DD273129A1 - Verfahren zur steuerung des autodyn-oszillators in einem kernmagnetometer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Absolutwertmessung der magnetischen Induktion von grossen homogenen Magnetfeldern mittels Kernresonanzeffekt. Ziel der Erfindung ist es, bei Kernmagnetometern eine sehr gute Reproduzierbarkeit und gleichzeitig hohe Such- und Folgegeschwindigkeiten zu erreichen. Erfindungsgemaess wird bei einem Verfahren, bei dem die Frequenz eines Autodyn-Oszillators gesweept wird, der Sweep beim erstmaligen Erreichen eines Kernresonanzsignals gestoppt, mit Erreichen der aktiven Flanke eines Taktimpulses in der vorherigen Richtung fortgesetzt und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne kommutiert. Bei erneutem Erreichen des Resonanzniveaus wird der Sweep wiederum gestoppt und bei Erreichen der aktiven Flanke eines weiteren Taktimpulses in negativer Richtung fortgesetzt. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne wird er erneut kommutiert und der beschriebene Verfahrensablauf beginnt von vorn. Fig. 5

Description

geeigneten Frequenzgang im NF-Verstärker nicht vollständig unterdrückt werden können. Es ist daher notwendig, diese Pseudosignale vollständig unwirksam zu machen. Das geschieht durch eine an sich bekannte elektronische Austastung während einos definierten Zeitraumes, der nach jedem detektieren Resonanzdurchgang beginnt und mit dem Ablauf einer im Kommutierungspunkt beginnenden Zeitspanne endet

Reproduzierbarkeit der Induktionswertmessung mit schnellen Magnetometern entscheidend erhöht wird.

AusfOhmngsbelsplel Die Erfindung soll anhand von Diagrammen näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1: den Verlauf der Steuerspannung des Aütodyn-Oszillators über der Zeit Fig. 2: den Vorlauf der zu Fig. 1 gehörigen Ausgangsspannung des an den Detektor angeschlossenen Signalverstärkers Fig. 3: den von der Meßzeit abgeleiteten quarzstabilen Takt Fig.4: den Verlauf der Induktionsänderungsgeschwindigkeit über der Sweepzeit Fig. 5: den Verlauf der Steuerspannung über der Zeit wenn sich die Induktion eines Magnetfeldes mit unterkritischer

Geschwindigkeit ändert

Fig. β: eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild.

Die in den Figuren 1-3 dargestellten Spannungsverläufe und der dazugehörige Takt stellen den häufigsten Fc¹I dar, nämlich die Benutzung von Protononsignalen. In Fig. 1 ist der Verlauf der Steuerspannung des Autodyn-Oszillators über der Zeit dargestellt, wobei sich der wirkliche Frequenzverlauf durch leichte Filterung mit Tiefpaßcharakter ableiten läßt. Die Periodendauer der Taktfrequenz Ttakt beträgt 4,7 ms. Die Meßzeit Ttor ist 50 · Ttakt = 235ms. Der Verlauf der Steuerspannung deutet auf einen Hystereseeffekt hin. Das rührt daher, daß Kernresonanzen auf zwei unterschiedlichen Spannungs- bzw. FrequAnsVyaaus gefunden werden, je nach dem, mit welchem Vorzeichen der Sweep ausgeführt wird. Diese Hysteresso hat zwei Ursachen. Einerseits ist das Signal des schnellen Durchganges zeitlich verschoben und andererseits muli vor den Kapazitätsdioden, die die Frequenz variieren, ein Zeitkonstantenglied eingefügt werden, das die plötzlichen Änderungen im Steuerspannungsverlauf etwas verrundet, so daß die entstehenden Störsignale nicht zu groß werden. Der sich im Beispiel ergebende Wert Bhyst beträgt 0 4mT bei einer Durchgangsgeschwindigkeit b = 0,3T/s. Die notwendige Unterdrückungszelt Tdisable ist mit 1,5ms ermittelt worden. Berechnet man die Grenzen für die mögliche Induktionsänderungsgeschwindigkeit a, der eine erfindungsgemäße Steuerung nachfolgen kann, so erhält man zwei begrenzende Gleichungen, deren Verlauf in Fig.4 über der Sweepzeit Tsweep dargestellt ist. Die erste Bedingung folgt aus der Berücksichtigung von Tdisable zu

_ b(Tsweep - Tdisable) + Bhyst ...

Tsweep + Tdisabla

Die zweite Bedingung folgt aus der Tatsache, daß für eine mcximale Induktionsänderungsgeschwindigkeit a In jeder zweiten Periode die Zeit für den Null-Sweep verschwindet, d.h. daß sofort nach erreichtem Kernresonanzniveau weitergesweept wird.

? Τ·Η·»...Μ.·ρ Γ<ί.ν-..Ι.

Beide Gleichungen umspannen ein Gebiet möglicher Sweepzeiten Tsweep für erreichbare

Induktionsänderungsgeschwindigkeiten a mit Bhyst und Tdisable als Parameter. Die Realisierung eines bestimmten Wertes a unterhalb des Maximalwertes ist grundsätzlich durch ein Werteintervall für die Sweepzeit Tsweep möglich. Allerdings bietet der kleinste Wert den Vorteil, einen geringeren Modulationshub zu erzeugen, was sich vorteilhaft auf die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Frequenzmessung auswirkt. In dem vorgestellten Beispiel wurde die Sweepzeit Tsweep = 0,76ms gewählt, damit a den Maximalwert von 75 m TVs erreicht.

In Fig. 5 wird der Verlauf der Steuerspannung über der Zeit dargestellt, wenn a < a max ist, d. h. wenn sich die Induktion eines Magnetfeldes mit unterkritischer Geschwindigkeit ändert. Sichtbar ist, daß sich für die vorgestellte Art der Steuerung des Autodyngenerators die Form der modulierenden Spannung in Abhängigkeit vom Zeitverhalten der Induktion ändert. Im Blockschaltbild der Fig. β sind die wesentlichen Baugruppen dargestellt, die für die Darlegung des Prinzips erforderlich sind. Ein Integrator 1 liefert eine Steuerspannung Usteuer zur Durchstimmung des Autodyn-Oszillatcrs 2. Dabei wird mit Hilfe eines Analog-Multiplexers 3 entschieden, ob er eine im Betrag gleiche positive oder negative Eingangsspannung Uint aufintegriert. Dadurch ist es möglich neben positivem und negativem Sweep auch Null-Sweep zu erzeugen. Uint ist eine aus der Verknüpfung eines ADU 4, ROM 5 und DAU 6 gewonnene* Spannung, die jedem Wert von Usteuer zugeordnet wird. Der ROM enthält einen zur Steuerkennlinie des Autodyn-Ozillators 2 inversen Verlauf von Werten. Die aktuelle Spannung Uint wird dadurch ständig so nachgestellt, daß sich trotz nichtlinearer S'euerkennlinie immer d'e gleiche Durchgangsgeschwindigkeit b ergibt. Die Ansteuerung des Anaiog-Multiplexers 3 erfolgt durch die Speicherzellen 7,8 für negativen und positiven Sweep. Bei aktivem Sweep kann ein Kernresonanzsignal auftreten, in dessen E;gebnis am Ausgang einer Kette aus einem Detektor 9, NF-Verstärker 10, Signaltrigger 11 und Impulsformer 12 ein Impuls durch ein erstes Tor 13 geleitet wird, der eine Rücksetzung der Sweep· Speicherzellen 7,8 und damit Null-Sweep bewirkt. Gleichzeitig löst er einen ersten monostabilen Multivibrator 14 au«, der 'ein zweites Tor 15 während seiner Kippzeit Tout lock öffnet. Die nächste aktive Flanke des Taktgeneratorsignals kann somit das zweite Tor 1S passieren und aktiviert über ein drittes Tor 16 eine der Speicherzellen 7,8 in Abhängigkeit davon, welche Stellung eine Speicherzeile 17 für die Sweeprichtung eingenommen hatte. Gleichzeitig wird der erste monostabile Multivibrator 14

angestoßen, der während seiner Kippzeit Tsweep das erste Tor 13 für weitere Impulse sperrt. Mit der Beendigung von Taweep werden drei EreiQ.iisse ausgelöst: ein zweiver monostabiler Multivibrator 18 kippt und sperrt /Or Tdisa'ole Ober das erst« Tor 13 weitere Impulse. Die Speicherzelle 17 für die Sweeprichtung wird negiert gesetzt und ein vif / ter monostabiler Multivibrator gekippt. Nach Ablauf oinur kurzen Zeitspanne., die für das sichere Setzen der Speicherzelle' Ί für die '.Sweeprichtung benötigt wird, gelangt ein Signal Ober das dritte Tor 16 an eine der Sweep-Spsicherzellen 7,8, so deft der Sweep in entgegengesetzter Richtung weitergeführt wird. Wird innerhalb de: mit einem dritten monostabilen Multivibrator 19 vorgegebenen Kippzeit Tout iock kein erneuter Kernresonanzdurchgang registriert, wird das zweite Tor 15 wieder geschlossen und der Takt gesperrt, wodurch der momentane Zustand des Sweeps weiter beibehalten wird. Aus dem Taktsignal wird mit einom geeigneten Teiler 20 die Meßzeit Ttor für einen angeschlossenen Zähler 21 abgeleitet, die Kernresonanzfrequenz und damit den gesuchten Wert dor magnetischen Induktion ermittelt.

Claims (1)

1. Verfahren zur Steuerung des Autodyn-Oszillators in einem Kernmagnetometer, bei dem die Frequenz eines Autodyn-Oszillators gesweept wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sweep beim erstmaligen Erreichen eines Kernrasonanzsignals gestoppt wird, daß er mit Erreichen der aktiven Flanke eines Taktimpulses in der vorherigen Richtung fortgesetzt wird, daß er nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne kommutiert wird, daß bei erneutem Erreichen des Resonanzniveaus der Sweep wiederum gestoppt wird und bei Erreichen der aktiven Flanke eines weiteren Taktimpulses in negativer Richtung fortgesetzt wird, daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne der Sweep erneut kommutiert wird und daß anschließend der beschriebene Verfahrensablauf von vorn beginnt, wobei positiver und negativer Sweep betragsmäßig gleich sind und dieser Betrag, gemessen in der Maßeinheit der Induktion pro Zeiteinheit, in allen Punkten der den Unterbereichen zugeordneten Steuerkennlinien konstant gehalten wird und wobei die Zähitorbreite des angeschlossenen Frequenzzählers zur Periodendauer der Taktfrequenz in einem geradzahligen Verhältnis steht.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung bezieht sich auf die Absolutwertmessung der magnetischen Induktion von großen, homogenen Magnetfeldern mittels Kernresonanzeffekt. Kernmagnetometer werden in der HF-Spektroskopie, der Massenspektroskopie, bei magnetischen Waagen, in der Werkstofforschung und in der Technik der Hochenergiephysik eingesetzt.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Die Mehrzahl der bekannten Kernmagnetometer haben Anordnungen zur sinusförmigen Feld- oder Frequenzmodulation in Verbindung mit Phasenregelkreisen. Hiermit wird eine Reproduzierbarkeit von 0,3uT bzw. 1 ppm erreicht. Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß wegen der Notwendigkeit eines sicheren Einrastens auf die Kernresonanzfrequenz das Schleifenfilter Werte annehmen muß, die schnelle Such- und Folgegeschwindigkeiten verhindern. Außerdem sind die über den ganzen Meßbereich schlecht einzuhaltenden Phasenabgleichsbedingungen traditioneller Phasendetektoren eine Quelle für Offseterscheinungen.

   Aus der polnischen PS 88280 ist ein Verfahren bekannt, das durch eine spezielle, mit jedem einzelnen Resonanzrturchgang verknüpfte Arbeitsweise der Steuerung der Autodynfrequenz charakterisiert ist. Als Folge davon wird die Resonanzstelle durch eine dreieckförmige Frequenzmodulatiort Tit sehr geringer Modulationsfrequenz (2Hz) periodisch überfahron. Die Frequenzmessung gliedert sich in zwei Teile, wobei sich ieder zeitlich unmittelbar an einen Resonazdurchgang anschließt. Es kommt dibel zur Kompensation von Zählanteilen unterhalb und oberhalb der gesuchten Resonanzfrequenz. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Reproduzierbarkeit der Frequenzmessung bei diesem Verfahren aufwerte um 2uTbeschränkt bleibt, da aufgrund der Signal/Rauschverhältnisse der Resonanzort, bedingt durch die wenigen Durchgänge innerhalb der Moßzeit, nur mit größerer Unscharfe erfaßt wird.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist es, bei Kernmagnetometern eine sehr gute Reproduzierbarkeit und gleichzeitig hohe Such- und Folgegeschwindigkeiten zu erreichen.

   Darlegung des Wesens der Erfindung

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenz eines frei schwingenden Autotivn-Oszillators so zu steuern, daß Messungen der Induktion eines Mangetfeldes, die auf die Messung der Kernresonanzfrequenz eines bekannten Kernes zurückgeführt werden können, mit hoher Reproduzierbarkeit erfolgen.

   Erfindungsgemäß wird das bei einem Verfahren, bei dem die Frequenz eines Autodyn-üszillators gesweept wird, dadurch erreicht, daß der Sweep beim erstmaligen Erreichen eines Kernresonanzsignals gestoppt wird, daß er mit Erreichen der aktiven Flanke eines Taktimpulses in der vorherigen Richtung fortgesetzt wird und daß er nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne kommutiert wird. Bei erneutem Erreichen des Resonanzniveaus wird der Sweep wiederum gestoppt und bei Erreichen der aktiven Flanke eines weiteren Taktimpulses in negativer Richtung fortgesetzt. Nach Ablauf eirgr vorgegebenen Zeitspanne wird er erneut kommutiert. Anschließend beginnt der beschriebene Verfahrensablauf von vorn. Positiver und negativer Sweep sind betragemäßig gleich und dieser Betrag, gemessen in der Maßeinheit der Induktion pro Zeiteinheit, wird in allen Punkten der den Unterbereichen zugeordneten Steuerkennlinien konstant gehalten. Weiterhin steht die Zähltorbreite des angeschlossenen ,Frequenzzählers zur Periodendauer der Taktfrequenz in einem geradzahligen Verhältnis.

   Die mehrmalige plötzliche Änderung des Sweepverlaufes innerhalb oiner Taktperiode täuscht an dem an den Autodyn-Oszillator angeschlossenen Detektor, der empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert, Nutzsignale vor, die auch durch einen