DE2136236C - Kernresonanzmagnetometer - Google Patents

Description

K-

ben ώ-J "- La-i:-- her L e't- -^l-aam. .\ia"k.;be: -'.r.i: ..!er

messer angeschlossen ist. dadurch i:ei.>s·.. dab eriind u!':-sgemäß der Ausgang des Differenz ν erstärkers rnil dessen Eingängen über Impedanzen verband-.-- ;si. die L.-.;.c'reinander gleich, aber gno ^e_:eu die der HaIh- -p-..^!en sind.

Hei einer bevorzugten Aüsfu:-run_-·'. τ.-. de^r Erfinde ■- sind zur Erzeugung des die i'roH_c- neeinnussendcelektromagnetischen leides r:.<; ' i.-r/L-.'vienresi·- -.:-..'frequenz ein aus einem ;n de" ..;!i:::-vj:iiL'n. Achse ,.·." beiden Proben und der beide-. 1 i._;;^u -r.:¹.-" an.iie-..-.eien Zentralster and .s.;s _v;»,

t ·' : -spulen umgebenden Schirm a,-b . dem aus einem Melai! hoher e '.-.- jkeit. wie Silber, beziehender Re-.- · Höchstfrequenzgeneraioi u:-a e .. .· >ehen. dessen Innenleiter nv. d : dessen Außenleiter mit dem >ch.-:v de- Resi.nan/-

r iraumes verbunden :si.

,■'.:- weiteren Frläu'.erung d-.r [ -;;-da;-_;_ -·^:: ·■.-.. ··-

r :r als bevorzugtes \u-fuhr„: -. _--.^:- - -:^ .e: in: ..ie ( ---dung ein m der /c:d:·:::::: ■ -era- --dia.. Uciuc- ·: j .-tometer ohne fur die \Ι·:--:ϋ. ^rN-;e-;c \J--c

t . /",rieben werden. Dabe- zeie.; : de: /ί;.!ι::.:·:ί : ü. 1 ein Blockschaltbild fur ei" Maj:iei->nie^:er.

{...s /λci verschiedene Probe:-- urvd _·.:■_■:■. _^πο::>₁;;;ιογ I .iifrequenzgenerator verwend-e'..

■ ; c. 2 eine schemalische Π.ι--;-ί ;·.: der rei.iiive; I ..iie der verschiedenen Be-tar-die/c enes :\r, Rahme; t js Magnetometers na.li ! , c: i '.erWCVdbare; I pfes. der in einem Axialschni:: gezeigt izt.

I i g. 3 eine schematisch geii.ih.ene Perspeki'v i-.c';i; ! .--teilung für den Abstimm-Ko-ido. '■■;■ ..ie- fiocn, I .iuenzkreisev in ! ig. 2-m:t Ji.r.': -;_:. -suhliin;

■ IM in f" i }J- 2 gegebener !iiidr.ch:;;;!-.

i ι g. 4 eine perspektivische Dars'.-.-ü.-r-g der λ er i- -.düngen /wischen dem Hochfre-.r. .'n/: e-.':..:ii/hoii: : ;..m nd seiner koaxialen, ^pcise'e.'.-an·-.

I i c. 5 und 7 schematische Avaischiv.iie d umf^LU beispielsweise /wet konzentrische Flaschen ■ind 24. die eine solche Form aufweisen. da!> sie Ini inanderschachtelung einen "iTLis-Raum v.<n fi quadratischem Qu-erschniti LinwhlieHen. in dem die Halbspule IS KtinJet. Die Probe 20 selbst best /um einen aus einem Lösungsmittel, das Atnn.ke mit von Null verschiedenem magnetischem Mom ana mechanischem Drehimpuls besitzt, und /i anderen aus einer paramagneuzchen Subztan/ siabiier Liis-.ing. Das magnetische Moment und mechanische Drehimpuls der V.omkeiiie im l.os;::i miitel Jenen eieicii/eum deren g_v roiiiagnelis.ives \ hälfiis ■■ fe-:. und die Kernresonanzf-equen/ far di Ker:ie in einem NlagnetfeiJ der Stärke //„ berech· s.eh dann /u:

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eieiligien Bereiche der Proben far e;-.i e:v.!:!ni: der ^;-,ibenachsc verlaufendes Magnetfeld,'/. '.!·!.:.?' •.■ά. für ein senkrecht /u dieser Λ^hze '.eriaiiie ide^ Magnetfeld /Z₀ (Fig 7) jewci'z >chr.iflier; darge-tell: ;;id. und

\ ι g. 6 und X Schnute durch die köpfe von I ι g : h.'w. 7 entlang der Schnittlinie;¹. V!-\I m I· i l;. bzw. Vlll-VIlf in l· ι g. 7.

Das in F i g. 1 schematisch dargestellt-: Magnetometer besitzt einen Meßkopf 10. der sieh i- '"neni zu messenden Magnetfeld der Feldstärke //, befinde'., einen Differenzverstärker 12 mit geschlossener Schleife, tier ein Signal mit der dem Meßkonf 10 eingeprägten kernresonan/frequen/ F auftreten lassen soll, einer, bei Höchstfrequenz: / arbeitenden Oszillator 14. der in den Proben im Meßkopf 10 Hlekironenresonanzlinien anregen soll, und einen Frequenzmesser 1-6 fur die Messung der Kernresonanzfrequenz /■.

Der Meßkopf 10 kann aus zwei ähnlichen und aufeinander ausgerichteten Untergruppen aufgebaut gedacht werden. Jede dieser Untergruppen besteht aus einer Halbsfjvle 18 :nd 18'. die konzentrisch um eine Probe 20 oder 20' herumgewickeil ist. Der größeren Klarheit halber sind die Halbspulen 18 und 18' in F i g. 1 neben den zugehörigen Proben 20 und dargestellt, ihre i-Usächliche Lage ist jedoch die in F i g. 2 ersichtliche. In F i g. 2 erkennt mar., daß jede der Proben 20 oder 20' in zwei Flaschen eingeschlossen ist. Die Anordnung auf der linken Seite von F ι g.

Die Atomkerne im Li'-mii-r.iii.: sind im a "en Proionen, jedoch lassen >;:h .\::^h andere kerne w,e lnsbezii-iderc Kerne von FIi'-t ode: phor fur die Zwecke der F.rtindLing verwende:- Im ersten Faiie besteht das Lösungsmittel im allgemeine;; ; aus einer w .issers ι off·-, a It ige π Flu -sinken oder u.;s e.'v Mis.'huni; von Wa-ser und einer m:i Wasser mis-ci-baren wazserstoffhaitigen Fiuzzigkeit. d;-e ersl be: ' e:-.·:' Temperaturen erstarr!. On paramagiietis,.'- - -. ·■-stanzen -nid freie Ionen oder Radikale, die er- -..: j paare- Elektron, enth.ai'.en. das m;' den Atomke"".·- ;ies Stoffes in Wechselwirkung trete··, kann.

Wie E ι g. 1 zeig!. he_ü leweiN ein ! nde der beicic' llalbspulen 18 und 18 auf Masse, die anderen i nde;. der Halbspulen 18 und 18 sind mit verschiedene Eingängen des Differenzverstärkers 12 verbünde-Der Differenzverstärker 12 muß ι::-, wcsenlucue hnear arbeiten. vv,>runter m diesem Zusamnienha·--: verstanden werden ~o\\. dai'^; einem M-.-isfö'rmigen 1 ;:.-gangssignal für den Differenzverstärker 12 aiic'r. e.i' ■ ^ü sinusfi'irmiges Ausgangssignjl entspricht, das aber mehl unbedingt mit dem Emgannsignal in Phase sein mail E ι g ! /e:gt weite". d.'.IS etw.nge Siors^n.-,!.-die in. den identisch-en lEi'bspaien 18 und IS d.;:. elektromagnetisctie S'.orfeider wn·.¹. durch, \ei'zc--:j- ^:5 hungert dieser Halbspulen 18 und 18 m einem feststehenden Magnetfeld fur den EaH eines ! -itsaizes de Magnetometers in einem Flugkörper entstehen ko-nnen . am Differenzverstärker gieichmodig anliege". D.-.¹ Stör- '.nale bleiben daher unter der \\>raiizset.--..i'ig l> eines hinreichend großen I nterdrückungsfak'.or- fur gleiche Mode ohne störenden Einfluß. Z.vsische;: die mit den i.ingängen des Differeiwersiärkers 12 verbundenen Enden der Halbspulen. IS und !8 \A dem in E i g. 1 liargestellten Auzführungsbeisp..-! Abstimm¹-ondensator eingefügt, der dem I -ngar kreis des Differenzverstärkers 12einen ( berspannu: koeflizienten Q verleiht, der /ur Vcrnieidunjz um I quenzmitnahme-Erscheinungcn nicht zu groß werden darf: praktisch wählt man diesen Koeflizienten zwi-Oo sehen 7 und 10.

Im Gegensatz .^ru den Störsignalen müssen sich die Nutzsignale, also die an den Halb.pulen 18 und 18 abgenommenen und auf Kernresonanzerschemungen zurückgehenden elektromotorischen Kräfte zueinander 65 addieren. Dieses Ergebnis wird nur dann erreicht, wenn die makroskopische Resultante der magnetischen Momente der Atomkernsysteme in der einen Probe der makroskopischen Resultante für die magnetischen

Momente im dem \tomkernsvstem <.ίcτ anderen Probe nauen (ileiehgew ichts am Meßkopf IO erfolgt 'lie

enteeuengeset/t ist. Hei der dargestell'en Ausführungs- Verbindung des Ausgangs 32 des Differen/.verstärkers

ίο mi mil nur einem Hoelifrequen/iieneratiir müssen nut den Widerständen 34 und 34' über ein Potentio-

.ich diese unterschiedlichen Reaktionen aK I olge meter 38. dessen Schleife 36 mit dem Ausgang 32 und

einer I rrcüiing nut der jleiehen I requen/ im beide '■ dessen I nden mil jeweils einem Finde der Wider-

l'r.^vii ergeben. De-Ii,ilh werden 'wei verschiedene stände 34 b/w. 34' \erbundcn sind. Ist dann der

,'i.i.-en \erweinlet. die jedoch gleiches Volumen auf- Lingangskrcis des Differen/verstärkers 12 auf Rc-o-

.·. .-,sen. Dafür '-!eten sich insbesondeie /«ei Möglich- n.in/ abgestimmt, so muß der Differenzverstärker 12

keilen an: scibsi fur die Aufreehlerhailung einer niederfrequenten

a) Zum einen kann man Proben mit demselben io Schwingung eine Phasenverschiebung um .-x/2 liefern.

Lösungsmittel, jedoch unterschiedlichen paramagneii- Beispielsweise können die Widerstände 34 und 34'

sehen Stoffen wählen, die bei im wesentlichen gleicher einen Wert von 100 kll aufweisen, während das

trägerfrequenz zwei zueinander inverse Lleklronen- Potentiometer 38 einen Wert von I kil besitzt. Die

resonaii/linicn /eigen. Dann wird für die eine Probe, Kapazität des Abstimmkondensators 30 kann einige

beispielsweise die Probe 20. die paramagnetisch^ Sub- 15 Tausend Picofarad betragen. Diebeiden Halbspulen 18

stan/ so ausgewählt, daß die Sättigung durch ein elck- und 18' können einige Tausend Windungen aufweisen,

tromagnctisches Feld mit der Frequenz f für cmc beispielsweise 1700 Windungen von 30/100 mm oder

P.lektroncnrcsonan/Iinic 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-

Lnergieabsorption bei der Frequenz dieser Resonanz- 20 spielsweise bei 80 db liegen.

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

wird eine paramagnetische Substanz ausgewählt, in 20' werden durch einen einzigen Höchfrequcnzos/illa-

der durch die gleiche Resonanzfrequenz f eine F.lek- tor 14 erregt, der über ein Koaxialkabel 26 einen Re-

ironenresonanzlinie erregt wird, deren Sättigung zu :,onanzhohlraum speist, der die beiden Proben 20 und

einer stimulierten Hncrgiccmission bei der Frequenz 25 T\ umschließt. Dieser Rcsonanzhohlraum ist unten

dieser Linie führt. im einzelnen beschrieben: er ist über einen einstcll-

Ueispielsweise kann man als erste t'robc eine Lösung baren Kondensator 28 von einigen Hundert Picofarad

von Di-tertiär-Kilvl-stickstofTorid in einer Mischung angeschlossen.

aus 50 Raumteilen Wasser und 50 Raumtcilen Aceton Das Arbeitsprinzip K^;v das beschriebene Magneto-

und für die zweite Probe eine Losung von I n-aceton- 30 meter ergibt sich aus der vorangehenden Beschreibung

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

Wasser und 30 Rauinieilcn Äthylenglycol wählen. Die werden:

Anlage eines elektromagnetischen Feldes mit einer Die durch den Höehstfrequenzoszillaior 14 in der, Frequenz/ in der Größenordnung von M, 5 MH/ Proben 20 und 20'erregten Resonanzlinien führen be: führt dann zur Sättigung der unteren Elektronenrcso- 35 Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes zum Aufnan/Iime für da> Tri-aceton-N-oxid. woraus sich treten einer makroskopischen Komponente, die in der dafür eine gesteigerte Lncrgic.ibsorption ergibt, sowie Probe 20 eine vorgegebene Richtung und in der zur Sättigung der oberen FJektronenresonanzlinie von Probe 20' die entgegengesetzte Richtung hat. Daraus 69.4 MHz des Di-tertiär-butyl-stickstoffinid, woraus folgt dann, daß auch die makroskopischen Resultiesieh für dieses eine Fnergiemission ergibt. 40 renden für die magnetischen Momente in den Atomic Zum anderen kann man ein und dasselbe freie kernsystemen der Proben 20 einerseits und 20' andcrer-Rddikal in zwei verschiedenen Lösungsmitteln ver- seits gegenphasig zueinander sind: die auf die induwendcn. So kann man insbesondere ab erste Probe zierte Kernresonanz zurückgehenden elektromoioneine 10 '-molare Lösung von Tn-acctonamin-N-oxid sehen Kräfte in den beiden Halbspulen 18 und 18 in reinem Di-methoxväthan und al- /weite Probe eine 45 addieren sich daher zueinander.
H) -molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in Nunmehr soll an Hand von F i g. 2 bis 4 der Aufeincr Mischung aus 73° ₀ Dimethoxyäthan und 27°'_O bau des Meßkopfes 10 im Einzelne, 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 un<: rung der Signalamplitude das Tri-acetonamin-N-oxid 50 auf den Zentralleiter 39 des Resonanzhohlraumes auf zu dcuterieren. 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 '-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in Wie hereits oben erwähnt, umfaßt jede dieser Bau

reinem l/imetho\yäthar. und als zweite Probe eine 55 gruppen zwei in der linken Hälfte der Zeichnung mi

10 '-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in den Bezugszahlen 22 und 24 bezeichnete Flaschen au

reinem Methanol verwenden. Pyrex-Glas. die beide identische Proben enthalten

Die Signale am Ausgang des Differenzversiäikers 12 Eine mechanische Bearbeitung der Flaschen 22 unc

werden auf die Halbspul^n 18 und 18' rückgekoppelt. 24 ist zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkei

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

und einer Wicdereinspeisung 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 Flaschei

Ausgang 32 des Differenzverstärkers 12 über einen 22 und 24 eingeschlossen.

Rückkopplungszweig mit zwei einander gleichen Die Flaschen 22 und 24 und die Halhfpule 18 sim

Widerständen 34 und 34' mit den Eingängen des 65 mit Vorteil so ausgebildet, daß der durch die Halb

Differenzverstärkers 12 verbunden, wobei die Wider- spule 18 entstehende Fluß in der gesamten Proben

stände 34 und 34' groß sind gegenüber Jcf Impedanz masse in der gleichen Größenordnung liegt. Ein zi

der Halbspulen 18 und 18'. Zur Einstellung eines ge- geringer Fluß führt nämlich zu einem Signal, dessei

7 8

Große unterhalb des theoretisch erreichbaren Wertes den Fall einer Messung des magnetischen Hrdfcldcs

bleibt. Ein zu großer [IuB dagegen führt /u einer mit einem Protonenmagnetometer -- und den einge-

Verbreitcrung der Rcsonan/.linicn und damit /u einer speisten Frequenzen/ -- in der Größenordnung von

VerschlechterungdesNutzsignal-Rausch-Verhältnisses. 60 MHz ein hinreichender Abstand bestellt.

Dahe- ist es erwünscht, den FIuIi rund um 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 /u 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 Lcit- Das durch den infolge der Wiedereinspeisung in die

fahigkeit, 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 Atom-

ancinandergesetzten Flaschen 22 und 24 aufgebracht ao kerne aufrechterhalten;

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

Qiiarzscheiben ihre Fortsetzung finden. Auf der Seite muß darin eine zur Sättigung der Elektronenresonanz-

tks Koaxialkabels 26 sind auf einer dünnen Quarz- linie in der Probe ausreichende Amplitude aufweisen;

s 'ieibc43 (Fig. 4) versilberte Sektoren angeordnet. Die makroskopische Resultante für die magnetischen

<J"re:, Anzahl der Anzahl der leitenden Bänder des 25 Momente des Atomkernsystems muß in den HaIb-

Sehirmes40 entspricht, die ihrerseits um die Sektoren spulen eine elektromotorische Kraft induzieren.

41 ' erumgclegt und bei 42 (F i g. 2) damit verschweißt 1. Betrachtet man nun dazu F i g. 7 und 8, die den

sind. Die Verbindung der Abschirmung 40 mit dem Fall veranschaulichen, in dem das zu messende Magnet-

Koaxiaikabei 26cnoigi über einen Kranz vor. Fingern fs!d /.'„ senkrecht zur Ach«; der Halbsnulen verläuft.

44. an den inneren Enden der Sektoren 41 (F i g. 2 30 so sieht man. daß in den seitlich der Spulen gelegenen

mid 4). während der Innenlciter des Koaxialkabels 26 Bereichen die Feldlinien des zu messenden Magnet-

mit dem Zentralleiter 39 des Resonanzhohlratipies feldes/Z₀ und die des durch den Strom in dt..1 HaIb-

' vrbundcn ist. spulen entstehenden magnetischen Wechselfeldes //„

In ähnlicher Weise ist an die Probe 20 eine zur im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Unter

ersten Quarzscheibe 43 symmetrische Quarzscheibc 46 35 diesen Bedingungen vermag das Feld der Halbspulcn

!! : e. 2 und 3) angesetzt. Diese zweite Quarzscheibc 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

'rügt sie auf ihrer Außenseite versilberte Sektoren 48, also nicht mn. wie dies F 1 g. 7 zeigt.

die fest mit den Bändern des Schirmes 40 verbunden Dagen kann das Feld H_a die Präzession der Spins

Mnd und die nicht bis /u einem zentralen Loch in der 40 in den radial /u den Halbspulen innerhalb und außer-

Quarzscheibe 46 reichen. Die /weite Seite der Quarz- halb davon liegenden Zonen unterhalten, die in F 1 g. 7

scheibe 46 tränt 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 1 g. 8. so

ihren inneren Enden über einen Belag 52 nach außen stellt man fest, daß für bestimmte radial zu den Spulen

durchverbanden sind. Der f ndabschnitt de^ Zentral- 45 liegende Teile der Probe die eine der beiden anderen

leiters 39 ist ebenfalls mit dem Belag 52 (Fig. 2) Bedingungen nicht erfüllt ist.

verbunden. Die Absttmmune des Kondensators 28 /um einen st unter der Annahme eines senkrechten erfolgt in einfacher Weise durch mehr oder weniger Verlaufs des Magnetfeldes//„zur Achse die Resonanzstarkes Abkratzen des Silberbelages auf der Quarz- modt für den Resonanzhohiraum bei Höchstfrequenz scheibe 46. Die Anpassung des Resonanzhohlraumes 50 so, daß die Sättigung der ElektronenresonanzJinien an das Koaxialkabel 26 erfolgt mit Hilfe einer Koppel- nur in zwei Keulen auftritt, die einen um so größeren schleife 56. Teil <*er Probe ausmachen, je größer die Stärke des

Die Quarzscheibe 46 besitzt eine Ausnehmung 54 Magnetfeldes ist. In F i g. 8 sind diese Keulen für

(Fi e. 3( für die Durchführung von Füllstutzen für eine besummte Feldstärke mit strichpunktierten Kur

die Flaschen in der rechten Baugruppe. In die Quarz- 55 ven 60 angedeutet.

scheibe 43 ist eine entsprechende Ausnehmung eirtge- Zum anderen kann es nur dann eine Induktion in

arbeitet. Die Quarzscheibe 43 trägt außerdem eine in den Halbspulen geben, wenn die Spins eine Präzession

der Zeichnung nicht dargestellte Isolierscheibe, durch um eine Richtung (Feldrichtung des Magnetfeldes H₀)

die die von den verschiedenen Halbspulen kommenden zeigen, die durch die Achse einer Halbspule geht.

Leiter hindurchgeführt sind. Diese Leiter gehen zwi- 60 Damit nehmen auch die Teile der Probe, die in F i g. S

sehen den Flaschen hindurch und dann entlang des durch die strichpunktierten Linien 62 begrenzt werden,

Schirmes in dessen Innenraum hinein. nicht an der Signaientstehung teil, somit verbleiben

Da die Halbspulen 18 und 18' innerhalb des Re- für die Signalentstehung insgesamt nur die in >- i g 8

sonanzhohlraums liegen, werden darin hochfrequente schraffiert gezeichneten Probenteile.

Ströme induziert. Diese Ströme stören jedoch nich:. 65 2. Betrachtet man nun den anderen Extremfall,

sie lassen sich nämlich mit Hilfe einer Drosselspule 58 in dem das Magnetfeld H₀ parallel _zur Achse (F 1 g. 5

(Fig. 1) ohne weiteres unterdrücken, da zwischen den und 6) verläuft, so nehmen alle in den nicht schraffier-

Resonan/frequciizen Γ - von !000 bi« 1000 II/ für ten Bereichen von F i g. 5 gelegenen Probenteile nicht

-7 -7 τ -7

an der Signalentstehiing teil. In diesen Teilen kann das Magnetfeld //„ der Halbspulen die Prozession der Spins nicht unterhalten, da seine Kraftlinien parallel oder angenähert parallel zu denen des zu messenden Mapnetfeldes H₀ -erlaufen.

Dagegen liegt die Aufrechterhaltur.gder Präzessionsbewegung der Spins in den in I" 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 Atomkernsysteme in einem vorgegebenen Gebiet auf einer Seite der Halbsptilenachse Ströme in gleicher Richtung induziert wie 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 Wcchselfeld 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 f 2/ abgestimmten Filter (Kernfilter) verhält. Es verbleiben dann nur die Felder H₁, die in entgegengesetzten Gebieten entgegengesetzte Richtung (Fig. 6) aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt 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 sicii die Spins für jede Halbspule wie phasenverschobene rotierende Doubletten verhalten, die den HaJbspulcn gegenüber stehen, so ergibt sich für diese Spulen die Induktion eines resultierenden Stromes. Dabei ist der Einfluß der in den mit den Spulen durchmessergleicher. Zonen hegenden 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 gyromagnctischen Effekt, die Frequenz der an den Enden der Halbspulen auftretenden Signale bleibt also unabhängig von etwaigen dem Meßkopf aufgezwungenen Rotationsbewegungen gleich der Kernresonanzfrequenz/=y/2 it J/,. Außerdem führen Rotationsbewegungen der Spulen um ihre Achse nicht zu gyro- magnetischen Effekten, wie dies für den Fall der bisher bekannten Magnet köpfe mit einer verbotenen Achse in der bereit zitierten französischen Patentschrift 1 447 226 der Anmckierin beschrieben ist. Wegen dieser 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 to 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 allem nahe dem Äquator auf, wo die Feldlinien des magnetischen Erdfeldes praktisch horizontal verlaufen, was einen Einbau eines Meßkopfes mit einer verbotenen Achse in der Weise, daß durch Rollbcwcgungen veranlaßte gyromagnetische Effekte unterdrückt werden, unmöglich macht.

λο 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 prak sch 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 Fullkoeffizient 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

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Claims (5)

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Patentansprüche:

!. Kemresonanzmagneiomeier mit ^pinkopplimg. hei ik'm mn .'»ei Proben mit gleichen Atomkerne-, mr. von N.:ll verschiedenem magnetischem Μ.'Πΐί-π! ITiJ mechanischem Drehimpuls, die /:!ir. einen einem /u messenden Magnetfeld und zum andere·:" einem zi.r Sättigung einer eine besteigen.-hncrg.eahs. irption he- der Kernres-onanzfrequenz bewirkenden Resonanzlinie in dere;n;;"; ''r.;be und finer eine Fnergieemission bei der Kernresonanzfreque;-/ bewirkenden Resonanzlinie ir. umränderen !'rohe ausreichenden elektromagnetischen Feld mii Llektronenresonan/frequenz ausgesetzt sind, je eine von />'.c" M.'Ib-P^L": gekuppelt in;, die /um eine:¹, mit einen'. :;-.'er Hezugspotential und /um anderen /u gieichmodiger ! m^peis^ng der in ihnen indizierten parasitären Spannungen mit jeweils einem jiTiderer I :.ί^ang eines Differenzver-·' 'kers verbunden -!^d. ar. cic--er Ausgang e . F requenzrnesser angeschlossen i>t. d a d u r c I, g e k e η nz e ι c h ;i e '. daß der Ausgang (32i des Differenzverstärker* : 12) mn dessen Eingängen über Impedanzen (34 bzw. 3-4 verbunden is:, die untereinander gie;» ■ . aber groll gegen d:e der HaIhspuler. ι IS. IfI ι sin,!.!.

2. Magnetomeier nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, dal,- de Differenzverstärker ;!2; emc Phasenverschiebung um .τ 2 b-.-wirk: and dato zwischen seinen Eingängen ein AKtiir,mkwide:iN.t-U> r (30) zur Res^nanzahsiimmuim heu;.

3. Magnetomeier nach Anspruch ^: o,j_ 2. J₁₁. durch gekennzeichnet. daß /ur i-r/e^;.g.::;g des die Proben beeinflussenden elektromagnet; -ehe:", i-eldes mil Elektronenresonanzfrequenz ein aus einem in tier gemeinsame:, -\chse der beiden Proben (20, 20) und bei den Halbspulen (18. 18 ι angeordneter, Zentr.iiieiter (39i und aus einem die Proben und Hiilbspulen umgehenden Schirm (40) aus dünnen Längsbändern aus einem Metall hoher elektrischer Leitfähigken, wie Silber, bestehende* kesonan/-hohlraum. ein Höchstfrequen/generaior (14) und cm Koaxialkabel (26) vorgesehen sind, dessen Innenleiter mit dem Zentrallciter (39) und dessen Außenleiter mit dem Schirm (40) des Riiun.ui/· hohlraumcs verbunden ist.

4. Magnetometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum einen Abstimmkondensalor (28) aufweist, der aus einer an die eine (20') der beiden Proben (20. 20) angesetzten und damit durchmesscrgleichen Quarzscheibc (46) besteht, die auf entgegengesetzten Seiten mil leitenden Metallbelägen (4X bzw. 50) versehen ist. von denen der eine (50) mit dem Mitlelleiter (39) Lind der andere (48) mil dem Schirm (40> des Resonanzhohlraumes leitend verbunden in!

5. Magnetometer nach einem der Ansprüche ! bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die eine Probe aus einer 10 ^;l-moiaren Lösung von Triaeetonamin-N-oxid in reinem Dimcthoxyäthan und die andere Probe ;i- einer 10 ■'-molaren Lösung von Tnaceionamin-N-oxid in reinem Methanol besteht.

Die LriindanL: bezieht sich auf Kernresonanzmagnetometer mit Spinkopplung, bei denen Spulen mn"" mindesten-, einer Probe aus einem Material mit -vromasneiischen Eigenschaften gekoppelt und mn dem Eiiiiaiis: and dem Ausgang eines linearen Verstarker -o verbunden sind, da 15 eine Schleife entsteht. m Je- die I-requenz von. Kerr.schuinguni.-rn gemessen werden kann.

/ur \ erkur/uni: der Ausdrucksueise soll im folgenden /-:m einen das (.iesjmtgehilde aus den Spulen und der. Proben a:- kor!- ne/eichnei v\erden. Auf3erdem wird /..r Vereinfachung der Ausdruck »Probe» als Samr;eibe.'e:.hnu:ig f jr'ein in. einem Behälter enthaltene-Losungsmitiel verwendet, das Atomkerne mit \or, \jü verschiedenem magnetischem Moment und mechanischem [drehimpuls, also genau deliniertem evriTiannetis^iiem \erhä!in:s aufweist und in dem eine pafamag::ei:>che Sübsian/. wie beispielsweise freie Ionen oder Radikale, mn unpaaren F^;.lekironen i:oi--'-; >::id. de mindestens eine Hektronenresonanz-IjT₁JC aufweisen. d:e suh durch ein elektromagnetisches 1 eid von hohem Wen und vorgegebener Frequenz und unabhängig von einem d:e Probe umgebenden schwaclier, Magnetfek' .fälligen läßt.

in-hesondere betrifft die [.rtindung Magnetometer mit Spi!"ko;ir'..iii;. die zi:^r genauen Messung sehr schwacher Magnetfelder, wie des magnetischen Lrdfeldes. dessen ' iri<!3e bei 50 0«Ov. also (1.5 Oe liegt. und zur i:rkeiiiiung vor, Änderungen geringer Amplitude innerhalb dieser Kelder von beispielsweise ' ,,,;· d:enen.

in der französischen Patentschrift 1447 226 der Anmelderin ist ein Magnetometer beschrieben, das /wei Halbproben aufweist, die jeweils mit einem Paar von zueinander parallelen Halbspulen und mit Mitteln zur F rregung zweier FleKtroneiU-.'sonanzlinien in diese beiden Halbproben in der Weise gekoppelt sind, daß die Sättigung der einen dieser Resonanzlinien eine Zunahme der Fnergieahsorplion bei der Kernresonanzfrequenz der Atomkerne im Lösungsmittel bewirkt, während die Sättigung der anderen Resonanzlinie eine stimulierte F.nergieemission bei der Kernresonanzfrequenz eben desselben Lösungsmittels auslöst.

Der Lrtindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetometer dieser Art in seinen Eigenschaften zu verbessern, indem es insbesondere einen einfacheren konstruktiven Aufbau, ein verbessertes Nutzsignal-Rausch-\ erhältnis und bei einer besonderen Ausführungsform keinerlei fur die Messung verbotene Achse aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird, ausgehend von einem Kernresonanzmagnetometer mit SpinKopplung. bei dem mn zwei Proben mit gleichen Atomkernen mit von Null verschiedenem magnetischem Moment und mechanischem Drehimpuls, die zum einen einem zu messenden Magnetfeld und zum anderen einem /ur Sättigung einer eine gesteigerte Energieabsorption be·. der Kernresonanzfrequeri/ bewirkenden Resonanzlinie in der einen Probe und einer eine Energieemissio.n bei der Kernresonanzfrequenz bewirkenden Resonanzlinie in der anderen Probe ausreichenden elektromagnetischen Feld mit Elekironenresonanzfrequenz ausgesetzt sind, je eine von zwei Halbspulen gekoppeil ist. die zum einen mit einem festen Bezugspotential und zum anderen zu gleichmodiger Einspeisung der in ihnen induzierten parasitären Spannungen mit jeweils einem anderen Eingang eines Differenzvcrstärkers verbunden sind, an dessen Ausgang ein Frequenz-