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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetfeldmessung bzw. Magnetfeldregelung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Zur Messung von Magnetfeldern sind verschiedene Arten von Sensoren bekannt und im praktischen Einsatz bewährt. Weit verbreitet sind insbesondere Hallsensoren. Beispielhaft ist in diesem Zusammenhang die
DE 44 42 852 A1 zu nennen.
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Aus der
US 2010/0327862 A1 ist ein Magnetfeldsensor bekannt, welcher nach dem Prinzip des optischen Pumpens arbeitet. Der Sensor umfasst eine Zelle, in der sich Atome oder Ionen mit einem einzigen Elektron in ihrer äußersten Elektronenschale, beispielsweise Cäsiumatome oder andere Alkaliatome, befinden. Die Zelle wird mit linear polarisiertem Licht bestrahlt. Licht, welches die Zelle passiert hat, wird in zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht gewandelt. Mittels eines Polarimeters wird eine Verdrehung einer Polarisierungsebene erfasst. Der Magnetfeldsensor nach der
US 2010/0327862 A1 soll zur Messung kleinster Magnetfelder geeignet sein, welche beispielsweise durch den Herzschlag eines Lebewesens generiert werden.
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Die
US 2011/0031969 A1 zeigt ebenfalls ein Magnetometer, welches in einem Sensor Alkaliatome enthält, wobei diese in Form eines Alkalidampfes zur Messung genutzt werden. Hierbei ist vorgesehen, ein Alkaliatome enthaltendes Material einem Laserstrahl auszusetzen, so dass zumindest ein Teil der Alkaliatome in die gasförmige Phase übergeht und damit für eine Magnetfeldmessung nutzbar ist. Als Anwendungsgebiete der Magnetfeldmessung sind in der
US 2011/0031969 geophysikalische Messungen sowie die Messung von magnetischen Feldern in lebenden Organismen genannt.
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Die
DE 37 42 878 A1 offenbart einen weiteren optischen Magnetfeldsensor. Mittels einer Anordnung mit Heterodyn-Empfang und reziprokem Lichtweg wird hierbei die magnetfeldabhängige Faraday-Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls, der sich in einer Lichtleitfaser ausbreitet, gemessen.
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Die
DE 10 2010 020 863 A1 betrifft eine Anordnung zur Rauschminderung bei optischen, eine Alkalidampfzelle aufweisenden Magnetometern. Das Rauschen einer Pumplichtquelle soll hierbei dadurch gemindert werden, dass eine Lichtquelle zusätzlich zur Alkalidampfzelle des Magnetometers eine zweite Alkalidampfzelle mit Licht beaufschlagt. Beiden Alkalidampfzellen ist jeweils ein Photodetektor nachgeordnet, wobei die Signale beider Photodetektoren einem elektronischen Differenzbildner zugeführt werden, dessen Ausgangssignal einem Phasendetektor zugeführt wird, der mit einem Frequenzgenerator in Verbindung steht, welcher zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes in einer Alkalidampfzelle vorgesehen ist.
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Aus der
AT 505 470 B1 ist eine weitere mit einer Atome eines Messmediums enthaltenden Messzelle arbeitende Vorrichtung zum Messen von Magnetfeldern bekannt, wobei der Effekt der Dunkelresonanz genutzt wird. Eine Strahlungsquelle ist hierbei mit einem Modulationsfrequenzgenerator verbunden. Dem Modulationsfrequenzgenerator ist ein Modulator zur Modulation einer vergleichsweise hohen ersten Modulationsfrequenz mit einer niedrigeren zweiten Modulationsfrequenz unter Erzeugung einer doppelten Seitenbandstruktur nachgeschaltet.
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Ein Sensor zur Magnetfeldmessung, welcher mit einer Erregerspule und einer Induktionsspule arbeitet, ist zum Beispiel aus der
DE 10 2007 032 299 B4 bekannt.
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Eine aus der
DE 10 2006 006 487 A1 bekannte Anordnung zur Messung magnetischer Signale umfasst zusätzlich zu einem Sensor eines Magnetometers eine Spule mindestens eines Schwing kreises, womit das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht werden soll. Auch NMR(nuclear magnetic resonance)-Magnetfeld-Messtechnik ist in diesem Dokument als prinzipiell bekannter Stand der Technik aufgeführt.
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Die Detektion von Magnetfeldern kann auch auf optischen Effekten basieren. Ein Beispiel eines optischen Magnetfeldsensors ist in der
DE 37 42 878 A1 offenbart.
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Aus der
US 4,814,707 A ist ein Magnetometer mit einer sphärischen Zelle bekannt, welche
3He-Gas bei einem Druck zwischen 0,05 und 100 Torr enthält. Mittels eines Oszillators wird das
3He-Gas teilweise ionisiert, wobei der Oszillator ein Paar Helmholtz-Spulen mit Energie versorgt.
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In medizintechnischen Apparaten, in welchen genau definierte Magnetfelder zu erzeugen sind, können mit geeigneten Sensoren, etwa zu Versuchszwecken, Messungen vorgenommen werden.
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Eine Anordnung zur Magnetfeld-Vermessung eines Messobjekts, insbesondere einer Gradientenspule bei einem Magnetresonanzgerät, ist zum Beispiel aus der
DE 2007 024 910 B4 bekannt.
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Als medizintechnische Apparate, in denen definierte Magnetfelder wirken, sind auch Partikelbestrahlungsanlagen, das heißt Anlagen, die einen Strahl geladener Teilchen zu therapeutischen Zwecken erzeugen, zu nennen. Eine solche Bestrahlungsvorrichtung und eine zugehörige Messvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 030 699 A1 bekannt. In dieser Bestrahlungsvorrichtung wird ein Partikelstrahl mit mindestens einem Magneten umgelenkt.
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Generell ist die genaue Kenntnis der Parameter von mittels Elektromagneten erzeugten Magnetfeldern von maßgebender Bedeutung für die Qualität eines durch einen Teilchenbeschleuniger geleiteten Partikelstrahls.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung von Magnetfeldern, insbesondere in Teilchenbeschleunigern, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Magnetfeldmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Messverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Magnetfeldmessvorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Die Vorrichtung zur Magnetfeldmessung umfasst einen Probenbehälter aus einem Material, das für eine vorgesehene Messstrahlung transparent ist, und in dem sich Alkali(metall)-atome, insbesondere in Form eines atomaren Dampfes, befinden. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Strahlquelle zur Bestrahlung des Probenbehälters mit einem Messtrahl, der von den Alkaliatomen zumindest teilweise absorbiert wird sowie einen Detektor zur Messung der Strahlungsintensität des durch den Probenbehälter transmittierten Messtrahls. Erkanntermaßen kann anhand der von dem Detektor detektierten Strahlungsintensität auf die von der Zeeman-Aufspaltung abhängigen Absorptionsbanden der Alkaliatome, und hierüber mittelbar auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden.
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Bei der vorgesehenen Messstrahlung handelt es sich insbesondere um Licht, d. h. um elektromagnetische Strahlung aus dem (sichtbaren oder unsichtbaren) optischen Spektralbereich, insbesondere um (Nah-)Infrarotstrahlung. Der Probenbehälter besteht in diesem Fall zweckmäßigerweise ganz oder teilweise aus Glas oder einem anderen optisch transparenten Material. Der Probenbehälter ist deshalb ohne Beschränkung der Allgemeinheit nachfolgend auch als „Glasbehälter” bezeichnet. Als Strahlquelle (Lichtquelle) ist hierbei vorzugsweise ein auf die Absorptionsbanden der verwendeten Alkaliatome abgestimmter Laser vorgesehen.
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Die Vorrichtung kann grundsätzlich zur Messung beliebiger starker Magnetfelder verwendet werden. In der bevorzugten Anwendung dient Vorrichtung aber zur Messung des Magnetfeldes eines Elektromagneten (insbesondere Dipolmagneten), wie er typischerweise zur Führung eines Partikelstrahls, insbesondere in der medizinischen Partikeltherapie eingesetzt wird.
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Der Probenbehälter ist hierbei fest oder entnehmbar in dem Elektromagneten, dessen Magnetfeld zu messen ist, angeordnet oder derart gestaltet, dass er in dem Elektromagneten anordenbar ist.
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In einer zweckmäßigen Anordnungsvariante dient die Vorrichtung nicht lediglich zur Magnetfeldmessung, sondern darüber hinaus auch zur Regelung der Magnetfeldstärke. Der Detektor ist hierbei zur Zuführung einer Führungsgröße mit einem Regler verschaltet, der anhand der Führungsgröße die Stromversorgung des Elektromagneten ansteuert.
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Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Magnetfeldmessung wird mittels der Strahlquelle ein Messstrahl erzeugt.
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Der Messstrahl wird auf die Alkaliatome gerichtet, die in dem zu messenden Magnetfeld angeordnet sind. Die Strahlungsintensität des durch die Alkaliatome transmittierten Messstrahls wird gemessen. Anhand der gemessenen Strahlungsintensität und der Wellenlänge des Messstrahls oder zumindest eines spektralen Anteils desselben, wird ein Maß für die Stärke des zu messenden Magnetfeldes bestimmt.
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Bei einer Verfahrensvariante, die ausschließlich zur Messung der Magnetfeldstärke dient, wird die Wellenlänge des Messstrahls oder dessen Spektralanteils, insbesondere bei zeitlich konstantem Magnetfeld, verändert. Das Maß für die Stärke des zu messenden Magnetfeldes wird hierbei aus der Änderung der gemessenen Strahlungsintensität bestimmt.
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In einer weiteren Verfahrensvariante, die über die reine Magnetfeldmessung hinaus auch zur Regelung der Magnetfeldstärke dient, wird das Detektorsignal oder eine daraus abgeleitete Größe als Führungsgröße für die Ansteuerung der Stromversorgung des magnetfelderzeugenden Elektromotors herangezogen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Partikelstrahlen hoher Qualität, wie sie beispielsweise in der Strahlentherapie verwendet werden, durch Elektromagneten mit exakt definierten Eigenschaften gelenkt werden müssen. Aufgrund der geforderten Strahleigenschaften kommen ausschließlich Elektromagneten mit Eisenjoch in Betracht, die regelmäßig in Sättigung betrieben werden. Die Elektromagneten werden mit anderen Worten in einem nicht-linearen Bereich betrieben, das heißt in einem Betriebszustand, in welchem die Stärke des erzeugten Magnetfeldes nicht mehr proportional zu dem durch den Elektromagneten fließenden Strom ist.
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Herkömmlicherweise werden bei einem solchen Elektromagneten reproduzierbare Werte des Magnetfelds erreicht, indem das Magnetfeld ausgehend von geringer Stärke allmählich erhöht werden, um zum gewünschten Wert zu gelangen. Um den Elektromagneten anschließend wieder definiert auf eine geringere Magnetfeldstärke zurückzufahren, wird die Magnetfeldstärke regelmäßig bis zum Maximum (d. h. vollständiger Sättigung) erhöht, dann auf Null oder einen geringen Wert reduziert und anschließend wieder bis zum gewünschten, neuen Wert erhöht. Dieser Prozess zur Veränderung der Stärke des Magnetfelds wird als ”chimney” (Schornstein) bezeichnet und kostet signifikant Zeit, typischerweise etwa eine Sekunde.
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Bei einem Elektromagneten eines Synchrotrons einer Partikelstrahlanlage ist ein solcher Vorgang einmal innerhalb eines Zyklus durchzuführen, welcher typischerweise 6 bis 14 Sekunden dauert. Dies bedeutet eine anteilige Verlustzeit von etwa 7 bis 16 die nicht zum eigentlichen Zweck der Bestrahlungsanlage, im Fall einer medizintechnischen Anlage zur Bestrahlung eines Patienten, zur Verfügung steht.
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Ein Ansatz, Einstell- oder Einschwingvorgänge beim Betrieb eines Elektromagneten in einem Teilchenbeschleuniger zu minimieren, ist die direkte Messung der Stärke des Magnetfelds in dem Elektromagneten. Prinzipiell kommen hierfür verschiedene Messmethoden in Betracht, welche zum Beispiel im eingangs zitierten Stand der Technik beschrieben sind. Einzelne Messmethoden haben spezifische Vor- und Nachteile, auf die im Folgenden kurz eingegangen wird:
Hallsensoren stellen eine ausgereifte Technologie dar, die in der Regel in Form von Halbleiterchips realisiert ist. Reproduzierbare Messwerte sind jedoch, unter anderem aufgrund gegebener Temperaturabhängigkeiten, mit einem Hallsensor allein nicht zuverlässig zu gewinnen. Zudem ist die Genauigkeit von Hallsensoren, welche bestenfalls in der Größenordnung von 100 ppm (parts per millon = 10–6) liegt, im Vergleich zu anderen Sensoren relativ gering.
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Mittels Messspulen im Elektromagneten oder dessen Umgebung sind, regelmäßige Kalibrierung vorausgesetzt, zwar Genauigkeiten bis etwa 5 ppm erreichbar. Jedoch sind prinzipbedingt nur Änderungen eines Magnetfelds, und keine Absolutwerte erfassbar. Absolutwerte können nur durch aufwändige und fehleranfällige Integrationsverfahren erhalten werden.
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Mit NMR-Messvorrichtungen, die beispielsweise eine Sonde mit reinem Wasser aufweisen, wird ebenfalls eine Genauigkeit bis etwa 5 ppm erreicht. Jedoch ist auch in diesem Fall ein hoher apparativer Aufwand gegeben. Zudem ist die für die Messung benötigte Zeit im Vergleich zu anderen Verfahren relativ lang.
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Im prinzipiellen Unterschied zu den vorstehend erläuterten Messprinzipien wird gemäß der Erfindung der Zeeman-Effekt, das heißt die Aufspaltung von Spektrallinien der Alkaliatome in Abhängigkeit Magnetfeldstärke genutzt.
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Die Verwendung von Alkaliatomen hat den Vorteil, dass sich die Messung auf bekannte, mit sehr hoher Präzision vermessene Energieniveaus stützen kann. In diesem Zusammenhang wird auf Alkaliatome nutzende Atomuhren verwiesen, welche mit relativen Fehlern von weniger 10–12 arbeiten. Diese extreme Genauigkeit ist erkanntermaßen auch bei der Magnetfeldmessung und -regelung, welche magnetfeldabhängige optische Übergänge zur Messung beziehungsweise Regelung des Magnetfelds verwendet, nutzbar.
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Um die Zeemann-Aufspaltung, und hierüber die Magnetfeldstärke mit vergleichsweise geringem Aufwand besonders präzise zu messen, erfolgt die Messung vorzugsweise nach dem Prinzip der Dopplerfreien-Sättigungsspektroskopie. Hierzu wird der von der Strahlquelle emittierte Messstrahl zweckmäßigerweise nach dem erstmaligen Durchtritt durch den Probebehälter – nämlich mittels einer Rückreflexions-Optik der Vorrichtung – abgeschwächt und entgegen der Einfallrichtung rückreflektiert. Mittels des Detektors wird der erneut durch den Probebehälter und die darin enthaltenen Alkaliatome transmittierte Anteil des Messstrahls detektiert.
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Infolge einer Sättigung der atomaren Absorptionsbanden durch den intensitätsstarken einfallenden Messstrahl (auch: Pump- oder Sättigungsstrahl) wird der rückreflektierte Messstrahl (auch: Probestrahl) durch Alkaliatome, die sich infolge der Brown'schen Bewegung quer zur Propagationsrichtung des Messstrahls bewegen und somit keine Doppler-Verschiebung erfahren, nur noch schwach absorbiert. Infolge dieses Effekts wird die Doppler-Verbreiterung der spektralen Absorptionslinie unterdrückt, wodurch sich die Wellenlänge der Absorptionslinie, und hierüber die Magnetfeldstärke mit einer Ungenauigkeit von lediglich ca. 10 ppb (parts per billion = 10–9) bestimmen lässt.
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Die Rückreflexions-Optik umfasst in zweckmäßigerweise Ausgestaltung einen Spiegel sowie einen diesem vorgeschalteten Strahlungsabschwächer.
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Zur selektiven Auskopplung des rückreflektierten Messstrahls aus dem Strahlengang des einfallenden Messstrahls ist dem Probenbehälter ein polarisierender Strahlteiler vorgeschaltet, der mit einem dem Probenbehälter nachgeschalteten Lamda-Viertel-Plättchen zusammenwirkt. Der Strahlteiler bewirkt hierbei eine lineare Polarisierung der von der Strahlquelle erzeugten Messstrahls. Das zweifach von dem Messstrahl durchlaufene Lamda-Viertel-Plättchen kippt die Polarisierungsebene des Messstrahls um 90°. Der rückreflektierte Messstrahl ist nach dem erneuten Durchtritt durch das Lamda-Viertel-Plättchen somit senkrecht zu dem einfallenden Messstrahl polisiert und wird infolgedessen durch den Strahlteiler aus der optischen Achse ausgelenkt.
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Vorzugsweise sind die Strahlquelle und/oder der Detektor räumlich entfernt zu dem Probenbehälter angeordnet. Dies ermöglicht insbesondere eine bauraumoptimierte Anordnung der Strahlquelle bzw. des Detektors abseits des zu messenden Magnetfeldbereichs. Des Weiteren ist hierdurch die Abschirmung der Strahlquelle bzw. des Detektors gegen Störeinflüsse, insbesondere Temperaturschwankungen oder elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder vereinfacht. Der Schutz gegen Temperaturschwankungen ist insbesondere bei Einsatz eines Lasers als Strahlquelle zweckmäßig, zumal Temperaturschwankungen am Ort des Lasers regelmäßig zu einer ungewollten Wellenlängenänderung des emittierten Messstrahls führen.
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Zur effektiven und störungsfreien Führung des Messstrahls von der Strahlquelle zu dem Probenbehälter bzw. von dem Probenbehälter zu dem Detektor erfolgt im Rahmen der Vorrichtung insbesondere mittels mindestens eines Lichtleiterkabels.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen der Strahlquelle und dem Probenbehälter ein elektrooptischer Modulator (EOM) angeordnet. Dieser Modulator dient zur Phasenmodulation des von der Strahlquelle emittierten Messstrahls und somit zur Erzeugung von spektralen Seitenbanden, deren Frequenzen sich von der – von der Strahlquelle erzeugten – Grundfrequenz des Messstrahls um ein (positives oder negatives) ganzzahliges Vielfaches einer Modulationsfrequenz unterscheidet. Durch Variation der Modulationsfrequenz kann somit – vergleichsweise einfach und flexibel – eine veränderliche Wellenlänge des Messstrahls oder zumindest einer abgegrenzten Spektrallinie desselben erzeugt werden.
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Dem Detektor ist vorzugsweise ein Regler, insbesondere in Form eines PID-Reglers, nachgeschaltet, welcher seinerseits (mittelbar oder unmittelbar) auf den elektrooptischen Modulator wirkt. Zur Bildung eines Regelkreises ist in bevorzugter Ausgestaltung zwischen den elektrooptischen Modulator und den Regler ein spannungsgeregelter Oszillator geschaltet. Der Oszillator erzeugt dabei vorzugsweise ein dem elektrooptischen Modulator zugeführtes Mikrowellensignal, dessen Frequenz mit einer Frequenz-Messvorrichtung erfasst wird.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass in Beschleunigermagneten eine Absolutwertmessung der Stärke des Magnetfeldes durch Erfassung optischer Übergänge bei Alkaliatomen sehr schnell und mit hoher Präzision durchführbar ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:
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1 in einem schematischen Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Magnetfeldmessung,
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2 in Darstellung gemäß 1 eine Variante der Vorrichtung, die zur Regelung der Magnetfeldstärke ausgebildet ist.
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Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist als einzige Komponente eines nicht weiter dargestellten Teilchenbeschleunigers 1 ein Elektromagnet 2 erkennbar, welcher ein in dieser Darstellung nicht sichtbares Eisenjoch aufweist.
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Innerhalb des im Wesentlichen hohlzylindrischen Elektromagneten 2 ist ein zumindest teilweise transparenter Probenbehälter angeordnet, der im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Glasbehälter 3 bezeichnet ist. Der Glasbehälter 3 ist mit einem atomaren Dampf aus Alkaliatomen, insbesondere Rubidium (Rb) oder Caesium (Cs), befüllt und weist eine nicht explizit dargestellte Optik zur Ein- und Auskopplung eines optischen Messstrahls S auf einer bestimmten Behälterseite, nämlich einer zur Symmetrieachse des Elektromagneten 2 normalen (d. h. senkrechten) Stirnseite 4 auf. Der Glasbehälter 3, in dem sich die Alkaliatome befinden, wird auch als AVFP (Atomic Vapor Field Probe) oder Atomdampffeldsonde bezeichnet und wirkt in nachstehend näher beschriebener Weise unter Ausnutzung des Zeeman-Effekts mit einer – hier durch einen Laser 5 gebildeten – Strahlquelle zusammen.
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Der Laser 5 emittiert den Messstrahl S mit einer Grundfrequenz fl, die mit einer Genauigkeit von < 1 ppb (parts per billion = 10–9) vorgebbar ist und mit einem Absorptionsband im Strahlungsspektrum der Alkaliatome übereinstimmt. Die Grundfrequenz flaser liegt insbesondere im Nah-Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Die spektrale (Linien-)Breite des von dem Laser 5 emittierten Messstrahls S ist vorzugsweise ebenfalls auf weniger als 1 ppb begrenzt.
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Der Messstrahl S trifft nach Austritt aus dem Laser 5 auf einen elektrooptischen Modulator 6, welcher eine Phasenmodulation der Laserstrahlung bewirkt. Während die vom Laser 5 emittierte Strahlung eine einzige, scharfe Linie im Strahlungsspektrum aufweist, weist der den elektrooptischen Modulator 6 verlassende Messstrahl S' ein Spektrum mit einer Hauptlinie bei der Grundfrequenz flaser und zwei von dieser getrennten Nebenlinien (auch: Seitenbänder) auf, deren jeweilige Frequenz f+ bzw. f– sich aus der Summe bzw. Differenz der Grundfrequenz flaser und eine aufmodulierten Modulationsfrequenz fEOM ergibt: f± = flaser ± n·fEOM, wobei fEOM die Frequenz des elektrischen Eingangssignals des elektrooptischen Modulators 6, n eine natürliche Zahl ist und die Bezeichnung f± für f+ oder f– steht.
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Das elektrische Eingangssignal, mit welchem der elektrooptische Modulator 6 beaufschlagt wird, wird durch einen spannungsgeregelten Oszillator 7 (VCO = Voltage Controlled Oscillator) bereitgestellt. Die Frequenz fEOM des vom spannungsgeregelten Oszillator 7 generierten elektrischen Signals ist mittels eines Frequenzmessgerätes 8 (Counter) mit hoher Präzision bestimmbar.
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Das vom elektrooptischen Modulator 6 ausgehende Messstrahl S' wird durch ein Lichtleiterkabel 9 in den Glasbehälter 3 geleitet und trifft dort auf Alkaliatome. Der durch den Glasbehälter 3 transmittierte Messstrahl S' wird mittels einer Rückreflexionsoptik 10, die an einer zu der Stirnseite 4 entgegengesetzten Rückseite des Glasbehälters 3 angeordnet ist, abgeschwächt und in den Glasbehälter 3 rückreflektiert. Die Rückreflexionsoptik umfasst ein Lambda-Viertel-Plättchen, einen Strahlabschwächer, der die Intensität des rückflektierten Messstrahls S' auf weniger als 10% vorzugsweise auf etwa ...% der Intensität des anfallenden Strahls S' reduziert, sowie einen Spiegel.
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Der rückreflektierte Messstrahl S'' wird nach erneutem Durchtritt durch den Glasbehälter 3 und das darin enthaltene Alkaligas mittels eines polisierenden Strahlteilerwürfels 11 aus dem Strahlengang des einfallenden Messstrahls S, S' ausgelenkt und über ein zweites Lichtleiterkabel 12 zu einem (Photo-)Detektor 13 geleitet, der die (Licht-)Intensität des rückreflektierten Messstrahls S'' detektiert.
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Das vom Detektor 13 in Abhängigkeit der detektierten Lichtintensität generierte elektrische Signal (genauer ein Signal, das proportional zu der Ableitung der gemessenen Lichtintensität nach der Modulationfrequenz fEOM ist) wird einem PID-Regler 14 zugeführt, welcher über den spannungsgeregelten Oszillator 7 und den elektrooptischen Modulator 6 ein Regelkreis zur Messung der Stärke des Magnetfelds schließt.
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Korrespondiert eine Frequenz des Messstrahls S', S'', insbesondere eine der Frequenzen f+ oder f– mit einem optischen Übergang der in dem Glasbehälter 3 enthaltenen Alkaliatome, so ist mittels des Detektors 13 eine Resonanz messbar. Die Resonanz äußert sich in einer starken Zunahme der detektierten Lichtintensität, die bei der Resonanzfrequenz einen Maximalwert erreicht. Die Intensitätszunahme des rückreflektierten Lichtstrahls S'' bei der Frequenz des optischen Übergangs liegt dabei darin begründet, dass der optische Übergang durch den intensitätsstarken einfallenden Messstrahl S' gesättigt wird, so dass der schwache rückreflektierte Messstrahl S'' nur noch in sehr geringem Maß durch die Alkaliatome absorbiert wird. Diese Resonanzbedingung trifft jedoch lediglich auf Alkaliatome zu, die sich quer zum Strahlengang bewegen und für die deshalb der Messstrahl S', S'' keiner Doppler-Verschiebung unterliegt. Die Übergangsfrequenz kann deshalb bei der vorstehend beschriebenen Messkonfiguration dopplerfrei (d. h. ohne Doppler-Verbreiterung der Spektrallinie) gemessen werden.
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Die Modulationsfrequenz fEOM liegt typischerweise in der Größenordnung von 10 GHz und somit im Mikrowellenbereich. Im Vergleich hierzu liegt der infrarote Spektralbereich etwa zwischen 300 GHz und 400 THz. Diese Modulationsfrequenz fEOM wird regelungstechnisch derart eingestellt, dass die Resonanzbedingung stets aufrechterhalten wird. Die Modulationsfrequenz fEOM wird somit also auf das Maximum der gemessenen Lichtintensität geregelt.
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Anhand der mittels des Frequenzmessgeräts 8 gemessenen Modulationsfrequenz fEOM, der bekannten Grundfrequenz fl des Lasers 5 und der bekannten Lage der Spektrallinien der Alkaliatome in Abwesenheit eines Magnetfeldes wird in einer (nicht explizit dargestellten) Auswerteeinheit der Vorrichtung die Magnetfeldstärke automatisch berechnet und ausgegeben. Die Steuereinheit nutzt somit die magnetfeldabhängige Aufspaltung der Linien im Strahlungsspektrum der Alkaliatome, um mittelbar anhand einer Frequenzmessung die Stärke des von dem Elektromagneten 2 erzeugten Magnetfeldes zu messen. Bei der Auswerteeinheit handelt es sich insbesondere um einen Mikrocontroller mit einem darin softwaretechnisch Auswertealgorithmus. Alternativ hierzu kann der Auswertealgorithmus auch als Bestandteil einer übergreifenden Steuersoftware, beispielsweise im Rahmen eines Steuerrechners für den vorstehend genannten Teilchenbeschleuniger 1 implementiert sein.
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Das im Zusammenhang mit 1 beschriebene Messprinzip wird auch in einer in 2 schematisch dargestellten Ausführungsvariante der Vorrichtung zur Regelung des Magnetfelds des Elektromagneten 2 angewandt. Der Aufbau der Vorrichtung gemäß 2 gleicht hierbei – abgesehen von den nachfolgend näher beschriebenen Unterschieden – dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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So wird auch gemäß 2 von dem Laser 5 ausgestrahltes Licht mittels eines elektrooptischen Modulators 6 phasenmoduliert und in den Glasbehälter 3 eingestrahlt. Der Modulator 6 wird hierbei allerdings mit einem Signal eines Mikrowellengenerators 15 (auch als Mikrowellensignalgenerator bezeichnet) beaufschlagt. Bei dem Mikrowellen(signal)generator 15 handelt es sich im Gegensatz zu dem – vergleichsweise einfach aufgebauten Oszillator 7 – um ein Hochpräzisionsgerät zur Erzeugung monochromatischer Mikrowellen fein einstellbarer Frequenz und geringer Spektralbreite. Als Mikrowellengenerator 15 wird beispielsweise der unter der Bezeichnung „R&S®SMF100A” vertriebene „Microwave Signal Generator” der Firma Rohde&Schwarz verwendet.
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Das Signal des Detektors 13 wird gemäß 2 wiederum dem PID-Regler 14 zugeleitet, der hier aber abweichend von 1 nicht auf den Modulator 6 zurückwirkt, sondern regelungstechnisch mit einer Stromversorgung 16 des Elektromagneten 2 verknüpft ist, um einen Regelkreis zu schließen. Durch den PID-Regler 14 wird der von der Stromversorgung 16 erzeugte Strom für den Elektromagneten 2 – analog zu 1 – auf das Maximum der von dem Detektor 13 detektierten Lichtintensität geregelt. Der Elektromagnet 2 wird also derart angesteuert, dass die Vorrichtung stets in der Resonanz gehalten wird. Das von dem Elektromagneten 2 erzeugte Magnetfeld wird hierdurch, solange die Oszillatorfrequenz fEOM konstant ist, ebenfalls konstant gehalten.
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Die Verschiebung von Spektrallinien durch den Zeeman-Effekt liegt in der Größenordnung von 10 GHz/Tesla. Die Messgenauigkeit, welche mit der Vorrichtung nach 1 oder 2 erreicht wird, liegt in der Größenordnung von 1 MHz, was einer Änderung der Magnetfeldstärke von etwa 100 μT entspricht. Damit ist eine deutlich bessere Messgenauigkeit als mit typischen Hallsonden erreicht.
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Ein weiterer Vorteil des vorstehend beschrieben Messprinzips liegt darin, dass als Laser 5 ein handelsüblicher Laser, insbesondere Halbleiterlaser (Diodenlaser) verwendbar ist, wobei das erzeugte Laserlicht in eine Mehrzahl an Strahlen aufgeteilt und jeder Teilstrahl einem elektrooptischen Modulator 6 und einer Messstelle zugeführt werden kann. Hierbei kann zwischen dem Laser 5 und dem Elektromagneten 2 beziehungsweise einer Mehrzahl an Elektromagneten 2 eine größere Distanz von einigen Metern oder mehren zehn Metern gegeben sein. Abweichend von den schematischen Darstellungen nach 1 und 2 ist dabei der Detektor 13 vorzugsweise nicht am Ort des Elektromagneten 2, sondern in der Nähe des Lasers 5 angeordnet und mit diesem insbesondere zu einer integrierten Messeinheit zusammengefasst. Die Lichtleiterkabel 9, 12, welche die mindestens eine durch einen Glasbehälter 3 gegebene Messstelle mit der Messeinheit verbinden, ermöglichen die Aufstellung der Messeinheit außerhalb des Raumes, in welchem der Elektromagnet 2 aufgestellt ist. Zur Erzielung einer besonders hohen Messgenauigkeit ist der Ort, an dem der Laser 5 und gegebenenfalls der Detektor 13 aufgestellt sind, temperaturstabilisiert.
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Zusätzlich zu dem Vorteil, dass eine Vielzahl von Messstellen an einen einzigen Laser 5 anschließbar ist, hat die auf optischen Übergängen basierende Messung der Stärke des Magnetfelds auch den Vorteil, dass eine Kalibrierung der Messvorrichtung entbehrlich ist, da die mit dem Zeeman-Effekt beschriebene Aufspaltung der Linien durch physikalische Konstanten festgelegt ist. Zudem sind, insbesondere im Vergleich zu Hallsonden, präzise Messungen auch bei hohen Änderungsgeschwindigkeiten der Magnetfeldstärke möglich.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet werden.
