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Dokumentenidentifikation DE102004053972B3 20.07.2006
Titel NMR-Spektrometer mit gemeinsamen Refrigerator zum Kühlen von NMR-Probenkopf und Kryostat
Anmelder Bruker BioSpin GmbH, 76287 Rheinstetten, DE
Erfinder Strobel, Marco, Dipl.-Ing., 76227 Karlsruhe, DE
Vertreter Kohler Schmid Möbus Patentanwälte, 70565 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 09.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004053972
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse G01R 33/31(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 33/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein NMR-Spektrometer mit einem im Heliumtank (8) eines Kryostaten angeordneten Magnetspulensystem und mit einem in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten angeordneten NMR-Probenkopf (4), der einen gekühlten HF-Resonator (12) zum Empfang von NMR-Signalen aus einer zu untersuchenden Probe enthält, wobei der Heliumtank (8) und der NMR-Probenkopf (4) durch einen gemeinsamen mehrstufigen, Kompressor-betriebenen Refrigerator gekühlt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Refrigerator einen Kaltkopf (6) und mehrere Wärmetauscher (21, 24, 25, 28, 31, 33, 34) auf unterschiedlichen Temperaturniveaus umfasst, wobei der Refrigerator im räumlichen Abstand zum Kryostaten in einem separaten, evakuierten und wärmeisolierten Gehäuse (5) angeordnet ist, und dass mehrere Kühlkreisläufe (1a, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b, 3a, 3b) mit thermisch isolierten Transferleitungen (14a, 14b, 15) zwischen dem die Wärmetauscher (21, 24, 25, 28, 31, 33, 34) enthaltenen Gehäuse (5) und dem Kryostat sowie zwischen dem Gehäuse (5) und dem NMR-Probenkopf (4) vorgesehen sind. Der Probenkopf- und der Magnetkryostaten des erfindungsgemäßen NMR-Spektrometers kann somit von einem gemeinsamen Refrigerator gekühlt werden, wobei die Kühlressorcen des verwendeten Refrigerators optimal ausgenutzt werden können.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein NMR-Spektrometer mit einem im Heliumtank eines Kryostaten angeordneten Magnetspulensystem und mit einem in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten angeordneten NMR-Probenkopf, der einen gekühlten HF-Resonator zum Empfang von NMR-Signalen aus einer zu untersuchenden Probe enthält, wobei der Heliumtank und der NMR-Probenkopf durch einen gemeinsamen mehrstufigen, Kompressor-betriebenen Refrigerator gekühlt werden.

Eine derartige Vorrichtung ist aus WO 03/023433 A1 bekannt.

Der NMR-Probenkopf eines NMR-Spektrometers befindet sich zusammen mit einer Messvorrichtung in der Bohrung eines Magnetkryostaten. In diesem Magnetkryostaten ist eine supraleitende Spule, die zur Erzeugung des für NMR-Messungen notwendigen Magnetfelds dient, untergebracht. Sowohl der NMR-Probenkopf als auch der Magnetkryostat müssen im Betrieb auf sehr kleinen Temperaturen gehalten werden. Die durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung entstehenden Wärmeverluste stellen daher ein Problem dar.

Aus diesem Grund ist es üblich, einen Refrigerator zum Kühlen des NMR-Probenkopfs vorzusehen. Eine solche Anordnung wird beispielsweise in US 5 889 456 und JP 2004 219 361 Abschirmanordnung sowie in DE 103 40 352 A1 beschrieben. Zur Übertragung der vom Refrigerator erzeugten Kühlleistung dienen Wärmetauscher und eine Transferleitung vom Refrigerator zum NMR-Probenkopf (US 5 889 456). Die Beschickung des NMR-Probenkopfes mit Kältemittel erfolgt durch Pumpen oder Kompressoren über die Transferleitungen. Die gekühlten Bauteile des Probenkopfs befinden sich üblicherweise auf Temperaturen von 10–60 Kelvin. Als Refrigerator kommt beispielsweise ein Gifford-MacMahon-Kühler (GM) oder ein Pulsrohr-Kühler (PT) zum Einsatz.

Der Magnetkryostaten eines NMR-Spektrometers umfasst einen Heliumtank, der den supraleitenden Magneten sowie flüssiges Helium (4,2K) enthält, ein oder mehrere den Heliumtank umschließende Strahlungsschilde, ein äußerer, im folgenden als Außenmantel bezeichneter, Vakuumbehälter sowie ein oder mehrere Halsrohre, die den Heliumtank mit dem Außenmantel verbinden. Die Strahlungsschilde können ebenfalls Behälter sein, welche mit flüssigem Stickstoff (77,3K) gefüllt sind um den Wärmeeintrag auf den Heliumtank zu verringern. Der Wärmeeintrag in den Heliumtank und auf das Strahlungsschild, welcher aus Strahlung und Wärmeleitung durch die Halsrohre und weitere Verspannungen resultiert, führt zum Verdampfen von Helium und Stickstoff. Um das Abdampfen von teurem Helium und Stickstoff zu verhindern werden zur Kühlung von Magnetkryostaten ebenfalls Refrigeratoren (PT oder GM-Kühler) eingesetzt.

Es gibt auch hier die Möglichkeit den Refrigerator mittels Transferleitung mit dem Magnetkryostaten zu verbinden. Die Transferleitung zwischen Refrigerator und Kryostat muss jedoch höchst effizient sein um die Wärmeströme mit geringen Verlusten zu übertragen. Diese Ausführung kommt aufgrund des weniger kompakten Aufbaus bei modernen Magnetkryostaten jedoch nicht zum Einsatz.

Es hat sich dagegen durchgesetzt, den Kaltfinger direkt in den Magnetkryostaten einzubauen. Hierbei wird der Kaltfinger im Kryostaten mit einem oder mehreren Schilden verbunden und/oder kondensiert verdampftes Helium im Heliumtank. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie durch die direkte Kühlung effizienter als die externe Anordnung des Refrigerators und den Transport des Kältemittels über eine Transferleitung ist. Eine solche Ausführung ist in US 6 389 821 beschrieben. Bei dieser Methode wird jedoch mehr Helium kondensiert als verdampft. Es ist daher nötig einen Teil der Kälteleistung durch eine elektrische Heizung auszugleichen. Es wird auch hier ein Teil der Kälteleistung ungenutzt „verschwendet".

In WO 03/023433 A1 und EP 1 560 035 A1 wird daher vorgeschlagen, den im Magnetkryostaten eingebauten Kaltfinger des Refrigerators nicht nur zum Kühlen des Kryostaten, sondern gleichzeitig auch zum Kühlen des NMR-Probenkopfes zu verwenden. Durch den Einbau des Refrigerators in den Magnetkryostaten ergeben sich jedoch erhebliche Nachteile. So befindet sich das im Allgemeinen magnetische Regeneratormaterial innerhalb des Streufelds der NMR-Magnetspule und erzeugt dadurch magnetische Störungen. Auch die vom Refrigerator direkt verursachten Vibrationen bewirken eine Verschlechterung der Messbedingungen. Darüber hinaus können durch das begrenzte Platzangebot innerhalb des Magnetkryostaten die Wärmetauscher nicht beliebig platziert werden, so dass die Einstellung der Vorkühltemperatur nur begrenzt möglich ist und daher das Optimum des Kühlbetriebs bei derartigen Vorrichtungen oft nicht erreicht werden kann. Bei den bekannten Vorrichtungen geht daher immer noch ein erheblicher Teil der Eingangsleistung des Kühlers, die bei etwa 4–8kW liegt, verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein NMR-Spektrometer vorzuschlagen, bei dem Probenkopf- und Magnetkryostaten von einem gemeinsamen Refrigerator gekühlt werden, wobei die Kühlressourcen des verwendeten Refrigerators optimal ausgenutzt und gleichzeitig die vom Refrigerator verursachten Störungen im Arbeitsvolumen minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der gemeinsame Refrigerator einen Kaltkopf und mehrere Wärmetauscher auf unterschiedlichen Temperaturniveaus umfasst, wobei der Refrigerator im räumlichen Abstand zum Kryostaten in einem separaten, evakuierten und wärmeisolierten Gehäuse angeordnet ist, und dass mehrere Kühlkreisläufe mit thermisch isolierten Transferleitungen zwischen dem die Wärmetauscher enthaltenden Gehäuse und dem Kryostaten sowie zwischen dem Gehäuse und dem NMR-Probenkopf vorgesehen sind.

Die jeweils benötigten Kühlleistungen werden allesamt außerhalb des Kryostaten durch einen Refrigerator erzeugt und mittels geeigneter Kältemittel durch eine isolierte Transferleitung an die zu kühlenden Bauteile übertragen. Hierdurch werden einerseits mechanische und magnetische Störungen des Magnetfelds durch den Refrigerator vermieden und andererseits die Überschussenergien, welche bei den unterschiedlichen Kühlkreisläufen anfallen, zur Kühlung weiterer Kühlkreisläufe genutzt. Des Weiteren wird die variablere Anordnung der Wärmetauscher eine effektivere Einstellung der Vorkühltemperatur ermöglicht, was wiederum eine Energieersparnis zu Folge hat.

Diese Anordnung ist daher wesentlich effizienter und kostengünstiger verglichen mit einem in einem Kryostaten integrierten Kaltkopf, wie beispielsweise in WO 03/023433 A1 beschrieben, als auch verglichen mit der aus US 5,889,456 bekannten Anordnung, bei der für die Kühlung des NMR-Probenkopfs und des Kryostaten jeweils separate Refrigeratoren vorgesehen sind. Einsparungen von bis zu 100% der Eingangsleistung und der Anschaffungskosten sind möglich.

Bei einer bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden NMR-Spektrometers weisen die thermisch isolierten Transferleitungen der Kühlkreisläufe einen gemeinsamen thermisch isolierten Leitungsabschnitt auf, der mindestens 50%, insbesondere mindestens 70%, vorzugsweise etwa 90%, der Gesamtlänge der Transferleitungen umfasst. Hierdurch können Temperaturverluste beim Transfer der Kältemittel zu den zu kühlenden Objekten verringert werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass innerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnitts die Transferleitung, die sich auf dem niedrigsten Energieniveau befindet, von mindestens einem Strahlungsschild, das sich auf einem höheren Energieniveau befindet, thermisch abgeschirmt wird. Die Transferleitung auf dem niedrigsten Energieniveau ist so einer verringerten Temperaturdifferenz ausgesetzt, was die Energieverluste und die Anforderung an die Isolierung des Leitungsabschnitts verringert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Transferleitungen koaxial angeordnet sind, wobei sich die Transferleitung auf dem niedrigsten Energieniveau im Zentrum der Anordnung befindet.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Transferleitungen schwingungsdämpfende Bauteile zur Entkopplung von Refrigerator und NMR-Probenkopf beziehungsweise von Refrigerator und Kryostat auf. Die Güte der NMR-Messungen wird hierdurch verbessert.

Vorteilhafterweise sind zwischen dem Gehäuse und dem Kryostaten zwei Kühlkreisläufe vorgesehen, von denen sich ein Kühlkreislauf auf einem Temperaturniveau von etwa 77K befindet. Dieser kann zur Kühlung eines Strahlungsschildes oder eines Stickstofftankes dienen.

Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn auch zwischen dem Gehäuse und dem NMR-Probenkopf zwei Kühlkreisläufe vorgesehen sind, von denen sich ein Kühlkreislauf auf einem Temperaturniveau von etwa 77K befindet. Ein Vorverstärkers des NMR-Probenkopfs kann beispielsweise durch einen derartigen Kühlkreislauf gekühlt werden.

Dabei werden die Kühlkreisläufe, die sich auf einem Temperaturniveau von etwa 77K befinden, vorzugsweise mit flüssigem Stickstoff (=LN2) als Kältemittel betrieben. Der Stickstoff wird am Kaltkopf kondensiert und flüssig durch die Transferleitung geleitet. Hierdurch wird die durchschnittliche Übertagungstemperatur der Kälteleistung erhöht und somit ein besserer Wirkungsgrad erreicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich einer der Kühlkreisläufe zwischen dem Gehäuse und dem Kryostaten auf einem Temperaturniveau von etwa 4K befindet und mit flüssigem Helium (=LHe) als Kältemittel betrieben wird. Dieser kann beispielsweise einen im Kryostaten befindlichen Heliumtank kühlen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Spektrometers sieht vor, dass der gemeinsame Refrigerator einen Regenerator aufweist, an dem mindestens ein Kältemittel entlang geführt wird, so dass dieses Kältemittel auf eine definierte Temperatur vorgekühlt wird. Auf diese Weise kann auf einen der Wärmetauscher verzichtet werden. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit die Temperatur des Kältemittels durch Wahl der Länge der Kontaktfläche der Transferleitung mit dem Regenerator individuell anzupassen.

Dies lässt sich besonders gut realisieren, wenn der gemeinsame Refrigerator ein Pulsrohrkühler ist. Das Anbringen der Transferleitungen an das fest stehende Regeneratorrohr eines Pulsrohrkühlers und somit auch der Temperaturaustausch wird hierdurch erheblich vereinfacht, verglichen mit einem sich bewegenden Regenerator bei einem Gifford-McMahon-Kühlers, bei dem eine derartige Anordnung nur schwer realisierbar wäre.

Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Spektrometers enthält der Kryostat einen Heliumtank und ein im Heliumtank angeordnetes und in einen der Kühlkreisläufe integriertes Joule-Thomson-Ventil. In diesem Joule-Thomson-Ventil kühlt der Heliumstrom zu Kühlung des Heliumtanks durch adiabatische Entspannung weiter ab und verflüssigt sich teilweise. Die Temperatur nach der Entspannung ist niedriger als die Temperatur der zweiten Stufe des Refrigerators, beispielsweise 6 Kelvin am Refrigerator und 4.2K nach dem Joule-Thomson-Ventil. Die zweite Stufe des Refrigerators kann durch diese Temperaturerhöhung wesentlich mehr Leistung aufnehmen als bei einer Abkühlung des Kühlmittels auf 4.2K ohne Joule-Thomson-Ventil (100–300%). Der NMR-Probenkopf benötigt im unteren Temperaturbereich üblicherweise mehr Leistung als der Heliumtank des Kryostaten. Zudem ist es nicht nötig den NMR-Probenkopf bis auf 4.2K abzukühlen. Durch das Joule-Thomson-Ventil kann die Leistung der zweiten Stufe auf zwei Temperaturniveaus aufgespaltet werden, die Effektivität des Gesamtsystems verbessert sich hierdurch erheblich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das den Kaltkopf und die Wärmetauscher enthaltende Gehäuse oberhalb des Kryostaten angeordnet ist. Durch die Schwerkraft und die Eigenkonvektion des Kältemittels kann mit dieser Anordnung auf eine Pumpe zum Umwälzen des Kältemittels und die zugehörigen Ventile verzichtet werden. Dadurch wird ein zusätzlicher Wärmeeintrag durch den Betrieb einer Pumpe vermieden und die Effizienz der Gesamtapparatur erhöht.

Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn der Kompressor des Refrigerators zusätzlich mindestens einen der Kühlkreisläufe antreibt.

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.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung;

2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 1 mit einem gemeinsamen Leitungsabschnitt der Transferleitungen;

3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem mit Stickstoff betrieben Kühlkreislauf, und einem in einen der Kühlkreisläufe integriertem Joule-Thomson-Ventil; und einer Vorkühlung des Kühlmittels entlang des Regenerators der zweiten Stufe des Refrigerators; und

4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Kühlkreisläufe zur Kühlung des NMR-Probenkopfs.

In den nachfolgend erläuterten Figuren sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen NMR-Spektrometers mit den zugehörigen Kühlkreisläufen 1a, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b, 3a, 3b gezeigt. Das NMR-Spektrometer umfasst des Weitern einen Kryostaten, einen NMR-Probenkopf 4 und ein separates, evakuiertes und wärmeisolierten Gehäuse 5, in dem sich ein Kaltkopf 6 eines Refrigerators, der vorzugsweise als Pulsrohrkühler ausgebildet ist, befindet, um einen Wärmeintrag durch Konvektion und Gaswärmeleitung zu verhindern. Die Isolation gegen Wärmestrahlung ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Die wesentlichen Bestandeile des Kryostaten sind ein Außenmantel 7 und ein Heliumtank 8, der einen supraleitenden Magneten sowie flüssiges Helium (4,2K) enthält, ein Stickstofftank 9, in dem sich flüssiger Stickstoff befindet, sowie ein oder mehrere Halsrohre 10, die den Heliumtank 8 mit dem Außenmantel 7 verbinden. Auch der Stickstofftank 9 weist ein oder mehrere solcher Halsrohre 11 auf.

Im NMR-Probenkopf 4 befinden sich der Resonator 12 und der Vorverstärker 13. Der Transport der Kältemittel erfolgt jeweils durch vakuumisolierte Transferleitungen 14, 15. Diese Leitungen 14, 15 können mehrere Meter lang sein und sind hier stark verkürzt dargestellt. Es gibt sehr viele verschiedene Beschaltungen des NMR-Probenkopfs 4. Diese sind in US 5 889 456 dargestellt. In den hier dargestellten Varianten wird immer die einfachste Beschaltung verwendet.

Um den NMR-Probenkopf 4 zu kühlen beziehungsweise um im Stickstofftank 9 beziehungsweise Heliumtank 8 verdampfende Gase zu rekondensieren, sind bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäß NMR-Spektrometers drei Kühlkreisläufe 1a, 2a, 3a dargestellt. Kühlkreislauf 1a versorgt den NMR-Probenkopf 4, Kühlkreislauf 2a, den Stickstofftank 9 und Kühlkreislauf 3a den Heliumtank 8 des Kryostaten mit Kältemittel. Ein Kompressor 16 verdichtet das als Kühlmittel verwendete Helium für den Kaltkopf 6 und die Kühlkreisläufe 1a, 2a des NMR-Probenkopfs 4 und des Stickstofftanks 9 des Magnetkryostaten. Ein zweiter Kompressor beziehungsweise eine Pumpe 17 treibt den Kühlkreislauf 3a für den Heliumtank 8 des Magnetkryostaten an. Dies ist notwendig, da der Druck auf der Niederdruckseite des ersten Kompressors 16 (üblicherweise ca. 5 bar) über dem kritischen Druck von Helium liegt und somit die Aufrechterhaltung eines Vorrats mit flüssigem Helium im Heliumtank 8 nicht möglich wäre. Die Durchflussrate der Kühlkreisläufe 1a, 2a, 3a wird durch Ventile 18, 19, 20 reguliert.

Kühlkreislauf 1a des NMR-Probenkopfs 4:

Zur Kühlung des NMR-Probenkopfs 4 tritt ein Kältemittel (hier He-Gasstrom) nach dem Kompressor 16 mit Raumtemperatur in das Gehäuse 5 ein und wird in einem Wärmetauscher 21 im Gegenstrom mit den abströmenden Gasen aus dem NMR-Probenkopf 4 und der Stickstoffkühlung vorgekühlt. In den an die erste Stufe 22 und die zweite Stufe 23 des Kaltkopfs 6 angeschlossenen Wärmetauschern 24, 25 wird das Kältemittel weiter abgekühlt und verflüssigt. Das als Kältemittel verwendete Helium hat dann eine Temperatur von etwa 4,2K. Nach Durchströmen der Transferleitung 14a wird das Helium im Resonator 12 und anschließend im Vorverstärker 13 auf ca. 70–90K erwärmt und kühlt den NMR-Resonator 12 auf ca. 6–20K, sowie den Vorverstärker 13 auf ca. 70K ab. Durch die Transferleitung 14b wird das Kältemittel zurück in das Gehäuse 5 geleitet. Dort vereint es sich mit dem Kühlgas der Stickstoffkühlung aus dem Kühlkreislauf 2a und wird anschließend im Wärmetauscher 21 auf knapp unter Umgebungstemperatur (ca. 290K) erwärmt und in den Kompressor 16 zurückgeleitet.

Kühlkreislauf 2a des Stickstofftanks 9:

Im Kühlkreislauf 2a tritt ein Kühlmittelstrom (hier: He-Gasstrom) nach dem Kompressor 16 mit Raumtemperatur (ca. 300K) in das Gehäuse 5 ein und wird im Wärmetauscher 21 im Gegenstrom mit den abströmenden Gasen aus NMR-Probenkopf 4 und Stickstoffkühlung vorgekühlt und in den an die erste Stufe 22 des Kaltkopfs 6 angeschlossenen Wärmetauscher 24 weiter abgekühlt auf eine Temperatur unterhalb von 77K (vorzugsweise ca. 55K). Nach Durchströmen der Transferleitung 15 durchläuft das Helium einen Wärmetauscher 26. Der Wärmetauscher 26 befindet sich im Stickstoffgas und soll gasförmigen Stickstoff wieder verflüssigen. Das Kältemittel des Kühlkreislaufs 2a nimmt Wärme vom Stickstofftank 9 auf und strömt wieder durch die Transferleitung 15 zurück in den Gehäuse 5. Dort vereint es sich mit dem Kühlgas der NMR-Probenkopf-Kühlung aus dem Kühlkreislauf 1a und wird anschließend im Wärmetauscher 21 auf knapp unter Umgebungstemperatur erwärmt und in den Kompressor 16 zurückgeleitet.

Kühlkreislauf 3a des Heliumtanks 8:

Für den Kühlkreislauf 3a wird abdampfendes Helium aus dem Heliumtank 8 umgepumpt. Der He-Gasstrom tritt nach der Pumpe 17 mit Raumtemperatur in das Gehäuse 5 ein, wird im Wärmetauscher 24 vorgekühlt und im Wärmetauscher 25 weiter abgekühlt und verflüssigt (ca. 4,2K). Nach Durchströmen der Transferleitung 15 strömt das Helium flüssig in den Heliumtank 8. Das aus dem Heliumtank verdampfend Heliumgas entweicht durch das Halsrohr 10, erwärmt sich auf Raumtemperatur und wird zur Pumpe 17 zurückgeleitet. Das aus dem Heliumtank 8 abdampfende Helium kann zusätzlich auch zur Kühlung eines Strahlungsschildes oder der Halsrohre 10 dienen.

2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Spektrometers, bei der die in 1 getrennten Transferleitungen 14a, 14b, 15 einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 27 aufweisen. Hierdurch wird es ermöglicht, die Transferleitungen derart anzuordnen, dass auf einem Großteil der Gesamtlänge der Transferleitungen 14a, 14b, 15 die wärmeren Abschnitt der Kühlkreisläufe die kälteren gegenüber der Raumtemperatur abschirmen können. Dies kann beispielsweise durch eine koaxiale Anordnung der Transferleitungen 14a, 14b, 15 erfolgen, oder durch eine geeignet Anordnung von Strahlungsschilden, welche die Transferleitung auf dem niedrigsten Energieniveau umschließt. Auf diese Weise kann der Transfer der Kältemittel über die Strecke zwischen dem Gehäuse 5 und dem Kryostaten beziehungsweise zwischen dem Gehäuse 5 und dem NMR-Probenkopf 4 mit minimalen Temperaturverlusten realisiert werden.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäß NMR-Spektrometers mit gegenüber in 1 modifizierten Kühlkreisläufen 1b, 2b, 3b

Kühlkreislauf 1b des NMR-Probenkopfs 2:

Wie bereits bei der in 1 gezeigten Ausführungsform tritt hier der He-Gasstrom nach dem Kompressor 16 mit Raumtemperatur in das Gehäuse 5 ein und wird im Wärmetauscher 21 im Gegenstrom mit den abströmenden Gasen aus der NMR-Probenkopf 4 vorgekühlt und anschließend in dem, an der ersten Stufe 22 des Kaltkopfs 6 angeschlossenen Wärmetauscher 24 abgekühlt. Das Kältemittel wird dann durch einen an der zweiten Stufe 23 des Kaltkopfs 6 angeschlossenen Wärmetauscher 28 weiter abgekühlt. Der Wärmetauscher 28 ist dabei mit dem Regeneratorrohr der zweiten Stufe 23 des Kaltkopfs 6 verbunden und führt das Helium nicht bis zum kalten Ende der zweiten Stufe 23 des Kaltkopfs 6 sondern lediglich bis zu einer Stelle, an der das Kältemittel die Temperatur aufweist, welche für die Kühlung des NMR-Probenkopfs 4 geeignet ist. Nach Durchströmen der Transferleitung 14a wird das Helium im Resonator 12 und anschließend im Vorverstärker 13 auf ca. 70–100K erwärmt und wieder durch die Transferleitung 14b zurück in das Gehäuse 5 geleitet. Dort wird es im Wärmetauscher 21 auf knapp unter Umgebungstemperatur erwärmt und in den Kompressor 16 zurückgeleitet. Durch die frei wählbare Länge der Kontaktfläche des Kältemittels mit dem Regeneratorrohr ist es möglich die Vorkühltemperatur des Kältemittels auf die gewünschte Anwendung zu optimieren. Eine derartige Temperatureinstellung ist jedoch nur bei einer externen Anordnung des Refrigerators möglich, wie in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen. Mit einem im Kryostaten integrierten Refrigerator wäre dies wegen des begrenzten Platzangebots nicht realisierbar.

Kühlkreislauf 2b des Stickstofftanks 9:

Bei dem in 2 gezeigten Kühlkreislauf 2b wird zur Kühlung des Stickstofftanks 9 ein Stickstoff-Gasstrom verwendet. Der Stickstoff-Gasstrom tritt nach einer Pumpe 29 auf Raumtemperatur in das Gehäuse 5 ein und wird im Wärmetauscher 24 abgekühlt und verflüssigt. Nach Durchströmen der Transferleitung 15 strömt der flüssige Stickstoff in den Stickstofftank 9 und verdampft dort durch die in den Stickstofftank eingebrachte Wärmeenergie, verlässt den Magnetkryostaten durch das Halsrohr 11 und strömt zur Pumpe 29 zurück. Der Massenstrom wir durch Ventil 30 eingestellt. Durch die Verwendung von Stickstoff als Kältemittel erfolgt der Transfer des Kältemittels durch die Transferleitung 15 im flüssigen Zustand. Hierdurch wird die durchschnittliche Übertagungstemperatur der Kälteleistung erhöht und somit ein besserer Wirkungsgrad erreicht. kann der Verbrauch von teurem Helium reduziert werden. Allerdings wird zum Umpumpe des Stickstoff eine zusätzliche Pumpe 29 und ein Ventil 30 benötigt.

Kühlkreislauf 3b des Heliumtanks 8:

Wie bereits mit dem Kühlkreislauf 1b beschrieben, kann auch das für den Kühlkreislauf 3b benötigte Helium-Gas nach einer Vorkühlung durch den Wärmetauscher 24 durch einen mit der zweiten Stufe 23 des Kaltkopfs 6 verbundenen Wärmtauscher 31 auf eine definierte Temperatur abgekühlt und verflüssigt werden. Nach Durchströmen der Transferleitung 15 wird das flüssige Helium durch ein Joule-Thomson-Ventil 32 in den Heliumtank 8 expandiert und verdampft dort. Anschließend strömt das Heliumgas durch das Halsrohr 10, erwärmt sich auf Raumtemperatur und wird in zur Pumpe 17 zurückgeleitet. Die Expansion des Helium-Gases durch das Joule-Thomson-Ventil 32 bewirkt, dass dem im Heliumtank befindlichem Helium zusätzlich Wärme entzogen wird und somit die Kühlleistung des Kühlkreislaufs 3b erhöht wird. Für den Kühlkreislauf 3b könnte somit theoretisch ein leistungsschwächerer Refrigerator verwendet werden. In der Praxis nutzt man die derart gewonnene Kühlleistung dazu, dem Kühlkreislauf 1b des NMR-Probenkopfs mehr Leistung zuzuführen. Darüber hinaus nimmt auch der Kompressor für das Joule-Thomson-Ventil 32 wesentlich weniger Leistung (kleiner 10%) als der Kompressor des Refrigerators auf.

4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Spektrometers, bei welcher der Resonator 12 und der Vorverstärker 13 des NMR-Probenkopfs 4 mittels zweier separater Kühlkreisläufe 1c, 1d gekühlt werden.

Kühlkreislauf 1c des Vorverstärkers 13:

Analog zum Kühlkreislauf 2a des Stickstofftanks 9 tritt das Kühlmittel nach dem Kompressor 16 mit Raumtemperatur in das Gehäuse 5 ein und wird im Wärmetauscher 21 im Gegenstrom mit den abströmenden Gasen aus NMR-Probenkopf 4 und Stickstoffkühlung vorgekühlt und in den an die erste Stufe 22 des Kaltkopfs 6 angeschlossenen Wärmetauscher 24 auf eine Temperatur unterhalb von 77K (vorzugsweise ca. 55K) abgekühlt. Eine weitere Abkühlung des Kältemittels findet innerhalb des Kühlkreislaufs 1c jedoch nicht statt. Für diesen Kühlkreislauf 1c würde sich daher Stickstoff als Kältemittel eignen, das sich Stickstoff bei dieser Temperatur bereits im flüssigen Zustand befindet. Nach Durchströmen der Transferleitung 4b wird das Kältemittel im Vorverstärker 13 auf ca. 70–100K erwärmt und wieder durch die Transferleitung 14b zurück in das Gehäuse 5 geleitet. Dort wird es im Wärmetauscher 21 auf knapp unter Umbebungstemperatur erwärmt und in den Kompressor 16 zurückgeleitet.

Kühlkreislauf 1d des Resonators 12:

Da für die Kühlung des Resonators 12 tiefere Temperaturen benötigt werden als für die Kühlung des Vorverstärkers 13, wird das Kältemittel nach Durchlaufen des mit der ersten Stufe 22 des Kaltkopfs 6 verbundenen Wärmetauschers 24 in einem weiteren Wärmetauscher 33 durch den Rückstrom des Kältemittels auf ca. 18K, und in einem mit dem Regeneratorrohr verbundene Wärmetauscher 34 auf die gewünschte Temperatur von ca. 6K abgekühlt, bevor es durch die Transferleitung 14a zum Resonator 12 gelangt. Der Rückstrom des Kältemittels erfolgt durch die Transferleitung 14a und die auf höheren Temperaturniveaus befindlichen Wärmetauscher 24, 21, so dass das Kältemittel beim Rückfluss zum Kompressor 16 Wärme von den zufließenden Kältemitteln aufnehmen kann.

Die Kühlung des Stickstofftanks erfolgt in dem in 4 dargestellten NMR-Spektrometer analog zum Kühlkreislauf 2a aus 2, der Kühlkreislauf 3b des Heliumtanks dagegen entspricht dem aus 3.

Die Merkmale der einzelnen Kühlkreisläufe 1a, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b, 3a, 3b können selbstverständlich auf verschiedene Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere kommen die Vorteile aller Ausführungsformen der Erfindung besonders gut zur Geltung, wenn die Transferleitungen 14a, 14b, 15 einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 27 aufweisen, wie in 2 beispielhaft dargestellt, da auf diese Weise eine besonders effektive Kühlmittelübertragung realisiert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt aufgrund der externen Unterbringung des Refrigerators ein äußerst störungsfreies System dar. Da sich der Refrigerator in relativ großer Entfernung vom Arbeitsvolumen des NMR-Spektrometers befindet, werden sowohl mechanische als auch magnetische Störungen, die beispielsweise vom Regeneratormaterial ausgehen können, nicht auf das Magnetspulensystem übertragen. Die Wahl des Regeneratormaterials ist dadurch erheblich weniger eingeschränkt und kann nach Gesichtspunkten der Kühleroptimierung gewählt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann daher neben einer effektiven Kühlung eine gute Homogenität des Magnetfelds innerhalb des Arbeitsvolumens des NMR-Spektrometers erreicht werden. Ebenso ist es bei der erfindungsgemäßen externen Anordnung aufgrund der entspannten geometrischen Randbedingungen möglich, die Form und das Ausmaß des Regeneratorrohrs im Prinzip frei zu wählen, wohingegen bei einem in einem Kryostaten integrierten Refrigerator immer ein Kompromiss zwischen Kühlleistung und räumlicher Ausdehnung des Refrigerators gefunden werden muss. Das erfindungsgemäße NMR-Spektrometer realisiert die Kühlung des NMR-Probenkopfs und der Flüssigkeitstanks im Kryostaten mit einem einzigen vom, Kryostaten entfernt angeordneten Refrigerator. Die Einsparung von Gerätekomponenten auf der einen Seite und die Flexibilität der Anordnung der zur Verfügung stehenden Wärmetauscher, deren Temperaturniveaus auf die benötigten Kühltemperaturen optimiert werden können, auf der anderen Seite, erlauben eine höchst effektiven Ausnutzung der Kühlleistung des Refrigerators.

1a, bKühlkreislauf NMR-Probenkopf 1cKühlkreislauf Vorverstärker 1dKühlkreislauf Resonator 2a, bKühlkreislauf Stickstofftank 3a, bKühlkreislauf Heliumtank 4NMR-Probenkopf 5Gehäuse 6Kaltkopf 7Außenmantel 8Heliumtank 9Stickstofftank 10Halsrohr im Heliumtank 11Halsrohr im Stickstofftank 12Resonator 13Vorverstärker 14a, bTransferleitungen NMR- Probenkopf 15Transferleitung Kryostat 16Kompressor 17Pumpe 18Ventil 19Ventil 20Ventil 21Wärmetauscher 22erste Stufe vom Kaltkopf 23zweite Stufe vom Kaltkopf 24Wärmetauscher (erste Stufe 55K) 25Wärmetauscher (zweite Stufe 4,2K) 26Wärmetauscher (Stickstofftank) 27Leitungsabschnitt 28Wärmetauscher (12K) 29Pumpe 30Ventil 31Wärmetauscher (4,2K) 32Joule-Thomson-Ventil 33Wärmetauscher (18K) 34Wärmetauscher (6K)

Anspruch[de]
  1. NMR-Spektrometer mit einem im Heliumtank (8) eines Kryostaten angeordneten Magnetspulensystem und mit einem in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten angeordneten NMR-Probenkopf (4), der einen gekühlten HF-Resonator (12) zum Empfang von NMR-Signalen aus einer zu untersuchenden Probe enthält, wobei der Heliumtank (8) und der NMR-Probenkopf (4) durch einen gemeinsamen mehrstufigen, Kompressor-betriebenen Refrigerator gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Refrigerator einen Kaltkopf (6) und mehrere Wärmetauscher (21, 24, 25, 28, 31, 33, 34) auf unterschiedlichen Temperaturniveaus umfasst, wobei der Refrigerator im räumlichen Abstand zum Kryostaten in einem separaten, evakuierten und wärmeisolierten Gehäuse (5) angeordnet ist, und dass mehrere Kühlkreisläufe (1a, 1b, 1c 1d, 2a, 2b, 3a, 3b) mit thermisch isolierten Transferleitungen (14a, 14b, 15) zwischen dem die Wärmetauscher (21, 24, 25, 28, 31, 33, 34) enthaltenden Gehäuse (5) und dem Kryostaten sowie zwischen dem Gehäuse (5) und dem NMR-Probenkopf (4) vorgesehen sind.
  2. NMR-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch isolierten Transferleitungen (14a, 14b, 15) der Kühlkreisläufe (1a, 1b, 1c 1d, 2a, 2b, 3a, 3b) einen gemeinsamen thermisch isolierten Leitungsabschnitt (27) aufweisen, der mindestens 50%, insbesondere mindestens 70%, vorzugsweise etwa 90%, der Gesamtlänge der Transferleitungen (14a, 14b, 15) umfasst.
  3. NMR-Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnitts (27) die Transferleitung, die sich auf dem niedrigsten Energieniveau befindet, von mindestens einem Strahlungsschild, das sich auf einem höheren Energieniveau befindet, thermisch abgeschirmt wird.
  4. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferleitungen (14a, 14b, 15) koaxial angeordnet sind.
  5. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferleitungen (14a, 14b, 15) schwingungsdämpfende Bauteile zur Entkopplung von Refrigerator und NMR-Probenkopf (4) beziehungsweise von Refrigerator und Kryostat aufweisen.
  6. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (5) und dem Kryostaten zwei Kühlkreisläufe (2a, 2b, 3a, 3b) vorgesehen sind, von denen sich ein Kühlkreislauf (2a, 2b) auf einem Temperaturniveau von etwa 77K befindet.
  7. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (5) und dem NMR-Probenkopf (4) zwei Kühlkreisläufe (1a, 1b, 1c, 1d) vorgesehen sind, von denen sich ein Kühlkreislauf (1c) auf einem Temperaturniveau von etwa 77K befindet.
  8. NMR-Spektrometer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkreisläufe (2a, 2b, 1c), die sich auf einem Temperaturniveau von etwa 77K befinden, mit flüssigem Stickstoff (=LN2) als Kältemittel betrieben werden.
  9. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich einer der Kühlkreisläufe (3a, 3b) zwischen dem Gehäuse (5) und dem Kryostaten auf einem Temperaturniveau von etwa 4K befindet und mit flüssigem Helium (=LHe) als Kältemittel betrieben wird.
  10. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Refrigerator einen Regenerator aufweist, an dem mindestens ein Kältemittel entlang geführt wird, so dass dieses Kältemittel auf eine definierte Temperatur vorgekühlt wird.
  11. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Refrigerator ein Pulsrohrkühler ist.
  12. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat einen Heliumtank (8) und ein im Heliumtank (8) angeordnetes und in einen der Kühlkreisläufe integriertes Joule-Thomson-Ventil (32) enthält.
  13. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Kaltkopf (6) und die Wärmetauscher (21, 24, 25, 28, 31, 33, 34) enthaltende Gehäuse (5) oberhalb des Kryostaten angeordnet ist.
  14. NMR-Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (16) des Refrigerators zusätzlich mindestens einen der Kühlkreisläufe (1a, 1b, 1c 1d, 2a) antreibt.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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