DE1623381C - Magnetischer Gradientenmesser - Google Patents

Description

I 623 381

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Gradientenmesser zur Messung der Differenz der magnetischen Feldstärken in einer ersten und in einer zweiten Zone, insbesondere zur Messung der Änderungen der Stärke des magnetischen Erdfeldes zum Zwecke der Bodenerforschung.

Meßgeräte zur Messung der Feldstärke des magnetischen Erdfeldes sind an sich bekannt; sie werden im allgemeinen Magnetometer genannt. Zur Messung des Gradienten eines magnetischen Feldes hat man bisher zwei voneinander unabhängig arbeitende Magnetometer verwendet, wobei die Magnetometerköpfe an zwei voneinander entfernten Stellen angeordnet werden und aus den jeweils gemessenen Werten die Differenz gebildet wird, die dem magnetischen Feldgradienten entspricht. Diese Art der Messung des magnetischen Feldgradienten ist nicht besonders vorteilhaft. Abgesehen davon, daß bei den beiden Magnetometerköpfen eine genaue Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes beachtet werden muß, hat dieses Verfahren noch den Nachteil, daß Störeinflüsse, die sich nur auf eines der beiden Magnetometer auswirken, das Meßergebnis verfälschen.

Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung eines einheitlichen Meßgerätes zur Messung der Differenz der Feldstärken eines magnetischen Feldes an zwei vorgegebenen Stellen, d. h. eines magnetischen Gradientenmessers.

Ein magnetischer Gradientenmesser nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen in der ersten Zone befindlichen ersten Magnetometerkopf, der eine erste praktisch sinusförmige elektromotorische Kraft U₂ mit einer zur Stärke des Magnetfeldes in dieser ersten Zone proportionalen Frequenz liefert, einen zweiten, in der zweiten Zone befindlichen Magnetometerkopf, der wie ein Bandpaßfilter mit sehr schmaler Bandbreite auf ein sinusförmiges Eingangssignal U₀ veränderlicher Frequenz anspricht und eine zweite elektromotorische Kraft U₃ liefert, deren Amplitude sich als Funktion der Frequenz des Eingangssignals entsprechend einer Resonanzkurve (Lorentz-Kurve) ändert, die auf seine, zur Stärke des Magnetfeldes in der zweiten Zone proportionale Resonanzfrequenz zentriert ist, Einrichtungen zur Rückführung eines Anteiles der von dem ersten Kopf gelieferten elektromotorischen Kraft U₂ an den Eingang des zweiten Kopfes, der das Eingangssignal U₀ für den zweiten Kopf darstellt, und Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz ρ zwischen den elektromotorischen Kräften U₂ und C₃.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der erste Magnetometerkopf als Spinoszillator mit subatomaren Teilchen (Atomkerne, Elektronen) ausgebildet ist und eine elektromotorische Kraft U₂ mit der Larmorfrequenz der Spins in dem Magnetfeld in dieser ersten Zone, in der sich die Spins befinden, liefert.

In weiterer Ausbildung der Erfindung enthält der zweite Magnetometerkopf eine Eingangsspule, in Reihe dazu einen in der Impedanz erheblich höher liegenden Widerstand, eine Ausgangsspule mit einem parallelgeschalteten Kondensator, der mit der Ausgangsspule einen Resonanzkreis bildet, der mit. einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz schwingt, und ein Spinsystem mit subatomaren Teilchen, wobei das Spinsyslem die Ausgangsspule mit der Eingangsspule bei der Larmorfrequenz (die gleich der Resonanzfrequenz ist) des Spinsystems in dem magnetischen Feld in der zweiten Zone koppelt.

Zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der ersten und zweiten elektromotorischen Kraft enthält der Gradientenmesser in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Phasendifferenz-Meßeinrichtung, bestehend aus:

einem Paar von Einrichtungen, die den beiden normalerweise um 180° phasenverschobenen elek-

tromotorischen Kräften Rechteckform erteilen; einem Paar von Einrichtungen zur Differenzierung der beiden so auf Rechteckform gebrachten elektromotorischen Kräfte;

einem Paar von Einrichtungen, die in den beiden so durch Differenzieren erhaltenen Impulsfolgen nur die Impulse beibehalten, die eine bestimmte Polarität haben, die für die beiden Folgen die gleiche ist;

einer bistabilen Kippschaltung, die die beibehaltenen Impulse einer bestimmten Polarität empfängt und aus einem stabilen Zustand beim Empfang eines jeden Impulses in den anderen kippt; einem Integrator zur Integrierung der aus der Kippschaltung austretenden Spannungsstufen, und Einrichtungen zur Messung der Ausgangsspannung des Integrators, die zu der zu bestimmenden Phasendifferenz proportional ist.

Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Gradientenmesser wird die Eingangsspannung für den zweiten Magnetometerkopf vom ersten Magnetometerkopf abgeleitet und die Messung des magnetischen Feldgradienten auf eine Messung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspulen der beiden Magnetometerköpfe zurückgeführt, die der Differenz der magnetischen Feldstärken in der ersten und zweiten Zone proportional ist. Mit diesem Gradientenmesser können die Gradienten von .Magnetfeldern, insbesondere des magnetischen Erdfeldes, mit einer sehr hohen Genauigkeit in der Größenordnung eines Zehntel Mikrooersted bestimmt werden. Ferner eignet sich der Gradientenmesser auch/ zur Messung des Absolutwertes eines magnetischen FeI-des. Das Meßgerät hat verhältnismäßig kleine Abmessungen und kann als tragbares Gerät ausgeführt werden; der Stromverbrauch ist relativ gering.

Die Magnetometerköpfe des Gradientenmessers arbeiten Vorzugsweise nach dem Prinzip des Overhauser-Abgragam-Effektes. Durch diesen Effekt läßt. sich die Stärke des Resonanzsignals dadurch vergrößern, daß in den beiden Magnetometerköpfen gleichzeitig Kernspins und Elektronenspins ausgenutzt werden, wobei die Sättigung der elektronischen Resonanzlinie (durch eine elektromagnetische Strahlung mit der elektronischen Resonanzfrequenz) die Stärke des Resonanzsignals der Kernspins steigert. Ein auf diesem Prinzip beruhendes Magnetometer ist in der deutschen Patentschrift 1 191 480 beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel, der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Fig. 1 und 3 zeigen die Schaltungen der beiden Magnetometerköpfe eines erfindungsgemäßen Gradientenmessers;

Fig. 2 zeigt die Änderung der Amplitude der elektromotorischen Ausgangskraft des Kopfs der. Fig. 1 in Funktion der Frequenz des Eingangssignals;

F i g. 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Gradientenmesser, dessen beide Köpfe zweckmäßig gemäß F i g. 1 und 3 ausgeführt sind;

F i g. 5 zeigt die Änderung der Phasenlage (und der Amplitude) zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines der Köpfe des Gradientenmessers der Fig. 4, nämlich des zweckmäßig gemäß F i g. 1 ausgebildeten;

F i g. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsgrößen der beiden Köpfe des Gradientenmessers der Fig. 4.

F i g. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines der Köpfe des Gradientenmessers, bei welcher der Overhauser-Abragam-Effekt ausgenutzt wird.

Eine Eingangsspule 1 liegt in Reihe mit einem Widerstand 2, dessen rein Ohmsche (d. h. reelle) Impedanz R erheblich größer als die Impedanz cöL der Spule 1 (mit der Induktivität L) bei der Betriebskreisfrequenz ω ist (R > coL), so daß die Spannung U₀ des an die Klemmen. A, B angelegten sinusförmigen Eingangssignals praktisch in Phase mit dem durch die Spule fließenden ebenfalls sinusförmigen Strom I₀ ist.

Eine Ausgangsspule 3 ist parallel zu einem gegebenenfalls abstimmbaren Kondensator 4 geschaltet, um einen Resonanzkreis 5 zu bilden, wobei die beiden Spulen 1 und 3 normalerweise elektrisch entkoppelt sind und ein etwaiger Widerstand 6 den Gütekoeffizienten des Resonanzkreises herabsetzt, wobei die Spule 3 normalerweise von der Spule 1 entkoppelt ist (so daß der Koeffizient ihrer gegenseitigen Induktion praktisch Null ist), indem z. B. diese Spulen senkrecht zueinander angeordnet sind.

Ein Spinsystem mit subatomaren Teilchen (welche einer in einem Behälter 7 enthaltenen Flüssigkeit 8 angehören) koppelt die Ausgangsspule 3 mit der Eingangsspule 1 mit der Resonanzfrequenz des Spinsystems in dem Magnetfeld, in welchem es sich befindet, wobei diese Frequenz J₀, Larmorfrequenz genannt, zu der Stärke H₀ dieses Magnetfeldes proprotional ist. und durch folgende Gleichung gegeben ist:

/0 =

feld Null und dem magnetischen Erdfeld hat, durch Anlegung eines wechselnden (oder rotierenden) Magnetfeldes mit dieser Frequenz J_e gesättigt wird, welches von einem mit dieser Frequenz schwingenden Oszillator 9 und einer von diesem gespeisten, in die Flüssigkeit 8 eintauchenden Spule 10 erzeugt wird. Eine nicht dargestellte, den Behälter 7 umgebende Abschirmung ist für die Kernresonanzfrequenz J₀ durchlässig, aber für die Frequenz der elektronischen Linie f_e > J₀ undurchlässig (für eine wäßrige Nitrosodisulfonatlösung beträgt z. B. in dem magnetischen Erdfeld f_e = 55 bis 56 MHz und J₀ = 2100 Hz),

Wenn man an die Eingangsklemmen A, B des Vierpols der F i g. 1 eine Wechselspannung U₀ mit der Frequenz

r _

2π

worin γ das gyromagnetische Verhältnis des Spinsystems ist.

Die Ausbildung wird so getroffen, daß die Resonanzfrequenz J₁ des Resonanzkreises 5 der Frequenz J₀ sehr naheliegt, wobei der verringerte Gütefaktor dieses Kreises übrigens die Wirkung hat, die Frequenzmitnähme (pulling) zu verringern, d. h. zu verhindern, daß der Resonanzkreis seine Resonanzfrequenz der Ausgangsgröße des Filters aufprägt, welche die Fre- quenzJ₀ hat, wie dies nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 2 erläutert ist.

Die Stärke des Resonanzsignals der Spins wird vorzugsweise durch den Overhauser-Abragam-Effekt gesteigert. Die Flüssigkeit 8 wird daher durch eine Lösung gebildet, welche in einem Lösungsmittel (insbesondere Wasser), welches Kernspins (insbesondere Protonen) enthält, ein freies paramagnetisches Radikal aufweist, z. B. Ditertiobutalnitroxyd oder Nitrosodisulfonat, von welchen eine elektronische Resonanzlinie mit einer Frequenz J_e, welche in einem Magnetfeld von der Größe Null von Null verschieden ist und praktisch die gleiche Größe in einem Magnetso anlegt, so daß ein Wechselstrom mit der Frequenz / und der Stärke I₀ in der Spule 1 fließt, welcher mit U₀ J_n Phase ist, da R > coL, und wenn man die Amplitude α der an den Ausgangsklemmen C, D des Vierpols verfügbaren Spannung U₁ mißt, indem man / _Von einem Wert Ju welcher erheblich kleiner als J₀ j_st, allmählich steigert, erhält man die Resonanzkurve der Fig. 2, welche eine Lorentz-Kurve ist.

Fern von J₀ ist nämlich die induktive Kopplung zwischen den Spulen. 1 und 3 Null, und α ist praktisch Null. Wenn sich / dem Wert J₀ nähert, tritt über das Spinsystem eine Kopplung zwischen den Spulen 1 und 3 auf, wobei die Spins einen Teil der durch die Spule 1 ausgegebenen Energie wieder an die Spule 3 zurückgeben. Anders ausgedrückt, in der Nähe der Frequenz J₀ spielt das Spinsystem zwischen dem durch die Spulel gebildeten Sender einer elektromagnetischen Strahi_ung und dem durch die Spule 3 gebildeten Empfän_ger der elektromagnetischen Strahlung etwa die gleiche Rolle wie eine undurchsichtige Substanz in der Nähe eines Durchsichtigkeitsbandes (in welchem der kom-

pfexe Index und die komplexe Dielektrizitätskonstante auf ihren reellen Teil beschränkt sind) gegenüber einer »leuchtenden« Strahlung.

Man erhält so (F i g. 1) ein elektrisches Filter mit einer sehr schmalen Bandbreite (Breite d/) und einem sehr hohen Gütekoeffizienten (Q gemessen = 6250). Wenn f — J₀, ist U₁ in Phase mit U₀,. da die die Spulen 1 und 3 koppelnde magnetische Suszeptibilitat eine reelle Zahl ist. Wenn sich dagegen / von J₀ entfernt, tritt eine gewisse Streuung auf, da 'die magnetische Suszeptibilität komplex wird, was eine Phasenverschiebung zwischen U₁ und CZ₀ zur Folge hat, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf Fi g. 5 genauer erläutert ist.

Das Filter der F i g. 1 mit einer sehr schmalen Bandbreite kann in einer Rückkopplungsschleife wie ein üblicher Schwingkreis benutzt werden. Es genügt, an die Eingangsklemmen A, B einen Teil der an den Ausgangsklemmen C-D verfügbaren Spannung nach Verstärkung ohne Phasenverzerrung zurückzuführen, um einen (Spinoszillator genannten) Oszillator zu erhalten, welcher eine Spannung mit einer Frequenz liefert, welche zu der Stärke des Magnetfeldes proportional ist, in welchem sich die Spins befinden.

In F i g. 3 ist ein derartiger Spinoszillator dargestellt, welcher eine bekannte, z. B. in der französischen Patentschrift 1 35Γ587 vom 28. Dezember 1962 beschriebene Bauart aufweist.

In F i g. 3 findet man bei T₀ das Filter T₂ der F i g. 1 wieder (die entsprechenden Teile der beiden Figuren tragen in F i g. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1, zu welchen jedoch in F i g. 3 der Buchstabe α hinzutritt), mit Ausnahme der folgenden Abänderung: zur Sicherstellung einer besseren elektrischen Entkopplung zwischen der Eingangsspule und der Ausgangsspule bei Fehlen einer Kopplung durch die Spins ist die Eingangsspule in zwei Abschnitte la und 16 unterteilt, wobei der Mittelpunkt B₁ Körperschluß hat, und die Anordnung Ia-Ib wird über ein Ausgleichspotentiometer 26, Ic gespeist.

Bei 11 α ist der ohne Phasenverzerrung arbeitende Verstärker dargestellt, dessen Eingang mit dem Ausgang £, F des Filters T₀ und dessen Ausgang mit den Ausgangsklemmen E₁, F₁ des Oszillators verbunden ist. Ein Teil der Ausgangsgröße des Verstärkers 11a wird durch den Leiter 12 wieder an den Eingang A₁ des Filters T₀ zurückgeführt, dessen anderer Eingang B₁ wie bereits ausgeführt ebenso wie die Ausgänge F und F₁ Körperschluß hat.

Wenn g der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 a und ζ die Überführungsimpedanz des Filters T₀ genannt wird, genügt es, daß gilt: gz—>1, damit der Oszillator der F i g. 3 eine sinusförmige elektromotorische Kraft U₂ liefert, welche von dem Gütefaktor des Schwingkreises 5a unabhängig ist, so daß also der Gütekoeffizient durch den Widerstand 6a auf etwa 6 heruntergesetzt werden kann, wodurch eine sehr geringe Frequenzmitnahme in einem Bereich der magnetischen Feldstärke in der Größenordnung von 1000 Gamma oder 0,1 Oersted erreicht wird.

Der Verstärker 11a wird durch die Wirkung der magnetischen Resonanz der Spins (insbesondere der Protonen) der Flüssigkeit 8a gesteuert (welche gleich der Flüssigkeit 8 ist, falls das Filter T₂ und der Oszillator T₁ in dem gleichen Gradientenmesser der F i g. 4 benutzt werden), da die den Durchgang durch das Filter (Ausgangsspannung in Funktion der Eingangsspannung) darstellende Kurve nicht durch eine lineare Gleichung, sondern durch eine Van de Polsche Gleichung dargestellt wird.

In F i g. 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Gradientenmesser dargestellt. Er enthält einen ersten Magnetometerkopf T₁, welcher in Wirklichkeit bei der bevorzugten Ausführungsform durch einen Oszillator der in F i g. 3 dargestellten Art (mit einem Filter T₀) gebildet wird und bei E₁, F₁ eine erste praktisch sinusförmige elektromotorische Kraft U₂ liefert, deren Frequenz zu der Stärke H₁ des Magnetfeldes in der ersten Zone, in welcher sich der Kopf T₁ befindet, proportional ist.

Ein zweiter Magnetometerkopf T₂ bildet ein Kernfilter (in Wirklichkeit bei dieser Ausführung das Filter der F i g. 1), welches bei C, D bei Ansprechen auf ein sinusförmiges Eingangssignal U₀ veränderlicher Frequenz eine zweite elektromotorische Ausgangskraft t/₃ überträgt, deren Amplitude α sich in Funktion der Frequenz des Eingangssignals gemäß einer Resonanzkurve oder Lorentz-Kurve (nämlich der in F i g.2 dargestellten) ändert, welche auf seine Resonanzfrequenz zentriert ist, wobei diese Resonanzfrequenz wie oben erläutert zu der Stärke H₂ des Magnetfeldes in der zweiten Zone proportional ist, in welcher sich der zweite Kopf T₂ befindet.

Einrichtungen, z. B. elektrische Leiter 12a, führen einen Teil der ersten von dem ersten Kopf T₁ gelieferten elektromotorischen Kraft U₂ an den Eingang A, B des zweiten Kopfs T₂ zurück, wodurch das Eingangssignal (Z₀ entsteht.

Schließlich sind Einrichtungen Vorgesehen, welche

die Phasendifferenz ρ zwischen der ersten und der zweiten elektromotorischen Kraft bestimmen, welche zu dem Gradienten des Magnetfeldes zwischen der ersten und zweiten Zone proportional ist.

Ferner wird zweckmäßig außerdem ein Verstärker 11 derart vorgesehen, daß die (verstärkte) Ausgangsgröße

ίο IZ₃ des Kopfs T₂ und die Ausgangsgröße U₂ (nach Entnahme durch den Leiter 12a) des Kopfs T₁ praktisch die gleiche Amplitude haben. Die Messung der Phasendifferenz ρ zwischen U₂ und U₃ erfolgt in einer Vorrichtung 13, welche einen Empfindlichkeitsumschalter 14 speist, dessen Ausgang mit einem Registriergerät 15, z. B. einem Registriergalvanometer, verbunden ist.

In Fig. 5 ist die Phasenänderung ρ in Funktion der Frequenz / des in den Kopf oder das Filter T₂ eintretenden Signals U₀ zusammen mit der Resonanzkurve, welche die Amplitude α des Ausgangssignals U₁ ebenfalls in Funktion von /angibt, dargestellt. Wenn / den Wert Z₁ (Frequenz in dem Feld H₁) erreicht und dieser gleich /₀ (Resonanzfrequenz des Spinsystems in dem Magnetfeld mit der Stärke H₂, von der angenommen ist, daß sie gleich H₀ ist) ist, hat die Amplitude α den Höchstwert (den Wert m), und die Phasenverschiebung ρ zwjschen der Eingangsgröße U₀ und der Ausgangsgröße U₁ und somit zwischen U₂ und U₃ ist Null. Infolgedessen ist die Phasenverschiebung zwischen U₂ und U₃ Null, wenn das Magnetfeld in der ersten und in der zweiten Zone genau die gleiche Stärke hat, d. h., wenn H₁ gleich H₂ ist. Der Apparat 15 registriert dann Null. Sobald ein Feldgradient zwischen der ersten und der zweiten Zone auftritt, d. h. sobald H₂ von H₁ verschieden ist, erscheint eine Phasendifferenz ρ zwischen U₀. und U₁ und somit zwischen U₂ und U₃, wobei die Änderung dieser Phasendifferenz eben durch die untere Kurve der F i g. 5 dargestellt

wird, aus welcher hervorgeht, daß für eine Änderung von /um d/die Phase/? sich zwischen — pm und -\-pm ändert. Bei der im einzelnen beschriebenen Ausführungsform beträgt die Phasenänderung π/2 für eine Änderung von 15 Gamma (Iy = 10~⁵ Oersted) von der /₀ entsprechenden mittleren Stärke des Magnetfeldes aus, was eine sehr bedeutende Empfindlichkeit des Apparats ergibt.

In F i g. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz ρ zwischen U₂ und U₃ dargestellt.

Eines der Signale U₂ oder U₃ wird zunächst um 180° phasenverschoben, so daß zwei Signale Ja, Jb entstehen, welche um 180° gegeneinander phasenverschoben sind, wenn die Phasenverschiebung ρ zwischen U₂ und U₃ Null ist. Die Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz enthalten dann außerdem ein Paar von Einrichtungen 16 a, 16 b, zweckmäßigerweise Schmittsche Kippschaltungen, welche die beiden elektromotorischen Kräfte Ja und Jb auf Rechteckform Ka, Kb bringen.

Ein Paar von Einrichtungen zur Differentiierung der so auf Rechteckform gebrachten elektromotorischen Kräfte Ka, Kb wird je z. B. durch einen Reihenkondensator 17a, YIb und einen Ableitungswiderständ 18a, 186 gebildet.

Ein Paar von Einrichtungen behält in den beiden so durch Differentiieren erhaltenen Impulsfolgen nur die Impulse La, Lb mit einer bestimmten Polarität bei,

i 623

welche für die beiden Folgen die gleiche ist, z. B. die positive Polarität (wie dargestellt), wobei diese Einrichtungen zweckmäßig durch zwei Dioden 19a, 20a für das eine Paar und 196, 20b für das andere'Paar gebildet werden.-

Eine bistabile Kippschaltung 21 empfängt die Impulse La, Lb und kippt aus einem stabilen Zustand in den anderen bei Empfang eines jeden Impulses La oder Lb, wobei sie eine Spannung M mit abwechselnd positiven und negativen Rechteckstufen liefert.

Ein Integrator 22 integriert die AusgangsspannungM der Kippschaltung.

Einrichtungen 15 messen die Ausgangsspannung des Integrators 22, weiche zu der zu bestimmenden Phasendifferenz proportional ist.

Wenn nämlich die Phasendifferenz ρ zwischen den elektromotorischen Kräften U₂ und U₃ Null ist, beträgt die Phasendifferenz zwischen den elektromotorischen Kräften Ja und Jb 180°. Dies ist der für die verschiedenen Signale der F i g. 6 dargestellte Fall. Die Signale Ka und Kb sind dann ebenfalls um 180" phasenverschoben, und die Impulse Lb legen sich zwischen die Impulse La, wobei die vorderen Flanken der Impulse Lb gerade in der Mitte des Zwischenraums zwischen zwei vorderen Flanken von Impulsen La auftreten. Die bistabile Kippschaltung bleibt während der gleichen Zeitdauer in jedem Zustand, und das Signal M besitzt einander gleiche positive und negative Halbwellen. Sobald eine Phasenverschiebung /; zwischen U₂ und U₃ auftritt, sind die Signale Ja und Jb nicht mehr genau um 180° phasenverschoben, und die vorderen Flanken der Impulse Lb verschieben sich je nach dem Zeichen von/? in Richtung auf den vorhergehenden oder den nächsten Impuls La. Die Kippschaltung 21 bleibt dann länger in einem der Zustände als in dem anderen, so daß das Signal M Halbwellen einer Polarität aufweist, welche langer als die Halbwellen der anderen Polarität sind. Der Integrator 22 gibt den Mittelwert des Signals M wieder, welcher Null ist, wenn ρ = 0, dessen Absolutwert jedoch mit ρ zunimmt, wenn dieser von Null verschieden ist, wobei das Vorzeichen dieses mittleren Signals von dem Vorzeichen von ρ abhängt.

Bei der dargestellten Ausführungsform geht die von dem Integrator 22 gelieferte Spannung von 0 auf 10 V für eine \on 0 bis πβ wachsende Phasenverschiebung/?, d. h. für einen von 0 auf 15 γ zunehmenden Gradienten zwischen der ersten und zweiten Zone. Da das elektronische Grundgeräusch nicht den Wert eines Millivolts übersteigt, kann mit diesem Apparat ein Gradient von 1,5 ·10"³;- festgestellt werden, was für die im ■ allgemeinen vorzunehmenden Messungen eine viel zu grof?e Empfindlichkeit darstellt. Es kann daher zwischen dem Integrator 22 und dem Registriergerät 15 ein Abschwächer 14 eingeführt werden, welcher die „ Empfindlichkeit auf einen Höchstwert von 0,01 γ begrenzt. Die Ausgangsspannung des Abschwächers 14 kann registriert oder auf einem üblichen Galvanometer 15 abgelesen werden, wobei der Abschwächer z. B. drei verschiedene Empfindlichkeiten hat, nämlich • 1 γ b/w. 2 γ bzw. 5 γ für die ganze Skala.

Es können Einrichtungen vorgesehen werden, um den Abstand zwischen den Köpfen T₁ und T₂ gemäß der Verwendung oder dem Zustand des Geländes vu verändern. So können z. B. die Köpfe T_{1 6s} und T., in einem rohrförmigen Halter aus Kunststoff eingeschlossen werden, in welchem sie in der Längsrichtung verschoben und in ihrer Stellung befestigt werden können, wobei der übliche Abstand zwischen den beiden Köpfen z. B. 80 cm beträgt.

Mit einem derartigen Apparat können Änderungen in der Größenordnung von 0,01 γ, d. h. 0,1 Mikrooersted, beobachtet und bestimmt werden, wobei die Änderungen der magnetischen Feldstärke registriert werden und den allgemeinen Verlauf der Störungen liefern können, z. B. zur Bodenerforschung unter Bestimmung der Anomalien des Magnetfeldes.

Es ist zu bemerken, daß an dem Apparat der F i g. 4 ein einfach an E₁, F₁ angeschlossener Ausgang vorgesehen werden kann, welcher in einem Frequenzmesser die Stärke H₁ des Magnetfeldes angibt.

Ein vollständiger transistorierter Gradientenmesser gemäß der unter Bezugnahme auf Fig. 1, 3, 4 und 6 beschriebenen Ausführungsform verbraucht 0,4 Ά unter 28 V, d. h. etwa 12 W, wobei ein einziger Oszillator die beiden Oszillatoren 9 und 9a zur Speisung der Spulen 10 bzw. 10a der Köpfe T₂ bzw. T₁ ersetzt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetischer Gradientenmesser zur Messung der Differenz der magnetischen Feldstärken in einer ersten und in einer zweiten Zone, gekennzeichnet durch einen in der ersten Zone befindlichen ersten Magnetometerkopf (T₁), der eine erste praktisch sinusförmige elektromotorische Kraft U₂ mit einer zur Stärke des Magnetfeldes in dieser ersten Zone proportionalen Frequenz liefert, einen zweiten, in der zweiten Zone befindlichen Magnetometerkopf (T₂), der wie ein Bandpaßfilter mit sehr schmaler Bandbreite auf ein sinusförmiges Eingangssignal U₀ veränderlicher Frequenz anspricht und eine zweite elektromotorische Kraft U₃ liefert, deren Amplitude sich als Funktion der Frequenz des Eingangssignals entsprechend einer Resonanzkurve (Lorentz-Kurve) ändert, die auf seine zur Stärke des Magnetfeldes in der zweiten Zone proportionale Resonanzfrequenz zentriert ist, Einrichtungen zur Rückführung eines Anteiles der von dem ersten Kopf (Γι) gelieferten elektromotorischen Kraft U₂ an den Eingang des zweiten Kopfes (T₂), der das Eingangssignal U₀ für den zweiten Kopf (T₂) darstellt, und Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz ρ zwischen den elektromotorischen Kräften U₂ und U₃.

2. Magnetischer Gradientenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnetometerkopf (T₁) als Spinoszillator mit subatomaren Teilchen (Atomkerne, Elektronen) ausgebildet ist und eine elektromotorische Kraft U₂ mit der Larmorfrequenz der Spins in dem Magnetfeld in dieser ersten Zone, in der sich die Spins befinden, liefert.

3. Magnetischer Gradientenmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magentometerkopf (T₂) eine Eingangsspule (1), in Reihe dazu einen in der Impedanz erheblich höher liegenden Widerstand (2), eine Ausgangsspule (3) mit einem parallelgeschalteten Kondensator (5), der mit der Ausgangsspule (3) einen Resonanzkreis bildet und mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz schwingt, und ein Spinsystem (8) mit subatomaren Teilchen aufweist, dis die Ausgangsspule mit der Eingangsspulc bei der Larmorfrequenz (die gleich der Resonanz-·

209 614/173

frequenz ist) des Spinsystems in dem Magnetfeld an der zweiten Zone koppelt.

4. Magnetischer Gradientenmesser nach einem

der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Phasendifferenzmeßeinrichtungen ρ enthalten: ein Paar von Einrichtungen, die den beiden normalerweise um 180° phasenverschobenen elektromotorischen Kräften Rechteckform erteilen;

ein Paar von Einrichtungen zur Differenzierung der beiden so auf Rechteckform gebrachten elektromotorischen Kräfte;
ein Paar von Einrichtungen, die in den beiden so durch Differenzieren erhaltenen Impuls-

folgen nur die Impulse beibehalten, die eine bestimmte Polarität haben, die für die beiden Folgen die gleiche ist;

eine bistabile Kippschaltung, die die beibehaltenen Impulse einer bestimmten Polarität empfängt und aus einem stabilen Zustand beim Empfang eines jeden Impulses in den anderen kippt;

einen Integrator zur Integrierung der aus der Kippschaltung austretenden Spannungsstufen, und

Einrichtungen zur Messung der Ausgangsspannung des Integrators, die zu der zu bestimmenden Phasendifferenz proportional ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen