DE1213912B - Verfahren und Vorrichtung zum Messen schwacher magnetischer Felder unter Ausnutzung der Kerninduktion - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

ALAJk

DEUTSCHES JMWSsSSl· PATENTAMT Int. CL:

GOIr

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 2Ie-12

1213 912
C20380IXd/21e
16. Dezember 1959
7. April 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Messen schwacher magnetischer Felder unter Ausnutzung der Kerninduktion und Verwendung einer Flüssigkeit, die Protonen enthält, bei dem man in der Flüssigkeit eine paramagnetische Verunreinigung auflöst, die eine elektronische Resonanzlinie mit Hyperfeinstruktur aufweist, diese Resonanzlinie mit Hilfe eines Hilfsmagnetfeldes hoher Frequenz sättigt, das senkrecht zu dem zu messenden Feld ist, und die Kernfrequenz in dem zu messenden Magnetfeld ermittelt.

Die von der Kerninduktion Gebrauch machende Meßtechnik wurde erstmalig von Bloch (Physical Review, 70, S. 460, 1946) angegeben, sie besteht im wesentlichen darin, daß man die Frequenz der freien Präzession einer Gesamtheit von Kernen mißt, die in ein permanentes Magnetfeld gebracht wurden und ein kinetisches Moment, den Spin, sowie ein magnetisches Moment haben, die beide nicht Null sind. Um ein Signal mit merkbarer Amplitude auch bei schwachen magnetischen Feldern zu erhalten, ist man genötigt, einerseits Wasserstoffkerne, d. h. Protonen, in einem relativ großen Flüssigkeits- bzw. Wasservolumen von 11 oder mehr zu verwenden und andererseits sich eines Kunstgriffes zu bedienen, der von Packard und Varian (Physical Review, 93, S. 941, 1954) angegeben wurde und den Zweck verfolgt, die Polarisation der Kerne zu erhöhen. Man kann hierzu auch Wat er s und Francis (Journal of Scientific Instruments, 35, S. 88,1958) zitieren.

Dieses Verfahren zur Messung eines schwachen Gleichmagnetfeldes h, wie es von Packard und Varian angegeben ist, beruht auf der Ausnutzung eines Phänomens, das sich wie folgt erläutern läßt:

Protonen, die beispielsweise im Wasser enthalten sind, haben bei Abwesenheit eines Magnetfeldes oder bei Einwirken eines nur schwachen Magnetfeldes sämtlich Spins der gleichen Richtung, und es zeigt sich, daß statistisch 50 % dieser Spins den einen Sinn und die anderen 50% den entgegengesetzten Sinn haben.

Die Einwirkung eines Magnetfeldes großer Amplitude verändert geringfügig diese Verteilung zugunsten einer der Spin-Populationen, d. h., sie »polarisiert« die Protonen in dem Sinne, daß bei Erreichen des thermischen Gleichgewichts zwischen den Spins und dem Milieu der Umgebung eine geringe Magnetisierung μ auftritt, die parallel zu dem Feld η gerichtet und durch das resultierende magnetische Moment Verfahren und Vorrichtung zum Messen
schwacher magnetischer Felder unter Ausnutzung der Kerninduktion

Anmelder:

Commissariat ä l'ßnergie Atomique, Paris
Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Georges Bonnet, Grenoble;

Antoine Salvi, Saint Egreve, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 23. Dezember 1958 (782472)--

gegeben ist, wobei X die Suszeptibilität des Meßmediums ist.

Wenn ein Behälter mit einer derartige Kerne enthaltenden Flüssigkeit in das zu messende kleine Magnetfeld η beispielsweise das Erdfeld, gebracht und außerdem einem permanenten Feld S ausgesetzt wird, das senkrecht zum ersten Feld und wesentlich größer als dieses Feld ist, nimmt die flüssige Masse nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne, die von der »Relaxationszeit« abhängt, im Gleichgewichtszustand eine makroskopische Magnetisierung an, die praktisch parallel zu Jp und durch die Formel (1) gegeben ist.

Wenn man nun das Feld h' plötzlich zum Verschwinden bringt, so daß nur noch das zu messende Feld η übrigbleibt, führt der Vektor der resultierenden Magnetisierung μ auf Grund der gyromagnetischen Eigenschaften der Kerne, auf die diese zurückzuführen ist, eine Präzessionsbewegung um die Richtung des Feldes fi aus, bis die neue Gleichgewichtsorientierung erreicht ist.

Das mit der Präzession des resultierenden Magnetisierungs-Vektors μ sich drehende Feld induziert in

einer das Meßmaterial umgebenden Spule, die in geeigneter Weise angeordnet ist, eine Wechsel-EMK, deren Frequenz/ mit der Größe oder AmplitudeH des Feldes η durch die Formel von Larmor

= XH

verknüpft ist, in der γ eine charakteristische physikalische Konstante des betreffenden Kernes ist. Die

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Messung eines Magnetfeldes unter Anwendung der erhöht wird. Das magnetische Moment der Kern-Kerninduktion wird also auf eine Frequenzmessung spins in der Flüssigkeit, die durch die elektronischen zurückgeführt. Spins relaxiert werden, kann dann unter genau defi-

Die Verwendung des Hilfsfeldes ~H' entspricht nierten Bedingungen einen beträchtlichen Wert er-

einem doppelten Zweck; man erzielt eine Vergröße- 5 reichen, der in sehr schwachen Feldern (kleiner als

rung der resultierenden Magnetisierung der Substanz ungefähr 10 Gauß) unabhängig von der Größe des

und kann daher ein ausreichend starkes Signal auf- magnetischen Feldes ist. So ist beispielsweise im

nehmen, und weiterhin wird eine Präzession dieser Erdfeld die Polarisation der Protonen ungefähr

Magnetisierung herbeigeführt. 4000fach stärker als ohne diesen Effekt. Dann führt

Die zur Messung relativ Schacher Magnetfelder « man das Phänomen der durch die "Messung zu ererforderliche Verwendung eines starken Polarisa- fassenden Kernresonanz durch unterschiedliche Vertionsfeldes W der Größe von 100 bis 200 Oersted fahrensmaßnahmen herbei.

macht jedoch die Anwendung dieses Verfahrens, das Entsprechend der französischen Patentschrift

an sich im Prinzip einfach ist, schwierig. Das pola- 1174136 wird die Flüssigkeitsmenge, welche die

risierende Feld muß nämlich in einer äußerst kurzen 15 paramagnetischen Verunreinigungen enthält und dem

Zeitspanne — in weniger als 30 με bei der Verwen- zu messenden Magnetfeld H sowie einem zu diesem

dung eines Magnetometers zur Messung eines Erd- senkrechten Wechselfeld H_RF der elektronischen Re-

feldes — zum Verschwinden gebracht werden, denn sonanzfrequenz der Verunreinigung unterworfen ist,

das Spektrum der Abnahme des Magnetfeldes bei von einer Spule umgeben, deren Achse zur Kupplung

seiner Beseitigung muß eine spektrale Energiedichte 20 mit dem Kernfrequenzfeld H_n in einer Richtung senk-

bei der Larmorschen Kernfrequenz aufweisen, die recht zu den beiden obenerwähnten Feldern angeord-

genügend groß ist, um Transitionen zu erzielen. In net ist.

Anbetracht der relativ großen Energie, die in dem Diese Spule bildet die Induktivität des Resonanz-Feld der Spule gespeichert ist, wenn ein relativ großes kreises eines Pound-Spektrometers. Dieses enthält Feld erzeugt wird, ergibt sich aus dieser Bedingung 35 einen Oszillator, der einen Wechselstrom erzeugt, ein Abschaltproblem, das sehr schwierig zu lösen ist. dessen Frequenz ungefähr gleich der Kernfrequenz

Außerdem bedingt die Leistung, die zur Erzeugung in dem zu messenden Feldi? ist. Das von der oben-

des polarisierenden Feldes notwendig ist, einen er- erwähnten Spule erzeugte Feld hat nicht genau die

heblichen apparativen Aufwand für die Durchfüh- Frequenz der Kernresonanz. Um diese zu ermitteln,

rung dieses Verfahrens. 30 überlagert man dem schwachen magnetischen Gleich-

Schließlich wird der Ablauf des Phänomens der feld H ein sehr schwaches Magnetfeld h_a von etwa

freien Präzession stark durch Inhomogenität des zu 50 Hz; das gesamte modulierte Magnetfeld H + h_a

messenden Magnetfeldes beeinflußt, was den Haupt- nimmt dabei auch den Wert an, der einer Kernreso-

grund für Messungsgenauigkeiten darstellt, wenn man nanzfrequenz entspricht und gleich der Frequenz des

die Schwierigkeiten berücksichtigt, die in dem Auf- 35 von der Spule erzeugten Feldes ist. Diese Resonanz

rechterhalten einer hohen Homogenität in einem so wird sodann aus dem Phänomen der Energieabsorp-

großen Flüssigkeitsvolumen liegen, wie es im vor- tion ermittelt, die dabei auftritt. Man erfaßt dann

liegenden Falle benutzt werden muß. den Augenblick- bzw. den Momentanwert der

Es wäre an sich möglich, den Verbrauch an elek- Periode des Hilfswechselfeldes, bei der die Energie-

trischer Energie zu verringern und damit die Auf- 40 absorption entsteht, und ermittelt daraus die exakte

gäbe der Abschaltung zu vereinfachen, indem man Kernresonanz durch Anwendung der Formel von

ein weniger starkes polarisierendes Feld benutzt und Larmo r.

die Menge der Flüssigkeit erheblich verringert; beide Diese Verfahrensweise benötigt einen erheblichen Maßnahmen sind aber nachteilig für die Genauigkeit Aufwand an empfindlichen und komplizierten Geräder Messung, da sie auf jeden Fall die Größe des 45 ten, insbesondere einen Oszillator, einen Oszillofür die Erzeugung der Präzessionsfrequenz wesent- graphen, einen Generator für das Weehselfeld niedrilichen resultierenden magnetischen Moments herab- ger Frequenz und die notwendigen elektronischen setzen und so das Verhältnis zwischen dem zu mes- Vorrichtungen zur Ermittlung der Phase des Resosenden Signal und dem Störpegel verkleinern. nanzphänomens. Infolgedessen ist die Durchführung

Ein anderes Verfahren zur Messung von Magnet- 5° dieses Verfahrens schwierig.

feldern unter Ausnutzung der Kerninduktion, das Nach der französischen Patentschrift 1177112 ist eine Messung schwacher Felder gestattet, ist von die Flüssigkeitsmenge von einer Spule umgeben, Abragam, Solomon und Combrisson ange- welche einen Teil eines Schwingkreises mit möglichst geben worden (Comptes rendues de l'Academie des hohem Überspannungskoeffizienten (Q ^ 1000) bil-Sciences, 8. 7.1957, Tome 245, p. 157 bis 160, sowie 55 det, dessen Resonanzfrequenz in der Nähe der Kernfranzösische Patentschriften 1174136 und 1177112). resonanz-Frequenz der Protonen der Flüssigkeits-

Nach diesem Verfahren, das den Overhauser- menge ist. Der Nachteil dieser Maßnahme ist darin Effekt als Kunstgriff zur Erhöhung der Kernpolari- zu sehen, daß unter diesen Bedingungen die gemessation in dem zu messenden Magnetfeld ausnutzt, sene Resonanzfrequenz durch dem System anhafsetzt man dem schwachen Gleichmagnetfeld if eine 60 tende Fehler »gefälscht« wird, weil durch die beiden Flüssigkeitsmenge aus, in der eine paramagnetische gekuppelten Systeme mit einander benachbarten ReVerunreinigung aufgelöst ist, die eine elektronische sonanzfrequenzen eine Frequenzverschiebung be-Resonanzlinie mit Hyperfeinstruktur aufweist, und dingt ist.

sättigt diese Resonanzlinie durch ein Hochfrequenz- Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Nachfeld Hgp. Die den Elektronen zugeführte Energie 65 teile öder Meßfehler der oben beschriebenen Verlud zum Teil durch Relaxation auf die Protonen fahren zu vermeiden.

übertragen, bei denen der Anteil der Spins des einen Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes

Sinnes im Verhältnis zu den Spins des anderen Sinnes' Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung schwa-

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eher magnetischer Felder unter Anwendung der Unterdrückung oder Beseitigung des magnetischen

Kerninduktion, bei dem die Nachteile oder Meßfehler Hilfsfeldes dient.

der bekannten Verfahren vermieden sind; die Ver- Das nach dem neuen Verfahren arbeitende Ma-

besserung nutzt die Erhöhung der Kernpolarisation gnetometer, das nun beschrieben werden soll, ist als

aus, die auf dem Overhauser-Abragam-Effekt be- 5 tragbares Meßgerät ausgeführt. Die Energiequelle ist

ruht. demnach eine Akkumulatorbatterie von 12 V (ob-

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen wohl auch 6 V genügen könnten),

eines schwachen Magnetfeldes unter Ausnutzung der In der F i g. 1 ist ein Hochfrequenzoszillator 1 für

Kerninduktion und Verwendung einer Flüssigkeit, die Lieferung der zum Sättigen der elektronischen

die Protonen enthält, bei dem man in der Flüssig- i° Resonanzlinien der sich in der Meßflüssigkeit 2 be-

keit eine paramagnetische Verunreinigung auflöst, findenden paramagnetischen Verunreinigung erfor-

die eine elektronische Resonanzlinie mit Hyperfein- derlichen Energie vorgesehen. Die Resonanzfrequenz

struktur aufweist, diese Resonanzlinie mit Hilfe hängt von der Art des paramagnetischen Radikals

eines Hilfsmagnetfeldes hoher Frequenz sättigt, das und der gewählten Resonanzlinie ab sowie von dem

senkrecht zu dem zu messenden Feld ist, und die 15 Wert des Hilfsmagnetfeldes, das die Polarisation be-

Kernfrequenz in dem zu messenden Magnetfeld er- wirkt.

mittelt, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, Für den Fall, daß die verwendete paramagnetische daß die Flüssigkeit — etwa für die Dauer einiger Verunreinigung das Nitrosodisulfonat des Kaliums Sekunden — einem zusätzlichen Gleichmagnetfeld h_c und das Hilfsfeld 3 Gauß ist, liegt diese Resonanzausgesetzt wird, das im wesentlichen senkrecht zu 20 frequenz in der Nähe von 60 MHz. Ein Koaxialdem zu messenden Magnetfeld H und dem Magnet- kabel 3 von geeigneter Länge und eine Anpassungsfeld hoher Frequenz H^_F liegt und dessen Größen- anordnung 4 verbinden den Oszillator 1 mit einer Ordnung kaum größer als die des zu messenden FeI- gegen die Flüssigkeit durch ein geeignetes Dielektrides H ist, daß dann die Intensität dieses Hilfsfeldes kum isolierten Hochfrequenzspule 5, die im Inneren in einer sehr kurzen Zeit auf den Wert Null zurück- 25 des Behälters 2 angeordnet ist. Der Behälter 2 hat gebracht und nach restlosem Verschwinden dieses ein Fassungsvermögen von etwa 100 cm³ und entFeldes die Frequenz des Feldes der Kernfrequenz ge- hält Wasser, in dem die Verunreinigung aufgelöst ist. messen wird. Wie aus der Fig. 2 ersehen werden kann, setzt

Gemäß der Erfindung wird also die Polarisation in sieh die Hochfrequenzspule 5 aus einer oder zwei

der Meßflüssigkeit durch Anwendung des Over- 3° Windungen eines isolierten Drahtes 6 zusammen, die

hauser-Abragam-Effekts erhalten, das Hilfsfeld hat derart ausgerichtet sind, daß das von ihnen gesehaf-

lediglich die Aufgabe, die Orientierung der resultie- fene Magnetfeld senkrecht zu dem Magnetfeld η

renden Magnetisierung derart zu ändern, daß diese liegt, das man messen will und dessen Richtung

in eine Richtung fällt, die ungefähr senkrecht zu der durch den Pfeil 7 veranschaulicht ist.

des zu messenden Feldes liegt. Auf diese Weise 35 Eine weitere Spule 8, deren Achse senkrecht zu

reicht ein Verhältnis in der Größenordnung von 5 der der ersten Spule 5 sowie auch senkrecht zur

zwischen diesen beiden Feldern vollkommen aus. Es Richtung des Magnetfeldes S liegt, ist unmittelbar

ergibt sich so ein sehr geringer Aufwand an elektri- um das Gefäß 2 herumgewickelt. Diese zweite

scher Energie und eine erhebliche Vereinfachung des Spule 8 hat eine doppelte Aufgabe:

Problems der schnellen Unterbrechung des magneti- 4° Sie soll einerseits das magnetische Hilfsfeld schaf-

sierenden Stromes; diese Unterbrechung kann mit fen, das die Ausrichtung der Spins ändert und da-

einfachen elektronischen Mitteln durchgeführt durch ihre spätere Präzession bedingt, und anderseits

werden. auch das durch die Präzession induzierte Signal auf-

Unter Bezugnahme auf die schematischen Fig. 1 nehmen.

bis 3 der Zeichnung soll jetzt ein lediglich der Erläu- 45 Dieses Signal wird über eine Relaisschaltung 9 terung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienendes einem Verstärker 10 zugeleitet, der auf die Resonanz-Durchführungsbeispiel beschrieben werden. Die Ein- frequenz der Protonen in dem gemessenen Feld abzelheiten der Verfahrensdurchführung und der An- gestimmt ist; das verstärkte Signal wird sodann Ordnung der Vorrichtung, die im Zusammenhang mit einem Frequenzmesser 11 zugeleitet, der -ein diesem Beispiel beschrieben werden, sind als Bestand- 50 Frequenzmesser der Dekadenzähltype ist.
teile der vorliegenden Erfindung anzusehen, wobei es Der Hochfrequenzoszillator 1, der Verstärker 10 jedoch klar sein dürfte, daß alle äquivalenten Mittel und der Frequenzmesser 11 sind Geräte bekannter in gleicher Weise benutzt werden können, ohne den Bauart und werden infolgedessen nicht in ihren Ein-Rahmen der Erfindung zu überschreiten. zelheiten beschrieben.

In der Zeichnung sind lediglich die zum Verstand- 55 Es ist jedoch darauf aufmerksam zu machen, daß

nis der Erfindung notwendigen Elemente dargestellt; der Verstärker und der Frequenzmesser sehr leicht

einander entsprechende Elemente der Figuren tragen mit Transistoren ausgestattet werden können; in

gleiche Bezugszeichen. Es zeigt diesem Falle braucht die Stromversorgungsanord-

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ma- nungl2, die in der schematischen Darstellung durch gnetometers, das unter Ausnutzung der Kerninduk- 60 ein Rechteck versinnbildlicht und aus der Batterie 13

tion gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet, gespeist wird, lediglich die zum Betrieb des Hoch-

Fi g. 2 einen Schnitt durch die Meßmenge in Flüs- frequenzoszillators notwendige hohe Spannung zu

sigkeit, in der die Kernspins für die Messung ausge- liefern, d. h. etwa eine Leistung von IS W, wenn der

nutzt werden; dieser Schnitt zeigt auch die Anord- Spule 5 eine Hoehfrequenzleistung von ungefähr 5 W nung der Spulen für die Hoch- und die Niederfre- 65 zugeführt werden muß.

quenz, Bei dem Betrieb oder der Benutzung des neuen

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Um- Gerätes sind zwei zeitlich aufeinanderfolgende Vor-

schaltanordnung, die insbesondere zur schnellen gänge zu unterscheiden:

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a) Man schickt über die Relaisschaltung 9 einen Hierzu dient der Widerstand 15, dessen Ohmwert in Gleichstrom in die Niederfrequenzspule 8, um die der Größenordnung von 500 000 Ω liegt; der Wert Q resultierende Magnetisierung der Protonen recht- liegt dann in der Nähe von 10, und die Oszillation hat winklig zu dem zu messenden Feld η auszurichten. eine Dauer von einigen Millisekunden mit einer Die zu dieser Orientierung notwendige Zeit hängt 5 maximalen Spannung in der Größenordnung von von der Art der paramagnetischen Verunreinigung 10 V. Es gibt dabei praktisch kein Abschalt- oder und ihrer Konzentration sowie der Art des Lösungs- Umschaltproblem mehr.

mittels ab. Wenn als paramagnetische Verunreini- Wenngleich man auch unter diesen Bedingungen

gung des Nitrosodisulfonat des Kaliums in millimole- ohne weiteres ein mechanisches Relais verwenden

kularer Konzentration in Wasser aufgelöst ist, be- ίο könnte, ist jedoch die Benutzung eines elektronischen

dingt dieser Verfahrensschritt nur einen Zeitaufwand ' Relais vorzuziehen, weil die Unterbrechung durch

von ungefähr 2 Sekunden. Das orientierende Magnet- ein derartiges Relais sehr schnell erfolgt und auch

feld hat die Größenordnung von 3 Gauß. Während nicht von dem Zustand metallischer Kontakte ab-,

dieser Zeitspanne ist der Verstärker 10 kurzgeschlos- hängt. Infolgedessen sind die Meßwerte ohne weite-

sen und der Zähler des Frequenzmessers 11 auf Null 15 res zu wiederholen bzw. zu reproduzieren,

eingestellt. Da außerdem der innere Widerstand R eines elek-

b) Mit Hilfe einer einfachen Programmschaltung ironischen Relais nicht Null ist, so wird dadurch wird sodann über die Relaisschaltung 9 die plötz- weiterhin eine Zeitkonstante in den Stromkreis der liehe Unterbrechung des Hilfsfeldes ausgelöst und das Feld erzeugenden Spule 8 eingeführt. In dem ge-. die Niederfrequenzspule 8 an die Eingangsklemmen ao wählten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis LJR des Verstärkers 10 angelegt, um die Präzessionsfre- in der Größenordnung von 500 μβ, und die Ausrichquenz zu ermitteln. tung oder Orientierung der Kernspins erfolgt in dem

Die Dauer der Frequenzzählung liegt in der glei- magnetischen Hilfsfeld ohne irgendeine Präzession, chen Größenordnung wie die des vorangegangenen Das Relais 16 empfängt ein Betätigungssignal S,

Verfahrensschrittes. 25 sein sich schließender Kontakt 17 leitet über den

Es ist darauf hinzuweisen, daß man ohne weiteres Widerstand 18 von ungefähr 500 Ω eine genügend den Hochfrequenzoszillator 1 während der Zähl- hohe Polarisationsspannung, die die Gitter der Röhre periode stillsetzen kann, wodurch der mittlere Strom- 19 (Type 12 AU 7) positiv macht. Gleichzeitig be-, verbrauch verringert wird. Die durch den Over-, wirkt das Schließen des Kontaktes 20 des Relais 16 hauser-Effekt induzierte Polarisation verläuft — wie 30 die Erregung des Relais 21. Das Schließen des Konauch die freie Präzession — nach einem mit der taktes 22 dieses Relais verbindet die Batterie, die Zeit abnehmenden Gesetz, das durch die Relaxations- mit ihrem negativen Pol an der Klemme 23 liegt, zeit gegeben ist. über die Röhre 19, deren innerer Widerstand durch

Die Umschaltvorrichtung, die in der Relaisschal- das Potentiometer 24 (zur Einstellung der »Hilfszeit«) tung9 enthalten ist,, wurde in Fig. 3 ausführlicher 35 geregelt wird, mit der Spule 8. Das Relais 21 verbindargestellt. det durch seinen zweiten Kontakt 25 das Kabel 26,

Um eine Störung des Feldes am Ort der Messung das zum Eingang des Verstärkers 10 führt, mit der zu vermeiden, wird diese Anordnung im Abstand Masse.

von 1 oder 2 m von der Niederfrequenzspule 8 auf- Am Ende der »Orientierungsperiode« wird die Ergestellt und mit dieser Spule über ein Koaxialkabel 40 regung des Relais 16 unterbrochen. Der Kontakt 17 14 verbunden, dessen Kapazität C₀ nicht vernachläs- öffnet sich, infolge der Wirkung der Zusatzbatterie sigbar ist. 27 (von ungefähr 10V) werden die Gitter der Röhre

Es liegt daher eine parasitäre Kapazität C₀ von 19 stark negativ, wodurch die Röhre 19 gesperrt 100 oder 20OpF an den Klemmen der Induktivität wird. Die Dauer der Unterbrechung des elektroni-L₀ der Niederfrequenzspule 8. 45 sehen Relais ist durch den Widerstand 28 und die

Wenn man plötzlich den Magnetisierungsstrom Kapazität zwischen Gitter und Masse bestimmt. Mit unterbricht, der durch L₀ hindurchfließt, stellt sich einem Widerstand 28 von 100 000 Ω liegt diese ein Ausgleichsvorgang in dem L₀-C₀-Stromkreis ein, Dauer in der Größenordnung einer Mikrosekunde.
der periodisch oder gedämpft verlaufen kann. Das Öffnen des Kontaktes 20 hebt die Erregung

Aus Gründen des Stromverbrauchs ist es günstiger, 5° des Relais 21 auf, aber der Kondensator 30 an den mit einem periodischen Ausgleichsvorgang zu arbei- Klemmen dieses Relais verzögert sein Abschalten, ten, vorausgesetzt, daß die Eigenfrequenz weit größer Infolgedessen bleibt auch während der Dauer des ist als die Larmor-Frequenz bei der Kernpräzession. Abschaltausgleichsvorganges in der Spule 8 der Die Niederfrequenzspule 8 hat bei dem Beispiel Dämpfungswiderstand 15 eingeschaltet sowie der 4000 Windungen, die in vier Scheiben aufgeteilt sind; 55 Verstärkern kurzgeschlossen. Sobald das Relais 21 der Draht hat einen Durchmesser von ⁴Ao mm und ausgeschaltet, wird der Widerstand 15 abgeschaltet ist mit Seide isoliert. Die Eigenfrequenz dieser An- und die Spule 8 wird über den Kontakt 31 mit dem Ordnung ist bei einer Leitungskapazität Co von 15OpF Verstärkern verbunden, so daß nun eine Messung etwa gleich F₀ = 15 kHz. Um ein Hilfsfeld von der Präzessionsfrequenz erfolgen kann. In Anbe-3 Gauß zu schaffen, kommt man mit einem Strom 60 tracht der geringen Spannungserhöhung bei dem von 10 mA aus, was einem ohmschen Spannungs- Ausgleichsvorgang ist es möglich, die Röhre 19 abfall V von 1V entspricht. durch einen Transistor zu ersetzen. Dies muß jedoch

Es ist bekannt, daß bei einem Überspannungsver- ein Hochfrequenztransistor sein, damit er eine hältnisQ des Stromkreises L₀-C₀ der oszillierende schnelle Abschaltung oder Trennung durchführen Spannungsverlauf bei der Abschaltung eine größte 65 kann; er muß ungefähr 100 mW (bei Speisung mit Amplitude C- V hat und seine Hüllkurve mit einer 6V) als Verlust abführen können und erne Gegen-Zeitkonstante von QInF₀ abnimmt. Man hat ein spannung in der Richtung Emitter—Basis von 20 V Interesse daran, diese Überspannung zu verkleinern. zulassen.

Man erkennt, daß während der Periode der Präzessionsfrequenzmessung die Relais nicht gespeist werden, um das Magnetfeld nicht zu stören, das gerade dann gemessen wird. Aus dem gleichen Grunde werden gegebenenfalls Kleinrelais (Miniatur-Relais) für Fernbetätigung verwendet, deren Volumen an ferromagnetischem Material sehr gering ist.

Es wurde bereits oben gesagt, daß die Menge der Meßflüssigkeit höchstens 100 cm³ sein soll, was eine Erleichterung hinsichtlich der Forderung nach Homogenität des Feldes ergibt. Obgleich das soeben beschriebene Gerät tragbar ist und nur einen geringen Stromverbrauch aufweist, liegt die Genauigkeit der Messung in der gleichen Größenordnung wie bei den viel größeren bekannten Geräten, die eine Messung der freien Präzession durchführen. Wenn man sich mit einer Genauigkeit von ± 10~⁵ Oersted begnügt, kann man das Flüssigkeitsvolumen auf 10 cm³ verringern und nur 1W Hochfrequenzleistung aufwenden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen eines schwachen Magnetfeldes unter Ausnutzung der Kerninduktion und Verwendung einer Flüssigkeit, die Protonen enthält, bei dem man in der Flüssigkeit eine paramagnetische Verunreinigung auflöst, die eine elektronische Resonanzlinie mit Hyperfeinstruktur aufweist, diese Resonanzlinie mit Hilfe eines Hilfsmagnetfeldes hoher Frequenz sättigt, das senkrecht zu dem zu messenden Feld ist, und die Kernfrequenz in dem zu messenden Magnetfeld ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit — etwa für die Dauer einiger Sekunden — einem zusätzlichen Gleichmagnetfeld (h_c) ausgesetzt wird, das im wesentlichen senkrecht zu dem zu messenden Magnetfeld (H) und dem Magnetfeld hoher Frequenz (H_RF) liegt und dessen Größenordnung kaum größer als die des zu messenden Feldes (H) ist, daß dann die Intensität dieses Hilfsfeldes in einer sehr kurzen Zeit auf den Wert Null zurückgebracht und nach restlosem Verschwinden dieses Feldes die Frequenz des Feldes der Kernfrequenz gemessen wird.

2. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bei dem die Sättigung der elektronischen Resonanzlinie mit Hyperfeinstruktur durch eine Spule erfolgt, deren Achse senkrecht zu dem zu messenden Feld liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in an sich bekannter Weise eine zweite Spule (8) aufweist, deren Achse senkrecht zu dem zu messenden Feld (H) bzw. Pfeil (7) und zur Achse der ersten Spule (5) liegt, die jedoch zur Erzeugung eines Gleichmagnetfeldes (h_c) dient, dessen Größenordnung kaum höher liegt als die des zu messenden Feldes; daß Einrichtungen (Relaisschaltung 9) vorgesehen sind, um in sehr kurzer Zeit dieses schwache Gleichmagnetfeld auf den Wert Null zu bringen, und daß ferner Schaltmittel (9, 10) vorhanden sind, die das Anschließen eines Frequenzmessers (11) an die zweite Spule während der Dauer der Messung gestatten, während der das schwache Gleichmagnetfeld verschwunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur schnellen "Unterbrechung des Gleichmagnetfeldes (h_c) der zweiten Spule (8) durch negative Polarisation zweier Steuergitter einer Doppeltriode(19 in Fig. 3) erfolgt, deren Anodenstrom die Stromstärke in der Spule steuert, und daß diese Spule erst nach dem Abklingen der elektrischen Schwingungen, welche durch das Verschwinden des Gleichmagnetfeldes entstehen, an einen Frequenzmesser (11) anschließbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Revue Generale de l'Electricite, 67 (1958), S. 365 bis 384.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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