DE2212610B2 - Magnetometer-Sonde - Google Patents

Description

2. Sonde nach Anspruch 1. dadurch gekenn- Die Größe der bekannten Sonden schrankt jedoch zeichnet, daß der hinverlaufende Teil (Ll) des deren lokales Auflösungsvermögen auf einige mm ein. Leiters koaxial im Inneren des zurückverlaufenden 20 Das Vorhandensein einer reiativ großen Menge magne-Teils (LA) des Leiters angeordnet und der Kern (,V/) tisierbaren Sondenmaterials sowie das herausgestreute ein zwischen beiden Leiterteilen angeordneter Pumpfeld (bei Stiftsonden) stören das zu messende Zylinderring ist. Feld in der Umgebung der Sonde erheblich.

'3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Bekannt sind auch Magnetometer-Sonden mit ortho-

zeichnet, daß der hinverlaufende Teil (Ll) des 25 gonaler Feldanordnung, bei denen ein Kern aus

Leiters aus einem runden Leiterstück besteht, auf magnetischem Material vorgesehen ist, der zugleich

dessen Außenseite jeweils als Schicht der Kern (M) der I eiter des elektrischen Stromes zur Erzeugung des

und vor oder nach dem Kern eine Isolierschicht (S) Erregungsfeldes ist (deutsche Offenlegungsschnft

und schließlich der zurückverlaufende Leiterteii 2 122 420). Der Leiter-Kern ist dabei einmal als grader

(LA) aufgebracht sind, wobei die beiden Leiterteile 30 Stab, einmal als U-förmig gebogener Stab und einmal

am Kopfende (L3) der Sonde (10) verbünde, sind. als Kombination aus einer Zylinderhülse mit konzen-

4. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn- trisch in dieser angeordnetem graden Stab ausgebildet, zeichnet, daß der Leiter ein Fiachleiter (LT, LA') wobei die Hülse und der Stab an einem Ende elektrisch und der Kern (M') sowie die Isolierung (S') Flach- verbunden sind. In allen Fällen ist die Meßspule um körper sind. 35 den Leiter-Kern angeordnet. Bei dieser bekannten

5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekenn- Sonde wird ein Großteil des Signalflusses im magnezeichnet, daß der Leiter aus einem U-förmig gefal- tisch nicht gesättigten Teil des Kerns kurzgeschlossen, tetei: Band- oder Folienieiter (LT, LA') besteht, weil dieser zugleich der Erregerleiter ist.

wobei im Inneren des U eine Isolierlage (S') und Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

der Kern (M') angeordnet sind. 40 Magnetometer-Sonde kleinster Abmessungen mit we-

6. Sonde nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge- sentlich höherer Empfindlichkeit zur Messung kleiner kennzeichnet, daß der Kern (M') und die Isolieilage magnetischer Felder zu schaffen, die selbst das zu (S') auf J.nc Seite des Flach-, Γ >nd- oder Folien- messende Feld nicht verändert und ein hohes lokales leiters (L2\ L4') als Schicht aufgebracht sind. Auflösungsvermögen bei geringem elektrischen Lei-

45 stungsbedarf hat.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Magnetometer-Sonde der eingangs beschriebe-cn Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Kern zwischen

Die Erfindung betrifft eine Magnetometer-Sonde dem hin- und dem zurückverlaufenden Leiter angezum Messen kleiner magnetischer Felder mit einem 50 ordnet ist. Dabei kann die den Kern umschlingende Kern aus magnetisierba.rem Werkstoff, mit einem an Meßspule auch den Leiter ganz oder teilweise umeine Wechselstromquelle angeschlossenen, parallel zur schlingen.

Längsachse der Sonde hin- und zurückverlaufenden Bei der Magnotmetsr-Sonde gemäß der Erfindung

Leiter zur Erzeugung eines rechtwinklig zum zu mes- befindet sich der Kern infolge des gesondert vom Kern senden Magnetfeld verlaufenden magnetischen Wech- 55 ausgebildeten Erregerleiters vollständig in einem Beselfeldes und mit einer um den Kern angeordneten reich maximalen Erregerfeldes. Daher wird der Er-Meßspule zum Abgriff :'.es Meßsignals. regerstrom optimal für die magnetische Sättigung des

Bekannt sind Magnetometer-Sonde zur Messung gesamten Kerns genutzt. Weiterhin wird dadurch der kleiner magnetischer Gltichfelder im Bereich von eini- magnetische Signalfluß voll in der Meßspule nutzbar, gen örsted (Oe) bis hinab in den mOe-Bcreich. Diese 60 wodurch die Empfindlichkeit der Sonde gemäß der Sonden arbeiten nach dem sogenannten Oberwellen- Erfindung außerordentlich hoch wird,
verfahren, das sich der Magnetflußsteuerung bedient Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vor-

und einen Spezialfall der parametrischen Verstärkung gesehen, daß der hinverlaufende Teil des Leiters darstellt. Bei diesem Oberwellenverfahren wird ein koaxial im Inneren des zurückverlaufenden Teils des hochpermeables magnetisches Material einem sättigen- 65 Leiters angeordnet und der Kern ein zwischen beiden den magnetischen Erregerwechselfeld (Pumpfeld) aus- Leiterteilen angeordneter Zylinderring ist.
gesetzt. Hierdurch erreicht man, daß die Permeabilität Bei einer fertigungsmäßig besonders vorteilhaften

des Materials mit doppelter Pumpfrequenz moduliert und äuikrst geringe Abmessungen aufweisenden Aus-

führungsform der Magnetometer-Sonde gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der hinverlaufende Teil "des Leiters aus einem runden Leiterstück besteht, auf dessen Außenseite jeweils als Schicht der Kern und vor oder nach dem Kern eine Isolierschicht und schließ- ί lieh der zurückverlaufende Leiierteil des Leiters aufgebracht sind, wobei die beiden Leiterteile am Kopfende der Sonde elektrisch leitend verbunden sind.

Eine andere Ausführungsform der Erfinaung sieht vor, daß der Leiter ein Flachleiter und der Kern sowie die Isolierung Flachkörper sind, so daß also eine aus Flachkörpern geschichtete Sonde entsteht.

Dabei kann der Leiter aus einem U-förmig gefalteten Band- oder Folienleiter bestehen, wobei im Inneren des U eine Isolierlage und der Kern angeordnet sind. Eine fertigungsmäßig besonders vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Kern und die Isoüerlage auf eine Seite des Fiach-, Band- oder Folienleiters ..Is Schicht aufgebracht sind.

Bei der als Zylinder-Sonde bezeichneten Ausführungsform der Magnetometer-Sonde gemäß der Erfindung, bei der der hinverlaufende Leiterteil koaxial im Inneren des zurückverlaufenden Leiterteils angeordnet ist, tritt außerhalb der Sonde kein magnetisches Pumpfeld auf, und im Inneren wird der dünne Zylinderkern in zirkularer Richtung homogen magnetisiert. Es entsteht so eine Sonde mit äußerst geringen Abmessungen und außerordentlich hohem lokalen Auflösungsvermögen.

Bei der als Folien-Sonde bezeichneten Ausfuhrungsform der Erfindung, bei der die beiden Leiterteile von einem U-förmig gebogenen Barld- oder Folienleiter gebildet werden, muß wegen des offenen Pumpkreises im Sinne eines niedrigen Entmagnetisierungsfaktors die Dicke der magnetischen Schicht entsprechend klein im Vergleich zur Breite der Sonde sein.

Die Erfindung schafft eine MagnetometT-Sonde, die wegen ihrer geringen Abmessungen und wegen der äußerst geringen Menge an magnetisierbarer Substanz besonders für den Einsatz in der Forschung und in der industriellen Prüfung geeignet ist. Der äußerst geringe Leistungsbedarf der Sonde macht diese besonders zur Verwendung in batteriebetriebenen Geräten, Wetterballons, Meeressonden, Satelliten usw. geeignet. Die geringen Abmessungen und der gerii.ge Leistungsbedarf der Sunde eröffnet dieser ein besonders bedeutsames Anwendungsgebiet insofern, als die Sonde sich unmittelbar mit der integrierten Halbleiter-Schaltungstectinik kombinieren läßt. Man kann so komplette Magnetieldmeßgeräte konstruieren, die aus der Sonde, dem Pumposzillator, dem Verstärker mit phasenempfindlichem Demodulator usw. bestehen und deren größte Abmessung nur etwa 2 mm beträgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert In den Zeichnungen zeigt

Fig. I in stark vergrößerter Darstellung einen schematischen Längsschnitt durch die als Zylinder-Sonde bezeichnete Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine der Fig. 1 einsprechende Schnittdarstellung durch die als Folien-Sonde bezeichnete Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. I dargestellte Zylinder-Sonde 10 besteht aus einem geraden, runden, !.eiterstück Ll, das über einen Anschlußdraht Li mit Wechselstrom / gespeist wird. Auf die Außenseite des den hinverlaufenden Teil des Leiters bildenden Leiterstückes Ll ist eine einen hohlzylindrischen Kem M bildende dünne Schicht aus magnetisierbarer!! Werkstoff aufgebracht. Um diese herum wiederum ist eine dünne isolierschicht S aufgebracht, die einen auf deren Außenseite aufgebrachten zurück verlaufenden Leiterteil L4 zur Innenseite hin isoliert. Dieser Leiterteil L4, dessen Querschnitt etwa dem des inneren Leiterteils Ll entspricht, ist über einen Anschlußdraht LS an die Stromquelle für das zirkuläre magnetische Pumpfeld angeschlossen. Der innere und der äußere Leiterteil Ll, L4 sind am Kopfende der Sonde 10 durch ein leitendes Kopfstück Z.3 elektrisch miteinander verbunden. Um diese Sonde und gegenüber dieser elektrisch isoliert ist eine Meßspule W angeordnet, deren Ausgänge mit U bezeichnet sind.

Die einzelnen Teile der Sonde 10 können aus vorgefertigten Elementen zusammengesetzt sein, zur Erzielung äußerst geringer Abmessungen der Sonde und zur Vereinfachung der Herstellung derselben ist es jedoch vorzuziehen, daß die isolierschicht S, der Kern M und der zurückverlaufende Leiterteil LA als Schichten auf den Leiterteil Ll aufgebracht werden. Selbstverständlich kann man den Kern M und die Isolierschicht S hinsichtlich ihrer Reihenfolge gegeneinander austauschen.

Der Strom / für das zirkuläre magnetische Pumpfeld wird über die Anschlußdrähte Ll und £.5 eingespeist und fließt im hinverlaufenden Leiterteil Ll über die Verbindung L3 zum zurückverlaufenden, äußeren Leiterteil LA. Die Folge ist, daß außerhalb der Sonde 10 das magnetische Pumpfeld vollkommen verschwindet. Im Inneren magnetisiert dieses Pumpfeld die den Kern M bildende dünne Magnetschicht homogen in zirkularer Richtung.

Das zu messende magnetische Gleichfeld H ist parallel zur Sonde 10 gerichtet. Die von ihm erzeugte, vom Pumpfeld modulierte longitudinale Magnetisierung des Kerns M wird mit der als Induktionsspule wirkenden Spule W mit der Sonde 10 als Kern gemessen.

Bei der Herstellung einer solchen Sonde, insbesondere beim Auftragen der dünnen magnetischen, elektrisch leitenden und isolierenden Schichten, können verschiedene Verfahren, wie z. B. das Aufdampfen im Hochvakuum, Galvanisierung, Oxidierung oder Lakkierung angewandt werden. Es lassen sich so sehr kleine Sonden mit Durchmessern bis hinab zu etwa 20 am herstellen bei einer Länge der Sonde von etwa 1 mm, wobei der erforderliche Pumpstrom linear mit dem Durchmesser des inneren Leiterteils Ll abnimmt.

Im folgenden wird der Aufbau für eine typische Zylinder-Sonde dieser Art dargestellt:

Innenleiter:

Beryllium-Ki'pfer, Durchmesser 85 μτ..

Magnetische Schicht:

80 Ni/20 Fe-Permalloy, galvanisch niedergeschlagen, Dicke 0,6 μπι.

Isolierende Schicht:

Zweikomponenten Klebharz, spezielles Aushärtungsverfahren, Dicke 15 μηι.

Außenleiterschicht:

Gold, Aufdampfen im Hochvakuum und galvanisches Verdicken, Dicke 25 μπι.

5 6

Verbindung zwischen Innen- und Außenleiter: zugszeichen unter Hinzusetzung eines ' in Fig. 2 bespezielles Weichlot. zeichnet. ·,,,.·,· _A

Im Zwischenraum zwischen zwei elektriscii leitenden,

Anschlußdrähte: ebenen Schichten, die den hin- und zurückieitenden

Kupfer, weichgelötet, Durchmesser 100 ,xm. ^{5 Teil} L2\ LX des Leiters bilden befinden sich je zwei

den Kern M bildende dünne Schichten aus magneti-

Abmessungen der Sonde: sierbarem Werkstoff und Isolierschichten S'\ die auch

Durchmesser 176,2 μΐη, Länge 6 mm. ?^us Jeweils nur einer Schicht bestehen könnten und

liier nur auf Grund des nachfolgend ncch zu beschrei-

Induktionsspule: io benden, vorteilhaften Fertigungsvorganges zweischich-

lackisolierter Kupferdraht von 30 μπι Durch- tig sind. Der Pumpstrom/fließt durch die beiden von

messer, 4 Lagen, gesamt 300 Windungen. «'."" Leiterföl« gebildeten Le.terte.le Ll, L4 so daft

die Kernschicht M quer zur Stromnchtung homogen

Justierung der Spule: magnetisiert wird. Die Isolierschicht S' verhindert

nicht erforderlich. ¹S ^eil«ⁿ Kurzschluß im Pumpstromkreis.

Das zu messende longitudinal magnetische GIeich-

Menge an magnetisierbarem Sondenmaterial: feld H liefert wiederum in der Induktionsspule W eine

8 3 ixe = 0 0000083 β ^bei ^ abgegriffene Signalspannung mit doppelter

' ^^B Pumpfrequenz.

2o Da der magnetische Pumpkreis offen ist, muß man

Wegen ihrer geringen Abmessungen kann die Sonde darauf achten, daß im Sinne eines niedrigen Entbis auf etwa 0,2 mm an Meßobjekte herangeführt magnetisierungsfaktors die Dicke der magnetischen werden. Die äußerst geringe Menge an magn^tisier- Schichten entsprechend klein gegenüber der Breite ist. barer Substanz (8,3 μg) verändert die Feldverteilung Eine besonders vorteilhafte Herstellungsart einer in der Nähe der Sonde nicht mehr wesentlich. Die 25 Folien-Sonde gemäß Fig. 2 besteht darin, daß man Störung beträgt nur noch etwa 0,3% der einer gleich- eine aus den Schichten L', M' und S' bestehende Mehrwertigen Stiftsonde. schichlfolie U-förmig faltet und um diese Sonde 10'

Bei einem sinusförmigen Pumpstrom von 250 itiA dann die Induktionsspule W anordnet,

der Frequenz von 5 kHz (Meßfrequenz 10 kHz) wird Die ί olien-Sonden haben im Vergleich zu den

eine Stabilität und damit Nachweisempfindlichkeit von 30 Zylinder-Sonden gemäß Fig. i einen offenen magne-

0,5 mOe — ohne Stabilisierung der Temperatur und tischen Pumpkreis und eine geringere mechanische

des Pumpstromes mit herkömmlichen Laborgeräten Stabilität, gegenüber den Zylinder-Sonden haben si«⁵

gemessen — erreicht. Die erforderliche elektrische jedoch den Vorteil einfacherer Herstellung.

Pumpleistung liegt bei etwa 25 mW. Die hier zur Erläuterung der Erfindung gewählte;;

In Fig. 2 ist eine hier als Folien-Sonde bezeichnete 35 Ausführungsbeispiele sollen selbstverständlich nicht

Variante der Erfindung dargestellt. Diese Folien-Son- den der Erfindung zugrunde liegenden Erfindungs-

den haben statt des runden Aufbaus der Sonde gemäß gedanken abgrenzen. Dieser ist vilemehr auch in

Fig. 1 einen flachen Aufbau. Die in den Fig. 1 und 2 konstruktiv abgewandelter Ausführungsform realisier-

einander entsprechenden Teile sind mit gleichen Be- bar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

wird. Infolgedessen ist die vom zu messenden Gleich- Parentansprüche- feld hervorgerufene Magnetisierung ebenfalls mit doppelter Pumpfrequenz moduliert. Dies ergibt in der

1. Magnetometer-Sonde zum Messen kleiner Induktionsspule das Meßsignal, das mit einem phasenmagnetischer Felder mit einem Kern aus magneti- 5 empfindlichen Detektor gemessen wird Bei denι besierbarem Werkstoff, mit einem an eine Wechsel- kannten Stiftsonden liegen das Pump- und das Meuteid stromquelle angeschlossenen, parallel zur Längs- parallel. Es ist auch bereits eine ^Rohrkern,^so"^de _ft,^rn.'^t achse der Sonde hin- und zurückverlaufenden Lei- orthogonaler Anordnung von Pump- und MeliteJd ter zur Erzeugung eines rechtwinklig zum zu mes- vorgeschlagen worden, die gegenüber der Stiftsonde senden Magnetfeld verlaufenden magnetischer. io mit paralleler Anordnung von Pump- und Meßfeid vor Wechselfeldes und mit einer um den Kern ange- allem den Vorteil hat, daß das Nutz- oder Meßsignal ordneten Meßspule zum Abgriff des Meßsignals, getrennt vom Generatoruntergrund geliefert wird und deren Achse in Richtung des zu messenden Feldes folglich diese Rohrkernsonde auch zur Messung kleinverläuft, dadurch gekennzeichnet, daß ster magnetischer Felder geeignet ist. (Fritz Pn mdahl der Kern (M, M') zwischen dem hin- und zurück- 15 in »IEEE Transactions on Magnetics«, Vol. Mag-6, verlaufenden Leiter (Ll bis LA, LT bis LA') ange- Nr.

2, Juni 1970, S. 376 bis 383; USA.-Patentscnritt ordnet ist. 2 856 581).)