DE1246115B - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Feldstaerke eines Magnetfeldes an einer Stelle durch Kernresonanz und zum Nachweis seiner Schwankungen an dieser Stelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIr

Deutsche Kl.: 2Ie-12

1246115
S80358IXd/21e
11. Juli 1962
3. August 1967

Bei der Messung der Feldstärke eines Magnetfeldes .an einer bestimmten Stelle und zum Nachweis seiner Schwankungen an dieser Stelle wird im allgemeinen die Frequenz der Mitte einer kräftigen schmalen Linie der magnetischen Kernresonanz gemessen. Bekanntlich ist die Larmor-Frequenz F eines in ein Magnetfeld H gebrachten Kernspins mit diesen durch folgende Beziehung verbunden:

F = γ

worin γ ein charakteristischer Koeffizient des unter Beobachtung stehenden Kernspins ist, welcher sehr genau bekannt ist und das gyromagnetische Verhältnis des Protons genannt wird.

Bei den bisher bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen dieser Art wird.einer Substanz, beispielsweise mit Protonen versetztem Wasser, Energie zugeführt, indem die Elektronen derselben mit Hochfrequenz erregt werden. Hierbei nimmt die Substanz diese Energie in verschiedenen Formen, insbesondere in Form von Protonenschwingungen auf, deren Eigenfrequenz proportional der Feldstärke des magnetischen Feldes ist, in welchem sie sich befindet, und die Protonensignale werden entsprechend diesen Schwingungen aufgefangen und über einen LC-Kreis, welcher die Frequenz stören kann, kohärent gemacht.

Um ein verhältnismäßig kräftiges kontinuierliches Signal zu erhalten, dessen Frequenz gleich der der durch die Formel (1) bestimmten Resonanz ist, hat man bereits einen Resonanzkreis mit sehr hohen Gütekoeffizient benutzt. Die praktische Unmöglichkeit, gewisse Grenzen zu überschreiten, hat dazu geführt, den Gütekoeffizienten dieses Kreises künstlich durch eine positive Rückkopplung mittels eines Verstärkers zu erhöhen. Dieser Kunstgriff besitzt jedoch den Nachteil einer schwierigen Dosierung der Rückr kopplung und einer Frequenzmitnähme bei einer geringen Verstimmung zwischen der Kernresonanzfrequenz und der Frequenz des Resonanzkreises.

Angesichts dieser Nachteile der bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein. Verfahren zu schaffen, welches einmal die Frequenzmitnahme vermeidet und zum anderen die Intensität des Äusgangssignals erhöht. :

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem in an sich bekannter Weise die Kerne einer Protonensubstanz einem Overhauser-Abragarn-Effekt bei Phasenübereinstimmung mit durch Verwendung eines LC-Kreises erhaltenen Protonensignals unter-Verfahren und Vorrichtung zur Messung der
Feldstärke eines Magnetfeldes an einer Stelle
durch Kernresonanz und zum Nachweis seiner
Schwankungen an dieser Stelle

Anmelder:

SUD-AVIATION, Societe Nationale de
Constructions Aeronautiques, Paris

Vertreter:

Dipl.-Phys. Dr. W. Andrejewski, Patentanwalt,
Essen, Kettwiger Str. 36

Als Erfinder benannt:

Andre Denis Herblay, Seine-et-Oise;

Guy Ripart, Plessis-Robinson (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 13. Juli 1961 (867 872)

worfen werden, in der Weise durchzuführen, daß der LC-Kreis zu einer erzwungenen Schwingung mit einer Frequenz in der Nähe der Larmor-Frequenz der Protonen dieser Substanz durch lose Kopplung mit einer diese erzwungene Schwingung erzeugenden Hilfsquelle erregt wird, die Frequenz der von dieser Hilf squelle abgegebenen Signale von der Frequenz des Ausgangssignals dieses LC-Kreises gesteuert und dadurch eine Synchronität der von dieser Hilfsquelle abgegebenen Signale mit den Protonensignalen erzielt wird, woraufhin die diesen Protonensignalen und diesen Hilfssignalen gemeinsame Frequenz zur Bestimmung der Feldstärke des Magnetfeldes gemessen wird und zur Feststellung der Schwankungen dieses Feldes die Veränderungen des Steuerstromes der Hilfsquelle beobachtet werden.

Es ist insbesondere vorgesehen, daß die Protonensignale verstärkt und dann zur Erzeugung eines von der Phasenverschiebung zwischen ihnen und den Hilfssignalen abhängenden Stromes mit denen der Hilfsquelle verglichen werden, und daß der auf diese Weise erhaltene Strom zur Veränderung der Frequenz des Hilfsoszillators in Abhängigkeit von dieser Phasenverschiebung ausgenutzt wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Feldstärke des Magnetfeldes an einer Stelle mit

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einer Sonde, welche in an sich bekannter Weise durch Kenntnisse würde jeder Fachmann den LC-Kreis nur

eine Probe gebildet wird, welche einem Overhauser- als Zweipol verwenden, so daß zunächst die gemes-

Effekt ausgesetzte Kerne enthält und in der Spule sene Frequenz infolge der Frequenzmitnahme von

eines LC-Kreises angeordnet ist, ist dadurch gekenn- der Larmor-Frequenz verschieden wäre, da der

zeichnet, daß die Sonde lose mit einem Oszillator 5 LC-Kreis dazu neigt, in seiner Eigenfrequenz zu

regelbarer Frequenz-gekoppelt ist, welcher ebenso schwingen.

wie der LC-Schwingungskreis mit einem Phasen- Demgegenüber bildet der schematisch in F i g. 1 diskriminator verbunden ist, wobei auf die Intensität dargestellte LC-Kreis mit einer Induktivität L und des Ausgangsstromes des Diskriminators anspre- einem Kondensator C, welcher über eine Koppchende Einrichtungen vorgesehen sind, welche die io lungsimpedanz Z gespeist wird, einen Vierpol mit Frequenz des Oszillators so verändern, daß der den Eingangsklemmen 1 und 2 und den Ausgangs-Unterschied zwischen seiner Frequenz und der Lar- klemmen 3 und 4. Bei einer Änderung der Frequenz / mor-Frequenz der Kerne zum Verschwinden gebracht an den Eingangsklemmen 1 und 2 ändert sich die wird, wobei die Vorrichtung entweder einen an den Ausgangsspannung μ des Vierpols gemäß einer sche-Ausgang der Sonde angeschlossenen Frequenzmesser 15 matisch in F i g. 2 dargestellten Gesetzmäßigkeit, zur Messung der Feldstärke des Magnetfeldes oder welche die Bandbreite Z₁-Z₂ dieses LC-Kreises kenneinen an den Ausgang der Sonde angeschlossenen zeichnet.

Spannungsmesser oder eine auf die Stärke dieses Wenn, wie in F i g. 3 dargestellt, in die Spule L Stromes ansprechende Vorrichtung zum Nachweis der Fig. 1 ein Behälter5 eingeführt wird, welcher der Feldschwankungen oder mehrere oder die Ge- 20 mit Protonen versetztes Wasser enthält, und dieses samtheit dieser Geräte aufweist. Zweckmäßigerweise Wasser einem Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird, welist der Oszillator mit regelbarer Frequenz ein selbst- ches auf die Elektronenresonanz des paramagnetierregter Oszillator, welcher durch den vom Phasen- sehen Stoffs oder des reinen Wassers abgestimmt ist diskriminator gelieferten Strom gesteuert wird, wobei und durch einen Generator 6 erzeugt wird, welcher insbesondere vorgesehen" ist, daß die Resonanzele- 25 die Spulen 7 speist, welche gleichzeitig zu der Indukmente des selbsterregten Oszillators regelbarer Fre- tivitätL und dem zu der Zeichenebene senkrechten quenz eine Induktivität mit sättigbarem Eisenkern, Magnetfeld H senkrecht liegen, so stellt man fest, daß dessen Sättigungswicklung mit dem Ausgang des die Ausgangsspannung μ' des Vierpols die Form der Phasendiskriminators verbunden ist, und einen ver- F i g. 4 annimmt. Für einen gewissen durch die Gleiänderlichen Abstimmkondensator umfassen. _ Nach 30 chung (1) gegebenen Wert F der Eingangsfrequenz einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist ein eine tritt eine sehr feine Linie großer Amplitude auf, Zeitkonstante aufweisender Kreis in den Steuerkreis welche einer Energieaussendung durch die Kernspins des selbsterregten Oszillators zur Verzögerung der des Wassers in dem umgebenden Magnetfeld H entKorrektur der Frequenz dieses Oszillators eingeschal- spricht und unter dem Namen Overhauser-Abragamtet, wodurch über die auf die Stärke des Ausgangs- 35 Effekt bekannt ist.

stromes ansprechende Vorrichtung ein genauer Nach- Bei Vergleich der Phasen der Eingangsspannung weis der Schwankungen des Magnetfeldes erziel- und der Ausgangsspannung des Vierpols der F i g. 3 bar ist. - bei einer Schwankung der Speisefrequenz Z um die . Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug- Kernresonanzfrequenz F, ändert sich in erster Annahme auf die Zeichnung an Hand einiger Ausfüh- 40 näherung die Differenz φ zwischen den Phasen linear rungsbeispiele erläutert; es zeigt mit dieser Eingangsfrequenz f, so daß bei richtiger

F i g. 1 einen bekannten LC-Kreis, Wahl des Ursprungs geschrieben werden kann:

F i g. 2 das schematische Schaubild der Ausgangs- = A (f — ΊΛ Γ9Ϊ

spannung des LC-Kreises der F ig. 1 in Abhängigkeit ^ψ ■ ^ ^r}' ^^}

von seiner Eingangsfrequenz, 45 worin A eine Konstante ist.

Fig. 3 schematisch eine Sonde zur Untersuchung Diese Eigenschaft wird erfindungsgemäß zur Her-

eines Magnetfeldes durch Kernresonanz, welche mit stellung eines praktischen Gerätes benutzt, welches

dem LC-Kreis der Fig. 1 kombiniert ist, die Messung der Kernfrequenzen F und somit der

F i g. 4 ein schematisches Schaubild der Spannung umgebenden Magnetfelder nach der Gleichung (1)

in Abhängigkeit von der Frequenz für die Sonde der 50 gestattet.

Fig.3, Diese Phasendifferenz wird mittels eines Phasen-

F i g. 5 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen diskriminators in einen Strom umgewandelt, welcher

Vorrichtung zur Messung der Feldstärke eines Ma- zur Steuerung der Frequenz eines selbsterregten Os-

gnetfeldes durch Kernresonanz, welche mit einem zillators regelbarer Frequenz so ausgenutzt wird, daß

Spannungsmesser zur Untersuchung der Amplitu- 55 seine Frequenz mit der Larmor-Frequenz F zum Zu-

denänderungen der Kernresonanzlinie versehen ist, sammenf allen gebracht wird und daß der selbsttätige

Fig. 6 und 7 Ausschnitte aus der in Fig. 5 dar- Nachlauf bei einer Änderung dieser Frequenz sichergestellten Vorrichtung, welche mit einem Frequenz- gestellt wird.

messer zur Messung der Kernresonanzfrequenz "bzw. Hierfür weist, wie in Fig. 5 dargestellt, die Vor-

einem Strommesser zur Untersuchung der Strom- 60 richtung eine Sonde 8 auf, welche durch den

Schwankungen des Steuerkreises ausgerüstet sind. LC-Kreis der Fig. 3 gebildet wird, dessen Teile die

Dem Fachmann ist bekannt, daß ein Schwingkreis, gleichen Bezugszeichen wie in dieser Figur mit dem welcher den Protonenschwingungen angekoppelt ist, Index α tragen, sowie einen selbsterregten Oszillaeine Frequenz ergibt, welche proportional der Feld- tor 9 mit regelbarer Frequenz, dessen Ausgang mit stärke des Magnetfeldes ist, welchem die Protonen 6s den Eingangsklemmen Iß und la dieser Sonde verausgesetzt sind, und daß man andererseits die Fre- bunden ist. Dieser selbsterregte Oszillator mit regelquenz eines Oszillators mit der eines gegebenen Si- barer Frequenz weist in dem dargestellten Beispiel gnals zusammenfallen lassen kann. Trotz dieser als Resonanzelement eine Induktivität L₁ mit sättig-

barem Kern 10 mit einer Sättigungswicklung 11 und einen veränderlichen Abstimmkondensator C₁ auf.

Die Vorrichtung enthält ferner einen an die Ausgangsklemmen 3 α und 4 α der Sonde 8 angeschlossenen Verstärker 12 mit niedrigem Störpegel und einen Phasendiskrirninator 13, dessen Klemmen 14 und 15 die Ausgangsspannung des Verstärkers 12 und dessen Klemmen 16 und 17 die Ausgangsspannung des selbsterregten Oszillators 9 zugeführt wird. Die Ausgangsklemmen 18 und 19 des Phasendislcrirninators sind mit der Sättigungswicklung 11 des selbsterregten Oszillators 9 verbunden. Bei einem derartigen oder einem beliebigen anderen gleichwertigen Oszillator ändert sich die erzeugte Frequenz / entsprechend dem durch die Wicklung 11 fließenden Strom f.

Die nachstehenden Ausführungen bleiben grundsätzlich gültig, wenn man davon ausgeht, daß diese Änderung in erster Annäherung in einem beschränkten Bereich linear ist und die Form hat

/ = /„ + Bi, (3) ^ao

worin/₀ die Eigenfrequenz desSchwingungskreisesL₁₅ C₁ und B eine Konstante ist.

Bekanntlich liefert der Phasendiskriminator 13 an seinen Ausgangsklemmen 18 und 19 einen Strom, welcher eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den bei 14-15 bzw. 16-17 zugeführten Spannungen ist. Zur weiteren Vereinfachung der Ausführungen sei angenommen, daß diese Beziehung wenigstens in einem gewissen Bereich linear ist. Es kann daher mit einer Konstanten C geschrieben werden:

i — C<p. (4)

Die Kombination der Gleichungen (2), (3) und (4) ergibt

f~f₀ = BCAQ-F)

ABC

(5) densators C₁ vorgesehen. Diese Abstimmung wird von Hand angenähert vorgenommen, z.B. bis auf 4Hz genau. Hierfür wird der an die Klemmen 14 und 15 angeschlossene Spannungsmesser V beobachtet. Sobald die angenäherte Frequenz /_fl.in den Regelbereich des Diskriminators 13 kommt, springt die Frequenz selbsttätig auf die Frequenz F, und die Anzeige des Spanmmgsmp.ssp.rs V nimmt sofort merklich zu.

Von diesem Augenblick an ermöglicht die obige Vorrichtung bei einer Schwankung der magnetischen Kernresonanzfrequenz F in Abhängigkeit von einer Änderung des Magnetfeldes sicherzustellen, daß die Frequenz am Ausgang des Verstärkers 12 gleich dieser veränderlichen Frequenz bleibt.

Die Benutzung der Vorrichtung gemäß Fig. 5 kann auf dreierlei Weise erfolgen:

a) Wie in F i g. 6 dargestellt, wird zwischen die Ausgangsklemmen des Verstärkers 12 ein Fre-

ao quenzmesser 20 geschaltet, welcher die Ausgangsfrequenz des Verstärkers angibt, d. h. die Lamor-Frequenz oder die magnetische Kernresonanzfrequenz der benutzten Kerne, aus welcher der Absolutwert des Magnetfeldes H mit jeder gewünschten Genauigkeit mittels der Gleichung

(1) bestimmt wird;

b) durch Ablesen des Spannungsmessers V der F i g. 5 oder durch Aufzeichnung in einer diesen ersetzenden Registriervorrichtung werden die Änderungen der Spannung an den Ausgangsklemmen des Verstärkers 12 untersucht, um die -Amplitudenänderungen der Kernresonanzlinie zu verfolgen;

c) entweder durch unmittelbare Ablesung oder durch Aufzeichnung mittels eines in den Steuerkreis eingeschalteten Gerätes 21 (Fig. 7) wird der Strom i untersucht, welcher zwischen den Klemmen 18 und 19 des Phasendiskriminätors 13 fließt und ein kennzeichnendes Element für den Verlauf des Magnetfeldes H bildet, da seine Schwankungen eine Anzeige liefern, welche zu den Schwankungen des Magnetfeldes proportional ist, in welches die Sonde gebracht ist. Diese letztere Benutzungsart kann noch dadurch

worin A, B, C von der Bemessung der Apparate herrührende Konstante sind, wobei insbesondere B und C sehr groß gemacht werden können.

Da (/—/„) notwendigerweise einen endlichen Wert 45 verbessert werden, daß in^en Steuerkreis ein Kreis hat, kann offenbar die Größe Q-F) beliebig klein ge- 22 mit erheblicher Zeitkonstante eingeschaltet wird, macht werden, bis folgende Gleichheit erhalten wird: Bei dieser Anordnung ergeben die langsamen Ände- j __ ρ (6) rangen des Magnetfeldes H ebenfalls langsame Än

derungen des Stromes i. Jede schnelle Änderung des

Diese Gleichheit wird selbsttätig durch die erfin- 5° Feldes erzeugt dagegen ein sehr starkes Signal, weldungsgemäße Anordnung hergestellt, und zwar selbst, ches die kontinuierliche Aufzeichnung durch die Vorwenn sich später F aus irgendeinem Grund ändert. richtung 21 sofort erkenntlich macht.

Es sind daher am Ausgang des Verstärkers 12 Si- Es ist zu bemerken, daß das Verfahren und die gnale verfügbar, deren Frequenz der der Resonanz- Vorrichtung gemäß der Erfindung die· Benutzung linie entspricht und ohne Regelung den Schwankun- 55 einer Niederfrequenzquelle ohne besondere Stabiligen dieser Kernresonanzfrequenz folgt, welche durch
selbst schnelle Änderungen des zu messenden Magnetfeldes erzeugt werden.

Die Bedeutung der Erfindung besteht also darin,

daß eine Anordnung mit regelbarer Frequenz herge- 60 dann mit einer sehr großen Genauigkeit durch die stellt wird, welche an die magnetische Kernresonanz- Messung der Frequenz des Signals am Ausgang des frequenz »angehängt« wird.

Die verschiedenen obigen Beziehungen sind offenbar nur in einem ziemlich engen Frequenzbereich gültig, so daß der selbsttätige Nachlauf nur richtig arbeitet, wenn das System vorher genügend angenähert wurde. Aus diesem Grund ist die Abstimmung des selbsterregten Oszillators 9 mittels des Drehkon-

tätsbedingungen gestatten, um eine Kernresonanzlinie zu erhalten, welche ohne Einstellung von Hand selbst schnellen Schwankungen des zu messenden Magnetfeldes folgt. Die Messung desselben kann d i i

g q g gg

Verstärkers mit niedrigem Störpegel erfolgen, ohne daß eine Frequenzmitnahme auftritt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Feldstärke eines Magnetfeldes an einer Stelle durch Kernresonanz und zum Nachweis seiner Schwankungen an die-

ser Stelle, bei welchem die Kerne einer Protonensubstanz einem Overhauser-Abragam-Effekt bei Phasenübereinstimmung mit den durch Verwendung eines LC-Kreises erhaltenen Protonensignalen unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der LC-Kreis zu einer erzwungenen Schwingung mit einer Frequenz in der Nähe der Larmor-Frequenz der Protonen dieser Substanz durch lose Kopplung mit einer diese erzwungene Schwingung erzeugenden Hilfsquelle erregt wird, die Frequenz der von dieser Hilfsquelle abgegebenen Signale von der Frequenz des Ausgangssignals dieses iC-Kreises gesteuert und dadurch eine Synchronität der von dieser Hilfsquelle abgegebenen Signale mit den Protonen-. Signalen erzielt wird, woraufhin die diesen Protonensignalen und diesen Hilfssignalen gemeinsame Frequenz zur Bestimmung der Feldstärke des Magnetfeldes gemessen wird und zur Feststellung der Schwankungen dieses Feldes die Veränderungen des Steuerstromes der Hilfsquelle beobachtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Protonensignale verstärkt und dann zur Erzeugung eines von der Phasenverschiebung zwischen ihnen und den Hilfssignalen abhängenden Stromes mit denen der Hilfsquelle verglichen werden und daß der auf diese Weise erhaltene Strom zur Veränderung der Frequenz des Hilfsoszillators in Abhängigkeit von dieser Phasenverschiebung ausgenutzt wird.

3. Vorrichtung zur Messung der Feldstärke eines Magnetfeldes an einer Stelle zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 "mit einer Sonde, welche in an sich bekannter "Weise durch eine Probe gebildet wird, welche einem Overhauser-Effekt ausgesetzte Kerne enthält und in der Spule eine LC-Kreises angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (8) lose mit ■ einem Oszillator (9) regelbarer Frequenz gekoppelt ist, welcher ebenso wie der LC-Schwingungskreis mit einem Phasendiskriminator (13) verbunden ist, wobei auf die Intensität des Ausgangsstromes des Diskriminators ansprechende Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Frequenz des Oszillators so verändern, daß der Unterschied zwischen seiner Frequenz und der Lamor-Frequenz der Kerne zum Verschwinden gebracht wird, wobei die Vorrichtung entweder einen an den Ausgang der Sonde angeschlossenen Frequenzmesser (20) zur Messung der Feldstärke des Magnetfeldes oder einen an den Ausgang der Sonde angeschlossenen Spannungsmesser (PO oder eine auf die Stärke dieses Stromes ansprechende Vorrichtung (21) zum Nachweis der Feldschwankungen oder mehrere oder die Gesamtheit dieser Geräte aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (9) mit regelbarer Frequenz ein selbsterregter Oszillator ist, welcher durch den vom Phasendiskriminator (13) gelieferten Strom' gesteuert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzelemente des selbsterregten Oszillators (9) regelbarer Frequenz eine Induktivität (L₁) mit sättigbarem Eisenkern (10), dessen Sättigungswicklung (11) mit dem Ausgang des Phasendiskriminators (13) verbunden ist, und einen veränderlichen Abstimmkondensator (C₁). umfassen.

6. Vorrichtung' nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Zeitkonstante aufweisender Kreis (22) in den Steuerkreis des selbsterregten Oszillators (9) zur Verzögerung der Korrektur der Frequenz dieses Oszillators eingeschaltet ist, wodurch über die Vorrichtung (21) ein genauer Nachweis der Schwankungen des Magnetfeldes erzielbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
ÜSA.-Patentschrift Nr. 2 894199;
»ENT«, 16 (1939), S. 187 bis 203.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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