Brevet FR2491601A1 — publié le 19820409

L'invention concerne un cryostat pour un ai- mant supraconducteur dans un appareil médicinal, qui tourne de 3600 autour de son axe vertical sur un bras porteur9 tandis que son axe horizontal tourne dans un plan horizontalyet qui est susceptible de pivoter autour de son axe horizontal d'au moins 1300 depuis une position au-dessus du plan horizontal dans une position au-dessous du plan horizontal ou vice-versa, appareil dans lequel l'aimant est disposé dans un conteneur d'hélium liquide, entouré dune protection thermique et d'un boiter sous vide, qui est fixé au-dessus de l'axe horizontal sur le bras porteur, appareil dans lequel circulent les canalisations d'alimentation et dtévacuation du du système de refroidissement. Les aimants contenus dans les cryostats sont adaptés par exemple à la mise en place de sondes, et de matériaux magnétiques dans le corps humain (regulateurs cardia ques, ferrosilicium), et sont mis en oeuvre en salles d'opéra- tions. L'installation précitée prévue à cet effet est déJà décrite dans s'annuel Report, Massachusetts Institute of Technology, Francis Bitter National Laboratory, Août 1973". Cette installation présente toutefois l'inconvénient que le cryostat est relié à une alimentation en fluide réfrigérant et à une alimentation en courant par l'intermédiaire de longues canalisations souples ondulées, ce qui diminue entre autres considérablement la mobilité de l'installation, et ce qui aboutit à une consomma- tion élevée de fluide réfrigérant0 La grande distance entre le cryostat et le réservoir auquel il est relié par l'intermédiaire d'une canalisation d'hélium liquide entraînant toujours comme le confirme l'expérience, une perte élevée, rend l'exploitation du réfrige rateur dans le cadre du domaine d'intervention presque impossible et constitue une gêne importante lors du fonctionnement en salle d'opération. Le but de l'invention est en conséquence de créer un cryostat pour un aimant du type précité, qui permette la mise en oeuvre de l'aimant pendant au moins deux heures dans chaque position, d'une façon absolument exempte de perturbations, correcte du point de vue opérationnel et avec un mourant fonctionnel maximal A cet effet, l'invention concerne un cryostat caractérisé en ce que le système de canalisations du fluide réfrigérant depuis un réservoir d'hélium liquide jusqu'au conteneur d'hélium liquide pour l'aimant, est dévié dans le bras porteur et par l'intermédiaire du palier de pivotement dans l'axe hori zontal, le réservoir d'hélium liquide étant monté au-dessus du bras porteur et étant susceptible de tourner avec celui-ci autour de l'axe vertical. D'autres caractéristiques de l'invention permettent d'envisager d'autres ormes avantageuses du cryostat défini ci-dessus0 Le cryostat conforme à l'invention peut être déplacé même à plein débit sans difficulté dans toutes les dia rections et sans altérer le refroidissement de l'aimants Toute- lois, à une rotation autour de l'axe horizontal, est associée une modification du niveau de l'hélium qui doits bien entendu, ête compensé, La régulationdu niveau de l'hélium est tout à fait sans problème et peut s'effectuer de façon complètement automatique.Cela aboutit9 comme décrit dans une réalisation avantageuse de l'invention, à un refroidissement forcé, la pompe d'hélium liquide devai' être alors conque de façon qu'elle ne complique pas l'ensemble de l'appareil et n'en augmente pas l'encombrement. L'évacuation du gaz et également l'alimenta- tion en courant, sont éloignées autant que possible du cryostat, car l'installation électrique ne doit pas apporter une gêne dans la salle d'opéraion, et il ne doit pas y avoir dans cette salle de la glace et donc de l'eau de condensation. On prend en conséquence soin, conformément à l'invention, que la canalisation d'é vacation de gaz avec le cible d'alimentation en courant, passe par une traversée de rotation.Le gaz d'échappement est également disponible pour la protection de la canalisation d'alimentation en hélium0 Ceci est également valable pour un fonctionnement en circuit continuO Pour un cycle (refroidissement de l'ensemble de l'appareil et remplissage du réservoir), 30 à 40 litres d'hélium à peu près sont utilisés. Jusqu'd maintenant cet hélium se perd dans l'exploitation de la clinique faute de conteneurs pour le recevoir.Comme on ne peut pas considérer que les frais correspondants sont sans importance le système de refroidisse ment avec fonctionnemens en réf r:îgérateur, est partaculièrement judicieux0 Bn outrez seul un tel système de refroidissement; fermé,sans perte d'hiliumapeut être vraisemblablement être rendu si simple en ce qui concerne sa manoeuvre qu'il a une chance de pouvoir tre mis en oeuvre en salle d'opération. La vapeur chaude d'hélium prenant naissance dans la canalisation d'alimentation n'est sans danger pour la supraconductivité de l'aimant que lorsque le cryostat fonctionne de façon continue, quelque peu en "trop plein'0Ceci entraine d'importantes pertes d'hélium supplémentaires.Ces pertes peuvent entre fortement réduites par la fourniture d'une faible quantité d'hélium liquide (- prolongement de la durée de fonctionnement) La fraction gazeuse chaude, susceptible d'amener des perturbations, dans l'alimentation en hélium, est déviée par le séparateur de phases déjà avant lten- trée dans le conteneur d'hélium liquide et ne peut plus influetl- cer la température du bain d'hélium (=élévation de la durée de fonctionnement)0 L'invention va être expliquée plus en détail en se référant à un exemple de réalisation représenté sur la figure unique ci-jointe qui est une coupe du cryostat avec suspensions Le cryostat 1 pour l'aimant 2 a comme dimensions 130 x 50 x 50 mm. L'aimant 2 est prévu pour la mise en place de sondes et de matériaux magnétiques dans le corps hu- main (régulateurs cardiaques, ferrosilicîum), et est mis en oeuvre dans une salle d'opération0 La partie 3 de la surface du cryostat peut entre placée directement sur la surface du corps, pour obtenir une profondeur de pénétration du champ magnétique aussi grande que possible, sans dans ce cas, genet la possibilité de manipulation par l'extension latérale, le support,ainsi que les canalisations d'alimentation0 Le cryostat 1 est constitué en principe de trois conteneurs, le conteneur d'hélium 4 avec l'aimant 2, une protection en cuivre 5 entourant le conteneur d'hélium 4 à une certaine distance et le conteneur sous vide 7 qui entoure lten- semble. La surface 3 de ce conteneur sous vide est amenée audessus du patient0 Chaque conteneur interne est fixé dans le conteneur qui l'entoure par l'intermédiaire d'appuis 6 en forme de pointes (par exemple trois pièces en matière plastique dans chaque cas). Les paliers 6 sont constitués de billes et de cu vettes.Le déplacement latéral ou bien le déplacement vers le haut est empêché au moyen de coins 8 fun seul placé entre le conteneur d'hélaum 4 et la protection 5 est visible sur le des sin), qui sont enfoncés dans l'espace intermédiaire entre les conteneurs 4 et 5 ou bien 5 et 7. La protection en ouivre 5 est une protection thermique, ce qui est obtenu par l'enroulement en forme d'hélice de la canalisation d'évacuation de gaz hélium 9 sortant du conteneur d'hélium 4 sur la surface de la protection thermique 5. Le cryostat 9 luiFmbme est susceptible de pivoter dans deux paliers de pivotement 10 et 11 autour d'un axe horizontal 12 à partir d'une position au-dessous (par exem- ple - 450) du plan circulaire, qui est décrit par la rotation de l'axe horizontal 12 perpendiculairement au plan de la figure autour d'un axe vertical 13, jusque dans une position se situant au-dessus de ce plan (par exemple + 90 ), ou bien vice versa. Les deux paliers 10 et Il qui sont, d'un obté reliés au conte neur sous vide 7, sont placés dans les deux bras porteurs d'un support 14 en forme de joug. Ce support 14 lui-même est fixé dans un palier 15 de façon à pouvoir tourner de 3600 autour de l'axe vertical 13e Alors que le palier 10 peut remplir exclusi- vement des fonctions de support, le palier 11 entoure en outre la canalisation d'alimentation d'hélium liquide, ou encore un séparateur de phases 16.Ce séparateur de phases 16 est constitué d'un c8ne creux avec une pointe aplatie 179 A travers la pointe 17 la canalisation d'alimentation en hélium liquide 18 aboutit au conteneur d'hélium 4 et remplit toujours celui-ci juste audessous du milieu de son volume.Le tube d'évacuation de gaz hélium 9 traversant le couvercle du conteneur d'hélium 49 s'étend par contre jusqu'au milieu de ce volume Sa position, et celle de la surface de l'hélium liquidez sont déterminées de telle sorte que l'aimant 2 reste toujours supraconducteur dans toute position du cryostat 1 et qu'il n'arrive pas d'hélium liquide dans le tube d'évacuation de gaz 9o La canalisation d'alimenta- tion 18 en hélium liquide et le séparateur de phases 16, sont également construits et conçus de façon à ne pas amener de gaz hélium dans l'enceinte de l'aimant. L'arrivée de l'hélium liquide dans le séparateur de phases 16 ou bien jusqu'à l'aimant 2 s'effectue à partir d'un réservoir d'hélium liquide 19, lequel treprésenté a échelle réduite) est disposé aundessus de la traversée 15 et joug ou bien du bras porteur 14e Le réservoir 199 de façon analegue wu conteneur d hélium 4, est placé dans une protection thermique 21 et dans un, conteneur de protection ou conteneur sous s.ìde-22 entourant l1un et l'autre9 qui est fixé à la traversée rotative au moyen de la liaison par collerette 200 Le positionnement des conteneurs 19, 21 et 21, 22 les uns par rapport aux autres, s'ef- fectue à nouveau au moyen d'appuis 23 en forme de pointes.La protection thermique 21 est refroidie par la canalisation d'éva- cuation de gaz hélium 24 qui l'entoure sous forme d'hélice après sa sortie du réservoir 190 Le réservoir 19 continent à peu près 15 litres d'hélium liquide, comporte une tubulure 25 pur le remplissage de l'hélium et une soupape électromagnétique ou soupape de régulation 26 (système 41) grâce à laquelle l'arrivée de l'hélium liquide au séparateur de phases 16 peut être réglée. La canalisation d'alimentation 27 en hélium est entourée d'une super-isolation 28 (seulement indiquée), et aboutit au séparateur de phases 16 en passant par la liaison 20 par collerette, par la traversée rotative 15 ainsi que par l'un des bras porteurs 14. Au voisinage du séparateur de phases 16, la canalisation d'alimentation 27 revit la forme d'un tube hélicoïdal flexible 29 (tube ondulé), qui entoure le séparateur de phases 16 et qui permet ainsi les déplacements en rotation du palier 11 ou bien du cryostat 1. Cette canalisation 27 débouche dans l'espace de gaz du séparateur de phases. L'hélium gazeux produit dans le conteneur 4 de l'aimant est évacué par l'intermédiaire de la canalisation de gaz d'échappement 9, refroidit au passage la protection +her- mique 5 et débouche également dans la partie de canalisation tubulaire 30 en forme d'hélice qui entoure le séparateur de pha. ses 16 en même temps que l'hélice tubulaire 29 de l'alimentation. La partie de canalisation tubulaire flexible 30 (tube ondulé) permet également ici des déplacements en rotation autour de l'axe horizontal 120 Elle se prolonge dans la canalisation d évacuation de gaz hélium 31 qui, comme la canali- sation d'alimentation 27, est placée à l'intérieur de la super- isolation 28 dans le bras porteur 140 Da canalisation d'évacua- tion 31 quitte toutefois la traversée rotative 15 au voisinage de la liaison par collerette 20, par l'intermédiaire d'une chambre collectrice 32 avec la soupape de réglage 33. le gaz hélium lui-même produit dans le séparateur de phases 16 est introduit par l'intermédiaire d'un perçage 34 dans le fond 35 du bottier du séparateur de phases 16, ainsi que par l'intermédiaire d'une canalisation 36, dans la partie de canalisation tubulaire 30 de la canalisation d'évacuation 9, 30, 31. Les câbles 37, 38 d'amenée et de départ du courant de l'aimant 2, sont placés en étant isolés à l'intérieur de la canalisation d'évacuation de gaz hélium, notannent dans les parties 30 et 31. La liaison entre l'aimant 2 ou encore le conteneur d'hélium liquide 4 et l'hélice tubulaire 30 sreffec- tue par une pie ce interniédiaire 39, isolante et assurant ltétar. cément, qui traverse par la voie la plus directe les parois des deux conteneurs d et 5, et qui reveut la forme d'un vissage ou d'un manchon 40. Dans la chambre collectrice 32 le courant de gaz évacué et les alimentations en courant 37, 38 sont à nou- veau séparé s. L'alimentation de l'hélium liquide par le palier de pivotement 11 peut également être prévue sans sépara tein de phases 16. il est également possible de prévoir un circuit d'hélium complètement fermé, un réfrigérateur condensant à nouveau le gaz se présentant au réservoir d'hélium liquide 19. Dans ce cas, la canalisation d'évacuation de gaz hélium 31 n'abandonne pas la traversée rotative 15 au-dessus de la chambre collectrice 32, mais est directement reliée au réfrigérateur. R E V E N D I C A T I O If S 1.- Cryostat pour un aimant supraconducteur dans un appareil médicinal, qui tourne de 3600 autour de son axe vertical sur un bras porteur, tandis que son axe horizontal tourne dans un plan horizontal,et qui est susceptible de pivoter autour de son axe horizontal d'au moins 1300 depuis une position au-dessus du plan horizontal dans une position au-dessous du plan horizontal ou vice-versa, appareil dans lequel l'aimant est disposé dans un conteneur d'hélium liquide, entouré d'une protection thermique et d'un boîtier sous vide, qui est fixé audessus de l'axe horizontal sur le bras porteur, appareil dans lequel circulent les canalisations d'alimentation et d'évacuation du système de refroidissement, cryostat caractérisé en ce que le système de canalisations (27, 31) du fluide réfrigérant depuis un réservoir (19) d'hélium liquide jusqu'au conteneur d'hélium liquide (4) pour l'aimant (2) est dévié dans le bras porteur (14) et par l'intermédiaire du palier de pivotement (10 ou 11) dans l'axe horizontal (12), le réservoir (19) d'hélium liquide étant monté au-dessus du bras porteur (14) et étant susceptible de tourner avec celui-ci autour de l'axe vertical (13). 2.- Cryostat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canalisations d'alimentation et d'évacuation (37, 38) sont déviées dans le circuit d'échappement (30, 31) d'hélium. 3.- Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le système de refroidissement est susceptible d'être établi sous la forme d'un refroidissement par bain ou bien d'un refroidissement forcé. 4. Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit d'échappement d'hélium (9, 30, 31) refroidit la protection thermique (5) sur la canalisation préliminaire (27) du système de refroidissement à l'hélium liquide. 5.- Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans la zone de la traversée de rotation horizontale (12) la canalisation prélimi- naire et le circuit d'échappement revetent la forme d'hélices (29, 30). 6.- Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un séparateur v nwnases (16) est disposé dans la canalisation prélilmlinaire (27) directenient avant l'orifice d'entrée (18) de l'hélium liquide dans le conteneur (4) d'hélium liquide.