(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、能動冷却が失われた際に冷却アームによって熱負荷を簡単に更に低減できるクライオスタット装置を提供する。【解決手段】クライオスタット装置（１）であって、冷却対象物（４）が真空容器（２）の内側に配置され、真空容器（２）は、冷却対象物（４）に通じるネックチューブ（８）を備え、コールドヘッド（１１）の冷却アーム（１０）の少なくとも一部がネックチューブ（８）内に配置され、冷却アーム（１０）の周囲には、冷却対象物（４）に対して流体密に密封される閉じられたキャビティ（９）が形成され、クライオスタット装置（１）は、該クライオスタット装置（１）がポンプ装置（１４）を更に備えるという事実によって区別され、ポンプ装置（１４）にはキャビティ（９）が接続され、コールドヘッド（１１）の冷却機能の不具合時にポンプ装置（１４）によってキャビティ（９）を真空引きできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器（２）及び冷却対象物（４）、特に超電導磁気コイルシステム（５）、又は、低温容器（２０）を伴うクライオスタット装置（１）であって、
前記冷却対象物（４）は前記真空容器（２）の内側に配置され、
前記真空容器（２）は、前記冷却対象物（４）に通じるネックチューブ（８）を備え、
コールドヘッド（１１）の冷却アーム（１０）の少なくとも一部が前記ネックチューブ（８）内に配置され、
前記冷却アーム（１０）の周囲には、前記冷却対象物（４）に対して流体密に密封される閉じられたキャビティ（９）が形成され、
正常動作時の前記キャビティ（９）は、少なくとも一部が第１の低温流体（３４）で満たされ、
前記冷却対象物（４）に対する前記キャビティ（９）内の前記第１の低温流体（３４）の熱結合に適した第１の熱結合手段（１５）が設けられ、
前記クライオスタット装置（１）は、前記キャビティ（９）が接続されるポンプ装置（１４）を更に備え、前記コールドヘッド（１１）の冷却機能の不具合時に前記ポンプ装置（１４）によって前記キャビティ（９）を真空引きできるクライオスタット装置（１）。
【請求項２】
前記コールドヘッド（１１）の前記冷却アーム（１０）は前記キャビティ（９）内に直接に配置される請求項１に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項３】
前記キャビティ（９）の外側筐体（４３）が前記ネックチューブ（８）の内壁から離間され、前記ネックチューブ（８）の前記内壁と前記冷却対象物（４）へ向けて開口する前記筐体（４３）との間に中間空間（６０）が形成され、
前記中間空間（６０）が開口して向く前記冷却対象物（４）は、少なくとも一部が第２の低温流体（４０）で満たされる低温容器（２０）であり、
特に、前記中間空間（６０）は、前記第２の低温流体（４０）が導入される又は戻されるための供給ライン（６４）を備える請求項２に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項４】
前記キャビティ（９）の筐体（４３）を含む前記コールドヘッド（１１）は、前記冷却対象物（４）を含む前記クライオスタット装置（１）の残りの部分から機械的に切り離されるように装着され、前記中間空間（６０）を周囲（５９）に対して密封する可撓性膜（６１）が設けられる請求項３に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項５】
前記冷却アーム（１１）が冷却アーム容器（５０）内に直接に配置され、前記冷却アーム容器（５０）の周囲に前記キャビティ（９）が形成され、
前記冷却アーム容器（５０）は前記キャビティ（９）に対して流体密に密封され、
前記冷却アーム容器（５０）の内部に対する前記キャビティ（９）内の前記第１の低温流体（３４）の熱結合に適した第２の熱結合手段（５４）が設けられ、
特に、第３の低温流体（５１）が前記冷却アーム容器（５０）内に配置される請求項１に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項６】
前記コールドヘッド（１１）は、前記冷却アーム容器（５０）の壁と前記冷却対象物（４）を含む前記クライオスタット装置（１）の残りの部分とから機械的に切り離されるように装着され、可撓性膜（５７）が、前記冷却アーム容器（５０）の壁と前記コールドヘッド（１１）との間の環状隙間（５６）に跨り、したがって、前記冷却アーム容器（５０）の内部を前記周囲（５９）から密封する請求項５に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項７】
前記冷却対象物（４）が低温容器（２０）であり、前記キャビティ（９）の外側筐体（４３）が前記低温容器（２０）の上側領域内に突出する請求項１から６のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項８】
正常動作時には第１の低温液体（３５）が前記キャビティ（９）内に配置され、第２の低温液体（４１）が前記低温容器（２０）内に配置され、前記キャビティ（９）の前記外側筐体（４３）は前記低温容器（２０）内の前記第２の低温液体（４１）中に浸漬される請求項７に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項９】
前記冷却アーム（１０）の少なくとも最も下側のコールドステージ（３３）が前記キャビティ（９）内の前記第１の低温液体（３５）中に浸漬される請求項２から４及び請求項８のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１０】
前記冷却アーム容器（５０）が前記キャビティ（９）内の前記第１の低温液体（３５）中に浸漬され、第３の低温液体（５２）が前記冷却アーム容器（５０）内に配置され、前記第３の低温液体（５２）中に前記冷却アーム（１０）の少なくとも最も下側のコールドステージ（３３）が浸漬される請求項５又は６及び請求項８に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１１】
前記コールドヘッド（１１）の冷却機能を監視する監視装置（１７）が設けられ、前記監視装置（１７）は、前記コールドヘッド（１１）の冷却機能の不具合時に、前記キャビティ（９）が真空引きされるように前記ポンプ装置（１４）を自動的に作動させるようになっている請求項１から１０のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１２】
前記ポンプ装置（１４）がソープションポンプ（９０）として設計され、前記ソープションポンプ（９０）の送出低温面が前記冷却対象物（４）に熱的に結合され、
特に、接続ライン（９２）が前記真空容器（２）の内側で全体的に前記キャビティ（９）から前記送出低温面まで延びる請求項１から１１のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１３】
前記冷却対象物（４）は、少なくとも一部が第２の低温流体（４０）で満たされる低温容器（２０）であり、特に、超電導磁気コイルシステム（５）が前記低温容器（２０）内に配置される請求項１から１２のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１４】
前記冷却対象物（４）は、前記真空容器（２）内に直接に配置される超電導磁気コイルシステム（５）である請求項１、２、５、６、１１又は１２のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１５】
クライオスタット装置（１）、特に、真空容器（２）及び冷却対象物（４）、特に超電導磁気コイルシステム（５）、又は、低温容器（２０）を伴う請求項１から１４のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）を動作させるための方法であって、
前記冷却対象物（４）が前記真空容器（２）の内側に配置され、
前記真空容器（２）は、前記冷却対象物（４）に通じるネックチューブ（８）を備え、
コールドヘッド（１１）の冷却アーム（１０）の少なくとも一部が前記ネックチューブ（８）内に配置され、
前記冷却アーム（１０）の周囲には、前記冷却対象物（４）に対して流体密に密封される閉じられたキャビティ（９）が形成され、
前記冷却対象物（４）に対する前記キャビティ（９）内の第１の低温流体（３４）の熱結合に適した第１の熱結合手段（１５）が設けられ、
前記クライオスタット装置（１）は、正常動作時、前記キャビティ（９）を第１の低温流体（３４）で少なくとも部分的に満たした状態で動作され、
前記コールドヘッド（１１）の冷却機能の不具合時に前記キャビティ（９）が真空引きされる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器及び冷却対象物、特に超電導磁気コイルシステム、又は、低温タンクを伴うクライオスタット装置であって、
冷却対象物は真空容器の内側に配置され、
真空容器は、冷却対象物に通じるネックチューブを備え、
コールドヘッドの冷却アームの少なくとも一部がネックチューブ内に配置され、
冷却アームの周囲には、冷却対象物に対して流体密に密封される閉じられたキャビティが形成され、
正常動作時のキャビティは、少なくとも一部が第１の低温流体で満たされ、
冷却対象物に対するキャビティ内の第１の低温流体の熱結合に適した第１の熱結合手段が設けられる、
クライオスタット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような冷却装置は、ドイツ特許出願公開第１０２０１４２１８７７３号明細書によって知られている。
【０００３】
核スピン共鳴（ＮＭＲ）装置、特にＮＭＲ分光器及びＮＭＲトモグラフィーマシンは、しばしば超電導磁気コイルによって生成される強い磁場を必要とする。超電導磁気コイルは、低温で動作されなければならない。このため、磁気コイルは一般にクライオスタット内に配置される。クライオスタットは、真空引きされる容器（「真空容器」）を備え、該容器の内部に冷却対象物が配置されるとともに、しばしば放射シールドによって更に取り囲まれる。冷却対象物は、磁気コイル自体（「クライオフリー」システム）であってもよく、又は、低温液体（液体ヘリウムなど）と電磁コイルとが内部に配置される低温容器であってもよい。
【０００４】
冷却対象物は、一般に、通常はパルスチューブ冷凍機又はギフォード・マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭａｃＭａｈｏｎ）冷却機を備える能動冷却システムによって冷却される。能動冷却システムは、高価な液体ヘリウムの消費を減らし、ＮＭＲ装置の利用可能性を高めるとともに、構造的な高さを減少させることにも寄与し得る。能動冷却システムは、単一ステージ又はマルチステージ形態であってもよい。マルチステージシステムでは、通常、温かい方のコールドステージが熱放射シールドを冷却し、冷たい方のコールドステージが冷却対象物を冷却する。
【０００５】
例えば技術的欠陥に起因する能動冷却システムの機能不良時、１又は複数の超電導磁気コイル（「超電導磁気コイルシステム」）は、能動冷却システムの修理を行うことができるまで臨界温度未満にとどまることができなければならない。加温に起因する超電導状態の損失は、超電導磁気コイルシステムの破壊をもたらす場合があるが、超電導磁気コイルシステムの少なくとも新たな冷却はかなりの費用を伴う。
【０００６】
能動冷却を伴うクライオスタットの最も一般的な形態では、例えば米国特許出願公開第２００７／０８９４３２号明細書に記載されるように、冷却ヘッドの冷却アームが真空容器のネックチューブ内に突出する。ネックチューブは低温容器へ向かって開放しており、低温容器内では超電導磁気コイルが液体ヘリウム中に配置される。冷却アームの最も下側の冷却ステージで、ヘリウムが再凝縮して低温容器内へ滴り落ちて戻る。同様のクライオスタットは、米国特許出願公開第２０１０／２９８１４８号明細書、米国特許出願公開第２００７／０２２７６１号明細書、ドイツ特許出願公開第１０２００４０１２４１６号明細書、又は、米国特許出願公開第２００７／０５１１１５号明細書によって知られている。
【０００７】
能動冷却システムの機能不良とサービス介入との間に最長の可能な時間を与えるために、クライオスタットにおけるサーマルマス（すなわち、質量と比熱容量とを乗じたもの）、例えば放射シールド又は低温液体を含む低温容器が大きくなるように選択されてもよいが、これは、クライオスタットの構造的な高さ及び全体の重量を増大させる。同様に、低温容器を伴うクライオスタットでは、外部から調達された液体ヘリウムを補充して、蒸発したヘリウムを置き換えることができるが、これは非常に高価である。
【０００８】
冷却器が例えば輸送中に遮断されるときに低温容器から蒸発するガスの一部を冷却器に沿って導き、それにより、冷却アームにおける熱負荷を低減することが、米国特許第８，９５０，１９４号によって知られるようになってきた。
【０００９】
ネックチューブの内側と冷却ヘッドの冷却アームとの間のクライオスタット内のキャビティをヘリウムなどのガスで満たすことがドイツ特許出願公開第１０２０１４２１８７７３号明細書によって知られている。正常動作時には、冷却アームの最も下側の冷却ステージが冷却対象物の近傍にあり、例えば、キャビティ内の少量の液体ヘリウムによる冷却対象物と最も下側の冷却ステージとの間の接触によって良好な熱結合がもたらされる。冷却が失われると、キャビティ内のガス圧が加温の結果として上昇し、キャビティ内の液体ヘリウムが蒸発する。移動可能に装着される冷却ヘッドは、キャビティ内で上昇するガス圧により、冷却対象物から離れる方向に移動され、それにより、冷却アームと冷却対象物との間の熱結合が低下される。
【００１０】
このクライオスタットを用いると、能動冷却の損失時に冷却アームによって熱負荷を低減することができるが、コールドヘッドの可動サスペンションに起因して設計上の費用が比較的大きい。更に、キャビティ内の高いガス圧に起因して、僅かではない熱結合が持続する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようと提案する課題は、能動冷却が失われた際に冷却アームによって熱負荷を簡単に更に低減できるクライオスタット装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、クライオスタット装置がポンプ装置を更に備え、該ポンプ装置にキャビティが接続され、コールドヘッドの冷却機能の不具合時にポンプ装置によってキャビティが真空引きされることを特徴とする前述した種類のクライオスタット装置によって驚くほど簡単且つ効果的な方法で解決される。
【００１３】
本発明によれば、冷却アームをキャビティで取り囲み、正常動作時には、冷却対象物に対する冷却アームの良好な熱結合のためにキャビティの少なくとも一部が第１の低温流体で満たされることが提案される。冷却対象物に対する冷却アームの本質的な熱結合は、第１の低温流体によってキャビティを通じて行われる。熱伝達は、主に、低温流体における対流及び熱伝導によってサポートされる。特に良好な熱伝導を液化した低温流体によって達成することができ、この場合には、（例えば、適切な場所のヒータを用いて）対応するガス圧を調整できる。キャビティは、冷却対象物に対して密封される。すなわち、第１の低温流体は、冷却対象物に浸透することができない。しかしながら、望ましい場合、本発明の文脈では、冷却対象物の外壁もキャビティを境界付けることができるが、第１の低温流体は、冷却対象物（ヘリウムタンクなど）中の任意の第２の低温流体とは通じていない。
【００１４】
能動的な冷却が損なわれると、このキャビティをポンプ装置により真空引きすることができる。キャビティ内の真空（通常は１ミリバール以下、しばしば１０−２ミリバール以下）により、冷却アームと冷却対象物との間の熱結合が遮断される又は少なくとも大幅に（一般に７０％以上、しばしば９５％以上、好ましくは９９％以上）低減され、真空は断熱効果を有する。
【００１５】
第１の低温流体がない場合、閉じられたキャビティは絶縁真空になる。キャビティによる３つの熱輸送機構（熱伝導、対流、熱放射）のうち、正常動作でほぼ支配的な２つの熱輸送機構（熱電導及び対流）は真空引き状態／機能不良モードで失われ、熱放射が事実上関連する重要な唯一の熱輸送機構として残る。放射熱入力は、望ましければ正常動作中に第１の低温流体によって浸されてその後に熱接触に僅かしか影響を及ぼさないバッフル又は開放する放射シールドによって更に減少される場合がある。
【００１６】
その結果、もはや能動的に冷却されない冷却アーム（その温度が徐々に上昇し、場合によっては室温まで上昇する）は、冷却対象物に比較的僅かな熱負荷しかもたらさない。冷却対象物に対して密封されるキャビティの真空引きにより、冷却対象物は影響されず、特に、冷却対象物で使用される任意の第２の低温流体（ヘリウム浴など）は送出されない。
【００１７】
第１の低温流体は、一般に、ガス状であり、又は、一部がガス状で一部が液状である。第１の低温流体は一般にヘリウムである。同じことが、第２及び第３の低温流体（下記参照）にも当てはまる場合がある。
【００１８】
正常動作における冷却アームは、キャビティ内の第１の低温流体に直接的又は間接的に熱結合され、それにより、冷却対象物にも間接的に熱結合される。機能不良（冷却装置の不具合）時、第１の低温流体が送出され、それにより、冷却対象物に対する（加温している）冷却アームの熱結合が排除され又は少なくとも大幅に低減されてもよい。
【００１９】
冷却アームは、一般に、正常動作時又は機能不良時のいずれにおいても、第１の熱結合手段に（及び一般に任意の第２の熱結合手段とも、以下参照）接触しない。
【００２０】
冷却アームは、キャビティによって直接的に又は間接的に（例えば、キャビティによって取り囲まれる冷却アーム容器内で）取り囲まれてもよい。更に、冷却アーム又はその一部は、ネックチューブ内に直接的に又は間接的に（例えば、その一部が少なくとも部分的にネックチューブ内に配置される冷却アーム容器内に）配置されてもよい。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態
冷却アームが真空引きされるキャビティ内に直接に配置される実施形態
本発明に係るクライオスタット装置の１つの好ましい実施形態では、コールドヘッドの冷却アームがキャビティ内に直接に配置される。これは特に簡単な構造を可能にし、また、冷却アームの能動冷却が損なわれるときに温かくなる構造体の熱質量を最小限に抑えることができる。更に、この構造は、通常、正常動作における冷却アームと冷却対象物との特に良好な熱結合を可能にする。キャビティは、外側に配置されてもよく、又は、ネックチューブを完全に貫通して配置されてもよい。
【００２２】
この実施形態の有利な変形例では、キャビティの外側筐体がネックチューブの内壁から離間され、ネックチューブの内壁と冷却対象物へ向けて開口する外側筐体との間に中間空間が形成され、
中間空間が開口して向く冷却対象物は、少なくとも一部が第２の低温流体で満たされる低温容器であり、
特に、中間空間は、第２の低温流体が導入される又は戻されるための供給ラインを備えることが提供される。筐体とネックチューブの内壁との間の中間空間は、低温容器内への第２の低温流体の導入又は戻しのために使用され得る。これは、第２の低温流体の冷却を可能にするとともに、筐体の低温外部での第２の低温流体の凝縮も可能にする。更に、筐体はネックチューブの内側から離間され、それにより、筐体からクライオスタットの残りの部分への任意の機械的な振動の伝達が妨げられる。
【００２３】
この変形例の特に好ましい進展において、キャビティの筐体を含むコールドヘッドは、冷却対象物を含むクライオスタット装置の残りの部分から機械的に切り離されるように装着され、中間空間を周囲に対して密封する可撓性膜が設けられる。機械的に切り離される装着により、コールドヘッドからの機械的振動（例えば、パルスチューブ冷凍機の作動ガスの圧力パルスに基づく）のクライオスタットへの入力が防止され又は少なくとも低減される。中間空間内では、低温容器に対する接続により、第２の低温流体が周囲の圧力に近いガス圧（通常は５０ｍｂａｒ未満又は２５ｍｂａｒ未満の圧力差、通常は僅かに高いガス圧が中間空間内に広く行き渡る）下で保持されてもよく、それにより、可撓性膜には実質的に応力がなく、クライオスタットへの機械的振動の伝達もここで回避される。可撓性膜は、キャビティの真空引きによって機械的に影響されない。
【００２４】
また、キャビティの筐体が弾性的に長さ調整可能な部分と冷却アームの上側コールドステージに接触するための中間接触要素とを備え、それにより、正常動作時に中間接触要素が冷却アームの上側コールドステージと当接し、また、キャビティが真空引きされるときに、中間接触要素を含む筐体の部分がキャビティと低温容器との間の変化した圧力差により移動され、その結果、上側冷却ステージがもはや中間接触要素に当接しない、変形例が有益である。このようにすると、機能不良の際に熱分離を改善することができる。中間接触要素は、一般に、熱結合のために真空容器の放射シールドのシールド接触要素と対向して位置し、また、好ましくは、互いの間隔は、正常動作では、筐体の一部の変位に起因して真空容器が真空引きされる機能不良の場合よりも小さい。また、正常動作時には、シールド接触要素と中間接触要素との間の相互接触が存在し得る。
【００２５】
冷却アームが真空引きされるキャビティ内に間接的に配置される実施形態
１つの有利な実施形態では、冷却アームが冷却アーム容器内に直接に配置され、冷却アーム容器の周囲にキャビティが形成され、
冷却アーム容器がキャビティに対して流体密に密封され、
冷却アーム容器の内部に対するキャビティ内の第１の低温流体の熱結合に適した第２の熱結合手段が設けられ、
特に、第３の低温流体が冷却アーム容器内に配置されることが提供される。この実施形態では、冷却アーム容器の内部がキャビティから分離され、それにより、例えば修理中に冷却アームの操作が更に容易になる。ガス圧は、キャビティ内のガス圧とは無関係に冷却アーム容器内に確立され得る。同様に、クライオスタットの残りの部分、特にキャビティ又はその筐体からの冷却アームの機械的な切り離しが簡略化される。
【００２６】
この実施形態の特に好ましい変形例において、コールドヘッドは、冷却アーム容器の壁と冷却対象物を含むクライオスタット装置の残りの部分とから機械的に切り離されるように装着され、この場合、可撓性膜が、冷却アーム容器の壁とコールドヘッドとの間の環状隙間に跨り、したがって、冷却アーム容器の内部を周囲から密封する。機械的に切り離される装着は、クライオスタットへの機械的振動（例えば、パルスチューブ冷凍機における作動ガスの圧力パルスに起因する）の入力を防止又は低減する。冷却室容器内では、第３の低温流体が周囲の圧力に近いガス圧（通常は５０ｍｂａｒ未満又は２５ｍｂａｒ未満の圧力差、通常は僅かに高いガス圧が冷却アーム容器内に広く行き渡る）下で保持されてもよく、それにより、可撓性膜には実質的に応力がなく、クライオスタットへの機械的振動の伝達もここで回避される。可撓性膜は、キャビティの真空引きによって機械的に影響されない。
【００２７】
様々な実施形態
第１の熱結合手段及び／又は第２の熱結合手段が熱交換器として設計され、特に、熱交換器が表面拡大構造、好ましくはフィンを備える実施形態が有益である。熱交換器により、冷却対象物とキャビティ内の第１の低温流体との間の熱結合を改善することができる。第１の熱交換器は、一般に、銅などの（低温で）熱伝導率が良い材料に基づき、また、第１の熱交換器は、キャビティ内の第１の低温流体及び冷却対象物（特に第２の低温液体）の両方と物理的に接触することが好ましく、同じことが第２の熱交換器に当てはまる。
【００２８】
冷却対象物が低温容器であり、キャビティの外側筐体が低温容器の上側領域内に突出する実施形態が更に好ましい。冷却アーム容器が設けられる場合には、これが同様に低温容器の上側領域内に突出することが好ましい。この実施形態では、キャビティ内の第１の低温流体と低温容器又は該低温容器内の第２の低温流体との間に大きな熱接触面をもたらすことができる。更に、小さな構造的高さを達成できる。
【００２９】
この実施形態の好ましい変形例は、正常動作時に第１の低温液体がキャビティ内に配置され、第２の低温液体が低温容器内に配置され、キャビティの外側筐体が低温容器内の第２の低温液体中に浸漬されることを求める。２つの低温液体は、特に良好な熱結合を可能にする。基本的に、第１の熱結合手段は、ここでは、低温容器内の第２の低温液体中に浸漬される外側筐体の部分によって形成されてもよい。好ましくは、外側筐体の浸漬部分は、少なくとも１つの部分で両側が低温液体により湿潤される。
【００３０】
ここでの更なる進展では、キャビティが冷却アームを直接に取り囲む状態で、冷却アームの少なくとも最も下側のコールドステージがキャビティ内の第１の低温液体中に浸漬される。このようにすると、冷却対象物に対する最も下側のコールドステージ（冷却ステージ）の熱結合を改善できる。
【００３１】
別の変形例では、冷却アームが冷却アーム容器内にあって冷却アーム容器がキャビティによって取り囲まれる状態で、冷却アーム容器がキャビティ内の第１の低温液体中に浸漬され、第３の低温液体が冷却アーム容器内に配置され、この第３の低温液体中に冷却アームの少なくとも最も下側のコールドステージが浸漬されることが提供される。このようにしても、冷却対象物に対する最も下側のコールドステージ（冷却ステージ）の熱結合を改善できる。基本的に、第２の熱結合手段は、ここでは、キャビティ内の第１の低温液体中に浸漬される冷却アーム容器の部分によって形成されてもよい。好ましくは、冷却アーム容器の浸漬部分は、少なくとも１つの部分で両側が低温液体により湿潤される。
【００３２】
また、コールドヘッドの冷却機能を監視する監視装置が設けられ、この監視装置は、コールドヘッドの冷却機能の不具合時に、キャビティが真空引きされるようにポンプ装置を自動的に作動させるようになっている実施形態も有益である。このようにすると、冷却アームが温かくなることによる熱負荷を早期に低減することができ、したがって、冷却対象物を低温に保つことができると見込まれる保持時間を長くすることができる（特に超電導磁気コイルシステムにおいてクエンチを回避できる）。監視装置は、冷却アームの適切な位置における温度を最も容易に監視することができ、又は、能動冷却システムに関して適切な電気的検証測定を行うこともできる。一般に、監視装置は、それがポンプ装置を作動させるときには、ポンプ装置とキャビティとの間の（例えば、ポンプライン内の）遮断弁も開く。
【００３３】
１つの好ましい実施形態では、ポンプ装置がソープションポンプとして設計され、このソープションポンプの送出低温面が冷却対象物に熱的に結合され、特に、接続ラインは真空容器の内側全体でキャビティから送出低温面まで延びる。送出低温面は、例えば活性炭容器又はゼオライト容器内に形成される。ソープションポンプ（又は「クライオポンプ」）は、送出低温面又はその容器が一般に冷却対象物と物理的に接触する。キャビティから容器（収着容器）内の送出低温面までの接続ライン（ポンプライン）は、好ましくは、真空容器の内側全体に形成され、一般に、容器に到達する前に吸引ガスを最初に冷却する熱交換器を備える。
【００３４】
また、冷却対象物が少なくとも部分的に第２の低温流体で満たされる低温容器であり、特に、超電導磁気コイルシステムが低温容器内に配置される実施形態が好ましい。これはよくあるクライオスタット形態であり、これにより、低温容器内に配置される構造体の確実で均一な冷却を行うことができる。また、クライオスタット形態は、外部供給源からの液体ヘリウムの簡単な（高価ではあるが）補給によっても緊急冷却を可能にする。第１の低温流体を伴うキャビティは、第２の低温流体を伴う低温容器から流体密な方法で分離される。しかしながら、第１及び第２の低温流体は、ヘリウムのように同じものを選択することができる。一般に、第１の熱結合手段はキャビティを低温容器から分離する。
【００３５】
別の実施形態において、冷却対象物は、真空容器内に直接に配置される超電導磁気コイルシステムである。この「クライオフリー」システムにおける磁気コイルシステム（又は他の冷却対象物）は真空容器の真空中に直接に配置され、それにより、クライオスタットの構造が簡略化される。磁気コイルシステムがハウジングを備えてもよいが、この中に冷却用の低温流体が供給されないことに留意すべきである。
【００３６】
本発明に係る動作方法
また、クライオスタット装置、特に、真空容器及び冷却対象物、特に超電導磁気コイルシステム、又は、低温容器を伴う前述の本発明に係るクライオスタット装置を動作させるための方法であって、
冷却対象物が真空容器の内側に配置され、
真空容器は、冷却対象物に通じるネックチューブを備え、
コールドヘッドの冷却アームの少なくとも一部がネックチューブ内に配置され、
冷却アームの周囲には、冷却対象物に対して流体密に密封される閉じられたキャビティが形成され、
冷却対象物に対するキャビティ内の第１の低温流体の熱結合に適した第１の熱結合手段が設けられ、
クライオスタット装置は、正常動作時、キャビティを第１の低温流体で少なくとも部分的に満たした状態で動作され、
コールドヘッドの冷却機能の不具合時にキャビティが真空引きされる、方法も本発明の文脈内に入る。
【００３７】
真空引きにより、第１の低温流体がキャビティから除去され、それにより、冷却対象物に対する冷却アーム又はコールドヘッドの結合が排除され又は大幅に減少される。一般に、コールドヘッドの冷却機能が再び回復されるまでキャビティは真空引きされたままである。
【００３８】
本発明の更なる利点は、明細書及び図面から明らかになる。同様に、前述の特徴及び以下で更に与えられる特徴は、本発明によって単独で又は任意の所定の組み合わせで一緒に使用されてもよい。図示されて説明される実施形態は、最終的なリストとして理解されるべきではなく、むしろ、本発明を説明するための実施例の性質を帯びている。
【００３９】
本発明の詳細な説明及び図面
本発明は、図面に表わされるとともに、実施形態例を用いてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】超電導磁気コイルが冷却対象物として真空中に直接にある、本発明に係るクライオスタット装置の第１の実施形態の概略断面図である。
【図２】対象物としての低温容器が冷却されており、超電導磁気コイルが低温容器内に収容されている、本発明に係るクライオスタット装置の第２の実施形態の概略断面図である。
【図３】左側は正常動作状態にあり、右側はキャビティがポンプで引き出された機能不良状態にある、本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブの領域を貫く概略断面図であり、対象物としての磁気コイル装置が冷却されるとともに、キャビティが冷却アームを直接に取り囲んでいる。
【図４】左側は正常動作状態にあり、右側はキャビティがポンプで引き出された機能不良状態にある、本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブの領域を貫く概略断面図であり、対象物としての低温容器が冷却され、キャビティが冷却アームを直接に取り囲んでいる。
【図５】左側は正常動作状態にあり、右側はキャビティがポンプで引き出された機能不良状態にある、本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブの領域を貫く概略断面図であり、冷却アーム容器が冷却アームを直接に取り囲み、キャビティが冷却アーム容器を取り囲んでいる。
【図６】左側は正常動作状態にあり、右側はキャビティがポンプで引き出された機能不良状態にある、本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブの領域を貫く概略断面図であり、キャビティが冷却アームを直接に取り囲み、キャビティの筐体とネックチューブの内壁との間の中間空間が直接にシールドで接続される。
【図７】左側は正常動作状態にあり、右側はキャビティがポンプで引き出された機能不良状態にある、本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブの領域を貫く概略断面図であり、キャビティが冷却アームを直接に取り囲み、キャビティの筐体とネックチューブの内壁との間の中間空間が第１の低温流体を介してシールド接続される。
【図８】左側は正常動作状態にあり、右側はキャビティがポンプで引き出された機能不良状態にある、本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブの領域を貫く概略断面図であり、冷却アームを直接に取り囲むキャビティ、キャビティの筐体の弾性のある長さ調整可能な部分、及び、キャビティの筐体とネックチューブの内壁との間の中間空間を伴う。
【図９】本発明に係るクライオスタット装置の第３の実施形態の概略断面図であり、その送出低温面が冷却対象物に熱的に結合されるソープションポンプを伴う。
【図１０】図３による本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブの領域を貫く概略断面図であり、キャビティ内に開放した放射シールドを更に伴う。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、真空容器２を備える本発明に係るクライオスタット装置１の第１の実施形態を概略的に示し、真空容器２の内部には真空が形成される。真空容器２内には、ここでは、冷却対象物４としてのここでは超電導磁気コイルシステム５を取り囲む熱放射シールド３（破線で示す）が配置される。磁気コイルシステム５は、ここでは、真空容器２の真空中に直接に配置される。
【００４２】
クライオスタット装置１には室温ボア６が設けられ、このボア６を通じて磁気コイルシステム５の中心のサンプルボリューム７に接近できる。サンプルボリューム７内には、強力で、静的であるとともに、ほぼ均一な磁場Ｂ０が存在し、この磁場は、別段に図示しないＮＭＲ共振器を用いたサンプルボリューム７内のサンプルに関するＮＭＲ測定のために使用され得る。
【００４３】
ネックチューブ８が、真空容器２を通じて、冷却対象物４に通じる。図示の実施形態において、ネックチューブ８は同時にキャビティ９の筐体を形成し、この筐体は、クライオスタット装置１の能動冷却システムの冷却ヘッド１１の冷却アーム１０を直接に取り囲む。
【００４４】
キャビティ９は、ポンプライン１２及び遮断弁１３を介してポンプ装置１４に接続され、該ポンプ装置を用いてキャビティ９を真空引きできる。遮断弁１３及びポンプ装置１４を作動させるために監視装置１７が設けられ、この監視装置１７は、冷却ヘッド１１から温度情報も受けるとともに、限界温度（例えば、冷却アーム１１の最も下側のコールドステージにおける１０Ｋなど）を超えるときにここでは自動的に制御弁１３を開いてポンプ装置１４を作動させる。
【００４５】
クライオスタット装置１の正常動作中、キャビティ９は少なくとも部分的に第１の低温流体で満たされ（別段に図示しないが、図３及び以下の図参照）、この第１の低温流体は、熱結合手段１５を介して、冷却アーム１０を冷却対象物４に結合する。熱結合手段１５は、ここでは、冷却対象物４の上端面であり、この上端面は、同時に、キャビティ９の筐体の一部を形成する。冷却アーム１０の能動冷却が機能不良である場合には、ポンプ装置１４を用いてキャビティ９が真空引きされる。冷却アーム１０の下端と熱結合手段１５との間の真空引きされたクリアランス１６により、冷却アーム１０と冷却対象物４との間に完全な熱分離が起こる。熱分離中のプロセスに関しては、以下の図３〜図８も参照されたい。
【００４６】
図２は、本発明に係るクライオスタット装置１の第２の実施形態を示し、その大部分は図１の第１の実施形態に対応しており、したがって、重要な違いのみについて説明するものとする。
【００４７】
第２の実施形態では、冷却対象物４が低温容器２０として形成され、該低温容器２０の内側には超電導磁気コイルシステム５が配置される。更に、第２の低温流体、ここでは、部分的に液体で部分的にガス状ヘリウム（別段に図示しない）が低温容器２０内に配置される。超電導磁気コイルシステム５は、一般に、少なくとも一部が液体ヘリウム中に浸漬される。
【００４８】
第１の熱結合手段１５は、ここでは、低温容器の上端壁の一部によって形成され、上端壁のこの部分は同時にキャビティ９を境界付ける。
【００４９】
図３は、冷却アーム１０を直接に取り囲む流体密封キャビティ９を伴う図１の実施形態にほぼ対応する、本発明に係るクライオスタット装置１のネックチューブ８の領域を更に詳しく示す。左側には正常動作状態が示され、また、右側には機能不良状態が示される（これは図３〜図８及び図１０の全てに当てはまる）。
【００５０】
冷却アーム１０は、放射シールドのシールド接触要素３２と僅かな軸方向間隔（ネックチューブ軸ＨＡ参照）を隔てて対向して位置する上側接触要素３１を伴う上側コールドステージ（冷却ステージ）３０を有する。更に、冷却アーム１０は、熱結合手段１５と僅かな軸方向間隔を隔てて対向して位置する下側コールドステージ（冷却ステージ）３３を有する。熱結合手段１５はここでは熱交換器１８であり、この熱交換器１８は、その上端面がキャビティ９の底部を境界付けるとともに、その下端面が冷却対象物４に当接する。
【００５１】
正常動作中（左側）、第１の低温流体３４がキャビティ９内に蓄えられ、この第１の低温流体３４は、第１の低温液体３５としてキャビティ９の下側領域に存在するとともに、それよりも上側の空間内では、一般にほぼ標準圧（約１バール）下で第１の低温ガス３６として存在する。第１の低温液体３５は、下側コールドステージ３３が第１の低温液体３５中に浸漬されるように高い。このようにすると、冷却アーム１０の下側コールドステージ３３と熱結合手段１５又は冷却対象物４との間で熱伝達率αを伴う強い熱結合がもたらされる。ガス状低温流体３６は、シールド接触要素３２と上側接触要素３１との間で許容できる熱結合を更に確保する。
【００５２】
機能不良（右）において、能動冷却の不具合時には、ポンプライン１２を介してキャビティ９が（一般に１ミリバール未満まで）真空引きされる。また、第１の液状低温流体３５も蒸発する。下側コールドステージ３３と熱結合手段１５との間の真空は、強力な断熱体として作用し、また、熱伝達率α’は、先の熱伝達率αの１／１００未満まで低下する。また、シールド接触要素３２と上側接触要素３１との間の熱結合も中間の真空引きされた軸方向隙間によって大きく減少される。このようにすると、冷却対象物４は、特にその中に含まれる超電導ワイヤの臨界温度未満で、より長く冷たいままである。
【００５３】
図４は、図３に示される実施形態と同様の本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブ８の領域を示し、そのため、重要な違いのみについて説明するものとする。
【００５４】
冷却対象物４はここでは低温容器２０であり、この低温容器２０は、一部が第２の低温液体４１として存在するとともに一部が第２の低温ガス４２として存在する第２の低温流体４０で満たされる。低温容器２０内には、別段に図示しない超電導磁気コイル装置が配置される。低温容器２０内のガス圧は、低温容器２０内のヒータ（別段に図示せず）によって調整することができる。
【００５５】
正常動作（左側）におけるキャビティ９の筐体４３は、第２の低温液体４１中に浸漬される。第２の低温液体４１中に浸漬される筐体４３の部分は、ここでは、熱結合手段１５であると理解されてもよく、加えて、筐体４３の底部は、ここでは、表面拡大フィン４４を有する熱交換器１８として形成される。キャビティ９内では、先と同様に、第１の低温液体３５が下側コールドステージ３３の所まで上昇する。このようにすると、第２の低温液体４１の非常に良好な熱結合が、熱結合手段１５又は筐体４３を介して及び第１の低温液体３５を介して、冷却アーム１０の下側コールドステージ３３の所まで達成される。
【００５６】
機能不良時には、キャビティ９がポンプライン１２を介して真空引きされ、この場合、第１の低温液体３５がキャビティ９内で蒸発する。低温容器２０からの蒸発に起因して低温容器２０内の低温液体４１の液位が筐体４３の底部の高さよりも下側へ下がるまでに、低温容器２０と冷却アーム１０又はその最も下側の冷却ステージ３３との間の熱結合が非常に僅かになる。これは、キャビティ９内の真空が熱を殆ど又は全く伝導せず、第２のガス状低温流体４２による熱の伝導が第２の液状低温流体４１よりもかなり悪いからである。
【００５７】
１つの変形では、第１の低温流体３４もキャビティ９内で完全にガス状のままであってもよいことに留意すべきである。この場合、キャビティ９内のガス圧は、それに対応して低く調整されなければならず、それにより、下側コールドステージ３３で広く行き渡る温度では凝縮が起こらない。
【００５８】
図５に示される実施形態は、図４に示される実施形態と同様の実施形態において本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブ８の領域を示し、そのため、以下では、主に違いについて説明する。
【００５９】
本実施形態において、外側では、ネックチューブ８がキャビティ９の筐体４３の一部を形成し、内側では、キャビティ９が冷却アーム１０を含む冷却アーム容器５０の壁によって境界付けられる。したがって、キャビティ９は、ここでは、冷却アーム１０を間接的に取り囲む。
【００６０】
正常動作（左側）におけるキャビティ９は、冷却アーム容器５０が第１の低温液体３５中に浸漬されるように、一部が第１の低温液体３５としての第１の低温流体３４で満たされる。これに対し、筐体４３は、低温容器２０内の第２の低温液体４１中に浸漬される。冷却アーム容器５０内には、一部が第３の低温液体５２として存在するとともに一部が第３の低温ガス５３（約１バール）として存在する第３の低温流体５１が配置される。第３の低温流体５１は、流体入口／過圧リリーフ５８を介して冷却アーム容器５０内へ充填されてもよく、又は、これから放出されてもよく、過圧弁（別段に図示しない）が流体入口／過圧リリーフ５８に設けられてもよい。冷却アーム１０の最も下側の冷却ステージ３３は、第３の低温液体５２中に浸漬される。したがって、正常動作では、第２の低温液体４１に関しては筐体４３又は第１の熱結合手段１５により、第１の低温液体３５に関しては冷却アーム容器５０の壁又は第２の熱結合手段５４により、及び、第３の低温液体５２に関しては冷却アーム１０又はその最も下側の冷却ステージ３３により、良好な熱結合が存在する。
【００６１】
機能不良（右側）では、冷却アーム容器５０を取り囲むキャビティ９が真空引きされる。なお、シールド接触要素３２が開口部（軸方向ボアなど）を有し、それにより、キャビティ９の下部もポンプライン１２を介して真空引きされてもよい。冷却アーム１０の加温により、冷却アーム容器５０内に収容される第３の低温液体５２が加温されて蒸発する。標準圧下では一部のガスが残存する。低温容器２０内における第２の低温液体４１の液位も加温及び蒸発のために低下する。しかし、このとき、低温容器２０と冷却アーム１０との間の熱結合は依然として僅かにすぎない。これは、低温容器２０内の低温ガス４２及びキャビティ９内の真空が比較的弱い熱伝導体だからである。また、キャビティ９は熱スイッチとも呼ばれる。
【００６２】
この実施形態では、冷却アーム容器５０の内部を周囲５９から密封するために、冷却ヘッド１１と冷却アーム容器５０の壁との間の環状隙間５６が可撓性膜５７によって掛け渡されてもよい。冷却アーム容器５０内のガス圧が約１バールである（すなわち、周囲の圧力に対応する）ため、可撓性膜５７に機械的応力がほぼないままにすることができ、それにより、コールドヘッド１１を防振マウントと組み合わせてクライオスタット装置の残りの部分から機械的にかなり良好に切り離すことができる。このようにすると、摂動が低い特に高分解能のＮＭＲ測定が容易に可能である。
【００６３】
図６は図４と同様の実施形態を示し、したがって、前と同様に、違いについて主に説明するものとする。キャビティ９がここでは冷却アーム１０を直接に取り囲み、キャビティ９の筐体４３はネックチューブ８の内壁から径方向に離間される。
【００６４】
これにより、筐体４３とネックチューブ８の内壁との間に中間空間６０がもたらされる。この中間空間６０は、底部が低温容器２０に向かって開口し、それにより、中間空間６０は、第２の低温流体４０で、すなわち、第２の低温ガス４２（約１バール）で満たされる。低温流体（ヘリウム）は、供給ライン６４を介して中間空間６０内へ充填され又は中間空間６０から除去され、その後、筐体４３の外側で凝縮して低温容器２０内へ滴下し得る（或いは、低温流体４０は、クライオスタット内の異なる部位に、すなわち、冷却アーム１０に沿わず、その後、好ましくは別段に図示しない対向流熱交換器を用いて戻されてもよく、対向流熱交換器は、ジュール・トムソン冷凍機から送出されるヘリウムのエンタルピーを利用して、戻されたヘリウムを冷却する）。
【００６５】
正常動作（左側）において、キャビティ９は、一部が第１の低温液体３５としての第１の低温流体３４で満たされる。図４に関して述べたように、機能不良時（右側）、キャビティ９は、冷却アーム１０に対する低温容器２０の熱結合を低減するために、ポンプライン１２を介して真空引きされる。
【００６６】
中間空間６０は、コールドヘッド１１（又は筐体４３の上部）とネックチューブ８（又はクライオスタット残りの部分）との間の環状隙間６３を密封するために、可撓性膜６１によって（上端にある）周囲５９へ向けて掛け渡される。中間空間６０内には、周囲の圧力にほぼ等しい１バールのガス圧が広く行き渡っているため、可撓性膜６１を機械的応力が実質的にないまま保つことができ、それにより、機械的振動の伝達が低減される。コールドヘッド１１が防振的に装着されると、その後、機械的振動による摂動が実質的にないＮＭＲ測定が可能となる。
【００６７】
図示の形態では、上側コールドステージ３０の上側接触要素３１が筐体４３の中間接触要素６２に当接する。この中間接触要素６２は、シールド接触要素３２と対向して位置する。このようにすると、正常動作時及び機能不良時に、シールド接触素子３２の放射シールドと冷却アーム１０の上側冷却ステージ３０との間に比較的強い熱結合がもたらされる。
【００６８】
或いは、大部分が図６の形態に対応するため主要な違いのみが論じられる図７の実施形態に示されるように、上側コールドステージ３０を中間接触要素６２から（ここでは、軸方向に）間隔を隔てて配置することもできる。この場合、上側冷却ステージ３０又はその上側接触要素３１と中間接触要素６２との間の熱結合は、キャビティ９内のガス圧に依存する。正常動作では、第１の低温流体３４、すなわち、第１の低温ガス３６が許容できる熱結合を確保する。機能不良時、キャビティ９が真空引きされると、上側接触要素３１と中間接触要素６２との間のクリアランス内の真空の結果として、熱結合は僅かである。
【００６９】
先と同様に図６及び図７の実施形態に似ているため違いが主に説明される図８に示される実施形態において、筐体４３は弾性的に長さ調整可能な部分７０を有し、それにより、低温容器２０内への筐体４３の軸方向（ネックチューブ軸ＨＡを参照）延在長さ全体を変えることができる。更に、図示の形態の筐体４３は、上側冷却ステージ３０の上側接触要素３１の周囲で内側に達する中間接触要素６２を有する。
【００７０】
正常動作時（左側）、（固定）冷却アーム１０の上側冷却ステージ３０の上側接触要素３１の上端面は、中間接触要素６２と上端で当接し、それにより、上側冷却ステージ３０と中間接触要素６２との間に良好な熱接触がもたらされる。更に、中間接触要素６２の下部は、シールド接触要素３２と短い軸方向距離を隔てて対向して位置し、それにより、中間接触要素６２と放射シールドとの間の（第２の低温流体４０の第２の低温ガス４２を介した）良好な熱接触も存在する。キャビティ９内の第１の低温流体３４の比較的高いガス圧は、筐体４３の下部を（固定）クライオタンク２０内へと下方に押し込む。
【００７１】
機能不良時（右側）、キャビティ９が真空引きされる。弾性的に長さ調整可能な部分７０は、キャビティ９内のガス圧の消失によって収縮し、また、中間接触要素６２を含む筐体４３の下部が幾分持ち上げられる。その結果、上側接触要素３１と中間接触要素６２との間の支持接触が失われる。他方では、シールド接触要素３２と中間接触要素６２との相互間隔が増大する。このようにして、シールド接触要素３２における放射シールドと上側冷却ステージ３０との熱結合が大きく減少される。したがって、冷却アーム１０の加温に起因するクライオスタット装置の熱負荷が更に減少される。
【００７２】
図９は、図２の描写に類似する本発明に係るクライオスタット装置１の第３の実施形態を示し、そのため、主な違いについて主に説明する。
【００７３】
特別な特徴として、ポンプ装置１４は、ここでは、低温流体のための大きな吸着面が形成されるように、活性炭又はゼオライトで満たされた容器９１を備えるソープションポンプ９０として設計される。容器９１は、冷却対象物４、ここでは超電導磁気コイルレイアウト５が内部に配置される低温容器２０の外側に配置される。したがって、容器９１は、低温にあるとともに、送出低温面をもたらす。ここでは冷却アーム１０を直接に取り囲むとともにネックチューブ８によって実質的に形成されるキャビティ９から、接続ライン（ポンプライン）９２が遮断弁９３及び熱交換器９４を横切って容器９１に通じる。接続ライン９２はここでは全体が真空容器２内で延び、それにより、接続ライン９２は熱的に良好に絶縁される。
【００７４】
機能不良時、制御装置９７（例えば、形態が機械式、電気式、又は、空気圧式であってもよい）によって遮断弁９３が開かれ、第１の低温流体がキャビティ９から容器９１内へと流れてそこで拘束される。ソープションポンプ９０は電気的な作動電流を必要とせず、そのため、能動的冷却の損失が電流の供給停止によるものである場合にもこのポンプ原理を容易に適用できる。必要に応じて遮断弁９３を手動で開くことができる。
【００７５】
ソープションポンプ９０には、ここでは、ヒータ９５も装備され、このヒータ９５によって容器９１を加温することができ、それにより、拘束された流体が再び解放され、その結果、容器９１を再生することができる。
【００７６】
クライオスタット装置１は、ここでは、補助的な戻しネックチューブ９６を有し、該戻しネックチューブを通じて低温容器２０にアクセスでき、また、戻しネックチューブは、第２の低温流体（ヘリウムなど）を供給又は除去するために使用することができる。
【００７７】
図１０は、図３と同様の本発明に係るクライオスタット装置のネックチューブ８の領域を示し、そのため、主な違いのみについて更に詳しく説明する。
【００７８】
流体密封キャビティ９内には開放した放射シールド９８が配置され、この放射シールドにより、第１の熱結合手段１５への熱放射の直接的な入力が、機能不良時に加熱する構成要素、ここでは冷却アーム１０から遮断される。
【００７９】
このため、放射シールド９８は、冷却アーム１０の下部（ここでは、ほぼ下側半分）、特に下側コールドステージ３３も取り囲む。放射シールド９８は、一方では（上側コールドステージ３０へ向かう）上端が開放しているが、下端でも流体の通過が可能であり、そのため、特に、第１の低温液体３５は、下方から放射シールド９８内へ流入できる又は再び流出できる。このため、放射シールド９８の第１の部分９８ａは、上端へ向けて開放するカップ形状を成し、少なくとも１つの開口９９を底部側に有する。放射シールド９８の第２の部分９８ｂは、この少なくとも１つの開口９９の前方に配置され、それにより、少なくとも１つの開口９９は、特に熱交換器１８又は第１の熱結合手段１５の全幅に対して隠される。
【００８０】
このようにすると、機能不良の際、冷却アーム１０から少なくとも１つの開口９９を通じた熱交換器１８内への熱放射の直接的な入力が防止される。放射シールド９８の第２の部分９８ｂは、ここでは第１の部分９８ａから軸方向に離間され、それにより、第１の低温液体３５は、隠れているにもかかわらず側方から第２の部分９８ｂと第１の部分９８ａとの間に入り込んで開口９９に到達でき、また、特に正常動作時に対流が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１  クライオスタット装置
２  真空容器
３  熱放射シールド
４  冷却対象物
５  超電導磁気コイルシステム
６  室温ボア
７  サンプルボリューム
８  ネックチューブ
９  キャビティ
１０  冷却アーム
１１  冷却ヘッド（コールドヘッド）
１２  ポンプライン
１３  遮断弁
１４  ポンプ装置
１５  第１の熱結合手段
１６  クリアランス
１７  監視装置
１８  熱交換器
２０  低温容器
３０  上側コールドステージ（冷却ステージ）
３１  上側接触要素
３２  シールド接触要素
３３  下側コールドステージ（冷却ステージ）
３４  第１の低温流体
３５  第１の低温液体
３６  第１の低温ガス
４０  第２の低温流体
４１  第２の低温液体
４２  第２の低温ガス
４３  筐体
４４  フィン
５０  冷却アーム容器
５１  第３の低温流体
５２  第３の低温液体
５３  第３の低温ガス
５４  第２の熱結合手段
５６  （冷却アーム容器における）環状隙間
５７  （冷却アーム容器における）可撓性膜
５８  流体入口／過圧リリーフ
５９  周囲
６０  中間空間
６１  （中間空間における）可撓性膜
６２  中間接触要素
６３  （中間空間における）環状隙間
６４  供給ライン
７０  弾性的に長さ調整可能な部分
９０  ソープションポンプ
９１  圧送低温面のための容器
９２  接続ライン（ポンプライン）
９３  遮断弁
９４  熱交換器
９５  ヒータ
９６  補助的な戻しネックチューブ
９７  制御装置（遮断弁用）
９８  開放した放射シールド
９８ａ  放射線シールドの第１の部分
９８ｂ  放射線シールドの第２の部分
９９  開口
Ｂ０  磁場
ＨＡ  ネックチューブ軸
【図１】
2018071962.tif 000003
【図２】
2018071962.tif 000004
【図３】
2018071962.tif 000005
【図４】
2018071962.tif 000006
【図５】
2018071962.tif 000007
【図６】
2018071962.tif 000008
【図７】
2018071962.tif 000009
【図８】
2018071962.tif 000010
【図９】
2018071962.tif 000011
【図１０】
2018071962.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月25日(2018.1.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器（２）及び冷却対象物（４）を伴うクライオスタット装置（１）であって、
前記冷却対象物（４）は前記真空容器（２）の内側に配置され、
前記真空容器（２）は、前記冷却対象物（４）に通じるネックチューブ（８）を備え、
コールドヘッド（１１）の冷却アーム（１０）の少なくとも一部が前記ネックチューブ（８）内に配置され、
前記冷却アーム（１０）の周囲には、前記冷却対象物（４）に対して流体密に密封される閉じられたキャビティ（９）が形成され、
正常動作時の前記キャビティ（９）は、少なくとも一部が第１の低温流体（３４）で満たされ、
前記冷却対象物（４）に対する前記キャビティ（９）内の前記第１の低温流体（３４）の熱結合に適した第１の熱結合手段（１５）が設けられ、
前記クライオスタット装置（１）は、前記キャビティ（９）が接続されるポンプ装置（１４）を更に備え、前記コールドヘッド（１１）の冷却機能の不具合時に前記ポンプ装置（１４）によって前記キャビティ（９）を真空引きでき、
前記コールドヘッド（１１）の冷却機能を監視する監視装置（１７）が設けられ、前記監視装置（１７）は、前記コールドヘッド（１１）の冷却機能の不具合時に、前記キャビティ（９）が真空引きされるように前記ポンプ装置（１４）を自動的に作動させるクライオスタット装置（１）。
【請求項２】
前記コールドヘッド（１１）の前記冷却アーム（１０）は前記キャビティ（９）内に直接に配置される請求項１に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項３】
前記キャビティ（９）の外側筐体（４３）が前記ネックチューブ（８）の内壁から離間され、前記ネックチューブ（８）の前記内壁と前記冷却対象物（４）へ向けて開口する前記筐体（４３）との間に中間空間（６０）が形成され、
前記中間空間（６０）が開口して向く前記冷却対象物（４）は、少なくとも一部が第２の低温流体（４０）で満たされる低温容器（２０）であり、
特に、前記中間空間（６０）は、前記第２の低温流体（４０）が導入される又は戻されるための供給ライン（６４）を備える請求項２に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項４】
前記キャビティ（９）の筐体（４３）を含む前記コールドヘッド（１１）は、前記冷却対象物（４）を含む前記クライオスタット装置（１）の残りの部分から機械的に切り離されるように装着され、前記中間空間（６０）を周囲（５９）に対して密封する可撓性膜（６１）が設けられる請求項３に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項５】
前記冷却アーム（１１）が冷却アーム容器（５０）内に直接に配置され、前記冷却アーム容器（５０）の周囲に前記キャビティ（９）が形成され、
前記冷却アーム容器（５０）は前記キャビティ（９）に対して流体密に密封され、
前記冷却アーム容器（５０）の内部に対する前記キャビティ（９）内の前記第１の低温流体（３４）の熱結合に適した第２の熱結合手段（５４）が設けられ、
特に、第３の低温流体（５１）が前記冷却アーム容器（５０）内に配置される請求項１に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項６】
前記コールドヘッド（１１）は、前記冷却アーム容器（５０）の壁と前記冷却対象物（４）を含む前記クライオスタット装置（１）の残りの部分とから機械的に切り離されるように装着され、可撓性膜（５７）が、前記冷却アーム容器（５０）の壁と前記コールドヘッド（１１）との間の環状隙間（５６）に跨り、したがって、前記冷却アーム容器（５０）の内部を前記周囲（５９）から密封する請求項５に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項７】
前記冷却対象物（４）が低温容器（２０）であり、前記キャビティ（９）の外側筐体（４３）が前記低温容器（２０）の上側領域内に突出する請求項１から６のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項８】
正常動作時には第１の低温液体（３５）が前記キャビティ（９）内に配置され、第２の低温液体（４１）が前記低温容器（２０）内に配置され、前記キャビティ（９）の前記外側筐体（４３）は前記低温容器（２０）内の前記第２の低温液体（４１）中に浸漬される請求項７に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項９】
前記冷却アーム（１０）の少なくとも最も下側のコールドステージ（３３）が前記キャビティ（９）内の前記第１の低温液体（３５）中に浸漬される請求項２から４及び請求項８のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１０】
前記冷却アーム容器（５０）が前記キャビティ（９）内の前記第１の低温液体（３５）中に浸漬され、第３の低温液体（５２）が前記冷却アーム容器（５０）内に配置され、前記第３の低温液体（５２）中に前記冷却アーム（１０）の少なくとも最も下側のコールドステージ（３３）が浸漬される請求項５又は６及び請求項８に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１１】
前記ポンプ装置（１４）がソープションポンプ（９０）として設計され、前記ソープションポンプ（９０）の送出低温面が前記冷却対象物（４）に熱的に結合され、
特に、接続ライン（９２）が前記真空容器（２）の内側で全体的に前記キャビティ（９）から前記送出低温面まで延びる請求項１から１０のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１２】
前記冷却対象物（４）は、少なくとも一部が第２の低温流体（４０）で満たされる低温容器（２０）であり、特に、超電導磁気コイルシステム（５）が前記低温容器（２０）内に配置される請求項１から１１のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１３】
前記冷却対象物（４）は、前記真空容器（２）内に直接に配置される超電導磁気コイルシステム（５）である請求項１、２、５、６又は１１のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）。
【請求項１４】
真空容器（２）及び冷却対象物（４）を伴うクライオスタット装置（１）を動作させるための方法であって、
前記冷却対象物（４）が前記真空容器（２）の内側に配置され、
前記真空容器（２）は、前記冷却対象物（４）に通じるネックチューブ（８）を備え、
コールドヘッド（１１）の冷却アーム（１０）の少なくとも一部が前記ネックチューブ（８）内に配置され、
前記冷却アーム（１０）の周囲には、前記冷却対象物（４）に対して流体密に密封される閉じられたキャビティ（９）が形成され、
前記冷却対象物（４）に対する前記キャビティ（９）内の第１の低温流体（３４）の熱結合に適した第１の熱結合手段（１５）が設けられ、
前記クライオスタット装置（１）は、正常動作時、前記キャビティ（９）を第１の低温流体（３４）で少なくとも部分的に満たした状態で動作され、
前記コールドヘッド（１１）の冷却機能の不具合時に前記キャビティ（９）が真空引きされる方法。
【請求項１５】
前記クライオスタット装置（１）は、請求項１から１３のいずれか一項に記載のクライオスタット装置（１）として設計される請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記冷却対象物（４）は、超電導磁気コイルシステム（５）又は低温容器（２０）である請求項１４又は１５に記載の方法。
【外国語明細書】
2018071962000001.pdf
2018071962000002.pdf
2018071962000003.pdf
2018071962000004.pdf