적 부압은 수년간 연속 작동하도록 의도된 시스템에 상당한 위험이 된다. 공기가 가장 작은 틈을 통해서도 시스템으로 들어가서 헬륨 탱크에 얼음을 형성할 수 있다(물 얼음, N₂얼음, CO₂얼음, 등). 얼음은 코일에 침적하여 그 냉각작용을 저해함으로써 급랭을 야기할 수 있다.One disadvantage of pumping helium tanks directly is that helium tanks operate permanently at a negative pressure of approximately 30 mbar. This permanent negative pressure presents a significant risk for systems intended to operate continuously for many years. Even the smallest air gaps can enter the system and form ice in the helium tank (water ice, N ₂ ice, CO ₂ ice, etc.). Ice can cause quenching by depositing in the coil and inhibiting its cooling.

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

추가 단점은 전류가 자석의 충전 및 방전을 위해 외부로부터 부압 영역으로 공급되어야 한다는 것이다. 이는 심각한 결과를 갖는 작동 오류를 또다시 쉽게 야기할 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 errors with serious consequences.

이러한 단점들을 제거한 배열이 과냉각된 헬륨을 지닌 수직 자석에 대한 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 접해 있고 열 차단벽에 의해 분리되어 있다. 이러한 시스템에서, 상부 헬륨 탱크는 4.2 K에서 정상 압력에 있다. 이는 수직 자석의 상기 기술된 바와 같은 단점을 제거한다. 자석 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 which 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 thermal barriers. In this system, the upper helium tank is at normal pressure at 4.2 K. 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 있도록 고자기장을 발생시킬 수 있는 자석 코일 시스템을 포함하는 수평 저온유지장치를 제공하는 것이다.The main object of the present invention is a magnetic coil system which eliminates the above-mentioned disadvantages, has a compact structure and is capable of generating a high magnetic field to achieve continuous, stable and long term operation with a supercooled high magnetic field magnetic coil. It is to provide a horizontal low temperature holding device.

이러한 목적은 열 차단벽에 의해 헬륨 탱크로부터 분리된 4.2 K의 액체 헬륨을 지닌 용기를 타워 구조가 보유하고 과냉각 유닛이 헬륨 탱크 내에 제공되는 본 발명에 의해 달성된다.This object is achieved by the present invention in which the tower structure holds a vessel with 4.2 K liquid helium separated from the helium tank by a heat barrier wall and a subcooling unit is provided in the helium tank.

타워 구조 내에 배치된 용기는 필요시 헬륨 탱크로 인도될 수 있는 4.2 K 온도의 액체 헬륨을 함유한다. 종래 기술과 대조적으로, 헬륨 기체는 헬륨 탱크에 부압을 생성하기 위하여 헬륨 배쓰 위로 직접 펌핑되지 않으며, 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 in 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 K 온도의 액체 헬륨은 타워 구조의 용기내에 놓인다. 극저온 액체의 전이는 헬륨 탱크와 타워 내 용기 사이의 열 차단벽에 의해 기본적으로 가능하지만, 이로써 과냉각된 헬륨과 용기내 헬륨 사이의 열교환은 과냉각된 헬륨 손실과 마찬가지로 최소화된다.Liquid helium at a temperature of about 4.2 K is placed in a tower structure vessel. The transition of cryogenic liquids is basically possible by the heat barrier between the helium tank and the vessel in the tower, but the heat exchange between the supercooled helium and the helium in the vessel is minimized as well as the supercooled helium loss.

이러한 구조는 상기 기술된 헬륨 배쓰의 직접 펌핑의 문제점을 완전히 제거한다. 이는 타워 영역에 용기를 통합함으로써 가능하게 된 것이며, 이제까지 수직 자석용 저온유지장치에서 독점적으로 가능하였던 모든 이점들이 수평 자석에 대해서도 이제 활용될 수 있게 된 것이다.This structure completely eliminates the problem of direct pumping of the helium bath described above. This is made possible by integrating the vessel in the tower area, and all the advantages that have been possible exclusively in cryostats for vertical magnets are now available for horizontal magnets.

본 발명의 저온유지장치의 바람직한 한 실시예에서, 적어도 두 개의 복사 차폐가 헬륨 탱크와 실온 영역 사이에 제공된다. 그러면 저온유지장치는 고성능 저온유지장치로서 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 효율의 시스템을 제공하기 위하여, 타워 구조는 유리하게 적어도 하나의 추가 타워가 상부에 배치되는 돔형으로 형성되는데, 여기에서 저온유지장치로부터 증발하는 헬륨은 그 엔탈피를 저온유지장치에 제공된 복사 차폐로 방출한다.In order to provide a system of maximum efficiency, the tower structure is advantageously formed in a dome shape with at least one additional tower disposed thereon, where helium evaporates from the cryostats to the enthalpy of the radiation shield provided in the cryostats. Release.

적어도 두 개, 바람직하게 세 개의 고리형으로 배치된 추가 타워에는 펌핑된 헬륨을 타워로 균일하게 분포시키기 위해 소정의 흐름 횡단면의 조절판(throttle)이 특히 제공된다.Further towers arranged in at least two, preferably three annular, are in particular provided with throttles of the desired flow cross section for uniform distribution of the pumped helium into the tower.

추가 타워를 통한 증발 헬륨의 유동속도를 측정하기 위한 흐름 탐지기, 및 바람직하게 추가 타워를 통한 증발 헬륨의 유동속도를 자동으로 제어하는 흐름 장치가 또한 제공될 수 있다.A flow detector for measuring the flow rate of evaporated helium through the further tower, and preferably a flow device for automatically controlling the flow rate of evaporated helium through the further tower, may also be provided.

본 발명의 저온유지장치의 특히 유리한 한 실시예에서, 속인 빈 관 모양을 갖는 고리형 열교환기가 추가 타워에 놓이고, 이를 통해 저온유지장치로부터 증발하거나 펌핑되는 헬륨이 외부로 안내되며, 그 바깥면에 복사 차폐가 열전도 방식으로 커플링된다. 이로써 차폐 시스템이 고리형 열 교환기 및 펌핑된 헬륨으로 인하여 특정 효율로 냉각되기 때문에 저온유지장치 내로의 열 유입은 최소화된다.In one particularly advantageous embodiment of the cryostat of the present invention, an annular heat exchanger with a hollow hollow tube is placed in an additional tower, through which helium evaporated or pumped from the cryostat is directed to the outside, The radiation shield is coupled in a thermally conductive manner. This minimizes heat entry 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 냉각기(pulse tube cooler)가 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. 감소된 손실로 인하여 요구되는 헬륨 공급이 더 적기 때문에 용기는 상응하게 작을 수 있다.In one particularly preferred embodiment of the invention, a refrigerator, in particular a pulse tube cooler, is projected 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 of the reduced helium supply required due to the reduced losses.

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

또 다른 이점은 과냉각 유닛으로부터 펌핑된 헬륨이 복사 차폐들 중 적어도 하나를 냉각시킨다는 것이다.Another 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 연결되는데, 저장고는 대기압에 비해 약간 고압력(overpressure)을 갖는다. 냉장고는 저장고로부터 헬륨을 흡입할 수 있고 용기에서 다시 액화되어 그 위치로부터 헬륨 탱크로 더 안내되어 과냉각될 수 있다. 대기압에 비해 저장고의 약간의 고압력은 불순물이 용기로 유입되는 것을 막는다.In particular advantageously, the vessel is further connected to an external reservoir with gaseous helium, which has a slight overpressure compared to atmospheric pressure. The refrigerator can suck helium out of the reservoir and can be liquefied again in the container and further guided from that location to the helium tank for supercooling. Slight 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 냉장고에 연결되어 저장고의 기체의 적어도 일부는 냉장고에 의해 직접 재액화된다. 저장고는 또한 용기의 윗부분과 연결될 수도 있다.In one advantageous embodiment, the external reservoir is connected to a refrigerator such that at least a portion of the gas in the reservoir is directly liquefied by the refrigerator. The reservoir may also be connected to the top of the container.

외부 저장고는 냉장고에만 독점적으로 연결될 수도 있다. 저장고는 용기에만 독점적으로 연결될 수도 있다.The external store may be connected exclusively to the refrigerator. The reservoir may be connected exclusively 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 용기내 헬륨으로부터 헬륨 탱크내 과냉각된 헬륨으로의 열 전달을 대체로 막기 위하여 불량한 열 전도 특성을 갖는 재질로 유리하게 만들어진다.The barrier wall separating the vessel from the helium tank is advantageously made of a material having poor thermal conduction properties to largely prevent heat transfer from helium in the vessel to supercooled helium in 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 가열되고 팽창된다. 이런 이유 때문에, 헬륨 탱크와 용기 사이에 일정한 압력 차이가 초과되었을 때 차단벽에 증가된 압력 보상 횡단면을 개방하는 압력 제어 밸브가 차단벽에 제공되고, 최대 용기 압력이 초과되었을 때 헬륨 탱크와 접하지 않는 용기의 적어도 하나의 벽은 넓은 횡단면을 저온유지장치의 바깥으로 개방하는 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 so that helium in the helium tank is heated and expanded rapidly. For this reason, a pressure control valve is provided in the barrier wall to open the increased pressure compensation cross section in the barrier wall when a constant pressure difference between the helium tank and the vessel is exceeded, and it does not contact the helium tank when the maximum vessel pressure is exceeded. At least one wall of the 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 배향된 열교환 표면을 갖는 바람직하게 원뿔형인 마개로 구성되고, 마찬가지로 바람직하게 원뿔형인 차단벽내 자리로 삽입되어, 헬륨 탱크 쪽으로 좁아진다. 정상 작동하는 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 oriented into the vessel and the helium tank, and is likewise inserted into a seat in the preferably conical barrier wall and narrowed towards the helium tank. 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 일치하지 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 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 서로 다른 평면에 배치된다. 이 경우, 코일의 세로축은 용기의 세로축과 일치하지 않는다. 이는 다양한 용기의 원통형 구조를 유지하면서 자석 코일에 대하여 더 큰 헬륨 공급 체적을 제공한다. 용기는 물론 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 a larger helium supply volume for the magnet coil while maintaining the cylindrical structure of the various vessels. The container need not, of course, 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)는 자석 코일 시스템(2)이 수평 실온 보어(3) 주위로 배치된 헬륨 탱크(1) 위에 제공된다. 용기(5)(도 3)에는 냉장고(6), 바람직하게는 최대 냉각 단(10)이 용기(5)내 헬륨을 액화시키는 다단계 펄스 관 냉각기가 제공된다. 타워 구조(4)의 용기(5)는 이리하여 대략 4.2 K 온도의 미리 냉각된 액체 헬륨을 함유한다. 용기(5) 내로 열이 유입되는 경우, 증발되는 헬륨은 냉장고(6)를 사용하여 재액화되어 용기(5)로부터 헬륨이 증발되는 것은 크게 방지된다. 따라서, 전통적인 장치와 대조적으로, 액체 헬륨의 대량 공급이 필요하지 않으며 용기(5)는 상대적으로 작을 수 있다.The accompanying drawings show different embodiments of the cryostat of the present invention. The tower structure 4 with the helium container 5 is provided above the helium tank 1 in which the magnetic coil system 2 is arranged around the horizontal room temperature bore 3. The vessel 5 (FIG. 3) is provided with a refrigerator 6, preferably a multi-stage pulse tube cooler in which the maximum cooling stage 10 liquefies helium in the vessel 5. The vessel 5 of the tower structure 4 thus contains precooled liquid helium at a temperature of approximately 4.2 K. When heat is introduced into the vessel 5, the evaporated helium is re-liquefied using the refrigerator 6 so that the helium evaporates from the vessel 5 is greatly prevented. Thus, in contrast to traditional devices, no bulk supply of liquid helium is needed and the container 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 허용하도록 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 대체로 중앙의 세로축과 서로 다른 용기 및 차폐의 중앙 세로축도 또한 일치하지 않지만, 방사상으로 상쇄된다.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 to allow 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 magnetic coil generally differs from the central longitudinal axis of the different vessels and shields, but also cancels radially.

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 별도의 냉각수를 지닌 폐쇄 냉각 사이클의 형태로 구현될 수 있거나, 또는 헬륨을 펌핑하여 헬륨 탱크(1) 또는 용기로부터 과냉각을 위해 팽창되도록 할 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 may be embodied in the form of a closed cooling cycle with a separate cooling water, or may be pumped for 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 연결되면, 헬륨 기체는 저장고와 용기(5) 사이의 압력 차이로 인하여 저장고로부터 용기(5)로 흡입되고, 이는 다시 냉장고(6)에 의해 액화된다. 이는 헬륨 손실을 최소화하고 시스템이 오염되지 않도록 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, which in turn is liquefied by the refrigerator 6. This results in closed cooling water circulation which minimizes helium losses and prevents the system from being contaminated.

과냉각 유닛(9)이 저장고로부터 용기(5)로 이송되는 것보다 더 많은 헬륨을 저장고로 펌핑한다면, 저장고에 과중압력(overpressure)이 형성될 수 있다. 이런 이유 때문에, 저장고에는 유리하게 압력 제어 밸브가 제공된다. 반면에, 냉장고(6)의 과다 냉각 작동은 저장고내 압력 하락을 야기할 수 있다. 이는 용기(5)에 배치된 가열요소를 사용하여 용기(5) 내 헬륨을 가열하거나 또는 냉장고(6)의 작동을 억제함으로써 반대로 제어할 수 있다.If the subcooling unit 9 pumps more helium into the reservoir than is transferred from the reservoir to the vessel 5, an overpressure may be created in the reservoir. For this reason, the reservoir is advantageously provided with a pressure control valve. On the other hand, excessive cooling operation of the refrigerator 6 can cause a pressure drop in the storage. This can be reversed by heating the helium in the container 5 using a heating element arranged in the container 5 or by inhibiting the operation of the refrigerator 6.

헬륨 탱크(1)에 입사하는 복사 에너지를 감소시키기 위해서, 도 1 및 도 2의 본 발명의 저온유지장치 실시예는 헬륨 탱크(1)와 외부 셀(11) 사이에 복사 차폐(12a, 12b, 12c)를 갖는데, 복사 차폐(12b 및 12c)는 과냉각 유닛(9)에 의해 펌핑된 헬륨에 의해 냉각될 수 있다. 이를 위해 속이 빈 관 형태의 고리형 열 교환기(15)를 포함하는 추가 타워(14)가 타워 구조의 상부에 제공되며, 이 고리형 열 교환기(15)를 통해 용기(5)로부터 증발하고 과냉각 유닛(9)에 의해 펌핑된 헬륨은 외부로 안내되며, 그 바깥면으로 복사 차폐(12b, 12c)가 열전도 방식으로 결합된다. 그러나 또한, 복사 차폐(12b, 12c) 중 적어도 하나가 냉장고(6)의 일차 냉각 단(13)과 접촉하는 것도 가능하다.In order to reduce the radiant energy incident on the helium tank 1, the cryostat embodiment of the present invention of FIGS. 1 and 2 has a radiation shield 12a, 12b, between the helium tank 1 and the outer cell 11; 12c), the radiation shields 12b and 12c can be cooled by helium pumped by the subcooling unit 9. For this purpose an additional tower 14 is provided on top of the tower structure, which comprises an annular heat exchanger 15 in the form of a hollow tube, which evaporates from the vessel 5 via this annular heat exchanger 15 and is a subcooling unit. Helium pumped by (9) is guided to the outside, to which the radiation shields 12b, 12c are coupled in a thermally conductive manner. However, it is also possible for at least one of the radiation shields 12b, 12c to contact the primary cooling stage 13 of the refrigerator 6.

가장 바깥의 복사 차폐(12c)는 열 복사에 대한 차폐를 위해 질소 탱크(16)로서 설계된다(도 1 및 도 2). 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 thermal 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 열전도 특성을 갖는 재질로 된 두 개의 플레이트(17)로 구성된다. 플레이트(17) 사이의 공간은 용기(5)로부터 헬륨 탱크(1)로의 열 전달을 주로 막기 위하여 비워진다. 열 차단벽(7)은 급랭의 경우 열 차단벽(7)에 증가된 압력 보상 횡단면을 개방하는 원뿔형 마개(18) 형태의 압력 제어 밸브를 포함하므로, 팽창한 헬륨은 헬륨 탱크(1)로부터 빠져나갈 수 있다.The heat shield wall 7 separating the vessel 5 from the helium tank 1 consists of two plates 17 of a material having poor thermal conductivity properties. The space between the plates 17 is emptied mainly to prevent heat transfer from the vessel 5 to the helium tank 1. The heat barrier wall 7 comprises a pressure control valve in the form of a conical stopper 18 which opens the increased pressure compensation cross section to the heat barrier wall 7 in the case of quenching, so that 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. 다른 배열들도 또한 실현가능하다. 열 차단벽(7)은 예컨대 더 큰 외부 방사상 거리에 배치되어 헬륨 탱크(1)가 타워 구조(4)로 돌출되도록 할 수 있다. 그러면 헬륨 탱크(1)의 체적은 도 1의 것과 비교하여 증가된다. 그러나 열 차단벽을 타워 구조(4) 내부에 방사상으로 제공하여 용기(5)가 타워 구조(4) 내에 오직 부분적으로만 위치하도록 하는 것이 유리할 수도 있다. 저온유지장치의 치수를 최소화하기 위하여 자석 코일 시스템(2)은 유리하게 외부 셀(11) 및 저온유지장치의 복사 차폐(12a, 12b, 12c)에 대하여 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 may for example be arranged at a greater outer radial distance such that the helium tank 1 protrudes into the tower structure 4. The volume of the helium tank 1 is then increased in comparison with that of FIG. However, it may be advantageous to provide a thermal barrier wall radially inside the tower structure 4 such that the container 5 is only partially located within the tower structure 4. To minimize the dimensions of the cryostat, the magnet coil system 2 is advantageously asymmetrical with respect to the outer cell 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 단이 질소 탱크로서가 아니라 금속 복사 차폐(19)로서만 설계된 가장 바깥의 복사 차폐를 냉각시키는 추가의 펄스 관 냉각기로 구성된다.The cryostat of FIG. 3 consists of an additional pulsed tube cooler that cools the outermost radiation shield whose primary stage is designed only as a metal radiation shield 19, 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 low temperature holding device comprising a magnetic coil system 2 disposed in a helium tank 1, and a horizontal room temperature bore 3 provided in a volume located in the center of the magnetic coil system 2, wherein the helium tank 1 ) Contains an undercooled liquid helium at a temperature below 3.5 K, the cryostat comprising one or more vertical tower structures 4 on the top surface for filling and evaporating helium, the tower structures 4 Is characterized in that it comprises a container (5) having a liquid helium of 4.2K separated from the helium tank (1) by a heat shield wall (7), which helium tank (1) comprises a subcooling unit (9). Low temperature holding device.

2. The cryostat according to claim 1, wherein at least two radiation shields (12a, 12b, 12c) are provided between the helium tank (1) and the room temperature bore (3).

3. The radiation shield according to claim 2, wherein the tower structure (4) is designed in a dome shape and has one or more additional towers (14) on its top surface, wherein helium evaporating from the cryostat provides enthalpy to the cryostat. Low temperature holding apparatus characterized by releasing to (12b, 12c).

4. A throttle according to claim 3, characterized in that it provides a throttle with a predetermined flow cross section for uniformly distributing two or more annularly arranged additional towers 14 and pumped helium to the additional towers 14. Low temperature holding device.

5. A flow device 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 additional tower 14. A cryostat, characterized in that provided.

6. A ring-shaped heat exchanger (15) in the form of a hollow tube is provided to the additional tower (14), so that the cryostat is passed through the heat exchanger (15). The helium evaporated or pumped out is guided to the outside, and the radiation shield (12b, 12c) is coupled to the outer surface of the heat exchanger (15) in a thermally conductive manner.

6. The cryostat according to claim 1, wherein the refrigerator (6) protrudes into the container (5) for re-liquefying helium.

8. A shield according to claim 7, wherein at least two radiation shields (12a, 12b, 12c) are provided between the helium tank (1) and the room temperature bore (3), and the refrigerator (6) has two stages. And cooling at least one of said radiation shields (12a, 12b, 12c).

6. The cryostat according to claim 2, wherein the liquid helium pumped by the subcooling unit 9 cools one or more of the radiation shields 12a, 12b, 12c. 7. Device.

delete

6. The cryostat according to any one of the preceding claims, wherein the vessel (5) is connected to an external reservoir with gas helium, the reservoir being high pressure relative to atmospheric pressure.

12. The cryostat according to claim 11, wherein 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).

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

A heat control wall (7) is provided with a pressure control valve to increase in the heat shield wall (7) when a constant pressure difference between the helium tank (1) and the container (5) is exceeded. The one or more walls of the vessel 5 which open the pressure-compensated cross section, and which are not in contact with the helium tank 1, have one or more bursting disks so that the maximum pressure in the vessel 5 is exceeded. Low temperature holding device, characterized in that for opening a large cross section to the outside.

20. A restricted flow cross section is provided between the helium tank 1 and the vessel 5, in which liquid helium flows from the vessel 5 into the helium tank 1 through the limited flow cross section. Low temperature holding device, characterized in that.

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6. The container (5) according to any one of the preceding claims, wherein the vessel (5) is opened before the electrical supply line required to fill the excess conductive magnet coil of the magnet coil system (2) enters the helium tank (1). A device is initially guided through and is provided to allow short-circuit operation of the magnet coil, wherein the electrical supply line to the magnet coil is removed after a short circuit.

The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the center of the magnet coil system (2) in the radial direction does not coincide with the center of the container (5) surrounding the magnet coil system (2). Low temperature holding device.

6. The method according to claim 1, wherein the center of the magnet coil system 2 and the center of the container 5 are arranged in different planes perpendicular to the axis of the room temperature bore 3. 7. Low temperature holding device.