DE1516924B1

DE1516924B1 - Magnetometer mit magnetischer Kernresonanz zur Messung der Feldstaerke eines schwachen magnetischen Feldes

Info

Publication number: DE1516924B1
Application number: DE19661516924
Authority: DE
Inventors: Antoine Salvi
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1965-04-22
Filing date: 1966-04-18
Publication date: 1970-03-12
Also published as: GB1137302A; ES325759A1; FI40835B; FR1447226A; SE302531B; NL154835B; BE678501A; DK132419B; LU50903A1; NL6605467A; CH459589A; DK132419C; IL25512A; US3441838A; NO123966B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Magnetometer mit nete Ergebnisse, seine im Prinzip genauen Messun-

magnetischer Kernresonanz, das einen Oszillator mit gen werden jedoch, da die Empfangsspule sehr

Spinkopplung aufweist, d. h. einen Oszillator mit zahlreiche Windungen besitzt (z. B. 6000 Windun-

zwei Blochschen Spulen, die an den Eingang und gen), durch zwei Erscheinungen gestört:

an den Ausgang eines linearen Verstärkers ange- 5 Die Empfangsspule besitzt zunächst für äußere

schlossen und elektromagnetisch entkoppelt sind. elektromagnetische Felder eine erhebliche Ober-

Von derartigen Magnetometern bezieht sich die fläche, so daß diese in der Spule elektromotorische

Erfindung insbesondere auf solche, die zur genauen Störkräfte induzieren, welche zu der elektromotori-

Messung eines schwachen Magnetfeldes (von über sehen Kraft der Kernresonanz geringer Amplitude

10~⁵ Oersted), ζ. B. des magnetischen Erdfeldes, io (in der Größenordnung von 50 μν an den Klemmen

dessen Stärke größenordnungsmäßig 0,5 Oersted der Spule) hinzutreten. Der nicht vollkommen lineare

beträgt, insbesondere von Bord eines Flugzeuges Verstärker formt die resultierende Eingangsspannung

oder einer Rakete, geeignet sind. in Frequenzmodulation um, da die mangelhafte

Ein Magnetometer der eingangs genannten Art ist Linearität in die Ausgangsgröße des Verstärkers am

beispielsweise in der französischen Patentschrift 15 Eingang nicht vorhandene Frequenzen (Oberwellen)

1 351587 beschrieben. Der Oszillator dieses Ma- einführt, so daß schließlich Schwebungen auftreten,

gnetometers enthält zwei Blochsche Spulen, die mit die durch den Frequenzmesser nicht ausgeschieden

ihren Spulenachsen senkrecht zueinander stehen und werden können.

auf einem Behälter mit einer flüssigen Probe ange- Ferner erzeugt der durch die Spule bei Bewegunordnet sind. Die Probe wird durch ein Lösungs- 20 _gen des Magnetometers (wenn sich dieses z. B. an mittel mit Atomkernen, insbesondere Protonen, mit Bord eines Flugzeuges befindet) geschnittene Magneteinem von Null verschiedenen magnetischen und fluß in dem Magnetometer eine elektromotorische ^ kinetischen Moment, d.h. mit einem gyromagneti- Kraft in dem Frequenzband des Resonanzkreises, % sehen Verhältnis, und eine paramagnetische Sub- wodurch zufällige Geräusche am Ausgang des Verstanz gebildet, die in dem Lösungsmittel gelöst ist. 25 stärkers und somit am Eingang des Frequenz-Die paramagnetische Substanz enthält in ihrem messers entstehen, welche von dem Frequenzmesser Molekül ein unpaariges Elektron, das in Wechsel- als Schwankungen des Magnetfeldes in der Größenwirkung mit einem Atomkern der Substanz steht. Ordnung von 10~³ Oersted gedeutet werden können. Wenn das freie Radikal durch Nitrosodisulfonat Diese beiden Erscheinungen begrenzen die Ge-NO(SOj)₂ gebildet wird, ist eine einzige bipolare 30 nauigkeit des bekannten Magnetometers des Typs Kopplung zwsichen dem elektronischen Spin des mit Spinoszillator, welches sonst (bei Fehlen eines Ions NO und dem Spin der Kerne des Lösungs- äußeren elektromagnetischen Feldes und von schnelmittels vorhanden. Die Substanz enthält femer eine len Bewegungen) durchaus zufriedenstellend arbeitet, elektronisch sättigbare Resonanzlinie, deren Fre- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein quenz in einem von Null verschiedenen Magnetfeld 35 Magnetometer der eingangs genannten Art derart von Null verschieden ist. Die Resonanzfrequenz / auszubilden, daß es einerseits unempfindlich gegender Atomkerne in einem Magnetfeld von der StärkeH über äußeren elektromagnetischen Feldern ist und ist durch die Formel andererseits für eine schnelle Bewegung während des

γ Meßvorganges in dem zu messenden Magnetfeld,

/ ⁼⁼ ~z H 40 beispielsweise für Messungen von Bord eines Flug-

⁷¹ zeuges oder einer Rakete, geeignet ist.

gegeben. Die Erfindung geht aus von einem Magnetometer Während des Betriebes erzeugt die Sättigung der mit einem praktisch linearen Verstärker, einem an elektronischen Resonanzlinie eine Umkehrung der den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Fre- Λ Besetzung der Kernspins in der Probe des Behälters, 45 quenzmesser und einem System von an den Eingang was eine stimulierte Energieaussendung mit der bzw. an den Ausgang des Verstärkers angeschlosse-Kernresonanzfrequenz durch die auf den tieferen nen Spulen, die normalerweise voneinander entkop-Pegel zurückkehrenden Kernspins zur Folge hat. pelt, aber über Teilchen eines Stoffes mit gyromagne-Diese stimulierte Aussendung äußert sich in einem tischen Eigenschaften gekoppelt sind. Die Weitersich mit der Kernresonanzfrequenz (etwa 2000Hz 50 bildung eines derartigen Magnetometers besteht gefür das Proton in dem magnetischen Erdfeld) maß der Erfindung darin, daß zwei Behälter vorgedrehenden Moment, welches eine erhebliche Kopp- sehen sind, deren jeder eine Probe von Teilchen mit lungm zwischen den (normalerweise entkoppelten) gyromagnetischen Eigenschaften enthält, und daß Spulen herstellt, jedoch mit dieser Frequenz. Man das System zwei Spulenpaare umfaßt, von denen das erhält so einen Rückkopplungsoszillator, in welchem 55 erste an den Eingang des Verstärkers und das die verhältnismäßig spitze Kernresonanzkurve (da zweite an den Ausgang des Verstärkers angeschaltet die Kemresonanzlinien schmal sind) die gleiche ist, wobei die beiden Spulen ein und desselben Rolle spielt wie die Resonanzkurve eines Schwing- Paares praktisch identisch und gemäß parallelen kreises in einem üblichen Rückkopplungsoszillator, Achsen gegensinnig auf einen verschiedenen Behälwobei die Fangbedingung und somit die Bedin- 60 ter aufgewickelt sind, derart, daß sich am Eingang gung eines wirklichen Arbeitens darin besteht, daß des Verstärkers die in den beiden an diesen Eingang die Verstärkung des Verstärkers eine bestimmte angeschlossenen Spulen durch die magnetische Kern-Schwelle überschreitet, welche für jeden Oszillator resonanz induzierten elektromotorischen Kräfte mit Spinkopplung berechenbar ist (wobei jedoch zu addieren, während die elektromotorischen Kräfte, berücksichtigen ist, daß ein Teil der Energie des 65 welche in diesen beiden Spulen sowohl durch Oszillators auf den Frequenzmesser übertragen etwaige äußere elektromagnetische Felder als auch wird). durch etwaige Bewegungen des Magnetometers in Ein !derartiges Magnetometer ergibt ausgezeich- dem zu messenden Magnetfeld erzeugt werden

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können, einander entgegengesetzt sind und sich auf- die gleichzeitige Messung der magnetischen Feldheben, stärke an diesen beiden Stellen benutzt. Aus den Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsformen beiden Meßwerten wird dann der Feldgradient besind die beiden auf den gleichen Behälter aufge- stimmt. Die Anwendung von zwei identischen Prowickelten Spulen, von denen die eine an den Eingang 5 ben dient bei diesem Magnetometer somit einem und die andere an den Ausgang des Verstärkers an- anderen Zweck.

geschlossen ist, wobei diese Spulen normalerweise Ein nach der Erfindung ausgebildetes Magneto-

voneinander entkoppelt sind, mit ihren Achsen senk- meter eignet sich besonders für die Messung von

recht zueinander angeordnet, wobei die beiden flüs- schwachen Magnetfeldern, z. B. des magnetischen sigen Proben einerseits ein Lösungsmittel mit Atom- io Erdfeldes, mit sehr großer Genauigkeit, und zwar

kernen mit einem von Null verschiedenen magneti- sowohl für eine ortsfeste Messung als auch für eine

sehen und kinetischen Moment, d. h. mit einem Messung von Bord eines Luftfahrzeuges oder eines

genau bestimmten gyromagnetischen Verhältnis, und Raumflugkörpers. Durch die Gegeneinanderschal-

andererseits in diesem Lösungsmittel gelöst eine tung der beiden Spulen werden Störeinflüsse durch paramagnetische Substanz enthalten, insbesondere 15 äußere elektromagnetische Felder ausgeschaltet,

ein Ion oder ein freies Radikal mit unpaarigem Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den

Elektron, welches wenigstens eine elektronische Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend

Resonanzlinie besitzt, welche durch ein elektro- näher erläutert. Es zeigt

magnetisches Feld mit einer von Null verschiedenen F i g. 1 ein Schaltschema eines Oszillators mit Frequenz selbst in einem nach Null strebenden 20 Spinkopplung bekannter Bauart,

Magnetfeld sättigbar ist, wobei Einrichtungen vor- Fig. 2 ein Schaltschema eines Oszillators mit

gesehen sind, welche dieses elektromagnetische Feld Spinkopplung mit auf den beiden Behältern aufge-

mit der elektronischen Resonanzfrequenz erzeugen, wickelten gekreuzten Spulen,

um diese Linie in den beiden Proben zu sättigen, F i g. 3 und 4 ein Schaltschema eines Oszillators welche praktisch identisch sind. 25 mit Spinkopplung mit auf jedem Behälter aufge-

Bei einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen wickelten parallelen Spulen und

sind die beiden auf den gleichen Behälter aufge- F i g. 5 einen Längsschnitt eines Meßkopfes mit

wickelten Spulen mit ihren Achsen parallel zuein- parallelen Spulen.

ander angeordnet, wobei die Kopplungskoeffizienten Bei dem in Fig. 1 dargestellten Oszillator befür die beiden Proben, welche den obigen Typ mit 30 kannter Bauart sind zwei Blochsche Spulen 1, 2 Atomkernen mit einem genau bestimmten gyro- einerseits an den Eingang 3 und andererseits an den magnetischen Verhältnis und mit einer gelösten Ausgang 4 eines linearen Verstärkers 5 angeschlosparamagnetischen Substanz haben, entgegengesetzt sen. Die Spulen 1, 2 sind elektromagnetisch so gut sind, wobei die durch die beiden Proben, welche wie möglich entkoppelt. Die Richtungen X, Y ihrer praktisch identisch oder verschieden sind (aber 35 Achsen stehen senkrecht zueinander, dann die gleichen Atomkerne in dem Lösungsmittel Die Spulen 1, 2 sind auf einem Behälter 6 angeaufweisen), gebildete Anordnung zwei elektronische ordnet, der eine flüssige Probe 12 enthält. Zur Resonanzlinien mit verschiedenen Frequenzen oder Sättigung der elektronischen Resonanzlinie ist ein mit der gleichen Frequenz aufweist, wobei die Sätti- Höchstfrequenzgenerator (VHF-Generator) 7 vorgegung der einen Linie eine Zunahme der Energie- 40 sehen, der mit der Frequenz der Resonanzlinie absorption bei der Kernresonanzfrequenz der Atom- (größenordnungsmäßig 55 MHz bei Nitrodisulfonat) kerne erzeugt, während die Sättigung der anderen arbeitet. Dieser Generator speist eine Spule 8, die in Linie die stimulierte Energieaussendung bei der die flüssige Probe 12 des Behälters 6 eintaucht. Der Kernresonanzfrequenz erzeugt, wobei Einrichtungen besseren Übersicht wegen sind in F i g. 1 die Spulen 2 vorgesehen sind, welche in jeder Probe ein elektro- 45 und 8 getrennt von dem Behälter 6 dargestellt, magnetisches Feld mit der Frequenz einer elektro- Ein in der Zeichnung nicht dargestellter elektronischen Resonanzlinie erzeugen, um in den beiden magnetischer Schirm ist zwischen der innerhalb des Proben die beiden elektronischen Resonanzlinien zu Behälters 6 befindlichen Spule 8 und den äußeren sättigen. Spulen 1, 2 vorgesehen. Dieser Schirm ist für die Nach der Erfindung sind also für ein einziges 50 Kernresonanzfrequenz durchlässig, aber für die elek-Magnetometer mit magnetischer Kernresonanz zwei ironische Resonanzfrequenz undurchlässig. Behälter und zwei Spulenpaare vorgesehen. Die An die Klemmen der Spule 1 ist ein Konden-Spulen der beiden Paare, in denen das durch die sator9 angeschlossen, der mit der Spule einen auf Kernresonanz induzierte Signal entsteht, sind in die Kernresonanzfrequenz / abgestimmten Resonanz-Reihe an den Verstärker des Magnetometers ange- 55 kreis bildet, dessen Gütefaktor Q klein ist (größenschlossen, aber mit ihren Spulenachsen gegensinnig ordnungsmäßig 5), um eine Frequenzmitnahme oder auf den beiden Behältern angeordnet, so daß die »pulling« zu verringern, die auftreten würde, wenn Q durch etwa vorhandene äußere elektromagnetische sehr groß wäre.

Felder sowie durch Bewegungen des Magnetometers Schließlich ist ein Frequenzmesser 10 am Ausin diesen Spulen induzierten elektromotorischen 60 gang 4 des Verstärkers 5 für die Messung der Kern-Kräfte sich aufheben. resonanzfrequenz oder Larmorfrequenz / angeschlos-Es ist bereits ein Magnetometer bekannt, bei dem sen. Dieser Frequenzmesser kann unmittelbar in auch zwei Proben mit Stoffen mit gyromagnetischen magnetischer Feldstärke geeicht sein, da Eigenschaften benutzt werden. Dieses Magnetometer 2π/

dient zur Messung des magnetischen Feldgradienten. 65 H= .

Die beiden Proben sind mit Rücksicht auf die zu V

erfüllende Meßaufgabe an zwei räumlich vonein- Bei den in den F i g. 2 bis 4 dargestellten Magnetoander entfernten Stellen angeordnet und werden für metern nach der Erfindung ist jeweils ein Paar von

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Behältern 6 a, 6δ vorgesehen. Zur Vereinfachung der Empfangsspulen la, 16 benachbart, parallel, prakzeichnerischen Darstellung sind die Behälter nur in tisch identisch und gegensinnig gewickelt sind (ihre Fig. 3 dargestellt. Jeder Behälter enthält eine Probe AchsenXa und Xb sind antiparallel), das etwaige 12 a, 11b mit gyromagnetischen Eigenschaften. umgebende elektromagnetische Feld und/oder der Ferner sind bei jedem Magnetometer ein praktisch 5 durch die etwaige Bewegung des Magnetometers gelinearer Verstärker 5 und zwei Spulenpaare vorge- schnittene Fluß in jeder Empfangsspule la, Ib eleksehen, von denen das erste, la, Ib, an den Eingang 3 tromotorische Kräfte, welche einander entgegen- und das zweite, ta, 2b, an den Ausgang4 des Ver- gesetzt sind und sich aufheben. Hierdurch werden stärkers 5 angeschlossen ist. Die beiden Spulen eines alle induzierten Störgeräusche unterdrückt, und der Paares sind identisch und mit parallelen Achsen Jf a, io Oszillator speist den Frequenzmesser 10 nicht. Xb bzw. Ya, Yb, aber gegensinnig auf einem der Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes mit der beiden Behälter 6 angeordnet, so daß sich am Ein* Stärke H tritt dagegen eine Kopplung zwischen den gang 3 des Verstärkers S die in den beiden an diesen Spulen la, 2a einerseits und Ib, 2b andererseits mit Eingang angeschlossenen Spulen la, Ib durch die der Frequenz Kernresonanz induzierten elektromotorischen Kräfte 15 _ γ

addieren, während die elektromotorischen Kräfte, / ~ T^- ^H

die in den Spulen la, Ib durch etwaige äußere

elektromagnetische Felder sowie durch etwaige Be- auf (wobei γ das gyromagnetische Verhältnis der wegungen des Magnetometers in dem zu messenden benutzten Atomkerne des Lösungsmittels der beiden Magnetfeld induziert werden können, einander ent- 20 Proben ist, von denen angenommen ist, daß sie die gegengesetzt sind und sich aufheben, wobei ein (in gleichen sind). Da die Erregerspulen2β, 2b anti-F i g. 4 nicht dargestellter) Frequenzmesser 10 eben- parallele Achsen Ya, Yb haben, tritt eine Phasenfalls an den Ausgang des Verstärkers 5 angeschlossen verschiebung von π zwischen den beiden durch die ist, um die Frequenz der von diesem Verstärker ge- Kerninduktion erzeugten elektromotorischen Kräften lieferten Spannung zu messen, welche zu der magne- 25 auf, und da die Empfangsspulen Iß, Ib ebenfalls tischen Feldstärke, in welcher sich das Behälterpaar antiparallele Achsen Xa, Xb haben, tritt eine zweite 6 a, 6 b befindet, genau proportional ist. Phasenverschiebung von π in dem Stromkreis dieser

Die Erfindung ist nicht nur auf Oszillatoren mit Spulen la, Ib auf, und die durch die Kernresonanz Spinkopplung mit (an den Eingang und den Ausgang in diesen beiden Spulen la, Ib induzierten elektrodes Verstärkers angeschlossen) »gekreuzten« Spulen 30 motorischen Kräfte addieren sich an den Klemmen anwendbar, d. h. Spulen mit zueinander senkrechten des Kondensators 9 und des Verstärkers 5, Achsen, sondern auch auf Oszillatoren mit parallelen Man erhält also am Eingang 3 des Verstärkers S Spulen. das gleiche Kernresonanzsignal mit der Frequenz/

So sind bei einem ersten Typ von Ausführungs- in der Schaltung der Fig. 2 mit zwei Empfangsformen die beiden au! den gleichen Behälter aufge- 35 spulen wie in der Schaltung der Fig. 1 mit einer einwickelten Spulen la, 2a oder Ib, 2b gekreuzt, wo- zigen Empfangsspule, die Störsignale sind jedoch in bei die Achsen Xa, Ya einerseits und Xb, Yb anderer- der Schaltung der F i g. 2 ausgeschieden. Man konnte seits senkrecht zueinander liegen, wie in Fig. 2 dar- so mit einem derartigen Magnetometer mit Spulen gestellt, während bei einem zweiten Typ von Aus- la, Ib mit je 3000 Windungen und Spulen 2a, 26 führungsformen die auf den gleichen Behälter auf- 40 mit je 100 Windungen und einer Probe mit einer von gewickelten Spulen la, 2a oder Ib, 2b und somit Sauerstoff befreiten wäßrigen Lösung von Nitrosoalle vier Spulen zueinander parallel sind, wie in disulfonat, von welcher eine elektronische Resonanz-Fig.3 und 4 dargestellt. linie mit 55 MHz gesättigt wurde, oder einer von

In F i g. 2, in welcher zur Vereinfachung der Figur Sauerstoff befreiten wäßrigen Lösung von Di-tertiodie beiden die Proben mit gyromagnetisehen Eigen- 45 butyl-nitroxyd NO[C(CH₃)₃]₂₎ von welcher eine schäften enthaltenden Behälter, auf welche die Spulen elektronische Resonanzlinie mit 72,5 MHz gesättigt la und 2a bzw. Ib und 2b aufgewickelt sind, sowie Würde, die Änderungen des Erdfeldes mit einer über die Höhenfrequenzgeneratoren und die Spulen 1.10"⁸ Oersted liegenden Genauigkeit messen, wobei (welche den Teilen? und 8 der Fig. 1 entsprechen) sich das Magnetometer an Bord eines Flugzeugs zur Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie 50 (Breguet Atlantic 1150) befand, einer jeden Probe nicht dargestellt sind, findet man Die Oszillatoren mit Spinkopplung mit gekreuzten den Kondensator 9, welcher mit den Spulen la, Ib Spulen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art ereinen auf die Kernresonanzfrequenz abgestimmten zeugen konstruktionsgemäß eine fast vollkommene Resonanzkreis bildet, sowie den Verstärker 5 wieder, Entkopplung der Erregerspulen 1, la, 16 und der an dessen Eingang 3 die Spulen la und 16 in Reihe 55 Empfangs- oder Meßspulen 2,2a, 26. angeschaltet sind, während an eine der Ausgangs- Ein Vorteil dieser Entkopplung besteht darin, daß klemmen 4 über Regelpotentiometer 13 α und 13 b der Kernoszillator in einem breiten Frequenzband die Spulen 2 a und 26 angeschlossen sind, deren arbeiten kann, da der Überspannungs- oder Güte-Mittelpunkte 14a, 146 wie die andere Ausgangs- koeffizientQ des Eingangsresonanzkreises 1, 9 oder klemme des Verstärkers Körperschluß haben. Ferner 60 la, 16, 9 klein sein kann, was eine geringe Frequenzist der bei 11 angeschlossene Frequenzmesser vor- mitnähme oder »pulling« ergibt (s. hierzu die Mithanden. teilung von Grivet, Blaquiere und Bonnet,

Zu Beginn werden die Potentiometer 13 a und 13 6 Berichte der dritten Conference Internationale so eingestellt, daß bei Fehlen eines Magnetfeldes d'Electronique Quantique, Dunod, Paris 1964, Bd. 1, eine möglichst vollkommene Entkopplung zwischen 65 S. 239 bis 246).

den gekreuzten Spulen la und 2a und zwischen den Die Benutzung von gekreuzten Spulen führt aber

gekreuzten Spulen 16 und 26 besteht. zwei verbotene Achsen (nämlich die Spulenachsen)

Bei Fehlen eines Magnetfeldes erzeugen, da die ein anstatt der einzigen verbotenen Achse der Ma-

gnetometer des Typs Maser mit dynamischer Polari- Vereinfachung der Figur mit einer einzigen Windung sation (welche in der französischen Patentschrift dargestellten) Spule 8 a, welche an diesen Generator 1177112 vom l.-Juni 1957 und in der obigen Mit- angeschlossen ist und in die Probe 12a eintaucht, teilung, S. 236 und 236, beschrieben sind). Die Hin- eine makroskopische Komponente in einem ersten zufügung einer verbotenen Achse ist im allgemeinen 5 Sinn erzeugt, während die Sättigung der anderen bei einem am Boden festen Magnetometer (wenn die Linie in der Probe 126 mittels eines Generators Tb Richtung des zu messenden Magnetfeldes praktisch und einer (zur Vereinfachung der Figur mit einer konstant ist) oder auch bei Einbau als Magnetovario- einzigen Windung dargestellten) Spule 8 b, welche an meter an Bord eines Flugzeugs, dessen Flug nicht diesen Generator 7 b angeschlossen ist und in die eine der verbotenen Achsen mit der Richtung des io Probe 12 b eintaucht, eine makroskopische Kompo-Magnetfeldes zusammenfallen läßt, nicht störend, nente in einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten dies ist jedoch nicht mehr bei einem ohne besondere Sinn erzeugt.

Vorsichtsmaßnahme fliegenden Flugzeug der Fall. So Anders ausgedrückt, die Sättigung der einen elek-

stellt sich z. B. bei einer genormten Flugzeugkurve ironischen Resonanzlinie muß eine Steigerung der (360° in 2 Minuten) das Magnetometer um etwa 15 Intensität der Energieabsorption bei der Frequenz 25° schräg, und jede Messung wird zweifelhaft, wenn dieser Linie erzeugen, während die Sättigung der diese Schräglage zu der des magnetischen Erdfeldes anderen elektronischen Resonanzlinie eine stimulierte hinzutritt. Energieaussendung (infolge einer Umkher der Be-

Aus diesen Gründen wird in der Praxis bei Setzung der Kernspins infolge einer Umkehr der Messungen an Bord eines Flugzeugs der Meßkopf 20 Besetzung der elektronischen Spins und der Koppler Behälter oder die Behälter und die Spulen) auf lung zwischen diesen beiden Spinarten) bei der Freeiner lotrechten Achse stabilisiert (damit die ver- quenz dieser anderen Linie erzeugen muß. botenen Achsen der Spulen waagerecht liegen). Hierfür kann man zunächst die gleiche paramagne-

In dem zweiten, in F i g. 3 und 4 dargestellten Typ tische Substanz für die beiden Proben 12a, 12b von Ausführungsformen mit Spulen mit parallelen as wählen, wobei diese Substanz durch ein freies Radi-Achsen ist nur eine einzige verbotene Achse vor- kai mit zwei elektronischen Resonanzlinien gebildet handen, nämlich die der Spulen. Es genügt dann, an wird, deren eine durch Sättigung eine Energieaus-Bord eines Flugzeugs diese einzige verbotene Achse Sendung und die andere eine Energieabsorption ermit der Achse des Flugzeugs zusammenfallen zu gibt. In diesem Fall müssen zwei mit verschiedenen lassen. 30 Frequenzen arbeitende Höchstfrequenzgeneratoren

Bei der Anordnung der Fi g. 3 sind die Empfangs- 7a, Tb vorgesehen werden. Dies ist z. B. bei Nitrosospulenla, Ib wie bei der Ausführungsform der disulfonat. der Fall, welches in dem Erdfeld zwei Fig. 2 so angeordnet, daß ihre Achsen parallel, aber Linien bei 53,5 und 55,9 MHz besitzt, und bei Digegensinnig liegen, was durch Kompensation (wie in tertio-butyl-nitroxyd, welches in dem Erdfeld zwei F i g. 2) die elektromotorischen Kräfte ausscheidet, 35 Linien bei 69,4 und 72 MHz besitzt, welche makroweiche in diesen Spulen durch das äußere elektro- skopischen Resultierenden mit entgegengesetzten magnetische Feld und die Bewegungen des Magneto- Zeichen entsprechen.

meters induziert werden. Die Eregerspulen 2 a, 2 b Es können auch zwei paramagnetische Substanzen

sind dagegen in Reihe geschaltet, wobei ihre Achsen benutzt werden, bei welchen die gleiche Frequenz die gleiche Richtung wie die Achsen der Spulen la, 40 zwei entgegengesetzte elektronische Linien (eine Ib haben. Da die beiden Spulen 2a und la einer- Linie bei jeder Substanz) erregt. Für diesen Fall geseits und 2b und Ib andererseits nicht auf natürliche nügt ein einziger Höchstfrequenzgenerator zur Spei-Weise entkoppelt sind, richtet man es so ein, daß die sung von zwei in die Behälter 6 a und 6 b eintauchen-Kopplungskoeffizienten der gegenseitigen Induktion den Spulen zur Erregung der beiden Resonanzlinien m_a zwischen den Spulen 2 a und la und m_b zwischen 45 mit der gleichen Frequenz. Der Erfinder hat nämlich den Spulen2b und Ib einander entgegengesetzt sind ein dieser Bedingung genügendes Paar von para- (m_b — —m_a). Die Aufhebung der induzierten elektro- magnetischen Radikalen entdeckt, nämlich das Dimotorischen Kräfte an den Eingangsklemmen 3 des tertio-butyl-nitroxyd, welches in einem Lösungs-Verstärkers 5 wird mittels des Potentiometers 13 ver- mittel gelöst ist, welches (dem Volumen nach) zur vollständigt. 50 Hälfte durch Wasser und zur Hälfte durch Azeton

Damit sich die in den beiden Empfangsspulen la, gebildet wird, und das Triazetonaminnitroxyd, wel- Ib induzierten elektromotorischen Kräfte nuklearen ches in einem Lösungsmittel gelöst ist, welches zu Ursprungs an den Eingangsklemmen 3 des Verstär- 7 Teilen durch Wasser und zu 3 Teilen durch Äthylenkers 5 addieren, ist es notwendig (und ausreichend), glykol gebildet wird, bei welchen die Anwendung daß sich die makroskopischen Resultierenden der 55 eines Höchstfrequenzfeldes mit 68,5 MHz bei der magnetischen Momente der gesamten Atomkerne ersten Substanz eine untere elektronische Resonanzder beiden Proben in Phasenopposition befinden, da linie sättigt (was eine Steigerung der Energieabsorpdie beiden Spulen la und Ib gegensinnig gewickelt tion ergibt) und bei der zweiten eine obere elektro- und die Kopplungen zwischen den beiden Spulen la, nische Resonanzlinie (was eine stimulierte Energie-2a einerseits und Ib, 2b andererseits konstruktion- 60 aussendung ergibt).

gemäß gegeben sind. In beiden Fällen können an Stelle von zwei in die

Die Opposition der beiden makroskopischen Korn- Behälter 6 a, 6 b tauchenden Erregerspulen zwei ponenten wird dadurch hergestellt, daß in den beiden gleichachsige Hohlräume benutzt werden, welche mit Proben zwei solche elektronische Resonanzlinien (mit den beiden Proben gefüllt sind und die in der franzöverschiedener oder gleicher Frequenz) der gelösten 65 sischen Patentschrift 1358 352 vom 18. Juli 1960 paramagnetischen Substanz benutzt werden, daß die beschriebene und dargestellte Bauart haben. Sättigung der einen Linie in der Probe 12 a mittels Ein anderes Paar von geeigneten paramagnetischen

eines Höchstfrequenzgenerators7a und einer (zur Radikalen, welches von dem Erfinder entdeckt wurde,

wird durch das bereits genannte Triazetonaminnitroxyd und das »Tanoxime« oder Tetramethyl-2,2,6,6-Azo-l-zyklohexanoneoxim-4-oxyd-l mit der Formel NOC(CH₃)₂CH₂C = NOH, welches den Gegenstand des französischen Zusatzpatents 84 349 vom 13. September 1963 bildet, gebildet.

F i g. 4 zeigt schematisch die symmetrische Wiedereinführung entweder mit einem einzigen oder mit zwei paramagnetischen Radikalen. Diese reduzierte Figur zeigt wieder die Spulen la und 2a mit einem Kopplungskoeffizienten m_a, die Spulen Ib und 2& mit einem Kopplungskoeffizienten m_b = — m_a und den Abstimmkondensator 9. Vier Widerstände IS₁ = Va r, 13₂ = Va r, 13₃ = R₀ und 13₄ = R (veränderlich) ersetzen das Potentiometer 13 α, wobei ein Konden- *-5 sator 14 zur Steigerung der Schmalheit des Resonanzbandes der Anordnung vorgesehen ist.

In F i g. 5 ist ein Meßkopf dargestellt, welcher axiale Spulen wie in F i g. 4 besitzt und den Vorteil eines geringen Platzbedarfs bietet.

In F i g. 5 sind die gleichen Bezugszeichen wie in den anderen Figuren zur Bezeichnung entsprechender Teile-benutzt.

Der Meßkopf ist in einem Gehäuse 15 untergebracht, welches keine Abschirmung für das zu »5 messende Magnetfeld bildet. Es besitzt einen doppelten Behälter mit zwei Abteilungen 6 a, 6 b für die beiden Proben 12 a, 12 b, welche durch eine wäßrige Lösung von M/1600 von Triazetonaminnitroxyd und durch eine Lösung in 50 Volumprozent Wasser und 50 Volumprozent Azeton von Di-tertio-butylnitroxyd mit einer Konzentration von M/800 gebildet werden. Die Sättigung der Linien oder Bänder der elektronischen Resonanz bei 68,5 MHz für die beiden Proben erfolgt mittels einiger Windungen 8, welche von einem nicht dargestellten Generator 7 über Koaxialkabel 16 mit Leitern 16 a und 16 b beaufschlagt werden.

Um diese Abteilungen oder Behälter 6 a, 6 & herum sind einerseits die Spulen la, Ib zur Entnahme der Spannung mit der Kernresonanzfrequenz, welche in Reihe zwischen die Klemmen eines nicht dargestellten Kondensators 9 durch ein Kabel 17 geschaltet sind, und andererseits die Erregerspulen 2 α, 2 b angeordnet, welche parallel zwischen den Körper und eine Widerstandsanordnung 13 der in F i g. 4 dargestellten Art mittels eines Kabels 18 geschaltet sind. Die Spulen la, 16 können z.B. 4000 Windungen mit einem Durchmesser von ³%oo mm und die Spulen 2 a, 2 b etwa 250 Windungen mit einem Durchmesser von ^3O/ioo mm haben.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetometer mit magnetischer Kernresonanz zur Messung der Feldstärke eines schwachen magnetischen Feldes mit einem praktisch linearen Verstärker, einem an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Frequenzmesser und einem System von an den Eingang bzw. an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Spulen, welche normalerweise voneinander entkoppelt, aber über Teilchen eines Stoffs mit gyromagnetischen Eigenschaften gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Behälter (6a, 6 b) aufweist, deren jeder eine Probe (12 a, 12 b) von Teilchen mit gyromagnetischen Eigenschaften enthält, und daß das System zwei Spulenpaare umfaßt, von denen das erste (la, Ib) an den Eingang (3) des Verstärkers (5) und das zweite (2 a, 2 b) an den Ausgang (4) des Verstärkers (5) angeschaltet ist, wobei die beiden Spulen (la, Ib; 2a, 2b) ein und desselben Paares praktisch identisch und gemäß parallelen Achsen (Xa, Xb; Ya, Yb) gegensinnig auf die zwei Behälter (6 α, 6 b) aufgewickelt sind, derart, daß sich am Eingang (3) des Verstärkers (5) die in den beiden an diesen Eingang (3) angeschlossenen Spulen (la, Ib) durch die magnetische Kernresonanz induzierten elektromotorischen Kräfte addieren, während die elektromotorischen Kräfte, welche in diesen beiden Spulen (la, Ib) sowohl durch etwaige äußere elektromagnetische Felder als auch durch etwaige Bewegungen des Magnetometers in dem zu messenden Magnetfeld erzeugt werden können, einander entgegengesetzt sind und sich aufheben.

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden auf den gleichen Behälter (6 a, 6 b) aufgewickelten Spulen (la, Ib; 2a, 2b) die eine an den Eingang (3) und die andere an den Ausgang (4) des Verstärkers (5) angeschlossen ist, wobei diese Spulen normalerweise voneinander entkoppelt und so angeordnet sind, daß ihre Achsen (Xa, Xb; Ya, Yb) senkrecht zueinander liegen, daß die beiden Proben (12 a, 12 b) einerseits ein Lösungsmittel mit Atomkernen, welche bei jeder Probe die gleichen sind, mit einem von Null verschiedenen magnetischen und kinetischen Moment, d. h. mit einem genau definierten gyromagnetischen Verhältnis, und andererseits in diesem Lösungsmittel gelöst die gleiche paramagnetische Substanz mit wenigstens einer elektronischen Resonanzlinie enthalten, welche durch ein elektromagnetisches Feld mit einer von Null verschiedenen Frequenz selbst in einem nach Null strebenden Magnetfeld sättigbar ist, und daß es Einrichtungen (7 a, Ib; 8 a, Sb) enthält, welche ein elektromagnetisches Feld mit der elektronischen Resonanzfrequenz zur Sättigung dieser Linie in den beiden Proben erzeugen.

3. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden auf den gleichen Behälter (6a, 6b) aufgewickelten Spulen (la, 2a; Ib, 2b) so angeordnet sind, daß ihre Achsen (Xa₁ Xb; Ya, Yb) parallel sind, wobei die Kopplungskoeffizienten bei den beiden Proben (12 a, 12 b) entgegengesetzt sind, daß diese beiden Proben einerseits ein Lösungsmittel mit Atomkernen, welche bei beiden Proben die gleichen sind, mit einem von Null verschiedenen magnetischen und kinetischen Moment, d. h. mit einem genau definierten gyromagnetischen Verhältnis, und andererseits in diesem Lösungsmittel gelöst eine paramagnetische Substanz enthalten, welche wenigstens eine elektronische Resonanzlinie besitzt, welche durch ein elektromagnetisches Feld mit einer von Null verschiedenen Frequenz selbst in einem nach Null strebenden Magnetfeld sättigbar ist, wobei die Sättigung einer dieser elektronischen Resonanzlinien eine Steigerung der Energieabsorption bei der Kernresonanzfrequenz der Atomkerne erzeugt, während die Sättigung der anderen elektronischen Resonanzlinie mit der gleichen Frequenz wie die der zuerst genannten

Linie oder mit einer verschiedenen Frequenz die stimulierte Energieaussendung bei der Kernresonanzfrequenz erzeugt, und daß es Einrichtungen (la, 7b; 8 a, Sb) aufweist, welche in jeder Probe (12 a, 12ö) ein elektromagnetisches Feld mit der Frequenz einer elektronischen Resonanzlinie erzeugen, um in beiden Proben die beiden elektronischen Resonanzlinien zu sättigen.

4. Magnetometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die paramagnetische Substanz Ionen oder freie Radikale mit unpaarigen Elektronen enthält.

5. Magnetometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Proben durch eine Lösung von Di-tertio-butyl-nitroxyd in

einem Lösungsmittel gebildet werden, welches aus etwa 35°/» Azeton und 65°/o Wasser besteht, wobei die beiden benutzten elektronischen Resonanzlinien bei 69,4 und 72 MHz liegen.

6. Magnetometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Proben durch Ditertio-butyl-nitroxyd gebildet wird, welches in einem Lösungsmittel gelöst ist, welches etwa zur Hälfte aus Wasser und zur Hälfte aus Azeton besteht, während die andere Probe durch T.A.N.O. gebildet wird, welches in einem Lösungsmittel gelöst ist, welches etwa zu 7 Teilen aus Wasser und zu 3 Teilen aus Äthylenglykol besteht, wobei die beiden Resonanzlinien praktisch die gleiche Frequenz von 68,5 MHz haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen c ■■.