DE1516925C - Magnetometer für ein Verfahren zur Messung magnetischer Felder, insbesondere schwacher magnetiscner Felder, an Bord eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

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Die.Erfindung hat Weiterbildungen des in dem gemessen werden sollen, ist die Messung verfälscht,.da Hauptpatent beschriebenen Magnetometers mit ma- der Einfluß von m bei Anwendung der Formel (1) ver-

gnetischen Resonanzen zum Gegenstand. nachlässigt wird. Nun kann aber ω verhältnismäßig

Sie betrifft insbesondere ein Magnetometer zur große und stark veränderliche Werte annehmen, wenn Messung der Intensität magnetischer Felder, insbe- 5 die Messung an Bord eines Flugzeugs, eines Raumsondere schwacher magnetischer Felder (von unterhalb schiffs oder eines Körpers erfolgt, welcher sich um die 1 Gauß), und ihrer Veränderungen an Bord eines be- Achse des Magnetfeldes drehen kann.. Es ist sehr

weglichen Körpers (Flugzeug, Luftfahrzeug, Flug- schwierig, wenn nicht unmöglich, eine Berichtigung

körper usw.). von ω eben wegen der Veränderlichkeit seines Wertes

Es sind bereits verschiedene Typen von Magneto- io vorzunehmen, wodurch sehr störende Fehler an dem

metern mit magnetischer Resonanz bekannt. Diese Wert von H und insbesondere seiner Veränderungen

Vorrichtungen beruhen auf der Messung der Larmor- entstehen.

frequenz genannten Präzessionsfrequenz des magne- Magnetische Messungen und geophysikalische Ertischen Moments, im allgemeinen des Kernmoments, forschungen mineralischer Substanzen, die auf den eines subatomaren Teilchens, im allgemeinen eines 15 Veränderungen von H beruhen, laufen daher Gefahr, Atomkerns und insbesondere des Protons, in dem zu durch Vernachlässigung des Einflusses von ω vermessenden Magnetfeld, wobei diese Frequenz zu der fälscht zu sein.

Intensität des Magnetfeldes proportional ist, in Das Hauptpatent beschreibt ein Magnetometer,

welchem sich das subatomare Teilchen befindet. welches diesen Nachteilen abhilft und subatomare

Wenn man mit H die Intensität (in Gauß) des zu 20 Teilchen mit einem von Null verschiedenen messenden Magnetfeldes bezeichnet, in dem sich das magnetischen und kinetischen Moment enthält sowie subatomare Teilchen befindet, mit γ das gyromagne- Einrichtungen zur Erregung derselben und zur Festtische Verhältnis des Teilchens (das Vorhandensein stellung ihrer magnetischen Resonanz und Einrich- f\ eines genau bestimmten Verhältnisses γ bedeutet, daß tungen zur Messung der Frequenz des so gewonnenen das kinetische Moment oder der Spin und daher das 25 Signals, wobei dieses Magnetometer wesentlich damagnetische Moment des Teilchens von Null ver- durch gekennzeichnet ist, daß einerseits die Teilchen, schieden sind) und mit F₀ die Präzessionsfrequenz oder-' deren Resonanz festgestellt wird, zwei · Arten angedie Larmorfrequenz (in Hz), so ergibt sich: hören, bei welchen das Verhältnis dieser Momente 2nF — ν H (1) verschiedene Werte hat, und daß es andererseits Ein-⁰ 30 richtungen aufweist, um die algebraische Differenz der

Das gyromagnetische Verhältnis γ (in Gauß/Sek.) beiden entsprechenden magnetischen Resonanzfreist für viele Atomkerne mit einer sehr großen Genauig- quenzen zu messen, wobei jeder dieser Frequenzen das ; keit bekannt. Insbesondere ist das gyromagnetische Zeichen des entsprechenden Verhältnisses dieser Verhältnis des Protons in desoxydiertem Wasser mit Momente zugeordnet ist.

einer Genauigkeit von 10-· bekannt und beträgt 35 Wenn man nämlich /' und /" einerseits und / undy"

26 751,3 Gauß/Sek. andererseits die Werte von / und γ für die beiden

Die elektromagnetische Strahlung der Frequenz F Teilchenarten nennt, welche z. B. durch Protonen, für ist kreisförmig polarisiert, d.h., die Resonanz er- welche γ' positiv ist, und Fluorkerne, für welche y" ; scheint als eine Rotation des magnetischen Gesamt- ebenfalls positiv, aber kleiner als y' ist, gebildet werden, moments um die Richtung des Magnetfeldes. Das 40 nimmt die Gleichung (2) für die beiden Kerne folgende Drehfeld der elektromagnetischen Strahlung wird Form an:
mittels wenigstens einer Spule erfaßt, die um die subatomaren Teilchen angeordnet ist, in der das Drehfeld 2π/' = / H — ω, . (3)
eine elektrische Wechselspannung erzeugt. Hieraus er- 2π/" = γ"Η~ω. (4)
gibt sich, daß, wenn sich die Spule an Bord eines be- 45

weglichen Körpers befindet, welcher eine gewisse _{Wenn f}„ ^ _{OiSeKaz der} Frequenzen /' und /" ge-

augenblicklicheWinkelpchwindigkeit^umdieRich- _{nannt wird> erhält man die} Beziehung:

tung des Magnetfeldes hat, die Spule selbst mit dieser ^ö
Winkelgeschwindigkeit mitgenommen wird und daß

die Frequenz der Wechselspannung, die in der Spule 50 ^Ιπ* =^2π.' - Ζπ/ = {y-y)H = GH,

durch magnetische Resonanz erzeugt wird, nicht mehr (5)
durch die vorgenannte Formel (1) gegeben ist, die

einer absoluten Rotation des magnetischen Gesamt- worin G die Differenz y' — y" ist, wobei ferner ange-

moments in bezug auf ein festes Bezugssystem ent- nommen ist, daß y' größer als y" ist. Da die Werte

spricht, sondern sie entspricht der relativen Rotation 55 von / und γ" mit großer Genauigkeit bekannt sind,

dieses Moments in bezug auf ein an den beweglichen ist es G ebenfalls.

Körper und somit an die Spule gebundenes Bezugs- Die Gleichung (5) ersetzt somit die Gleichung (1),

system. Mit anderen Worten, nach dem Gesetz der jedoch mit dem Vorteil, daß die Frequenz /'" genau zu

Zusammensetzung der Winkelgeschwindigkeiten er- H proportional ist, selbst wenn das Magnetometer um

hält man, wenn man mit / die Frequenz im Falle der 60 die Richtung von H mit der Winkelgeschwindigkeit ω

Rotation mit der momentanen Winkelgeschwindig- in Umdrehung versetzt wird.

keit ω bezeichnet: Falls γ' und y" nicht das gleiche Zeichen haben, wo-

2πί — νΗ—ω (2) bei ζ. B. / positiv und y" negativ ist, bleibt die Glei-

' chung (3) möglich, während die Beziehungen 4 und 5

Wenn insbesondere mit einer großen Genauigkeit 65 durch folgende Beziehungen ersetzt werden:

ein schwaches Magnetfeld, z. B. das magnetische Erd- '/»——" u u \

feld, und seine Veränderungen mit einem Magneto- ' ~^ω Y '"> v*^a.J

meter mit magnetischer Resonanz bekannter Bauart 2 π (J' + f") = (γ' — γ") H = GH, (5 a)

wobei in allen Fällen G die algebraische Differenz der beiden gyromagnetischen Verhältnisse ist.

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).

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 1 174 126 bildet, d. h. flüssige 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.

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.

Die vorliegende Erfindung hat ein Magnetometer zum Gegenstand, welches einen einzigen Meßkopf besitzt, in welchem sich die beiden Frequenzen /' und /" durch gegenseitige Kopplung mischen.

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 Ausgängsspannung des Filters, welche genau zu der Intensität des Magnetfeldes in der Zone proportional ist, in welcher sich der Doppelbehälter befindet.

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.

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

to 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,

tS 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

ao 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

as einem Steuerimpuls, wobei dieser Ausgang die Umschaltanordnung während seiner Speisung entsperrt, und Einrichtungen zur Integrierung der Ausgangsgröße des Teilers.

Das erfindungsgemäße Magnetometer ist besonders zur Messung der Veränderungen des magnetischen Erdfeldes an Bord eines Flugzeuges geeignet und bildet dann ein Magneto variometer.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

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

*o Frequenz besonders geeignet ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Magnetometer enthält einen Doppelbehälter 1 mit zwei Abteilungen la, 16, welche je eine Lösung la, Ib enthalten, welche einerseits ein Lösungsmittel mit Atomkernen mit einem von Null verschiedenen magnetischen und kinetischen Moment und somit einem genau bestimmten gyromagnetischen Verhältnis / bzw. γ" 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 Lösungsmitte!, welches zur Hälfte durch Wasser und zur Hälfte durch Azeton gebildet wird, während die Abteilung \b das gleiche freie Radikal'^:Ditertiobutylnitroxyd in dem gleichen Verhältnis in einem Lösungsmittel enthält, welches durch Kohlenstoffhexafluorid C₁F₄ gebildet wird.

Die elektronische Resonanzlinie von 68,8 MHz des Ditertiobutylnitroxyds in den beiden Abteilungen la,

Ib 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.

Auf jede Abteilung la, 16 ist eine Spule 5 a, 56 aufgewickelt. Diese beiden Spulen sind identisch und mit der gleichen Achse aufgewickelt, so daß die Spulen in sich gegenseitig entgegengesetzte Flüsse induzieren.

Jede Spule 5a, Sb ist an die Eingangsklemmen 6a, 6b eines Verstärkers 7o, Tb ohne Phasenverzerrung angeschlossen. Dieser Verstärker ist vorzugsweise ein verhältnismäßig trennscharfer Verstärker mit einem schmalen, auf /' bzw. /" zentrierten Band. In diesem Fall scheidet die Trennschärfe des Resonanzkreises, welcher durch die Spule Sa, 5b und den parallel mit der Spule an die Eingangsklemmen 6a, 6b des Verstärkers la, Ib angeschlossenen Kondensator 8a, 86 gebildet wird, einen großen Teil des Grundgeräusches aus und vergrößert somit das Verhältnis Signal—Geräusch am Ausgang 11a, 116 des Verstärkers la, Ib. Dieser Verstärker, welcher einen Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von 70 Dezibel haben kann, speist über ein Regelpotentiometer 9 a, 9 b eine Doppelspule 10a, 106.

Die Achsen der Spulen 5a, Sb und 10a, 1Oi stehen aufeinander senkrecht, so daß zwischen jeder Spulenanordnung 5a, 10a und Sb, IQb eine elektrische Entkopplung hergestellt ist, wobei die Restkopplung mittels der Potentiometer 9a, 96 möglichst klein gemacht wird.

Infolge der Sättigung der elektronischen Resonanzlinie von 68,8 MHz des Ditertiobutylnitroxyds besitzt das Signal der magnetischen Resonanz der Protonen der wäßrigen Lösung la einerseits und der Fluorkerne der nichtwäßrigen Lösung 26 andererseits in dem in der von dem Behälter 1 eingenommenen Zone vorhandenen Magnetfeld // eine durch den Overhauser-Abragam-Effekt gesteigerte Intensität.

Das Signal der Larmorkernfrequenz /', /" in jeder Abteilung la, 16 wird mittels der Schaltung mit Spinoszillator festgestellt, welche die Spulen 5a, 10a einerseits und 56, 106 andererseits enthält.

Unter den obigen Entkopplungsbedingungen kann nur die Erscheinung der Kernresonanz die Spulen 5 a, 10a einerseits und 56, 106 andererseits koppeln. Wenn in der Spule 5a, 56 »eine Wechselspannung auftritt, welche durch Kerninduktion mit der dem Magnetfeld H und dem gyromagnetischen Verhältnis γ' bzw.y" entsprechenden Larniorfrequenz erzeugt wird, wird diese Spannung durch den Verstärker 7a, 76 verstärkt und hierauf an die Spule 10a, 106 angelegt, deren Magnetfeld die Fortdauer dieser Spannung gewährleistet, wodurch die Schwingungen aufrechterhalten werden.

Es kann gesagt werden, daß jede Anordnung 5α-7α-10α mit der Abteilung la einerseits und 56-7-106 mit der Abteilung 16 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 Larmorfrequcnz erfolgt, schwingt der quantenhaftc Oszillator mit dieser Frequenz. Infolgedessen liefert joder Verstärker 7a, 76 an seinem'Ausgang 11a, 116 eine Spannung mit einer Frequenz, welche gleich der Larmorfrequcnz der Protonen einerseits und der Fluorkerne andererseits ist, d. h. /' bei 7a und /" bei 76.

Erfindungsgemäß erzeugt man, da die Spulen 5 a und 56 ebenfalls miteinander durch gegenseitige Induktion gekoppelt sind, eine Schwebung zwischen den beiden Oszillatoren mit Spinkopplung, so daß am Ausgang 11a, 116 eines Verstärkers 7 a, 76, z. B. an dem Punkt 11, die Schwebungsfrequenz

f - f" = ^{Y γ J J} In

verfügbar ist.
Dieses Schwebungssignal α 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 Konden-

ao satoren 19a, 196 gefiltert. Die bei 20 verfügbare gleichgerichtete und gefilterte Spannung 6 mit der Frequenz /' — /" wird in dem Verstärker 21 verstärkt, dessen Ausgangsgröße c einem Frequenzmesser 22, z. B. der in F i g. 2 dargestellten Art, zugeführt wird.

»5 Bei einer Ausführungsform können die Spulen 5a, 56 je 5000 Windungen aus emailliertem Kupferdraht von 25/100 mm aufweisen, welche durch die Kondensatoren 8a und 86 bei der Spule 5a auf die Frequenz von 1950 Hz und bei der Spule 56 auf 1240 Hz in dem Erdfeld in der Größenordnung von 0,5 Oersted abgestimmt sind, während die Spulen 10a, 106 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-56 angeordnet.

Der Kopplungskondensator 13 hat eine Kapazität von 0,022 μΈ, die Kondensatoren 19a und 196 haben Kapazitäten von 0,5 bzw. 0,1 μΈ, 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 P_t.
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 2 V beträgt.

In F i g. 1 sind die Signale α an dem Punkt 11, 6 an dem Punkt 20 (gleichgerichtetes und gefiltertes Signal) und c am Ausgang des Verstärkers 21 dargestellt.

Das Signal c hat eine Frequenz, welche zu der Intensität des zu messenden Magnetfeldes entsprechend der Formel (5) genau proportional ist (wobei /'" 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

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der Anomalien des Magnetfeldes mit einer verhältnis- Bei einer Ausführungsform, wobei die Frequenz /'" mäßig hohen Genauigkeit. Die Erfindung gestattet zwischen 50 und 150 Hz mit einem mittleren Wert von nun, ohne Störungen durch die Drehungen des Meß- 100 Hz liegt, beträgt die Frequenz F 204,8 kHz, und kopfs eine konstante Empfindlichkeit in dem Meß- der Frequenzteiler 34 führt eine Teilung durch 1024 bereich beizubehalten, d. h. in dem Band der Nutz- 5 aus. Unter diesen Bedingungen zählt der Frequenzfrequenz (50 bis 150 Hz). teiler 34 1024 kalibrierte Impulse k' mit der Frequenz Der in F i g. 2 dargestellte, die Ausgangsgröße-des 204,8 kHz von einem ersten Impuls e an. Nach dieser Verstärkers 21 empfangende Frequenzmesser gestattet Zählung von 1024 Impulsen k' ändert der Frequenzdic Vornahme der Niederfrequenzmessungen mit einer teiler 34 durch seinen Ausgang 36 die Gleichgewichtskonstanten Empfindlichkeit in einem breiten Band. 10 stellung der Kippschaltung 38, wodurch in der Um-Dieser Frequenzmesser nimmt die Integration von schaltanordnung 31 die Übertragung der Impulse k konstanten Oberflächen vor. Er enthält: bis zum nächsten Impuls e gesperrt wird. Infolgedessen

erhält man für jede Periode des Impulszuges e und so-

Einrichtungen23, welche zweckmäßig durch eine ™^{ι d}« Signalsc eine Signalflächen deren Länge Schmidtsche Kippschaltung gebildet werden, zur ^l* f·««» konstant f (^Me entspricht 1024 Penoden des Formgebung des Niederfrequenzsignals c, welches ^Ζ^^η$: °j^e Integration dieser konstanten Flache

hierdurch in eine Folge von Rechteckimpulsen d mit »^bt «^ne ^ 46 verfugbare Gleichspannung V₁, welche

der gleichen Frequenz/'" (Signald) umgeformt ^ der zu messenden Frequenz / proportional ist

_wird ^ μ j ν 6- / e y_{m die} Empfindlichkeit zu vergrößern und die Ge-

' μ rausche zu verringern, welche eine Änderung der

Einrichtungen, welche aus diesem geformten Signal d Speisespannung (Änderung der Amplitude des Si-

Gleichspannungsimpulse e mit der gleichen Fre- gnals ri) erzeugen könnte, erfolgt die Messung durch

quenz /'" wie das geformte Signal d ableiten und Differenzbildung zwischen den beiden Spannungen V₁

zweckmäßig durch ein Gleichrichtungs- und Diffe- und V₁ (diese letztere ist bei 47 verfügbar und ent-

rentiiersystem 24 mit einem Kondensator 25 und as spricht dem zweiten Ausgang 37 des Frequenzteilers

einem Widerstand 26 zur Vornahme der Differen- 34). Diese Differenzmessung legt den Nullpunkt für

tiierung und mit Gleichrichterdioden 27, 28 gebildet die Frequenz 100 Hz fest, da die Teilung der Fre-

werden, quenz F = 204,8 kHz durch 1024 in dem Frequenz-

_.., ,.,,·.· T11 · teiler 34 eine Frequenz von 200Hz ergibt, was genau Einrichtungen, welche kalibrierte Impulse* mit _{das Doppelte der mittleren} Frequenz/'" = 100 Hz einer Frequenz F hefern welche erheblich großer als _{ist Für cine derartige mitt}i_{erc FreqU}enz von 100 Hz die Frequenz/ des Niederfrequenzsignals c ist, _{werden die} ^_06n signale η und«' durch Stufen wobei dies«!Einrichtungen ζ B. durch einen Zeit- _0eicher ^ _{aber natüriich} entgegengesetzter PoIageber 29 gebildet werden welcher em sinusförmiges _{rität büdet Zur} Vornahme einer derartigen Fest-Bezugssignal m mit der Frequenz F liefert, und eine j _{des Nullpunkts muß eine feste} Grundfrequenz Schmidtsche Kippschaltung 30 zur Formgebung, _v*_n ^_{48 kHz} £_{orliegen wofür cin} Zeitgeber 29 mit welche das sinusförmige Signal m in eine Folge von _{cinem Quarz mit} thermostatischer Regelung vorge-Rechteckimpulsen k umformt, sehen wird

eine Umschaltanordnung 31, welche wesentlich zwei ^Mit diesem Frequenzmesser erhält man einen Im-

Transistoren 32 enthält, welche eine Schmidtsche *° puls η oder ri konstanter Länge, bei welchem nur eine Kippschaltung bilden, welche die kalibrierten Si- zeitliche Verschiebung entsprechend dem Phasenver-

gnalefc als Impulszüge k' durchläßt, solange ihr hältnis zwischen dem Signal c und den Schwingungenm

Eingang 33 gespeist wird, des Zeitgebers auftreten kann. Diese Verschiebung

wirkt sich in einer sinusförmigen Spannung aus, deren

einen Frequenzteiler 34, welcher an den Ausgang 35 ₄₅ Amplitude gleich dem durch die Breite einer Bezugs-

der Umschaltanordnung angeschlossen ist und den periode des Signals m dargestellten Wert ist. Es genügt

Impulszug k' empfängt, wobei er an seinem ersten , , . ' . ,, . , . F „ ... . Ausgang 36 einen Impulszug η Und an seinem zwei- daher, daß das Verhältnis -p,- groß gegenüber der

ten Ausgang 37 einen Impulszug ri liefert, Frequenz der Änderungen des zu messenden Magneteine Kippschaltung 38 mit zwei Eingängen 39, 40, ⁵° ^feldes ist.

von denen der eine, 39, die Gleichspannungsim- ^{Bei d}f bevorzugten Ausfuhrungsform haben die pulse e und der andere, 40, die differentiierte Aus- verschiedenen Widerstände, Kondensatoren und Digangsgröße n" des Frequenzteilers 34 empfängt, so- ^{oden f0|}g^{ende Werte:} wie mit einem Ausgang 41, welcher von dem Augenblick an gespeist wird, an welchem ihr erster Ein- ^S5 Kondensator 25 470 pF

gang 39 einen Impuls e empfangen hat bis zu dem Widerstand 26 22 Kiloohm

Zeitpunkt, an welchem ihr Eingang 40 mit einem Impuls n" gespeist wird, welcher von der Differen- Dioden 27 und 28 Typ 17 P₂

tiierung des Signals η in der Differentiiervorrichtung „

36a herrührt, wobei der Ausgang 41 während seiner ^fc Kondensator 48 47 pF

Speisung die Umschaltanordnung 31 entsperrt, Widerstand 49 100 Kiloohm

und Einrichtungen zur Integrierung der Ausgangsgröße des Frequenzteilers 34, welche z. B. für den (die Anordnung 48, 49 bildet eine Differentiiervor-Ausgang 36 durch einen Widerstand 42 und einen 65 richtung, welche die Rechteckimpulse k in Ansteue-Kondensator 43 und für den Ausgang 37 durch rungsimpulse der Umschaltanordnung 31 umformt, einen Widerstand 44 und einen Kondensator 45 ge- welche die gleiche Form wie die Impulse e, aber die bildet werden. Frequenz F haben).

Claims (1)

9 10 Kondensator 50 47 pF mit einem genau bestimmten gyromagnetischen Dioden 51 Typ 17 P Verhältnis, enthält, wobei die gyromagnetischen y2Verhältnisse der beiden Teilchenarten verschieden Widerstand 52 22 Kiloohm sind, sowie mit Einrichtungen zur Entnahme von Widerstand 56 56 Kiloohm 5 zwei Spannungen mit der Frequenz der magne- , mn vt u tischen Resonanz, welche durch die Präzessions- Widerstände 42 und 44 100 Kiloohm bewegung einer jeden der beiden Teilchenarten in Kondensatoren 43 und 45 8 μι dem Magnetfeld, in welchem sich die Behälter be- ri.i»u.,M,t..j.·^.« « T„~ π D finden, induziert werden, und Einrichtungen zur Gleichrichterdioden 53 1 yp 17 P2 . . ' , . . . ' „.._ . ~ , ίο Messung der algebraischen Differenz zwischen den Kondensator 54 470 pF beiden Frequenzen der magnetischen Resonanz, Widerstand 55 122 Kiloohm wobei jeder dieser Frequenzen das Vorzeichen des entsprechenden gyromagnetischen Verhältnisses (die Anordnung 54, 55 bildet eine Differentiiervorrich- zugeordnet ist, nach Patent 1 290 630, d a - tung, welche das Rechtecksignal η in Impulse n" um- 15 durch gekennzeichnet, daß die beiden formt). Behälter die beiden nebeneinander angeord- Die Differentiierschaltung 50, 52 verhindert, daß die neten Abteilungen (la, Ib) eines Doppelbehäl-Entsperrung des Transistors 32 die Zählung vor der ters (1) bilden und daß die Einrichtungen zur EntAnkunft des Bezugsimpulses auslöst. Dieser Transistor nähme der beiden Spannungen und die Einrichtunerreicht nämlich nach seiner EntSperrung einen Gleich- 20 gen zur Messung der algebraischen Differenz der gewichtszustand durch den Potentialabfall seines beiden Frequenzen durch ein Paar von Spulen Kollektors an dem Kollektorwiderstand. Bei Fehlen (5a, Sb), welche je auf eine besondere Abteilung der Differentiiervorrichtung 50, 52 könnte die von aufgewickelt und so angeordnet sind, daß sie eine diesem Potentialabfall herrührende Spannungsstufe gegenseitige Kopplung besitzen, und durch ein den Frequenzteiler 34 auslösen. Die Differentiiervor- 25 Paar von praktisch linearen Verstärkern (7 a, Tb) richtung sperrt nun den Durchgang dieser Stufe. , mit sehr hohem Verstärkungsfaktor gebildet wer- Die erhaltene Empfindlichkeit beträgt 14 V für' den, deren Eingangsklemmenpaare (6 a, 6b) je mit 50 Hz, d. h. 0,6 mV je Gamma (1 Gamma ist gleich einer der Spulen (5c, Sb) verbunden sind, während 1 · 10~6 Oersted) und ist zwischen 50 und 150 Hz kon- ihre Ausgangsklemmen (Ha, 11 b) mit einer Spule stant, d. h. wenn die Intensität des Magnetfeldes 30 (10a, 10b) verbunden sind, deren Achse senkrecht zwischen 0,25 und 0,75 Oersted schwankt. zu der Achse der an die Eingangsklemmen des Wie oben angegeben, wird eine Substraktion zwi- gleichen Verstärkers angeschalteten Spule (5 a, Sb) sehen den Spannungen V1 und V1 vorgenommen, und liegt, sowie durch einen an den Ausgang (Ha) eines die Differenzspannung V1 — V3 wird nach Filterung Verstärkers (7 a) angeschlossenen Detektor (12), des gewünschten Bandes mittels eines nicht darge- 35 eine an den Ausgang des Detektors angeschlossene stellten Verstärkers an ein ebenfalls nicht dargestelltes Siebzelle (17) und einen Frequenzmesser (22), Registriergerät angelegt, wobei der Typ des Ver- welcher an den Ausgang (20) der Siebzelle gege- stärkers von dem gewählten Registriergerät abhängt. benenfalls über einen Verstärker (21) angeschlos- Der Verstärker enthält zweckmäßig einen Abschwä- sen ist. eher, welcher die Einstellung seiner Empfindlichkeit 40 2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch geentsprechend dem zu registrierenden Bereich ge- kennzeichnet, daß jede Abteilung (la, Ib) eine stattet, z. B. auf 1, 2,5, 5,10, 25 oder 50 Gamma. Lösung (2a, 26) einschließt, welche einerseits ein Man erhält so ein Magnetometer mit magnetischen Lösungsmittel, welches die subatomaren Teilchen Resonanzen, welches gegenüber den bekannten der- enthält, und andererseits in diesem Lösungsmittel artigen Magnetometern zahlreiche Vorteile aufweist, 45 gelöst ein freies paramagnetisches Radikal mit insbesondere folgende: einem verhältnismäßig großen überfeinen Abstand „.., . , JTnl jw (d.h. mit einer Resonanzfrequenz in einem Ma- Seine Messungen sind von den Drehungen des Ma- ^ mit dem Wert NuU) und einer bipoIarcn gnetometers in bezug auf die Richtung des zu Kopplung zwischen den Spins der unpaarigen messenden Magnetfeldes unabhängig; Jo Egonen des freien Radikals und den Spins der seine Empfindlichkeit ist in dem ganzen Band der Atomkerne des Lösungsmittels enthält, wobei die Intensitäten des Magnetfeldes, auf welches es einge- Sättigung einer elektronischen Resonanzlinie eines stellt ist, konstant; derartigen Radikals durch den Overhauser-Abra- es gestattet die automatische Registrierung der gam-Effekt die Intensität des Signals mit der Schwankungen des magnetischen Erdfeldes; « Larmorfrequenz der Atomkerne vergrößert, wobei seine Empfindlichkeit ist in mehreren Unterbe- 5?s Magnetometer Einrichtungen aufweist, um reichen einstellbar ™ese Resonanzhnie in den beiden Abteilungen (la, Ib) zu sättigen. 3. Magnetometer nach Anspruch 1 oder 2 zur Patentansprüche: 60 Messung der Änderungen der Intensität des magnetischen Erdfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß

1. Magnetometer mit magnetischen Resonanzen, der Frequenzmesser (22) Einrichtungen (23) zur

insbesondere zur Messung der Intensität des ma- Formgebung des Niederfrequenzsignals (c), Ein-

gnetischen Erdfeldes, mit zwei Behältern, von richtungen (24) zur Ableitung von Gleichspan-

denen der eine eine erste Art und der andere eine 65 nungsimpulsen (e) aus dem geformten Signal (d)

zweite, von der ersten verschiedene Art von sub- mit gleicher Frequenz wie dieses geformte Signal,

atomaren Teilchen mit einem von Null verschie- Einrichtungen (29, 30) zur Lieferung von kalibrier-

denen magnetischen und kinetischen Moment, d.h. ten Impulsen (Jc), deren Frequenz erheblich größer

als die Frequenz des Niederfrequenzsignals ist, eine Umschaltanordnung (31), welche die kalibrierten Signale (k) durchläßt, wenn sie entsperrt ist, einen an den Ausgang (35) der Umschaltanordnung angeschalteten Frequenzteiler (34), eine Kippschal- tung (38) mit zwei Eingängen (39, 40), von denen der eine (39) die von dem geformten Signal herrührenden Gleichspannungsimpulse (e) und der andere (40) die aus der Ausgangsgröße des Spannungsteilers abgeleiteten Steuerimpulse («") emp- to

fängt, sowie mit einem Ausgang (41), welcher von dem Augenblick an, an welchem ihr erster Eingang (39) mit einem Gleichspannungsimpuls (4) gespeist wird, bis zu dem Zeitpunkt der Speisung ihres zweiten Eingangs mit einem Steuerimpuls (n") gespeist wird, wobei die Ausgangsgröße die Umschaltanordnung (31) während ihrer Speisung entsperrt, und Einrichtungen (42,43; 44, 45) zur Integrierung der Ausgangsgröße des Frequenzteilers (34) aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen