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Meßgerät zur periodischen Bestimmung der Feldstärke eines magnetischen
Feldes Die Erfindung betrifft ein unter Ausnutzung des gyromagnetischen Momentes
von Atomkernen arbeitendes Meßgerät zur periodischen Bestimmung der Feldstärke eines
magnetischen Feldes.
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Die bisher bekannten Meßgeräte zur periodischen Bestimmung der Feldstärke
eines magnetischen Feldes unter Ausnutzung der gyromagnetischen Präzession von Atomen
weisen im allgemeinen zwei oder mehr geradlinige Spulen auf, zwischen denen sich
das die gyromagnetischen Atome enthaltende Volumen befindet. Da die gyromagnetischen
Eigenschaften der Atomkerne von chemischen Bindungen unabhängig sind, lassen sich
die Kerne des Wasserstoffs (Protonen) vorteilhaft in Form destillierten Wassers
benutzen.
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Wird ein Proton, welches sowohl eine Winkeldrehung (Spin) wie auch
ein magnetisches Moment besitzt, einem magnetischen Felde ausgesetzt, so präzessiert
es nach Art eines Kreisels um die Achse des magnetischen Feldes. Die Präzessionsgeschwindigkeit
ist hierbei proportional der Stärke des magnetischen Feldes und ist durch den Zusammenhang
2z f = y H festgelegt, wobei f die Präzessionsfrequenz (Larmorfrequenz), H die Feldstärke
des zu messenden Feldes und r die gyromagnetische Konstante ist.
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Um ein auskoppelbares elektrisches Signal zu erhalten, wird zunächst
ein starkes polarisierendes magnetisches Feld erzeugt, das möglichst im rechten
Winkel zu dem zu messenden Feld steht. Dadurch wurden die Spinachsen der Atomkerne
in die Richtung dieses starken Feldes eingestellt. Wird das polarisierende Feld
nach der Ausrichtung der Atomkerne genügend schnell zum Verschwinden gebracht, so
beginnen die Kerne sofort um die Achse des zu messenden magnetischen Feldes zu präzedieren,
wobei durch den gleichzeitigen Start aller Kerne für eine gewisse Zeit eine Häufung
der Momentanachsen der Kerne vorhanden ist, so daß in der Auskopplungsspule ein
Signal mit der der Feldstärke H entsprechenden Larmorfrequenz induziert wird.
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Es ist weiterhin bekannt, die Polarisation der Kerne und die Auskopplung
des Signals über eine einzige Spule zu bewirken, indem diese zwischen der Quelle
des polarisierenden Stromes und der Auswerte apparatur hin- und hergeschaltet wird.
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Die größte induzierte Spannung entsteht in den Auskoppelspulen, wenn
das zu messende Feld senkrecht zur Spulenachse steht. Die induzierte Spannung fällt
bei einer ebenen Spule proportional dem sin2 des zwischen der Spulenachse und der
Richtung des zu messenden Feldes befindlichen Winkels ab. Diese Eigenart macht sich
bei der Ausmessung großer Felder, z. B. des Erdfeldes vom Flugzeug aus, störend
bemerkbar, da die Meßanordnung stets in einer bestimmten Winkelstellung zum Erdfeld
liegen muß, andererseits das Flugzeug bestimmte Kurse fliegen soll.
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Es ist auch schon eine Anordnung bekannt, bei der drei einzelne Spulen
jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind, so daß die Stärke des Ausgangssignals
von der Lage der Spulenanordnung zum Magnetfeld unabhängig ist. Nachteile dieser
Anordnung sind in der starken Streuung der polarisierenden Felder wie auch in den
hohen Anforderungen bei der räumlichen Unterbringung dieser Meßanordnung in einem
vom Flugzeug nachgeschleppten Spezialflugkörper zu sehen.
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Bei dem Meßgerät zur periodischen Bestimmung der Feldstärke eines
magnetischen Feldes nach der Erfindung ist die Spule des Meßsystems als Toroid ausgebildet,
dessen Spulenkörper vorzugsweise gleichzeitig als Hohlkörper zur Aufnahme der die
gyromagnetischen Atomkerne enthaltenden Stoffe, wie z. B. Wasser, dient. Eine Toroidspule
weist in bezug auf die Abhängigkeit der Signalstärke von der Orientierung der Spulenachse
zu der Richtung des zu messenden Feldes die Eigenschaft auf, daß die Amplitude des
Ausgangssignals bei ungünstiger Lage der Spulenachse zur Richtung des zu messenden
Feldes nicht unter die Hälfte des optimalen Wertes absinkt. Wird der zwischen der
Rotationsachse des
Toroides und der Richtung des zu messenden Feldes
eingeschlossene Winkel mit fl bezeichnet, so ist die in der Toroidwicklung induzierte
Ausgangsspannung proportional 1 + cos2ß 2 Da die Toroidspule den weiteren Vorteil
der Unempfindlichkeit gegen Störfelder aufweist, kann eine verbleibende geringe
Schwankung der Ausgangsamplitude der induzierten Spannung nicht als nachteilig angesehen
werden, da der Störpegel genügend tief liegt. Die restliche Richtungsabhängigkeit
ließe sich im Bedarfsfalle durch eine Serienschaltung zweier senkrecht zueinander
angeordneter Toroidspulen beseitigen.
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Bei der Polarisation des die gyromagnetischen Atomkerne enthaltenden
Mediums verlaufen die magnetischen Feldlinien praktisch vollkommen im Inneren der
Spule, so daß der Außenraum im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen praktisch
feldfrei bleibt. Dadurch ist es z. B. möglich, gleichzeitig weitere in der Nähe
befindliche Magnetometer zu betreiben, ohne daß aufwendige Abschirmungsmaßnahmen
erforderlich werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird bei einem Magnetometer dieser
Art, dessen Spulenanordnung in einem Flug- oder Schwimmkörper nachgeschleppt wird,
die Toroidspule in dem als Ringflügel ausgebildeten Teil der Stabilisierungsflächen
angeordnet.
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Auf diese Weise ergibt sich nicht nur eine besonders raumsparende
Anordnung, sondern auch eine sehr wirksame Wärmeableitung aus der Spulenanordnung.
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Durch entsprechend angeordnete Kühlrippen kann eine weitere Steigerung
der Kühlwirkung erreicht werden. Auch kann durch eine im Schleppkabel angeordnete
Leitung eine geeignete Flüssigkeit auf die Oberflächen des Ringflügels geleitet
werden, um durch Verdunstung eine erhebliche Herabsetzung der Arbeitstemperatur
zu bewirken.
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Zur Verhindernng von heftigen Strömungen in der die gyromagnetischen
Atomkeme enthaltenden Flüssigkeit wird der Flüssigkeitsraum zweckmäßig mit einem
geeigneten porösen Stoff, z. B. mit Watte, gefüllt.
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Da die Toroidspule praktisch kein äußeres Streufeld aufweist, können
gleichzeitig mehrere in geringer Entfernung voneinander befindliche Magnetometer
dieser Bauart betrieben werden, ohne daß das starke Polarisationsfeld des einen
Magnetometers die Messung anderer Magnetometer stört. Dies ist vor allem für die
Anwendung in schnell bewegten Fahrzeugen, wie z. B. in Flugzeugen, wesentlich, da
sowohl für das Polarisieren wie für das Präzedieren eine bestimmte Mindestzeit benötigt
wird Durch Anwendung sehr starker Felder beim Polarisieren und durch eine Einschränkung
der zur Frequenzmessung benötigten Zeit läßt sich zwar die Meßperiode verkürzen,
jedoch leidet darunter die Genauigkeit der Messung der Larmorfrequenz. In weiterer
Ausbildung der Erfindung werden daher zur Erzielung einer dichteren Meßpunktfolge
bei schnell bewegten Meßfahrzeugen mehrere gleichzeitig polarisierte Magnetometer
benutzt, die räumlich so getrennt sind, daß sie sich auf verschiedenen Punkten einer
durchfahrenen Meßstrecke befinden. Vorzugsweise werden die Magnetometerhintereinander
an einem nachgeschleppten Meßkabel angeordnet. Der Abstand der einzelnen
Magnetometer
voneinander wird dabei zweckmäßig so gewählt, daß bei einer konstanten Schleppgeschwindigkeit
und Wiederholungsfrequenz eine gleichmäßige Oberdeckung des Profils mit Meßpunkten
erhalten wird. Kleinere Schwankungen der Schleppgeschwindigkeit lassen sich auch
durch eine entsprechende Minderung der Wiederholungsfrequenz ausgleichen. Da das
Erdfeid zeitlich gelegentlich beachtlichen Schwankungen unterliegt, kann zur Eliminierung
dieser Einflüsse eine doppelte Überdeckung der Meßpunkte z. B. in der Weise gewählt
werden, daß das letzte Magnetometer der Kette jeweils den vom ersten Magnetometer
bereits gemessenen Punkt wiederholt. Durch einen derartigen Meßabiauf kann die sonst
übliche Anordnung einer Bodenstation wegfallen, die während der Messungen die Schwankungen
des Erdfeldes registriert.
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An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
wird nachstehend die Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische
Darstellung einer Toroidspule des Meßgerätes nach der Erfindung in Draufsicht, Fig.
2 eine Toroidspule nach Fig. 1 in einer einen Winkel mit dem zu messenden magnetischen
Felde bildenden Lage, Fig. 3 eine Anordnung einer Toroidspule nach Fig. 1 in einem
Ringflügel-Schleppkörper, teilweise im Schnitt, Fig. 4 eine Ausbildung der Toroidspule
als Ringflügel, teilweise im Schnitt, und Fig. 5 eine mit einem Flugzeug verbundene
Mehrfachschleppanordnung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Toroidspule weist einen als Flüssigkeitsbehälter
ausgebildeten Spulenkörper 2 auf, der gleichmäßig mit einer Toroidwicklung 1 geeigneter
Drahtstärke und Windungszahl bewickelt ist.
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In dem Spulenkörper 2 befindet sich das einen gyromagnetischen Effekt
aufweisende Medium3, wie z.B.
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Protonen in Form von Wasser. Um die Dauer und die Amplitude des erhaltenen
Ausgangssignals zu beeinflussen, können in bekannter Weise bestimmte Stoffe zugefügt
sein. Zur Polarisation wird durch die Wicklung ein ausreichend starker Strom gesandt,
der ein im Inneren der Wicklung verlaufendes Magnetfeld aufbaut, während sich -
genügend gleichmäßige Bewicklung vorausgesetzt - im Außenraum kein Magnetfeld ausbilden
kann. Nach einer zur Ausrichtung der Spin achsen der Atomkerne ausreichenden Zeit
wird die Stromquelle plötzlich abgeschaltet. Unmittelbar anschließend werden die
Enden 6 der Wicklung 1 mit dem Eingang eines geeigneten Frequenzmessers zur Bestimmung
der Larmorfrequenz verbunden.
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Weicht die Richtung der Toroidachse 4 (Fig. 1) des Toroides 2 um
den Winkel fi von der Richtung 5 des zu messenden magnetischen Feldes ab, so wird
nicht mehr die volle Spannung von den präzedierenden Atomkernen in der Wicklung
induziert. Jedoch sinkt die Amplitude der induzierten Spannung im ungünstigsten
Falle des senkrechten Aufeinanderstehens der Richtung des zu messenden Feldes auf
der Toroidachse nicht unter die Hälfte des optimalen Wertes ab.
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Der in Fig. 3 dargestellte Schleppkörper 7 besitzt einen stabilisierenden
Ringflügel 8, der von Spanten 11 konzentrisch zum Schleppkörper 7 gehalten wird.
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In der vorderen Hälfte des Ringflügels 8 befindet sich
eine
Toroidspule 9, deren Spulenkörper mit einer geeigneten Flüssigkeit 10 gefüllt ist.
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Bei dem in Fig.4 dargestellten Ringflügeltoroid 12, der im wesentlichen
die Gestalt des Schleppkörpers nach Fig. 3 aufweist, bildet die Toroidspule 13 selbst
die äußere Belegung des Ringflügels. Bei dieser Anordnung besitzt der Spulenkörper
des Toroides und somit auch der Flüssigkeitsraum 14 den Querschnitt des Ringflügels.
Es ist offensichtlich, daß diese Anordnung eine besonders gute Kühlung aufweist.
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Bei der Mehrfachschleppanordnung nach Fig. 4 zieht ein Flugzeug 14
das Schleppkabel 18 hinter sich her, in dem drei Toroidspulenmagnetometer 15, 16
und 17 angeordnet sind. Das Kabelende kann durch einen Bremsfallschirm 19 straff
gehalten werden, so daß die Absenkung des letzten Magnetometers gegen das erste
in vernachlässigbaren Grenzen bleibt. Die Ringflügelkörper liegen zufolge ihrer
Rotationssymmetrie sehr stabil in der Luft und liefern schon bei einer kleinen Neigung
gegen die Horizontale einen eigenen Auftrieb, der einem zu großen Absinken des letzten
Flugkörpers entgegenwirkt. Der Abstand zwischen den einzelnen Magnetometern wird
zweckmäßig so mit der Fluggeschwindigkeit abgestimmt, daß sich für eine bestimmte
Wiederholungsfrequenz der Abschaltung der Polarisierung eine gleichmäßige Meßpunktfolge
ergibt. Bei der dargestellten Anordnung wurde für einen Flugweg von 100 m in der
Sekunde bei einer Wiederholungsfrequenz von 1 Hz ein Abstand von 50 m zwischen den
einzelnen Flugkörpern gewählt, so daß sich der Meßkörper 17 bei der nächsten Messung
auf dem bereits in der vorangegangenen Messung durch den Schleppkörper 15 ausgemessenen
Punkt befindet. Da das Erdfeld kurzzeitigen Schwankungen unterworfen ist, kann aus
der Differenz der erhaltenen Meßwerte die Schwankung des Erdfeldes ermittelt werden.
Der erste Schleppkörper 15 wird in einer solchen Entfernung vom Flugzeug angeordnet,
daß die durch die magnetisch wirksamen Teile des Flugzeuges erzeugte Störung des
zu messenden Erdfeldes vernachlässigbar ist. Zweckmäßig wird der erste Schleppkörper
in seinem Schwerpunkt aufgehängt und schwerer gehalten als die restlichen Schleppkörper,
so daß sich im Fluge etwa die dargestellte Lage der Anordnung ergibt.
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Alle Magnetometer werden gleichzeitig polarisiert und gleichzeitig
auf separate Frequenzzähler geschaltet, so daß alle Messungen gleichzeitig erfolgen.
Dadurch werden insbesondere Störungen der Messungen eines Magnetometers durch etwa
im Schleppkabel 18 gleichzeitig fließende Polarisationsströme eines anderen Magnetometers
vermieden.