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Hochstrom-Koaxialverbindung,
insbesondere zum Anschließen
einer stromtragenden Koaxialleitung an eine Gradientenspule eines
Magnetresonanzgeräts,
sowie Gradientenspule mit ange schlossener Hochstrom-Koaxialleitung
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Die
Erfindung betrifft eine Hochstrom-Koaxialverbindung, insbesondere
zum Anschließen
einer stromtragenden Koaxialleitung an eine Gradientenspule eines
Magnetresonanzgeräts.
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Magnetresonanzgeräte werden
seit langer Zeit in der Medizin und in der Biophysik zur Gewinnung
von Bildern aus dem Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts verwendet. Die Magnetresonanztomographie
basiert auf dem physikalischen Phänomen der Kernspinresonanz.
Das Untersuchungsobjekt wird einem starken, konstanten Magnetfeld
ausgesetzt, worauf sich die in dem Untersuchungsobjekt vorher regellos
orientierten Kernspins der Atome im Magnetfeld ausrichten und über Hochfrequenzwellen
Schwingungen angeregt werden, welche Schwingungen das eigentliche
Messsignal (HF-Antwortsignal) für
die Bildgebung darstellen. Das Messsignal wird mit geeigneten Empfangsspulen
aufgenommen.
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Voraussetzung
für die
Bildgebung ist eine genaue Information über den jeweiligen Entstehungsort
eines Messsignals bezogen auf das Untersuchungsobjekt. Diese Information
wird auch Ortsinformation oder Ortscodierung genannt. Hierzu bedient
man sich magnetischer Gradientenfelder, die entlang der drei Raumrichtungen
mittels einzelner Spulen erzeugt werden, gewonnen. Die einzelnen Spulen
sind einer üblicherweise
zylindrischen Gradientenspule zusammengefasst. Mit dem Begriff „Gradientenspule" wird ein Einzelspulensystem
bezeichnet, das mehrere den drei Raumrichtungen zugeordnete Einzelspulen
umfasst, die in einer geeigneten Vergussmasse aufgenommen und fixiert
sind.
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Zum
Erzeugen der Gradientenfelder wird ein hoher Strom über die
Gradientenspulen geführt,
wobei der Strom mehrere 100A beträgt. Aus
US 5,394,086 ist es bekannt, den Strom über eine
Hochstrom-Koaxialleitung zuzuführen.
Diese besteht aus wenigstens einem Hinleiter, der üblicherweise
in der Leitermitte geführt
wird, sowie wenigstens einem Rückleiter,
der beispielsweise konzentrisch und isoliert um den Hinleiter angeordnet
ist. Der zugeführte Strom
und der rückgeführte Strom
fließen
also parallel zueinander, jedoch in entgegengesetzte Richtungen,
so dass hieraus keine störenden
magnetischen Felder resultieren, die sich nachteilig auf den Betrieb der
Magnetresonanzanlage auswirken könnten.
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Zum
Anschließen
der beiden Leitungen der Hochstrom-Koaxialleitung werden die Einzelleitungen
an der Gradientenspule auf gesplittet und an entsprechenden Kontakten,
die spulenseitig vorgesehen sind, festgeschraubt. Hier wird also
die koaxiale Lagebeziehung der Einzelleitungen aufgehoben. Dies ist
jedoch dahingehend von Nachteil, als es hier zu Interaktionen zwischen
den anliegenden und erzeugten Magnetfeldern kommt. Es werden Kräfte (in
der Regel Lorentz-Kräfte)
auf die aufgesplitteten Einzelleitungen ausgeübt, aufgrund der Wechselfelder kommt
es zu Vibrationen in dem Kontaktbereich, was insgesamt nachteilig
ist, und es insbesondere, nachdem die Einzelleitungen in diesem
Bereich frei beweglich sind, häufig
zu Bildstörungen,
sogenannten Spikes, kommt.
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Der
Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
zum verbesserten Anschließen
einer Hochstrom-Koaxialleitung
an einen Drittgegenstand, insbesondere eine Gradientenspule anzugeben.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist eine Hochstrom-Koaxialverbindung vorgesehen, bestehend aus
einem Stecker und einem mit diesem lösbar verbindbaren Gegenstecker,
wobei der Stecker einen mittigen, axial in einer Richtung gegen
eine Rückstellkraft
verschiebbar in einer Isolierbuchse aufgenom menen Kontaktbolzen
aufweist, welche Isolierbuchse in einer Kontaktbuchse aufgenommen
ist, die von einer der Verbindung mit dem Gegenstecker dienenden Überwurfhalterung übergriffen
ist, während der
Gegenstecker einen mittigen Gegenkontaktbolzen aufweist, der in
einer Isolierbuchse gehaltert ist, die wiederum in einer Gegenkontaktbuchse,
die zur Verbindung des Steckers mit dem Gegenstecker mit der Überwurfhalterung
zusammenwirkt, aufgenommen ist, wobei beim Verbinden des Steckers
mit dem Gegenstecker die Kontaktbuchse und die Isolierbuchse relativ
zum am Gegenkontaktbolzen anliegenden Kontaktbolzen unter Aufbau
der Rückstellkraft
bewegt und die Kontaktbuchse in Anlage an die Gegenkontaktbuchse
gebracht wird.
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Erfindungsgemäß wird eine
Koaxialverbindung vorgeschlagen, die zum Führen hoher Ströme im Bereich
von 500A–600A
oder mehr ausgelegt und entsprechend dimensioniert ist bzw. werden
kann. Sie umfasst einen Stecker und einen Gegenstecker, die miteinander
verbunden werden können,
wozu eine Überwurfhalterung,
die am Stecker angeordnet ist, vorgesehen ist, die wiederum mit
entsprechenden Haltemitteln am Gegenstecker, die an der Gegenkontaktbuchse
vorgesehen sind, zusammenwirken. Die Überwurfhalterung kann bevorzugt
als Überwurfmutter
ausgeführt
sein, am Gegenkontaktstecker ist ein Außengewinde vorgesehen, auf
das die Überwurfmutter
aufgeschraubt wird, worüber
eine extrem feste, kraftschlüssige
Kontaktierung der Bolzen- und Hülsenkontakte
erreicht werden kann. Während
die Hülsenkontakte über die Überwurfhalterung
fest gegeneinander gepresst werden, sind spezielle Vorkehrungen
getroffen, um auch eine extrem feste, form- und kraftschlüssige Kontaktierung
der jeweiligen Bolzen des Steckers und des Gegensteckers zu realisieren.
Hierzu ist erfindungsgemäß der Kontaktbolzen am
Stecker axial beweglich und gegen eine Rückstellkraft verschiebbar.
Der Kontaktstecker legt sich an den Gegenstecker an, die anschließende feste Verbindung über die Überwurfhalterung
bewirkt, dass zum einen die Buchsenkontakte aufeinander zu bewegt
und geschlossen werden, und gleichzeitig die Kontaktbuchse und die
Isolierbuchse relativ zu den an Gegen kontaktbolzen anliegenden Kontaktbolzen axial
bewegt werden, wodurch die Rückstellkraft
aufgebaut wird. Der Kontaktbolzen wird also über diese sich aufbauende Rückstellkraft
gegen den Gegenkontaktbolzen gepresst, so dass auch hier eine extrem
kräftige,
kraft- und formschlüssige
Kontaktierung erreicht ist, wenn die Koaxialverbindung komplett
zusammengesteckt ist.
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Insbesondere
bezogen auf den Anwendungsfall des Anschlusses einer Koaxialleitung
an eine Gradientenspule ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Denn
es erfolgt, anders als bisher, kein Aufsplitten in zwei Einzelleitungen,
vielmehr ist der Koaxialstecker direkt bis an den an der Spule angeordneten
Gegenstecker geführt.
Der Gradientenstrom fließt
also auch in diesem Verbindungsbereich koaxial. Etwaige aus den
herrschenden Magnetfeldern resultierende Kräfte werden nicht erzeugt bzw. wirken
nicht auf die Verbindung ein, es kommt zu keinen Vibrationen, die
Spike-Gefahr wird minimiert, nachdem es keine frei beweglichen Teile
gibt. Im Übrigen
ist die Montage auch wesentlich einfacher, nachdem lediglich die
beiden Steckerteile zu verbinden sind.
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Am
Kontaktbolzen selbst ist zweckmäßigerweise
ein Gegenlager für
ein zur Isolierbuchse hin gelagertes, die Rückstellkraft erzeugendes Federelement
oder Federelementpaket vorgesehen. Als Gegenlager kann beispielsweise
eine ringförmige
Aufweitung des Kontaktbolzens dienen. Vorteilhaft ist es jedoch,
als Gegenlager eine auf den Kontaktbolzen aufgeschraubte Buchse
zu verwenden. Über
diese Buchse, die auf ein Außengewinde
des Bolzens aufgeschraubt wird, kann die Vorspannung des Federelements
oder des Pakets eingestellt werden, je nachdem, wie weit die Mutter
aufgeschraubt wird. Als Federelement kommt zweckmäßigerweise
eine Tellerfeder zum Einsatz, ein Federelementpaket kann aus mehreren
hintereinander angeordneten Tellerfedern gebildet sein.
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Um
die hohen Druckkräfte
des Federelements oder des Federelementpakets an der Isolierbuchse
sicher und ohne Deformation der Isolierbuchse aufnehmen zu können, ist
das Federelement oder das Federelementpaket zweckmäßigerweise
auf einer an der Isolierbuchse anliegenden Lagerscheibe, also einem
einfachen Metallring, aufgelagert.
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Die
erfindungsgemäße Hochstrom-Koaxialverbindung
sollte weiterhin derart ausgelegt sein, dass bei gegebener Anlage
des Kontaktbolzens am Gegenkontaktbolzen vor dem Verbinden der Überwurfhalterung
mit der Gegenkontaktbuchse ein Spalt zwischen der Kontaktbuchse
und der Gegenkontaktbuchse von 0,4–1,2 mm, insbesondere von 0,5–08 mm gegeben
ist, der beim Verbinden der Überwurfhalterung
mit der Gegenkontaktbuchse geschlossen wird. Das heißt, unmittelbar
mit dem Zusammenfügen
der beiden Steckerteile liegt der Kontaktbolzen am Gegenkontaktbolzen
an, die beiden Kontaktbuchsen sind jedoch noch voneinander um den
Spalt entfernt. Mit dem Verbinden der Überwurfhalterung mit der Gegenkontaktbuchse,
also beispielsweise mit dem Aufschrauben der Überwurfmutter auf das Außengewinde
der Gegenkontaktbuchse, wird der Spalt geschlossen, nachdem die Überwurfhalterung
axial zur Gegenkontaktbuchse bewegt, also beispielsweise auf diese
aufgeschraubt wird und dabei die Kontaktbuchse samt Isolierbuchse
mitnimmt. Die Isolierbuchse wird dabei relativ zum Kontaktbolzen
bewegt, dieser gleitet axial in der Isolierbuchse bzw. die Isolierbuchse
gleitet axial längs
des Kontaktbolzen, wobei das Federelement weiter gespannt wird.
Die Aufschraubbewegung der Überwurfhalterung
geht solange, bis auch die beiden Kontaktbuchsen kraftschlüssig aneinander
liegen.
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Um
eine Kontrollmöglichkeit
zu haben, dass die beiden Kontaktbuchsen auch sicher aneinander liegen,
ist zweckmäßigerweise
an der Überwurfhalterung
wenigstens eine seitliche Sichtdurchbrechung zum Kontaktbereich
der Kontaktbuchse mit der Gegenkontaktbuchse vorgesehen, beispielsweise
in Form ei nes axial oder schräg
zur Längsachse
verlaufenden Sichtschlitzes oder dergleichen.
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Im
Hinblick auf die hohen zu übertragenden Ströme sind
sämtliche
stromtragenden Elemente hinreichend stark dimensioniert und ausgelegt.
Der Durchmesser des Kontaktbolzens und des Gegenkontaktbolzens sollte
im Bereich zwischen 5–15
mm liegen, die Wandstärke
der Kontakt- und der Gegenkontaktbuchse sollte zwischen 3 und 8
mm betragen, wobei der Innendurchmesser der jeweiligen Buchse und
die Stärke
der jeweiligen Isolierbuchse so gewählt ist, dass ein hinreichender
Isolationsabstand zum jeweiligen Kontaktbolzen gegeben ist. Die
der Gegenlagerung dienende Hülse
wie auch die Überwurfhalterung
kann beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sein, da sie nicht für die Stromführung verantwortlich
sind.
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Neben
der Hochstrom-Koaxialverbindung betrifft die Erfindung ferner eine
Gradientenspule mit angeschlossener Hochstrom-Koaxialleitung als Teil eines Magnetresonanzgeräts, wobei
sich diese Anordnung dadurch auszeichnet, dass die Koaxialleitung über eine
Hochstrom-Koaxialverbindung der vorbeschriebenen Art angeschlossen
ist.
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Der
Stecker ist hierbei mit der Hochstrom-Koaxialleitung verbunden,
während
der Gegenstecker an der Gradientenspule angeordnet ist. Dieser ist
dort mit besonderem Vorteil fest eingegossen oder einlaminiert,
mithin also quasi unlösbar
mit der Gradientenspule verbunden. Vor dem Eingießen oder
Einlaminieren ist der Gegenstecker selbstverständlich mit den entsprechenden
Gradientenspulen kontaktiert worden. Das kraft- und formschlüssige Eingießen oder
Einlaminieren des Gegensteckers stellt sicher, dass es im Anschlussbereich
zu keinerlei Bewegungen oder Lockerungen der Verbindung kommt und
damit über
die gesamte Betriebszeit eine sichere, störunanfällige Stromverbindung realisiert ist.
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Der
Hinleiter der Hochstrom-Koaxialleitung, üblicherweise der mittig verlaufende
Leiter, ist zweckmäßigerweise
mit dem Kontaktbolzen und der Rückleiter, üblicherweise
der radial umgreifende Leiter, ist mit der Kontaktbuchse durch eine
Schweiß-,
insbesondere eine Laserschweißverbindung,
eine Lötverbindung
oder eine Quetschverbindung verbunden. Die verwendete Hochstrom-Koaxialleitung
selbst ist vorteilhaft zum Führen
eines Stroms von wenigstens 500A, insbesondere von wenigstens 600A
ausgelegt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnung. Dabei zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Hochstrom-Koaxialverbindung,
eingesetzt zum Kontaktieren einer Hochstrom-Koaxialleitung mit einer Gradientenspule,
im noch geöffneten
Zustand, und
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2 die
Hochstrom-Koaxialverbindung aus 1 im geschlossenen
Zustand.
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1 zeigt
eine Hochstrom-Koaxialverbindung 1, die zum erfindungsgemäßen Verbinden
einer Hochstrom-Koaxialleitung 2 mit einer Gradientenspule 3 bzw.
einer oder mehrerer dort eingegossener, nicht näher gezeigter Einzelspulen
dient. Die erfindungsgemäße Hochstrom-Koaxialverbindung 1 besteht
aus einem Stecker 4 und einem Gegenstecker 5.
Der Stecker 4 ist mit der Koaxialleitung 2 verbunden,
während
der Gegenstecker 5 in die Vergussmasse 6 der Gradientenspule 3 eingegossen
ist, nachdem er natürlich
zuvor mit der entsprechenden zugeordneten Einzelspule kontaktiert
wurde, was nicht näher
dargestellt ist.
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Der
Stecker 4 ist als rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet
und weist einen mittig angeordneten Kontaktbolzen 7 auf,
der eine ebene Kontaktfläche 8 besitzt,
mit der er an einer entsprechenden Kontaktfläche am gegenüberliegenden
Gegenkontaktbolzen des Gegensteckers 5 anliegt, worauf Nachfolgend
noch eingegangen wird. Am vorderen Ende ist der Kontaktbolzen mit
einem Außengewinde 9 versehen,
auf das im gezeigten Beispiel eine Hülse 10 aufgeschraubt
ist, die als Gegenlager für
ein Federelement 11, hier eine Tellerfeder 12 dient.
Anstelle einer einzelnen Tellerfeder 12 könnte auch
ein Tellerfederpaket bestehend aus mehreren hintereinander geschalteten
Tellerfedern verwendet werden. Die Federkraft würde dann entsprechend erhöht.
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Die
in 1 gezeigte Tellerfeder 12 stützt sich
an einer Lagerscheibe 13 ab, die ihrerseits an einer Isolierbuchse 14 aufliegt.
Die Isolierbuchse nimmt den Kontaktbolzen 7 auf, er ist
in ihr axial beweglich aufgenommen. Die Isolierbuchse weist an ihrem
vorderen Ende einen ringförmigen
Ansatz 15 auf, auf dem die Lagerscheibe 13 aufliegt.
Der Ansatz 15 ist randseitig begrenzt, der Durchmesser
ist so bemessen, dass die Lagerscheibe 13 mit nur geringem
Spiel aufgenommen wird.
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Weiterhin
ist eine Kontaktbuchse 16 vorgesehen, die einen zylindrischen
Bereich 17 aufweist, in den der zylindrische Bereich 18 der
Isolierbuchse 14 eingreift. Auch hier ist eine ringförmige Schulter 19 vorgesehen,
die in einen zylindrischen Abschnitt 33 übergeht.
Auf der Schulter 19 wiederum liegt der ringförmige Ansatz 15 der
Isolierbuchse 14 auf, kann also über diese Verbindung axial
bewegt werden.
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Vorgesehen
ist ferner eine Überwurfhalterung 20 in
Form einer Überwurfmutter 21,
die mit einem Innengewinde versehen ist und einen endseitigen Flansch 22 aufweist,
der die ringförmige
Schulter 19 der Kontaktbuchse 16 hintergreift.
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Ersichtlich
ist der mittige, axial verlaufende Hinleiter 23 der Koaxialleitung 2 über eine
entsprechende Schweiß-,
Löt- oder Quetschverbindung
mit dem Kontaktbolzen 7 verbunden. Der über eine Isolierung 24 beabstandete
umlaufende Rückleiter 25 ist über eine
entsprechende Schweiß-,
Löt- oder Quetschverbindung
mit der Kontaktbuchse 16 verbunden. Nicht näher dargestellt
ist die äußere Isolationsschicht
der Koaxialleitung 2.
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Der
Gegenstecker 5 weist ebenfalls einen Gegenkontaktbolzen 26 auf,
der eine vordere Kontaktfläche 27 aufweist,
die wie die Kontaktfläche 8 ebenflächig ist,
so dass beide Kontaktflächen 8, 27 formschlüssig aneinander
liegen. Der Gegenkontaktbolzen ist in einer Isolierbuchse 28 aufgenommen, die
wiederum in einer Gegenkontaktbuchse 29 angeordnet ist.
Ersichtlich ist der Gegenstecker 5 wie ausgeführt in die
Vergussmasse 6 der Gradientenspule 3 eingegossen,
mithin also lagefest fixiert.
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1 zeigt
die Koaxialverbindung 1 im nicht geschlossenen Zustand.
Zwar liegen die beiden Kontaktflächen 8 und 27 aneinander,
das heißt,
der Kontaktbolzen und der Gegenkontaktbolzen 26 berühren einander.
Jedoch ist die Kontaktbuchse 16 nicht mit der Gegenkontaktbuchse 29 verbunden,
die beiden Kontaktflächen 30, 31 sind über einen
Spalt 32 voneinander getrennt. Die Spaltbreite beträgt ca. 0,5–08 mm.
In 1 wurde beispielsweise die Überwurfmutter 21 bereits
etwas auf das Außengewinde
an der Gegenlagerbuchse 29 aufgeschraubt, jedoch noch nicht
soweit, dass eine Bewegung der Kontaktbuchse 16 samt Isolierhülse 14 axial
zum Gegenstecker 5 erfolgt ist. Lediglich aneinander liegen
der Kontaktbolzen 7 und der Gegenkontaktbolzen 26.
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Zum
Herstellen einer stromtragenden Kontaktierung wird nun die Überwurfmutter 21 weiter
auf die Gegenkontaktbuchse 29 aufgeschraubt. Sie wird also
zur Gradientenspule 3 hin axial bewegt. Infolge des Übergriffs
des Flansches 22 über
die ringförmige Schulter 19 der
Kontaktbuchse 16 wird diese mitgenommen, sie nimmt ihrerseits
die Isolierhülse 14 mit, die
wiederum die Lagerscheibe axial mitnimmt. Die Tellerfeder 12 ist
mit ihrem inneren Ende an der Buchse 10 gegengelagert, die
lagefest auf den Kontaktbolzen 7 aufgeschraubt ist, der
seinerseits lagefest am Gegenkontaktbolzen 26 anliegt.
Hier erfolgt also keine Bewegung, es werden lediglich die den Kontaktbolzen
umgebenden Teile über
die Aufschraubbewegung relativ zum Kontaktbolzen 7 axial verschoben.
Infolge der Bewegung der Lagerscheibe 13 zum Gegenstecker 5 hin
wird zwangsläufig
die Tellerfeder 12 komprimiert, siehe 2.
Die Aufschraubbewegung und damit auch die Federkomprimierung erfolgt
solange, bis die beiden Kontaktflächen 30, 31 der
Kontaktbuchse 16 und der Gegenkontaktbuchse 29 kraft-
und formschlüssig
aneinander liegen. Diese stromtragende Verbindung wird über die
aufschraubbedingt erzeugte Kraft zwischen der Überwurfmutter 21 und
der Gegenlagerbuchse 29 erzeugt. Gleichermaßen sind
der Kontaktbolzen 7 und der Gegenkontaktbolzen 26 kraft-
und formschlüssig
miteinander kontaktiert, wobei der Kraftschluss und die feste Verbindung über die
gespannte Tellerfeder 12 erwirkt wird.
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Nicht
näher dargestellt,
jedoch zweckmäßigerweise
vorgesehen, ist eine Sichtdurchbrechung in der Überwurfmutter 21.
Diese liegt so, dass sie in jedem Fall einen Blick auf die zu kontaktierenden
Stirnflächen
der Kontaktbuchse 16 und der Gegenkontaktbuchse 29 ermöglicht.
Hierüber
kann optisch überprüft werden,
ob beide Kontaktflächen 30, 31 fest
aneinander liegen, wenn die Überwurfmutter 21 aufgeschraubt
ist.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass es mit der erfindungsgemäßen Hochstrom-Koaxialverbindung
nicht nur möglich
ist, eine Kontaktierung einer Koaxialleitung mit einer Gradientenspule
sicherzustellen, wobei in diesem Fall der Gegenstecker lagefest
eingegossen ist. Vielmehr wäre
es auch denkbar, den Gegenstecker mit einer weiterführenden
Koaxialleitung zu verbinden. Selbstverständlich ist die Koaxialverbindung
in einem entsprechenden Isolationsgehäuse aufzunehmen, um die freiliegenden,
stromführenden
Teile zu kapseln.