DE4039129A1

DE4039129A1 - DEVICE FOR COOLING A SQUID MEASURING DEVICE

Info

Publication number: DE4039129A1
Application number: DE19904039129
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Schnapper
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1992-06-11

Abstract

The appts. contains a cryostat whose inner chamber contains at least one superconducting gradiometer (5) and at least one associated SQUID (4) in a vacuum and thermally coupled to an externally supplied cooling medium via thermally conducting connections. The SQUID and gradiometer are mounted on a carrier structure (7) with cooling channels (19) through which the cooling medium is forced. The cooling channels are connected via a transfer line (10) to a cooling medium supply unit (13) outside the cryostat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung einer SQUID-Meßvorrichtung, mit der biomagnetische oder sonstige schwache Magnetfelder zu messen sind, welche Einrichtung einen Kryostaten enthält, in dessen Innenraum mindestens ein supralei tendes Gradiometer sowie mindestens ein zugeordnetes SQUID in einem Vakuum angeordnet und thermisch an ein von außen zuzufüh rendes Kältemittel über wärmeleitende Verbindungsteile ange koppelt sind.The invention relates to a device for cooling a SQUID measuring device with which biomagnetic or other weak magnetic fields are to be measured, which device one Contains cryostats, in the interior of which at least one supralei gradiometer and at least one assigned SQUID in arranged in a vacuum and thermally fed to one from the outside refrigerant via heat-conducting connecting parts are coupled.

Eine derartige Kühleinrichtung geht z. B. aus der OS PS 48 27 217 hervor.Such a cooling device is such. B. from the OS PS 48 27 217.

Zur Messung sehr schwacher Magnetfelder ist eine Verwendung von supraleitenden Quanten-Interferometern, sogenannten "SQUIDs", allgemein bekannt (vgl. z. B. "J. Phys. E.: Sci. Instrum.", Vol. 13, 1980, Seiten 801 bis 813 oder "IEEE Trans. Electron Dev.", Vol. ED-27, No. 10, Okt. 1980, Seiten 1896 bis 1908). Als ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für diese Interferometer wird auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik die Magnetokardiographie oder Magnetoenzephalographie angesehen. Die hierbei hervorge rufenen Magnetfelder von magnetischen Nerz- bzw. Gehirnströmen haben nämlich Feldstärken in der Größenordnung von nur etwa 50 pT bzw. 0,1 pT (vgl. z. B. "Biomagnetism-Proc. Third Intern. Workshop on Biomagnetism - Berlin 1980", 1981, Seiten 3 bis 31). Diese sehr schwachen Felder bzw. deren Feldgradienten müssen zudem noch bei Anwesenheit von verhältnismäßig großen Störfel dern zu detektieren sein. Zur Messung derartiger biomagnetischer Felder in der genannten Größenordnung sind Meßvorrichtungen be kannt, die ein- oder insbesondere auch mehrkanalig ausgeführt sein können (vgl. z. B. EP-B-01 11 827). Diese Meßvorrichtungen enthalten eine der Anzahl ihrer Kanäle entsprechende Zahl von SQUIDS und Magnetometer oder Gradiometer erster oder höherer Ordnung als Antennen zum Empfang der zu detektierenden Feld signale. Dabei weisen die Magnetometer im Gegensatz zu Gradio metern jeweils nur eine einzige Detektionsschleife auf und können deshalb auch als Gradiometer nullter Ordnung angesehen werden. Bei der nachfolgend benutzten Bezeichnung "Gradiometer" soll deshalb generell auch eine Verwendung von Magnetometern statt Gradiometern mit eingeschlossen sein. Bei diesen bekannten SQUID-Meßvorrichtungen, die auch als SQUID-Magnetometer bezeich net werden, sind jedoch die die supraleitenden Gradiometer und SQUIDs aufnehmenden Kryostaten oberhalb der zu detektierenden Feldquelle eines zu untersuchenden Patienten angeordnet. Geht man von Füllmengen von etwa 15 bis 30 Litern an flüssigem Kälte mittel, insbesondere flüssigem Helium (LHe) pro Kryostat aus, wie sie z. B. für mehrkanalige Meßvorrichtungen bei hinreichend großen Nachfüllintervallen üblich sind, so führt die gewählte Anordnung der Kryostaten in einem Störungungsfall zu einer eventuellen Gefährdung des direkt darunter liegenden Patienten.To measure very weak magnetic fields, the use of superconducting quantum interferometers, so-called "SQUIDs", generally known (cf. for example "J. Phys. E .: Sci. Instrum.", Vol. 13, 1980, pages 801 to 813 or "IEEE Trans. Electron Dev.", Vol. ED-27, No. 10, Oct. 1980, pages 1896 to 1908). As a preferred application for this interferometer is on in the field of medical diagnostics magnetocardiography or viewed magnetoencephalography. The one that stands out here called magnetic fields from magnetic mink or brain waves namely have field strengths in the order of magnitude of only about 50 pT or 0.1 pT (see, for example, "Biomagnetism Proc. Third Intern. Workshop on Biomagnetism - Berlin 1980 ", 1981, pages 3 to 31). These very weak fields or their field gradients must also in the presence of relatively large Störfel to be detected. For measuring such biomagnetic Fields of the order mentioned are measuring devices knows the single or in particular also multi-channel can be (see e.g. EP-B-01 11 827). These measuring devices contain a number of corresponding to the number of their channels SQUIDS and magnetometers or gradiometers first or higher Order as antennas for receiving the field to be detected signals. The magnetometers show in contrast to gradio only a single detection loop on and can therefore also be regarded as a zero order gradiometer will. With the term "gradiometer" used below should therefore generally also use magnetometers instead of gradiometers. With these known SQUID measuring devices, also known as SQUID magnetometers are the superconducting gradiometers and SQUIDs receiving cryostats above those to be detected Field source of a patient to be examined arranged. Go one of filling quantities of about 15 to 30 liters of liquid cold medium, especially liquid helium (LHe) per cryostat, as they e.g. B. for multi-channel measuring devices with sufficient large refill intervals are common, so the selected Arrangement of the cryostats in the event of a fault possible danger to the patient directly below.

Auch bei der aus der eingangs genannten US-PS zu entnehmenden Kühleinrichtung einer SQUID-Meßvorrichtung sind erhebliche Mengen von LHe in einem Kryostaten oberhalb eines Patienten vor handen. Das Kältemittel befindet sich dabei in einem eigenen Vorratsbehälter innerhalb des Kryostaten. Ein SQUID und die zu geordneten supraleitenden Schleifen eines Gradiometers sind in einem Vakuumraum unterhalb dieses Vorratsbehälters innerhalb des Kryostaten angeordnet und über Teile aus gut-wärmeleitendem Ma terial an diesen Vorratsbehälter und damit an das in ihm befind liche Kältemittel thermisch angekoppelt. Der Kryostat dieser be kannten Kühleinrichtung mit indirekter Kühlung der supraleitenden Teile der SQUID-Meßvorrichtung erfordert jedoch einen sehr auf wendigen Aufbau und wegen eines ausreichenden Kältemittelvorrates entsprechend große Abmessungen.Also in the case of the one to be extracted from the above-mentioned US PS Cooling equipment of a SQUID measuring device is considerable Amounts of LHe in a cryostat above a patient act. The refrigerant is in its own Storage container inside the cryostat. A SQUID and the too ordered superconducting loops of a gradiometer are in a vacuum space below this storage container within the Cryostats arranged and over parts made of good heat-conducting material material to this reservoir and thus to the one in it refrigerant thermally coupled. The cryostat of this be known cooling device with indirect cooling of the superconducting Parts of the SQUID measuring device, however, require a great deal manoeuvrable construction and because of a sufficient refrigerant supply correspondingly large dimensions.

Eine indirekte Kühlung für eine SQUID-Meßvorrichtung ist auch in der WO-A-85/04 489 offenbart. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine seitliche Anordnung des Kryostaten von der zu detektierenden Feldquelle möglich.Indirect cooling for a SQUID measuring device is also in WO-A-85/04 489. In this known device a lateral arrangement of the cryostat from the one to be detected Field source possible.

Auch aus der Veröffentlichung "Proc. Cryocooler Conference (Cryocoolers 5)", Monterey, US, 1988, Seiten 35 bis 46 ist eine Kühleinrichtung einer SQUID-Meßvorrichtung zu entnehmen, deren Kryostat seitlich oder unterhalb eines Patienten angeordnet werden kann. Dabei ist zur Kühlung der supraleitenden Teile eine Kombination aus LHe-Bad und vielen He-Gas-Strömen vorgesehen. Die SQUIDs werden mittels eines Einsatzes gekühlt, der mit LHe gefüllt ist, während die Gradiometer abgasgekühlt sind. Zwar sind bei dieser bekannten Kühleinrichtung wegen der vorbestimmten Lage des Kryostaten die erwähnten Sicherheitsprobleme klein; und es wird auch nur ein verhältnismäßig geringer LHe-Vorrat benö tigt. Jedoch ist das Nachfüllintervall verhältnismäßig kurz. Für das Nachfüllen ist zumindest einmal pro Tag ein LHe-Transportbe hälter in eine Abschirmkammer einzubringen, in der sich die SQUID-Meßvorrichtung befindet. Außerdem ist die Aufteilung des Gasstromes in mehrere parallelgeschaltete Ströme für die ver schiedenen Gradiometer sehr problematisch. Darüber hinaus ist eine Temperaturregelung nicht vorgesehen und auch kaum möglich. Ferner ist eine Einstellung der LHe-Verdampfungsrate nicht ohne zusätzliche Maßnahmen durchführbar. Wie bei einer LHe-Badkühlung wird auch hier ein kalter, helium- und vakuumdichter Behälter des Kryostaten benötigt.Also from the publication "Proc. Cryocooler Conference (Cryocoolers 5) ", Monterey, US, 1988, pages 35-46 is one Cooling device to be removed from a SQUID measuring device, the Cryostat arranged on the side or below a patient can be. There is one for cooling the superconducting parts Combination of LHe bath and many He gas streams provided. The SQUIDs are cooled using an insert that is equipped with LHe is filled while the gradiometers are exhaust-cooled. Though are in this known cooling device because of the predetermined Location of the cryostat the mentioned security problems small; and only a relatively small LHe stock is required does. However, the refill interval is relatively short. For the refill is an LHe-Transportbe at least once a day into a shielding chamber in which the SQUID measuring device is located. In addition, the division of the Gas stream in several parallel streams for the ver different gradiometers very problematic. Beyond that a temperature control is not provided and also hardly possible. Furthermore, adjustment of the LHe evaporation rate is not without additional measures feasible. Like an LHe bath cooling becomes a cold, helium and vacuum tight container of the cryostat.

Bei den bekannten SQUID-Meßvorrichtungen wird bisher im allge meinen auf eine Kühlung ihrer supraleitenden Teile, insbesondere der SQUIDs, unter Einsatz von Kältemaschinen (Refrigeratoren) verzichtet. Diese Maschinen können nämlich mit ihrer elektroma gnetischen Abstrahlung und mit ihren bewegten magnetischen Tei len über Vibrationen magnetische Störfelder erzeugen, die von der SQUID-Meßvorrichtung direkt oder indirekt detektiert werden und deshalb unbedingt vermieden werden müssen. Kleine Kältema schinen mit hinreichender Kälteleistung und einer Betriebstem peratur unter 6 K sind an sich bekannt. Sie arbeiten entweder nach dem sogenannten Linde-Claude-Prinzip (vgl. z. B. "Linde-Be richte aus Technik und Wissenschaft", Nr. 64: "Der Linde-Refri gerator für die Kernspintomographie", 1990, Seiten 38 bis 45). Auch kann eine Kombination eines zweistufigen Gifford-McMahon (GM)-Refrigerators für einen Temperaturbereich oberhalb von 10 K mit zusätzlichem Joule-Thomson(JT)-Kreislauf vorgesehen sein (vgl. die genannte Textstelle aus "Cryocoolers 5"). In the known SQUID measuring devices is so far in general mean cooling their superconducting parts, in particular the SQUIDs, using chillers waived. These machines can namely with their elektroma gnetic radiation and with their moving magnetic parts len generate magnetic interference fields by vibrations the SQUID measuring device can be detected directly or indirectly and therefore must be avoided at all costs. Little cold machines with sufficient cooling capacity and an operating control perature below 6 K are known per se. You either work according to the so-called Linde-Claude principle (cf. for example "Linde-Be judge from technology and science ", No. 64:" The Linde Refri gerator for magnetic resonance imaging ", 1990, pages 38 to 45). A combination of a two-stage Gifford-McMahon can also be used (GM) refreshers for a temperature range above 10 K. with an additional Joule-Thomson (JT) circuit (see the passage from "Cryocoolers 5").

Bekannt geworden sind auch Refrigeratoren, die nach dem GM-Prin zip eine Temperatur von etwa 4 K erreichen. Als Regeneratoren werden hierfür spezielle magnetische Materialien wie z. B. Gd_xEr_1-xRh angesetzt, die wegen eines magnetischen Phasenüber ganges auch unterhalb von 10 K eine erhebliche spezifische Wärme aufweisen (vgl. z. B. "Adv. Cryog. Engng.", Vol. 35 b, 1990, Seiten 1251 bis 1260). Neben einer in der genannten Textstelle aus "Cryocoolers 5" aufgezeigten direkten Kopplung einer Kälte maschine und einer SQUID-Meßvorrichtung sind auch andere Maß nahmen zur thermischen Kopplung von tiefkalten Geräten und Käl temaschinen insbesondere aus dem Bereich supraleitender Magnete bekannt (vgl. z. B. "Cryogenics", Vol. 24, 1984, Seiten 175 bis 178).Refrigerators that reach a temperature of around 4 K according to the GM principle have also become known. Special magnetic materials such as z. B. Gd _x Er _1-x Rh, which have a significant specific heat due to a magnetic phase transition even below 10 K (see, for example, "Adv. Cryog. Engng.", Vol. 35 b, 1990, Pages 1251 to 1260). In addition to a direct coupling of a refrigeration machine and a SQUID measuring device shown in the above passage from "Cryocoolers 5", other measures for thermal coupling of cryogenic devices and refrigeration machines are also known, in particular from the area of superconducting magnets (cf., for example, "Cryogenics", vol. 24, 1984, pages 175 to 178).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Kühleinrich tung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszuge stalten, daß die Anordnung ihres Kryostaten zu keiner Beeinträch tigung der zu detektierenden Feldquelle, insbesondere zu einer Gefährdung eines Patienten, führen kann. Dabei soll sich nur eine verhältnismäßig geringe Kältemittelmenge im Bereich der Feldquelle befinden, so daß der Kryostat entsprechend kleine Ab messungen haben kann. Außerdem soll ein Einsatz einer Kältema schine möglich sein, ohne daß von ihr magnetische Störungen oder Vibrationen an einer SQUID-Meßvorrichtung hervorgerufen werden.The object of the present invention is now the cooling device with the above-mentioned features design that the arrangement of your cryostat does not interfere adjustment of the field source to be detected, in particular to one Danger to a patient. This is only supposed to a relatively small amount of refrigerant in the range Field source are located so that the cryostat accordingly small Ab can have measurements. In addition, the use of a refrigeration scheme seem to be possible without magnetic interference or Vibrations are caused on a SQUID measuring device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Käl temittelleitungssystem zu einer forcierten Führung des Kälte mittels in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf vorgesehen ist, wobei das Leitungssystem einen kalten Leitungsteil aufweist, der mit der kältesten Stufe einer außerhalb des Kryostaten be findlichen Kältemaschine verbunden ist, sowie über eine Kälte mitteltransferleitung an den kalten Leitungsteil angeschlossene Kühlkanäle einer im Kryostaten befindlichen Trägerstruktur ent hält, auf welcher das mindestens eine SQUID und das mindestens eine Gradiometer angeordnet sind. This object is achieved in that a calf system for a forced management of the cold provided in a closed refrigerant circuit is, the line system having a cold line part, the one with the coldest stage outside the cryostat sensitive chiller is connected, as well as a cold medium transfer line connected to the cold line section Cooling channels ent a support structure located in the cryostat on which the at least one SQUID and the at least a gradiometer are arranged.

Die sich bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kühlein richtung ergebenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß ein besonderer Kältemittelvorrat nicht erforderlich ist und deshalb der Kryostat verhältnismäßig klein gestaltet werden kann. Außerdem kann der Kryostat nahezu beliebig im Raum ausgerichtet werden. Da in der Meßvorrichtung und innerhalb einer eventuell vorhandenen Abschirmkabine nur sehr wenig Kältemittel vorhanden ist, treten praktisch keine Sicherheitsprobleme auf. Das Kälte mittel strömt dabei nur innerhalb des Kältemittelleitungssystems und damit innerhalb der Kühlkanäle, die helium- und vakuumdicht ausgebildet sein müssen. Dabei entfällt ein besonderer Helium behälter innerhalb des Kryostaten, der bei bekannten Konzepten zu einer Vergrößerung des Abstandes der Gradiometer von der je weils zu detektierenden Feldquelle führt. Das heißt, bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung können die Gradiometer ver hältnismäßig nah an der Feldquelle plaziert werden. Die Meß empfindlichkeit ist dementsprechend hoch. Ein unterbrechungs freier Betrieb der Kühleinrichtung ist wegen der Verwendung einer Kältemaschine möglich. Da für die Kühlung der supraleiten den Teile der Meßvorrichtung ein eigener Kältemittelkreislauf und eine Kältemitteltransferleitung vorgesehen sind, läßt sich vorteilhaft eine praktisch vollständige Dämpfung der von der Kältemaschine ausgehenden Vibrationen erreichen.The cooler in this embodiment of the invention advantages that can be seen in the direction are that a special refrigerant supply is not required and therefore the cryostat can be made relatively small. In addition, the cryostat can be aligned almost anywhere in the room will. Because in the measuring device and within a possibly existing shielding cabin only very little refrigerant available there are practically no security problems. That cold medium flows only within the refrigerant line system and thus within the cooling channels, which are helium and vacuum tight must be trained. A special helium is not required container within the cryostat, which is the case with known concepts to increase the distance of the gradiometer from each because leads to the detected field source. That is, at Cooling device according to the invention, the gradiometer ver be placed relatively close to the field source. The measuring Accordingly, sensitivity is high. An interruption free operation of the cooling device is due to use a chiller possible. As for cooling the superconductors the parts of the measuring device have their own refrigerant circuit and a refrigerant transfer line can be provided advantageous a practically complete damping of the Refrigeration machine outgoing vibrations.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühleinrich tung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous embodiments of the cooling device according to the invention tion emerge from the subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1, schematisch eine Kühleinrichtung nach der Erfindung veranschaulicht ist. In Fig. 2 ist schematisch eine zweite, für eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung geeignete Kältemaschine angedeutet. Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch die Ausbildung eines Teils der Kühl kanäle der Kühleinrichtung. In Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. To further explain the invention, reference is made below to the drawing, in which FIG. 1 schematically illustrates a cooling device according to the invention. A second refrigeration machine suitable for a cooling device according to the invention is indicated schematically in FIG. 2. FIGS. 3 and 4 schematically show the formation of a part of the cooling channels of the cooling device. In figures, corresponding parts are provided with the same reference symbols.

SQUID-Meßvorrichtungen, mit denen sich äußerst schwache magnetische Signale (magnetische Flüsse oder Feldgradienten) einer beliebigen Feldquelle detektieren lassen, sind allgemein bekannt. Dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sei eine biomagnetische Feldquelle 2 wie z. B. das Gehirn eines Patienten 3 zugrundege legt, obwohl ebensogut auch andere, beispielsweise nicht-bioma gnetische Feldquellen zu detektieren sind. Entsprechende SQUID- Meßvorrichtungen können ein- oder mehrkanalig ausgeführt sein und enthalten zur Detektion der von der Feldquelle 2 ausgehenden ma gnetischen Signale mindestens ein als eine Antenne anzusehendes Magnetometer oder Gradiometer mit einer bzw. mehreren supralei tenden Schleifen. Die detektierten Signale werden dann über su praleitende Verbindungsleiter einer der Kanalzahl entsprechenden Anzahl von SQUIDs zugeführt. Die SQUIDs können auch direkt in die Gradiometerschleifen integriert sein, so daß dann besondere Ver bindungsleiter entfallen. Den SQUIDs, die gegebenenfalls wie die Gradiometerschleifen zu einem Array zusammengefaßt sein können, ist eine Elektronik nachgeschaltet. In der Zeichnung sind diese bekannten Teile nicht näher ausgeführt. Die magnetfeldempfindli chen Teile der SQUID-Meßvorrichtung können insbesondere für eine biomagnetische Diagnostik in einer Abschirmkabine 4 untergebracht sein.SQUID measuring devices with which extremely weak magnetic signals (magnetic fluxes or field gradients) from any field source can be detected are generally known. The embodiment shown in Fig. 1 is a biomagnetic field source 2 such as. B. is based on the brain of a patient 3 , although other, for example non-biometric, field sources can also be detected. Corresponding SQUID measuring devices can be of single or multi-channel design and contain at least one magnetometer or gradiometer with one or more supralalei loops for detection of the magnetic signals emanating from the field source 2 . The detected signals are then supplied to a number of SQUIDs corresponding to the number of channels via superconducting connecting conductors. The SQUIDs can also be integrated directly into the gradiometer loops, so that special connecting conductors are no longer required. Electronics are connected downstream of the SQUIDs, which, if necessary, can be combined into an array like the gradiometer loops. These known parts are not shown in detail in the drawing. The magnetfeldempfindli chen parts of the SQUID measuring instrument can be accommodated in particular for a biomagnetic diagnostics in a shielding cabin. 4

Die in dem schematischen Längsschnitt der Fig. 1 nur angedeuteten SQUIDs 5 und Gradiometer 6 einer derartigen, allgemein mit 7 be zeichneten SQUID-Meßvorrichtung sind auf einer besonderen Träger struktur 8 angeordnet. Diese Trägerstruktur befindet sich in einem Kryostaten 9 einer allgemein mit 10 bezeichneten Kühleinrichtung nach der Erfindung. Die SQUIDs 5 und die Gradiometer 6 sollen von einem Isoliervakuum 11 umschlossen sein und nur indirekt über Wär meleitung gekühlt werden. Hierzu wird ein mit K₁ bezeichnetes Käl temittel, beispielsweise flüssiges Helium (LHe) oder ein zwei phasiges Flüssig-Gas-Helium-Gemisch, an die zu kühlende Träger struktur 8 geleitet. Dabei soll vorteilhaft das flüssige Kälte mittel K₁ bzw. dessen flüssiger Anteil vollständig verdampfen. Das dann gasförmige Kältemittel ist mit K₂ bezeichnet. The only indicated in the schematic longitudinal section of FIG. 1 SQUIDs 5 and gradiometer 6 of such a, generally designated 7 SQUID measuring device are arranged on a special support structure 8 . This support structure is located in a cryostat 9 of a cooling device according to the invention, generally designated 10 . The SQUIDs 5 and the gradiometer 6 are to be enclosed by an insulating vacuum 11 and are only cooled indirectly by heat conduction. For this purpose, a refrigerant designated K ₁ , for example liquid helium (LHe) or a two-phase liquid-gas-helium mixture, is passed to the carrier structure 8 to be cooled. The liquid refrigerant K ₁ or its liquid portion should advantageously evaporate completely. The then gaseous refrigerant is designated K ₂ .

Das flüssige und gasförmige Kältemittel K₁ bzw. K₂ wird erfin dungsgemäß forciert in einem hermetisch geschlossenen Kältemittel kreislauf gefördert. Das hierfür erforderliche Kältemittelleitungs system ist allgemein mit 14 bezeichnet. Es enthält einen kalten Leitungsteil 15, der von einer außerhalb der Abschirmkammer 4 be findlichen Kältemaschine 16 auf eine für eine Verflüssigung des Kältemittels K₁ hinreichend tiefe Temperatur gekühlt wird. Bei der für das Ausführungsbeispiel gewählten Kältemaschine 16 han delt es sich um einen Gifford-McMahon(GM)-Refrigerator. Eine sol che Kältemaschine weist vorteilhaft einen eigenen Verflüssiger kreislauf mit einer Kompressoreinheit 17 zum Verdichten des in dem Verflüssigerkreislauf zirkulierenden Mediums wie insbesondere Helium auf. Da dieser Verflüssigerkreislauf unabhängig von dem Kühlmittelkreislauf durch das Leitungssystem 14 ist und nur ther misch an diesen angekoppelt ist, können nämlich Vibrationen der Maschine mit dem Kühlmittelkreislauf gut eliminiert werden. Für den Temperaturbereich oberhalb von 10 K enthält die Kältemaschine 16 zwei Kühlstufen 18 und 19. Diesen beiden Stufen ist eine wei tere Kühlstufe 20 nachgeordnet, die nach dem Joule-Thomson(JT)- Effekt eine Abkühlung auf etwa 4 K bewirkt und deshalb auch als 4 K-Kühlstufe bezeichnet werden kann. Eine entsprechende Kälte maschine ist z. B. der genannten Textstelle in "Cryocoolers 5" oder der DE-PS 34 27 601 zu entnehmen. Ihre Kühlstufen 18 bis 20 befinden sich in einem Kühlgehäuse 22, in dessen Innenraum ein die beiden kälteren Stufen 19 und 20 aufnehmender Teilraum von einem an die erste Kühlstufe 18 thermisch angekoppelten Wärme schild 23 begrenzt wird.The liquid and gaseous refrigerant K ₁ or K ₂ is forced according to the invention in a hermetically sealed refrigerant circuit. The refrigerant line system required for this is generally designated 14 . It contains a cold pipe part 15, which is cooled by a be outside the shielding 4-sensitive chiller 16 to a liquefaction of the refrigerant K ₁ sufficiently low temperature. The chiller 16 chosen for the exemplary embodiment is a Gifford-McMahon (GM) refrigorator. Such a chiller advantageously has its own condenser circuit with a compressor unit 17 for compressing the medium circulating in the condenser circuit, such as in particular helium. Since this condenser circuit is independent of the coolant circuit through the pipe system 14 and is only thermally coupled to it, vibrations of the machine with the coolant circuit can be eliminated. For the temperature range above 10 K, the refrigerator 16 contains two cooling stages 18 and 19 . These two stages are followed by a further cooling stage 20 which, according to the Joule-Thomson (JT) effect, causes cooling to about 4 K and can therefore also be referred to as a 4 K cooling stage. A corresponding refrigeration machine is e.g. B. the mentioned passage in "Cryocoolers 5" or DE-PS 34 27 601. Your cooling levels 18 to 20 are located in a cooling housing 22 , in the interior of which the two colder levels 19 and 20 receiving subspace is limited by a heat shield 23 thermally coupled to the first cooling level 18 .

Das an der 4 K-Kühlstufe 20 der Kältemaschine 16 verflüssigte Käl temittel K₁ wird aus dem Gehäuse 22 herausgeführt und über eine zumindest teilweise flexible Kältemitteltransferleitung 25 in den Kryostaten 9 eingeleitet. Die entsprechende Zuflußleitung 27 mün det so in einen Kühlkanal 28, der wärmeleitend mit einem die SQUIDs 5 aufnehmenden Teil der Trägerstruktur 8 verbunden ist. Bei diesem Teil der Trägerstruktur kann es sich insbesondere um ein metallisches Abschirmgehäuse 30 um die SQUIDs handeln, an das der Kühlkanal 28 z. B. angelötet ist. Die SQUIDs 5 sind dann an dieses Gehäuse 30 thermisch angekoppelt. The refrigerant K ₁ liquefied at the 4 K cooling stage 20 of the refrigeration machine 16 is led out of the housing 22 and introduced into the cryostat 9 via an at least partially flexible refrigerant transfer line 25 . The corresponding inflow line 27 thus opens into a cooling channel 28 which is thermally conductively connected to a part of the carrier structure 8 which receives the SQUIDs 5 . This part of the support structure can be, in particular, a metallic shielding housing 30 around the SQUIDs, to which the cooling duct 28 can be connected . B. is soldered. The SQUIDs 5 are then thermally coupled to this housing 30 .

Nach der somit indirekten Kühlung der SQUIDs 5 gelangt das gege benenfalls bereits teilweise verdampfte Kältemittel K₁ in Kühl kanäle 31a und 31b, die in den die Gradiometer 6 aufnehmenden Teil der Trägerstruktur 8 integriert sind. Dieser Teil der Trägerstruk tur kann insbesondere als sogenannte Kühlplatten 33a bzw. 33b ge staltet sein und aus Kunststoff bestehen. Eine der Kühlplatten ist in den Fig. 3 und 4 näher veranschaulicht. Das nunmehr zumin dest weitgehend gasförmige Kältemittel K₂ durchströmt anschließend weitere Trägerstrukturteile 34, an die thermisch wenigstens ein Strahlungsschild 35 des Kryostaten 9 angekoppelt ist. Das Kälte mittel gelangt danach in eine Abgasleitung 37 der Transferleitung 25. Diese Abgasleitung ist thermisch mit einem Strahlungsschild 38 der Transferleitung verbunden, die somit abgasgekühlt ist.After the indirect cooling of the SQUIDs 5 , the possibly already partially evaporated refrigerant K ₁ enters cooling channels 31 a and 31 b, which are integrated in the part of the support structure 8 that accommodates the gradiometers 6 . This part of the support structure can, in particular, be designed as so-called cooling plates 33 a and 33 b, respectively, and consist of plastic. One of the cooling plates is illustrated in more detail in FIGS . 3 and 4. The now at least largely gaseous refrigerant K ₂ then flows through further support structure parts 34 , to which at least one radiation shield 35 of the cryostat 9 is thermally coupled. The refrigerant then passes into an exhaust line 37 of the transfer line 25 . This exhaust line is thermally connected to a radiation shield 38 of the transfer line, which is thus exhaust-cooled.

Bevor das in der Transferleitung 25 noch weiter aufgewärmte gas förmige Kältemittel K₂ einer auf Raumtemperatur befindlichen Um wälzpumpe 40 zugeführt wird, die die forcierte Strömung in dem Kältemittelleitungssystem 14 gewährleistet, wird das Kältemittel K₂ noch vorteilhaft zu einer Vorkühlung des von der Umwälzpumpe 40 der ersten Stufe 18 der Kältemaschine 16 zugeführten, noch etwa auf Raumtemperatur befindlichen Kältemittel K_o, herangezogen. Ein hierfür vorgesehener Wärmetauscher 41 befindet sich in dem Kühlge häuse 22 außerhalb des von dessen Wärmeschild 23 begrenzten Teil raumes. Um eine hinreichende Menge des Kältemittels K_o in dem Kühl kreislauf des Leitungssystems 14 aufrechtzuerhalten, ist außerdem an das Leitungssystem noch im Raumtemperaturbereich und in Kälte rmittelströmungsrichtung gesehen nach der Umwälzpumpe 40 ein Spei cher 42 für einen hinreichenden Vorrat an gasförmigem Kältemittel angeschlossen.Before the further warmed in the transfer line 25 gaseous refrigerant K ₂ a is at room temperature To is circulating pump fed 40, which ensures the forced flow in the refrigerant pipe system 14, the refrigerant K ₂ will be advantageous to pre-cooling of the circulating pump 40 of the first stage 18 of the refrigerator 16 supplied, for about located to room-temperature refrigerant K _o, used. A specially provided heat exchanger 41 is located in the housing 22 outside the limited Kühlge of the heat shield 23 subspace. In order to maintain a sufficient amount of the refrigerant K _o in the cooling circuit of the pipe system 14 , a storage device 42 for a sufficient supply of gaseous refrigerant is also connected to the pipe system in the room temperature range and in the coolant flow direction after the circulating pump 40 .

Wie ferner der Fig. 1 zu entnehmen ist, muß bei Vorhandensein einer Abschirmkabine 4 die Transferleitung 25 einen Abschnitt enthalten, der als Durchführung 43 durch die Wand der Kabine ge staltet ist. Im Bereich dieser Durchführung sind die einzelnen Kältemittelleitungen der Transferleitung 25 elektrisch isoliert. Da, abgesehen von der Durchführung 43, die Transferleitung zumin dest in Teillängen flexibel ausgeführt sein und beispielsweise einen mit dem Kühlgehäuse 22 verbundenen starren Leitungsteil 25a sowie einen mit dem Kryostaten 9 verbundenen flexiblen Leitungs teil 25b aufweisen kann, läßt sich vorteilhaft der Kyrostat in viele Richtungen ausrichten. Insbesondere ist so eine Anordnung sowohl über als auch unter einem Patienten 3 möglich. Zu einem Austauschen der Kältemaschine 16, beispielsweise in einem Störungs oder Wartungsfall, oder für einen Notbetrieb zum Anschluß eines LHe-Vorratsbehälters kann ferner die Transferleitung 25 an einer in bekannter Weise auszuführenden Kupplung 44 aufgetrennt werden.As can also be seen in FIG. 1, in the presence of a shielding cabin 4, the transfer line 25 must contain a section which is designed as a passage 43 through the wall of the cabin. In the area of this bushing, the individual refrigerant lines of the transfer line 25 are electrically insulated. Since, apart from the implementation 43 , the transfer line can be flexible at least in part lengths and can have, for example, a rigid line part 25 a connected to the cooling housing 22 and a flexible line part 25 b connected to the cryostat 9 , the kyrostat can be advantageously used in align many directions. In particular, such an arrangement is possible both above and below a patient 3 . In order to replace the refrigeration machine 16 , for example in the event of a fault or maintenance, or for emergency operation for connecting an LHe storage container, the transfer line 25 can also be disconnected at a coupling 44 to be carried out in a known manner.

Gemäß dem anhand von Fig. 1 erläutertem Ausführungsbeispiel kommt für eine Kühleinrichtung nach der Erfindung als Kältemaschine vor allem ein dreistufiger Refrigerator aus zweistufiger GM-Maschine und nachgeordneter JT-Stufe in Betracht. Prinzipiell kann jedoch die Kühleinrichtung auch mit jedem anderen Typ einer Kältemaschine (Refrigerator) aufgebaut werden, die über einen eigenen, von dem Kältemittelkreislauf für die supraleitenden Teile der SQUID-Meß vorrichtung getrennten Verflüssigerkreislauf verfügt und an deren kältester (4 K-) Stufe der Kältemittelkreislauf thermisch angekop pelt ist. So lassen sich z. B. auch Kältemaschinen verwenden, deren kälteste Stufe als GM-Stufe ausgelegt ist. Darüber hinaus ist eben sogut eine Kältemaschine einsetzbar, die nach dem Linde-Claude- Prinzip arbeitet (vgl. "E und M", 90. Jg., 1973, Seiten 218 bis 224). Eine entsprechende Maschine ist in Fig. 2 angedeutet und mit 50 bezeichnet. Dabei zeigt diese Figur nur die Maschine 50 und einen Teil einer Kältemitteltransferleitung 25. Die nicht-darge stellten Teile einer SQUID-Meßvorrichtung entsprechen denen gemäß Fig. 1. Die Kältemaschine 50 enthält einen Kompressor 51, zwei hintereinander angeordnete Expansionsturbinen 52a und 52b, fünf Gegenstromwärmetauscher 53a bis 53e sowie einen Kältemittelhoch druckzweig 54 und einen Kältemittelniederdruckzweig 55 durch diese Wärmetauscher. Ein Anteil des von dem Kompressor 51 ver dichteten Kältemittels K_o wird aus dem Hochdruckzweig 54 entnom men, über die Expansionsturbinen 52a und 52b entspannt und dann in den Niederdruckzweig 55 eingespeist. Der verbleibende Teilstrom des Hochdruckzweiges wird an dessen Ende mittels eines JT-Ventils 56 teilweise verflüssigt. Der so an dieser kältesten Stufe der Maschine gewonnene Flüssigkeitsstrom K wird über einen kalten Lei tungsteil 57 einer Verzweigung 58 zugeführt, wo er in zwei Teil ströme K′ und K₁ aufgeteilt wird. Der Teilstrom K₁ dient entspre chend Fig. 1 zur Kühlung der supraleitenden Teile einer SQUID- Meßvorrichtung. Seine Kältemittelmenge wird über ein Ventil 59 eingestellt. Der andere Teilstrom K′ bildet nach Durchlaufen der Wärmetauscher 53e bis 53a des Niederdruckzweiges 55, wobei er ver dampft, zusammen mit dem von der SQUID-Meßvorrichtung über die Transferleitung 25 zurückkommenden gasförmigen Kältemittel K₂ einen gemeinsamen Kältemittelgasstrom G. Dieser Gasstrom wird dann dem Kompressor 51 zugeleitet. Eine derartige Kältemaschine 50 stellt also einen in das Kältemittelleitungssystem 14 einer erfin dungsgemäßen Kühleinrichtung integrierten Teil dar. Vibrations probleme sind dabei nicht zu befürchten, weil die in einem Ver flüssigerkreis nach dem Linde-Claude-Prinzip mit Turbinen hervor gerufenen Vibrationen gering sind.According to the exemplary embodiment explained with reference to FIG. 1, a three-stage refrigerator consisting of a two-stage GM machine and a downstream JT stage is particularly suitable for a cooling device according to the invention as a cooling machine. In principle, however, the cooling device can also be constructed with any other type of refrigeration machine (refrigerator) that has its own condenser circuit, separate from the refrigerant circuit for the superconducting parts of the SQUID measuring device, and at its coldest (4 K) stage, the refrigerant circuit is thermally coupled. So z. B. also use chillers whose coldest stage is designed as a GM stage. In addition, a chiller can be used that works according to the Linde-Claude principle (cf. "E and M", 90th vol., 1973, pages 218 to 224). A corresponding machine is indicated in FIG. 2 and labeled 50 . This figure shows only the machine 50 and part of a refrigerant transfer line 25 . The parts of a SQUID measuring device, not shown, correspond to those shown in FIG. 1. The refrigerator 50 contains a compressor 51 , two expansion turbines 52 a and 52 b arranged one behind the other, five countercurrent heat exchangers 53 a to 53 e, and a high pressure branch 54 and a low pressure branch 55 through this heat exchanger. A portion of the ver from the compressor 51 compacted refrigerant K _o is men from the high pressure branch 54 entnom, via the expansion turbines 52 a and 52 b relaxed and then fed into the low pressure branch 55th The remaining partial flow of the high pressure branch is partially liquefied at the end thereof by means of a JT valve 56 . The liquid stream K thus obtained at this coldest stage of the machine is fed via a cold line part 57 to a branch 58 , where it is divided into two part streams K 'and K ₁ . The partial flow K ₁ is accordingly Fig. 1 for cooling the superconducting parts of a SQUID measuring device. Its amount of refrigerant is adjusted via a valve 59 . The other partial flow K 'forms after passing through the heat exchanger 53 e to 53 a of the low pressure branch 55 , whereby it evaporates, together with the gaseous refrigerant K ₂ coming back from the SQUID measuring device via the transfer line 25, a common refrigerant gas stream G. This gas stream is then fed to the compressor 51 . Such a refrigerator 50 thus represents a part integrated into the refrigerant line system 14 of a cooling device according to the invention. Vibration problems are not to be feared because the vibrations caused by turbines in a Ver liquid circuit according to the Linde-Claude principle are low.

Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit den anhand der Fig. 1 und 2 erläuterten Maßnahmen läßt somit einen Dauerbetrieb einer SQUID-Meßvorrichtung zu, wobei die Temperatur aller supraleitenden Teile unter der Sprungtemperatur des verwendeten supraleitenden Materials, also beispielsweise unter 6 K zu halten ist. Die Küh lung unter Einsatz einer Kältemaschine ist dabei ökonomisch gün stiger als eine Kühlung mit angeliefertem LHe. Außerdem kann die Übertragung von Vibrationen auf die SQUID-Meßvorrichtung vermieden werden. Deren supraleitende Teile können als kompaktes Meßsystem in einem entsprechend kleinen Kryostaten ausgeführt sein, wobei eine beliebige Orientierung dieses Kryostaten möglich ist. Gege benenfalls läßt sich auch z. B. an der Durchführung durch die Wand einer Abschirmkabine eine Potentialtrennung zwischen elektrisch leitenden Teilen außerhalb und innerhalb der Abschirmkabine vor nehmen.A cooling device according to the invention with the measures explained with reference to FIGS . 1 and 2 thus permits continuous operation of a SQUID measuring device, the temperature of all superconducting parts being kept below the transition temperature of the superconducting material used, for example below 6 K. Cooling using a chiller is economically more economical than cooling with the supplied LHe. In addition, the transmission of vibrations to the SQUID measuring device can be avoided. Their superconducting parts can be designed as a compact measuring system in a correspondingly small cryostat, with any orientation of this cryostat being possible. If necessary, z. B. on the implementation through the wall of a shielding cabin before electrical isolation between electrically conductive parts outside and inside the shielding cabin.

Nachfolgend ist noch eine konkrete Ausgestaltungsmöglichkeit der beiden in Fig. 1 nur schematisch gezeigten Kühlplatten 32a, 32b der Trägerstruktur 8 anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert. Jede dieser gleichartig aufgebauten Kühlplatten kann beispiels weise aus einem mit Glasfasern verstärkten Kunststoff wie Epoxid harz bestehen. Auf diesen Platten sind die Schleifen der einzelnen Gradiometer 6 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt. Wie aus dem Querschnitt der Fig. 3 hervorgeht, kann jede Platte, so auch die für die Darstellung ausgewählte Platte 32a, aus zwei aneinander gefügten plattenförmigen Elementen 60a und 60b zusammengesetzt sein. Dabei ist in mindestens einem dieser Elemente, z. B. in dem Element 60a, der Kühlkanal 31a ausgebildet, beispielsweise in dieses Element eingefräst. Der Kühlkanal führt von einer Einlaß stelle 61 für das zumindest teilweise noch flüssige Kältemittel K₁ zu einer Auslaßstelle 62. Wie aus dem Längsschnitt der Fig. 4 ersichtlich ist, kann der Kühlkanal 31a (und damit auch der nicht dargestellte Kühlkanal 31b) vorteilhaft so verlaufen, daß eine zu mindest weitgehend gleichmäßige Temperatur über die zu kühlende Fläche der Platte 32a (bzw. 32b) gewährleistet ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist deshalb für den Kühlkanal 31a eine Mäanderform gewählt. Auch sinusförmig oder spiralförmig verlaufende Kühlkanäle sind ebensogut geeignet.A specific embodiment of the two cooling plates 32 a, 32 b of the carrier structure 8 shown only schematically in FIG. 1 is explained in more detail below with reference to FIGS. 3 and 4. Each of these cooling plates of the same design can, for example, consist of a glass fiber reinforced plastic such as epoxy resin. The loops of the individual gradiometers 6 are applied to these plates, for example glued on. As can be seen from the cross section of FIG. 3, each plate, including the plate 32 a selected for the illustration, can be composed of two plate-shaped elements 60 a and 60 b joined together. It is in at least one of these elements, for. B. in the element 60 a, the cooling channel 31 a formed, for example milled into this element. The cooling channel leads from an inlet point 61 for the at least partially still liquid refrigerant K ₁ to an outlet point 62 . As can be seen from the longitudinal section of FIG. 4, the cooling channel 31 a (and thus also the cooling channel 31 b, not shown) can advantageously run such that an at least largely uniform temperature over the surface of the plate 32 a to be cooled (or 32 b) is guaranteed. According to the illustrated embodiment, a meandering shape is therefore selected for the cooling channel 31 a. Sinusoidal or spiral cooling channels are equally well suited.

Claims

1. Device for cooling a SQUID measuring device with which biomagnetic or other weak magnetic fields are to be measured, which device contains a cryostat, in the interior of which at least one superconducting gradiometer and at least one assigned SQUID are arranged in a vacuum and thermally to one from the outside Refrigerant to be supplied is coupled via heat-conducting connecting parts, characterized in that a refrigerant line system ( 14 ) for forced cooling of the refrigerant (K, K _o , K ₁ , K ₂ , G) is provided in a closed refrigerant circuit, the line system ( 14 )

- A cold line part ( 15 , 57 ), which is connected to the cold test stage ( 20 , 56 ) outside the cryostat ( 9 ) be sensitive refrigeration machine ( 16 , 50 ), and
- Via a refrigerant transfer line ( 25 ) to the cold Lei device part ( 15 , 57 ) connected cooling channels ( 28 , 31 a, 31 b) in the cryostat ( 9 ) located support structure ( 8 ) on which the at least one SQUID ( 5th ) and that at least one gradiometer ( 6 ) are arranged.

2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the support structure ( 8 ) for receiving the gradiometer ( 6 ) contains cooling plates ( 32 a, 32 b), in which the corresponding cooling channels ( 31 a, 31 b) are integrated.

3. Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that each cooling plate ( 32 a, 32 b) is composed of two plate-shaped elements ( 60 a, 60 b), in one ( 60 a) of these elements one of the cooling channels ( 31 a, 31 b) is incorporated (see FIG. 3).

4. Cooling device according to claim 3, characterized in that the cooling channel ( 31 a) in the plate-shaped element ( 60 a) of the cooling plate ( 32 a) extends in a meandering shape (see. Fig. 4).

5. Cooling device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the cooling plates ( 32 a, 32 b) consist of a plastic reinforced with glass fibers.

6. Cooling device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the carrier structure for accommodating the SQUID (5) comprises a metallic shield (30) (8), the heat-conductively to a cooling channel (28) and the SQUID (5) connected is.

7. Cooling device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a circulation pump ( 40 , 51 ) is provided for the forced promotion of the refrigerant (K, K _o , K ₁ , K ₂ , G) by the refrigerant line system ( 14 ) .

8. Cooling device according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the cyrostat ( 9 ) and in the refrigerant transfer line ( 25 ) in each case a thermal radiation shield ( 35 or 38 ) is seen before, the thermal gaseous refrigerant (K ₂ ) is coupled.

9. Cooling device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the cryostat ( 9 ) inside and the refrigerator ( 16 , 50 ) are arranged outside a shielding cabin ( 4 ).

10. Cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cold medium transfer line ( 25 ) is at least partially flexible ge stalt.

11. Cooling device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the cooling medium (K ₁ ) in the cold line part ( 15 ) to the coldest stage ( 20 ) of the refrigerator ( 16 ) is thermally coupled.

12. Cooling device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the cooling machine ( 16 ) has a plurality of working according to the Gifford-McMahon principle cooling stages ( 18 , 19 ).

13. Cooling device according to claim 12, characterized in that the coldest stage ( 20 ) of the refrigerator ( 16 ) is a Joule-Thomson stage (see. Fig. 1).

14. Cooling device according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least in the region of the cold line part ( 57 ) in the coolant circuit for cooling the at least one SQUIDs ( 5 ) and the at least one gradiometer ( 6 ) a condenser circuit of the refrigerator ( 50 ) is integrated.

15. Cooling device according to one of claims 1 to 11 and 14, characterized in that the cooling machine ( 50 ) is a working according to the Linde-Claude process refrigerator (see. Fig. 2).