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Magnetometer
Die Erfindung betrifft Magnetometer mit magnetischer Kernresonanz, welche die Bauart eines Oszillators mit Spinkopplung aufweisen, d. h. mit zwei Blochschen Spulen, welche an den Eingang und den Ausgang eines linearen Verstärkers angeschlossen und elektromagnetisch entkoppelt sind. Von derartigen Magnetometern betrifft die Erfindung insbesondere, wenn auch nicht ausschliesslich, solche, welche mit einer grossen Genauigkeit (von über 10-5 Oersted) ein schwaches Magnetfeld messen sollen, z. B. das magnetische Erdfeld (dessen Stärke grössenordnungsmässig 0, 5 Oersted beträgt, insbesondere an Bord eines Flugzeugs oder einer Rakete.
Die Erfindung bezweckt insbesondere, ein derartiges Magnetometer unempfindlich für äussere elektromagnetische Felder sowie für eine schnelle Bewegung in dem zu messenden Magnetfeld zu machen.
Im Gegensatz zu der früheren Praxis, bei welcher ein Magnetometer, welches die Bauart eines Oszillators mit Spinkopplung aufweist, zwei Blochsche Spulen enthält, welche um einen eine Probe eines Stoffes mit gyromagnetischen Eigenschaften enthaltenden Behälter gewickelt und die erstere an den Eingang und die zweite an den Ausgang eines praktisch linearen Verstärkers geschaltet sind, welcher auch einen Frequenzmesser speist, welcher die Frequenz der Ausgangsspannung des Verstärkers bestimmt, welche zu der Stärke des magnetischen Feldes, in welchem sich der Behälter befindet, proportional ist, enthält das erfindungsgemässe Magnetometer ein Paar von Behältern, deren jeder eine Probe eines Stoffes mit gyromagnetischen Eigenschaften enthält, einen praktisch linearen Verstärker, zwei Spulenpaare,
von denen das erste an den Eingang und das zweite an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist, wobei die beiden Spulen ein und desselben Paares praktisch identisch zueinander und mit parallelen Achsen, aber gegensinnig auf je einen der beiden Behälter gewickelt sind, so dass am Eingang des Verstärkers die in den beiden an seinen Eingang angeschlossenen Spulen durch die magnetische Kernresonanz induzierten elektromotorische Kräfte sich addieren, während die elektromotorischen Kräfte, welche in diesen beiden Spulen sowohl durch etwaige äussere elektromagnetische Felder als auch durch etwaige Bewegungen des Magnetometers in dem zu messenden Magnetfeld induzielt werden können, einander entgegengesetzt sind und sich aufheben, sowie einen ebenfalls an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Frequenzmesser.
In einer ersten Klasse von Ausführungsformen sind die beiden auf den gleichen Behälter aufgewickelten Spulen, von denen die eine an den Eingang und die andere an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist, wobei diese Spulen normalerweise voneinander entkoppelt sind, mit ihren Achsen senkrecht zueinander angeordnet, wobei die beiden flüssigen Proben einerseits ein Lösungsmittel mit Atomkernen mit einem von Null verschiedenen magnetischen und kinetischen Moment, d. h.
mit einem genau bestimmten gyromagnetischen Verhältnis, und anderseits in diesem Lösungsmittel gelöst eine paramagnetische Substanz enthalten, insbesondere ein Ion oder ein freies Radikal mit unpaarigem Elektron, welches wenigstens eine elektronische Resonanzlinie besitzt, welche durch ein elektromagnetisches Feld mit einer von Null verschiedenen Frequenz selbst in einem nach Null strebenden Magnetfeld sättigbar ist, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, welche dieses elektromagnetische Feld mit der elektronischen Resonanzfrequenz erzeugen, um diese Linie in den beiden Proben zu sättigen, welche praktisch identisch sind.
In einer zweiten Klasse von Ausführungsformen sind die beiden auf den gleichen Behälter aufgewickelten Spulen mit ihren Achsen parallel zueinander angeordnet, wobei die Kopplungskoeffizienten für die beiden Proben, welche den obigen Typ mit Atomkernen mit einem genau bestimmten gyromagnetischen Verhältnis und mit einer gelösten paramagnetischen Substanz haben, entgegengesetzt sind, wobei die durch die beiden Proben, welche praktisch identisch oder verschieden sind (aber dann die gleichen Atomkerne in dem Lösungsmittel aufweisen) gebildete Anordnung zwei elektronische Resonanzlinien mit verschiedenen Frequenzen oder mit der gleichen Frequenz aufweist, wobei die Sättigung der einen Linie eine Zunahme der Energieabsorption bei der Kernresonanzfrequenz der Atomkerne erzeugt,
während die Sättigung der andern Linie die stimulierte Energieaussendung bei der Kernresonanzfrequenz erzeugte
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wobei Einrichtungen vorgesehen sind, welche in jeder Probe ein elektromagnetisches Feld mit der Frequenz einer elektronischen Resonanzlinie erzeugen, um in den beiden Proben die beiden elektronischen Resonanzlinien zu sättigen.
Die Erfindung, welche insbesondere auf an Bord von Flugzeugen, Raketen oder andern Geräten benutzbare Magnetometer anwendbar ist, ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Oszillator mit Spinkopplung bekannter Bauart.
Fig. 2-4 zeigen die Anwendung der erfindungsgemässen Verbesserungen auf einen Oszillator mit Spinkopplung, wobei Fig. 2 eine Ausführungsform mit auf jeden Behälter aufgewickelten gekreuzten Spulen zeigt, während Fig. 3 und 4 zwei Ausführungen mit auf jeden Behälter aufgewickelten parallelen Spulen zeigen.
Fig. 5 ist ein Schnitt eines Messkopfes mit parallelen Spulen.
Nachstehend ist angenommen, dass die gestellte Aufgabe in der Herstellung eines Magnetometers besteht, welches für äussere elektromagnetische Felder und für schnelle Bewegungen in dem zu messenden Magnetfeld unempfindlich ist.
Vor der Erläuterung der erfindungsgemässen Merkmale seien zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Aufbau und die Arbeitsweise der bekannten Magnetometer erläutert, welche den Typ eines Spinoszillators haben.
Ein derartiger z. B. in der franz. Patentschrift Nr. 1. 351. 587 vom 28. Dezember 1962 beschriebener Oszillator enthält im wesentlichen zwei Blochsche Spulen 1 und 2, welche an den Eingang 3 bzw. den Ausgang 4 eines linearen Verstärkers 5 angeschlossen sind. Die Spulen 1 und 2 sind elektromagnetisch so gut wie möglich entkoppelt, wobei die Richtungen X, Y ihrer Achsen senkrecht zueinander liegen.
Die Spulen 1 und 2 sind auf einen Behälter 6 aufgewickelt, welcher eine flüssige Probe 12 enthält, welche durch ein Lösungsmittel mit Atomkernen (insbesondere Protonen) mit einem von Null verschiedenen magnetischen und kinetischen Moment enthält, d. h. mit einem gyromagnetischen Verhältnis y, wobei die Resonanzfrequenz f dieser Atomkerne in einem Magnetfeld von der Stärke H durch folgende Formel gegeben ist :
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und eine paramagnetische Substanz gebildet wird, welche in dem Lösungsmittel gelöst ist und in ihrem Molekül ein unpaariges Elektron enthält, welches in Wechselwirkung mit einem Atomkern der Substanz steht (so ist z.
B., falls das freie Radikal durch Nitrosodisulfonat NO (SOg) a gebildet wird, eine einzige bipolare Kopplung zwischen dem elektronischen Spin des Ions NO und dem Spin der Kerne des Lösungsmittels vorhanden), wobei die Substanz eine elektronische sättigbare Resonanzlinie besitzt, deren Frequenz in einem von Null verschiedenen Magnetfeld von Null verschieden ist.
Der Generator enthält ferner Einrichtungen zur Sättigung dieser elektronischen Resonanzlinie, welcher durch einen Höchstfrequenzgenerator (VHF-Generator) 7 mit der Frequenz dieser Linie gebildet wird (welche grössenordnungsmässig 55 NHz bei Nitrosodisulfonat beträgt) und eine von diesem Generator
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Ein nicht dargestellter elektromagnetischer Schirm ist zwischen der in den Behälter 6 eintauchenden Spule 8 und den den Behälter 6 umgebenden Spulen 1 und 2 vorgesehen, welcher für die Kernresonanzfrequenz durchlässig und die elektronische Resonanzfrequenz undurchlässig ist.
Ferner ist ein Kondensator 9 an die Klemmen der Spule 1 angeschaltet, um mit dieser einen auf die Kernresonanzfrequenz f abgestimmten Resonanzkreis zu bilden, dessen Güte- oder Überspannungskoeffizient Q klein ist (grössenordnungsmässig 5), um die Frequenzmitnahme zu verringern, welche auftreten würde, wenn Q sehr gross wäre.
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Während des Betriebes erzeugt die Sättigung der elektronischen Resonanzlinie eine Umkehrung der Besetzung der Kernspins in der Probe des Behälters 6, was eine stimulierte Energieaussendung mit der Kernresonanzfrequenz durch die auf den tieferen Pegel zurückkehrenden Kernspins zur Folge hat.
Diese stimulierte Aussendung äussert sich in einem sich mit der Kernresonanzfrequenz (etwa 2000 Hz für das Proton in dem magnetischen Erdfeld) drehenden Moment, welches eine erhebliche Kopplung m zwischen den (normalerweise entkoppelten) Spulen 1 und 2 herstellt, jedoch mit dieser Frequenz.
Man erhält so einen Rückkopplungsoszillator, in welchem die verhältnismässig spitze Kernresonanzkurve (da die Kernresonanzlinien schmal sind) die gleiche Rolle spielt wie die Resonanzkurve eines Schwingkreises in einem üblichen Rückkopplungsoszillator, wobei die Fangbedingung und somit die Bedingung eines wirklichen Arbeitens darin besteht, dass die Verstärkung des Verstärkers 5 eine bestimmte Schwelle überschreitet, welche für jeden Oszillator mit Spinkopplung berechenbar ist (wobei jedoch zu berücksichtigen ist, dass ein Teil der Energie des Oszillators bei 11 zur Übertragung auf den Frequenzmesser 10 entnommen wird).
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Ein derartiges Magnetometer ergibt ausgezeichnete Ergebnisse, seine im Prinzip genauen Messungen werden jedoch, da die Spule 1 sehr zahlreiche Windungen besitzt (z. B. 6000 Windungen), durch zwei
Erscheinungen gestört :
Die Spule 1 besitzt zunächst für äussere elektromagnetische Felder eine erhebliche Oberfläche, so dass diese in der Spule elektromotorische Störkräfte induzieren, welche zu der elektromotorischen Kraft der Kernresonanz geringer Amplitude (in der Grössenordnung von 50 V an den Klemmen der Spule 1) hinzutreten.
Der nicht vollkommen lineare Verstärker 5 formt die resultierende Eingangsspannung in
Frequenzmodulation um, da die mangelhafte Linearität in die Ausgangsgrösse des Verstärkers am Ein- gang nicht vorhandene Frequenzen (Oberwellen) einführt, so dass schliesslich bei 11 zufällige Schwebun- gen auftreten, welche durch den Frequenzmesser 10 nicht ausgeschieden werden können.
Ferner erzeugt der durch die Spule 1 bei Bewegungen des Magnetometers (wenn sich dieses z. B. an
Bord eines Flugzeuges befindet) geschnittene Magnetfluss in dem Magnetometer eine elektromotorische
Kraft in dem Frequenzband des Resonanzkreises 1, 9, wodurch zufällige Geräusche am Ausgang des Ver- stärkers 5 und somit am Eingang 11 des Frequenzmessers 10 entstehen, welche von dem Frequenzmesser als Schwankungen des Magnetfeldes in der Grössenordnung von 10-5 Oersted gedeutet werden können.
Diese beiden Erscheinungen begrenzen die Genauigkeit des Magnetometers des in Fig. 1 dargestellten Typs mit Spinoszillator, welches sonst (bei Fehlen eines äusseren elektromagnetischen Feldes und von schnellen Bewegungen) durchaus zufriedenstellend arbeitet.
Um dies-n Nachteilen abzuhelfen, enthält ein erfindungsgemässes Magnetometer (Fig. 2-4) :
Ein Paar von Behältern 6 a, 6 b (welche zur Vereinfachung der Fig. 2 und 4 nur in Fig. 3 dargestellt sind), deren jeder eine Probe 12 a, 12 b mit gyromagnetischen Eigenschaften enthält, einen (nur in Fig.
2 und 3 dargestellten) praktisch linearen Verstärker 5, zwei Spulenpaare, von denen das erste 1 a-1 b an den Eingang 3 und das zweite 2 a-2 b an den Ausgang 4 des Verstärkers 5 angeschaltet ist, wobei die beiden Spulen eines Paares miteinander identisch und mit parallelen Achsen X a-X b, Y a-Fb, aber gegensinnig auf die beiden Behälter 6 aufgewickelt sind, so dass sich am Eingang 3 des Verstärkers 5 die in den beiden an diesen Eingang angeschlossenen Spulen 1 a, 1 b durch die Kernresonanz induzierten elektromotorischen Kräfte addieren, während die elektromotorischen Kräfte, welche in diesen beiden Spulen 1 a, 1 b durch etwaige äussere elektromagnetische Felder sowie durch etwaige Bewegungen des Magnetometers in dem zu messenden Magnetfeld induziert werden können,
einander entgegengesetzt sind und sich aufheben, wobei ein (in Fig. 4 nicht dargestellter) Frequenzmesser 10 ebenfalls an den Ausgang des Verstärkers 5 angeschlossen ist, um die Frequenz der von diesem Verstärker gelieferten Spannung zu messen, welche zu der magnetischen Feldstärke, in welcher sich das Behälterpaar 6 a-6 b befindet, genau proportional ist.
Die Erfindung ist nicht nur auf Oszillatoren mit Spinkopplung mit (an den Eingang und den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen) "gekreuzten" Spulen anwendbar, d. h. Spulen mit zueinander senkrechten Achsen, sondern auch auf Oszillatoren mit parallelen Spulen.
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In Fig. 2, in welcher zur Vereinfachung der Figur die beiden die Proben mit gyromagnetischen Eigenschaften enthaltenden Behälter, auf welche die Spulen 1 a und 2 a bzw. 1 b und 2 b aufgewickelt sind, sowie die Höchstfrequenzgeneratoren und die Spulen (welche den Teilen 7 und 8 der Fig. 1 entsprechen) zur Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie einer jeden Probe nicht dargestellt sind, findet man den Kondensator 9, welcher mit den Spulen 1 a, 1 b einen auf die Kernresonanzfrequenz abgestimmten Resonanz-
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tet sind, während an eine der Ausgangsklemmen 4 über Regelpotentiometer 13 a und 13 b die Spulen 2 a und 2 b angeschlossen sind, deren Mittelpunkte 14 a, 14 b wie die andere Ausgangsklemme des Verstärkers Körperschluss haben.
Ferner ist der bei 11 angeschlossene Frequenzmesser vorhanden.
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identisch und gegensinnig gewickelt sind (ihre Achsen X a und X b sind antiparallel), das etwaige umgebende elektromagnetische Feld und/oder der durch die etwaige Bewegung des Magnetometers geschnittene Fluss in jeder Empfangsspule 1 a, 1 b elektromotorische Kräfte, welche einander entgegengesetzt sind und sich aufheben. Hiedurch werden alle induzierten Störgeräusche unterdrückt, und der Oszillator speist den Frequenzmesser 10 nicht.
Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes mit der Stärke H tritt dagegen eine Kopplung zwischen den
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den Klemmen des Kondensators 9 und des Verstärkers 5.
Man erhält also am Eingang 3 des Verstärkers 5 das gleiche Kernresonanzsignal mit der Frequenz f in der Schaltung der Fig. 2 mit zwei Empfangsspulen wie in der Schaltung der Fig. 1 mit einer einzigen Empfangsspule, die Störsignale sind jedoch in der Schaltung der Fig. 2 ausgeschieden.
Man konnte so > mit einem derartigen Magnetometer mit Spulen 1 a, 1 b mit je 3000 Windungen und Spulen 2 a, 2 b mit je 100 Windungen und einer Probe mit einer von Sauerstoff befreiten wässerigen Lösung von Nitrosodisulfonat, von welcher eine elektronische Resonanzlinie mit 55 MHz gesättigt wurde, oder einer von Sauerstoff befreiten wässerigen Lösung von Di-Tertio-Butyl-Nitroxyd NO [C (CHg).,] von welcher eine elektronische Resonanzlinie mit 72, 5 MHz gesättigt wurde, die Änderungen des Erdfeldes mit einer über 1. 10-6 Oersted liegenden Genauigkeit messen, wobei sich das Magnetometer an Bord eines Flugzeuges (Breguet Atlantic 1150) befand.
Die Oszillatoren mit Spinkopplung mit gekreuzten Spulen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art erzeugen
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a-1 b1 a-1 b, 9 klein sein kann, was eine geringe Frequenzmitnahme ergibt (s. hiezu die Mitteilung der Herren Grivet, Blaquiere und Bonnet in den Berichten der dritten Conférence Internationale d'Electronique Quantique-Dunod Paris 1964, Band 1, Seite 239-246).
Die Benutzung von gekreuzten Spulen führt aber zwei verbotene Achsen (nämlich die Spulenachsen) ein, anstatt der einzigen verbotenen Achse der Magnetometer des Typs Maser mit dynamischer Polarisation (welche in der franz. Patentschrift Nr. 1. 177. 112 vom 1. Juni 1957 und in der obigen Mitteilung Seite 236 und 237 beschrieben sind). Die Hinzufügung einer verbotenen Achse ist im allgemeinen bei einem am Boden festen Magnetometer (wenn die Richtung des zu messenden Magnetfeldes praktisch konstant ist) oder auch bei Einbau als Magnetovariometer an Bord eines Flugzeuges, dessen Flug nicht eine der verbotenen Achsen mit der Richtung des Magnetfeldes zusammenfallen lässt, nicht störend, dies ist jedoch nicht mehr bei einem ohne besondere Vorsichtsmassnahmen fliegenden Flugzeug der Fall. So stellt sich z.
B. bei einer genormten Flugzeugkurve (360 in 2 min) das Magnetometer um etwa 25'schräg, und jede Messung wird zweifelhaft, wenn diese Schräglage zu der des magnetischen Erdfeldes hinzutritt.
Aus diesen Gründen wird in der Praxis bei Messungen an Bord eines Flugzeuges der Messkopf (der Behälter oder die Bebälter und die Spulen) auf einer lotrechten Achse stabilisiert (damit die verbotenen Achsen der Spulen waagerecht liegen).
In dem zweiten in Fig. 3 und 4 dargestellten Typ von Ausführungsformen mit Spulen mit parallelen Achsen ist nur eine einzige verbotene Achse vorhanden, nämlich die der Spulen. Es genügt dann, an Bord eines Flugzeuges diese einzige verbotene Achse mit der Achse des Flugzeuges zusammenfallen zu lassen.
Bei der Anordnung der Fig. 3 sind die Empfangsspulen 1 a, 1 b wie bei der Ausführungsform der Fig. 2 so angeordnet, dass ihre Achsen parallel, aber gegensinnig liegen, was durch Kompensation (wie in Fig. 2) die elektromotorischen Kräfte ausscheidet, welche in diesen Spulen durch das äussere elektromagnetische Feld und die Bewegungen des Magnetometers induziert werden. Die Erregerspulen 2 a, 2 b sind dagegen in Reihe geschaltet, wobei ihre Achsen die gleiche Richtung wie die Achsen der Spulen 1 a, 1 b haben.
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b- ma). Die Aufhebung der induzierten elektromotorischen Kräfte an den Eingangsklemmen 3 des Verstärkers 5 wird mittels des Potentiometers 13 vervollständigt.
Damit sich die in den beiden Empfangsspulen 1 a, 1 b induzierten elektromotorischen Kräfte nuklearen Ursprungs an den Eingangsklemmen 3 des Verstärkers 5 addieren, ist es notwendig (und ausreichend), dass sich die makroskopischen Resultierenden der magnetischen Momente der gesamten Atomkerne der beiden Proben in Phasenopposition befinden, da die beiden Spulen 1 a und 1 b gegensinnig gewickelt und
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gegeben sind.
Die Opposition der beiden makroskopischen Komponenten wird dadurch hergestellt, dass in den beiden Proben zwei solche elektronische Resonanzlinien (mit verschiedener oder gleicher Frequenz) der gelösten paramagnetischen Substanz benutzt werden, dass die Sättigung der einen Linie in der Probe 12 a mittels eines Höchstfrequenzgenerators 7 a und einer (zur Vereinfachung der Figur mit einer einzigen Windung dargestellten) Spule 8 a, welche an diesen Generator angeschlossen ist und in die Probe 12 a eintaucht, eine makroskopische Komponente in einem ersten Sinn erzeugt, während die Sättigung der andern Linie in der Probe 12 b mittels eines Generators 7 b und einer (zur Vereinfachung der Figur mit einer einzigen Windung dargestellten) Spule 8 b, welche an diesen Generator 7 b angeschlossen ist und in die Probe 12 b eintaucht,
eine makroskopische Komponente in einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Sinn erzeugt.
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Anders ausgedrückt, die Sättigung der einen elektronischen Resonanzlinie muss eine Steigerung der Intensität der Energieabsorption bei der Frequenz dieser Linie erzeugen, während die Sättigung der andern elektronischen Resonanzlinie eine stimulierte Energieaussendung (infolge einer Umkehr der Besetzung der Kernspins infolge einer Umkehr der Besetzung der elektronischen Spins und der Kopplung zwischen diesen beiden Spinarten) bei der Frequenz dieser andern Linie erzeugen muss.
Hiefür kann man zunächst die gleiche paramagnetische Substanz für die beiden Proben 12 a, 12 b wählen, wobei diese Substanz durch ein freies Radikal mit zwei elektronischen Resonanzlinien gebildet wird, deren eine durch Sättigung eine Energieaussendung und die andere eine Energieabsorption ergibt. In diesem Fall müssen zwei mit verschiedenen Frequenzen arbeitende Höchstfrequenzgeneratoren 7 a, 7 b vorgesehen werden. Dies ist z. B. bei Nitrosodisulfonat der Fall, welches in dem Erdfeld zwei Linien bei 53, 5 und 55, 9 MHz besitzt, und bei Di-Tertio-Butyl-Nitroxyd, welches in dem Erdfeld zwei Linien bei 69, 4 und 72 MHz besitzt, welche makroskopischen Resultierenden mit entgegengesetzten Zeichen entsprechen.
Es können auch zwei paramagnetische Substanzen benutzt werden, bei welchen die gleiche Frequenz zwei entgegengesetzte elektronische Linien (eine Linie bei jeder Substanz) erregt. Für diesen Fall genügt ein einziger Höchstfrequenzgenerator zur Speisung von zwei in die Behälter 6 a und 6 eintauchenden Spulen zur Erregung der beiden Resonanzlinien mit der gleichen Frequenz. Die Patentinhaberin hat nämlich ein dieser Bedingung genügendes Paar von paramagnetischen Radikalen entdeckt, nämlich das Di-Tertio-Butyl-Nitroxyd, welches in einem Lösungsmittel gelöst ist, welches (dem Volumen nach)
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bei der ersten Substanz eine untere elektronische Resonanzlinie sättigt (was eine Steigerung der Energieabsorption ergibt), und bei der zweiten eine obere elektronische Resonanzlinie (was eine stimulierte Energieaussendung ergibt).
In beiden Fällen können an Stelle von zwei in die Behälter 6 a, 6 b tauchenden Erregerspulen zwei gleichachsige Hohlräume benutzt werden, welche mit den beiden Proben gefüllt sind und die in der franz.
Patentschrift Nr. 1. 358. 352 vom 18. Juli 1960 beschriebene und dargestellte Bauart haben.
Ein anderes Paar von geeigneten paramagnetischen Radikalen, welches von der Patentinhaberin entdeckt wurde, wird durch das bereits genannte Triazetonaminnitroxyd und das "Tanoxime" oder Tetra- methyl-2, 2, 6, 6, Azo-l-Zyklohexanoneoxim-4-Oxyd-l mit der Formel NO CHgCH C=NOH, welches den Gegenstand des franz. Zusatzpatentes Nr. 84. 349 vom 13. September 1963 bildet, gebildet.
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1gskoeffizienten ma,nanzbandes der Anordnung vorgesehen ist.
In Fig. 5 ist ein Messkopf dargestellt, welcher axiale Spulen wie in Fig. 4 besitzt und den Vorteil eines geringen Platzbedarfes bietet.
In Fig. 5 sind die gleichen Bezugszeichen wie in den andern Figuren zur Bezeichnung entsprechender Teile benutzt.
Der Messkopf ist in einem Gehäuse 15 untergebracht, welches keine Abschirmung für das zu messende Magnetfeld bildet. Es besitzt einen doppelten Behälter mit zwei Abteilungen 6 a, 6 b für die beiden Proben 12 a, 12 b, welche durch eine wässerige Lösung von M/1600 von Triazetonaminnitroxyd und durch
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zentration von M/800 gebildet werden. Die Sättigung der Linien oder Bänder der elektronischen Resonanz bei 68, 5 MHz für die beiden Proben erfolgt mittels einiger Windungen 8, welche von einem nicht darge- stellten Generator 7 über ein Koaxialkabel 16 mit Leitern 16 a und 16 b beaufschlagt werden.
Um diese Abteilungen oder Behälter 6 a, 6 b herum sind einerseits die Spulen 1 a, 1 b zur Entnahme der Spannung mit der Kernresonanzfrequenz, welche in Reihe zwischen die Klemmen eines nicht dargestellten Kondensators 9 durch ein Kabel 17 geschaltet sind, und anderseits die Erregerspulen 2 a, 2 b angeordnet, welche parallel zwischen den Körper und eine Widerstandsanordnung 13 der in Fig. 4 dargestellten Art mittels eines Kabels 18 geschaltet sind. Die Spulen 1 a, 1 b können z. B. 4000 Windungen mit einem Durchmesser von 30/100 und die Spulen 2 a, 2 b etwa 250 Windungen mit einem Durchmesser von 30/100 mm haben.
Man erhält so ein Magnetometer für magnetische Resonanz, welches gegenüber den bekannten Magnetometern, welche die Bauart als Oszillatoren mit Spinkopplung aufweisen, zahlreiche Vorteile besitzt, insbesondere folgende :
Es gestattet zunächst die Messung von schwachen Magnetfeldern, z. B. des magnetischen Erdfeldes, mit einer seht grossen Genauigkeit, u. zw. sowohl bei ortsfestem Einbau als auch an Bord eines Flugzeuges, einer Rakete oder eines Raumflugkörpers.
Seine Angaben sind gegen etwaige Bewegungen unempfindlich.
Seine Angaben sind gegen äussere elektromagnetische Felder unempfindlich.
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Magnetometer
The present invention relates to nuclear magnetic resonance magnetometers which are of the spin coupling type of oscillator; H. with two Bloch coils, which are connected to the input and output of a linear amplifier and are electromagnetically decoupled. Of such magnetometers, the invention relates in particular, although not exclusively, to those which are intended to measure a weak magnetic field with great accuracy (of over 10-5 oersteds), e.g. B. the magnetic earth field (the strength of which is in the order of magnitude 0.5 Oersteds, especially on board an aircraft or a rocket.
The invention aims in particular to make such a magnetometer insensitive to external electromagnetic fields and to rapid movement in the magnetic field to be measured.
In contrast to the previous practice in which a magnetometer, which is of the type of an oscillator with spin coupling, contains two Bloch coils which are wound around a container containing a sample of a substance with gyromagnetic properties and the first to the input and the second to the Output of a practically linear amplifier, which also feeds a frequency meter, which determines the frequency of the output voltage of the amplifier, which is proportional to the strength of the magnetic field in which the container is located, the magnetometer according to the invention contains a pair of containers, each of which contains a sample of a substance with gyromagnetic properties, a practically linear amplifier, two pairs of coils,
of which the first is connected to the input and the second to the output of the amplifier, whereby the two coils of one and the same pair are practically identical to each other and with parallel axes, but in opposite directions each wound on one of the two containers, so that at the input of the Amplifier, the electromotive forces induced in the two coils connected to its input by the nuclear magnetic resonance add up, while the electromotive forces which are induced in these two coils by any external electromagnetic fields as well as by any movements of the magnetometer in the magnetic field to be measured can, are opposite and cancel each other, as well as a frequency meter also connected to the output of the amplifier.
In a first class of embodiments, the two coils wound on the same container, one of which is connected to the input and the other to the output of the amplifier, these coils being normally decoupled from one another, are arranged with their axes perpendicular to one another, whereby the two liquid samples on the one hand a solvent with atomic nuclei with a magnetic and kinetic moment other than zero, d. H.
with a precisely determined gyromagnetic ratio, and on the other hand, contain a paramagnetic substance dissolved in this solvent, in particular an ion or a free radical with an unpaired electron, which has at least one electronic resonance line, which is caused by an electromagnetic field with a frequency other than zero toward zero tending magnetic field is saturable, devices being provided which generate this electromagnetic field with the electronic resonance frequency in order to saturate this line in the two samples, which are practically identical.
In a second class of embodiments, the two coils wound on the same container are arranged with their axes parallel to each other, the coupling coefficients for the two samples, which have the above type with atomic nuclei with a precisely determined gyromagnetic ratio and with a dissolved paramagnetic substance, are opposite, with the arrangement formed by the two samples, which are practically identical or different (but then have the same atomic nuclei in the solvent), two electronic resonance lines with different frequencies or with the same frequency, with the saturation of one line increasing the energy absorption generated at the nuclear resonance frequency of the atomic nuclei,
while the saturation of the other line produced the stimulated emission of energy at the nuclear resonance frequency
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devices are provided which generate an electromagnetic field with the frequency of an electronic resonance line in each sample in order to saturate the two electronic resonance lines in the two samples.
The invention, which is particularly applicable to magnetometers that can be used on board aircraft, rockets or other devices, is explained below by way of example with reference to the drawing.
Fig. 1 shows schematically a known type of spin coupling oscillator.
2-4 show the application of the improvements according to the invention to an oscillator with spin coupling, FIG. 2 showing an embodiment with crossed coils wound onto each container, while FIGS. 3 and 4 show two embodiments with parallel coils wound onto each container.
Fig. 5 is a section of a measuring head with parallel coils.
It is assumed below that the task at hand is to manufacture a magnetometer which is insensitive to external electromagnetic fields and to rapid movements in the magnetic field to be measured.
Before explaining the features according to the invention, the construction and the mode of operation of the known magnetometers, which are of the spin oscillator type, will be explained with reference to FIG.
Such a z. B. in the French The oscillator described in U.S. Patent No. 1,351,587 of December 28, 1962 essentially comprises two Bloch coils 1 and 2 which are connected to the input 3 and the output 4 of a linear amplifier 5, respectively. The coils 1 and 2 are electromagnetically decoupled as well as possible, the directions X, Y of their axes being perpendicular to one another.
The coils 1 and 2 are wound on a container 6 which contains a liquid sample 12 which, by means of a solvent, contains atomic nuclei (in particular protons) with a magnetic and kinetic moment other than zero, i.e. H. with a gyromagnetic ratio y, where the resonance frequency f of these atomic nuclei in a magnetic field of strength H is given by the following formula:
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and a paramagnetic substance is formed which is dissolved in the solvent and contains an unpaired electron in its molecule, which interacts with an atomic nucleus of the substance (e.g.
B., if the free radical is formed by nitrosodisulfonate NO (SOg) a, a single bipolar coupling between the electronic spin of the ion NO and the spin of the nuclei of the solvent is present), the substance has an electronic saturable resonance line, the frequency in a non-zero magnetic field is non-zero.
The generator also contains devices for saturating this electronic resonance line, which is formed by a high frequency generator (VHF generator) 7 with the frequency of this line (which is of the order of magnitude of 55 NHz for nitrosodisulfonate) and one of this generator
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An electromagnetic shield, not shown, is provided between the coil 8 immersed in the container 6 and the coils 1 and 2 surrounding the container 6, which screen is permeable to the nuclear magnetic resonance frequency and impermeable to the electronic resonance frequency.
Furthermore, a capacitor 9 is connected to the terminals of the coil 1 in order to form a resonance circuit which is tuned to the nuclear magnetic resonance frequency f and whose quality or overvoltage coefficient Q is small (of the order of magnitude 5) in order to reduce the frequency entrainment which would occur if Q would be very large.
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During operation, the saturation of the electronic resonance line produces a reversal of the occupation of the nuclear spins in the sample of the container 6, which results in a stimulated emission of energy at the nuclear resonance frequency by the nuclear spins returning to the lower level.
This stimulated emission is expressed in a moment rotating with the nuclear resonance frequency (about 2000 Hz for the proton in the earth's magnetic field), which creates a considerable coupling m between the (normally decoupled) coils 1 and 2, but with this frequency.
The result is a feedback oscillator in which the relatively sharp nuclear resonance curve (because the nuclear resonance lines are narrow) plays the same role as the resonance curve of an oscillating circuit in a conventional feedback oscillator, the catching condition and thus the condition of real work being that the amplification of the Amplifier 5 exceeds a certain threshold which can be calculated for each oscillator with spin coupling (although it must be taken into account that part of the energy of the oscillator is taken at 11 for transmission to the frequency meter 10).
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Such a magnetometer gives excellent results, but since the coil 1 has a very large number of turns (e.g. 6000 turns), its measurements, which are accurate in principle, are reduced by two
Appearances disturbed:
The coil 1 initially has a considerable surface for external electromagnetic fields, so that these induce electromotive interference forces in the coil, which are added to the electromotive force of the nuclear resonance of low amplitude (in the order of magnitude of 50 V at the terminals of the coil 1).
The not perfectly linear amplifier 5 forms the resulting input voltage in
Frequency modulation around, since the inadequate linearity in the output variable of the amplifier introduces frequencies (harmonics) that are not present at the input, so that finally at 11 random beats occur which cannot be eliminated by the frequency meter 10.
Furthermore, the generated by the coil 1 when the magnetometer moves (if it is e.g.
On board an aircraft is located) cut magnetic flux in the magnetometer an electromotive
Force in the frequency band of the resonance circuit 1, 9, which causes random noises at the output of the amplifier 5 and thus at the input 11 of the frequency meter 10, which can be interpreted by the frequency meter as fluctuations in the magnetic field of the order of magnitude of 10-5 Oersted.
These two phenomena limit the accuracy of the magnetometer of the type shown in FIG. 1 with a spin oscillator, which otherwise (in the absence of an external electromagnetic field and rapid movements) works quite satisfactorily.
In order to remedy these disadvantages, a magnetometer according to the invention (Fig. 2-4) contains:
A pair of containers 6 a, 6 b (which are only shown in Fig. 3 for the purpose of simplifying FIGS. 2 and 4), each of which contains a sample 12 a, 12 b with gyromagnetic properties, one (only in Fig.
2 and 3) practically linear amplifier 5, two coil pairs, of which the first 1 a-1 b is connected to the input 3 and the second 2 a-2 b to the output 4 of the amplifier 5, the two coils of a pair identical to each other and with parallel axes X aX b, Y a-Fb, but in opposite directions wound onto the two containers 6, so that at input 3 of amplifier 5 the coils 1 a, 1 b connected to this input pass through the Add nuclear magnetic resonance-induced electromotive forces, while the electromotive forces that can be induced in these two coils 1 a, 1 b by any external electromagnetic fields and by any movements of the magnetometer in the magnetic field to be measured,
are opposite to each other and cancel each other, with a (in Fig. 4 not shown) frequency meter 10 is also connected to the output of the amplifier 5 in order to measure the frequency of the voltage supplied by this amplifier, which corresponds to the magnetic field strength in which the container pair 6 a-6 b is exactly proportional.
The invention is not only applicable to spin-coupled oscillators with "crossed" coils (connected to the input and output of the amplifier); H. Coils with mutually perpendicular axes, but also on oscillators with parallel coils.
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In Fig. 2, in which, to simplify the figure, the two containers containing the samples with gyromagnetic properties, on which the coils 1 a and 2 a or 1 b and 2 b are wound, as well as the high-frequency generators and the coils (which the parts 7 and 8 correspond to FIG. 1) are not shown for saturation of an electronic resonance line of each sample, one finds the capacitor 9, which with the coils 1 a, 1 b has a resonance frequency tuned to the nuclear magnetic resonance frequency.
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are tet, while the coils 2 a and 2 b are connected to one of the output terminals 4 via control potentiometers 13 a and 13 b, the centers of which 14 a, 14 b have body contact with the other output terminal of the amplifier.
The frequency meter connected at 11 is also available.
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are identical and wound in opposite directions (their axes X a and X b are antiparallel), the possible surrounding electromagnetic field and / or the flux cut by the possible movement of the magnetometer in each receiving coil 1 a, 1 b electromotive forces which are opposite to each other and cancel out. As a result, all induced background noise is suppressed and the oscillator does not feed the frequency meter 10.
In the presence of a magnetic field with the strength H, however, a coupling occurs between the
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the terminals of capacitor 9 and amplifier 5.
The same nuclear magnetic resonance signal with frequency f is thus obtained at input 3 of amplifier 5 in the circuit of FIG. 2 with two receiving coils as in the circuit of FIG. 1 with a single receiving coil; however, the interference signals are in the circuit of FIG eliminated.
It was thus possible to use such a magnetometer with coils 1 a, 1 b with 3000 turns each and coils 2 a, 2 b with 100 turns each and a sample with an aqueous solution of nitrosodisulfonate from which an electronic resonance line is 55 MHz was saturated, or a deoxygenated aqueous solution of di-tertio-butyl-nitroxide NO [C (CHg).,] Of which an electronic resonance line was saturated with 72.5 MHz, the changes in the earth's field with an over 1. 10-6 Oersted measuring accuracy while the magnetometer was on board an airplane (Breguet Atlantic 1150).
The cross-coil spin coupled oscillators of the type shown in FIGS. 1 and 2 generate
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a-1 b1 a-1 b, 9 can be small, which results in a low frequency entrainment (see the communication by Messrs. Grivet, Blaquiere and Bonnet in the reports of the third Conference Internationale d'Electronique Quantique-Dunod Paris 1964, volume 1 , Pages 239-246).
The use of crossed coils introduces two forbidden axes (namely the coil axes) instead of the single forbidden axis of magnetometers of the Maser type with dynamic polarization (which is described in French Patent No. 1,177,112 of June 1, 1957 and in the above notice on pages 236 and 237). A forbidden axis is generally added to a magnetometer fixed on the ground (if the direction of the magnetic field to be measured is practically constant) or when installed as a magneto variometer on board an aircraft, the flight of which one of the forbidden axes does not coincide with the direction of the magnetic field leaves, not disturbing, but this is no longer the case with an aircraft flying without special precautionary measures. So z.
B. With a standardized aircraft curve (360 in 2 min) the magnetometer is inclined by about 25 ', and every measurement becomes doubtful if this inclination is added to that of the earth's magnetic field.
For these reasons, in practice, when taking measurements on board an aircraft, the measuring head (the container or the containers and the coils) is stabilized on a vertical axis (so that the forbidden axes of the coils are horizontal).
In the second type of embodiment with coils with parallel axes shown in FIGS. 3 and 4, there is only one forbidden axis, namely that of the coils. It is then sufficient to let this single prohibited axis coincide with the axis of the aircraft on board an aircraft.
In the arrangement of FIG. 3, the receiving coils 1 a, 1 b are arranged, as in the embodiment of FIG. 2, in such a way that their axes lie parallel but in opposite directions, which eliminates the electromotive forces by compensation (as in FIG. 2), which are induced in these coils by the external electromagnetic field and the movements of the magnetometer. The excitation coils 2 a, 2 b, however, are connected in series, their axes having the same direction as the axes of the coils 1 a, 1 b.
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b- ma). The elimination of the induced electromotive forces at the input terminals 3 of the amplifier 5 is completed by means of the potentiometer 13.
So that the electromotive forces of nuclear origin induced in the two receiving coils 1 a, 1 b add up at the input terminals 3 of the amplifier 5, it is necessary (and sufficient) that the macroscopic resultant of the magnetic moments of the entire atomic nuclei of the two samples are in phase opposition are located because the two coils 1 a and 1 b wound in opposite directions and
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given are.
The opposition of the two macroscopic components is produced in that two such electronic resonance lines (with different or the same frequency) of the dissolved paramagnetic substance are used in the two samples that the saturation of one line in the sample 12 a by means of a maximum frequency generator 7 a and a coil 8 a (shown with a single turn to simplify the figure), which is connected to this generator and dips into the sample 12 a, generates a macroscopic component in a first sense, while the saturation of the other line in the sample 12 b by means of a generator 7b and a coil 8b (shown with a single turn to simplify the figure), which is connected to this generator 7b and is immersed in the sample 12b,
generates a macroscopic component in a second, opposite sense to the first.
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In other words, the saturation of one electronic resonance line must produce an increase in the intensity of the energy absorption at the frequency of this line, while the saturation of the other electronic resonance line must produce a stimulated emission of energy (due to a reversal of the occupation of the nuclear spins as a result of a reversal of the occupation of the electronic spins and the coupling between these two types of spin) at the frequency of this other line.
To this end, the same paramagnetic substance can first be selected for the two samples 12 a, 12 b, this substance being formed by a free radical with two electronic resonance lines, one of which results in an energy emission through saturation and the other in an energy absorption. In this case, two maximum frequency generators 7 a, 7 b operating at different frequencies must be provided. This is e.g. B. the case with nitrosodisulfonate, which has two lines at 53, 5 and 55.9 MHz in the earth field, and di-tertio-butyl nitroxide, which has two lines in the earth field at 69, 4 and 72 MHz, which correspond to macroscopic resultants with opposite signs.
Two paramagnetic substances can also be used, in which the same frequency excites two opposite electronic lines (one line for each substance). In this case, a single maximum frequency generator is sufficient to feed two coils immersed in the containers 6 a and 6 to excite the two resonance lines at the same frequency. The patent proprietor has discovered a pair of paramagnetic radicals that meet this condition, namely di-tertio-butyl-nitroxide, which is dissolved in a solvent which (by volume)
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the first substance saturates a lower electronic resonance line (which results in an increase in energy absorption), and in the second an upper electronic resonance line (which results in a stimulated emission of energy).
In both cases, two equiaxed cavities can be used instead of two in the container 6 a, 6 b immersed excitation coils, which are filled with the two samples and which in the French.
U.S. Patent No. 1,358,352, dated July 18, 1960, are of the type described and illustrated.
Another pair of suitable paramagnetic radicals, which was discovered by the patentee, is by the aforementioned triazetonamine nitroxide and the "Tanoxime" or tetramethyl-2, 2, 6, 6, azo-1-cyclohexanoneoxime-4-oxide-1 with the formula NO CHgCH C = NOH, which is the subject of the French. Additional patent no. 84.349 of September 13, 1963 forms.
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1g coefficient ma, nanzbandes of the arrangement is provided.
In FIG. 5, a measuring head is shown which has axial coils as in FIG. 4 and offers the advantage of a small footprint.
In Fig. 5, the same reference numerals as in the other figures are used to designate corresponding parts.
The measuring head is accommodated in a housing 15 which does not form a shield for the magnetic field to be measured. It has a double container with two compartments 6 a, 6 b for the two samples 12 a, 12 b, which by an aqueous solution of M / 1600 of triacetonamine nitroxide and by
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centering of M / 800. The saturation of the lines or bands of the electronic resonance at 68.5 MHz for the two samples takes place by means of a few turns 8 which are acted upon by a generator 7 (not shown) via a coaxial cable 16 with conductors 16 a and 16 b.
Around these departments or containers 6 a, 6 b are on the one hand the coils 1 a, 1 b for drawing the voltage with the nuclear magnetic resonance frequency, which are connected in series between the terminals of a capacitor 9, not shown, by a cable 17, and on the other hand the excitation coils 2a, 2b, which are connected in parallel between the body and a resistor arrangement 13 of the type shown in FIG. 4 by means of a cable 18. The coils 1 a, 1 b can, for. B. 4000 turns with a diameter of 30/100 and the coils 2 a, 2 b have about 250 turns with a diameter of 30/100 mm.
A magnetometer for magnetic resonance is thus obtained which has numerous advantages over the known magnetometers, which are designed as oscillators with spin coupling, in particular the following:
It initially allows the measurement of weak magnetic fields, e.g. B. the magnetic earth field, with a very high accuracy, u. between stationary installation and on board an aircraft, a rocket or a spacecraft.
His information is insensitive to any movement.
Its information is insensitive to external electromagnetic fields.