DE2034797C3

DE2034797C3 - Magnetometer mit einer beweglichen Sonde

Info

Publication number: DE2034797C3
Application number: DE2034797A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Farr; Ernst Wilhelm Dr. Otten
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1970-07-14
Filing date: 1970-07-14
Publication date: 1974-02-21
Also published as: DE2034797A1; FR2104786A1; DE2034797B2; FR2104786B1; US3786340A

Description

Photoelement mit der Anzeigeeinrichtung verbindet und einen zwischen Lampe "und Zeile geschalteten flexiblen Lichtleiter umfaßt.

Der Meßbereich eines Magnetometer* nach der Erfindung reicht von etwa I mG bis über I kCi. er- S streckt sich alsu über mehr als sechs Zchnerpotenzen. Infolgedessen ist der Meßbereich wesentlich größer als bei Protoncnresunanz-Magnetometern. Trotzdem wird nur eine einzige Meßsonde zum Überstreichen des gesamten Meßbereichs benötigt. Die Meßgenauigkeit liegt bei 1OuG und kann bei · entsprechendem Aufwand noch gesteigert werden.

Das erfindungsgemäße Magnetometer kann in vielfältiger Weise eingesetzt werden. So kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Vorrichtung zum Regeln eines Magnetfeldes mit einem Magnetometer nach der Erfindung geschaffen werden, bei dem in dem Magnetfeld die Sonde des Magnetometers angeordnet und mit der Sonde eine Regelelektronik verbunden ist, die aus dem vcn dem Photoelement gelieferten Signal ein Regelsignai für das Magnetfeld ableitet. Ein solches Regelsignal kann beispielsweise auf das das. Magnetfeld erzeugende Netzgerät einwirken.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Magnetomeiers sind der kontaktfreie Nachweis elektrischer Ströme bis herab zur Größenordnung von lOOiiA bei gestreckten Drähten, der Nachweis geringster magnetischer Materialstörungen auch in nichtferromagnetischen Materialien, wie z. B. Edelstahlen, sowie die Auffindung von El· :ngegenständen im Erdreich u. dgl. aus der Störune des Erdfeldes.

Die Erfindung ist an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Vorrichtung weist den Lampensender 1, die Lampenheizung 2, den Temperaturfühler 3. die Spule 4, die Lampe 5 und das Interferenzfilter 6 auf. Die von d°r durch die genannten Teile gebildete Strahlungsquelle emittierte Strahlung wird durch den flexiblen Lichtleiter der Sonde zugeführt. Die Sonde befindet sich in dem zu messenden Magnetfeld, welches z. B. durch die Polschuhe 8 eines Magneten erzeugt wird. Die Sonde enthält das Prisma 9 mit Aluminiumfolie 10, welches den Strahlengang um 90 umlenkt. Im Strahlengang befinden sich weiter der Polarisator 11, eine /.-Viertel-Scheibe 12 und die mit Koaual-Heizung 13 ausgestattete Zelle 14. Die /eile ist mit Dampf gleicher chemischer Zusammensetzung uic die Lichtquelle gefüllt, ihre Innenwände sind nut einer ParaffinschiclH überzogen. Wird also eine Hei: umlichUjuelle verwendet, nimmt man Helium .,;> Füllmaterial, bei Verwendung einer Rubidiunilichtquelle entsprechend Rubidiumdampf. Die /eile 1-1 ist von der Hochlrequenz-Einkoppelspuie 15 umgeben. Die aus der Zeile 14 tretende Strahlung gelang! durch das Filter 16 /ur Photozelle 17. Die Sonde enthält weiter den Temperaturfühler 18 und den Anpassungswiderstand !9. Alle Teile der Sonde beim den sich in einem Gehäuse 20 mit Kuplei abschirmung 21. Drei Koaxialkabel 22 führen über einen Verstärker 23 /ur Anzeige 24. /u einem Hochfrequenzgenerator 25 bzw. /u einem Heuungssender 26.

Die'Wirkungsweise der neuen Vorrichtung wird im folgenden für das spezielle Beispiel einer Rb-Sonde erläutert.

Die von der Strahlenquelle emittierte Strahlung, deren Wellenlänge im infraroten, gegen den sichtbaren Bereich gehenden Wellenbereich liegt, gelangt durch den flexiblen Lichtleiter7 und das Prisma«* zum Polarisator 11..12. der die Strahlung rechts zirkulär polarisiert. Die Einstrahlung des zirkulär polarisierten Lichtes in den in der Zelle 14 befindlichen atomaren Damp! liihri /u einer unterschiedlichen Bevölkerung der Zeemanniveaus der atomaren Zustände, die sich in einer Transmissionsäiulerung des Dampfes äußert. Durch die Hochfrequenz-liiikoppelspule 15 wird in die im Magnetfeld befindliche Zelle 14 elektromagnetische Strahlung im Hochfrequenzbereich eingestrahlt. Die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 25 wird variiert und die Transmission mit Hilfe des Photoelements 17 und des Verstärkers 23 in Abhängigkeit von der eingestrahlten Hochfrequenz gemessen. Bei einer von der Stärke des Magnetfeldes abhängigen Frequenz (bei Rb etwa 0,7 MHz pro Gauß) erfolgt Resonanz, die im einfachsten Fall durch einen Ausschlag am Instrument 24 angezeigt wird. Aus der so gemessenen Resonanzfrequenz läßt sich mittels bekannter Formeln die Stärke des Magnetfeldes ermitteln.

Die Bedienung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist einfach und erfordert keine spezielle Vorbildung. Die Umrechnung von Frequenz- in Magnetfeldeinheiten kann mittels Tabellen erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 und es ist außerdem der Meßbereich der Sonde klei- Patemanspiüche- ner als 1 :2, so daß acht Sonden benötigt werden. um einen Feldstärkenbereich von 0,3 bis 19kOe,

1. Magnetometer mit einer beweglichen Sonde. also von weniger als zwei Zehnerpotenzen, zu uberin der eine Zelle von weniiier als 1 cm¹ Volumen. 5 streichen. Wegen der geringen Empfindlichkeit und (die eine Spinresonanzeffekte· zeigende Subs::m/ dem geringen Meßbereich der Sonden ist der Anwencnthält und von einer HF-Spule umeebcn ist, an- dunasbereich dieses bekannten Magnetometers sehr geordnet und die über ein mit der HF-Spule ver- beschränkt. Weiterhin ist wegen der Notwendigkeit, bundenes Kabel an ein Hochfrequenzgenerator eine Vielzahl von Sonden mitzuführen und wahlweise und Anzeigeeinrichtung umfassendes Gerät ange- io einzusetzen, die Anwendung des bekannten Magneschlossen ist. dadurch gekennzeichnet. tometers umständlich.

daß das Magnetometer in an sich bekannter Aus den IEEE-Transactions on Nuclear Science,

Weise vom Prinzip des optischen Pumpens Ge- Januar l%3. S. 16°, ist weiterhin ein Magnetometer brauch macht und demgemäß die Zelle (14) bekannt, das nicht von der Kernspinresonanz, soncinen optisch anregbaren atomaren Dampf ent- 15 dem von einer Elektronenspinresonanz in gasförmihält und das Magnetometer eine Lampe (5). opti- gen Medien Gebrauch macht, die optisch angeregt sehe Glieder (7,9, II, 12) zum Hindurchleiten oder gepumpt werden. Ein solches Magnetometer hat des von der Lampe (5) gelieferten Liclües durch eine s"ehr \iel höhere Empfindlichkeit und auch einen die Zelle (14) und ein auf das die Zelle (14) sehr viel größeren Meßbereich als das bekannte Produrchdringende Licht ansprechendes Photoele- 20 tonenresonanz-Magnclometer. Das bekannte F.lekment (17) umfaßt und daß die Lampe (5) ein Teii tronenspinresmKirrr-Maijnetomeier l»a! jedoch den des Gerätes ist und das Kabel das Photoelemeni Nachteil, datf es wegen der optischen Einrichtungen (17) mit der Anzeigeeinrichtung (23. 24) verbin- einen kompli/icrten Aufbau und einen großen Platzdet und einen zwischen Lampe (S) und Zelle (14) bedarf hat. Sofern es sieh hei solchen Geräten nicht geschalteten flexiblen Lichtleiter (7) umfaßt. 2511m offene l.aborauihaulen handelt, wird fur die

2. Magnetometer nach Anspruch I. dadurch Zelle mit den Mitteln /ur optischen Anregung und gekennzeichnet, daß das Volumen der Zelle (14) zur Signalaufiumme ein erhebliches Volumen benöweniger als 0. ί cm'¹ beträgt. tigt. Bei dem bekannten Magnetometer sind diese

3. Magnetometer nach Anspruch!, dadurch Bauteile in einem Rohr vereinigt, das eine Länge von gekennzeichnet, daß in der Sonde zwischen dem 30 etwa 15 cm aulweist und einen Durchmesser son Ende des Lichtleiters (7) und der Zelle (14) ein ciwa 6.5 cm hat. 1 ine Sonde dieser Größe ist aber den aus dem Lichtleiter (7) austretenden Strahl nicht dazu geeignet. Messungen in engen Spalten auf die Zelle (14) lenkendes Prisma (9) und zwi- zwischen den Polzonen eines Magneten \orzunehmen sehen Prisma (9) und Zeile (14) ein Polarisator oder auch sonst ein Magnetfeld punktweise zu mes-(11) und eine /.-Viertel-Scheibe (12) angeordnet 35 sen. Daher wurden diese bekannten Magnetometer sind. ausschließlich dazu benutzt, das Feld innerhalb von

4. Magnetometer nach Anspruch I. dadurch Helmholtzspulen oder das irdische Magnetfeld zu gekennzeichnet, daß die Zelle (14) von eine: Hei- messen, das über verhältnismäßig große Bereiche als zung (13) umgeben ist. homogen betrachtet werden kann. Tatsächlich ist das

5. Vorrichtung zum Regeln eines Magnetfeldes 40 bekannte Magnetometer zum Einsatz in Satelliten mil einem Magnetometer nach Anspruch 1. da- bestimmt.

durch gekennzeichnet, daß in dem Magnetfeld Es sind zwar noch weitere Magnetometer bekannt,

die Sonde des Magnetometers angeordnet und die in Form relativ kleiner Sonden ausgebildet wermit der Sonde eine Regelelektronik verbunden den können, wie beispielsweise die Hallsonde oder ist. die aus dem von den Pliotoelemcnt geliefer- 45 die Förstersonde, jedoch haben diese Sonden eine reten Signal ein Regelsignal für das Magnetfeld ab- lativ geringe Meßgenauigkeit, sind temperaturcmp-•eitet. findlich und müssen mit Hilfe von Magnetometern

geeicht werden, die von Naturkonstanten Gebrauch machen, wie es bei den Kern- und Elektronenspinre-

50 sonanz-Magnetometern der Fall ist.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Magnetometer der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das zwar eine kleine Meßsonde

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetometer aufweist, mit der ein Magnetfeld punktweise ausmeßmit einer beweglichen Sonde, in der eine Zelle von 55 bar ist. das sich jedoch gegenüber'dem bekannten weniger als I cm» Volumen, die eine Spinresonanzef- Protonenresonanz-Magnetometer durch eine größere fekte zeigende Substanz enthält und von einer Empfindlichkeit und einen größeren Meßbereich aus-HF-Spule umgeben ist, angeordnet und die über ein zeichnet.

mit der HF-Spule verbundenes Kabel an ein Hoch- Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

frequenzgenerator und Anzeigeeinrichtung umfassen- 60 gelöst, daß das Magnetometer in an sich bekannter des Gerät angeschlossen ist. Weise vom Prinzip des optischen Pumpens Gebrauch

Ein solches Magnetometer ist aus den AEG-Mittei- macht und demgemäß die Zelle einen optisch anreglungenSO (1960), 8/9, S. 382 bis 387, bekannt. Das baren atomaren Dampf enthält und das Magnetomebekannte Magnetometer macht von einer Kernspin- ter eine Lampe, optische Glieder zum Hindurchleiten resonanz, und zwar von der Protonenresonanz, Ge- 65 des von der Lampe gelieferten Lichtes durch die Zelle brauch. Nach den in der genannten Druckschrift ent- und ein auf das die Zelle durchdringende Licht anhaltenen Angaben beträgt die mit Hilfe dieses Ma- sprechendes Photoelement umfaßt und daß die gnetometers meßbare geringste Feldstärke 300 Oe, Lampe ein Teil des Gerätes ist und das Kabel das