DE1216423B - Einrichtung zur Intensitaetsmessung eines schwachen magnetischen Feldes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Ο.:

GOIr

Deutsche Kl.: 21 e -12

Nummer: 1216423

Aktenzeichen: C20354IXd/21e

Anmeldetag: 15. Dezember 1959

Auslegetag: 12. Mai 1966

Gegenstand des Hauptpatentes 1191480 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 des Hauptpatentes 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 die 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 dem Hauptpatent unter anderem beispielsweise Nitrosodisulfonat genannt.

In dem Hauptpatent ist weiterhin dargelegt, daß bei Verwirklichung gewisser Bedingungen hinsichtlich des Vorzeichens des magnetischen Moments eine Energieaussendung mit der Kernresonanzfrequenz an Stelle der üblichen Energieabsorption erzielt wird. In den F i g. 4 und 5 des Hauptpatentes sind Einrichtungen dargestellt, mit denen die Stärke von Einrichtung zur Intensitätsmessung eines
schwachen magnetischen Feldes
Zusatz zum Patent: 1191480

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:

Georges Bonnet, Grenoble;

Antoine Salvi, Saint-Egreve, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 16. Dezember 1958 (781752)

Magnetfeldern ohne Zuhilfenahme einer Frequenzoder Magnetfeldmodulation gemessen werden kann. Diese auf einer derartigen Energieaussendung beruhenden Einrichtungen enthalten im wesentlichen folgende Teile:

1. Einen Behälter mit der Probe, z. B. eine Lösung von Nitrosodisulfonaten in Wasser.

2. Einen Hochfrequenzstromkreis zur Sättigung einer Elektronenresonanzlinie der paramagnetischen Substanz. Dieser Stromkreis wird auf die Frequenz der Elektronenresonanzlinie (55 MHz für Nitrosodisulfonat in einem Feld, das gleich Null oder sehr schwach ist) abgestimmt; er enthält einerseits eine Hochfrequenzspule, die den Behälter umgibt, und einen Abstimmkondensator sowie andererseits einen Oszillator zum Speisen der Spule.

3. Einen Niederfrequenzstromkreis zur Aufnahme der durch die Lösung mit der Kernresonanzfrequenz des Lösungsmittels ausgesandten Energie (2100 Hz für die Protonen des Wassers im Erdfeld). Dieser Stromkreis besitzt eine Niederfrequenzspule zur Aufnahme der Energie und einen Abstimmkondensator, der auf die genannte Frequenz abgestimmt werden kann. Der Stromkreis weist einen sehr hohen Gütefaktor O auf, so daß er bei dieser Frequenz als Selbstoszillator (oder »Maser«) arbeiten kann.

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4. Eine Vorrichtung zum Messen der Frequenz des Niederfrequenzstromkreises (ζ. Β. einen Dekadenzähler).

Der Niederfrequenzresonanzkreis, der im wesentlichen aus einer Niederfrequenzspule und einem Abstimmkondensator besteht, kann in bekannter Weise dadurch als Selbstschwingungskreis verwendet werden, daß man ihn im Nebenschluß an ein Netzwerk mit negativem Widerstand legt, z. B. an ein elektronisches Netzwerk mit einer Verstärkerröhre, wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 des Hauptpatentes.

Um zu erreichen, daß der Niederfrequenzkreis als Selbstschwingungskreis oder »Maser« arbeitet, hat man nach dem Hauptpatent zwei Abstimmungsmittel vorgesehen, und zwar die Veränderung der Kapazität des Kondensators und der Rückkopplungsgrade zwischen den beiden Stufen der Verstärkerröhre.

In einem schmalen Frequenzband ober- und unterhalb der Kernresonanzfrequenz oder Larmorfrequenz vermindert sich von dem komplexen Leitwert G+jY des Niederfrequenzstromkreises (der der Kehrwert der komplexen Impedanz ist) der Wirkanteil oder Leitwert G um d(? nach dem Aussenden der Energie durch die Flüssigkeitsprobe, deren eine Elektronenresonanzlinie durch den Hochfrequenzstromkreis gesättigt wird; zur gleichen Zeit unterliegt der imaginäre Teil oder BlindleitwertyF derselben Impedanz einer korrelativen Veränderung.

Wenn man an die Klemmen dieses Niederfrequenzstromkreises ein elektronisches Netzwerk mit einem komplexen Eingangsleitwert G'+jY' anlegt (G' ist der Eingangsleitwert und jY' der Blindleitwert), müssen folgende Bedingungen erfüllt sein, um eine schwingungsfähige Betriebsweise zu erhalten:

1. G' muß negativ sein (d. h., daß das Netz einen negativen Widerstand hat);

2. der absolute Wert G' muß größer sein als G—aG,

3. Y' muß denselben absoluten Wert haben wie Y, nur mit umgekehrtem Vorzeichen; '

um eine Schwingung bei der Larmorfrequenz zu erhalten, muß

4. der absolute Wert G' kleiner als G sein.

Wenn der absolute Wert größer als G wäre, erhielte man (wie dies bei den klassischen Oszillatoren mit negativem Widerstand der Fall ist) freie Schwingungen, deren Frequenz, die durch die Charakteristik des Niederfrequenzstromkreises und des elektronischen Netzwerks bestimmt wird, unabhängig von der Larmorfrequenz sowie des zu messenden Feldes wäre.

Es müssen folglich, um eine Selbstschwingung mit der Larmorfrequenz des Niederfrequenzstromkreises zu erhalten und damit die Vorrichtung als »Maser« arbeitet, folgende Bedingungen erfüllt werden:

G <0,	-Cr <CO"j	(A)
G-dG <-		(B)
T=-Y.	(C)

Die Erforschung der Bedingung für das Anhängen an das Kernschwingungssystem mit der Larmorfrequenz erfordert die gleichzeitige und genaue Regulierung zweier Größen, z. B. einer Kapazität einerseits und eines Rückkopplungsgrades andererseits; aus diesem Grunde ist in dem Hauptpatent gemäß F i g. 5 ein veränderlicher Kondensator, durch den die Veränderung der Abstimmkapazität ermöglicht wird, sowie ein Spannungsteiler zum Regulieren des Rückkopplungsgrades des elektronischen Stromkreises vorgesehen.

Diese doppelte Regulierung ist schwer zu handhaben und langwierig, wenn man vorher nicht annähernd die Intensität des zu messenden magnetischen Feldes kennt, in dem die Flüssigkeitsprobe aus der paramagnetischen Substanz enthalten ist.

ίο Im übrigen erfordert das Aufrechterhalten der Bedingungen B und C während des Betriebs, was notwendig ist, um gleichzeitig das Risiko des Aufhörens der Schwingungen sowie eines störenden Einflusses des Oszillators auf seine Eigenfrequenz zu vermeiden, eine große Stabilität der Kapazität des elektronischen Netzwerks gegenüber den äußeren Faktoren, weil eine Veränderung der Kapazität mit einer Veränderung des Leitwertes und des Blindleitwertes des Netzwerks verbunden ist.

?-o Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, die Einrichtung nach dem Hauptpatent derart zu verbessern, daß die Oszillationsbedingungen des Niederfrequenzstromkreises im Hinblick auf die Erzielung einer Selbstschwingung mit der Larmorfrequenz leichter eingestellt werden können und eine größere Stabilität der Schwingungsfrequenz und damit der Genauigkeit der Messung erzielt wird. Zur Lösung dieser Aufgabe wird einerseits der Eingangsleitwert des elektronischen Netzwerks dadurch eingestellt, daß man den Leitwert mit der Spannungsamplitude steuert, die durch die Kernschwingung geliefert wird, und andererseits den Eingangsblindwert des Netzwerks so klein hält, daß er gegenüber dem des veränderlichen Kondensators des Niederfrequenzstromkreises vernachlässigt werden kann.

Gemäß einem wesentlichen Kennzeichen der Erfindung wird bei einer Einrichtung zur Intensitätsmessung eines schwachen magnetischen Feldes unter etwa 10 Gauß₃ insbesondere des Erdfeldes, bestehend aus einem Behälter mit einem Lösungsmittel, das Atomkerne mit einem von Null verschiedenen kinetischen und magnetischen Moment enthält und in dem ein paramagnetischer Stoff mit wenigstens einer, bei einer bestimmten Frequenz sättigungsfähigen Elektronenresonanzlinie gelöst ist, wobei die Lösung bei Sättigung dieser Resonanzlinie Energie mit der Kernresonanzfrequenz aussendet, bestehend ferner aus einer Hochfrequenzspule, die dazu dient, im Innern des Behälters ein magnetisches Feld zu erzeugen, aus Mitteln zum Versorgen der Hochfrequenzspule mit elektrischer Energie der Frequenz der Elektronenresonanzlinie zwecks Sättigung dieser Linie, einer Niederfrequenzspule zur Aufnahme der mit Kernresonanzfrequenz ausgestrahlten Energie, einem veränderlichen Kondensator, der mit der Niederfrequenzspule bei Kernresonanzfrequenz einen Resonanzschwingkreis mit sehr hohem ß-Faktor bildet, einem an den Niederfrequenzkreis angeschlossenen elektronischen Netzwerk, das als Verstärker arbeitet und einen negativen Eingangsleitwert besitzt, nach Patent 1191 480, zur selbsttätigen Regulierung des Eingangsleitwertes in der Weise, daß der Absolutwert dieses Leitwertes mit steigender Amplitude der im Resonanzkreis erzeugten Spannung abnimmt, von dem Resonanzkreis eine der vorgenannten Spannung proportionale Gleichspannung abgeleitet und auf die erste Verstärkerstufe des elektronischen Netzwerks gegeben.

Die Mittel zum Abnehmen der Gleichspannung bestehen nach einem weiteren Erfindungsmerkmal aus einer Gleichrichtereinheit, die gegebenenfalls nach Verstärkung in einem Verstärker, die in dem Resonanzkreis erzeugte Spannung aufnimmt, einem elektrischen Filter, das an den Ausgang der Gleichrichtereinheit angeschlossen ist, sowie Mittel, mit denen eine regelbare Teilmenge am Ausgang des Filters entnommen werden kann.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß die erste Verstärkerstufe wenigstens eine Elektronenröhre enthält, die im nichtlinearen Abschnitt ihrer Charakteristik arbeitet, und daß die Gleichspannung als Polarisationsspannung auf die Steuerelektrode der Röhre aufgegeben wird.

Zur Beeinflussung des Blindleitwertes sind nach einem weiteren Erfindungsgedanken Mittel vorgesehen, die einerseits aus einem Gegenkopplungsglied in der zweiten Verstärkungsstufe und andererseits aus wenigstens einem veränderlichen Kondensator zur Kompensation bestehen, der geeignet ist, die Phasenverschiebung völlig aufzuheben, die durch das elektronische Netzwerk bei einer Frequenz hervorgerufen wird, die genau in der Mitte des Frequenzbandes, das dem zu messenden magnetischen Feld entspricht, liegt, in dem man arbeitet, um so einen Verstärker mit sehr großer Bandbreite zu erhalten, ohne Phasenverschiebung in dem Frequenzband, in dem man arbeitet.

Es ist ferner zweckmäßig, den Niederfrequenzkreis und das elektronische Netzwerk völlig symmetrisch aufzubauen.

Die nach der Erfindung vorgesehene Regulierung der Eingangsimpedanz des elektronischen Netzwerks, das im Nebenschluß zum Kernschwingungskreis liegt, bringt folgende Hauptvorteile mit sich:

a) Einerseits ist sichergestellt, daß der Niederfrequenzstromkreis als Selbstschwingungskreis arbeitet, wenn der Eingangsleitwert des elektronischen Netzwerks mit dem entsprechenden Wert für eine solche Wirkungsweise selbsttätig aufrechterhalten wird.

b) Andererseits wird infolge der Verringerung des Eingangsblindleitwertes des elektronischen Netzwerks, der einen starken Einfluß auf die Schwingungsfrequenz hat, die Stabilität der Schwingungsfrequenz und damit die Genauigkeit der Messung der Larmorfrequenz erhöht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand einer zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer Einrichtung zur Intensitätsmessung näher erläutert.

Die Einrichtung enthält im wesentlichen folgende Teile:

1. Einen Behälter 11 mit einer Lösung mit folgenden Bestandteilen:

einem im allgemeinen ionisierten Lösungsmittel, das Atomkerne enthält, die ein kinetisches Moment und ein von Null verschiedenes magnetisches Moment aufweisen, wobei das Lösungsmittel Wasser sein kann;
einer in einem Lösungsmittel gelösten paramagnetischen Substanz, deren Konzentration sehr schwach ist und einen kritischen Wert nicht übersteigt (im allgemeinen ist diese Substanz nur in Spuren vorhanden); der paramagnetische Stoff, der aus einem Metallsalz aus der Gruppe von Metallen bestehen kann, die sich umwandeln können oder der ein freies Radikal sein kann, weist eine gebundene oder freie Hyperfeinstruktur auf,

d. h., daß er in seinem Aufbau wenigstens ein Elektron enthält, das in bezug auf einen Atomkern der paramagnetischen Substanz nicht paarweise in der Stellung S¹ auftritt (der ίο Kern hat stets kinetische Momente und ein

von Null verschiedenes magnetisches Moment) und dessen Elektronenresonanzlinie schmal ist.

Die Substanz sendet, wenn man eine ihrer Elektronenresonanzlinien sättigt, Energie mit der Frequenz der Kernresonanzlinie der Atomkerne in dem magnetischen Feld aus, in dem die Lösung angeordnet ist. Dabei ist diese Frequenz genau proportional diesem Feld, und zwar aus den Gründen, die in dem Hauptpatent dargelegt sind. „

Bei Verwendung folgender Lösungen kann eine Vorrichtung als Eigenschwingungskreis (oder »Maser«) arbeiten, wobei außer den aufgeführten Stoffen auch noch andere geeignet sind:

Eine Lösung von Kalium- oder Natriumnitrosodisulfonat in Wasser, Pyridin oder Formamid;
eine Lösung von Diphenylpicrylhydrazyl in Benzol oder anderen organischen Lösungsmitteln;
eine Lösung von Tetraphenylstiboniumnitrosodisulfonat in Äther;

eine Lösung von Picrylaminocarbazyl in Benzol und eine wäßrige Lösung von Ionen eines Semiquinons, z. B. O = C₆H₁-O.

„, 2. Einen Hochfrequenzkreis zur Sättigung einer der Elektronenresonanzlinien der paramagnetischen Substanz, wobei der Hochfrequenzkreis im wesentlichen einen Oszillator 12 mit sehr stabiler Frequenz von z. B. 55 MHz für die Messung des Erdfeldes bei Verwendung einer wäßrigen Lösung von Nitrosodisulfonat enthält. Dieser Oszillator versorgt einen Stromkreis, der mit Hilfe eines nicht dargestellten Kondensators auf die Elektronenresonanzfrequenz abgestimmt ist und der die Hochfrequenzspule 14 enthält, die eine kleine Windungszahl aus relativ starkem Draht hat und die zur Sättigung der Elektronenresonanzlinie der Lösung dient.

3. Einen Niederfrequenzstromkreis oder Kernoszillator 26, der im wesentlichen aus einer Niederfrequenzspule 13 mit einer großen Anzahl von Windungen aus feinen Drähten besteht, die den Behälter 11 umgeben, um die durch die Lösung ausgesandte Energie zu sammeln, die man mit der Kernresonanzfrequenz der Lösung erhält, sowie aus einem Abstimmkondensator 20 zur Bildung eines Resonanzkreises für die Kernresonanzfrequenz.

4. Meßvorrichtungen für diese Frequenz. Diese Messung wird durchgeführt nach Verstärkung der Spannung, die von dem Stromkreis 26 auf einen Verstärker 24 üblicher Bauart aufgegeben wird mit HiHe eines Frequenzmessers 27, z. B. einem Dekadenzähler, der an den Ausgangsklemmen 25 des Verstärkers 24 angeschlossen ist.

Bis hierher ist die Vorrichtung identisch mit F i g. 4 des Hauptpatentes. Es wurden die gleichen Bezugs-

7 8

zeichen 11, 12, 13, 14, 24 und 25 für die Zeichnung Ausgangs 25 des Verstärkers 24 eine Gleichverwendet wie in F i g. 4 des Hauptpatentes. spannung ab, deren Amplitude proportional

5. Ein elektronisches Netzwerk 28 mit negativem der der Wechselspannung ist; dieses geschieht

Widerstand, das im Nebenschluß zum Nieder- _e ^mt£^ls ^ΐ^ΛΓ? als Glach-

frequenzstromkreis26 liegt. Dieses Netzwerk ⁵ nchter arbeitenden Dioden 43, die mit einem

stellt einen Verstärker dar, wie in Fig. 5 des Kondensator44 und einem Füter45 in

TT rmtnatentes //-Schaltung, aas aus einem Widerstand 46

- " und zwei Kondensatoren 47 besteht, dessen

Bei der vorhegenden Ausführungsform besteht der Gleichspannung an den Klemmen 48 des Verstärker, der zwei aufeinanderfolgende Verstär- io Filters 45 anliegt,
kungsstufen mit veränderlicher Rückkopplung zwischen Ausgangs- und Eingangsstufe enthält, im Andererseits entnimmt man, wenn man zwischen wesentlichen aus zwei Elektronenröhren, z.B. zwei den Klemmen48 einen Spannungsteiler anordnet, Doppeltrioden 29 und 30, die die beiden Verstärkungs- durch den Abgreifer 50 dieses Spannungsteilers einen stufen bilden. 15 regulierbaren Bruchteil der Gleichspannung ab, wo-

Um, wie oben erwähnt, das auf äußere Ursachen durch der Grad der Regulierung verändert werden zurückzuführende Rauschen und den Einfluß von kann; man verbindet ferner diesen Bruchteil mit der Schwankungen der Speisespannung zu verringern, Eingangsklemme 31 des Netzwerkes 28, wobei der Einordnet man die Niederfrequenzspule 13 und das tritt der Spannung in das Netzwerk durch einen Konelektronische Netzwerk 28 vollkommen symmetrisch 20 densator 58 verhindert wird.

an. Es wurden für die Bezugszeichen der beiden Die Änderung des auf die Klemme 31 aufgegebenen

symmetrischen Elemente des Stromkreises 26 und des Potentials, das man normalerweise in Volt angibt und

Netzwerks 28 dieselben Zahlen mit dem Index α und b das — für eine bestimmte Stellung des AbgreifersSO —

benutzt. proportional der Schwingungsamplitude des Strom-

Die Eingangsklemmen 31, 31a, 31b des Netzes 28, 25 kreises 26 ist, gelangt über diesen Stromkreis auf die

von denen die beiden letztgenannten mit den Steuer- Klemmen 31 α und 31 δ und bewirkt eine entsprechende

elektroden 32a, 32b der Röhre 29 verbunden sind, Änderung der mittleren Potentialdifferenz zwischen

stehen durch Leitungen 33, 33 a und 33 b mit den den Gittern 32 a, 32 b und den Kathoden 37 a, 37 b der

Ausgangsklemmen 34, 34a und 34b des Nieder- Röhre 29. Wenn die Röhre 29 in einem nichtlinearen

frequenzstromkreises 26 in Verbindung, während die 30 Teil ihrer Charakteristik arbeitet, wird eine Änderung

Kopplung zwischen den beiden Stufen des Verstärkers der Potentialdifferenz zwischen Gittern und Kathoden

dadurch erreicht wird, daß man die Steuergitter 36a für die Schwingungen, deren Amplitude normalerweise

und 36b der Röhre 30 mit den Anoden 37a und 37b in Millivolt ausgedrückt wird, eine Änderung der

der Röhre 29 über Kondensatoren 38 a und 38 b ver- Leistung in dem Sinne hervorrufen,. daß diese sich

bindet. 35 verringert, wenn die Potentialdifferenz sich erhöht.

Die Vorrichtung stellt bis jetzt eine Variante der Es ist bekannt, daß diese Änderung der Leistung

Vorrichtung gemäß F i g. 5 des Hauptpatentes, jedoch normalerweise auf den Blindleitwert des Netzwerks 28

in symmetrischer Anordnung dar. wirkt; jedoch wird dieser gemäß der Erfindung auf

Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung wird der ein Minimum herabgesetzt.

Leitwert des elektronischen Netzwerks 28 reguliert, ₄° ₂. Man reduziert tatsächlich den Blindleitwert am

um gleichzeitig die Bedingungen B und C folgender- Eingang des Netzwerks 28 für den Bereich der

maßen zu erfüllen: Arbeitsfrequenzen auf einen Wert, den man ver-

1. Regulierung des Eingangsleitwertes des Netzes: nachlässigen kann.

a) Man schaltet, hauptsächlich um die Vor- ₄₅ Man erreicht dieses zunächst durch Stabilisierung regulierung dieses Leitwertes zu ermöglichen, der zweiten Verstärkerstufe (nämlich der der Röhre30) eine regulierbare Rückkopplung zwischen die durch eine starke Gegenkopplung, die durch Widerbeiden Verstärkungsstufen. Die Rückkopp- stände 52a, 52Z> erzeugt wird. Dadurch wird die lungsglieder zwischen den Anoden 39 a und Phasenverschiebung verringert, die auf Ankopplungs- 39b der Röhre 30 und den Eingangsklemmen ₅₀ kondensatoren 38 a, 386 und auf störende Kapazitäten 31a und 31Z> des Netzwerks 28 (nämlich der zwischen den Anoden 37a, 31b, 39a, 390 und der Gitter 32a und 32Z> der Röhre 29) setzen sich Masse zurückzuführen ist.

zusammen aus den Widerständen 40 a und 40 δ Es ist zu bemerken, daß diese Gegenkopplung auch

und den Spannungsteilern 41a und 41b, deren die Impedanz am Ausgang des Netzwerks 28 und

Abgreifer 42a und 42δ gleichzeitig mit Hilfe ₅₅ infolgedessen den Einfluß der Schwankungen der

einer gemeinsamen Achse 42 gesteuert werden. Versorgungsspannung auf das einzelne Potential jeder

Man kann auch den Rückkopplungsgrad, d. h., Anode verringert. Diese Spannung ist mit 53 bezeichnet

mit anderen Worten, den Wert G' des negati- _und _wi_rd an diese Anoden über die Spannungsteüer

ven Leitwertes am Eingang des Netzwerks 28 4\_{a UI1}d 41b und die Anodenwiderstände 54a, 54b

für eine gegebene Leistung der ersten Ver- _6o angelegt. Die Schwankungen werden völlig ausge-

stärkungsstufe (die der Röhre 29) einstellen. glichen, wenn man die Ausgangsspannung zwischen

b) Die genaue selbsttätige Einstellung des Eh> den beiden Anoden 39 a und 39 b der Röhre 30 entgangsleitwertes des Netzwerks 28 ist dadurch nimmt und die symmetrische Anordnung des Netzzu erreichen, daß man die Leistung der ersten werks 28 mit Hilfe zweier üblicher Widerstände 55 Stufe mit der Spannung steuert, die durch den 65 der Kathoden 56 verbessert.

Niederfrequenzstromkreis 26 geliefert wird. Um den Eingangsblindleitwert des Netzwerks 28

Aus diesem Grunde nimmt man einerseits von bis auf ein Minimum zu reduzieren, wird der Ausgleich

der Wechselspannung an den Klemmen des der Phasenverschiebung dadurch vervollkommnet, daß

man die Kapazität der veränderlichen Kondensatoren 57 α, 57 b reguliert, die mit Hilfe einer gemeinsamen Steuerachse 57 einstellbar sind, um die gesamte Phasenverschiebung im Netzwerk 28 zu beseitigen, d. h. den Blindleitwert für eine Frequenz, die in der Mitte des Frequenzbandes liegt, in dem man arbeitet.

Durch gleichzeitige Anwendung der Gegenkopplung und des Ausgleichs erhält man einen Verstärker großer Bandbreite mit einem Ausgleich der Phasenverschiebung in dem Band, in dem man arbeitet.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist im folgenden beschrieben:

Man stellt vor jeder Messung den Rückkopplungsgrad des elektronischen Netzwerks 28 mit Hilfe der Spannungsteiler 41 α und 41 b ein, indem man die gemeinsame Antriebsachse 42 betätigt, wodurch der Leitwert des Eingangs des Netzwerks 28 vorreguliert wird; ferner wird der Grad der selbsttätigen Regulierung des Blindleitwertes eingestellt, indem man den Schieber 50 des Spannungsteilers 49 verstellt, wodurch ao die Neigung der Kennlinie bestimmt wird, nach der die Veränderungen der Leistung in Abhängigkeit von der Veränderung der Amplitude der Schwingungen im Stromkreis 26 erfolgen.

Man gleicht ferner die Phasenverschiebung aus durch Betätigen der gemeinsamen Steuerachse 57 der Kondensatoren 57a, 51b. Auf diese Weise erhält man freie Schwingungen des Niederfrequenzstromkreises, unabhängig von den Erscheinungen der Kernresonanz, und zwar in einem großen Frequenzbereich um den geschätzten Wert der Larmorfrequenz, was eine nur ungefähre Kenntnis des Wertes des zu messenden magnetischen Feldes voraussetzt, auf das die Larmorfrequenz abgestimmt ist.

Somit wird die Bedingung —G'>G erfüllt.

Man sucht also die Resonanz, indem man allein auf den veränderlichen Kondensator 20 einwirkt, und wenn die Abstimmfrequenz des Stromkreises 26 sehr nahe der Larmorfrequenz der Flüssigkeitsprobe liegt, die in dem Behälter 11 im magnetischen Feld enthalten ist, führt die durch die Probe ausgesandte Energie, deren Elektronenresonanzlinie durch die Spule 14 gesättigt wird, eine Erhöhung der Schwingungsspannung herbei.

Die selbsstätige Regulierung der Leistung durch die am Schieber 50 abgenommene Gleichspannung (die proportional der Schwingungsspannung ist) soll also den Eingangsleitwert des Netzwerks 28 herabsetzen; wenn der Regulierungsgrad vorher festgelegt ist durch richtige Anordnung des Schiebers 50, kommt die Vorrichtung automatisch in den Zustand, bei dem die Bedingung B erfüllt wird.

Dadurch, daß der Eingangsblindleitwert des Netzwerks 28 vernachlässigt werden kann, haben die Änderungen der Leitung keine schädliche Wirkung auf die Bedingung C, die ebenso erfüllt wird.

Dank der zweckmäßigen Ausbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, lediglich durch Betätigung des veränderlichen Kondensators 20 ein Frequenzband in der Nähe der Larmorfrequenz einzustellen, wodurch die Vorrichtung sich ohne weiteres selbsttätig auf die Kernresonanzfrequenz einstellt.

Außerdem halten die selbsttätige Regulierung der Leistung der Röhre 29 durch die Ausgangsspannung dieses Schwingungskreises und der vernachlässigbare Eingangsblindleitwert des Netzwerks 28 dieses System unabhängig oder nahezu unabhängig von den Änderungen der Leistung des elektronischen Netzwerks 28 aufrecht, wodurch die Stabilität der Frequenz und infolgedessen eine große Genauigkeit der Messung sichergestellt ist. Außerdem wird durch symmetrische Anordnung des Stromkreises 26 und des Netzwerks 28 das Rauschen unterdrückt, das einerseits auf der Induktion störender Spannungen bei Kreisfrequenz oder deren Vielfachen beruht, deren Amplitude unzuverlässig im Laufe der Zeit unkontrollierbar schwankt, und andererseits auf Schwankungen der Versorgungsspannung des elektronischen Netzwerks zurückzuführen ist. Diese Schwankungen erhöhen sich bei Anwesenheit eines Rückkopplungskreises.

Man erhält so eine selbsttätige Vorrichtung, mit der es möglich ist, die Larmorfrequenz einer Lösung einer paramagnetischen Substanz in einem magnetischen Feld leicht und genau zu messen, wodurch dann die Intensität des magnetischen Feldes, das proportional der genannten Larmorfrequenz ist, bestimmt werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Intensitätsmessung eines schwachen magnetischen Feldes unter etwa 10 Gauß, insbesondere des Erdfeldes, bestehend aus einem Behälter mit einem Lösungsmittel, das Atomkerne mit einem von Null verschiedenen kinetischen und magnetischen Moment enthält und in dem in paramagnetischer Stoff mit wenigstens einer, bei einer bestimmten Frequenz sättigungsfähigen Elektronenresonanzlinie gelöst ist wobei die Lösung bei Sättigung dieser Resonanzlinie Energie mit der Kernresonanzfrequenz aussendet, bestechend ferner aus einer Hochfrequenzspule, die dazu dient, im Innern des Behälters ein magnetisches Feld zu erzeugen, aus Mitteln zum Versorgen der Hochfrequenzspule mit elektrischer Energie der Frequenz der Elektronenresonanzlinie zwecks Sättigung dieser Linie, einer Niederfrequenzspule zur Aufnahme der mit Kernresonanzfrequenz ausgestrahlten Energie einem veränderlichen Kondensator, der mit der Niederfrequenzspule bei Kernresonanzfrequenz einen Resonanzschwingkreis mit sehr hohem g-Faktor bildet, einem an den Niederfrequenzkreis angeschlossenen elektronischen Netzwerk, das als Verstärker arbeitet und einen negativen Eingangsleitwert besitzt, nach Patent 1191 480, dadurch gekennzeichnet, daß zur selbsttätigen Regulierung des Eingangsleitwertes in der Weise, daß der Absolutwert dieses Leitwertes mit steigender Amplitude der im Resonanzkreis (26) erzeugten Spannung abnimmt, von dem Resonanzkreis (26) eine der vorgenannten Spannung proportionale Gleichspannung abgeleitet und auf die erste Verstärkerstufe (29) des elektronischen Netzwerks (28) gegeben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abnehmen der Gleichspannung aus einer Gleichrichtereinheit (43, 44), die, gegebenenfalls nach Verstärkung in einem Verstärker (24), die in dem Resonanzkreis (26) erzeugte Spannung aufnimmt, einem elektrischen Filter (45), das an den Ausgang der Gleichrichtereinheit angeschlossen ist, sowie Mittel besteht, mit denen eine regelbare Teilmenge am Ausgang des Filters entnommen werden kann. | K

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärker-

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stufe (29) wenigstens eine Elektronenröhre enthält, die in dem nichtlinearen Abschnitt ihrer Charakteristik arbeitet, und daß die Gleichspannung als Polärisätionsspannung auf die Steuerelektrode der Röhre aufgegeben wird.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die den Blindleitwert beeinflussen, einerseits aus einem Gegenkopplungsglied (52a, Sib) in der zweiten Verstärkungsstufe (30) und andererseits aus wenigstens einem veränderlichen Kondensator (57a, 57 b) zur Kompensation bestehen, der geeignet ist, die Phasenverschiebung völlig aufzuheben, die durch das elektronische Netzwerk (28) bei einer Frequenz hervorgerufen wird, die genau in der Mitte des Frequenzbandes, das dem zu messenden

magäetisclifeä Feld entspricht, liegt, iß dem man arbeitet, um so einen Verstärker mit sehr großer Bandbreite zu erhalten, ohöe Phasenverschiebung in dem Frequenzband, in dein man arbeitet.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen völlig syrametfiscrien Aufbau des' Niederfrequenzkreises (26) und des elektronischen Netzwerks (28).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Phys. Rev.«, 77 (1950), H. 1., S. 147/148; Zeitschrift »Ann. d. Physik«, 15 (1955), S. 311 bis

324;
Zeitschrift »Revue Generale d' Electricite«, 67 (1958),

S. 365 bis 384.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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