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Verfahren und Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder, insbesondere des magnetischen Erdfeldes, durch Kerninduktion
Die Erfindung betrifft die genaue Messung von schwachen Magnetfeldern (welche kleiner als etwa 10 Gauss oder Oersted sind), insbesondere des magnetischen Erdfeldes (dessen Stärke etwa 0, 5 Gauss oder Oersted beträgt), durch Kerninduktion, d. h. durch Bestimmung der Frequenz der freien Präzession einer Anordnung von Atombestandteilen, insbesondere von Atomkernen, in dem zu messenden Magnetfeld, wobei diese Frequenz aus den weiter unten angegebenen Gründen genau zu der Feldstärke proportional ist.
Eine Probe, welche durch eine Anordnung von Kernspins oder Atomkernen mit kinetischem Eigenmoment oder Spin r (in der nachfolgenden Beschreibung sind die Vektoren mit einem überstrichenen grossen oder kleinen Buchstaben bezeichnet) und einem von Null verschiedenen magnetischen Moment gebildet wird, d. h. ein genau bestimmtes, von Null verschiedenes gyromagnetisches Verhältnis r =-= besitzt, weist nämlich, wenn sie in ein Magnetfeld H mit der Stärke H gebracht wird, ein resultierendes magnetisches Moment oder einen Vektor der makroskopischen Magnetisierung M auf, welcher im thermischen Gleichgewicht zwischen den Atomkernen und dem umgebenden Medium durch die Formel M : :
0 X H gegeben ist, in welcher X die magnetische Suszeptibilität (der Kerne) der Anordnung der Atomkerne ist (die magnetische Kernsuszeptibilität ist bekanntlich erheblich kleiner als die paramagnetische Suszeptibilität der Elektronen).
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schlagen worden, während einer gewissen Dauer die Atomkerne einem polarisierenden magnetischen Hilfsfeld P auszusetzen, welches einen gewissen Winkel mit dem zu messenden Feld H bildet (in der die Anwendung des obigen Verfahrens auf die Messung des Erdfeldes betreffenden französischen Patentschrift Nr. 1. 210. 465 der Gesellschaft Varian Associates ist angegeben, dass bei der Messung des magnetischen Erdfeldes mit Protonen als Atomkernen ein polarisierendes Feld von etwa 100 Gauss während etwa 3 sec in einer zu der Richtung des Erdfeldes etwa senkrechten Richtung angelegt wird).
Unter der vereinten Wirkung dieses polarisierenden Feldes P und des zu messenden Feldes H nimmt die makroskopische Ma- gnetisierung M schnell die Richtung des gesamten Magnetfeldes R = H + P ein (welches etwa senkrecht zu dem zu messenden Feld H steht, wenn das polarisierende Feld P zu diesem praktisch senkrecht ist) und nimmt nach einer gewissen Zeit (welche an die Abklingzeit - in der Längsrichtung - gebunden ist, d. h. an die Zeit, welche die Atomkerne zur Erreichung des Gleichgewichts brauchen) eine erheblich grössere Stärke an, welche durch MR : : : XR bestimmt ist.
Wenn das polarisierende Feld P plötzlich aufgehoben wird, so dass das zu messende Feld H allein bestehen bleibt, führt der Vektor der makroskopischen Ma- gnetisierung M der Atomkerne (welcher sich auf das resultierende Feld R ausgerichtet hatte und sich nach der plötzlichen Unterbrechung von P nicht sofort auf H ausrichten konnte) eine Präzessionsbewegung um' die Richtung H unter der Wirkung des von Null verschiedenen kinetischen Kernmoments und des Drehmoments aus, welches von der Wechselwirkung zwischen dem von Null verschiedenen magnetischen Kern-
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moment und dem Magnetfeld H herrührt (entsprechend einem sich um sich selbst drehenden und dem Moment der Erdschwere ausgesetzten Gyroskop), u. zw. bis seine neue Ausrichtung auf H nach einer gewissen Zeit nach Herstellung des thermischen Gleichgewichts erreicht ist.
Das der Präzession des Vektors der resultierenden Magnetisierung M zugeordnete Drehfeld induziert in einer Spule, welche die die Kernspins enthaltende Probe umgibt und eine entsprechende Lage hat (diese Spule dient im allgemeinen auch zur Erzeugung des polarisierenden Feldes P), eine elektromotorische
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für die absolute Messung zu erhalten gestattet) und ausserdem konstant ist (was eine noch bessere relative Genauigkeit gewährleistet).
Eine bekannte mit Kerninduktion arbeitende Messvorrichtung oder Magnetometer dieser Art enthält daher einen mit Wasser (Protonen enthaltende Substanz) gefüllten Behälter, eine diesen Behälter umgebende Spule, deren Achse senkrecht zu dem zu messenden Feld H liegt, eine Gleichstromquelle, einen Verstärker, welcher mit einer Anordnung zur Messung der Frequenz der verstärkten Schwingungen kombiniert ist, und einen Umschalter zur wahlweisen Verbindung dieser Spule mit der Gleichstromquelle zur Erzeugung des polarisierenden Feldes P innerhalb des Behälters und mit dem Verstärker zur Verstärkung und zur Messung der Frequenz der elektromotorischen Wechselkraft, welche in der Spule durch die freie Präzession der (vorher-polarisierten) Protonen des Wassers nach der Unterbrechung des polarisierenden Feldes induziert wird, wobei diese Unterbrechung schnell erfolgen muss.
Es ist zu bemerken, dass das Hilfsfeld oder das polarisierende Feld P zwei Wirkungen hat :
Es vergrössert die resultierende Magnetisierung (welche zu dem gesamten Magnetfeld Rproportional wird, wobei sie von M = X H auf MR = X R steigt), es erhöht also das Nutzsignal und somit das Verhält-
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ergibt).Kernspins um die Richtung von H mit einer Frequenz entsteht, welche zu der zu messenden Stärke H von H proportional ist.
Nun gibt es aber noch ein anderes Mittel zur Vergrösserung der Kernpolarisation, d. h. des Kernsignals, in einem gegebenen schwachen Feld, d. h. zur Erzeugung der ersten Wirkung des Feldes P. Dieses Mittel (welches in der belgischen Patentschrift Nr. 566137 des Commissariat a l'Energie Atomique beschrieben ist) besteht darin, als Messprobe eine Lösung zu benutzen, welche einerseits in dem Lösungsmittel Atomkerne mit einem bestimmten von Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnis und anderseits in diesem Lösungsmittel gelöst eine paramagnetische Substanz enthält (d. h.
eine Substanz, welche in ihrer Struktur einEinzelelektron enthält), welcheeinSpektrummitHyperfeinstruktur und eine sättigbare elektro- nische Resonanzliniebesitzt, derenmittlere Frequenz in einem Magnetfeld, dessenStärke auf Null abnimmt, nichtnachNullstrebt(Trennungoder"splitting" der Energieniveaus im Felde Null), und durch ein Hochfrequenzfeld diese elektronische Resonanzlinie zu sättigen, deren Frequenz in dem schwachen Feld, welches kleiner als etwa 10 Gauss ist, praktisch konstant und von Null verschieden ist, wodurch durch Kopplung zwischen dem magnetischen Moment der Atomkerne des Lösungsmittels und dem magnetischen Moment der Elek-
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zelelektron der gelösten paramagnetischen Substanz und dem Atomkern des Lösungsmittels.
Dieser Effekt wird bisweilen"Overhauser-Abragam-Effekt"genannt.
Die Erfinder hatten festgestellt, dass bei der Messung eines schwachen Magnetfeldes durch Kerninduktion die Lösung einer paramagnetischen Substanz der obigen Art in der im allgemeinen durch Wasser gebildeten flüssigen Messprobe die Sättigung einer elektronischen Linie dieser Substanz in dem resultierenden Feld aus diesem Magnetfeld und dem Polarisationsfeld eine beträchtliche Verringerung der für das polarisierende Feld P erforderlichen Stärke ermöglichte, welches dann nur noch die zweite der obigen Wirkungen zu erzeugen brauchte, nämlich die Induktion einer freien Präzession der Kernspins des Lösungsmittels durch ein Kippen dieser Spins, welche im Gleichgewicht vor der Anlegung des polarisierenden Feldes in die Richtung von H eingestellt waren.
Man konnte so zur Messung des magnetischen Erdfeldes ein polarisierendes Feld benutzen, welches die gleiche Grössenordnung wie dieses Erdfeld hatte, und dessen Stärke z. B. gleich der Stärke des Erdfeldes oder ein Mehrfaches derselben (z. B. das Fünf-oder Sechs-
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fache) war. Diese sehr wesentliche Verbesserung der Messung von schwachen Magnetfeldern durch Kern- induktion bildete den Gegenstand der franz.
Patentschrift Nr. 1. 221. 637. In dieser Patentschrift ist ange- geben, dass, wenn die paramagnetische Substanz durch Kaliumnitrosodisulfonat gebildet wird, das pola- risierende Feld während etwa 2 sec gleichzeitig mit dem Hochfrequenzfeld zur Sättigung der elektron- schen Linie angelegt wird, wobei natürlich die Unterbrechung des polarisierenden Feldes plötzlich erfol- gen muss, um zu verhindern, dass die Kernspins Zeit haben, der Bewegung des resultierenden Feldes R während der Abnahme des polarisierenden Feldes P zu folgen, was das Auftreten ihrer freien Präzession verhindern würde. Das den Gegenstand dieser Patentschrift bildende Verfahren gestattete, die Stärke des magnetischen polarisierenden Hilfsfeldes P und somit den Energieverbrauch und den Platzbedarf der Ap- paratur beträchtlich zu verringern.
Die Erfinder haben nun überraschenderweise festgestellt, dass der Zusatz einer paramagnetischen
Substanz der obigen Art zu der flüssigen Probe zur Messung durch Kerninduktion und die Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie dieser Substanz nicht nur die Verringerung der Stärke des magnetischen po- larisierenden Hilfsfeldes gestattet, sondern auch die beträchtliche Verkürzung der Anlegungsdauer dieses polarisierenden Feldes, z. B. von etwa 2 bis 3 sec (diese Dauer ist in den erwähnten franz.
Patentschrif- ten Nr. l. 210. 465 und Nr. 1. 221. 637 vorgesehen) auf eine Dauer in der Grössenordnung der Larmorperiode (T = l/f) in dem Magnetfeld H, wobei diese Dauer auf 0, 25-0, 5 dieser Periode herabgesetzt werden kann (welche grössenordnungsmässig 0, 5 msec für Protonen in dem Erdfeld von 0, 5 Oersted oder Gauss be- trägt). Es ist so möglich, die Anlegungsdauer des polarisierenden Feldes auf einen Bruchteil einer Milli- sekunde (oder auf einige Millisekunden) herabzusetzen, während diese Anlegungsdauer in der bisherigen Technik die Grössenordnung einer Sekunde hatte, d. h. diese Dauer kann durch einen Faktor in der Grö- ssenordnung von mehreren Tausend (oder mehreren Hundert) geteilt werden.
Da die Unterbrechung des polarisierenden Feldes bei allen Messungen durch Kerninduktion sehr schnell erfolgen muss, wird offenbar die Gesamtzeit zwischen dem Ende einer Periode zur Bestimmung der Kernfrequenz und dem Beginn der nächsten Periode beträchtlich verringert, was gestattet, bei gleicher Dauer der Bestimmungs- oder Messperiode und somit bei gleicher Genauigkeit (da die Genauigkeit eine wachsende Funktion der Messdauer in dem üblichen Messbereich ist), die Messfrequenz beträchtlich zu vergrössern.
Wenn man daher die Schwingungen mit der Larmorfrequenz in der (im allgemeinen mit der Polarisationsspule zusammenfallenden) Aufnahmespule während 2 sec (Bestimmungs-oder Messperiode) zählt, konnte man mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen, bei welchen die Dauer der Herstellung des polarisierenden Magnetfeldes 3 sec betrug, etwa alle 5 sec eine Messung vornehmen, d. h. 12 Messungen in der Minute, während man unter Ausnutzung der obigen überraschenden Feststellung alle 2 sec eine Messung vornehmen kann, d. h. 30 Messungen in der Minute.
In Wirklichkeit werden bei Berücksichtigung der Totzeiten (insbesondere des Zeitraums eines Bruchteils einer Sekunde, welcher der Unterbrechung des polarisierenden Feldes unmittelbar folgt und während welchem die elektrische Energie der Spule zur Polarisierung und zum Auffangen der elektromotorischen Wechselkraft vernichtet werden muss, bevor die Einheiten zur Verstärkung und Messung der Schwingungen angeschlossen werden können, welche durch die Entladung dieser Spule nach der Unterbrechung des Pola- risationsstroms gestört und möglicherweise beschädigt werden würden) die wirklichen Messfrequenzen etwas kleiner, z. B. 10 bzw. 20 Messungen in der Minute.
Die obige Feststellung ermöglicht somit praktisch die Verdoppelung der Frequenz der Messungen, was äusserst zweckmässig ist, insbesondere bei der Bodenerforschung mit Hilfe eines mit Kerninduktion arbeitenden Magnetometers, welches mit einem Lastwagen und insbesondere mit einem Flugzeug schnell über das Gelände geführt wird (bekanntlich kann die Geschwindigkeit eines Flugzeugs, d. h. der minütlich über dem Gelände durchfahrene Weg, nicht unter einen bestimmten Wert herabgesetzt werden).
Die Erfindung beruht nun gerade auf der überraschenden Feststellung dieser Möglichkeit der Verringerung der Anlegungszeit des polarisierenden Feldes bei der Ausnutzung des Overhauser-Abragam-Effekts und hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines schwachen Magnetfeldes (welches kleiner als etwa 10 Gauss ist), insbesondere des magnetischen Erdfeldes, mittels einer Lösung zum Gegenstand, welche einerseits in dem Lösungsmittel eine Sammlung von Atomkernen mit einem genau definierten, von Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnis und anderseits in diesem Lösungsmittel gelöst paramagnetische Ionen mit einem Einzelelektron enthält, welches eine im Felde Null von Null verschiedene elektronische Resonanzlinie hat, welche durch ein Hochfrequenzwechselfeld sättigbar ist.
Das Verfahren besteht darin, gleichzeitig in der Lösung ein hochfrequentes Wechselfeld mit der Frequenz der elektronischen Resonanzlinie der paramagnetischen Ionen der Lösung in dem zu messenden Feld und ein magnetisches Hilfsfeld zu erzeugen, dessen Richtung einen gewissen, vorzugsweise in der Nähe
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von 90 liegenden Winkel mit der Richtung des zu messenden Magnetfeldes bildet, und dessen Stärke die gleiche Grössenordnung wie die des zu messenden Magnetfeldes hat (wobei sie etwa das ein-bis zehnfache dieses Magnetfeldes beträgt), die Anlegung des magnetischen Hilfsfeldes schnell zu unterbrechen, so dass die freie Präzession der Atomkerne in dem zu messenden Magnetfeld mit einer Frequenz erzeugt wird, welche zu dem Produkt aus dem gyromagnetischen Verhältnis und der Stärke dieses Magnetfeldes proportional ist,
und die Frequenz dieser Präzession zu messen und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anlegungsdauer dieses magnetischen Hilfsfeldes grössenordnungsmässig gleich der Periode dieser Präzession ist (wobei diese Dauer auf 0, 25-0, 5 dieser Periode herabgesetzt werden kann).
Im Rahmen der Erfindung, bei der im Gegensatz zu dem einleitend beschriebenen bekannten Verfahren zwei Resonanzfrequenzen, nämlich eine Kernresonanzfrequenz und eine elektronische Resonanzfrequenz, angewendet werden, wird die Stärke der Polarisation durch Sättigung der elektronischen Resonanzlinie und nur die Richtung der Polarisation durch das magnetische Hilfsfeld festgelegt. Infolgedessen braucht die Relaxationszeit des Hilfsfeldes nicht mehr berücksichtigt zu. werden, so dass die Dauer der Polarisationsperiode beträchtlich verkürzt werden kann.
Diese Verkürzung kann jedoch anderseits nicht auf einen relativ zur Larmorperiode verschwindend kleinen Wert erfolgen, weil die klassischen Formeln von Block für die magnetische Resonanz zeigen, dass nur bei einem Richtungswechsel der Polarisation während einer gegenüber der Larmorperiode nicht vernachlässigbaren Dauer der Magnetisierungsvektor der Kernspins der Richtung des polarisierenden Feldes folgt. Wenn hingegen ein solcher Richtungswechsel innerhalb einer gegenüber der Larmorperiode sehr kurzen Zeit stattfindet, so können die Kernspins dem Wechsel der Richtung des magnetischen Hilfsfeldes nicht folgen, vielmehr führen sie eine Präzessionsbewegung um dieses Feld aus.
Hieraus folgt, dass im Rahmen der Erfindung die Anlegungsdauer des magnetischen Hilfsfeldes durch die Grössenordnung der Larmorperiode begrenzt ist, weil die Spins in der Polarisationsperiode nicht eine Präzessionsbewegung um die Richtung des magnetischen Hilfsfeldes ausführen sollen, sondern sich im Gegenteil auf das richtende Hilfsfeld ausrichten müssen.
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beträgt (Kernresonanzfrequenz zirka 2100 Hz), kann also erfindungsgemäss eine Anlegungsdauer des magnetischen Hilfsfeldes in der Grössenordnung von 1 msec angewendet werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Ausübung des obigen Verfahrens enthält einen Behälter, in welchem sich die Lösung befindet, Einrichtungen zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes mit der Frequenz der elektronischen Resonanzlinie der paramagnetischen Ionen der Lösung in dem zu messenden Feld in diesem Behälter, eine den Behälter umgebende Spule, deren Achse etwa senkrecht zu dem zu messenden magnetischen Feld liegt, eine Gleichspannungsquelle, welche bei ihrem Anschluss an die Spule diese mit einem nur in einer Richtung fliessenden Strom speist, welcher in dem flüssigen Medium ein magnetisches Hilfsfeld erzeugt, dessen Richtung einen gewissen, vorzugsweise in der Nähe von 900 liegenden Winkel mit der Richtung des zu messenden Magnetfeldes bildet, wobei die Stärke des Hilfsfeldes die gleiche Grössenordnung wie die Stärke des zu messenden Magnetfeldes hat,
Einrichtungen, welche bei ihrem Anschluss an die Spule die von der Unterbrechung der Speisung derselben herrührende Energie vernichten, Einrichtungen, welche bei ihrem Anschluss an die Spule die Frequenz der in dieser Spule durch die freie Präzession der Atomkerne in dem zu messenden Magnetfeld induzierte elektromotorische Wechselkraft bestimmen, welche zu dem Produkt aus dem gyromagnetischen Verhältnis und der Stärke dieses Magnetfeldes proportional ist, und Umschalteinrichtungen zum Anschluss der Spule zunächst an die Gleichstromquelle und hierauf schnell an die Einrichtungen zur Vernichtung der Energie und schliesslich an die Einrichtungen zur Bestimmung der Frequenz, und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Einrichtungen enthält,
welche die Spule mittels der Umschalteinrichtungen an die Gleichstromquelle während einer Dauer in der Grössenordnung der Periode der Präzession legen, welche bis auf 0, 25-0, 5 dieser Periode herabgesetzt werden kann.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen mit Kerninduktion arbeitenden Magnetometers. Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der (in Fig. 1 durch das gestrichelte Rechteck A eingerahmten) Umschalteinrichtungen und der an den Klemmen der Spule zur Polarisierung und zur Abnahme der Schwingungen der freien Präzession verfügbaren Signale während eines Arbeitsspiels. Fig. 3 zeigt die Änderung der Empfindlichkeit des Magnetometers der Fig. 1 in Abhängigkeit von der Dauer der Messperiode zur Messung der Larmorfrequenz.
Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Einrichtung zur Umschaltung der Spule zur Polarisierung und Abnahme zwischen der Gleichstromquelle, dem
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Teil zur Vernichtung der elektrischen Energie in der Spule (nach der Unterbrechung des Polarisationsstroms) und der Anordnung zur Verstärkung und Zählung der in der Spule induzierten Schwingungen. Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer derartigen Umschalteinrichtung.
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Protonen oder Wasserstoffkerne enthaltende Flüssigkeit bildet, deren Kernresonanzfrequenz in einem Feld von 1 Gauss grössenordnungsmässig 2000 Hz beträgt), in welchem als paramagnetische Substanz mit einem
Spektrum mit Hyperfeinstruktur Kaliumnitrosodisulfonat (SO) NOK (Fremysalz) gelöst ist, um eine Lö- sung mit 1 g Nitrosodisulfonat je Liter zu bilden ; 2.
Einrichtungen zur Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie des Nitrosodisulfonats in dem re- sultierenden Magnetfeld aus dem schwachen zu messenden Feld H und dem polarisierenden Feld P (wel- ches grössenordnungsmässig das ein-bis zehnfache, z. B. das zwei-bis sechsfache, des zu messenden Fel- des beträgt), wobei die Frequenz dieser Linie 55, 8 MHz in dem Erdfeld und einem polarisierenden Feld von 1 bis 3 Gauss beträgt und sich sehr wenig ändert, solange das zu messende Feld und somit das Ge- samtfeld klein bleibt (z. B. kleiner als 10 Gauss). Diese Einrichtungen enthalten : Eine"Hochfrequenzspule"2, welche durch sehr wenige, z.
B. vier, Windungen aus dickem Draht gebildet wird, welche so liegen, dass das von ihnen erzeugte hochfrequente Wechselfeld S längs einer
Geraden gerichtet ist, welche einen gewissen, vorzugsweise 900 betragenden Winkel mit dem zu mes- senden Magnetfeld H bildet (wobei dann die Achse der Windungen der Spule 2 in diesem letzteren Fall senkrecht zu H liegt), einen Hochfrequenzgenerator 5 üblicher Bauart, welcher Schwingungen mit der Frequenz 55, 8 MHz mit einer Leistung von 6 W liefert.
Es ist zu bemerken, dass die Frequenzstabilität dieses Oszillators und die Einstellung seiner Frequenz ohne weiteres möglich sind, da einerseits die elektronischen Resonanz- linien sehr breit sind, und da anderseits in einem schwachen Feld (insbesondere in dem ganzen Wertebe- reich des magnetischen Erdfeldes und der benutzten polarisierenden Felder) die Frequenz der elektroni- schen Resonanz von dem Feld unabhängig ist, ein Koaxialkabel 4 und einen Impedanzwandler 3 (welcher z. B. einen oder mehrere Drehkondensa- toren enthält) zur Anpassung der Impedanz des Generators 5 an die der Spule 2. Da die Dämpfung in dem
Kabel 4 zwei Decibel beträgt, sind mehr als 3 W am Eingang der Spule 2 verfügbar.
Die Anordnung 2, 3, 4, 5 gestattet, die elektronische Resonanzlinie des Nitrosodisulfonats in einem schwachen Feld zu sättigen und somit hinsichtlich der Stärke durch den Overhauser-Abragam-Effekt die
Protonen des Wassers, in welchem das Nitrosodisulfonat gelöst ist, zu polarisieren.
3. Eine Spule 6, welche einerseits das polarisierende Hilfsfeld P erzeugt, welches einen gewissen, vorzugsweise 900 betragenden Winkel mit dem Feld H bilden soll, und anderseits das Signal der freien
Präzession der Protonen der in dem Behälter 1 enthaltenen Lösung um die Richtung H auffängt, wobei diese Spule durch sehr zahlreiche Windungen (vier Scheibenspulen von 1200 Windungen) aus Emailledraht von 40/100 mm gebildet wird. Diese Spule 6, welche eine Induktivität von 1 H und einen Überspan- nungs-oder Gütekoeffizienten (Q-Faktor) von 50 (bei der oben angegebenen Resonanzfrequenz) aufweist, ist an ein Umschaltorgan A durch ein Koaxialkabel 8 angeschlossen, dessen verteilte Kapazität 30 pF/m beträgt, und welches eine Länge von z.
B. 30 m hat (Gesamtkapazität 0, 9 pF), um zu verhindern, dass die in den nachstehend beschriebenen Einheiten erzeugten Ströme innerhalb des Behälters 1 nicht vernachlässigbare magnetische Störfelder erzeugen.
4. Einen Gleichspannungsgenerator oder eine Gleichspannungsquelle 9 üblicher Ausbildung, welche der Spule über den geschlossenen Schalter 10 des Umschaltorgans A einen nur in einer Richtung fliessenden Strom liefert, welcher im wesentlichen infolge der Induktivität der Spule 6 in etwas mehr als
0, 125 msec (d. h. in etwas mehr als einem Viertel der Larmorperiode der Protonen, welche in dem Erd- feld 0, 5 msec beträgt) von 0 auf 1, 5 mA steigt ; dieser Generator dient zur Richtungspolarisierung der Protonen des in dem Behälter 1 enthaltenen Wassers durch Ausrichtung ihrer makroskopischen Magnetisierung M gemäss R - P + H.
5. Einen Widerstand 12 von 39 Kiloohm zur Vernichtung der in der Spule 6 enthaltenen elektrischen Energie zwischen der plötzlichen Unterbrechung der Speisung der Spule 6 durch den Generator 9 (durch Öffnung des Schalters 10) und dem Beginn der Messperiode zur Messung der in der Spule 6 mit der Larmorfrequenz in dem zu messenden Feld H induzierten elektromotorischen Kraft, wobei dieser Widerstand 12 entweder an die Spule 6 angeschlossen werden kann (wenn sich der Umschalter 11 des Umschaltorgans A in der gestrichelt dargestellten Stellung befindet), oder durch den Leiter 12a kurzgeschlossen werden kann (wenn sich der Umschalter 11 in der voll ausgezogenen dargestellten Stellung befindet).
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6. Eine Anordnung zur Messung oder Bestimmung der Frequenz der in der Spule 6 durch die freie Präzession der durch die Felder Fund S polarisierten Protonen des Behälters 1 induzierten elektromotorschen Kraft, wobei diese Präzession mit der Larmorfrequenz in dem zu messenden Feld vor sich geht.
Diese Anordnung enthält :
Kondensatoren (nämlich einen festen Kondensator 13 und einen Drehkondensator 14) zur Abstimmung der Spule 6, wobei die Parallelschaltung der Kondensatoren 13 und 14 mit der Spule 6 und dem Koaxialkabel 8 bei Kurzschliessung des Widerstandes 12 einen Schwingkreis bildet, welcher durch Einstellung des Kondensators 14 auf die Kernresonanzfrequenz der Protonen in dem zu messenden Feld abzustimmen ist ; einen Niederfrequenzverstärker 7 (für etwa 2000 Hz bei der Messung des magnetischen Erdfeldes), welcher an die Klemmen des obigen Schwingkreises 6, 8, 13, 14 angeschlossen ist, um die mit der Larmorfrequenz der Spule 6 dieses Schwingkreises durch die freie Präzession der Protonen induzierten Schwingungen zu verstärken ;
dieser Verstärker wird zweckmässig in an sich bekannter Weise durch eine Vorverstärkerstufe und durch eine oder mehrere selektive Verstärkerstufen. mit z. B. auf 50,100, 200 oder 400 Hz einstellbarer Bandbreite gebildet, was 1250,2500, 5000 und 10000 Gamma entspricht (das Gamma ist eine bei der Bodenforschung benutzte Einheit des magnetischen Feldes, deren Wert 10-5 Gauss beträgt).
Die Vorverstärker- und Verstärkerstufen sind an Antimikrophondämpfern angebracht und erzeugen eine zwischen 0 und 100 Decibel von 10 zu 10 Decibel einstellbare Verstärkung (der Störpegel am Eingang beträgt grössenordnungsmässig 1 Mikrovolt), einen Oszillographen 7a zur Beobachtung des am Ausgang des Verstärkers 7 verfügbaren verstärkten Signals, einen, Frequenzmesser 15 bekannter Bauart, welcher mit grosser Genauigkeit die Frequenz der aus dem Verstärker 7 austretenden verstärkten Schwingungen misst.
Diese Anordnung enthält z. B. : a) eine Einheit, welche eine Spannungsstufe (Stufe V der Fig. 2) liefert, deren Dauer gleich der einer genau bestimmten Zahl (welche gegebenenfalls entsprechend der Genauigkeit und der Schnelligkeit der Messung gemäss den weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 3 gemachten Angaben einstellbar ist) von Larmorperioden des Signals der freien Präzession der Protonen (z. B. 500,1000, 2000 oder 4000 Perioden) ist, wobei diese Dauer grössenordnungsmässig 1 sec beträgt, b) einen sehr stabilen Oszillator (oder einen Funkempfänger, welcher eine sehr stabile ungedämpfte Welle von einer Sendestation empfängt), welcher Bezugswellenzüge genau bestimmter Frequenz liefert, welche z. B. zur Erzielung einer guten Genauigkeit grössenordnungsmässig 1 MHz beträgt, einen Zähler (z.
B. der von der amerikanischen Gesellschaft Hewlet-Packard hergestellten Bauart), welcher durch die vordere Front der Spannungsstufe ausgelöst und durch die hintere Front derselben abge-
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gungen zählt.
Eine derartige Anordnung 15 ist z. B. in der erwähnten USA-Patentschrift Nr. 2,561, 490 unter Bezugnahme auf Fig. 9-12 beschrieben.
Ein analogisches oder numerisches Registrierwerk 16, welches die aufeinanderfolgenden Ergebnisse der von dem Frequenzmesser 15 vorgenommenen Messungen entweder in Form von aufeinanderfolgenden Punkten oder in Form der drei letzten Ziffern der von dem Zähler des Frequenzmessers bestimmten Zahl aufzeichnet ;
eine Umschaltanordnung oder ein Umschaltorgan A (von welchem zwei bevorzugte Ausführungsformen weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 beschrieben sind), welches ausser dem Schalter 10 und dem Umschalter 11 (deren Ruhestellungen voll ausgezogen dargestellt sind) die Teile für die elektronische Steuerung dieser Bestandteile enthält, und welches seinerseits durch eine Programmiervorrichtung oder Uhr 17 gesteuert wird (welche auch das Arbeitsspiel der Anordnung 15 steuert), welche in gleichmä- ssigen Zeitabschnitten einen kurzen Steuerimpuls aussendet, welcher jedes Arbeitsspiel einleitet,
Jedes dieser Arbeitsspiele umfasst :
a) einen Schritt zur Polarisierung der Protonen nach Richtung und Stärke, zu dessen Beginn eine Programmiervorrichtung 17 den Schalter 10 schliesst und den Umschalter 11 in die gestrichelt dargestellte Stellung bringt, und während welchem der Generator 9 in die Spule 6 einen Strom schickt, welcher in etwas mehr als 0,125 msec von 0 auf 1, 5 mA steigt, wobei er in dem Behälter 1 ein polarisierendes Magnetfeld P erzeugt, welches zu dem zu messenden Feld H etwa senkrecht ist und in etwas mehr als 0,125 msec auf 1, 5 Gauss ansteigt.
Am Ende dieses ersten Zeitabschnitts haben die Protonen des in dem Behälter 1 befindlichen Wassers eine makroskopische Magnetisierung M erfahren, welche in Richtung des Gesamtfeldes R = P + H liegt, aber gegenüber der Kernpolarisation dieses Feldes infolge der Anwendung
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tionsstroms, während der zweite Abschnitt die oszillierende Entladung zeigt, welche durch den Widerstand 12 gedämpft wird und bei der Öffnung des Schalters oder Kontakts 10 erfolgt ;
die Kurve III zeigt das Signal zur Steuerung des Umschalters 11, um diesen aus der voll ausgezogenen Ruhestellung in die gestrichelte Arbeitsstellung zu bringen, u. zw. ebenfalls für den Fall, dass seine Steuerung durch ein Relais erfolgt, dessen Wicklung lla (Fig. 4) durch das Signal III erregt wird, und dessen Kontakt den Umschalter 11 bildet, Dieses Signal III, welches gleichzeitig mit dem Signal I beginnt, endet 0,500 msec später (es muss nämlich, wie bereits erwähnt, die oszillierende Entladung gedämpft werden, bevor irgendein Signal dem Verstärker 7 zugeführt wird) ; die Kurve IV zeigt das elektrische Potential am Eingang des Verstärkers 7 während des Schritts für die eigentliche Messung. Dieses Signal ist einewechselgrösse mit der Kernlarmorfrequenz (etwa 2000 Hz), deren Hüllkurve mit dicken Strichen dargestellt ist.
Es ist zu bemerken, dass das Kernsignal nicht sofort seinen Höchstwert erreicht, wobei die Zeitkonstante seiner Zunahme praktisch die des Resonanzkreises 6, 8,13, 14 ist, dessen induktiver Teil die Spule 6 ist, so dass sie einige Millisekunden beträgt. Erst wenn dieser Höchstwert erreicht ist, wird die Zählung der Bezugsschwingungen in der Anordnung 15 ausgelöst.
Da ferner diese Zählung zu Beginn einer Schwingung mit der Larmorfrequenz beginnen muss, müssen in der Anordnung 15 Einrichtungen zur Feststellung der Phase vorgesehen werden, welche diese Zählung genau zu Beginn einer Larmorperiode beginnen lassen (diese Einrichtungen können z. B. wie die in der erwähnten USA-Patentschrift Nr. 2, 561, 490 beschriebenen ausgebildet sein, oder eine Vorrichtung zur Fest- stellung des Nulldurchgangs der Amplitude der Kernschwingungen aufweisen, welche die Zählung auslöst). Die durch die allmähliche Zunahme eingeführte Verzögerung g beträgt z.
B. etwa 20 msec, während die durch die Feststellung der Phase eingeführte Verzögerung h etwa 2 msec beträgt ; schliesslich stellt die Kurve V das Zählsignal dar, d. h. das Signal, dessen vordere Front den Beginn der Zählung der Bezugsschwingungen bewirkt (nachdem der Höchstwert der Kernschwingungen erreicht wurde und zu Beginn einer Periode dieser Schwingungen), und dessen hintere Front die Zählung in der Anordnung 15 abstellt, wobei die Dauer d des Signals V gleich der einer genau bestimmten ganzen (aber gegebenenfalls einstellbaren) Zahl von Larmorperioden ist, d. h. zu dieser Periode proportional und somit zu dem Feld H (bei einer gegebenen Einstellung) umgekehrt proportional ist.
Die Dauer d des Signals V und somit die des Arbeitsschritts zur Messung der Kernfrequenz kann nicht erheblich verringert werden, ohne in unzulässiger Weise die Genauigkeit der Messung des magnetischen Feldes zu verringern. Es ist nämlich eine durch rein elektronische Verfahren unbeeinflussbare Unbestimmt- heit hinsichtlich der Phase des Signals der freien Präzession vorhanden, welche umgekehrt proportional zu dem Verhältnis Signal/Störpegel am Ausgang der das Signal der freien Präzession auffangenden Spule 6 ist. Man begeht daher einen Fehler bei der Öffnung und der Schliessung der Messanordnung 15, insbesondere des Zählers der Bezugsschwingungen. Der hiedurch bei der Messung des Magnetfeldes entstehende relative Fehler wäre zu der Zahl der gezählten Bezugsperioden umgekehrt proportional, wenn das Verhältnis zwischen dem Signal und dem Störpegel konstant bliebe.
Die beliebige Vergrösserung dieser Zahl ist jedoch aus zwei Gründen unmöglich : Der erste bereits angegebene ist, dass es zweckmässig ist, die Frequenz der Messungen zu vergrössern, um schnellen zeitlichen Änderungen des gemessenen Magnetfeldes folgen zu können, insbesondere bei einer Bodenerforschung mittels des Flugzeuges ; der zweite Grund rührt davon her, dass das Signal der freien Präzession der Kernspins infolge des allmählichen Verlustes des Zusammenhalts der Anfangsphase zwischen diesen Kernspins exponential abklingt. Das Verhältnis zwischen dem Signal und dem Störpegel nimmt daher ab und erreicht unzulässige Werte nach einer Zeit, welche grössenordnungsmässig das Dreifache der Abklingzeit der Kernspins beträgt, d. h. bei dem gewählten Beispiel 3 sec.
Dieser letztere Effekt ist es übrigens, welcher die Erhöhung der Genauigkeit durch Vergrösserung der Dauer der Messung der Larmorfrequenz bei den bekannten Magnetometern verhinderte, welche zur Vergrösserung der Polarisation der Kerne ein starkes Hilfsmagnetfeld (ohne Overhauser-Abragam-Effekt) benutzen.
Hieraus ergibt sich, dass die Wahl der Dauer der Zählung (Dauer des Signals V) von den Umständen abhängt : Wenn eine möglichst grosse Empfindlichkeit gewünscht wird, wählt man eine Zähldauer, welche in der Nähe der Zeitkonstante der Abnahme des Signals der freien Präzession liegt ; wenn man jedoch schnelle Änderungen des Magnetfeldes verfolgen0will (z. B. bei der Bodenforschung mittels eines Flugzeuges), und wenn eine verhältnismässig geringe Genauigkeit zulässig ist, wählt man für die Dauer der Messung (Dauer von V) einen kleineren Wert, welcher jedoch kaum kleiner als ein Viertel dieser Abklingzeitkonstante sein kann. Hiedurch wird die Messfrequenz gesteigert.
In diesem Fall
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ist es ferner zweckmässig, diese Abklingzeitkonstante dadurch zu verkleinern, dass man die Konzentration der benutzten Lösung an paramagnetischen Ionen vergrössert (die Amplitude des Kernpräzessionssignals wird nämlich zu Beginn einer jeden Kernperiode durch die Erscheinung des "Phasengedächtnisses" verkleinert, welche davon herrührt, dass, wenn das makroskopische magnetische Kernmoment M noch nicht auf das zu messende permanente Feld H ausgerichtet ist, seine Stellung gegenüber dem Hilfsfeld P, wenn dieses erzeugt wird, unsicher ist. Diese Verkleinerung ist umso grösser, je stärker dieses Signal am Ende der vorhergehenden Messperiode zur Messung der Frequenz ist.
Sie beträgt im Mittel 15%, wenn die Zeit zwischen zwei Anlegungen des polarisierenden Feldes gleich der Abklingzeit der Zeitkonstante des
EMI9.1
präzessionssignals und als Ordinate links die Funktion f (t/to) aufgetragen, welche so bestimmt ist, dass die absolute Empfindlichkeit s durch folgende Formel gegeben ist :
EMI9.2
EMI9.3
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Kathoden der Röhre 33 entspricht dem der Röhre 20 und enthält in Parallelschaltung einen Widerstand 34 und eine Wicklung lla (zur Betätigung des Umschalters 11), welcher in der Ruhestellung die voll ausgezogen dargestellte Stellung einnimmt), welche durch einen Reihenkondensator 35 geschützt und durch einen Widerstand 36 überbrückt ist.
Während der ganzen Dauer der Leitfähigkeit der Röhre 31, d. h. während der (durch die Verlängerung des Impulses I durch den Stromkreis 29,30 entstandene) Impuls III diese Röhre entsperrt, wird die Wicklung lla gespeist, so dass der Umschalter 11 in die gestrichelte Stellung gebracht wird, in welcher die Klemme 37 (an welche die durch die Kondensatoren 13,14 und den Verstärker 7 gebildete Anordnung angeschlossen ist, Fig. 1) geerdet wird, was während des Arbeitsschritts b (Fig. 2), während welchem der Schalter 10 offen ist, der Spule 6 gestattet, sich über den nicht durch den Leiter 12a kurzgeschlossenen Widerstand 12 während des oszillierenden Abschnitts des Signals II der Fig. 2 zu entladen.
Am Ende des Signals III nimmt der Umschalter 11 wieder die voll ausgezogene Stellung ein, wodurch während der ganzen Dauer des Arbeitsschritts c die (mit der Klemme 27 verbundene) Spule 6 an die Kondensatoren 13,14 und an den (mit der Klemme 37 verbundenen) Verstärker 7 angeschlossen wird, und der Verstärker 7 empfängt ein Signal der bei IV in Fig. 2 dargestellten Art, während die Messung seiner Frequenz während der Dauer des Signals V erfolgt. Das Arbeitsspiel mit den obigen Arbeitsschritten a, b und c beginnt mit einem neuen Impuls I nach dem Ende des vorhergehenden Messarbeitsschritts.
Die in Fig. 4 dargestellten Teile können folgende sein :
EMI10.1
<tb>
<tb> Widerstände <SEP> in <SEP> Kiloohm <SEP> Kapazitäten <SEP> in <SEP> Mikrofarad
<tb> 19 <SEP> : <SEP> 100 <SEP> 23 <SEP> : <SEP> 16 <SEP>
<tb> 19a <SEP> : <SEP> 220 <SEP> 25 <SEP> 2, <SEP> 5
<tb> 22 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 45 <SEP> M
<tb> 24 <SEP> 10 <SEP> 46 <SEP> 16 <SEP>
<tb> 38 <SEP> 100 <SEP> 29 <SEP> 5
<tb> 39 <SEP> : <SEP> 28, <SEP> 8-0 <SEP> 33 <SEP> 16
<tb> 47 <SEP> : <SEP> 15 <SEP> 35 <SEP> : <SEP> 14 <SEP>
<tb> 28 <SEP> : <SEP> 120 <SEP>
<tb> 30 <SEP> 330 <SEP> Elektronenröhren
<tb> 32 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 20 <SEP> : <SEP> 12 <SEP> AU <SEP> 7 <SEP>
<tb> 34 <SEP> : <SEP> 10 <SEP> 26 <SEP> : <SEP> 12 <SEP> AU <SEP> 7 <SEP>
<tb> 36 <SEP> : <SEP> 100 <SEP> 42 <SEP> : <SEP> 6 <SEP> X <SEP> 4 <SEP>
<tb> 44 <SEP> :
<SEP> 85 <SEP> A <SEP> 2 <SEP>
<tb> Speisung <SEP> in <SEP> Volt <SEP> 31 <SEP> : <SEP> 12 <SEP> AU <SEP> 7
<tb> 21 <SEP> : <SEP> +250 <SEP>
<tb> 41 <SEP> : <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
Die Dauer der Arbeitsschritte a und b kann durch Benutzung einer rein elektronischen Umschaltung verkürzt werden, wie bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführung.
Die Eingangsklemme 18 der Umschaltanordnung der Fig. 5 ist wie die Klemme 18 der Fig. 4 an das Programmierwerk 17 angeschlossen und erhält von diesem in gleichmässigen Zeitabständen (z. B. eben- falls alle Sekunden) einen kurzen Steuerimpuls. Da jedoch bei dieser zweiten Ausführungsform die Umschaltung vollständig elektronisch erfolgt, haben die Steuerimpulse hier eine Amplitude von 5 V und eine Dauer von 0, 1 msec (anstatt von 20 V und von 10 msec).
Jeder kurze Steuerimpuls gelangt über den Kondensator 49 auf das Gitter einer ersten Hälfte 50a einer Doppelelektronenröhre 50a-50b. Die Kathode der Hälfte 50a ist durch den Spannungsteiler 51 mit einer Stromquelle (Stromquelle 9 der Fig. 1) verbunden, welche die Klemme 52 auf einem negativen Potential hält. Ein Widerstand 53 erzeugt die Vorspannung des Gitters der Hälfte 50a. Die entsprechende Anode hat über einen Belastungswiderstand 54 Körperschluss. Das an dieser Anode erzeugte Signal gelangt über den Kopplungskondensator 55 zu einem durch einen Spannungsteiler 56 und einen Kondensator 57 gebildeten Kreis zur Verlängerung der Signale. Das verlängerte Signal wird dann an das Gitter der andern Hälfte 50b der gleichen Doppelröhre angelegt, deren Anodenstromkreis einen Belastungswiderstand 58
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enthält.
Das an dieser Anode entnommene Signal gelangt über einen Widerstand 59 an die Basis eines
Transistors llb.
Dieser Transistor wird somit während der Dauer des Eingangsimpulses und der Dauer der Verlänge- rung durch den Kreis 56,57 gesperrt. Der Emitter des Transistors llb ist über die Abstirrimkondensatoren
13 und 14 mit der Messspule 6 verbunden, welche den Behälter 1 umgibt, welcher die flüssige Probe ent- hält, deren Kernpräzessionssignal benutzt wird. Parallel mit dem Transistor llb ist ein einstellbarer
Dämpfungswiderstand 12b geschaltet (welcher die gleiche Aufgabe wie der feste Widerstand 12 der Fig. 1 und 4 erfüllt). Parallel zu der Spule 6 ist gestrichelt der fiktive Kondensator 8a dargestellt, welcher der
Störkapazität des die Spule 6 mit den Einheiten 7,15 zur Behandlung des Kernpräzessionssignals verbin- ) denden Koaxialkabels 8 entspricht (Fig. 1).
Wenn der Transistor llb gesperrt wird, kann eine gedämpfte oszillierende Entladung in dem durch die Spule 6 und die Kapazität 8a gebildeten Kreis mit der Eigenfrequenz dieses Kreises auftreten (diese
Frequenz ist erheblich höher als die Kernlarmorfrequenz, was erforderlich ist, damit die Unterbrechung des Hilfsfeldes genügend schnell erfolgt). Die Kondensatoren 13 und 14 haben nämlich bei dieser Fre- i quenz eine so kleine Impedanz, dass die von ihnen zusammen mit dem Widerstand 12b gebildete Impe- danz praktisch einen reinen Widerstand darstellt.
Wenn dagegen der Transistor llb entsperrt wird, ist sein innerer Widerstand vernachlässigbar, wodurch die Wirkung des Dämpfungswiderstandes 12b aufgehoben wird und die Abstimmkondensatoren 13 und 14 wieder zu der Spule 6 parallelgeschaltet werden, so dass der Stromkreis wieder auf die Kernlarmorfrequenz abgestimmt ist.
An dem Spannungsteiler 51 wird ein Signal abgenommen, welches über einen Kondensator 62 auf das
Steuergitter einer Röhre 10b übertragen wird. Diese Röhre liefert, wenn sie leitend ist, den Strom, wel- cher in der Spule 6 das magnetische Hilfsfeld steuert. Das Steuergitter der Röhre 10b erhält seine Vorspan- nung über den Widerstand 64, welcher mit der Klemme 65 verbunden ist, welche auf ein negatives Po- tential gebracht wird, und auch zur Heizung der Kathode der Röhre lOb dient.
Das Potential des Schirmgitters der Röhre l0b wird durch die durch die Widerstände 66 und 67 gebil- dete Brücke eingestellt, wobei zu dem Widerstand 67 ein Kondensator 68 parallelgeschaltet ist. Während der Dauer des Eingangsimpulses ist die Röhre lOb leitend und lässt einen wachsenden Strom durch die Spu- le 6 fliessen.
Am Ende dieses Impulses wird die Röhre 10b gesperrt und die Dämpfung der Schwingungen in der
Spule 6 erfolgt, bis der Transistor llb entsperrt wird. Der Reststrom in der Röhre 10b ist vernachlässigbar und stört nicht das zu messende Magnetfeld während der Messperiode. Das dann an den Klemmen der
Spule 6 erscheinende Kernpräzessionssignal wird über die Dämpfungsspule 69 an das Steuergitter der Röh- re 7b angelegt, welche die Vorverstärkerstufe der Verstärkeranordnung 7 bildet. Das später zu verstär- kende Signal wird (Pfeil 7c) in dem einen Belastungswiderstand 84 enthaltenden Anodenkreis der Röhre 7b abgenommen. Die Vorspannung des Schirmgitters der Röhre 7b wird durch nicht dargestellte Einrichtun- gen erzeugt.
An den Eingang des Gitters der Hälfte 50a der Doppelröhre ist über den Kondensator 71 das
Steuergitter 72 einer zweiten Röhre 73 gelegt, deren Anode durch die Klemme 74 gespeist wird. Die
Vorspannung dieses Gitters erfolgt über den mit der negativen Klemme 76 verbundenen Widerstand 75.
In den Kathodenkreis der Röhre 73 ist als Kathodenbelastung ein Regelspannungsteiler 77 geschaltet, an welchem ein dem Eingangsimpuls nach Zeit und Zeichen gleiches Signal abgenommen wird. Dieses Si- gnal wird durch einen durch einen Widerstand 78 und einen Kondensator 79 gebildeten Kreis verlängert und hierauf an die Basis eines Transistors llc gelegt, welcher so während einer Zeit gesperrt wird, wel- che etwas länger als der Eingangsimpuls ist. Der Emitter dieses Transistors ist mit der Kathode der Röh- re 7b über einen Kondensator 81 und einen Widerstand 82 verbunden.
Während der Sperrung des Transistors llc ist der Widerstand in dem Kathodenkreis der Röhre 7b viel grösser als der Widerstand 84. Das Potential der Kathode der Röhre folgt daher praktisch dem des Steuer- gitters, und das bei 7c entnommene Signal ist praktisch Null. Die Verzögerung, der Entsperrung des Tran- sistors llc wird durch den Kreis 78,79 bestimmt, damit das Kernpräzessionssignal erst verstärkt wird, wenn die oszillierende Entladung der Spule 6 abgeklungen ist und dieses Signal eine hinreichende Ampli- tude erreicht hat (s. Fig. 2). Während der Entsperrung, d. h. während der Messseit, fällt der innere Wi- derstand des Transistors llc auf einen vernachlässigbaren Wert (3 Ohm), und die Röhre 7b verstärkt nor- mal.
Bei dieser Ausführung erfolgt somit die Umschaltung rein elektronisch (die Röhre lOb erfüllt die Aufgabe des Relais 10, 10a der Fig. 4, während die Transistoren llb und llc die Aufgabe des Relais 11, lla erfüllen) und ist erheblich schneller.
In der Schaltung der Fig. 5 können folgende Teile verwendet werden :
<Desc/Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb>
<tb> Widerstände <SEP> in <SEP> Kiloohm <SEP> Kapazitäten <SEP> in <SEP> Mikrofarad
<tb> 51 <SEP> : <SEP> 0- <SEP> 50 <SEP> 49 <SEP> : <SEP> 2 <SEP>
<tb> 54 <SEP> : <SEP> 50 <SEP> 55 <SEP> : <SEP> 2 <SEP>
<tb> 56 <SEP> : <SEP> 0-100 <SEP> 57 <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP>
<tb> 58 <SEP> : <SEP> 10 <SEP> 13 <SEP> : <SEP> 4, <SEP> 700
<tb> 59 <SEP> : <SEP> 56 <SEP> 14 <SEP> : <SEP> 1. <SEP> 000
<tb> 12b <SEP> 0-100 <SEP> 62 <SEP> 2 <SEP>
<tb> 10 <SEP> 1000 <SEP> 68 <SEP> 0, <SEP> 1
<tb> 66 <SEP> 100 <SEP> 71 <SEP> 2 <SEP>
<tb> 67 <SEP> IM <SEP> 79 <SEP> 0, <SEP> 1
<tb> 75 <SEP> : <SEP> 1000 <SEP> 81 <SEP> : <SEP> 50 <SEP>
<tb> 77 <SEP> : <SEP> 0-10 <SEP>
<tb> 78 <SEP> : <SEP> 56 <SEP> Speisung <SEP> in <SEP> Volt
<tb> 52 <SEP> :
<SEP> 1 <SEP>
<tb> 84 <SEP> IM <SEP> 52 <SEP> :-100 <SEP>
<tb> 65 <SEP> :-106 <SEP>
<tb> Röhren <SEP> und <SEP> Transistoren <SEP> 74 <SEP> : <SEP> +150 <SEP>
<tb> 86 <SEP> : <SEP> - <SEP> 6 <SEP>
<tb> 50a <SEP> Mb <SEP> : <SEP> 12 <SEP> AU <SEP> 7
<tb> llb <SEP> SFT <SEP> 128
<tb> 10b <SEP> EF <SEP> 80 <SEP>
<tb> 7b <SEP> EF <SEP> 86 <SEP>
<tb> 73 <SEP> 12 <SEP> AU <SEP> 7 <SEP>
<tb> llc <SEP> SFT <SEP> 123
<tb>
Man erhält so erfindungsgemäss ein Magnetometer für die absolute Messung von schwachen Magnetfeldern, insbesondere des magnetischen Erdfeldes, welches unter anderem folgende Vorteile aufweist :
Es ist wenig sperrig, kräftig und leicht einzustellen.
Sein Energieverbrauch ist gering.
Seine absolute Genauigkeit und seine relative Genauigkeit sind sehr hoch.
Es ermöglicht sehr schnell aufeinanderfolgende Messungen, z. B. alle 1 oder 2 sec.
Das erfindungsgemässe Magnetometer ist besonders für die Bodenerforschung aus der Luft oder vom Lastwagen aus zur Feststellung der Vorkommen von Erzen oder Kohlenwasserstoffen im Boden geeignet.
Als flüssige Probe können folgende Stoffe benutzt werden :
Kalium- oder Natriumnitrosodisulfonat, gelöst in Wasser, Pyridin oder Formamid;
Diphenylpicrylhydrazil, gelöst in Benzol oder andern organischen Stoffen ;
Tetraphenylstiboniumnitrosodisulfonat, gelöst in Äther ;
Picrylaminocarbazyl, gelöst in Benzol;
Ionen eines Semiquinons, z. B. (0=C6H-0) *, gelöst in Wasser.
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