-
Einrichtung zur Stabilisierung eines durch einen Elektromagneten
oder Dauermagneten erzeugten Magnetfeldes Es gibt in der Physik und Technik eine
Vielzahl von Aufgaben, zu deren Lösung zeitlich stabile Magnetfelder benötigt werden.
So werden beispielsweise bei Teilchenbeschleunigern, Massenspektrometern, Betastrahlspektrometern
und PER-Spektrometern (PER = Paramagnetische Elektronen-Resonanz) Magnetfeldstabilitäten
von 104, 10 oder gar 106 gebraucht. Bei Kernresonanzspektrometern kann die Stabilitätsforderung
sogar noch größer sein. Da diese Stabilitäten unter Umständen über lange Zeiten
aufrechterhalten bleiben müssen, scheidet wegen Erwärmungseffekten und äußerer Störfelder
eine alleinige Stabilisierung des Magnetfeldes über den Umweg einer Stromstabilisierung
aus. Bei einer Stromstabilisierung muß auch beachtet werden, daß im allgemeinen
wegen der Hysterese des Eisens kein eindeutiger und reproduzierbarer Zusammenhang
zwischen der Stromstärke und der magnetischen Feldstärke besteht. Man muß daher
bestrebt sein, das Magnetfeld selbst mit einer entsprechenden Genauigkeit konstant
zu halten.
-
Es sind bereits Einrichtungen zur Stabilisierung des Magnetfeldes
eines Elektromagneten bekannt, bei denen zur Konstanthaltung des Magnetfeldes von
einem Kernresonanz-Regelkreis Gebrauch gemacht wird. Die Erfindung geht gleichfalls
von einer derartigen Einrichtung aus. Gegenüber bekannten Einnchtungen werden durch
die Erfindung verschiedene beachtliche Vorteile erreicht. So ist die erfindungsgemäße
Einrichtung entsprechend unabhängig von äußeren Störungen, beispielsweise Erschütterungen,
die auf den verwendeten Kernresonanz-Magnetfeldmesser kommen können. Nullpunktschwankungen
machen sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht oder kaum bemerkbar. Der
Regelbereich des Kernresonanz-Regelkreises ist beträchtlich vergrößert, wobei sich
durch die erfindungsgemäße Ausbildung ein xEinfangbereich« ergibt, der bewirkt,
daß ein Magnetfeld, welches in diesen Bereich kommt, in den Proportionalbereich
großer Regelsteilheit hineingezogen wird.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Stabilisierung
eines durch einen Elektromagneten oder Dauermagneten erzeugten Magnetfeldes unter
Verwendung eines Kernresonanz-Magnetfeldrnessers, dessen Schwingkreisfrequenz als
Sollwert dient und dessen Resonanzsignale zur Regelung herangezogen sind. Die Erfindung
besteht dann, daß dem Magnetfeld ein nur am Meßort wirksames, gegen die Breite der
Resonanzsignale großes magnetisches Wechselfeld überlagert ist. Einer weiteren vorteilhaften
Ausbildung entsprechend sind die Resonanzsignale in Signale mit Rechteckform umgewandelt.
Zweckmäßig wird zur Erzeugung der aus den Resonanzsignalen abgeleiteten Regelgleichspannung
ein phasenabhängiger Gleichrichter verwendet, der aus zwei gegensinnig gesteuerten
Verstärkerelementen in Anodenbasisschaltung besteht, denen die rechteckförmige Signalspannung
zugeführt wird, während von ihren Kathoden die Regelgleichspannung abgenommen ist.
-
Die Magnetfeldmessung nach dem Prinzip der Kernresonanz sei nachstehend
kurz erläutert: Die Kernspins einer Probensubstanz, z. B. Wasser, die einem magnetischen
Gleichfeld ausgesetzt ist, machen Präzessionsbewegungen um die Richtung des Gleichfeldes.
Die Präzessionsfrequenz ist der Magnetfeldstärke streng proportional. Es gilt die
Beziehung Hz f = 4258,16 Hz Oe Um die Frequenz meßbar zu machen, erzeugt man in
einer die Probensubstanz umgebenden Sondenspule, die Teil eines Schwingungskreises
ist, ein HF-Feld und bringt dessen Frequenz mit der Präzessionsfrequenz der Kernspins
in tbereinstimmung.
-
Im Resonanzfall entziehen die Kernspins dem HF-Feld Energie. Die Schwingungsamplitude
wird dadurch erniedrigt. Wird die Resonanzstelle periodisch mit einem dem zu messenden
Magnetfeld überlagerten magnetischen Wechselfeld von 50 Hz überstrichen, dann entsteht
durch die Resonanzabsorption eine Amplitudenmodulation der HF-Spannung, die nach
Demodulation und Verstärkung beispielsweise auf einem Oszillographenschirm zur Anzeige
gebracht werden kann.
-
Die Erfindung wird an Hand eines schematischen Ausführungsbeispieles,
das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert.
-
In Fig. 1 a ist die Feldstärke als Funktion der Zeit dargestellt.
Dem zu messenden Feld HMagfl - ausgezogene gerade Linie - ist ein magnetisches Wechselfeld
überlagert. Die am Magnetfeldmesser über die Frequenz eingestellte Resonanzfeldstärke
HReS stimmt in Fig. la mit der MagnetfeldstärkeHMagn genau überein. Beim Resonanzdurchgang
der Feldstärke treten dann Absorptions- bzw. Resonanzsignale auf, wie sie in Fig.
1 a rechts als Schwingungszug dargestellt sind. Gemäß der Erfindung ist die Signalbreite
B klein gegen den Modulationshub M des überlagerten Magneffeldes. Mittels Begrenzerschaltungen
werden aus den Resonanzsignalen Rechtecksignale R geformt.
-
In der Fig. 1 a haben diese untereinander gleiche seitliche Abstände.
-
Fig. lb zeigt den Fall, daß die Magnetfeldstärke von von der am Magnetfeldmesser
eingestellten Resonanzfeldstärke um +dH H abweicht. Die Resonanzdurchgänge und die
Signale R sind nicht mehr äquidistant. Fig. 1 c zeigt eine Abweichung um H.
-
Der Effekt ist der gleiche wie bei Fig. lb, nur mit dem Unterschied,
daß die zusammengedrückten Signale R in der Phase um 1800 verschoben sind.
-
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die zeitliche Folge der Resonanzsignale
die Größe und Richtung einer Abweichung des Magnetfeldes von der am Magnetfeldmesser
eingestellten Sollfeldstärke kennzeichnet. Die vom Magnetfeldmesser abgegebenen
Resonanzsignale werden für die Regelung begrenzt, so daß sich rechteckförmige Signale
R ergeben, deren Form von äußeren Störungen, beispielsweise Erschütterungen, die
auf den Kernresonanz-Magnetfeldmesser kommen könnten, weitgehend unabhängig ist.
-
Nulispannungsschwankungen machen sich nicht oder kaum bemerkbar.
-
Die Signalfolgen müssen in eine für die Magnetfeldregelung brauchbare
Regelspannung umgewandelt werden. Das geschieht über eine phasenabhängige Gleichrichtung.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines phasenabhängigen Gleichrichters. Dem Gitter
eines Kathodenverstärkers V20 wird die Signalspannung zugeführt. Die Signalspannung
gelangt dann an die Gitter der beiden Trioden V21 und V22. Mit Hilfe einer 50-Hz-Rechteckspannung,
die im Bild nur angedeutet ist, werden einmal das Triodensystem V 21 und einmal
das Triodensystem V 22 gesperrt.
-
Während dann beispielsweise das Triodensystem V21 gesperrt ist und
die dazugehörige Kathode Nullpotential besitzt, liegt am Gitter des Triodensystems
V 22 die Signalspannung, und dem Kathodenspannungsgrundwert ist die Signalspannung
überlagert. Mit Hilfe der gestrichelt dargestellten Widerstände kann dafür gesorgt
werden, daß die Kathodenspannung auch im gesperrten Zustand angehoben wird und die
»Rechteckwelligkeit« verschwindet.
-
In Fig. 3 sind die Kathodenspannungen an den beiden Triodensystemen
über die Zeit aufgetragen.
-
Im Fall a) wird angenommen, daß die Magnetfeldstärke von der Resonanzfeldstärke,
also dem Sollwert, nicht abweicht, die Signale also gleiche Abstände haben. Die
Phase der Rechteckspannung ist derart eingestellt, daß das Zentrum der äquidistant
angenommenen Rechtecksignale genau mit den Rechteckkanten der Steuerspannung übereinstimmt.
-
Man entnimmt der Darstellung, daß die Kathoden-
spannungsmittelwerte
beider Triodensysteme gleich groß sind. Die gestrichelte Linie deutet den Grundspannungspegel
an, den man durch das in der Fig. 2 angedeutete Anheben der Kathodenspannung erhält.
-
In b) und c) (Fig. 3) sind die Verhältnisse für den Fall der Magnetfeldabweichung
um + aI H und ffii H dargestellt. Je nach der Richtung der Magnetfeldabweichung
vom Sollwert ist der Spannungsmittelwert an der Kathode der Röhre V21 kleiner oder
größer als an der Kathode der Röhre V 22. Die Kathodenspannungen werden mit Tiefpässen
(RC in Fig. 2) geglättet. Die an den Kathoden auftretende Spannungsdifferenz ist
die Regelspannung für die Magnetfeldstabilisierung.
-
In Fig. 4 ist die so gewonnene Regelspannung als Funktion der Abweichung
der Magnetfeldstärke von der Resonanzfeldstärke aufgetragen. Als Parameter wurde
das Verhältnis des Modulationshubes zur Linienbreite gewählt. Die Breite des Proportionalbereiches
ist gleich der in Oe gemessenen Signalbreite. Charakteristisch für die Regelspannungserzeugung
nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ist die Tatsache, daß die Regelspannung außerhalb
des durch die Signaibreite festgelegten Proportionalbereiches nicht gleich wieder
zu Null wird, sondern noch über einen größeren Bereich zwar langsam, aber um einen
beachtlichen Betrag ansteigt. Der Anstieg außerhalb des Proportionalbereiches hängt
damit zusammen, daß das Modulationsfeld sich mit der Zeit nicht sägezahnförmig,
sondern sinusförmig ändert. Die Signaldauer steigt entsprechend der sinusförmigen
Modulation zu den Extremwerten der Feldstärke hin an. Im Gegensatz zum Proportionalbereich,
der sich über eine Linienbreite erstreckt und den eigentlichen Regelbereich darstellt,
soll der größere Bereich bis zum schließlichen Absinken der Regelspannung auf Null
mit Einfangbereich bezeichnet werden, da ein Magnetfeld, das in diesen Bereich kommt,
in den Proportionalbereich großer Regelsteilheit hineingezogen wird.
-
In Fig. 5 ist das Blockschaltbild des für die Magnetfeldregelung
benutzten Regelkreises dargestellt.
-
Der Magnet 1 besitzt eine Stromstabilisierung. Zu dem Stromstabilisierungsregelkreis
gehören das Strommeßglied 2, das Spannungsnormal 3, der Regelverstärker 4 mit Stellglied
9. Der zusätzliche Feldregelkreis, welcher erst die hohe Feldstabilität von 10S
bis 106 über lange Zeiten zu erre'ichen gestattet, greift in den ersten Regelkreis
am Sollwert ein.
-
Das Magnetfeld wird mit dem Kernresonanz-Magnetfeldmesser5 ausgemessen.
Mit dem Gerät wird festgestellt, ob die der Magnetfeldstärke streng proportionale
Präzessionsfrequenz der Kernspins mit der am Kernresonanz-Magnetfeldmesser als Sollwert
eingestellten Transitronfrequenz (HF) übereinstimmt oder nicht. Der Kemresonanz-Magnetfeldmesser
5 enthält quasi das Normal, das Meßglied und das Sollwert-Istwert-Vergleichsglied.
Die dem Magnetfeldmesser 5 entnehmbaren Signalfolgen werden in dem nachgeschalteten
Regelspannungserzeuger 6 in für die Regelung verwendbare Gleichspannungswerte umgesetzt.
Die so gewonnene Regelgröße wird dem Sollwert für die Stromregelung superponiert.
Der Regelkreis für die Stromstabilisierung regelt die schnellen Stromschwankungen
und damit die schnellen Magnetfeldschwankungen aus, während der Regelkreis für die
Feldstabilisierung die langsamen Feldänderungen über eine Sollwertkorrektur des
Stromstabilisierungskreises
ausregelt. Die Sonde7 des Magnetfeldmessers
5 ist im zu stabilisierenden Magnetfeld angeordnet.
-
Mit 8 ist ein Modulator bezeichnet.