DE102004015856B4

DE102004015856B4 - Mantelwellensperreneinheit

Info

Publication number: DE102004015856B4
Application number: DE102004015856.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Hergt; Dr. Reykowski Arne
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2024-04-01
Also published as: US7233148B2; US20050270116A1; DE102004015856A1

Abstract

Mantelwellensperreneinheit für einen Außenschirm (1) eines Koaxialkabels, das auch einen Innenleiter (1') aufweist, – wobei die Mantelwellensperreneinheit eine erste und eine zweite Mantelwellensperre (4, 5) aufweist, – wobei die erste Mantelwellensperre (4) Mantelwellen dämpft oder unterdrückt, die in einem ersten Leiterabschnitt (6) des Außenschirms (1) induziert werden, – wobei die zweite Mantelwellensperre (5) Mantelwellen dämpft oder unterdrückt, die in einem zweiten Leiterabschnitt (7) des Außenschirms (1) induziert werden, – wobei die Leiterabschnitte (6, 7) hintereinander angeordnet sind, – wobei jede Mantelwellensperre (4, 5) einen bei einer hohen Frequenz (f) resonanten Schwingkreis bildet, – wobei die hohe Frequenz (f) für beide Mantelwellensperren (4, 5) dieselbe ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelwellensperreneinheit eine Schirmeinrichtung (10) mit zumindest einem Radialschirm (11) aufweist, mittels derer die Mantelwellensperren (4, 5) voneinander entkoppelt sind, und dass die Mantelwellensperren (4, 5) und die Schirmeinrichtung (10) auf einem gemeinsamen Träger (15) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mantelwellensperreneinheit für einen Außenschirm eines Koaxialkabels, das auch einen Innenleiter aufweist,

- wobei die Mantelwellensperreneinheit eine erste und eine zweite Mantelwellensperre aufweist,
– wobei die erste Mantelwellensperre Mantelwellen dämpft oder unterdrückt, die in einem ersten Leiterabschnitt des Außenschirms induziert werden,
– wobei die zweite Mantelwellensperre Mantelwellen dämpft oder unterdrückt, die in einem zweiten Leiterabschnitt des Außenschirms induziert werden,
– wobei die Leiterabschnitte hintereinander angeordnet sind,
– wobei jede Mantelwellensperre einen bei einer hohen Frequenz resonanten Schwingkreis bildet,
– wobei die hohe Frequenz für beide Mantelwellensperren dieselbe ist.

Mantelwellensperren werden insbesondere bei den Zu- und Ableitungen von Lokalspulen von Magnetresonanzanlagen eingesetzt. Sie dienen dazu, Mantelwellen zu dämpfen bzw. zu unterdrücken, die auf Grund der starken Hochfrequenzfelder bei der Anregung von Magnetresonanzen ohne die Mantelwellensperren in den Außenschirmen dieser Leitungen induziert würden. Pro Zu- bzw. Ableitung sind dabei in der Regel mehrere Mantelwellensperren vorhanden, wodurch die gattungsgemäße Mantelwellensperreneinheit gebildet wird. Beispielhaft für diesen Stand der Technik wird auf die DE 41 13 120 C2 verwiesen.
Aus der US 5 432 488 A ist ein elektrisches Signalfilter bekannt, welches zwei Filterkreise aufweist, die durch eine Schirmeinrichtung voneinander entkoppelt sind. Die Schirmeinrichtung weist einen Radialschirm, einen am Radialschirm angeordneten Tangentialschirm sowie Ringschirme auf. Der Tangentialschirm und die Ringschirme kapseln die Filterkreise im Wesentlichen vollständig. Der Radialschirm entkoppelt die Filterkreise voneinander. Die Filterkreise sind über einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss allem Anschein nach mit dem Innenleiter eines Koaxialkabels verbindbar.
Aus der DE 44 18 202 C1 ist eine Mantelwellensperre für einen Außenleiter eines Koaxialkabels bekannt, das auch einen Innenleiter aufweist. Die Mantelwellensperre dämpft oder unterdrückt Mantelwellen, die in einem Leiterabschnitt des Außenschirms induziert werden. Die Mantelwellensperre bildet einen bei einer vorbestimmten Frequenz resonanten Schwingkreis. Sie ist auf einem Träger angeordnet.
Im Stand der Technik beträgt das Grundmagnetfeld der Magnetresonanzanlage in der Regel 0,2 bis 1,5 Tesla. Hiermit korrespondierend beträgt die Magnetresonanzfrequenz bei der Detektion von Wasserstoff (das ist der häufigste Anwendungsfall) ca. 8,5 bis 63,5 MHz. Bei diesen Magnetresonanzfrequenzen können die einzelnen Mantelwellensperren daher so weit voneinander beabstandet sein, dass sie sich gegenseitig kaum beeinflussen.
In jüngerer Zeit sind auch Magnetresonanzanlagen bekannt geworden, bei denen das Grundmagnetfeld größer als 1,5 Tesla ist. Insbesondere kann das Grundmagnetfeld eine Stärke von 2,5 Tesla und mehr betragen. Die Magnetresonanzfrequenz steigt hierdurch auf über 100 MHz an. Bei dieser Frequenz findet eine erheblich stärkere Anregung von Mantelwellen in den Außenschirmen der Zu- und Ableitungen statt. Es müssen daher mehr Mantelwellensperren eingesetzt werden, wodurch sich der Abstand zwischen den einzelnen Mantelwellensperren verringert und in der Folge davon sich eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung ergibt. Auf Grund der stärkeren Anregung von Mantelwellen müssen die Mantelwellen ferner auch stärker gedämpft werden, so dass die Spannungsbelastung, die Strombelastung und auch die thermische Belastung der Mantelwellen steigen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mantelwellensperreneinheit der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass die Probleme des Standes der Technik vermieden werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Mantelwellensperreneinheit eine Schirmeinrichtung mit zumindest einem Radialschirm aufweist, mittels derer die Mantelwellensperren voneinander entkoppelt sind, und dass die Mantelwellensperren und die Schirmeinrichtung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.
Denn dadurch können viele Mantelwellensperren auf engem Raum angeordnet werden, so dass eine wirksame Unterdrückung bzw. Dämpfung der Mantelwellen möglich ist. Dabei ergibt sich nur eine sehr geringe bis gar keine gegenseitige Beeinflussung der Mantelwellensperren. Auch die Spannungsbelastung, die Strombelastung und die thermische Belastung der einzelnen Mantelwellensperren sind relativ gering.
Wenn die Schirmeinrichtung auch einen Tangentialschirm aufweist, der am Radialschirm angeordnet ist und den ersten und den zweiten Leiterabschnitt des Außenschirms sowie die Mantelwellensperren umgibt, ist die gegenseitige Entkopplung der Mantelwellensperren noch stärker.
Die gegenseitige Entkopplung der Mantelwellensperren kann dadurch noch weiter gesteigert werden, dass die Schirmeinrichtung Ringschirme aufweist, die an den vom Radialschirm entfernten Enden des Tangentialschirms angeordnet sind und sich vom Tangentialschirm aus gesehen auf den Außenschirm zu erstrecken.
Wenn die Mantelwellensperren je einen Kondensator aufweisen und die Kondensatoren an voneinander abgewandten Enden der Mantelwellensperren angeordnet sind, ist die kapazitive Kopplung der Mantelwellensperren bereits für sich gesehen recht niedrig. Die Kopplung kann in diesem Fall noch weiter reduziert werden, wenn der Tangentialschirm sich bis über die Kondensatoren erstreckt.
Die Mantelwellensperren können beispielsweise als den Außenschirm umgebende Sperrtöpfe mit Topfböden und Topfwänden ausgebildet sein, wobei die von den Topfböden entfernten Enden der Topfwände über die Kondensatoren mit dem Außenschirm kapazitiv gekoppelt sind.
Bei dieser Ausgestaltung wird der Radialschirm vorzugsweise von mindestens einem der Topfböden gebildet. Der Tangentialschirm ist vorzugsweise mit den Topfwänden identisch.
Wenn die Topfböden der Mantelwellensperren als gemeinsamer Topfboden ausgebildet sind, ergibt sich dabei eine noch weitergehende Vereinfachung der Mantelwellensperreneinheit.
Alternativ zur Ausgestaltung der Mantelwellensperren als Sperrtöpfe mit Topfböden und Topfwänden ist es auch möglich, dass der Außenschirm im Bereich der Mantelwellensperren zu Wicklungen mit mehreren Windungen gewickelt ist.
Wenn die Mantelwellensperren gleich ausgebildet sind, ergibt sich eine Standardisierung des Aufbaus und darüber hinaus eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Mantelwellensperren im Betrieb.
Wie bereits eingangs erwähnt, tritt die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problematik insbesondere bei Magnetresonanzanlagen mit einem hohen Grundmagnetfeld von 2,5 Tesla und mehr auf. Die hohe Frequenz, bei der die Mantelwellensperren einen resonanten Schwingkreis bilden, ist daher vorzugsweise großer als 100 MHz.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
1 das Grundprinzip einer erfindungsgemäßen Mantelwellensperreneinheit,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mantelwellensperreneinheit,
3 einen Schnitt durch 2 entlang der Linie III-III und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mantelwellensperreneinheit.
Gemäß 1 weist ein Koaxialkabel einen Außenschirm 1 mit einer Leiterachse 2 auf. Ferner weist das Koaxialkabel auch einen Innenleiter 1' auf, der mit der Leiterachse 2 zusammen fällt.
Durch ein im Umfeld des Außenschirms 1 herrschendes hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld WF mit einer Frequenz f von typischerweise über 100 MHz können im Außenschirm 1 Mantelwellen induziert werden. Zur Unterdrückung bzw. Dämpfung derartiger Mantelwellen weist eine Mantelwellensperreneinheit 3 eine erste Mantelwellensperre 4 und ein zweite Mantelwellensperre 5 auf. Die erste Mantelwellensperre 4 unterdrückt bzw. dämpft Mantelwellen, die in einem ersten Leiterabschnitt 6 des Außenschirms 1 induziert werden. Ebenso dämpft bzw. unterdrückt die zweite Mantelwellensperre 5 Mantelwellen, die in einem zweiten Leiterabschnitt 7 des Außenschirms 1 induziert werden. Die Leiterabschnitte 6, 7 sind dabei hintereinander angeordnet.
Um die Mantelwellen dämpfen bzw. unterdrücken zu können, bilden beide Mantelwellensperren 4, 5 jeweils einen Schwingkreis, der bei einer hohen Frequenz resonant ist. Die vorbestimmte Frequenz ist dabei für beide Mantelwellensperren dieselbe und gleich bzw. zumindest in etwa gleich der Frequenz f des hochfrequenten Wechselfeldes WF.
Die Mantelwellensperren 4, 5 sind gleich ausgebildet. Zur Bildung der Schwingkreise weisen sie je einen Kondensator 8, 9 mit einer Kapazität sowie eine Induktivität auf. Die Induktivität wird dabei gemäß 1 dadurch gebildet, dass das Koaxialkabel – und mit ihm der Außenschirm 1 – im Bereich der Mantelwellensperren 4, 5 zu Wicklungen mit jeweils mehreren Windungen gewickelt ist.
Zur Entkopplung der Mantelwellensperren 4, 5 weist die Mantelwellensperreneinheit 3 zusätzlich zu den Mantelwellensperren 4, 5 eine Schirmeinrichtung 10 auf. Die Schirmeinrichtung 10 besteht vorzugsweise aus Metall, z. B. aus Kupfer oder Aluminium. Sie weist gemäß 1 zumindest einen Radialschirm 11 auf. Mittels der Schirmeinrichtung 10 sind die Mantelwellensperren 4, 5 voneinander entkoppelt.
Prinzipiell wäre die Mantelwellensperreneinheit 3 auch ohne Schirmeinrichtung 10 betreibbar. Dann wären die Mantelwellensperren 4, 5 aber nicht voneinander entkoppelt. Insbesondere würde daher bei einem Ausfall einer der Mantelwellensperren 4, 5 die gesamte Mantelwellensperreneinheit 3 ausfallen. Mit der Schirmeinrichtung 10 bleibt die Funktion der nicht ausgefallenen Mantelwellensperre 4, 5 hingegen erhalten.
Die 2 und 3 zeigen nun eine erste vorteilhafte Ausgestaltung des Grundprinzips gemäß 1. Die nachstehend in Verbindung mit den 2 und 3 beschriebenen Ausgestaltungen sind dabei größtenteils unabhängig voneinander realisierbar.
So weist die Schirmeinrichtung 10 gemäß 2 zusätzlich zum Radialschirm 11 auch einen Tangentialschirm 12 auf. Der Tangentialschirm 12 ist am Radialschirm 11 angeordnet. Er umgibt die Leiterabschnitte 6, 7 des Außenschirms 1 sowie die Mantelwellensperren 4, 5. Der Tangentialschirm 12 erstreckt sich dabei bis über die Kondensatoren 8, 9. Dies gilt, obwohl die Kondensatoren 8, 9 gemäß 2 an voneinander abgewandten Enden der Mantelwellensperren 4, 5 angeordnet sind und die elektromagnetische Kopplung daher bereits durch die Anordnung der Kondensatoren 8, 9 minimiert ist.
Bereits mit der obenstehenden Ergänzung des Radialschirms 11 durch den Tangentialschirm 12 wird eine erhebliche Verbesserung der Entkopplung der Mantelwellensperren 4, 5 erreicht. Diese Entkopplung kann aber noch weiter gesteigert werden. Hierzu weist die Schirmeinrichtung 10 Ringschirme 13, 14 auf. Die Ringschirme 13, 14 sind an den vom Radialschirm 11 entfernten Enden des Tangentialschirms 12 angeordnet. Sie erstrecken sich vom Tangentialschirm 12 aus gesehen auf den Außenschirm 1 zu.
Weiterhin sind bei der Ausgestaltung gemäß den 2 und 3 die Mantelwellensperren 4, 5 und die Schirmeinrichtung 10 auf einem gemeinsamen Träger 15 angeordnet. Der Träger 15 besteht dabei selbstverständlich aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff. Auf Grund des gemeinsamen Trägers 15 ist insbesondere eine Vormontage der Mantelwellensperreneinheit 3 möglich.
4 zeigt nun eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Grundprinzips der 1. Bei dieser Ausgestaltung sind die Mantelwellensperren 4, 5 im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß den 1 bis 3 als Sperrtöpfe 16, 17 ausgebildet, die den Außenschirm 1 umgeben. Sie weisen Topfböden 18, 19 und Topfwände 20, 21 auf. Die von den Topfböden 18, 19 entfernten Enden der Topfwände 20, 21 sind dabei über die Kondensatoren 8, 9 mit dem Außenschirm 1 kapazitiv gekoppelt.
Die Topfböden 18, 19 der Mantelwellensperren 4, 5 sind gemäß 4 als gemeinsamer Topfboden ausgebildet, der zugleich auch mit dem Radialschirm 11 der Schirmeinrichtung 10 identisch ist. Der Radialschirm 11 wird also von den Topfböden 18, 19 gebildet. Auch ist der Tangentialschirm 12 der Schirmeinrichtung 10 mit den Topfwänden 20, 21 identisch. Er erstreckt sich weiterhin bis über die Kondensatoren 8, 9.
Die Mantelwellensperren 4, 5 sind auch bei der Ausführungsform gemäß 4 weiterhin gleich ausgebildet und bilden bei der hohen Frequenz f des Wechselfeldes WF von über 100 MHz resonante Schwingkreise. Auch sind die Mantelwellensperren 4, 5 und die Schirmeinrichtung 10 weiterhin auf einem gemeinsamen Träger 15 angeordnet. Lediglich die Ringschirme 13, 14 sind bei der Ausgestaltung gemäß 4 nicht vorhanden. Auch sie konnten aber vorhanden sein.
Mittels der erfindungsgemäßen Mantelwellensperreneinheit 3 ist eine Vielzahl von Vorteilen erreichbar.
So können z. B. durch Aneinanderreihung mehrerer Mantelwellensperreneinheiten 3 der obenstehend beschriebenen Art auf engem Raum viele Mantelwellensperren 4, 5 aneinander angereiht werden. Dadurch können sich dann nahezu auf dem gesamten Außenschirm 1 kaum noch Mantelwellen aufbauen.
Die von den Mantelwellen induzierten Spannungen und Ströme sind – bezogen auf die einzelnen Mantelwellensperren 4, 5 – relativ gering. Darüber hinaus verteilt sich die induzierte Spannung auf mehrere Kondensatoren 8, 9, so dass die lokal auftretenden elektrischen Felder geringer sind. Hiermit verbunden ist dann auch eine relativ geringe thermische Belastung der Mantelwellensperren 4, 5.
Weiterhin wird durch das Zusammenfassen von je zwei (oder mehr) Mantelwellensperren 4, 5 zu einer Mantelwellensperreneinheit 3 die Betriebssicherheit der Mantelwellensperreneinheit 3 erhöht. Denn auch bei einem Ausfall einer der Mantelwellensperren 4, 5 bleibt zumindest eine Teildämpfung bzw. Teilunterdrückung der Mantelwellen erhalten.

Claims

Mantelwellensperreneinheit für einen Außenschirm (1) eines Koaxialkabels, das auch einen Innenleiter (1') aufweist, – wobei die Mantelwellensperreneinheit eine erste und eine zweite Mantelwellensperre (4, 5) aufweist, – wobei die erste Mantelwellensperre (4) Mantelwellen dämpft oder unterdrückt, die in einem ersten Leiterabschnitt (6) des Außenschirms (1) induziert werden, – wobei die zweite Mantelwellensperre (5) Mantelwellen dämpft oder unterdrückt, die in einem zweiten Leiterabschnitt (7) des Außenschirms (1) induziert werden, – wobei die Leiterabschnitte (6, 7) hintereinander angeordnet sind, – wobei jede Mantelwellensperre (4, 5) einen bei einer hohen Frequenz (f) resonanten Schwingkreis bildet, – wobei die hohe Frequenz (f) für beide Mantelwellensperren (4, 5) dieselbe ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelwellensperreneinheit eine Schirmeinrichtung (10) mit zumindest einem Radialschirm (11) aufweist, mittels derer die Mantelwellensperren (4, 5) voneinander entkoppelt sind, und dass die Mantelwellensperren (4, 5) und die Schirmeinrichtung (10) auf einem gemeinsamen Träger (15) angeordnet sind.
Mantelwellensperreneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmeinrichtung (10) auch einen Tangentialschirm (12) aufweist, der am Radialschirm (11) angeordnet ist und den ersten und den zweiten Leiterabschnitt (6, 7) des Außenschirms (1) sowie die Mantelwellensperren (4, 5) umgibt.
Mantelwellensperreneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmeinrichtung (10) Ringschirme (13, 14) aufweist, die an den vom Radialschirm (11) entfernten Enden des Tangentialschirms (12) angeordnet sind und sich vom Tangentialschirm (12) aus gesehen auf den Außenschirm (1) zu erstrecken.
Mantelwellensperreneinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelwellensperren (4, 5) je einen Kondensator (8, 9) aufweisen, dass die Kondensatoren (8, 9) an voneinander abgewandten Enden der Mantelwellensperren (4, 5) angeordnet sind und dass der Tangentialschirm (12) sich bis über die Kondensatoren (8, 9) erstreckt.
Mantelwellensperreneinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelwellensperren (4, 5) je einen Kondensator (8, 9) aufweisen und dass die Kondensatoren (8, 9) an voneinander abgewandten Enden der Mantelwellensperren (4, 5) angeordnet sind.
Mantelwellensperreneinheit nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenschirm (1) im Bereich der Mantelwellensperren (4, 5) zu Wicklungen mit mehreren Windungen gewickelt ist.
Mantelwellensperreneinheit nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelwellensperren (4, 5) gleich ausgebildet sind.
Mantelwellensperreneinheit nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Frequenz (f) größer als 100 MHz ist.