Przedmiotem niniejszego wynalazku jest mag¬ netometr zawierajacy pojedyncza glowice pomia¬ rowa, w której za pomoca wzajemnego sprzezenia uzyskuje sie mieszanie czestotliwosci f i f.Magnetometr wedlug wynalazku jest zespolony z podwójnym naczynkiem, w którym kazda z ko¬ mór zawiera zestaw czastek podatomowych, ze stosunkami zyromagnetycznymi, róznymi dla obu zestawów, cewke nawinieta dookola kazdej komo¬ ry, przy czym cewki te posiadaja sprzezenie wza¬ jemne i polaczone sa kazda do zacisków wejscio¬ wych wzmacniacza prawie liniowego z duzym wzmocnieniem.Zaciski wyjsciowe kazdego wzmacniacza pola¬ czone sa z cewka ustawiona swa osia prostopadle do osi cewki polaczonej z zaciskami wejsciowymi tego samego wzmacniacza, detektor polaczony do wyjscia jednego ze wzmacniaczy, filtr polaczony do wyjscia wymienionego detektora i urzadzenia do pczr.iaru czestotliwosci napiecia na wyjsciu wy¬ zej wymienionego filtru, ewentualnie wzmocnio¬ nego, przy czym czestotliwosc ta jest scisle pro¬ porcjonalna do natezenia pola magnetycznego w strefie gdzie znajduje sie naczynko podwójne.W korzystnym przykladzie wykonania, kazda komora napelniona jest roztworem, który zawiera rozpuszczalnik zlozony z wyzej wymienionych czastek podatomowych i w nim rozpuszczony pa¬ ramagnetyczny rodnik wolny posiadajacy od¬ chylke nadsubtelna (to znaczy stosunkowo wysoka57262 czestotliwosc rezonansowa w polu magnetycznym zerowym) i sprzezenie dipolowe pomiedzy spinami elektronów niesparowanych rodnika wolnego i spi¬ nami jader atomowych rozpuszczalnika. Nasyce¬ nie prazka rezonansu elektronowego takiego rod¬ nika na skutek efektu Overhausera i Abragama zwieksza natezenie sygnalu, przy czestotliwosci Larmora jader atomowych, przy czym magneto¬ metr zawiera uklady przeznaczone do nasycenia tego prazka rezonansowego w obu komorach.Wynalazek dotyczy równiez czestosciomierza w zakresie uzyskania dokladnych pomiarów przy niskich czestotliwosciach, rzedu stu herców, jakie wytwarza magnetometr wedlug wynalazku. W tym celu, czestosciomierz magnetometru zawiera urza¬ dzenie do ksztaltowania sygnalu niskiej czestotli¬ wosci, urzadzenie do odliczania z tego uksztalto¬ wanego sygnalu impulsy jednokierunkowe tej sa¬ mej czestotliwosci co tworzony sygnal, urzadzenie do zasilania impulsami kalibrowanymi posiadaja¬ ce czestotliwosc znacznie wieksza od czestotli¬ wosci sygnalu niskiej czestotliwosci, uklad prze¬ lacznikowy przepuszczajacy kalibrowane sygnaly, dzielnik czestotliwosci, do którego polaczone jest wyjscie ukladu przelacznikowego, przerzutnik z dwoma wejsciami, z których jedno otrzymuje wy¬ zej wymienione impulsy jednokierunkowe wyni¬ kajace z sygnalu uksztaltowanego, a drugie im¬ pulsy sterownicze odliczone z wyjscia tego dziel¬ nika, oraz jedno wyjscie, które zasilane jest od chwili gdy jego pierwsze wejscie zasilane jest impulsem jednokierunkowym az do chwili zasi¬ lania jego drugiego wejscia impulsem sterowni¬ czym, przy czym wyjscie odblokowuje uklad prze¬ lacznikowy, oraz urzadzenie calkujace impuls z wyjscia dzielnika.Magnetometr wedlug wynalazku przeznaczony jest przede wszystkim do pomiaru z pokladu sa¬ molotu, zmian ziemskiego pola magnetycznego, przez co stanowi on w tym przypadku magneto- variometr.Magnetometr wedlug wynalazku jest dokladnie wyjasniony na podstawie jego przykladu wykona¬ nia uwidocznionego na zalaczonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie glowice magnetometru wyposazd(| w udoskonalenia wed¬ lug wynalazku, a fig. 2 przedstawia przyklad wy¬ konania czestosciomierza niskiej czestotliwosci, zwlaszcza do pomiaru czestotliwosci generowanej przez glowice magnetometru z fig. 1.Magnetometr przedstawiony na fig. 1 zawiera podwójne naczynie 1 z komorami la, Ib, z któ¬ rych kazda zawiera roztwór 2a, 2b skladajacy sie z rozpuszczalnika zawierajacego jadra atomowe z momentem magnetycznym i z momentem kine¬ tycznym róznym od zera, a wiec posiadajacy sto¬ sunek zyromagnetyczny dokladnie okreslony od¬ powiednio przez y' i y" oraz rozpuszczony w tym rozpuszczalniku, wolny rodnik paramagnetyczny posiadajacy odchylke nadsubtelna (to znaczy czestotliwosc rezonansu w polu magnetycznym ze¬ rowym) oraz sprzezenie dipolowe pomiedzy spi¬ nami elektronów niesparowanych wolnego rodni¬ ka i spinami jader atomowych rozpuszczalnika, przy czym nasycenie prazka rezonansu elektro¬ nowego takiego rodnika powieksza wskutek efek¬ tu Overhausera i Abragama natezenie sygnalu, przy czestotliwosci Larmora jader atomowych. 5 Najkorzystniej jest gdy jadra te posiadaja bardzo maly moment kwadrupolowy.Tytulem przykladu 'komora la zawiera roztwór 1 zawierajacy —— mola NO[C(CHj)3]2 750 dwu-trze- io ciorzedowego-butylo-tlenku azotu, w jednym litrze roztworu skladajacego sie z 50% wody i 50% ace¬ tonu, natomiast komora Ib zawiera ten sam zwia¬ zek, w tej samej proporcji znajdujacy sie w roz¬ puszczalniku stanowiacym szesciofluorobenzen is C6F8.Prazek rezonansu elektronowego przy 68,8 MHz tlenku dwu-III-rzed. butyloaminy w obu komór¬ kach la, Ib nasyca sie przy pomocy generatora wielkiej czestotliwosci 3 pracujacego na 68,8 MHz 20 i cewki 4 (scislej dwóch cewek szeregowych) za¬ silanej przez generator 3 wytwarzajacy w naczy¬ niu 1 pole magnetyczne o czestotliwosci 08,8 MHz.Dookola kazdej komory la, Ib nawinieta Jest cewka 5a, 5b, przy czym obie cewki sa identyczne 25 i nawiniete wedlug tej samej osi, tak, aby mogly one indukowac, jedna w drugiej strumienie prze¬ ciwne.Kazda z cewek 5a, 5b polaczona jest z zaciska- 30 mi wejsciowymi 6a, 6b wzmacniacza 7a, 7b który nie znieksztalca fazy. Wzmacniacz ten najkorzyst¬ niej stanowi wzmacniacz selektywny waskopas¬ mowy, odpowiednio nastrojony ha f i t". W tym przypadku, selektywnosc obwodu rezonansowego, 35 zlozonego z cewek 5a, 5b i kondensatorów 8m, 8b, w ukladzie równoleglym z cewka na zaciskach wejsciowych 6a, 6b wzmacniacza 7a, 7b, w duzej mierze eliminuje szumy, a tym samym zwieksza stosunek sygnalu do szumu na wyjsciu lim, llb 40 wzmacniacza 7a, 7b. Wzmacniacz ten ma wzmoc¬ nienie rzedu 70 decybeli i przekazuje moc poprzez potencjometr 9a, 9b do podwójnej cewki l#a, ltfe, Osie cewek 5a, 5b i lOa, lOb sa do siebie prosto¬ padle, w celu odsprzezenia kazdego ukladu cewek 45 5a, lOa i 5b, lOb, przy czym pozostalosc sprzeze¬ nia zredukowana jest do minimum potencjometra¬ mi 9a, 9b.Wskutek nasycenia prazka rezonansu elektro¬ nowego dwu-trzeciorzedowego-butylo-tlenku azo- 50 tu przy 6Sfi MHz, sygnal rezonansu magnetyczne¬ go protonów zawartych w roztworze wodnym 2a i jader fluoru bezwodnego roztworu Ib, posiada w polu magnetycznym H, (które istnieje w strefie z naczyniem 1), natezenie wzmocnione efektem 55 Overhausera i Abragama.Sygnal czestotliwosci jadrowej Larmora f, f" w kazdej komorze la, Ib wykrywany jest urzadze¬ niem oscylatorowym typu spinowego zawieraja¬ cym cewki 5a, lOa oraz 5b, lOb.W wyzej wymienionych warunkach odsprzezenia tylko zjawisko rezonansu jadrowego moze sprze¬ gac cewki 5a, lOa oraz 5b, l#b. Gdy cewka 5a, 5b jest zródlem zmiennej sily elektromotorycznej in- 65 dukcji jadrowej przy czestotliwosci Larmora, od- 6057262 8 powiadajacej polu magnetycznemu H i odpowied¬ niemu stosunkowi zyromagnetycznemu y' lub y" to sila elektromotoryczna jest wzmocniona wzmac¬ niaczem 7a, 7b nastepnie przylozona na cewke lOa, lOb której pole magnetyczne zapewnia ciag¬ losc tej sily elektromotorycznej, co zapewnia ciag¬ losc oscylacji.Mozna zatem powiedziec, ze kazdy z ukladów 5a—7a—lOa wraz z komorami la i 5b—7b—lOb oraz z komora Ib tworza oscylator kwantowy od¬ powiadajacy klasycznemu oscylatorowi reakcyj¬ nemu, w którym krzywa rezonansu jadrowego od¬ grywa role krzywej obwodu oscylujacego w kla¬ sycznym oscylatorze, a sprzezenie wystepuje przy czestotliwosci Larmora, w zwiazku z czym oscy¬ lator, kwantowy oscyluje przy tej czestotliwosci.Z tego tez powodu kazdy wzmacniacz 7a, 7b po¬ daje ze swojego wyjscia lla, llb napiecie przy czestotliwosci Larmora dla protonów oraz jader fluoru, to jest przy czestotliwosci f dla 7a i f" dla 7b.Zgodnie z wynalazkiem, cewki 5a i 5b sa rów¬ niez indukcyjnie sprzezone miedzy soba, a miedzy oboma oscylatorami o sprzezeniu spinowym uzys¬ kuje sie pulsacje przez co na wyjsciu lla, llb wzmacniacza 7a, 7b na przyklad w punkcie 11, po¬ jawia sie czestotliwosc pulsowania równa f — f" = 7'-7" 211 H Powyzszy pulsujacy sygnal wykrywa sie za po¬ moca detektora 12 zawierajacego kondensator 13, diody pólprzewodnikowe 14, 15 i opornik 16, przy czym dioda 15 przepuszcza tylko wyprostowana wielkosc pradu. Wyprostowany prad filtruje sie w filtrze 17 zawierajacym dlawik 18 i kondensa¬ tory 19a, 19b. Wyprostowane i przefiltrowane na¬ piecie b, o czestotliwosci f—f", które uzyskuje sie w punkcie 20 zostaje nastepnie wzmocnione we wzmacniaczu 21, przy czym wyjscie c wzmacnia¬ cza polaczone jest z czestosciomierzem 22, na przyklad takim jak przedstawiono na fig. 2.W przykladzie wykonania cewki ,5a, 5b zawie¬ raja kazda 5000 zwojów z drutu nawojowego (w izolacji emaliowanej) srednicy 0,25 mm strojonych kondensatorami 8a i 8b na czestotliwosci 1950 Hz dla cewki 5a i 1240 Hz dla cewki 5b w ziemskim polu magnetycznym rzedu 0,5 ersteda. Natomiast cewki lOa, lOb zawieraja kazda 200 zwojów o srednicy 0,30 mm. Ekran (nie przedstawiony na rysunku) ustawiony jest pomiedzy cewkami 4a i 5a — 5b i przepuszcza czestotliwosc rzedu 1950 i 1240 Hz, lecz nie przepuszcza czestotliwosci równej 68,8 MHz.Sprzegajacy kondensator 13 posiada pojemnosc 0,022 mikrofarada, natomiast kondensator 19a i 19b posiadaja odpowiednio pojemnosc 0,5 mikro¬ farada i 0,1 mikrofarada; opornik uplywowy 16 — 15 kiloomów, cewka 18 ma 11,2 henrów, a dio¬ dy 14 i 15 sa diodami typu 17 P2.Wreszcie, wzmacniacz 21 jest wzmacniaczem z pasmem 50 •— 150 Hz, co odpowiada zakresom pól magnetycznych zawartych miedzy 0,25—0,75 ersteda, przy czym na wyjsciu c przylozone jest do czestosciomierza 22 napiecie rzedu 2 wolt.Na fig. 1 przedstawiono sygnal a uzyskany w punkcie 11, oraz sygnal b uzyskany w punkcie 20 (po wyprostowaniu i po przepuszczeniu przez filtr) 5 oraz sygnal c wychodzacy na wyjsciu wzmacnia¬ cza 21.Sygnal c posiada czestotliwosc scisle proporcjo¬ nalna do natezenia badanego pola magnetycznego zgodnie ze wzorem (5), w którym f" jest wlasnie 10 czestotliwoscia tego sygnalu.- Czestotliwosc ta za¬ warta jest pomiedzy 50—li50 Hz, przy czym sred¬ nia wartosc 100 Hz odpowiada sredniemu nateze¬ niu ziemskiego pola magnetycznego (0,5 ersteda).Tak niska czestotliwosc (czestotliwosc magneto- 15 metru protonowego jest rzedu 2100 Hz w ziem¬ skim polu magnetycznym) ogranicza nieco bez¬ wzgledna dokladnosc magnetometru. Jednak naj¬ istotniejszym w poszukiwaniach geofizycznych' lub innych pomiarach przy pomocy magnetovariomet- 20 ru umieszczonego na pokladzie lecacego obiektu, jest nie tyle pomiar natezenia ziemskiego pola magnetycznego z bezwzgledna duza dokladnoscia, ile pomiar zmian i anomalii tego pola ze stosun¬ kowo wysoka dokladnoscia. Wynalazek umozliwia 25 uzyskanie stalej czulosci w zakresie pomiarów, to znaczy w pasmie pozytecznych czestotliwosci (50—150 Hz), bez zaklócen powodowanych obrotem glowicy pomiarowej.Czestosciomierz przedstawiony na fig. 2 pola- 30 czony z wyjsciem wzmacniacza 21 mierzy male czestotliwosci w szerokim pasmie ze stala czu¬ loscia. Zawiera on uklad 23, (korzystnie wykonany w postaci przerzutnika Schmidta), w celu uksztal¬ towania sygnalu niskiej czestotliwosci c na ciag 35 prostokatnych impulsów d o tej samej czestotli¬ wosci f", urzadzenie do odliczania z tego sygnalu d impulsów jednokierunkowych e tej samej czes¬ totliwosci f" co sygnal d, korzystnie wykonane w postaci ukladu rózniczkujace 24 z kondensato¬ rem 25 i opornikiem 26 i z diodami prosto¬ wniczymi 27—28, generator kalibrowanych im¬ pulsów k posiadajacych czestotliwosc znacznie wieksza od czestotliwosci f" sygnalu niskiej czes¬ totliwosci c, przy czym generator ten, na przyklad moze skladac sie z zegaja 29 podajacego sinuso¬ idalny sygnal odniesier^P m o czestotliwosci F, oraz z przerzutnika Schmidta 30 do przeksztal¬ cenia sinusoidalnego sygnalu m w ciag impulsów prostokatnych k; urzadzenie przelacznikowe 31, zawierajace zasadniczo dwa tranzystory 32 two¬ rzace przerzutnik Schmidta, który przepuszcza sygnaly kalibrowane k jako ciag impulsów k' w czasie gdy jego wejscie 33 jest zasilane; dzielnik czestotliwosci 34 jest polaczony do wyjscia 35 wy¬ zej wymienionego urzadzenia przelacznikowego, skad otrzymuje ciag impulsów k' nadajac ciag impulsów na swoim pierwszym wyjsciu 36 oraz ciag n' na drugim wyjsciu 37; przerzutnik 38 60 ma dwa wejscia 39, 40, z których jedno 39 otrzy¬ muje impulsy jednokierunkowe e, a drugie — 40 laczy sie z wyjsciem dzielnika 34, oraz jedno wyjscie 41 zasilane od chwili pojawienia sie pierwszego implusu e na pierwszym wejsciu 39, 65 az do chwili pojawienia sie impulsu n" na jego 40 50 555726* 9 10 wejsciu 40, (przy czym n" stanowi zrózniczko¬ wany sygnal n) przy czym wyjscie 41, w czasie jego zasilania, odblokowuje urzadzenie przelacz¬ nikowe 31; oraz urzadzenia do calkowitego syg¬ nalu z wyjscia dzielnika 34, na przyklad sklada¬ jace sie z opornika 42 i kondensatora 43 dla wyjs¬ cia 36, oraz opornika 44 i kondensatora 45 dla dla wyjscia 37.W przykladzie rozwiazania, czestotliwosc f" za¬ warta jest pomiedzy 50 a 150 Hz, srednio 106 Hz, przy czym czestotliwosc F równa sie 204,8 kHz, a dzielnik 34 jest dzielnikiem który dzieli przez 1024. W tych warunkach, dzielnik 34 liczy 1024 kalibrowanych impulsów k' przy czestotliwosci 204,8 kHz, zaczynajac od pierwszego impulsu e.Po odliczeniu 1024 impulsów k', dzielnik 34 swym wyjsciem 36 zmienia polozenie równowagi prze- rzutnika 38, co W urzadzeniu przelacznikowym 31 blokuje przekazywanie impulsów k az do nastep¬ nego impulsu e. W konsekwencji, dla kazdego okresu ciagu impulsów e, a tym samym sygnalu c, uzyskuje sie ciag impulsów n, którego dlugosc jest scisle stala (odpowiada ona 1024 okresom ze¬ garowym). Calkujac ten ciag uzyskuje. sie stale napiecie Vr w punkcie 46, proporcjonalne do mie¬ rzonej czestotliwosci 1'".W celu zwiekszania czulosci i zmniejszenia szumów, które moga byc spowodowane zmianami napiecia zasilajacego (zmiany amplitud sygnalu n), pomiaru dokonuje sie róznicowo, (odejmujac napiecia Vi i V2) przy czym napiecie V2 jest od¬ bierane w punkcie 47 i odpowiada drugiemu wyj¬ sciu 37 dzielnika 34. Ten róznicowy pomiar ustala zero przy czestotliwosci 100 Hz, poniewaz dziele¬ nie przez 1024, w dzielniku 34, czestotliwosci F=204,8 kHz daje czestotliwosc 200 Hz, doklad¬ nie podwójna w stosunku do sredniej czestotli¬ wosci f"=l00 Hz. Dla tej sredniej czestotliwosci 100 Hz, oba sygnaly n i n' maja ten sam czas trwa¬ nia lecz przeciwne zwroty. Dla uzyskania takiego ustalenia zera, niezbedna jest stala czestotliwosc podstawowa 204,8 KHz, która uzyskuje sie termo- statyzowanym zegarem kwarcowym 29.Czestosciomierz wedlug wynalazku pozwala uzyskac impuls n lub n' o stalej dlugosci, jedynie przemieszczenie jego polozenia w czasie moze nastapic w zaleznosci od stosunku fazowego syg¬ nalu c i sygnalu drgan zegarowych m. Przemiesz¬ czenie to charakteryzuje sie sinusoidalnym napie¬ ciem o amplitudzie równej wartosci okreslonej szerokoscia okresu sygnalu odniesienia m; wystar- F czy wiec, aby stosunek — byl duzy w porówna¬ niu z czestotliwoscia zmiany badanego pola mag¬ netycznego.W przykladzie wykonania, poszczególne elemen¬ ty maja nastepujace wartosci; kondensator 25—470 pikofaradów, opornik 26 22 kiloomów, diody 27 i 28 o odpowiednich parametrach, kondensator 48 — 47 pikofaradów, opornik 49 — 100 kiloomów, (Zespól 48, 40 stanowiacy uklad rózniczkujacy przetwarza impulsy prostokatne k w impulsy ro¬ bocze — tego samego ksztaltu co impulsy e lecz 10 o czestotliwosci F' — urzadzenia przelacznikowe¬ go 31), kondensator 50 — 47 pikofaradów, diody 51 o odpowiednich parametrach, opornik 52 — 22 kiloomów, opornik 56 — 56 kiloomów, oporniki* 5 42 i 44 — 100 kiloomów, kondensatory 43 i 45 — 8 mikrofaradów, diody prostownicze 53 o odpo¬ wiednich parametrach, kondensator 54 — 470 pi¬ kofaradów, opornik 55 — 22 kiloomów (zespól 54, 55, stanowiacy uklad rózniczkujacy przeksztalca sygnaly prostokatne n w impulsy n").Obwód rózniczkujacy 50, 52 zapobiega (w przy¬ padku odblokowania tranzystora 32) wlaczeniu ukladu liczacego zanim nadejdzie impuls odniesie- 15 riia. Tranzystor ten, raz odblokowany, uzyskuje stan równowagi przez spadek potencjalu jego kolektora poprzez opornosc kolektora a przy bra- ^ ku tego obwodu rózniczkowego 50, 52, skok na¬ piecia wynikajacy z tego spadku potencjalu mógl- 20 °y spowodowac wlaczenie dzielnika 34.Uzyskana czulosc jest równa 14 wolt przy 50 Hz, to znaczy 0.6 mV na jedna gamme (1 gam¬ ma = 1X10—5 ersteda) i jest ona stala w zakre¬ sie 50—150 Hz, to znaczy przy zmianie natezenia 25 pola magnetycznego pomiedzy 0,25 a 0,75 ersteda.Jak wyzej wspomniano, dokonuje sie odejmowa¬ nia pomiedzy napieciami Vx i V2, przy czym róz¬ nice napiecia Vi—V2, po przefiltrbwaniu zadanego zakresu, przy pomocy wzmacniacza (nie przedsta- so wionego na rysunku) przyklada sie do rejestra¬ tora, przy czym wzmacniacz dobiera sie w zalez¬ nosci od rejestratora. Korzystnie dopasowuje sie do wzmacniacza tlumik umozliwiajacy rozszerze¬ nie skali zakresu rejestrowanego, na przyklad 1; 35 2,5; 5; 10; 25 lub 50 gamma.W ten sposób wykonuje sie magnetometr z re¬ zonansem magnetycznym, który posiada, w po¬ równaniu do znanych magnetometrów tego sa¬ mego rodzaju, wiele korzysci. Zalety te polegaja 40 , przede wszystkim na tym, ze wyniki pomiarów sa niezalezne od obrotów magnetometru w sto¬ sunku do kierunku badanego pola magnetycznego a czulosc jego jest stala w calym zakresie natezen pól magnetycznych, na który jest on nastawiony. 45 Ponadto umozliwia on samoczynne zarejestrowa¬ nie zmian ziemskiego pola magnetycznego, przy czym czulosc jego jest regulowana wedlug kilku podzakresów. 50 PL