(57)【要約】      （修正有）【課題】マルチ配向性クライオスタットと前記クライオスタットを有する超電導マグネットアレンジメントとに関し、また、前記クライオスタットを有する医療機器装置を提供する。【解決手段】複数の配向で使用される超電導マグネット用のマルチ配向性クライオスタット５である。クライオスタット５は、低温液体を保持する導管と、前記導管から延在し、マグネットのクエンチに起因した前記低温液体の沸騰により発生するガスを導管から放出することを許容するクエンチダクトとを有する。クエンチダクト７は、少なくとも異なって配置される反対流部７１を備えるように曲がりくねっており、各部分は、クライオスタットがそれぞれの対応した配向にある場合に、反対流部として機能する。【選択図】図３Ａ−３Ｃ
2013184060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の配置で使用される超電導マグネット用のマルチ配向性クライオスタットであり、前記クライオスタットは、
低温液体を保持する導管と、
前記導管から延在し、前記マグネットのクエンチに起因した前記低温液体の沸騰により発生するガスを前記導管から放出することを許容するクエンチダクトと、
を有し、
前記クエンチダクトは、少なくとも二つの異なって配置される反対流部を有するように曲がりくねっており、各部分は、前記クライオスタットが各対応配向にある場合に、反対流部として機能する
ことを特徴とするマルチ配向性クライオスタット。
【請求項２】
前記クエンチダクトが二つ以上の反対流部を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項３】
前記反対流部の少なくとも一方の配向が、前記反対流部の少なくとも他方の配向から少なくとも９０度離れていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項４】
前記クエンチダクトは、通常動作時に、前記保持された低温液体の面より高い位置にとどまるように配置された吸気部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項５】
前記マルチ配向性クライオスタットは、第一配向と、回転変換により前記第一配向から到達可能な第二配向とでの使用のために配置され、前記第一配向と前記第一配向から前記回転変換の一部を実行することで到達可能な前記第二配向との間の配向での使用のために配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項６】
前記クエンチダクトの第一部分は、前記クライオスタットが前記第一配向にある時に反対流部として作用し、前記クエンチダクトの第二部分は、前記クライオスタットが前記第二配向にある時に反対流部として作用することを特徴とする請求項５に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項７】
前記クエンチダクトがＵ型屈曲部、ループ部、螺旋状屈曲部のような、連続屈曲部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項８】
前記連続屈曲部は、少なくとも９０度まで、好ましくは少なくとも１８０度程度まで屈曲することを特徴とする請求項７に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項９】
前記クライオスタットは一つのクエンチダクトを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のマルチ配向性クライオスタット。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のマルチ配向性クライオスタットと超電導マグネットとを有する超電導マグネットアレンジメント。
【請求項１１】
医療機器装置であって、
前記クライオスタットが前記第一配向にある場合の第一位置と、前記クライオスタットが前記第二配向にある場合の第二位置との間にて、該医療機器装置のベースに対して移動可能であるように搭載される請求項１０に記載の超電導マグネットアレンジメントを有する、医療機器装置。
【請求項１２】
医療機器装置のベースに対して第一位置と第二位置との間で移動可能であるように搭載される超電導マグネットアレンジメントを有する医療機器装置であって、前記超電導マグネットアレンジメントは、
超電導マグネットと、
低温液体を保持する導管を有するクライオスタットと、
前記導管から延在し、前記マグネットのクエンチに起因した前記低温液体の沸騰により発生するガスを前記導管から放出することを許容するクエンチダクトと、
を有し、
前記クライオスタットは、前記マグネットアレンジメントが前記第一位置にある時に第一配向にあり、前記クライオスタットは、前記マグネットアレンジメントが前記第二位置にある時に第二配向にあり、
前記クライオスタットが前記第一配向にある時に、第一部分が、前記装置のベースに対して上方向に延在して下端と上端とを有し、前記下端は、前記導管から前記クエンチダクトを通る流路に関して前記上端よりも前記導管により近く、前記クライオスタットが前記第二配向にある時に、第二部分が、前記装置のベースに対して上方向に延在して下端と上端とを有し、前記下端は、前記導管から前記クエンチダクトを通る流路に関して前記上端よりも前記導管により近く、前記クエンチダクトが、互いに異なって配向される少なくとも前記第一部分と前記第二部分とを有するように曲がりくねっている、
ことを特徴とする医療機器装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、マルチ配向性クライオスタットと前記クライオスタットを有する超電導マグネットアレンジメントとに関し、また、前記クライオスタットを有する医療機器装置に関する。
【０００２】
超電導マグネットは、その超電導特性を保持するために、一般に「低温」に維持される必要がある。クライオスタットは、超電導マグネットを超電導温度に維持するために提供される。
【０００３】
クライオスタットは、冷却剤として作用する低温液体を保持する導管を有する。冷却装置は、運び込まれた低温液体及び／又は冷却交換液体を冷却し、クライオスタットへ搬送するために提供される。
【０００４】
一般的に、超電導マグネットにおいてはクエンチのリスクがある。超電導マグネットは、一般的に、それらの磁場にて、非常に大きな蓄積されたエネルギー（例えば、１ＭＪ及び上向き）を体現する。しかしながら、絶対零度に近い材料の熱容量が非常に低いため、わずかなエネルギー擾乱（１ｍＪ以下）によって、局所的に超電導転移温度を超えたコイルの一部が通常の抵抗状態へ移される可能性がある。擾乱が安定性閾値を超えると、擾乱は、巻線のいくつか又は全てが抵抗になるまで巻線中を伝搬する。そして、蓄積された磁気エネルギーは、必然的に、抵抗巻線にて急速に熱に変換される。その熱は低温液体を急速に蒸発させ、低温液体は、ガスに変換され、温かくなるにつれて著しく膨張する（例えば、沸点４．２Ｋの液体ヘリウムは７００：１に膨張し室温及び大気圧のガスになる）。
【０００５】
コイル又はコイルの一部が通常の抵抗状態に戻るといった、マグネットの超電導作用の望ましくない異常な停止は、クエンチとして知られている。
クエンチは、費用がかかり望ましくない。クエンチのリスクは、優れた設計と優れた試みによって最小限に抑えることが可能であるが、にもかかわらず、超電導マグネットは、低温冷却液体を運ぶクライオスタットの導管の過度な圧力の回避を含め、クエンチを耐え切るように設計されなければならない。
【０００６】
これは、通路を備えるクエンチダクトを提供することで達成され、これにより、急速に膨張及び温まる低温流体、より詳細には低温ガスが、導管から放出可能となる。
クエンチダクトは、クエンチによって生成された膨張ガスがクライオスタット導管から安全に放出されるように、比較的大きい内径を有する必要がある。
【０００７】
一方、マグネットの通常動作用の、クライオスタット内に備えられる充填チューブ又は通常のベントチューブは、より小さい断面積を有することが一般的である。これは、大きな内径を有するチューブを提供する必要はなく、また、大きな内径は、クライオスタットへの熱放散を高める傾向があるので、一般的には望ましくないからである。このように、超電導マグネットアレンジメントにおいては、一般的には、どの充填チューブとも区別されるクエンチダクトがあるであろう。さらに、クエンチダクトは、どのベントチューブとも区別され、少なくとも既存のベントチューブ用の排気端とは異なるクエンチダクト用の排気端があるであろう。言い換えれば、クエンチダクトは、充填チューブや通常のベントチューブとは、認識できるくらいはっきりと異なる。
【０００８】
クエンチダクトは、比較的大きな内径である必要があるので、それ自体がクライオスタットへの熱放散経路になるという問題が生じ得、低温液体の望ましくない温度上昇が起こり得る。
【０００９】
通常の状況において、この潜在的な問題は、クエンチダクトが、マグネット作動中に、クライオスタット導管から離れて垂直方向又は略垂直方向に延在することを保証することにより、緩和される。これにより、クエンチダクト内にて温度の逆転が起こり、対流が抑制される。このように、従来のクエンチダクトは、正しく配置されて使用された場合に、温度の逆転により機能する、反対流部を有する。さもなければ対流流れは熱をクライオスタットへ伝搬する傾向があるので、この点は重要である。
【００１０】
このアレンジメントは、通常の超電導マグネットアレンジメントにてうまく機能し得る。
しかしながら、超電導マグネットアレンジメント、つまりクライオスタットを、異なる配向にて使用する必要がある状況もある。一般に、そういった場合、超電導マグネットアレンジメントは、自身の移動に応じて超電導マグネットアレンジメント、つまりクライオスタットの配向も変わるように設置されたベースであって機器のベースに対して、移動可能であるように搭載される。機器は医療機器装置であってもよい。そういった機材の一例として、陽子線治療を施すために使用されるガントリー搭載サイクロトロンがある。そのような装置において、サイクロトロン（超電導マグネットアレンジメントを有する）が、患者の周りにおいて、超電導マグネットアレンジメントの配置に対応して、略１８０度の弧を描きながら移動し、クライオスタットが、この弧の一端と他端との間で、１８０度の範囲内で変位する。これは、例えば、クエンチダクトがこの弧の中間点で垂直方向又は略垂直方向に配置されたならば、クエンチダクトが弧の両端位置にて水平又は略水平に配置されるであろうことを意味する。
【００１１】
クエンチダクトが垂直方向又は略垂直方向の配置でなくなると、温度の逆転（重力に対して）がもはや存在しないので、対流セルが引き起こり得る。よって、熱が、クエンチダクトの暖端（つまり排気端）から冷端（つまり吸気端）へ送り出される傾向があり得る。この状況は、図２に図示され以下にてより詳細に記載される。この状況が発生すると、クライオスタットに対して好ましくない熱放散が引き起こされる可能性があり、低温液体の過度な蒸発を引き起こす恐れがあり、結果、クエンチをもたらす可能性がある。あるいは、又は、さらに、クエンチダクトが垂直方向から離れて移動する場合、低温液体の更なる冷却、及び／又は、より複雑で性能の高い冷却装置を提供するという点において、費用が高くなる可能性がある。
【００１２】
本発明は、少なくともこれら問題のいくつかに対処することを目的としている。
本発明の第一局面によると、複数の配置で使用される超電導マグネット用のマルチ配向性クライオスタットが提供される。そのクライオスタットは、低温液体を保持する導管と、導管から延在し、マグネットのクエンチによる低温液体の沸騰により発生するガスを導管から放出することを許容するクエンチダクトとを有し、クエンチダクトは、少なくとも二つの異なって配置される反対流部を有するように曲がりくねっており、各部分は、クライオスタットがそれぞれの対応した配向にある場合に、反対流部として機能する。
【００１３】
このアレンジメントによると、クライオスタットが複数の配向にある場合に効率的に作動可能なクエンチダクトを提供でき、かつ、優れた絶縁性能をもたらし、保持された低温液体の冷却に必要な条件を最小限にすることができる。
【００１４】
バーストディスクが、導管から離れたクエンチダクトの一端に又は一端近くに備えられてもよい。
クエンチダクトは、どの充填チューブとも異なっていてもよく、またどのベントチューブとも異なっていてもよく、少なくとも、クエンチダクトは、ベントチューブ排出口とは別の排出口を有してもよい。充填チューブ及びベントチューブは、冷却されたマグネットのクエンチ中に大量に発生する、急速に膨張するガスに対処する必要がないので、充填チューブ及びベントチューブは、クエンチダクトよりも小さい断面積を通常有する。
【００１５】
クエンチダクトはチューブ形状であってもよい。各反対流部は、チューブ形状クエンチダクトのチューブ形状部であってもよい。
クエンチダクトは、複数の反対流部を有してもよい。クエンチダクトは二つ以上の反対流部を有してもよい。
【００１６】
反対流部の少なくとも一方についての配向は、反対流部の少なくとも他方についての配向から少なくとも９０度離れていてもよい。クエンチダクトを介する流路に沿って順に少なくとも三つの反対流部があってもよい。それら三つの反対流部は、第２反対流部の配向から少なくとも９０度離れた第１反対流部の配向と、第２反対流部の配向から少なくとも９０度離れた第３反対流部の配向との範囲内に位置する。各反対流部は、他の反対流部と同一面又は平行面にて動作する。
【００１７】
同一面又は平行面は、法線としての回転軸を有することができる。
クエンチダクトは、通常動作時に、保持された低温液体の面より高い位置にとどまるように配置された吸気部を有してもよい。
【００１８】
マルチ配向性クライオスタットは、第一配向と、回転変換により第一配向から到達可能な第二配向とでの使用のために配置されてもよく、第一配向と、第一配向から回転変換の一部を実行することで到達可能な第二配向との間の配向での使用のために配置されてもよい。クエンチダクトの第一部分は、クライオスタットが第一配向にある時に反対流部として作用し、クエンチダクトの第二部分は、クライオスタットが第二配向にある時に反対流部として作用してもよい。
【００１９】
第一配向と第二配向との間の回転角度は、少なくとも９０度、好ましくは少なくとも１３５度、さらに好ましくは少なくとも１８０度である。
クエンチダクトは、クライオスタットが第一配向にある時に反対流部として作用する第一部分、クライオスタットが第二配向にある時に反対流部として作用する第二部分、クライオスタットが第一配向と第二配向との間の配向にある時に反対流部として作用する第三部分の、三つの反対流部を有してもよい。
【００２０】
クエンチダクトは、Ｕ型屈曲部、ループ部、螺旋状屈曲部のような、連続屈曲部を有してもよく、連続屈曲部は、少なくとも９０度まで、好ましくは少なくとも１８０度程度まで屈曲し、場合によっては３６０度まで屈曲してもよい。連続屈曲部の任意の部分が、クライオスタットが対応する任意の配向にある時に反対流部として作用してもよい。
【００２１】
クライオスタットが作動位置にある時に、各反対流部は、上方向に延在し、下端と上端とを有する。下端は、導管からクエンチダクトを通る流路に関して上端よりも導管により近い。
【００２２】
クエンチダクトは、マルチ配向性クライオスタットが第一配向、第二配向、及び、第一配向と第二配向との間の配向のいずれかにある時に、そのクエンチダクトが上向きに延在して、上端と、導管からクエンチダクトを通る流路に関して上端よりも導管により近い下端とを有するチューブ部を備え、反対流部として作用するように配置される。
【００２３】
クエンチダクトの吸気部は、マルチ配向性クライオスタットが第一配向、第二配向、及び、第一配向と第二配向との間の配向のいずれかにある時に、保持された低温液体の面よりも高い位置にとどまるように配置されてもよい。
【００２４】
クライオスタットは一つのクエンチダクトを有してもよい。
マルチ配向性クライオスタットは回転式クライオスタットであってもよい。
本発明の第二局面によると、上記のマルチ配向性クライオスタットと超電導マグネットとを有する超電導マグネットアレンジメントが提供される。
【００２５】
本発明の第三局面によると、クライオスタットが第一配向にある場合の第一位置とクライオスタットが第二配向にある場合の第二位置との間にて医療機器装置のベースに対して移動可能であるように搭載される上記超電導マグネットアレンジメントを有する医療機器装置が提供される。
【００２６】
本発明の第四局面によると、第一位置と第二位置との間で医療機器装置のベースに対して移動可能であるように搭載される超電導マグネットアレンジメントを有する医療機器装置が提供される。超電導マグネットアレンジメントは、超電導マグネットと、低温液体を保持する導管を有するクライオスタットと、導管から延在し、マグネットのクエンチに起因した低温液体の沸騰により発生するガスを導管から放出することを許容するクエンチダクトとを有する。クライオスタットは、マグネットアレンジメントが前記第一位置にある時に第一配向にあり、クライオスタットは、マグネットアレンジメントが前記第二配向にある時に第二配向にある。クエンチダクトは、互いに異なって配向される少なくとも第一反対流部と第二反対流部とを有するように曲がりくねっている。第一反対流部は、クライオスタットが第一配向にある時に反対流部として用いられるように機能し、第二反対流部は、クライオスタットが第二配向にある時に反対流部として用いられるように機能する。
【００２７】
クエンチダクトは複数の反対流部を有していてもよく、各反対流部は、クライオスタットがそれぞれの対応する配置にある時に反対流部として機能する。
本発明の第五局面によると、医療機器装置のベースに対して第一位置と第二位置との間で移動可能であるように搭載される超電導マグネットアレンジメントを有する医療機器装置が提供される。超電導マグネットアレンジメントは、超電導マグネットと、低温液体を保持する導管を有するクライオスタットと、導管から延在し、マグネットのクエンチに起因した低温液体の沸騰により発生するガスを導管から放出することを許容するクエンチダクトとを有する。クライオスタットは、マグネットアレンジメントが第一位置にある時に第一配向にあり、クライオスタットは、マグネットアレンジメントが第二位置にある時に第二配向にある。クライオスタットが第一配向にある時に、第一部分が、前記装置のベースに対して上方向に延在して下端と上端とを有し、下端は、導管からクエンチダクトを通る流路に関して上端よりも導管により近く、クライオスタットが前記第二配向にある時に、第二部分が、前記装置のベースに対して上方向に延在して下端と上端とを有し、下端は、導管からクエンチダクトを通る流路に関して上端よりも導管により近くあるように、クエンチダクトが、互いに異なって配向される少なくとも前記第一部分と前記第二部分とを有するように曲がりくねっている。
【００２８】
これにより、第一配向時の第一部分での温度の逆転と第二配向時の第二部分での温度の逆転とを促進し、導管に向かってクエンチダクトに沿って熱放散を引き起こす傾向にある対流を抑制するのに役立つ。
【００２９】
本発明の第六局面によると、超電導マグネット用のマルチ配向性クライオスタットが提供される。クライオスタットは、低温液体を保持する導管と、導管から延在し、マグネットのクエンチに起因した低温液体の沸騰により発生するガスを導管から放出することを許容するクエンチダクトとを有する。クエンチダクトは、少なくとも二つの異なって配向する部分を有するように曲がりくねっている。
【００３０】
クエンチダクトはチューブ形状であってもよい。異なって配向される各反対流部は、チューブ形状クエンチダクトのチューブ形状部であってもよい。
クエンチダクトは、異なって配向される部分を複数有してもよい。クエンチダクトは異なって配向される部分を二つ以上有してもよい。
【００３１】
クエンチダクト部分の少なくとも一方の配向は、クエンチダクトの少なくとも他方の配向から少なくとも９０度離れていてもよい。
クエンチダクトは、Ｕ型屈曲部、ループ部、螺旋状屈曲部のような、連続屈曲部を有してもよく、連続屈曲部は、少なくとも９０度まで、好ましくは少なくとも１８０度程度まで屈曲してもよい。
【００３２】
クエンチダクトは、クライオスタットが、第一配向と、少なくとも９０度の回転変換により第一配向から到達可能な第二配向とに位置するように、互いに異なって配向される第一部分と第二部分とを有してもよい。クライオスタットが第一配向にある時、第一部分は上向きに延在して下端と上端とを有する。下端は、導管からクエンチダクトを通る流路に関して上端よりも導管により近い。クライオスタットが第二配向にある時、第二部分は上向きに延在して下端と上端とを有する。下端は、導管からクエンチダクトを通る流路に関して上端よりも導管により近い。
【００３３】
好ましくは少なくとも１３５度、さらに好ましくは少なくとも１８０度の回転変換が、第一配向から第二配向へ到達するのに必要である。
本発明の他の局面によると、クライオスタット、マグネット、又は医療機器装置作動方法が提供される。この作動方法は、導管を低温液体で充填することと、第一配向と第二配向との間でクライオスタットを移動することとを有する。
【００３４】
本発明の各局面に続く上に定義した任意の特徴事項は、簡略化の観点から、本発明の他の局面それぞれに続いて必ずしも全て記載されない。しかし、上に述べた発明の局面の任意の特徴事項はいずれも、必要に応じて言い回しを変えて、他の局面においても任意の特徴事項であってもよいのは当然である。
【００３５】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して、以下にてほんの一例として記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】回転式クライオスタットを有する超電導マグネットアレンジメントを備える医療機器装置を概略的に示す。
【図２】図１の装置で使用されることができ、従来のクエンチダクトを有するクライオスタットを示す。
【図３Ａ−３Ｃ】図１に示される装置で使用することができる本発明を具体化する第一の回転式クライオスタットを示し、図３Ａでは第一配向に、図３Ｂでは第二配向に、図３Ｃでは中間配向にある。
【図４Ａ−４Ｃ】図１に示される装置で使用することができる本発明を具体化する第二の回転式クライオスタットを示し、図４Ａでは第一配向に、図４Ｂでは第二配向に、図４Ｃでは中間配向にある。
【図５Ａ−５Ｃ】図１に示される装置で使用することができる本発明を具体化する第三の回転式クライオスタットを示し、図５Ａでは第一配向に、図５Ｂでは第二配向に、図５Ｃでは中間配向にある。
【図６Ａ−６Ｃ】図１に示される装置で使用することができる本発明を具体化する第四の回転式クライオスタットを示し、図６Ａでは第一配向に、図６Ｂでは第二配向に、図６Ｃでは中間配向にある。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、例えば、陽子線治療用のガントリー搭載サイクロトロンやより一般的な放射線治療用（放射線療法）装置といった、医療機器装置を概略的に示す。その装置は、軸３を中心に移動する超電導マグネットアレンジメント２を支持するベース１を有する。超電導マグネットアレンジメント２は、図１にて点線と参照符号２’とで示される第一位置
と、同じく図１にて点線と参照符号２’’とで示される第二位置との間で、軸３を中心に
回転することで移動してもよい。当然のことながら、超電導マグネットアレンジメント２が第一位置２’に位置する場合のベース１に対する配向は、超電導マグネットアレンジメ
ントが第二位置２’’に位置する場合の配向とは異なる（周辺環境、特に重量に対しても
同様に）。超電導マグネットアレンジメント２は、第一位置２’にある時は第一配向を有
し、第二位置２’’にある時は第二配向を有すると考えられ得る。さらに、超電導マグネ
ットアレンジメント２は、超電導マグネットアレンジメント２がこれら二つの位置の間にある時にさまざまな中間配向を有する。
【００３８】
超電導マグネットアレンジメント２は、超電導マグネット４と、マグネット４を超電導温度に維持するための低温液体を保持するクライオスタット５とを有する。クライオスタット５は、導管６とクエンチダクト７とを有する。導管６は低温液体を保持するためであり、導入部で記載したように、クエンチダクト７は、低温流体の流出を許容するために、特に、マグネット４でクエンチが発生している際の低温ガスの急速な膨張を許容するように、備えられる。クエンチダクト７の内部は導管６と流体的に連結されている。導管６と連結するクエンチダクト７の一端は、開いている。このように、通常動作時には、クエンチダクトは低温ガスで充填される傾向にある。本発明が関連しない別のアレンジメントによると、クエンチダクトの下側端にシール又はバーストディスクが備えられ、クエンチダクトを空にする。実際、これを実現することは難しくかつ高価であるため、現在の技術ではこれは必要とされない。
【００３９】
図面には示されていないが、クライオスタット５は、一般に、充填チューブ及びベントチューブをさらに有し、クライオスタットの低温液体での通常充填、及び、導管６からの通常排気を許容する。
【００４０】
導入部で記載したように、クエンチダクト７は、通常、比較的大きな断面積を有し、マグネット４でのクエンチ発生中のガスの放出を許容する。よって、例えば、クエンチダクト７は、比較的大きな径のチューブであってもよい。これは本実施形態にも当てはまる。
【００４１】
チューブの排気端は、所定の過度な圧力で破裂するように設計されるバーストディスク（図１において図示無し）で覆われる。よって、バーストディスクは、通常の状況では損傷を受けず、クエンチの発生に通常起因する導管６からの急速なガス放出を許容する動作をクエンチダクト７が行う必要がある場合にのみ破裂する。
【００４２】
クエンチダクト７は、図１では非常に概略的にのみ図示されており、クエンチダクト７の考えられる構造は、残りの図面を参照に以下にてより詳細に記載される。
図２は、低温液体６１を運ぶ導管６と従来のクエンチダクト７を有する従来のクライオスタット５を図示する。クエンチダクト７は、まっすぐなチューブである。このタイプのクエンチダクト７が静的超電導マグネットアレンジメントで使われる場合、特に問題は発生しない。クレンチダクト７は垂直方向又は略垂直方向に配置され、クエンチダクト７は反対流部として作用するようにクエンチダクト内で温度が逆転する。低温液体６１から蒸発した低温ガスはクエンチダクト７を充満するが、温度の逆転によって、ガスは基本的には留まる。
【００４３】
このようなクライオスタット５が図１に図示されるタイプの装置にて、図１に関連して記載された少なくとも一つの配向にて使用されると、クエンチダクト７は望ましい方法で機能する。しかしながら、他の配向ではそうでもない。例えば、超電導マグネットアレンジメント２が図１にて実線にて示される中間位置にある時にクエンチダクト７が垂直又は略垂直であるようにクライオスタット５が配置される場合、マグネットアレンジメント２が点線にて示される第一位置２’又は第二位置２’’のいずれかに移動すると、クエ
ンチダクト７が略水平になる。このような配置は、重力ｇの方向が矢印で示される図２で図示される。この配置の場合、対流セルが引き起こり、上記導入部で記載したように、蒸発が増すにつれ、導管６への熱放出を可能にする傾向にある。
【００４４】
図３Ａ−３Ｃから図６Ａ−６Ｃは、この問題を軽減する、マルチ配向性又は回転式クライオスタットとして準備される別のクライオスタット５を図示する。図３Ａ−３Ｃから図６Ａ−６Ｃに図示される各クライオスタット５は、図１に図示される装置に使用されてもよいタイプである。
【００４５】
さらに、クライオスタット５はそれぞれ３つの異なる配向で図示される。各図面において、図ＸＡは、図１に図示される第一位置２’にある超電導マグネットアレンジメン
ト２に対応する配向にあるクライオスタットを図示し、図ＸＢは、図１に図示される第二位置２’’にある超電導マグネットアレンジメント２に対応する配向にあるクライオスタ
ット５を図示し、図ＸＣは、図１に実線で示される中間位置にある超電導マグネットアレンジメント２に対応する配向にあるクライオスタット５を図示する。
【００４６】
各ケースにおいて、導管６が低温液体６１を保持し、クエンチダクト７の吸気端７２が導管６と連結し導管６に対して開口している。一方、クエンチダクト７の他端は、マグネット４でのクエンチ発生中に生成される低温ガスがの放出を許容するように、マグネットアレンジメント２の外部へつながっていなければならない。この排気の他端は、バーストディスク７３で覆われ、通常状況ではいつでも、クエンチダクト７内に低温ガスが存在する。導管６により近い、クエンチダクトの一部分は、導管６から離れている場所よりも低温である。これに対応して、バーストディスク７３により近いガスは導管６により近いガスよりも暖かい。
【００４７】
クライオスタット５を個別に考えてみると、図３Ａ−３Ｃは、本発明を具体化し、図１の装置での使用に適した第一の回転式クライオスタット５を図示する。クライオスタット５は、曲がりくねった（又は蛇状の）クエンチダクト７を有する。クエンチダクト７は、クライオスタット５が、図１のマグネットアレンジメント２の第一位置２’に対応す
る図３Ａに図示される第一配向にある時、図１に図示される第二位置２’’にあるマグネ
ットアレンジメント２に対応する図３Ｂに図示される第二配向にある時、さらに、図１に実線で示される中間位置にあるマグネットアレンジメント２に対応する図３Ｃに図示される第三配向にある時に、反対流部７１を提供するように配置される。
【００４８】
各ケースにおいて、反対流部７１は、対応する配向で使用される際に温度の逆転が存在するクエンチダクト７の一部である。
本実施形態では、クエンチダクト７は、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃでみられるように、３６０度ループ部７４を有し、ループ部７４は、クライオスタット５が図示される各作動配向用の反対流部７１を備える。さらに、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃで図示される配向の間の中間配向においては、３６０度ループ部７４の他の部分が反対流部として作用することが注意されるべきである。反対流部は、クライオスタット５の各作動配向用に提供される。各ケースにおいて、反対流部は、上向きに配向され、垂直又は略垂直であるクエンチダクト７の一部である。反対流部は、その上端７１ｂよりも導管６により近い（導管からクエンチダクト７を通る流路に関して）下端７１ａを有する。この構造により、使用時に所望の温度の逆転が生じる。各反対流部７１は、ダクトチューブの一部であることに言及する。それは開口しており、流体の流れの障害が無い。これによって、必要に応じて、クエンチダクトの一部として機能可能である。
【００４９】
例えば、クエンチダクト７の３６０度ループ部７４のようなループ部を有することは望ましい。なぜなら、クライオスタット６が図３Ａの第一配向から図３Ｃの中間配向を介して図３Ｂの第二配向へ移動する時に、有効反対流部７１がループ部７４にてスムーズに移動するからである。万が一、有効反対流部がある位置から他の位置へ急に移動すると、その場合、温度の逆転が所定の配向で発生すると流れが安定するのにより多くの時間を要する。よって、その場合に比べ、これは、より継続的な反対流効果を提供するのに役立つ。
【００５０】
図３Ａ−３Ｃに示すクライオスタットは、図３Ｃに示す中心位置から±１１０度の配向にてうまく作動する。
図４Ａ−４Ｃは、図３Ａ−３Ｃのクライオスタットに似たクライオスタット５を図示する。しかしながら、ここでは、ループ部７４が螺旋部７５に置き換わる。また、図示される三つの異なる配向それぞれにおいて、反対流部７１がクエンチダクト７によって提供される。さらに、図４Ａ−４Ｃで示される配向の間にある中間配向用に、異なる反対流部が存在する。図３Ａ−３Ｃの実施形態において、ループ部７４は、法線としての回転軸３を有する平面に略水平に提供されることが分かる。一方、図４Ａ−４Ｃの螺旋状に屈曲した部分７５は、この平面に対して略直交するように配置される。
【００５１】
図５Ａ−５Ｃは、本発明を具体化する第三クライオスタット５を図示する。この場合、クエンチダクト７は、図３Ａ−３Ｃのクエンチダクトのループ部７４に代わって、Ｕ型屈曲部７６を有する。また、このＵ型屈曲部７６は、法線としての回転軸２を有する平面に主として提供される。また、クエンチダクト７は、図５Ａ、５Ｂ，５Ｃに図示されるクライオスタット５の異なる配向にて作動する反対流部７１を提供する。また、これら配向の間の配向用にも反対流部が存在する。
【００５２】
図３Ａ−３Ｃ，４Ａ−４Ｃ，及び、５Ａ−５Ｃの各実施形態において、クエンチダクト７の吸気部７２が、少なくとも一つの配向用の反対流部として作用する。これの構造は好ましく、実際一般的でもあるが必須ではない。
【００５３】
図６Ａ−６Ｃは、本発明を具体化する第四クライオスタット５を図示する。ここでも、導管６（図面にて点線にて非常に概略的にのみ図示）があり、ここから延在しているのはクエンチダクト７である。しかし、ここで、クエンチダクト７は、上記実施形態よりもより複雑、又はより曲がりくねっている。クエンチダクト７は、多数の折り返し点７７と、その間の直線部分７８とを有する。本実施形態において、各折り返し点７７はＵ型に屈曲した形である。ここでも、クエンチダクト７は、法線としての回転軸２を有する平面に主として提供される。ここにて、図６Ａ、６Ｂ，６Ｃに図示される配向それぞれにおいて、反対流部７１が提供される。また、中間配向用にも反対流部が存在する。実際、本実施形態において、どの配向においても作動可能な複数の反対流部７１があってもよい。
【００５４】
ここで注目しておきたい点は、本実施形態のいずれにおいても、完全に垂直である反対流部７１が理想である一方、必須ではない。その部分が上方向で角度がある場合でも少なくともいくつかの効果は達成されるので、垂直に近づくほどより多くの効果が達成される。
【００５５】
クライオスタット５に対する重力方向は各図面にて参照符号ｇの矢印で図示される点を言及する。これは、各図面において反対流部７１として定義される部分の断面に対応する。
【００５６】
各ケースにおいて、クエンチダクト７は比較的径の大きいチューブから形成されており、各反対流部がチューブの直径に対して出来るだけ長いことが望ましい。しかしながら、いくつかの場合、反対流部の長さがチューブの直径と少なくとも同等であるか、又はそれを超える場合、少なくとも理に適った性能は発揮されるであろう。
【００５７】
また、クライオスタット５がその作動端の中間である配向、つまり、上記図面ＸＣにて図示される位置と同等である配向にある場合、クエンチダクト７の吸気部７２は導管６の上部に向かって設置される。これにより、クエンチダクトは、全ての作動配向において液体が無い状態を維持できる。
【００５８】
マグネット４自体の外側に位置するクエンチダクト７はほぼ１００ｍｍ程度の径を有してもよい。マグネットアレンジメント５の内側に位置するクエンチダクトの径は外側の径よりも小さくてもよい。この構造は、長さの短いクエンチダクトに適応されることが理想的である。
【００５９】
図３Ａ−３Ｃから図５Ａ−５Ｃに図示されるアレンジメントと比較して、図６Ａ−６Ｄに図示されるクエンチダクト７の流れ抵抗が比較的高いことが分かる。
特定の超電導マグネットアレンジメントで受け入れられるクエンチダクト７の正確な構造は、アレンジメントの全体構造に拠る。よって、図６Ａ−６Ｃに図示されるようなアレンジメントは、そのクライオスタット５が比較的少量の低温液体を貯蔵するものであり、かつ、マグネットでのクエンチ発生による潜在的な蒸発率が比較的低い場合のみにおいて適している。
【００６０】
クエンチによって発生する蒸発というより、むしろ標準的な沸騰に対処する一般的な通気出口は、クエンチが発生した場合には急速に充分な量のガスを放出することを通常は許容しない逆止弁を通常備える。
【００６１】
上述が、回転変換によって互いに到達可能な異なる配向で使用できるクライオスタットに関連し、故に、このクライオスタットが回転式クライオスタットとして記載されるが、これは、クライオスタットが３６０度又は継続的に回転可能でなければならないことを意味しない。さらには、これは、回転可能なように必ずしも搭載されているべきとも意味しない。むしろ、いかにこれら配向が互いに関連しているかを定義している。
【図１】
2013184060.tif 000003
【図２】
2013184060.tif 000004
【図３Ａ−３Ｃ】
2013184060.tif 000005
【図４Ａ−４Ｃ】
2013184060.tif 000006
【図５Ａ−５Ｃ】
2013184060.tif 000007
【図６Ａ−６Ｃ】
2013184060.tif 000008
【外国語明細書】
1 Title of Invention
Multi Orientation Cryostats
2 Detailed Description of Invention
This invention relates to multi orientation cryostats, and superconducting magnet arrangements including such cryostats, as well as medical equipment apparatus including such cryostats. 
Superconducting magnets are generally required to be maintained at a "low temperature" in order to maintain their superconducting properties. Cryostats are provided for maintaining superconducting magnets at superconducting temperatures. 
A cryostat comprises a vessel for holding a cryogenic liquid to act as a coolant. Refrigeration systems will be provided to cool the carried cryogenic liquid and/or cool replacement liquid for feeding to the cryostat. 
Superconducting magnets are typically at risk of quenching. Superconducting magnets typically embody very large stored energy in their magnetic fields (e.g. 1MJ and upwards). However due to the very low heat capacity of materials close to absolute zero a tiny energy disturbance (1mJ or less) may drive part of the coil above its local superconducting transition temperature into the normal resistive state. If the disturbance exceeds a stability threshold it will propagate through the windings until some or all of them become resistive. Inevitably the stored magnetic energy is then rapidly converted to heat in the resistive windings. The heat leads to rapid boil off of the cryogenic liquid, which is converted to gas, and expands significantly as it warms (for example 700:1 for liquid helium at 4.2K expanding to become gas at room temperature and atmospheric pressure). 
This undesirable and abnormal termination of the magnet's superconducting operation, as the coil or part of the coil returns to the normal resistive state, is known as a quench. 
Quenching is expensive and undesirable. The risk of quenching can be minimised by good design and good practice but nevertheless superconducting magnets must be designed to survive quenching, including avoiding over pressure of the vessel of the cryostat carrying the cryogenic cooling liquid. 
This is achieved by the provision of a quench duct which provides a path by which rapidly expanding and warming cryogenic fluid, and more particularly cryogenic gas, can escape the vessel.
Quench ducts need to be relatively wide bored to allow the expanding gas produced by a quench to safely escape the cryostat vessel. 
On the other hand, a fill tube or normal vent tube which is provided in a cryostat for normal operation of the magnet will generally be of much smaller cross sectional area. This is because there is not the need to provide such a tube with a large bore and a large bore is generally undesirable as it will tend to increase heat leakage into the cryostat. Thus, in a superconducting magnet arrangement there will be typically a quench duct which is distinct from any fill tube. Further the quench duct will be distinct from any vent tube, or at the very least there will be a different outlet end for any present vent tube than the quench duct. To put this another way, a quench duct is identifiably different from a fill tube or a normal vent tube.
Because the quench duct needs to be of a relatively wide bore it can generate a problem in terms of it being a heat leakage path into the cryostat and can cause undesirable warming of the cryogenic liquid. 
In normal circumstances this potential problem is mitigated against by ensuring that the quench duct extends vertically or near vertically away from the cryostat vessel during operation of the magnet. This creates a temperature inversion in the quench duct which suppresses convection. Thus a conventional quench duct has an anti-convection portion which will function when correctly orientated and in use, by virtue of the temperature inversion. This is important because otherwise convection currents will tend to transfer heat into the cryostat.
This arrangement can function well in a normal superconducting magnet arrangement.
However there are circumstances where it is required to use a superconducting magnet arrangement, and hence cryostat, in different orientations. Typically, in such cases the superconducting magnet arrangement will be mounted in such a way that it is movable relative to a base of the equipment in which it is installed such that the orientation of the superconducting magnet, and hence cryostat, changes as the superconducting magnet arrangement is moved. The equipment may be medical equipment apparatus. One example of such a machine is a gantry mounted cyclotron used to provide proton therapy treatment. In such an apparatus the cyclotron (including the superconducting magnet arrangement) moves in an approximately 180 degree arc around a patient and correspondingly the orientation of the superconducting magnet arrangement and cryostat changes through 180 degrees between one end of this arc and the other. This means, for example, that if the quench duct is orientated vertically or near vertically in the midpoint of this arc it will be orientated horizontally or near horizontally at both end positions of the arc.
When the quench duct is no longer in a vertical or near vertical orientation a convection cell can set up since the temperature inversion (relative to gravity) no longer exists. Thus heat can tend to be pumped from the warm end of the quench duct (i.e. the outlet end) and the cold end (i.e. the inlet end). Such a situation is illustrated in Figure 2 which is described in more detail further below. When this arises it can cause an undesirable heat leakage into the cryostat which may risk causing excessive boil off of the cryogenic liquid which in turn could potentially lead to a quench. Alternatively or in addition where a quench duct may be moved away from the vertical this may lead to increased costs in terms of providing more refrigeration for the cryogenic liquid and/or a more complicated and higher rated refrigeration system. 
The present invention is aimed at addressing at least some of these issues. 
According to a first aspect of the present invention there is provided a multi-orientation cryostat for a superconducting magnet for use in a plurality of orientations, the cryostat comprising a vessel for holding cryogenic liquid and, leading away from the vessel, a quench duct for allowing escape from the vessel of gas generated by boiling of the cryogenic liquid due to quenching of the magnet, wherein the quench duct is sinuous so as to provide at least two differently orientated anti-convection portions, each portion for functioning as an anti-convection portion with the cryostat in a respective corresponding orientation. 
This arrangement allows the provision of a quench duct which can operate effectively with the cryostat in multiple orientations whilst providing good insulation performance to minimise the cooling requirement for the carried cryogenic liquid.
A burst disc may be provided at or towards an end of the quench duct remote from the vessel.
The quench duct may be distinct from any fill tube and may be distinct from any vent tube or at least the quench duct may have a separate outlet to the vent tube outlet. Vent and fill tubes will typically have a smaller cross section than the quench duct since vent and fill tubes are not required to handle the large volume of quickly expanding gas which will be produced during quenching of the cooled magnet. 
The quench duct may be tube like. Each anti-convection portion may be a tube like portion of the tube like quench duct. 
The quench duct may comprise a plurality of anti-convection portions. The quench duct may comprise more than two anti-convection portions.
The orientation of at least one of the anti-convection portions may be separated by at least 90 degrees from the orientation of at least another one of the anti-convection portions. There may be at least three anti-convection portions in sequence along the flow path through the quench duct within the orientation of a first of the anti-convection portions separated by at least 90 degrees from the orientation of a second of the anti-convection portions and the orientation of a third of the anti-convection portions separated by at least 90 degrees from the orientation of the second of the anti-convection portions. Each of the anti-convection portions may run in the same plane as the other anti-convection portions or in parallel planes.
The plane or parallel planes may have the axis of rotation as a normal. 
The quench duct may have an inlet portion which is arranged to remain above the level of the carried cryogenic liquid in normal operation.
The multi-orientation cryostat may be arranged for use in a first orientation and a second orientation reachable from the first orientation by a rotational transformation, and may be arranged for use in orientations between the first orientation and the second orientation reachable by execution of part of said rotational transformation from the first orientation. A first portion of the quench duct may act as an anti-convection portion when the cryostat is in the first orientation and a second portion of the quench duct may act as an anti-convection portion when the cryostat is in the second orientation.
There may be at least 90 degrees, and preferably at least 135 degrees and more preferably still at least 180 degrees, of rotation between the first orientation and the second orientation.
The quench duct may have three anti-convection portions with a first portion of the quench duct acting as an anti-convection portion when the cryostat is in the first orientation, a second portion of the quench duct acting as an anti-convection portion when the cryostat is in the second orientation, and a third portion of the quench duct acting as an anti-convection portion when the cryostat is in an orientation between the first orientation and the second orientation.
The quench duct may include a continuous bend portion, such as a u-bend portion, or a loop portion, or a spiral bend portion, the continuous bend portion may turn through at least 90 degrees, preferable in the order of at least 180 degrees and possibly 360 degrees. Selected parts of the continuous bend portion may act as anti-convection portions when the cryostat is in corresponding selected orientations.
When in an operative position, each anti-convection portion will extend upwardly having a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end.
The quench duct may be arranged such that when the multi-orientation cryostat is in any one of the first orientation, the second orientation and the orientations between the first orientation and the second orientation, the quench duct provides a tube portion extending upwardly having a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end, to act as an anti-convection portion.
The inlet portion of the quench duct may be arranged to remain above the level of the carried cryogenic liquid when the multi-orientation cryostat is in any one of the first orientation, the second orientation and the orientations between the first orientation and the second orientation.
The cryostat may comprise a single quench duct.
The multi-orientation cryostat may be a rotatable cryostat.
According to a second aspect of the present invention there is provided a superconducting magnet arrangement comprising a superconducting magnet and multi-orientation cryostat as defined above.
According to a third aspect of the present invention there is provided medical equipment apparatus comprising a superconducting magnet arrangement as defined above mounted for movement relative to a base of the medical equipment apparatus between a first position where the cryostat is in said first orientation and a second position where the cryostat is in said second orientation.
According to a fourth aspect of the present invention there is provided medical equipment apparatus comprising a superconducting magnet arrangement mounted for movement relative to a base of the medical equipment apparatus between a first position and a second position,
the superconducting magnet arrangement comprising a superconducting magnet and a cryostat comprising a vessel for holding cryogenic liquid and leading away from the vessel, a quench duct for allowing escape from the vessel of gas generated by boiling of the cryogenic liquid due to quenching of the magnet, wherein the cryostat is in a first orientation when the magnet arrangement is in the first position and the cryostat is in a second orientation when the magnet arrangement is in the second position and wherein,
the quench duct is sinuous so as to provide at least a first anti-convection portion and a second anti-convection portion which are differently orientated from one another, with the first anti-convection portion functioning in use as an anti-convection portion with the cryostat in the first orientation and the second anti-convection portion functioning in use as an anti-convection portion with the cryostat in the second orientation.
The quench duct may comprise a plurality of anti-convection portions each for functioning as an anti-convection portion when the cryostat is in a respective corresponding orientation.
According to a fifth aspect of the present invention there is provided medical equipment apparatus comprising a superconducting magnet arrangement mounted for movement relative to a base of the medical equipment apparatus between a first position and a second position,
the superconducting magnet arrangement comprising a superconducting magnet and a cryostat comprising a vessel for holding cryogenic liquid and, leading away from the vessel, a quench duct for allowing escape from the vessel of gas generated by boiling of the cryogenic liquid due to quenching of the magnet, wherein the cryostat is in a first orientation when the magnet arrangement is in the first position and the cryostat is in a second orientation when the magnet arrangement is in the second position and wherein,
the quench duct is sinuous so as to provide at least a first portion and a second portion which are differently orientated from one another in such a way that:
when the cryostat is in the first orientation, the first portion extends upwardly relative to the base of the equipment and has a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end; and
when the cryostat is in the second orientation, the second portion extends upwardly relative to the base of the equipment and has a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end.
This facilitates a temperature inversion in the first portion in the first orientation and in the second portion in the second orientation to help prevent convection currents that would tend to cause heat leakage along the quench duct towards the vessel.
According to a sixth aspect of the present invention there is provided a multi-orientation cryostat for a superconducting magnet, the cryostat comprising a vessel for holding cryogenic liquid and, leading away from the vessel, a quench duct for allowing escape from the vessel of gas generated by boiling of the cryogenic liquid due to quenching of the magnet, wherein the quench duct is sinuous so as to provide at least two differently orientated portions.
The quench duct may be tube like. Each differently orientated portion may be a tube like portion of the tube like quench duct.
The quench duct may comprise a plurality of differently orientated portions. The quench duct may comprise more than two differently orientated portions.
The orientation of at least one of the quench duct portions may be separated by at least 90 degrees from the orientation of at least another one of the quench duct portions.
The quench duct may include a continuous bend portion, such as a u-bend portion, or a loop portion, or a spiral bend portion, the continuous bend portion may turn through at least 90 degrees, preferable in the order of at least 180 degrees.
The quench duct may have a first portion and a second portion which are differently orientated from one another in such a way that the cryostat may be placed in a first orientation and a second orientation reachable from the first orientation by a rotational transformation of at least 90 degrees and where the first and second orientations are such that:
when the cryostat is in the first orientation, the first portion extends upwardly and has a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end; and
when the cryostat is in the second orientation, the second portion extends upwardly and has a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end.
Preferably a rotational transformation of at least 135 degrees, more preferably at least 180 degrees, is required to reach the second orientation from the first orientation.
According to another aspect of the invention there is provided a method of operating a cryostat, magnet or medical equipment apparatus defined above comprising filling the vessel with cryogenic liquid and moving the cryostat between a first and a second orientation.
The optional features defined above following each aspect of the invention are not all repeated following each other aspect of the invention in the interests of brevity. However, it should be understood that any optional features of any of the aspects of the invention mentioned above may also be optional features of any other of the aspects with changes in wording as necessary.
Embodiments of the present invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying Figures in which:
3 Brief description of Drawings
Figure 1 schematically shows medical equipment apparatus including a superconducting magnet arrangement having a rotatable cryostat;
Figure 2 shows a cryostat of a type which may be used in the apparatus of Figure 1 and having a conventional quench duct; 
Figures 3A to 3C show a first rotatable cryostat embodying the invention which may be used in the apparatus shown in Figure 1, with the cryostat shown in a first orientation in Figure 3A, a second orientation in Figure 3B, and an intermediate orientation in Figure 3C.
Figures 4A to 4C show a second rotatable cryostat embodying the invention which may be used in the apparatus shown in Figure 1, with the cryostat shown in a first orientation in Figure 4A, a second orientation in Figure 4B, and an intermediate orientation in Figure 4C.
Figures 5A to 5C show a third rotatable cryostat embodying the invention which may be used in the apparatus shown in Figure 1, with the cryostat shown in a first orientation in Figure 5A, a second orientation in Figure 5B, and an intermediate orientation in Figure 5C.
Figures 6A to 6C show a fourth rotatable cryostat embodying the invention which may be used in the apparatus shown in Figure 1, with the cryostat shown in a first orientation in Figure 6A, a second orientation in Figure 6B, and an intermediate orientation in Figure 6C.
4 Description of Embodiments
Figure 1 schematically shows medical equipment apparatus which may, for example, be a gantry mounted cyclotron for use in proton therapy treatment or more generally radiotherapy (radiation therapy) apparatus. The apparatus comprises a base 1 which supports a superconducting magnet arrangement 2 for movement about an axis 3. The superconducting magnet arrangement 2 may be moved between a first position shown in dotted lines and labelled 2' in Figure 1, and a second position also shown in dotted lines and labelled 2'' in Figure 1 by rotation about the axis 3. It will be appreciated that when the superconducting magnet arrangement 2 is in the first position 2' it has a different orientation relative to the base 1 (as well as relative to the surroundings and in particular relative to gravity) than when the superconducting magnet arrangement is in the second position 2''. The superconducting magnet arrangement 2 can be considered to have a first orientation when in the first position 2', and a second orientation when in the second position 2''. Further the superconducting magnet arrangement 2 will have a range of intermediate orientations when the superconducting magnet arrangement 2 is between these two positions. 
The superconducting magnet arrangement 2 comprises a superconducting magnet 4 and a cryostat 5 for holding cryogenic liquid to maintain the magnet 4 at superconducting temperatures. The cryostat 5 comprises a vessel 6 and quench duct 7. The vessel 6 is for holding the cryogenic liquid, and as mentioned in the introduction, the quench duct 7 is provided for allowing escape of cryogenic fluid and in particular quickly expanding cryogenic gas in the event of the magnet 4 experiencing a quench. The interior of the quench duct 7 is in fluid communication with the vessel 6. The end of the quench duct 7 where it meets the vessel 6 is open. Thus the quench duct will tend to fill with cryogenic gas in normal operation. An alternative arrangement with which the present invention is not concerned is to provide a seal or burst disc at the lower end of the quench duct and evacuate the quench duct. In practice this is difficult and expensive to achieve and the present techniques avoid needing to attempt this.
As is typical, but not shown in the drawings, the cryostat 5 also comprises a fill tube and a vent tube to allow normal filling of the cryostat with cryogenic liquid and normal venting of the vessel 6. 
As mentioned above in the introduction, a quench duct 7 typically has a relatively large cross section to allow escape of gas during quenching of the magnet 4. Thus, for example, the quench duct 7 may be a relatively large diameter tube. This is true in the present embodiment. 
The outlet end of the tube is capped with a burst disc (not shown in Figure 1) which is designed to rupture at a set over pressure. Thus, in normal circumstances the burst disc will remain intact and only burst if the quench duct 7 needs to provide its operation of allowing quick evacuation of gas from the vessel 6 which would typically be due to a quench having occurred.
The quench duct 7 is shown only in highly schematic form in Figure 1 and more details of possible configurations of the quench duct 7 will now be described below with reference to the remaining Figures.
Figure 2 shows a conventional cryostat 5 with a vessel 6 carrying carrying cryogenic liquid 61 and conventional quench duct 7. The quench duct 7 is a straight tube. Where this type of quench duct 7 is used in a static superconducting magnet arrangement no particular problems should occur. The quench duct 7 would be arranged vertically or near vertically providing a temperature inversion in the quench duct such that the quench duct 7 acts as an anti-convection portion. Cryogenic gas boiled off from the cryogenic liquid 61 will fill the quench duct 7 but the gas will remain essentially static due to the temperature inversion. 
If such a cryostat 5 is used in an apparatus of the type shown in Figure 1 then in one or at least some of the orientations described in relation to Figure 1 the quench duct 7 will behave in the desired way. However in other orientations it will not. Thus, for example, if the cryostat 5 is orientated so that the quench duct 7 is vertical or near vertical when the superconducting magnet arrangement 2 is in the intermediate position as shown in solid lines in Figure 1, then when the magnet arrangement 2 is moved to either the first position 2' or second position 2'' shown in dotted lines then the quench duct 7 will become near horizontal. Such an orientation is shown in Figure 2 where the direction of gravity g is indicated with an arrow. In this orientation a convection cell is set up which will tend to allow heat to leak into the vessel 6 increasing boil off as discussed in the introduction above.
Figures 3A to 3C through to Figures 6A to 6C show alternative cryostats 5 which are arranged as multi orientation or rotatable cryostats for alleviating this problem. Each of these cryostats 5 shown in Figures 3A to 3C through to Figures 6A to 6C are of a type which may be used in the apparatus shown in Figure 1.
Furthermore in each case, the cryostat 5 is shown in three different orientations. In each case, Figure XA shows the cryostat in an orientation which corresponds to the superconducting magnet arrangement 2 being in the first position 2' shown in Figure 1, whereas Figure XB shows the cryostat 5 in an orientation which corresponds to the superconducting magnet arrangement 2 being in the second position 2'' shown in Figure 1, and Figure XC shows the cryostat 5 in an orientation which corresponds to the superconducting magnet arrangement 2 being in the intermediate position shown in solid lines in Figure 1.
In each case in use the vessel 6 holds cryogenic liquid 61, and an inlet end 72 of the quench duct 7 meets with and is open to this vessel 6. On the other hand the other end of the quench duct 7 must proceed to the exterior of the magnet arrangement 2 so as to allow escape of cryogenic gas generated during quenching of the magnet 4 should this occur. This other, outlet, end is capped with a burst disc 73 and in all normal circumstances there will be cryogenic gas present in the quench duct 7. Portions of the quench duct nearer to the vessel 6 will be at a lower temperature than portions away from the vessel 6. Correspondingly the gas nearer the burst disc 73 will be warmer than that nearer the vessel 6.
Turning now to consider the cryostats 5 individually, Figures 3A to 3C show a first rotatable cryostat 5 which embodies the invention and is suitable for use in the apparatus of Figure 1. The cryostat 5 includes a sinuous (or serpentine) quench duct 7 which is arranged to provide anti-convection portions 71 when the cryostat 5 is in the first orientation as shown in Figures 3A corresponding to the first position 2' of the magnet arrangement 2 in Figure 1, and when in a second orientation as shown in Figure 3B corresponding to the magnet arrangement 2 being in the second position 2'' shown in Figure 1, as well as in a third orientation as shown in Figure 3C corresponding to the magnet arrangement 2 being in the intermediate position shown in solid lines in Figure 1. 
In each case the anti convection portion 71 is a portion of the quench duct 7 in which a temperature inversion will exist in use in a corresponding orientation.
In the present embodiment the quench duct 7 includes a 360 degree loop portion 74 which as seen by reference 3A, 3B and 3C provides an anti-convection portion 71 for use in each of the illustrated operational orientations of the cryostat 5. Further, it will be noted that in intermediate orientations between the orientations shown in Figures 3A, 3B and 3C, other portions of the 360 degree loop portion 74 will act as anti-convection portions. An anti-convection portion is provided for each operational orientation of the cryostat 5. In each case, the anti-convection portion is a portion of the quench duct 7 which is upwardly orientated and may be vertical or substantially vertical and which has a lower end 71a which is nearer (in terms of the flow path from the vessel through the quench duct 7) to the vessel 6 than its upper end 71b. This configuration gives rise to the desired temperature inversion in use. Note that each anti-convection portion 71 is a portion of duct tubing. It is open and free of any impediments to fluid flow. This is so it can provide its function as part of the quench duct when required. 
The provision of a loop portion, for example the 360 degree loop portion 74 in the quench duct 7, is desirable because it means that as the cryostat 6 moves from the first orientation shown in Figure 3A to the second orientation shown in Figure 3B through the intermediate orientation shown in Figure 3C the effective anti-convection portion 71 moves smoothly around the loop portion 74. This helps to provide a more continuous anti-convection effect than if the effective anti-convection portion jumps from location to location since in such a case there will be more of time required in order for the flow to stabilise as the temperature inversion takes effect in any given orientation.
The cryostat shown in Figures 3A to 3C provides good operation in orientations of plus or minus 110 degrees from a central position as shown in Figure 3C.
Figures 4A to 4C show a similar cryostat 5 to that shown in Figures 3A to 3C. However here the loop portion 74 is replaced by a spiral portion 75. Again anti-convection portions 71 are provided by the quench duct 7 for each of the three different orientations shown. Further, different anti-convection portions exist for intermediate orientations between those shown in Figures 4A to 4C. It will be noted that in the embodiment of Figures 3A to 3C the loop portion 74 is provided close to parallel to a plane which has the axis of rotation 3 as normal. On the other hand, the spiral bend portion 75 of the Figure 4A to 4C arrangement is approximately perpendicular to this plane. 
Figures 5A to 5C show a third cryostat 5 embodying the present invention. In this case the quench duct 7 includes a U-bend portion 76 in place of the loop portion 74 of the quench duct of Figures 3A to 3C. Again, this U-bend 76 is provided largely in a plane which has as a normal axis of rotation 2. The quench duct 7 again provides anti-convection portions 71 which are operative in the different orientations of the cryostat 5 shown in Figures 5A, 5B and 5C. Again anti-convection portions exist for orientations between these orientations. 
It may be noted that in each of the embodiments shown in Figures 3A to 3C, 4A to 4C and 5A to 5C the inlet portion 72 of the quench duct 7 acts as an anti-convection portion for at least one orientation. This is desirable and may indeed be typical but is not essential. 
Figures 6A to 6C show a fourth cryostat 5 embodying the present invention. Again there is a vessel 6 (shown only highly schematically and in dotted lines in the drawings) and leading away from this a quench duct 7. However, here the quench duct 7 is even more convoluted or more sinuous than in the embodiments described above. This quench duct 7 includes multiple turns 77 and straight sections 78 therebetween. In the present embodiment each turn 77 is in the form of a U-bend. Again the quench duct 7 is provided primarily in a plane which has as a normal the axis of rotation 2. Here again an anti-convection portion 71 is provided for each of the orientations shown in Figures 6A, 6B and 6C and anti-convection portions also exist for intermediate orientations. In the present embodiment in fact there may be a plurality of anti-convection portions 71 which are operative in any one orientation.
It should be noted that whilst having the anti-convection portion 71 in any one of these embodiments completely vertical is ideal, this is not essential. Provided that the portion is angled upwardly at least some effect will be achieved and this will improve as this becomes close to vertical. 
Note that the direction of gravity relative to the cryostat 5 is shown with an arrow labelled g in each of the Figures. This corresponds to the section labelled as an anti-convection portion 71 in the respective drawing.
Note that the quench duct 7 in each case is made of a relatively large diameter tube and it is desirable for each anti-convection portion to be as long as possible relative to the diameter of the tube. In some cases, however, at least reasonable performance may be achieved if the length of the anti-convection portion is at least equal to or exceeds the diameter of the tube.
Note also that the inlet portion 72 of the quench duct 7 is located towards an upper portion of the vessel 6 when the cryostat 5 is in an orientation which is midway between its operational extremes, i.e. equivalent to the position shown in Figures XC above. This can help ensure that the quench duct remains free of liquid in all operational orientations.
Outside of the magnet 4 itself, the quench duct 7 may have a diameter in the order of 100mm. Inside the magnet arrangement 5 itself the quench duct may have a smaller diameter. Ideally this is for a relatively short length of the quench duct.
It may be noted that the quench duct 7 shown in Figures 6A to 6D would provide a relatively high flow resistance compared with arrangements shown in Figures 3A to 3C to Figures 5A to 5C.
The exact configuration of the quench duct 7 which will be acceptable in a particular superconducting magnet arrangement depends on the construction of that arrangement as a whole. Thus an arrangement such as that shown in Figures 6A to 6C may only be suitable where the cryostat 5 is for holding a relatively small volume of cryogenic liquid and the potential rate of boil off due to a quench of the magnet is relatively low.
Note that a typical vent outlet for handling normal boil of rather than boil off created by a quench will normally be provided with a non return valve which will not in general allow a fast enough exit of gas to cope with a quench. 
Note that whilst the above relates to cryostats which may be used in different orientations which are reachable from one another by a rotational transformation and hence the cryostat may be described as a rotatable cryostat this does not imply that the cryostat must be rotatable though 360 degrees or continuously rotatable nor indeed that it should necessarily be or is mounted for rotation. Rather we are defining how the orientations are related to one another. 
1.      A multi-orientation cryostat for a superconducting magnet for use in a plurality of orientations, the cryostat comprising a vessel for holding cryogenic liquid and, leading away from the vessel, a quench duct for allowing escape from the vessel of gas generated by boiling of the cryogenic liquid due to quenching of the magnet, wherein the quench duct is sinuous so as to provide at least two differently orientated anti-convection portions, each portion for functioning as an anti-convection portion with the cryostat in a respective corresponding orientation.
2.      A multi-orientation cryostat according to claim 1 in which the quench duct comprises more than two anti-convection portions.
3.      A multi-orientation cryostat according to claim 1 or claim 2 in which the orientation of at least one of the anti-convection portions is separated by at least 90 degrees from the orientation of at least another one of the anti-convection portions. 
4.      A multi-orientation cryostat according to any preceding claim in which the quench duct has an inlet portion which is arranged to remain above the level of the carried cryogenic liquid in normal operation.
5.      A multi-orientation cryostat according to any preceding claim in which the multi-orientation cryostat is arranged for use in a first orientation and a second orientation reachable from the first orientation by a rotational transformation, and arranged for use in orientations between the first orientation and the second orientation reachable by execution of part of said rotational transformation from the first orientation. 
6.      A multi-orientation cryostat according to claim 5 in which a first portion of the quench duct is for acting as an anti-convection portion when the cryostat is in the first orientation and a second portion of the quench duct is for acting as an anti-convection portion when the cryostat is in the second orientation. 
7.      A multi-orientation cryostat according to any preceding claim in which the quench duct includes a continuous bend portions, such as a u-bend portion, or a loop portion, or a spiral bend portion.
8.      A multi-orientation cryostat according to claim 7 in which the continuous bend portion turns through at least 90 degrees, preferably in the order of at least 180 degrees.
9.      A multi-orientation cryostat according to any preceding claim in which the cryostat comprises a single quench duct. 
10.     A superconducting magnet arrangement comprising a superconducting magnet and multi-orientation cryostat according to any preceding claim. 
11.     Medical equipment apparatus comprising a superconducting magnet arrangement according to claim 10 mounted for movement relative to a base of the medical equipment apparatus between a first position where the cryostat is in said first orientation and a second position where the cryostat is in said second orientation. 
12.     Medical equipment apparatus comprising a superconducting magnet arrangement mounted for movement relative to a base of the medical equipment apparatus between a first position and a second position,
the superconducting magnet arrangement comprising a superconducting magnet and a cryostat comprising a vessel for holding cryogenic liquid and, leading away from the vessel, a quench duct for allowing escape from the vessel of gas generated by boiling of the cryogenic liquid due to quenching of the magnet, wherein the cryostat is in a first orientation when the magnet arrangement is in the first position and the cryostat is in a second orientation when the magnet arrangement is in the second position and wherein,
the quench duct is sinuous so as to provide at least a first portion and a second portion which are differently orientated from one another in such a way that:
when the cryostat is in the first orientation, the first portion extends upwardly relative to the base of the equipment and has a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end; and
when the cryostat is in the second orientation, the second portion extends upwardly relative to the base of the equipment and has a lower end and an upper end with the lower end closer, in terms of a flow path through the quench duct from the vessel, to the vessel than the upper end.
1 Abstract
A multi-orientation cryostat 5 for a superconducting magnet 4 for use in a plurality of orientations. The cryostat 5 comprises a vessel 6 for holding cryogenic liquid and, leading away from the vessel, a quench duct 7 for allowing escape from the vessel of gas generated by boiling of the cryogenic liquid due to quenching of the magnet. The quench duct 7 is sinuous so as to provide at least to differently orientated anti-convection portions 71, each portion for functioning as an anti-convection portion with the cryostat in a respective corresponding orientation. 
2 Representative Drawing
Figure 3
【図１】
2013184060.tif 000009
【図２】
2013184060.tif 000010
【図３Ａ−３Ｃ】
2013184060.tif 000011
【図４Ａ−４Ｃ】
2013184060.tif 000012
【図５Ａ−５Ｃ】
2013184060.tif 000013
【図６Ａ−６Ｃ】
2013184060.tif 000014