Development of a cryogenic refrigerator for a compact superconducting cyclotron in a hospital environment release_t4jnizkcergonodwy2mypik7aa

Abstract

Tieftemperaturkühlung ist unverzichtbar für den Betrieb von medizischen Anlagen, die durch die Verwendung von supraleitenden Komponenten ein leistungsfähigeres und kompakteres System erreichen sollen. Obwohl kryogene Refrigeratoren im Handel erhältlich sind, ist manchmal die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen aufgrund spezieller Systemanforderungen unvermeidlich. Dies ist der Fall für AMIT's Teilchenbeschleuniger; ein hochkompaktes supraleitendes Zyklotron für die Einzeldosisherstellung von radiopharmazeutischen Substanzen in einer Krankenhausumgebung. Zur Erzeugung des Magnetfeldes verwendet das Zyklotron ein Paar supraleitender Magnete, die eine isotherme Kühlung bei 4,5 K im Wattbereich und eine wärmere nicht isotherme Kühlung zur thermischen Abschirmung erfordern. Die größten Herausforderungen bei der Kühlung ergeben sich aus der begrenzten Platzverfügbarkeit, der schädlichen radioaktiven Umgebung, den strengen Sicherheitsaspekten, und der Anforderung eines kontinuierlichen und unterbrechungsfreien Betriebs. In dieser Dissertation wird ein neues Kühlsystem vorgestellt, welches einen handelsüblichen Kryokühler als Kältequelle verwendet, und mittels einer erzwungenen Durchströmung mit kaltem Helium aus der Distanz kühlen kann. Die Studie untersucht fünf Prozessvarianten eines Kaskadenkühlschemas unterschiedlicher Kühlleistung und Komplexität. Die technisch einfachste und thermodynamisch effizienteste Variante wird zum Entwurf und zur Herstellung des Kryo-Versorgungssystems verwendet; ein kleiner kryokühlerbasierter Refrigerator mit 1,66 W isothermer Kühlleistung bei 4,5 K, und 24,32 W nicht-isothermer Kühlleistung von 40 K bis 70 K. Die verbleibenden Varianten sind komplexer und leistungsfähiger, und dienen somit als Grundlage für zukünftige Designiterationen, die, theoretisch, eine isotherme Kühlleistung von bis zu 11 W erreichen könnten. Das neue Kühlsystem wird in einem angrenzenden Raum neben dem Zyklotron aufgestellt, wodurch eine äußerst kompakte Bauweise des Zyklotrons ermöglicht wird. Die Fähigkeit, [...]
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