WO2009040100A1 - Kryostat mit stabilisiertem aussengefäss - Google Patents

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WO2009040100A1
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cryostat
bottom part
vessel
thickness
cavity
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Hannes Nowak
Sergio Nicola Erne
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BMDSYS GmbH
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/02—Applications for medical applications

Definitions

  • the invention relates to a cryostat, which is particularly suitable for use in a biomagnetic measuring system, as well as a biomagnetic measuring system comprising such a cryostat.
  • the invention further relates to a method for producing a cryostat, which is particularly suitable for biomagnetic measurements.
  • cryostats and measuring systems can be used in particular in the field of cardiology or in other medical fields, such as neurology. Other applications, such as non-medical applications, such as applications in materials research, are conceivable.
  • biomagnetic measurement systems The basis of biomagnetic measurement systems is the fact that most cell activities in the human or animal body are associated with electrical signals, in particular electrical currents.
  • the measurement of these electrical signals themselves, which are caused by the cell activity, is known, for example, from the field of electrocardiography.
  • the electrical currents are also connected to a corresponding magnetic field whose measurement is made use of the various known biomagnetic measurement methods.
  • the measurement of magnetic fields of biological samples or patients, or the measurement of temporal changes of these magnetic fields represents a metrological challenge.
  • the magnetic field changes in the human body which are to be measured in the magnetocardiography, about one million times weaker than the magnetic field of the earth.
  • the detection of these changes thus requires extremely sensitive magnetic sensors.
  • superconducting quantum interference devices SQUIDs
  • Such sensors typically need to achieve or maintain the superconductive state, are cooled typically to 4 0 K (-269 0 C), to which usually, liquid helium is used.
  • the SQUIDs are therefore usually arranged individually or in a SQUID array in a so-called. Dewar vessel and are cooled there accordingly.
  • laser-pumped magneto-optic sensors are currently being developed that can have approximately comparable sensitivity. In this case as well, the sensors are usually arranged in an array arrangement in a container for temperature stabilization.
  • cryostat Such containers for temperature stabilization, in particular containers for the cooling of magnetic sensors and so-called Dewar vessels, are generally referred to below as "cryostat.”
  • cryostat can be helium cryostats or other types of cryostat the cryostat vessel, which is also referred to as dewar, is not distinguished in the following, even if the actual cryostat next to the cryostat vessel may comprise further parts.
  • the manufacture of the cryostat for receiving biomagnetic sensor systems constitutes a major challenge in terms of design.
  • the sensors are usually introduced in a predetermined arrangement in these cryostats, for example in the form of a hexagonal arrangement of SQUIDs or other magnetic sensors.
  • the cryostat comprises an inner vessel, with sensors received therein, as well as a outer vessel.
  • the space between inner vessel and outer vessel is evacuated.
  • the distance between the sensors housed in the inner cryostat vessel and the skin surface of the patient is kept as small as possible, since, for example, the signal strength decreases with a high power of the distance between sensor and skin surface. Accordingly, the distance between the bottoms of the inner and outer vessels must be kept small and extremely constant.
  • WO 94/03754 describes a cryostat vessel having an inner dewar and an outer dewar.
  • the inner Dewar is double-jacketed and features floor panels with curved bottoms. Furthermore, a number of radiation shields are provided.
  • DE 298 09 387 U1 also describes a cryostat for radiomagnetic probing methods in which SQUIDs are preferably used.
  • the cryostat has a high electromagnetic high-frequency transparency.
  • a double vessel is again proposed, wherein a sensor is received at the bottom of an inner vessel.
  • This inner vessel is formed in two parts and shows a bottom part with a raised edge, which partially encloses a side wall.
  • the conventional cryostat used for magnetic measurements have a number of disadvantages and difficulties which can affect the reliability and reproducibility of the measurements.
  • One difficulty for example, is that, in particular in transition regions between base parts and the side walls of the cryostat vessel, tension can easily occur, which can lead to cracks, which in turn can have a strong negative impact on the quality of the cryostat.
  • biomagnetic measuring systems are imaging systems which not only record measured values at one point, but rather measure them simultaneously over a larger surface area or spatial area as far as possible.
  • magnetocardiography for example, by means of a sensor array is usually measured over an approximately circular region of, for example, 300 mm to 400 mm in diameter, which corresponds approximately to the dimensions of a human breast.
  • these large dimensions have the effect that even the smallest deflections of the vessels, for example deflections in the percentage range (ie, curvature relative to lateral expansion), in particular in the center region of the cryostat vessels, can cause the described problems with the formation of thermal bridges.
  • the object of the present invention is thus to provide a cryostat which avoids the above-described disadvantages of known cryostats.
  • the cryostat on the one hand to ensure high signal quality and on the other hand allow reliable evacuation of a cavity between an inner vessel and an outer vessel.
  • a cryostat for use in a biomagnetic measuring system, which has at least one inner vessel and at least one outer vessel, and at least one arranged between the inner vessel and the outer vessel cavity.
  • a plurality of such inner and / or outer vessels and / or a plurality of cavities may be provided.
  • the cavity should be acted upon by a negative pressure, so it should be able to be sealed in order to be evacuated.
  • inner and outer vessel for example, appropriate seals (for example, separate sealing rings and / or sealing bonds at joints or similar types of seals), a pump port for connection to a device for generating a vacuum (eg a vacuum pump) or the like.
  • the outer vessel and the inner vessel can be made of a variety of possible materials, which ensure the required mechanical stability of these vessels. It is particularly preferred if these vessels are wholly or partly made of a fiber composite material, ie a composite of a fiber material and a matrix material made of a plastic. Alternatively or additionally, however, a variety of other materials can be used, such as metals, plastics, ceramics or a combination of these materials.
  • the outer vessel has a bottom part.
  • This bottom part can be constructed in one piece with the remaining components of the outer vessel, but can also be supplemented in a modular design by other components of the outer vessel, for example - as described below - a side wall and / or other parts, such as lid parts.
  • this bottom part is particularly critical and should, if possible, have no appreciable deflection when the cavity is pumped out. Usual pressures lie after pumping can range from 10 -3 mbar to 10 "4 mbar at room temperature, for example in loading.
  • the invention proposes to make the bottom part of the outer vessel analogous to a bridge construction.
  • a load is counteracted by the bridge having a corresponding arcuate curvature.
  • the bottom part has a thickness variation region which preferably extends over a large area of the bottom part.
  • this thickness variation range can extend over a range between 50 and 100% of the lateral extent of the bottom part.
  • the bottom part has a concentrically varying bottom thickness, wherein the bottom thickness decreases towards the middle of the thickness variation region and assumes a lower value there than in an outside region of the thickness variation region.
  • a "thickness" should always be understood to mean an averaged value over a small area, so that, for example, local unevennesses in the thickness (for example a starting point) can be disregarded.
  • the thickness variation range across the lateral extent of the bottom part or of the thickness variation range can, for example, be between 0.1% and 5%, preferably between 0.5% and 2% and particularly preferably in the range of 0.75% to 1 %.
  • the thickness variation can for example be continuous, for example in the form of a parabolic surface profile and / or thickness profile of the bottom thickness. Alternatively or additionally, however, a continuous or stepwise variation of the floor thickness can also take place.
  • the bottom part has for example a round or a polygonal cross-section. Accordingly, the term "concentrically varying” is to be understood in that this term includes only a decrease of the bottom thickness towards the middle of the thickness variation range, but not necessarily a round shape of the thickness variation range and / or an axis symmetry of the thickness variation, even if a round shape and an axial symmetry about an axis of the cryostat represent a preferred embodiment.
  • the concentrically varying bottom thickness offers the advantage that the overall structure of the bottom part is considerably stabilized, similar to the construction of a bridge arch. In this way, thermal bridges between the outer vessel and the inner vessel are avoided, and even after several Abpumpvor réellen the cryostat and the cryostat comprehensive biomagnetic measuring system can reproducibly and reliably put into operational readiness.
  • the distance between the bottom part of the outer vessel and an inner bottom part of the inner vessel may for example be between 3 mm and 30 mm, in particular between 10 mm and 25 mm and particularly preferably about 20 mm.
  • the bottom part itself or the thickness variation region may have a diameter of, for example, at least 200 mm, preferably a diameter of about 400 mm.
  • the bottom portion may have an outwardly facing outside and an inwardly facing inside, the outside preferably having a substantially planar course at normal pressure in the cavity (i.e., non-evacuated cavity). The inside, however, may have a curved surface at normal pressure in the cavity.
  • the bottom part can in particular comprise a fiber material, for example a glass fiber material and / or a carbon fiber material and / or a mineral fiber material. point. Through this fiber reinforcement, the stability of the cryostat, in particular in the region of the bottom part, additionally increased.
  • a curable matrix material can then be used, for example - as described above - a matrix material with an epoxy resin or a similar curable matrix material, which together with the fiber material can form a fiber composite material.
  • the outer vessel may further comprise a side wall connected in a circumferential connection region with the bottom part.
  • this side wall may, for example, have a round or polygonal cross-section, but in principle any cross-sections can be realized.
  • the bottom part may preferably have a raised edge, along which the bottom part is connected to the side wall of the outer vessel. In this case, it is particularly preferred if the raised edge has a step surface, wherein the side wall is seated on this step surface.
  • the step surface may additionally comprise a collar which is arranged concentrically to the side wall, so that the side wall can be supported inwardly on this collar of the step surface. Examples of this construction will be further explained below.
  • a biomagnetic measuring system in particular a biomagnetic measuring system according to one or more of the initially described embodiments known from the prior art, is proposed.
  • the biomagnetic measuring system comprises at least one cryostat according to one of the embodiments described above.
  • the biomagnetic measuring system comprises at least one biomagnetic sensor, preferably an array of biomagnetic sensors, which are set up for the detection of a magnetic field.
  • these biomagnetic sensors may include, for example, SQUIDs and / or magneto-optical sensors.
  • the cryostat should at least one inner vessel and at least one outer vessel and at least one comprise between the inner vessel and the outer vessel arranged cavity, which can be acted upon with a negative pressure bar.
  • the outer vessel has a bottom part which comprises a thickness variation region with a concentrically varying bottom thickness. The bottom thickness assumes a lower value in the region of the middle of the thickness variation range than in an outer layer. . .
  • the configuration of the cryostat reference may be made, for example, to the above description.
  • the method comprises the following steps for producing the bottom part:
  • At least one curable material (for example the above-described matrix material of the fiber composite material) is introduced into a mold.
  • further materials can be introduced into this mold, or the curable material can comprise further materials, for example the above-described fiber materials.
  • the mold has at least one mold cavity, i. a correspondingly shaped opening, wherein this mold cavity preferably completely forms a negative of the base part to be produced.
  • the mold comprises at least one first stamp part, which has a surface curved into the mold cavity.
  • the curable material is cured, for example by simple waiting, by thermal curing, by chemical curing (for example by addition of a starter), by photochemical curing or by other curing processes or combinations of the above and / or other Aushärtverfah- ren.
  • the bottom part can then be removed from the mold. In this way, using the said first punch, which may for example have a convex parabolically curved surface, the concentrically varying bottom thickness of the thickness variation region of the bottom part is produced.
  • the mold may furthermore have at least one second stamp part, wherein the second stamp part has a curvature which is substantially opposite to the first stamp part.
  • the second stamping part can, for example, have a curved surface which is concavely curved in such a way that the curvature points out of the interior of the mold cavity.
  • the two curved surfaces of the stamp parts can then be curved such that the intermediate product of the bottom part formed after hardening takes on the shape of a curved shell.
  • the bottom part can be removed from the cavity and moved to a subsequent cutting edge and / or be subjected to grinding processes.
  • this cutting process and / or grinding process can then be the convex Surface of the bottom part, for example, be leveled in the region of the thickness variation range, and thus a substantially flat bottom of the bottom part or the thickness variation range are generated.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a cryostat for use in a biomagnetic measuring system in a sectional view
  • FIG. 2 shows a detail of the illustration according to FIG. 1 in the region of a transition between an inner bottom part and an inner side wall of an inner vessel;
  • FIG. 3 shows a detail of the illustration according to FIG. 1 in the region of a transition between a bottom part and a side wall of an outer vessel;
  • Figure 4 shows the bottom part of the cryostat according to Figure 1 in a detailed view
  • FIGS. 5A and 5B show a schematic example of a conventional base part in an unbent and curved state
  • FIGS. 6A and 6B show a schematic example of a base part according to the invention in the uncrimped and curved state
  • FIGS. 7A and 7B show two further possible embodiments of floor parts according to the invention.
  • Figure 8 shows a first embodiment of a erf ⁇ ndungswashen method for
  • FIG 9 shows a second embodiment of a method according to the invention for producing a cryostat.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of a cryostat 110 according to the invention in a sectional representation.
  • the cryostat 110 has an inner vessel 112 and an outer vessel 114 enclosing the inner vessel 112.
  • the outer vessel 114 is essentially cylindrical in shape and has various flanges 116 and 118. While the lower of these flanges 116 essentially performs support functions, the upper flange 118 serves to receive a cover 120 of the outer vessel 114.
  • a neck 122 of the inner vessel 112 projects through this cover 120.
  • Biomagnetic sensors (not shown in FIG ) are introduced into the interior of a (also essentially cylindrical) main vessel 124 of the inner vessel 112. In addition, leads to these sensors can be led through the neck 122 to the outside and connected to a corresponding electronics, so that measurement signals of these sensors can be queried.
  • a cavity 126 is formed between the inner vessel 112 and the outer vessel 114.
  • This cavity 126 can be evacuated for example by means of a vacuum nozzle, not shown in FIG.
  • a vacuum nozzle By this evacuation and formation of a negative pressure in this cavity 126, an insulating effect of the cryostat 110 is increased.
  • the interior of the main vessel 124 of the inner vessel 112 can be cooled, for example, by means of liquid helium, without the need for supplementing or replacing this liquid helium at short intervals.
  • Both the inner vessel 112 and the outer vessel 114 have substantially continuous fiber composite materials as materials. Furthermore, both the inner vessel 112 and the outer vessel 114 are modular. Thus, for example, the outer vessel 114 next to the lid 120 has a side wall 128 and a bottom part 130.
  • the inner vessel 112 has, in addition to the neck 122 in the region of the main vessel 124, a circular ring 132, which seals the neck 122 relative to the main vessel 124.
  • the inner vessel 112 has an inner side wall 134 and an inner bottom part 136. In this embodiment, the side walls 128, 134 are provided with a cylindrical shape, which is not absolutely necessary. Thus, for example, polygonal cross sections or irregular cross sections can be used.
  • a particularly critical area in the production of the cryostat 110 is the region of the transition between the base parts 130, 136 and the side walls 128, 134 of the outer vessel 114 or of the inner vessel 112, which is designated by reference numeral 138 in FIG forces acting on the inner vessel 112 (denoted Fi in FIG. 1) when pumping the cavity 126 and on the outer vessel 114 (designated F 2 in FIG. 1) can be particularly critical and can lead to damage to the cryostat 110.
  • the force Fj directed outward toward the cavity 126 acts on the side wall 134 of the inner vessel 112.
  • This force leads in a peripheral connection region 140, which is shown in detail in Figure 2, between the inner bottom part 136 and the inner side wall 134 of the inner vessel 112 to tension.
  • the connecting region 140 has a circumferential reinforcing element 142, which in this exemplary embodiment is formed integrally with the inner bottom part 136.
  • non-one-piece embodiments are also conceivable, for example with a separately formed reinforcing element 142.
  • the inner bottom part 136 has a raised, annular edge 144, which is formed in its upper region as a step 146.
  • This step 146 has a lower step surface 148 on which the lower edge of the inner side wall 134 of the inner vessel 112 rests.
  • the step 146 includes a collar 150 which annularly surrounds the lower edge of the side wall 134.
  • the reinforcing element 142 differs from the remaining inner bottom part 136 essentially by its structural properties.
  • the entire inner bottom part 136 is made of a fiber composite material, which preferably comprises an epoxy resin as a matrix material and, for example, glass fibers as a fiber material.
  • other additives may be included.
  • this fiber material which is not shown in FIG. 2, is oriented in the circumferential direction and thus points in FIG. 2 into the plane of the drawing. In the rest of the bottom part 136, however, the fiber orientation of the fiber material is substantially radially extending, so Ln Figure 2 parallel to the plane.
  • the inner bottom part 136 has a row of depressions 152.
  • These recesses 152 are used to hold biomagnetic sensors, which are not shown in the figures.
  • SQUIDs which are stored, for example, at one introduced through the neck 122 of the inner vessel 1 12 in the main vessel 124 linkage.
  • the biomagnetic sensors may, for example, be accommodated in a hexagonal arrangement in the base part 136 so that they can receive measurement signals over a surface area and thus for example map a chest area of a patient.
  • the depressions 152 serve, for example, the purpose of fixing the biomagnetic sensors and, moreover, shortening the distance between the sensor and the skin surface of the patient by reducing the effective bottom thickness of the inner bottom part 136 from the original D to the distance d in FIG. Furthermore, in the inner bottom part 136 threaded bores 154, to which, for example, a linkage for holding the biomagnetic sensors can be fixed.
  • the bottom portion 130 of the outer vessel 114 also has a raised edge 156. This is shown in Figure 3 in detail.
  • a step 158 in the raised position is in turn reinforced to reinforce the transitional area between the side wall 128 and the bottom part 130 Edge 156 of the bottom portion 130 is provided.
  • this step 158 has a step surface 160 on which the side wall 128 rests.
  • a collar 162 is provided, which, however, in contrast to the collar 150 in FIG. 2, is arranged in this case on the inside of the side wall 128 due to the force F 2 acting opposite to the force Fi and the transition region between the side wall 128 and bottom part 130 reinforced.
  • a distance a which is typically only between 10 and 25 mm, exists in a region in which both bottom parts 130, 136 run flat between the inner bottom part 136 of the inner vessel 112 and the bottom part 130 of the outer vessel 114 .
  • This preferred distance results in a high signal quality, as magnetic fields generally decrease with a high power of the distance between source and detector.
  • the bottom part 130 is shown in detail in FIG. 4 without the inner vessel 112.
  • the bottom part 130 may, like the entire cryostat 110, have, for example, a round cross section or a polygonal cross section. From FIG. 4 it can be seen that the bottom part 130 in the here shown
  • the non-limiting exemplary embodiment provided is basically subdivided into three sections and, in addition to the abovementioned raised edge 156, has an annular beveled region 164 and a circular, substantially planar, thick variation region 166.
  • the essentially flat thickness variation region 166 is preferably the region in which, as can be seen from FIG.
  • the inner vessel 112 has the smallest distance to the outer vessel 114.
  • This area thus represents the area in which the risk of contact between inner vessel 112 and outer vessel 114 and thus the formation of thermal bridges is particularly high when the force Fi, which occurs when the cavity 126 is pumped out, is applied.
  • this thickness variation region 166 with a concentrically varying ground thickness.
  • the thickness of the bottom part 130 in the thickness variation region 166 decreases from a thickness Bi in the edge region, ie in the region of the transition of the thickness variation region 166 to the tapered region 164, to a value B 2 in the middle of the thickness variation region 166. This decrease is typically about 1%. If the thickness variation region 166 thus has a diameter of approximately 400 mm, then the value Bi - B 2 is approximately 3 to 4 mm. In this case, the thickness variation region 166 has an outwardly facing inner side 168 and an outwardly facing surface 170.
  • the outer surface 170 is preferably designed flat. Alternatively, however, this outer surface 170 may be adapted, for example, to other geometries, such as a patient's head surface or breast surface, depending on the field of application of the cryostat 110.
  • FIGS. 5A to 6B the effect of the concentrically varying thickness of the bottom part 130 is illustrated schematically.
  • FIGS. 5A and 5B show a conventional bottom part 130 of constant thickness
  • FIGS. 6A and 6B show a bottom part 130 according to the invention with a concentrically varying thickness.
  • the thickness variation and the curvature are greatly exaggerated in the figures.
  • FIG. 5A shows a bottom part 130 with a constant, ie, non-varying thickness, as is the case in the prior art and used in conventional cryostats.
  • FIG. 5A shows the unloaded case, that is to say a case in which the hollow space 126 has no pressure difference to the area outside the cryostat 11, ie a non-pumped-down case.
  • FIG. 5B shows the case that the cavity 126 of the cryostat 1 10 is evacuated.
  • a force F 2 acts on the bottom part 130 towards the inside, ie towards the cavity 126. Since the bottom part 130 acts in its peripheral direction.
  • This deflection ⁇ can be in the range of 10 to 10 -3 mbar down to a few millimeters under normal negative pressures, which can form thermal bridges to the overlying inner vessel 112, not shown in the figures, which greatly reduce the insulating effect of the cryostat 110.
  • FIGS. 6A and 6B show an example of a bottom part 130 which is configured according to the invention. Again, the raised edge 156 and the tapered portion 164 are not shown, and the curves are greatly exaggerated to illustrate the principle. Thus, for example, FIG. 6A shows a portion of the thickness variation region 166. Again, FIG. 6A shows the non-pumped-down case in which, for example, normal pressure prevails in the cavity 126, whereas FIG. 6B illustrates the case of the pumped-out state. In this pumped-down state, a force F 2 directed toward the cavity 126 acts on the bottom part 130.
  • the force F 2 causes a deformation of the bottom part 130.
  • this deformation is slightly smaller than in the one shown in FIG. 5B above
  • the prior art case due to the "bridge arch effect" described above.
  • the concave curvature of the inwardly facing surface 168 of the bottom portion 130 that even in the deformed state, the bottom portion 130 can not bulge upwards, ie toward the inner vessel 112, or that such a bulge compared to the prior art strong is reduced. In this way, the risk of bridge formation in this particularly critical region of the cryostat 110 is greatly reduced.
  • FIGS. 7A and 7B show further possible exemplary embodiments of the bottom part 130 (once again only the thickness variation region 166 of the bottom part 130 is shown), which show that other embodiments also show the curvature of the surfaces in the thickness variation region 166 than that in FIG shown curvature are possible.
  • the inwardly facing surface 168 is curved, whereas the outwardly facing surface 170 is preferably configured flat in the uninjected state.
  • the outer surface 170 possible, for example, anatomical formations or curved shapes, for example, similar to the inner surface 168th
  • the curvature profile of the inner surface 168 is continuous and, for example, parabolic, with a concave, parabolic curvature. That this does not necessarily have to be the case is shown in highly schematic form in FIG. 7, for example.
  • the curved surface 168 may also have, for example, a non-continuous thickness variation with steps 172. Since the bottom part 130 is preferably round or polyhedral, these steps can be, for example, ring steps 172. The effect of this stepped embodiment is basically the same as shown in Figs. 6A and 6B.
  • the inwardly facing surface 168 has a generally flat central portion 174 and an adjoining annular curvature portion 176.
  • a manufacturing method is used in which the bottom part 130 is produced by means of a mold 178.
  • This mold 178 has an upper punch 180 and a lower punch 182, which together form a mold cavity 184.
  • This mold cavity 184 is shown greatly simplified in FIGS. 8 and 9, so that, for example, once again the bevelled area 164 and / or a raised edge 156 of the floor 130 are left out of consideration.
  • a "stamp" is not necessarily a movable part of the mold 178 to understand, but it may, for example, to be rigid components of this form 178, wherein the stamp 180, 182 to mold cavity 184 indicative surfaces 186, 188 have.
  • the two punches 180, 182 are separable along a parting line 190, which is also shown only schematically in FIGS. 8 and 9.
  • a "dividing line” is not necessarily to be understood as meaning a line, but also, for example, a dividing surface or the like.
  • the punches 180, 182 may include other, for example, movable or exchangeable mold parts to impart further contours to the bottom portion 130.
  • a fiber material 192 is introduced into the mold cavity 184.
  • This fibrous material 192 can be designed, for example, in the form of fiber mats, for example in the form of glass fiber, carbon fiber or mineral fiber mats or mixtures of different fiber materials.
  • the fiber material 192 is only schematically indicated in FIGS. 8 and 9 and is preferably introduced into the mold cavities 184 in such a way that they are substantially filled.
  • a non-hardened matrix material 194 (indicated by puncturing in FIGS. 8 and 9) is introduced into the mold cavities 184, which is likewise only partially shown in FIGS. 8 and 9.
  • this matrix material 194 is poured into the mold cavities 184 such that the fiber material 192 is completely impregnated with the uncured matrix material 194.
  • this matrix material 194 may be an epoxy resin.
  • other types of matrix materials 194 are also conceivable, for example other types of thermosetting plastics, thermoplastics or other hardenable matrix materials 194.
  • the matrix material 194 is cured, which can be done for example by simple waiting, thermal initialization, addition of a starter, photochemical activation or other types of activation. In this way, in each case an at least partially cured bottom part 130 is formed in the mold cavities 184.
  • the two methods illustrated in FIGS. 8 and 9 differ essentially in how, in the case of these methods, the concentrically varying bottom thickness of the bottom part 130 is generated.
  • the mold cavity 184 is already configured by appropriate design of the dies 180, 182 such that the bottom part 130 removed from the mold cavity 184 already approximately has the shape of the bottom part 130 shown in FIG. 6A. This means that already after pouring and curing, the inwardly facing inner side 168 of the bottom part 130 (see FIG. 6A) has a curvature, whereas the outwardly pointing outer side 170 shows, for example, a substantially planar course.
  • the concentrically varying ground thickness is subsequently produced by a cutting method.
  • the two surfaces 186, 188 of the dies 180, 182 have a substantially constant curvature, so that the bottom part 130 removed from the mold cavity 184 after curing initially has a substantially constant bottom thickness, but is curved overall.
  • different curvatures of the surfaces 186, 188 are possible in principle.
  • the concentrically varying ground thickness is subsequently produced by cutting this bottom part along a cutting line 196 (which, in turn, can also be a cut surface). This can be done for example by a simple sawing.
  • a grinding method may also be used in which the bottom part 130 in FIG. 9 is ground from below by means of a preferably planar grinding tool up to the cutting line 196. In this way, for example, the bottom part 130 shown in Figure 6 A can be produced with the concentrically varying bottom thickness.
  • FIGS. 8 and 9 are merely examples of a large number of possible production methods for producing a bottom part.
  • these examples in particular the cutting or grinding method shown in FIG. 9, are distinguished by high process reliability, high reproducibility of the generated bottom parts 130 and by comparatively low production costs for the molds 178.

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Abstract

Es wird ein Kryostat (110) für den Einsatz in einem biomagnetischen Messsystem vorgeschlagen. Der Kryostat (110) umfasst mindestens ein Innengefäß (112) und mindestens ein Außengefäß (114) sowie mindestens einen zwischen dem Innengefäß (112) und dem Außengefäß (114) angeordneten Hohlraum (126). Der Hohlraum (126) ist mit einem Unterdruck beaufschlagbar. Das Außengefäß (114) weist ein Bodenteil (130) auf. Das Bodenteil (130) weist einen Dickenvariationsbereich (166) mit einer konzentrisch variierenden Bodendicke auf, wobei die Bodendicke zur Mitte des Bodenteils (130) hin einen geringeren Wert annimmt als in einem Außenbereich.

Description

Kryostat mit stabilisiertem Außengefäß
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kryostaten, welcher insbesondere für den Einsatz in einem biomagnetischen Messsystem geeignet ist, sowie ein biomagnetisches Messsystem, welches einen derartigen Kryostaten umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Kryostaten, welcher insbesondere für biomagnetische Messungen geeignet ist. Derartige Kryostaten und Messsysteme können insbesondere im Bereich der Kardiologie oder auch in anderen medizinischen Bereichen, wie beispielsweise der Neurologie, eingesetzt werden. Auch andere Anwendungen, beispielsweise nichtmedizinische Anwendungen, beispielsweise Anwendungen in der Materialforschung, sind denkbar.
Stand der Technik
In den vergangenen Jahren haben magnetische Messsysteme, welche bis dahin im Wesentlichen der Grundlagenforschung vorbehalten waren, Einzug in viele Bereiche der biologischen und medizinischen Wissenschaften gehalten. Insbesondere die Neurologie und die Kardiologie profitieren von derartigen biomagnetischen Messsystemen.
Grundlage der biomagnetischen Messsysteme ist die Tatsache, dass die meisten Zellaktivitäten im menschlichen oder tierischen Körper mit elektrischen Signalen, insbesondere e- lektrischen Strömen, verbunden sind. Die Messung dieser elektrischen Signale selbst, wel- che durch die Zellaktivität hervorgerufen werden, ist beispielsweise aus dem Bereich der Elektrokardiographie bekannt. Neben den rein elektrischen Signalen sind die elektrischen Ströme jedoch auch mit einem entsprechenden Magnetfeld verbunden, deren Messung sich die verschiedenen bekannten biomagnetischen Messmethoden zunutze machen.
Während die elektrischen Signale bzw. deren Messung außerhalb des Körpers von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise den unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten der Gewebetypen zwischen der Quelle und der Körperoberfläche verbunden sind, durchdringen magnetische Signale nahezu ungestört diese Gewebebereiche. Die Messung dieser Magnetfelder und deren Änderungen erlaubt somit Rückschlüsse auf die innerhalb des Gewebes fließenden Ströme, zum Beispiel elektrische Ströme innerhalb des Herzmuskels. Eine Messung dieser magnetischen Felder mit hoher Zeit- und/oder Ortsauflösung über einen gewissen Bereich hinweg erlaubt somit bildgebende Verfahren, welche beispielsweise eine aktuelle Situation verschiedener Bereiche eines menschlichen Herzens wiedergeben können. Andere bekannte Anwendungen liegen beispielsweise im Bereich der Neurologie.
Die Messung von Magnetfeldern biologischer Proben oder Patienten, bzw. die Messung von zeitlichen Änderungen dieser Magnetfelder, stellt jedoch messtechnisch eine hohe Herausforderung dar. So sind beispielsweise die Magnetfeldänderungen im menschlichen Körper, welche bei der Magnetokardiographie zu messen sind, ungefähr eine Million Mal schwächer als das magnetische Feld der Erde. Die Detektion dieser Änderungen erfordert also extrem sensitive Magnetsensoren. In den meisten Fällen werden daher im Bereich der biomagnetischen Messungen supraleitende Quanten-Interferenz-Messgeräte (Superconduc- ting Quantum Interference Devices, SQUIDs) eingesetzt. Derartige Sensoren müssen in der Regel, um den supraleitenden Zustand zu erreichen bzw. aufrechtzuerhalten, typischerweise auf 4 0K (-269 0C) gekühlt werden, wozu üblicherweise flüssiges Helium verwendet wird. Die SQUIDs sind daher in der Regel einzeln oder in einem SQUID-Array in einem sog. Dewar-Gefäß angeordnet und werden dort entsprechend gekühlt. Alternativ werden zurzeit Laser-gepumpte magneto-optische Sensoren entwickelt, die annähernd vergleichbare Empfindlichkeit aufweisen können. Auch in diesem Fall werden die Sensoren in der Regel in einer Array- Anordnung in einem Behälter zur Temperaturstabilisierung angeord- net.
Derartige Behälter zur Temperaturstabilisierung, insbesondere Behälter für die Kühlung von Magnetsensoren und so genannte Dewar-Gefäße werden im Folgenden allgemein als „Kryostat" bezeichnet. Insbesondere kann es sich hierbei um Helium-Kryostate oder ande- re Arten von Kryostaten handeln. Zwischen dem Kryostaten und dem Kryostatgefäß, welches auch als Dewar bezeichnet wird, wird dabei im Folgenden nicht unterschieden, auch wenn der eigentliche Kryostat neben dem Kryostatgefäß weitere Teile umfassen kann.
Die Herstellung des Kryostaten für die Aufnahme biomagnetischer Sensorsysteme stellt konstruktiv eine große Herausforderung dar. Die Sensoren werden üblicherweise in einer vorgegebenen Anordnung in diesen Kryostaten eingebracht, beispielsweise in Form einer hexagonalen Anordnung von SQUIDs oder anderen Magnetsensoren. Dabei umfasst üblicherweise der Kryostat ein inneres Gefäß, mit darin aufgenommenen Sensoren, sowie ein äußeres Gefäß. Der Zwischenraum zwischen innerem Gefäß und äußerem Gefäß wird evakuiert. Dabei ist es jedoch von erheblicher Bedeutung, dass der Abstand zwischen den im inneren Kryostatgefäß aufgenommenen Sensoren und der Hautoberfläche des Patienten so klein wie möglich gehalten wird, da beispielsweise die Signalstärke mit einer hohen Potenz des Abstandes zwischen Sensor und Hautoberfläche abnimmt. Dementsprechend muss der Abstand zwischen den Böden des inneren und äußeren Gefäßes klein und äußerst konstant gehalten werden.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Kryostate bekannt, welche für magnetische Messungen eingesetzt werden können. So beschreibt beispielsweise WO 94/03754 ein Kryostatgefäß mit einem inneren Dewar und einem äußeren Dewar. Der innere Dewar ist dabei doppelt ummantelt und weist Bodenteile mit gekrümmten Böden auf. Weiterhin ist eine Reihe von Strahlungsabschirmungen vorgesehen.
Auch DE 298 09 387 Ul beschreibt einen Kryostaten für radiomagnetische Sondierungs- verfahren, bei denen vorzugsweise SQUIDs eingesetzt werden. Der Kryostat weist eine hohe elektromagnetische Hochfrequenz-Transparenz auf. Dabei wird wiederum ein Doppelgefäß vorgeschlagen, wobei ein Sensor am Boden eines Innengefäßes aufgenommen ist. Dieses Innengefäß ist zweiteilig ausgebildet und zeigt ein Bodenteil mit einem hochgezo- genen Rand, welcher eine Seitenwand teilweise umschließt.
Die herkömmlichen, für magnetische Messungen verwendeten Kryostaten weisen jedoch in der Praxis eine Vielzahl von Nachteilen und Schwierigkeiten auf, welche sich auf die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen auswirken können. Eine Schwie- rigkeit besteht beispielsweise darin, dass insbesondere in Übergangsbereichen zwischen Bodenteilen und der Seitenwänden des Kryostatgefäße leicht Verspannungen auftreten können, welche bis hin zu Rissen führen können, was wiederum die Qualität des Kryostaten stark negativ beeinflussen kann.
Weiterhin können beispielsweise beim Abpumpen des Zwischenraumes zwischen innerem und äußerem Gefäß Verformungen auftreten, welche bis hin zur Ausbildung von Wärmebrücken zwischen den Böden der Gefäße führen können. Somit besteht bei der Konstruktion des Kryostaten ein Zielkonflikt dahingehend, dass einerseits ein Abstand zwischen den beiden Böden möglichst groß ausgestaltet werden sollte, um derartige verformungsbeding- te Wärmebrücken zu vermeiden, dass aber andererseits dieser Abstand möglichst klein gehalten werden sollte, um eine hohe Signalqualität für die Sensorsignale zu erzielen. Dieser Zielkonflikt wird insbesondere dadurch verschärft, dass bei biomagnetischen Messsystemen die Dimensionen der Kryostate üblicherweise die Dimensionen von aus dem Laborbereich bekannten Kryostaten stark überschreiten. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass die meisten modernen biomagnetischen Messsysteme abbildende Systeme sind, welche nicht nur punktuell Messwerte aufnehmen, sondern möglichst gleichzeitig über einen größeren Flächenbereich oder Raumbereich hinweg messen. So wird beispielsweise bei der Magnetokardiographie üblicherweise mittels eines Sensorarrays über einen näherungsweise kreisförmigen Bereich von beispielsweise 300 mm bis 400 mm Durchmesser gemessen, was näherungsweise den Dimensionen einer menschlichen Brust ent- spricht. Diese großen Dimensionen bewirken jedoch, dass sich bereits kleinste Durchbiegungen der Gefäße, beispielsweise Durchbiegungen im Prozentbereich (d.h. Krümmung relativ zu lateraler Ausdehnung), insbesondere im Mittenbereich der Kryostatgefäße die beschriebenen Probleme mit der Ausbildung von Wärmebrücken bewirken können.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Kryostaten bereitzustellen, welcher die oben beschriebenen Nachteile bekannter Kryostate vermeidet. Insbesondere soll der Kryostat einerseits eine hohe Signalqualität gewährleisten und andererseits eine zuverlässige Evakuierung eines Hohlraumes zwischen einem Innengefäß und einem Außengefäß ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kryostaten und ein Verfahren zur Herstellung eines Kryostaten mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination verwirklicht werden können, sind in Unteransprüchen dargestellt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Es wird ein Kryostat für den Einsatz in einem biomagnetischen Messsystem vorgeschlagen, welcher mindestens ein Innengefäß und mindestens ein Außengefäß aufweist, sowie mindestens einen zwischen dem Innengefäß und dem Außengefäß angeordneten Hohlraum. Sinngemäß können auch mehrere derartige Innen- und/oder Außengefäße und/oder mehrere Hohlräume vorgesehen sein. Der Hohlraum soll mit einem Unterdruck beaufschlagbar sein, soll also abgedichtet werden können, um evakuiert werden zu können. Zu diesem Zweck können Innen- und Außengefäß beispielsweise entsprechende Dichtungen (beispielsweise separate Dichtringe und/oder Dichtklebungen an Verbindungsstellen oder ähnliche Arten von Dichtungen), einen Pumpenanschluss zum Verbinden mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Vakuums (z.B. einer Vakuumpumpe) oder ähnliches aufweisen.
Das Außengefäß und das Innengefäß können dabei aus einer Vielzahl möglicher Materialien gefertigt sein, welche die erforderliche mechanische Stabilität dieser Gefäße gewährleisten. Besonders bevorzugt ist es, wenn diese Gefäße ganz oder teilweise aus einem Faserverbundmaterial, also einem Verbund aus einem Faserwerkstoff und einem Matrixmaterial aus einem Kunststoff hergestellt sind. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch eine Vielzahl weiterer Werkstoffe einsetzbar, wie beispielsweise Metalle, Kunststoffe, Keramiken oder eine Kombination dieser Materialien.
Das Außengefäß weist ein Bodenteil auf. Dieses Bodenteil kann einstückig mit den restlichen Bauteilen des Außengefäßes aufgebaut sein, kann jedoch auch in einer modularen Bauweise durch weitere Bauteile des Außengefäßes ergänzt werden, beispielsweise - wie unten beschrieben - eine Seitenwand und/oder weitere Teile, wie beispielsweise Deckelteile. Wie oben beschrieben, ist dieses Bodenteil besonders kritisch und sollte nach Möglichkeit keine nennenswerte Durchbiegung aufweisen, wenn der Hohlraum abgepumpt wird. Übliche Drücke nach dem Abpumpen können bei Raumtemperatur beispielsweise im Be- reich von 10~3 mbar bis 10"4 mbar liegen.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Bodenteil des Außengefäßes analog zu einer Brückenkonstruktion zu gestalten. Bei einer derartigen Brückenkonstruktion wird einer Belastung dadurch begegnet, dass die Brücke eine entsprechende bogenför- mige Krümmung aufweist. Auf ähnliche Weise wird vorgeschlagen, dass das Bodenteil einen Dickenvariationsbereich aufweist, welcher sich vorzugsweise über einen großen Bereich des Bodenteils erstreckt. Beispielsweise kann sich dieser Dickenvariationsbereich über einen Bereich zwischen 50 und 100 % der lateralen Erstreckung des Bodenteils erstrecken. In diesem Dickenvariationsbereich weist das Bodenteil eine konzentrisch vari- ierende Bodendicke auf, wobei die Bodendicke sich zur Mitte des Dickenvariationsbereichs hin verringert und dort einen geringeren Wert annimmt als in einem Außenbereich des Dickenvariationsbereichs. Dabei ist unter einer "Dicke" jedoch stets ein gemittelter Wert über einen kleinen Bereich hinweg zu verstehen, so dass beispielsweise lokale Unebenheiten in der Dicke (zum Beispiel ein Angusspunkt) außer Betracht bleiben können.
Die Dickenvariationsbereich über die laterale Erstreckung des Bodenteils bzw. des Dickenvariationsbereichs hinweg kann beispielsweise zwischen 0,1 % und 5 % liegen, vorzugsweise zwischen 0,5 % und 2 % und besonders bevorzugt im Bereich von 0,75 % bis 1 %. Die Dickenvariation kann beispielsweise stetig erfolgen, beispielsweise in Form eines parabelförmigen Oberflächenprofils und/oder Dickenprofils der Bodendicke. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine stetige oder stufenweise Variation der Bodendicke erfolgen.
Das Bodenteil hat beispielsweise einen runden oder einen polygonalen Querschnitt. Entsprechend ist auch der Begriff "konzentrisch variierend" zu verstehen, dahingehend, dass dieser Begriff lediglich eine Abnahme der Bodendicke hin zur Mitte des Dickenvariationsbereichs umfasst, nicht hingegen notwendigerweise eine runde Form der Dickenvariations- bereichs und/oder eine Achsensymmetrie der Dickenvariation, auch wenn eine runde Form und eine Axialsymmetrie um eine Achse des Kryostaten eine bevorzugte Ausführungsform darstellen.
Die konzentrisch variierende Bodendicke bietet den Vorteil, dass der Gesamtaufbau des Bodenteils erheblich stabilisiert wird, ähnlich zum Aufbau eines Brückenbogens. Auf diese Weise werden Wärmebrücken zwischen dem Außengefäß und dem Innengefäß vermieden, und auch nach mehreren Abpumpvorgängen lässt sich der Kryostat und ein den Kryostaten umfassendes biomagnetisches Messsystem reproduzierbar und zuverlässig in Betriebsbereitschaft versetzen.
Der Abstand zwischen dem Bodenteil des Außengefäßes und einem Innenbodenteil des Innengefäßes kann beispielsweise zwischen 3 mm und 30 mm betragen, insbesondere zwischen 10 mm und 25 mm und besonders bevorzugt ca. 20 mm. Das Bodenteil selbst oder der Dickenvariationsbereich kann einen Durchmesser von beispielsweise mindestens 200 mm aufweisen, vorzugsweise einen Durchmesser von ca. 400 mm. Das Bodenteil kann eine nach außen weisende Außenseite und eine nach innen weisende Innenseite aufweisen, wobei die Außenseite bei Normaldruck in dem Hohlraum (d.h. bei nicht evakuiertem Hohlraum) vorzugsweise einen im Wesentlichen ebenen Verlauf aufweist. Die Innenseite hingegen kann bei Normaldruck in dem Hohlraum eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Diese Weiterentwicklung bietet den Vorteil, dass auf diese Weise erreicht werden kann, dass im abgepumpten Zustand durch eine entsprechende Wahl der Krümmung der gekrümmten Oberfläche eine ebene Oberfläche entsteht, welche dem Innengefäß zuweist. Auf diese Weise kann vorzugsweise überall im Hohlraum zwischen dem Bodenteil des Außengefäßes und dem Innenbodenteil ein näherungsweise konstanter Abstand im abge- pumpten Zustand eingestellt werden.
Das Bodenteil kann insbesondere einen Faserwerkstoff, beispielsweise einen Glasfaserwerkstoff und/oder einen Kohlefaserwerkstoff und/oder einen Mineralfaserwerkstoff auf- weisen. Durch diese Faserverstärkung wird die Stabilität des Kryostaten, insbesondere im Bereich des Bodenteils, zusätzlich erhöht. Zusätzlich zu dem Faserwerkstoff kann dann ein aushärtbares Matrixmaterial verwendet werden, beispielsweise - wie oben beschrieben - ein Matrixmaterial mit einem Epoxidharz oder ein ähnliches aushärtbares Matrixmaterial, welches gemeinsam mit dem Faserwerkstoff ein Faserverbundmaterial bilden kann.
Das Außengefäß kann weiterhin eine in einem umlaufenden Verbindungsbereich mit dem Bodenteil verbundene Seitenwand aufweisen. Wie oben beschrieben, kann diese Seitenwand beispielsweise einen runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen, wobei jedoch grundsätzlich beliebige Querschnitte realisierbar sind. Das Bodenteil kann vorzugsweise einen hochgezogenen Rand aufweisen, entlang dessen das Bodenteil mit der Seitenwand des Außengefäßes verbunden ist. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn der hochgezogene Rand eine Stufenfläche aufweist, wobei die Seitenwand auf dieser Stufenfläche aufsitzt. Die Stufenfläche kann zusätzlich einen Kragen umfassen, welcher konzen- trisch zu der Seitenwand angeordnet ist, so dass sich die Seitenwand nach innen hin auf diesem Kragen der Stufenfläche abstützen kann. Beispiele dieser Konstruktion werden im Nachfolgenden weiter erläutert.
Neben dem Kryostaten wird ein biomagnetisches Messsystem, insbesondere ein biomagne- tisches Messsystem gemäß einer oder mehrerer der eingangs beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsbeispiele, vorgeschlagen. Das biomagnetische Messsystem umfasst mindestens einen Kryostaten nach einem der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Weiterhin umfasst das biomagnetische Messsystem mindestens einen biomagnetischen Sensor, vorzugsweise ein Array biomagnetischer Sensoren, welche zur Detektion eines magnetischen Feldes eingerichtet sind. Wie oben beschrieben, können diese biomagnetischen Sensoren beispielsweise SQUIDs und/oder magneto-optische Sensoren umfassen.
Neben dem Kryostaten und dem biomagnetischen Messsystem wird weiterhin ein Verfah- ren zur Herstellung eines Kryostaten für den Einsatz in einem biomagnetischen Messsystem vorgeschlagen, insbesondere eines Kryostaten gemäß einem der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele.. Der Kryostat soll mindestens ein Innengefäß und mindestens ein Außengefäß sowie mindestens einen zwischen dem Innengefäß und dem Außengefäß angeordneten Hohlraum umfassen, welcher mit einem Unterdruck beaufschlag- bar ist. Das Außengefäß weist ein Bodenteil auf, welcher einen Dickenvariationsbereich mit einer konzentrisch variierenden Bodendicke umfasst. Die Bodendicke nimmt im Bereich der Mitte des Dickenvariationsbereichs einen geringeren Wert an als in einem Au- ßenbereich. Für weitere mögliche Details der Ausgestaltung des Kryostaten kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte zur Herstellung des Bodenteils:
mindestens ein aushärtbarer Werkstoff (beispielsweise das oben beschriebene Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes) wird in eine Form eingebracht. Zusätzlich können weitere Werkstoffe in diese Form eingebracht werden, oder der aushärtbare Werkstoff kann weitere Werkstoffe umfassen, beispielsweise die oben be- schriebenen Faserwerkstoffe. Die Form weist mindestens ein Formnest, d.h. eine entsprechend gestaltete Öffnung auf, wobei dieses Formnest vorzugsweise vollständig ein Negativ des herzustellenden Bodenteils bildet. Weiterhin umfasst die Form mindestens ein erstes Stempelteil, welches eine in das Formnest hinein gekrümmte Oberfläche aufweist. - Nach dem Einbringen des aushärtbaren Werkstoffes in das Formnest der Form wird der aushärtbare Werkstoff ausgehärtet, beispielsweise durch einfaches Abwarten, durch thermisches Aushärten, durch chemisches Aushärten (zum Beispiel durch Zugabe eines Starters), durch photochemisches Aushärten oder durch andere Aushärtverfahren oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Aushärtverfah- ren. Nach dem Aushärten kann das Bodenteil anschließend der Form entnommen werden. Auf diese Weise wird unter Verwendung des besagten ersten Stempels, welcher beispielsweise eine konvexe parabolisch gekrümmte Oberfläche aufweisen kann, die konzentrisch variierende Bodendicke des Dickenvariationsbereichs des Bodenteils erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls auf verschiedene Weisen weitergebildet werden. So kann beispielsweise die Form weiterhin mindestens ein zweites Stempelteil aufweisen, wobei das zweite Stempelteil eine gegenüber dem ersten Stempelteil im Wesentlichen entgegengesetzte Krümmung aufweist. Ragt beispielsweise die gekrümmte Oberfläche des ersten Stempelteils in das Formnest konvex hinein, so kann beispielsweise das zweite Stempelteil eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, welche derart konkav gekrümmt ist, dass die Krümmung aus dem Inneren des Formnestes herausweist. Die beiden gekrümmten Oberflächen der Stempelteile können in diesem Fall beispielsweise dann derart gekrümmt sein, dass das gebildete Zwischenprodukt des Bodenteils nach dem Aushär- ten die Form einer gekrümmten Schale annimmt. Anschließend kann, nach einem Aushärten des aushärtbaren Werkstoffs, das Bodenteil dem Formnest entnommen werden und einem sich anschließenden Schneide verfahren und/oder Schleifverfahren unterworfen werden. Mittels dieses Schneideverfahrens und/oder Schleif Verfahrens kann dann die konvexe Oberfläche des Bodenteils beispielsweise im Bereich des Dickenvariationsbereichs eingeebnet werden und somit eine im Wesentlichen ebene Unterseite des Bodenteils bzw. des Dickenvariationsbereichs erzeugt werden.
Ausführungsbeispiele
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigt:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Kryostaten für den Einsatz in einem biomagnetischen Messsystem in einer Schnittdarstellung;
Figur 2 einen Ausschnitt der Darstellung gemäß Figur 1 im Bereich eines Überganges zwischen einem Innenbodenteil und einer Innenseitenwand eines Innengefäßes;
Figur 3 einen Ausschnitt der Darstellung gemäß Figur 1 im Bereich eines Übergan- ges zwischen einem Bodenteil und einer Seitenwand eines Außengefäßes;
Figur 4 das Bodenteil des Kryostaten gemäß Figur 1 in einer Detaildarstellung;
Figuren 5A und 5B ein schematisches Beispiel eines herkömmlichen Bodenteils in un- gekrümmtem und gekrümmtem Zustand;
Figuren 6A und 6B ein schematisches Beispiel eines erfmdungsgernäßen Bodenteils in ungekrümmtem und gekrümmtem Zustand;
Figuren 7A und 7B zwei weitere mögliche Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Bodenteile; Figur 8 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfϊndungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines Kryostaten; und
Figur 9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kryostaten.
In Figur 1 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kryostaten 110 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Der Kryostat 1 10 weist ein Innengefäß 112 und ein das Innengefäß 112 umschließendes Außengefäß 114 auf. Das Außengefäß 114 ist im Wesent- liehen zylindrisch ausgestaltet und weist verschiedene Flansche 116 und 118 auf. Während der untere dieser Flansche 116 im Wesentlichen Halterungsfunktionen übernimmt, dient der obere Flansch 118 zur Aufnahme eines Deckels 120 des Außengefäßes 114. Durch diesen Deckel 120 ragt ein Hals 122 des Innengefäßes 112. Durch diesen Hals 122 können biomagnetische Sensoren (in Figur 1 nicht dargestellt) ins Innere eines (ebenfalls im We- sentlichen zylindrischen) Hauptgefäßes 124 des Innengefäßes 112 eingebracht werden. Zudem können Zuleitungen zu diesen Sensoren durch den Hals 122 nach außen geführt und mit einer entsprechenden Elektronik verbunden werden, sodass Messsignale dieser Sensoren abgefragt werden können.
Zwischen dem Innengefäß 112 und dem Außengefäß 114 ist ein Hohlraum 126 ausgebildet. Dieser Hohlraum 126 kann beispielsweise mittels eines in Figur 1 nicht dargestellten Vakuumstutzens evakuiert werden. Durch diese Evakuierung und Ausbildung eines Unterdrucks in diesem Hohlraum 126 wird eine Isolationswirkung des Kryostaten 110 erhöht. Auf diese Weise kann der Innenraum des Hauptgefäßes 124 des Innengefäßes 112 bei- spielsweise mittels flüssigen Heliums gekühlt werden, ohne dass in kurzen Abständen eine Ergänzung bzw. Ersetzung dieses flüssigen Heliums erforderlich wäre.
Sowohl das Innengefäß 112 als auch das Außengefäß 114 weisen im Wesentlichen durchgehend Faserverbundmaterialien als Werkstoffe auf. Weiterhin sind sowohl das Innengefäß 112 als auch das Außengefäß 114 modular aufgebaut. So weist beispielsweise das Außengefäß 114 neben dem Deckel 120 eine Seitenwand 128 und ein Bodenteil 130 auf. Das Innengefäß 112 weist neben dem Hals 122 im Bereich des Hauptgefäßes 124 einen Kreisring 132 auf, welcher den Hals 122 gegenüber dem Hauptgefäß 124 abdichtet. Weiterhin weist das Innengefäß 112 eine Innenseitenwand 134 auf sowie ein Innenbodenteil 136. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Seitenwände 128, 134 mit einer zylindrischen Gestalt ausgestattet, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. So können beispielsweise auch polygonale Querschnitte oder unregelmäßige Querschnitte eingesetzt werden. Ein besonders kritischer Bereich bei der Herstellung des Kryostaten 110 ist der in Figur 1 mit der Bezugsziffer 138 bezeichnete Bereich des Übergangs zwischen den Bodenteilen 130, 136 und den Seitenwänden 128, 134 des Außengefäßes 114 bzw. des Innengefäßes 112. In diesem Bereich machen sich die beim Abpumpen des Hohlraumes 126 wirkenden Kräfte auf das Innengefäß 112 (in Figur 1 mit Fi bezeichnet) und auf das Außengefäß 114 (in Figur 1 mit F2 bezeichnet) besonders kritisch bemerkbar und können zu Beschädigungen des Kryostaten 110 führen.
Beim Evakuieren des Hohlraums 126 in Figur 1 wirkt auf die Seitenwand 134 des Innenge- fäßes 112 die nach außen, zum Hohlraum 126 hin gerichtete Kraft Fj. Diese Kraft führt in einem umlaufenden Verbindungsbereich 140, welcher in Figur 2 in Detaildarstellung gezeigt ist, zwischen dem Innenbodenteil 136 und der Innenseitenwand 134 des Innengefäßes 112 zu Verspannungen. Um in diesem Verbindungsbereich 140 Rissbildungen aufgrund dieser Verspannungen zu vermeiden, weist der Verbindungsbereich 140 ein umlaufendes Verstärkungselement 142 auf, welches in diesem Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Innenbodenteil 136 ausgebildet ist. Auch nicht-einstückige Ausführungsformen sind jedoch denkbar, beispielsweise mit einem separat ausgebildeten Verstärkungselement 142. Das Innenbodenteil 136 weist einen hochgezogenen, kreisringförmigen Rand 144 auf, welcher in seinem oberen Bereich als Stufe 146 ausgebildet ist. Diese Stufe 146 weist eine untere Stufenfläche 148 auf, auf welcher der untere Rand der Innenseitenwand 134 des Innengefäßes 112 aufliegt. Weiterhin beinhaltet die Stufe 146 einen Kragen 150, welcher den unteren Rand der Seitenwand 134 ringförmig umgibt.
Das Verstärkungselement 142 unterscheidet sich vom restlichen Innenbodenteil 136 im Wesentlichen durch seine strukturellen Eigenschaften. So ist vorzugsweise das gesamte Innenbodenteil 136 aus einem Faserverbundmaterial hergestellt, welches vorzugsweise ein Epoxidharz als Matrixmaterial und beispielsweise Glasfasern als Faserwerkstoff umfasst. Daneben können weitere Zusatzstoffe umfasst sein. Im Bereich des Verstärkungselements 142 ist dieser Faserwerkstoff, welcher in Figur 2 nicht dargestellt ist, in Umfangsrichtung orientiert und weist somit in Figur 2 in die Zeichenebene hinein. Im restlichen Bodenteil 136 hingegen ist die Faserorientierung des Faserwerkstoffs im Wesentlichen radial verlaufend, also Ln Figur 2 parallel zur Zeichenebene.
Weiterhin ist in den Figuren 1 und 2 zu erkennen, dass das Innenbodenteil 136 eine Reihe von Vertiefungen 152 aufweist. Diese Vertiefungen 152 dienen der Aufnahme von biomagnetischen Sensoren, welche in den Figuren nicht dargestellt sind. Beispielsweise lassen sich zu diesem Zweck SQUIDs einsetzen, welche beispielsweise an einem durch den Hals 122 des Innengefäßes 1 12 in das Hauptgefäß 124 eingebrachten Gestänge gelagert sind. Die biomagnetischen Sensoren können beispielsweise in einer hexagonalen Anordnung im Bodenteil 136 aufgenommen sein, so dass diese über einen Flächenbereich hinweg Messsignale aufnehmen und somit beispielsweise einen Brustbereich eines Patienten kartieren können. Die Vertiefungen 152 dienen beispielsweise dem Zweck, die biomagnetischen Sensoren zu fixieren und darüber hinaus den Abstand zwischen Sensor und Hautoberfläche des Patienten dadurch zu verkürzen, dass die effektive Bodendicke des Innenbodenteil 136 von ursprünglich D auf den Abstand d in Figur 2 reduziert wird. Weiterhin sind im Innenbodenteil 136 Gewindebohrungen 154, an welchen beispielsweise ein Gestänge zur Halte- rung der biomagnetischen Sensoren fixiert werden kann.
Auf ähnliche Weise weist auch das Bodenteil 130 des Außengefäßes 114 einen hochgezogenen Rand 156 auf. Dieser ist in Figur 3 in Detaildarstellung gezeigt. Da in diesem Fall die auf die Seitenwand 128 des Außengefäßes 114 wirkende Kraft F2 nach innen gerichtet ist, also entgegengesetzt zur Kraft Fi in Figur 2, ist zur Verstärkung des Übergangsbereichs zwischen der Seitenwand 128 und dem Bodenteil 130 wiederum eine Stufe 158 in dem hochgezogenen Rand 156 des Bodenteils 130 vorgesehen. Wiederum weist diese Stufe 158 eine Stufenfläche 160 auf, auf welcher die Seitenwand 128 aufliegt. Wiederum ist auch ein Kragen 162 vorgesehen, welcher jedoch, im Gegensatz zu dem Kragen 150 in Figur 2, aufgrund der entgegengesetzt zur Kraft Fi wirkenden Kraft F2 in diesem Fall auf der In- nenseite der Seitenwand 128 angeordnet ist und den Übergangsbereich zwischen Seitenwand 128 und Bodenteil 130 verstärkt.
Zwischen dem Innenbodenteil 136 des Innengefäßes 112 und dem Bodenteil 130 des Außengefäßes 114 besteht, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, in einem Bereich, in welchem beide Bodenteile 130, 136 eben verlaufen, ein Abstand a, welcher typischerweise lediglich zwischen 10 und 25 mm beträgt. Dieser bevorzugte Abstand bewirkt eine hohe Signalqualität, da magnetische Felder in der Regel mit einer hohen Potenz des Abstandes zwischen Quelle und Detektor abnehmen. Durch die in Figur 1 dargestellte Konstruktion mit den Vertiefungen 152, in welchen die Sensoren aufgenommen sind, und dem geringen Abstand a zwi- sehen Innenbodenteil 136 und Bodenteil 130 wird der Abstand zwischen beispielsweise einer Brust des Patienten und den in den Vertiefungen 152 aufgenommenen biomagnetischen Sensoren auf ein Minimum reduziert.
Durch diese Reduzierung des Abstandes a treten jedoch die eingangs genannten Probleme mit Verformungen des Bodenteils 130 des Außengefäßes 114 auf. Das Bodenteil 130 ist in Figur 4 im Detail ohne das Innengefäß 112 dargestellt. Das Bodenteil 130 kann, wie der gesamte Kryostat 1 10, beispielsweise einen runden Querschnitt oder einen polygonalen Querschnitt aufweisen. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass das Bodenteil 130 in dem hier dar- gestellten, nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel grundsätzlich in drei Abschnitte unterteilt ist und neben dem bereits erwähnten hochgezogenen Rand 156 einen ringförmigen abgeschrägten Bereich 164 und einen kreisförmigen, im Wesentlichen eben gestalteten dicken Variationsbereich 166 aufweist. Der im Wesentlichen ebene Dickenvariationsbe- reich 166 ist vorzugsweise der Bereich, in welchem, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, das Innengefäß 112 den geringsten Abstand zum Außengefäß 114 aufweist. Dieser Bereich stellt somit den Bereich dar, in welchem bei Einwirken der Kraft Fi, welche beim Abpumpen des Hohlraumes 126 auftritt, die Gefahr einer Berührung zwischen Innengefäß 112 und Außengefäß 114 und somit die Ausbildung von Wärmebrücken besonders hoch ist.
Zur Lösung dieser Problematik wird vorgeschlagen, diesen Dickenvariationsbereich 166 mit einer konzentrisch variierenden Bodendicke auszugestalten. Dabei nimmt die Dicke des Bodenteils 130 im Dickenvariationsbereich 166 von einer Dicke Bi im Randbereich, d.h. im Bereich des Übergangs des Dickenvariationsbereichs 166 hin zum abgeschrägten Bereich 164, auf einen Wert B2 in der Mitte des Dickenvariationsbereichs 166 ab. Diese Abnahme beträgt typischerweise ca. 1 %. Wenn der Dickenvariationsbereich 166 somit einen Durchmesser von ca. 400 mm aufweist, so liegt der Wert Bi - B2 bei ca. 3 bis 4 mm. Dabei weist der Dickenvariationsbereich 166 eine nach außen weisende Innenseite 168 und eine nach außen weisende Oberfläche 170 auf. Während die Innenoberfläche 168 in einem Zustand, in welchem der Hohlraum 126 nicht abgepumpt ist, einen leicht gekrümmten Verlauf aufweist, ist die Außenoberfläche 170 vorzugsweise eben ausgestaltet. Alternativ kann diese Außenoberfläche 170 jedoch beispielsweise auch anderen Geometrien angepasst werden, beispielsweise einer Kopfoberfläche oder einer Brustoberfläche eines Patienten, je nach Anwendungsgebiet des Kryostaten 110.
In den Figuren 5A bis 6B ist die Wirkung der konzentrisch variierenden Dicke des Bodenteils 130 schematisch verdeutlicht. Dabei zeigen die Figuren 5 A und 5B ein herkömmliches Bodenteil 130 mit konstanter Dicke, wohingegen die Figuren 6A und 6B ein erfindungsgemäßes Bodenteil 130 mit konzentrisch variierender Dicke zeigen. Die Dickenvari- ation und die Krümmung sind dabei in den Figuren stark übertrieben dargestellt.
In Figur 5A ist ein Bodenteil 130 mit gleichbleibender, d.h. nicht variierender Dicke dargestellt, wie es dem Stand der Technik entspricht und in herkömmlichen Kryostaten verwendet wird. Dabei zeigt Figur 5A den unbelasteten Fall, also einen Fall, in welchem der Hohl- räum 126 keine Druckdifferenz zum Bereich außerhalb des Kryostaten 1 10 aufweist, also einen nicht-abgepumpten Fall. Figur 5B zeigt hingegen den Fall, dass der Hohlraum 126 des Kryostaten 1 10 evakuiert wird. In diesem Fall wirkt nach innen, d.h. hin zum Hohlraum 126, eine Kraft F2 auf das Bodenteil 130. Da das Bodenteil 130 in seinem Randbe- reich (der hochgezogene Rand 156 und der abgeschrägte Bereich 164 sind in dieser und in den nachfolgenden Figuren vernachlässigt) fest verankert ist, krümmt sich das Bodenteil 130 in der Mitte nach oben. Die dadurch entstehende Durchbiegung ist in Figur 5B mit Δ bezeichnet. Diese Durchbiegung Δ kann bei üblichen Unterdrücken im Bereich von 10 bis 10"3 mbar bis hin zu einigen Millimetern betragen. Hierdurch können sich Wärmebrücken zum darüberliegenden, in den Figuren nicht dargestellten Innengefäß 112 ausbilden, welche die Isolations Wirkung des Kryostaten 110 stark vermindern.
In den Figuren 6 A und 6B ist hingegen ein Beispiel eines Bodenteils 130 gezeigt, welches erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Wiederum sind dabei der hochgezogene Rand 156 und der abgeschrägte Bereich 164 nicht dargestellt, und die Krümmungen sind zur Verdeutlichung des Prinzips stark übertrieben gezeichnet. Abgebildet ist somit beispielsweise ein Teil des Dickenvariationsbereichs 166. Wiederum zeigt die Figur 6A den nicht- abgepumpten Fall, in welchem beispielsweise in dem Hohlraum 126 Normaldruck herrscht, wohingegen Figur 6B den Fall des abgepumpten Zustandes darstellt. In diesem abgepumpten Zustand wirkt auf das Bodenteil 130 eine hin zum Hohlraum 126 gerichtete Kraft F2.
Wie aus Figur 6B erkennbar ist, bewirkt auch in diesem Fall, in welchem das Bodenteil 130 erfindungsgemäß ausgestaltet ist, die Kraft F2 eine Verformung des Bodenteils 130. Diese Verformung fällt jedoch zum einen geringfügiger aus als in dem oben in Figur 5B dargestellten, dem Stand der Technik entsprechenden Fall, was auf den "Brückenbogeneffekt" zurückzuführen ist, der oben beschrieben wurde. Zum anderen bewirkt die konkave Krümmung der nach innen weisenden Oberfläche 168 des Bodenteils 130, dass sich auch im verformten Zustand das Bodenteil 130 nicht nach oben hin, d.h. hin zum Innengefäß 112, aufwölben kann oder dass eine derartige Aufwölbung im Vergleich zum Stand der Technik stark vermindert wird. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Brückenbildung in diesem besonders kritischen Bereich des Kryostaten 110 stark vermindert.
In den Figuren 7 A und 7B sind weitere mögliche Ausfuhrungsbeispiele des Bodenteils 130 dargestellt (wobei jeweils wiederum nur der Dickenvariationsbereich 166 des Bodenteils 130 gezeigt ist), welche zeigen, dass auch andere Ausführungsformen der Krümmung der Oberflächen im Dickenvariationsbereich 166 als die in Figur 6 A gezeigte Krümmung möglich sind.
So ist in Figur 6 A lediglich die nach innen weisende Oberfläche 168 gekrümmt, wohingegen die nach außen weisende Oberfläche 170 vorzugsweise im nicht- abgepumpten Zustand eben ausgestaltet ist. Wie oben bereits dargelegt, sind jedoch auch andere Ausgestaltungen der äußeren Oberfläche 170 möglich, beispielsweise anatomische Ausformungen oder ebenfalls gekrümmte Formen, beispielsweise ähnlich zur inneren Oberfläche 168.
Weiterhin ist in Figur 6A der Krümmungsverlauf der inneren Oberfläche 168 stetig und beispielsweise parabelförmig ausgestaltet, mit einer konkaven, parabelförmigen Krümmung. Dass dies nicht notwendigerweise so sein muss, ist beispielsweise in Figur 7 stark schematisiert dargestellt. Hierbei ist gezeigt, dass die gekrümmte Oberfläche 168 auch beispielsweise eine nicht-kontinuierliche Dickenvariation mit Stufen 172 aufweisen kann. Da vorzugsweise das Bodenteil 130 rund oder polyedrisch ausgestaltet ist, kann es sich bei diesen Stufen beispielsweise um Ringstufen 172 handeln. Der Effekt dieser gestuften Ausfuhrungsform ist prinzipiell derselbe wie in den Figuren 6A und 6B dargestellt.
In Figur 7B ist ein weiteres Beispiel einer nicht-kontinuierlichen Dickenvariation gezeigt. Bei diesem Beispiel weist die nach innen weisende Oberfläche 168 einen im Wesentlichen eben ausgestalteten Zentralbereich 174 und einen sich daran anschließenden ringförmigen Krümmungsbereich 176 auf.
Zahlreiche weitere Ausführungsformen, die nicht vom Grundgedanken der Erfindung abweichen, sind möglich und dem Fachmann angesichts der obigen Beschreibung leicht zu erschließen. So können beispielsweise auch lokal Dickenvariationen auftreten, welche von dem Verlauf mit grundsätzlich nach innen hin abnehmender Dicke des Bodenteils 130 abweichen. So können beispielsweise lokale Unebenheiten, welche vernachlässigbar sind, für eine Ausbildung von Wärmebrücken bei der Betrachtung des Dickenprofils außer Betracht bleiben. Auch zahlreiche andere Ausführungsformen sind denkbar, beispielsweise Ausfüh- rungsformen, in welchen in eine oder beide der Oberflächen 168, 170 zusätzliche Vertiefungen, Bohrungen, Nuten oder ähnliches eingebracht sind, wobei der Gesamtverlauf der Krümmung dieser Oberflächen jedoch nicht vom obigen Gedanken der Erfindung abweicht.
Anhand der Figuren 8 und 9 werden im Nachfolgenden zwei mögliche Verfahren zur Herstellung eines Bodenteils 130, beispielsweise eines Bodenteils mit den Merkmalen der oben beschriebenen Bodenteile 130, beschrieben.
In beiden Fällen wird ein Herstellungsverfahren eingesetzt, bei welchem das Bodenteil 130 mittels einer Form 178 erzeugt wird. Diese Form 178 weist einen oberen Stempel 180 und einen unteren Stempel 182 auf, welche gemeinsam ein Formnest 184 bilden. Dieses Formnest 184 ist in den Figuren 8 und 9 stark vereinfacht dargestellt, so dass beispielsweise wiederum der abgeschrägte Bereich 164 und/oder ein hochgezogener Rand 156 des Boden- teils 130 außer Betracht bleiben. Unter einem "Stempel" ist nicht notwendigerweise ein beweglicher Bestandteil der Form 178 zu verstehen, sondern es kann sich beispielsweise auch um starre Bestandteile dieser Form 178 handeln, wobei die Stempel 180, 182 zum Formnest 184 hinweisende Oberflächen 186, 188 aufweisen. Die beiden Stempel 180, 182 sind entlang einer Trennlinie 190, welche in den Figuren 8 und 9 ebenfalls nur schematisch dargestellt ist, trennbar. Unter einer "Trennlinie" ist dabei nicht notwendigerweise eine Linie, sondern beispielsweise auch eine Trennfläche oder ähnliches zu verstehen. Auch können die Stempel 180, 182 weitere, beispielsweise bewegliche oder austauschbare Formteile enthalten, um dem Bodenteil 130 weitere Konturen aufzuprägen.
In beiden Verfahren, also sowohl in dem in Figur 8 dargestellten Verfahren, als auch in dem in Figur 9 dargestellten Verfahren, wird ein Faserwerkstoff 192 in das Formnest 184 eingebracht. Dieser Faserwerkstoff 192 kann beispielsweise in Form von Fasermatten ausgestaltet sein, beispielsweise in Form von Glasfaser-, Kohlefaser- oder Mineralfasermatten oder Mischungen verschiedener Faserwerkstoffe. Der Faserwerkstoff 192 ist in den Figuren 8 und 9 lediglich schematisch angedeutet und wird vorzugsweise derart in die Formnester 184 eingebracht, so dass diese im Wesentlichen ausgefüllt sind. Anschließend wird ein nicht ausgehärtetes Matrixmaterial 194 (in den Figuren 8 und 9 durch eine Punktierung angedeutet) in die Formnester 184 eingebracht, was in den Figuren 8 und 9 ebenfalls nur ansatzweise dargestellt ist. Vorzugsweise wird dieses Matrixmaterial 194 derart in die Formnester 184 eingegossen, dass der Faserwerkstoff 192 vollständig mit dem nicht ausgehärteten Matrixmaterial 194 getränkt ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Matrixmaterial 194 um ein Epoxidharz handeln. Auch andere Arten von Matrixmaterialien 194 sind jedoch denkbar, beispielsweise andere Arten duroplastischer Kunststoffe, Thermo- plaste oder andere aushärtbare Matrixmaterialien 194.
Anschließend wird in beiden Figuren das Matrixmaterial 194 ausgehärtet, was beispielsweise durch einfaches Abwarte, thermische Initialisierung, Beigabe eines Starters, photochemische Aktivierung oder andere Arten der Aktivierung erfolgen kann. Auf diese Weise bildet sich in den Formnestern 184 jeweils ein zumindest teilweise ausgehärtetes Bodenteil 130 aus.
Die beiden in den Figuren 8 und 9 dargestellten Verfahren unterscheiden sich im Wesentlichen darin, wie bei diesen Verfahren die konzentrisch variierende Bodendicke des Boden- teils 130 erzeugt wird. Bei dem in Figur 8 dargestellten Verfahren ist bereits das Formnest 184 durch entsprechende Ausgestaltung der Stempel 180, 182 derart ausgestaltet, dass das dem Formnest 184 entnommene Bodenteil 130 bereits näherungsweise beispielsweise die Gestalt des in Figur 6A dargestellten Bodenteils 130 aufweist. Dies bedeutet, dass bereits nach dem Vergießen und Aushärten die nach innen weisende Innenseite 168 des Bodenteils 130 (siehe Figur 6A) eine Krümmung aufweist, wohingegen die nach außen weisende Außenseite 170 beispielsweise einen im Wesentlichen ebenen Verlauf zeigt.
Bei dem in Figur 9 dargestellten, bevorzugten Verfahren wird hingegen die konzentrisch variierende Bodendicke nachträglich durch ein Schneideverfahren erzeugt. Hierbei weisen die beiden Oberflächen 186, 188 der Stempel 180, 182 eine im Wesentlichen konstante Krümmung auf, so dass das nach dem Aushärten dem Formnest 184 entnommene Bodenteil 130 zunächst eine im Wesentlichen konstante Bodendicke aufweist, jedoch insgesamt gekrümmt ist. Auch unterschiedliche Krümmungen der Oberflächen 186, 188 sind prinzipiell möglich. Die konzentrisch variierende Bodendicke wird anschließend durch ein Schneiden dieses Bodenteils entlang einer Schnittlinie 196 (wobei es sich sinngemäß wiederum auch um eine Schnittfläche handeln kann) erzeugt. Dies kann beispielsweise durch ein einfaches Sägen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann anstelle eines Schneidever- fahrens auch ein Schleifverfahren eingesetzt werden, bei welchem das Bodenteil 130 in Figur 9 von unten her mittels eines vorzugsweise ebenen Schleifwerkzeuges bis hin zur Schnittlinie 196 angeschliffen wird. Auch auf diese Weise lässt sich beispielsweise das in Figur 6 A dargestellte Bodenteil 130 mit der konzentrisch variierenden Bodendicke erzeugen.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren 8 und 9 dargestellten Verfahrensvarianten lediglich Beispiele einer Vielzahl möglicher Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Bodenteils sind. Diese Beispiele, insbesondere das in Figur 9 dargestellte Schneide- oder Schleif verfahren, zeichnen sich jedoch durch eine hohe Prozesssicherheit, eine hohe Reproduzierbarkeit der erzeugten Bodenteile 130 sowie durch vergleichsweise geringe Herstellungskosten für die Formen 178 aus.
Bezuεszeichenliste
110 Kryostat 178 Form
112 Innengefäß 180 oberer Stempel
114 Außengefäß 182 unterer Stempel
116 Flansch 184 Formnest
118 Flansch 186 Oberfläche oberer Stempel
120 Deckel 188 Oberfläche unterer Stempel
122 Hals des Innengefäßes 190 Trennlinie
124 Hauptgefäß 192 Faserwerkstoff
126 Hohlraum 194 Matrixmaterial
128 Seitenwand Außengefäß 196 Schnittlinie
130 Bodenteil Außengefäß
132 Kreisring
134 Innenseitenwand
136 Innenbodenteil
138 Kritischer Bereich
140 Verbindungsbereich
142 Verstärkungselement
144 Hochgezogener Rand des Innengefäßes
146 Stufe Innengefäß
148 Stufenfläche
150 Kragen
152 Vertiefungen
154 Gewindebohrungen
156 Hochgezogener Rand des Bodenteils
158 Stufe Außengefäß
160 Stufenfläche
162 Kragen
164 abgeschrägter Bereich
166 Dickenvariationsbereich
168 Innenseite
170 Außenseite
172 Ringstufen
174 ebener Zentralbereich
176 ringförmiger Krümmungsbereich

Claims

Patentansprüche
1. Kryostat (110) für den Einsatz in einem biomagnetischen Messsystem, umfassend mindestens ein Innengefäß (112) und mindestens ein Außengefäß (114) sowie mindestens einen zwischen dem Innengefäß (112) und dem Außengefäß (114) angeordneten Hohlraum (126), wobei der Hohlraum (126) mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist, wobei das Außengefäß (114) ein Bodenteil (130) aufweist, da- durch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (130) einen Dickenvariationsbereich (166) mit einer konzentrisch variierenden Bodendicke aufweist, wobei die Bodendicke zur Mitte des Bodenteils (130) hin einen geringeren Wert annimmt als in einem Außenbereich.
2. Kryostat (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Bodendicke über die laterale Erstreckung des Bodenteils (130) hinweg zwischen 0,1% und 5% beträgt, vorzugsweise zwischen 0,5% und 2% und besonders bevorzugt von 0,75% bis 1%.
3. Kryostat (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Varia- tion der Bodendicke stetig oder stufenweise erfolgt.
4. Kryostat (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Variation der Bodendicke zumindest näherungs weise ein parabelförmiges Profil aufweist.
5. Kryostat (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dickenvariationsbereich (166) sich über 50% bis 100% der lateralen Erstreckung des Bodenteils (130) erstreckt.
6. Kryostat (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwi- sehen dem Bodenteil (130) des Außengefäßes (114) und einem Innenbodenteil (136) des Innengefäßes (112) zwischen 3 mm und 30 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 10 mm und 25 mm und besonders bevorzugt 20 mm.
7. Kryostat (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bodenteil (130) einen Durchmesser von mindestens 200 mm aufweist und vorzugsweise einen
Durchmesser von 400 mm.
8. Kryostat (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bodenteil (130) eine nach außen weisende Außenseite (170) und eine nach innen weisende Innenseite (168) aufweist, wobei die Außenseite (170) bei Normaldruck in dem Hohlraum (126) einen im Wesentlichen ebenen Verlauf aufweist, wobei die Innenseite (168) bei Normaldruck in dem Hohlraum (126) eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
9. Kryostat (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bodenteil (130) einen Faserwerkstoff (192), insbesondere einen Glasfaserwerkstoff und/oder einen Kohlefaserwerkstoff und/oder einen Mineralfaserwerkstoff aufweist.
10. Kryostat (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Außengefäß (114) weiterhin eine in einem umlaufenden Verbindungsbereich mit dem Bodenteil (130) verbundene Seitenwand (128) aufweist.
11. Kryostat (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bodenteil (130) einen hochgezogenen Rand (156) aufweist, wobei der hochgezogene Rand (156) eine Stufenfläche (160) aufweist, wobei die Seitenwand (128) auf der Stufenfläche. (160) aufsitzt.
12. Biomagnetisches Messsystem, umfassend mindestens einen Kryostaten (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens einen biomagnetischen Sensor zur Detektion eines magnetischen Feldes.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kryostaten (110) für den Einsatz in einem biomag- netischen Messsystem, insbesondere eines Kryostaten (110) nach einem der vorhergehenden, auf einen Kryostaten (110) gerichteten Ansprüche, wobei der Kryostat (110) mindestens ein Innengefäß (112) und mindestens ein Außengefäß (114) sowie mindestens einen zwischen dem Innengefäß (112) und dem Außengefäß (114) angeordneten Hohlraum (126) umfasst, wobei der Hohlraum (126) mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist, wobei das Außengefäß (114) ein Bodenteil (130) aufweist, wobei das Bodenteil (130) einen Dickenvariationsbereich (166) mit einer konzentrisch variierenden Bodendicke aufweist, wobei die Bodendicke zur Mitte des Bodenteils (130) hin einen geringeren Wert annimmt als in einem Außenbereich, wobei das Verfahren folgende Schritte zur Herstellung des Bodenteils (130) umfasst:
mindestens ein aushärtbarer Werkstoff (194) wird in eine Form (178) eingebracht, wobei die Form (178) mindestens ein Formnest (184) und mindestens ein erstes Stempelteil (180) aufweist, wobei das erste Stempelteil (180) eine in das Formnest (184) hinein gekrümmte Oberfläche (186) aufweist;
der aushärtbare Werkstoff (192, 194) wird ausgehärtet.
14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei beim Einbringen des aushärt- baren Werkstoffes (192, 194) mindestens ein Faserwerkstoff (192) in das Formnest (184) eingebracht wird, wobei weiterhin mindestens ein aushärtbares Matrixmaterial (194) in das Formnest (184) eingebracht wird.
15. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Form (178) weiterhin mindestens ein zweites Stempelteil (188) aufweist, wobei das zweite Stempelteil (188) eine gegenüber dem ersten Stempelteil (186) im Wesentlichen entgegengesetzte Krümmung aufweist, wobei nach dem Aushärten des aushärtbaren Werkstoffes das Bodenteil (130) dem Formnest (184) entnommen wird und wobei in einem anschließenden Schneideverfahren und/oder Schleifverfahren eine im Wesentlichen ebene Unterseite (170) des Bodenteils (130) erzeugt wird.
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