(57)【要約】【課題】  費用と複雑さを減らすために公知のシステムを単純化する。【解決手段】  磁場生成組立体は、クライオスタット（１）内に置かれ、該クライオスタットの外側からアクセス可能な孔（７）を定める超伝導磁石（６）を備える。少なくとも部分的にクライオスタット（１）を冷却するために、少なくとも２つの冷却段（１１ないし１３）を有する機械式冷凍機（１０）が与えられる。冷却剤通路は、冷凍機（１０）から磁石孔（７）の中に延び、該冷却剤通路は、熱交換のために、冷凍機（１）の最も低温の冷却段以外の冷却段（１１）と結合されて、該冷凍機が、さらに、該冷却剤通路内の冷却剤を冷却するようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場生成組立体であって、クライオスタット内に置かれ、前記クライオスタットの外側からアクセス可能な孔を定める超伝導磁石と、少なくとも部分的に該クライオスタットを冷却するための、少なくとも２つの冷却段を有する機械式冷凍機と、前記冷凍機から磁石孔の中に延びる冷却剤通路とを備え、前記冷却剤通路が、熱交換のために、該冷凍機の最も低温の冷却段以外の冷却段と結合されて、該冷凍機が、該冷却剤通路内の冷却剤を冷却するようになったことを特徴とする磁場生成組立体。
【請求項２】
前記孔が、前記冷却経路に結合された１つ又はそれ以上の部品を支持する請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記孔の中に取り外し可能に挿入されるようにされたプローブをさらに備え、前記プローブが、使用中に、１つ又はそれ以上の部品及び／又は試料を支持し、前記冷却剤通路に結合されて、該冷却剤通路が使用中に前記部品及び／又は試料を冷却するようになった請求項１に記載の組立体。
【請求項４】
前記冷却剤通路が、少なくとも部分的に、可撓性導管により形成されるようになった請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
前記部品又は各々の部品が、ＲＦコイル及び傾斜磁場コイルの１つ又はそれ以上を備えるようになった請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の組立体。
【請求項６】
前記クライオスタットが多数の熱シールドを含み、前記冷凍機が、前記熱シールドの１つ又はそれ以上に結合されるようになった前記請求項のいずれか１項に記載の組立体。
【請求項７】
前記冷凍機が３つの冷却段を有するようになった前記請求項のいずれか１項に記載の組立体。
【請求項８】
前記冷却剤通路が、前記冷凍機の中間冷却段に結合されるようになった請求項７に記載の組立体。
【請求項９】
前記冷却剤通路が、最も低温の冷却段を除いて、前記冷凍機の２つの冷却段に結合されるようになった請求項８に記載の組立体。
【請求項１０】
前記最も低温の第３の段が、冷却剤含有容器に置かれて、前記容器内で、Ｈｅのような蒸発する冷却剤を再凝縮するようになった請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の組立体。
【請求項１１】
前記冷却剤含有容器が、さらに、前記超伝導磁石を含むようになった請求項１０に記載の組立体。
【請求項１２】
前記冷却剤通路が、前記冷凍機の単一冷却段と結合された請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の組立体。
【請求項１３】
前記クライオスタットが、前記冷凍機の残りの冷却段により冷却されるようになった請求項１２に記載の組立体。
【請求項１４】
各段を冷却するのに用いる圧縮ガスを前記冷凍機に供給するガス圧縮機と、前記圧縮ガスの一部を前記冷却剤通路に供給するための手段とをさらに備える前記請求項のいずれか１項に記載の組立体。
【請求項１５】
ガス清浄装置をさらに備え、これを通って、圧縮ガスが、前記冷却剤通路に供給されるようになった請求項１４に記載の組立体。
【請求項１６】
各段を冷却するのに用いる圧縮冷却ガスを前記冷凍機に供給する第１ガス圧縮機と、冷却ガスを前記冷却剤通路に供給する第２ガス圧縮機又はポンプとをさらに備える請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の組立体。
【請求項１７】
前記冷却剤通路が、供給ライン及び戻りラインを備え、前記組立体が、前記供給ライン内の冷却剤が前記冷凍機に到達する前に予冷される位置に、該供給ライン及び前記戻りラインに結合された熱交換器をさらに備える前記請求項のいずれか１項に記載の組立体。
【請求項１８】
前記冷凍機がパルス管冷凍機からなる前記請求項のいずれか１項に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオスタット内に置かれ、該クライオスタット(cryostat)の外側からアクセス可能な孔を定める超伝導磁石を備えた磁場生成組立体に関する。このような組立体は、ＮＭＲ、ＭＲＩ、及びＦＴＩＣＲを含む広範囲の種類にわたる適用例に用いられている。本発明はまた、材料の特性付けにおけるような低温を要求する他の測定装置にも適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
典型的なクライオスタットは、液体ヘリウムのような冷却剤と併せて、多数の放射熱シールドを含み、この中には、超伝導磁石が置かれている。ＲＦコイル及び／又は傾斜磁場コイルのような試料又は部品は、典型的には室温で、孔の中に置かれ、これらの部品は、該孔の中に恒久的に取り付けられるか、又は取り外し可能なプローブ上に取り付けられる場合もある。信号対雑音比などを増加させるためには、これらの部品及び／又は試料を冷却するための一般的な必要条件があり、このことは、通常は、これらの部品を、別々の冷却システムと連結された冷却剤通路に結合することにより達成されていた。ＭＲＩプローブのために設計されたクライオクーラ(cryocooler)の一例は、２００３年９月２２から２６日に、米国アラスカ州アンカレッジにおけるＣＥＣ−ＩＣＭＣで発表されたＷａｎｇ他による論文「ＨＴＳ  ＭＲＩプローブを水平方向に冷却するための単一段式パルス管クライオクーラ」に述べられている。或いは、これらの部品は、ＷＯ  ０３／０２３４３３で述べられるように、クライオスタット内（しかし別々の冷却剤通路により冷却される）に置いてもよい。しかしながら、一旦これらの部品がクライオスタットに置かれると、これらを変更するのは困難であるため、このことは必ずしも可能ではない。さらに、ＷＯ  ０３／０２３４３３に述べられるシステムでは、常に十分な冷却力を得ることができるわけではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
費用と複雑さを減らすために公知のシステムを単純化する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、磁場生成組立体は、クライオスタット内に置かれ、該クライオスタットの外側からアクセス可能な孔を定める超伝導磁石と、少なくとも部分的に該クライオスタットを冷却するための、少なくとも２つの冷却段を有する機械式冷凍機と、該冷凍機から磁石孔の中に延びる冷却剤通路とを備え、該冷却剤通路は、熱交換のために、該冷凍機の最も低温の冷却段以外の冷却段と結合されて、該冷凍機が、さらに、該冷却剤通路内の冷却剤を冷却するようにする。
【０００５】
本発明により、典型的にはクライオクーラである同じ冷凍機から、クライオスタット、及び公称室温である孔につながる冷却剤通路の両方を冷却するのに十分な冷却力を得ることが可能である。このことは、２つのクライオクーラ及び２つの圧縮機を用いる代わりに、１つのクライオクーラ及び１つの圧縮機を用いることができるため、費用を減少させるだけでなく、システム全体の信頼性を増加させ、特に有利である冷凍機構成に対して、大幅な変更を必要とすることがない。このことは、最も低温の冷却段を用いないことにより達成される（ＷＯ  ０３／０２３４３３におけるように）。ＷＯ  ０３／０２３４３３においては、４．２Ｋの最も冷温の段から得られる冷却効果は、１Ｗを越えることはなく、このうち、冷却効果の少なくとも一部は、クライオスタットからのヘリウムガスの再凝縮に用いられることになることが理解された。残りの冷却効果は、冷却剤通路内の付加的な回路ガスを４Ｋに冷却するには十分なものでなく、さらに、プローブに利用できる冷却効果は、ここでは、０．５ワットより少ないものに過ぎず、十分なものではない。ＮＭＲプローブに対する冷却効果の必要条件は、約２０ないし２５Ｋにおいて約２ないし５Ｗである。これを可能にするためには、冷却効果は、最も低温の段ではなく中間段からのみ引き出されなくてはならない。
【０００６】
場合によっては、冷却剤通路は、ＲＦコイル及び／又は傾斜磁場コイルを含む、孔の中に恒久的に取り付けられた部品を冷却するのに用いられる。
他の場合においては、冷却剤通路は、孔の中に挿入可能でかつ該孔から取り外し可能なプローブ上に取り付けられた部品及び／又は試料を冷却するのに用いることができる。この場合には、冷却剤通路の少なくとも一部は、可撓性導管から形成されることが好ましい。
【０００７】
段の数は、孔に対する温度の必要条件によって決まる。シールド温度とコイル温度とが、利用可能な冷凍容量と適合する場合には、２つの段で十分である。このことは、コイル温度の必要条件が約４０ないし５０Ｋであり、冷凍機の第１段がプローブ電子装置／試料を冷却できるのであれば、幾つかの適用例に当てはまる。しかしながら、ＮＭＲにおいて、コイル温度の必要条件が約２０ないし３０Ｋである場合には、１５ないし２０Ｋの付加的な中間段が、冷却剤通路を冷却するのに必要になる。３つ（又はそれ以上）の段をもつ冷凍機は、プローブ温度の必要条件が異なることがある場合に、この組立体と併せて用いることができる、例えば、ＭＲＩ、ＮＭＲ、及びＦＴＩＣＲのような適用例に、より融通性を与える。２段式冷凍機は、その段の一方の温度が放射シールドに固定され、他方の温度が再凝縮に固定されているために、シールド温度及びコイル温度が適合しない限りは、役に立たない。この技術はまた、材料の特性付けにおけるような低温を要求する他の測定装置と併せて用いることができる。
【０００８】
典型的には、冷凍機の１つ又はそれ以上の段は、例えば、４５ないし５０Ｋのクライオスタットの対応する数の熱シールドに結合されている。冷却剤通路もまた、冷却段の１つ又はそれ以上に結合されている。幾つかの場合においては、冷凍機の冷却段の一方は、冷却剤通路を冷却するためだけに用いることができ、該冷却段の他方は、クライオスタットを冷却するのに用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここで、本発明による磁場生成組立体の幾つかの実施例が、添付の図面を参照して述べられる。
図１に示される実施例は、上方向に延びるネック３をもつ外側真空チャンバ２により形成されたクライオスタット１を含む。チャンバ２の中には、液体ヘリウム容器５を囲む冷却シールド４が置かれ、この中に超伝導磁石６が置かれている。磁石６は、室温で、クライオスタットの外側に置かれた孔７を囲む。
【００１０】
クライオスタット１を冷却するために、３段式パルス管冷凍機（ＰＴＲ）１０（図示せず）の形態であるクライオクーラが、該クライオスタットのネック３における３段サックの中に取り付けられる。ＰＴＲ１０の構造は、図３でより詳細に示されている。
図３でより明らかにわかるように、冷凍機１０の３つの段は、１１ないし１３で示されている。第１段１１は約５０Ｋの温度、第２段は２０ないし２５Ｋの範囲の温度、及び第３段は約４．２Ｋの温度で保たれている。
第１段１１は、可撓性編組連結部１４によってシールド４に結合されて、該シールドの温度を約５０Ｋに保つ。
第３段１３は、液体ヘリウム容器５に置かれ、蒸発するヘリウムを再凝縮する。
ＰＴＲ１０は、アルゴン、窒素、キセノンなどのような他のガスを用いることもできるが、典型的にはヘリウムである圧縮ガスを、供給ライン１６に沿って、該ＰＴＲ１０の高圧入口１７に供給するガス圧縮機１５に連結される。この圧縮ガスは、通常の方法により段１１ないし１３を冷却するように用いられ、次いで、ガスは戻りライン１８に沿って圧縮機１５に戻る。好適なＰＴＲは、クライオジェニックス１９９４年、第３４巻、第４号の２５９から２６２ページにおいて、マツバラ他による「４Ｋより少ない温度に対する３段式パルス管冷凍機の新規な構成」に述べられている。代替的に用いることができる冷凍機は、スターリング、ギフォード・マクマホン、及びジュール・トムソンの冷凍機である。
【００１１】
本実施例においては、供給ライン１６からのごく一部の圧縮ガスが、弁２０により取り出され、ガス清浄装置２１により熱交換器２２に与えられる。図３でより明らかにわかるように、熱交換器２２は、次にクライオスタットのネック３の中に供給される流入圧縮ガスを予冷する（以下に述べられるように）。このガスは、ＰＴＲ１０の第１段１１に到達するまで、導管２３に沿って通り、次に、導管２４に沿って戻る前に、第２段１２に与えられる。従って、ガスは２０ないし２５Ｋに冷却される。ガスは、次に、導管２５に沿って、プローブ２６に供給される。プローブ２６は、典型的には、試料、及び／又は、ＲＦコイル及び／又は傾斜磁場コイルを支持し、図示されるように、取り外し可能で孔７の中に挿入されることが可能である。従って、導管２５における冷却ガスは、プローブ２６上の又は該プローブにおける部品及び／又は試料を冷却するのに用いられ、次いで、戻りライン２７に沿って熱交換器２２に戻り、ここで、流入圧縮ガスの予冷を助ける。戻ってくるガスは、次に、圧縮機１５に結合された戻りライン１８に戻される。
【００１２】
キャピラリ形態の導管２５及び戻りライン２７は、コンボリュート状の銅スリーブ（図示せず）で与えられ、これは、次いで、可撓性ステンレス鋼パイプ（これも図示せず）に置かれる。
プローブ２６内においては、冷却システムは小さいキャピラリ管（図示せず）で構成されるため、該キャピラリ管を塞いで、流れを停止させることになるガスの汚染又は湿気を防ぐように、ガス清浄装置２１を与えることが重要である。
この問題を避けるための代替的な手法が図２に示される。図２の構造は、図１に示されるものと同じであるが、プローブ２６に対する冷却回路が、ＰＴＲ１０の圧縮ガス回路から完全に分かれていることが異なっている。さらに、乾燥圧縮機又はポンプ３０が、プローブ２６に対する冷却剤通路の供給ライン２５、戻りライン２７と結合されて与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例の概略図である。
【図２】第２の実施例の概略図である。
【図３】図１及び図２の実施例の両方に対する冷凍機の取り付け構成をより詳細に示す。
【符号の説明】
【００１４】
１：クライオスタット
２：外側真空チャンバ
３：ネック
４：シールド
５：液体ヘリウム容器
６：超伝導磁石
７：孔
１０：冷凍機
１１、１２、１３：冷却段
【図１】
2005214976.tif 000003
【図２】
2005214976.tif 000004
【図３】
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