(57)【要約】      （修正有）【課題】コールドヘッドステージからクライオスタット構造への検出可能な振動の入力をなくし、コールドヘッドと放射シールドとの間の熱接続の品質を良好にするクライオスタット構造を提供する。【解決手段】クライオスタット構造は、クライオクーラのコールドヘッド７の１つ以上のコールドステージ１１と１つ以上のネックチューブ４の接触面９との間にガスギャップ１３を配設し、ネックチューブ４の接触面９の各々を、固定の堅固な又はフレキシブルな熱橋１２により放射シールド８の１つに熱伝導可能に接続し、それぞれの放射シールド８からクライオクーラのコールドヘッド７の対応するコールドステージへの熱伝達をガスギャップ１３を通して行うことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウム容器（２）を収容する外側ジャケット（１）を備え、前記ヘリウム容器（２）を少なくとも２つのサスペンションチューブを介して前記外側ジャケット（１）に接続すると共にネックチューブに接続し、前記ネックチューブ（４）の上方温端（５）を前記外側ジャケット（１）に接続し、前記ネックチューブの下方冷端（６）を前記ヘリウム容器（２）に接続し、前記ネックチューブ（４）内にクライオクーラの多段コールドヘッド（７）を設け、前記外側ジャケット（１）、前記ヘリウム容器（２）、前記サスペンションチューブ（３）及び前記ネックチューブ（４）により真空スペースを画定し、前記ヘリウム容器（２）を少なくとも１つの放射シールド（８）により包囲し、前記放射シールド（８）を前記サスペンションチューブ（３）に熱伝導可能に接続すると共に前記ヘリウム容器（２）の前記ネックチューブ（４）の接触面（９）に熱伝導可能に接続した、液体ヘリウムを保持するクライオスタット構造であって、前記クライオクーラの前記コールドヘッド（７）の１つ以上のコールドステージ（１１）と１つ以上の前記ネックチューブ（４）の接触面（９）との間にガスギャップ（１３）を配設し、前記ネックチューブ（４）の接触面（９）の各々を、固定の堅固な又はフレキシブルな熱橋（１２）により前記放射シールド（８）の１つに熱伝導可能に接続し、それぞれの放射シールド（８）からクライオクーラのコールドヘッド（７）の対応するコールドステージへの熱伝達を前記ガスギャップ（１３）を通して行うことを特徴とするクライオスタット構造。
【請求項２】
前記クライオクーラがパルスチューブクーラであることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット構造。
【請求項３】
前記クライオクーラのコールドヘッド（７）の最低温コールドステージでヘリウムを４．２Ｋ以下の温度で液化できることを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット構造。
【請求項４】
第１コールドステージ上の前記クライオクーラの前記コールドヘッド（７）のチューブを熱絶縁材（１５）により包囲し、また必要であれば更なるコールドステージの領域における前記クライオクーラの前記コールドヘッド（７）のチューブを熱絶縁材（１５）により包囲したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項５】
前記ガスギャップ（１３）の幅を自由に調整できることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項６】
前記ガスギャップ（１３）を画定する対向する熱伝達面（９，１０）の面積を、フィンを設けることによって増大させることができることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項７】
前記クライオクーラの前記コールドヘッド（７）の前記コールドステージ（１１）に堅固に接続された低温側の熱伝達面（１０）を、高温側の熱伝達面（９）の上方に配置したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項８】
前記ガスギャップ（１３）で自然対流が起こるまで前記ガスギャップ（１３）の幅を増加させることができることを特徴とする請求項７に記載のクライオスタット構造。
【請求項９】
前記ガスギャップ（１３）を通るガスの流れを、熱伝達を向上させるように外部から強制することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項１０】
前記放射シールド又は複数の放射シールド（８）の１つが液体窒素を有する容器を含み、前記放射シールド（８）と前記クライオクーラの前記コールドヘッド（７）との熱的接続により、前記液体窒素が蒸発後に少なくとも部分的に再液化されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項１１】
電気ヒーター（１９）を前記窒素容器（１６）内に設け、又は前記窒素容器と接触して設けたことを特徴とする請求項１０に記載のクライオスタット構造。
【請求項１２】
電気ヒーターを前記ヘリウム容器（２）内に設け、又は前記ヘリウム容器と接触して設けたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項１３】
前記クライオスタット構造が超伝導磁石装置（２０）を含むことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のクライオスタット構造。
【請求項１４】
前記超伝導磁石装置（２０）が、磁気共鳴装置の一部、特に磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）又は核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）の一部であることを特徴とする請求項１３に記載のクライオスタット構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体ヘリウムを保持するクライオスタット構造に関し、このクライオスタット構造は、外側ジャケットと同ジャケット内に設置されたヘリウム容器とを備え、ヘリウム容器は少なくとも２つのサスペンションチューブを介して外側ジャケットに接続されると共にネックチューブに接続され、ネックチューブの上方温端は外側ジャケットに接続され、下方冷端はヘリウム容器およびクライオクーラの多段コールドヘッドに接続され、ヘリウム容器、サスペンションチューブ及びネックチューブにより真空スペースが画定され、ヘリウム容器は少なくとも１つの放射シールドにより包囲され、放射シールドはサスペンションチューブに熱伝導可能に接続されると共にヘリウム容器のネックチューブの接触面と熱伝導可能に接続されている。
【背景技術】
【０００２】
クライオスタット構造にクライオクーラのコールドヘッドを組み込む１つの可能性は、例えば２段コールドヘッドの第１コールドステージが放射シールドと堅固に接続されると共に第２コールドステージがヘリウム容器と熱伝導可能に直接に接続され又は固定の堅固なまたはフレキシブルな熱橋を介して接続されるように、２段コールドヘッドを別の真空チャンバ内に設置し（例えば特許文献１に記載の如く）またはクライオスタットの真空チャンバ内に直接設置することである（例えば特許文献２に記載の如く）。そして、外部からの入熱により蒸発したヘリウムをヘリウム容器の低温接触面上で再凝縮させることによりヘリウム容器への全体的な入熱を補償し、システムの無損失運転を実現することができる。欠点として、第２コールドステージとヘリウム容器との接続は一般には無視できない熱抵抗を有し、また、コールドステージの振動がヘリウム容器に伝わるおそれがある。
【０００３】
これらの欠点は、例えば特許文献３に記載されているように、クライオスタットの外部真空シェルとヘリウム容器との接続に供されヘリウムガスが充填されたネックチューブ内にコールドヘッドを挿入することにより回避することができる。２段コールドヘッドの第１コールドステージは放射シールドに固定的に且つ熱伝導可能に接触しており、第２コールドステージはヘリウム雰囲気内で自由懸垂状態にされ、蒸発したヘリウムを直接液化するものになっている。
【０００４】
コールドヘッドがヘリウムガスによって包囲されており、また、コールドヘッドとネックチューブの壁との間またはネックチューブのその他の構造エレメントとの間に温度差があるので、かなりの量の熱がガスの熱伝導および対流によりコールドヘッドに伝達されることになる。そこで、特許文献４−５は、コールドヘッドのチューブを断熱することを提案している。
【０００５】
上述のように、クライオクーラのコールドヘッドが、ヘリウム容器に接続されたネックチューブ内に直接設置されている場合には、コールドヘッドの第２コールドステージでの振動がヘリウム容器に伝達されることはない。従来、しかしながら、コールドヘッドの第１コールドステージと放射シールドとの間には一体の熱橋が用いられている。この熱接続は、できる限り「柔らか」にして振動伝達を最小にしなければならない。そのため、一般には、銅製またはアルミニウム製の薄い箔束又はワイヤブレードが用いられている。これらの振動低減手段は多くの文献に記載されている（例えば特許文献６−８）。その場合、振動伝達が弱い（細くて長いワイヤ）という要件は、熱伝達が良好である（太くて短いワイヤ）という要件と対立することになる。したがって、妥協点を見出さなければならないが、クライオクーラのコールドヘッドの振動がクライオスタットに伝わることを完全に防ぐことは不可能である。クライオスタットが極高感度の装置たとえば磁気共鳴分光装置の一部、特に、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置又は核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）の一部である場合、これが特に問題になる。
【特許文献１】米国特許第５，６１３，３６７号明細書
【特許文献２】米国特許５，５６３，５６６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／０００２８３０号明細書
【特許文献４】国際公開第０３／０３６２０７号パンフレット
【特許文献５】国際公開第０３／０３６１９０号パンフレット
【特許文献６】米国特許第５，１２９，２３２号明細書
【特許文献７】米国特許第５，３３１，７３５号明細書
【特許文献８】米国特許第５，３１７，８７９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、クライオクーラのコールドヘッドの全てのコールドステージとクライオスタット構造との熱接続をコールドステージの測定可能な振動がクライオスタット構造に伝わらないように設計したクライオスタット構造であって、それにもかかわらずコールドヘッドとクライオスタット構造との間の十分な熱伝達を保証するクライオスタット構造を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、本発明に従って、コールドヘッドの１つ以上のコールドステージと、固定の堅固な又はフレキシブルな熱橋を介して放射シールドに熱伝導可能に各々接続されたネックチューブの１つ以上の接触表面との間に配置されたガスギャップによって達成され、それぞれの放射シールドからの熱はガスギャップを通ってコールドヘッドの対応するコールドステージに導かれる。
【０００８】
したがって、放射シールドに伝達された熱をガスギャップを通してコールドヘッドに導くことにより、放射シールドからコールドヘッドのコールドステージへの熱伝達が行われる。本発明のクライオスタット構造は、クライオクーラのコールドヘッドのコールドステージと放射シールドとの間に固定接続がなく、コールドヘッドから放射シールドへの振動伝達が大幅に排除され、それにもかかわらずコールドヘッドと放射シールドとの間の良好な熱的接触を保証するものである。
【０００９】
特に、例えばクライオクーラのコールドヘッドを通って導入される小振動でさえもスペクトル品質にマイナスの影響を及ぼす高分解能ＮＭＲの場合、クライオクーラがパルスチューブクーラであることは有利である。パルスチューブクーラはこれが作動したときに生じる振動がきわめて小さいからである。原理的には、例えばギボード・マクマーンクーラなどのその他のクライオクーラを使用することもできる。
【００１０】
特に有利な仕方で最低温ステージでヘリウムを４．２Ｋ以下の温度で液化することができ、極低温領域での種々の用途に供給することができる。クライオスタット内で蒸発したヘリウムは、ネックチューブ内で自由懸垂状態のコールドステージで液化され、滴下してヘリウム容器に戻る。これによりヘリウムの損失及び再充填プロセスの回数が減少し、また、クーラの冷却能力が十分に大きければ無損失運転が可能である。コールドヘッドの最低温コールドステージを固体ブリッジを介してクライオスタット構造に接続したものではないので、コールドステージからヘリウム容器への振動伝達も完全に排除される。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態では、第１コールドステージ上のコールドヘッドのチューブ、そしてまた可能であれば更なるコールドステージの領域にあるコールドヘッドのチューブは熱絶縁材で包囲され、ネックチューブからコールドヘッドのチューブへの望ましくない入熱を排除又は少なくとも減少させる。第１コールドステージ上のチューブは、室温と第１コールドステージの温度との間の温度を有する。
【００１２】
特別な実施の形態では、ガスギャップの幅を調整することができる。それにより、放射シールドの温度を所望のように調整することができる。
【００１３】
ガスギャップおよび熱伝達を画定する対向表面の面積は、フィンを設けることによって有利に広げることができる。
【００１４】
本発明のクライオスタット構造の有利な実施の形態では、低温側の熱伝達表面はクライオクーラのコールドヘッドのコールドステージに堅固に接続されると共に高温側の熱伝達表面の上方に配置され、自然対流のガス流を形成する前提条件を与えるものになっている。高温側の熱伝達表面は、ヘリウム容器のネックチューブと接触している。
【００１５】
この実施の形態の発展例では、ガスギャップの幅を、ガスギャップにおいて自然対流が実現されるまで広げることができる。
【００１６】
これに代えて或いはこれと共に、ガスギャップを通る流れを外部から活性化して熱伝達を高めることもできる。
【００１７】
本発明のクライオスタット構造の別の実施の形態では、放射シールド又は放射シールドの１つが、液体窒素を有する容器を含み、放射シールドとクライオクーラのコールドヘッドとの熱接続によって、液体窒素は蒸発後に少なくとも部分的に再液化される。この場合、放射シールドはクライオクーラにより直接冷却されるのではなく、蒸発する液体窒素によって間接的に冷却される。
【００１８】
この実施の形態の別の発展例では、好ましくは電気ヒーターが窒素容器内に設けられ又は窒素容器と接触して設けられ、クライオクーラの冷却能力が過剰な場合に窒素容器内の圧力を周囲圧力よりも高い一定の値に保つ。
【００１９】
別の実施の形態では、電気ヒーターがヘリウム容器内に設けられまたは前記容器と接触して設けられ、クライオクーラの冷却能力が過剰な場合に窒素容器内の圧力を周囲圧力よりも高い一定の値に保つ。しかし、クーラのパワーをその動作周波数及び又はクーラ内の作動ガスの量（すなわちガス圧力）を介して制御することも実行可能である。
【００２０】
本発明のクライオスタット構造の利点は、クライオスタット構造が超伝導磁石装置を含む場合、特に、超伝導磁石装置が磁気共鳴装置の一部とくに磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）又は核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）の一部である場合に特に有利に利用される。
【００２１】
本発明のその他の利点は以下の記述と図面から引き出すことができる。上述の及び以下で述べる特徴は、個々に又は任意の組み合わせで利用することができる。図示され説明される実施の形態は、すべてを尽くすものではなく、本発明を説明するための例示的な性格をもつものと理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明のクライオスタット構造の１つの実施の形態を示し、このクライオスタット構造は、外側ジャケット１と、前記ジャケット１内に配設されたヘリウム容器２とを有している。ヘリウム容器２は、サスペンションチューブ３によって外側ジャケット１に接続されている。クライオクーラの２段コールドヘッド７がネックチューブ４内に取り付けられ、ネックチューブ４の上方温端５は外側ジャケット１に接続され、ネックチューブ４の下方冷端６はヘリウム容器２に接続されている。ヘリウム容器２は放射シールド８により包囲され、放射シールド８は、サスペンションチューブ３に熱伝導可能に接続されると共にネックチューブ４の接触面９にも熱伝導可能に接続されている。コールドヘッド７はわずかに持ち上げられ、コールドヘッド７の第１コールドステージ１１の低温表面１０とネックチューブ４の接触面９との間にガスギャップ１３を形成している。接触面９は、固定の熱橋１２を介して放射シールド８に熱伝導可能に接続されている。そして、狭いガスギャップ１３を介して放射シールド８からコールドヘッド７のコールドステージ１１への熱伝達が行われる。これにより、コールドヘッド７のコールドステージ１１と放射シールド８とを一体に接続する必要がなくなる。
【００２３】
放射シールド８への入熱Ｑは、幅がＬのガスギャップ１３を介してクライオクーラのコールドヘッド７へ伝達されなければならない。定常流体を介する熱伝導に対しては、下式が適用される。
【００２４】
Ｑ＝（ｋｍ／Ｌ）ＡΔＴ
ここで、ｋｍは流体の平均熱伝導率、Ａは伝熱面の面積、ΔＴは高温面（接触面９）と低温面１０との間の温度差である。殆どの固体たとえば銅などの熱伝導率よりもヘリウムガスの熱伝導率がずっと小さいので、コールドヘッド７を持ち上げると、放射シールド８とコールドヘッド７の第１コールドステージ１１との温度差が増大し、放射シールド８の温度は上昇する。熱の流れが一定である場合において放射シールド８の温度が大きく上昇するのを防ぐには（またこれによりヘリウム容器２への入熱の増大を防ぐには）、２つの面９、１０の間の距離を最小に保つことが有利である。必要ならば、ガスギャップ１３の幅によりシールド温度を容易に調整することができる。
【００２５】
図２a及び図２bは、本発明のクライオスタット構造のクライオクーラのコールドヘッド７を示し、コールドヘッド７はネックチューブ４内に配設されている。図２aはなめらかな接触面９を示し、図２bは、追加構造１４により接触面９を拡げた本発明の実施の形態を示す。このような増大は、例えばフィン又は同様な構造で実現することができる。
【００２６】
温度が室温と第１コールドステージ１１の温度との間にある第１コールドステージの領域において、コールドヘッド７には熱絶縁１５が設けられている。幾つかの冷却ステージを有するコールドヘッドの場合、更なる冷却ステージのチューブも熱的に絶縁することができる。
【００２７】
別の改良例によれば、ガスギャップ１３では熱伝導のみならず対流によっても熱伝達が行われる。対流は外部から強制することができ、また、ガスギャップ１３及び温度差ΔTが十分大きい場合には対流は自然に発生する（自由対流又は自然対流）。但し、コールドヘッド７と接触する低温面１０が、放射シールドと接触する高温面（接触面９）の上方にあるということがその前提条件になる。
【００２８】
ネックチューブ４の構造が単純であることが本発明の別の利点である。例えば、接触面９と接触面１０とをねじ止めするための穴が不要になる。また、コールドヘッド７の取り付け及び取り外しは簡単且つ迅速に行うことができる。
【００２９】
アクティブに冷却されないシステム（すなわち、クライオクーラなし）と同様、図３に示すように、放射シールド８は液体窒素を用いて間接的に冷却することもできる。この場合、蒸発した液体窒素を再液化できるように、クライオクーラのコールドヘッド７の第１コールドステージ１１をガスギャップ１３を介して窒素容器１６に熱伝導可能に接続しなければならない。
【００３０】
コールドヘッド７の第２コールドステージ１７とヘリウム容器２との間での振動伝達を阻止する追加手段は不要である。この領域ではコールドヘッド７はヘリウム雰囲気内で自由懸垂状態にされており、ヘリウム容器と固定的に接触していないからである。
【００３１】
図３の本発明のクライオスタット構造はまた、ヘリウム容器２内に配設されたヒーター１８と、窒素容器１６内に配設されたヒーター１９とを有している。ヒーター１８、１９は、ヘリウム容器２内の圧力及び窒素容器１６内の圧力を周囲圧力より高い一定の値に保つ。ヘリウム容器２内と窒素容器１６上にヒーター１８，１９を配設した構造（図３）に代えて、ヒーター１８，１９は、液体と熱接触する限り、容器の外に配設することもできる。
【００３２】
本発明のクライオスタット構造は、クライオクーラのコールドヘッド７のコールドステージとクライオスタット構造との連結を、コールドヘッド７のコールドステージの検出可能な振動がクライオスタットに入り込まず、それにもかかわらず十分な熱伝達を保証するように行うことができる。したがって、このクライオスタット構造は、磁気共鳴装置とくに磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）又は核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）の一部である磁石装置２０を冷却するのに特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のクライオスタット構造の概略図である。
【図２】ネックチューブに配設された本発明のクライオスタット構造のクライオクーラのコールドヘッドの概略図であり、（ａ）はネックチューブに配設されたコールドヘッドを示し、（ｂ）は、フィンを有する接触面を具備したネックチューブに配設されたコールドヘッドを示す。
【図３】窒素タンクを有する本発明のクライオスタット構造の概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  外側ジャケット
２  ヘリウム容器
３  サスペンションチューブ
４  ネックチューブ
５  ネックチューブの上方温端
６  ネックチューブの下方冷端
７  クライオクーラのコールドヘッド
８  放射シールド
９  接触面
１０  低温面
１１  コールドヘッドの第１コールドステージ
１２  熱橋
１３  ガスギャップ
１４  構造
１５  熱絶縁材
１６  窒素容器
１７  コールドヘッドの第２コールドステージ
１８  ヘリウム容器内又はヘリウム容器上のヒーター
１９  窒素容器内又はヘリウム容器上のヒーター
２０  磁石装置
【図１】
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【図２】
2006054444.tif 000004
【図３】
2006054444.tif 000005