DE1200939B

DE1200939B - Einrichtung zur Intensitaetsmessung eines schwachen magnetischen Feldes

Info

Publication number: DE1200939B
Application number: DEC19001A
Authority: DE
Inventors: Anatole Abragam; Jean Combrisson; Ionel Solomon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1957-06-01
Filing date: 1959-05-15
Publication date: 1965-09-16
Also published as: FR1174136A; BE566137A; US3049661A; US3049662A; LU35924A1; FR74060E; DE1191480B; FR1177112A; NL112908C; GB888439A; CH346609A; GB914751A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIr

Deutsche Kl.: 2Ie-12

Nummer: 1200 939

Aktenzeichen: C19001IX d/21 e

Anmeldetag: 15. Mai 1959

Auslegetag: 16. September 1965

Gegenstand der Hauptpatentanmeldung C 16599 IXd/21e ist eine Einrichtung zum Messen der Intensität eines schwachen magnetischen Feldes unter etwa 10 Gauß, insbesondere des Erdfeldes. Diese Einrichtung umfaßt im wesentlichen einen Behälter, der eine Flüssigkeit mit Kernen mit einem bestimmten gyromagnetischen Verhältnis sowie eine in der Flüssigkeit gelöste Substanz enthält, eine Vorrichtung zur Sättigung mindestens einer Elektronenresonanzlinie dieser Substanz und einen mit der als Lösungsmittel dienenden Flüssigkeit in Energieaustausch stehenden, auf die Resonanzfrequenz der Kerne derselben abstimmbaren Resonanzkreis sowie Mittel zum Messen der Resonanzfrequenz. Nach einem besonderen Kennzeichen der Erfindung wird dabei eine paramagnetische Substanz verwendet, deren Elektronenresonanzfrequenz im Magnetfeld Null einen endlichen Wert hat.

In der Beschreibung der Hauptpatentanmeldung sind die Grundlagen und die Hauptanwendungsgebiete der Messung magnetischer Felder unter Erzeugung einer Wechselwirkung zwischen der paramagnetischen Substanz und den Kernen des Lösungsmittels im einzelnen beschrieben und dargestellt. Die Messung selbst beruht auf der Erkenntnis, daß die Larmor-Präzessionsfrequenz von Atomkernen, die sich in einem bestimmten Magnetfeld befinden, genau proportional diesem Magnetfeld ist. Da der Proportionalitätsfaktor mit großer Genauigkeit für eine große Anzahl von Atomkernen bekannt ist, läßt sich aus der gemessenen Frequenz und dem bekannten Proportionalitätsfaktor die Feldstärke H bestimmen.

Die besondere Eignung der Vorrichtung nach dem Hauptpatent für die Messung von schwachen magnetischen Feldern unter etwa 10 Gauß ergibt sich durch die Verwendung einer paramagnetischen Substanz besonderer Art. Bei einer solchen paramagnetischen Substanz stellt man fest, daß bei einer Sättigung einer Elektronenresonanzlinie dieser Substanz eine erhebliche Steigerung der Kernpolarisation der Kerne des Lösungsmittels und damit eine wesentliche Steigerung der Amplitude der magnetischen Kernresonanz auftritt. Als paramagnetische Substanz, die eine solche Steigerung der Kernpolarisation bei schwachen Magnetfeldern mit sich bringt, ist in der Hauptpatentanmeldung unter anderem beispielsweise Nitrosodisulf onat genannt.

In der Hauptpatentanmeldung ist weiterhin dargelegt, daß bei Verwirklichung gewisser Bedingungen hinsichtlich des Vorzeichens des magnetischen Momentes eine Energieaussendung mit der Kernresonanzfrequenz an Stelle der üblichen Energie-Einrichtung zur Intensitätsmessung eines
schwachen magnetischen Feldes

Zusatz zur Anmeldung: C 16599 IX d/21 e ·
Auslegeschrift 1191480

ίο Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. phil. W. P. Radt
und Dipl.-Ing. E. E. Finkener, Patentanwälte,

Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Als Erfinder benannt:
Anatole Abragam, Gif-sur-Yvette;
Jean Combrisson, Montgeron;
Ionel Solomon,
Chatillon-sous-Bagneux (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 17. Mai 1958 (765 811)

absorption erzielt wird. In den F i g. 4 und 5 der Hauptpatentanmeldung sind Einrichtungen dargestellt, mit denen die Stärke von Magnetfeldern ohne Zuhilfenahme einer Frequenz- oder Magnetfeldmodulation gemessen werden kann. Diese auf einer derartigen Energieaussendung beruhenden Einrichtungen enthalten im wesentlichen Mittel zur Sättigung einer elektronischen Resonanzfrequenz der paramagnetischen Substanz, Mittel zum Empfangen der mit der Kernresonanzfrequenz der Kerne des Lösungsmittels ausgesandten Energie und Mittel zum Messen der Frequenz der empfangenen Energie. Der Behälter mit der Probe enthält nach der Hauptpatentanmeldung vorzugsweise eine wäßrige Lösung von Kalium- oder Natrium-Nitrosodisulfonat.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, den Niederfrequenzkreis der Einrichtung nach der Hauptpatentanmeldung, d. h. den Kreis, der mit dem Lösungsmittel in Energieaustausch steht und an den die Mittel zum Messen der Resonanzfrequenz angeschlossen sind, derart zu verbessern, daß eine scharfe Abstimmung des Niederfrequenz-

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kreises auf die Kernresonanzfrequenz möglich ist. gehenden Tetrode über ein Parallel-T-Filter 126 rück-

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, gekoppelt ist. Dieses Filter enthält einen ersten

daß dem an dem Resonanzkreis angeschlossenen T-Arm, bestehend aus zwei Kondensatoren mit der

Vorverstärker ein weiterer Verstärker nachgeschaltet Kapazität C und einen Widerstand mit dem Wert KR

wird, bei dem zur Selektivitätserhöhung zwei Elek- 5 einerseits, sowie einen zweiten T-Arm, bestehend aus

tronenröhren vorgesehen sind, die Anode der ersten zwei Widerständen mit den Werten R und einen

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einerseits mit der Kathode der ersten Röhre ver- (K beträgt beispielsweise 0,25 Ohm). Das Parallelbunden sowie andererseits auf das Steuergitter der 10 T-Filter 126 stellt eine selektive Bandsperre mit ersten Röhre durch ein Parallel-T-Filter rück- einem schmalen Sperrbereich um die Mittelfrequenz gekoppelt ist, das die Resonanzfrequenz unterdrückt. _JT-, 1x01.1* 1 j

Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung der Doppel-T-Schaltung ^-^ dar.

wird nachfolgend an Hand eines zeichnerisch darge- Ein Teil der an der Kathode 124 der Kathoden-

stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert: 15 verstärkerröhre 123 auftretenden Spannung wird an

Bei der dargestellten Schaltungsanordnung ist die die Kathode 120 der vorhergehenden Tetrode 119

Niederfrequenzspule, d. h. die Spule, die die von zurückgeführt.

den Kernen ausgesandte Energie aufnimmt, mit 60, Mittels der Parallel-T-Filter-Schaltungsanordnung die Verbindungsleitung zu den nachfolgenden Ver- wird über das Gitter 125 eine Überlagerung von zwei stärkern mit 62, die Vorverstärkerstufe mit 61, die 20 Spannungen mit entgegengesetzten Vorzeichen vornachgeschaltete Verstärkerstufe mit 64 und das genommen, wobei die Amplituden der einen Span-Kabel, an das die Frequenzmeßeinrichtung ange- nung um die Resonanzfrequenz herausgeschnitten schlossen wird, mit 65 bezeichnet. Bei dem Vor- sind, während die Amplituden der anderen Spannung verstärker 61 handelt es sich um eine Verstärker- vollständig durchgelassen werden, so daß im Eroszillatorstufe mit positiver Rückkopplung, um den 25 gebnis ein Bandfilterverstärker 119, 126, 123 mit Gütefaktor zu vergrößern. Diese Stufe umfaßt eine einem sehr schmalen Durchlaßbereich um die Kern-Doppeltriode des Typs 12 AT 7 oder zwei Trioden resonanzfrequenz erzielt wird. Der Verstärker 64 101, 102, deren Kathoden 103, 104 gekoppelt sind. arbeitet beispielsweise bei einer Mittelfrequenz um Die beiden Trioden arbeiten als kathodengekoppelte 2100 Hz (Protonresonanzfrequenz im erdmagne-Kathodenverstärker; das Gitter 105 der zweiten 30 tischen Feld) mit einer Bandbreite von etwa 80 Hz. Triode ist geerdet, während über einen Widerstand Die Gleichstromkomponenten der durch eine 108 von 5 Megohm von der Anode 106 der zweiten Diode 127 begrenzten und durch ein Anzeigevolt-Triode auf das Gitter 107 der ersten Triode eine meter 128 angezeigten Ausgangsspannung der Kapositive Rückkopplung erfolgt. Mit Hilfe des Poten- thodenverstärkerröhre 123 werden durch Kondentiometers 109 kann die Rückkopplung dieser Stufe 35 satoren 129 unterdrückt, bevor die Ausgangsspanleicht derart eingeregelt werden, daß an der Gitter- nung mit niedriger Impedanz dem Kabel 65 zugeführt impedanz der ersten Triode Schwingungen erzeugt wird, das sie an die Frequenzmeßeinrichtung weiterwerden, die der von den Kernen ausgesandten und leitet. Die Frequenzmeßeinrichtung kann, wie im in der Spule 60 empfangenen Energie entspricht. Hauptpatent bereits erwähnt, aus einem Dekaden-

Durch Regelung des Potentiometers 109 ist es 40 zähler bestehen.

möglich, diesen Kreis mit seiner eigenen Frequenz Die Wirkungsweise der dargestellten Schaltungs-

zum Schwingen zu bringen, wobei die Schwingungen anordnung ist folgende:

mit der Larmorfrequenz der Kernspins an dem Die durch die Kernspins des Lösungsmittels bei

gemeinsamen Kathodenwiderstand 110 abgenommen Sättigung einer Elektronenresonanzlinie der para-

werden. 45 magnetischen Substanz ausgesandte Energie wird

Nach Verringerung oder Abschwächung der durch die Niederfrequenzspule 60 des abgestimmten Amplitude der Schwingungen in einem verstellbaren Niederfrequenzkreises, der außer dieser Spule einen Widerstand 111, über den eine Widerstandskopplung einstellbaren Kondensator 57 enthält, aufgefangen, mit einstellbarem Wert zwischen Vorverstärker 61 Auf Grund des durch den rückgekoppelten Vor- und nachgeschaltetem Verstärker 62 hergestellt wird, 50 verstärker 101,102 erhöhten Gütefaktors erzeugt der werden die Schwingungen in einer Tetrode 112 mit Kreis elektromagnetische Energie mit der Kerneinem Widerstand 113 zur automatischen Gitter- resonanzfrequenz, d. h. 2100 Hz bei Protonen. Diese Vorspannungserzeugung und einem Vorwiderstand Energie wird im Vorverstärker 61 und im nach- 114 zur Herabsetzung der Spannung des Schirm- geschalteten Bandfilterverstärker 64 verstärkt. Die gitters 115, das durch einen Entkopplungskonden- 55 Frequenz dieser Energie wird in der an das Kabel 65 sator 116 abgeblockt ist, verstärkt. Das verstärkte angeschlossenen Frequenzmeßeinrichtung bestimmt. Signal wird einer Kathodenverstärkertriode 117 zu- Die Bedingung (Selbsterregungsbedingung), unter geführt, die durch einen Widerstand 118 mit der der die Einrichtung gemäß der Erfindung als selbst-Tetrode 112 gekoppelt ist. Diese Kathodenverstärker- erregter Oszillator arbeitet, lautet: Q zumindest schaltung bildet einen Impedanzwandler mit Lei- 60 gleich Q₀, wobei Q der Gütefaktor des Niederstungsverstärkung ohne Spannungsverstärkung. Die frequenzkreises mit der Spule 60, dem einstellbaren Triode 117 speist über die Kathode 120 eine weitere Kondensator 57 sowie dem rückgekoppelten VerTetrode 119. Die Anode 121 der Tetrode 119 liefert stärker 101, 102 und Q₀ eine Zahl ist, die von dem daher ein Signal, das mit dem der Kathode 120 zu- verwendeten Prüfgerät und der ausgewählten Probegeführten Signal in Phase ist. 65 flüssigkeit in dem die Probe enthaltenden Gefäß ab-

Das Signal an der Anode 121 wird dem Gitter 122 hängt. Für eine 0,001molare Lösung von Peroxyl-

einer Kathodenverstärkertriode 123 zugeführt, deren amindisulfonat oder Nitrosodisulfonat in Wasser (mit Kathode 124 mit dem Steuergitter 125 der vorher- einem pH von 11 bis 12) und einem praktisch aus-

geführten Prüfgerät wurde Q₀ ungefähr mit 110 ermittelt. Mit dem einstellbaren Kondensator 57 beträgt Q₀ nur etwa 60; eine wirksame Steigerung wurde, wie vorstehend ausgeführt, durch den Rückkopplungskreis mit dem Widerstand 108 und dem Potentiometer 109 im Vorverstärker 101, 102 erzielt.

Gemäß einer Abwandlung der dargestellten Ausführungsform ist es möglich, in dem Niederfrequenzkreis eine weitere Spule vorzusehen, so daß dieser Kreis dann zwei Spulen enthält, wobei eine dieser Spulen der Spule 60 mit einem Q von beispielsweise 50 entspricht, die einen Teil des Prüfgerätes bildet und die Protonensignale auffängt, während die andere Spule aus Windungen besteht, die um einen Ferritkern gewickelt sind und dadurch ein sehr hohes Q (beispielsweise von etwa 500) erhält und in der Nähe des Verstärkers 64 angeordnet ist, so daß der Niederfrequenzkreis mit beiden Spulen ein Q von über 110 und allgemeiner über Q₀ besitzt. Eine Rückkopplung im Vorverstärker ist dann nicht mehr notwendig.

Da es vorteilhaft ist, daß die Abstimmfrequenz des Niederfrequenzkreises mit hohem Q möglichst nahe an der Larmorfrequenz der gewählten Kerne (Protonen) liegt, wird die Abstimmung automatisch durchgeführt, und zwar entweder durch Betätigen des einstellbaren Kondensators 57 (wenn der ß-Faktor durch positive Rückkopplung, wie dargestellt, gesteigert ist) oder durch Änderung der Permeabilität des Ferritkernes durch Sättigung durch ein Gleichstromfeld (wenn der ß-Faktor durch Verwendung von zwei Spulen gesteigert ist).

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Intensitätsmessung eines schwachen magnetischen Feldes unter etwa 10 Gauß, insbesondere des Erdfeldes, unter Verwendung einer Flüssigkeit mit Kernen mit einem bestimmten gyromagnetischen Verhältnis sowie einer darin gelösten paramagnetischen Substanz und eines mit dem Lösungsmittel in Energieaustausch stehenden, mit einem Verstärker gekoppelten Resonanzkreises nach Patentanmeldung C 16599 IXd/21e, gekennzeichnet durch einen dem Verstärker (Vorverstärker 61) nachgeschalteten weiteren Verstärker (64), bei dem zur Selektivitätserhöhung zwei Elektronenröhren (119, 123) vorgesehen sind, die Anode (121) der ersten Röhre (119) an das Gitter (122) der zweiten Röhre (123) angeschlossen ist und die Kathode (124) der zweiten Röhre (123) einerseits mit der Kathode (120) der ersten Röhre (119) verbunden sowie andererseits auf das Steuergitter (125) der ersten Röhre (119) durch ein Parallel-T-Filter (126) rückgekoppelt ist, das die Resonanzfrequenz unterdrückt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Comptes rendues de l'Academie des Sciences«, 8. 7.1957, S. 157 bis 160.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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