NO121167B - - Google Patents

Description

Magnetometer.

Oppfinnelsen angår forbedringer ved kjernefysisk og elektronisk resonansmagnetometri av den type som omfatter i kombinasjon: - en forste og en annen beholder som er plasert ved siden av hverandre og som hver inneholder en opplosning av et par med opplosninger med gyromagnetiske egenskaper, og som hver består av en paramagnetisk substans som har minst en elektronisk resonansutstrå-ling som er mettbar ved en hoyfrekvensutstråling og er opplost i et opplosningsmiddel som har en kjernefysisk resonansfrekvens, idet paret med opplosninger er slik at en og samme hoyfrekvens frembringer to motsatte elektroniske strålinger, dvs. at metningen av den para-

magnetiske substanses resonansstråling for den forste opplosning

(på grunn av koplingen mellom de elektroniske og kjernefysiske spinn i denne opplosning) bevirker en okning av energiabsorbsjonen ved den kjernefysiske resonansfrekvens for denne opplosning, mens metningen

av den elektroniske resonansstråling i den annen opplosning bevirker (på grunn av koplingen mellom de elektroniske og kjernefysiske spinn av denne annen opplosning) en stimulert energiutstråling ved den kjernefysiske resonansfrekvens for denne andre opplosning som for ovrig er den samme kjernefysiske resonansfrekvens som for den forste opplosning;

- midler til metning av den felles elektroniske resonansstråling i de to beholdere; - en lineær forsterker; - to par innbyrdes parallelle spoler, idet et forste par er koplet med den forste opplosning, og det annet par med den andre opplosning, hvor den forste spole av det forste par og den forste spole av det annet par er forbundet med inngangen til den nevnte lineære forsterker, mens den annen spole av det forste par og den annen spole av det andre par er forbundet med utgangen av den nevnte forsterker; - og et frekvensmeter koplet til utgangen av forsterkeren for å måle utgangsfrekvensen fra forsterkeren, hvilken frekvens er proporsjonal med styrken av det magnetiske felt hvori de to beholdere er anbrakt.

I fBaask. patent nr* 1 447 22$ i er det gitt to eksempler på par med opplosninger, nemlig: a) et forste par som består av en forste opplosning av ditertiobutyl-nitroksyd (nedenfor kalt forkortet DTBN) opplost i et opplosningsmiddel som består av (uttrykt i volum) halvdelen vann og halvdelen aceton, og et annet opplosningsmiddel med triacetonamin nitroksyd (heretter kalt forkortet TANO) opplost i et opplosningsmiddel som består av syv deler vann og tre deler etylenglykol, videre er den felles elektroniske resonansstråle på 68,5 MHz: b) et annet par består av en forste opplosning av TANO og en annen opplosning av TANOXIME eller tetrametyl 2,2,6,6 azo

1 cykloheksanoneoxime 4 oksyd 1.

Disse to opplosninger omfatter to forskjellige para-magnetiske substanser som gir gode resultater, men som allikevel har noen ulemper, nemlig folgende: - tanixime har en for lav polarisasjonsfaktor og av den grunn er amplituden for tanoximstrålen meget mindre enn for den stråle som tilsvarer TANO, hvilket ikke gjor det mulig å få en god emisjons- og absorbsjonskompensasjon for energien når man anvender det foran nevnte annet opplosningspar;

DTBN er bare stabil i meget ren tilstand, hvorfor det er meget vanskelig å få en slik stabil tilstand (i praksis har man vært nodt til ofte å erstatte DTBN-opplosningen som forandret seg); dessuten var oppløsningene i det forste nevnte par sterkt vannholdige opplosninger som hadde et storkningspunkt som ikke lå langt under 0°, hvorfor man risikerte storkning under lagring.

Sokeren ble nå oppmerksom på at TANO som ikke har ulempene for TANOXIME og for DTBN (spesielt fordi man kan få det i ren tilstand og at det har en meget stor stabilitet i denne tilstand), gjor det mulig å lage to opplosninger som for en felles hby frekvens og én felles resonansstråle med en effekt som inverteres i de to opplosninger, dvs. frembringer i og med metning en energiabsorbsjon ved den kjernefysiske frekvens for opplosningsmidlet i en av oppløs-ningene og en energiemisjon ved den kjernefysiske frekvens for opplosningsmidlet i den annen opplosning.

Forholdet er at sokeren har oppdaget det overraskende at for en opplosning av TANO ble den elektroniske resonansfrekvens som svarer til det ikke parede elektron for TANO modifisert i negli-sjerbare forhold som funksjon av det anvendte opplosningsmiddel.

Denne egenskap har gjort det mulig å justere sammen-setningene av to halvprover på slik måte at når man anvender et VHF felt med frekvens 62.65 MHz, metter man to motsatte elektroniske re-sonansstråler.

Til magnetometeret ifblge foreliggende oppfinnelse anvendes et par opplosninger med gyromagnetiske egenskaper og disse karakteriseres ved at de er fremstilt av triacetonamin nitroksyd i to forskjellige opplosninger, idet de to triacetonaminopplbsninger har den samme elektroniske resonansstråling, og metningen av denne felles elektroniske resonansstråle frembringer i den ene opplosning en energiabsorbsjon og i den annen opplosning en stimulert energiemisjon ved den felles kjernefysiske resonansfrekvens for de to opplosninger .

Som ikke begrensende eksempel kan anfbres:

- opplosningsmidlet for den ene av oppløsningene er dimetoksetan (forkortet DME), mens opplosningsmidlet for den annen opplosning er en blanding, i volum, av omtrent 73% DME og omtrent 27% vann; - opplosningsmidlet for den ene av opplbsningene er en blanding i volum av omtrent 73% DME og omtrent 27% vann, mens opplosningsmidlet for den annen opplosning er en blanding, i volum, av omtrent 88% metanol og omtrent 12% vann; - opplosningsmidlet for den ene av oppløsningene er ren DME, og opplosningsmidlet for den annen opplosning er ren metanol; den foretrukne konsentrasjon med TANO i hver av disse opplosninger er av størrelsesordenen en millimolekylær konsentrasjon.

Oppfinnelsen vil lett bli forstått ved hjelp av den følgende beskrivelse og de vedliggende tegninger, idet beskrivelse og tegninger bare er gitt som eksempler.

Fig. 1 viser skjematisk et enkelt magnetometer av oscillasjonstypen med spinnkopling og som gjor det mulig å forklare konstruksjonen og funksjonen av magnetometeret ifølge oppfinnelsen og den rolle som opplosningsparene med gyromagnetiske egenskaper ifblge oppfinnelsen spiller, mens fig. 2 viser magnetometer med for-bedringene ifolge oppfinnelsen og som anvender et slikt opplosningspar.

Vi viser forst til fig. 1. Man vil erindre at en

oscillator med spinnkopling i det vesentlige omfatter to Blochspoler 1 og 2 som er tilkoplet henholdsvis inngangen 3 og utgangen 4 for en lineær forsterker 5. De to spoler er såvidt mulig elektromagnetiske avkoplet, idet retningene X, Y for deres akser er innbyrdes perpen-dikulære .

Spolene 1 og 2 er viklet om en beholder 6 som inne-slutter en væskeprove 12 som på den ene side omfatter et opplosningsmiddel med atomkjerner (spesielt protoner) med magnetisk moment og kinetisk moment forskjellig fra null, dvs. med et gyromagnetisk forhold, idet resonansfrekvensen f for disse atomkjerner i et magnetisk felt med styrken H er gitt av formelen f = )f H/2, og på den annen side en paramagnetisk substans opplost i dette opplosningsmiddel, idet denne substans omfatter i sitt molekyl et ikke parret elektron som er koplet med en atomkjerne av den nevnte substans som har en mettbar elektronisk resonansstråle med en frekvens forskjellig fra null i et magnetisk felt som er null.

Magnetometeret som har midler også til å mette denne elektroniske resonansstrålé, består av en oscillator eller generator VHF for frekvensen av denne stråle, og en spole 8 som mates av dénne generator og går inn i væskeproven 12 inne i beholderen 6 (for .å lette lesningen av fig. 1 er spolene 2 og 8 vist adskilt fra beholderen 6) .

En elektromagnetisk skjerm (ikke vist) er anordnet mellom den spole 8 som er dyppet inn i beholderen 6, idet på den annen side denne skjerm er "gjennomsiktig" for den kjernefysiske resonansfrekvens og "ugjennomsiktig" for den elektroniske resonansfrekvens.

Dessuten er det anordnet en kondensator 9 koplet på klemmene for spole 1 for sammen med den og danne en resonanskrets avstemt til den kjernefysiske resonansfrekvens f og med en godhets-faktor eller overspenningsfaktor Q som er liten (av størrelsesordenen 5) for å redusere "drivingen" eller "trekkingen" som kan frembringes hvis Q er meget hoy.

Endelig er det anordnet et frekvensmeter 10 ved utgangen 4 av forsterkeren 5 f°r å. måle den kjernefysiske resonansfrekvens eller Larmor-frekvensen f, idet dette frekvensmeter kan gra-deres direkte i styrken for det magnetiske felt, da H = 2TTf/^.

Under sin funksjon frembringer metningen av den elektroniske resonansstråle en omvending av antallet kjernefysiske spinn i proven i beholderen 6, hvorfor den stimulerte emisjon gjor seg merkbar ved et moment som dreier den kjernefysiske resonansfrekvens (omtrent 2100 Hz for protonet i det jordmagnetiske felt), og som bevirker en betydelig kopling mellom spolene 1 og 2. (normalt av koplet). Man får således en reaksjonsoscillator hvori den relativt spisse kjernefysiske resonanskurve (da de kjernefysiske resonans-stråler er smale) spiller den samme rolle som resonanskurven for en oscillaBjohskrets i en klassisk reaksjonsoscillator, koplingsforhol-det og derfor den effektive funksjon er slik at forsterkningen i forsterkeren 2 passerer en fastsatt beregnbar terskel for hver oscillator med spinnkopling (man må ta i betraktning at en del av oscilla-torens energi er forsterket ved 11 for å sendes til frekvensmeteret 10).

Etter således å ha forklart konstruksjonen og funksjonen av magnetometeret med spinnkopling med et eneste opplosningsmiddel med gyromagnetiske egenskaper, vil vi nå under henvisning til fig. 2 beskrive et magnetometer med spinnkopling som anvender et opp-lbsningspar med gyromagnetiske egenskaper og som realiserer oppfinnelsen.

Magnetometeret på fig. 2 omfatter forst en forste og en annen beholder 6a, 6b som inneholder opplbsningsparet 12a, 12b med gyromagnetiske egenskaper ifblge oppfinnelsen;

- i en forste utforelsesform inneholder beholderen 6a en opplosning 12a som består av en millimolekylær opplosning TANO i ren DME, mens den annen beholder inneholder en millimolekylær opplosning TANO i en blanding, i volum, på 73% DME og 27% vann; - i et annet utforelseseksempel er oppløsningen 12a en millimolekylær opplosning av TANO i en blanding, i volum, på 73% DME og 27% vann, mens den annen opplosning 12b består av en millimolekylær opplosning av TANO i en blanding, i volum, av 88% metanol og 12% vann; - i et tredje utforelseseksempel som for ovrig er det foretrukne eksempel, er opplosningen 12a en millimolekylær opplosning av TANO i ren DME, og den annen opplosning 12b en millimolekylær opplosning av TANO i ren netanol.

Den felles elektroniske resonansstråle for de to prover av disse par er av størrelsesordenen 62.65 MHz, mens den kjernefysiske resonansfrekvens i det jordmagnetiske felt er det samme som for hydrogen, dvs. omtrent 2100 Hz.

I kombinasjon med disse to beholdere omfatter magnetometeret på fig. 2; - en oscillator 7 som leverer en elektromotorisk kraft med den meget hbye frekvens for den elektroniske resonansstråle for de to opplosninger 12a og 12b, dvs. frekvensen 62.65 MHz i de nevnte utfbrelseseksempler; - to spoler 8a og 8b (med f.eks. to vindinger) som mates i parallell fra oscillatoren 7 og er neddyppet i oppløsningene 12a henholdsvis 12b for å mette i hver av dem den elektroniske resonansstråle på 62.65 MHz;

- en lineær forsterker 5»

- to par spoler la-2a og lb-2b som er innbyrdes parallelle, idet et forste par la-2a er koplet med en forste opplosning 12a, og det annet par lb-2b med den annen opplosning 12b, hvor den forste spole la for det forste par er forbundet i serie med den fbrste spole lb av det annet par ved inngangsklemmene 3 for den nevnte lineære forsterker 5> mens den annen spole 2a for det forste par og den annen spole 2b for det annet par er forbundet i parallell ved utgangen 4 av den nevnte forsterker. Spesielt er den parallelle sammenstillingen av de to spoler 2a og 2b forbundet méllom en av utgangsklemmene for forsterkeren1 og massen gjennom et utjevnings-potensiometer 13, idet den annen utgangsklemme Tor forsterkeren er satt til massen;

I

- et frekvensmeter 10 er forbundet ved 11 med den utgangsklemme for forsterkeren som ikke er forbundet med massen for å måle frekvensen av utgangsspenningen for forsterkeren, og som er proporsjonal med det magnetiske felt som de to beholdere 6a og 6b er plasert i side om side og - en kondensator 9 som sammen med spolene la og lb danner en resonanskrets for den kjernefysiske resonansfrekvens.

Funksjonen av magnetometeret med opplosningspar med gyromagnetiske egenskaper og forsynt med forbedringer ifolge oppfinnelsen er folgende: Oscillatoren 7 mater de to spoler 8a og 8b som er neddyppet i oppløsningene henholdsvis 12a og 12b i beholderene henholdsvis 6a og 6b, med en meget hby frekvens som metter den elektroniske resonansstråle for TANO i hver av disse opplosninger.

Metningen av den elektroniske resonansstråle i en av opplosningene frembringer (på grunn av koplingen mellom de elektroniske spinn og de kjernefysiske spinn for denne opplosning) en bk-ning av energiabsorbsjonen ved den kjernefysiske resonansfrekvens for denne opplosning, mens metningen av den elektroniske resonansfrekvens for den annen opplosning bevirker (på grunn av koplingen mellom de elektroniske spinn og de kjernefysiske spinn for denne andre opplosning) en stimulert energiemisjon ved den kjernefysiske resonansfrekvens for denne andre opplosning, som for ovrig er den samme som den kjernefysiske resonansfrekvens for den forste opplosning, nemlig hydrogenkjernens resonansfrekvens eller hydrogenets resonansfrekvens for dette opplosningsmiddel (DME, metanol eller vann) i det magnetiske felt hvori beholderene 6a og 6b er plasert.

Mellom spolene la og 2a for det forste par og spolene lb og 2b for det annet par er det en kopling gjennom de kjernefysiske spinn som virker slik som forklart ovenfor under henvisning til fig.

1. Derimot eliminerer man for beholderspolene la og lb, hvis akser er orientert parallelt men i motsatt retning, ved kompensasjon de elektromotoriske krefter som induseres i disse spoler av det ytre elektromagnetiske felt og ved magnetometerforskyvningene. For så vidt angår eksiteringsspolene 2a og 2b så er de montert i serie med sine akser i.samme retning som aksene for spolene la og lb. De to spoler 2a og la på den ene side og 2b og lb på den annen side, som naturligvis, ikke er avkoplet, arrangerer man slik at koplingskoeffi-sientene for den gjensidige induksjon m clmellom spolene 2a og la og mb mellom spolene 2b og lb er motsatt mb = -m&. Annuleringen av de elektromagnetiske krefter som er indusert i spolene ved inngangen 3 til forsterkeren 5> oppnås ved hjelp av potensiometeret 13-

For at de elektromagnetiske krefter som har kjernefysisk opprinnelse og er indusert i de to mattakerspoler la, lb skal tilfoyes ved inngangsklemmene 3 for forsterkeren 5> er det nodvendig (og tilstrekkelig) at de makroskopiske resultanter av de magnetiske momenter for alle atomkjernene i de to prover er i motsatt fase, fordi de to spoler la og lb er våklet i motsatt retning og koplingene mellom de to spoler la, 2a på den ene side og lb, 2b på den annen er innfort i og med konstruksjonen.

Opposisjonen fra de makroskopiske komponenter blir nettopp realisert ved å anordne et par opplosninger 12a og 12b med de nevnte egenskaper og hvor den felles elektroniske resonansstråle for de to opplosninger frembringer i de to opplosninger makroskopiske komponenter med motsatte retninger.

Man får derfor endelig ved utgangen av den lineære forsterker 5 en spenning hvis frekvens er noyaktig proporsjonal med styrken av det magnetiske felt som hersker i det område hvori de to beholdere 6a og 6b befinner seg. Denne frekvens måles ved hjelp av et frekvensmeter .10 av kjent type, spesielt et frekvensmeter som er egnet til måling av en frekvens av størrelsesordenen 2100 Hz i det tilfelle da det gjelder å måle styrken av det jordmagnetiske felt.

Opplosningsparene ifolge oppfinnelsen har i forhold til de to i det for nevnte franske patent beskrevne par og som vi har minnet om ulempene ved, (svak polarisasjon av TANOXIME, ustabiliteten av DTBN og risikoen for storkning av vandige opplosninger) i innled-ningen, folgende fordeler: DME kan lages i ren tilstand; i denne tilstand er den meget stabil og angriper ikke TANO, spesielt når det ikke er vann tilstede; man ser derfor at det er å foretrekke å benytte DME i ren tilstand som opplosningsmiddel for TANO.

Metanol er også en stabil bestanddel og den angriper ikke TANO. Storkningsrisikoene er meget redusert, spesielt når man bruker metanol og DME i ren tilstand som opplosningsmiddel, idet temperaturen er omtrent -58°C for DME og omtrent -95° C f°r metanol.

Det foretrukne opplosningspar ifolge oppfinnelsen består derfor av TANO i ren DME for å danne en forste opplosning og TANO i ren metanol for å danne den annen opplosning.

Man kan med dette foretrukne par få magnetiske reso-nansmagnetometere som kan funksjonere i mange måneder om ikke mange år, spesielt i et fly, uten at det er nbdvendig å forandre oppløs-ningene med gyromagnetiske egenskaper. Et slikt magnetometer har fordeler fremfor magnetometeret ifolge fig. 3 i det nevnte patent, nemlig.: - meget noyaktig måling av svake magnetiske felter som f.eks. det jordmagnetiske felt; - måling som er ufolsom for eventuelle forskyvninger og for ytre elektromagnetiske felter; - tilstedeværelse av en eneste forbudt akse (hvis det magnetiske felt er rettet langs denne akse kan man ikke utfore måling av det) nemlig den felles retning for de fire akser av spolene la-lb, 2a-2b; i fly velger man denne retning for at den skal falle sammen

med flyets akse eller den er parallell med flyets akse.

Parrene ifolge oppfinnelsen kan anvendes i forskjellige magnetometertyper som er forskjellig fra det som er beskrevet i det nevnte patent, spesielt i et magnetometer av den type som er beskrevet i det franske patent nr. I.50O.97I innlevert 23. august 1966 og bevilget 2. oktober I967.

Claims (5)

1. Magnetometer som omfatter en forste og en annen beholder plasert ved siden av hverandre og som inneholder et par opplosninger med gyromagnetiske egenskaper som hver består av en paramagnetisk substans som har minst en ved hjelp av en hoyfrekvens-stråle mettbar elektronisk resonansstråle, og som er opplost i et opplosningsmiddel som har en kjernefysisk resonansfrekvens, idet paret med opplosninger er slik at en meget hoy frekvens frembringer to motsatte elektroniske stråler, dvs. at metningen av den forste opplosning bevirker (på- grunn av koplingen mellom elektroniske og kjernefysiske spinn i denne opplosning) en okning av energiabsorbsjonen ved den kjernefysiske resonansfrekvens for denne opplosning, mens metningen av den elektroniske resonansstråle i den annen opplosning bevirker (på grunn, av koplingen mellom elektroniske spinn og kjerne-

fysiske spinn i denne opplosning) en stimulert energiemisjon ved den kjernefysiske resonansfrekvens i denne opplosning, hvilken frekvens er den samme som den kjernefysiske resonansfrekvens for den forste opplosning, midler til å mette den felles elektroniske resonansstråle for de to opplosninger i de to beholdere, en lineær forsterker, to par innbyrdes parallelle spoler, hvor et forste par er koplet med den forste opplosning og det annet par med den annen opplosning, idet den forste spole i det forste par og den forste spole i det annet par er forbundet med inngangen til den nevnte lineære forsterker og den annen spole i det forste par og den annen spole i det annet par er forbundet med utgangen av den nevnte forsterker, og et frekvensmeter tilkoplet utgangen av forsterkeren for å måle utgangsfrekvensen fra forsterkeren, hvilken frekvens er proporsjonal med styrken av det magnetiske felt hvori de to beholdere er plasert,karakterisert ved at paret med opplosninger med gyromagnetiske egenskaper består av triacetonamin nitroksyd i to forskjellige opplosninger, idet de to opplosninger av triacetonamin har en felles elektronisk resonansstråle, og metningen av denne felles elektroniske resonansstråle frembringer i den ene av oppløsningene en energiabsorbsjon og i den annen opplosning en stimulert energiemisjon ved den felles kjernefysiske resonansfrekvens for oppløsnin-gen.

2. Magnetometer ifolge krav 1, karakterisert ved at det forste opplosningsmiddel er ren dimetoksyetan og det annet opplosningsmiddel er ren metanol.

3- Magnetometer ifolge krav 1, karakterisert ved at et av opplosningsmidlene er dimetoksyetan i ren tilstand, og det annet en blanding, i volum, av omtrent 73% dimetoksyetan og 27% vann.

4- Magnetometer ifolge krav 1, karakterisert ved at et av opplosningsmidlene er en blanding, i volum, av 73% dimetoksyetan og 27% vann, og det annet opplosningsmiddel er en blanding, i volum, av 88% metanol og 12% vann.

5. Magnetometer ifolge et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at konsentrasjonen av triacetonamin nitroksyd i hver av oppløsningene er nær ved den milli-molekylære konsentrasjon.