一种包括超导磁体组件和冷却取样头部件的NMR设备。超导磁体组件包括低温恒温器、真空箱和制冷台，包括NMR取样头，其包括：冷却取样头部件；低温冷却器，其具有第二和第一冷却台，冷却剂从第一冷却台上的热交换器被引导到逆流热交换器的第一入口，从第二出口被引导到第二冷却台上的热交换器、再到冷却取样头部件并且再到低温恒温器真空中的热交换器。冷却剂从第二出口被引导到低温恒温器真空中的热交换器或在氦箱的悬挂管中的热交换器和第二入口，使得冷却剂的进入温度和回流温度均低于第一冷却台的操作温度至少5K。可以降低液氦的蒸发速率或在无冷却剂低温恒温器中冷却超导磁体线圈系统。
1.一种NMR设备，其包括超导磁体组件(27)，该超导磁体组件(27)包括低温恒温器，该低温恒温器具有真空箱(102)和能够在<100K的操作温度下操作的制冷台，并且所述超导磁体组件包括超导磁体线圈系统(111)，所述超导磁体线圈系统(111)包括：冷孔(101)，在其中接合低温恒温器的室温通路(103)；NMR取样头(11)，其包括冷却到在操作期间提供的<
100K的操作温度的取样头部件(9、10)；布置在绝热壳体(1)中的至少两个台的低温冷却器(2)，其具有在<35.4K的操作温度下的第二冷却台(4)和具有大于第二冷却台(4)的操作温度的操作温度的第一冷却台(3)；逆流热交换器(8)，其包括用于提供在绝热壳体(1)中的两个相对的冷却剂流的两个入口(8.1e，8.2e)和两个出口(8.1a，8.2a)；用于将冷却剂从低温冷却器(2)的第一冷却台(3)上的热交换器直接或间接地引导到逆流热交换器(8)的第一入口(8.1e)中的冷却管线；将冷却剂从逆流热交换器(8)的第二出口(8.2a)直接或间接地引导到低温冷却器(2)的第二冷却台(4)上的热交换器的冷却管线；将冷却剂引导到冷却取样头部件(9、10)或冷却取样头部件(9、10)上的热交换器的冷却管线；以及将冷却剂引导到低温恒温器真空中的热交换器(22，202)的冷却管线，其特征在于，
冷却管线将冷却剂直接地从逆流热交换器(8)的第二出口(8.2a)引导到低温恒温器真空中的热交换器(202)或低温恒温器的氦箱(105)的悬挂管中的热交换器(205)中，或者，至少经由低温冷却器(2)的第二冷却台(4)上的一个热交换器或经由冷却取样头部件(9)或经由冷却取样头部件(9)上的热交换器间接地从逆流热交换器(8)的第二出口(8.2a)引导到低温恒温器真空中的热交换器(202)或低温恒温器的氦箱(105)的悬挂管中的热交换器(205)中，并且从那里直接地引导到逆流热交换器(8)的第二入口(8.2e)，或者，至少经由低温冷却器(2)的第二冷却台(4)上的一个热交换器或经由冷却取样头部件(9)或经由冷却取样头部件(9)上的热交换器间接地引导到逆流热交换器(8)的第二入口(8.2e)，使得在NMR设备的操作状态下，冷却回路的流入低温恒温器真空中的热交换器(202)中或流入低温恒温器的氦箱(105)的悬挂管中的热交换器(205)的冷却剂的进入温度和来自该热交换器(202，205)的冷却剂的回流温度两者，比低温冷却器(2)的第一冷却台(3)的操作温度低至少5K。
2.根据权利要求1所述的NMR设备，其特征在于，所述冷却回路包括位于所述绝热壳体(1)外部的绝热冷却管线，并且所述低温恒温器的真空箱(102)以与所述冷却回路的绝热冷却管线的绝缘真空真空密闭的方式密封，使得所述低温恒温器的真空箱与所述冷却回路的绝热冷却管线处于彼此分离的绝缘真空中。
3.根据权利要求2所述的NMR设备，其特征在于，冷却取样头部件(9、10)布置在低温恒温器的室温通路(103)之内的NMR取样头(11)的单独绝热箱(201)中，并且绝热冷却管线被引导在低温冷却器(2)的绝热壳体(1)和所述冷却取样头部件(9、10)之间或被引导在所述冷却取样头部件(9、10)的热交换器和在低温恒温器真空中的热交换器(22、202)之间。
4.根据权利要求3所述的NMR设备，其特征在于，所述冷却回路将来自所述低温冷却器(2)的第二冷却台(4)的冷却剂依次引导到所述低温恒温器真空中的热交换器(202)，然后引导到冷却取样头部件(9)或冷却取样头部件(9)上的热交换器。
5.根据权利要求3所述的NMR设备，其特征在于，所述冷却回路将来自所述低温冷却器(2)的第二冷却台(4)的冷却剂依次引导到冷却取样头部件(9)或冷却取样头部件(9)上的热交换器，然后到所述低温恒温器真空中的热交换器(202)。
6.根据权利要求3所述的NMR设备，其特征在于，所述冷却回路并行地将来自所述低温冷却器(2)的第二冷却台(4)的冷却剂引导到冷却取样头部件(9)或者在冷却取样头部件(9)上的热交换器以及引导到所述低温恒温器真空中的热交换器(202)。
7.根据权利要求1或2所述的NMR设备，其特征在于，冷却取样头部件(9)至少部分地布置在超导磁体线圈系统(111)的冷孔(101)与低温恒温器的进入冷孔(101)的室温通路(103)之间的区域中，该区域径向地位于冷孔(101)内部、但在低温恒温器的室温通路(103)外部，并以导热方式连接到被连接到冷却回路的低温恒温器真空中的热交换器(202)。
8.根据权利要求7所述的NMR设备，其特征在于，连接到所述冷却回路的所述低温恒温器真空中的热交换器(202)以导热方式连接到冷却取样头部件(9)和所述低温恒温器的制冷台两者。
9.根据权利要求1所述的NMR设备，其特征在于，在所述低温恒温器真空中提供连接到所述冷却回路的至少两个热交换器(22、202)，来自连接到所述冷却回路的低温恒温器真空中的热交换器(22)的所述冷却回路的冷却剂的回流温度高于低温冷却器(2)的第一冷却台(3)的操作温度。
10.根据权利要求1所述的NMR设备，其特征在于，连接到所述冷却回路的热交换器(22、
202、205)被布置在所述低温恒温器真空中或在所述低温恒温器的氦箱(105)的悬挂管中，并且以导热方式连接到包括辐射屏蔽罩(21，110)或低温箱(18，105)的低温恒温器的制冷台。
11.根据权利要求1所述的NMR设备，其特征在于，所述超导磁体线圈系统(111)直接被布置在所述低温恒温器的绝缘真空中，并且连接到所述冷却回路的在低温恒温器真空中的热交换器(202)以导热方式连接到超导磁体线圈系统(111)，该超导磁体线圈系统(111)包括高温超导体。
12.根据权利要求1至6、9或10中任一项所述的NMR设备，其特征在于，冷却取样头部件(9、10)被布置在所述低温恒温器的室温通路(103)内部的单独绝热箱(201)中，所述低温恒温器包括：用于接纳超导磁体线圈系统(111)的氦箱(105)；第一辐射屏蔽罩(110)；和氮箱(18)或第二辐射屏蔽罩(21)；并且所述冷却回路被引导通过低温恒温器的真空箱(102)至低温恒温器真空中的至少两个热交换器(22、202)，其中连接到所述冷却回路的第一热交换器(202)以导热方式连接到所述第一辐射屏蔽罩(110)并且来自该热交换器(202)的冷却剂的回流温度低于所述低温冷却器(2)的第一冷却台(3)的操作温度，而连接到所述冷却回路的第二热交换器(22)以导热方式连接到氮箱(18)或第二辐射屏蔽罩(21)，并且来自该热交换器(22)的冷却剂的回流温度高于低温冷却器(2)的第一冷却台(3)的操作温度。
13.根据权利要求1至6、9或10中任一项所述的NMR设备，其特征在于，冷却取样头部件(9、10)被布置在所述低温恒温器的室温通路(103)内部的单独绝热箱(201)中，该低温恒温器包括用于接纳超导磁体线圈系统(111)的氦箱(105)和辐射屏蔽罩(110)和氮箱(18)，所述冷却回路被引导通过低温恒温器的真空箱(102)至以导热方式连接到辐射屏蔽罩(110)的低温恒温器真空中的热交换器(202)，来自该热交换器(202)的冷却剂的回流温度低于低温冷却器(2)的第一冷却台(3)的操作温度，并且连接到冷却回路的第二热交换器(19、203)位于氮箱(18)或者与氮箱(18)连通的箱(204)中，来自该热交换器(19、203)的冷却剂的回流温度高于低温冷却器(2)的第一冷却台(3)的操作温度。
14.根据权利要求1所述的NMR设备，其特征在于，所述冷却取样头部件(9、10)包括HF谐振器和/或前置放大器。
15.根据权利要求11所述的NMR设备，其特征在于，高温超导体包括超导材料MgB2。
包括超导磁体组件和冷却取样头部件的NMR设备
技术领域
[0001] 本发明涉及一种NMR设备，其包括超导磁体组件，该超导磁体组件包括低温恒温器，该低温恒温器具有真空箱和可在<100K的操作温度下操作的制冷台(stage)并包括超导磁体线圈系统，所述超导磁体线圈系统包括：冷孔，在其中接合低温恒温器的室温通路；NMR取样头，其包括冷却到在操作期间提供的<100K的操作温度的取样头部件；至少两个台的低温冷却器，其具有布置在绝热壳体中的在<35.4K的操作温度下的第二冷却台和具有大于第二冷却台的操作温度的操作温度的第一冷却台；逆流热交换器，其包括提供在绝热壳体中的用于两个相对的冷却剂流的两个入口和两个出口；用于将冷却剂从低温冷却器的第一冷却台上的热交换器直接或间接地引导到逆流热交换器的第一入口中的冷却管线；将冷却剂从逆流热交换器的第二出口直接或间接地引导到低温冷却器的第二冷却台上的热交换器的冷却管线；将冷却剂引导到冷却取样头部件或冷却取样头部件上的热交换器的冷却管线；以及将冷却剂引导到低温恒温器真空中的热交换器的冷却管线。
[0002] 例如，这种组件可以从EP 1655616 A1或US 2006/0096301 A1(参考文献[1])中了解到。
背景技术
[0003] 本发明涉及的应用领域例如是在磁共振光谱(＝NMR)或磁共振成像(＝MRI)中用于冷却超导磁体线圈系统和用于冷却NMR取样头的部件的低温系统。然而，本发明的应用性不限于此。
[0004] 超导磁体线圈系统在低温恒温器中运行，以保持温度低于超导体的转变温度。通常，低温恒温器具有真空箱，其中布置一个或多个低温箱，每一个低温箱包含冷却剂(例如液态氦或液态氮)。超导磁体线圈系统被安装在最冷的低温箱中。这导致超导磁体线圈系统以高度稳定和均匀的方式被冷却。在池中冷却的这种系统例如在NMR光谱仪中是常规的。在这些系统中，由于输入低温箱的热量确保了冷却剂连续蒸发，因此必须定期重新填充冷却剂。作为替代，冷却剂可以通过低温恒温器上的低温冷却器冷凝，或者通过将超导磁体线圈系统和/或低温恒温器的一个或多个辐射屏蔽罩附着到低温冷却器的冷却台来实现冷却。
[0005] 为了安装NMR取样头，低温恒温器的真空箱通常设置有进入超导磁体线圈系统的冷孔的室温通路。鉴于在室温下操作NMR取样头对信号质量不利，所以使用包括冷却部件的NMR取样头。这种NMR低温取样头的各种设计是已知的。通常，在低温恒温器的室温通路中附着NMR低温取样头，以便在这种情况下被布置在单独的绝缘箱中并通过冷却回路冷却的冷却部件可移除。然而，也已知至少部分地固定在低温恒温器的绝缘真空中的NMR低温取样头。
[0006] 用于冷却超导磁体线圈系统和用于冷却NMR取样头的部件的各种低温系统是已知的，其特别关于磁体组件和NMR取样头在基于仪器的单元中的机械集成并且关于用于冷却磁体线圈系统和NMR取样头的低温系统的部件的普通用途而不同。
[0007] US 2012/0242335 A1(参考文献[2])、US 2007/0107445 A1(参考文献[3])、US 2005/0202976 A1(参考文献[4])和US 2006/0130493 A1(参考文献[5])公开了包括NMR低温取样头的组件，这种NMR低温取样头附着在磁体组件的低温恒温器的室温通路中，以便可移除。
[0008] 在US 2007/0107445 A1、US 2005/0202976 A1和US 2006/0130493 A1中，通过普通低温冷却器来冷却磁体组件的低温恒温器的NMR低温取样头和各部分。
[0009] 在US 2007/0107445 A1和US 2005/0202976 A1中，来自超导磁体组件的低温恒温器的氦气通过低温冷却器在低温恒温器的氦气出口处冷凝。低温冷却器还通过热交换器冷却NMR低温取样头的冷却回路。在US 2006/0130493A1中，将低温冷却器用颈管附着到超导磁体组件的低温恒温器。颈管与低温恒温器的氦箱连通。来自颈管的氦气通过冷却回路引导到NMR低温取样头中。氦气在颈管的底部端(最冷)处被冷凝并流回到低温恒温器的氦箱中。
[0010] 这三个组件的缺点在于，由于冷却机的最冷台必须在液氦的沸点(4.2K)之下操作而用于冷却的费用高，并且因为低温冷却器直接附着到低温恒温器的氦气出口而将冷却机振动传递到低温恒温器。振动可能影响NMR测量。
[0011] 在US 2012/0242335 A1中，NMR低温取样头通过冷却回路冷却，该冷却回路热连接到磁体组件的低温恒温器的冷却剂储存器，例如连接到氮箱。该组件的缺点在于，低温恒温器的低温液体消耗量增加。
[0012] 根据US 2012/0319690A1(参考文献[6])的组件包括安装在超导磁体组件的低温恒温器的真空箱中的NMR低温取样头。该组件的缺点在于，磁体组件和NMR低温取样头不再是机械上模块化的。为了例如在存在故障时更换NMR低温取样头或为了进行对NMR低温取样头的功能范围提出不同要求的NMR测量，必须破坏低温恒温器真空。因此，改变NMR取样头需要将超导磁体线圈系统卸下并且加热磁体组件。
[0013] 最后，根据EP 1 655 616A1或US 2006/0096301A1的组件公开了一种具有以下特征的NMR设备：
[0014] -超导磁体组件
[0015] -低温恒温器，包括真空箱
[0016] -超导磁体线圈系统，其包括冷孔，在其中接合低温恒温器的室温通路中[0017] -处于室温通路中或冷孔中的NMR低温取样头
[0018] -NMR低温取样头，其包含冷却到<100K的操作温度的取样头部件的NMR低温取样头[0019] -至少两个台的制冷机，其具有在<30K的操作温度下的最冷冷却台[0020] -布置在单独的抽空和绝热壳体中以便与低温恒温器空间上隔离开的制冷机[0021] -冷却回路，其包括位于绝热壳体和NMR低温取样头之间的绝热冷却管线。
[0022] 两个台的制冷机位于绝热壳体中并且通过热交换器来冷却NMR低温取样头的冷却回路，并在第一(较温暖)冷却台上提供过量冷却能力，用于冷凝来自低温恒温器的氮箱的氮气或用于冷却超导磁体组件的低温恒温器的辐射屏蔽罩。该组件的缺点在于，由于低温冷却器的第一冷却台的温度太高(约35K)，所以低温冷却器的冷却能力不能用于降低低沸点低温液体(诸如液氦)的蒸发速率。
发明内容
[0023] 相反，本发明的目的是改进以上描述的那种NMR设备，其包括位于低温恒温器中的超导磁体线圈系统，并且包括使用最简单的技术手段的NMR低温取样头，使得可以使用冷却NMR低温取样头的冷却回路的低温冷却器的过量冷却能力来降低来自超导磁体组件的低温恒温器的液氦的蒸发速率或者在无冷却剂低温恒温器中冷却超导磁体线圈系统。
[0024] 本发明的目的以令人惊讶的简单和有效的方式使用易于获得的技术手段实现，因为布置在低温恒温器真空中或超导磁体组件的低温恒温器的氦箱的悬挂管中的热交换器以NMR低温取样头的冷却回路的一部分来连接到该冷却回路，在其中冷却剂将热量传递到低温冷却器的第二冷却台并且由逆流热交换器界定其与在其中冷却剂将热量传递到低温冷却器的第一冷却台的那部分。特别地，NMR低温取样头的冷却回路的冷却管线将冷却剂直接从逆流热交换器的第二出口或者经由低温冷却器的第二冷却台上的至少一个热交换器和/或经由冷却取样头部件或经由冷却取样头部件上的热交换器间接从逆流热交换器的第二出口引导到低温恒温器真空中的热交换器或低温恒温器的氦箱的悬挂管中的热交换器，并且从那里直接地或经由低温冷却器的第二冷却台上的至少一个热交换器和/或经由冷却取样头部件或经由冷却取样头部件上的热交换器间接地引导到逆流热交换器的第二入口，使得在NMR设备的操作状态下，冷却回路中流入低温恒温器真空中的热交换器的冷却剂或流入低温恒温器的氦箱的悬挂管中的热交换器的进入温度和来自该热交换器的冷却剂的回流温度两者，比低温冷却器的第一冷却台的操作温度低至少5K。
[0025] 因此，本发明提出了一种NMR设备，在其中NMR低温取样头的冷却回路可以吸收来自超导磁体组件的低温恒温器的热输出并将其引导到低温冷却器的第二冷却台。以这种方式，在包括用于接纳和冷却超导磁体线圈系统的氦箱的低温恒温器中，可以通过例如使用冷却回路来将布置在氦箱周围的辐射屏蔽罩冷却到通常为10K-30K的温度，来显著地降低从氦箱的氦蒸发速率。因为不再需要在低于氦的沸点之下的温度下提供所需要的冷却能力，所以省略对氦蒸发的完全抑制是有利的。因此，与在其中冷却器必须布置在低温恒温器上的用于冷凝氦的组件相反，可以使用更有利的冷却器并且在冷却器和低温恒温器之间不需要直接机械接触。结果，可以降低振动向超导磁体组件的传递。
[0026] 作为辐射屏蔽罩的替代方案，也可以冷却直接位于无冷却剂低温恒温器的绝缘真空中的磁体线圈组件，只要所使用的超导体的超导转变温度高于10K的温度。例如，这就是在包括高温超导体(HTS)或二硼化镁(MgB2)的超导磁体线圈系统下的情况。
[0027] 另外，低温恒温器的另一制冷台可以由冷却回路来冷却，在该冷却回路中，冷却剂的回流温度高于低温冷却器的第一台的操作温度。
[0028] 本发明的特别优选的实施例如下：在其中冷却回路包括位于绝热壳体外部的绝热冷却管线，并且低温恒温器的真空箱以与冷却回路的绝热冷却管线的绝缘真空真空密闭的方式密封。这防止了在真空在冷却回路中被破坏时低温恒温器的绝缘真空被破坏。
[0029] 根据本发明的NMR设备的一类实施例也是优选的，在其中将冷却取样头部件被布置在低温恒温器的室温通路之内的单独绝热箱中，并且在其中绝热冷却管线被引导在低温冷却器的绝热壳体和冷却取样头部件之间或在冷却取样头部件上的热交换器和在低温恒温器真空中的热交换器之间。将待冷却取样头部件和低温恒温器部件布置在就设备而言彼此分离的绝缘真空中，使得NMR设备本质上更加模块化，因此例如可以改变NMR取样头，而不用必须为此目的而被破坏的低温恒温器的绝缘真空。
[0030] 这类实施例的有利发展在于，冷却回路将来自低温冷却器的第二冷却台的冷却剂依次引导到低温恒温器真空中的热交换器，然后引导到冷却取样头部件或冷却取样头部件上的热交换器。
[0031] 作为替代，在另一类实施例中，将冷却回路的冷却剂从低温冷却器的第二冷却台依次引导到冷却取样头部件或冷却取样头部件上的热交换器，然后引导到低温恒温器真空中的热交换器。这两个替代实施例使得可以使用由冷却回路提供的最低温度最佳地冷却该冷却取样头部件或最佳地冷却低温恒温器的制冷台。
[0032] 其它有利发展在于，冷却回路并行地将来自低温冷却器的第二冷却台的冷却剂引导到冷却取样头部件或冷却取样头部件上的热交换器以及低温恒温器真空中的热交换器两者。这些实施例确保了可以以相同方式将冷却回路提供的最低温度用于冷却该冷却取样头部件和冷却低温恒温器的制冷台。
[0033] 本发明的特别优选的实施例也如下：在其中将冷却取样头部件至少部分地布置在超导磁体线圈系统的冷孔与低温恒温器进入冷孔的室温通路之间的区域中，该区域径向地位于冷孔内部、但在低温恒温器的室温通路外部并且以导热方式连接到被连接到冷却回路的低温恒温器真空中的热交换器。将冷却取样头部件安装在超导磁体线圈组件的低温恒温器的绝缘真空中，节省了超导磁体线圈系统的冷孔和NMR取样头内的样品室之间的区域中的空间。此外，组件和冷却回路因此而就设备而言被简化，这也导致冷却回路中冷却能力的损失减少。当使用相同的NMR取样头永久地操作NMR设备时，这种实施例是特别有利的。
[0034] 在这些实施例的优选进展中，连接到冷却回路的低温恒温器真空中的热交换器以导热方式连接到冷却NMR取样头部件和低温恒温器的制冷台两者。这允许最佳地冷却该冷却取样头部件和待冷却的低温恒温器的制冷台。
[0035] 本发明的也是有利的实施例如下：其特征在于，在低温恒温器真空中提供连接到冷却回路的至少两个热交换器，来自连接到冷却回路的低温恒温器真空中的热交换器的冷却回路的冷却剂的回流温度高于低温冷却器的第一台的操作温度。在这些组件中，不仅可以使用低温冷却器的第二冷却台的冷却能力，而且还可以使用其第一(较温暖)冷却台的冷却能力来冷却低温恒温器的制冷台。特别地，例如，可以冷凝来自低温恒温器的氮箱的氮气，或者可以将辐射屏蔽罩冷却到介于35K和80K之间的温度。
[0036] 在另一优选实施例中，连接到冷却回路的热交换器被布置在低温恒温器真空中或在低温恒温器的氦箱的悬挂管中，并且以导热方式连接到包括辐射屏蔽罩或低温箱的低温恒温器的制冷台。这些实施例对于包括由低温超导体组成的超导磁体线圈系统的磁体组件是有利的，其中低温恒温器通常包括用于接纳超导磁体线圈系统的氦箱，该箱被辐射屏蔽罩包围，而该辐射屏蔽罩被氮箱(氦-氮池低温恒温器)包围。在这种组件中，热交换器可以布置在低温恒温器真空中并与辐射屏蔽罩体热接触。如果热交换器在NMR低温取样头的冷却回路的在其中冷却剂将热量传递到低温冷却器的第二冷却台的那部分中连接到该冷却回路，则辐射屏蔽罩通常可以冷却到10K-30K的温度。结果，与不具有与冷却回路的这种连接的低温恒温器相比，该氦蒸发速率可以显著降低。
[0037] 在氦-氮池低温恒温器中，为了使用氦气流来冷却辐射屏蔽罩，优选将用于热接触辐射屏蔽罩的装置附着在氦箱的悬挂管中，该管也用作蒸发氦气的出口。连接到低温取样头的冷却回路的热交换器此时可附着在氦箱的悬挂管中，该热交换器可以冷却辐射屏蔽罩。与低温恒温器真空中的布置相比，这种布置的热交换器的优点在于，例如可以与现有的氦-氮池低温恒温器一起进行改装。在这些实施例的另一变型中，将连接到低温取样头的冷却回路中的低温恒温器真空中的热交换器，附着到氮箱，以便将所述箱冷却到低于77K的温度，这防止了氮从箱中蒸发。
[0038] 本发明的一类有利的实施例其特征在于，超导磁体线圈系统被直接布置在低温恒温器的绝缘真空中，并且连接到冷却回路的低温恒温器真空中的热交换器以导热方式连接到超导磁体线圈系统，其中该超导磁体线圈系统包括超导材料MgB2或HTS(BSCCO、ReBCO)。在这些组件中，可以在低温恒温器真空中的热交换器处实现的小于30K的温度对于超导磁体组件是特别有利的，因为所提到的超导材料可以在这些温度下就已经是超导的，因此可以省略使用液氦池的更复杂的冷却。
[0039] 在替代类实施例中，冷却取样头部件被布置在低温恒温器的室温通路内部的单独绝热箱中，该低温恒温器包括用于接纳超导磁体线圈系统的氦箱和第一辐射屏蔽罩和氮箱或第二辐射屏蔽罩，并且冷却回路被引导通过低温恒温器的真空箱至低温恒温器真空中的至少两个热交换器，其中连接到冷却回路的第一热交换器以导热方式连接到第一辐射屏蔽罩并且来自该热交换器的冷却剂的回流温度低于该低温冷却器的第一台的操作温度，而连接到冷却回路的第二热交换器以导热方式连接到氮箱或第二辐射屏蔽罩，并且来自该热交换器的冷却剂的回流温度高于低温冷却器的第一台的操作温度。这些实施例有利地建造在市售的NMR低温取样头及其冷却回路上。此外，所述实施例使用特别是用于冷却由低温超导体组成的超导磁体线圈系统的超导磁体组件的低温恒温器的常规设计。特别的优点在于，使用来自NMR低温取样头的冷却回路的低温冷却器的两个冷却台的过冷却能力来冷却低温恒温器。
[0040] 再一类替代实施例其特征在于，冷却取样头部件被布置在低温恒温器的室温通路内部的单独绝热箱中，该低温恒温器包括用于接纳超导磁体线圈系统的氦箱以及辐射屏蔽罩和氮箱，并且冷却回路通过低温恒温器的真空箱被引导到以导热方式连接到辐射屏蔽罩的低温恒温器真空中的热交换器，其中来自该热交换器的冷却剂的回流温度低于低温冷却器的第一台的操作温度，并且连接到冷却回路的第二热交换器位于氮箱或与氮箱连通的箱中，其中来自该热交换器的冷却剂的回流温度高于低温冷却器的第一台的操作温度。这些实施例有利地建造在市售的NMR低温取样头及其冷却回路上。此外，所述实施例使用特别是用于冷却由低温超导体组成的超导磁体线圈系统的超导磁体组件的低温恒温器的常规设计。特别的优点在于，使用来自NMR低温取样头的冷却回路的低温冷却器的两个冷却台的过冷却能力来冷却低温恒温器。与在低温恒温器真空中附着热交换器相比，就设备而言，在低温恒温器的氮箱中或在与氮箱连通的箱中的连接到冷却回路的第二热交换器是有利的简化。此外，该组件特别适用于改进现有的低温恒温器。
[0041] 最后，如果冷却取样头部件包括HF谐振器和/或前置放大器，则也是非常有利的。冷却对NMR取样头的这两个部件中的信号质量具有特别有利的影响。
附图说明
[0042] 用附图来说明本发明，在附图中：
[0043] 图1是一种NMR设备的示意图，该NMR设备包括：超导磁体组件27；NMR取样头11；绝热壳体1，用于接纳低温冷却器2；以及三个冷却联接接口，其作为示例由低温恒温器真空中的热交换器202、与氮箱18连通的箱204中的热交换器203和与NMR取样头11的连接件来指示；
[0044] 图2是NMR设备的冷却回路的一个实施例的示意图，其中冷却剂流在每种情况下分布在两个温度水平上，超导磁体组件27的辐射屏蔽罩110和冷却取样头部件9在较低温度水平下冷却，而冷却取样头部件10在较高温度水平下冷却，而且在与超导磁体组件27的氮箱18连通的箱204中的氮也在较高温度水平下冷凝；
[0045] 图3是NMR设备的冷却回路的一个实施例的示意图，其中冷却剂流在每种情况下分布在两个温度水平上，超导磁体组件27的辐射屏蔽罩110和冷却取样头部件9在较低温度水平下冷却，而冷却取样头部件10在较高温度水平下冷却，而且超导磁体组件27的氮箱18中的氮也在较高温度水平下冷凝，热交换器19位于氮箱18中；
[0046] 图4是NMR设备的冷却回路的一个实施例的示意图，其中冷却剂流在每种情况下分布在两个温度水平上，超导磁体组件27的辐射屏蔽罩110和冷却取样头部件9在较低温度水平下冷却，而冷却取样头部件10在较高温度水平下冷却，而且超导磁体组件27的第二辐射屏蔽层21也在较高温度水平下冷却；
[0047] 图5是NMR设备的冷却回路的一个实施例的示意图，其中冷却剂流在每种情况下分布在两个温度水平上，超导磁体组件27的超导磁体线圈系统111和冷却取样头部件9在较低温度水平下冷却，而冷却取样头部件10在较高温度水平下冷却，而且超导磁体组件27的第二辐射屏蔽罩21也在较高温度水平下冷却；
[0048] 图6是NMR设备的冷却回路的一个实施例的示意图，其中冷却剂流在每种情况下分布在两个温度水平上，超导磁体组件27的辐射屏蔽罩110和冷却取样头部件9在较低温度水平下冷却，而冷却取样头部件10连同热交换器22在较高温度水平下冷却，热交换器22与氮箱18热接触，使得氮冷凝在所述箱中；
[0049] 图7是NMR设备的冷却回路的一个实施例的示意图，其中冷却剂流仅分布在较高温度水平上，并且冷却剂流依次(顺序)流动通过较低温度水平下的部件，首先是超导磁体组件27的辐射屏蔽罩110然后是冷却取样头部件9在较低温度水平下冷却，而冷却取样头部件10在较高温度水平下冷却，而且在与超导磁体组件27的氮氮箱18连通的箱204中的氮在较高温度水平下冷凝；
[0050] 图8是NMR设备的冷却回路的一个实施例的示意图，其中冷却剂流仅分布在较高温度水平上，并且冷却剂流依次(顺序)流动通过较低温度水平下的部件，首先是冷却取样头部件9然后是超导磁体组件27的辐射屏蔽罩110在较低温度水平下冷却，而冷却取样头部件10在较高温度水平下冷却，而且在与超导磁体组件27的氮箱18连通的箱204中的氮也在较高温度水平下冷凝；
[0051] 图9示出了包括入口8.1e和8.2e以及出口8.1a和8.2a的逆流热交换器8；
[0052] 图10是NMR设备的超导磁体组件27和NMR取样头11的一个实施例的示意图，其中NMR取样头11的冷却取样头部件9、10被布置在低温恒温器真空中，并且所述取样头以真空密闭方式密封低温恒温器的真空箱102，并且其中低温恒温器的室温孔103仅轴向形成直到NMR取样头11的冷却取样头部件9的位置；
[0053] 图11是NMR设备的超导磁体组件27和NMR取样头11的一个实施例的示意图，其中室温孔103是连续的，并且其中NMR取样头11的绝热箱201布置在室温孔103内，而超导磁体组件27包括氮箱18；
[0054] 图12是NMR设备的超导磁体组件27和NMR取样头11的一个实施例的示意图，其中室温孔103是连续的，并且其中NMR取样头11的绝热箱布置在室温孔103内，而超导磁体组件27包括第二辐射屏蔽罩21；以及
[0055] 图13是NMR设备的超导磁体组件27、NMR取样头11和冷却回路的实施例的示意图，其中冷却剂流以两个温度水平被引导到超导磁体组件27，该超导磁体组件27的辐射屏蔽罩110在较低温度水平下冷却，而来自超导磁体组件27的蒸发氮在较高温度水平下冷凝，并且辐射屏蔽罩110通过位于超导磁体组件27的氦箱105的悬挂管中的热交换器205来冷却。
具体实施方式
[0056] 下面参照实施例对本发明进行更详细地说明。
[0057] 图2示意性地示出了通过示例给出的实施例中的冷却剂流的拓扑。在下面的图3至图8中，该基本设计因为其他用途而改变。
[0058] 该结构包括四个功能单元，具体来说是低温冷却器2、待冷却部件、压缩机和包括热交换器的流体管线。低温冷却器2与其第一和第二冷却台3、4一起可以在附图的左侧看到。待冷却的四个部件110、9、10和204以示例方式示出在右侧，其中两个部件在每一个情况下都大致处于第一和第二冷却台3、4的温度。冷却由循环冷却剂提供，该循环冷却剂将相应冷却台3、4与在空间上与之分离的待冷却部件110、9、10、204热联接，这种联接由冷却剂流过的热交换器或通过将部件与冷却剂直接接触来实现。流体被输送通过室温压缩机，该室温压缩机例如也可以是低温冷却器2的压缩机并且从其中分出小部分流。两个逆流热交换器也是非常重要的，并且使得各个部件可以在三个不同的温度水平下操作，具体来说压缩机在室温下操作，第一冷却台3和较温暖的两个部件10、204在中间温度下冷却，而第二冷却台4和较冷的两个部件110、9在最低温度下冷却。
[0059] 从压缩机开始，冷却剂首先通过逆流热交换器，其使所述冷却剂达到第一冷却台3的温度之上但在该温度的数量级内的温度。在该台处，冷却剂在通过逆流热交换器8到达第二冷却台4的温度之上但在该温度的数量级内的温度之前被冷却到所述台的温度，并且然后在该台处将冷却剂冷却到所述台的温度。因此，冷却剂已经达到冷却回路的最冷点，然后通过冷却回路的分支，在该分支中所述冷却剂吸收在待冷却部件和逆流热交换器处的热量，直到最后其再次达到室温并被引导回到压缩机的低压侧。冷却回路的该分支在不同的实施例中因被冷却的部件或者如何拓扑地引导冷却剂而不同。在这种情况下，处于相同温度级的两个部件可以串行或并行连接。
[0060] 在如图2所示的变型中，除了在所有变型中所呈现的冷却取样头部件9、10之外，还示出了如何将第一辐射屏蔽罩110冷却到两个温度水平的较低者和如何冷却热交换器203以便冷凝在与氮箱18连通的箱204中的氮。通过冷却剂流将第一辐射屏蔽罩110冷却到两个温度水平的较冷者，使得与常规低温恒温器组件相比可以降低辐射屏蔽罩的温度，这导致超导磁体组件27的氦蒸发速率降低从而使液氦的填充间隔更长。
[0061] 就真空技术而言，整个结构可以分为三个容器，每个容器都被抽成真空并且由绝热壳体1、低温恒温器的真空箱102和NMR取样头11的绝热箱201包围。在附图中，这些真空以简化方式被示出为好像处处连通。然而，所述真空也可以使用诸如阀、馈通和/或流体联接器之类的结构装置形成，这使得可以就真空技术而言功能地分开容器。同样地，绝热壳体1与低温恒温器的真空箱102和/或NMR取样头11的绝热箱201之间的连接管线的管状绝缘真空也可以形成为就真空技术而言可以例如通过阀、馈通或流体联接器而被分开的容器。
[0062] 在图2中，第一辐射屏蔽罩110和冷却取样头部件9均以简化方式联接到热交换器。这两个热交换器处于大致相同的温度水平。在超导磁体组件27和NMR取样头11的集成设计(例如如图10所示)的情况下，第一辐射屏蔽罩110和冷却取样头部件9也可以共同联接到单个热交换器102。然后省略第二热交换器。
[0063] 图3是图2的改进，在这种情况下，氮直接冷凝在氮箱18中，而不是在与氮箱18连通的单独的箱204中发生氮冷凝。
[0064] 图4也是图2的改进，其中第二辐射屏蔽罩21被布置在此以代替超导磁体组件27的氮箱18。
[0065] 图5也是图2的改进，这里使用超导磁体线圈系统111，其操作温度高于低温冷却器2的第二台4的操作温度。在这种情况下，可以完全省略氦池和氦箱105，并且由例如通过热交换器以导热方式冷却后的冷却剂直接冷却磁体。在这种情况下省略了第一辐射屏蔽罩
110，并且第二辐射屏蔽罩21同样也被冷却剂流冷却，如图4所示。该变型特别适用于涉及高温超导体或MgB2超导体的用途。
[0066] 图6是图3的改进，其中用于提供用于氮冷凝的冷却能力的热交换器22不是容纳在氮箱18中，而是容纳在相邻的真空区域中，并且由通过限定真空空间的壁的热传导来产生冷却能力。
[0067] 图7是图2的改进，其中较冷部分中的冷却剂流经不并行而是串行(依次)的两臂。这种布置使得可以在冷却回路的这一部分中实现待冷却部件的温度等级，这例如在一个臂输入比另一个臂少得多的热量的情况下是有利的，并且从稳定和低温的观点来看，该系统的性能更有利。
[0068] 图8是图7的改进，冷却剂通过串行连接的待冷却部件以相反的顺序流动。
[0069] 图10是NMR设备的超导磁体组件27和NMR取样头11的一个实施例的示意图，其中NMR取样头11的冷却取样头部件9、10被布置在低温恒温器真空中，并且所述取样头以真空密闭方式密封低温恒温器的真空箱102，并且其中低温恒温器的室温孔103仅轴向形成直到NMR取样头11的冷却取样头部件9的位置。在这种情况下，超导磁体线圈系统111定位在氦箱105中，其中其通常当氦是液体时保持在其操作温度下。
[0070] 氦箱105被第一辐射屏蔽罩110包围，第一辐射屏蔽罩110保持从氮箱18入射的大部分辐射热远离氦箱105，从而导致氦消耗值的降低。该第一辐射屏蔽罩110的温度越低，氦从氦箱105中的蒸发速率就越低。第一辐射屏蔽罩110由氮箱18包围，而氮箱18又保持来自低温恒温器的室温真空箱102的大部分入射热量远离第一辐射屏蔽罩110。
[0071] 低温恒温器的氦箱105、第一辐射屏蔽罩110、氮箱18和真空箱102之间的所有中间空间被抽成真空(真空)，以防止热传导和对流的热量输入。超导磁体线圈系统111包括室温通路103接合在其中的冷孔101。所述通路用于将待测样品定位在超导磁体组件的中心。冷却取样头部件9位于该中心磁场区域和超导磁体线圈系统111之间。所述部件用于用射频辐射照射样品并检测从样品返回的信号。另一冷却取样头部件10位于冷却取样头组件9下方，并且用于在所述信号被中继到NMR光谱仪的其它部分之前处理来自样品的极弱射频信号。这两个部件是NMR取样头11的零件，其在此另外具有限定超导磁体组件27的绝缘真空的功能。
[0072] 图11是NMR设备的超导磁体组件27和NMR取样头11的一个实施例的示意图，其中包括冷却取样头部件9、10的NMR取样头11在结构上与超导磁体组件27分开。在该实施例中，超导磁体组件27的结构被设计为具有连续的室温通路103。NMR取样头11包括具有用于接纳冷却取样头部件9、10的绝缘真空的绝热箱201。因此，超导磁体组件27和NMR取样头11就真空技术而言是完全彼此独立的。
[0073] 图12是图11的改进，其中第二辐射屏蔽罩21被布置在此以代替超导磁体组件27的氮箱18。
[0074] 最后，图13是图2的改进，其中冷却回路通过超导磁体组件27的氦箱105的悬挂管引导到氦箱的悬挂管中的热交换器205。该热交换器205定位成代替与第一辐射屏蔽罩110紧密热接触的悬挂管，使得在这里可以有效地联接冷却能力。该实施例允许在现有超导磁体组件27中的改造安装，因为不需要对所述组件进行结构改变。
[0075] 附图标记列表：
[0076] 1 绝热壳体
[0077] 2 低温冷却器
[0078] 3 低温冷却器的第一冷却台
[0079] 4 低温冷却器的第二冷却台
[0080] 8 逆流热交换器
[0081] 8.1a 逆流热交换器的第一出口
[0082] 8.1e 逆流热交换器的第一入口
[0083] 8.2a 逆流热交换器的第二出口
[0084] 8.2e 逆流热交换器的第二入口
[0085] 9 冷却取样头部件
[0086] 10 冷却取样头部件
[0087] 11 NMR取样头
[0088] 18 氮箱
[0089] 19 氮箱中的热交换器
[0090] 21 第二辐射屏蔽罩
[0091] 22 低温恒温器真空中的热交换器
[0092] 27 超导磁体组件
[0093] 101 超导磁体线圈系统的冷孔
[0094] 102 低温恒温器的真空箱
[0095] 103 室温通路
[0096] 105 氦箱
[0097] 110 第一辐射屏蔽罩
[0098] 111 超导磁体线圈系统
[0099] 201 绝热箱
[0100] 202 低温恒温器真空中的热交换器
[0101] 203 与氮箱连通的箱中的热交换器
[0102] 204 与氮箱连通的箱
[0103] 205 氦箱的悬挂管中的热交换器
[0104] 参考文献清单：
[0105] 针对可专利性评估而考虑到的文件
[0106] [1]EP 1 655 616 A1，US 2006/0096301 A1
[0107] [2]US 2012/0242335 A1
[0108] [3]US 2007/0107445 A1
[0109] [4]US 2005/0202976 A1
[0110] [5]US 2006/0130493 A1
[0111] [6]US 2012/0319690 A1
