KRYOSTAT MIT EINEM MAGNETSPULENSYSTEM, DAS EINE UNTERKÜHLTE LTS- UND EINE IN EINEM SEPARATEN HELIUMTANK ANGEORDNETE HTS-SEKTION UMFASST

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kryostaten, mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen, mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensektionen, von denen mindesten eine LTS-Sektion einen konventionellen Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS-Sektion mit flüssigem Helium in einem ersten Heliumtank des Kryostaten bei einer Helium-Temperatur T_L < 4 K befindet.

[0002] Ein solcher Kryostat ist beispielsweise bekannt geworden aus der DE 10 2004 007 340 A1.

[0003] Zum Beispiel für Kernspinresonanz-Apparaturen, insbesondere Spektrometer, werden sehr starke, homogene und stabile Magnetfelder benötigt. Je stärker das Magnetfeld, desto besser ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die spektrale Auflösung der NMR-Messung.

[0004] Zur Erzeugung starker Magnetfelder werden supraleitende Magnetspulensysteme eingesetzt. Weit verbreitet sind Magnetspulensysteme mit solenoidförmigen Spulensektionen, die ineinander geschachtelt sind und in Serie betrieben werden. Supraleiter können elektrischen Strom verlustfrei tragen. Die Supraleitung stellt sich unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur ein. Als Supraleitermaterial werden typischerweise konventionelle Tieftemperatur-Supraleiter (LTS) eingesetzt. Diese Metalllegierungen wie beispielsweise NbTi und Nb₃Sn sind verhältnismäßig leicht zu verarbeiten und zuverlässig in der Anwendung. Der Leiter einer LTS-Spulensektion besteht in der Regel aus einer gut normalleitenden metallischen Matrix (z.B. Kupfer), in der sich supraleitende Filamente befinden, die im Normalbetrieb vollständig den Strom übernehmen. Im Fall von NbTi sind das üblicherweise einige zehn bis hundert, im Fall von Nb₃Sn können es mehr als hunderttausend sein. Tatsächlich ist der innere Aufbau der Leiter noch etwas komplexer, was aber im vorliegenden Zusammenhang keine Rolle spielt.

[0005] Um die Spulensektionen unter die Sprungtemperatur abzukühlen, werden die Spulensektionen mit flüssigem Helium in einem Kryostaten gekühlt. Die supraleitenden Spulensektionen tauchen dabei i.a. zumindest teilweise in flüssiges Helium ein. In Höchstfeldmagneten werden die Spulensektionen ggf. mit unterkühltem Helium bei einer Temperatur unterhalb von 4 K betrieben, wodurch ihre Stromtragfähigkeit und ihr kritisches Magnetfeld noch etwas gesteigert werden kann. Die Temperatur kann dabei am oder auch unterhalb des sog. Lamda-Punktes (etwa 2,2 K) liegen, bei dem das flüssige Helium superflüssig wird.

[0006] Um die erreichbare Magnetfeldstärke in einem Magnetspulensystem noch weiter zu steigern, ist es wünschenswert, auch Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) einzusetzen. Bei gleicher Temperatur können Leiter, die HTS enthalten, sehr viel mehr Strom tragen und höhere Magnetfeldstärken erreichen als solche mit LTS. HTS-Material bietet sich somit vor allem als Material für die innersten Spulensektionen eines Magnetspulensystems an.

[0007] HTS oder auch keramische Supraleiter gibt es derzeit vor allem als Wismut-Leiter mit HTS-Filamenten in einer silberhaltigen Matrix. Die Leiter haben vorwiegend die Form von Bändchen.

[0008] Spulensektionen aus HTS vor allem in unterkühltem Helium haben sich bisher allerdings als kurzlebig und unzuverlässig erwiesen. Eine Untersuchung von ausgefallenen HTS-Sektionen hat ergeben, dass das HTS-Material aufplatzt und die Stromtragfähigkeit des HTS-Leiters damit zerstört wird. Dieser an sich auch in anderen Zusammenhängen bekannte Effekt wird gelegentlich als "ballooning" bezeichnet.

Aufgabe der Erfindung

[0009] Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kryostaten bereitzustellen, in dem eine HTS-Spulensektion langfristig und zuverlässig eingesetzt werden kann, und insbesondere das Risiko für "ballooning" reduziert ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0010] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kryostaten der eingangs vorgestellten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die HTS-Sektion radial innerhalb der LTS-Sektion in einem separaten Heliumtank des Kryostaten mit normalflüssigem Helium angeordnet ist und von der LTS-Sektion durch mindestens eine Wand zwischen den beiden Heliumtanks getrennt ist.

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das "ballooning" durch unterkühltes, zumindest zeitweise superflüssiges Helium verursacht wird, das in das Innere des HTS-Materials eindringt, dort expandiert oder verdampft. HTS-Material ist keramisch und weist daher typischerweise eine gewisse Porosität auf. Das flüssige Helium kann durch die Poren in das Innere des HTS eindringen. Insbesondere im superflüssigen Zustand des Heliums, der unterhalb der λ-Punkt-Temperatur von ca. 2,2 K gegeben ist (durch Fluktuationen u.U. auch etwas oberhalb von 2,2 K), kann das Helium auch durch kleinste Spalte dringen. Im Falle einer späteren Erwärmung über den Siedepunkt des Heliums hinaus nimmt das Helium beim Verdampfen stark an Volumen zu. Erfolgt die Erwärmung zu rasch, so kann das verdampfende Helium nicht rechtzeitig aus den Poren entweichen, und ein erheblicher Druck baut sich in den Poren des HTS auf. Da HTS ein keramisches und damit sprödes Material ist, kann der HTS schließlich von diesem Druck gesprengt werden.

[0012] Dies kann durch den erfindungsgemäßen Kryostaten verhindert werden. Die HTS-Sektion oder die HTS-Sektionen des Magnetspulensystems, und damit alles HTS-Material, ist im separaten Heliumtank des Kryostaten zwischen der Innenwand des ersten Heliumtanks und der Raumtemperaturbohrung angeordnet. Im separaten Heliumtank ist sicher keinerlei superflüssiges Helium vorhanden.

[0013] Dabei darf die Betriebstemperatur der HTS-Sektion durchaus etwas höher sein als die der LTS-Sektionen im ersten Heliumtank, da um oder unter 4 K der kritische Strom des HTS-Leiters nur noch sehr wenig von der Temperatur abhängt, im Gegensatz zur Situation bei den LTS-Sektionen.

[0014] Bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten, bei der die Temperatur des flüssigen Heliums im ersten Tank T_L < 2,5 K, insbesondere < 2,2 K ist. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist die Gefahr eines Balloonings ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders groß, so dass die Vorteile der Erfindung besonders zur Geltung kommen. Da die kritischen Stromdichten der Leiter der LTS-Sektionen mit sinkender Temperatur zunehmen, gestatten die niedrigen Temperaturen höhere Magnetfeldstärken B₀ und/oder kompaktere LTS-Sektionen.

[0015] Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten sieht vor, dass auch supraleitende Zuleitungen zur mindestens einen HTS-Sektion im separaten Heliumtank verlaufen, und zwar mindestens soweit die Zuleitungen HTS enthalten. Dadurch wird alles HTS-Material bis einschließlich der Joints vor superflüssigem Helium geschützt. Ab diesen Joints verläuft dann in der Regel jeweils ein Leiter aus konventionellem Supraleitermaterial, z.B. ein NbTi-Multifilamentdraht, zu einer Durchführung in den ersten Heliumtank. Der supraleitende Leiter wird durch diese Durchführung durchgeführt, so dass der volle Magnetstrom verlustfrei von der HTS-Sektion zu den LTS-Sektionen und zurück gelangen kann. Ein supraleitender Schalter für den verlustfreien Dauerstrombetrieb (persistent mode) befindet sich in der Regel im separaten Heliumtank, bei vertikal angeordneter Magnetspule oberhalb der LTS-Sektionen.

[0016] Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, gemäß der sich zwischen separatem Heliumtank und Raumtemperaturbohrung mindestens ein Strahlungsschild befindet. Der Strahlungsschild reduziert einen Wärmeeintrag durch Strahlung von der Raumtemperaturbohrung in die HTS-Sektion.

[0017] Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das im Messvolumen durch das Magnetspulensystem erzeugte Magnetfeld B₀ größer als 20 T, insbesondere größer als 23 T ist. Diese starken Magnetfelder sind mittels HTS-Sektion und dem erfindungsgemäßen Kryostaten gut erreichbar. Im Gegensatz dazu wird mit konventionellen Magnetsystemen, die nur auf LTS-Sektionen basieren, bei diesen Feldstärken schon die theoretische Grenze nahezu erreicht, und die kritische Stromdichte strebt gegen null.

[0018] Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Spulensektionen des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können. Dadurch wird ein zeitlich besonders stabiles Magnetfeld B₀ erreicht.

[0019] Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B₀ im Messvolumen und der zeitlichen Stabilität von B₀ die Anforderungen der hochauflösenden NMR-Spektroskopie erfüllt.

[0020] Bevorzugt ist schließlich eine Ausführungsform, bei der der separate Heliumtank eine Temperatur des darin enthaltenen flüssigen Heliums von etwa 4,2 K aufweist. Dadurch ist das Nachfüllen dieses Tanks besonders einfach und sicher.

[0021] Der separate Heliumtank ist vorzugsweise vom ersten durch eine Vakuumbarriere getrennt, jedoch mit dem ersten Heliumtank verbunden (vgl. z.B. US 5,220,800). Das flüssige Helium im ersten Heliumtank hat eine Temperatur T_L < 4K. Durch die Verwendung zweier solcher Heliumtanks können einerseits die LTS-Sektionen bei tieferer Temperatur betrieben werden, was ihre Stromtragfähigkeit erhöht und andererseits das Helium bei etwa Normaldruck aus dem Kryostaten abdampfen und auch bei diesem Druck für beide Tanks ein- bzw. nachgefüllt werden, was der Wirkungsgrad der Kühlung und die Betriebssicherheit erhöht.

[0022] Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der separate Heliumtank teilweise über dem ersten Heliumtank um eine gemeinsame, vorzugsweise vertikale Raumtemperaturbohrung angeordnet. Bei diesem Aufbau können die beiden Tanks durch eine Vakuumbarriere getrennt und über eine enge, z.B. spaltförmige Verbindung gekoppelt werden. Der obere Tank kann sich etwa auf Normaldruck oder leicht darüber befinden, so dass insgesamt das Nachfüllen von Helium leichter und sicherer erfolgen kann.

[0023] Damit die Tanks mit den in ihnen befindlichen Sektionen nicht gegeneinander schwingen und dadurch die Stabilität von Messungen leidet, können sie starr miteinander verbunden sein. Dies geschieht einerseits über die Aufhängungen der Tanks im Kryostaten oder auch über bevorzugt thermisch schlecht leitende Distanzstücke, ggf. mit punktförmigem Kontakt aus den im Kryostatenbau dafür in der Regel vorgesehenen Materialien. Falls der damit verbundene thermische Kontakt akzeptiert werden kann, können die Sektionen bzw. ihre Träger auch an einer gemeinsamen Bodenplatte bzw. Verstrebung z.B. aus Stahl oder Titan befestigt sein, die Teil der Heliumtanks ist oder mit diesen fest verbunden.

[0024] Die Sektionen bzw. ihre Träger können ihrerseits starr mit den Tanks verbunden sein. Dazu kann es genügen, wenn die verbundenen LTS-Sektionen auf dem Boden des ersten Tanks stehen und die HTS-Sektion auf dem Boden des separaten Tanks.

[0025] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.

Zeichnung

[0026] Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Aüsführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten mit mit LTS-Sektion und HTS-Sektion in separaten Heliumtanks in schematischer Darstellung.

[0027] Die Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten, 1. Der Kryostat 1 weist eine Raumtemperaturbohrung 2 auf, in der ein Messvolumen 3 für eine Probe vorgesehen ist. Das Messvolumen 3 befindet sich im Zentrum eines Magnetspulensystems, das hier von drei solenoidförmigen Spulensektionen 4, 5, 6 gebildet wird. Die radial innerste Spulensektion 4 ist mit einem Draht aus Hochtemperatursupraleiter(=HTS) gewickelt. Die mittlere Spulensektion 5 ist mit Nb₃Sn-Draht gewickelt, und die äußerste Spulensektion 6 ist mit NbTi-Draht gewickelt. Die Spulensektionen 5, 6 stellen somit Tieftemperatursupraleiter(=LTS)-Spulensektionen dar. Die Spulensektionen 4, 5, 6 sind in Serie elektrisch miteinander verbunden, beispielhaft ist dies mit den beiden supraleitenden Übergangsstellen (Joints) 7a und 7b dargestellt. Am Joint 7a wird das HTS-Material einer Zuleitung 4a zur HTS-Spulensektion 4 mit einem Übergangsstück 8 aus NbTi verbunden, und am Joint 7b wird das Übergangsstück 8 mit dem Nb₃Sn-Draht der LTS-Sektion 5 verbunden. Das Übergangsstück 8 tritt an einer Durchführung 18 durch eine Vakuumbarriere 9a zwischen einem ersten Heliumtank 9, in dem sich ineinander geschachtelt die LTS-Sektionen 5 und 6 befinden, und einem separaten Heliumtank 19, in dem sich die HTS-Sektion 4 befindet. Die Durchführung 18 ist eine Verbindung der beiden Tanks 9, 19 und gegen das Vakuum 14 des Kryostaten dicht.

[0028] Der erste Heliumtank 9 ist mit flüssigem Helium gefüllt. Das flüssige Helium im Heliumtank 9 hat eine Temperatur T_L < 4 K, insbesondere etwa 2 K. Der Heliumtank 9 ist zur Isolation, insbesondere radial außen von einem Strahlungsschild 10 umgeben. Der Strahlungsschild 10 verläuft auch zwischen der HTS-Sektion 4 und der Raumtemperaturbohrung 2. Der Strahlungsschild 10 wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt, der in Behälter 10a eingefüllt werden kann. Zusätzlich können weitere Strahlungsschilde vorgesehen sein, die üblicherweise auch durch abdampfendes Heliumgas gekühlt werden. Ein Strahlungsschild kann auch direkt an den separaten Heliumtank 19 thermisch angekoppelt sein und im wesentlichen den ersten Tank 9 umgeben. Alternativ oder zusätzlich können die Strahlungsschilde refrigeratorgekühlt werden, wodurch der Stickstofftank 10a entfallen kann. Der Refrigerator kann auch eine Rückkühlung des abdampfenden Heliums übernehmen, so dass die Nachfüllintervalle für flüssiges Helium verlängert werden oder Nachfüllen überhaupt nur noch nach einem Störfall nötig ist.

[0029] Während die LTS-Spulensektionen 5, 6 in ggf. superflüssiges Helium eintauchen, ist die HTS-Spulensektion 4 samt der Zuleitung 4a und dem Joint 7a im separaten Heliumtank 19 angeordnet, der nur normalflüssiges oder gasförmiges Helium enthält. Dadurch wird sichergestellt, dass kein superflüssiges Helium in HTS-Material der HTS-Spulensektion 4 oder deren Zuleitung 4a eindringen kann. Infolgedessen kann es auch nicht dazu kommen, dass superflüssiges Helium im Inneren des HTS-Materials wieder verdampft und durch die Volumenzunahme das HTS-Material von Innen heraus aufsprengen kann.

[0030] Für den Fall, dass während des Betriebs die Temperatur im separaten Heliumtank 19 merklich unter 4 K absinken sollte, ist eine Heizung 17 für die HTS-Sektion 4 einschließlich Zuleitung 4a und Joint 7a vorgesehen, so dass im separaten Tank 19 keinesfalls superflüssiges Helium auftreten kann.

[0031] Die Gesamtheit des evakuierten Innenraums des Kryostaten 1 bildet den Vakuumteil 14 des Kryostaten 1. Im Vakuumteil 14 herrscht ein Druck von weniger als 10^-5 mbar.

[0032] Es kann in der Regel toleriert werden, dass die HTS-Sektion 4 etwas wärmer ist als die LTS-Sektionen 5 und 6.

[0033] Eine Bodenplatte 15 bildet mit einem radial äußeren Teil die untere Wand des Heliumtanks 9. Die Bodenplatte 15 setzt sich radial nach innen bis unter die HTS-Sektion 4 fort. Auf der Bodenplatte 15 sind zwei Ringflansche 16a, 16b befestigt. Auf der Bodenplatte 15 ist die LTS-Sektion 6 direkt, und die LTS-Sektion 5 über einen nicht dargestellten Spulenträger befestigt. Über die thermisch schlecht leitenden Ringflansche 16a, 16b ist die Bodenplatte 15 mit der Bodenplatte 15a des separaten Heliumtanks 19, auf der die HTS-Sektion 4 fest montiert ist, starr verbunden. Die Bodenplatte 15 ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Die beschriebene Anordnung gestattet eine gleichzeitige Handhabung aller Spulensektionen 4, 5, 6 bei der Montage des Kryostaten 1 über die gemeinsame Bodenplatte 15.

[0034] Der Kryostat 1 der Figur 1 ist bevorzugt Teil einer NMR-Apparatur, wie etwa eines NMR-Spektrometers oder eines NMR-Tomographen, insbesondere eines hochauflösenden Hochfeld-NMR-Spektrometers mit einem Magnetfeld B₀ > 20 T, vorzugsweise > 23 T im Messvolumen, wobei das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B₀ im Messvolumen und der zeitlichen Stabilität von B₀ die Anforderungen der hochauflösenden NMR-Spektroskopie erfüllt, was in der Regel voraussetzt, dass die Spulensektionen des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können. In der Regel werden - wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen - die Spulenachsen und die Raumtemperaturbohrung vertikal stehen. Die Erfindung bezieht sich aber auch auf Kryostaten mit horizontaler Bohrung, die vorzugsweise im bildgebenden Bereich (MRI) oder auch für lonenzyklotron-Resonanzspektrometer Verwendung finden.

Ansprüche

1. Kryostat (1),
mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen (3), mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensektionen (4, 5, 6), von denen mindesten eine LTS-Sektion (5, 6) einen konventionellen Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion (4) einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS-Sektion mit flüssigem Helium in einem ersten Heliumtank (9) des Kryostaten (1) bei einer Helium-Temperatur T_L < 4 K befindet
dadurch gekennzeichnet,
dass die HTS-Sektion (4) radial innerhalb der LTS-Sektion (5, 6) in einem separaten Heliumtank (19) des Kryostaten (1) mit normalflüssigem Helium angeordnet ist und von der LTS-Sektion (5, 6) durch mindestens eine Wand zwischen den beiden Heliumtanks getrennt ist.

2. Kryostat (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Heliums im ersten Tank (9) T_L < 2,5 K, insbesondere < 2,2 K ist.

3. Kryostat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Heliums im separaten Tank (19) T_H > 2,5 K, insbesondere > 4 K ist.

4. Kryostat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im separaten Heliumtank (19) eine Heizung (17) vorgesehen ist.

5. Kryostat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Heliumtanks (9, 19) durch eine Vakuumbarriere (9a) getrennt sind.

6. Kryostat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch supraleitende Zuleitungen (4a) bzw. Joints (7a) zur mindestens einen HTS-Sektion (4) im separaten Heliumtank (19) verlaufen, und zwar mindestens soweit die Zuleitungen (4a) bzw. Joints (7a) HTS enthalten.

7. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Heliumtanks (9, 19) über thermisch schlecht leitende Mittel (16a, 16b) mechanisch starr verbunden sind derart, dass Schwingungen der Sektionen (4, 5, 6) gegeneinander weitgehend unterbunden werden.

8. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektionen (4, 5, 6) mechanisch starr mit den Heliumtanks (9, 19) verbunden sind derart, dass Schwingungen der Sektionen (4, 5, 6) gegeneinander weitgehend unterbunden werden.

9. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem eine vertikale Achse umgibt.

10. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Raumtemperaturbohrung (2) mit dem Messvolumen (3) aufweist, die vom Magnetspulensystem umgeben ist.

11. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen separatem Heliumtank (19) und Raumtemperaturbohrung (2) mindestens ein Strahlungsschild (10) befindet.

12. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Messvolumen (3) durch das Magnetspulensystem erzeugte Magnetfeld B₀ größer als 20 T, insbesondere größer als 23 T ist.

13. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulensektionen (4, 5, 6) des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können.

14. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B₀ im Messvolumen (3) und der zeitlichen Stabilität von B₀ die Anforderungen der hochauflösenden NMR-Spektroskopie erfüllt.

Claims

1. Cryostat (1), having a magnet coil system comprising a superconductor for generating a magnet field B₀ in a measuring volume (3), with a plurality of radially nested solenoid-shaped coil sections (4, 5, 6) which are electrically connected in series, of which at least one LTS section (5, 6) comprises a conventional low temperature superconductor (LTS) and at least one HTS section (4) comprises a high temperature superconductor (HTS), wherein the LTS section with liquid helium is located in a first helium tank (9) of the cryostat (1) at a helium temperature T_L < 4 K, characterized in that the HTS section (4) is arranged radially within the LTS section (5, 6) in a separate helium tank (19) of the cryostat (1) with normally liquid helium and is separated from the LTS section (5, 6) by means of at least one wall between the two helium tanks.

2. Cryostat (1) according to claim 1, characterized in that the temperature of the liquid helium in the first tank (9) is T_L < 2.5 K, in particular < 2.2 K.

3. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the liquid helium in the separate tank (19) is T_H > 2.5 K, in particular > 4 K.

4. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that a heater (17) is disposed in the separate helium tank (19).

5. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the two helium tanks (9, 19) are separated by a vacuum barrier (9a).

6. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that superconducting leads (4a) or joints (7a) also extend to at least one HTS section (4) in the separate helium tank (19) at least to the extent that the leads (4a) or joints (7a) contain HTS.

7. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the two helium tanks (9, 19) are mechanically rigidly connected to each other by means of poorly thermally conducting means (16a, 16b) in such a fashion that vibrations of the sections (4, 5, 6) with respect to each other are substantially prevented.

8. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sections (4, 5, 6) are mechanically rigidly connected to the helium tank (9, 19) in such a fashion that vibrations of the sections (4, 5, 6) with respect to each other are substantially prevented.

9. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the magnet coil system surrounds a vertical axis.

10. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a room temperature bore (2) having a measurement volume (3) and being surrounded by the magnet coil system.

11. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one radiation shield (10) is disposed between the separate helium tank (19) and the room temperature bore (2).

12. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the magnet coil system produces a magnetic field B₀ in the measurement volume (3), which is larger than 20 T, in particular larger than 23 T.

13. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the coil sections (4, 5, 6) of the magnet coil system are superconductingly short-circuited during operation.

14. Cryostat (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the magnet coil system fulfills the requirements of high resolution NMR spectroscopy with regard to the homogeneity of the magnetic field B₀ in the measurement volume (3) as well as with regard to the temporal stability of B₀.

Revendications

1. Cryostat (1),
muni d'un système de bobines magnétiques comprenant des conducteurs supraconducteurs en vue de générer un champ magnétique B₀ dans un volume de mesure (3), de plusieurs sections de bobines (4, 5, 6) en forme de solénoïdes emboîtées radialement les unes dans les autres, connectées électriquement en série, parmi lesquelles au moins une section LTS (5, 6) comprend un supraconducteur à basse température conventionnel (LTS) et au moins une section HTS (4) un supraconducteur à haute température (HTS), la section LTS se trouvant avec de l'hélium liquide dans un premier réservoir d'hélium (9) du cryostat (1) à une température d'hélium T_L < 4 K,
caractérisé en ce
que la section HTS (4) est disposée radialement à l'intérieur de la section LTS (5, 6) dans un réservoir d'hélium séparé (19) du cryostat (1) avec de l'hélium liquide normal et séparée de la section LTS (5, 6) par au moins une paroi entre les deux réservoirs d'hélium.

2. Cryostat (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de l'hélium liquide dans le premier réservoir (9) est T_L < 2,5 K, en particulier < 2,2 K.

3. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de l'hélium liquide dans le réservoir séparé (19) est T_H > 2,5 K, en particulier > 4 K.

4. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un chauffage (17) est prévu dans le réservoir d'hélium séparé (19).

5. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux réservoirs d'hélium (9, 19) sont séparés par une barrière à vide (9a).

6. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des conduites d'amenée (4a) ou des jonctions (7a) supraconductrices s'étendent aussi vers au moins une section HTS (4) dans le réservoir d'hélium séparé (19), et cela au moins dans la mesure où les conduites d'amenée (4a) ou jonctions (7a) contiennent des HTS.

7. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux réservoirs d'hélium (9, 19) sont reliés mécaniquement rigidement par des moyens (16a, 16b) mauvais conducteurs thermiquement, de telle manière que des vibrations des sections (4, 5, 6) les unes par rapport aux autres soient en grande partie empêchées.

8. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sections (4, 5, 6) sont reliées mécaniquement rigidement aux réservoirs d'hélium (9, 19), de telle manière que des vibrations des sections (4, 5, 6) les unes par rapport aux autres soient en grande partie empêchées.

9. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de bobines magnétiques entoure un axe vertical.

10. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente un alésage à température ambiante (2) contenant le volume de mesure (3), qui est entouré par le système de bobines magnétiques.

11. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un écran anti-rayonnement (10) se trouve entre le réservoir d'hélium séparé (19) et l'alésage à température ambiante (2).

12. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ magnétique B₀ généré par le système de bobines magnétiques dans le volume de mesure (3) est supérieur à 20 T, en particulier supérieur à 23 T.

13. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sections de bobines (4, 5, 6) du système de bobines magnétiques peuvent être court-circuitées de manière supraconductrice en fonctionnement.

14. Cryostat (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de bobines magnétiques satisfait aux exigences de la spectroscopie RMN à haute résolution en ce qui concerne l'homogénéité du champ magnétique B₀ dans le volume de mesure (3) et la stabilité dans le temps de B₀.

Zeichnung