Verfahren zur Messung eines magnetischen Feldes, Gerät zur Ausführung dieses Verfahrens und Anwendung des Verfahrens zur Messung des Gradienten eines magnetischen Feldes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines magnetischen Feldes unter Ver wendung einer Substanz, welche Atomkerne mit einem magnetischen Moment aufweist, die unter dem Einfluss des zu messenden Feldes eine gyromagne- tische Präzession ausführen können, ferner auf ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens und auf eine Anwendung des Verfahrens zur Messung des Gradienten eines magnetischen Feldes mittels meh rerer, in räumlich voneinander entfernten Feldpunk ten befindlicher Spulen mit Substanzen,
welche gyro- magnetische Atomteile enthalten. Das Anwendungs feld der Erfindung liegt bei geomagnetischen Mes sungen, Bodenuntersuchungen und Aufzeichnungen magnetischer Felder.
Man hat bereits Magnetometer gebaut, die hin reichend leicht und räumlich gedrängt sind, so dass sie von einer Person getragen werden können. Diese Apparate hatten jedoch schwerwiegende Unzuläng lichkeiten. Waren die Geräte so robust, dass man sie im Freien benutzen konnte, so war ihre Empfind lichkeit gering; ein derartiges robustes, tragbares Ge rät konnte beispielsweise nur Schwankungen von Magnetfeldern oberhalb<B>250</B> y anzeigen.
Es werden auch sorgsame Behandlung er heischende Instrumente verwendet, welche eine Empfindlichkeit von der Grösse plus-minus 30 y be sitzen. Diese Instrumente indessen können nur ent weder die horizontale Komponente des erdmagne tischen Feldes oder die vertikale Komponente messen, nicht aber beide gleichzeitig. Diese empfind lichen Instrumente gestatten überdies nur wenige Ablesungen in der Zeiteinheit. Die Instrumente werden beispielsweise auf einem Stativ aufgebaut, das auf dem Boden fest aufgestellt wird, und es muss dann ein Richtelement des Gerätes sorgfältig hori zontal ausgerichtet und in bezug auf die Ebene des erdmagnetischen Meridianes eingestellt werden.
Es kann eine Messung des Erdfeldes nur ausgeführt werden, nachdem nicht unbeträchtliche Zeit und Mühe für die Vorbereitung der Messung aufgewen det wurde, und die Messung ist nur dann empfind lich, wenn das Element hinreichend temperatur kompensiert, kalibriert und ausgerichtet ist und ferner die empfindlichen mechanischen Anzeigemittel beim Feldtransport nicht zuvor beschädigt wurden.
Um den genannten Mängeln abzuhelfen, sollen die Erscheinungen der magnetischen Präzession, die Russel H. Varian in seinem amerikanischen Reissue- Patent Nr. 23769, betitelt Verfahren und Mittel, um Kerneigenschaften von Atomen und magnetische Felder in Abhängigkeit zu setzen beschrieben hat, ausgenützt werden, um diese Methode besonders zweckmässig für tragbare Geräte anzuwenden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man in der Substanz durch Polarisation eine gyromagnetische Präzession der Atomteile um das zu messende Feld erzeugt, dass man ein von dieser Präzession abhängiges Signal er zeugt und dieses mit einem Standardsignal vergleicht, dass so ein zweites Signal gewonnen wird, dessen Frequenz ein Mass für das magnetische Feld ergibt, und dass das zweite Signal einem Zungenfrequenz messer zugeführt wird.
Das erfindungsgemässe Gerät ist gekennzeichnet durch eine elektrische Spule zur Polarisation der gyromagnetischen Atomteile der Substanz, wobei die Längsachse dieser Spule in eine bestimmte Winkel lage bezüglich des zu messenden Feldes gebracht werden kann, und durch eine zur Erregung der Spule dienende und nach der Polarisation des Kernes von der Spule abschaltbare Stromquelle und durch einen Zungenfrequenzmesser, dem das ein Mass für das Magnetfeld bildende Signal zugeführt wird.
Die Anwendung des Verfahrens zur Messung des Feldgradienten ist dadurch gekennzeichnet, dass die von mehreren an räumlich getrennten Feldpunkten angeordneten Spulen erzeugten Signale miteinander verglichen werden, so dass ihr Frequenzunterschied ein Mass für den zwischen den Feldpunkten herr schenden Feldgradienten ergibt.
Das erfindungsgemässe Verfahren, das dazu ver wendete erfindungsgemässe Gerät und die erfin dungsgemässe Anwendung des Verfahrens werden anhand der Zeichnung in Beispielen erläutert: Fig. 1 zeigt einen Mann, der ein erfindungsgemäss ausgebildetes Magnetometer trägt.
Fig.2 ist ein Prinzipschaltbild eines Magneto- meters.
Fig.2a ist ein Diagramm, welches die Kurven f = f (C) mit L als Parameter darstellt.
Fig. 3 ist dasselbe für eine zweite Ausführungs form.
Fig.4 zeigt das Blockschema eines Messgerätes für den Gradienten.
In Fig. 2 ist das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des Magnetometers wiedergegeben. Eine Messspule 1 dient als sondierendes Element des Magnetfeldes. Die Spule besteht aus einer Draht spule, welche um einen Kern aus einem Material, welches gyromagnetische Atomteile, wie beispiels weise Protonen, in Wasser enthält, gewickelt ist. Die Spule bildet den induktiven Teil eines abgestimmten Resonanzkreises. Ein Satz Kapazitäten 2, die wahl weise mit der Spule durch Drehen eines Schleif kontaktes 3 gekoppelt werden können, dienen als Kapazitäten des abgestimmten Kreises.
Die Spule dient zwei Zwecken. Erstens erzeugt sie das Polarisationsmagnetfeld, welches die gyro- magnetischen Atomteile in einer Richtung polari siert, welche unter einem Winkel zu der Richtung des magnetischen Feldes liegt, welches gemessen werden soll. Wenn die gyromagnetischen Atomteile durch die Spule polarisiert sind, wird dieselbe abge schaltet, und man lässt das magnetische Feld der Spule zusammenbrechen. Wenn das polarisierende Feld nicht mehr vorhanden ist, führen die gyro- magnetischen Atomteile eine freie Präzession in dem Feld aus, welches gemessen werden soll.
Die Spule erfüllt dann ihren zweiten Zweck, nämlich die Prä- zessionssignale aufzunehmen, die durch die Präzes- sion der gyromagnetischen Atomteile in ihr indu ziert werden.
Ein Polarisations-Empfangs-Relais 4 steuert die zwei Funktionen der Messspule 1, indem es zu nächst eine Polarisationsbatterie 5 mit der Spule 1 verbindet, so dass die Spule ein polarisierendes Ma gnetfeld aufbaut; wenn nach einer gewissen Zeit spanne die gyromagnetischen Atomteile polarisiert sind, schaltet das Relais 4 die Polarisationsbatterie von der Spule 1 ab, und gleichzeitig wird die Spule an den Eingangskreis eines Verstärkers 6 geschaltet. Eine Schaltsteuerstufe 7 betätigt das Relais 4.
Die Schaltsteuerstufe 7 kann eine doppelpolige Schalt vorrichtung enthalten, welche von Hand betätigt wird, sie kann aber auch ein monostabiler Multi vibrator mit einer geeigneten Zeitkonstante sein. Das freie Präzessionssignal wird von einem abge stimmten Detektor-Schwingungskreis aufgenommen, der aus der Spule 1 und einer aus dem Satz 2 aus gewählten Kapazität besteht. Nach Empfang wird das Präzessionssignal durch das Relais 4 dem Ein gangskreis des Verstärkers 6 zugeführt, wo das Si gnal verstärkt und dann einem Schmalbandfilter 8 zugeleitet wird.
Das Filter 8 dient dem Zweck, von aussen induzierte Signale und Rauschspannungen, welche das gyromagnetische Präzessionssignal beglei ten, auszufiltern. Das Schmalbandfilter 8 ist auf be stimmte Frequenzbereiche abstimmbar, indem nach einander verschiedene Kapazitäten aus einem Kapa- zitätensatz 9 mit Hilfe eines Schleifkontaktes 11 ein geschaltet werden.
Die Ausgangsspannungen des Schmalbandfilters 8 werden einer Mischstufe 12 zugeführt, in der das gyromagnetische Signal mit einem Signal gemischt wird, welches von einem ört lichen Oszillator 13 erzeugt wird.
Der örtliche Oszillator 13 ist auf eine Anzahl verschiedener Frequenzbereiche abstimmbar, indem verschiedene Kapazitäten der Kapazitätenanordnung 14 mittels eines Schleifkontaktes 15 in den Reso nanzkreis eingeschaltet werden. Es ist ferner ein Stufenvariometer 16 vorgesehen, welches die Ankop- pelung verschiedener Induktivitäten an dem Ab stimmkreis des Oszillators gestattet.
Die Grössen der Kapazitäten und der Induktivitäten, die bei aufeinan derfolgenden Stufenstellungen nacheinander einge schaltet werden, sind so gewählt, dass die Resonanz frequenzen, die durch sie bestimmt sind, jeweils sol chen Punkten der Kurven f = f (C) mit L als Para meter entsprechen, in welchem die Steilheit dieser Kurven für jede der aufeinanderfolgenden Frequen zen im wesentlichen die gleiche ist (siehe Fig. 2a). Bei einer solchen Wahl der Kapazitätsabstufung er gibt sich im wesentlichen die gleiche Frequenzände- rung in dem gesamten Abstimmbereich,
der durch den Schleifkontakt 15 und den Stufenvariometer 16 bestimmt ist. Ein zweiter Kapazitätenatz 18 kann der Reihe nach an den abgestimmten Kreis des ört lichen Oszillators 13 mittels eines zweiten Schleif kontaktes 19 angeschaltet werden, um dadurch eine Feineinstellung der Frequenz innerhalb der Grob einstellungen, die durch den Schleifkontakt 15 und den Variometerkontakt 16 bedingt sind, zu erzielen.
Die Kapazitäts- und Induktivitätswerte der Grob stimmung sind so gewählt, dass die Resonanzfrequen zen, die durch sie bestimmt sind, jeweils einem solchen Punkt der f-C-Kurven für verschiedene L- Werte entsprechen, in welchem die Steilheit,sf(ae die ser C-Kurven für jede der aufeinanderfolgenden Fre- quenzen im wesentlichen die gleiche ist.
Dies kann mathematisch folgendermassen ausgedrückt werden:
EMI0003.0003
w0: <I>k</I> = die Steilheit der Kurve f <I>=</I> f <I>(C)</I> mit<I>L =</I> L, im Punkte C, ist, welche während den auf einanderfolgenden Einstellungen konstant bleibt, Cl - die anfängliche parallel geschaltete Kapazität in Farad, L1 = die anfängliche Induktivität in Henry.
Der neue Wert der Induktivität in Henry in Funktion der neuen Frequenz f2 ist:
EMI0003.0015
wo: L. = die neue Induktivität des Resonanzkreises - in Henry und die neue Resonanzfrequenz in Hertz. Die neue Kapazität C2 in Farad ist:
EMI0003.0019
Der Ausgangskreis der Mischstufe 12 enthält Summen- und Differenzfrequenzen, die dem obern und dem untern Seitenband des Überlagerungs- vorganges der Signale des lokalen Oszillators und der freien Präzession entsprechen.
Der lokale Oszil- lator 13 besitzt eine Frequenz, die etwa gleich der Präzessionsfrequenz ist, so dass die Differenzfrequenz eine niedrige Frequenz ist. Ein Filter 21 dient dem Zwecke, den unerwünschten Träger und die höheren Seitenbandsignale auszufiltern.
Um das Niederfrequenzsignal, dessen Frequenz ein Mass für die magnetische Feldstärke ist, zu ver vielfachen, und es dadurch in eine höhere Frequenz zu überführen, die eine exakte messbare Grösse als Mass des magnetischen Feldes bildet, kann das untere Seitenband, welches die Mischstufe 12 liefert, zwecks Erzielung einer hohen Empfindlichkeit einem Fre- quenzvervielfacher 22 über einen Schalter 23 mit zwei Schaltstellungen zugeführt werden.
Der Fre- quenzvervielfacher 22 vervielfacht das untere Seiten band auf ein geeignetes Vielfaches, beispielsweise auf das Zehnfache, und führt die vervielfachte Fre quenz dem Eingangskreis einer Mischstufe 24 zu. Ein zweiter Oszillator 25 schwingt mit einer be stimmten festen Frequenz und liefert der Mischstufe 24 ein Signal, welches mit der von der Vervielfacher- stufe 22 gelieferten Frequenz überlagert wird.
Das Ausgangssignal der Mischstufe 24 enthält ein Summen- und ein Differenz-Seitenband. Das untere Seitenband wird in einem Filter 26 ausge siebt, während man die Trägerfrequenz und das obere Seitenband als unerwünscht unterdrückt. Die Niederfrequenz des Filters 26 wird dann einem Lei- stungsvertärker 27 zugeführt, der das Signal ver stärkt und einem Zungenfrequenzmesser 28 zuführt.
Der Zungenfrequenzmesser 28 misst die Fre quenz des ihm zugeführten Signals, die ein Mass für die Stärke des Magnetfeldes ist. Er kann, falls erwüncht, direkt in magnetischen Feldstärkeeinheiten geeicht sein.
Ein Zungenfrequenzmesser 28 ist hier besonders geeignet, in Anbetracht der kurzen Dauer des gyromagnetischen Präzessionssignals. Ein solches Messinstrument liefert fast momentan einen Anzeige wert der Frequenz, während andere Messgeräte, bei spielsweise Drehspulinstrumente, nur langsam an sprechen und schwer die Ablesung des Spitzenwertes gestatten.
Eine weniger empfindliche Messung der magne tischen Feldstärke kann man dadurch erhalten, dass man den Schalter 23 in die Nebenschlussstellung zu dem Frequenzvervielfacher 22 der Mischstufe 24, dem Filter 26 und dem Oszillator 25 legt, so dass die Niederfrequenz des Filters 21 direkt dem Ein gangskreis des Leistungsverstärkers 27 zugeleitet wird, wo sie verstärkt und darnach dem Zungenfre- quenzmesser 28 zugeführt wird.
Wenn man das erdmagnetische Feld auf der nördlichen Halbkugel misst, muss man erwarten, dass beispielsweise Protonen eine Präzessionsfrequenz zwischen 1,5 -kHz und 3,0 kHz liefern. Es ist nicht zweckmässig, dass der abgestimmte Kreis, der für die Zwecke der Aufnahme des Präzessionssignals dient, eine Bandbreite besitzt, welche sich über diesen ganzen Frequenzbereich erstreckt, weil seine Emp findlichkeit umgekehrt proportional der Bandbreite ist. Aus diesem Grunde ist der abgestimmte Emp fangskreis in verschiedenen Schritten kleinerer Band breite abstimmbar, um den gesamten zu erwartenden Frequenzbereich zu überdecken.
In ähnlicher Weise sind das Schmalbandfilter 8 und ebenso der ört liche Oszillator 13 in einer Reihe verschiedener Fre quenzbereiche, die den verschiedenen Frequenzberei chen des abgestimmten Empfangskreises entsprechen, abstimmbar.
Eine Grobabstimmung 29 koppelt die drei Schleifkontakte 3, 11 und 15 und das Stufenvario- meter 16 miteinander; so dass die Resonanzfrequenz des Empfangskreises, des Schmalbandfilters und die des lokalen Oszillators 13 synchron auf die gleiche Frequenz abgestimmt werden können. Es ist ferner eine Feinabstimmung 31 vorgesehen, um mittels des Schleifkontaktes 19 verschiedene Kapazitäten an den örtlichen Oszillator 13 anzuschalten und dadurch die Frequenz desselben in gleichen Schritten innerhalb des betreffenden Bereiches zu verändern.
Die Fein abstimmung 31 wird im Zusammenhang mit der exakteren Feldmessung, die unter Anwendung des Frequenzvervielfachers 22 und der zugehörigen Schaltelemente durchgeführt wird, benützt. Die Ab stimmungen 29 und 31 können in Einheiten der magnetischen Feldstärke geeicht werden, so dass leicht die gesamte magnetische Feldstärke abgelesen werden kann, indem die Ablesungen des Zungen frequenzmessers zu den Ablesungen des Grob- und Feinabstimmbereiches hinzuaddiert werden.
Ein Eichoszillator 32 mit einer festen, bekann ten Frequenz ist vorgesehen, der die für ihn erfor derliche Leistung über einen Schalter 33 von der Polarisationsbatterie 5 bezieht. Andere Apparate teile ausser den Oszillatoren 1.3 und 25 beziehen ihre Leistung ebenfalls von der Batterie 5. Die Oszilla- toren 13 und 25 entnehmen ihre Leistung einer be sonderen Batterie, die nicht dargestellt ist, um Fre- quenzänderungen, welche auf Schwankungen der der polarisierenden Batterie 5 entnommenen Leistung zurückgehen, zu vermeiden.
Der Ausgangskreis des Eichoszillators wird mit dem abgestimmten Ein gangskreis gekoppelt, um einen Ersatz für das gyro- magnetische Resonanzsignal zu haben. Der örtliche Oszillator 13 kann dann geeicht und so eingestellt werden, wie es zum Vergleich seiner Frequenz mit der bekannten Eichfrequenz nötig ist. Wenn die An ordnung geeicht wird, befindet sich das Polarisations- Empfangs-Relais 4 in seiner Empfangsstellung.
Obwohl eine Reihe von Kapazitätssätzen vor gesehen wurden, um den Messbereich des Magneto- meters zu vergrössern, sind diese bereichsmässigen Einstellungen nicht erforderlich, wenn das Gerät zur Messung von Feldstärken verwendet wird, welche sich von einem gewissen Durchschnittswert nur wenig unterscheiden.
Wenn man mit einer etwas geringeren Empfind lichkeit vorlieb nimmt, können der Frequenzverviel- facher 22, die Mischstufe 24, der Oszillator 25, das Filter 26 und die zugehörigen Feineinstellmittel 18, 19 und 31 wegfallen. Es kann dann auch der Eich- oszillator 32, der dann nicht mehr notwendig ist, wegbleiben.
Bei der praktischen Ausführung eines solchen Messgerätes sollte die Messspule 1 und der Kern möglichst weit von lokalen magnetischen Störungen entfernt sein. Es ist daher zweckmässig, die Spule und die Probe hinter dem Kopf der Bedienungs person, wie in Fig. 1 dargestellt, anzuordnen, wäh rend die übrigen Apparateteile in einem leitenden metallischen Gehäuse 34, beispielsweise aus Alumi nium, angeordnet werden, um eine Abschirmung dieser Elemente gegen äussere elektromagnetische Störungen zu bewirken.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Konstruktion und die Wirkungsweise entsprechen der in Fig. 2 dargestell ten Ausführungsform. Insbesondere ist das Mess gerät gemäss Fig. 3 gleich mit dem gemäss Fig. 2 bis zu dem Punkt, wo das Präzessionssignal das Schmal bandfilter verlässt.
Bei der Messung betätigt die Schaltsteuerstufe 35 das Polarisations-Empfangs- Relais 36, um in entsprechender Reihenfolge die die gyromagnetische Probe umgebende Messspule 38 zu erregen, indem dieselbe an die Batterie 37 an geschaltet wird und die Probe polarisiert.
Nachdem die Probe polarisiert wurde, schaltet das Relais 36 wieder auf Empfangsstellung um, und es wird das Präzessionssignal, welches von der Spule 38 und der Probe kommt, empfangen; das Präzessionssignal wird dem Eingangskreis des Verstärkers 39 zuge führt, in dem es verstärkt wird und sodann einem Sehmalbandfilter 41 zugeleitet wird. Nachdem das Signal das Schmalbandfilter 41 durchsetzt hat, wird es einem Frequenzvervielfacher 42 zugeleitet, indem die Präzessionsfrequenz in geeigneter Weise verviel facht, beispielsweise verzehnfacht wird.
Das verviel fachte Signal wird dann mit einer bekannten, festen Frequenz eines örtlichen Oszillators 44 in einer Mischstufe 43 überlagert. Im Ausgangskreis der Michstufe 43 treten die Summen und die Differenz frequenz auf, und das untere Seitenband wird mittels eines Filters 45 ausgesiebt und dem Eingangskreis eines Leistungsverstärkers 46 zugeführt, der es ver stärkt und einem Zungenfrequenzmesser 47 zuleitet.
Es können, wie das anhand der Fig. 2 beschrie ben wurde, Kondensatorsätze vorgesehen sein, um den Messbereich des Gerätes auszudehnen. Es kön nen ferner der örtlich vorgesehene Oszillator und der Zungenfrequenzmesser in Einheiten der Feldstärke geeicht sein, um auf diese Weise die Ablesung des magnetischen Feldes zu erleichtern. Es kann ebenso ein geeichter Oszillator, wie er in Fig. 2 vorgesehen war, bei dieser Ausführungsform Anwendung finden.
Der Vorteil der vorstehenden Anordnung gegen über der Ausführungsform nach Fig. 2 liegt darin, dass zur Messung von Feldstärken innerhalb eines engen Bereiches die Notwendigkeit eines zweiten örtlichen Oszillators, einer Mischstufe und eines Filters entfällt.
Dank der beschriebenen Ausführungsformen er geben sich eine magnetische Feldmessanordnung und ein Messverfahren, welche die Anwendung eines gut tragbaren, räumlich gedrängten und genauen Mess- instrumentes gestatten, dergestalt, dass die magne tische Feldmessung nur eine Angelegenheit von Se kunden ist.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der zwei Magnetometer ge mäss Fig. 2 kombiniert sind, um ein Gradientenmess- gerät zu bilden. Dieses besteht aus zwei gleichartigen Magnetometersystemen, die dem in Fig. 2 dargestell ten Magnetometersystem entsprechen. Es sind daher der Fig. 2 entsprechende Teile in Fig. 4 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Gewisse Bauteile, nämlich der Eichoszillator 32, die Schaltsteuerstufe 7, die Batterie 5, der örtliche Oszillator 13, der feste Oszillator 25 und der Zungenfrequenzmesser 28 gehören beiden Systemen an. Gestrichene Bezugs zeichen werden für das eine der zwei Magnetometer- systeme, aus denen sich der Apparat zusammensetzt, verwendet, um die Bauelemente dieses Systems von denen des andern Systems zu unterscheiden.
Bei einer bevorzugten Auführungsform des Gra- dientenmessgerätes sind die Messspulen 1 und 1' in grossem Abstand von den übrigen Apparateteilen angeordnet, um die Möglichkeit einer magnetischen Störung durch das Instrument selbst zu vermeiden. Es befinden sich ferner die beiden Spulen 1 und 1' in einem bestimmten Abstand voneinander. Der Un terschied der magnetischen Felder an den Stellen der beiden Spulen wird gemessen, um auf diese Weise ein Mass für den Gradienten des magnetischen Feldes zwischen den Spulen zu erhalten.
Die Betriebsweise jedes Magnetometers des Gra- dientenmessgerätes entspricht vollständig der Fig. 2. Die Ausgangskreise der Leistungsverstärker 27 und 27' führen eine Signalfrequenz, welche ein Mass für die magnetische Feldstärke in den beiden voneinan der entfernten Messspulen 1 und 1' ist. Die beiden Frequenzen werden dann einem Zungenfrequenz messer 28 zugeführt, welcher beide Frequenzen an zeigt.
Die Bedienungsperson beobachtet dann die beiden Frequenzen und subtrahiert die eine Ablesung von der andern und erhält so einen Messwert für den magnetischen Feldgradienten zwischen den bei den Spulen.
Der Arbeitsbereich des Messgerätes kann durch Grob- und Feineinstellgeräte, wie in Fig. 2 gezeigt wurde, erweitert werden.
Es können auch zwei Magnetometersysteme von der Art, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, als Einzel Magnetometer in dem Gradientenmessgerät verwen det werden. Es könnten statt der Magnetometermess- geräte, welche die freie gyromagnetische Präzession ausnützen, auch gyromagnetische Oszillatoren oder irgendwelche andere gyromagnetische Instrumente zur Bestimmung des Feldes verwendet werden.
Method for measuring a magnetic field, apparatus for carrying out this method and application of the method for measuring the gradient of a magnetic field. The invention relates to a method for measuring a magnetic field using a substance which has atomic nuclei with a magnetic moment which can perform a gyromagnetic precession under the influence of the field to be measured, also to a device for carrying out this method and to an application of the method for measuring the gradient of a magnetic field by means of several coils with substances located in spatially separated field points ,
which contain gyro-magnetic atomic parts. The application field of the invention lies in geomagnetic measurements, soil surveys and recordings of magnetic fields.
Magnetometers have already been built that are sufficiently light and compact so that they can be carried by one person. However, these machines had serious shortcomings. If the devices were so robust that they could be used outdoors, their sensitivity was low; Such a robust, portable device could, for example, only display fluctuations in magnetic fields above <B> 250 </B> y.
Instruments that require careful treatment and have a sensitivity of plus-minus 30 y are used. However, these instruments can only measure either the horizontal component of the terrestrial magnetic field or the vertical component, but not both at the same time. These sensitive instruments also allow only a few readings in the unit of time. The instruments are set up, for example, on a tripod that is firmly set up on the floor, and a directional element of the device must then be carefully aligned horizontally and adjusted with respect to the plane of the terrestrial magnetic meridian.
A measurement of the earth's field can only be carried out after considerable time and effort has been expended in preparing the measurement, and the measurement is only sensitive if the element is sufficiently temperature-compensated, calibrated and aligned, and also the sensitive mechanical ones Indicating means were not previously damaged during field transport.
In order to remedy the shortcomings mentioned, the phenomena of magnetic precession, which Russel H. Varian described in his American Reissue Patent No. 23769, titled Methods and Means to Relate Nuclear Properties of Atoms and Magnetic Fields, should be exploited. to use this method particularly expediently for portable devices.
The method according to the invention is characterized in that a gyromagnetic precession of the atomic parts around the field to be measured is generated in the substance by polarization, a signal dependent on this precession is generated and this is compared with a standard signal so that a second signal is obtained , the frequency of which gives a measure of the magnetic field, and that the second signal is fed to a tongue frequency meter.
The device according to the invention is characterized by an electric coil for polarizing the gyromagnetic atomic parts of the substance, the longitudinal axis of this coil being able to be brought into a certain angular position with respect to the field to be measured, and by a coil which is used to excite the coil and after the polarization of the core current source that can be switched off by the coil and by a reed frequency meter to which the signal forming a measure of the magnetic field is fed.
The use of the method for measuring the field gradient is characterized in that the signals generated by several coils arranged at spatially separated field points are compared with one another, so that their frequency difference provides a measure of the field gradient prevailing between the field points.
The method according to the invention, the device according to the invention used for this purpose and the application of the method according to the invention are explained in examples with reference to the drawing: FIG. 1 shows a man wearing a magnetometer designed according to the invention.
Fig. 2 is a basic circuit diagram of a magnetometer.
2a is a diagram showing the curves f = f (C) with L as a parameter.
Fig. 3 is the same for a second embodiment.
4 shows the block diagram of a measuring device for the gradient.
In Fig. 2 the block diagram of a first embodiment of the magnetometer is shown. A measuring coil 1 serves as a probing element of the magnetic field. The coil consists of a wire coil which is wound around a core made of a material which contains gyromagnetic atomic parts, such as protons, in water. The coil forms the inductive part of a tuned resonance circuit. A set of capacitances 2, which can optionally be coupled with the coil by rotating a sliding contact 3, serve as capacities of the tuned circuit.
The coil serves two purposes. Firstly, it generates the polarization magnetic field, which polarizes the gyro-magnetic atomic parts in a direction which is at an angle to the direction of the magnetic field which is to be measured. When the gyromagnetic atomic parts are polarized by the coil, the same is switched off, and the magnetic field of the coil is allowed to collapse. When the polarizing field is no longer present, the gyro-magnetic atomic parts carry out a free precession in the field which is to be measured.
The coil then fulfills its second purpose, namely to pick up the precession signals that are induced in it by the precession of the gyromagnetic atomic parts.
A polarization receiving relay 4 controls the two functions of the measuring coil 1 by first connecting a polarization battery 5 to the coil 1 so that the coil builds up a polarizing magnetic field; When the gyromagnetic atomic parts are polarized after a certain period of time, the relay 4 switches off the polarization battery of the coil 1, and at the same time the coil is connected to the input circuit of an amplifier 6. A switching control stage 7 actuates the relay 4.
The switching control stage 7 can contain a double-pole switching device which is operated by hand, but it can also be a monostable multi vibrator with a suitable time constant. The free precession signal is picked up by a matched detector oscillation circuit, which consists of the coil 1 and one of the set 2 of selected capacitance. After reception, the precession signal is fed through the relay 4 to the input circuit of the amplifier 6, where the signal is amplified and then fed to a narrow band filter 8.
The filter 8 serves the purpose of filtering out externally induced signals and noise voltages which accompany the gyromagnetic precession signal. The narrow band filter 8 can be tuned to specific frequency ranges by successively switching on different capacitances from a set of capacities 9 with the aid of a sliding contact 11.
The output voltages of the narrow band filter 8 are fed to a mixer 12 in which the gyromagnetic signal is mixed with a signal which is generated by a local oscillator 13.
The local oscillator 13 can be tuned to a number of different frequency ranges by different capacities of the capacitance arrangement 14 being switched on by means of a sliding contact 15 in the resonance circuit. A step variometer 16 is also provided which allows various inductances to be coupled to the tuning circuit of the oscillator.
The sizes of the capacitances and inductances, which are switched on one after the other with successive step positions, are chosen so that the resonance frequencies that are determined by them are points of the curves f = f (C) with L as a parameter correspond in which the steepness of these curves for each of the successive Frequen zen is substantially the same (see Fig. 2a). With such a choice of the capacitance gradation there is essentially the same frequency change in the entire tuning range,
which is determined by the sliding contact 15 and the step variometer 16. A second set of capacitors 18 can be connected in sequence to the tuned circuit of the local oscillator 13 by means of a second sliding contact 19, in order to fine-tune the frequency within the coarse settings that are caused by the sliding contact 15 and the variometer contact 16 achieve.
The capacitance and inductance values of the coarse tuning are chosen so that the resonance frequencies that are determined by them correspond to such a point on the fC curves for different L values at which the slope, sf (ae these C- Curves for each of the successive frequencies is essentially the same.
This can be expressed mathematically as follows:
EMI0003.0003
w0: <I> k </I> = the steepness of the curve f <I> = </I> f <I> (C) </I> with <I> L = </I> L, at point C. , which remains constant during successive adjustments, Cl - the initial parallel capacitance in Farads, L1 = the initial inductance in Henry.
The new value of the inductance in Henry as a function of the new frequency f2 is:
EMI0003.0015
where: L. = the new inductance of the resonance circuit - in Henry and the new resonance frequency in Hertz. The new capacitance C2 in farads is:
EMI0003.0019
The output circuit of the mixer 12 contains sum and difference frequencies which correspond to the upper and lower sidebands of the superposition process of the signals of the local oscillator and the free precession.
The local oscillator 13 has a frequency which is approximately equal to the precession frequency, so that the difference frequency is a low frequency. A filter 21 serves the purpose of filtering out the undesired carrier and the higher sideband signals.
In order to multiply the low-frequency signal, the frequency of which is a measure of the magnetic field strength, and thereby convert it to a higher frequency that forms an exact measurable size as a measure of the magnetic field, the lower sideband, which the mixer 12 supplies , in order to achieve a high sensitivity, a frequency multiplier 22 via a switch 23 with two switching positions.
The frequency multiplier 22 multiplies the lower side band to a suitable multiple, for example ten times, and feeds the multiplied frequency to the input circuit of a mixer 24. A second oscillator 25 oscillates at a specific fixed frequency and supplies the mixer stage 24 with a signal which is superimposed with the frequency supplied by the multiplier stage 22.
The output signal of the mixer 24 contains a sum and a difference sideband. The lower sideband is screened out in a filter 26, while suppressing the carrier frequency and the upper sideband as undesirable. The low frequency of the filter 26 is then fed to a power amplifier 27, which amplifies the signal and feeds it to a reed frequency meter 28.
The tongue frequency meter 28 measures the frequency of the signal supplied to it, which is a measure of the strength of the magnetic field. If desired, it can be calibrated directly in magnetic field strength units.
A tongue rate meter 28 is particularly suitable here, given the short duration of the gyromagnetic precession signal. Such a measuring instrument almost instantaneously provides a display value of the frequency, while other measuring instruments, for example moving-coil instruments, only respond slowly and make it difficult to read the peak value.
A less sensitive measurement of the magnetic field strength can be obtained by placing the switch 23 in the shunt position to the frequency multiplier 22 of the mixer 24, the filter 26 and the oscillator 25, so that the low frequency of the filter 21 is directly connected to the input circuit of the Power amplifier 27 is fed, where it is amplified and then fed to the tongue frequency meter 28.
If one measures the earth's magnetic field in the northern hemisphere, one has to expect that protons, for example, deliver a precession frequency between 1.5 kHz and 3.0 kHz. It is not practical that the tuned circuit, which is used for the purpose of recording the precession signal, has a bandwidth which extends over this entire frequency range because its sensitivity is inversely proportional to the bandwidth. For this reason, the tuned receiving circuit can be tuned in various steps of smaller bandwidth in order to cover the entire frequency range to be expected.
In a similar way, the narrow band filter 8 and also the local oscillator 13 are tunable in a number of different frequency ranges that correspond to the various frequency ranges of the tuned receiving circuit.
A rough adjustment 29 couples the three sliding contacts 3, 11 and 15 and the step variometer 16 to one another; so that the resonance frequency of the receiving circuit, the narrow band filter and that of the local oscillator 13 can be synchronously tuned to the same frequency. A fine tuning 31 is also provided in order to connect different capacitances to the local oscillator 13 by means of the sliding contact 19 and thereby to change the frequency of the same in equal steps within the relevant area.
The fine tuning 31 is used in connection with the more precise field measurement, which is carried out using the frequency multiplier 22 and the associated switching elements. The tuning 29 and 31 can be calibrated in units of the magnetic field strength so that the total magnetic field strength can easily be read by adding the readings of the reed frequency meter to the readings of the coarse and fine tuning range.
A calibration oscillator 32 with a fixed, well-th frequency is provided which draws the power required for it via a switch 33 from the polarization battery 5. Other apparatus parts besides the oscillators 1.3 and 25 also draw their power from the battery 5. The oscillators 13 and 25 draw their power from a special battery, which is not shown, in order to determine frequency changes which are due to fluctuations in the polarizing battery 5 reduced power to avoid.
The output circuit of the calibration oscillator is coupled to the tuned input circuit in order to have a replacement for the gyro-magnetic resonance signal. The local oscillator 13 can then be calibrated and adjusted as necessary to compare its frequency with the known calibration frequency. When the arrangement is calibrated, the polarization receiving relay 4 is in its receiving position.
Although a number of capacitance sets have been provided in order to increase the measuring range of the magnetometer, these range settings are not required if the device is used to measure field strengths which differ only slightly from a certain average value.
If one is satisfied with a somewhat lower sensitivity, the frequency multiplier 22, the mixer 24, the oscillator 25, the filter 26 and the associated fine adjustment means 18, 19 and 31 can be omitted. The calibration oscillator 32, which is then no longer necessary, can then also be omitted.
In the practical implementation of such a measuring device, the measuring coil 1 and the core should be as far away as possible from local magnetic interference. It is therefore useful to arrange the coil and the sample behind the head of the operator, as shown in Fig. 1, while the remaining parts of the apparatus are arranged in a conductive metallic housing 34, for example made of aluminum, in order to shield them To effect elements against external electromagnetic interference.
In Fig. 3, another embodiment of the invention is shown. The construction and operation correspond to the embodiment shown in Fig. 2 dar. In particular, the measuring device according to FIG. 3 is the same as that according to FIG. 2 up to the point where the precession signal leaves the narrow-band filter.
During the measurement, the switching control stage 35 actuates the polarization receiving relay 36 in order to excite the measuring coil 38 surrounding the gyromagnetic sample in the appropriate sequence by connecting the same to the battery 37 and polarizing the sample.
After the sample has been polarized, the relay 36 switches back to the receiving position, and the precession signal which comes from the coil 38 and the sample is received; the precession signal is fed to the input circuit of the amplifier 39, in which it is amplified and then fed to a Sehmalbandfilter 41. After the signal has passed through the narrow-band filter 41, it is fed to a frequency multiplier 42 by multiplying the precession frequency in a suitable manner, for example ten-fold.
The multiplied signal is then superimposed with a known, fixed frequency of a local oscillator 44 in a mixer 43. In the output circuit of the Michstufe 43 occur the sums and the difference frequency, and the lower sideband is screened out by means of a filter 45 and fed to the input circuit of a power amplifier 46, which amplifies it ver and a reed frequency meter 47 feeds.
As has been described with reference to FIG. 2, capacitor sets can be provided in order to extend the measuring range of the device. The local oscillator and the reed frequency meter may also be calibrated in units of the field strength to facilitate reading of the magnetic field. A calibrated oscillator such as was provided in FIG. 2 can also be used in this embodiment.
The advantage of the above arrangement compared to the embodiment according to FIG. 2 is that there is no need for a second local oscillator, a mixer and a filter to measure field strengths within a narrow range.
Thanks to the described embodiments, there is a magnetic field measuring arrangement and a measuring method which allow the use of a portable, spatially compact and precise measuring instrument such that the magnetic field measurement is only a matter of seconds.
FIG. 4 shows a further embodiment of the invention, in which two magnetometers according to FIG. 2 are combined to form a gradient measuring device. This consists of two similar magnetometer systems, which correspond to the magnetometer system dargestell th in FIG. Parts corresponding to those in FIG. 2 are therefore designated in FIG. 4 by the same reference numerals.
Certain components, namely the calibration oscillator 32, the switching control stage 7, the battery 5, the local oscillator 13, the fixed oscillator 25 and the reed frequency meter 28 belong to both systems. Crossed reference symbols are used for one of the two magnetometer systems that make up the apparatus, in order to distinguish the components of this system from those of the other system.
In a preferred embodiment of the gradient measuring device, the measuring coils 1 and 1 'are arranged at a large distance from the other parts of the apparatus in order to avoid the possibility of magnetic interference from the instrument itself. There are also the two coils 1 and 1 'at a certain distance from one another. The difference in the magnetic fields at the points of the two coils is measured in order to obtain a measure of the gradient of the magnetic field between the coils in this way.
The mode of operation of each magnetometer of the gradient measuring device corresponds completely to FIG. 2. The output circuits of the power amplifiers 27 and 27 'carry a signal frequency which is a measure of the magnetic field strength in the two measuring coils 1 and 1' which are remote from one another. The two frequencies are then fed to a tongue frequency meter 28, which shows both frequencies.
The operator then observes the two frequencies and subtracts one reading from the other to obtain a reading for the magnetic field gradient between the two coils.
The working range of the measuring device can be expanded by using coarse and fine adjustment devices, as shown in FIG. 2.
Two magnetometer systems of the type shown in FIG. 3 can also be used as single magnetometers in the gradient measuring device. Instead of the magnetometer measuring devices which use the free gyromagnetic precession, gyromagnetic oscillators or any other gyromagnetic instruments could also be used to determine the field.