Supraleitung mittels mechanischer Kühlung

  • 21. October 2013

Neue Magnete für die Bildgebung und Spektroskopie arbeiten ohne flüssiges Helium.

Bildgebende Laborsysteme und hochauflösende Spektrometer, die auf magnetischer Resonanz basieren, benötigen starke Magnetfelder. Diese erzeugen Signale, aus denen sich dann Bilder generieren oder Angaben zur chemischen Struktur gewinnen lassen. Zur Erzeugung solch starker Magnetfelder sind supraleitende Magnete notwendig, die bis beinahe auf den absoluten Nullpunkt gekühlt werden müssen, um zu funktionieren. Zur Kühlung wird normalerweise flüssiges Helium eingesetzt, das regelmäßig in den Apparat eingeleitet werden muss. Doch die Ressourcen werden knapper und flüssiges Helium wird immer teurer; in vielen Ländern ist es sehr schwer zu bekommen.

Abb.: Helium-freies Kühlsystem im Gifford-McMahon-Kühler. (Bild: Cryogenic Ltd.)

Abb.: Helium-freies Kühlsystem im Gifford-McMahon-Kühler. (Bild: Cryogenic Ltd.)


Cryogenic Ltd., Anbieter von supraleitenden Magneten, hat nun ein Verfahren zur Kühlung von Magneten ohne flüssiges Helium entwickelt und bietet Magnete für die Magnetresonanztomographie (MRI), Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie und Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie an.

Dies könnte Vorteile für Labore und Forschungseinrichtungen bedeuten, die diese Techniken einsetzen. Die neue Technologie spart bares Geld, weil flüssiges Helium teuer ist und voraussichtlich noch teurer wird, wenn die Ressourcen zur Neige gehen. Dort, wo flüssiges Helium sehr schwer erhältlich ist, könnte die neue Lösung den Einsatz dieser bildgebenden und Spektroskopieverfahren erstmals möglich machen.

Daneben spart die Lösung Zeit und Aufwand. Das kontinuierliche Befüllen der analytischen Instrumente mit flüssigem Helium ist zeitaufwändig und umständlich. Bei supraleitenden Magneten besteht außerdem das Risiko eines Quench, bei dem der spezielle Draht plötzlich vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht und beginnt, sehr viel Wärme zu erzeugen. Das flüssige Helium, das den Magneten umgibt, verkocht dann sehr schnell und muss aus dem Apparatgehäuse entweichen. Systeme, die mit flüssigem Helium arbeiten, benötigen daher große Bereiche mit geeigneter Belüftung. Bei den Magneten von Cryogenic dagegen soll das Quenchen gefahrlos selbst in geschlossenen Räumen erfolgen, so dass sie vielseitiger einsetzbar sind.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen werden die kryogenfreien Magnete durch mechanische Kühlsysteme, die nur Strom und Kühlwasser benötigen, gekühlt. Sie nutzen Gifford-McMahon-Kühler oder Pulsröhrenkühler (Kaltköpfe), die durch die Kompression und Expansion einer kleinen Menge von Heliumgas niedrige Temperaturen von bis zu etwa 2,6 K erzeugen. Diese Kühler können länger als ein Jahr ohne Wartung betrieben werden und vereinfachen den Einsatz von niedrigen Temperaturen damit enorm.

Beide Kühler basieren auf der wiederholten Ausdehnung, durch die das Gas abkühlt. Sie haben leicht unterschiedliche thermodynamische Zyklen, doch in beiden Fällen dehnt sich das Gas, das von einem externen herkömmlichen Kompressor zugeführt wird, auf ein größeres Volumen aus und der Druck sowie die Temperatur sinken während dieses Zyklus ab. Schließlich kehrt das Gas zum Kompressor zurück und damit ist ein geschlossener Gaskreislauf durch den Kaltkopf erreicht. Das Heliumgas bleibt in diesem Kreislauf eingeschlossen und kondensiert nicht zu flüssigem Helium.

Cryogenic / PH

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