DE2136236B2 - Kernresonanzmagnetometer - Google Patents

Description

messer angeschlossen ist. dadurch gelöst, daß erfin- umfaßt f^^f^SS^. S**«

dungsgemäß der Ausgang des Differenzverstärkers nut und 24, die «nc: solche ™™ *ω^^ _{von e}twa

dessen Eingängen über Impedanzen verbunden ist, die ^f^ Ku^Sd, in dem sich

untereinander gleich, aber groß gegen die der Halb- ^^S^St^^S»\dba besteht

_uw w.ner bevorzugten Ausführungsform der Erfin- zum einen aus -,.mm«-,,™, „«,

dung sind zur Erzeugung des die Proben beeinflussen- mit von Null verschiedenem WJ^ST_11nT ^elektromagnetischen Feldes mit rjektronenreso- und mechamschem D^S^J^uSni in nanzfrequenz ein aus einem in der gemeinsamen Achse anderen aus «^P"J™Jg£Mtoment und der der beiden Proben und der beiden Halbspulen ange- i. stabiler Los"^JJf ¹Jg^Srntetw im Lösungsordneten Zentralleiter und aus einem Proben und "f^^^Ätf «£n 2SS5eti«±es Ver-Halbspulen umgebenden Schirm aus dünnen Längs- mittel lege»^^«f^S^Suenz für diese bändern aus einem Metall hoher elektrischer Let- haltnis y fest, ^m^J^^^^_He berechnet fähigkeit, wie Silber, bestehender Resonanzhohlraum, Kerne in einem Magnetfeld der Starke «₀ ^ ein Höchstfrequenzgenerator und ein Koaxialkabel 15 sich dann zu: vorgesehen, dessen Innenleiter mit dem Zentralleiter _ γ ^

und dessen Außenleiter mit dem Schirm des Resonanz- ~~ -_l;r °"

hohlraumes verbunden ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nun- _{Atomkerne im} Lösungsmittel sind im allgemeimehr als bevorzugtes Ausföhrungsbeispiel fur die 20 Die ^At0™^e™^e'"! ,,_ssen ^b _{sich auch} andere Atom-Erfindung ein in der Zeichnung veranschaulichtes nen ^Protone\^J'³^ "_{e von} Fluor oder Phos-Maanetometer ohne für die Messung verbotene Achse "™ ™ ™^^£Ertl2nt\wenden. Im beschrieben werden. Dabei zeigt in der Zeichnung phor '"^»f^S im allgemeinen F ι g. 1 ein Blockschaltbild für ein Magnetometer, ersten Falle besteht da ^L^^unS^im"^le _d ^b _einer das zie, verschiedene Proben und eiren gemeinsamen 2₅ ™™^^^ SÄ^ser misch-Hochfrequenzgenerator verwendet, Misu«u* - ' _{u Flussigkei}t, die erst bei tiefen F . g. 2 eine schematische Darstellung der relativen baren ^f [^^ⁿ^ " _pLamagnetischen Sub-Laue der verschiedenen Bestandteile eines im Rahmen Temperaure η e πtem D^p«amjg^ ^ ^ e,ne: Magnetometers nach F 1 g. 1 verwendbaren ^^_E^_t^_nSn?da5 mit den Atomkernen Kopfes, der in einem Axialschn.tt gezeigt ist .3» ^^aar" ^!°w4_hselwirkung treten kann.

F , g. 3 eine schematisch gehakene perspektivische des :Stoffes !η Wxhse w, kung

Darstellung für den Abstin.m-Kcndensator des Hoch- Wie Fi g. 1 a«gt. hegt ewe.l e.nj^ _en

frequenzkreises in F i g. 2 mit durch die S.chtl.n.e Halbspulen 18 und 18 au N ^ ^d _m ^e _t ^a^_rschiedenen

HI-IU in F . g. 2 gegebener Blickrichtung, der Halbspulen IS^ und₍«^» verbunden.

Fig 4 eine perspektivische Darstellung der Ver- 35 Eingängen des ^^r^^crs^^C _im wesentlichen

bindungen zwischen dem Hochfrequenzresonanzhohl- Der D.ff« n-e stark 12 m^ _Zusammenhang

raum und seiner koaxialen Speiseleitung, linear arbeiten,. *°™ⁿ sinusförmigen Ein-

einen Differenzverstärker 12 mit geschlossener Schleife, gleiche Mode ohne _storendtn^ tmnu

-^Sr ÄSf err:is ₅₅ ts,fÄÄ_{ÄS Ä}^_S:

Der Meßkopf 10 kann aus zwei ähnlichen und auf- 3«™^^ J_{ählt man} ^S _diesen Koeffizienten zwieinander ausgerichteten Untergruppen aufgebaut ge- dart P^ra^^scri

dacht werden. Jede dieser Untergruppen besteht aus 60 sehen 7 und VX _Störsignalen müssen sich die

einer Halbspule 18 und 18', die konzentrisch um^eine ^^¹^,²^ _den Abspulen 18 und 18'

Probe 20 oder 20' herumgewickelt ist Der größeren N^utoi8naie, a« _KernresOnanzerscheinungen

Klarheit halber sind *V^^TVen ₂"θ und W ^SgTendTn eStromotorischen Kräfte zueinander Fig. 1 neben den zugehörigen Proben20 und Zl) ™"£*S* _{Di Erge}bnis wird nur dann erreicht, dariestellt, ihre tatsächliche Lage ist jedoch die in 6₅ adAeren. ^^eses ^^f _{h Resu}i_tante der magnetischen

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Momente in dem Atomkernsystem der anderen Probe nauen Gleichgewichts am Meßkopf 10 erfolgt die entgegengesetzt ist. Bei der dargestellten Ausführungs- Verbindung des Ausgangs 32 des Differenzverstärkers form mit nur einem Hochfrequenzgenerator müssen mit den Widerständen 34 und 34' über ein Potentiosich diese unterschiedlichen Reaktionen als Folge meter 38, dessen Schleife 36 mit dem Ausgang 32 und einer Erregung mit der gleichen Frequenz tür beide 5 dessen Enden mit jeweils einem Ende der Wider-Proben ergeben. Deshalb werden zwei verschiedene stände 34 bzw. 34' verbunden sind. Ist dann der Proben verwendet, die jedoch gleiches Volumen auf- Eingangskreis des Differenzverstärkers 12 auf Resoweisen. Dafür bieten sich insbesondere zwei Möglich- nanz abgestimmt, so muß der Differenzverstärker 12 keiten an: selbst für die Aufrechterhaltung einer niederfrequenten

a) Zum einen kann man Proben mit demselben io Schwingung eine Phasenverschiebung um τι/2 liefern. Lösungsmittel, jedoch unterschiedlichen paramagneti- Beispielsweise können die Widerstände 34 und 34' sehen Stoffen wählen, die bei im wesentlichen gleicher einen Wert von 100 kQ aufweisen, während das Erregerfrequenz zwei zueinander inverse Elektronen- Potentiometer 38 einen Wert von 1 k£l besitzt. Die resonanzlinien zeigen. Dann wird für die eine Probe, Kapazität des Abstimmkondensators 30 kann einige beispielsweise die Probe 20, die paramagnetische Sub- 15 Tausend Picofarad betragen. Die beiden Halbspulen 18 stanz so ausgewählt, daß die Sättigung durch ein elek- und 18' können einige Tausend Windungen aufweisen, tromagnetisches Feld mit der Frequenz/ für eine beispielsweise 1700 Windungen von 30/100 mm oder Elektronenresonanzlinie mit einer nahe bei dem 2500 Windungen von 25/100 mm. Die Verstärkung Wert / liegenden Frequenz zu einer gesteigerten des Differenzverstärkers 12 muß dann hoch sein, bei-Energieabsorption bei der Frequenz dieser Resonanz- 20 spielsweise bei 80 db liegen.

linie führt. Für die andere Probe, also die Probe 20', Die Flektronenresonanzlinien in den Proben 20 und

wird eine paramagnetische Substanz ausgewählt, in 20' werden durch einen einzigen Höchfrequenzoszilla-

der durch die gleiche Resonanzfrequenz / eine Elek- tor 14 erregt, der über ein Koaxialkabel 26 einen Re-

tronenresonanzlinie erregt wird, deren Sättigung zu sonanzhohlraum speist, der die beiden Proben 20 und

einer stimulierten Energieemission bei der Frequenz 25 20' umschließt. Dieser Resonanzhohlraum ist unten

dieser Linie führt. im einzelnen beschrieben; er ist über einen einstell-

Beispielsweise kann man als erste Probe eine Lösung baren Kondensator 28 von einigen Hundert Picofarad

von Di-tertiär-butyl-stickstoffoxid in einer Mischung angeschlossen.

aus 50 Raumteilen Wasser und 50 Raumteilen Aceton Das Arbeitsprinzip für das beschriebene Magneto-

und für die zweite Probe eine Lösung von Tri-aceton- 30 meter ergibt sich aus der vorangehenden Beschreibung

amin-N-oxid in einer Mischung aus 70 Raumteilen ohne weiteres und soll daher nur gedrängt geschildert

Wasser und 30 Raumteilen Äthylenglycol wählen. Die werden:

Anlage eines elektromagnetischen Feldes mit einer Die durch den Höchstfrequenzoszillator 14 in den

Frequenz / in der Größenordnung von 68,5 MHz Proben 20 und 20' erregten Resonanzlinien führen bei

führt dann zur Sättigung der unteren Elektronenreso- 35 Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes zum Auf-

nanzlinie für das Tri-aceton-N-oxid, woraus sich treten einer makroskopischen Komponente, die in der

dafür eine gesteigerte Energieabsorption ergibt, sowie Probe 20 eine vorgegebene Richtung und in der

zur Sät* igung der oberen Elektronenresonanzlinie von Probe 20' die entgegengesetzte Richtung hat. Daraus

69,4 MHz des Di-tertiär-butyl-stickstoffoxid, woraus folgt dann, daß auch die makroskopischen Resultie-

sich für dieses eine Energiemission ergibt. 40 renden für die magnetischen Momente in den Atom-

b) Zum anderen kann man ein und dasselbe freie kernsystemen der Proben 20 einerseits und 20' anderer-Radikal in zwei verschiedenen Lösungsmitteln ver- seits gegenphasig zueinander sind: die auf die induwenden. So kann man insbesondere als erste Probe zierte Kernresonanz zurückgehenden elektromotorieine 10 '-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid sehen Kräfte in den beiden Halbspulen i8 und 18' in reinem Di-methoxyäthan und als zweite Probe eine 45 addieren sich daher zueinander.

10~³-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in Nunmehr soll an Hand von F i g. 2 bis 4 der Aufeiner Mischung aus 73°/₀ Dimethoxyäthan und 27°/₀ bau des Meßkopfes 10 im Einzelnen beschrieben Wasser verwenden. Außerdem empfiehlt es sich, zur werden. Dieser Meßkopf 10 enthält zwei Untergrup-Erhöhung der Resonanzanregung und zur Vergröße- pen. die symmetrisch zu seiner Mittelebene liegen und rung der Signalamplitude das Tri-acetonamin-N-oxid 50 auf den Zentralleiter 39 des Resonanzhohlraumes aufzu deuterieren. Die optimale Frequenz für das Erreger- gebracht sind, in dem die vom Höchstfrequenz- feld liegt dann bei etwa 62,65 MHz. generator 14 abgegebene Höchstfrequenz zur Reso-

In gleicher Weise kann man als erste Probe eine nanz kommt.

10 ³-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in Wie bereits oben erwähnt, umfaßt jede dieser Baureinem Dimethoxyäthan und als zweite Probe eine 55 gruppen zwei in der linken Hälfte der Zeichnung mit 10~³-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in den Bezugszah'en 22 und 24 bezeichnete Flaschen aus reinem Methanol verwenden. Pyrex-Glas, die beide identische Proben enthalten.

Die Signale am Ausgang des Differenzverstärkers 12 Eine mechanische Bearbeitung der Flaschen 22 und

werden auf die Halbspulen 18 und 18' rückgekoppelt, 24 ist zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit

die damit eine doppelte Rolle, nämlich einer Abnahme 60 nicht erforderlich. Die Halbspule 18 dieser Baugruppe,

und einer Wiedereinspeisung der Nutzsignale, spielen. die aus ohne Kern in Araldit eingebettetem und email-

Dazu wird der mit dem Frequenzmesser 16 verbundene liertem Silberdraht besteht, ist zwischen den Flaschen Ausgang 32 des Differenzvei stärkers 12 über einen 22 und 24 eingeschlossen.

ROckkopplungszweig mit zwei einander gleichen Die Flaschen 22 und 24 und die Halbspule 18 sind Widerständen 34 und 34' mit den Eingängen des 65 mit Vorteil ro ausgebildet, daß der durch die HaIb-Differenzverstärkers 12 verbunden, wobei die Wider- spule 18 entstehende Fluß in der gesamten Probenstände 34 und 34' groß sind gegenüber der Impedanz masse in der gleichen Größenordnung liegt. Ein zu der Halbspulen 18 und 18'. Zur Einstellung eines ge- geringer Fluß führt nämlich zu einem Signal, dessen

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Größe unterhalb des theoretisch erreichbaren Wertes den Fall einer Messung des magnetischen Erdfeldes bleibt. Ein zu großer Fluß dagegen führt zu einer mit einem Protonenmagnetometer — und den einge-/erbreiterunj der Resonanzliiuen und damit zu einer speisten Frequenzen / — in der Größenordnung von VerschlechterungdesNutzsignal-RaUsch-Verhältnisses. 60 MHz — ein hinreichender Abstand besteht. Daher ist es erwünscht, den Fluß rund uhi die Halb- 5 Der in F i g. 2 dargestellte Meßkopf ist insofern von spule 18 einen in der gleichen Größenordnung nahe Vorteil, als er keine für die Messung verbotene Achse dem Optimalwert liegenden Wert zu geben. Dieses zeigt und außerdem in einem Magnetfeld vorgegebener Kriterium führt ganz allgemein zur Verwendung von Intensität Signale liefert, deren Amplitude von der Halbspulen mit etwa quadratischem Querschnitt und Orientierung des Kopfes nahezu unabhängig ist. Zur von Proben mit ebenfalls angenähert quadratischem io Erläuterung dieser vorteilhaften Eigenschaften, die sich Querschnitt, wobei die Werte rund um die Halbspulen auch experimentiell haben bestätigen lassen, sollen in der gleichen Größenordnung liegen. lediglich einige qualitative Hinweise gebracht werden,

Der Resonanzhohlraum umfaßt einen Zentralleiter da eine strenge Herleitung zu kompliziert würde. 39 und eine Abschirmung 40, die das Auftreten von Allgemein wirken bei der Entstehung eines Nutz-

Foucaultschen Wirbelströmen unterdrücken soll. Diese 15 signals nur die Teile der Proben mit, die folgenden Abschirmung40 besteht aus dünnen Bändern oder drei Bedingungen genügen:

Belägen aus amagnetischem Metall von guter Leit- Das durch den infolge der Wiedereinspeisung in die

fähigkeit, wie beispielsweise Silber. Dabei umfaßt der Halbspulen fließenden Strom erzeugte Magnetfeld Schirm 40 eine Reihe von Längsbändern, die auf die muß darin die Präzession für den Kernspin der Atomaneinandergesetzten Flaschen 22 und 24 aufgebracht ao kerne aufrechterhalten;

sind und zu beiden Seiten der Proben in Belägen auf Das elektromagnetische Feld von Höchstfrequenz

Quarzscheiben ihre Fortsetzung finden. Auf der Seite muß darin eine zur Sättigung der Elektronenresonanzdes Koaxialkabels 26 sind auf einer dünnen Quarz- linie in der Probe ausreichende Amplitude aufweisen; scheibe 43 (F i g. 4) versilberte Sektoren angeordnet, Die makroskopische Resultante für die magnetischen

deren Anzahl der Anzahl der leitenden Bänder des 25 Momente des Atomkernsystems muß in den HaIb-Schirmes 40 entspricht, die ihrerseits um die Sektoren spulen eine elektromotorische Kraft induzieren. 41 herumgelegt und bei 42 (F i g. 2) damit verschweißt l. Betrachtet man nun dazu F i g. 7 und 8, die rten

sind. Die Verbindung der Abschirmung 40 mit dem Fall veranschaulichen, in dem das zu messende Magnet-Koaxialkabel 26 erfolgt über einen Kranz von Fingern feld H₀ senkrecht zur Achse der Halbspulen verläuft, 44, an den inneren Enden der Sektoren 41 (F i g. 2 30 so sieht man, daß in den seitlich der Spulen gelegenen und 4). während der Innenleiter des Koaxialkabels 26 Bereichen die Feldlinien des zu messenden Magnetmit dem Zentralleiter 39 des Resonanzhohlraumes feldes H₀ und die des durch den Strom in dt.i Halbverbunden ist. spulen entstehenden magnetischen Wechselfeldes H_a

In ähnlicher Weise ist an die Probe 20' eine zur im wesentlichen parallel zueinander verkaufen. Unter ersten Quarzscheibe 43 symmetrische Quarzscheibe 46 35 diesen Bedingungen vermag das Feld der Halbspulen (F i g. 2 und 3) angesetzt. Diese zweite Quarzscheibe die Präzession der Spins um das zu messende Gleich-46 übernimmt die Rolle des Kondensators 28. Dazu feld H₀ nicht zu unterhalten. Diese Bereiche wirken trägt sie auf ihrer Außenseite versilberte Sektoren 48, also nicht mit, wie dies F i g. 7 zeigt, die fest mit den Bändern des Schirmes 40 verbunden Dagen kann das Feld H_a die Präzession der Spins

sind und die nicht bis zu einem zentralen Loch in der 4° in den radial zu den Halbspulen innerhalb und außer-Quarzscheibe 46 reichen. Die zweite Seite der Quarz- halb davon liegenden Zonen unterhalten, die in F i g. 7 scheibe 46 trägt versilberte Sektoren 50 von geringer schraffiert dargestellt sind. Die erste Bedingung ist Dicke, die den Sektoren 48 gegenüberstehen und an damit erfüllt. Betrachtet man nun aber F i g. 8, «0 ihren inneren Enden über einen Belag 52 nach außen stellt man fest, daß für bestimmte radial zu den Spu^n durchverbunden sind. Der Endabschnitt des Zentral- 45 liegende Teile der Probe die eine der beiden .'ndercn leite«39 ist ebenfalls mit dem Belag52 (Fig. 2) Bedingungen nicht erfüllt ist. verbunden. Die Abstimmung ,1% Kondensators 28 Zum einen ist unter der Annahme eines senkrechter

erfolgt in einfacher Weise duru. mehr oder weniger Verlaufs des Magnetfeldes H₀ zur Achse die Resonanz starkes Abkratzen des Silberbelpges auf der Quarz- mode für den Resonanzhohlraum bei Höchstfrequeni scheibe 46. Die Anpassung des Resonanzhohlraumes 50 so, daß die Sättigung der Elektronenresonanzliniei an das Koaxialkabel 26 erfolgt mit Hilfe einer Koppel- nur in zwei Keulen auftritt, die einen um so größerei schleife 56. Teil der Probe ausmachen, je größer die Stärke de:

Die Quar/scheibe 46 besitzt eine Ausnehmung 54 Magnetfeldes ist. In F i g. 8 sind diese Keulen fü (F i g. 3) für die Durchführung von Füllstutzen fü; eine bestimmte Feldstärke mit strichpunktierten Kur die Flaschen in der rechten Baugruppe. In die Quarz- 55 ven 60 angedeutet.

scheibe 43 ist eine entsprechende Ausnehmung einge- Zum anderen kann es nur dann eine Induktion ii

arbeitet. Die Quarzscheibe 43 trägt außerdem eine in den Halbspulen geben, wenn die Spins eine Präzessioi der Zeichnung nicnt dargestellte Isolierscheibe, durch um eine Richtung (Feldrichtung des Magnetfeldes H₁ die die von den verschiedenen Halbspulen kommenden zeigen, die durch die Achse einer Halbspule gehl Leiter hindurchgeführt sind. Diese Leiter gehen zwi- 60 Damit nehmen auch die Teile der Probe, die in F i g. sehen den Flaschen hindurch und dann entlang des durch die strichpunktierten Linien 62 begrenzt werdei Schirmes in dessen Innenraum hinein. nicht an der Signaientstehung teil, somit verbleibe

Da die Halbspulen 18 und 18' innerhalb des Re- für die Signaientstehung insgesamt nur die in F i g. sonanzhohlraums liegen, werden darin hochfrequente schraffiert gezeichneten Probenteile. Ströme induziert. Diese Ströme stören jedoch nicht, 65 2. Betrachtet man nun den anderen Extremfal sie lassen sich nämlich mit Hilfe einer Drosselspule 58 in dem das Magnetfeld W₀ parallel zur Achse (Fig. (Fig. 1) ohne weiteres unterdrücken, da zwischen den und 6) verläuft, so nehmen alle in den nicht schraffie Resonanzfrequenzen F — von 1000 bis 3000 Hz für ten Bereichen von F i g. 5 gelegener Frobenteile nie!

an der Signalentstehung teil. In diesen Teilen kann das Magnetfeld Η_Λ der Halbspulen die Präzession der Spins nicht unterhalten, da seine Kraftlinien parallel oder angenähert parallel zu denen des zu messenden Magnetfeldes H₀ verlaufen.

Dagegen liegt die Aufrechterhaltung der Präzessionsbewegung der Spins in den in F i g. 5 schraffierten Gebieten auf der Hand. Daher genügt es für die Entstehung eines Signals in jeder Halbspule, daß die makroskopische Resultierende der magnetischen Momente der Atomkernhysteme in einem vorgegebenen Gebiet auf einer Seite der Halbspulenachse Ströme in gleicher Pachtung induziert wh die Ströme, die auf die makroskopische Resultierende der magnetischen Momente der Kernsysteme in der diametral gegenüberliegenden Zone zurückgehen. In F i g 6 sieht man, daß an den Stellen, wo die Feldlinien des Magnetfeldes Ha radial verlaufen, das Wechselfeld H_a in zwei mit einer der Kernresonanzfrequenz entsprechenden Frequenz umlaufende Vektoren zerlegt werden kann. Der eine dieser Vektoren bleibt ohne Einfluß, da das entsprechende Feld sich wie eine Größe der Frequenz —2/ gegenüber einem auf die Frequenz +2/ abgestimmten Filter (Kernfilter) verhält. Es verbleiben dann nur die Felder H₁, die in entgegengesetzten Gebieten entgegengesetzte Richtung (F i g. 6) aufweisen. Mit andere!! Worten aus°edrückt sind die Resultierenden für die Projektion der Spinrotationen in die Ebene von F i g. 6 für entgegengesetzte Zonen der Probe Vektoren von umgekehrter Richtung, wobei jedoch der Rotationssinn für die Vektoren H₁ stets der gleiche bleibt. Berücksichtigt man dann weiter noch, daß sich die Spins für jede Halbspule wie phasenverschobene rotierende Doubletten verhalten, die den Halbspulen gegenüber stehen, so ergibt sich für diese Spulen die Induktion eines resultieionden Stromes. Dabei ist der Einfluß der in den mit den Spulen durchmessergleichen Zonen liegenden Spins offensichtlich überwiegend; die seitlich der Spulen gelegenen Zonen mit kleinerem oder größerem Durchmesser liefern jedoch einen nicht vernachlässigbaren Beitrag.

Nachzutragen bleibt noch ein Aspekt, der zwar sekundär ist, dennoch aber große Bedeutung hat: Wenn die Orientierung des Magnetfeldes H₀ die in F i g. 5 und 6 angegebene ist, hat der Meßkopf keinen gyroraagnetischen Effekt, die Frequenz der an den Enden der Halbspulen auftretenden Signale bleibt also unabhängig von etwaigen dem Meßkopf aufgezwungenen Rotationsbewegungen gleich der Kernresonanzfrequenz / = γ/2 π H₀. Außerdem führen Rotationsbewegungen der Spulen um ihre Achse nicht zu gyromagnetischen Effekten, wie dies für den Fall der bisher bekannten Magnetköpfe mit einer verbotenen Achse in der bereits zitierten französischen Patentschrift 1447 226 der Anmelderin beschrieben ist. Wegen diese r beiden Eigenschaften werden Magnetometer, die in einen beweglichen Körper, wie beispielsweise ein Flugzeug, eingebaut werden sollen, dessen abrupteste Rotationsbewegungen Rollbewegungen sind, so installiert, daß die Achse des Meßkopfes der Rollachse

ίο folgt, so daß es dann unabhängig von der Inklination des zu messenden magnetischen Erdfeldes keine verbotene Achse mehr gibt. Der Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Magnetometers tritt vor ülem nahe dem Äquator auf, wo die Feldlinien des magnetischen Erdfeldes praktisch horizontal verlaufen, was einen Einhau eines Meßkopfes mit einer verbotenen Achse in der Weise, daß durch Rollbewegungen veranlaßte gyromagnetische Effekte unterdrückt werden, unmöglich macht.

Da außerdem der gyromagnetische Effekt nicht für jede Rotation des Meßkopfes um seine Achse auftritt und nur auf die Komponente des zu messenden Magnetfeldes H₀ wirkt, die nicht parallel zu dieser Achse ist, wird er gegenüber bisher bekannten Meßköpfen für alle Richtungen des Magnetfeldes H₀ mit Ausnahme der zur Achse senkrechten Richtung erheblich vermindert.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß das erfindungsgemäße Magnetometer alle obenerwähnten Vorteile aufweist: sein konstruktiver Aufbau ist sehr einfach und verlangt keine Bearbeitung der Flaschen für die Proben, der Meßkopf zeigt keine verbotene Achse, und der gyromagnetische Effekt ist vermindert. Was diesen letzten Punkt anbelangt, so ist anzumerken, daß man eine Wahl zwischen zwei Eigenschaften des Meßkopfes treffen kann: Man kann entweder ein Signal anstreben, dessen Amplitude unabhängig von der Orientierung des Meßkopfes praktisch konstant ist, was eine gleichmäßige Verteilung der Proben rund um die Halbspulen verlangt, oder man kann eine verstärkte Abschwächung des gyromagnetischen Effektes durch Verminderung des radial zu den Halbspulen liegenden Probenvolumens anstreben. Überdies ist der Füllkoefftzient für den Meßkopf, also der Volumenanteil des Kopfes der von den Proben erfüllt ist, sehr hoch. Da die rund um die Spulen angeordnete Abschirmung einen. Schutzschirm bildet, sind zum einen die außerhalb des Kopfes liegenden Anlagen der niederfrequenten Strahlung des Kopfes entzogen,

während umgekehrt die Halbspulen gegen eine Einwirkung äußerer Felder abgeschirmt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Die Erfindung bezieht sich auf Keraresonanz- Patentansrjrüche· magnetometer mit Spinkopplung, bei denen Spulen μ mit mindestens einer Probe aus einem Material mit gyromagnetischen Eigenschaften gekoppelt und mit

1. Kernresonanzmagnetometer mit Spinkopp- 5 dem Eingang und dem Ausgang eines linearen Verlung, bei dem mit zwei Proben mit gleichen Atom- stärker so verbunden sind, daß eine Schleife entsteht, kernen mit von Null verschiedenem magnetischem in der die Frequenz von Kernschwingungen Finessen Moment und mechanischem Drehimpuls, die zum werden kann.

einen einem zu messenden Magnetfeld und zum Zur Verkürzung der Ausdrucksweise soll im folgenanderen einem zur Sättigung einer eine gesteigerte io den zum einen das Gesamtgebilde aus den Spulen ur J Energieabsorption bei der Kernresonanzfrequenz den Proben als »Kopf« bezeichnet werden. Außerdem bewirkenden Resonanzlinie in der einen Probe und wird zur Vereinfachung der Ausdruck »Probe« als einer eine Energieemission bei der Kernresonanz- Sammelbezeichnung für ein in einem Behälter enthalfrequenz bewirkenden ResonanzUnie in der anderen tenes Lösungsmittel verwendet, das Atomkerne mit Probe ausreichenden elektromagnetischen Feld mit 15 von Null verschiedenem magnetischem Moment und ElektroneTiresonanTfrequeriz ausgesetzt sind, je eine mechanischem Drehimpuls, also genau definiertem von z\sei Hall rmlen gekoppelt ist, die zum einen gyromagnetischem Verhältnis aufweist und in dem mit einem festen Bezugspotential und zum anderen eine paramagnetische Substanz, wie beispielsweise zu gleichmodiger Einspeisung der in ihnen indu- freie Ionen oder Radikale, mit unpaaren Elektronen zierten parasitären Spannungen mit jeweils einem 20 gelöst sind, die mindestens eine Elektronenresonanzanderen Eingang eines Differenzverstärkers ver- linie aufweisen, die sich durch ein elektromagnetisches bunden sind, an dessen Ausgang ein Frequenz- Feld von hohem Wert und vorgegebener Frequenz und messer angeschlossen ist, dadurch gekenn- unabhängig von einem die Probe umgebenden schwazeichnet, daß der Ausgang (32) des Differenz- chen Magnetfeld sättigen läßt.

Verstärkers (12) mit dessen Eingängen über Impe- 25 Insbesondere betrifft die Erfindung Magnetometer danzen (34 bzw. 34') verbunden ist, die unter- mit Spinkopplung, die zur genauen Messung sehr einander gleich, aber groß gegen die der Halb- schwacher Magnetfelder, wie des magnetischen Erdspulen (18, 18) iind. feldes, dessen Größe bei_5OOOOj', also 0,5 Oe liegt,

2. Magnetometer nach Ansp> .ch 1, dadurch ge- und zur Erkennung von Änderungen gerin<- τ Amplikennzeichnet, daß dei Differenzverstärker (12) eine 30 tude innerhalb dieser Felder von beispielsw . '/ίο Υ Phasenverschiebung um jiß bewj kt und daß zwi- dienen.

sehen seinen Eingängen ein Abstimmkondensa- In der französischen Patentschrift 1 447 <.lb der

tor (30) zur Resonanzabstimmung liegt. Anmelderin ist ein Magnetometer beschrieben, das

3. Magnetometer nach Anspruch 1 oder 2, da- zwei Halbproben aufweist, die jeweils mit einem Paar durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des die 35 ^v°n zueinander parallelen Halbspi'len und mit Mitteln Proben beeinflussenden elektromagnetischen Feldes zur Erregung zweier Elektronenresonanzlinien in diese mit Elektronenresonanzfrequenz ein aus einem in beiden Haibproben in der Weise gekoppelt sind, daß der gemeinsamen Achse der beiden Proben (20, 20') die Sättigung der einen dieser Resonanzlinien eine und bei den Halbspulen (18, 18') angeordneten Zunahme der Euergieabsorption bei der Kernresonanz-Zentralleiter (39) und aus einem die Proben und 40 frequenz der Atomkerne im Lösungsmittel bewirkt, Halbspulen umgebenden Schirm (40) aus dünnen während die Sättigung der anderen Resonanzlinie eine Längsbändern aus einem Metall hoher elektrischer stimulierte Energieemission bei eier Kernresonanz-Leitfähigkeit, wie Silber, bestehender Resonanz- frequenz eben desselben Lösungsmittels auslöst,
hohlraum, ein Höchstfrequenzgenerator (14) und Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ein Koaxialkabel (26) vorgesehen sind, dessen 45 Magnetemeter dieser Art in seinen Eigenschaften zu Innenleiter mit dem Zentralleiter (39) und dessen verbessern, indem es insbesondere einen einfacheren Außenleiter mit dem Schirm (40) des Resonanz- konstruktiven Aufbau, ein verbessertes Nutzsignalhohlraumes verbunden ist. Rausch-Verhältnis und bei einer besonderen Ausfüh-

4. Magnetometer nach Anspruch 3, dadurch ge- rungsform keinerlei für die Messung verbotene Achse kennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum einen 50 aufweist.

Abstimmkondensator (28) aufweist, der aus einer Die gestellte Aufgabe wird, ausgehend von einem an die eine (20') der beiden Proben (20, 20') an- Kernresonanzmagnetometer mit Spinkopplung, bei gesetzten und damit durchmessergleichen Quarz- dem mit /:wei Proben mit gleichen Atomkernen mit scheibe (46) besteht, die auf entgegengesetzten von Null verschiedenem magnetischem Moment und Seiten mit leitenden Metallbelägen (48 bzw. SO) 55 mechanischem Drehimpuls, die zum einen einem zu versehen ist, von denen der eine (50) mit dem messenden Magnetfeld und zum anderen einem zur Mittelleiter (39) und der andere (48) mit dem Sättigung einer eine gesteigerte Energieabsorption bei Schirm (40) des Resonanzhohlraumes leitend ver- der Kernresonanzfrequenz bewirkenden Resonanzbunden ist. linie in der einen Probe und einer eine Energieemission

5. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 60 bei der Kernresonanzfrequenz bewirkenden Resonanzbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Probe linie in der anderen Probe ausreichenden elektroaus einer 10"³-molaren Lösung von Triacetcnamin- magnetischen Feld mit Elektronenresonanzfrequenz N-oxid in reinem Dimethoxyäthan und die andere ausgesetzt sind, je eine von zwei Halbspulen gekoppelt Probe aus einer 10-³-molaren Lösung von Tri- ist, die zum einen mit einem festen Bezugspotential acctonamin-N-oxid in reinem Methanol besteht. 65 und zum anderen zu gleichmodiger Einspeisung der

in ihnen induzierten parasitären Spannungen mit

jeweils einem anderen Eingang eines Differenzverstär-

kers verbunden sind, an dessen Ausgang ein Frequenz-