NO155942B

NO155942B - Rotasjonsmotor.

Info

Publication number: NO155942B
Application number: NO844350A
Authority: NO
Inventors: Jan Mikal Aase
Original assignee: Aase Jan M
Priority date: 1984-11-02
Filing date: 1984-11-02
Publication date: 1987-03-16
Also published as: CA1248029A; NO844350L; WO1986002698A1; GB2181488B; KR930012225B1; SE8602937D0; IE852680L; AU5010285A; IT1186349B; SE463374B; BE903528A; AU582402B2; NL8520331A; DK161398C; DK161398B; US4688531A; KR860700362A; ES8609590A1; SE8602937L; FR2572770B1

Description

Fremgangsmåte til måling av svake magnetfelt.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til måling av styrken av

det magnetfelt, særlig det svake magnet-

felt (svakere enn 1 gauss) og variasjoner i dette, ombord på et fartøy (fly, rakett eller lignende) og også en anordning eller magnetometer for utførelse av denne fremgangsmåte.

For tiden er det forskjellige typer av

kjente magnetometere som bevirker mag-

netisk resonans. Slike anordninger er ba-

sert på måling av presisjonsfrekvensen, den såkalte Larmor-frekvensen, av det magne-

tiske moment, vanligvis det magnetiske kjernemoment av subatomiske partikler, vanligvis atomkjerner og særlig et proton i det magnetiske felt som skal måles, idet denne frekvens er proporsjonal med styr-

ken av et svakt magnetisk felt i hvilket den subatomiske partikkel befinner seg.

Hvis styrken i gauss av det magnetiske

felt som skal måles, og i hvilken den subatomiske partikkel befinner seg er beteg-

net med H, det gyromagnetiske forhold for partikkelen (det vil si vinkelmomentet el-

ler spinnet og derfor det magnetiske mo-

ment for partikkelen forskjellig fra null) betegnes med y og Larmor-frekvensen i hertz betegnes med F, kan man sette opp ligningen:

Det gyromagnetiske forhold y, uttrykt

i gauss/sek. er kjent med meget stor nøy-

aktighet for mange atomkjerner. Særlig er det gyromagnetiske forhold for protonet i oksygenfritt vann kjent med en nøyaktig-

het på 10—fi og er lik 26751,3 gauss/sek.

Den elektromagnetiske stråling av en frekvens F er sirkulært polarisert, og reso-nansen opptrer som en rotasjon av det to-

tale magnetiske moment rundt retningen av det magnetiske felt. Den elektromagne-

tiske strålings rotasjonsfelt bestemmes ved hjelp av minst én spole som er anordnet rundt de subatomiske partikler og i denne spole frembringer rotasjonsfeltet en veksel-spenning. Derav følger, at hvis spolen an-bringes ombord i et fartøy med en øye-blikksvinkelhastighet m rundt retningen av det magnetiske felt, vil selve spolen drives med denne vinkelhastighet og frekvensen av vekselspenningen som frembringes i spo-

len ved magnetisk resonans, vil ikke lenger følge formelen (1) som gjelder den abso-

lutte rotasjon av det totale magnetiske moment i forhold til et faststående refe-ransesystem, men vil på grunn av den rela-

tive hastighet av dette moment overfor re-feransesystemet overfor fartøyet og derfor overfor spolen. Med andre ord vil ifølge loven om sammensatte vinkelhastigheter for en frekvens / i tilfelle av en rotasjon med en øyeblikkshastighet co, formelen kunne skrives:

Hvis det er ønskelig særlig å måle med

stor presisjon et svakt magnetfelt som for

eksempel det jordmagnetiske felt, og dets variasjoner med et magnetisk resonans-magnetoineter av kjent art, vil målingen være unøyaktig fordi den er basert på formelen (1) som overser innvirkningen av co. co kan imidlertid ha en verdi som er meget viktig og meget variabel når målingen fore-taes ombord i et fly eller et bevegelig legeme som kan rotere om det magnetiske felts akse. Det er meget vanskelig, hvis overhode mulig, å foreta korreksjoner for co på grunn av at verdien av co er meget variabel, slik at meget forstyrrende unøy-aktighet i målingen av H og dets variasjoner opptrer.

Studier av magnetisme og geofysiske undersøkelser omfattende mineralske stof-fer basert på variasjoner av H medfører derfor fare for unøyaktighet hvis man overser innvirkningen av co. Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å overvinne denne ulempe og muliggjøre måling av styrken av magnetfeltet ved hjelp av magnetisk resonans og særlig kjerneresonans, idet innvirkningen av rotasjonen elimineres om dette felt av det fartøy eller bevegelige legeme i hvilken metoden anvendes, eller i hvilket måleanordningen ifølge oppfinnelsen er plasert.

Fremgangsmåten til måling av det magnetfelt, særlig det svake magnetfelt (svakere enn 1 gauss), som hersker i en bestemt sone ombord på et fartøy ved detektering av magnetiske resonans signaler fra subatomiske partikler, særlig atomkjerner, med meget bestemt gyromagnetisk forhold, er ifølge oppfinnelsen karakterisert ved at man fra to systemer av subatomiske partikler med forskjellig gyromagnetisk forhold, hvilke systemer er innbyrdes stasjonære, detekterer to magnetiske resonans signaler, i den nevnte sone, og fra disse to signaler utleder et tredje signal hvis frekvens er lik differensene av de to magnetiske resonans signalers frekvenser som gis fortegnet av det gyromagnetiske forhold for vedkommende partikler, og måler det tredje signals frekvens som er proporsjonal med den magnetiske feltstyrke H som skal måles, og er uavhengig av vedkommende systemers rotasjon i forhold til det magnetfelt som skal måles.

En anordning, eller et magnetometer for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, omfattende en magnetisk resonansgenerator som frembringer en spenning med Larmor-frekvensen for en subatomisk partikkel med bestemt gyromagnetisk forhold, og et frekvensmeter, er ifølge oppfinnelsen karakterisert ved to slike magnetiske resonansgeneratorer med to systemer av subatomiske partikler med forskj ellig gyromagnetiske forhold i fiksert innbyrdes posisjon, hvilke generatorer leverer to spenninger med forskjellige frekvenser, og en innretning som er forbundet med de to generatorers utgang for å motta de to spenninger og levere en tredje spenning hvis frekvens er lik differensen av frekvensene for de to først nevnte spenninger, idet frekvensmeteret er forbundet med denne innretnings utgang for å motta den tredje spenning og måle dennes frekvens.

Anordningen består fortrinnsvis av en blandeinnretning for de to førstnevnte spenninger, og dens utgang er forbundet rried et båndfilter hvis senterfrekvens er den algebraiske differens av de to frekvenser.

De magnetiske resonansfrekvenser il og f2 for de to partikler tilsvarer gyromagnetiske forhold resp. yi og y2, som uttrykt i formelene:

hvis Yi og y2 er positive, det vil si hvis po-lariseringen av de magnetiske resonans-strålinger fra de to slags partikler har samme retning.

Hvis f3 er differansen mellom f, og f2 så er:

hvor G er differensen y,- y2 og det antas at Yi er større enn y2. Verdien av Yi °S y2 er kjent med stor nøyaktighet, og G er også kjent med stor nøyaktighet.

Formelen (5) kan derfor erstatte formelen (1), med den fordel at frekvensen f3 er proporsjonal med H selv om magnetometeret roterer i forhold til retningen av H.

I det tilfelle hvor y, og y2 ikke har samme fortegn, idet Yi for eksempel er positiv og y2 for eksempel er negativ, vil formelen (3) være riktig mens formelene (4) og (5) må erstattes med følgende form-ler:

hvor G i alle tilfeller er den algebraiske differens mellom de to gyromagnetiske forhold.

Som par av subatomiske partikler som er egnet for foreliggende oppfinnelse skal nevnes følgende:

— protoner og fluorkjerner,

— protoner og fosforkjerner,

— protoner og helium 3 kjerner.

Alle disse kjerner har positivt gyromagnetisk forhold med unntagelse av helium som har negativt gyromagnetisk forhold.

Når det gjelder de to først nevnte par, kan spenningsgeneratorene med magnetisk resonansfrekvens med fordel anvende den metode eller dynamiske polarisering ved elektronisk pumping som er angitt i norsk patent nr. 100 164, hvor en oppløsning hvor selve oppløsningsmidlet inneholder atomkjerner (protoner, fluorkjerne, fosforkj er-ne) et paramagnetisk radikal omfattende et uparet elektron, metning av en elektronisk resonanslinje som øker styrken av kjerne-signalet. Hvis det imidlertid anvendes det par som omfatter, protoner og helium 3 kjerner, må derimot generatoren som svarer til helium 3 kjernene, være av optisk pumpetype, og ikke elektronisk.

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser et blokkskjema for et magnetometer ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et koplingsskjema for blan-deren i magnetometeret på fig. 1.

Magnetometeret som er vist på fig. 1 omfatter to magnetiske resonansgeneratorer som frembringer to spenninger med frekvensene f, og f2 lik de respektive Larmor-frekvenser for de to subatomiske partikler, særlig to atomkjerner med forskjellig gyromagnetisk forhold yt og y-.„ for eksempel av den type som er beskrevet i bel-gisk patent nr. 641 458, fig. 4.

Hver av de magnetiske resonansgeneratorer la og lb omfatter et kar 2a og 2b, med en oppløsning 3a resp. 3b som for det første inneholder et oppløsningsmiddel med atomkjerner med et magnetisk moment og et vinkelmoment som begge er forskjellig fra null, og som følge derav derfor begge har et nøyaktig bestemt gyromagnetisk forhold og som for det annet i dette oppløsningsmiddel har et fritt paramagnetisk radikal med en forholdsvis meget fin spektralstruktur (det vil si en ma-terial resonans frekvens i et magnetisk null felt) og en dipolar kopling mellom spinnene av uparede elektroner i det fri radikal og spinnene av atomkjernene i oppløs-ningsmidlet, slik at metningen av en elektronisk resonanslinje med et slikt radikal øker på grunn av Overhauser-Abragam effekt og dermed styrken av signalet fra atomkjernen ved Larmor-frekvens. Disse kjerner har fortrinnsvis meget lavt kvadri-polært moment.

For eksempel inneholder karet 2a en oppløsning 3a på 200 cmf vann, som inneholder 0,5 g Fremy salt eller K,NO(SOrt)2, idet resonansfrekvensen i et null felt er 56 MHz, mens karet 2b inneholder en oppløs-ning 3b av 200 cm 3 C(iH4(CFrt)2, i meta form mettet med Fremy salt.

Begge kar 2a og 2b er festet til hverandre ved hjelp av en stiv del 2 og den elektroniske resonans linje på 56 MHz av Fremy salt som inneholdes i hver av karene, er mettet ved hjelp av en spole 4a resp. 4b som er anordnet i karet, og ma-tes med strøm gjennom en koaksial kabel 5 fra en høyfrekvens generator 6 som leverer en sinusformet spenning med en frekvens på 56 MHz, idet den energi som opp-tas av oscillatoren for eksempel er 1 watt.

Som følge av metning av den elektroniske resonanslinje på 56 MHz av Fremy salt, vil det magnetiske resonanssignal fra protonene i oppløsningen 3a og fluorkjer-nen i oppløsningen 3b i magnetfeltet H som opptrer i sonen 7 med karene 2a og 2b, ha økt styrke på grunn av Oberhausen-Abragam effekt.

Larmor-frekvens signalene i hvert kar 2a og 2b detekteres ved hjelp av en innretning av spinn oscillator typer som beskrevet ovenfor i det nevnte belgiske patent.

Hver av disse innretninger omfatter to spoler 8a, 8b og 9a, 9b som omgir karet, og som for eksempel kan bestå av henholdsvis 6000 og 200 vinninger. Mellom de utvendige spoler 8a, 8b og 9a, 9b, og de indre spoler 4a og 4b er anordnet en elektrisk skjerm (ikke vist på tegningen) av kjent type som praktisk talt er ugjennom-trengelig for elektronisk stråling ved 56 MHz, men som slipper gjennom den magnetiske resonans stråling med en frekvens

Det er bare for tydelighets skyld at spolen 8a, 8b og 9a, 9b på tegningen er vist i avstand fra karene 2a og 2b.

Parallelt med spolene 8a og 8b er koplet kondensatorer 10a og 10b, slik at det dannes resonanskretser som er avstemt til Larmor-frekvensene f, og f2.

Hver spole 8a og 8b er forbundet med en lineær forsterker lia og 11b uten faseforvrengning, og disse forsterkere er fortrinnsvis selektive forsterkere med smalt båndpass med senterfrekvens f, og f2. I dette tilfelle har resonanskretsen en Q faktor på 4 til 5 og forsterkeren eliminerer mesteparten av bakgrunnsstøyen og øker derved signal — støy forholdet.

Forsterkerne lia og 11b som kan ha en forsterkning på 70 dB, er på utgangs-siden gjennom motstander 13a og 13b på ca. 110 kg ohm forbundet med spolene 9a og 9b. Et midtuttak på spolene 8a, 8b og 9a, 9b og forsterkerne lia og 11b er jordet.

Aksene for spolene 8a, 8b og 9a, 9b står vinkelrett på hverandre på en sådan måte at det blir minst mulig kopling mellom hvert par spoler 8a, 9a og 8b, 9b. Rest-koplingen reduseres til et minimum ved hjelp av et utbalanseringspotensiometer 14a, 14b på 25 kg ohm. På denne måte kan kierneresonansfundamientet kople spolene 8a, 9a og spolene 8b og 9b. Når det i spolene 8a og 8b opptrer en kjerneinduksjon som reciproserer elektromotorisk kraft med Larmor-frekvens svarende til det magnetiske felt H og de gyromagnetiske forhold Yi og Yc, vil den elektromotoriske kraft for-sterkes i forsterkerne lia og 11b og tilføres spolene 9a, 9b, og det magnetiske felt fra disse sikre opprettholdelsen av den elektromotoriske kraft som opprettholder sving-ningene. Det kan sies at systemet 8a, lia, 9a sammen med karet 2a på den ene side og 8b, 11b og 9b sammen med karet 2b på den annen side danner en kvante-oscillator svarende til en vanlig reaksjonsoscilla-tor i hvilken kj erneresonanskurven spiller samme rolle som kurven i en oscillatorkrets i en vanlig oscillator. Da koplingen finner sted ved Larmor-frekvensen svinger oscillatoren på denne frekvens.

Hvis det således antas at H er lik null, vil en liten strøm passere forsterkerne lia. 11b, fordi det ikke er noen kopling mellom spolene 8a, 9a og 8b, 9b. Hvis derimot H er forskjellig fra null vil det magnetiske moment i hydrogenkjernene i oppløsnin-gen 3a og fluorkjernene i oppløsningen 3b bibringes en presesjon ved Larmor-frekvensen og hver generator eller kjerne-oscillator la, lb, særlig hver forsterker lia. 11b, leverer en spenning med en frekvens lik Larmor-frekvensen, det vil si f, for lia og f2 for 11b.

Fullstendige detaljer vedrørende anordningen og virkemåten for hver av spinnoscillatorene er beskrevet i det nevnte belgiske patent.

En blandekrets 15 mottar spenningene med frekvensene f, og f? som leveres fra utgangene 12a og 12b og leverer på sin utgang 24 et signal med frekvensene f,, f2, f,+f2, og f,-f2. Et båndpassfilter 16 slipper bare igjennom frekvensen f,-!, (når y, og Y3 begge er positive som i det valgte eksempel), eller ft+<f>2 (når yt og y2 har motsatt fortegn), idet bånd-passfilterets senterfrekvens har den ene av disse to frekvenser.

Ifølge formelen (5) eller 5a hvis yi og Y2 har motsatt fortegn), vil spenningens frekvens f,,, som kommer fra båndfilteret 16, være nøyaktig proporsjonal med styrken av H i det magnetiske felt som skal måles i sonen 7 uavhengig av co.

Frekvensen f3 måles ved hjelp av et frekvensmeter 17 av kjent type og verdien av denne frekvens kan opptegnes ved hjelp av en opptegningsinnretning 1.

I et praktisk eksempel hvor målingen gjaldt styrken H av det jordmagnetiske felt (av størrelsesorden av 0,5 gauss) var verdiene følgende: f, = 2100 Hz, f„ = 1975 Hz og fa = 125 Hz.

I en modifikasjon av anordningen på fig. 1 kan karet 2a inneholde en oppløsning av Fremy salt mettet med natrium meta-fosfat, mens den andre partikkel er fosfor. Bare frekvensene f2 og f3 er forskjellige.

Fig. 2 viser et utførelseseksempel på

en blandeinnretning 15.

Spenningene med frekvensene f, og f2 tilføres over utgangslederne 12a og 12b fra forsterkerne lia og 11b over to motstander 19a og 19b på 10 kiloohm resp. 33 kiloohm. Blandeinnretningen har en transistor 20 for eksempel en silicium transistor av pnp-typen, BEZ 11, hvis basis 21 påtrykkes spenningen med frekvensen f2 mens kollektoren 22 påtrykkes spenningen med frekvensen f,, idet transistorens emitter 23 er jordet. Utgangssignalet tas fra lederen 24 som er forbundet med kollektoren 22., Hovedkomponenten ft-f3 av blandingen opptrer på lederen 24. Ved en modifisert utførelse kan lederene 12a og 24 være forbundet med transistorens emitter, mens kollektoren er jordet.

Fig. 1 viser de to kar 2a og 2b forbundet med hverandre ved hjelp av et ele-ment 2. Naturligvis kan de to kar være direkte forbundet med hverandre. Det er også mulig å anordne de to partikkelsystemer (protoner og fosforkjerner resp. protoner og fluorkjerner) hvis resonans skal bestemmes i et enkelt kar som samtidig er koplet med de to spolepar 8a, 9a og 8b, 9b.

Selv om de to spinn oscillatorer i foreliggende tilfelle er av den art som er beskrevet i det ovenfor nevnte belgiske patent under henvisning til dets figur 4, særlig med protonsystemer på den ene side og fosfor eller fluorkjerne-systemer på den annen side, kan oppfinnelsen også utføres med disse partikkelsystemer ved hjelp av andre typer magnetiske resonans generatorer, f. eks. med generatorer av maser typen som beskrevet i det nevnte belgiske patent, eller med frie presesjonsgenerato-rer som beskrevet i samme patent, idet begge disse generatortyper sørger for Ober-hausen-Abragam effekt.

På den annen side er en oppløsning av Fremy salt nevnt som eksempel på en oppløsning av paramagnetisk fritt radikal (dvs. med et uparet elektron) i karene 2a og 2b. I stedet for en slik oppløsning er det også mulig å anvende oppløsninger av difenylpicrylhydrazyl eller et fritt radikal som omfatter en radikal nitrogenoksyd-gruppe hvis nitrogenatomer på den annen side er bundet bare med to karbonatomer som hver er bundet med tre andre karbonatomer, særlig et fritt radikal som angitt i det nevnte belgiske patent, Naturligvis kan metningsfrekvensen i den elektroniske resonanslinje som i tilfelle av Fremy salt er 56 MHz, varieres med paramagnetisk fritt radikal som anvendes.

Sluttelig kan, i tilfelle hvor en av det i subatomiske partikkelsystemer består av et helium 3 kjernesystem, Larmor-frekvens-generatoren for disse kjerner med fordel bestå av en pumpegenerator av den type som er beskrevet av L.D. Schoarer i «Advances ln Quantum Electronics», side 239 til 251 (utgitt av J. R. Singer — Colum-bia University Press, New York and Lon-don, 1961.

Claims

1. Fremgangsmåte til måling av styrken av det magnetfelt, særlig det svake magnetfelt (svakere enn 1 gauss), som hersker i en bestemt sone ombord på et fartøy ved detektering av magnetiske re-sonanssignaler fra subatomiske partikler, særlig atomkjerner, med meget bestemt gyrometrisk forhold, karakterisert ved at man fra to systemer av subatomiske partikler med forskjellig gyromagnetisk forhold, hvilke systemer er innbyrdes stasjonære, detekterer to magnetiske reso-nanssignaler i den nevnte sone, og fra disse to signaler utleder et tredje signal hvis frekvens er lik differansen av de to magnetiske resonanssignalers frekvenser som gis fortegnet av det gyromagnetiske forhold for vedkommende partikler, og måler det tredje signals frekvens som er proporsjonal med den magnetiske feltstyrke H som skal måles, og er uavhengig av vedkommende systemers rotasjon i forhold til det magnetfelt som skal måles.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisertvedatde subatomiske partikler med forskjellig gyromagnetiske forhold i de to systemer består henholdsvis protoner eller fluorkjerner.

3. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisertvedatde subatomiske partikler med forskjellig gyromagnetisk forhold i de to systemer består av henholdsvis protoner og fosforkjerner.

4. Fremgangsmåte ifølge påstand 2 og 3, karakterisert ved at de subatomiske partikler danner en del av et oppløsningsmiddel som er istand til å løse opp et paramagnetisk fritt radikal omfattende et uparet elektron med en elektrisk resonanslinje som er mettbar ved en frekvens som er forskjellig fra null til et magnetisk nullfelt.

5. Fremgangsmåte ifølge påstand 4, karakterisert ved at det paramag-netiske frie radikal består av et Fremy-salt.

6. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisertvedatde subatomiske partikler som har forskjellige gyromagnetiske forhold, i de to systemer består av henholdsvis protoner og helium-3 kjerner.

7. Anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge påstand 1, omfattende en magnetisk resonansgenerator som frembringer en spenning med Larmorfrekven-sen for en subatomisk partikkel med bestemt gyromagnetisk forhold, og et frekvensmeter, karakterisert ved to slike magnetiske resonansgeneratorer (la, lb) med to systemer av subatomiske partikler med forskjellige gyromagnetiske forhold i fiksert innbyrdes posisjon, hvilke generatorer leverer to spenninger med forskjellige frekvenser, (flf f2) og en innretning (15, 16) som er forbundet med de to generatorers utgang for å motta de to spenninger og levere en tredje spenning hvis frekvens (f3) er lik differensen av frekvensene for de to først nevnte spenninger, idet frekvensmeteret (17) er forbundet med denne innretnings utgang for å motta den tredje spenning og måle dennes frekvens.

8. Anordning ifølge påstand 7, karakterisert ved at i det minste den ene av de to resonansgeneratorer består av en spinnoscillator som omfatter to sett spoler (8a, 8b og 9a, 9b) som ved mang-lende magnetisk resonans er utkoplet, at de første spolers (8a, 8b) utgang er forbundet med de andre spolers (9a, 9b) inn-gang gjennom en lineær forsterker (lia, 11b) uten faseforvrengning, hvilken forsterker fortrinnsvis er selektiv med båndpass som er sentrert på den Larmor-frekvens som svarer til det gyromagnetiske forhold for den subatomiske partikkel som danner det system som generatoren er koplet med.

9. Anordning ifølge påstand 7 eller 8, karakterisert ved at innretningen for mottakning av de to førstnevnte spenninger og levering av den tredje spenning består av en blandeinnretning (15) for de to førstnevnte spenninger og hvis utgang er forbundet med et båndfilter (16) hvis senterfrekvens er differensen av de to frekvenser som har fortegn som svarer til det gyromagnetiske forhold for de subatomiske partikler svarende til hver frekvens.

10. Anordning ifølge påstand 9, karakterisert ved at blandeinnretningen består av en transistor hvis basis påtrykkes en av de to førstnevnte spenninger over en første motstand og den andre av de to førstnevnte spenninger påtrykkes over en andre motstand en annen elektrode i transistoren og som leverer utgangssignalet.