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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf die Kernspintomographie (Synonym: Magnetresonanztomographie;
MRT) wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung
findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere
auf die Herstellung einer Gradientenspule eines Kernspintomographiegerätes mit
einem Hochfrequenzschirm auf deren Außenfläche.
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Die MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der
Kernspinresonanz und wird als bildgebendes Verfahren seit über 15 Jahren
in der Medizin und in der Biophysik erfolgreich eingesetzt. Bei dieser
Untersuchungsmethode wird das Objekt einem starken, konstantem Magnetfeld
ausgesetzt. Dadurch richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt,
welche vorher regellos orientiert waren, aus. Hochfrequenzwellen
können
nun diese „geordneten" Kernspins zu einer
bestimmten Schwingung anregen. Diese Schwingung erzeugt in der MRT
das eigentliche Messsignal, welches mittels geeigneter Empfangsspulen
aufgenommen wird. Durch den Einsatz inhomogener Magnetfelder, erzeugt
durch Gradientenspulen, kann dabei das Messobjekt in alle drei Raumrichtungen
räumlich
kodiert werden. Das Verfahren erlaubt eine freie Wahl der abzubildenden Schicht,
wodurch Schnittbilder des menschlichen Körpers in allen Richtungen aufgenommen
werden können.
Die MRT als Schnittbildverfahren in der medizinischen Diagnostik,
zeichnet sich in erster Linie als „nicht-invasive" Untersuchungsmethode
durch ein vielseitiges Kontrastvermögen aus. Die MRT verwendet
heute Anwendungen mit hoher Gradientenleistung, die bei Messzeiten
in der Größenordnung von
Sekunden und Minuten eine exzellente Bildqualität ermöglichen.
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Die ständige technische Weiterentwicklung der
Komponenten von MRT-Geräten,
und die Einführung
schneller Bildgebungssequenzen eröffnete der MRT immer mehr Einsatzgebiete
in der Medizin. Echtzeitbildgebung zur Unterstützung der minimalinvasiven
Chirurgie, funktionelle Bildgebung in der Neurologie und Perfussionsmessung
in der Kardiologie sind nur einige wenige Beispiele.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch ein MRT-Gerät nach dem Stand der Technik. Der
Schnitt zeigt weitere Komponenten eines Innenraums 21 den
ein Grundfeldmagnet 1 umschließt. Der Grundfeldmagnet 1 enthält supraleitende
Magnetspulen die sich in flüssigem
Helium befinden und ist von einer Magnethülle 12 in Form eines
zweischaligen Kessels umgeben. In dem von der Magnethülle 12 (auch
Magnetgefäß genannt)
umschlossenen Innenraum ist über
Tragelemente 7 die Gradientenspule 2 konzentrisch
eingehängt.
Im Innern der Gradientenspule 2 ist ein Tragrohr mit der
darauf aufgebrachten Hochfrequenz-Antenne ebenfalls konzentrisch eingebracht.
Tragrohr und HF-Antenne werden im Folgenden als HF-Resonator oder
als "Körperspule" (engl.: Body-Coil,
BC) 13 bezeichnet. Gradientenspule 2 und Körperspule 13 stellen
somit zwei ineinandergeschobene Zylinder dar, die entweder eine Passung
aufweisen oder einen maximalen radialen Abstand – in Form eines Luftspalts – von etwa
3cm zueinander haben. Die HF-Antenne hat die Aufgabe, die von einem
Leistungssender abgegebenen HF-Pulse in ein magnetisches Wechselfeld
zur Anregung der Atomkerne des Patienten 18 umzusetzen und
anschließend
das Kernresonanzsignal zu empfangen, d.h das von dem präzedierenden
Kernmoment ausgehende Wechselfeld in eine dem Empfangszweig zugeführte Spannung
zu wandeln. Der obere Teil der Körperspule 13 ist über eine
aus designtechnischen Gründen
trichterförmige
Verkleidung 29 mit der Magnethülle 12 mechanisch
verbunden. Im unteren Teil des Innenraumes 21 sind sogenannte Zungen 30 montiert.
Der Patient 18 wird auf einer Patientenliege 19 über Gleitschienen 17 in
die Öffnung bzw. den
Innenraum des Systems eingefahren. Die Patientenliege ist auf einem
vertikal verstellbaren Tragrahmen 16 gelagert.
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Die bei der Magnetresonanz verwendeten HF-Anregungs-Pulse
des HF-Resonators 13 sowie die eigentlichen Meßsignale
liegen im Radiowellenbereich. Daher muß das MRT-Gerät aus zwei
Gründen
abgeschirmt werden:
- 1) Von außen kommende
elektromagnetische Wellen (z.B. Rundfunk, elektrische Maschinen) würden die
Messung empfindlich stören
und Bildartefakte hervorrufen.
- 2) Die Hochfrequenz-Signale der Anlage dürfen nicht nach außen dringen,
da sie sonst andere Empfänger
(Handy, Funk) stören
könnten.
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Die Abschirmung der Hochfrequenzstrahlung
erfolgt derzeit hauptsächlich
in Sendespulenumgebung zwischen Gradientenspule und HF-Resonator
durch eine HF-absorbierende bzw. HF-reflektierende Folie die so angeordnet
ist, daß ein
Eindringen bzw. Austreten hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung
in bzw. aus dem HF-Resonator vermieden wird. Typischerweise befindet
sich in unmittelbarer Umgebung des HF-Resonators 13 die Gradientenspule 2 die
gemäß 1 rohrförmig und einteilig ausgestaltet
ist. Die Gradientenspule 2 besteht in diesem Fall – wie der
HF-Resonator auch – aus
einem laminierten Tragrohr das drei Teilwicklungen (Teilspulen) aufweist,
die ein dem jeweils eingeprägten
Strom proportionales, räumlich
jeweils zueinander senkrechtes Gradientenfeld erzeugen. Üblicherweise
sind die Teilwicklungen in das Tragrohr einlaminiert. Die Abschirmung
der Hochfrequenzstrahlung erfolgt durch Kapselung der Innenseite
der Gradientenspule indem diese auf der Zylinderrohrinnenfläche mit
einem HF-Schirm 15 versehen
wird. Nichtsdestotrotz ist die HF-Abschirmung auf der Innenseite der Gradientenspule
allein nicht ausreichend; es sollte die Gradientenspule auf ihrer
gesamten Oberfläche
gekapselt werden.
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In einer anderen Ausgestaltung des MRT-Gerätes – bei dem
neuartigen IFG-Konzept (Integrierter-Feld-Erzeuger, engl.: Integrated
Field-Generator, IFG) – besteht
die rohrförmige
Gradientenspule aus zwei Teilhälften,
also zwei kürzeren
Rohren, die jeweils Gradientenspulenteile beinhalten und durch Verschaltung
die Funktionalität
einer einzigen Gradientenspule erzeugt. Bedingt durch die Rohrteilung
und die damit verknüpfte
Ausführung
der HF-Sendespule reicht die HF-Abschirmung
auf der Rohrinnenseite allein nicht aus; es müssen beim IGF-(Teilrohr-)Konzept
beide Teilrohre jeweils vollständig
in einem HF-Schirm gekapselt werden.
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In beiden Konzepten besteht die Anforderung
einen auf allen Seiten HF-dichten Gradientenspulenaufbau zu erzeugen.
Dies erreicht man durch Aufbringen eines folienartigen HF-Schirmes
auf die entsprechende Oberfläche.
Ein derartiger HF-Schirm besteht aus einem Trägermaterial (z.B. glasfaserverstärktes Epoxydharz)
auf das ein- oder beidseitig eine 5μm bis 30μm dicke Kupferschicht aufgetragen ist.
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Ein solcher Schirm bzw. eine solche
Folie sollte einerseits mit der entsprechenden Oberfläche der
Gradientenspule blasenfrei verbunden sein, da eine (Luft-)blase
im Gradientenspulenaufbau (Epoxy-Verguß bzw. Laminat) eine Diskontinuität der Dielektrizitätseigenschaft
zur Folge hätte,
wodurch lokale (elektrische) Feldmaxima entstehen würden, die zu
Teilentladungen führen
können.
Der HF-Resonator ist für
solche Teilentladungen empfänglich,
was sich im späteren
MRT-Bild als störende
Artefakte (sogenannte Spikes) bemerkbar macht.
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Ferner sollte der HF-Schirm möglichst
glatt bzw. passgenau an der entsprechenden Oberfläche anliegen
um möglichst
enge Toleranzen zwischen den konzentrisch angeordneten MRT-Komponenten (Grundfeldmagnet,
Gradientenspule, HF-Resonator) zu ermöglichen. Der Grund liegt darin,
daß der Grundfeldmagnet
(Supraleiter in flüssigem
Helium) extrem teuer ist. Je grösser
die Bohrung (also der Innenraum) ist umso mehr Supraleiter und flüssiges Helium
muß verwendet
werden. Darum ist man bemüht
das MRT-Gerät
sehr platzsparend aufzubauen. Dementsprechend sind enge Toleranzen
(insbesondere der oben genannten Bauteile) gefordert.
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Die Aufbringung eines (inneren) HF-Schirms auf
eine Gradientenspule erfolgt nach dem Stand der Technik bei deren
Fertigung. Zur Herstellung einer Gradientenspule werden in einem
ersten möglichen Verfahren
als Träger
zylindrische Gfk-Rohre aus Epoxid-Harz verwendet, auf welche die
Funktionselemente der Gradientenspule (x-, y-, z-Spule in Form von
flächigen
Kupferleitern, Kühlschläuche und
innerer und äußerer HF-Schirm) aufgebracht
und eventuell in einem weiteren Schritt mit dem Tragrohr in einem
Vakuumgußverfahren
vergossen werden. In einem zweiten möglichen Verfahren wird ein
Dorn unter Rotation mit harzgetränkten
Glasfasersträngen (Rovings)
umwickelt und (eventuell unter Wärmeeinbringung)
ausgehärtet.
Die Funktionselemente werden während
der Umwicklung aufgebracht, so daß diese einlaminiert werden.
Um eine glatte zylindrische Oberfläche zu erhalten wird die laminierte
Gradientenspule eventuell im Vakuumverfahren vergossen.
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Die Positionierung und Fixierung
des inneren HF-Schirmes gestaltet sich bei beiden Verfahren relativ
einfach: Der HF-Schirm
wird auf die Innenseite des zylindrischen GFK-Rohres oder auf die
Außenseite
des Vergußdorns
geklebt und (eventuell) anschließend vergossen. Bei beiden
Verfahren steht eine genaue und stabile Form (Gfk-Rohr oder Dorn) zur
Verfügung
auf die der innere HF-Schirm aufgebracht werden kann.
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Die formgerechte zylindrisch glatte
Positionierung und Fixierung eines äußeren HF-Schirmes beim Gradientenspulenbau
jedoch gestaltet sich sehr schwierig, da bei beiden Verfahren der
folienförmige HF-Schirm
auf die unregelmäßige Gradientenspulenoberfläche gespannt
werden muß.
Die Gradientenspulen oberfläche
weist Flachdrähte
und Kühlschlauche
auf, so daß eine – wie oben
bereits erwähnt – erforderliche
blasenfreie geschweige denn passgenaue Verbindung zwischen HF-Schirm
und Gradientenspule praktisch nicht möglich ist. Aus diesem Grund
wird derzeit eine HF-Abschirmung auf der Außenseite der Gradientenspule
unterlassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, das eine passgenaue
blasenfreie Verbindung des HF-Schirmes mit der Gradientenspule und
damit eine HF-Abschirmung auf der Gradientenspulen-Außenseite
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Beansprucht wird ein Verfahren zur
Herstellung einer hohlzylinderförmigen
Gradientenspule für ein
Kernspintomographiegerät
mit einer Hochfrequenz-Abschirmung auf ihrer Außenseite aufweisend die folgenden
Schritte:
- – Fertigen
eines hohlzylindrischen Gradientenspulenbasiskörpers,
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Preparieren eines Vergußmantels
als Außenteil
einer hohlzylindrischen Vergußform
durch
- – Einlegen
eines HF-Schirmes in den Vergußmantel
derart, daß die
gesamte Innenfläche
bedeckt ist
- – Fixieren
von Fixierstreifenhalterungen auf der Innenfläche des Vergußmantels
- – Fixieren
des HF-Schirmes durch Einklemmen von Fixierstreifen jeweils zwischen
zwei Fixierstreifenhalterungen, danach
- – Integrieren
des Gradientenspulenbasiskörpers in
eine hohlzylinderförmige
Vergußform
deren Außenteil
den preparierten Vergußmantel
darstellt, und
- – Vergießen des
Gradientenspulenbasiskörpers mit
den am Inneren der Vergußform
fixierten Teilen unter Vakuum.
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Um die Gradientenspule auch im Inneren
mit einem Hochfrequenzschirm zu versehen kann vor dem Verguß auch an
dem Innenteil der Vergußform flächendeckend
ein HF-Schirm fixiert werden.
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Der HF-Schirm stellt dabei eine ein-
oder beidseitig Metallbeschichtete Folie dar.
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Vorteilhafterweise ist die Metallbeschichtung aus
Kupfer.
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Es ist vorteilhaft und ausreichend,
wenn der Vergußmantel
zumindest zweiteilig ist und aus gleichgroßen Vergußmantelteilen besteht.
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Erfindungsgemäß werden die Fixierstreifenhalterungen
auf jeweils gleicher Höhe
an den beiden Rändern
jedes Vergußmantelteiles
fixiert.
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Vorteilhaft wird vor dem Fixieren
des HF-Schirmes der HF-Schirm
mittels Stiften im Vergußmantel
und Bohrungen im HF-Schirm
positioniert.
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Um eine entsprechende Anpreßkraft zu
gewährleisten
ist der Fixierstreifen erfindungsgemäß aus biegsamem Material gefertigt.
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Vorteilhaft weil kostengünstig und
einfach zu fertigen stellt das Material glasfaserverstärktes Epoxydharz
dar.
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In einer ersten einfachen Ausführungsform der
Erfindung werden die Fixierstreifenhalterungen so am äußeren Vergußmantel
fixiert, daß nach
Fixieren des Fixierstreifens zwischen den beiden korrespondierenden
Fixierstreifenhalterungen ein gleichförmiger Biegeradius des Fixierstreifens
erhalten wird.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung werden die Fixierstreifenhalterungen so am äußeren Vergußmantel
fixiert, daß nach
Fixieren des Fixierstreifens zwischen den beiden korrespondierenden
Fixierstreifenhalterungen im Bereich der jeweiligen Fixierstreifenenden
ein kleinerer Biegeradius als im mittleren Bereich des Fixierstreifens erhalten
wird.
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Diese Variante ist aus zwei Gründen vorteilhaft:
Zum einen greift der Fixierstreifen weit in die Gradientenspulenoberfläche ein,
so daß er
nach Verguß und
Entformen nicht ausbricht, sondern durch die Vergußmasse in
der Gradientenspule fest verankert wird. Zum andern wird durch die
erhöhte
Andrückkraft
am HF-Schirmende ein Eindringen von Vergußmasse zwischen HF-Schirm und
Vergußmantel
verhindert.
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Dabei kann der Gradientenspulenbasiskörper mehrere
Komponenten und zwar zwei transversale und eine longitudinale Gradiententeilspulen
mit ihren jeweiligen Abschirmspulen sowie aktive und/oder passive
Shimeinrichtungen und ein Kühlsystem
aufweisen.
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Die Fertigung eines solchen Gradientenspulenbasiskörpers erfolgt
entweder durch Aufbringen und Einlaminieren der Komponenten auf
ein Tragrohr oder durch Aufbringen und Einlaminieren der Komponenten
auf den Innenteil der Vergußform.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
weiterhin eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Gradientenspule.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften
der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch ein MRT-Gerät
mit einer HF-Schirmung auf der Innenseite der Gradientenspule nach
dem Stand der Technik,
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2 zeigt
einen schematischen Schnitt durch ein MRT-Gerät
mit einer erfindungsgemäßen komplett
HF-geschirmten Gradientenspule
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3 zeigt
perspektivisch die erfinderische HF-Folienfixierung auf dem Vergußmantel,
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4 zeigt
die Draufsicht auf die erfinderische HF-Folienfixierung,
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5 zeigt
im Querschnitt auf Höhe
eines Fixierstreifens die Anordnung des Gradientenspulenbasiskörpers zwischen
Dorn und Vergußmantel,
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6 zeigt
gemäß der Einzelheit
X die Positionierung des Fixierstreifens an der Fixierstreifenhalterung,
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7 zeigt
eine mögliche
Variante der Einzelheit X zur besseren Integration des Fixierstreifens in
die Gradientenspule.
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1 zeigt
schematisch ein MRT-Gerät
mit einer HF-Schirmung
auf der Innenseite der Gradientenspule nach dem Stand der Technik
und wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben.
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2 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes MRT-Gerät mit einer
kompletten HF-Schirmung 14, 15, 20 insbesondere
auf der Außenseite der
Gradientenspule 2. Die erfindungsgemäße Herstellungstechnologie,
die im Folgenden beschrieben wird, erlaubt eine optimale Positionierung
und Fixierung des äußeren HF-Schirms 14 während des
Gradientenspulenbaus bis zu deren Fertigstellung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen
darin, den folienförmigen
HF-Schirm 14 während
der Fertigung der Gradientenspule 2 inbesondere während des
Vakuumvergusses so zu fixieren, daß der HF-Schirm 14 letztendlich
eine passgenaue exakt zylinderförmige
Außenhaut
der Gradientenspule bildet. Dies wird erfindungsgemäß durch Ausnützen der
Vergußform
speziell des Vergußmantels
realisiert. Die Vergußform
ist hohlzylindrisch und besteht im wesentlichen aus einem Innenteil 23 (Dorn)
der außen
von einem Vergußmantel 4 umklammert
wird. Typischerweise besteht der Vergußmantel 4 aus zwei
Mantelsegmenten (Zylinderschalenhälften bzw. Vergußmäntel). Eine
derartige Zylinderschalenhälfte
ist in 3 perspektivisch
bzw. in 4 in der Draufsicht
und in 5 im Querschnitt dargestellt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
ein Gradientenspulenbasiskörper 22 zwischen Dorn 23 und
Vergußmantel 4 positioniert.
Der Vergußmantel 4 ist üblicherweise
ein teilbares Formteil welches wie der Dorn 23 auch wiederverwendbar
ist. Er wird um den Gradientenspulenbasiskörper 22 geschlossen.
Der Gradientenspulenbasiskörper
weist mehrere Komponenten auf und zwar üblicherweise zwei transversale
und eine longitudinale Gradiententeilspule mit ihren jeweiligen
Abschirmspulen sowie aktive und/oder passive Shimeinrichtungen und ein
Kühlsystem.
Die Fertigung des Gradientenspulenbasiskörpers erfolgt vor dem Verguß entweder durch
Aufbringen und Einlaminieren der Komponenten auf ein Tragrohr oder
durch Aufbringen und Einlaminieren der Komponenten auf dem Dorn
vor der Ummantelung. Nach der Ummantelung halten Gummidichtungen
und Verbindungsschrauben die Mantelsegmente 4 zusammen.
Das Schließen
der Mantelsegmente 4 erfolgt über jeweils zwei Vergußmantelflansche 5 die
mittels Flanschverbindungen 6 (Bohrungen im Vergußmantelflansch 5)
und den Verbindungsschrauben miteinander fest verschraubt werden
können.
Ein stirnseitiger Bodenflansch (nicht dargestellt) bildet mit dem
Dorn 23 ein weiteres Formteil. Nach dem Schließen der
Form wird diese unter Vakuum mit Epoxydharz befüllt.
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Die HF-Schirmfolie 14 wird
nun gemäß 3 in den jeweiligen Vergußmantel 4 eingelegt und über Stifte
im Vergußmantel 4 sowie
Bohrungen in der HF-Schirmfolie 14 positioniert. Um ein
Ablösen von
der positionsbestimmenden Zylindermanteloberfläche 4 zu verhindern
wird die HF-Schirmfolie 14 mit sogenannten Fixierstreifen 3 an
den Vergußmantel 4 angedrückt. Die
Fixierstreifen 3 bestehen aus streifenförmig geschnittenem Plattenmaterial
(bevorzugt aus glasfaserverstärktem
Epoxydharz). Die Andruckkraft basiert auf der Biegespannung der
Fixierstreifen 3. Durch die natürliche Biegespannung bzw. Verspannung
der Fixierstreifen 3, d.h. deren Tendenz sich in ihren
ebenen Ausgangszustand zurück
zu bewegen, wird ein linienförmiges
Andrücken
der HF-Schirmfolie erreicht. Die Fixierstreifen 3 lassen sich
gut mit Gießharz
tränken
und so durch Einlaminieren hervorragend in den Verguß integrieren.
Dabei ist ein axialer Fixierstreifenabstand von ca 100mm ausreichend
um auch ein wellenartiges Verformen durch mechanische Spannungen
in der HF-Schirmfolie 14 zu verhindern.
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In den 3 und 4 sind beispielsweise fünf Fixierstreifen
dargestellt. Die Anzahl der verwendeten Fixierstreifen ist letztlich
von der Länge
der Gradientenspule sowie von der Anzahl der Zylinderschalen abhängig. Besteht – gemäß 5 – der Vergussmantel 4 aus
nur zwei Zylinderschalenhälften,
so ist axial gesehen pro Zylinderschalenhälfte nur ein Fixierstreifen
erforderlich, der an den Rändern
der Zylinderschalenhälfte
(auf Höhe
des Vergußmantelflansches 5)
jeweils in einer Fixierstreifenhalterung 8 eingeklemmt
ist. Die Fixierstreifenhalterung 8 ist quaderförmig und
weist eine Bohrung 9 auf (dargestellt ist ein M5-Gewinde)
mittels der sie – wie
in der Einzelheit X, 6 dargestellt – mit dem
Vergußmantel 4 fest
verschraubt werden kann. Ferner besitzt die Fixierstreifenhalterung 8 eine
Rippe 11 durch die im Verschraubten Zustand relativ zum
Vergußmantel 4 eine
Nut gebildet wird in die der Fixierstreifen 3 eingeklemmt
und gehalten wird. Die HF-Schirmfolie befindet sich dann zwischen
Fixierstreifen 3 und Vergußmantel.
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In 7 ist
eine mögliche
Variante der HF-Schirm- bzw. der Fixierstreifen-Positionierung dargestellt.
Die Fixierstreifenhalterung 8 ist bei dieser Ausgestaltung
nicht – wie
in 6 – im Vergußmantel 4 integriert
sondern über
die Bohrung 9 nur aufgeschraubt. Der Fixierstreifen mit
der HF-Schirmfolie wird
im Vergußmantelseitigen
Bereich mit z.B. Laminat 10 hinterlegt. Wie zu sehen ist
wird dadurch ein kleinerer Einlaufradius REin am
Fixierstreifenende erzeugt, was im Endabschnitt des Fixierstreifens
zu einer lokalen Erhöhung
der Andrückkraft
am HF-Schirm-Ende führt.
Diese Variante ist aus zwei Gründen
vorteilhaft: Zum einen greift der Fixierstreifen weit in die Gradientenspulenoberfläche ein,
so daß er
nach Verguß und
Entformen nicht ausbricht, sondern durch die Vergußmasse in
der Gradientenspule fest verankert wird. Zum andern wird durch die erhöhte Andruckkraft
am HF-Schirmende
ein Eindringen von Vergußmasse
zwischen HF-Schirm und Vergußmantel
verhindert.