DE1281558C2 - Einrichtung zum Messen der Frequenz des Ausgangssignals eines Protonen-Praezessions-Magnetometers - Google Patents

Description

betragenden Hilfsfrequenz enthält, dadurch
gekennzeichnet, daß die Frequenz des

Oszillators durch eine Regelspannung geregelt 30

wird und an seinem Ausgang ein Frequenzteiler
angeschlossen ist, der für N Perioden der Oszillator-Ausgangsspannung eine Periode seiner Aus- Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen gangsspannung erzeugt, wobei N eine Zahl größer der Frequenz des Ausgangssignals eines auf dem als 1 ist, und daß Mittel zum Vergleichen des 25 Prinzip der freien Präzession von Protonen beruhen-Signals, dessen Frequenz die Präzessionsfrequenz den Magnetometers, bei dem die Protonen emer ist, mit dem Ausgangssignal des Frequenzteilers geeigneten Substanz in Präzessionsschwingungen zur Bildung der Regelspannung vorgesehen sind, versetzt werden und die Präzessionsfrequenz gemeswodurcn die Frequenz der Ausgangsspannung des sen wird, mit einem Programmierer, der die Protonen frequenzveränderbaren <~>szillators auf den jeweils 30 der Substanzprobe in regelmäßiger Folge einem star-/V-fachen Wert der Präzessionsfrequenz geregelt ken Magnetfeld aussetzt, zur Anregung der Präzeswird, und schließlich in .n sich bekannter Weise sionsschwingungen dieses Feld plötzlich abschaltet die zur unbekannten Frequenz in ein bestimmtes und die Prüfspule an eine Frequenzmeßeinrichtung Verhältnis gesetzte Frequenz des frequenzverän- legt, die einen in seiner Frequenz änderbaren Oszilderbaren Oszillators unmittelbar durch einen Zäh- 35 lator zur Erzeugung einer ein Vielfaches der zu mes-Ier gemessen wird. senden Präzessionsfrequenz betragenden Hilfsfrequenz

2. Einrichtung zum Messen der Frequenz nach enthält.

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mit- Solche Magnetometer messen die Stärke von

tel zur Messung der Ausgangsirequenz des fre- Magnetfeldern durch Ausnutzung der Tatsache, daß quenzveränderbaren Oszillators die Perioden des 40 die Atomkerne ein magnetisches Moment haben, das Oszillator-Ausgangssignals über einen Zeitraum mit äußeren magnetischen Feldern zusammenwirken zählen, der so gewählt ist, daß eine Direktanzeige kann. Wenn ein Kern, der einen von Null verschiededer in passenden Einheiten zu messenden Stärke nen Wert des magnetischen Momentes aufweist, in des magnetischen Feldes erhalten wird. ein äußeres Magnetfeld gebracht wird, das die Resul-

3. Einrichtung zum Messen der Frequenz nach 45 tante zweier zueinander geneigter Feldkomponenten Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß ist, dann hat der Vektor des magnetischen Kernzum Vergleich von Frequenz und Phase der Aus- momentes die Tendenz, in die gleiche Richtung zu gangsspannung des an den frequenzveränderba- drehen wie die des äußeren magnetischen Fddes. ren Oszillator angeschlossenen Frequenzteilers Wenn das magnetische Kernmoment mit dem äuficren mit der Frequenz und Phase der Protonenprä- 50 magnetischen Feld fluchtet und eine der Feldkompozession ein Phasendetektor dient, der die Regel- nenten plötzlich abgeschaltet wird, präzediert der spannung erzeugt, die auf den frequenzveränder- Kern in der verbleibenden Feldkomponente in einer baren Oszillator rückgekoppelt wird. Weise, die der Präzession eines Kreisels im Gnivita-

4. Einrichtung zum Messen der Frequenz nach llonsfeld analog ist. Die Präzessionsfrequenz hängt Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen 55 nicht vom Winkel zwischen den Feldkomponcnten vom Programmierer (B) gesteuerten quarzgenauen ab, außer daß keine Präzession eintritt, wenn die bei-Zeitfolge-Generator, einen Zähler und eine zwi- den Felder die gleichen oder genau entgegengesetzte sehen dem frequenzveränderbaren Oszillator und Richtungen haben. Die Präzessionsfrequenz ist jedoch dem Zähler liegende Torschaltung, wobei der direkt proportional zur Stärke der verbleibenden Zähler bei geöffneter Torschaltung die Perioden- 60 magnetischen Feldkomponente. So ist es durch Bezahl der Ausgangsspannung des Oszillators zählt Stimmung dieser Frequenz (Larmor-Frequenz) rnög- und die Torschaltung für eine durch den Zeit- Hch, die Stärke des verbleibenden magnetischen FeI-folge-Generatqr bestimmte Zeitspanne öffnet, des zu bestimmen.

welche bei einem Signal des Programmierers be- Ein Magnetometer der eingangs kurz geschilderten

ginnt, das Zeitfolge-Generator und Tor und damit 65 Art ist bereits bekannt, wie aus der deutschen Ausdie Zählung startet, wobei der Beginn der Zäh- legeschrift 1 049 112 und aus der Zeitschrift »Journal lung jedoch zeitlich gegenüber dem Abschaltzeit- of Scientific Instruments« vom März 1958 hervorpunkt für die Spule (A) so weit verzögert erfolgt, geht. Bei der Erfindung handelt es sich nun datum,

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bei einem derartigen Magnetometer die Frequenzmessung mit wesentlich größerer Genauigkeit durchzuführen, als dies bisher möglich war.

Der einfachste Weg zur elektronischen Frequenzmessung besteht darin, die Zah,l der Perioden innerhalb eines festen Zeitintervalle zu zählen. Bei einer Frequenzmessung, die für Feldstärkemessungen der erwähnten Art benutzt wird, ist es wesentlich, eine besonders hohe Genauigkeit zu erreichen. Weist der Frequenzmesser eine Genauigkeit von 1 Hz auf und beträgt die Larmor-Frecjuenz z.B. 2128,8Hz, wie dies einer erdmagpetischen Feldstärke von 0,5 Gauß entspricht, so ergibt sich nur eine Genauigkeit von etwa 25 zehntausendsteln Gauß, während inan Genauigkeiten benötigt, die etwa um das 25fache höher liegen.

Es wurde auch bereits, z. B. wie in der USA.-Patentschrift 2 561 490, versucht, eine höhere Genauigkeit dadurch zu erzielen, daß man die Zeit gemessen hat, die für eine ganz bestimmte Anzahl von Perioden des Protonenpräzessionssignals erforderlich ist. Eine solche Zeitmessung läßt sich mit iiöherer Genauigkeit durchführen, erfordert aber anschließend Rechenoperationen, die besonders störend sind, wenn ein·.· große Anzahl von Anzeigen gefordert wird. Zwar lassen sich auch viele in kurzen Zwischenräumen genommene Meßwerte mit Hilfe eines Digitalrechners verarbeiten, doch bedeutet dies einen sehr erheblichen Aufwand. Solche direkt digital messende Vorrichtungen sind zudem anfällig gegen Störsignale.

Weitere Nachteile der unmittelbaren Zeitmessung gegenüber einer Frequenzmessung liegen darin, daß hierbei ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis erforderlich ist. Bei den hier zu stellenden Anforderungen an die Genauigkeit muß dieses Verhältnis größer als 15 sein, und um ein solches Verhältnis vu erreichen, benötigt man ein sehr starkes polarisierendes Feld. Dieses muß eine Zeitlang wirksam sein, die annähernd gleich dem Meßintervall wird. Auf weitere Nachteile wird anschließend noch näher eingegangen.

Die eingangs gegebene Erläuterung des Meßprinzips eines Protonen - Präzessions - Magnetometers befaßt sich der Einfachheit halber nur mit einem einzelnen Kern. In einem praktischen Gerät jedoch wird die Präzessionsfrequenz mit einer Materialprobe bestimmt, die eine große Anzahl von Protonen enthält. Es wird eine Stoffprobe verwendet, von der einige Protonen durch ein magnetisches Feld polarisiert werden können. Wenn dieses magnetische F°ld zusammenbricht, werden diese Protonen in einem zweiten magnetischen Feld präzedieren. dessen Stärke gemessen werden soll. Die Präzession erzeugt ein nachweisbares Signal, dessen Frequenz die Larmortrequenz ist. Wasser, Kerosin, Mineralöl, Alkohol Und Benzin gehören zu den Substanzen, die mit Erfolg für die Messung des magnetischen Feldes benutzt worden sind. Die Atome in der Probe unterliegen einer regellosen thermischen Bewegung. Wenn jedoch eine Spule aus leitendem Material die Probe umgibt, bewirkt ein Gleichstrom ausreichender Stärke, der die Spule durchfließt, eine nusnutzbare magnetisch.; Polarisation der Kerne in der Probe. Wenn das polarisierende Feld plötzlich durch Abschalten des Spulenstromes beseitigt wird, präzedieren die politisierten Kerne in einem verbleibenden Feld, beispielsweise im erdmagnetischen Feld. Es ist wesentlich, daß das polarisierende Feld rasch beseitigt wird, weil sonst die Kerne infolge thermischer Effekte ihre Polarisation verlieren. Es ist ferner notwendig, daß das Feld in einer Zeit abklingt, die JsMn ist verglichen mit der Zeit für eine Periode der Kern-

S präzession.

Die Präzessionsfrequenz kann bestin-mt werden durch Messung der Schwingungsfrequenz einer elektrischen Spannung, die in einer die Protonenprobe umgebenden Spule induziert wird. Diese Spule kann

ίο dieselbe sein wie die für die Polarisation der Kerne benutzte Spule, es kann aber auch eine von dieser verschiedene Spule benutzt werden. Einer gewissen Schwierigkeit kann man begegnen bei der Abschirmung der Prüfspule gegen unerwünschte übeTgangsfelder. In diesem Falle ist die Verwendung einer einzigen Spule für die Polarisation und für das Prüfen ratsam. Es wurde bereits dargelegt, daß sich die Erfindung mit der Messung der Präzessionsfrequenz befaßt und welche Genauig!,:tsanforderungen dabei an die

ao Frequenzmessung gestellt werden müssen. Bei einer Zählung der Perioden innerhalb eines festen Zeiiintervalls lassen sich mit Zählern, die eine Genauigkeit von ± einer Periode aufweisen, nur Genauigkeiten von etwa ± 25 Gamma erreichen, wenn für

*5 die Feldstärkebestimmung eine Sekunde zur Verfügung steht. Bei erdmagnetischen Messungen jtdoch wird eine Genauigkeit von ± 1 Gamma angestrebt. Das Zeitintervall für die Zählung kann wiederum aus den bereits angegebenen Gründen nicht merklich erhöht werden. Auch eine Messung der Zeit, die für eine feste Anzahl von Perioden der Protonenpräzessionsschwingung benötigt wird, ist unbefriedigend, wie oben bereits erwähnt wurde. Wird die Zeitmessung in Digitalform geboten und in einem Streifen gelocht, wie es üblich ist, so entstehen beträchtliche Kosten durch die Verwendung e^:nes Digitalrechners. Analoge Methoden der Aufzeichnung sind unbefriedigend, weil die Empfindlichkeit der Aufzeichnung sich umgekehrt zur gesamten magnetischen FeIdstärke verändert und die Null-Linie der Registrierung eher ungeraden Gammazaiilen entspricht als den Vielfachen von 100 oder 1000 Gamma.

Es wurde auch bereits dargelegt, daß eine direkte Zeitmessung ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis erfordert, was nur mit einem starken polarisierenden Feld erreichbar ist und nur, wenn dieses etwa ebenso lange wie die Zeitdauer des anschließenden gesamten Meßintervalls wirksam ist. Ein niedriger Leistungsverbrauch des Magnetometers ist andererseits wieder wichtig bei tragbaren Batteriegeräten, und ganz besonders bei Magnetometern, die in Raketen oder Satelliten untergebracht sind. Ferner muß für ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auch die Bandbreite des Systems schmal sein, und es wird dahf-r ein kompliziertes Abstimmsystem erforderlich für Messungen, die einen weiten Bereich von Feldern überdecken, wie dies bei der Anwendung aus det Luft und in Satelliten der Fall sein kann.

Die Erfindung beseitigt die vorerwähnten Schwierigkeiten und kennzeichnet sich dadurch, daß die Frequenz des Oszillators durch eine Regclspannung geregelt wird und an seinem Ausgang ein Frequenzteiler angeschlossen ist, der für N Perioden der Oszillator-Ausgangsspannung eine Periode seiner Ausgangsspannung erzeugt, wobei /V eine Zahl größer als 1 ist, und daß Mittel zum Vergleich des Signals, dessen Frequenz die Präzessionsfrequenz ist, mit dem Ausgangssignal des Frequenzteilers zur Bildung der

Regelsparinung vorgesehen sind, wodurch die Fre- nung umgewandelt wird. Diese Spannung steuert

quenz der Ausgangsspannung des frequenzveränder- einen frequenzveränderlichen Hilfsoszillator, dessen

baren Oszillators auf den jeweils AZ-fachen Wert der Ausgangsfrequenz einem Frequenzteiler mit einem

Präzessionsfrequenz geregelt wird, und schließlich in dem Vervielfacher entsprechenden Untersetzungsver-

an sich bekannter Weise die zur unbekannten Fre- 5 hältnis zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Tei-

quenz in ein bestimmtes Verhältnis gesetzte Frequenz lers und das Eingangssignal der Schaltung beeinflus-

des frequenzveränderbaren Oszillators unmittelbar sen eine Vergleichsschaltung in der Weise, daß an

durch einen Zähler gemessen wird. deren Ausgang eine Regelspannung entsteht, welche

Schutz wird nur für die Kombination der Merk- den Vervielfacher regelt. Diese Schaltung weist den

male und nicht für die Einzelmerkmale begehrt. io Nachteil auf, daß der frequenzveränderbare Hilfs-

Die auf diese Weise vervielfachte Frequenz kann oszillator aus Stabilitätsgründen von zwei Spannunmit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden gen gesteuert bzw. geregelt wird. Ein solcher Hilfsund das Resultat mit einer Proportionalitätskonstan- oszillator ist nicht über einen ausreichend großen ten multipliziert werden, um eine direkte Anzeige in Frequenzbereich regelbar, wie dies zur Messung der geeigneten Einheiten (z. B. Gamma) des erdmagne- 15 Präzessionsfrequenz von Einrichtungen der eingangs tischen oder eines anderen Feldes zu ergeben. Die erwähnten Art notwendig ist. Außerdem ist eine üblichen Verfahren zur Frequenzvervielfachung sind derart komplizierte Schaltung für ein transportables für solche Zwecke ungeeignet, und zwar deshalb, Gerät zu störanfällig.

weil diese Verfahren nur in einem schmalen Fre- Bei Anwendung der Erfindung ergibt sich der

quenzbereich arbeiten. Da die Stärke des erdmagne- ao Vorteil, daß die Stärke des magnetischen Feldes

tischen Feldes über relativ weite Bereiche schwanken unmittelbar in den gewünschten Einheiten angegeben

kann, gilt das gleiche auch für die Präzessions- werden kann, wobei keinerlei Berechnungen mehr

frequenz, so daß die üblichen Verfahren der Fre- erforderlich sind. Vorteilhaft ist ferner der geringe

quenzvervielfachung hierfür unbrauchbar werden. Leistungsverbrauch und die Bandbreite der Anord-

An dieser Stelle sei bemerkt, daß es bereits be- as nung. Dies rührt daher, weil das übliche Verfahren

kannt ist, eine Frequenzmessung dadurch vorzuneh- von der Messung des Zeitintervalls zwischen zwei

men, daß die unbekannte Frequenz mit der veränder- diskreten Punkten des Protonensignals abhängt, und

baren Frequenz eines Oszillators verglichen wird und das in jedem Augenblick auftretende Rauschen be-

die Oszillatorfrequenz mit einem Zähler gemessen einträchtigt die Genauigkeit. Indessen wird bei der

wird (deutsche Patentschrift 1015 922). Dabei ge- 30 vorliegenden Erfindung die Frequenz des Protonen-

schieht die Frequenzmessung mit Hilfe eines Über- signals, gemittelt über die benutzte Zeitperiode, be-

lagerungsempfängers, mit dem die zu messende stimmt. So kann die Wirkung eines zufälligen

Frequenz in eine Zwischenfrequenz umgesetzt wird, Rauschens sehr klein gemacht werden, indem ein

wobei durch Einstellung des Überlagerers eine Über- Mitteln über viele Perioden des Protonensignals

einstimmung der Zwischenfrequenz herbeigeführt 35 erfolgt. Der Einfluß des Rauschens kann bei der

wird. Dabei soll die Überlagererfrequenz aus einem Erfindung ferner durch Einfügen eines Tiefpaßfilters

Vielfachen der Normalfrequenz und der Frequenz in die Rückkopplungsschleife vermindert werden, die

eines veränderbaren Oszillators gebildet werden, des- unmittelbar auf den Phasendetektor folgt. Die wirk-

sen Frequenz mit Hilfe eines Zählers bestimmt same, gemittelte Periode des Protonensignals kann

werden soll. 40 über einen weiten Bereich erstreckt werden, indem

Von dieser bekannten Schaltungsanordnung unter- man die Zeitkonstante des Filters bzw. eines glättenscheidet: sich die Frequenzmeßeinrichtung nach der den Netzwerkes, das in die Rückkopplungsschleife Erfindung aber in erheblichem Maße. Bei ihr wird der eingefügt ist, verändert.

veränderbare Oszillator automatisch so geregelt, daß Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

seine Frequenz ein Vielfaches der zu messenden Fre- 45 Zeichnungen naher erläutert, in denen

quenz ist. In diesem Zusammenhang sind auch die Fig. 1 ein Blockdiagramm darstellt, welches den

Schwierigkeiten zu beachten, die im Zusammenhang Weg des Signals durch die Teile eines direkt an-

mit einer Frequenzmessung für den vorliegenden zeigenden Protonen-Präzessioas-Magaetometers zeigt,

Zweck bereits geschildert wurden. und

Im deutschen Patent 1 108 447 ist bereits vorge- 50 Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorschlagen worden, die Frequenz der Präzessions- zugten Ausführungsform des Frequenzvervielfachers Schwingungen nach Mischen des Präzessionssignals der F i g. 1 ist

mit dem Ausgangssignal eines Hilfsoszillators durch In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild gezeigt das Teile

Messen der Differenzfrequenz mit einem Zungenfre- des Magnetometers angibt Jedes der Teile ist in der

quenzmesser zu bestimmen. Zur Erzielung höherer 55 Technik bekannt Eine Protonenprobe S ist von einer

Genauigkeit wird dabei das niederfrequente Diffe- Spule A umgeben, welche bei Erregung durch Gleich-

renzsignal (Fig. 2) oder das unveränderte Präzes- strom ein magnetisches Feld erzeugt und dadurch die

sionssignal (Fig. 3) vor der Rückumsetzung in eine Protonen in der ProbeS polarisiert. Eine Probe von

tiefere Frequenzlage in der Frequenz vervielfacht 500 cm³ Wasser, welche durch eine polarisierende

Nachteilig bei diesem Schwebungsverfahren ist das 60 Spule, die lOOGauß in der Probe erzeugt umgeben

während des Meßvorganges erforderliche Nachstellen ist, erweist sich als für erdmagnetische Anwendungen

des Hilfsoszillators von Hand und die Notwendigkeit, geeignet Die polarisierende Spule muß genügend

einen empfindlichen und messungsgenaucn Zungen- rasch abschaltbar sein, um den bereits beschriebenen

frequenzmesser zur Messung der niedrigen Frequenz Bedingungen zu genügen. Diejenigen Protonen, die

verwenden zu müssen. 65 polarisiert worden sind, präzedieren in irgendeinem

Aus der deutschen Patentschrift 967 857 ist eine verbleibenden magnetischen Feld, sobald das polari-Vorridhtung zur Frequenzvervielfachung bekannt, bei sierende Feld zusammenbricht Die Präzession erder die Grundfrequenz in eine ihr proportionale Span- zeugt einen Strom, dessen Frequenz die Präzessions-

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frequenz ist, in einer Prüfspule von hohem Güte- polarisierenden Feldes auf die Probe, wird seine

faktorQ, welche die ProbeS umgibt. Die Prüfspule Arbeitsweise durch den Programmierers gesteuert,

und die polarisierende Spule können ein und dieselbe Ein Auslöseimpuls vom Programmierer B zu Beginn

sein. eines jeden Meßintervalls veranlaßt den Zähler P,

Ein Programmierer B steuert den Stromfluß durch 5 mit einer neuen Zählung zu beginnen. Wenn ein Zeit-

die Spulet. Zu Beginn eines jeden Meßintervalls intervall von einer Sekunde als Zählperiode benutzt

bewirkt der Programmierer das plötzliche Zusammen- wird, zeigt der Zähler P direkt die Frequenz des

brechen des polarisierenden magnetischen Feldes Oszillators D an.

durch Abschalten des Stromes zur polarisierenden Indessen ist es im allgemeinen erwünschter, eine

Spule. Wenn das polarisierende Feld auf Null oder to direkte Anzeige der magnetischen Feldstärke in pas-

nahezu Null vermindert ist, gestattet der Program- senden Einheiten zu erhalten als eine Anzeige der

mierer der Prüfspule, das durch die Protonenpräzes- Oszillator-Ausgangsfrequenz. Demgemäß öffnet ein

sion bewirkte Signal auf den Verstärker C zu über- Zeitintervall-Generator L ein Tor M zwischen dem

tragen. Nachdem eine für eine Frequenzmessung Zähler P und dem Oszillator D für eine vorgegebene

ausreichende Zeit verstrichen ist, erregt der Pro- 15 Zeitspanne. Dies hat die Wirkung einer Verviel-

grammierer die Polarisierungsspule wieder zur Vor- fachung der Oszillatorfrequenz durch eine Konstante

bereitung für die nächste Messung. Der Programmie- zwecks Erzielung einer direkten Anzeige der magne-

rer synchronisiert auch die Arbeitsweise verschiedener tischen Feldstärke in passenden Einheiten. Wenn

anderer Einheiten des Systems, wie später beschrieben z. B. Wasser verwendet wird, ist die Larmor-Frequenz

wird. ao 4257,60Hz pro Gauß. Wenn somit ein Zeitintervall

Es ist ein durch eine Regelspannung frequenz- _von Sekunden für die Zählung benutzt

veränderbarer Oszillator D vorgesehen, der bei Fre- 4257,70-W ⁶

quenzen schwingen soll, die iV-mal höher liegen als wird, ergibt der Zähler? eine direkte Anzeige der

die zu erwartenden Frequenzen der Protonenpräzes- magnetischen Feldstärke in Gamma (100 000

sion, wobei N die Frequenzvervielfachung ist. N ist as = 1 Gauß); für einen Wert von N = 32 würde z. B.

derart gewählt, daß die jeweils vorliegende Aufgabe das Zeitintervall 0,73398 Sekunden sein. Das erzeugte

gelöst werden kann. Wenn z. B. die erwartete Fre- Zeitintervall kann exakt erhalten bleiben, wenn ein

quenz der Protonenpräzession etwa 2000 Perioden kristallgesteuerter Oszillator K durch den Zeitintervall-

ist, entsprechend einem auf eine Wasserprobe ein- Generator als eine feste Bezugsfrequenz benutzt wird,

wirkenden erdmagnetischen Feld von etwa 50 000 30 Nachdem die Spule A durch den Programmierer B

Gamma, würde eine Frequenzvervielfachung von 25 mit dem Verstärker C verbunden ist, sollte ein kurzes

eine Ausgangsfrequenz von 50 000 ergeben. Ein auf Zeitintervall, typischerweise 0,25 Sekunden, ver-

± 1 Periode genauer Zähler würde dann eine streichen, bevor die Messung der Frequenz beginnt.

Genauigkeit ergeben von 1 :50 000 in einer 1 -Sekun- So können am Verstärker C erscheinende, infolge des

den-Anzeige oder etwa ± 1 Gamma, welches die bei 35 Schaltvorganges im Programmierers entstehende

erdmagnetischen Arbeiten übliche Genauigkeit ist. Ausschwingvorgänge abklingen, und es bleibt ge-

So würde ein geeigneter Wert für N in diesem Bei- nügend Zeit für die Frequenz des frequenzveränder-

spiel 25 sein. liehen Oszillators D, um genau das N-fache der

Die Ausgangsspannung des Oszillators D wird Protonenpräzessionsfrequenz zu erreichen. E:-st dann einem Frequenzteiler E zugeführt, der 1 Periode Aus- 40 wird der Zeitintervall-Generator L gestartet, welcher gangsspannung für je N Perioden Eingangsspannung das Tor M für das vorgegebene Zeitintervall öffnet, ergibt. Ein Vollweg-Phaseudetektor F mischt die ge- Während das Tor M offen ist, gelangen Ausgangstrennten Signale, die vom Verstärker C und vom impulse vom frequenzveränderbaren Oszillator D in Frequenzteiler £ empfangen werden, um eine Aus- den Zähler P. Am Ende des vorliegenden Zeitintergangsgleichspannung zu erhalten, deren Polarität be- 45 valls schließt das Tor M, und die Anzeige des Zähstimmt ist durch Phase und Frequenz der beiden lersP ist die Pulszahl, welche durch den frequenz-Spannungen. Die Ausgangsgleichspannung wird über veränderbaren Oszillator D in jenem Zeitintervall ein Tiefpaßfilter G und ein glättendes Netzwerk H erzeugt wird.

einem Gleichstromverstärker / zugeführt. Die Aus - Ein geeigneter Weg zur Messung der Frequenz des gangsspannung des Verstärkers / wird durch die 50 Oszillators D besteht darin, daß seine Ausgangs-Rückkopplungsschleife R rückgeführt, um die Fre- spannung direkt einem handelsüblichen Instrument quenz des Oszillators D zu steuern. Durch diese zugeführt wird, das bereits den Quarzoszillator, Rückkopplung wird der Oszillator D gezwungen, mit den Zeitintervall-Generator L, das Tor M und die einer Schwingungsfrequenz in Tritt zu kommen. Zählvorrichtung P, die eine an sich bekannte Bauart welche genau das iV-fache der Präzessionsfrequenz 55 aufweist, enthält. Der Auslösekreis dieser Zahlvorist; dabei ist die durch den Detektor F erzeugte Aus- richtung ist mit dem Programmierer B verbunden, so gangsgleichspannung konstant. daß sowohl der Zeitintervall-Generator L ausgelöst

Das Tiefpaßfilter G und das glättende Netzwerk H als auch der Zähler P zwecks Vorbereitung für die sind theoretisch für das Arbeiten des Systems nicht nächste Messung dann riickgestellt wird, wenn der notwendig. Das Tiefpaßfilter verringert im wesent- 60 polarisierende Strom von der Spulet abgeschaltet liehen den Betrag des auf den Oszillator D rück- wird. Ein geeignetes handelsübliches Instrument begekoppelten Rauschens, und die Rückkopplungs- sitzt z. B. eine Verzögerung von 0,015 Sekunden gleichspannung wird durch das Netzwerk H des nach der Auslösung, bevor eine neue Auszählung weiteren geglättet. beginnt. Diese Verzögerung wird für die Anwendung

Die Ausgangsfrequenz des Oszillators D wird durch 65 in dieser Meßeinrichtung noch ein wenig erhöht,

einen Zähler P in Standardausführung gemessen. nämlich auf 0,25 Sekunden, wie oben erwähnt, und

Damit er zu Beginn des Meßintervalls zu zählen zwar durch Erhöhung des Wertes einer in diesem

beginnt und nicht während der Einwirkung des Zähler vorgesehenen Kapazität. Die Anzeige des

Zählers P kann natürlich automatisch aufgezeichnet potential zu halten. Die Kathoden der beiden Triowerden, entweder in Ziffernform durch Verwendung den erhalten mittels eines gemeinsamen Kathodeneines Digitaldruckers oder durch Lochkarten bzw. Widerstandes 40 das gleiche Potential. Die Ausgangs-Lochstreifen oder in analoger Form durch Verwen- spannung der Triode 41 α gelangt an das Gitter einer dung eines Analogumrechners oder auf irgendeine 5 Triode 20 6, die als einfacher Kathodenverstärker andere zweckmäßige Weise. arbeitet. Die Ausgangsspannung der Triode 20 6 wird

F i g. 2 zeigt das Schaltschema eines Frequenzver- an einem Kathodenwiderstand 42 abgegriffen und

vielfachers, wie er in der Anordnung nach F i g. 1 dient zur Steuerung der Frequenz des frequenzver-

verwendet wird. Aus ihm sind insbesondere die änderlichen Oszillators durch Rückführung über eine

Teile D, E, F, G, H und J nach F i g. 1 im einzelnen io Rückkopplungsschleife R, die regelbaren Wider-

zu ersehen. Die dargestellte Schaltung ergibt eine stände 14 α und 146 sowie die Widerstände 13 d und

Frequenzvervielfachung auf das 16fache. lib. Die regelbaren Widerstände 14α und üb

Der frequenzveränderbare Oszillator D besteht aus dienen dazu, den Frequenzbereich des Oszillators einer Doppel triode 10 a und 106 zusammen mit den auf die Mitte des gewünschten Vielfachen (in diesem Widerständen 11 α und lift, 13a und 136,den Regel- 15 Falle ist der Faktor 16) der ProtonenpräzessionS-widerständen 14 a und 146 und den Kapazitäten 12 frequenz einzustellen. Die Einstellung der veränder- und 12/>. Die Kathoden beider Seiten der Doppel- baren Widerstände hängt ab von der Stärke des zu triode 10 a, 10 b sind geerdet. Die Anodenspannung messenden magnetischen Feldes. Die Ausgangswird dem Oszillator und den beiden anderen Röhren frequenz des Oszillators kann bestimmt werden durch der Schaltungsanordnung über Anschluß 16 zu- ao Anschalten eines üblichen Frequenzzählers an Angeführt. Die Anschlüsse 16, 28 und Erde sind ffiit der Schluß 15.

Stromversorgung des Gerätes verbunden. Der Fre- Die nachfolgende Aufstellung von Einzelteilen gibt

quenzteilerE in Fig. 2 entspricht dem Frequenz- Beispiele für geeignete Werte der Schaltelemente:

teiler £ gemäß Fig. 1. Die Eingangsspannung für _ti· j <« «αι. ,_λ .t,„

den Frequenzteiler £ wird dem Oszillator zwischen »5 Doppeltriode 10 a, 106 12 AU 7

Anschluß IS und Erde entnommen. Die Ausgangs- Doppeltriode 20 a, 20 b 12 AU 7

spannung des Frequenzteilers, dessen Frequenz -!der 3?.°P^pdti^{iode 41 a}' ^{41 b l2} ^ ⁷

^v * ^M Il ^^{ler E} Berkeley Modell

Eingangsfrequenz ist (in diesem Falle -jr = -rr) > liegt Nr. 705 AH, auf

„ . i? eine Sechzehnerzwischen den Anschlüssen 19 und 28. Diese Frequenz- teilung abgeändert

teiler-Ausgangsspannung wird über den Gitterwider- ^. . ,, ~~. ,,„ ,.*, „.,.-,

standl8 dann durch eine TriodeZOa zugeführt und Dioden 33 a, 336, 33 c, 33 d .. IN476

verstärkt. Die Triode 20 a erhält die Anodenspan- Transformator 30 Hammond Modell

nung über einen Anodenwiderstand 17. Ihre Kathode 35 ^Nr· ⁸^²

ist mit einem Kathodenwiderstand 27 verbunden, des- Widerstände 11 a, 11 b, 23, 24. 22 K

sen Wert mit dem des Widerstandes 17 übereinstimmt. Widerstände 13 a, 13 ft 82 K

Dadurch werden Spannungen entgegengesetzter Phase Widerstand 18 1 0 M

und gleicher Amplitude an der Anode und der _W;, „_t8_._{Ä Λ}-''Il _ΛΠ'_ν

Kathode der Triode 20 a gewonnen. Die Ausgangs- 40 widerstände «.«··· ⁴⁷ *

spannung der Triode 20 a wird über den aus Kapazi- Widerstände 22, 25, 35 100 K

täten 21 und 26 und Widerständen 22, 23, 24 und Widerstände34a,346,34c,34<i 33 K

25 bestehenden abgeglichenen Kreis einem Phasen- Widerstand 38 2,2 M

detektor 32 zugeführt, der aus Dioden 33 a, 335, 33 c Widerstand 39 147 M

und 33 d sowie Widerständen 34a, 34 b, 34 c und 34 d 45 _w., ,.« oov

besteht. Der Detektor erhält ferner eine Eingangs- widerstand 4« κ,ζ κ

spannung von der Sekundärwicklung 30 b eines Trans- Widerstand 45 1,8 M

formators 30. Dessen Anschlüssen 31 wird das Pro- Widerstand 42 56 K

tonenprazessionssignal nach Verstärkung zugeführt. Regelbare

Der Detektor 32 erzeugt eine Ausgangsgleichspan- 50 Widerstände 14 a, 14 6 ·, 5OK

nung, die zwischen der Mittelanzapfung 43 der Kondensatoren 12a, 126 100 _PF

Sekundärwicklung 30 6 und Anschluß 44 abgegriffen ^₇. , ** ** «„<- ^

werfen kann, welch letzterer der Mittelpunkt des Kondensatoren 21, 26 0,05 mF

anderen Brückeneingangs ist Die Ausgangsspannung Kondensator 36 0,1 mF

wird einem Tiefpaßfilter zugeführt, das aus einem 55 Kondensator 37 0,002 mF

Widerstand 35 und einem Kondensator 3 besteht.

Ein weiterer Kondensator 37 und Widerstände 38,39 Am Anschlußpunkt 16 sollen + 190 V und am

bilden ein glättendes Netzwerk. Der Widerstand 39 Anschluß 28 —110 V hegen, wenn die oben angegeist gleichzeitig der Gitterableitwiderstand für eine benen Bauelemente verwendet werden. Wenn die Triode 41a. Die Ausgangsspannung des glättenden 60 Eingangsspannung an Anschluß 31 eine Frequenz von Netzwerkes gelangt unmittelbar an das GitteT dies€i 2500 Hz hat, welche typisch ist für erdmagnetische Triode 41a, welche über einen Anodenwiderstand 45 Felder, die auf eine Wasserprobe einwirken, wirf, die versorgt wird. Diese Triode verstärkt die Eingangs- Ausgangsspannung an Anschluß 15 eine Frequenz spannung, und eine Triode 41 b arbeitet mit geerdeter von 40 000 Hz haben. Die Schaltung nach Fi g. 2 ist Anode, tun die Anode der Triode 41a dicht bei Erd- 65 anwendbar für Frequenzen dieser Größenordnung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

daß Ausschwingvorgänge bereits abgeJdungei Patentansprüche: sind. 5. Einrichtung WW Messen der Frequenz nact ^ d% kiht daß df 5. Einrichtung WW q

1. Einrichtung zum Messen der Frequenz des Anspruch^ daq%Qfl gekennzeichnet, daß dft Ausgangssignals eines auf dem Prinzip der freien 5 Öffnungszeit des Tores so gewählt ist, <jeß dei Prozession von Protonen beruhenden Magneto- Zähler eine Direktanzeige der zu messenden mameters, bei dem die Protonen einer geeigneten gnetiscben Feldstärke ra passenden Einheiten dei Substanz in Präzessionsschwingungen versetzt wer- magnetische« Feldstärke ergibt

den und die Präzessionsfrequenz gemessen wird, 6. Einrichtung zum Messen der Frequenz nact

mit einem Programmierer, der die Protonen der io einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch Substanz der Probe in regelmäßiger Folge einem gekennzeichnet, daß im Rückkopplungskreis nach

starken Magnetfeld aussetzt, zur Anregung der dem Piufsendefektor em Tiefpaßfilter hegt

Präzessionsschwingirogen dieses Feld plötzlipb #- 7. Pachtung zur Messung der Frequenz nach

schaltet und die Prüfspule an eine Frequenzmeß- einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

einrichtung legt, die einen in seiner Frequenz 15 gekennzeichnet, daß im Rückkopplungskreis nach änderbaren Oszillator zur Erzeugung einer ein dem Phasendetektor ein glättendes Netzwerk vor-

Vielfaches der zu messenden Präzessionsfrequenz gesehen ist.