КРИОСТАТ ДЛЯ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФА ДЛЯ ТРАВМАТОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Полезная модель относится к криогенной технике, а именно к низкотемпературным криогенным устройствам и может быть использована для проведения исследований магнитных свойств различных материалов, в том числе для магниторезонансного томографа для травматологической диагностики.
Известен криостат для магнитных исследований (АС №981781, F25D 3/10, БИ №46,1982 г.). Криостат содержит наружный кожух, охлаждаемый радиационный экран, сосуд для криогенной жидкости, образованный наружной стенкой с горизонтальным разъемом и внутренней стенкой, горизонтальный канал, изолированный от полости сосуда для криогенной жидкости, соленоид, помещенную в эту полость, и шахту с рабочей камерой, размещенной внутри полости, ограниченной внутренней стенкой. При этом криостат дополнительно снабжен диском, который установлен в разъеме наружной стенки, горизонтальный канал выполнен внутри диска, а соленоид смонтирован на его верхней и нижней поверхностях.
Недостатками известного криостата являются то, что он обладает повышенным расходом хладоагента, обусловленными следующими причинами. Во-первых, трубки подвеса гелиевого сосуда создают дополнительный теплоподвод к хладоагенту. Во-вторых, токовводы подсоединены к соленоиду постоянно, что также приводит к увеличению расхода хладоагента. Кроме того, конструкция криостата создает ряд неудобств в работе, т.к. при периодическом заполнении хладоагентом криостата из-за термоциклирования требуется подтяжка шпилек, стягивающих разъемное соединение для сохранения его герметичности. Надо отметить и недостаток, состоящий в том, что разъемное герметичное соединение выполнено на сосуде для жидкого гелия и занимает значительное место. Это приводит к увеличению габаритов криостата.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является криостат для сверхпроводящих магнитов, содержащий наружный кожух, соленоид, охлаждаемый радиоционный экран, сосуды для жидкого хладоагента с трубками подвеса, шахту с рабочей камерой, который дополнительно снабжен токовводами, коллектором и уровнемером жидкого хладоагента, при этом токовводы выполнены съемными, снабжены коническим хвостовиком и поворотным рычагом и расположены внутри трубки подвеса, сосуд жидкого гелия снабжен в верхней своей части фланцем, имеющим удлиненную кромку с высотой, превышающей толщину фланца в верхней части, кроме того во фланце расположено гнездо для хвостовика токоввода, а коллектор расположен в верхней наружной части криостата (Патент РФ на полезную модель №38383 «Криостат для сверхпроводящих магниитов», БИ №16, 2004 г Криостат содержит наружный кожух, охлаждаемый съемный радиационный экран, соединенный с сосудом жидкого азота, сосуд для жидкого гелия, образованный верхним фланцем с приваренной к нему обечайкой. Внутри сосуда размещен соленоид, прикрепленный с помощью подвески к верхнему фланцу. Сосуд крепится с помощью трубы и отводящих трубок к верхней крышке криостата.). В известном устройстве токоввод выполнен перфорированным. Удлиненная кромка фланца выполнена в соответствии с соотношением H=δ+(10-15), где H - высота кромки, мм; δ - толщина фланца, мм. В известном криостате уровнемер жидкого хладоагента выполнен из сверхпроводящего материала. Токовводы расположены внутри отводящих трубок и соединены коническим хвостовиком с изолированным гнездом. Отводящие трубки соединены трубками с коллектором. Внутри отводящей трубки установлен также уровнемер жидкого хладоагента. В криостате для сверхпроводящих магнитов трубки подвеса гелиевого сосуда охлаждаются обратным потоком хладоагента, при этом поток хладоагента выведен в коллектор. Это снижает теплоприток по трубкам подвеса. Коллектор представляет собой кольцевую трубу, к которой с одной стороны подведены полости всех трубок подвеса. С другой стороны коллектор соединен с газосборной сетью. Коллектор прикреплен к верхнему наружному фланцу криостата. Поток хладоагента поступает по трубкам подвеса в коллектор и далее в газосборную сеть.
Недостатками прототипа являются:
1. Такая организация потока хладоагента требует частого подлива жидких гелия и азота в криостат.
2. Отсутствие удобного доступа для пациента к области сильного магнитного поля.
Задачей технического решения является устранение выше названных недостатков, а именно, создание устройства с повышенной эффективностью, имеющего более совершенную систему охлаждения в замкнутом режиме, обеспечивающую постоянный уровень жидкого гелия, и, кроме того, криостат должен иметь удобный доступ для пациента к области сильного магнитного поля.
Поставленная задача решается заявляемым криостатом для магниторезонансного томографа для травматологической диагностики, содержащим наружный кожух, охлаждаемый радиоционный экран, сосуд для жидкого хладоагента с трубками подвеса, сверхпроводящий соленоид, установленный в сосуде для жидкого хладоагента, съемные токовводы, уровнемер жидкого хладоагента, который дополнительно снабжен двухступенчатым криорефрижератором, размещенным в трубе подвеса сосуда с жидким хладоагентом, а радиационный экран присоединен к первой ступени криорефрижератора, при этом криостат имеет сквозное отверстие при комнатной температуре.
В заявляемом криостате сосуд для жидкого хладоагента снабжен вакуумным контуром, выполненным из нержавеющей стали, а радиационный экран присоединен снаружи с помощью пайки мягким припоем. Уровнемер жидкого хладоагента выполнен в виде вертикального ряда датчиков температуры. Токовводы изготовлены с использованием высокотемпературного сверхпроводящего материала.
Общий вид заявляемого криостата показан на фиг.1 (общий вид криостата, фронтальный разрез), фиг.2 (общий вид криостата, вид слева), здесь же приведены габаритные размеры. Все обечайки и полости криостата имеют цилиндрическую форму и расположены коаксиально. Свободный доступ к зоне высокой однородности поля обеспечивает «теплое» отверстие криостата диаметром 285 мм.
Гелиевый контейнер 1 представляет собой цилиндрическую емкость наружным диаметром 650 мм, длиной 545 мм с коаксиальным центральным отверстием диаметром 322 мм. Внутри гелиевого контейнера размещается сверхпроводящий соленоид 2. Контейнер размещен в вакуумной полости криостата и подвешен на двух горловинах.
В горловине 3, диаметром 100 мм в нижней части и 137 мм в верхней, устанавливается криорефрижератор 4. На фланце второй ступени криорефрижератора монтируется реконденсатор 5, повышающий эффективность сжижения насыщенного пара.
Вторая горловина 6 диаметром 60 мм служит для эксплуатационных целей. Через нее осуществляется заливка криостата жидким гелием, отвод испарившегося газа (в режиме заливки и при вводе тока), здесь размещаются токовые вводы для питания соленоида, через нее выводятся слаботочные провода диагностики и нагревателя сверхпроводящего ключа.
Наружный корпус криостата включает четыре основных узла: центральную часть 7 длиной 420 мм и диаметром по фланцам 740 мм, два боковых стакана 8 наружным диаметром 700 мм и длиной 90 мм, «теплую» трубу 9 длиной 610 мм и внутренним диаметром 285 мм. Центральная часть корпуса имеет «лапы» 10 для монтажа криостата на раме либо для установки его на фундаменте. Также на корпусе имеются гнезда 20 для крепления рым-болтов, что дает возможность перемещать криостат с помощью тали или кран-балки. С обоих торцов центральная часть заканчивается фланцами с резиновыми уплотнениями, расположенными при комнатной температуре. На боковой поверхности имеются стандартные порты 11 с проходным сечением 25 мм для откачки вакуумной полости и установки вакуумной лампы. В верхней части расположены два вертикальных патрубка 12 и 13, служащих для монтажа внешних колпаков горловин гелиевого контейнера.
На фланце колпака 14 рефрижераторной горловины монтируется криорефрижератор, газовая среда внутри горловины уплотняется с помощью резиновой прокладки. На колпаке 15 «эксплуатационной» горловины через уплотнение с резиновой прокладкой монтируется «эксплуатационная» головка 16.
Детали гелиевого контейнера, наружного кожуха, колпаки, горловины изготавливаются из нержавеющей стали.
Для уменьшения теплопритока к жидкому гелию за счет излучения в вакуумном пространстве криостата расположен тепловой экран 17. Экран состоит из внутренней и наружной обечаек цилиндрической формы, выполненных из меди. Обечайки соединены между собой торцевыми медными крышками с помощью пайки. Для снижения коэффициента теплового излучения внешние поверхности экрана покрыты многослойной экранно-вакуумной изоляцией. Тепловой экран фиксируется относительно внешнего корпуса с помощью регулируемых радиальных 18 и продольных 19 стеклотекстолитовых упоров.
Охлаждение экрана осуществляется за счет теплового контакта с первой ступенью криорефрижератора. Узел теплосъема первой ступени показан на фиг.3. Фланец первой ступени 1 прижимается к медному контактному диску 2 при затягивании болтов на верхнем фланце 3 уплотнения горловины. Применение толстого резинового уплотнителя 4 на верхнем фланце позволяет компенсировать возможное небольшое несовпадение в продольных размерах горловины и криорефрижератора.
Медный контактный диск припаян мягким припоем к внутренней поверхности горловины 5. Снаружи к этому же участку горловины припаивается медный цилиндр 6, служащий экраном для нижней части горловины и одновременно холодопроводом к наружной обечайке теплового экрана.
Таким образом, заявляемый криостат имеет следующие отличия по сравнению с прототипом:
1. Криостат работает в замкнутом режиме с использованием хладопроизводительности двухступенчатого криорефрижератора. Обеспечивается поддержание постоянного уровня жидкого гелия в гелиевом сосуде криостата за счет реконденсации паровой фазы на второй ступени криорефрижератора.
2. Жидкий азот не используется. Тепловой экран охлаждается с помощью первой ступени криорефрижератора. Отсутствие азотного сосуда упрощает конструкцию криостата.
3. Гелиевый сосуд подвешен на двух горловинах. Внутри одной из горловин размещен криорефрижератор. Вторая горловина служит для помещения съемных токовводов, диагностических проводов и первоначальной заливки жидкого гелия.
4. Вакуумный контур криостата в области, где размещается криорефрижератор, выполнен целиком из нержавеющей стали. Передача тепла от теплового экрана к первой ступени криорефрижератора осуществляется через стенку нержавеющей горловины и медные тепловые мосты, припаянные к ней мягким припоем внутри и снаружи. Отсутствие необходимости выполнять вакуумноплотное соединение нержавеющей стали с медью повышает надежность конструкции.
5. Криостат имеет горизонтальное отверстие при комнатной температуре, обеспечивающее удобный доступ пациента к области сильного магнитного поля.
Таким образом, криостат для магниторезонансного томографа для травматологической диагностики имеет повышенную эффективность за счет более совершенной системы охлаждения, обеспечивающей постоянный уровень жидкого гелия. Кроме того, Криостат имеет удобный доступ для пациента к области сильного магнитного поля.