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Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Medizingerät und insbesondere eines mit einer verbesserten Schirmbeschichtung.
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Bildgebende Diagnosegeräte, wie beispielsweise Magnetresonanztomographen, im Folgenden kurz als MRTs bezeichnet, arbeiten mit elektromagnetischer Strahlung. Dabei müssen die Geräte so aufgebaut sein, dass sie im hochfrequenten Bereich zum Patienten hin senden und empfangen können, aber gleichzeitig nach außen gegenüber hochfrequenter Strahlung abgeschirmt sind.
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In bildgebenden Medizingeräten, insb. in MRTs, werden bewusst elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder durch Spulen erzeugt, die in Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Objekt wiederum ein Messsignal ergeben, welches durch geeignete Spulen empfangen wird.
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Insbesondere beim MRT werden durch Gradientenspulen Magnetfelder in einem Frequenzband von wenigen Hz bis zu einigen kHz erzeugt, die zur Ortskodierung benutzt werden. In direkte Wechselwirkung mit den Atomen oder Molekülen im Gewebe des Untersuchungsobjektes tritt ein hochfrequentes magnetisches Messsignal, das in der HF-Körperspulen/Sendeantennen (z.B. Ganzkörperresonator, Body Coil) erzeugt wird, welche sich innerhalb der Gradientenspulen befindet.
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Dieses Messsignal liegt bei heute üblichen MR-Systemen im Frequenzbereich oberhalb von ca. 40 MHz (bei Grundfeldstärke von 1T) bis ca. 300MHz (7 T). 1 zeigt den Aufbau eines solchen MR-Systems.
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Zwischen der Gradientenspule und der HF-Körperspule/HF-Sendeantenne liegt eine flächige Abschirmung, die dafür sorgt, dass
- - Kein Signal der HF-Sendeantenne in die Gradientenspule eindringt: Dies würd die Effizienz der Sendeantenne mindern
- - Das Feld der HF-Sendeantenne „berandet“ ist. Dies dient der Feldformung und begrenzt den Feldrückflußraum für die HF-Antenne;
- - Störungen und Überkopplungen aus der Gradientenspule in die HF-Antennen, insbesondere auch in die Empfangsantennen unterdrückt werden, damit keine Störungen (Spikes, Signal-Rausch, Verschlechterungen) in den Bildern auftreten.
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Diese flächige Abschirmung nennt man auch HF-Schirm.
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Aus Sicht der HF-Antenne wäre eine geschlossene Kupferfläche mit einer Dicke von mindestens 3 Skintiefen die ideale Lösung, das beeinträchtigt aber die Funktion der Gradientenspule. Es werden Wirbelströme im Hz-kHz-bereich erzeugt, die zum einen die räumlich-zeitliche Verteilung des Gradientenfeldes stören, aber auch zu einer enormen Erwärmung und zum Teil auch Zerstörung der Kupferfläche führen würde.
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Bislang wird auf die Innenliegende Seite der Gradientenspule der so genannte HF-Schirm aufgebracht. Dieser besteht in der Regel aus mehreren, also mindestens 2, Lagen dünnen Kupfers mit dazwischen liegenden Schichten von Dielektrikum. Zusätzlich müssen die Kupferschichten mit Schlitzungen versehen werden, um die Gradientenwirbelströme zu unterdrücken. Für eine ausreichende HF-Funktion ist es oft nötig, zusätzliche Kondensatoren auf dem HF-Schirm aufzubringen.
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Dabei ist nachteilig, dass für jedes Gradientenspulen-Design oder für alle HF-Sendeantennen-Design ein neuer HF-Schirm entwickelt wird, der auf die mechanischen und elektrischen Gegebenheiten angepasst ist.
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Zudem bestehen die HF-Schirme aus einzelnen Leiterplatten-Segmenten. Diese sind vergleichsweise groß und unhandlich, und sind durch Verlöten aufwändig elektrisch zu verbinden.
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Schließlich entsteht durch den mehrlagigen Kupferaufbau zusammen mit den Schlitzungen ein resonantes Gebilde, wobei der HF-Schirm selbst eine Vielzahl von Resonanzen aufweist, die an die HF-Sendeantenne ankoppeln, wobei das Ankoppeln der Resonanzen grundsätzlich nicht erwünscht ist. Dabei können beispielsweise kleinste Variationen z.B. in der Dicke des HF-Schirms zu einer Verschiebung der Resonanzen führen. Im ungünstigsten Fall wird ein nicht unerheblicher Anteil der Sendeleistung im HF-Schirm verbraucht. Deshalb werden in der Regel auch mehrere Iterationen gebraucht, bis ein funktionierendes Design für einen HF-Schirm gefunden ist. Diese HF-Schirme sind deshalb teuer und aufwändig in der Herstellung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen neuartigen HF-Schirm für diese Anwendung in MRTs zu schaffen, wobei die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart ist, gelöst.
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Dementsprechend ist Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ein Hoch-Frequenz-Schirm für einen Magnetresonanztomograph, eine Hoch-Frequenz-Körperspule, eine Gradientenspule, Shimspulen und zumindest einen supraleitenden Feldmagneten umfassend, wobei zwischen der HF-Körperspule und der innenliegenden Seite einer Gradientenspule, als HF-Schirm, eine Beschichtung aus einem Verbundwerkstoff auf einem Substrat vorliegt, wobei die Beschichtung eine polymere Matrix und einen hochleitfähigen Füllstoff in einer Menge oberhalb der Perkolationsschwelle umfasst, so dass im Polymer ein Netzwerk aus leitfähigen Partikeln vorliegt und damit ein Quadratwiderstand im Verbundwerkstoff resultiert, der zwischen 0,1 und 1 Ohm, insbesondere 0,2 Ohm bis 0,6 Ohm, bei einer Schichtdicke im Bereich von 10µm bis 500µm, insbesondere von 50µm bis 150µm, beträgt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Füllstoff oder die Füllstoffkombination so gewählt, dass ein Netzwerk im Polymer vorliegt, das einen frequenzabhängigen Widerstand zeigt. In anderen Worten wird der Füllstoff oder die Füllstoffkombination so gewählt, dass ein daraus gebildetes Netzwerk mit zunehmender Frequenz leitfähiger wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Partikel so gewählt sind, dass ihre hochohmigen und/oder zumindest höherohmigen Partikelgrenzen als elektrische Kondensatoren fungieren.
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Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass insbesondere die Füllung des polymeren Harzes mit plättchenförmigem Füllstoff zu besonders guter Verarbeitbarkeit des ungehärteten Verbundwerkstoffes, also beispielsweise mittels Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung und/oder Pinselbeschichtung. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass zum einen die Viskosität bei geringerer Partikelmassenkonzentration herabgesetzt ist, sowie aufgrund der planaren Geometrie das Absetzverhalten deutlich reduziert ist.
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Durch die Ausbildung eines leitfähigen Netzwerks innerhalb einer polymeren Matrix mit Füllstoffpartikeln, die wegen ihrer Hochohmigkeit die einzelnen Partikel als elektrische Kondensatoren fungieren lassen, wird abgesehen von allen wirtschaftlichen Vorteilen der vorliegenden Lösung auch technische Vorteile erreicht, da der Widerstand im HF-Schirm mit einer Beschichtung aus einem Verbundwerkstoff einen frequenzabhängigen Widerstand zeigt, der mit zunehmender Frequenz deutlich absinkt und somit eine Schirmwirkung bei hohen Frequenzen erreicht und gleichzeitig Transmission von niederfrequenter Strahlung erlaubt. Zudem ist der HF-Schirm gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich stabiler gegenüber Erwärmung durch Anlegen eines Magnetfeldes.
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Dabei kann der Füllstoff aus hochleitfähigem Metall, wie Kupfer, Silber, Eisen, Aluminium, sowie einer beliebigen Legierung und/oder Mischungen dieser Metalle sein.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Füllstoff so genannte Core-Shell Partikel, das heißt einen Kern aus einem ersten Material und eine Schale oder Beschichtung aus einem zweiten Material. Dabei können wiederum sowohl der Kern als auch die Schale und auch beide als Kombination mehrerer Materialien und/oder mehrerer Lagen vorliegen.
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Beispielsweise können dabei Schale und Kern so aufeinander abgestimmt sein, dass durch die Beschichtung der Schale der Kern vor Schäden, wie beispielsweise Korrosion geschützt ist, so dass auch bei langanhaltender Einsatzzeit der Füllstoff-partikel seine Leitfähigkeit behält.
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Beispielsweise kann ein Partikel mit einem Aluminiumkern direkt oder über eine Zwischenschicht mit Silber beschichtet sein, je nachdem, wie korrosionsanfällig das Material des Kerns ist. Im Fall eines Aluminiumkerns wird bevorzugt eine Passivierungsschicht aus einem Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid unter der Silberbeschichtung vorliegen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff als Füllstoffkombination vor. Insbesondere können kugelförmige Partikel sich dabei mit plättchenförmigen Partikel so ergänzen, dass bereits bei geringeren Füllgraden die Perkolationsschwelle erreicht wird.
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Dabei ist es immer vorteilhaft, wenn weniger hohe Füllgrade zur Erzielung des gewünschten Widerstands ausreichen, nicht nur wegen der Kosten, sondern auch weil geringer gefüllte Lacke sich besser verarbeiten lassen und die bessere Verarbeitung auch zu glatteren Oberflächen, zu homogeneren Lackschichten und damit zu besseren Eigenschaften führen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise der Kern aus Kupfer oder einer gut elektrisch leitfähigen kupferhaltigen Legierung und die Schale aus Silber oder einer silberhaltigen Legierung, wobei Silber durch Korrosion nicht aufgelöst wird, sondern in Silberoxid übergeht, das auch eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt. So kann vermieden werden, dass der Partikelkontaktwiderstand durch Korrosion ansteigt.
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Die Stabilität der elektrischen Leitfähigkeit eines derartigen Lacks gegenüber Temperatur und Luftfeuchte konnte bereits bis mehrere hundert Stunden nachgewiesen werden, wie in 5 gezeigt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Füllstoff in bestimmter Partikelform vor.
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Dabei hat sich herausgestellt, dass plättchenförmige Partikel für diese Anwendung gut geeignet sind. Der Füllstoff kann auch in Form einer Füllstoffkombination vorliegen, so dass beispielsweise der plättchenförmige Füllstoff mit kugelförmigem Füllstoff ergänzt ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat sich gezeigt, dass auch stabförmige Partikel sich gemäß der Erfindung sehr gut in die Beschichtung für den HF-Schirm einarbeiten lassen.
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Andererseits können sowohl stabförmige als auch plättchenförmige Partikel als Füllstoffkombination vorliegen und/oder jeweils oder in Kombination mit weiteren Partikelformen, wie beispielsweise mit kugelförmigen Partikeln kombiniert werden.
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Grundsätzlich sind alle hochleitfähigen Füllstoffe in partikulärer Form gemäß der Erfindung verwendbar. Die hohe Leitfähigkeit bezieht sich zunächst auf die elektrische Leitfähigkeit, so dass neben den metallischen Partikel, wie den Kupferpartikel auch Kohlenstoffpartikel, Ruß, Graphit und/oder CNTs jeweils allein oder in beliebigen Gemischen, gut einsetzbar sind.
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Gemäß der Erfindung reicht eine Leitfähigkeit eines Partikels in eine Richtung aus, weil, wie in 2 gezeigt, die Ausbildung eines Leitfähigkeitspfads in eine Richtung zu erzielen ist.
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Neben dem bereits genannten Silberoxid, das leitfähig ist, können noch weitere Metalloxide, als Partikel, als Beschichtung der Partikel oder als Kern der Partikel im Fall von Core-Shell-Partikel, eingesetzt werden. Beispiele dafür sind ITO (Indium Tin Oxide), ATO (Antimon Tin Oxide), FTO (Fluor Tin Oxide), AZO (Antimonzinnoxid).
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Die Partikel können wie gesagt in verschiedenen Formen und Fraktionen vorliegen, wobei sowohl massive als auch hohle Partikel, also beispielswese nur als shell im oben genannten Sinn, eingesetzt werden.
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Die Partikel also beispielsweise plättchenförmige Partikel oder so genannte „Flakes“ werden in die unvernetzte Lösung des Polymers eingebracht und dann - mit oder ohne weiteres Lösungsmittel- beispielsweise über Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung und/oder Pinselbeschichtung auf das Substrat aufgebracht. Dabei setzen sich die Partikel nicht ab, sondern bleiben vorzugsweise homogen in dem vernetzten Polymer verteilt.
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Dabei reicht eine Schichtdicke des gehärteten Lacks von ca. 10 bis 500µm, insbesondere von 70µm bis 150 µm, und bevorzugt im Bereich von ca. 100µm aus, um einen HF-Schirm auszubilden.
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Der Füllgehalt im Verbundwerkstoff liegt beispielsweise im Bereich von 1 Vol% bis 40 Vol%, insbesondere zwischen 5 Vol% und 25 Vol%, besonders bevorzugt zwischen 10 Vol% und 15 Vol%.
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Das polymere Harz des Verbundwerkstoffes kann aus unterschiedlichen Verbindungen hergestellt sein. Insbesondere kann das polymere Harz Epoxide, Polysiloxane, Polyester, Polyesterimide, Polyurethane als Polymerisate, in Abmischungen und/oder in Form von Blends, also gemischten Polymeren, umfassen. Die Art des polymeren Harzes richtet sich nach der Verarbeitbarkeit und vor allem nach der Löslichkeit des verwendeten Füllstoffes oder der verwendeten Füllstoffkombination im jeweiligen Harz.
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1 zeigt den Aufbau eines MRT. Zu erkennen ist eine Reihe von 4 zylindrischen Körpern, die mit jeweils kleinerem Radius so aufeinander abgestimmt sind, dass sie ineinander schiebbar sind. Der kleinste zylindrische Körper 1 stelle eine Hochfrequenz-Körperspule dar, in die das zu untersuchende Gewebe eingebracht wird. In diesem Zylinder 1 wird ein hochfrequentes magnetisches Messsignal erzeugt, das in direkte Wechselwirkung mit den Atomen oder Molekülen im Gewebe des Untersuchungsobjekts tritt. Diesen kleinsten Zylinder 1 nennt man deshalb auch HF-Körperspule, Ganzkörperresonator und/oder Body Coil. Dieser Zylinder 1 steckt dann in der Gradientenspule 2, diese wiederum in der Shim-Spule 3 und diese schließlich in dem supraleitenden Feldmagnet 4, der eine zylindrische Öffnung zeigt, in die die anderen zylindrischen Körper 1,2 und 3 eingebracht werden.
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Zwischen der Gradientenspule 2 und der HF-Körperspule/HF-Sendeantenne liegt der HF-Schirm, der eine flächige Abschirmung bietet und gemäß der Erfindung bevorzugt durch eine Beschichtung der innenliegenden Seite der Gradientenspule herstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der HF-Schirm auch durch eine Zwischenschicht zwischen der HF-Körperspule und der Gradientenspule, sowie durch eine Beschichtung der Außenwand der HF-Körperspule realisierbar.
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2 zeigt ein Detail einer Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auf einem dielektrischen Substrat 1 wird eine polymere Matrix 2, in die leitfähige Partikel 3 eingearbeitet sind, aufgebracht. Es entsteht durch die Berührung der einzelnen leitfähigen Partikel untereinander ein Leitfähigkeitspfad 4.
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3 zeigt die Abhängigkeit des Flächenwiderstands in Ohm bei verschiedenen Partikel-Konzentrationen im Lack. Zu erkennen ist, dass die Kurve nach unten hin abflacht, das heißt eine höhere Konzentration bringt ab einem bestimmten Punkt keine Verbesserung der Leitfähigkeit. An dem Punkt ist der elektrische Pfad in der polymeren Matrix ausgebildet, man spricht von einem so genannten perkolierenden Netzwerk.
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4 zeigt ein Detail aus 2. Zu erkennen sind drei leitfähige Füllstoff-Partikel mit Beschichtung, wobei die Beschichtungen der Partikel vollflächig die Partikel umschließen und somit das perkolierende Netzwerk durch Berührung der Füllstoff-Partikel-Beschichtungen auf der Oberfläche der Partikel entsteht.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Füllstoff-Partikel Kupferpartikel, die mit Silber beschichtet sind. Dies hat den Vorteil, dass das auf der Oberfläche der leitfähigen Partikel durch Oxidation oder Korrosion entstehende Silberoxid bezüglich der Leitfähigkeit keine Nachteile bringt, da die elektrische Leitfähigkeit von Silberoxid vergleichbar mit der von Metallen ist. Das durch Umwelteinflüsse entstandene Silberoxid schützt demnach den leitfähigen Kupfer-Kern des Füllstoff-Partikels, während es gleichzeitig selbst hochleitfähig ist und damit gegenüber der ursprünglichen Silberbeschichtung nur geringe Verschlechterung zeigt. Im Gegensatz zur Silber-Beschichtung ist jedoch die Silberoxid-Beschichtung langzeitstabil haltbar.
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5 zeigt die Langzeitstabilität von mit Silber beschichteten Kupfer-Partikel im Test bei hoher Temperatur, bis zu 190°C und hoher Feuchtigkeit, bis zu 90% Luftfeuchtigkeit. Die beiden Kurven liegen praktisch aufeinander und zeigen nahezu unveränderte Leitfähigkeit nach 1 Stunde wie nach 1000 Stunden.
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Letztlich ist der gemessene DC-Widerstand der Verbundwerkstoffschicht nur ein Anhaltspunkt für die Schirmwirkung einer derartigen Schicht auf elektromagnetische Strahlung, da hierfür eine Messung des Widerstands in Abhängigkeit von der Frequenz, beispielsweise eine Impedanzmessung besser geeignet ist. Im Buch des VDI 2008, Hans A. Wolfsberger, elektromagnetische Schirmung, Theorie und Praxisbeispiele, findet sich eine Berechnungsmöglichkeit zur Abschätzung der Schirmwirkung. Unter den Voraussetzungen, es handle sich um einen Hohlkörper mit 1 m Innenradius, der eine Beschichtung, die 0,2 Ohm Widerstand per cm2 und ca. 100µm Dicke hat, aufweist, konnte die in 6 widergegebene Kurve berechnet werden. So wurde die Schirmwirkung simuliert und es ergab sich eine erhöhte Schirmwirkung bei höheren Frequenzen, wie in 6 zu erkennen ist.
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Danach wurde die Schirmwirkung an einer hergestellten Probeschicht mit ca. 80 bis 100µm Schichtdicke und 0,2 Ohm DC Quadratwiderstand bei Frequenzen von 10 bis 300MHz tatsächlich gemessen, wobei eine hohe Korrelation mit den berechneten Werten erkennbar ist.
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7 zeigt die gemessenen Abschirm-Werte in Abhängigkeit von der Frequenz und die berechneten Tendenzen, dass bei hohen Frequenzen gute Abschirmung erzielt wird, dass eventuell doppelte und/oder mehrfache Beschichtungen die Abschirmungseigenschaften noch verbessern und schließlich, dass die Berechnungsmethode sinnvoll ist, weil hohe Korrelation zu den berechneten Werten gemessen wurde. In 7 zeigen die oberen beiden Graphen, die praktisch übereinanderliegen zwei Schichten, die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigen und zum Vergleich mit dem Stand der Technik eine Schicht, die ohne polymere Matrix ist und eine reine Kupferlage darstellt mit 18µm Schichtdicke.
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Das entscheidende ist hier, dass festgestellt werden konnte, dass die reine metallische Abschirmung gegenüber der gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Lackbeschichtung mit leitfähigen Partikel in polymerer Matrix, deutliche Vorteile, insbesondere bei der Abschirmung in hochfrequenten Magnetfeldern, zeigt.
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Ein ähnlicher Vorteil konnte bezüglich der Erwärmung des Materials unter Beaufschlagung eines Magnetfeldes erkannt werden. Während ein HF-Schirm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, also eine Beschichtung aus einem Polymer mit Silberbeschichteten Kupferpartikel im HF-Magnetfeld lediglich Temperaturen von 22,9°C erreicht, steigt die Temperatur einer damit verglichenen massiven Kupferlage auf 35,7°C.
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8 zeigt ein Impedanzspektrum zweier Verbundwerkstoffschichten mit oberflächlich oxidierten Kupferpartikeln und nicht-oxidierten Kupferpartikeln.
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Im Vergleich zum Stand der Technik wird ein partikuläres System in Form eines Metall-Polymer-Verbundwerkstoffes genutzt, um eine gezielte Schirmwirkung verschiedener Frequenzen und verschiedener Strahlungen zu erzielen.
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Das gemäß der Erfindung beispielhaft gebildete Netzwerk aus - zumindest teilweise - metallischen Plättchen in einem Polymer besitzt einen frequenzabhängigen Widerstand und wird mit zunehmender Frequenz leitfähiger, da die hoch/höher-ohmigen Partikelgrenzen als elektrische Kondensatoren angesehen werden können und somit analog eines Hochpassfilters fungieren. Eine impedanzspektroskopische Messung dieser Kupferplättchen ohne Silberoberfläche in einer Epoxidschicht zeigt den frequenzabhängigen Widerstand, der zwar als Widerstand bei unterschiedlich oxidierter Oberfläche, als Kontaktwiderstand, sehr unterschiedlich ist, allerdings ab einer Frequenz von 100 kHz sich angleicht, wie in 8 zu erkennen ist. Insgesamt fällt der Widerstand mit zunehmender Frequenz stark ab, wodurch die Frequenzselektivität erreicht wird im Gegensatz zu einem massiven metallischen Werkstoff. Somit ist also die Schirmwirkung bei hohen Frequenzen erreichbar, bei gleichzeitiger Transmission von niederfrequenter Strahlung.
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Die Erfindung offenbart erstmals einen frequenzabhängigen HF-Schirm in Form einer einfachen Beschichtung die als Lack aufgetragen werden kann.
