DE2805245A1

DE2805245A1 - Magnetic field gradient measuring instrument - has metallic vapour absorption cells with HF exciter coils and photodetectors giving phase shift measured by phase balancing signal

Info

Publication number: DE2805245A1
Application number: DE19782805245
Authority: DE
Inventors: Jury Michailovitsch Abramov; Aleksandr Nikolaevitsch Kozlov; Geb Kaluschskaya S Sinelnikova
Original assignee: INST ZEMNOGO MAGNETIZMA IONOSF
Current assignee: INST ZEMNOGO MAGNETIZMA IONOSF
Priority date: 1978-02-08
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1979-08-09

Abstract

The appts. comprises two identical sensors (1, 2) each with an absorption cell (3) containing a saturated vapour, for example Caesium, around which is wound an h. f. coil (4) and acting as a transparent passage for a light beam from a spectral lamp (5) focussed by a conductor (6) through a lens (7) and an interference and polarisation plate (8). Each emergent light beam passes through a second lens (9) and a photo-converter (10), the latter being electrically connected with an amplifier (11) and a frequency divider (13). The h.f. coils (4) are energised by an adjustable generator (16). The two output signals are combined in a phase detector (15) after one has been through a phase shifter (14).

Description

Meßgerät für den MagnetfeldgradientenMeasuring device for the magnetic field gradient

Die Erfindung betrifft Meßgeräte für Magnetfeldparameter, insbesondere Meßgeräte für den Magnetfeldgradienten und kann für geophysikalische Zwecke zur Entdeckung von Magnetanomalien vom Flugzeug aus, zur Magnetisierungsmessung von Gestein und verschiedenen anderen Werkstoffen sowie zur Messung von Bioobjekten eigenen und durch sie erzeugten magnetischen Gleich-und Wechselfeldernverwendet werden.The invention relates to measuring devices for magnetic field parameters, in particular Measuring devices for the magnetic field gradient and can be used for geophysical purposes Detection of magnetic anomalies from the aircraft to measure the magnetization of Rock and various other materials as well as for measuring bio-objects own and generated magnetic direct and alternating fields will.

Es sind Meßgeräte für den Magnetfeldgradienten (Gradientenmesser) bekannt, die zwei selbsterzeugende, an den Untersuchungsstellen des Magnetfeldes angeordnete und mit den Ausgängen an die Eingängeeines Phasendetektors angeschlossene Quantengeber enthalten. Jeder der Geber ist auf der Basis einer Absorptionszelle ausgeführt, die innerhalb einer Hochfrequenzspule untergebracht und mit Atomen eines Arbeitsstoffes gefüllt ist, zu deren optischen Pumpen eine Lichtquelle vorgesehen ist, nämlich eine Spektrallampe, die am Eingang der Absorptionsspule angeordnet ist. Am Ausgang der Zelle liegt ein Fotoumformer zur Registrierung eines durch sie gegangenen Lichtstroms mit einem an dessen Ausgang angeschlossenen Verstärker. Die Hochfrequenzspule wird mit einem Strom variabler Frequenz nahe der Resonanzfrequenz magnetischer Übergänge von Atomen des Arbeitsstoffes gespeist, welche durch die magnetische Feldstärke an der Anordnungsstelle des Gebers bestimmt wird. Zur Speisung der Hochfrequenzspule mit einem Strom variabler Frequenz weisen die bekannten Einrichtungen in jedem der Geber einen den Ausgang des Verstärkers mit dem Eingang der Hochfrequenzspule dieses Gebers verbindenden Rückkopplungskreis auf.There are measuring devices for the magnetic field gradient (gradient meter) known, the two self-generating, at the examination points of the magnetic field arranged and connected with the outputs to the inputs of a phase detector Quantum encoder included. Each of the donors is based on an absorption cell executed, housed within a high frequency coil and with atoms of a Working substance is filled, a light source is provided for the optical pumps is, namely a spectral lamp, which is arranged at the entrance of the absorption coil is. At the exit of the cell there is a photo transducer for registering one through it luminous flux passed with an amplifier connected to its output. the High frequency coil is supplied with a variable frequency current close to the resonance frequency magnetic transitions of atoms of the working substance fed which is determined by the magnetic field strength at the location of the encoder. To supply the high-frequency coil with a current of variable frequency, the known devices in each of the transmitters with the output of the amplifier the input of the high frequency coil of this encoder connecting feedback circuit on.

Als Maß des Magnetfeldgradienten dient bei den bekannten Einrichtungen entweder die durch die Differenz der Magnetfelder an der Anordnungsstelle der Geber bestimmte Differenz zwischen den Erzeugungsfrequenzen der Geber oder ein der Differenz der Erzeugungsfrequenzen proportionaler Gleichstrom im Rückkopplungskreis, der einer zusätzlichen Rückkopplungsspule an einem der Geber vom Ausgang des Phasendetektors zugeführt wird, an dessen Eingänge die Ausgänge der beiden Geber angeschlossen sind (US-PS 3 252 081).The known devices serve as a measure of the magnetic field gradient either through the difference in the magnetic fields at the location of the encoder certain difference between the generation frequencies of the encoder or one of the difference the generation frequencies proportional direct current in the feedback circuit, the one additional feedback coil on one of the sensors from the output of the phase detector to whose inputs the outputs of the two encoders are connected (U.S. Patent 3,252,081).

Mit Hilfe derartiger Gradientenmesser können große Magnetfeldgradienten mit hinreichend hoher Genauigkeit bei geringen Basisabständen gemessen werden. Bei der Messung geringer Magnetfeldgradienten treten dagegen bei geringen Basisabständen Schwierigkeiten auf, die durch eine gegenseitige Wechselwirkung der Geber bestimmt sind und im Aufzwingen der Erzeugungsfrequenz eines Gebers dem anderen Geber zum Ausdruck kommen, was die Messung des Magnetfeldgradienten erschwert.With the help of such a gradient meter, large magnetic field gradients can be achieved can be measured with sufficiently high accuracy at short base distances. at the measurement of small magnetic field gradients, on the other hand, occur with small base distances Difficulties arise, which are determined by the mutual interaction of donors and in forcing the generation frequency of one encoder to the other encoder What makes the measurement of the magnetic field gradient difficult.

Für den bekannten Gradientenmesser mit der Registrierung der Frequenzdifferenz zwischen den Gebern hängt die Filterungsgüte des Ausgangssignals vom Wert des Magnetfeldgradienten, d.h. von der Frequenzdifferenz, ab. Mit abnehmendem Magnetfeldgradienten nehmen die Schwierigkeiten der Filterung zu, was zu einer Einengung des Frequenzmeßbereiches führt.For the well-known gradient meter with the registration of the frequency difference between the encoders, the filtering quality of the output signal depends on the value of the magnetic field gradient, i.e. on the frequency difference. Take with decreasing magnetic field gradient the difficulties of filtering, resulting in a narrowing of the frequency measurement range leads.

Bei den bekannten Gradientenmesser mit einem Gleichstromrückkopplungskreis können die Magnetfeldgradienten mit hinreichend hoher Genauigkeit nur bei Fehlen mechanischer Verschiebungen der Rückkopplungsspule gemessen werden. Bei demselben Gradientenmesser ist aber die Gradientenmessung bei geringen Basisabständen wegen der Beeinflussung des Bezugsgebers durch Magnetfeldstreuung der Rückkopplungsspule erschwert.In the known gradient meter with a direct current feedback circuit can the magnetic field gradients with sufficient high accuracy can only be measured in the absence of mechanical displacements of the feedback coil. With the same gradient meter, however, the gradient measurement is at small base distances because of the influence of the magnetic field scattering of the feedback coil on the reference encoder difficult.

Darüber hinaus fehlen bei den bekannten Gradientenmessern Schutzmittel gegen Störungen von elektrischen Netzen, was zur Herabsetzung der Störfestigkeit bei den Messungen führt.In addition, the known gradient meters lack protective means against interference from electrical networks, which reduces interference immunity in the measurements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät für den Magnetfeldgradienten zu schaffen, bei dem als Maß des Magnetfeldgradienten eine Phasendifferenz von Signalen zweier Geber dient, was es gestattet, den Einfluß von Vibrationen zu verringern oder zu beseitigen, die kleinen Gradienten, die Gradienten zwischen den zwei nahegelegenen Gebern, zu messen und die Störfestigkeit zu erhöhen.The invention is based on the object of a measuring device for the magnetic field gradient to create, in which a phase difference of signals as a measure of the magnetic field gradient two donors is used, which makes it possible to reduce the influence of vibrations or eliminate the small gradients, the gradients between the two nearby ones Encoders to measure and to increase the immunity to interference.

Entsprechend der gestellten Aufgabe läuft das Wesen der Erfindung darauf hinaus, daß das Meßgerät für den Magnetfeldgradienten (Gradientenmesser), das zwei zur Anordnung an den Untersuchungsstellen des Magnetfeldes vorgesehene, mit den Ausgängen an die Eingänge eines Phasendetektors angeschlossene Geber enthält, wobei jeder Geber auf der Basis einer mit Atomen eines Arbeitsstoffes gefüllten Absorptionszelle ausgeführt ist, an deren Eingang eine Lichtquelle zum optischen Pumpen der Atome des Arbeitsstoffes und an deren Ausgang ein Fotoumformer zur Registrierung eines die Zelle verlassenden Lichtstroms angeordnet ist und die innerhalb einer Hochfrequenzspule liegt, welche durch einen Strom variabler Frequenz nahe der durch die magnetische Feldstärke an der Anordnungsstelle des Gebers bestimmt ten Resonanz frequenz magnetischer Übergänge der Atome des Arbeitsstoffes gespeist wird, erfindungsgemäß eine gemeinsame Einrichtung zur Speisung der Hochfrequenzspulen der beiden Geber mit einem Strom variabler Frequenz aufweist.The essence of the invention runs according to the task at hand on the fact that the measuring device for the magnetic field gradient (gradient meter), the two intended to be arranged at the examination points of the magnetic field, contains encoders connected to the inputs of a phase detector with the outputs, each transmitter on the basis of a filled with atoms of a working substance Absorption cell is carried out, at the entrance of which a light source for the optical Pumping the atoms of the working substance and at their output a photo converter for registration a luminous flux leaving the cell is arranged and within a High frequency coil is, which by a current of variable frequency close to the through the magnetic field strength at the location of the encoder determines the resonance frequency of magnetic transitions of the atoms of the working substance is fed, according to the invention a common device for feeding the high-frequency coils of the two transmitters with having a current of variable frequency.

Zweckmäßig wird als gemeinsame Einrichtung ein umstellbarer Generator variabler Frequenz verwendet.A convertible generator is expediently used as a common device variable frequency used.

Die gemeinsame Einrichtung kann auch in Form eines in einem der Geber ausgebildeten Rückkopplungskreises ausgeführt werden, dessen Parameter unter der Voraussetzung der Erfüllung eines Phasen- und Amplitudenausgleiches bei der Resonanzfrequenz im Rückkopplungskreis zu wählen sind, und der elektrisch mit dem Eingang der Hochfrequenzspule des anderen Gebers verbunden ist.The common facility can also take the form of one in one of the donors trained feedback loop are executed, the parameters of which under the Prerequisite for the fulfillment of a phase and amplitude compensation at the resonance frequency are to be selected in the feedback circuit, and the electrical with the input of the high frequency coil the other encoder is connected.

Es ist erwünscht, als gemeinsame Einrichtung einen zusätzlichen, den zwei ersten ähnlichen Geber zu verwenden, der mit einem Rückkopplungskreis versehen ist, dessen Parameter unter der Voraussetzung der Erfüllung eines Phasen- und Amplitudenausgleiches bei der Resonanz frequenz gewählt sind und der elektrisch mit den Eingängen der Hochfrequenzspulen der zwei anderen Geber verbunden ist.It is desirable to have an additional den as a common facility two first similar encoders to use that provided a feedback loop is, its parameters under the condition that a phase and amplitude compensation is fulfilled are selected at the resonance frequency and the electrical with the inputs of the High frequency coils of the other two encoders is connected.

Bei einer derartigen Ausführung der gemeinsamen Einrichtung ist es zweckmäßig, das Gerät mit einem an den Ausgang des zusätzlichen Gebers angeschlossenen Frequenz detektor (Phasendetektor) und einem auf die Frequenz einer zu kompensierenden Störung abgestimmten Filter zu versehen, dessen Eingang an den Ausgang des Frequenzdetektors (Phasendetektors) und dessen Ausgang an den Eingang der Hochfrequenzspule des zusätzlichen Gebers und über einen Signalpegelregler an die Eingänge der Hochfrequenzspulen der zwei anderen Geber angeschlossen ist.In such an embodiment of the common device, it is expediently, the device with a connected to the output of the additional encoder Frequency detector (phase detector) and one to the frequency of a to be compensated To provide interference-matched filter, its input to the output of the frequency detector (Phase detector) and its output to the input of the high frequency coil of the additional Encoder and via a signal level controller to the inputs of the high-frequency coils of the two other encoders are connected.

Der gemäß der Erfindung ausgeführte Gradientenmesser gestattet es, kleine Magnetfeldgradienten (von ca. 10 bis 8 G) zu messen.The gradient meter designed according to the invention allows to measure small magnetic field gradients (from approx. 10 to 8 G).

Bei geringen Basisabständen zwischen den Gebern wird die gegenseitige Wechselwirkung der Geber dadurch ausgeschlossen, daß das Gerät auf einer für sämtliche Geber kohärenten Frequenz arbeitet und sich die Filterungsgüte des Ausgangssignals des Gradientenmessers hierbei abhängig vom Wert des Gradienten des Magnetfeldes nicht ändert, dessen Stärke den Wert einer halben Breite der Magnetresonanzlinie erreichen kann.If the basic distances between the encoders are small, the mutual Interaction of the donors is excluded by the fact that the device is on one for all Encoder coherent frequency works and the filtering quality of the output signal of the gradient meter depending on the value of the gradient of the magnetic field does not change whose strength is the value of half the width of the magnetic resonance line can reach.

Der Gradientenmesser ist durch eine hohe Störsicherheit gegen elektrische Netze und mechanische Vibrationen gekennzeichnet.The gradient meter has a high level of immunity to electrical interference Marked nets and mechanical vibrations.

Die Erfindung ist im folgenden an konkreten Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild des Gradientenmessers mit einer gemeinsamen Einrichtung in Form eines Generators variabler Frequenz, Fig. 2 ein Blockschaltbild des Gradientenmessers mit einer gemeinsamen Einrichtung in Form einer Rückkopplung bei einem der Geber, Fig. 3 ein Blockschaltbild des Gradientenmessers mit einer gemeinsamen Einrichtung in Form eines zusätzlichen Gebers, und Fig. 4 ein Blockschaltbild des Gradientenmessers mit einer Störschutzschaltung gegen elektrische Netze.The invention is based on specific exemplary embodiments below and explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing, FIG. 1 shows a block diagram of the gradient meter with a common device in the form of a generator variable frequency, FIG. 2 is a block diagram of the gradient meter with a common Device in the form of a feedback in one of the transmitters, FIG. 3 is a block diagram of the gradient meter with a common device in the form of an additional Sensor, and FIG. 4 shows a block diagram of the gradient meter with an interference protection circuit against electrical networks.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßgerät für den Magnetfeldgradienten (Gradientenmesser) enthält zwei identische Geber 1 und 2.The measuring device shown in Fig. 1 for the magnetic field gradient (gradient meter) contains two identical encoders 1 and 2.

Jeder Geber 1 und 2 verfügt über eine Absorptionszelle 3 mit gesättigten Dämpfen eines Alkalimetalls, beispielsweise von Cäsium, und einem Mittel zur Verhinderung einer Relaxation von Atomen des Arbeitsstoffes. Die Zelle 3 ist in einer Radiofrequenzspule oder Hochfrequenzspule 4 untergebracht. Der Lichtstrom wird von einer Spektrallampe 5 (Lichtquelle) über einen Lichtleiter 6, eine Linse 7 und eine Interferenz- und Polarisationsplatte 8 zum Eingang der Zelle 3 transportiert. Am Ausgang der Zelle 3 sind in Ausbreitungsrichtung des Lichtstroms eine Linse 9 und ein mit dem Ausgang an den Eingang eines Verstärkers 11 angeschlossener Fotoumformer 10 angeordnet. Die Spektrallampe 5 wird von einem Erregergenerator 12 gespeist.Each donor 1 and 2 has an absorption cell 3 with saturated Steaming an alkali metal, for example from Cesium, and one Means for preventing a relaxation of atoms of the working substance. The cell 3 is housed in a radio frequency coil or high frequency coil 4. The luminous flux is from a spectral lamp 5 (light source) via a light guide 6, a lens 7 and an interference and polarization plate 8 transported to the entrance of the cell 3. At the exit of the cell 3 there is a lens 9 in the direction of propagation of the light flux and a photo converter connected with the output to the input of an amplifier 11 10 arranged. The spectral lamp 5 is fed by an exciter generator 12.

Die Ausgänge der Verstärker 11 (bzw. die Ausgänge der Geber 1 und 2) sind jeweils an den Eingang eines entsprechenden Frequenzvervielfachers 13 angeschlossen. Der mit dem Ausgang des Gebers 2 verbundene Ausgang des Frequenzvervielfachers 13 ist durch einen Phasenschieber 14 an einen Eingang eines Phasendetektors 15 und der Ausgang des mit dem Ausgang des Gebers 1 verbundenen Frequenzvervielfachers 13 an den anderen Eingang des Phasendetektors 15 unmittelbar angeschlossen.The outputs of amplifiers 11 (or the outputs of encoders 1 and 2) are each connected to the input of a corresponding frequency multiplier 13. The output of the frequency multiplier 13 connected to the output of the encoder 2 is through a phase shifter 14 to an input of a phase detector 15 and the output of the frequency multiplier connected to the output of encoder 1 13 connected directly to the other input of the phase detector 15.

Als Frequenzvervielfacher 13 können bekannte, beispielsweise auf der Basis einer Schaltung zum Phasenfrequenzselbstnachlauf beruhende Einrichtungen ausgenutzt werden. Die bekannten Frequenzvervielfacher können außerdem durch Baugruppen zur Phasenstabilisierung des Ausgangssignals bezüglich der Phase des Eingangssignals erweitert werden.As a frequency multiplier 13 known, for example on the Based on a circuit for phase frequency self-tracking based devices used will. The known frequency multipliers can also be used by assemblies Phase stabilization of the output signal with respect to the phase of the input signal be expanded.

Die Einrichtung zur Speisung der Hochfrequenzspulen 4 mit einem Strom variabler Frequenz ist den beiden Gebern 1 und 2 gemeinsam und mit ihrem Ausgang an die Eingänge der Hochfrequenzspulen 4 angeschlossen. Im vorliegenden Fall wird als solche Einrichtung ein umstellbarer Generator 16 variabler Frequenz verwendet. Die Frequenz des Generators 16 wird unter der Bedingung deren Nähe an der Resonanzfrequenz der magnetischen übergänge der Atome des Arbeitsstoffes gewählt, die durch die magnetische Feldstärke an der Anordnungsstelle der Geber 1 und 2 bestimmt wird.The device for feeding the high-frequency coils 4 with a current variable frequency is common to the two encoders 1 and 2 and with their output connected to the inputs of the high-frequency coils 4. In the present case, a convertible generator 16 of variable frequency is used as such a device. The frequency of the generator 16 becomes under the condition that it is close to the resonance frequency the magnetic transitions of the atoms of the working substance chosen by the magnetic Field strength at the ordering point of donors 1 and 2 is determined.

Die Geber 1 und 2 werden auf einer gemeinsamen festen, in Fig. 1 nicht gezeigten Basis in einem Abstand von einigen cm bis zu einigen m in Abhängigkeit vom Zweck der Messung des Magnetfeldgradienten befestigt.The transmitters 1 and 2 are on a common fixed, in Fig. 1 not shown base at a distance of a few cm to a few m depending attached to the purpose of measuring the magnetic field gradient.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Geräts, in dem zum Unterschied von der Variante des Geräts nach Fig. 1 die Einrichtung zur Speisung mit einem Strom variabler Frequenz in Form eines im Geber 2 ausgebildeten Rückkopplungskreises 17 ausgeführt ist, dessen Parameter unter der Voraussetzung der Erfüllung eines Phasen- und Amplitudenausgleiches bei der Resonanz frequenz der magnetischen Übergänge der Atome des Arbeitsstoffes im Rückkopplungskreis gewählt sind und der elektrisch mit dem Eingang der Hochfrequenzspule 4 des Gebers 1 verbunden ist.Fig. 2 shows a block diagram of the device according to the invention, in the difference from the variant of the device according to FIG. 1, the device for Supply with a current of variable frequency in the form of one formed in the encoder 2 Feedback circuit 17 is executed, its parameters on the assumption the fulfillment of a phase and amplitude compensation at the resonance frequency of the magnetic transitions of the atoms of the working substance in the feedback loop and which are electrically connected to the input of the high-frequency coil 4 of the encoder 1 is.

Die in Fig. 3 dargestellte Variante des Geräts enthält im Unterschied zu der in Fig. 1 wiedergegebenen Variante als Einrichtung zur Speisung einen dritten, den zwei ersten ähnlichen Geber 18, der mit einem Rückkopplungskreis 17 versehen ist, dessen Parameter unter der Voraussetzung der Erfüllung eines Phasen- und Amplitudenausgleiches bei der Resonanz frequenz der magnetischen Übergänge der Atome des Arbeitsstoffes gewählt sind und der elektrisch mit den Eingängen der Hochfrequenzspulen 4 der Geber 1 und 2 verbunden ist.The variant of the device shown in Fig. 3 contains a difference to the variant shown in Fig. 1 as a device for feeding a third, the first two similar transmitters 18 provided with a feedback circuit 17 is, its parameters under the condition that a phase and amplitude compensation is fulfilled at the resonance frequency of the magnetic transitions of the atoms of the working substance are selected and the electrical with the inputs of the high-frequency coils 4 of the encoder 1 and 2 is connected.

Die in Fig. 4 dargestellte Variante des Geräts enthält zum Unterschied von der in Fig. 3 wiedergegebenen Variante einen an den Ausgang des Gebers 48 angeschlossenen Frequenzdetektor (Phasendetektor) 19 zur Abtrennung eines Störsignals.The variant of the device shown in Fig. 4 contains the difference of the variant shown in FIG. 3, one connected to the output of the encoder 48 Frequency detector (phase detector) 19 for separating an interference signal.

Der Ausgang des Frequenzdetektors (Phasendetektors) 19 ist über ein auf das Störfrequenzgebiet abgestimmtes Filter 20 mit der Hochfrequenzspule 4 des Gebers 18 und über einen Signalpegelregler 21 mit den Hochfrequenzspulen 4 der Geber 1 und 2 verbunden. Außerdem ist der Ausgang des Gebers 18 mit allen Radiofrequenzspulen 4 über Entkopplungskreise 22, beispielsweise über Wirkwiderstände, gekoppelt.The output of the frequency detector (phase detector) 19 is over a Filter 20 matched to the interference frequency area with the high-frequency coil 4 of the Encoder 18 and via a signal level regulator 21 with the high-frequency coils 4 of the encoder 1 and 2 connected. In addition, the output of the encoder 18 is with all radio frequency coils 4 coupled via decoupling circuits 22, for example via effective resistors.

Das Meßgerät für die Magnetfeldgradienten arbeitet wie folgt.The measuring device for the magnetic field gradient works as follows.

Beim Einschalten des Geräts setzt eine Entladung in der Spektrallampe 5 (Fig. 1) vom Hochfrequenzgenerator 12 ein.When the device is switched on, a discharge occurs in the spectral lamp 5 (Fig. 1) from the high frequency generator 12 a.

Die Spektrallampe 5 enthält den gleichen Arbeitsstoff wie auch die Absorptionszelle 3, weshalb im Entladevorgang durch die Spektrallampe 5 ein für die Atome in der Absorptionszelle 3 eine Resonanzwirkung aufweisender Lichtstrom ausgestrahlt wird.The spectral lamp 5 contains the same working material as the Absorption cell 3, which is why in the discharge process by the spectral lamp 5 a for the atoms in the absorption cell 3 having a resonance effect of luminous flux is broadcast.

Zur Verwirklichung des optischen Pumpens der Atome des Arbeitsstoffes in der Zelle 3 wird der Lichtstrom der Spektrallampe 5 durch die Lichtleiter 6 durch die Linsen 7 und durch die die erforderliche Resonanz linie der Strahlung zum optischen Pumpen abtrennende und deren Zirkularpolarisation verwirklichende Interferenz- und Polarisationsplatte 8 zu den Absorptionszellen 3 geleitet.To realize the optical pumping of the atoms of the working substance In the cell 3, the luminous flux of the spectral lamp 5 is transmitted through the light guide 6 the lenses 7 and through which the required resonance line of the radiation to the optical Interference and pump separating and their circular polarization realizing Polarization plate 8 passed to the absorption cells 3.

Die Zellen 3 mit gesättigten Dämpfen eines Alkalimetalls, beispielsweise von Cäsium, werden mit einem Puffergas gefüllt, oder es werden deren Wände mit einer dünnen Paraffinschicht bedeckt, um eine Relaxation der Atome des Arbeitsstoffes an den Wänden der Zellen 3 beim optischen Pumpen zu verhindern.The cells 3 with saturated vapors of an alkali metal, for example of cesium, are filled with a buffer gas, or their walls are filled with a thin layer of paraffin covered to allow relaxation of the atoms of the working substance to prevent on the walls of the cells 3 during optical pumping.

Bei der Speisung der Hochfrequenzspulen 4 mit einem Strom vom Generator 16 variabler Frequenz wird in den Zellen 3 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt.When feeding the high-frequency coils 4 with a current from the generator 16 variable frequency, an alternating magnetic field is generated in the cells 3.

Wenn die Frequenz des Generators 16 nahe der Frequenz des über gangs zwischen den magnetischen Unterniveaus der Atome des Arbeitsstoffes liegt, zwischen deren eine inverse Besetzung mit Hilfe des optischen Pumpens geschaffen ist, und hierbei der Winkel zwischen der Richtung des Magnetfeldes Ho und der Lichtstromachse in den Zellen 3 nahe 450 ist, so wird der durch die Zellen 3 gegangene Lichtstrom amplitudenmoduliert. Das Modulationsmaximum entspricht der Frequenzgleichheit des Generators 16 variabler Frequenz und des magnetischen Übergangs.When the frequency of the generator 16 is close to the frequency of the above gangs between the magnetic sublevels of the atoms of the working substance lies between whose inverse population is created with the help of optical pumping, and here the angle between the direction of the magnetic field Ho and the axis of the luminous flux is close to 450 in cells 3, the luminous flux that has passed through cells 3 becomes amplitude modulated. The modulation maximum corresponds to the frequency equality of the Generator 16 of variable frequency and magnetic transition.

Der amplitudenmodulierte Lichtstrom, der die Zellen 3 passiert hat, wird durch den Fotoumformer 10 demoduliert und verstärkt.The amplitude-modulated luminous flux that has passed through cells 3 is demodulated and amplified by the photo converter 10.

Für die zwei identischen Geber 1 und 2 ist die Phasenverschiebung der Signale an den Ausgängen der Geber 1 und 2 bei Fehlen eines Magnetfeldgradienten gleich Null. Bei Vorhandensein des Magnetfeldgradienten A H entsteht eine Phasenverschiebung 4 deren Wert zu dem Magnetfeldgradienten in der Beziehung steht, wobei A - die die Frequenz des magnetischen Überganges mit der magnetischen Feldstärke verbindende Atomkonstante und a f - die von der Zeit einer Querrelaxation der Atome in den Zellen 3 und von der Pumplichtintensität abhängige Breite der Linie des magnetischen Überganges bedeuten.For the two identical sensors 1 and 2, the phase shift of the signals at the outputs of sensors 1 and 2 is zero in the absence of a magnetic field gradient. If the magnetic field gradient AH is present, there is a phase shift 4 whose value is related to the magnetic field gradient stands, where A - the atomic constant connecting the frequency of the magnetic transition with the magnetic field strength and af - the width of the line of the magnetic transition depending on the time of a transverse relaxation of the atoms in the cells 3 and on the pump light intensity.

Die Messung der Phasenverschiebung t erfolgt durch den Phasendetektor 15, an dem die Signale von den Gebern 1 und 2 über die identischen Frequenzvervielfacher 13 zur Erhöhung der Auflösung des Geräts im ganzen eintreffen.The phase shift t is measured by the phase detector 15, on which the signals from encoders 1 and 2 via the identical frequency multipliers 13 arrive to increase the resolution of the device as a whole.

Zum Normalbetrieb des Phasendetektors 15 ist eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den an seinen Eingängen ankommenden Signalen notwendig. Diese Verschiebung wird durch den Phasenschieber 14 eingestellt.A certain phase shift is required for normal operation of the phase detector 15 between those arriving at its entrances Signals necessary. This shift is set by the phase shifter 14.

Der in Fig. 1 dargestellte Gradientenmesser gestattet es, geringe Gradienten bei geringen Basisabständen zwischen den Gebern zu messen, jedoch erfordert er zum einwandfreien Arbeiten das Vorhandensein eines zeitlich stabilen Magnetfeldes und eines niedrigen Störpegels der Wechselmagnetstörungen, die eine parasitäre Amplitudenmodulation der Signale des Gebers verursachen.The gradient meter shown in Fig. 1 allows small Measuring gradients with small base distances between the encoders, however, is required he needs a temporally stable magnetic field to work properly and a low level of AC magnetic interference that is parasitic amplitude modulation cause the signals from the encoder.

Wenn es nötig ist, den Gradienten eines sich mit der Zeit ändernden Magnetfeldes zu messen, ist die in Fig. 2 dargestellte Variante des Gradientenmessers besser geeignet, bei dem als Einrichtung zur Speisung mit einem Strom variabler Frequenz der gleichfalls auf den Eingang der Hochfrequenzspule 4 des Gebers 1 geschaltete Rückkopplungskreis 17 im Geber 2 ausgenutzt wird. Da die Parameter des Rückkopplungskreises 17 unter der Voraussetzung der Erfüllung eines Phasen- und Amplitudenausgleiches bei der Resonanz frequenz gewählt sind, wird im Geber 2 ein Selbstschwingungszustand eingestellt, dessen Frequenz den Änderungen des äußeren Magnetfeldes folgt, und dadurch wird automatisch die Bedingung eines Normalbetriebes für den Geber 1 erfüllt.If necessary, the gradient of a changing over time To measure the magnetic field is the variant of the gradient meter shown in FIG. 2 more suitable in which as a device for supplying a current variable Frequency that is also switched to the input of the high-frequency coil 4 of the encoder 1 Feedback circuit 17 in encoder 2 is used. As the parameters of the feedback loop 17 under the condition that a phase and amplitude compensation is fulfilled are selected at the resonance frequency, a self-oscillating state is in the encoder 2 set, the frequency of which follows the changes in the external magnetic field, and this automatically fulfills the condition of normal operation for encoder 1.

Dieser Gradientenmesser gestattet es, den Gradienten eines sich zeitlich ändernden Magnetfeldes zu messen, jedoch ist er gegen die eine parasitäre Amplitudenmodulation der Signale der Geber 1 und 2 bewirkenden Wechselmagnetstörungen empfindlich.This gradient meter allows the gradients of a time measuring the changing magnetic field, but it is against the parasitic amplitude modulation of the signals from encoders 1 and 2 causing alternating magnetic interference.

Zur Messung des Magnetfeldgradienten bei Vorhandensein der variablen magnetischen Störungen ist ein nach der in Fig. 3 dargestellten Schaltung aufgebauter Gradientenmesser vorzuziehen.For measuring the magnetic field gradient in the presence of the variable magnetic interference is a built up according to the circuit shown in FIG Gradient meter preferable.

Bei dieser Variante des Gradientenmessers übernimmt die Funktion der Einrichtung zur Speisung der mit dem den Ausgang des Gebers 18 mit den Hochfrequenzspulen 4 aller drei Geber 1, 2 und 18 verbindenden Rückkopplungskreis 17 versehene Geber 18.In this variant of the gradient meter, the function takes over Device for supplying the with the output of the encoder 18 with the high-frequency coils 4 of all three sensors 1, 2 and 18 connecting feedback circuit 17 provided sensors 18th

Die Parameter des Rückkopplungskreises des Gebers 18 sind unter der Voraussetzung der Erfüllung eines Phasen- und Amplitudenausgleiches bei der Resonanzfrequenz gewählt, weshalb sich in diesem ein Selbstschwingungszustand einstellt, dessen Frequenz den Änderungen des äußeren Magnetfeldes nachläuft; dadurch wird automatisch ein Normalbetrieb der Geber 1 und 2 sichergestellt.The parameters of the feedback loop of the encoder 18 are below Prerequisite for the fulfillment of a phase and amplitude compensation at the resonance frequency chosen, which is why a self-oscillation state occurs in this, its frequency lags behind changes in the external magnetic field; this automatically turns a Normal operation of encoders 1 and 2 ensured.

Der zulässige Magnetfeldgradient zwischen den drei Gebern 1, 2 und 18 muß derart sein, daß die Eigenfrequenz des Gebers 18 im Bereich zwischen den Resonanzfrequenzen der zwei anderen Geber 1 und 2 liegt.The permissible magnetic field gradient between the three encoders 1, 2 and 18 must be such that the natural frequency of the encoder 18 in the range between the Resonance frequencies of the two other encoders 1 and 2.

Der beschriebene Gradientenmesser gestattet es, den Gradienten eines sich zeitlich ändernden Magnetfeldes bei in magnetischen Einheiten mit der Breite der Linie eines magnetischen Übergangs kommensurablen variablen magnetischen Störpegeln zu messen.The gradient meter described allows the gradient of a magnetic field changing with time in magnetic units with width the line of a magnetic transition commensurate variable magnetic interference levels to eat.

Bei Vorhandensein eines höheren magnetischen Störpegels, speziell wegen elektrischer Netze, ist die in Fig. 4 wiedergegebene Variante des Gradientenmessers am besten geeignet.In the presence of a higher level of magnetic interference, specifically because of electrical networks, is the variant of the gradient meter shown in FIG most suitable.

Diese Variante des Geräts enthält einen an den Ausgang des Gebers 18 angeschlossenen Frequenzdetektor (Phasendetektor) 19 zur Abtrennung einer Störung. Der Frequenzdetektor 19 kann nach verschiedenen Schaltungen, speziell nach der Schaltung eines im Betrieb eines schmalbandigen Folgefilters arbeitenden Phasenfrequenznachlaufes ausgeführt sein. Ein am Ausgang des in das genannte System des Phasenfrequenzselbstnachlaufes eingehenden Phasendetektors abgenommenes Fehlersignal gelangt zu dem auf die Störfrequenz abgestimmten Filter 20.This variant of the device contains one connected to the output of the encoder 18 connected frequency detector (phase detector) 19 to isolate a disturbance. The frequency detector 19 can according to various circuits, specifically according to the circuit a phase frequency tracking operating in the operation of a narrow-band follow-up filter be executed. One at the output of the phase frequency self-tracking system mentioned incoming phase detector received error signal arrives at the interference frequency matched filter 20.

Das Ausgangssignal des Filters 20 erzeugt im Volumen der Zelle 3 des Gebers 18, indem es in die Hochfrequenzspule 4 gelangt, ein Magnetfeld in Gegenphase zum Magnetfeld der Störung, wodurch deren Kompensation ermöglicht wird.The output of the filter 20 generated in the volume of the cell 3 of the Encoder 18, in that it gets into the high-frequency coil 4, a magnetic field in antiphase to the magnetic field of the disturbance, which enables its compensation.

Der Entstörungsgrad wird im Geber 18 durch den übertragungsfaktor "k" des Rückkopplungskreises zwischen dem Frequenzdetektor 19 und der Hochfrequenzspule 4 bestimmt. Die gleiche, auf die Geber 1 und 2 einwirkende Störung wird durch ein Magnetfeld bei der Störfrequenz durch Schalten der Hochfrequenzspulen 4 auf den Ausgang des Filters 20 über den Pegelregler 21 kompensiert. Wird die Gleichheitsbedingung zwischen der magnetischen Feldstärke und der einer Halbsumme von Feldstärken auf die Geber 1 und 2 einwirkender Störfelder gleicher Kompensation erfüllt, so kann man am Ausgang des Geräts in dieser oder jener Weise das eingetretene Ereignis vermerken.The degree of interference suppression is determined in the encoder 18 by the transfer factor "k" of the feedback circuit between the frequency detector 19 and the high frequency coil 4 determined. The same disturbance affecting encoders 1 and 2 is caused by a Magnetic field at the interference frequency by switching the high-frequency coils 4 to the The output of the filter 20 is compensated by the level regulator 21. Becomes the condition of equality between the magnetic field strength and that of a half-sum of field strengths encoders 1 and 2 of interfering fields with the same compensation are fulfilled, so can the event that has occurred is noted at the exit of the device in one way or another.

Die im Geber 18 zur Wirkung kommende Entstörungsschaltung bewirkt eine Abschwächung des Störsignals um einen Faktor von k + I. Bei der Einführung ähnlicher Schaltungen in die Geber 1 und 2 nimmt der Störgradient gleichfalls um denselben Faktor ab, wobei in diesem Fall die Notwendigkeit einer Regelung des Störkompensationsgrades entfällt.The interference suppression circuit that comes into effect in the transmitter 18 is effected a weakening of the interfering signal by a factor of k + I. At the introduction Similar circuits in sensors 1 and 2 also reduce the interference gradient the same factor, in which case it is necessary to regulate the degree of interference compensation not applicable.

Der in Fig. 4 dargestellte Gradientenmesser gestattet es, den Gradienten eines sich mit der Zeit ändernden Magnetfeldes bei einem in magnetischen Einheiten die Breite der Linie eines netischen überganges überschreitenden variablen magnetischen Störpegel zu messen.The gradient meter shown in Fig. 4 allows the gradient of a magnetic field that changes over time in one in magnetic units variable magnetic crossing the width of the line of a netic transition Measure noise level.

LeerseiteBlank page

Claims

Measuring device for the magnetic field gradient Claims: Measuring device for the magnetic field gradient, the two to be arranged at the examination sites of the Magnetic field provided and with the outputs to the inputs of a phase detector contains attached transducers, each transducer based on an atomic one Working substance-filled absorption cell is carried out, at the entrance of which a Light source for optically pumping the atoms of the working substance and at their exit a photo transducer is arranged for registering a luminous flux leaving the cell is and which is within a high frequency coil of the encoder, which with a Variable frequency current close to that generated by the magnetic field strength at the location the transducer specific resonance frequency of magnetic transitions of the atoms of the working substance is fed, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the measuring device has a common Device for feeding the high-frequency coils (4) of the two transmitters (1 and 2) with having a current of variable frequency.

2. Measuring device for the magnetic field gradient according to claim 1, characterized G e k e n n n n n e i c h n e t that a convertible generator as a common device (16) variable frequency is used.

3. Measuring device for the magnetic field gradient according to claim 1, characterized G e k e n n n n n e i n e t that the common facility in the form of one in one the encoder (2) formed feedback circuit (17) is executed, the parameters of which under the condition that a phase and amplitude compensation is fulfilled the resonance frequency in the feedback circuit are selected and the electrical with the The input of the high frequency coil (4) of the other encoder (1) is connected.

4. Measuring device for the magnetic field gradient according to claim 1, characterized it is noted that as the common facility an additional, the first two (1 and 2) similar transmitters (18) is used, the one with a feedback loop (17) is provided, the parameters of which are provided under the condition that a Phase and amplitude compensation are selected at the resonance frequency and the electrically with the inputs of the high-frequency coils (4) of the two other encoders (1 and 2) is connected.

5. Measuring device for the magnetic field gradient according to claim 4, characterized it is not indicated that it is connected to the output of the additional encoder (18) connected frequency detector (phase detector) (19) and one on the frequency a compensating interference matched filter (20) is provided, the input of which to the output of the frequency detector (phase detector) (19) and its output the input of the high-frequency coil (4) of the additional encoder (18) and via a Signal level regulator (21) to the inputs of the high frequency coils (4) of the other two Encoder (1 and 2) is connected.