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

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. ... mehrDie 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, isotherme kryogene Kühlung aus einem entfernten geschlossenen Kleinrefrigerator bereitzustellen, könnte es einer Vielzahl anderer medizinischer Geräte, wie z. B. MRI Scannern, ermöglichen, eine kleinere Größe zu erreichen.

Cryogenic refrigeration is indispensable for the operation of medical devices that employ superconducting components, in order to obtain a more powerful and compact system. Although cryogenic refrigerators are commercially available, the development of tailor-made solutions is sometimes unavoidable due to special system requirements. This is the case for AMIT’s particle accelerator; a highly compact superconducting cyclotron for the single dose production of radiopharmaceutical substances in a hospital environment. The cyclotron has a pair of superconducting magnets that require isothermal refrigeration at 4.5 K in the Watt-range, and a warmer non isothermal refrigeration for thermal shielding. ... mehrMajor refrigeration challenges derive from the limited space availability, the damaging radioactive environment, the stringent safety aspects, and the requirement for continuous and uninterrupted operation.

This dissertation presents a new refrigerator system that employs a commercial cryocooler as the cold source, and that is capable of cooling at a distance by means of helium forced flow. The study examines five process variants of a cascade cooling scheme with different performance and complexity. The technically simplest and thermodynamically most efficient variant is used to design and manufacture the Cryo Supply System; a small-scale cryocooler based refrigerator system with 1.66 W of isothermal cooling power at 4.5 K, and 24.32 W of non isothermal cooling power from 40 K to 70 K. The remaining variants are more complex and powerful, thus serving as the basis for future design iterations that could, theoretically, reach an isothermal cooling power of up to 11 W.

The new refrigerator will be located in a room adjacent to the cyclotron, thus allowing for a highly compact design of the cyclotron itself. The ability to provide isothermal cryogenic refrigeration from a distant small scale closed system could allow a variety of other medical devices, such as MRI scanners, to attain smaller sizes.