04.11.1966 Francja Opublikowano: 30.VI.1969 57259 MKP G 01 r O^/Og UKD Wspóltwórcy wynalazku: Antoine Salvi, Rene Besson Wlasciciel patentu: Commissariat a TEnergie Atomiiaue, Paryz (Francja) Magnetometr z rezonansem magnetycznym Przedmiotem wynalazku jest magnetometr z re¬ zonansem magnetycznym przeznaczony do pomia¬ ru natezenia pól magnetycznych, zwlaszcza bardzo slabych pól magnetycznych (ponizej 1 gausa), oraz zmiany tych natezen, przy czym pomiary dokonuje sie z ruchomego pojazdu (samolot, balon, sputnik itp.).Znanych jest kilka rodzajów magnetometrów, których dzialanie oparte jest na zjawisku rezo¬ nansu magnetycznego (w szczególnosci na pomia¬ rze czestotliwosci precesji, zwanej dalej czestotli¬ woscia Larmora), czasteczki podatomowej na ogól jadrowej, na przyklad jadra atomowego lub w szczególnosci protonu w badanym polu magne¬ tycznym, przy czym czestotliwosc ta proporcjo¬ nalna jest do natezenia pola magnetycznego w któ¬ rym umieszcza sie wyzej wymieniona czasteczke podatomowa.Jezeli przez H okreslimy natezenie w gausach badanego pola magnetycznego, w którym umiesz¬ czona jest czasteczka podatomowa, przez y stosu¬ nek zyromagnetyczny czasteczki (fakt istnienia okreslonego stosunku y oznacza, ze moment kine¬ tyczny lub spina wiec i moment magnetyczny czasteczki sa rózne od zera) a przez Fo czestotli¬ wosc precesji lub Larmora (w hercach), uzysku¬ jemy równanie: 2llFo =rH (i) Stosunek zyromagnetyczny y (w gausach na sekunde) dla wielu jader atomowych jest znany 15 20 25 30 z bardzo duza dokladnoscia na przyklad z doklad¬ noscia 10—6 w szczególnosci jednak znany jest stosunek zyromagnetyczny protonu w wodzie od- tlenionej, który wynosi 26751,3 gausów/sekunde.Promieniowanie elektromagnetyczne o czestotli¬ wosci F spolaryzowane jest kolowo, przy czym re¬ zonans pojawia sie jako ruch obrotowy calkowi¬ tego momentu magnetycznego dookola kierunku pola magnetycznego.Wirujace pole promieniowania elektromagne¬ tycznego wykrywane jest przy pomocy co najmniej jednej cewki, usytuowanej wokól czasteczek pod- atomowych w której wirujace pole wywoluje zmienne napiecie elektryczne.Z powyzszego wynika, ze gdy cewka znajduje sie na pokladzie ruchomego pojazdu poruszaja¬ cego sie z pewna chwilowa obrotowa predkoscia katowa co dookola kierunku pola magnetycznego, to cewka równiez przesuwa sie z ta predkoscia katowa tak, ze czestotliwosc zmiennego napiecia, wywolanego w cewce wskutek rezonansu magne¬ tycznego, nie bedzie juz okreslona wyzej wymie¬ nionym wzorem (1), który odpowiadal absolutne¬ mu obrotowi calkowitego momentu magnetyczne¬ go w stosunku do stalego ukladu odniesienia, lecz odpowiadac bedzie wzglednemu ruchowi obroto¬ wemu tego momentu w odniesieniu do pojazdu a zatem i do cewki. Inaczej mówiac zgodnie z pra¬ wem skladowych predkosci katowych, uzyskuje sie, okreslajac przez f czestotliwosc w przypadku 572593 ruchu obrotowego przy chwilowej predkosci kato¬ wej co: 2lIf = YH —« (2) W szczególnosci, gdy pragnie sie mierzyc z duza dokladnoscia, slabe pole magnetyczne na przyklad ziemskie pole magnetyczne oraz jego zmiany mag¬ netometrem z rezonansem magnetycznym znanego typu, to wynik pomiaru bedzie obarczony bledem, poniewaz pominieto tu wplyw co przy zastosowa¬ niu wzoru (1); Wiadomo, ze co moze uzyskac sto- *#* jjankowo znaczne i zmienne wartosci, gdy pomia- £ %y dokonuje sie z samolotu, balonu lub sputnika obracajacego sie dookola osi pola magnetycznego.Dokonanie korekty co, jest trudne z uwagi na zmiennosc tej wartosci co. Z tego faktu wynikaja wiec niekorzystne bledy pomiaru wartosci H, a przede wszystkim jego zmian.Badanie magnetyzmu oraz poszukiwania geofi¬ zyczne mineralnych substancji oparte na zmia-' nach H moga zatem byc obarczone bledami, w przypadku nieuwzgledniania wplywu co.W patencie glównym opisano magnetometr, któ¬ ry zapobiega wyzej wymienionym niedogodnos¬ ciom, przy czym magnetometr ten zawiera: czas¬ teczki podatomowe o momentach magnetycznych i kinetycznych róznych od zera; uklady do zdal¬ nego pobudzenia i wykrywania rezonansu mag¬ netycznego oraz uklady do pomiaru czestotliwosci tak wykrytego sygnalu. Poza tym magnetometr wyróznia sie tym, ze czasteczki, których rezonans wykrywa sie sa dwojakiego rodzaju i posiadaja rózne wartosci stosunku momentów oraz, ze mag¬ netometr zawiera elementy przeznaczone do po¬ miaru róznicy algebraicznej dwóch odpowiadaja¬ cych im czestotliwosci magnetycznych, przy czym kazda z czestotliwosci posiada znak odpowiadaja¬ cy wyzej wymienionym stosunkom momentów.Okreslajac przez fi f", oraz przez y' i y" war¬ tosci f i y dla obu rodzajów czasteczek, które zlo¬ zone sa na przyklad z protonów dla których y' jest dodatnie, oraz z jader fluoru dla których y" jest równiez dodatnie lecz mniejsze od y', równa¬ nie (2) dla obu jader bedzie nastepujace: 2lIf' = T'H—u (3) 2lIf" = Y"H —co (4) Okreslajac przez f'" róznice czestotliwosci f i f" uzyskuje sie równanie: 2Ilf'" = 2 nf' — 2 Of" = (T' — T")H = GH (5) gdzie G — róznica y' — y" zakladajac ze y' y".Poniewaz z duza doklsdnoscia znane sa wartosci Y' i Y", tak wiec G jest równiez znane.W konsekwencji równanie (5) zastepuje równa¬ nie (i) z ta korzyscia, ze czestotliwosc f" jest sci¬ sle proporcjonalna do H, nawet jezeli magneto¬ metr obraca sie dookola kierunku H z predkos¬ cia co.W przypadku gdy y' i y" rnaja rózne znaki, na przyklad y' Jest dodatnie a y" ujemne, równanie (3) pozostaje prawdziwe, natomiast zaleznosci (4) 4 ' i (5) zastapione sa nastepujacymi równosciami: 2lJf" = a —T"H (4a) 2IT(f' + f") = (Y — r")H = GH (5a) 5 gdzie w kazdym przypadku przez G okreslamy róznice algebraiczna stosunków zyromagnetycz- nych. jako pary czasteczek podatomowych odpowied¬ nich do stosowania wynalazku wedlug patentu 10 glównego nalezy wymienic: — protony i jadra fluoru, — protony i jadra fosforu, protony i jadra helu 3 przy czym wszystkie jadra maja dodatnie stosunki zyromagnetyczne za wyjatkiem helu 3 posiadajacego ujemny stosunek zyromagnetyczny. 15 Jak to juz opisano w patencie glównym, w ko¬ rzystnym przykladzie wykonania (jest to prawdzi¬ we zwlaszcza dla obu pierwszych par) stosuje sie dynamiczna polaryzacje przez tak zwane pompo- 20 wanie elektronowe wedlug patentu francuskiego nr 1.174.136 zgloszonego 6 kwietnia 1957 r. to znaczy, ze stosuje sie próbki plynu zawierajace rozpuszczony, (w rozpuszczalniku zawierajacym wyzej wymienione jadra — protony, jadra fluoru, jadra fosforu), rodnik paramagnetyczny zawiera¬ jacy nieparowane elektrony, przy czym nasycenie prazka elektronowego rezonansu zwieksza nateze¬ nie sygnalu jadrowego. Kazdy czujnik magneto¬ metru wykonuje sie najkorzystniej wedlug paten- o tu glównego w^ postaci spinowego generatora drgan, typu opisanego we francuskim patencie nr 1.351.587 z dnia 28 grudnia 1962 r.W patencie glównym oba czujniki lub glowice pomiarowe magnetometru ustawione byly obok 35 siebie i byly ze soba sztywno polaczone.Stwierdzono tymczasem, ze ustawiajac oba czujniki, juz nie jeden przy drugim, lecz w pew¬ nej odleglosci od siebie, zwlaszcza jeden za drugim w plaszczyznie symetrii pionowej pojazdu, na 40 przyklad samolotu, który je wiezie, mozna kom¬ pensowac zaklócenia pomiaru natezenia ziemskie¬ go pola magnetycznego, przy czyim zaklócenia spo¬ wodowane byly nie tylko zjawiskiem zyroskopo¬ wym spowodowanym obrotem samolotu, lecz 45 równiez „stalym" zaklóceniowym polem magne¬ tycznym wywolanym ciaglymi namagnesowariiami oraz pradami zasilajacymi urzadzenia pokladowe samolotu, przy czym wartosci natezen zaklócaja¬ cych pole zmieniaja sie w zaleznosci od miejsca 50 w samolocie.Wynalazek polega na takim usytuowaniu polo¬ zenia dwóch czujników, (których czynne substan¬ cje zawieraja czasteczki podatomowe o róznych stosunkach zyromagnetycznych), ze uzyskuje sie 55 w tych obu polozeniach mniej wiecej te sama wartosc iloczynu natezenia w jednym polozeniu ciaglego zaklócajacego pola magnetycznego, przez stosunek zyromagnetyczny czasteczek czujnika 60 umieszczonego w tym polozeniu.Wynalazek dotyczy w szczególnosci magneto¬ metru magnetowariometru przeznaczonego zwlasz¬ cza do pomiaru zmian ziemskiego pola magne- 65 tycznego na pokladzie samolotu.57259 6 Wynalazek zostanie obecnie blizej omówiony z powolaniem sie na rysunek, na którym fig. 1 przed¬ stawia schematycznie w bocznym przekroju pionowym samolot, w którym umieszczony jest magnetometr bedacy przedmiotem wynalazku, a fig. 2 przedstawia schemat blokowy odmiany mag¬ netometru wedlug wynalazku.Na fig. 1 oznaczono jako N dziób samolotu, F — jego kadlub, L — skrzydla, G — stery usterzenia E i Q — ogon. Wiadomo, ze wiekszosc urzadzen pokladowych (silniki, wyposazenie elektryczne i elektroniczne, ladownie, zbiorniki i tak dalej) wymagajacych ciaglej kompensacji magnetycznej, znajduja sie w< mniej wiecej kulistej strefie umieszczonej na przodzie samolotu, przy czym srodek tej strefy jest utozsamiany ze srodkiem ciezkosci M mas magnetycznych samolotu. Urza¬ dzenia tej strefy bardziej oddzialywuja na czuj¬ nik polozony w punkcie B w odleglosci d od srod¬ ka ciezkosci M, niz na czujnik polozony w punk¬ cie A w dodatkowej odleglosci a od srodka ciez¬ kosci M.Na rysunku uwidoczniono, ze polozenie A znaj¬ duje sie w ogonie Q samolotu, natomiast B znaj¬ duje sie pomiedzy ogonem a strefa R, przy czym polozenia A i B sa polozeniami korzystnymi dla obu czujników.Dla polozen A i B czujników, wedlug wzoru (5), otrzymujemy: 2nf" = (T' — T")H gdzie H jest takie samo jak w polozeniach A i B.Przyjmujac ze natezenie pola magnetycznego w miejscach A i B zawiera dwie skladowe, to jest pierwsza wspólna Ho równa badanemu „ziem¬ skiemu" polu magnetycznemu, które malo zmie¬ nia sie pomiedzy miejscami A i B oraz druga Iia dla punktu A i hR dla punktu B, powodowana ciaglymi zaklóceniami magnetycznymi wywola¬ nymi w samolocie, glównie przez obwody i inne wyposazenia strefy R, tak ze wzór (5) zamienia sie na 2 Hf" =i (H0 + shA)- T" (H0 + shB) 10 15 20 25 (6) zakladajac, ze e = ± 1 oraz ze y' stanowi stosu¬ nek zyromagnetyczny jader atomowych czujnika w miejscu A oraz y" stosunek zyromagnetyczny jader atomowych czujnika w miejscu B, prze¬ ksztalcajac wzór otrzymamy 2llf'" = (f- T")H0 + z (T'hA- T"hB) (7) Równanie (7) zawiera, w porównaniu z równa¬ niem (5) czlon korekcyjny równy £(T'hA-T"hB) Zgodnie z wynalazkiem wybiera sie punkty miejsc A i B w taki sposób, aby czlon korekcyj¬ ny byl równy zero, to znaczy T'hA = 7"hE (8) czyli wybiera sie polozenia obu czujników zawie¬ rajacych czynne substancje czastek podatomowych (zwlaszcza jader atomowycl) o róznych stosunkach zyromagnetycznych tak, aby w obu tych poloze¬ niach uzyskac mniej wiecej te sama wartosc ilo¬ czynu natezenia ciaglego zaklócajacego pola mag¬ netycznego w danym polozeniu przez stosunek zyromagnetyczny czastek (luib jader) czujnika umieszczonego w tym polozeniu.Nalezy zaznaczyc, ze najpierw w miejscu A, gdzie natezenie zaklócajacego pola magnetycznego ^est najslabsze, umieszcza sie czujnik którego jadra atomowe posiadaja najwyzszy stosunek zy¬ romagnetyczny.Najkorzystniej jest, choc nie jest to konieczne, umiescic czujnik o wyzszym stosunku zyromag- netycznym w ogonie (punkt A), a drugi czujnik w sasiedztwie B w odleglosci a mniejszej od d, w taki sposób, ze Ho bedzie rzeczywiscie takie samo w tych dwóch punktach.Poza tym zakladamy, ze poprawne dzialanie magnetometru jest wtedy gdy stosunek hA/hs (który musi pozostac równy stosunkowi y"ly') po¬ zostaje niezmienny, to znaczy, ze srodek ciezkosci magnetycznej M (bliski srodka strefy R) pozo¬ staje niezmienny. Stwierdzono rzeczywiscie, ze na zwyklych samolotach ten srodek ciezkosci prze¬ mieszcza sie bardzo malo.Na fig. 2 przedstawiono przyklad wykonywania magnetometru wedlug patentu glównego, gdzie stosuje sie pompowanie elektronowe wedlug wy- 30 zej wymienionego francuskiego patentu nr 1.174.136.Magnetometr przedstawiony na fig. 2 zawiera dwa generatory z rezonansem magnetycznym 'la usytuowany w punkcie A i Ib umieszczony w punkcie B wywolujace dwa napiecia o czestotli¬ wosciach f i f" równe czestotliwosciom Larmora dla dwóch czastek podatomowych, zwlaszcza ja¬ der atomowych o róznych stosunkach zyromag¬ netycznych y' i Y"« Kazdy z generatorów la, Ib z rezonansem mag¬ netycznym zawiera naczynia 2a i 2b zawierajace roztwory 3a i 3b skladajace sie z rozpuszczalni¬ ków zawierajacych jadra atomowe (rózne dla obu naczyn) z momentami magnetycznymi i kinetycz¬ nymi róznymi od zera, a tym samym posiadajace okreslone stosunki zyromagnetyczne oraz roz¬ puszczony w tych rozpuszczalnikach wolny rodnik paramagnetyczny posiadajacy odchylke nadsubtel- na (to znaczy posiadajacy czestotliwosc rezonan¬ sowa w zerowym polu magnetycznym) stosunkowo wysoka i sprzezenie bipolarne pomiedzy spinami elektronów niesparowanych wolnego rodnika a spinami jader atomowych rozpuszczalnika. Nasy¬ cenie prazka rezonansu elektronowego takiego rod¬ nika zwieksza wskutek zjawiska Overhausera — Abragama, natezenie sygnalu, przy czestotliwosci Larmora jader atomowych.Tutulem przykladu naczynie 2a zawiera roztwór 3a skladajacy sie z 200 cm8 wody w której rozpu¬ szczono 0,5 g soli Fremy — K2NO(S03)2 o czesto¬ tliwosci rezonansu w polu zerowym rzedu 56 MHz, podczas gdy naczynie 2b zawiera roztwór 3b w ilosci 200 cm8 C6H4(CF3)2 w postaci meta, nasycony sola Fremy K2NO(S03)2. 35 40 55 609 Do pomiaru takiej malej czestotliwosci najko¬ rzystniej jest gdy zostanie zastosowany czestoscio- mierz niskich czestotliwosci opisany w patencie dodatkowym do zgloszenia PV 14.224 z dnia 22 kwietnia 1965 r.Pomimo, ze opisano przykladowe rozwiazanie z para spinowych generatorów drgan zwlaszcza z para protonów i jader fosforu lub fluoru wedlug wynalazku mozna zastosowac te same pary czastek z innymi rodzajami generatorów z rezonansem magnetycznym na przyklad z generatorami typu laserowego opisane w patencie francuskim nr 1.177.112 zgloszonym 1 czerwca 1957 r. lub tez z generatorami z precesja swobodna opisanemu w francuskim patencie nr 1.221.637 zgloszonym 23 grudnia 1958 r. przy czym oba rodzaje generato¬ rów najkorzystniej wykorzystuja zjawisko OVer* hausera — Abragama.Poza tym tytulem przykladu opisano roztwór z wolnym rodnikiem paramagnetycznym (to znaczy z elektronami niesparowanymi) zastosowanym w naczyniach 2a i 2b to jest roztwór K2NO(S03)2. Za¬ miast tego roztwjoru mozna zastosowac roztwór dwufenylopikrylohydrazylu lub wolny rodnik za¬ wierajacy skupienia rodników tlenku azotu, które¬ go atom azotu polaczony jest wylacznie do dwóch atomów wegla polaczonych do trzech innych ato¬ mów wegla wedlug belgijskiego patentu nr 514.472.Oczywiscie, ze czestotliwosc nasycenia prazka re¬ zonansu elektronowego, który wynosi 56 MHz w przypadku K2NO(S03)2 zmienia sie w zaleznosci od rodzaju wolnego rodnika paramagnetycznego.Wreszcie, w przypadku gdy jeden z zespolów czastek podatomowych stanowi zespól jader helu 3, to generator czestotliwosci Lamora odpowiada¬ jacy tym jadrom najkorzystniej sklada sie z ge¬ neratora z optycznym pompowaniem.Z powyzszego wynika, ze w zastosowanym ma¬ gnetometrze z rezonansem magnetycznym w sto¬ sunku do znanych uprzednio uzyskuje sie wiele korzysci. Przede wszystkim jego pomiary sa nie¬ zalezne od obrotu magnetometru w stosunku do kierunku badanego pola magnetycznego jak rów¬ niez niezalezne od ciaglych zaklócajacych pól ma¬ gnetycznych wywolanych przez ciagle magnesowa¬ nie lub przez prady zasilajace wyposazenie pokla<- dowe samolotu a ponadto sa bezwzgledne. Jezeli 57259 10 10 kompensuje sie równiez inne zaklócenia na pokla¬ dzie samolotu (pola indukowane ziemskim polem magnetycznym, w materialach ferromagnetycz¬ nych, pola przejsciowe ^wodowane wlaczeniem i wylaczeniem obwodów urzadzen pokladowych oraz pola indukowane ,s pradami w zelazie) przy pomocy znanych srodków.Niezaleznie od powyzszego nalezy podkreslic ze magnetometr dokonuje samoczynnej rejestracji zmian bezwzglednej wartosci ziemskiego pola mag¬ netycznego. PL