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Verfahren und Vorrichtung zum Konstanthalten von Magnetfeldern Die
Erfindung bezieht sich'auf ein Verfahren zum Konetanthalten von Magnetfeldern, bei'dem
die Atomkerne einer in das konstant zu haltende Magnetfeld gebrachten Substanz mit
HF-Impulsen zu Präzessionsschwingungen angeregt werden, in den Intervallen zwischen
den HF-Impulsen von den freien Präzessionsschwingungen ein Empfangssignal mit der
Präzessionsfrequenz abgeleitet, aus dem Empfangssignal und der Trägerfrequenz der
HF-Impulse ein Differenzaignal,
gebildet und von der Frequenz des
Differenzsignals Steuersignale zur Regelung des Magnetfeldes abgeleitet werden.
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Ein solches Verfahren ist aus der D2-PS 949 357 bekannt.
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Es dient vornehmlich als "externer Loch" bei Kernresonanzspektrometern,
um das Magnetfeld dieser Spektrometer auf 10 7 bis -8 zu stabilisieren. Bei einer
Präzessionsfrequenz der angeregten Atomkerne in der Größenordnung von 108 Hz ist
es demnach erforderlich, die Präzessionsschwingungen während der Dauer von 1 s zu
beobachten, um für eine Stabilisierung von i0 eine Frequenzdifferenz von 1 Hz feststellen
zu können. Hierin liegt eine erhebliche Schwierigkeit, welche die bekannten Einrichtungen
für einen externen Lock" sehr kostspielig machen. Diese Schwierigkeiten sind dann,
wenn die Präzessionsschwingungen nicht durch ein Dauerstrichsignal, sondern durch
HF-Impulse angeregt werden, noch erhöht, weil die angeregten freien Präzessionsschwingungen
infolge von- Relaxation und Feldinhomogenität abklingen, bevor die erforderliche
Beobachtungazeit erreicht ist, so daß.also die Präzessionsschwingungen während der
Beobachtungszeit mehrfach durch HF-Impulse angeregt werden müssen. Die Beobachtung
der Präzessionsschwingungen zur Feststellung von Frequenzänderungen setzt aber voraus,
daß die Schwingungen immer wieder phasenkohärent angeregt werden, damit eine fortlaufende
Beobachtung überhaupt möglich ist. Die damit verbundenen Schwierigkeiten hatten
zur Folge, daß das Impulsverfahren für die Konstanthaltung von Magnetfeldern bisher
praktisch kaum Anwendung gefunden hat, sondern stets das Dauerstrichverfahren angewendet
wurde, obwohl in die Meßtechnik selbst das Impulsverfahren zunehmend Eingang
findet
und sich durch erhebliche Vorteile auszeichnet.
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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der
eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß s-eine praktische Anwendung möglich
ist und die behandelten Schwierigkeiten, die sich aus den bisher notwendigen langen
Beobachtungszeiten ergeben, vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß nach jeder
*HF-Impuls während der Dauer einer oder mehrererHalbperioden des Differenzsignals
die Impulse eines Taktsignals gezählt und die Steuersignale von der Anzahl der gezählten
Impulse abgeleitet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die bisher übliche Frequenzmessung
durch eine-Zeitmessung einer oder höchstens weniger Halbperioden des Differenzsignals
ersetzt, die mit hoher Genauigkeit während einer sehr kurzen Zeit vorgenommen werden
kann. Durch die Verwendung von EF-Impulsen zur Anregung'der Präzessionsschwingungen
braucht die Trägerfrequenz der EF-Impulse nicht mit der Präzessionsfrequenz der
anregbaren Atomkerne übereinzustimmen, sondem es kann zeigen des Frequenzspekthums
von HF-Impulsen eine Trägerfrequenz angewendet werden, die in der Größenordnung
von einigen Kilohertz von der Präzessionsfrequenz abweicht, so daß das Differenzsignal
ein NF-Signal-mfteiner Frequenz von einigen Kilohertz ist. Unter Verwendung eines
Taktsignals mit einer im Bereich von 10 MHz liegenden Impulsfolgefrequen kann die
Periode einer im Bereich von 1 kllz liegenden NF-Schwingung mit einer Genauigkeit
von 10-4 gemessen werden, und es wird nur eine breitbandigen Erregung mit einem
Meßzeit
in der Größenordnung von 1 ms benötigt. Diese Meßzeit steht nach jedem HF-Impuls
zur Verfügung, so daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Kontinuität
der Phasenlage der angeregten Präzessionsschwingungen nicht geachtet zu werden braucht.
Daher würde das erfindungsgemäße Verfahren trotz kurzer Meßzeiten auf einfache Weise
eine Stabilisierung mit einer Genauigkeit ermöglichen, die sich aus dem Produkt
aus dem Verhältnis der Frequenz des Differenzsignals zu der Präzessionsfrequenz
und der Genauigkeit der Messung der Periodendauer ergibt.
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Da das Verhältnis der Frequenz des Differenzsignals zu der Präzessionsfrequenz
etwa 103/108 ,105 beträgt und die Meßgenauigkeit der Periode nach dem Vorstehenden
10-4 betragen kann, könnte theoretisch eine Genauigkeit der Regelung von 10 9 erreicht
werden, wenn nicht andere Störeinflüsse wirksam wären. Zu diesen Störeinflüssen
zählt vornehmlich das Rauschen, das eine Verbreiterung der Nulldurchgänge des Differenzsignals
und damit eine Unsicherheit hinsichtlich des Zeitpunktes des Nulldurchgangs zur
Folge hat. Durch diese Unsicherheit wird die erreichbare Genauigkeit der Stabilisierung
auf Werte zwischen 10 7 und 10 8 reduziert.
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Da insbesondere das Rauschen und damit die Unsicherheit des Zeitpunktes
des Nulldurchgangs immer größer wird, je kleiner die Amplitude des Signals wird,
ist es zweckmäßig, die Zählung der Impulse des Taktsignals jeweils auf die erste
sich an den HF-Impuls anschließende Periode des Differenzsignals zu beschränken.
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Zur Ableitung des Steuersignals genügt es, den durch die
Zählung
der Impulse gewonnenen Zahlenwert in eine analoge Spannung umzusetzen und diese
Spannung als Steuersignal zu verwenden. Dabei besteht noch-der besondere Vorteil,
daß ein korrigierter Weg dieses Steuersignals nach Jedem EF-Impuls zur Verfügung
steht, also beispielsweisech jeweils 10 ms, 80 daß eine höhere Regelgeschwindigkeit
möglich ist als bei dem bekannten Verfahren. Diese Tatsache ist besonders bei der
Verwendung von extremen Eorrekturspulen, die eine hohe Bandbreite zulassen, von
erheblicher Bedeutung.
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Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung' des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Gegenstand, die einen impulagetasteten HF-Sender, eine mit dem Ausgang
des HF-Senders verbundene Spule, die einen Atomkerne miteinem von Null verschiedenen
gyromagnetischen Verhältnis enthaltenden Stoff umschließt, einen an die Spule angeschlossenen
Überlagerungsempfänger, der während der Dauer der HF-Impulse gesperrt ist und dem
außer dem von der Spule gelieferten Empfangsaignal das Trägersignal des HF-Senders
als tberlagerungssignal zugeführt wird, und an den oberlagerungsempfänger angeschlossene
Steuergeräte für einen Magneten umfaßt, dessen Feld der von der Spule umschlossene
Stoff ausgesetzt ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an den Ausgang des
oberlagerungsempfängers ein Nulldetektor angeschlossen, der die Nulldurchgänge des
niederfrequenten Ausgangssignals feststellt und bei ausgewählten Bulldurchgängen
eine Torschaltung öffnet bzw. schließt. An den Eingang der Torschaltung
ist
ein Taktgenerator mit hoher Impulsfolgefrequenz und an den Ausgang der Torschaltung
ein Digitalzähler angeschlossen. Auf den Stand des Digitalzählers spricht ein Digital-Analog-Umsetzer
zur Erzeugung eines Steuersignals an.
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Weitere Einelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispies.
Die der
Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale
können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren
in beliebiger Kombination Anwendung finden. s zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild
einer Vorrichtu'£g nach der Erfindung und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der
Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen EF-Sender 1, dessen
Ausgang 2 über ein geeignetes Kabel mit einer Meßsonde 3 verbunden ist. Die Meßsonde
3 enthält ein Gefäß 4, in dem sich ein Atomkerne mit einem von Null verschiedenen
gyromagnetischen Verhältnis enthaltender Stoff befindet. Das Gefäß 4 ist von einer
Spule 5 umgeben, die außer mit dem Ausgang 2 des HF-Sender8 auch mit dem Eingang
eines börlagerungsempfängers 6 verbunden ist..
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Der HF-Sender 1 enthält einen HF-Generator 7, einen I-pulsgenerator
8 und einen Modulator 9, dem die Ausgang signale des IWGenarators 7 und des Impuls
generators 8 zugeführt werden und dessen Ausgangssignal eine Folge von HF-Impulsen
ist, die der Sonde 3 zugeführt werden. Der Überlagerungsempfänger 6 enthält einen
HF-Verstärker 10 und einen Phasendetektor 11, dem außer dem Ausgangasignal des HF-Verstärkers
10 auch das von dem HF-Generator 7 erzeugte Signal mit der Trägerfrequenz der HF-Impulse
zugeführt wird. Dem HF-Verstärker 10 werden vom Impulsgenerator 8 des HF-Senders
1 Impulse zugeführt, die den HF-Verstärker und damit den Überlagerungsempfänger
6 während der Dauer der von dem Sender 1 erzeugten HF-Impulse sperren.
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Im Betrieb werden die von dem HF-Sender 1 erzeugten HF-Impulse der
Sonde 3 zugeführt, so daß in dem Stoff, der in dem Gefäß 4 der Sonde enthalten ist,
mittels der Spule 5 ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt wird. Befindet sich die
Sonde 3 in dem konstanten Magnetfeld Hg eines Magneten, dessen Pole 12 in der Zeichnung
dargestellt sind, so werden die in dem Stoff enthaltenen Atomkerne, die ein von
Null verschiedenes gyromagnetisches Verhältnis haben, zu Präzessionsschwingungen
mit einer Frequenz angeregt, die in dem für die Atomkerne charakteristischen gyromagnetischen
Verhältnis zu dem Feld des Magneten steht, sofern das Frequenzspektrum der zur Anregung
verwendeten HF-Impulse eine mit der Präzessionsfrequenz zusammenfallende Frequenz
enthält. Nach Beendigung des anregenden HF-Impulses führen die angeregten Atome
freie Präzessionsschwingungen aus, die in der Spule 5 der Sonde 3 ein Empfangssignal
mit der PräzessionsSrequenz induzieren. Dieses Empfangssignal wird dem EF-Verstärker
10 des Uberlagerungsempfängers und dann dem Phasendetektor 11 zugeführt. In dem
Phasendetektor 11 findet eine Uberlagerung mit der vom HF-Generator 7, bei dem es
sich um einen Quarzoszillator handeln kann, gelieferten Trägerfrequenz statt, so
daß das Ausgangssignal des Phasendetektors ein NF-Signal ist, das in Fig. 2 durch
die Kurve 13 dargestellt ist. Bei diesem NF-Signal handelt es sich um eine sich
an den HF-Impuls, dessen Umhüllende 14 in Fig. 2 dargestellt ist, anschließende
gedämpfte Schwingung, die für die freien Präzessionsschwingungen der in der Sonde
3 enthaltenen Atomkerne und damit für die Stärke des Magnetfeldes charakteristisch
ist, dem die Atomkerne zwischen den Magnetpolen 12 ausgesetzt sind. Bei der erfindungs-.
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gemäßen Vorrichtung wird mit einem vorgegebenen Wert der Frequenz
des Differenzsignals gearbeitet, und es werden Abweichungen von diesem Wert dazu
benutzt, um das konstant zu haltende Magnetfeld zu regeln.
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Statt einer unmittelbaren Frequenzmessung findet gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren eine Messung der Periode des von dem Phasendetektor 11 gelieferten NF-Signals
statt. Zu diesem. Zweck wird das NF-Signal in Form der Kurve 13 einem Nulldetektor
14 zugeführt, der auf die Nullstellen am Anfang und am Ende der ersten auf den HF-Impuls
folgenden Periode T des NF-Signals anspricht und eine Torschaltung 15 derart steuert,
daß sie zu Beginn der Periode' geöffnet und am Ende der Periode geschlossen wird,
wie es durch den Impuls 16 in Fig. 2 angedeutet ist, Während der Öffnungazeit läßt
die Torschaltung 15 von einem Taktgenerator 17 gelieferte Impulse 18 (Fig. 2) passieren,
die einem Zähler 19 zugeführt werden. Infolgedessen hat der Zähler 19, der bei jedem
HF-Impuls mit Hilfe eines vom Impulsgenerator 8 gelieferten Impulses zurückgestellt
wird, am Ende'einer jeden Periode T einen Stand, der der Dauer dieser Periode proportional
und da-.
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mit der Frequenz des NF-Signals 13 umgekehrt proportional ist. Das
Ausgangssignal des Zählers 19 wird einem Digital-Analog-Umsetzer 20 zugeführt, der
eine zum Endstand des Zählers 19 proportionale analoge Spannung erzeugt, die unmittelbar
als Steuersignal für Regeleinrichtungen dienen kann. Bei. dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das Ausgangsaignal des Digital-Analog-Umsetzers 20 einem P-Regler 21 zugeführt,
dessen Auagangssignal zur---Steu*rng eines Flugsstabilisators 22 benutzt wird, der
mit den
Feldspulen 23 des Magneten in Verbindung steht. Außerdem
wird das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers 20 einem I-Regler 24 zugeführt,
der Korrekturspulen 25 speist.
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Die Regelung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von den vom Digital-Analog-Umsetzer
20 gelieSerten Steuersignalen erfolgt in herkömmlicher Weise und braucht deshalb
an dieser Stelle nicht weiter behandelt zu werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfaßt daher gewöhnlich auch nur den HF-Sender 1, die Sonde 3, den Uberlagerungsempfänger
6 und die den Nulldetektor 14, die Torschaltung 15, den Taktgenerator 17, den Zähler
19 und den Digital-Analog-Umsetzer 20 umfassende Auswerteeinrichtung und bildet
in diesem Umfang ein selbständiges Gerät, das zur' Stabilisierung von Xagnetfeldern
in~Verbindung mit den zur Erzeagung und Regelung des Magnebfeldes vorhandenen Einrichtungen
benutzt werden kann. Dabei kann die Sonde 3 in solcher Weise in dem Feld des zu
stabilisierenden Magneten angeordnet werden, daß sie zwar selbst einwandfrei diesem
Feld ausgesetzt ist, jedoch die Vorgänge nicht stört, zu denen das stabilisierte
Magnetfeld benötigt wird.