Kryostat

Magnetresonanztomographie und ForschungsmagnettypenBearbeiten

Kryostate, die in MRT-Geräten verwendet werden, sind dafür ausgelegt, ein Kryogen, in der Regel Helium, in einem flüssigen Zustand mit minimaler Verdampfung (Boil-off) zu halten. Das flüssige Heliumbad dient dazu, die Spule des supraleitenden Magneten in ihrem supraleitenden Zustand zu halten. In diesem Zustand hat der Draht keinen elektrischen Widerstand und es werden sehr große Ströme bei geringer Leistungsaufnahme aufrechterhalten. Um die Supraleitfähigkeit aufrechtzuerhalten, muss der Spulenkörper unter seiner Übergangstemperatur gehalten werden, indem er in flüssiges Helium getaucht wird. Wird der Draht aus irgendeinem Grund widerstandsfähig, d. h. verliert er seine Supraleitfähigkeit, was als „Quench“ bezeichnet wird, verdampft das flüssige Helium, wodurch sich der Druck im Behälter sofort erhöht. Im Kamin oder Entlüftungsrohr befindet sich eine Berstscheibe, die in der Regel aus Kohlenstoff besteht, so dass das gasförmige Helium bei einem Druckabfall sicher aus dem MRT-Raum abgelassen werden kann. Moderne MRT-Kryostate verwenden eine mechanische Kältemaschine (Kryokühler), um das Heliumgas wieder zu kondensieren und in das Bad zurückzuführen, um die kryogenen Bedingungen aufrechtzuerhalten und Helium zu sparen.

Typischerweise werden Kryostate mit zwei Gefäßen hergestellt, eines in dem anderen. Das äußere Gefäß ist evakuiert, wobei das Vakuum als thermischer Isolator wirkt. Das innere Gefäß enthält das Kryogen und wird innerhalb des äußeren Gefäßes durch Strukturen aus niedrig leitenden Materialien gehalten. Ein Zwischenschild zwischen dem äußeren und dem inneren Gefäß fängt die vom äußeren Gefäß abgestrahlte Wärme ab. Diese Wärme wird durch einen Kryokühler abgeführt. Bei älteren Heliumkryostaten diente ein Behälter mit flüssigem Stickstoff als Strahlungsschutz und das flüssige Helium befand sich in einem dritten, inneren Behälter. Heutzutage werden nur noch wenige Geräte mit mehreren Kryogenen hergestellt, wobei der Trend zu „kryogenfreien“ Kryostaten geht, bei denen die gesamte Wärmelast durch Kryokühler abgeführt wird.

Biologisches Mikrotom TypBearbeiten

Kryostat-Mikrotom

Kryostate werden in der Medizin zum Schneiden histologischer Objektträger verwendet. Sie werden in der Regel in einem Verfahren verwendet, das als Gefrierschnitt-Histologie bezeichnet wird (siehe Gefrierschnittverfahren). Der Kryostat ist im Wesentlichen ein ultrafeiner „Feinschneider“, ein so genanntes Mikrotom, der in einem Gefrierschrank steht. Der Kryostat ist in der Regel ein stationärer, aufrecht stehender Gefrierschrank mit einem externen Rad zum Drehen des Mikrotoms. Die Temperatur kann je nach dem zu schneidenden Gewebe variiert werden, in der Regel von minus 20 bis minus 30 Grad Celsius. Der Gefrierschrank wird entweder mit Strom oder mit einem Kühlmittel wie flüssigem Stickstoff betrieben. Es sind kleine tragbare Kryostate erhältlich, die mit Generatoren oder Fahrzeugwechselrichtern betrieben werden können. Um eine unnötige Erwärmung zu vermeiden, können alle notwendigen mechanischen Bewegungen des Mikrotoms von Hand über ein außerhalb der Kammer montiertes Rad ausgeführt werden. Neuere Mikrotome verfügen über einen elektrischen Druckknopf zum Vorschieben des Gewebes. Die Schnittpräzision erfolgt in Mikrometern. Das Gewebe kann bis zu 1 Mikrometer dünn geschnitten werden. Übliche Objektträger für die Histologie werden mit einer Dicke von etwa 7 Mikrometern montiert. Proben, die bei Raumtemperatur weich sind, werden auf ein Schneidemedium (oft aus Eiweiß) auf einem Metallfutter“ montiert und auf Schneidetemperatur eingefroren (z. B. bei -20 °C). Nach dem Einfrieren wird das Präparat auf dem Spannfutter auf das Mikrotom montiert. Die Kurbel wird gedreht, und die Probe bewegt sich auf die Schneideklinge zu. Sobald die Probe in zufriedenstellender Qualität geschnitten ist, wird sie auf einen warmen (Raumtemperatur) Objektträger aus Klarglas aufgezogen, wo sie sofort schmilzt und haftet. Der Objektträger und die Probe werden mit einem Trockner oder an der Luft getrocknet und gefärbt. Der gesamte Prozess vom Einbetten bis zum Ablesen des Objektträgers dauert 10 bis 20 Minuten und ermöglicht eine schnelle Diagnose im Operationssaal bei der chirurgischen Entfernung von Krebs. Der Kryostat kann auch außerhalb der Medizin zum Schneiden von Histologie und Gewebeschnitten (z. B. zur Enzymlokalisierung) verwendet werden, aber die Qualität der Schnitte ist im Vergleich zur Standardhistologie mit fixierten Schnitten in Wachs schlecht. Neuere Technologien wie das Compresstome, eine Art vibrierendes Mikrotom, verwenden eine Agarose-Gewebeeinbettung anstelle einer Verbindung mit optimaler Schnitttemperatur, um das traditionelle Einfrieren im Kryostat überflüssig zu machen, und können für qualitativ bessere Schnitte verwendet werden.

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