DE3109212A1

DE3109212A1 - Gradientenmesser zum messen der raeumlichen ableitungen eines magnetfeldes h

Info

Publication number: DE3109212A1
Application number: DE19813109212
Authority: DE
Inventors: Guy Gieres Chiron; André Saint Egreve Dumont
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1981-03-11
Publication date: 1986-09-04
Also published as: IT1146705B; IT8167337A0; GB8513757D0; GB2175696A; NL8100813A; FR2560388B1; US4703266A; FR2560388A1; GB2175696B

Description

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOHIQUE

31/33, rue de la Federation, 75015 Paris (Frankreich)

Gradientenmesser zum Messen der räumlichen Ableitungen

eines Magnetfeldes H

Ein Magnetfeld H ist bekanntlich in allgemeiner Form definiert durch seine drei Komponenten H , H und H an jedem Punkt M im Raum sowie durch deren neun erste räumliche Ableitungen:

8 ^H·

Hi = -^—^- i = χ, y, z; j = X, y, Z, 3 ö 3

die ihrerseits die Entwicklung seines Moduls in jeder der drei Richtungen im Raum rund um den betrachteten Punkt M kennzeichnen. Diese neun vorerwähnten räumlichen Ableitungen bilden einen Tensor, der der Bequemlichkeit halber kurz als Gradient des Magnetfeldes bezeichnet wird.

Die vorliegende Erfindung hat einen Gradientenmesser zum Gegenstand, also ein Gerät, das die Messung wenigstens einer dieser neun Ausdrücke gestattet.

Der Gradientenmesser gemäß der Erfindung stellt eine Weiterentwicklung des Magnetometers nach der DE-PS 2 344 in dem Sinne dar, als er ebenso wie dieses mit magnetischen

-ar

Schichten und Meßsonden derselben Art arbeitet,wie sie dort beschrieben sind.

Zunächst sollen daher unter Bezugnahme auf die Darstellungen in Fig. 1 bis 3 der Zeichnung eine Anzahl von bekannten Elementen hinsichtlich der verwendeten dünnen Schichten die Verfahren zu ihrer Erregung und die Methoden zum Erfassen von Magnetfeldern unter Verwendung solcher dünner Schichten näher erläutert werden.

Die bekannten dünnen magnetischen Schichten, wie sie im Rahmen des Gradientenmessers gemäCfder Erfindung Verwendung finden, sind von einer Bauart, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, und sie weisen im wesentlichen eine auf einem zylindrischen Träger 1 angeordnete magnetische Schicht 2 in Form eines Drehzylinders mit einer Achse Z und einer Dicke e auf. Diese dünne Schicht 2 ist anisotrop, sie besitzt also an jedem ihrer Punkte M eine Achse AF leichter Magnetisierbarkeit, die tangential zur Oberfläche des Zylinders und senkrecht zur Achse Z gerichtet ist, und eine Achse AD schwerer Magnetisierbarkeit, die parallel zur Achse Z des die dünne Schicht bildenden Zylinddrs gerichtet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt ließe sich auch darin, daß die Achse AF leichter Magnetisierbarkeit der Schicht 2 in deren Ebene liegt und in den verschiedenen Schnitten durch den Zylinder jeweils kreisförmig und in sich geschlossen ist.

Die Verwendung einer dünnen Schicht gemäß der Darstellung in Fig. 1 zum Messen eines Magnetfeldes verlangt für die Messung der zur Achse AD schwerer Magnetisierbarkeit parallelen Komponente des Magnetfeldes eine bestimmte

Anzahl von Erreger- oder Entnahmespulen erforderlich, wie sie nachstehend unter Bezugnahme auf die Darstellung in Fig. 2 der Zeichnung näher behandelt werden sollen.

In Fig. 2 ist ein Magnetfühler oder eine Sonde in Dünnschichtausführung von an sich bekannter Art dargestellt, die in ihrem Zentrum zunächst die eigentliche dünne magnetische Schicht 2 aufweist, die von einer Erregerspule 3 umgeben ist, mit deren Hilfe ein alternierendes Feld von geringer Amplitude parallel zu der Komponente des zu messenden Feldes überlagert werden kann. Dieses Magnetfeld induziert in der Schicht eine elektromotorische Kraft, die sich mit Hilfe einer Abnahmespule 4 abnehmen läßt, deren Achse parallel zur Achse AF leichter Magnetisierbarkeit der Schicht 2 verläuft und die je nach den gegebenen Umständen eine bestimmte Anzahl von Windungen aufweisen kann, um die Amplitude des erhaltenen alternierenden Signals entsprechend zu vergrößern. Schließlich ist noch ein Sättigungsgrad 6 vorgesehen, der koaxial zur dünnen Schicht 2 verläuft und deren anfängliche Sättigung ermöglicht, indem daran entlang ihrer Achse AF leichter Magnetisierbarkeit ein Magnetfeld angelegt wird.

Die Theorie für ein Magnetometer unter Verwendung einer Sonde gemäß Fig. 2, wie sie sich in der DE-PS 2 344 508 niedergelegt findet, zeigt unter gewissen im allgemeinen Fall durchaus akzeptablen Näherungen, daß die Amplitude der ers ten und dritten Harmonischen der an der Entnahmespule 4 erhaltenen Wechselspannung proportional ist zu der Komponente des zu messenden Magnetfeldes entlang der Achse Z der Sonde in Fig. 2, womit man ein Mittel erhält, um eine Messung dieser Feldkomponente zu erreichen.

Aus Gründen einer Vereinfachung ist es heute jedoch bevorzugte Technik, mitjeiner Nullmethode für die Messung der Feldkomponente entlang der Achse AD schwerer Magnetisierbarkeit der Sonde zu arbeiten, und man verwendet daher ein Schaltungsschema, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Darstellung in Fig. 3 aeigt in schematischer Weise eine Sonde 7, die in ihrem allgemeinen Aufbau der vorangehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Darstellung in Fig. 2 entspricht und als ihren Ausgang die Abnahmespule 4 für die Abnahme des alternierenden Signals hat. Dieses alternierende Signal, das in seiner Kreisfrequenz LU mit der des über die Erregerspule 3 von Fig. 2 eingeführten Erregersignal identisch ist, wird anschließend einem Verstärker 25 mit offener Schleife und dem Gewinn T zugeführt. Dieser Verstärker selbst setzt sich aus einem Selektivverstärker 8, einem Synchrondetektor 9 und einem Integrator 10 zusammen, die in Serie zueinander liegen, und er liefert an seinem Ausgang auf einer Leitung 11 eine Gleichspannung, die definitionsgemäß der Komponente des zu messenden Magnetfeldes entlang der Achse schwerer Magnetisierbarkeit für die Sonde 7 proportional ist. Diese Gleichspannung steht an einem Ausgang 12 zur Verfügung, der von der Leitung 11 abzweigt. Die in dem Schaltschema von Fig. verwendete Meßmethode ist eine Nullmethode mit Gegenreaktion, und die oben beschriebene Schaltung findet ihre Vervollständigung durch eine Leitung 13 und einen regelbaren Widerstand 14, die in Serie mit der Leitung und einer die Sonde 7 koaxial dazu umgebenden Qegenreaktionsspule 5 liegen. An der Leitung 11 am Ausgang des Verstärkers 25 liegt eine Spannung V, und durch die

Gegenreaktionsspule 5 fließt ein Strom I__, und dieser Strom I kompensiert die Komponente des zu messenden

CK

Feldes, indem er diese so genau wie möglich auf den Wert Null bringt. Der Strom I wird durch die Kenn-

CK

größen für die Spule 5 und deh Wert des zu kompensierenden Feldes bestimmt, und die Spannung V läßt sich mit Hilfe des Widerstandes 14 einstellen.

Bezeichnet man nun mit H die Komponente des zu messenden Magnetfeldes entlang der Achse der Sonde 7 und mit H¹ das Gegenreaktionsfeld, das durch den Strom I in der Spule 5 in entgegengesetzter Richtung

CK

erzeugt wird, so kann man ein Fehlerfeld h = H - H¹ mit H¹ = Th definieren. Es gilt dann die Beziehung:

· —

ti

Dies zeigt, daß die Komponente H¹ proportional ist zur Komponente H, und daß daher, sobald das Gleichgewicht erreicht ist, die Größe des Gegenreaktionsstromes I__ in

CK

etwa, proportional ist zu der Komponente H des zu messenden Feldes.

Untersuchungen der Anmelderin haben nun gezeigt, daß es möglich ist, mit Hilfe mehrerer magnetometrischer Sonden mit dünnen Schichten, wie sie oben beschrieben sind, durch entsprechende Kombination dieser Sonden in einfacher Weise einen Gradientenmesser zu schaffen, der eine Messung der ersten räumlichen Ableitungen des Magnetfeldes gestattet, wie sie an einem beliebigen Punkt im Raum entlang der drei Richtungen Ox, Oy und Oz vorhanden sind.

Gemäß der Erfindung ist ein Gradientenmesser zum Messen der räumlichen Ableitungen eines Magnetfeldes unter Verwendung magnetischer Dünnschichtsonden, die eine magnetische Schicht von der Form eines Drehzylinders mit zur Zylinderachse paralleler Achse schwerer Magnetisierbarkeit und kreisförmiger, in der Schichtebene entlang eines geraden Schnitts durch den Zylinder in sich geschlossener Achse leichter Magnetisierbarkeit sowie anfänglicher Sättigung entlang der Achse leichter Magnetisierbarkeit, eine Erregerspule mit zur Zylinderachse paralleler Achse zum Erzeugen eines Erregerwechselfeldes der Frequenz f entlang der Richtung der Achse schwerer Magnetisierbarkeit, eine Abnahmespule mit zur Achse leichter Magnetisierbarkeit paralleler Achse zum Abnehmen des sich durch das Erregerwechselfeld ergebenden alternierenden Signalei bei einer der Frequenzen f oder 3f und eine Gegenreaktionsspule aufweisen, in die ein aus dem alternierenden Signal nach Verstärkung, Defektion und Integration gewonnener Gleichstrom von solcher Intensität eingespeist wird, daß die zur Achse schwerer Magnetisierbarkeit parallele Komponente des zu untersuchenden externen Magnetfeldes so vollständig wie möglich zu Null gemacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Komponente ά i des Gradienten des Magnet-

feldes H zwei magnetische Dünnschichtsonden der oben erwähnten Art vorgesehen sind, wobei die geometrischen Achsen der Gegenreaktionsspulen entlang der Richtung der Achse i ausgerichtet sind, die Sonden selbst entlang der Achse j einen Abstand voneinander aufweisen, der Gegenreaktionsstrom der ersten Sonde in die zweite Sonde eingespeis

_ 9 —

wird und der Gegenreaktionsstrom der zweiten Sonde ein Maß

r H
für die zu messende Größe Λ i darstellt.

Das bemerkenswert einfache Ergebnis der erfindungsgemäßen Lehre, nachjdem es genügt, zwei magnetische Sonden entlang der Achse i im Raum au szurichten und in gegenseitigem Abstand entlang der Achse j anzuordnen, wobei die Gegenreaktionsspule der zweiten Sonde den Gegenreaktionsstrom der ersten Sonde zugeführt erhält,

/9 i um die Komponente des Gradienten -Q—— zu messen,

läßt sich in folgender Weise erklären.

Bezeichnet man mit Ox die Richtung im Raum, entlang deren die Achse der Gegenreaktionsspule der ersten Sonde ausgerichtet ist, die sich an einem Punkt befindet, wo der Gradient des Magnetfeldes gemessen werden soll, so ist das in dieser Gegenreaktionsspule erzeugte Gegenreaktionsfeld H entsprechend dem Schema von Fig. 3 stets entlang der Richtung Ox gerichtet. Die dünne magnetische Schicht,die das aktive Element der Sonde bildet, befindet sich, wie dies in 5¹Xg. selbst dargestellt ist, im Inneren der Gegenreaktionsspule 5, und sie sucht sich so einzustellen, daß ihre Achse schwerer Magnetisierbarkeit so streng wie möglich mit der Achse Ox des Gegenreaktionsfeldes H__ zusammenfällt. Diese Bedingung läßt sich nicht in aller Strenge erfüllen, und die Achse schwerer Magnetisierbarkeit der dünnen magnetischen Schicht erfährt daher nur eine näherungsweise Ausrichtung in die Richtung Ox mit der Achse der Spule für das Gegenreaktionsfeld.

Stellt man sich nun einen Vektor £> vor, der auf die

Achse schwerer Magnetisierbarkeit der Innenschicht ausgerichtet ist, so hat dieser die folgenden Koordinaten:

Γ S_x # lsi = s

^Sy « ^Sx-·
^Sz « ^Sx

und er stellt die Empfindlichkeit der dünnen Schicht für das zu messende Feld dar, wobei die Qleichung:

t . (H - H_CR) = O (1)

befriedigt wird.

Tatsächlich drückt die Gleichung (1) aus, daß das sich durch die Anlage der Gegenreaktion an die zu messende Komponente ergebende Feld Null oder senkrecht zu dem Vektor S gerichtet sein muß, damit sich kein durch diese Komponente in der dünnen Schicht induziertes Signal mehr ergibt, daß also mit anderen Worten die für die Messung gewählte Nullmethode streng zur Anwendung kommt.

Unter diesen Bedingungen führt eine einfache Rechnung ausgehend von der vorstehenden Gleichung (1) bei Bezeichnung der Komponenten des zu messenden Feldes H an der Stelle der ersten dünnen Schicht mit H , H und H zu einer

x y ζ

Gleichung (2)

H_CR=^.3 (2)

für den Zusammenhang an dem betrachteten Punkt zwischen dem Gegenreaktionsfeld H , dem Feld H und einem

^ CK

Vektor <5~ι der seinerseits definiert wird durch eine Gleichung (3):

(Γ

(σ- χ

O)

Bringt man nun einen zweiten Fühler oder eine zweite Dünnschichtsonde identischer Ausführung mit gleicher Ausrichtung und Lage entlang der Achse Ox in einem Abstand Λ χ von der ersten Sonde, wobei die Gegenreaktionsspulen dieser beiden Sonden vollkommen entlang dieser Achse Ox ausgerichtet sind, so besteht die Lehre der Erfindung darin, den Gegenreaktionsstrom I

CK

der ersten Gegenreaktxonsspule mittels einer geeigneten elektrischen Schaltung in die zweite Gegenreaktionsspule einzuspeisen. Unter Verwendung eines Indizes 2 für die Bauelemente der zweiten, der ersten Sonde analogen Sonde erhält man dann folgende Gleichungen:

(H¹ - h£_r) = 0 (4)

(H² - E² _R - _H2_R) = 0 (5)

1 2
wobei H und H jeweils das Magnetfeld in der Nachbarschaft jeder der beiden Sonden bezeichnen, und die Gleichungen (4) und (5) sich unmittelbar durch die Anwendung der

Gleichung (1) auf jede der beiden Sonden ergeben.

Bezeichnet man dann weiter mit η das - im allgemeinen nur wenig von 1 verschiedene - Verhältnis zwischen den Windungszahlen der Gegenreaktionsspulen beider Sonden, so besteht offensichtlich ein Zusammenhang zwischen dem Gegenreaktionsfeld der ersten Sonde und einem Teil dessen der Gegenreaktionsspule . der zweiten Sonde, da ja der Strom aus der ersten Spule in die zweite Spule eingespeist wird. Unter Einführung der Bezeichnung H_ für das entsprechende Magnetfeld bezogen auf die Komponente entlang der Achse schwerer Magnetisierbarkeit auf der Höhe der zweiten Sonde erhält man dann nachstehende Gleichung:

Unter Anwendung der Gleichung (2) auf die Gleichungen (4) und (5) und Berücksichtigung auch der Gleichung (6), zeigt eine hier nicht im einzelnen durchgeführte Rechnung, daß sich das gesamte Gegenreaktionsfeld für die zweite Sonde unter Vernachlässigigung von Größen zweiter Ordnung schreiben läßt:

* # ΔΧ -^ + s . H (7) CR fc _χ

wobei der Vektor ~£ die Koordinaten aufweist:

— IJ —

ncr*
Υ

Cr — nr Y

In der Gleichung (7) hat der Vektor s Komponenten zweiter Ordnung in bezug auf die des Vektors H, und es läßt sich daher der Schluß ziehen, daß in erster Näherung das Kompensationsfeld oder auch der Kompensationsstrom der zweiten Sonde direkt proportional ist zu

C JJy

der Größe ^r-_vr deren genaue Messung angestrebt wird. Der komplementäre Term s . H aus der Gleichung (7) läßt sich daher mit einem systematischen Fehler zweiter Ordnung analysieren, der in erster Näherung vernachlässigt werden kann.

Wenn aus besonderen Gründen dieser systematische Fehler ebenfalls berücksichtigt werden soll, kann von einem sekundären Merkmal der Erfindung Gebrauch gemacht werden.

Gemäß diesem sekundären, aber dessen ungeachtet der richtigen Merkmale eines Gradientenmessers gemäß der Erfindung wird das Gerät in Gleichgewicht gebracht, das heißt der auf eine nicht strenge Ausrichtung der Achsen der Gegenreaktionsspulen (Achse i) und der*" Richtung schwerer Magnetisierbarkeit der entsprechenden dünnen Schicht herrührende Signalfehler auf ein Minimum gebracht. Zu diesem Zwecke wird der Gradientenmesser zusätzlich zu der ersten Sonde mit zwei identischen Hilfssonden versehen, die an der gleichen Stelle angeordnet und entlang zweier zur Achse dieser .ersten Sonde orthogonal komplementärer Achsen ausgerichtet werden, wobei dann jede der drei Sonden eine der Komponenten H , H und H

des zu untersuchenden Magnetfeldes an der betrachteten Stelle mißt, und außerdem werden Mittel zum Erzeugen von den gemessenen Werten von H , H und H proportionalen

xy ζ

Gleichströmen und zum Einspeisen dieser Ströme in die Gegenreaktionsspulen der von den drei Sonden entsandten zweiten Sonde vorgesehen.

Aus der Gleichung (7) ist offensichtlich, daß zur Verminderung des sich aus der Empfindlichkeit des Gradientenmessers für das Feld H ergebenden Signalfehlers der Vektor s vermindert werden muß. Dazu arbeitet man mit Messungen der Komponenten H H und H des

x, y ζ

lokalen Feldes, wie sie von der ersten Sonde und zwei identischen Hilfssonden geliefert werden, die orthogonal zur ersten Sonde entlang der beiden anderen Richtungen im Raum liegen, und speist die Gegenreaktionsspule der im Abstand Δ χ von den drei oben erwähnten Sonden angeordneten 2weiten Sonde mit den Messungen der drei oben erwähnten Komponenten proportionalen Strömen.

Auf diese Weise bringt man auf der Höhe der von den drei Sonden entfernten zweiten Sonde ein zur Achse Ox paralleles Gegenreaktionsfeld Η_β in Abzug, dessen

Amplitude sich berechnet zu:

H_e =aH_x + bH_y + CH₂ (8) Die Gleichung (5) geht dann über in:

J[ - Η_β

HJ[ - Η_β - _H2_r) = O

Die Gleichung (7) bleibt unverändert, jedoch schreiben

sich die Komponenten des Vektors s dann folgendermaßen:

(n-l)-a

2 ι

- b (9)

2 1-
°"*z ~ ^ησ? ~ ^c

Die Gleichung (9) zeigt, daß man unter manueller oder auch automatischer Regelung der Koeffizienten a, b und c die Komponenten des Vektors s auf den Wert Null bringen oder wenigstens sehr stark verkleinern kann, daß man also den systematischen Meßfehler, der sich durch den zweiten Term von Gleichung (7) ergibt, zu Null oder sehr klein machen kann.

Die nachstehenden Überlegungen betreffen die Messung der ers ten räumlichen Ableitungen* eines Magnetfeldes in der "Diagonalterme" genannten Form &_-£. , es liegt jedoch auf der Hand, daß man das gleiche Verfahren auch für die Messung der nicht "diagonalen" Terme der

Form %—r- anwenden kann, wo j verschieden ist von i. ο D

Vieiter sei bemerkt, daß bei den ins Auge· gefaßten Ausführungsformen für einen Gradientenmesser gemäß der Erfindung dieser in der ins Gleichgewicht gebrachten, also mit den vorerwähnten Vorkehrungen zur Beseitigung des systematischen Fehlers versehenen Form 4 bis 12 Magnetsonden aufweisen kann, die auf einem materiellen Träger angeordnet sind, um die drei Richtungen im Raum zu konkretisieren, wobei beispielsweise ein Stab, ein Würfel

-^ 16 -

oder sonst ein Parallelepiped Verwendung finden können.

So läßt sich beispielsweise ohne weiteres ersehen, daß man mit Hilfe von vier Sonden, die auch die beiden Enden eines parallelepided^förmigen Stabes verteilt sind, der drei Sonden an seinem einen Ende und eine vierte Sonde an seinem zweiten Ende aufweist, den. Gradienten des Magnetfeldes entlang der Längsrichtung des parallelepipedförmigen Stabes messen kann; weiter läßt sich ausgehend von dem vorbeschriebenen Aufbau leicht einsehen, daß man mit einem Gradientenmesser, der einen parallelepipedförmigen Stab gleicher Art und sechs zu je dreien an dessen beiden Enden angeordnete Sonden aufweist, drei Komponenten für den Gradienten eines Magnetfeldes messen kann; mit Hilfe eines Geräts, das zwölf Sonden aufweist, die jeweils in Dreiergruppen an den vier Ecken eines Würfels angeordnet sind, kann man dann ohne weiteres die neun Komponenten des Gradienten eines Magnetfeldes messen.

Dank der Einfachheit seines Aufbaus und seiner Anwendung sweise bietet der Gradientenmesser gemäß der Erfindung im Vergleich zu Ausführungsformen, die auf der Verwendung zweier räumlich getrennter magnetometrischer Sonden und einer Differenzbildung zwischen den dabei erhaltenen Meßergebnissen beruhen, eine Anzahl sehr wesentlicher Vorteile, von denen insbesondere folgende genannt seien:

Die Möglichkeit zur Messung von Gradienten sehr kleiner Amplitude in der Größenordnung von beispielsweise 1 γ" , wie dies bei Messungen des Erdmagnetfeldes auftritt,

wenn man demgegenüber eine Differentialmethode unter Einsatz zweier Magnetometer anwendet, wird es dann, wenn diese sehr hohe Präzision aufw_..eisen, also

—4

jedes zu einem Meßfehler von 10 für die Magnetfeldamplitude führen, der absolute Fehler 5 γ und die Messung des Gradienten wird total unmöglich,da sie buchstäblich innerhalb des Meßfehlers der Magnetometer liegt;

das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Größe des Gradienten ist sehr viel höher, als es sich mit einem klassischen Magnetometer erhalten läßt, da es eine Verstärkung für das Ausgangssignal jeder Sonde für die Ablesung in Form einer .Nullmethode gibt, und diese Verstärkung fällt quasi umsonst an.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden nunmehr einige Ausführungsbeispiele dafür beschrieben, wie ein Gradientenmesser gemäß der Erfindung eingesetzt werden kan n, wobei diese Beispiele die Erfindung jedoch lediglich erläutern und in keiner Weise einschränken. Im Rahmen dieser Beschreibung wird bezug genommen auf die Darstellungen in Fig.4 bis 6 der Zeichnung; in dieser zeigen:

Fig. 4a ein Schaltbild für die elektrische Verbindung zweier gemäß der Erfindung ausgerichteter Magnetometersonden,

Fig. 4b ein entsprechendes Schaltbild für eine

mit einer Gleichgewichtskorrektur «zur Verminderung des systematischen Fehlers ausgestattete Ausführungsform,

Fig. 5 eine mögliche Anordnung von vier Sonden an den beiden Enden eines parallelepipedförmigen Stabes und

Fig. 6 einen Aufbau mit zwölf jeweils in Gruppen von dreien an vier benachbarten Ecken eines würfelförmigen Trägers angeordneten Sonden.

Die Darstellung in Fig. 4a zeigt zwei Sonden 7a und 7b zusammen mit ihren Gegenreaktxönsspulen 5a und 5b. Gemäß der Erfindung sind diese beiden Spulen 5a und 5b ebenso nach Möglichkeit auch die Sonden 7a und 7b entlang ein und derselben Richtung im Raum ausgerichtet, um den Gradienten des Magnetfeldes zu messen, wie er entlang dieser gleichen Richtung auftritt. Die Anschlüsse 12a und 12b in Fig. 4a entsprechenddem in dem Schaltschema von Fig. 3 gezeigten elektronischen Ausgang 12 für jede der beiden Sonden 7a und 7b, und Widerstände 14a und 14b ermöglichen den Abgleich des Gegenreaktionssignals, um die Komponente des zu messenden Feldes möglichst weitgehend zu kompensieren. Die Schaltung von Fig. 4a zeigt klar, daß der Gegenreaktionsstrom I„_, der durch

OK

die erste Spule 5a fließt, in gleicher Weise in die zweite Spule 5b eingespeist wird, die in Serie dazu liegt.

In dem Schaltbild von Fig. 4b finden sich die gleichen Elemente wie in Fig. 4a, wobei noch die Korrekturvorrichtung mit vier variablen Widerständen R , R^, R und R hinzukommt, die parallel zueinander liegen und in folgender Weise zum Einsatz kommen.

Wie bereits erläutert, messen drei an der gleichen Stelle wie die erste Sonde 7a angeordnete zusätzliche Sonden jeweils die Komponenten H , H und H des

χ y ζ

Feldes an dieser Stelle, und ihre elektronischen Ausgänge, die dem Ausgang 12 von Fig. 3 gleich sind, erscheinen in der Darstellung von Fig.4b an den Anschlüssen 15, 16 und 17. Der Eingang 18 gestattet über den potentiometrischen Widerstand R eine Einstellung des Nullpunktes für die Gradientenmessung. Indem man jeden der potentiometrischen Widerstände R , Ry und R variiert, bringt man jeden

der Koeffizienten a, b und c in der Gleichung (8) auf den gewünschten Wert, damit das Gleichgewiahtsfeld H die gewünschte Größe annimmt und eine Annullierung des systematischen Fehlers ermöglicht.

In der Darstellung in Fig. 5 sind vier Fühler oder Sonden gezeigt, die an den Enden eines parallelepipedförmigen Stabes 16 aus nichtmagnetischem Material angeordnet sind. Dieser Stab 16 ist mit seinen Kanten entlang der drei Richtungen Ox, Oy und Oz im Raum ausgerichtet. Weiter zeigt die Darstellung in Fig. 5 zwei Sonden 7a und 7b entsprechend der Darstellung von Fig. 4, wobei die Gegenreaktionsspulen 5a und 5b nicht dargestellt sind, und man sieht, daß diese beiden Sonden 7a und 7b genau entlang der Achse Ox ausgerichtet sind. Außerdem weist die Anordnung von Fig. 5 zwei weitere identische Sonden 17 und 18 auf, die am gleichen Ort angeordnet sind, wie die erste Sonde 7a, die noch entlang dazu senkrechter Richtungen im Raum, nämlich entlang der Richtungen Oy bzw. Oz ausgerichtet sind. Die Ausführungsform von Fig. 5 gestattet unter Verwendung des in Fig. 4b

gezeigten Schaltungsschemasüie Messung des Gradienten des Magnetfeldes H an dem einen Ende 19 des Stabes entlang der Richtung Ox, d. h. die Messung der Größe

^ mit der sich aus dem Abgleich des Gradienten-

messers ergebenden Genauigkeit.

In Fig. 6 ist ein magnetischer Träger 20 von der Form eines Würfels mit zu den drei Richtungen Ox, Oy und Oz im Raum parallelen Kanten dargestellt.

An aufeinanderfolgenden Ecken 21, 22 und 23 dieses Würfels sind jeweils drei magnetometrische Sonden in Dünnschichtausführung angeordnet, deren elektrische Zusammenschaltung gemäß der Erfindung eine Messung der neun Komponenten des Gradienten des Magnetfeldes an der E_ck_e 22 mit Gleichgewichtsgenauigkeit gestattet. Zu diesem Zwecke arbeiten die zwölf in Fig. 6 gezeigten Sonden wie bei dem Beispiel von Fig.5 abstandsgepaart zusammen, wobei jedes Paar aus zwei entlang einer Richtung ausgerichteten Sen Gradienten des Feldes entlang dieser Richtung mißt, während die beiden benachbarten Sonden zur Gleichgewichtskorrektur dienen.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Gradientenmesser zum Messen der räumlichen Ableitungen -r-i— (i = x, y, z; j = χ, y, ζ) eines

C -j

Magnetfeldes H unter Verwendung magnetischer . Dünnschichtsonden, die eine magnetische Schicht von der Form eines Drehzylinders mit zur Zylinderachse paralleler Achse schwerer Magnetisierbarkeit und kreisförmiger, in der Schichtebene entlang eines geraden Schnitts durch den Zylinder in sich geschlossener Achse leichter Magnetisierbarkeit sowie anfänglicher Sättigung entlang der Achse leichter Magnetisierbarkeit, eine Erregerspule mit zur Zylinderachse paralleler Achse zum Erzeugen eines Erregerwechselfeldes der Frequenz f entlang der Richtung der Achse schwerer Magnetisierbarkeit, eine Abnahmespule mit zur Achse leichter Magnetisierbarkeit paralleler Achse zum Abnehmen des sich durch das Erregerwechselfeld ergebenden alternierenden Signales bei einer der Frequenzen f oder 3f und eine Gegenreaktionsspule aufweisen, in die ein aus dem alternierenden Signal nach Verstärkung, Detektion und Integration gewonnener Gleichstrom von solcher Intensität eingespeist wird, daß die zur Achse schwerer Magnetisierbarkeit parallele Komponente des zu untersuchenden externen Magnetfeldes so vollständig wie möglich zu Null gemacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum

r H
Messen der Komponente t> i des Gradienten des Magnetfeldes H

zwei magnetische Dünnscflichtsonden (7a, 7b) der oben erwähnten Art vorgesehen sind, wobei die geometrischen

410-Gh 54- DfF

Achsen der Gegenreaktionsspulen (5) entlang der Richtung der Achse i ausgerichtet sind, die Sonden selbst entlang der Achse j einen Abstand voneinander aufweisen, der Gegenreaktionsstrom der ersten Sonde in die zweite Sonde eingespeist wird und der Gegenreaktionsstrom der zweiten Sonde ein Maß für die zu messende Größe S

darstellt.
2. Gradientenmesser nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des Gleichgewichts, d.h. zum Mimimieren des auf die nicht strenge Ausrichtung der Achsen der jeweiligen Gegenreaktionsspulen (Achse i) und der Richtung schwerer Magnetisierbarkeit der entsprechenden dünnen Schichten zurückgehenden Fehlersignal_s, zusätzlich zur ersten Sonde (7a) zwei identische Hilfssonden (17, 18) an derselben Stelle angeordnet und gemäß zweier zur Achse dieser ersten Sonde orthogonal komplementärer Achsen ausgerichtet sind, wobei dann jede der drei Sonden eine der Komponenten H , Hv und H

χ y ζ

des zu untersuchenden Magnetfeldes an der betrachteten Stelle mißt, und daß Mittel zum Erzeugen von den gemessenen Werten von H , H und H proportionalen

x y ζ

Gleichströmen und zum Einspeisen dieser Ströme in die Gegenreaktionsspule der von den drei Sonden entfernten zweiten .Sonde (7b) vorgesehen sind.