DE69100784T2 - Magnetometer mittels magnetischer Resonanz und mit Multiplex-Erregerwicklungen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetometer.
• Sie findet in der präzisen Messung schwacher magnetischer Felder (typisch im Bereich von 20 bis 70uT entsprechend den Werten des Erdmagnetfeldes) Anwendung.
• Das Magnetometer der Erfindung tritt in die Kategorie der sogenannten Resonanzmagnetometer ein, deren allgemeine Beschreibung man in dem Artikel von F. HARTMAN mit dem Titel "Resonance Magnetometers", veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Magnetics", Vol MAG-8, Nr. 1, März 1972, S. 66-75 finden kann.
• Ein Resonanzmagnetometer ist ein Apparat, der, wenn er in ein Magnetfeld Bo eingetaucht ist, ein elektrisches Signal der Frequenz F liefert, dessen Wert mit Bo durch die sogenannte LARMOR- Beziehung verbunden ist:
• F = γBo
• wobei γ ein gyromagnetisches Verhältnis ist (von einem Elektron oder einem Nukleon entsprechend der verwendeten Substanz). Für das Elektron zum Beispiel ist dieses Verhältnis gleich 28Hz/nT.
• Die Anregung der magnetischen Resonanz wird durch eine Wicklung erhalten, die rund um die verwendete Substanz angeordnet ist und die Abnahme des Resonanzsignales erfolgt sowohl durch eine andere Wicklung (elektrische Variante) als auch durch pumpende Lichtstrahlen (optische Variante).
• Obgleich sich die Erfindung auf alle Typen magnetischer Resonanzmagnetometer bezieht, werden besonders die optisch gepumpten Magnetometer genommen, wie im folgenden Beispiel, ohne daß der Rahmen der Erfindung dadurch darum reduziert würde.
• Ein optisch gepumptes Magnetometer ist in Figur 1 schematisch dargestellt.
• Eine Zelle 10, die mindestens teilweise transparent ist, wird mit einem Gas 12, im Allgemeinen mit Helium unter einem Druck von 1 bis einigen Torr, aufgefüllt. Eine Lichtquelle 14 liefert einen Lichtstrahl 18, dessen Wellenlänge sich um die 1,1um befindet. Dieser Strähl wird durch ein Gerät 16 passend polarisiert, dann in die Zelle 10 eingestrahlt.
• Andererseits wird in dem Gas eine Hochfrequenzentladung (genannt "schwach" oder "weich") durch einen Generator 30 erzeugt, der mit zwei Elektroden 32, 33 verbunden ist, die um die Zelle 10 angeordnet sind. Diese Entladung erzeugt Atome in einem metastabilen Zustand (2³S&sub1; im Fall von Helium). Der einfallende Lichtsträhl 18 "pumpt" diese Atome ausgehend von dem metastabilen Zustand, um sie in einen anderen angeregten Zustand (2³P) zu uberführen.
• In Anwesenheit eines Magnetfeldes Bo teilen sich die Energieniveaus in Unterniveaus, genannt ZEEMAN. Eine Resonanz zwischen solchen Unterniveaus kann durch ein Hochfrequenzfeld (magnetische Resonanz) oder durch eine Modulation des Lichts (doppelte optische Resonanz; COHEN, TANNOUDJI, Ann. Phys., 7, 1962, S. 423) errichtet werden. Im Fall von Helium, Isotop 4, stellt sich die Resonanz zwischen zwei elektronischen ZEEMAN-Unterniveaus mit metastabilem Zustand ein.
• Diese Resonanz wird durch verschiedene, den Fachkräften bekannte Geräte sichtbar gemacht, von denen eine Variante in Figur 1 dargestellt ist. Es handelt sich um eine Wicklung 20, die an beiden Seiten der Zelle 10 angebracht ist (in einer nach HELMHOLTZ benannten Anordnung), einen Hochfrequenzgenerator 22 und einen Photodetektor 24, der die Lichtstrahlung empfängt, welche die Zelle durchlaufen hat, einen Verstärker 25, eine Synchrondetektion 21 und ein Integriergerät 23. Die Einheit der Geräte 21 bis 26 wird im Folgenden durch die Bezeichnung CC bezeichnet. Der Generator 22 versorgt die Wicklung 20 mit Strom der Frequenz F, was ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, wovon ein Bestandteil die Resonanz aufrecht erhält und den zurückkehrenden Lichtstrahl, der die Zelle durchlaufen hat, moduliert. Diese Modulation bildet das Signal. Sie wird durch die synchrone Detektion am Ausgang des Photodetektors über den Verstärker sichtbar gemacht. Der Bezug wird durch den Generator gegeben. Der Ausgang der synchronen Detektion entspricht dem Bestandteil des Signals, der mit dem als Bezug dienenden Fehlersignal in Phase ist. Das Integriergerät beseitigt den statischen Fehler. Dieses Fehlersignal stellt die Frequenz F des Synthesators bei der LARMOR-Frequenz nach. Dazu ist nötig, daß der Synthesator in der Spannung steuerbar ist; er kann ebenso durch einen, durch die Spannung steuerbaren Oszillator (V. C. O.) ersetzt werden.
• Ein elektrisches Resonanzsignal errichtet sich also in diesem Ring bei der LARMOR-Frequenz. Ein Frequenzmesser 26 gibt davon den Wert F. Das zu messende Feld Bo leitet sich aus der Beziehung Bo = F/γ ab.
• Die Helium-Magnetometer dieses Typs haben zuerst Heliumlampen verwendet. Das Erhalten von leuchtenden Kristallen aus Lanthan-Neodym (oder LNA) kürzlich hat es ermöglicht, Laser zu entwickeln, die auf die Wellenlänge um 1,083um abstimmbar sind, genau der Linie des optischen Pumpens von Helium entsprechend, dieser Lasertyp setzt sich natürlich aus diesen Lampen mit einer erheblichen Leistungsverbesserung zusammen, was einen erneuten Nutzen dieser Apparate gebracht hat.
• Ein solches Magnetometer, das mit einem LNA-Laser ausgestattet ist, wird in dem Dokument FR-A-2 598 518 beschrieben.
• Obwohl sie in bestimmtten Beziehungen zufriedenstellend sind, weisen diese Magnetometer doch Nachteile auf. Darunter ist der wesentlichste das Auftreten einer Frequenzverschiebung aufgrund eines sogenannten BLOCH-SIEGERT-Effekts, der durch eines der Bestandteile des Hochfrequenzfeldes zur Anregung verursacht wird. Dieses Phänomen ist in Figur 2 abgebildet, welche die entsprechenden Ausrichtungen der verschiedenen eingesetzten Magnetfelder zeigt.
• Im Idealfall müßte das Hochfrequenzfeld B1 senkrecht zu dem zu messenden Feld Bo stehen. In der Praxis bilden diese beiden Felder zwischeneinander einen Winkel θ. Der Anteil von B1, der auf eine Ebene senkrecht zu Bo projiziert ist, hat also als Amplitude B1 sinθ. Die Amplitude des Resonanzsignals hängt von dem Winkel zwischen dem zu messenden Feld und dem Hochfrequenzfeld ab: das Magnetometer ist in der Amplitude nicht isotrop.
• Das alternative Feld B1 sinθ kann als Ergebnis der Zusammensetzung zweier drehender Komponenten b&spplus;¹ und b&supmin;¹, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen, betrachtet werden. Nur eine dieser Komponenten (in Figur 2 b&spplus;¹) dreht sich in der Präzisionsrichtung des Spins Sp und ist fähig, auf die Präzision um das Feld Bo zu wirken. Die andere Komponente b&supmin;¹ nimmt nicht direkt an dem Resonanzphänomen teil, aber sie induziert eine Frequenzverschiebung. Diese Verschiebung hat als Wert:
• Dies ist der BLOCH-SIEGERT-Effekt, der in der Zeitschrift "Physical Review", 57, 1940, S. 522 beschrieben ist.
• Wenn sich die Ausrichtung der Zelle (mit ihrer Wicklung) ändert, so ändert sich der Winkel θ und die Frequenzverschiebung wechselt: das Magnetometer ist in der Frequenz nicht isotrop.
• Um den Umfang dieses Phänomens zu beschreiben, kann man sich den Fall eines Magnetometers mit Helium 4 überlegen (wofür die Resonanz elektronisch ist, das Gitter dieses Isotops ist nicht mit einem Spin versehen), das in einer Kugel von 6 cm Durchmesser angeordnet ist. Das Hochfrequenzfeld B1 wird durch zwei Spulen mit dem Durchmesser von 4,5 cm in HELMHOLTZ-Anordnung und in 2,25 cm Entfernung, erzeugt. Sie sind Bestandteile der drei Windungen aus Kupferdraht von 0,5mm Durchmesser. Wenn sie von einem Strom von 10mA durchlaufen werden, so beträgt das Feld im Zentrum der Zelle 600nT. Als unseren Spielraum beträgt das Erdmagnetfeld Bo 70uT.
• Wenn θ = 0º, ist das Hochfrequenzfeld B1 parallel zum Feld Bo, und es gibt kein Resonanzsignal.
• Wenn θ = 90º, ist das Hochfrequenzfeld B1 senkrecht zum Feld Bo; das Resonanzsignal ist im Maximum, aber der BLOCH-SIEGERT- Effekt ebenfalls: die Frequenzverschiebung beträgt 55 Hz, sowie einen Fehler in dem zu messenden Feld Bo von 2 nT (ungefähr 3.10&supmin;&sup5;).
• Wenn θ = 45º, beträgt das Resonanzsignal nur 70% seines maximalen Wertes; die Frequenzverschiebung ist 40 Hz, sowie ein Fehler auf dem zu messenden Feld von 1,4 nT.
• Diese Frequenzanisotropie kann durch Kompensationsformeln korrigiert werden, wenn man fähig ist, die Richtung des statischen Feldes Bo bezüglich dem Fühler zu bestimmen, mithilfe von geeigneten Geräten (zum Beispiel richtungsabhängigen Magnetometern). Aber diese Lösung ist schwer, teuer und schwierig einsetzbar, weil alle Instrumente antimagnetisch und starr mit der Zelle verbunden sein müssen (siehe JP.A. 63. 19198).
• Die vorliegende Erfindung bezweckt genau, diese Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Resonanzmagnetometer vor, das frequenzisotrop ist - das heißt, das den mit dem BLOCH-SIEGERT-Effekt verbundenen Fehler beseitigt - und das leicht und einfach einsetzbar bleibt.
• Dieses Ziel wird, gemäß der Erfindung, erreicht durch die Verwendung von drei Erregerwicklungen (anstelle einer einzigen), deren Achsen gemäß drei orthogonalen Richtungen ausgerichtet sind (anders gesagt, deren Achsen ein Achsenkreuz mit drei rechten Winkeln bilden). Diese Wicklungen werden multiplexiert, das heißt eine nach der anderen in Schaltungen eingesetzt.
• Diese scheinbare Komplexität bringt den folgenden, wesentlichen Vorteil mit sich. Jede Wicklung ruft ein Resonanzsignal hervor, das ihm eigen ist, mit einer Frequenz Fi (wobei i ein Index für x, y oder z ist, wenn man die Achsen der drei Wicklungen mit den üblichen Bezeichnungen Oxyz bezeichnet). Diese Frequenz Fi ist im Allgemeinen mit einem Fehler ΔFi behaftet, entsprechend der Ausrichtung der Wicklung bezüglich Bo, wie weiter oben dargestellt (außer wenn eine der Achsen der Wicklungen sich genau senkrecht zu Bo befindet). Fi = γBo + ΔFi.
• Die Erfindung verwendet die Eigenschaft gemaß welcher die Summe der Fehler ΔFx + ΔFy + ΔFz, die bei den drei Frequenzen Fx, Fy, Fz begangen werden, unabhängig von der Richtung des Feldes Bo ist. Diese Summe wird durch die Menge:
• gegeben.
• Folglich erhält man, indem man den Mittelwert der drei Frequenzen, gleich 1/3(Fx+Fy+Fz), nimmt, eine Menge, die von der Ausrichtung von Bo unabhängig ist: das Magnetometer ist frequenzisotrop.
• Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Magnetometer, welches weiter oben beschriebene, bekannte Geräte umfaßt und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Erregerwicklungen drei Wicklungen umfaßt, welche Achsen haben, die ein Achsenkreuz Ox, Oy, Oz mit drei rechten Winkeln bilden, das Magnetometer, umfaßt außerdem einen Multiplexer, der fähig ist, nacheinander jede der besagten drei Wicklungen mit der Erregerschaltung zu verbinden und Geräte, um den Mittelwert Fm der drei Frequenzen Fx, Fy, Fz der drei Resonanzsignale entsprechend den drei Wicklungen zu messen, wobei der Wert des umgebenden Magnetfeldes Bo also durch Bo = Fm/γ gegeben ist.
• Gemaß einer besonderen Ausführungsweise messen die Geräte, die fähig sind, die mittlere Frequenz Fm zu messen, außerdem die drei Frequenzen Fx, Fy, Fz, was es ermöglicht, Informationen über die Richtung des zu messenden Feldes Bo zu erhalten. Das Magnetometer ist also nicht mehr nur skalar (das heißt es gibt das Feldmodul an), sondern ebenso vektoriell (das heißt es gibt die Feldbestandteile auf den drei Achsen der Wicklungen an).
• Gemaß anderen Ausführungsweisen geben die Meßgeräte die mittlere Amplitude Am der drei Resonanzsignale, die Amplitude, deren Wert nie gleich null ist, wie auch die Feldausrichtung ist, was die Anisotropie der Amplitude reduziert. Diese Geräte können außerdem die drei Amplituden bezüglich den drei Wicklungen angeben, was auch Informationen über die Ausrichtung des zu messenden Feldes in dem Achsenkreuz mit drei rechten Winkeln, das durch die Wicklungen gebildet wird, gibt.
• Wie dem auch sei, die Kennzeichen und Vorteile der Erfindung treten mehr im Licht der folgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung basiert auf den Ausführungsbeispielen, die beschreibend und nicht beschränkend gegeben werden. Sie bezieht sich andererseits auf die angefügten Zeichnungen, auf denen:
• - die schon beschriebene Figur 1 ein optisch gepumpte Resonanzmagnetometer gemaß der bisherigen Art darstellt;
• - die schon beschriebene Figur 2 die Anordnung bezüglich verschiedener Magnetfelder abbildet;
• - Figur 3 die Anordnung der drei multiplexierten Erregerwicklungen gemaß der Erfindung zeigt;
• - Figur 4 ein optisch gepumptes Resonanzmagnetometer gemäß der Erfindung zeigt;
• - Figur 5 ein Zeitdiagramm ist, das die verschiedenen Größen in einem Magnetometer gemaß der Erfindung darstellt;
• - Figur 6 eine Ausführungsweise der Geräte zur Messung der mittleren Frequenz und der mittleren Amplitude des Resonanzsignals zeigt;
• - Figur 7 eine andere Ausführungsweise der Geräte zur Messung der mittleren Frequenz und der mittleren Amplitude des Resonanzsignals zeigt;
• - Figur 8 ein Zeitdiagramm entsprechend der Ausführungsweise von Figur 7 ist;
• - Figur 9 eine Ausführungsweise der Geräte zur Messung der drei Frequenzen der Resonanzsignale, der mittleren Frequenz, der drei Amplituden und der mittleren Amplitude zeigt;
• - Figur 10 ein Zeitdiagramm entsprechend der Ausführungsweise von Figur 9 ist;
• - Figur 11 eine andere Ausführungsweise der Geräte zur Messung der drei Frequenzen und ihrer Mittelwerte ist.
• Die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung zeigt die drei Wicklungen 20x, 20y, 20z, die gemäß der Erfindung verwendet werden. Sie sind in einer HELMHOLTZ-Anordnung dargestellt, das heißt sie werden von zwei halb-gewickelten Spulen zu beiden Seiten der Zelle 10 gebildet. Die Achsen dieser Wicklungen bilden ein Achsenkreuz Ox, Oy, Oz mit drei rechten Winkeln. Wenn diese Wicklungen von einem Strom durchlaufen werden, erzeugen sie drei oszillierende Felder B1x, B1y, B1z, wovon jeweils zwei zueinander orthogonal sind.
• Ein Resonanzmagnetometer gemaß der Erfindung, im Fall einer optisch gepumpten Variante stellt sich also so, wie in Figur 4 abgebildet, dar. Es umfaßt zuerst bekannte, schon in Figur 1 abgebildete Geräte, die aus diesem Grund dieselben Bezugsnummern tragen. Es handelt sich um die mit Helium gefüllte Zelle 10, den Laser 14, das Polarisationsgerät 16 und die CC Schaltung (welche den Hochfrequenzgenerator 22, den Photodetektor 24, den Verstärker 25, die synchrone Detektion 21 und den Integrator 23 umfaßt) und den Entladungsgenerator 30. Es umfaßt auch und entsprechend der Erfindung drei Wicklungen 20x, 2Oy, 20z, die in einem Achsenkreuz mit drei rechten Winkeln rund um die Zelle 10 angeordnet sind (die Darstellung von Figur 4 ist zu diesem Zweck schematisch, aber man muß verstehen, daß die wirkliche Anordnung gemaß der von Figur 3 ist). Diese drei Wicklungen werden über einen Multiplexer 50 in der Schaltung eingesetzt, welcher schematisch einen Generator 52 mit drei Impuls folgen zur Multiplexierung, entsprechend Mx, My, Mz, (und eventuell eine vierte Folge Mc, deren Rolle weiter unten auftreten wird) und drei Unterbrecher Ix, Iy, Iz, umfaßt, die fähig sind, jede der Wicklungen in Betrieb zu setzen, das heißt sie mit der Erregerschaltung 52 zu verbinden.
• Die Zeitdiagramme der Figur 5 erklären den Betrieb dieser Vorrichtung. In Teil (a) sind die drei Impulsfolgen zur Multiplexierung Mx, My, Mz dargestellt, die von dem Generator 52 emittiert werden. Die Impulsdauern definieren die Intervalle des Einsatzes in der Schaltung, oder des Aufrufens, der Wicklungen.
• Die Frequenzen der Resonanzsignale entsprechend dieser Wicklungen sind in Teil (b) dargestellt. Wie weiter oben erklärt, sind diese Frequenzen mit einem Fehler behaftet, welcher von der Ausrichtung der Achse der Wicklung bezüglich dem zu messenden Feld abhängt. Doch im allgemeinen sind die drei Frequenzen Fx, Fy, Fz verschieden. Die mittlere Frequenz Fm ist ebenso dargestellt. Es wird bemerkt, daß sie gemaß der Erfindung nicht von der Ausrichtung des Feldes abhängt.
• In Teil (c) sind die drei Amplituden Ax, Ay, Az entsprechend den drei Resonanzsignalen und die mittlere Amplitude Am dargestellt. Unter Berücksichtigung der für die Wicklungen gewählten Anordnung liefert mindestens eine von ihnen ein Signal und mindestens eine von ihnen liefert ein Signal mit einer Amplitude größer oder gleich 80% des maximalen Signals. Diese maximale Signal wird erhalten, wenn die Achse der Wicklung senkrecht zu dem zu messenden Feld steht.
• Es ist zu betonen, daß die Richtungen, für die man das in der Amplitude schwächste Signal erhält, mit denen übereinstimmen, für welche die Frequenzverschiebung minimal ist.
• Einigen Ausführungsweisen der Geräte 28, die fähig sind, die mittlere Frequenz Fm zu messen, werden nun in Verbindung mit den Figuren 6 bis 11 beschrieben.
• Zuerst, gemäß Figur 6, umfassen die Gerät 28, um den Mittelwert Fm zu messen, eine Schleife zum Phasenvergleich mit einem Phasenkomparator 60, einen Tiefpaßfilter 62, einen spannungsgesteuerten Oszillator 64 (oder abgekurzt VCO für Voltage Controlled Oscillator) und einen Frequenzmesser 66.
• Das Gerät 28 kann außerdem einen Amplitudendetektor 68 und einen Tiefpaßfilter 70 umfassen, dessen Grenzfrequenz eindeutig kleiner ist als die Frequenz.
• Der Betrieb der Schaltung 28 ist folgender. Sie erhält an einem Eingang E das Resonanzsignal, welches gleichzeitig frequenz- und amplitudenmoduliert ist mit der Frequenz der Multiplexierung (welche in der Größenordnung von 1 kHz sein kann). Ein erster Ausgang S1 liefert die gesuchte Frequenz Fm und ein angefügter Ausgang S'1 liefert eine Spannung (diejenige, welche am spannungsgesteuerten Oszillator 64 anliegt) und gibt diese Frequenz wieder. Die Schaltung 28 umfaßt auch einen zweiten Ausgang S2, der eine mittlere Amplitude Am liefert.
• Gemaß einer in Figur 7 abgebildeten anderen Variante umfaßt das Gerät 28 einen Frequenzmesser zur Zählung 72, der einen Steuerungseingang 73 hat, welcher mit dem Generator 52 des Multiplexers 50 verbunden ist und welcher von diesem ein Zählsignal Mc von einer Dauer, die viel länger ist als die der in der Schaltung eingesetzten wiederkehrenden Impulsperiode empfängt.
• Das Zeitdiagramm der Figur 8 erläutert den Betrieb dieser Schaltung. Die drei ersten Linien zeigen die drei Impulsfolgen der Multiplexierung Mx, My, Mz, welche die in der Schaltung eingesetzten drei Wicklungen und folglich die Intervalle des Auftretens eines Resonanzsignals am Eingang E steuern; die vierte Linie zeigt ein Steuerungssignal Mc, von viel höherer Dauer als die Periode der Impulse Mx, My und Mz. Diese letzteren haben zum Beispiel eine Dauer von 1 ms und Mc eine Dauer von 999 ms.
• Der Frequenzmesser 72 zählt alle die Nulldurchgänge des Signals während der Dauer Mc. Die Zähl der Impulse ist dieselbe für Mx, My oder Mz (in dem Beispiel gesetzt 999). Die Zähl der gezählten Durchgänge gibt also die mittlere Frequenz Fm wieder. Diese mittlere Frequenz wird am Ausgang S1 erhalten.
• Die Verarbeitung der mittleren Amplitude erfolgt, wie in Figur 6, durch einen Amplitudendetektor 68 und einen Tiefpaßfilter 70. Der Wert von Am erscheint am Ausgang S2.
• Gemäß einer anderen weiterführenden Variante messen die Geräte 28 für die Messung der mittleren Frequenz Fm außerdem die Werte jeder der drei Frequenzen Fx, Fy, Fz.
• Gemäß einer ersten Ausführungsweise dieser Variante, welche in Figur 9 abgebildet ist, umfassen die Geräte 28:
• - einen Frequenzmesser zur Zählung 80, der einen Steuereingang 81 besitzt, welcher mit dem Generator 52 des Multiplexers 50 verbunden ist, von wo er einen Steuerimpuls zur Zählung Mc erhält,
• - einen Demultiplexer 82, der einen numerischen Eingang 83, welcher mit dem Frequenzmesser zur Zählung 80 verbunden ist, drei Steuereingänge 84, die mit dem Generator 52 des Multiplexers 50 verbunden sind und entsprechend die Impulse Mx, My, Mz zur Steuerung der drei Wicklungen empfangen, und drei numerische Ausgänge 85x, 85y, 85z hat, die mit drei allgemeinen Ausgänge S''1 verbunden sind, welche die drei Frequenzen Fx, Fy, Fz liefern;
• - einen numerischen Addierer-Teiler 86, der drei Eingänge, die mit drei numerischen Ausgängen des Demultiplexers verbunden sind, und einen Ausgang hat, der mit dem allgemeinen Ausgang S1 verbunden ist, welcher den Mittelwert Fm der drei Frequenzen liefert.
• Das Zeitdiagramm von Figur 10 erläutert den Betrieb dieser Schaltung. Die ersten drei Linien bilden die drei Signale der Multiplexierung Mx, My, Mz für den Einsatz der Wicklungen. Mit der vierten Linie ist das Signal Mc zur Steuerung des Frequenzmessers 80 dargestellt. Die Dauer dieses Signals ist kürzer als die der Impulse zur Multiplexierung Mx, My, Mz. Es kann sich zum Beispiel um eine Dauer von 1s handeln, im Gegensatz zu 2s für die Mulitiplexierung.
• Die von dem Frequenzmesser 80 gelieferten Informationen erfolgen also nacheinander entsprechend Fx, Fy, Fz. Diese numerischen Informationen werden auf drei numerische Leitungen durch den Demultiplexer 82 verteilt, welcher durch die Impulse zur Multiplexierung Mx, My, Mz gesteuert wird. Man findet also an den numerischen Ausgängen 85x, 85y, 85z die Werte Fx, Fy, Fz. Diese Ausgänge sind mit dem allgemeinen Ausgang S''1 verbunden. Was den allgemeinen Ausgang S1 betrifft, so liefert er weiterhin den Wert der, von dem Addierer-Teiler 86 gelieferten, mittleren Frequenz Fm.
• In der Schaltung von Figur 9 umfaßt die Leitung zur Verarbeitung der Amplitude außerdem einen Amplitudendetektor 68 und einen Tiefpaßfilter 70, drei Schaltungen zur Probenahme und zum Erhalt 90x, 90y, 90z, die entsprechend durch die drei Signale der Multiplexierung Mx, My, Mz gesteuert werden.
• Die Kette 68, 70 liefert den mittleren Wert Am der Amplitude am allgemeinen Ausgang S2 und die Probenehmer-Blockierer liefern die Werte Ax, Ay, Az der drei Resonanzsignale.
• Gemaß einer anderen, in Figur 11 abgebildeten Ausführungsweise umfassen die Geräte zur Messung jedes der drei Signale ebenso wie des Mittelwerts dieser Frequenzen:
• - einen Demultiplexer 92 mit einem Eingang, der die Meßsignale empfängt, mit drei Steuereingängen 93x, 93y, 93z, die mit dem Generator 52 des Multiplexers 50 verbunden sind und die drei Impulse Mx, My, Mz zum Einsatz dieser Wicklungen in die Schaltung empfangen und mit drei Ausgängen 94x, 94y, 94z, welche entsprechend drei Meßsignale liefern,
• - drei Frequenzmesser zur Zählung 96x, 96y, 96z, die entsprechend mit den drei Ausgängen 94x, 94y, 94z des Demultiplexers 92 verbunden sind und entsprechend die drei Frequenzen Fx, Fy, Fz an einen Ausgang S''1 liefern,
• - einen numerischen Addierer-Teiler 98, der mit den drei Frequenzmessern 96x, 96y, 96z verbunden ist und welcher den Mittelwert der Frequenzen Fm an einem allgemeinen Ausgang S1 liefert.

Claims (12)

1. Magnetometer mit magnetischer Resonanz, umfassend eine Zelle (10), gefüllt mit einer Substanz mit einem gyromagnetischen Verhältnis γ und fähig, ein Phänomen magnetischer Resonanz aufzuweisen bei Vorhandensein eines magnetischen Umgebungsfelds (Bo), wobei die Resonanz sich einstellt auf die Frequenz F= γBo, Erregereinrichtungen dieser Resonanz, umfassend eine Wicklung (20), gespult um die Zelle (10), und Einrichtungen (21 bis 25) zur Erregung dieser Wicklung (20) durch ein Resonanzsignal, und Meßeinrichtungen (26) zur Messung der Frequenz des Resonanzsignals, wobei dieses Magnetometer dadurch gekennzeichnet ist, daß die Erregerwicklung (20) drei Wicklungen (20x, 20y, 20z) umfaßt, deren Achsen einen Trieder mit drei rechten Winkeln bilden (Ox, Oy, Oz), und das Magnetometer außerdem einen Multiplexer (50) enthält, imstande, jede der genannten drei Wicklungen in Folge mit dem Erregerkreis (22) zu verbinden, und Einrichtungen, um das Mittel (Fm) der drei Frequenzen (Fx, Fy, Fz) der drei Resonanzsignale zu messen, die den drei Wicklungen (20x, 20y, 20z) entsprechen, wobei der Wert des magnetischen Umfelds (Bo) sich dann ergibt aus Bo=Fm/γ.

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer einen Generator (52) enthält, der drei unendlich periodische Impulsfolgen (Mx, My, Mz) für die jeweilige Zuschaltung der drei Wicklungen (20x, 20y, 20z) liefert, wobei diese unendlich periodischen Impuls folgen verschiedene Zeitintervalle belegen.

3. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (28) zum Messen des Mittels (Fm) eine Phasenvergleichsschleife mit einem Phasenkomparator (60), einen Tiefpaßfilter (62), einen spannungsgeregelten Schwinger (64) und einen Frequenzmesser (66) enthalten.

4. Magnetometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Messen der mittleren Frequenz (Fm) einen Zähl-Frequenzmesser (72) enthält mit einem Steuereingang (73), der verbunden ist mit dem Generator (52) des Multiplexers (50), und von diesem ein Zählsignal (Mc) erhält, dessen Dauer dreimal größer ist als die Periode der unendlich periodischen Zuschaltimpulse.

5. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Messung des Mittels (Fm) der drei Frequenzen außerdem die Werte von jeder der drei Frequenzen (Fx, Fy, Fz) messen.

6. Magnetometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (28) zum Messen von jeder der drei Frequenzen und dem Mittel dieser drei Frequenzen umfassen:

- einen Zähl-Frequenzmesser (80) mit einem steuereingang (81), verbunden mit einem Generator (52) des Multiplexers (50), von wo er einen Zähl-steuerimpuls (Mc) erhält, der während der Impulse (MX, My, Mz) des Zuschaltens der drei Wicklungen erfolgt und dessen Dauer kleiner ist als die der Impulse,

- einen Demultiplexer (82) mit einem numerischen Eingang (83), verbunden mit dem Zähl-Frequenzmesser (80), drei Steuereingänge (84), verbunden mit dem Generator (52) des Multiplexers (50) und jeweils die Steuerimpulse (Mx, My, Mz) der drei Wicklungen empfangend, drei numerische Ausgänge (85x, 85y, 85z), wobei diese drei numerischen Ausgänge verbunden sind mit drei Hauptausgängen (s(x), s(y), s(z)), die drei Frequenzen (Fx, Fy, Fz) liefernd,

- einen numerischen Summierer-Dividierer (86) mit drei Eingängen, verbunden mit den drei numerischen Ausgängen der Kippschaltung und einem Ausgang, verbunden mit dem Hauptausgang (s1) dieser Mittel (28) und das Mittel (Fm) der drei Frequenzen liefernd.

7. Magnetometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Messen jeder der drei Frequenzen sowie des Mittels dieser drei Frequenzen umfassen:

- einen Demultiplexer (92) mit einem das Meßsignal empfangenden Eingang, drei Steuereingänge (93x, 93y, 93z), verbunden mit einem Generator (52) des Multiplexers (50) und die drei Zuschaltimpulse (Mx, My, Mz) dieser Wicklungen empfangend und mit drei Ausgängen (94x, 94y, 94z), jeweils drei Meßsignale liefernd,

- drei Zähl-Frequenzmesser (96x, 96y, 96z), jeweils verbunden mit den drei Ausgängen (94x, 94y, 94z) des Demultiplexers (92), und jeweils die drei Frequenzen (Fx, Fy, Fz) an einem Ausgang (S''1) liefernd,

- einen numerischen Summierer-Dividierer (98), verbunden mit drei Frequenzmessern (96x, 96y, 96z), und das Mittel der Frequenzen (Fm) an einem Hauptausgang (S1) liefernd.

8. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Einrichtungen für die Messung des Mittels (Am) der drei Amplituden (Ax, Ay, Az) der drei den drei Wicklungen entsprechenden Resonanzsignale enthält.

9. Magnetometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Messung des Mittels (Am) einen Amplitudendetektor (68) enthalten, gefolgt von einem Tiefpaßfilter (70).

10. Magnetometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Messung der Durchschnittsamplitude (Am) der drei Amplituden außerdem Einrichtungen enthalten, um diese drei Amplituden getrennt zu messen.

11. Magnetometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen der drei Amplituden gebildet werden durch drei Musternahme- und Halteschaltkreise (90x, 90y, 90z), gesteuert durch die drei von dem Multiplexer ausgegebenen Steuersignale.

12. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetometer typmäßig ein optisch gepumptes Magnetometer ist und eine, ein Strahlenbündel aussendende Lichtquelle (14), einen Polarisator (16) und einen Photodetektor (24) umfaßt, der das Bündel empfängt nach seiner Durchquerung der Zelle.