DE1152188B - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Betrages schwacher Magnetfelder, insbesondere des Erdfeldes, durch Kerninduktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die genaue Messung des Betrages schwacher Magnetfelder (kleiner als etwa 10 Gauß oder Oersted), insbesondere des magnetischen Erdfeldes (das etwa 0,5 Gauß oder Oersted aufweist), durch Kerninduktion, d. h. durch Bestimmung der Frequenz der freien Präzisionen von Atombestandteilen, insbesondere Atomkernen, einer Stoffmenge in dem zu messenden Magnetfeld, wobei diese Frequenz aus den weiter unten angegebenen Gründen genau zu der Feldstärke proportional ist.

Eine Probe, die aus einer Stoffmenge mit Kernspins, d. h. Atomkernen mit kinetischem Eigenmoment oder Spin — in der nachfolgenden Beschreibung sind die Vektoren mit einem überstrichenen großen oder kleinen Buchstaben bezeichnet — und einem_von Null verschiedenen magnetischen Moment m besteht, also ein genau bestimmtes, von Null

verschiedenes gyromagnetisches Verhältnis γ = —

besitzt, weist nämlich, wenn sie in ein Magnetfeld Ή mit der Stärke H gebracht wird, ein resultierendes magnetisches Moment oder einen Vektor der makroskopischen MagnetisierungM auf, der im thermischen Gleichgewicht zwischen den Atomkernen und dem umgebenden Medium durch die Formel M = XH gegeben ist, in der X die magnetische Suszeptibilität der Atomkerne der Stoffmenge ist. Die magnetische Kernsuszeptibilität ist bekanntlich erheblich kleiner als die paramagnetische Suszeptibilität der Elektronen.

Zum Erzielen der freien Präzessionen des resultierenden Vektors der makroskopischen Magnetisierung Ή um die Richtung des Feldes Ή ist es bekannt, während einer gewissen Dauer die Atomkerne einem polarisierenden magnetischen Hilfsfeld P auszusetzen, das einen gewissen Winkel mit dem zu messenden Feld IJ bildet. In einer die Anwendung des obigen Verfahrens auf die Messung des Erdfeldes betreffenden Literaturstelle angegeben, daß mit Protonen als Atomkernen ein polarisierendes Feld von etwa 100 Gauß während etwa 3 Sekunden in einer zu der Richtung des Erdfeldes etwa senkrechten Richtung angelegt wird. Unter der vereinten Wirkung dieses polarisierenden Feldes P und des zu messenden Feldes Ή nimmt die makroskopische Magnetisierung M schnell die Richtung des gesamten Magnetfeldes ~Κ = Ή + P ein, das etwa senkrecht zu dem zu messenden Feld 77 steht, wenn das polarisierende Feld P zu diesem praktisch senkrecht ist, und nimmt nach einer gewissen Zeit die an die Abklingzeit (in der Längsrichtung) gebunden ist, d. h. an die Zeit, die die Atomkerne zur Erreichung des Gleichgewichts brauchen, einen erheblich größeren Betrag an, der Verfahren und Vorrichtung zum Messen

des Betrages schwacher Magnetfelder,

insbesondere des Erdfeldes,

durch Kerninduktion

Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. W. P. Radt und Dipl.-Ing. E. E. Finkener,
Patentanwälte, Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 5. Juli und 18. Juli 1960

(Nr. 832 625, Seine, und Nr. 833 192, Seine)

Georges Bonnet, Grenoble, Isere,

Jean Louis Laffon, St. Egreve, Isere,

und Pierre Emile Servoz-Gavin,

Grenoble, Isere (Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

durch M_R = XR bestimmt ist. Wenn das polarisierende FeIdP plötzlich aufgehoben wird, so daß das zu messende FeIdH allein bestehenbleibt, führt der Vektor der makroskopischen Magnetisierung Ή der Atomkerne, der sich auf das resultierende Feld 7? ausgerichtet hatte und sich nach der plötzlichen Unterbrechung von P nicht sofort auf Ή ausrichten konnte, eine Präzessionsbewegung um die RichtungH unter der Wirkung des von Null verschiedenen kinetischen Kernmoments und des Drehmoments aus, das von der Wechselwirkung zwischen dem von Null verschiedenen magnetischen Kernmoment und dem Magnetfeld Ή herrührt, entsprechend einem sich um sich selbst drehenden und dem Moment der Erdschwere ausgesetzten Gyroskop, und zwar bis seine neue Ausrichtung auf Ή nach einer gewissen Zeit nach Herstellung des thermischen Gleichgewichts erreicht ist.

Das den Präzessionen des Vektors der resultierenden Magnetisierung M zugeordnete Drehfeld induziert in einer Spule, welche die die Kernspins enthaltende Probe umgibt und eine entsprechende Lage hat —■ diese Spule dient im allgemeinen auch zur Erzeugung des polarisierenden Feldes F — eine elektromoto-

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rische Wechselkraft, deren Frequenz gleich der Lar- sehen dem magnetischen Moment der Atomkerne des morfrequenz genannten Frequenz/ der freien Kern- Lösungsmittels und dem magnetischen Moment der präzessionen ist, die durch die bekannte Formel Elektronen der paramagnetischen Substanz dem re-, v_r, , . ^ ^. , , ^JOJ-T- sultierenden makroskopischen magnetischen Moment

Z=A-S ^{gegeben 1St}· ^{Dies bedeUiet}' ^{daß die Fre}" 5 der Kerne, selbst in emem schwachen Feld, ein bequenz der induzierten elektromotorischen Wechsel- trächtlicher Wert gegeben wird. Man kann so im kraft genau der Feldstärke H proportional ist, wobei Erdfeld eine Polarisation erhalten, die etwa 4000mal der Proportionalitätskoeffizient mit einer Genauigkeit so groß ist wie beim Fehlen dieser Kopplungswirkung von 10 ~⁵ für die Protonen bekannt ist — was eine zwischen dem Einzelelektron der gelösten paraausgezeichnete Genauigkeit für die absolute Messung io magnetischen Substanz und dem Atomkern des Lözu erhalten gestattet — und außerdem konstant ist sungsmittels. Dieser Effekt wird bisweilen »Over-— was eine noch bessere relative Genauigkeit ge- hauser-Abragam-Effekt« genannt, währleistet. Der Erfinder hatte festgestellt, daß bei der Mes-

Eine bekannte, mit Kerninduktion arbeitende, auch sung eines schwachen Magnetfeldes durch Kernais Magnetometer bezeichnete Meßvorrichtung dieser 15 induktion die Lösung einer paramagnetischen Sub-Art enthält daher einen mit Wasser (Protonen ent- stanz der obigen Art in der im allgemeinen durch haltende Substanz) gefüllten Behälter, eine diesen Wasser gebildeten flüssigen Meßprobe die Sättigung Behälter umgebende Spule, deren Achse senkrecht zu einer elektronischen Linie dieser Substanz in dem dem zu messenden Feld Ή liegt, eine Gleichstrom- resultierenden Feld aus diesem Magnetfeld und dem quelle, einen Verstärker, der mit einer Anordnung 20 Polarisationsfeld eine beträchtliche Verringerung zur Messung der Frequenz der verstärkten Schwin- der für das polarisierende FeIdP erforderlichen gungen kombiniert ist, und einen Umschalter zur Stärke ermöglichte, das dann nur noch die zweite der wahlweisen Verbindung dieser Spule mit der. Gleich- obigen Wirkungen zu erzeugen brauchte, nämlich die stromquelle zur Erzeugung des polarisierenden FeI- Induktion freier Präzessionen der Kernspins des des P innerhalb des Behälters und mit dem Verstär- 25 Lösungsmittels durch ein Kippen dieser Spins, die im ker zur Verstärkung und zur Messung der Frequenz Gleichgewicht vor der Anlegung des polarisierenden der elektromotorischen Wechselkraft, die in der Feldes in die Richtung von Ή eingestellt waren. Man Spule durch die freien Präzessionen der vorher polari- konnte so zur Messung des Erdfeldes ein polarisierten Protonen des Wassers nach der Unterbrechung sierendes Feld benutzen, das die gleiche Größendes polarisierenden Feldes induziert wird, wobei diese 30 Ordnung wie das Erdfeld hatte und dessen Stärke Unterbrechung schnell erfolgen muß. z. B. gleich der Stärke des Erdfeldes oder ein Mehr-

Es ist zu bemerken, daß das Hilfsfeld oder das faches derselben, z. B. das Fünf- oder Sechsfache, war. polarisierende Feld F zwei Wirkungen hat: Diese sehr wesentliche Verbesserung der Messung

Es vergrößert die resultierende Magnetisierung, von schwachen Magnetfeldern durch Kerninduktion die zu dem gesamten Magnetfeld Tt proportional 35 gehört ebenfalls zum Stand der Technik. In einer wird, wobei sie von M = XH auf M^ = XR diesbezüglichen Literaturquelle ist angegeben, daß, steigt: es erhöht also das Nutzsignal und somit wenn die paramagnetische Substanz durch Kaliumdas Verhältnis Signal zu Störpegel, wodurch sich nitrosodisulfonat gebildet wird, das polarisierende eine genauere Messung des Magnetfeldes Ή Feld während etwa 2 Sekunden gleichzeitig mit dem ergibt. 40 Hochfrequenzfeld zur Sättigung der elektronischen

Es erzeugt einen Richtungsunterschied zwischen Linie angelegt wird, wobei natürlich die Unterder resultierenden Magnetisierung M und dem brechung des polarisierenden Feldes plötzlich erzu messenden Feld H, wodurch nach der Unter- folgen muß, um zu verhindern, daß die Kernspins brechung des polarisierenden Feldes P die freien Zeit haben, der Bewegung des resultierenden Präzessionen der Kernspins um die Richtung 45 Feldes Tl während der Abnahme des polarisierenden von Ή mit einer Frequenz entsteht, die dem zu Feldes P zu folgen, was das Auftreten ihrer freien messenden Betrag H von Ή proportional ist. Präzessionen verhindern würde. Jenes bekannte Ver-

Nun gibt es aber noch ein anderes bekanntes Mit- fahren gestattet, die Stärke des magnetischen polaritel zur Vergrößerung der Kernpolarisation, d. h. des sierenden Hilfsfeldes P und somit den Energiever-Kernsignals, in einem gegebenen schwachen Feld, 50 brauch und den Platzbedarf der Apparatur beträchtd. h. zur Erzeugung der ersten Wirkung des Feldes P. lieh zu verringern.

Dieses Mittel besteht darin, als Meßprobe eine Lö- Der Erfinder hat nun überraschenderweise festge-

sung zu benutzen, die einerseits ein Lösungsmittel stellt, daß der Zusatz einer paramagnetischen Submit Atomkernen mit einem bestimmten, von Null stanz der obigen Art zu der flüssigen Probe zur verschiedenen gyromagnetischen Verhältnis und 55 Messung durch Kerninduktion und die Sättigung andererseits, in diesem Lösungsmittel gelöst, eine einer elektronischen Resonanzlinie dieser Substanz paramagnetische Substanz enthält, d. h. eine Sub- nicht nur die Verringerung der Stärke des magnestanz, die in ihrer Struktur ein Einzelelektron ent- tischen polarisierenden Hilfsfeldes gestattete, sondern hält, die ein Spektrum mit Hyperfeinstruktur und auch die beträchtliche Verkürzuag der Anlegungseine sättigbare elektronische Resonanzlinie besitzt, 60 dauer dieses polarisierenden Feldes, z. B. von — wie deren mittlere Frequenz in einem Magnetfeld, dessen bekannt — etwa 2 bis 3 Sekunden auf eine Dauer Stärke auf Null abnimmt, nicht nach Null strebt in der Größenordnung der Larmorperiode (Γ = 1//) (Trennung oder »splitting« der Energieniveaus im des Magnetfeldes Ή, wobei diese Dauer auf 0,25 bis Felde Null). Dabei wird ein Hochfrequenzfeld zum 0,5 dieser Periode herabgesetzt werden kann, welche Sättigen dieser elektronischen Resonanzlinie benutzt, 65 größenordnungsmäßig 0,5 Millisekunde für Protonen deren Frequenz in dem schwachen Feld, das kleiner im Erdfeld von 0,5 Oersted oder Gauß beträgt. Es als etwa 10 Gauß ist, praktisch konstant und von ist so möglich, die Anlegungsdauer des polarisieren-NuIl verschieden ist, wodurch durch Kopplung zwi- den Feldes auf einen Bruchteil einer Millisekunde

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oder auf einige Millisekunden herabzusetzen, hält, das eine im Felde Null von Null verschiedene,

während diese Anlegungsdauer in der bisherigen durch ein Hochfrequenzwechselfeld sättigbare elektro-

Technik die Größenordnung einer Sekunde hatte, nische Resonanzlinie hat.

d. h., diese Dauer kann durch einen Faktor in der Wie bekannt, wird hierbei die Lösung mit einem Größenordnung von mehreren Tausend oder 5 hochfrequenten Wechselfeld der Frequenz der elekmehreren Hundert geteilt werden. Da die Unier- ironischen Resonanzlinie der paramagnetischen brechung des polarisierenden Feldes bei allen Ionen der Lösung im Meßfeld und gleichzeitig mit Messungen durch Kerninduktion sehr schnell er- einem magnetischen Hilfsfeld beaufschlagt, dessen folgen muß, wird offenbar die Gesamtzeit zwischen Richtung einen gewissen, vorzugsweise in der Nähe dem Ende einer Periode zur Bestimmung der Kern- io von 90° liegenden Winkel mit der Richtung des Meßfrequenz und dem Beginn der nächsten Periode be- feldes bildet und dessen Betrag die gleiche Größenträchtlich verringert, was gestattet, bei gleicher Ordnung wie das Meßfeld hat (wobei sie etwa Dauer der Bestimmungs- oder Meßperiode und so- das Ein- bis Zehnfache dieses Magnetfeldes beträgt), mit bei gleicher Genauigkeit — da die Genauigkeit ferner wird das magnetische Hilfsfeld schnell untereine wachsende Funktion der Meßdauer in dem üb- 15 brachen, so daß freie Präzessionen der Atomkerne im liehen Meßbereich ist — die Zahl der Messungen be- Meßfeld mit einer Frequenz erzeugt werden, die dem trächtlich zu vergrößern. Produkt aus dem gyromagnetischen Verhältnis und

Wenn man daher die Schwingungen mit der Lar- dem Betrag dieses Magnetfeldes proportional ist, und

morfrequenz in der im allgemeinen mit der Polari- ferner wird die Frequenz dieser Präzessionen ge-

sationsspule zusammenfallenden Aufnahmespule 20 messen. Der Erfindungsgedanke besteht darin, die

während 2 Sekunden (Bestimmungs- oder Meß- Anlegungsdauer des magnetischen Hilfsfeldes

periode) zählt, konnte man mit den bekannten Ver- größenordnungsmäßig gleich der Periodendauer der

fahren und Vorrichtungen, bei welchen die Dauer genannten Präzessionen zu machen. Hierbei kann

der Herstellung des polarisierenden Magnetfeldes die Anlegedauer auf 0,25 bis 0,5 dieser Perioden-

3 Sekunden betrug, etwa alle 5 Sekunden eine 25 dauer herabgesetzt werden.

Messung vornehmen, d. h. zwölf Messungen in der Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausübung

Minute, während man unter Ausnutzung der obigen des obigen Verfahrens enthält einen Behälter, in

überraschenden Feststellung alle 2 Sekunden eine dem sich die Lösung befindet, Einrichtungen zur Er-

Messung vornehmen kann, d. h. dreißig Messungen zeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes mit

in der Minute. 30 der Frequenz der elektronischen Resonanzlinie der

In Wirklichkeit werden bei Berücksichtigung der paramagnetischen Ionen der Lösung im Meßfeld in Totzeiten, insbesondere des Zeitraums eines Bruch- diesem Behälter, eine den Behälter umgebende Spule, teils einer Sekunde, welcher der Unterbrechung des deren Achse etwa senkrecht zu dem zu messenden polarisierenden Feldes unmittelbar folgt und während- magnetischen Feld liegt, eine Gleichspannungsquelle, dem die elektrische Energie der Spule zur Polari- 35 die bei ihrem Anschluß an die Spule diese mit einem sierung und zum Auffangen der elektromotorischen nur in einer Richtung fließenden Strom speist, der in Wechselkraft vernichtet werden muß, bevor die Ein- dem flüssigen Medium ein magnetisches Hilfsfeld heiten zur Verstärkung und Messung der erzeugt, dessen Richtung einen gewissen, vorzugs-Schwingungen angeschlossen werden können, die weise in der Nähe von 90° liegenden Winkel mit der durch die Entladung dieser Spule nach der Unter- 40 Richtung des Meßfeldes bildet, wobei die Stärke des brechung des Polarisationsstroms gestört und mög- Hilfsfeldes die gleiche Größenordnung wie die licherweise beschädigt werden würden, die wirk- Stärke des zu messenden Magnetfeldes hat, Einrichliche Zahl der Messungen etwas kleiner, z. B. zehn tungen, die bei ihrem Anschluß an die Spule die von bzw. zwanzig Messungen in der Minute. Die obige der Unterbrechung der Speisung derselben her-Feststellung ermöglicht somit praktisch die Ver- 45 rührende Energie vernichten. Einrichtungen, die bei doppelung der Frequenz der Messungen, was ihrem Anschluß an die Spule die Frequenz der in äußerst zweckmäßig ist, insbesondere bei der Boden- dieser Spule durch die freien Präzessionen der Atomerforschung mit Hilfe eines mit Kerninduktion kerne im Meßfeld induzierte elektromotorische arbeitenden Magnetometers, das mit einem Last- Wechselkraft bestimmen, die zu dem Produkt aus wagen und insbesondere mit einem Flugzeug schnell 50 dem gyromagnetischen Verhältnis und der Stärke über das Gelände geführt wird. Bekanntlich kann dieses Magnetfeldes proportional ist, und Umschaltaber die Geschwindigkeit eines Flugzeugs, d.h. der einrichtungen zum Anschluß der Spule zunächst an minütlich über dem Gelände durchfahrene Weg, die Gleichstromquelle und hierauf schnell an die nicht unter einen bestimmten Wert herabgesetzt Einrichtungen zur Vernichtung der Energie und werden. 55 schließlich an die Einrichtungen zur Bestimmung der

Die Erfindung beruht nun gerade auf der über- Frequenz, und ist dadurch gekennzeichnet, daß sie

raschenden Feststellung dieser Möglichkeit der Ver- Einrichtungen enthält, welche die Spule mittels der

ringerung der Anlegungszeit des polarisierenden Umschalteinrichtungen an die Gleichstromquelle

Feldes bei der Ausnutzung des Overhauser-Abragam- während einer Dauer in der Größenordnung der

Effekts und betrifft ein Verfahren und eine Vorrich- 60 Periode der Präzessionen legen. Die Anlegedauer

tung zum Messen der Feldstärke eines schwachen kann auch bis auf 0,25 bis 0,5 dieser Periode herab-

Magnetfeldes (kleiner als etwa 10 Gauß), insbeson- gesetzt werden.

dere des magnetischen Erdfeldes, mittels einer Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme Lösung, die einerseits als Lösungsmittel eine Stoff- auf die Zeichnung an Hand eines Ausführungsmenge mit Atomkernen eines genau definierten, von 65 beispieles erläutert.

Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnisses Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsund andrerseits, in diesem Lösungsmittel gelöst, para- form eines erfindungsgemäßen, mit Kerninduktion magnetische Ionen mit einem Einzelelektron ent- arbeitenden Magnetometers;

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der (in Fig. 1 durch das gestrichelte Rechteck/! eingerahmten) Umschalteinrichtungen und der an den Klemmen der Spule zur Polarisierung und zur Abnahme der Schwingungen der freien Präzessionen verfügbaren Signale während eines Arbeitsspiels;

Fig. 3 zeigt die Änderung der Empfindlichkeit des Magnetometers der Fig. 1 in Abhängigkeit von der Dauer der Meßperiode zur Messung der Larmorfrequenz;

Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Einrichtung zur Umschaltung der Polarisierungs- und Abnahmespule zwischen der Gleichstromquelle, dem Teil zur Vernichtung der elektrischen Energie in der

die Dämpfung in dem Kabel 4 2 Dezibel beträgt, sind mehr als 3 W am Eingang der Spule 2 verfügbar.

Die Anordnung aus 2, 3, 4 und 5 gestattet, die elektronische Resonanzlinie des Nitrosodisulfonats in einem schwachen Feld zu sättigen und somit hinsichtlich der Stärke durch den Overhauser-Abragam-Effekt die Protonen des Wassers, in dem das Nitrosodisulfonat gelöst ist, zu polarisieren.

3. Eine Spule 6, die einerseits das polarisierende Hilfsfeld P erzeugt, das einen gewissen, vorzugsweise 90° betragenden Winkel mit dem Feld Ή bilden soll, und andrerseits das Signal der freien Präzessionen der Protonen der in dem Behälter 1 enthaltenen

Spule (nach der Unterbrechung des Polarisations- 15 Lösung um die Richtung Ή auffängt, wobei diese

Stroms) und der Anordnung zur Verstärkung und Spule durch sehr zahlreiche Windungen (vier

Zählung der in der Spule induzierten Schwingungen; Scheibenspulen von 1200 Windungen) aus Emaille-

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer der- draht von ⁴%oo mm gebildet wird. Diese Spule 6,

artigen Umschalteinrichtung. die eine Induktivität von 1H und einen Uber-

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungs- 20 spannungs- oder Gütekoeffizienten von 50 bei der

gemäße Magnetometer weist folgende Teil© auf: oben angegebenen Resonanzfrequenz aufweist, ist an

1. Einen Behälter 1 mit einem Rauminhalt von ein Umschaltorgan A durch ein Koaxialkabel 8 an-100 cm³, der mit Wasser gefüllt ist (welches die Pro- geschlossen, dessen verteilte Kapazität 30 pF/m betonen oder Wasserstoffkerne enthaltende Flüssigkeit trägt und eine Länge von z. B. 30 m hat (Gesamtbildet, deren Kernresonanzfrequenz in einem Feld 25 kapazität 0,9 μ¥), um zu verhindern, daß die in den von 1 Gauß größenordnungsmäßig 2000 Hz beträgt), nachstehend beschriebenen Einheiten erzeugten in dem als paramagnetische Substanz mit einem Ströme innerhalb des Behälters 1 nicht vernach-Spektrum mit Hyperfeinstruktur Kaliumnitrosodi- lässigbare magnetische Störfelder erzeugen, sulfonat (SO₃)₂ NOK₂ (Fremysalz) gelöst ist, um eine 4. Einen Gleichspannungsgenerator oder eine Lösung mit 1 g Nitrosodisulfonat je Liter zu bilden. 30 Gleichspannungsquelle 9 üblicher Ausbildung, welche

2. Einrichtungen zur Sättigung einer elektronischen der Spule 6 über den geschlossenen Schalter 10 des Resonanzlinie des Nitrosodisulfonats in dem resul- Umschaltorgans A einen nur in einer Richtung tierenden Magnetfeld aus dem schwachen Meß- fließenden Strom liefert, der im wesentlichen infolge feld Ή und dem polarisierenden Feld P, das größen- der Induktivität der Spule 6 in etwas mehr als ordnungsmäßig das Ein- bis Zehnfache, z. B. das 35 0,125 ms, d. h. in etwas mehr als einem Viertel der Zwei- bis Sechsfache, des Meßfeldes beträgt, wobei Larmorperiode der Protonen, die in dem Erdfeld die Frequenz dieser Linie 55,8 MHz im Erdfeld und 0,5 ms beträgt, von 0 auf 1,5 mA steigt; dieser Geeinem polarisierenden Feld von 1 bis 3 Gauß beträgt nerator dient zur Richtungspolarisierung der Pro- und sich sehr wenig ändert, solange das zu messende tonen des in dem Behälter 1 enthaltenen Wassers Feld und somit das Gesamtfeld klein bleibt (z. B. 40 durch Ausrichtung ihrer makroskopischen Magnetikleiner als 10 Gauß). Diese Einrichtungen ent- sierungM gemäß K = P+H.

halten: 5. Einen Widerstand 12 von 39 Kiloohm zur Ver-Eine »Hochfrequenzspule« 2, die durch sehr Dichtung der in der Spule 6 enthaltenen elektrischen wenige, z. B. vier Windungen aus dickem Draht Energie zwischen der plötzlichen Unterbrechung der gebildet wird, die so liegen, daß das von ihnen 45 Speisung der Spule 6 durch den Generator 9 (durch erzeugte hochfrequente Wechselfeld S längs Öffnung des Schalters 10) und dem Beginn der Meßeiner Geraden gerichtet ist, die einen gewissen, periode zur Messung der in der Spule 6 mit der vorzugsweise 90° betragenden Winkel mit dem Larmorfrequenz in dem zu messenden FeIdH inzu messenden Magnetfeld Ή bildet, wobei dann duzierten elektromotrischen Kraft, wobei dieser die Achse der Windungen der Spule 2 in diesem 50 Widerstand 12 entweder an die Spule 6 angeschlossen letzeren Fall senkrecht zu Ή liegt. werden kann, wenn sich der Umschalter 11 des Um-Einen Hochfrequenzgenerator 5 üblicher Bau- schaltorgans A in der gestrichelt dargestellten Stelart, der Schwingungen mit der Frequenz lung befindet, oder durch den Leiter 12 α kurzge-55,8 MHz mit einer Leistung von 6 W liefert. schlossen werden kann, wenn sich der Umschalter 11 Es ist zu bemerken, daß die Frequenzstabilität 55 ^m der voll ausgezogen dargestellten Stellung befindet, dieses Oszillators und die Einstellung seiner 6. Eine Anordnung zur Messung oder Bestimmung Frequenz ohne weiteres möglich sind, da einer- der Frequenz der in der Spule 6 durch die freien seits die elektronischen Resonanzlinien sehr Präzessionen der durch die Felder? und S polaribreit sind und da andrerseits in einem sierten Protonen des Behälters 1 induzierten elektroschwachen Feld, insbesondere in dem ganzen 60 motorischen Kraft, wobei diese Präzession mit der Wertebereich des magnetischen Erdfeldes und Larmorfrequenz in dem zu messenden Feld vor sich

der benutzten polarisierenden Felder, die Frequenz der elektronischen Resonanz von dem
Feld unabhängig ist.

Ein Koaxialkabel 4 und einen Impedanz- 65 wandler 3, der z. B. einen oder mehrere Drehkondensatoren enthält, zur Anpassung der Impedanz des Generators S an die der Spule 2. Da

geht. Diese Anordnung enthält:

Kondensatoren, nämlich einen festen Kondensator 13 und einen Drehkondensator 14, zur Abstimmung der Spule 6, wobei die Parallelschaltung der Kondensatoren 13 und 14 mit der Spule 6 und den Koaxialkabel 8 bei Kurzschließung des Widerstands 12 einen Schwing-

kreis bildet, der durch Einstellung des Kondensators 14 auf die Kernresonanzfrequenz der Protonen in dem zu messenden Feld abzustimmen ist.

Einen Niederfrequenzverstärker 7 (für etwa 2000 Hz bei der Messung des magnetischen Erdfeldes), der an die Klemmen des obigen Schwingkreises 6, 8, 13, 14 angeschlossen ist, um die mit der Larmorfrequenz der Spule 6 dieses Schwingkreises durch die freien Präzessionen der Protonen induzierten Schwingungen zu verstärken; dieser Verstärker wird zweckmäßig in an sich bekannter Weise durch eine Vorverstärkerstufe und durch eine oder mehrere selektive Verstärkerstufen mit z. B. auf 50, 100, 200 oder 400 Hz einstellbarer Bandbreite gebildet, was 1250,2500,5000 und 10 000 Gamma entspricht. Das Gamma ist eine bei der Bodenforschung benutzte Einheit des magnetischen Feldes, deren Wert 10~³ Gauß beträgt. Die Vorverstärker- und Verstärkerstufen sind mit Mitteln zur Mikrophoniedämpfung versehen und erzeugen eine zwischen 0 und 100 Dezibel von 10 zu 10 Dezibel einstellbare Verstärkung. Der Störpegel am Eingang beträgt größenordnungsmäßig 1 Mikrovolt,

Einen Oszillographen Ta zur Beobachtung des am Ausgang des Verstärkers 7 verfügbaren verstärkten Signals.

Einen Frequenzmesser 15 bekannter Bauart, der mit großer Genauigkeit die Frequenz der aus dem Verstärker 7 austretenden verstärkten Schwingungen mißt. Diese Anordnung enthält z.B.:

a) eine Einheit, die eine Spannungsstufe (V in Fig. 2) liefert, deren Dauer gleich der einer genau bestimmten, gegebenenfalls entsprechend der Genauigkeit und der Schnelligkeit der Messung gemäß den weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 3 gemachten Angaben einstellbaren Anzahl von Larmorperioden des Signals der freien Präzessionen der Protonen, z. B. 500, 1000, 2000 oder 4000 Perioden, ist, wobei diese Dauer größenordnungsmäßig 1 Sekunde beträgt;

b) einen sehr stabilen Oszillator oder einen Funkempfänger, der eine sehr stabile ungedämpfte Welle von einer Sendestation empfängt und Bezugswellenzüge genau bestimmter Frequenz liefert, die z. B. zur Erzielung einer guten Genauigkeit größenordnungsmäßig 1 Megahertz beträgt,

einen Zähler, z. B. der von der amerikanischen Gesellschaft Hewlet-Packard hergestellten Bauart, der durch die vordere Front der Spannungsstufe ausgelöst und durch die hintere Front derselben abgestellt wird und die Zahl der von dem Oszillator während der Dauer der Spannungsstufe gelieferten Schwingungen zählt.

Ein analogisches oder numerisches Registrierwerk 16, welches die aufeinanderfolgenden Ergebnisse der von dem Frequenzmesser 15 vorgenommenen Messungen entweder in Form von aufeinanderfolgenden Punkten oder in Form der drei letzten Ziffern der von dem Zähler des Frequenzmessers bestimmten Zahl aufzeichnet.

7. Eine Umschaitanordnung oder ein Umschaltorgan A, von dem zwei bevorzugte Ausführungsformen weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 beschrieben sind, das außer dem Schalter 10 und dem Umschalter 11, deren Ruhestellungen voll ausgezogen dargestellt sind, die Teile für die elektronische Steuerung dieser Bestandteile enthält, und seinerseits durch eine auch das Arbeitsspiel der Anordnung 15 steuernde Programmiervorrichtung oder Uhr 17 gesteuert ίο wird und die in gleichmäßigen Zeitabschnitten einen kurzen Steuerimpuls aussendet, der jedes Arbeitsspiel einleitet.

Jedes dieser Arbeitsspiele umfaßt:

a) Einen Schritt zur Polarisierung der Protonen nach Richtung und Stärke, zu dessen Beginn die Programmiervorrichtung 17 den Schalter 10 schließt und den Umschalter 11 in die gestrichelt dargestellte Stellung bringt und währenddem der Generator 9 in die Spule 6 einen Strom schickt, der in etwas mehr als 0,125 ms von 0 auf 1,5 mA steigt, wobei er in dem Behälter 1 ein polarisierendes Magnetfeld P erzeugt, das zu dem zu messenden FeIdH etwa senkrecht ist und in etwas mehr als 0,125 ms auf 1,5 Gauß ansteigt. Am Ende dieses ersten Zeitabschnitts haben die Protonen des in dem Behälter 1 befindlichen Wassers eine makroskopische Magnetisierung M erfahren, ,die in Richtung des Gesamtfeldes Έ = P+Ή liegt, aber gegenüber der Kernpolarisation dieses Feldes infolge der Anwendung des Overhauser-Abragam-Effekts mit einem beträchtlichen Faktor multipliziert ist, da der Generator 5 gleichzeitig durch die Spule 2 die Sättigung einer elektronischen Linie des in dem Wasser gelösten Nitrosodisulfonats bewirkt. Es ist klar, daß die Dauer dieses Arbeitsschritts zur Unterspannungsetzung der Spule 6 durch den Generator 9 zur Erzeugung des Feledes P wenigstens gleich der Mindestdauer sein muß, die für die wirkliche Polarisation der Protonen unter der Einwirkung des polarisierenden Feldes und des Sättigungsfeldes erforderlich ist, wobei diese an die Abklingzeit gebundene Mindestdauer bei dem obigen Beispiel größenordnungsmäßig

0,125 ms beträgt, sie kann jedoch länger sein und/oder durch eine Dauer der gleichzeitigen Aufrechterhaltung dieser beiden Felder zur Sättigung und Polarisierung verlängert werden.

Diese Verlängerung, die keinen Vorteil hinsichtlich der Genauigkeit der Messung des Feldes Ή bietet, vermindert jedoch die Frequenz des gesamten Arbeitsspiels und somit die Häufigkeit der Messungen. Es ist daher zweckmäßig, die Dauer des Schrittes zur Polarisierung möglichst

klein zu machen und z. B. auf 0,25 bis 0,5 der Larmorperiode zu verringern. Bei Protonen dauert dieser Polarisationsschritt zweckmäßig größenordnungsmäßig 1 Millisekunde.

b) Einen Schritt zur äußerst schnellen Unterbrechung des polarisierenden Feldes P und zur Vernichtung oder Dämpfung der oszillierenden Entladung der Spule 6, wobei dieser Arbeitsschritt mit der Öffnung des Schalters 10 beginnt und mit der Umschaltung des Umschalters 11 endet.

Da die Schnelligkeit der Unterbrechung hauptsächlich durch die Form der Entladung in der Spule 6

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bestimmt wird, ist es zweckmäßig, diese oszillierend zu machen, und damit die Frequenz der Schwingungen dieser Spule genügend groß ist, werden im Augenblick der Unterbrechung, wobei sich der Umschalter 11 in der gestrichelten Stellung befindet, die am Eingang des Verstärkers 7 liegenden Abstimmkondensatoren 13 und 14 kurzgeschlossen, die sonst diese Frequenz herabsetzen wurden. Die Frequenz der Entladung wird dann durch die Induktivität (1 Henry) der Spule 6 und die Störkapazität (900 pF) des Koaxialkabels bestimmt, die zweckmäßig möglichst klein gemacht wird, um diese Frequenz und somit die Schnelligkeit der Dämpfung zu erhöhen. Mit den beispielshalber angegebenen Werten beträgt die Unterbrechungsdauer 42 Mikrosekunden, die aber noch durch Verkürzung des Koaxialkabels 8 verringert werden könnte, was möglich ist, wenn die rechts von diesem Kabel erzeugten Magnetfelder die Messung nicht stören.

Die Dämpfung der oszillierenden Entladung muß vor dem Anschluß der Spule 6 an den Verstärker 7 erfolgen, um zu verhindern, daß die Kernschwingungen durch die oszillierende Entladung der Spule 6 verdeckt werden, und um den Verstärker zu schützen. Es ist daher zweckmäßig, die Zeitkonstante des Schwingkreises 6, 8 während dieser Entladung dadurch zu verringern, daß im Augenblick der Unterbrechung der Dämpfungswiderstand 12 in ihn eingeschaltet wird, der den Überspannungsfaktor des Schwingkreises verkleinert und diesen Kreis auf einen etwas über seinem kritischen Wert hegenden Wert einstellt.

c) Einen Schritt zur eigentlichen Messung oder Bestimmung der Larmorfrequenz, dieser Schritt dauert 1 bis 3 Sekunden, wobei der Schalter 10 immer noch offen ist, während der Schaltern in die voll ausgezogen dargestellte Stellung zurückkehrt, wenn die oszillierende Entladung abgeklungen ist, und die Spule 6 mit den Kondensatoren 13, 14 verbindet, wodurch ein auf die Kernresonanzfrequenz der Protonen in dem Feld H (etwa 2000 Hz für das Erdfeld) abgestimmter Schwingkreis 6, 8, 13, 14 entsteht, sowie mit dem Verstärker 7 unter Kurzschließung des Widerstands 12. Die Anordnung 15 bestimmt dann die Frequenz der Schwingungen der Kernpräzessionen, die durch den Verstärker 7 verstärkt werden, und das Registrierwerk 16 registriert das Ergebnis dieser Bestimmung.

50

Fig. 2, in der die Zeiten als Abszissen und die Amplituden als Ordinaten aufgetragen sind, stellt verschiedene Signale während der aufeinanderfolgenden Schritte des Arbeitsspiels dar.

Die Kurve I zeigt das von derProgrammiervorrichtung 17 gelieferte Steuersignal des Schalters 10, der sich ursprünglich in der voll ausgezogenen Stellung befindet. Dieses Signal erscheint zu Beginn eines jeden Arbeitsspiels und leitet den Arbeitsschritt zur Polarisierung ein. Es wird von der Programmiervorrichtung 17, z. B. während 10 Millisekunden, geliefert, wenn die Steuerung, wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert, mittels eines Relais erfolgt, dessen Wicklung (10 α in Fig. 4) durch das Signal I erregt wird und dessen Kontakt den Schalter 10 bildet. Infolge der Trägheit der Relais ist eine Zeit erforderlich, die erheblich größer als die Mindestzeit (in der Größenordnung von 0,125 ms) ist, die erforderlich ist, damit der die Spule 6 nur in einer Richtung durchfließende Strom so langsam zunimmt, daß sich Ή richtig auf R ausrichtet.

Die Kurve II zeigt die Änderungen des Stroms in der Spule 6 kurz vor der Entwicklung des Signals der Kernpräzessionen. Der erste Abschnitt dieser Kurve zeigt den etwa linearen Anstieg des Polarisationsstroms, während der zweite Abschnitt die oszillierende Entladung zeigt, die durch den Widerstand 12 gedämpft wird und bei der Öffnung des Schalters oder Kontakts 10 erfolgt.

Die Kurve III zeigt das Signal zu Steuerung des Umschalters 12, um diesen aus der voll ausgezogenen Ruhestellung in die gestrichelte Arbeitsstellung zu bringen, und zwar ebenfalls für den Fall, daß seine Steuerung durch ein Relais erfolgt, dessen Wicklung (11 α in Fig. 4) durch das Signal III erregt wird und dessen Kontakt den Umschalter 11 bildet. Dieses Signal III, das gleichzeitig mit dem Signall beginnt, endet 0,500 ms später. Es muß nämlich, wie bereits erwähnt, die oszillierende Entladung gedämpft werden, bevor irgendein Signal dem Verstärker? zugeführt wird.

Die Kurve IV zeigt das elektrische Potential am Eingang des Verstärkers 7 während des Schritts für die eigentliche Messung. Dieses Signal ist eine Wechselgröße mit derKernlarmorfrequenz (etwa 2000Hz), deren Hüllkurve mit dicken Strichen dargestellt ist. Es ist zu bemerken, daß das Kernsignal nicht sofort seinen Höchstwert erreicht, wobei die Zeitkonstante seiner Zunahme praktisch die des Resonanzkreises 6, 8, 13, 14 ist, dessen induktiver Teil die Spule 6 ist, so daß sie einige Millisekunden beträgt. Erst wenn dieser Höchstwert erreicht ist, wird die Zählung der Bezugsschwingungen in der Anordnung 15 ausgelöst. Da ferner diese Zählung zu Beginn einer Schwingung mit der Larmorfrequenz beginnen muß, müssen in der Anordnung 15 Einrichtungen zur Feststellung der Phase vorgesehen werden, die diese Zählung genau zu Beginn einer Larmorperiode beginnen lassen. Diese Einrichtungen können in bekannter Weise ausgebildet sein oder eine Vorrichtung zur Feststellung des Nulldurchgangs der Amplitude der Kernschwingungen aufweisen, die die Zählung auslöst. Die durch die allmähliche Zunahme eingeführte Verzögerung g beträgt z. B. etwa 20 Millisekunden, während die durch die Feststellung der Phase eingeführte Verzögerung h etwa 2 Millisekunden beträgt.

Schließlich stellt die Kurve V das Zählsignal dar, d. h. das Signal, dessen vordere Front den Beginn der Zählung der Bezugsschwingungen bewirkt, nachdem der Höchstwert der Kernschwingungen erreicht wurde und zu Beginn einer Periode dieser Schwingungen, und dessen hintere Front die Zählung in der Anordnung 15 abstellt, wobei die Dauer d des Signals V gleich der einer genau bestimmten ganzen, aber gegebenenfalls einstellbaren Zahl von Larmorperioden ist, d. h. zu dieser Periode proportional und somit zu dem Feld H bei einer gegebenen Einstellung umgekehrt proportional ist.

Die Dauer d des Signals V und somit die des Arbeitsschritts zur Messung der Kernfrequenz kann nicht erheblich verringert werden, ohne in unzulässiger Weise die Genauigkeit der Messung des magnetischen Feldes zu verringern. Es ist nämlich eine durch rein elektronische Verfahren unbeeinflußbare Unbestimmtheit hinsichtlich der Phase des Signals der freien Präzessionen vorhanden, die umgekehrt

13 14

proportional zu dem Verhältnis Signal zu Störpegel konstante des Präzessionssignals ist, und erreicht

am Ausgang der das Signal der freien Präzessionen 50%, wenn diese Zeit gleich dem Viertel dieser

auffangenden Spule 6 ist. Man begeht daher einen Abklingzeitkonstante ist.

Fehler bei der Öffnung und der Schließung der Meß- In Fig. 3 ist als Abszisse das Verhältnis t/t₀ der anordnung 15, insbesondere des Zählers der Bezugs- 5 Zählzeit t zu der Abklingzeitkonstante t₀ des Kernschwingungen. Der hierdurch bei der Messung des präzessionssignals und als Ordinate links die Funk-Magnetfeldes entstehende relative Fehler wäre zu der tion/(//Y₀) aufgetragen, die so bestimmt ist, daß die Zahl der gezählten Bezugsperioden umgekehrt pro- absolute Empfindlichkeit s durch folgende Formel portional, wenn das Verhältnis zwischen dem Signal gegeben ist:

und dem Störpegel konstant bliebe. Die beliebige io 1 / t \

Vergrößerung dieser Zahl ist jedoch aus zwei Grün- ^s =■ -~—— , · / · ~ · H

den unmöglich: ° ° °'

Der erste, bereits angegebene besteht darin, daß in der w die Larmorkreisfrequenz, r_Q das Verhältnis

es zweckmäßig ist, die Häufigkeit der Messun- zwischen dem Signal und dem Störpegel und H der

gen zu vergrößern, um schnellen zeitlichen An- 15 Betrag des zu messenden Feldes Ή ist. Die Kurve ist

derungen des gemessenen Magnetfeldes folgen ohne Berücksichtigung der Verkleinerung der An-

zu können, insbesondere bei einer Bodenerfor- fangsamplitude des Präzessionssignals durch das

schung mittels des Flugzeugs. »Phasengedächtnis« aufgestellt. Der rechte Ordinaten-

Der zweite Grund rührt daher, daß das Signal maßstab gibt dem Wert von s in Gamma für ein Ver-

der freien Präzessionen der Kernspins infolge 20 hältnis zwischen Signal und Störpegel von r₀ = 50

des allmählichen Verlustes des Zusammenhalts an, wobei t₀ = 1 und H — 50 000 Gamma ist, wobei

der Anfangsphase zwischen diesen Kernspins diese Werte gemessen wurden, wenn die Bandbreite

exponential abklingt. Das Verhältnis zwischen des Verstärkers 7 400 Hz betrug, was 10 000 Gamma

dem Signal und dem Störpegel nimmt daher ab entspricht.

und erreicht unzulässige Werte nach einer Zeit, 25 Nachstehend ist unter Bezugnahme auf Fig. 4 die größenordnungsmäßig das Dreifache der bzw. 5 eine Ausführungsform mit Relais, zur Aus-Abklingzeit der Kernspins beträgt, d. h. bei dem nutzung der Signale I und III der Fig. 2 bzw. eine gewählten Beispiel 3 Sekunden. Dieser letztere vollständig elektronische Ausführungsform des UmEffekt ist es übrigens, der die Erhöhung der Ge- schaltorgans A der Fig. 1 beschrieben, das während nauigkeit durch Vergrößerung der Dauer der 30 des Arbeitsschritts α zur Polarisierung die Spule 6 an Messung der Larmorfrequenz bei den bekannten den Generator 9, während des Arbeitsschritts b zur Magnetometern verhinderte, die zur Vergröße- Unterbrechung und Dämpfung die Spule 6 an den rung der Polarisation der Kerne ein starkes Widerstand 12 und während des Arbeitsschritts c zur Hilfsmagnetfeld (ohne Overhauser-Abragam- Messung die Spule 6 an die Kondensatoren 13, 14 Effekt) benutzen. ₃₅ und an den Verstärker 7 anschließt (s. Fig. 2 für die Hieraus ergibt sich, daß die Wahl der Dauer der verschiedenen Arbeitsschritte).

Zählung (Dauer des Signals V) von folgenden Um- Bei der Relaisausführung der Fig. 4 gibt das Pro- = ständen abhängt: grammierwerk 17 auf die Eingangsklemme 18 ein Wenn eine möglichst große Empfindlichkeit Signal oder einen Impuls I (Fig. 2) von 10 MiIhgewünscht wird, wählt man eine Zähldauer, die 40 Sekunden Dauer und 20 V zu Beginn eines jeden in der Nähe der Zeitkonstante der Abnahme des Arbeitsspiels, z. B. alle Sekunden. Dieser Impuls I Signals der freien Präzessionen liegt. beaufschlagt zunächst über einen Widerstand 19, ein Wenn man jedoch schnelle Änderungen des Ma- Widerstand 19 α bewirkt die Entkopplung, die Gitter gnetfeldes verfolgen will, z. B. bei der Boden- einer Doppeltriode 20, deren Anoden von einer forschung mittels eines Flugzeugs, und wenn eine 45 Quelle 21 über eine Siebkette mit Widerstand 22 und verhältnismäßig geringe Genauigkeit zulässig ist, Kondensator 23 gespeist werden. Der Impuls I entwählt man für die Dauer der Messung (Dauer sperrt die Röhre 20, die in Parallelschaltung in dem von V) einen kleineren Wert, der kaum kleiner Stromkreis ihrer Kathoden einerseits einen Widerais ein Viertel dieser Abklingzeitkonstante sein stand 24 und andererseits eine den normalerweise kann. Hierdurch wird die Meßfrequenz gestei- 50 offenen Kontakt oder Schalter 10 betätigende (voll gert. In diesem Fall ist es ferner zweckmäßig, ausgezogen dargestellte Stellung) Wicklung 10« entdiese Abklingzeitkonstante dadurch zu verklei- hält, die durch einen mit ihr in Reihe geschalteten nern, daß man die Konzentration der benutzten Kondensator 25 geschützt ist.

Lösung an paramagnetischen Ionen vergrößert. Die Wicklung 10 α wird während der ganzen Dauer Die Amplitude des Kernpräzessionssignals wird 55 des Impulses I (Arbeitsschritt α zur Polarisierung) nämlich zu Beginn einer jeden Kernperiode gespeist und somit der Schalter 10 geschlossen (gedurch die Erscheinung des »Phasengedächt- strichelte Stellung). Solange der Schalter 10 geschlosnisses« verkleinert, die davon herrührt, daß, sen ist, wird die Klemme 27, an welche (vgl. Fig. 1) wenn das makroskopische magnetische Kern- die Spule6 durch Koaxialkabels angeschlossen ist, moment M noch nicht auf das zu messende per- 60 über eine Doppeltriode 26 gespeist, die ebenfalls von manente Feld Ή ausgerichtet ist, seine Stellung der Klemme 21 gespeist wird und deren Gittervorgegenüber dem Hilfsfeld P, wenn dieses erzeugt spannung in der dargestellten Weise durch einen wird, unsicher ist. Diese Verkleinerung ist um so Widerstand 38 und einen mit Anzapfungen versehegrößer, je stärker dieses Signal am Ende der vor- nen Spannungsteiler 39 eingestellt wird, wobei die hergehenden Meßperiode zur Messung der Fre- 65 nicht geerdete Klemme 39 μ des Spannungsteilers quenz ist. Sie beträgt im Mittel 15%, wenn die einerseits an den Mittelpunkt 40 ω eines Transforma-Zeit zwischen zwei Anlegungen des polarisieren- tors 40, der aus einer Wechselstromquelle 41 eine den Feldes gleich der Abklingzeit der Zeit- Vollweggleichrichterröhre 42 speist, und andererseits

an den Punkt 43 α eines zwischen Erde und die Kathode der Röhre 42 geschalteten Netzwerkes 43 geschaltet ist, das durch eine Spannungsreglerröhre 44, zwei Kondensatoren 45, 46, einen Widerstand 47 und eine Glättungsspule 48 gebildet wird.

Am Ende des Impulses I öffnet sich der Schalter 10 von neuem, wodurch der Polarisationsstrom der Spule 6 unterbrochen wird.

Der an die Eingangsklemme 18 angelegte Impuls I beaufschlagt auch über einen Widerstand 28 und einen durch einen Kondensator 29 und einen Widerstand 30 gebildeten Stromkreis zur Verlängerung des Impulses die Gitter einer Doppeltriode 31, die den Röhren 20 und 26 gleicht und deren Anoden wie bei der Röhre 20 über einen Widerstand 32 und einen Kondensator 33 gespeist werden. Der Stromkreis der Kathoden der Röhre 33 entspricht dem der Röhre 20 und enthält in Parallelschaltung einen Widerstand 34 und eine Wicklung 11 α zur Betätigung des Umschalters 11, der in der Ruhestellung die voll ausgezogen dargestellte Stellung einnimmt. Die Wicklung 11a ist durch einen Reihenkondensator 35 geschützt und durch einen Widerstand 36 überbrückt.

Während der ganzen Dauer der Leitfähigkeit der Röhre31, d.h. während der durch die Verlängerung des Impulses I durch den Stromkreis 29, 30 entstandene Impuls III diese Röhre entsperrt, wird die Wicklung 11a gespeist, so daß der Umschaltern in die gestrichelte Stellung gebracht wird, in der die Klemme 37 (Fig. 1) geerdet wird, was während des Arbeitsschritts b (Fig. 2), währenddem der Schalter 10 offen ist, der Spule 6 getattet, sich über den nicht durch den Leiter 12 a kurzgeschlossenen Widerstand 12 w ährend des oszillierenden Abschnitts des Signals II (Fig. 2) zu entladen.

Am Ende des Signals III nimmt der Umschalter 11 wieder die voll ausgezogene Stellung ein, wodurch während der ganzen Dauer des Arbeitsschritts c die mit der Klemme 27 verbundene Spule 6 an die Kondensatoren 13 und 14 und an den mit der Klemme 37 verbundenen Verstärker 7 angeschlossen wird, und der Verstärker 7 empfängt ein Signal der bei IV in Fig. 2 dargestellten Art, während die Messung seiner Frequenz während der Dauer des Signals V erfolgt. Das Arbeitsspiel mit den obigen Arbeitsschritten α, b und c beginnt mit einem neuen Impuls I nach dem Ende des vorhergehenden Meßarbeitsschritts.

Die in Fig. 4 dargestellten Teile können folgende sein:

Die Dauer der Arbeitsschritte α und b kann durch Benutzung einer rein elektronischen Umschaltung verkürzt werden wie bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführung.

Die Eingangsklemme 18 der Umschaltanordnung nach Fig. 5 ist wie die Klemme 18 der Fig. 4 an das Programmierwerk 17 (Fig. 1) angeschlossen und erhält von diesem in gleichmäßigen Zeitabständen, z.B. ebenfalls alle Sekunden, einen kurzen Steuerimpuls. Da jedoch bei dieser zweiten Ausführungsform die Umschaltung vollständig elektronisch erfolgt, haben die Steuerimpulse hier eine Amplitude von 5 V und eine Dauer von 0,1 ms anstatt von 20 V und von 10 ms.

Jeder kurze Steuerimpuls gelangt über einen Kondensator 49 auf das Gitter einer ersten Hälfte 50 α einer Doppelelektronenröhre 50 a-50ö. Die Kathode der Hälfte 50 α ist durch einen Spannungsteiler 51 mit einer Stromquelle (Stromquelle 9, Fig. 1) verbunden, welche die Klemme 52 auf einem negativen Potential hält. Ein Widerstand 53 erzeugt die Vorspannung des Gitters der Hälfte 50 a. Die entsprechende Anode hat über einen Belastungswiderstand 54 Anschluß an Masse. Das an dieser Anode erzeugte Signal gelangt über einen Kopplungskondensator 55 zu einem durch einen Spannungsteiler 56 und einen Kondensator 57 gebildeten Kreis zur Verlängerung der Signale. Das verlängerte Signal wird dann an das Gitter der anderen Hälfte 50 b der gleichen Doppelröhre angelegt, deren Anodenstromkreis einen Belastungswiderstand 58 enthält. Das in dieser Anode entnommene Signal gelangt über einen Widerstand 59 an die Basis eines Transistors:

Widerstände in Kiloohm Kapazitäten

220
1

10
100

23
25
45
46

in Mikrofarad

16
2,5
16
16

55

60

28,8-0 29 5

15 33 16

.120 35 14

330

1 Elektronenröhren

inn ²⁰ 12AU7

^lüü . 26 12AU7

Speisung in Volt 42 6X4

21 +250 44 '..'.'.'.'.'.'.,'. 85 A2

41 6,5 31 12AU7

Dieser Transistor wird somit während der Dauer des Eingangsimpulses und der Dauer der Verlängerung durch den Kreis 56, 57 gesperrt. Der Emitter des Transistors Ub ist über die Abstimmkondensatoren 13 und 14 mit der Meßspule 6 (Fig. 1) verbunden. Parallel zu dem Transistor 11 b ist ein einstellbarer Dämpfungswiderstand 12 b geschaltet, der die gleiche Aufgabe wie der feste Widerstand 12 (Fig. 1 und 4) erfüllt. Parallel zu der Spule 6 ist gestrichelt der fiktive Kondensator 8 a dargestellt, welcher der Kapazität des die Spule 6 mit den Einheiten 1, 15 zur Behandlung des Kernpräzessionssignals verbindenden Koaxialkabels 8 entspricht (Fig. 1).

Wenn der Transistor 11 b gesperrt wird, kann eine gedämpfte oszillierende Entladung in dem durch die Spule 6 und die Kapazität 8 a gebildeten Kreis mit der Eigenfrequenz dieses Kreises auftreten. Diese Frequenz ist erheblich höher als die Kernlarmorfrequenz, was erforderlich ist, damit die Unterbrechung des Hilfsfeldes genügend schnell erfolgt. Die Kondensatoren 13 und 14 haben nämlich bei dieser Frequenz eine so kleine Impedanz, daß die von ihnen zusammen mit dem Widerstand 12 b gebildete Impedanz praktisch einen reinen Widerstand darstellt. Wenn dagegen der Transistor 11 δ entsperrt wird, ist sein innerer Widerstand vernachlässigbar, wodurch die Wirkung des Dämpfungswiderstands 12 b aufgehoben wird und die Abstimmkondensatoren 13 und 14 wieder zu der Spule 6 parallel geschaltet werden, so daß der Stromkreis wieder auf die Kernlarmorfrequenz abgestimmt ist.

An dem Spannungsteiler 51 wird ein Signal abgenommen, das über einen Kondensator 62 auf das

Claims (1)

1. senen Steuergitter und einer Anode ist, daß der Transistor in den Kathodenkreis der Röhre eingeschaltet ist, daß ein gegenüber dem Widerstand des gesperrten Transistors kleiner Belastungswiderstand in den Anodenkreis der Röhre geschaltet ist und daß der Ausgang der Verstärkerstufe zu dem Rest der Einrichtungen zur Bestimmung der Frequenz zwischen die Anode tet ist.

   22

   und den Belastungswiderstand geschal-

   In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 561490; französische Patentschriften Nr. 1 210 465, 221 637; belgische Patentschrift Nr. 566 137.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   Steuergitter einer Röhre 10 b übertragen wird. Diese Röhre liefert, wenn sie leitend ist, den Strom, der in der Spule 6 das magnetische Hilfsfeld steuert. Das Steuergitter der Röhre 10 b erhält seine Vorspannung über den Widerstand 64, der mit einer Klemme 65 verbunden ist, die auf ein negatives Potential gebracht wird und auch zur Heizung der Kathode der Röhre 10 & dient.

   Das Potential des Schirmgitters der Röhre 10 b wird durch die durch Widerstände 66 und 67 gebildete Verbindung eingestellt, wobei zu dem Widerstand 67 ein Kondensator 68 parallel geschaltet ist. Während der Dauer des Eingangsimpulses ist die Röhre 10 b leitend und läßt einen wachsenden Strom durch die Spule 6 fließen. ¹S

   Am Ende dieses Impulses wird die Röhre 10 b gesperrt, und die Dämpfung der Schwingungen in der Spule 6 erfolgt, bis der Transistor 11 b entsperrt wird. Der Reststrom in der Röhre 10 b ist vernachlässigbar und stört nicht das zu messende Magnetfeld während der Meßperiode. Das dann an den Klemmen der Spule 6 erscheinende Kernpräzessionssignal wird über eine Dämpfungsspule 69 an das Steuergitter einer Röhre Ib angelegt, die die Vorverstärkerstufe der Verstärkeranordnung 7 bildet. Das später zu verstärkende Signal wird (Pfeil 7 c) in dem einen Belastungswiderstand 84 enthaltenden Anodenkreis der Röhre Ib abgenommen. Die Vorspannung des Schirmgitters Ib wird durch nicht dargestellte Einrichtungen erzeugt. An den Eingang des Gitters der Hälfte 50 a der Doppelröhre ist über den Kondensator 71 das Steuergitter 72 einer zweiten Röhre 73 gelegt, deren Anode durch die Klemme 74 gespeist wird. Die Vorspannung dieses Gitters erfolgt über einen mit der negativen Klemme 76 verbundenen Widerstand 75. In den Kathodenkreis der Röhre 73 ist als Kathodenbelastung ein Regelspannungsteiler 77 geschaltet, an dem ein dem Eingangsimpuls nach Zeit und Zeichen gleiches Signal abgenommen wird. Dieses Signal wird durch einen durch einen Widerstand 78 und einen Kondensator 79 gebildeten Kreis verlängert und hierauf an die Basis eines Transistors 11 c gelegt, welcher so während einer Zeit gesperrt wird, die etwas langer als der Eingangsimpuls ist. Der Emitter dieses Transistors ist mit der Kathode der Röhre Ib über einen Kondensator 81 und einen Widerstand 82 verbunden.

   Während der Sperrung des Transistors lic ist der Widerstand in dem Kathodenkreis der Röhre Ib viel größer als der Widerstand 84. Das Potential der Kathode der Röhre folgt daher praktisch dem des Steuergitters, und das bei 7 c entnommene Signal ist praktisch Null. Die Verzögerung der EntSperrung des Transistors lic wird durch den Kreis 78, 79 bestimmt, damit das Kernpräzessionssignal erst verstärkt wird, wenn die oszillierende Entladung der Spule 6 abgeklungen ist und dieses Signal eine hinreichende Amplitude erreicht hat (s. Fig. 2). Während der Entsperrung, d. h. während der Meßzeit, fällt der innere Widerstand des Transistors 11 c auf einen vernachlässigbaren Wert (3 Ohm), und die Röhre Ib verstärkt normal.

   Bei dieser Ausführung erfolgt somit die Umschaltung rein elektronisch, sie ist erheblich schneller. Die Röhre 10 b erfüllt die Aufgabe des Relais 10, 10« der Fig. 4, während die Transistoren 11 b und lic die Aufgabe des Relais 11,11a erfüllen.

   In der Schaltung der Fig. 5 können folgende Teile verwendet werden:

   Widerstände in Kiloohm Kapazitäten

   0 bis 50
   . 50

   0 bis 100
   . 10
   . 56

   0 bis 100
   . 1000
   . 100
   . 100
   . 1000

   0 bis 10
   . 56

   1
   . 100

   Speisung in Volt

   52 -100

   65 -106

   74 +150

   86 -6

   51..

   54..

   56..

   58..

   59..

   12 b

   10..

   66..

   67..

   75..

   77..

   78..

   52..

   84..

   55
   57
   13
   14
   62
   68
   71
   79
   81

   in Mikrofarad

   2 2

   0,1 4700 1000 2

   0,1 2

   0,1 50

   Röhren und Transistoren

   50ö-50Z> ... 12AU7

   Ub SFT128

   10b EF80

   Ib EF 86

   73 12AU7

   lic SFT123

   Man erhält so erfindungsgemäß ein für die absolute Messung von schwachen Magnetfeldern, insbesondere des magnetischen Erdfeldes geeignetes Magnetometer, das unter anderem folgende Vorteile aufweist:

   Es ist wenig sperrig, stabil und leicht einzustellen.
   Sein Energieverbrauch ist gering.

   Seine absolute Genauigkeit und seine relative Genauigkeit sind sehr hoch.

   Es ermöglicht sehr schnell aufeinanderfolgende Messungen, z. B. alle 1 oder 2 Sekunden.

   Das erfindungsgemäße Magnetometer ist besonders für die Bodenerforschung aus der Luft oder vom Lastwagen aus zur Feststellung der Vorkommen von Erzen oder Kohlenwasserstoffen im Boden geeignet.

   Als flüssige Probe können folgende Stoffe benutzt werden:

   Kalium- oder Natriumnitrosodisulfonat, gelöst in Wasser, Pyridin oder Formamid; Diphenylpicrylhydrazyl, gelöst in Benzol oder anderen organischen Stoffen; TetraphenylstiboniumnitrosodisuKonat, gelöst in Äther;

   Picrylaminocarbazyl, gelöst in Benzol; Ionen eines Semiquinons, z.B. (O=C₆H₄-O)",

   gelöst in Wasser.

   PATENTANSPRÜCHE:

   1. Verfahren zum Messen des Betrages eines schwachen Magnetfeldes, insbesondere des Erdfeldes, mittels einer Lösung, die einerseits als Lösungsmittel eine Stoffmenge mit Atomkernen eines genau bestimmten, von Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnisses und andererseits, in diesem Lösungsmittel gelöst, paramagnetische Ionen mit einem Einzelelektron enthält, das eine im Felde Null von Null verschiedene, durch ein hochfrequentes Wechselfeld sättigbare, elektro-

   309 649/123