DE1951230A1 - Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder - Google Patents

Description

Patentanwalt· 410-14.999P IO.IO.1969

DIpI.-Inr>. Ώ. Beetz IL DipL-Ing. Uinprecht

München 22, St&lnsdorfstr< 1·

Commissariat a !'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder, insbesondere zur Messung der Komponente eines Magnetfelds in einer bestimmten Richtung·

Es ist bereits bekannt, das Magnetfeld an einem Ort zu messen, indem an diesen Ort eine Sonde gebracht wird, die durch einen Kern aus einem Ferromagnetikum, das eine Hysterese-Schleife hat, und eine Spule gebildet ist, die das Beaufschlagen des Kerns mit einem periodischen Magnetwechselfeld solcher Amplitude erlaubt, daß der Kern in den Sättigungszustand gelangt* Der Betrag des Magnetfelds kann durch Messung der Amplitude von Oberschwingungs-Paaren der erhaltenen Signale (im allgemeinen bei

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der doppelten Frequenz des Erregerstroms) durch, eine zweite Spule gemessen werden, die sich ebenfalls auf dem Kern befindet.

Derartige Vorrichtungen werden bereits -verwendet, genügen jedoch nicht den Anforderungen für die genaue Messung von sehr schwachen Magnetfeldern. Die Ursache dafür ist insbesondere das starke und unvermeidbare Untergrundrauschen, das das Nutzsignal überdeckt, sobald dieses schwach wird.

Es ist ferner bereits eine Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern entwickelt worden, die als Fühler ein dünnes ferromagnetisches Plättchen benutzt, das in Richtung einer Achse leicht magnetisierbar ist, die im folgenden Vorzugsachse genannt werden soll. Diesem Plättchen sind zugeordnet: eine Pumpwicklung, die ein entlang der Vorzugsachse gerichtetes Magnetfeld liefert, eine Fühlwicklung auf einer Achse senkrecht zur Vorzugsachse und eine Kompensationswicklung, die die gleiche Achse wie die vorhergehend· Wicklung hat und «in Feld erzeugt, da· zu der zu messenden F«ldkompon«nte entgegengesetzt gerichtet ist, die in Richtung senkrecht »ur Vorzugsach·· ausgerichtet isto Diese Vorrichtung erzeugt in der Fühlwicklung ein Ausgangssignal, das von der Komponente senkrecht zur Vorzugsachse des auf das Plättchen einwirkenden Feld· abhängt (der Differenz zwischen dem äußeren Feld und dem Feld der Kompensationswicklung).

In dieser Vorrichtung findet eine Magnetiaierungsumkehr im Plättchen bei jeden Richtungswechsel des Felds statt, das durch die Puepwicklung erzeugt wird. Dieses Umklappen kann nur durch Verschiebung dar Wände lsi Platt-

/ti¥V

chen stattfinden, was zu starkem Barkhausen-Rauschen führt und die Empfindlichkeit begrenzte In der Praxis kann diese Vorrichtung nicht zur Messung von Feldern von weniger als 10Ϊ (ij = 10 Oe) verwendet werden₀ Außerdem begrenzt dieses Rauschen die Meßgenauigkeit,

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die besser als die bekannten Vorrichtungen den Anforderungen der Praxis genügt» insbesondere durch Erhöhung der erreichbaren Meßgenauigkeit «>

Der Erfindung liegt die Ausnutzung eines Effekts zugrunde, der nur ein sehr schwaches Untergrundrauschen aufweist ρ nämlich der Richtungsumkehr der Induktion in einer dünnen ferromagnetisehen Schicht durch kohärente Drehung« Dieser Umklappmechanismus hat im Vergleich zum anderen möglichen Mechanismus in dünnen magnetischen Schichten durch Wandverschiebung den Vorteil, daß das Barkhausen-Rausöhen nicht auftritt«,

Die Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine dünne ferromagnetische Inversionsschicht, auf die das zu messende Feld einwirkt, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines symmetrisphen, periodischen Wechselpumpfelds, das parallel zur Magnetisierungsvorzugsachse der Schicht ausgerichtet' ist, durch eine Fühlwicklung auf einer Achse parallel zur Magnetisierungs-Vorzugsachse der Schicht und durch eine Untersuchungseinrichtung zur Untersuchung der von der Fühlwicklung empfangenen Signale«

An der Schicht wird gleichfalls ein Polarisationsfeld angfeTegt," das* senkrecht zur Vorzugsachse gerichtet

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ist, mindestens j wenn die Schicht ein ebenes Plättchen ist.

Man kann die Signale analysieren, um die Zeitintervalle zu bestimmen, die aufeinanderfolgende Richtungsumkehrungen der Induktion in der Schicht trennen, wobei die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen für die Feldkomponente auf der Vorzugsaehse repräsentativ ist»

Da jedoch die direkte Messung der Zeitintervalle schwierig ist, ist es im allgemeinen vorzuziehen, die ψ Amplitude eines Oberschwingungs-Paares (vorzugsweise der ersten harmonischen Oberschwingung) eines elektrischen Signals zu messen, das in einer der Schicht zugeordneten Spule erzeugt wird und InduktionsSchwankungen in der Schicht wiedergibt. Um das Grundsignal zu unterdrücken, kann man vorteilhafterweise eine symmetrische Brücke von zwei dünnen Plättchen verwenden.

Unter der Bezeichnung "Schicht" sollen Werkstoffe verstanden werden, die sowohl in Draht- als auch in gewöhnlicher Plättchenform vorliegen» Die erste Werkstoffart hat

ι
den Vorteil, den Bau von Schichten mit sehr kleinen Ab-

messungen zu ermöglichen*.

Oben und in der folgenden Beschreibung wird unter der Bezeichnung "Inversionsschicht" eine Schicht verstanden, für die im Gegensatz zu den gewöhnlich verwendeten Schichten die kritische Kurve der kohärenten Gesamtdrehung sich vollständig innerhalb der kritischen Kurve der Wandverschiebung¹ befindete Außerdem wird unter der Bezeichnung "Pumpfeld" ein periodisches, symmetrisches Wechselfeld verstanden, das im allgemeinen sinusförmig ist_o

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-■ 5 - ■ ...■■'

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der Erfindung ist das Polarisationsfeld auf der "Nichtvorzugsachse" der Schicht (senkrecht zur Vorzugsachse) ein Gleichfeld mit einem Betrag größenordnungsmäßig gleich der Amplitude des Pumpfelds_o

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der Erfindung ist das Polarisationsfeld auf der Nichtvorzugsachse der Schicht (senkrecht zur Vorzugsachse) ein Wechselfeld und durch die Komponente auf der Nichtvorzugsachse eines Wechselfelds gebildet, dessen Komponente auf der Vorzugsachse das Pumpfeld bildete

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig, 1 schematisch die Änderungen der Magnetisierungskomponente M_e, die parallel zur Aufprägungsrichtung eines Außenfelds Hg verläuft, das einen Winkel θ mit der Magnetisierungsvörzugsachse einer dünnen Inversionsschicht bildet, die außerdem von einem Magnetfeld h beaufschlagt ist_p das entlang der Vorzugsaoh.se verläuft ι

Fig. 2 schematisch die kritische Kurve der kohärenten Gesamtdrehung, die kritische Kurve der kohärenten Teildrehung und die kritische Kurve der Wandverschiebung einer dünnen Schicht, die verwendet werden kann, um die Signale nachzuweisen, die durch die Magnetisierungsumkehr bei Anlegen des Wechselfelds in Vorzugsrichtung erzeugt

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werden, für verschiedene Werte des Polarisationsgleichfeldes, das auf der Nichtvorzugsachse einwirkt}

Fig. 3 stark vereinfacht ein Schaltbild der elektrischen Vorrichtung, die einer Schicht zugeordnet ist, um ein Magnetometer zu bilden}

Fig. 3bis das Schaltbild des in Fig„ 3 verwendeten De tektors j

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Pumpfelds und des Ausgangssignals der Vorrichtung von Fig. 3l und

Fig. 5 ähnlich Fig. 3 die einem Draht zugeordnete Vorrichtung, um ein Magnetometer zu bilden«

Es sollen zunächst einige Eigenschaften von dünnen anisotropen Schichten wiederholt werden» Diese Schichten, die von Ferromagn©tika gebildet werden, haben eine Vorzugsrichtung oder -achse, in die die Magnetisierung sich ausrichten will» Dagegen zeigt die Magnetisierung nicht die Tendenz, sich in Richtung senkrecht dazu auszurichten, die daher Nichtvorzugsachse genannt wird. Sobald die Magnetisierung entlang der Vorzugsachse in dem Plättchen stattgefunden hat, hat ihre Ausrichtung eine große Stabilität, so daß es zur Richtungsumkehr notwendig ist, ein Feld aufzuprägen, das eine Komponente mit entgegengesetztem Richtungssinn bei kleinem Betrag hat·

Fig. 1 zeigt die Hysterese-Schleife einer derartigen

dünnen ferromagnetischen Schicht; die unter der Einwirkung eines magnetischen Wechselfelds H₀ konstanter Richtung stehtj, das einen Winkel θ von etwa 45 mit der Magnetisierungsvorzugsachse der Schicht bildete Man kann ein Sättigungsfeld H nachweisen, von dem ab nur eine einzige Gleichgewichtslage für die Magnetisierung M_Q vorhanden ist. Allgemeiner gesagt, es ist bekannt, daß für eine gegebene Schicht eine Kurve existiert, die sogenannte "kritische Kurve¹¹! die die Form einer Astroide hat und den Betrag des Magnetfelds gibt, das in den verschiedenen Richtungen relativ zur Vorzugsachse angelegt wird, und von der ab es nur einen einzigen stabilen Zustand für die Magnetisierung gibtχ Eine ausführlichere Darstellung ist im Schrifttum ■ zu finden, z_o B« in der Veröffentlichung "Les alliages ferromagnetiques dans les dispositifs a memoires* von Go Grunberg (Colloque international sur les techniques des memoires, Paris I965, Seite 85).

Die in Figo 1 abgebildete Hysterese-Schleife ist als Funktion des auf das Plättchen einwirkenden Gesamt-Magnetfelds H_ gezeichnet: Wenn dieses Feld durch die Summe eines zu messenden konstanten Feldes h und eines Wechselfelds gebildet wird_s tritt eine Differenz relativ zum Ursprung der Felder auf» Wenn das Wechselfeld symmetrisch ist und eine konstante,Frequenz aufweist, äußert sich das Vorhandensein des zusätzlichen Felds h durch verschiedene Zeitintervalle zwischen den Zeitpunkten der aufeinanderfolgenden Umklappvorgänge« Man kann daher das angelegte Feld messen, indem diese Zeitintervalle entweder direkt (durch Erfassen der Umklappzeitpunkte) oder indirekt, wie noch erläutert werden wird, durch Messung der Amplitude von Oberschwingungs-Paaren, vorzugsweise der ersten (harmonischen) Oberschwingung, gemessen werden»

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Vor der genaueren Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern soll noch daran erinnert werden, daß das Umklappen der Magnetisierung in einer dünnen ferromagnetischen Schicht mit einachsiger magnetischer Anisotropie durch mehrere Mechanismen vor sich gehen kann. Bei Annahme, daß die Schicht ein Bereich ist, zeigt die Theorie, daß das Umklappen durch kohärente Gesamtdrehung der Magnetisierung vor sich geht, sobald der Vektor des angelegten Felds die kritische Kurve überschreitet (Kurve I in Fig, 2)_o Diese Kurve ist im wesentlichen durch den Betrag des Felds EL charakterisiert,

ic

das das Anisotropiefeld genannt wird, für das sie die Magnetisierungsvorzugsachse schneidet.

Tatsächlich zeigen die Experimente der Magnetisierungs· umkehr in dünnen ferromagnetischen Schichten gewöhnlich, daß die Richtungsumkehr nicht so vor sich geht, wie sie von der Theorie der kohärenten Drehung vorausbestimmt wird_o Es ist daher denkbar, obwohl diese Erklärung nur eine Hypothese darstellt, daß diese Abweichung zwischen Theorie und Experiment auf das Vorhandensein von mehreren Bereichen entgegengesetzter Magnetisierung zurückzuführen ist und damit auf die Existenz von Trennwänden zwischen den Bereichen, während die Theorie einen Einbereichszustand der Magnetisierung voraussetzt.

Wie dem auch sei, die Magnetisierungsumkehr in den gewöhnlichen Schichten findet den größten Teil der Zeit durch Wandverschiebung statt und ruft eine Vergrößerung derjenigen Bereiche hervor, deren Magnetisierung anfangs eine Ausrichtung nahe der des Endzustands aufweist» Man kann so eine zweite kritische Kurve nachweisen, nämlich der sogenannten Wandverschiebung: Die Magne ti s i erungsum-

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kehr tritt ein, wenn der Vektor des angelegten Felds diese Kurve überschreitet, die insbesondere durch den Betrag H

des Felds auf der Vorzugsachse charakterisiert werden kann, für den die Magnetisierungsurakehr durch Wandverschiebung stattfindet.

Für dünne Schichten, deren Dicke etwa 2000 A beträgt, hat die Hysterese-Schleife auf der Nichtvorzugsachse eine wesentlich andere Form als auf der Vorzugsachse und reduziert sich auf eine LInIe₀ Für bedeutend geringere Dicken deformiert sie sich so, daß sie einer Schleife auf der Vorzugsachse ähnelt, und zwar von etwa 500 A an. Man kann einen zusätzlichen charakteristischen Parameter feststellen, der durch die Querkoerzitivkraft H gebildet wird (die Feldschwelle, die eine plötzliche Magnetisierungsumkehr in der Nichtvorzugs- oder Querrichtung hervorruft)_o Die Bedeutung dieses Parameters wird noch aufgezeigt werden.

In den gewöhnlichen ferromagnetischen Schichten sind die Felder H und H . kleiner als das Feld H,, und die Verwendung der Magnetisierungsumkehr in einer derartigen Schicht zur Messung eines Magnetfelds stößt auf die Schwierigkeit des Barkhausen-Rauschens, das die Wandverschiebung begleitet«

Im Gegensatz dazu liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, zur Feldmessung die Magnetisierungsumkehr durch kohärente Drehung auszunutzen, was offensichtlich erfordert, daß die Ungleichung H >»H, erfüllt ist« Anders aus-

O IC

gedrückt, die gegenseitige Lage der Kurve II (kritische Kurve der Wandverschiebung) und der Kurve I (Kurve der kohärenten Gesamtdrehung) muß wie in Figo 2 abgebildet sein.

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Man kann dünne ferromagnetische Schichten, die derartige Eigenschaften aufweisen, durch besondere Fertigungsverfahren erhalten, beispielsweise durch das Aufdampfen auf Glas von einer Legierung von 18 # Fe und 82 $ Ni in Vakuum und Erhitzung auf eine höhere Temperatur von 350 °C und mehrο Derartige Schichten werden "Inversionsschichten" genannt O

Man könnte annehmen, daß die Magnetisierungsumkehr in derartigen Schic hten sich immer durch kohärente Drehung vollzieht, da die Kurve I an allen Punkten von der Kurve II eingeschlossen ist. Die Experimente haben jedoch gezeigt₉ daß das nicht immer der Fall ist und daß die Magnetisierung sich noch unter Wandverschiebung umkehrt, wenn das angelegte Gesamtfeld in die Vorzugsachse oder in deren unmittelbare Nähe ausgerichtet ist» Wenn der Vektor des angelegten Felds auf der Vorzugsachse liegt, ändert sich der Mechanismus der Richtungsumkehr, und man beobachtet ein neues Phänomen» Um das Verhalten der Inversionsschicht zu zeigen, ist in Fig. 2 der Verlauf der Änderung in der

Zeit -TT der Magnetisierungsumkehr in einer Schicht abged"C

bildet, die ausgesetzt ist der Resultierenden von?

eines Polarisationsgleichfelds H auf der Nichtvorzugsachse ι und

eines periodischen Wechselfelds auf der Vorzugsachse, dessen Amplitude groß genug ist, um die Magnetisierungsumkehr hervorzurufen.

Man sieht, daß, wenn das Polarisationsfeld Null ist, das Umklappen sich während zwei Zeiten vollzieht· Für ein

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Feld H ' zwischen H. und H tritt ein erstes Signal -rr auf« Danach tritt für den Betrag H ein viel stärkeres Signal auf, das anzeigt, daß das Umklappen im wesentlichen durch Wandverschiebung vorgenommen ist₀

Wenn das Polarisationsfeld einen Betrag H ₁ annimmt, der insbesondere kleiner als H, ist, kehrt sich das Verhältnis zwischen den Amplituden der beiden Signale um.

Für einen noch größeren Betrag H „, der immer noch

kleiner als H ist, stellt man nur noch ein einziges Sik

gnal fest. Der Betrag des Felds _t der das Auftreten des Signals hervorruft, verschiebt sich auf einer Kurve III. ähnlich der Kurve I, aber außerhalb von dieser, die die Vorzugsachse im Betrag H, 'des Felds schneidet« Diese Kurve III wird "kritische Kurve der Teildrehung" genannt.

Für Felder H „, H · » usw., die größer als H. sind, werden die Signale schwächer, das Umklappen ist viel langsamer, und man verläßt schnell die Zone, in der maximale Empfindlichkeit und Genauigkeit erreicht werden können.

Das Umklappen der Magnetisierung für ein angelegtes Feld entsprechend der Kurve III scheint sich durch kohärente Drehung^u vollziehen, da es von Barkhausen-Rauschen

dM

frei ist und ein Signal -rr entstehen läßt, das genau richtig ist und dessen Amplitude jnan daher genau messen kann.

Es ergibt sich jedoch manchmal, daß hinsichtlich der vorgesehenen Anwendung die Qualität einer dünnen Schicht, für die man H , definieren kann, nicht direkt mit dem Wert des Verhältnisses H / H, verknüpft ist, sondern mehr mit

c ic

dem Verhältnis H / KL, das größer als 1 sein muß» Insbe-

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sondere verringert sich die minimale Grenze, wenn H . / H₁ ansteigt, in dem Maße, wie dieser Anstieg nicht von einem Anstieg der c<-Dispersion begleitet ist₀ Für derartige Schichten ist der tatsächliche Mechanismus des Umklappens nicht genau gleich dem oben beschriebenen, sondern führt zu Ergebnissen, die denen für H , > H. sehr ähnlich sind_o

Die Erfindung nutzt nun die obigen Eigenschaften, indem ein Umklappen der Magnetisierung durch kohärente Teildrehung in einer Zone des Polarisationsfelds hervorgerufen wird, für die die Wandvers chi ebung nicht oder nur schwach auftritt, d. h_o für die Zone, die schematisch durch den schraffierten Bereich in Figo 2 abgebildet ist.

Das Polarisationsfeld auf der Vorzugsachse kann auf zwei Arten erzeugt werden?

1. Es kann durch ein Gleichfeld gebildet sein, das durch eine Spule erzeugt wird, die von der Spule getrennt ist, die das Pumpfeld auf der dazu senkrechten Achse erzeugt. Der oben erwähnte Bereich entspricht daher einem Polarisationsfeld ^H oder H , « wobei dieses Polarisa-

c et'

tionsfeld außerdem die Komponente auf der Nichtvorzugsachse des äußeren Felds aufweist, dessen Komponente auf der Vorzugsachse zu messen ist_o

In diesem Zusammenhang müssen einige Anmerkungen gemacht werden? Zunächst ist der Betrag der Komponente des zu messenden Felds auf der Nichtvorzugsachse vernachlässigbar im Vergleich zu dem des äußeren Polarisationsfelds in der Größenordnung von 1 Oe, wenn das Magnetometer zur Messung von schwachen Feldern von 0,1Y- 1000 ^ beispiels-

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weise verwendet wird«. Andererseits ändert sich, die Kalibrierung des Magnetometers kaum für eine ziemlich große Änderung des Polarisationsfelds um das Optimum,,

2» Es kann durch die Komponente auf der Nichtvorzugsachse eines Wechselfelds gebildet sein, dessen Komponente auf der Vorzugsachse das Pumpfeld bildet. Dieses Wechselfeld wird daher durch eine einzige Spule erzeugt, die einen Winkel von etwa 30 - 60 mit der Vorzugsachse bildet.

Diese Lösung, die beim gegenwärtigen Stand der Technik nur für ebene Schichten anwendbar ist, führt zur Koaxialanordnung der Pumpwicklung und der Fühlwicklung in einer Richtung geneigt zur Vorzugsaoh.se· In diesem Fall ist es zweckmäßig, der Schicht zu dieser Vorzugsachse schräge Seiten zu geben, um die Sperrigkeit der Wicklungen zu verringern. "

Es soll jetzt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben werden, das ein Polarisationsgleichfeld und dünne Plättchen als Schichten verwendet« Die in Figo 3 abgebildete Vorrichtung mißt die Amplitude der ersten Öber-

dM
schwingung von "TTm, die mindestens in einem auf schwache Felder begrenzten Bereich proportional zur Komponente h des Gleichfelds auf der Vorzugsachse ist,-

Die Vorrichtung hat eine Poppelsonde 10, die durch zwei dünne Schichten 12 und 12* und zugehörige Wicklungen gebildet ist. Die Vorzugsachsen der beiden Schichten sind parallel oder fluchtend, und die Komponente h auf der Vorzugsachse des angelegten äußeren Felds 1st zu messen»

Die dünne Schicht 12, beispielsweise in Form eines

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rechteckigen Plättchens, das zwei Seiten parallel zur Vorzugsachse aufweist, ist mit einer Pumpwicklung 14, durch die ein Generator 16 einen elektrischen Strom mit stabilisierter Frequenz f schickt, und mit einer Fühlwicklung 18 koaxial zur Wicklung 14 versehen. Der Schicht 12 ist außerdem eine Polarisationswicklung 2O zugeordnet, die von einer Gleichstromquelle 22 versorgt ist und die ein Dauerfeld H auf der Nichtvorzugsachse senkrecht zum Pumpfeld erzeugt»

In der in Fig. 3 abgebildeten Schaltung versorgt der Generator 16 die parallel geschalteten Wicklungen 14 und 14', Damit es möglich ist, die beiden Ströme in den beiden Wicklungen abzugleichen, sind diese an den Enden an einen Widerstand 23 angeschlossen, während der Generator 16 mit dem Widerstand 23 an einem verstellbaren Abgriff verbunden ist. Die Wicklungen l4 und 14¹ sind ersichtlich in entgegengesetztem Sinn gewickelt, so daß die Pumpfelder in den Schichten 12 und 12* um 18O phasenverschoben sind» Die Polarisationswicklungen 20 und 2O¹ mit gleichem Rielitungssinn werden in Reihenschaltung stromversorgt» Die Fühlwicklungen 18 und 18·, die den gleichen Wicklungssinn haben und in Reihe geschaltet sind, versorgen eine Meßketteο Die Meßkette hat einen Verstärker 24, der zur wahlweisen Verstärkung der Frequenz 2f, die gleich der doppelten Frequenz des Generators \6 ist, an einen Synchrondetektor Z6 angeschlossen ist, der die Amplitude und das Vorzeichen der Spannung bei dieser doppelten Frequenz mißt, und an eine Anzeige- oder Registriereinrichtung 28. Es kann zweckmäßig sein, eine elektrostatische Abschirmung· zwischen die Pump- und Fühivricklung zu setzen, deren kapazitive Kopplung von der einen Anordnung 14 - 18 zur anderen Anordnung 14¹ - 18« verschieden sein kann. In den

meisten Fällen ist aber eine derartige Abschirmung nicht unbedingt notwendig.

Besondere Vorkehrungen müssen getroffen werden, damit der Verstärker 2k nur die Oberschwingungen empfängt, die wirklich in der Doppelsonde 10 erzeugt werden, und nicht Streuoberschwingungen, die beispielsweise vom Generator 16 stammen. Zu diesem Zweck kann man insbesondere zwischen dem Generator 16 und den Wicklungen "\k und Ik* ein Filter (nicht abgebildet) anordnen,' das die doppelte Frequenz aussiebt_o Außerdem wird ein Filter (nicht abgebildet) ρ das die Generatorfrequenz nicht durchläßt, vorteilhafterweise zwischen die Wicklungen 18 und 18' und · den Verstärker 2k geschaltet, um die Signale mit der Generatorfrequenz auszusieben, die nur unvollständig durch die Doppelsonde (beispielsweise wegen einer Unsymmetrie von dieser) ausgesiebt worden sind und den Verstärker in den Sättigungszustand bringen könnten·

Der Verstärker 2k muß daher den Bedingungen genügen, die durch die kleine Amplitude des Signals während der Messung sehr schwacher Felder auftreten«, Insbesondere muß er eine sehr hohe Verstärkung haben, ohne das Nutzsignal im Untergrundrauschen der Elektronik untergehen zu lassen. Zu diesem Zweck kann der Verstärker einen symmetrischen Vorverstärker mit schwachem Rauschen aufweisen (einen Vorverstärker mit Differenzeingang, der eine Eingangsstufe von Transistoren verwendet, die bei schwachem Strom arbeiten) , auf den Bandfilter folgen, die die Frequenzen f und 3f aussieben, ferner ein Impedanzwandler, ein Abschwächer und ein selektiver Verstärker mit hoher Verstärkung für die Frequenz 2f.

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Die Verwendung eines Abschwächers mit stufenweise veränderlichem Verhältnis, entsprechend beispielsweise aufeinanderfolgenden Potenzen von TO, ermöglicht es, dem Magnetometer variable Meßbereiche und Empfindlichkeit zu verleihen, z_e B. von O- 5/» 0- 50 ^ und 0 - 500^

Der Synchrondetektor 26 kann die schematisch in Figo 3-bis gezeigten Stufen aufweisen₀ Das Bezugssignal mit der Frequenz f vom Generator wird in einen Phasenschieber 36 eingespeist, der von 0 - I80 regelbar ist, danach in einen Frequenzdoppier 38 und in einen Kegel- und Impulsformer 40 eingespeist, der ein Rechtecksignal mit vorgegebener Amplitude abgibt ₉ das unabhängig von der Phasenregelung ist, und zwar mit der Frequenz 2f«

Das eigentliche Erfassen wird durch einen Multiplizierer kz vorgenommen» Das zu messende Signal wird in einen Verstärker eingespeist, der abwechselnd durch das Rechtecksignal gesperrt und geöffnet wird« Das zerhackte Ausgangssignal wird in einen Integrator 44 mit schmalem Durchlaßband eingespeist, der an eine Anzeigeeinrichtung 28 angeschlossen ist.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung von Figo 3 ist in Fig. 4 abgebildet, die die zeitliche Änderung der Signale zeigt, die in der Vorrichtung auftreteno

Die Kurve 30 oben in Fig. 4 und die Kurve 30· zeigen das Pumpfeld, das auf der Vorzugsachse der Schichten 12 bzw« 12· angelegt wird. Bei diesen Kurven bezeichnet h das zu messende Feld und H die Feldamplitude, für die dieMagnetisierung umklappt« Damit das Umklappen durch kohärente Teildrehung vor sich geht, werden die Schichten einem geeigneten Polarisationsfeld ausgesetzt.

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Wenn die Fühlwicklung 14, die zur Schicht 12 gehört, ein Signal -rr mit der in Figo 4 abgebildeten Form erhält, das durch Impulse gebildet ist, die in Zeitintervallen X~ und C ₂ wiederkehren, kann man, wie oben erläutert wurde, das Feld h aus einem Vergleich der Zeitintervalle "X. _Λ und

L^ ο ^un(* bei Verwendung einer einzigen Schicht gewinnen. Diese Lösung ist in der Praxis bedeutend schwieriger durchzuführen und führt zu einer bedeutend geringeren Empfindlichkeit als für die Vorrichtung von FIg₀ 3«

In ähnlicher Weise empfängt die Fühlwicklung 14', die der Schicht 12¹ zugeordnet ist, ein Signal , das einer zeitlichen Änderung des angelegten Felds gemäß der Kurve 30' entspricht. Die benachbarte Lage der Signale rrr und ■ von den Wicklungen 14 und '\k^t _t die in Serie geschaltet, sind, ist in der unteren Kurve von Fig_o A zu sehen» Da das Feld h von Null verschieden ist, sind die Umklappvorgänge nicht gleichzeitig, so daß aufeinanderfolgende bipolare Impulse entstehen. Wenn dagegen das Feld h Null ist, führt die benachbarte Lage der Impulse zu einem resultierenden Nullfeld· Man kann zeigen, daß in einem bestimmten Feldstärkebereich des Feldes h auf der Vorzugsachse eine Proportionalität zwischen der Amplitude der Oberschwingungs-Paare und der Feldstärke h besteht.

Wegen der Zuordnung der beiden Sohichten verschwindet das Grundsignal vollkommen, so daß ein Ausfiltern dieses Signals, das von der Wicklung 14 zur Wicklung 18 übertragen wird, weniger dringlich ist_o

Die Wahl der Erregerfrequenz f ist ein Kompromiß zwischen verschiedenen Faktoren. Da die Amplitude einer beliebigen Oberschwingung direkt proportional zur Erreger-

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frequenz ist, ist man daran interessiert, eine hohe Frequenz zu wählen. Eine zu hohe Frequenz ist aber mit der Erzeugung von Magnetfeldern durch Spulen nicht verträglich} im allgemeinen ist eine Frequenz von etwa 80 kHz zufriedenstellend·

Es ist offensichtlich notwendig, daß die Frequenz und das Polarisationsfeld sehr stabil sind» In der Praxis führt eine Messung mit einer Genauigkeit von etwa 0.1 K des Erdfelds zu einer Stabilität mit einer Genau-

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igkelt von etwa 10~ ·

Es ist ferner zu berücksichtigen, daß die Messung sehr schwacher Felder Signale sehr kleiner Amplitude entstehen läßt. Eine Näherungserrechnung zeigt, daß für f = 80 kHz, h = 0,1 * und Amplituden von 2 Oe und 1 Oe für das Pumpfeld und das Feld, bei dem das Umklappen auftritt, X^ = 2 ο 10 nsec wird (was praktisch unmöglich zu messen ist) und für einen Sondentyp ein Signal von einigen 10~ V entsteht·

Im folgenden sollen Werte für ein praktisch erprobtes Magnetometer angegeben werden· Die beiden magnetischen Plättchen mit eiger Dicke von 250 % hatten folgende Kennwerte t

H (Eoerzitivfeld) ι 2,6 Oe

H_ct (Querkoerzitivfeld) ί 3₉8 Oe

(Anisotropiefeld) : 2,3 Oe

(Dispersion) l 1,8°

Mindestrauschen t Q

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Jede Pumpwicklung hatte ebenso wie jede Fühl wicklung 500 Windungen mit einem Durchmesser von 0,2 mra₀ Jede Polarisationswicklung hatte 50 Windungen. Die Schichten und ihre Pump- und Fühlwicklungen nahmen zusammen ein Volumen von 5 x 8 x 50 mm ein, wobei alle Wicklungen einen rechteckigen Querschnitt hatten.

Eine derartige Vorrichtung erlaubt die Messung sehr schwacher Felder, die kleiner als 1X sind. Der Höchstwert des Felds, der gemessen werden kann, hängt davon ab, wie das Feld gemessen wird»

1. Wenn man die Vorrichtung von Fig. 3 verwendet, ist, es ersichtlich, daß die obere Grenze der meßbaren Felder kleiner als _k ist, was für H - 2,3 Oe ein Feld von größenordnungsmaßig 1 Oe ergibt, man kann daher diesen Wert durch Erhöhung von H und H. erhöhen.

2. Um sich von dieser Grenze freizumachen, genügt es, das Magnetometer als Nulldetektor zu verwenden, wobei das vom Detektor 26 gelieferte Signal einen Strom steuert, der in Kompensationswicklungen fließt, die ein Feld parallel zur Vorzugsachse erzeugen, und der es auf einen solchen Wert einregelt, daß das Signal Null wird. Das Kompensationsfeld ist daher gleich dem zu messenden Feld auf der Vorzugsachse, ein Feld, das man aus der Stromstärke ableiten kann· Das Höchstfeld, das man messen kann, ist daher nur durch die Stabilität des Kompensationsfeldes beschränkt. Es muß jedoch noch das senkrechte Feld berücksichtigt werden, um ein Verlassen der Arbeitezone zu vermeiden. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Vorrichtung liegt jedoch darin, daß die Empfindlichkeitsschwankungen infolge

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Änderungen des Felds auf der NichtVorzugsachse ziemlich unwichtig sind, da es sich um ein Verfahren zur Auffindung des Nullsignals handelt.

Wenn man die Vorrichtung verwendet, die in Figo 3 abgebildet ist und oben unter 1) beschrieben wurde, ist es offensichtlich notwendig, das Magnetometer zu kalibrieren. Die Kalibrierung der Empfindlichkeit kann durch Vergleich mit einem sehr empfindlichen Absolutmagnetometer vorgenommen werden, z, B₈ einem Magnetometer mit magnetischer Kernresonanz. Die Schwierigkeit, daß letzteres das Gesamtfeld mißt, in das es eingebracht ist, und nicht eine Komponente, kann umgangen werden, indem In Richtung der Sonde ein Hilfsfeld tiberlagert wird, das man gleichzeitig mit den beiden Magnetometerarten mißto Es muß dann noch der Nullpunkt bestimmt werden, was erreicht werden kann, indem die Fühlorgane in eine abgeschirmte Kammer gebracht werden, die einen Raum begrenzt, in dem das Feld sehr schwach oder sogar Null ist.

¥ie bereits oben erläutert'wurde, sind zahlreiche Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele raöglicho Insbesondere kann man anstelle voneinander getrennter Pump- und Fühlwicklungen eine einzige Wicklung verwenden', wobei das Pumpen über ein Filter vorgenommen wird, das auf die Grundfrequenz abgestimmt ist, und das Erfassen über ein Filter, das auf die Frequenz der ersten Oberschwihgung abgestimmt ist«. Man kann auch anstelle von getrennten Pump- und Polarisationswicklungen eine einzige Wicklung verwenden, die zur Vorzugsachse unter einem Winkel von 30 - 60 geneigt ist und ein Wechselfeld erzeugt, dessen Komponente auf der Vorzugsachse das Pumpfeld bildete Diese Ausrichtung der Spule ist so vorgenommen_p daß

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der Vektor des angelegten Magnetfelds die Kurve II in der Zone überschreitet, wo das Umklappen durch kohärente Teildrehung vor sich geht»

Anstelle der durch ebene Plättchen gebildeten Schichten kann man rohrförmige Schichten verwenden, die auf Drähten niedergeschlagen sind,¹ Man kann dann die Vorrichtung von Fig. 5 benutzen, wo der Vorrichtung von Fig» 3 entsprechende Bauteile die gleiche Bezugszahl plus 100 tragen.

Die Vorrichtung von Fig« 5 hat zwei parallele oder fluchtende Drähte, die jeweils eine Kupferseele 32 bzw« 32^f haben, die von einer Glasbeschichtung 3^- bzw« 3^·* bedeckt ist, auf der eine dünne und gleichmäßige Schicht bzw. 112* aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit Längsvorzugsachse niedergeschlagen ist. Das Niederschlagen wird beispielsweise durch kathodisches Zerstäuben vorgenommen, Eine Stromquelle 122 schickt einen Gleichstrom durch die Drähte, der ein tangentiales Polarisationsfeld hervorruf to

In Fig. 5 ist auch ein Pumpkreis abgebildet, der aus einem Generator 116 und Wicklungen 118 und 11.8* besteht, sowie ein Fühlkreis, der Wicklungen 11^ und 11k* und einen Verstärker 124 hat.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat für ihre verschiedenen Ausführungsarten zahlreiche Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen· Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sehr genau schwache Felder gemessen werden, insbesondere mit einer Feldstärke von 10 - O,1Y. Dieser Vorteil, der dem sehr geringen Gewicht und Volumen

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der Sonde zuzuschreiben ist, macht die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut für die Verwendung in einem Satelliten geeignet· Ihre Richtwirkung erlaubt außerdem bei Verwendung von drei Köpfen die Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur genauen Messung eines Richtungswinkels relativ zu den Kraftlinien eines Magnetfelds.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   IJ Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder, gekennzeichnet durch eine dünne ferromagnetische Inversionsschicht (i2, 112), auf die das zu messende Feld (h) einwirkt, durch eine Einrichtung (i4, 16{ 114, 116) zur Erzeugung eines symmetrischen, periodischen Wechselpumpfelds (3Of Fig. 4), das parallel zur MagnetisierungsTorzugsachae der Schicht ausgerichtet ist, durch eine Fühlwicklung (i8j 118) auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsvorzugsachse der Schicht und durch eine Untersuchungseinrichtung (24$ 124) zur Untersuchung der von der Fühlwicklung empfangenen Signale ("7Γ» Fig. 4) (Fig_o 3J 5).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen (C-, L ₂) mißt, die die Richtungsumkehrungen der Induktion in der Schicht trennen, und daß die Differenz die Komponente des zu messenden Felds (h) auf der Magnetisierungsvorzugsachse anzeigt (Fig. 4)·
3. 3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung die Amplitude eines Paares von Oberschwingungen, vorzugsweise der ersten Oberschwingungen, des in der Fühlwicklung empfangenen elektrischen Signals ("TT", ) infolge Richtungsumkehr der Induktion in der Schicht mißt_s wobei die Amplitude mit der Differenz zwischen den Zeitintervallen ( £ , (_ „) zunimmt, die das aufeinanderfolgende Umklappen der Magnetisierung trennen (Fig_e 4)_o

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4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Pumpfelds durch eine Wicklung (i4, 14«j 114, 114^!) gebildet ist, die durch einen Generator (i6$ 116) für periodischenWechselstrom versorgt ist_t der ein Magnetfeld erzeugt} von dem mindestens eine Komponente parallel zur Vorzugsachse der Schicht (i2, 12«; 112, 112») verläuft (Fig. 3$ 5).
5. 5» Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3» gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20, 20^f| 22) zur Einwirkung eines Polarisationsfelds (H ) senkrecht zur Magnetisierungsvorzugsachse auf die Schicht (12, 12^f) (Fig. 3).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsfeld (H ) entlang der Nichtvor-

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   zugsachse der Magnetisierung der Schicht (12₉ 12^!) (senkrecht zur Vorzugsachse) gerichtet und ein Gleichfeld ist, dessen Feldstärke größenordnungsmäßig gleich der Amplitude des Pumpfelds ist (Fig. 3)_o

   7· Vorrichtung nach Anspruch 6₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht ein dünnes Plättchen ist_t daß das Polarisationsfeld auf der Nichtvorzugsachse der Magnetisierung der Schicht ein Wechselfeld und durch die Komponente auf der Nichtvorzugsachse eines Wechselfelds gebildet ist, dessen Komponente auf der Vorzugsachse das Pumpfeld bildet.

   8, Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselfeld durch eine Wicklung erzeugt wird, die einen Winkel von 30 - 60 mit der Vorzugsachse einschließts

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   9· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dünne ferromagnetische Schichten (12, 12«} 112, 112») mit ihren Vorzugsachsen parallel angeordnet sind, daß die Pumpwicklungen (i4, 14'} 114, 11 Jm) und Fühlwicklungen (18, 18'j 118, 118¹) auf der einen Schicht in gleichem Wicklungssinn und auf der anderen in entgegengesetztem ¥icklungssinn gewickelt sind, und daß die beiden Fühlwicklungen reihengeschaltet und an eine Kette (24, 26, 28 j 124) zur Messung der Amplitude eines Paars von Oberschwingungen (2f) der Pumpfrequenz (f) angeschlossen sind (FIg, 3I 5)ο

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