DE1216424B - Einrichtung zur Intensitaetsmessung eines schwachen magnetischen Feldes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIr

deutsche El.; 21 e -12

Nummer: 1216 424

Aktenzeichen: C 2Ö355IX d/21 e

Anmeidetag: 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 paramägnetische 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 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 Proprotionalitätsfaktor 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 Momentes eine Energieaussendung mit der Kernresonanzfrequenz an Stelle der üblichen Energieabsorption erzielt wird. In den F i g. 4 und 5 des Häüptpatentes sind Einrichtun-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 SaM, Saiiit-Egreve, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 16. Dezember 1958 (781753)

gen 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 folgende Teile:

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

2. Einen Hochfrequenzströmkreis 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 öder sehr schwäch ist) abgestimmt; er enthält einerseits eine Hochfrequenzspule, die den Behälter umgibt, und einen Abstimmkondensator sowie andererseits einen Oszillator zum Speisen der Spule.

3. Einen Niederfrequenzströmkreis zur Aufnahme der durch die Lösung mit der KernresonanZfrequenz des Lösungsmittels ausgesandten Energie (2100 Hz für die Protonen des Wassers im Erd-

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feld). Dieser Stromkreis besitzt eine Niederfre- insbesondere des Erdfeldes, mit einem Behälter, der quenzspule zur Aufnahme der Energie und einen eine Flüssigkeit mit Atomkernen eines bestimmten Abstimmkondensator, der auf die genannte Fre- gyromagnetischen Verhältnisses und eine in der Flüsquenz abgestimmt werden kann. Der Stromkreis sigkeit gelöste paramagnetische Substanz, deren Elekweist einen sehr hohen Gütefaktor Q auf, so daß 5 tronenresonanzfrequenz im Magnetfeld Null einen der bei dieser Frequenz als Selbstoszillator (oder endlichen Wert hat, enthält, mit einer Vorrichtung

»Maser«) arbeiten kann. zur Sättigung mindestens einer Elektronenresonanz-

4. Eine Vorrichtung zum Messen der Frequenz des linie dieser Substanz, mit einem mit der als Lösungs-Niederfrequenzstromkreisese (z. B. einen Deka- mittel dienenden Flüssigkeit in Energieaustausch

denzähler). io stehenden und auf die Resonanzfrequenz der Kerne

Die beiden Spulen für die hohe und die niedrige derselben abstimmbaren Resonanzkreis und mit Mit-

Frequenz sind im allgemeinen konzentrisch um den tem zum Messen dieser Resonanzfrequenz nach

Behälter angeordnet, in dem sich die Lösung befin- Patent 1191480, wird gemäß der Erfindung zur Ver-

det, beispielsweise mit ihren Achsen senkrecht zu meidung von Kopplungen zwischen der Hoch- und

dem zu messenden magnetischen Feld. 15 der Niederfrequenzspule eine elektrische Abschir-

Die Sättigung der Elektronenresonanzlinie erfor- mung angewendet, die undurchlässig für die Energie

dert ein relativ dichtes magnetisches Feld mit hoher mit der Frequenz der Elektronenresonanzlinie, je-

Frequenz in dem Raum; den die Flüssigkeitsprobe doch durchlässig für die Energie mit der Frequenz

einnimmt. Daraus ergeben sich die folgenden beiden der Kernresonanz ist.

Schwierigkeiten: 20 Nach einer weiteren Ausgestaltungsform der Er-

Auf der einen Seite führt die Tatsache, daß die findung besteht die Abschirmung aus einem wenigbeiden Spulen mit höher und niedriger Frequenz stens teilweise leitenden Rohr, das einerseits längs dicht beieinanderliegen, eine Kopplung zwischen den einer ersten Mantellinie und andererseits in mehbeiden Kreisen herbei, die sich schädlich auf die rere im wesentlichen zu dieser Mantellinie senkrecht Wirkungsweise des Kreises mit niedriger Frequenz 25 stehende Abschnitte aufgeschnitten ist, wobei die so als Schwingungskreis auswirkt und zur Folge haben entstandenen leitenden Abschnitte (Bänder), die kann, daß die Messung der Kernresonanzlinie ge- durch die doppelten Schnitte gegeneinander isoliert stört wird. sind, elektrisch mit der Masse längs einer zweiten

Andererseits wird'infolge dieser Kopplung nur ein Mantellinie des Rohres verbunden sind.
Teil der in der Hochfrequenzspule aufgespeicherten 3° Die Abschirmung kann nach einer anderen Ausmagnetischen Energie zur Sättigung der Elektronen- gestaltung des Erfindungsgedankens auch als Solenoid resonanzlinie benutzt, während der Rest in der Nähe mit zahlreichen Windungen aus leitendem Draht der Spule in Form von Wärme verlorengeht. Man ist sowie einem geraden Leiter ausgebildet sein, wobei deshalb gezwungen, :eine genügend große Energie der gerade Leiter auf die Windungen längs einer aufzuwenden, um eine ausreichende Polarisation zu 35 Mantellmie aufgeschweißt ist. Draht und Leiter sind erhalten. Die auftretende Erwärmung kann sich hierbei mit einer Isolierschicht bedeckt sowie in schädlich auf die Haltbarkeit der paramagnetischen einem zylindrischen, das Rohr darstellenden Isolier-Substanz, die in der Flüssigkeit gelöst ist, auswirken. körper eingebettet. Der zylindrische Körper ist längs Um bei empfindlichen magnetischen Kreisen Be- einer Mantellinie, die der Mantellinie, längs der der einflussungen durch magnetische Felder von außen 40 gerade Leiter verläuft, gegenüberliegt, aufgeschlitzt, fernzuhalten, ist es an sich bekannt, eine Abschir- Die Querschnittswerte des Drahtes werden zweckmung vorzusehen. Sollen zwei benachbarte magne- mäßigerweise so gewählt, daß sie zwischen der Eintische Spulen entkoppelt werden, ordnet man diese dringtiefe der elektrischen Energie in den Zylinder Spulen nach Möglichkeit so an, daß ihre Achsen bei der Frequenz der Kernresonanz und derjenigen senkrecht zueinander stehen. Die dabei in vielen Fäl- 45 bei der Frequenz der Elektronenresonanz der Lösung len noch vorhandene Restkopplung kann ebenfalls liegen.

durch eine Abschirmung unwirksam gemacht wer- Gemäß einem weiteren"Merkmal der Erfindung ist

den. Bei einer bekannten Einrichtung hat man zu die Hochfrequenzspule im Innern des Behälters derdiesem Zweck eine bewegliche Blende vorgesehen, art angeordnet, daß sie in die darin befindliche die aus einem elektrisch guten Leiter besteht, damit 50 Lösung eintaucht. Gemäß einer Weiterbildung des der auf die Blende auftretende magnetische Fluß ent- Erfindungsgedankens besteht die Spule aus einer sehr sprechende Wirbelströme hervorrufen kann. Mit kleinen Anzahl von Windungen, die mit einer Schicht Hilfe dieser Blende kann der die Restkopplung verur- in einer Stärke von ungefähr 5 mm aus einer dieeleksachende Fluß in eine gewünschte Richtung abgelenkt irischen Substanz mit geringen Verlusten bedeckt werden. Die günstigste Stellung der Blende wird 55 sind.

experimentell ermittelt. Für die Lösung der zweiten Aufgabe, d.h. zur

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, jede Kopp- Messung magnetischer Felder innerhalb eines relativ lung zwischen dem Hochfrequenz- und dem Nieder- großen Bereiches, ist gemäß einer anderen Ausfühfrequenzkreis zu vermeiden und dabei so gut wie rungsform der Erfindung zur Verbindung der Niedermöglich das magnetische Feld, das durch die Spule 60 frequenzspule mit der Primärspule eines Transforhoher Frequenz geschaffen wird, auszunutzen. Die mators hoher Güte ein koaxiles Übertragungskabel Erfindung befaßt sich ferner mit der Aufgabe, die vorgesehen, während an die Sekundärspule des Möglichkeit zu schaffen, die gleiche Einrichtung für Transformators ein veränderlicher Kondensator die Messung magnetischer Felder, deren Intensität üblicher Bauart angeschlossen ist, der einen Teil des innerhalb eines relativ großen Bereichs schwanken 65 Niederfrequenzkreises darstellt und die Abstimmung kann, verwendbar zu machen. desselben auf die Frequenz der Kernresonanz ermög-

Bei einer Einrichtung zur Intensitätsmessung eines licht. Der Aufbau des Niederfrequenzstromkreises, schwachen magnetischen Feldes unter etwa 10 Gauß, der sich aus einer Niederfrequenzspule, dem Koaxial-

kabel, dem Transformator und dem veränderlichen Kondensator zusammensetzt, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung symmetrisch.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, daß eine leitende Abschirmung jede magnetische Kopplung zwischen den Medien, die sie trennt, bei Frequenzen, die oberhalb eines bestimmten Grenzwertes liegen, der eine Funktion der geometrischen Eigenschaften des Schirmes ist, unterdrückt. Im Gegensatz dazu verringert sich dieser Einfluß bei stark unterhalb dieser Grenze liegenden Frequenzen mehr oder weniger. Man könnte annehmen, daß es ausreicht, einen Metallzylinder zwischen der Hochfrequenz- und der Niederfrequenzspule anzuordnen, wenn diese konzentrisch zueinander liegen, um jede Beeinflussung zwischen den beiden Spulen zu unterdrücken. Dies ist aber wegen der in der Abschirmung entstehenden Fremdströme nicht der Fall.

Aus dem vorgenannten Grund wurde die vorstehend erwähnte doppelte Unterteilung des Schirmes vorgenommen. Wie festgestellt werden konnte, bewirkt der Längsschnitt gemäß einer Mantellinie die Unterdrückung der schädlichen Foucaultschen Ströme in der Abschirmung.

Wie weiter festgestellt wurde, tritt bei Verwendung von Spulen in einer Einrichtung gemäß dem Hauptpatent, bei der keine ferromagnetischen Kerne vorhanden sind, ein starkes Absinken des Gütekoeffizienten in der Niederfrequenzspule auf, was für die Kernschwingung nachteilig ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß der magnetische Induktionsfluß, der einen geraden Abschnitt des zylindrischen Teiles durchdringt, entlang der Achse des Zylinders nicht konstant ist infolge der Streuung der Kraftlinien der Induktion und daß er eine elektromotorische Kraft in der Schleife erzeugt, die jeder gerade Abschnitt des zylindrischen Teiles hat. Trotz des Längsschnittes fließen also elektrische Ströme, die Energieverluste verursachen. Die nach der Erfindung vorgesehenen zusätzlichen Schlitze entlang der geraden Abschnitte des zylindrischen Körpers wirken diesen Längsströmen entgegen.

Um das magnetische Feld, das durch die Hochfrequenzspule erzeugt wird, am besten ausnutzen zu können und um die Leistung, die im Hochfrequenzkreis verbraucht wird, noch zu reduzieren, ordnet man die Hochfrequenzspule im Innern der Flüssigkeitsprobe an, wobei die Windungen der Spule vorteilhafterweise mit einer starken Schicht einer dielektrischen Substanz mit geringen Verlusten überzogen werden. Dadurch werden die Verluste, die durch Leitung in der flüssigen Hülle, die die Spule umgibt, entstehen, verringert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand einer zeichnerischen Darstellung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt eines Behälters einer Einrichtung zur Intensitätsmessung, wobei die zugehörigen elektronischen Einheiten schematisch dargestellt sind,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Abschirmung,

F i g. 3 einen Querschnitt der Abschirmung nach F i g. 2 und

Fig.4 den schematischen Aufbau des Niederfrequenzstromkreises einer Einrichtung, die insbesondere zur Messung veränderlicher magnetischer Felder geeignet ist.

Eine Einrichtung zur Intensitätsmessung umfaßt, wie im Zusammenhang mit den Fig.4 und 5 des Hauptpatentes beschrieben ist, folgende Teile:

1. Einen Behälter 1 mit einer Lösung 2, die sich wie folgt zusammensetzt:

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 S auftritt (der 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 Natriumnitrosodisulfonät 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 = C₆H₄—O.

2. Einen Hochfrequenzkreis zur Sättigung einer der Elektronenresonanzlinien der paramagnetischen Substanz, wobei der Hochfrequenzkreis im wesentlichen einen Oszillator 3 mit sehr stabiler Frequenz von z. B. 55 MHz für die Messung des Erdfeldes bei Verwendung einer wäßrigen Lösung von Nitrosodisulfonat enthält. Dieser Oszillator speist über ein koaxiales Kabel 4 und einen koaxialen Anschluß 5 einen abgestimmten Kreis, der aus einer Hochfrequenzspule 6 mit einer kleinen Anzahl relativ großer Windungen besteht. Dieser dient dazu, die Elektronenresonanzlinie der Lösung zu sättigen. Der Stromkreis enthält ferner Kondensatoren 7 und 8; der letztgenannte stellt den Abstimmkondensator des Hochfrequenzkreises dar.

3. Einen Niederfrequenzkreis, der unter anderem eine Spule 9 mit einer Vielzahl sehr feiner Windungen enthält sowie einen Abstimmkondensator 10; der Niederfrequenzkreis besitzt einen hohen Gütekoeffizienten Q, und zwar derart, daß er als Selbstoszillator bei der Kernresonanzfrequenz der Lösung 2 arbeiten kann.

4. Einen Verstärker 11, einen Frequenzmesser 12 (z. B. der Art, wie er in dem Hauptpatent benutzt wird) zur genauen Messung der Frequenz der Energie, die durch die Spule 9 empfangen wird.

Um jede Koppelung zwischen dem Hoch- und dem Niederfrequenzkreis durch ihre Spulen 6 und 9 zu vermeiden, ordnet man zwischen diesen erfindungsgemäß eine Abschirmung 13 an, die im wesentlichen die Form eines Umdrehungszylinders hat, der einerseits längs einer Mantellinie aufgeschnitten und andererseits in eine bestimmte Anzahl von im wesentlichen zu der Mantellinie senkrecht stehenden Abschnitten unterteilt ist; dabei sind die leitenden, durch diese doppelte Aufteilung isolierten Bänder untereinander und mit der Masse elektrisch verbunden.

Man kann die Abschirmung beispielsweise so ausbilden, wie auf den F i g. 2 und 3 dargestellt ist.

Man geht aus von einem Solenoid 14 aus einem leitenden Draht, z. B. aus Kupfer oder Silber, der durch eine Umspinnung (beispielsweise aus Baumwolle, Seide oder einem Superpolyamid) oder durch Emaillieren isoliert ist. Der Solenoid besteht aus einer Folge von Spiralen 15, die die erwärmten Bänder entlang den geraden Abschnitten eines Umdrehungs-Zylinders 16 bilden.

Nachdem man für eine genügende mechanische Festigkeit der Windungen gesorgt hat, indem man den Zylinder aus Kunstharz herstellt, schweißt man an die einzelnen Windungen des Solenoids an der ganzen Länge einer Mantellinie des Zylinders ein leitendes Element oder eine Elektrode 17 aus demselben Draht wie dem, aus dem die Windungen des Solenoids 14 bestehen, wobei dieser Leiter den Zweck hat, die Abschirmung während des Betriebes, wie in F i g. 1 dargestellt, zu erden.

Man schlitzt den Zylinder 16 längs einer Mantellinie 18 an der Seite, die der, an der der Leiter 17 befestigt ist, gegenüberhegt, auf und bedeckt das Ganze nochmals mit mit Kunstharz imprägnierter Glaswolle, um eine homogene Abschirmung zu erhalten, die die gewünschten Eigenschaften sowohl in elektrischer wie in mechanischer Hinsicht aufweist. Bei dieser Anordnung ist der Leiter 17 längs einer Mantellinie angeordnet, deren elektrisches Potential das arithmetische Mittel der Potentiale an den Rändern des Längsschnittes 18 darstellt.

Die so hergestellte Abschirmung 13 ist völlig undurchlässig bei sehr hoher Frequenz und, ohne daß Verluste auftreten, durchlässig bei niedriger Frequenz unter der Bedingung, daß die Querschnittswerte der Drähte, die die Windungen 15 und den Leiter 17 bilden, größer sind als die Eindringtiefe für die höchste Frequenz und sehr viel geringer als die Eindringtiefe für die niedrigste Frequenz, die auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1 aufgegeben wird, wenn der Behälter 1 innerhalb der zu messenden magnetischen Felder angeordnet ist. Man muß sich bei dieser Gelegenheit vor Augen halten, daß die Frequenz der Kernresonanz der Protonen 4258Hz/Gauß ist (beim magnetischen Erdfeld ist sie ungefähr 2100Hz) und daß eine Frequenz der Elektronenresonanz beim Feld Null oder bei einem sehr schwachen Feld der Nitrosodisulfonationen ungefähr 55MHz ist; aus diesem Gründe ist es möglich, leicht eine Abschirmung der erwähnten Art zu schaffen, die ohne Verluste durchlässig ist für die erste Frequenz und undurchlässig für die zweite Frequenz.

Dank der Abschirmung 13 wird jede nennenswerte Kopplung zwischen dem Hoch- und dem Niederfrequenzkreis verhindert. Es wird auch die Störung der Messung der Kernresonanz vermieden, und man verringert die Verluste an elektrischer Energie und damit die Erwärmung in der Nähe der Hochfrequenzspule 6.

Man ordnet, wie auf F i g. 1 dargestellt, die Hochfrequenzspule 6, die Kondensatoren 7 und 8 und die

iö Einführung 5 im Inneren der Abschirmung 13, die Niederfrequenzspule 9 dagegen außen an; vorzugsweise wird sie direkt auf die Abschirmung 13, die als Kern dient, gewickelt. Auf diese Weise hat man den Einfluß der Abschirmung 13 auf die Überspannung des Niederfrequenzkreises, in dem die Spule 9 liegt, auf einen Wert unterhalb 1 % verringert.

Andererseits kann man dank der großen Verringerung der Erwärmung in der Nähe der Spule 6, um das magnetische Feld, das durch die Spule erzeugt

aö wird, besser ausnutzen zu können, gemäß einem wel·· teren Merkmal der Erfindung diese im Inneren des Behälters 1 anordnen, wobei sie, wie auf F i g, 1 dargestellt, in die Lösung eintaucht. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des magnetischen Feldes hoher Frequenz zum Sättigen der Elektronenresonanzlinie der Lösung vergrößert.

Die Spule 6 kann beispielsweise aus zwei Windungen bestehen und ihre Achse senkrecht zu der der Hochfrequenzspule 9 verlaufen. Durch Anschlüsse oder Verbindungen 19 kann die Spule 6 mit dem Schwingungskreis verbunden werden, der die Kondensatoren 7 und 8 enthält und in einem Rahmen 20 angeordnet ist.
Weil sich das Feld um die Windungen der Spule 6 umgekehrt zu der Entfernung der Achse 6 a (s. die gestrichelten Linien) des Leiters verändert, aus dem die Windungen der Spule 6 bestehen, überzieht man diesen Leiter mit einer starken Schicht (z. B. in der Größenordnung von 5 mm) einer dielektrischen Substanz mit geringen Verlusten, z. B. aus Polyäthylen; auf diese Weise werden die Leitungsverluste der Spule 6 in der flüssigen Umhüllung verringert.

Bei der besonderen Anordnung, wie sie auf F i g. 1 dargestellt ist, unter gleichzeitiger Verwendung einer Abschirmung 13 oben beschriebener Art (vgl. auch Fig.2 und 3) und einer im Inneren des Behälters angeordneten Hochfrequenzspule mit dielektrischer Umhüllung kann die zum Sättigen der Elektronenresonanzlinie einer wäßrigen Lösung von Nitrosodisulfonat notwendige Leistung von 20 aus 5 Watt verringert werden; dabei wird die Erwärmung der Lösung entsprechend kleiner, weil eine weniger große Energiemenge in Form von Wärme um die Hochfrequenzspule herum frei wird, was sich auf die Haltbarkeit der paramagnetischen Substanz günstig auswirkt.

In dem speziellen Fall, wo eine Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung zum Messen magnetischer Felder benutzt werden soll, deren Stärke sich innerhalb großer Grenzen ändern kann, benutzt man für den Niederfrequenzkreis die Anordnung, die auf F i g. 4 schematisch dargestellt ist. Sie zeigt die Niederfrequenzspule 9 der Untersuchungssonde der F i g. 1, den Abstimmkondensator 10 mit seinen beiden Ausgangsklemmen 10 α, während die übrige Anordnung der der Fig. 1 entspricht.

Wenn man die Gesamtheit der Spulen mit hoher und niedriger Frequenz in großer Entfernung von der

elektronischen Apparatur zum Messen der Frequenz, d. h. von dem an die Klemmen 10 α angeschlossenen Frequenzmesser, aufstellen will,, wird die Verbindung zwischen der Niederfrequenzspule 9 und der übrigen Niederfrequenzvorrichtung mittels eines Koaxialkabeis 21 hergestellt. Wenn die Kapazität dieses Kabels erheblich ist, ist es oft unmöglich, den Niederfrequenzkreis, in dem dieses Kabel liegt, mit Hilfe eines einfachen, veränderlichen Luftkondensators, der bei 10 angeordnet ist, auf einen großen Frequenzbereich abzustimmen, der den Kernresonanzfrequenzen entspricht, die proportional den Intensitäten der zu messenden magnetischen Felder sind.

Um den Niederfrequenzkreis auf ziemlich verschiedene Frequenzen abstimmen zu können, schaltet man gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung zwischen den Ausgang des Kabels 21 und den veränderlichen Kondensator 10 einen Transformator 22 hoher Güte; man stellt die Spule 9 aus ausreichend schwachen Windungen her, damit die zum Abstimmen des Niederfrequenzkreises notwendige Kapazität in dem Frequenzbereich, in dem man arbeitet, sehr groß ist gegenüber der Kapazität des Verbindungskabels 21.

Der Transformator 22 zur Erhöhung der Spannung, der mit seiner Primärwicklung H₁ an das Kabel 21 angeschlossen ist, hat an den Klemmen seiner Sekundärwicklung 22_n, die mit dem veränderlichen Kondensator verbunden sind, einen Scheinwiderstand, der dem einer Induktion n²L entspricht, wobei η das Übersetzungsverhältnis des Transformators und L die Induktion der Spule 9 ist. Man wählt, was einfach ist, das Übersetzungsverhältnis η so, daß der Wert n^zL einer Induktivität entspricht, die mit einem veränderlichen Luftkondensator üblicher Kapazität (z. B. von 500 oder 1000 pF) in dem Frequenzbereich, in dem man arbeitet, abgestimmt werden kann, wobei dieser Kondensator bei 10 angeordnet ist.

Der Transformator 22 muß von großer Güte sein (er muß z. B. einen Gütefaktor Q von 1000 besitzen), damit er die sich ergebende Überspannung des Niederfrequenzstromkreises nicht verringert; diese erhöhte Spannung ist unerläßlich zum Aufrechterhalten der Schwingungen, die durch die Energie, die von der Spule 9 aufgenommen wird, erzeugt werden.

Um sich vor Fremdinduktionen zu schützen, ist es vorteilhaft, eine symmetrische Anordnung zu wählen, wobei, wie dargestellt, die Mitten der Spulen 9, 22j und 22_n sowie die Abschirmung des Koaxialkabels geerdet werden.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Fig.4 besteht darin, daß die Störungen vernachlässigt werden können, die durch das Verbindungskabel 21 herbeigeführt werden, insbesondere wenn man den Kopf oder die Untersuchungssonde bewegt, die im Schnitt in F i g. 1 dargestellt ist. Man weiß nämlich, daß durch mechanische Verengungen Schwankungen der Kapazität des Kabels 21 hervorgerufen werden können.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Intensitätsmessung eines schwachen magnetischen Feldes unter etwa lOGauß, insbesondere des Erdfeldes, mit einem Behälter, der eine Flüssigkeit mit Atomkernen eines bestimmten gyromagnetischen Verhältnisses und eine in der Flüssigkeit gelöste paramagnetische Substanz, deren Elektronenresonanzfrequenz im Magnetfeld Null einen endlichen Wert hat, enthält, mit einer Vorrichtung zur Sättigung mindestens einer Elektronenresonanzlinie dieser Substanz, mit einem mit der als Lösungsmittel dienenden Flüssigkeit in Energieaustausch stehenden und auf die Resonanzfrequenz der Kerne ' derselben abstimmbaren Resonanzkreis und mit Mitteln zum Messen dieser Resonanzfrequenz nach Patent 1191480, gekennzeichnet durch eine elektrische Abschirmung zur Vermeidung von Kopplungen zwischen der Hoch- und der Niederfrequenzspule, die undurchlässig für die Energie mit der Frequenz der Elektronenresonanzlinie, jedoch durchlässig für die Energie mit der Frequenz der Kernresonanz ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus einem wenigstens teilweise leitenden Rohr (16) besteht, das einerseits längs einer ersten Mantellinie (18) und andererseits in mehrere im wesentlichen zu dieser Mantellinie senkrecht stehende Abschnitte aufgeschnitten ist, wobei die so entstandenen leitenden Abschnitte (Bänder, 15), die durch die doppelten Schnitte gegeneinander isoliert sind, elektrisch mit der Masse längs einer zweiten Mantellinie des Rohres (16) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Potential der rohrförmigen Abschirmung längs der zweiten Mantellinie das arithmetische Mittel der Potentiale an den Rändern der Bänder (15) entlang der ersten Mantellinie (18) des Rohres (16) darstellt.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus einem Solenoid (14) mit zahlreichen Windungen (15) aus leitendem Draht sowie einem geraden Leiter (17) besteht, der auf die Windungen (15) des Solenoids längs einer Mantellinie aufgeschweißt ist, wobei Draht und Leiter mit einer Isolierschicht bedeckt sowie in einem zylindrischen, das Rohr darstellenden Isolierkörper eingebettet sind und dieser zylindrische Körper längs einer weiteren Mantellinie (18) aufgeschlitzt ist, die der Mantellinie, längs der der Leiter (17) verläuft, gegenüberliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittswerte des Drahtes, der die Windungen (15) des Solenoids (14) bildet, zwischen der Eindringtiefe der elektrischen Energie in den Zylinder bei der Frequenz der Kernresonanz und derjenigen bei der Frequenz der Elektronenresonanz der Lösung liegt, und zwar in dem Bereich der zu messenden magnetischen Felder.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspule (6) im Inneren des Behälters (1) angeordnet ist und in die darin befindliche Lösung (2) eintaucht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspule (6) aus einer sehr kleinen Anzahl von Windungen besteht, die mit einer Schicht von einer Stärke von ungefähr 5 mm aus einer dielektrischen Substanz mit geringen Verlusten bedeckt sind.

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8, Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7 zum Messen magnetischer Felder innerhalb eines relativ großen Bereiches, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Niederfrequenzspule (9) mit der Primärspule (22j) eines Transfermators (22) hoher Güte ein koaxiales Übertragungskabel (21) vorgesehen ist, während mit der Sekundärspule (22_n) des Transformators ein veränderlicher Kondensator (10) üblicher Art verbunden ist, der einen Teil des Niederfrequenzkreises darstellt und die Abstimmung desselben

auf die Frequenz der Kernresonanz ermöglicht,

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau des Niederfrequenzstromkreises, der aus einer Niederfrequenzspule (9), dem Koaxialkabel (21), dem Transformator (22) und dem veränderlichen Kondensator (10) besteht, symmetrisch ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 561489.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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