Vollständige Heliumgas-Rückgewinnung für NMR

In der NMR-Spektroskopie werden supraleitende Magnete eingesetzt um sehr hohe magnetische Felder und somit hohe Resonanzfrequenzen im Bereich von 300 – 900 MHz zu erzeugen. Zur Kühlung der supraleitenden Magnete wird flüssiges Helium benötigt. Hierbei zeichnen sich die NMR-Spektrometer durch eine sehr eigene Abdampfcharakteristik aus.

Im Normalbetrieb ist der Helium­gas­ausstoß aufgrund von abdampfendem Helium minimal, während beim Nach­füllen des Dewars mit flüssigem Helium schlagartig große Mengen Helium verdampfen und damit verarbeitet werden müssen.

Ein industrieller Heliumverflüssiger hat Verflüssigungsraten von mindestens 50 Litern pro Stunde. Eine so hohe Verflüssigungsrate ist für die Abdampfcharakteristik von NMR-Sys­­temen nicht geeignet. Somit wird der industrielle Heliumverflüssiger immer nur kurzzeitig betrieben, wodurch sich die Anschaffungskosten eines großen Verflüssigers nicht amortisieren lassen.

Wir bieten mit dem ATL160 einen Heliumverflüssiger an, der eine ideale Lösung für den Labormaßstab darstellt und in Kombination mit der Rück­gewinnung über eine sogenannte Hochdruckanlage eine Ressourcen scho­nende Lösung für NMR-Labors bietet. Gleichzeitig sind die An­schaf­fungs­kosten deutlich geringer vergli­chen mit denen eines Indus­trie­ver­flüssigers.

In der nebenstehenden Abbildung ist der schematische Aufbau der Hoch­druck­rückgewinnung zu sehen. Das Helium­gas wird von dem NMR (X) über Edelstahl- oder Kupferleitungen zu einem Druckregler (F) geleitet. Der Druck­regler isoliert das NMR von möglichen Druckschwankungen, die im Rückgewinnungssystem auftreten können und sorgt damit für eine konstante Temperatur des Heliumbades. Von dort strömt das Heliumgas in einen Gasballon (E). Dieser dient als Puf­fervolumen und ist bei richtiger Di­men­sionierung in der Lage den großen Ab­dampf beim Heliumtransfer aufzufangen. Ist der Gasballon voll, beginnt der angeschlossene Kompressor (G) automatisch den Gasballon leer zu pumpen und komprimiert das Heliumgas auf bis zu 200 bar im Gaszylinder (grün). Das gewährleistet eine hohe Speicherkapazität der Anlage. 

Eine Gasflasche kann ungefähr ein Äquivalent von 15 Litern flüssigem Helium speichern. Das so gespeicherte Heliumgas fließt nun über einen Gasreiniger (ATP30 (C)), der das Heliumgas von Sauerstoff- und Stick­stoffverunreinigungen befreit, zu ei­nem oder mehreren Helium­ver­flüs­si­gern vom Typ ATL160. 

Ein ATL160 verflüssigt abhängig vom Eingangsdruck mit einer Rate von bis zu 22 Litern pro Tag, was in etwa dem mittleren Heliumverbrauch eines typischen NMR-Labors mit mehreren Systemen entspricht.

Je nach Größe des NMR-Labors müs­sen Parameter wie Volumen und An­zahl der Gasballons, die Anzahl der Gasflaschen, sowie der Helium­ver­flüs­siger angepasst werden. Bei genügend Platz ist eine (fast) belie­bige Skalierung der Gesamtanlage mög­lich.

Momentan ist ein erstes Projekt an der Universität von Georgia in der In­stallationsphase.