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Die Erfindung hat Weiterbildungen des in der Hauptpatentanmeldung
beschriebenen Magnetometers mit magnetischen Resonanzen zum Gegenstand.
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Sie betrifft insbesondere ein Magnetometer zur Messung der Intensität
magnetischer Felder, insbesondere schwacher magnetischer Felder (von unterhalb 1
Gauß), und ihrer Veränderungen an Bord eines beweglichen Körpers (Flugzeug, Luftfahrzeug,
Flugkörper usw.).
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Es sind bereits verschiedene Typen von Magnetometern mit magnetischer
Resonanz bekannt. Diese Vorrichtungen beruhen auf der Messung der Larmorfrequenz
genannten Präzessionsfrequenz des magnetischen Moments, im allgemeinen des Kernmoments,
eines subatomaren Teilchens, im allgemeinen eines Atomkerns und insbesondere des
Protons, in dem zu messenden Magnetfeld, wobei diese Frequenz zu der Intensität
des Magnetfeldes proportional ist, in welchem sich das subatomare Teilchen befindet.
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Wenn man mit H die Intensität (in Gauß) des zu messenden Magnetfeldes
bezeichnet, in dem sich das subatomare Teilchen befindet, mit y das gyromagnetische
Verhältnis des Teilchens (das Vorhandensein eines genau bestimmten Verhältnisses
y bedeutet, daß das kinetische Moment oder der Spin und daher das magnetische Moment
des Teilchens von Null verschieden sind) und mit Fo die Präzessionsfrequenz oder
die Larmorfrequenz (in Hz), so ergibt sich : 2fi #F0 = γ H. (1) Das gyromagnetische
Verhältnisy (in Gauß/Sek.) ist für viele Atomkerne mit einer sehr großen Genauigkeit
bekannt. Insbesondere ist das gyromagnetische Verhältnis des Protons in desoxydiertem
Wasser mit einer Genauigkeit von 10-6 bekannt und beträgt 26 751, 3 GauB/Sek.
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Die elektromagnetische Strahlung der Frequenz F ist kreisförmig polarisiert,
d. h., die Resonanz erscheint als eine Rotation des magnetischen Gesamtmoments um
die Richtung des Magnetfeldes. Das Drehfeld der elektromagnetischen Strahlung wird
mittels wenigstens einer Spule erfaßt, die um die subatomaren Teilchen angeordnet
ist, in der das Drehfeld eine elektrische Wechselspannung erzeugt. Hieraus ergibt
sich, daß, wenn sich die Spule an Bord eines beweglichen Körpers befindet, welcher
eine gewisse augenblickliche Winkelgeschwindigkeit co um die Richtung des Magnetfeldes
hat, die Spule selbst mit dieser Winkelgeschwindigkeit mitgenommen wird und daß
die Frequenz der Wechselspannung, die in der Spule durch magnetische Resonanz erzeugt
wird, nicht mehr durch die vorgenannte Formel (1) gegeben ist, die einer absoluten
Rotation des magnetischen Gesamtmoments in bezug auf ein festes Bezugssystem entspricht,
sondern sie entspricht der relativen Rotation dieses Moments in bezug auf ein an
den beweglichen Körper und somit an die Spule gebundenes Bezugssystem. Mit anderen
Worten, nach dem Gesetz der Zusammensetzung der Winkelgeschwindigkeiten erhält man,
wenn man mit f die Frequenz im Falle der Rotation mit der momentanen Winkelgeschwindigkeit
# bezeichnet : 2#f = γ H - #. (2) Wenn insbesondere mit einer großen Genauigkeit
ein schwaches Magnetfeld, z. B. das magnetische Erdfeld, und seine Veränderungen
mit einem Magnetometer mit magnetischer Resonanz bekannter Bauart
gemessen werden
sollen, ist die Messung verfälscht, da der Einffuß von o bei Anwendung der Formel
(1) vernachlässigt wird. Nun kann aber verhältnismäßig große und stark veränderliche
Werte annehmen, wenn die Messung an Bord eines Flugzeugs, eines Raumschiffs oder
eines Körpers erfolgt, welcher sich um die Achse des Magnetfeldes drehen kann. Es
ist sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, eine Berichtigung von ca eben wegen der
Veränderlichkeit seines Wertes vorzunehmen, wodurch sehr störende Fehler an dem
Wert von H und insbesondere seiner Veränderungen entstehen.
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Magnetische Messungen und geophysikalische Erforschungen mineralischer
Substanzen, die auf den Veränderungen von H beruhen, laufen daher Gefahr, durch
Vernachlässigung des Einflusses von co verfälscht zu sein.
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Die Hauptpatentanmeldung beschreibt ein Magnetometer, welches diesen
Nachteilen abhilft und subatomare Teichen mit einem von Null verschiedenen magnetischen
und kinetischen Moment enthält sowie Einrichtungen zur Erregung derselben und zur
Feststellung ihrer magnetischen Resonanz und Einrichtungen zur Messung der Frequenz
des so gewonnenen Signals, wobei dieses Magnetometer wesentlich dadurch gekennzeichnet
ist, daß einerseits die Teilchen, deren Resonanz festgestellt wird, zwei Arten angehören,
bei welchen das Verhältnis dieser Momente verschiedene Werte hat, und daß es andererseits
Einrichtungen aufweist, um die algebraische Differenz der beiden entsprechenden
magnetischen Resonanzfrequenzen zu messen, wobei jeder dieser Frequenzen das Zeichen
des entsprechenden Verhältnisses dieser Momente zugeordnet ist.
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Wenn man nämlich f'und f"einerseits und y'undy" andererseits die
Werte von f und y für die beiden Teilchenarten nennt, welche z. B. durch Protonen,
für welche y'positiv ist, und Fluorkerne, für welche y" ebenfalls positiv, aber
kleiner als y'ist, gebildet werden, nimmt die Gleichung (2) für die beiden Kerne
folgende Form an : 2-/--<H,(3) 2/"=/'-M.(4) Wenn f"'die Differenz der Frequenzen
f'und f"genannt wird, erhält man die Beziehung : 2xf"'= 226f'2zef"= (y'y") H= GH,
(5) worin G die Differenz y'-y"ist, wobei ferner angenommen ist, daß y'größer als
y"ist. Da die Werte von y'und y"mit großer Genauigkeit bekannt sind, ist es G ebenfalls.
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Die Gleichung (5) ersetzt somit die Gleichung (1), jedoch mit dem
Vorteil, daß die Frequenz f"'genau zu H proportional ist, selbst wenn das Magnetometer
um die Richtung von H mit der Winkelgeschwindigkeit co in Umdrehung versetzt wird.
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Falls y'und y"nicht das gleiche Zeichen haben, wobei z. B. y'positiv
und y"negativ ist, bleibt die Gleichung (3) möglich, während die Beziehungen 4 und
5 durch folgende Beziehungen ersetzt werden : 2/"=cu-/'.,(4a) 2 (f'+ f") = (y'y")
H = G H, (Sa)
wobei in allen Fällen G die algebraische Differenz
der beiden gyromagnetischen Verhältnisse ist.
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Als für die Ausübung der den Gegenstand der Hauptpatentanmeldung
bildenden Erfindung geeignete Teilchenpaare können folgende Paare angeführt werden
: Protonen und Fluorkerne, Protonen und Phosphorkerne, Protonen und Kerne von Helium
3 (wobei alle diese Kerne positive gyromagnetische Verhältnisse haben, mit Ausnahme
von Helium 3, welches ein negatives gyromagnetisches Verhältnis besitzt).
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Ferner wurde in der Hauptpatentanmeldung angegeben, daß bei den bevorzugten
Ausführungsformen (was insbesondere für die beiden ersten Paare gilt) das Verfahren
der dynamischen Polarisation durch elektronisches Pumpen benutzt wird, welches den
Gegenstand der am 6. 4. 1957 eingereichten französischen Patentschrift 1174126 bildet,
d. h. flussige Proben, welche in Lösung in einem diese Kerne (Protonen, Fluorkerne,
Phosphorkerne) enthaltenden Lösungsmittel ein paramagnetisches Radikal mit einem
unpaarigen Elektron enthalten, wobei die Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie
die Intensität des Kernsignals steigert.
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Jede der Sonden des Magnetometers hat zweckmäßig in der Hauptpatentanmeldung
die Form eines Spinoszillators der in der französischen Patentschrift 1 351 587
vom 28. 12. 1962 beschriebenen Art.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Magnetometer zum Gegenstand, welches
einen einzigen Meßkopf besitzt, in welchem sich die beiden Frequenzen f'und f" durch
gegenseitige Kopplung mischen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Magnetometer mit einem Doppelbehälter,
dessen beide Abteilungen je eine Anordnung von subatomaren Teichen enthalten, deren
gyromagnetisches Verhältnis in den beiden Abteilungen verschieden ist, einer auf
jede Abteilung aufgewickelten Spule, wobei diese beiden Spulen eine gegenseitige
Kopplung besitzen und je an die Eingangsklemmen eines praktisch linearen Verstärkers
mit sehr großem Verstärkungsfaktor angeschlossen sind, wobei die Ausgangsklemmen
eines jeden Verstärkers mit einer Spule verbunden sind, deren Achse senkrecht zu
der Achse der an die Eingangsklemmen des gleichen Verstärkers angeschlossenen Spule
liegt, einem an den Ausgang eines der Verstärker angeschlossenen Detektor, einem
an den Ausgang dieses Detektors angeschlossenen Filter und. Einrichtungen zur Messung
der Frequenz der gegebenenfalls verstärkten Ausgangsspannung des Filters, welche
genau zu der Intensität des Magnetfeldes in der Zone proportional ist, in welcher
sich der Doppelbehälter befindet.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält jede Abteilung eine Lösung,
welche einerseits ein Lösungsmittel, welches diese subatomaren Teilchen enthält,
und andererseits in diesem Lösungsmittel gelöst ein freies paramagnetisches Radikal
enthält, welches einen verhältnismäßig hohen hyperfeinen Abstand (d. h. eine Resonanzfrequenz
in einem Magnetfeld Null) und eine bipolare Kopplung zwischen den Spins der unpaarigen
Elektronen des freien Radikals und den Spins der Atomkerne des Lösungsmittels besitzt,
wobei die Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie durch den Overhauser-Abragam-Effekt
die Intensität des Signals mit der Larmorfrequenz der Atomkerne steigert, wobei
das Magnetometer Einrichtungen zur Sättigung dieser Resonanzlinie in den beiden
Abteilungen aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner Weiterbildungen der Frequenzmesser,
welche ihnen die Vornahme von genauen Messungen mit niedriger Frequenz, z. B. in
der Größenordnung von 100 Hz, gestatten, welche von dem erfindungsgemäßen Magnetometer
geliefert wird. Hierfür besitzt der Frequenzmesser des Magnetometers Einrichtungen
zur Formung des Niederfrequenzsignals, Einrichtungen, welche aus diesem geformten
Signal Gleichstromimpulse mit der gleichen Frequenz wie das geformte Signal ableiten,
Einrichtungen, welche kalibrierte Impulse mit einer erheblich höheren Frequenz als
die Frequenz des Niederfrequenzsignals liefern, eine Umschaltanordnung, welche die
kalibrierten Signale durchläßt, wenn sie entsperrt ist, einen Frequenzteiler, welcher
die Ausgangsgröße der Umschaltanordnung empfängt, eine Kippschaltung mit zwei Eingängen,
deren einer die von dem geformten Signal herrührenden Gleitstromimpulse und der
andere aus der Ausgangsgröße des Teilers abgeleitete Steuerimpulse empfängt, und
mit einem Ausgang, welcher von dem Zeitpunkt an gespeist wird, an welchem ihr erster
Eingang mit einem Gleichstromimpuls gespeist wird, und zwar bis zu dem Zeitpunkt
der Speisung ihres zweiten Eingangs mit einem Steuerimpuls, wobei dieser Ausgang
die Umschaltanordnung während seiner Speisung entsperrt, und Einrichtungen zur Integrierung
der Ausgangsgröße des Teilers.
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Das erfindungsgemäße Magnetometer ist besonders zur Messung der Veränderungen
des magnetischen Erdfeldes an Bord eines Flugzeuges geeignet und bildet dann ein
Magnetovariometer.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielshalber erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Magnetometerkopf
; F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Frequenzmessers für Niederfrequenz,
welcher zur Messung der von dem Magnetometerkopf der F i g. 1 gelieferten Frequenz
besonders geeignet ist.
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Das in F i g. 1 dargestellte Magnetometer enthält einen Doppelbehälter
1 mit zwei Abteilungen la, l b, welche je eine Lösung 2a, 2b enthalten, welche einerseits
ein Lösungsmittel mit Atomkernen mit einem von Null verschiedenen magnetischen und
kinetischen Moment und somit einem genau bestimmten gyromagnetischen Verhältnisy'bzw.
y"sowie in diesem Lösungsmittel gelöst ein freies paramagnetisches Radikal enthält,
welches einen verhältnismäßig hohen hyperfeinen Abstand (d. h. eine Resonanzfrequenz
in einem Magnetfeld Null) und eine bipolare Kopplung zwischen den Spins der unpaarigen
Elektronen des freien Radikals und den Spins der Atomkerne des Lösungsmittels besitzt,
wobei die Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie eines derartigen Radikals
durch den Overhauser-Abragam-Effekt die Intensität des Signals mit der Larmorfrequenz
der Atomkerne steigert. Diese Kerne haben vorzugsweise ein sehr geringes quadripolares
Moment. Die Abteilung la enthält z. B. eine Lösung von M/750 von Ditertiobutylnitroxyd
in einem Lösungsmittel, welches zur Hälfte durch Wasser und zur Hälfte durch Azeton
gebildet wird, während die Abteilung 1 b das gleiche freie Radikal Ditertiobutylnitroxyd
in dem gleichen Verhältnis in einem Lösungsmittel enthält, welches durch Kohlenstoffhexafluorid
C, F, gebildet wird.
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Die elektronische Resonanzlinie von 68, 8 MHz des Ditertiobutylnitroxyds
in den beiden Abteilungen la,
lb wird mittels eines mit 68, 8 MHz
arbeitenden Höchstfrequenzgenerators 3 und einer Spule 4 (oder genauer von zwei
in Reihe geschalteten Spulen) gesättigt, welche von dem Generator 3 gespeist wird
und in dem Behälter 1 ein Magnetfeld mit dieser Frequenz von 68, 8 MHz erzeugt.
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Auf jede Abteilung la, lb ist eine Spule 5a, Sb aufgewickelt. Diese
beiden Spulen sind identisch und mit der gleichen Achse aufgewickelt, so daß die
Spulen in sich gegenseitig entgegengesetzte Flüsse induzieren.
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Jede Spule 5a, 5b ist an die Eingangsklemmen 6a, 6b eines Verstärkers
7a, 7b ohne Phasenverzerrung angeschlossen. Dieser Verstärker ist vorzugsweise ein
verhältnismäßig trennscharfer Verstärker mit einem schmalen, auf f'bzw. f"zentrierten
Band. In diesem Fall scheidet die Trennschärfe des Resonanzkreises, welcher durch
die Spule 5a, 5b und den parallel mit der Spule an die Eingangsklemmen 6a, 6b des
Verstärkers 7a, 7b angeschlossenen Kondensator 8a, 8b gebildet wird, einen großen
Teil des Grundgeräusches aus und vergrößert somit das Verhältnis Signal-Geräusch
am Ausgang lla, 11b des Verstärkers 7a, 7b.
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Dieser Verstärker, welcher einen Verstärkungsfaktor in der Größenordnung
von 70 Dezibel haben kann, speist über ein Regelpotentiometer 9a, 9b eine Doppelspule
10 a, 10 b.
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Die Achsen der Spulen 5a, 5b und 10a, 10b stehen aufeinander senkrecht,
so daß zwischen jeder Spulenanordnung 5a, 10a und 5b, 10b eine elektrische Entkopplung
hergestellt ist, wobei die Restkopplung mittels der Potentiometer 9a, 9b möglichst
klein gemacht wird.
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Infolge der Sättigung der elektronischen Resonanzlinie von 68, 8
MHz des Ditertiobutylnitroxyds besitzt das Signal der magnetischen Resonanz der
Protonen der wäßrigen Lösung 2a einerseits und der Fluorkerne der nichtwäßrigen
Lösung 2b andererseits in dem in der von dem Behälter 1 eingenommenen Zone vorhandenen
Magnetfeld H eine durch den Overhauser-Abragam-Effekt gesteigerte Intensität.
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Das Signal der Larmorkernfrequenz f', f"in jeder Abteilung la, lb
wird mittels der Schaltung mit Spinoszillator festgestellt, welche die Spulen 5a,
10a einerseits und 5b, 10b andererseits enthält.
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Unter den obigen Entkopplungsbedingungen kann nur die Erscheinung
der Kernresonanz die Spulen 5a, 10a einerseits und 5b, 10b andererseits koppeln.
Wenn in der Spule 5a, 5b eine Wechselspannung auftritt, welche durch Kerninduktion
mit der dem Magnetfeld Hund dem gyromagnetischen Verhältnis y'bzw. y" entsprechenden
Larmorfrequenz erzeugt wird, wird diese Spannung durch den Verstärker 7a, 7b verstärkt
und hierauf an die Spule 10a, 10b angelegt, deren Magnetfeld die Fortdauer dieser
Spannung gewährleistet, wodurch die Schwingungen aufrechterhalten werden.
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Es kann gesagt werden, daß jede Anordnung 5a-7a-10a mit der Abteilung
la einerseits und 5b-7-lOb mit der Abteilung lb andererseits einen richtigen quantenhaften
Oszillator bildet, welcher dem üblichen Rückkopplungsoszillator entspricht, bei
welchem die Kernresonanzkurve die Rolle der Kurve des Schwingkreises in dem klassischen
Oszillator spielt. Da die Kopplung mit der Larmorfrequenz erfolgt, schwingt der
quantenhafte Oszillator mit dieser Frequenz. Infolgedessen liefert jeder Verstärker
7a, 7b an seinem Ausgang 11a, llb eine Spannung mit einer Frequenz, welche gleich
der Larmorfrequenz der Protonen einerseits und der
Fluorkerne andererseits ist, d.
h. f'bei 7a und f" bei 7b.
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Erfindungsgemäß erzeugt man, da die Spulen Sa und 5b ebenfalls miteinander
durch gegenseitige Induktion gekoppelt sind, eine Schwebung zwischen den beiden
Oszillatoren mit Spinkopplung, so daß am Ausgang 11a, 11b einesVerstärkers7a, 7b,
z. B. an dem Punkt 11, die Schwebungsfrequenz '-v" fl-fll H oc verfügbar ist.
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Dieses Schwebungssignal a wird durch einen Detektor 12 gleichgerichtet,
welcher einen Kondensator 13, zwei Halbleiterdioden 14, 15 und einen Widerstand
16 enthält, wobei die Diode 15 nur den gleichgerichteten Strom durchläßt. Der gleichgerichtete
Strom wird in einer Siebzelle 17 mit Drosselspule 18 und Kondensatoren 19a, 19b
gefiltert. Die bei 20 verfügbare gleichgerichtete und gefilterte Spannung b mit
der Frequenz f'-f"wird in dem Verstärker21 verstärkt, dessen Ausgangsgröße c einem
Frequenzmesser 22, z. B. der in F i g. 2 dargestellten Art, zugeführt wird.
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Bei einer Ausführungsform können die Spulen 5a, 5b je 5000 Windungen
aus emailliertem Kupferdraht von 25/100 mm aufweisen, welche durch die Kondensatoren
8a und 8b bei der Spule 5a auf die Frequenz von 1950 Hz und bei der Spule 5b auf
1240 Hz in dem Erdfeld in der Größenordnung von 0, 5 Oersted abgestimmt sind, während
die Spulen 10a, lOb je 200 Windungen aus emailliertem Kupferdraht von 30/100 mm
aufweisen. Ein nicht dargestellter Schirm, welcher für die Kernfrequenz in der Größenordnung
von 1950 und 1240 Hz durchlässig, aber für die elektronische Frequenz von 68, 8
MHz undurchlässig ist, ist zwischen den Spulen 4 und 5a-5b angeordnet. p -i Der
Kopplungskondensator 13 hat eine Kapazität von 0, 022 pF, die Kondensatoren 19a
und 19b haben Kapazitäten von 0, 5 bzw. 0, 1 llF, der Ableitungswiderstand 16 hat
einen Wert von 15 Kiloohm, die Spule 18 eine Selbstinduktion von 11, 2 H, und die
Dioden 14 und 15 sind Dioden 17 PO.
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Schließlich ist der Verstärker 21 ein Verstärker mit einer Bandbreite
zwischen 50 und 150 Hz, was einem Bereich von Magnetfeldern zwischen 0, 25 und 0,
75 Oersted entspricht, wobei die an den Frequenzmesser 22 angelegte Ausgangsspannung
c größenordnungsmäßig 2Vbeträgt.
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In F i g. 1 sind die Signale a an dem Punkt 11, b an dem Punkt 20
(gleichgerichtetes und gefiltertes Signal) und c am Ausgang des Verstärkers 21 dargestellt.
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Das Signal c hat eine Frequenz, welche zu der Intensität des zu messenden
Magnetfeldes entsprechend der Formel (5) genau proportional ist (wobei f"'gerade
die Frequenz dieses Signals ist). Diese Frequenz liegt zwischen 50 und 150 Hz, wobei
der mittlere Wert von 100 Hz der mittleren Feldstärke des magnetischen Erdfeldes
(0, 5 Oersted) entspricht. Eine so niedrige Frequenz (die Frequenz eines Protonenmagnetometers
beträgt etwa 2100 Hz in dem magnetischen Erdfeld) begrenzt etwas die absolute Genauigkeit
des Magnetometers. Was jedoch bei der geophysikalischen Erforschung od. dgl. mittels
eines an Bord eines Flugzeugs befindlichen Magnetovariometers wesentlich ist, ist
weniger die Messung der Intensität des magnetischen Erdfeldes mit einer sehr großen
absoluten Genauigkeit als vielmehr die Messung der Schwankungen und
der
Anomalien des Magnetfeldes mit einer verhältnismäßig hohen Genauigkeit. Die Erfindung
gestattet nun, ohne Störungen durch die Drehungen des Meßkopfs eine konstante Empfindlichkeit
in dem Meßbereich beizubehalten, d. h. in dem Band der Nutzfrequenz (50 bis 150
Hz).
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Der in F i g. 2 dargestellte, die Ausgangsgröße des Verstärkers 21
empfangende Frequenzmesser gestattet die Vornahme der Niederfrequenzmessungen mit
einer konstanten Empfindlichkeit in einem breiten Band.
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Dieser Frequenzmesser nimmt die Integration von konstanten Qberflächen
vor. Er enthält : Einrichtungen 23, welche zweckmäßig durch eine Schmidtsche Kippschaltung
gebildet werden, zur Formgebung des Niederfrequenzsignals c, welches hierdurch in
eine Folge von Rechteckimpulsen d mit der gleichen Frequenz/'" (Signal e) umgeformt
wird, Einrichtungen, welche aus diesem geformten Signal d Gleichspannungsimpulse
e mit der gleichen Frequenzf"'wie das geformte Signal d ableiten und zweckmäßig
durch ein Gleichrichtungs-und Differentiiersystem 24 mit einem Kondensator 25 und
einem Widerstand 26 zur Vornahme der Differentiierung und mit Gleichrichterdioden
27, 28 gebildet werden, Einrichtungen, welche kalibrierte Impulse k mit einer Frequenz
F liefern, welche erheblich größer als die Frequenz f"'des Niederfrequenzsignals
c ist, wobei diese Einrichtungen z. B. durch einen Zeitgeber 29 gebildet werden,
welcher ein sinusförmiges Bezugssignal m mit der Frequenz F liefert, und eine Schmidtsche
Kippschaltung 30 zur Formgebung, welche das sinusförmige Signal m in eine Folge
von Rechteckimpulsen k umformt, eine Umschaltanordnung 31, welche wesentlich zwei
Transistoren 32 enthält, welche eine Schmidtsche Kippschaltung bilden, welche die
kalibrierten Signale k als Impulszüge k'durchläßt, solange ihr Eingang 33 gespeist
wird, einen Frequenzteiler 34, welcher an den Ausgang 35 der Umschaltanordnung angeschlossen
ist und den Impulszug k'empfängt, wobei er an seinem ersten Ausgang 36 einen Impulszug
n und an seinem zweiten Ausgang 37 einen Impulszug n'liefert, eine Kippschaltung
38 mit zwei Eingängen 39, 40, von denen der eine, 39, die Gleichspannungsimpulse
e und der andere, 40, die differentiierte Ausgangsgröße h'des Frequenzteilers 34
empfängt, sowie mit einem Ausgang 41, welcher von dem Augenblick an gespeist wird,
an welchem ihr erster Eingang 39 einen Impuls e empfangen hat, bis zu dem Zeitpunkt,
an welchem ihr Eingang 40 mit einem Impuls n"gespeist wird, welcher von der Differentiierung
des Signals n in der Differentiiervorrichtung 36e herrührt, wobei der Ausgang 41
während seiner Speisung die Umschaltanordnung 31 entsperrt, und Einrichtungen zur
Integrierung der Ausgangsgröße des Frequenzteilers 34, welche z. B. für den Ausgang
36 durch einen Widerstand 42 und einen Kondensator 43 und für den Ausgang 37 durch
einen Widerstand 44 und einen Kondensator 45 gebildet werden.
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Bei einer Ausführungsform, wobei die Frequenz/'" zwischen 50 und
150 Hz mit einem mittleren Wert von 100 Hz liegt, beträgt die Frequenz F 204, 8
kHz, und der Frequenzteiler 34 führt eine Teilung durch 1024 aus. Unter diesen Bedingungen
zählt der Frequenzteiler 34 1024 kalibrierte Impulse k'mit der Frequenz 204, 8 kHz
von einem ersten Impuls e an. Nach dieser Zählung von 1024 Impulsen k'ändert der
Frequenzteiler 34 durch seinen Ausgang 36 die Gleichgewichtsstellung der Kippschaltung
38, wodurch in der Umschaltanordnung 31 die Übertragung der Impulse k bis zum nächsten
Impuls e gesperrt wird. Infolgedessen erhãlt man für jede Periode des Impulszuges
e und somit des Signals c eine Signalfläche n, deren Länge genau konstant ist (sie
entspricht 1024 Perioden des Zeitgebers). Die Integration dieser konstanten Fläche
gibt eine bei 46 verfügbare Gleichspannung Y1, welche zu der zu messenden Frequenz
f"'proportional ist.
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Um die Empfindlichkeit zu vergrößern und die Geräusche zu verringern,
welche eine Änderung der Speisespannung (Anderung der Amplitude des Signals n) erzeugen
könnte, erfolgt die Messung durch Differenzbildung zwischen den beiden Spannungen
V, und Y2 (diese letztere ist bei 47 verfügbar und entspricht dem zweiten Ausgang
37 des Frequenzteilers 34). Diese Differenzmessung legt den Nullpunkt für die Frequenz
100 Hz fest, da die Teilung der Frequenz F = 204, 8 kHz durch 1024 in dem Frequenzteiler
34 eine Frequenz von 200 Hz ergibt, was genau das Doppelte der mittleren Frequenzf"'=
100Hz ist. Für eine derartige mittlere Frequenz von 100 Hz werden die beiden Signale
n und n'durch Stufen gleicher Länge, aber natürlich entgegengesetzter Polarität
gebildet. Zur Vornahme einer derartigen Festlegung des Nullpunkts muß eine feste
Grundfrequenz von 204, 8 kHz vorliegen, wofür ein Zeitgeber 29 mit einem Quarz mit
thermostatischer Regelung vorgesehen wird.
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Mit diesem Frequenzmesser erhält man einen Impuls n oder n'konstanter
Länge, bei welchem nur eine zeitliche Verschiebung entsprechend dem Phasenverhältnis
zwischen dem Signal c und den Schwingungenm des Zeitgebers auftreten kann. Diese
Verschiebung wirkt sich in einer sinusförmigen Spannung aus, deren Amplitude gleich
dem durch die Breite einer Bezugsperiode des Signals m dargestellten Wert ist. Es
genügt daher, daß das Verhältnis groß gegenüber der Frequenz der Änderungen des
zu messenden Magnetfeldes ist.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform haben die verschiedenen Widerstände,
Kondensatoren und Dioden folgende Werte : Kondensator 25.............. 470 pF Widerstand
26................ 22 Kiloohm Dioden 27 und 28............ Typ 17 P2 Kondensator
48.............. 47 pF Widerstand 49................ 100 Kiloohm (die Anordnung
48, 49 bildet eine Differentiiervorrichtung, welche die Rechteckimpulse k in Ansteuerungsimpulse
der Umschaltanordnung 31 umformt, welche die gleiche Form wie die Impulse e, aber
die Frequenz F haben).
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909 537/135
Kondensator 50.............. 47 pF Dioden
51................... Typ 17 P2 Widerstand 52................ 22 Kiloohm Widerstand
56................ 56 Kiloohm Widerstände 42 und 44........ 100 Kiloohm Kondensatoren
43 und 45..... 8 LF Gleichrichterdioden 53........ Typ 17 P2 Kondensator 54..............
470 pF Widerstand 55................ 122 Kiloohm (die Anordnung 54, 55 bildet eine
Differentiiervorrichtung, welche das Rechtecksignal n in Impulse n"umformt).
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Die Differentiierschaltung 50, 52 verhindert, daß die Entsperrung
des Transistors 32 die Zählung vor der Ankunft des Bezugsimpulses auslöst. Dieser
Transistor erreicht nämlich nach seiner Entsperrung einen Gleichgewichtszustand
durch den Potentialabfall seines Kollektors an dem Kollektorwiderstand. Bei Fehlen
der Differentiiervorrichtung 50, 52 könnte die von diesem Potentialabfall herrührende
Spannungsstufe den Frequenzteiler 34 auslösen. Die Differentiiervorrichtung sperrt
nun den Durchgang dieser Stufe.
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Die erhaltene Empfindlichkeit beträgt 14 V für 50 Hz, d. h. 0, 6
mV je Gamma (1 Gamma ist gleich 1 Oersted) und ist zwischen 50 und 150 Hz konstant,
d. h. wenn die Intensität des Magnetfeldes zwischen 0, 25 und 0, 75 Oersted schwankt.
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Wie oben angegeben, wird eine Substraktion zwischen den Spannungen
Fi und V2 vorgenommen, und die Differenzspannung V1V2 wird nach Filterung des gewünschten
Bandes mittels eines nicht dargestellten Verstärkers an ein ebenfalls nicht dargestelltes
Registriergerät angelegt, wobei der Typ des Verstärkers von dem gewählten Registriergerät
abhängt.
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Der Verstärker enthält zweckmäßig einen Abschwächer, welcher die Einstellung
seiner Empfindlichkeit entsprechend dem zu registrierenden Bereich gestattet, z.
B. auf 1, 2, 5, 5, 10, 25 oder 50 Gamma.
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Man erhält so ein Magnetometer mit magnetischen Resonanzen, welches
gegenüber den bekannten derartigen Magnetometern zahlreiche Vorteile aufweist, insbesondere
folgende : Seine Messungen sind von den Drehungen des Magnetometers in bezug auf
die Richtung des zu messenden Magnetfeldes unabhängig ; seine Empfindlichkeit ist
in dem ganzen Band der Intensitäten des Magnetfeldes, auf welches es eingestellt
ist, konstant ; es gestattet die automatische Registrierung der Schwankungen des
magnetischen Erdfeldes ; seine Empfindlichkeit ist in mehreren Unterbereichen einstellbar.