SE458397B - Magnetometer - Google Patents

Description

458 397 2 frekvens kan protonerna absorbera energi och lyftas upp ' 1 det högre energitillståndet. Så fort resonansvillkoret (RF- frekvensen = precessionsfrekvensen) försvinner faller proto- nerna tillbaka ner i sitt lägre energitillstând. n Vid bestämning av magnetfältet med hjälp av MNR-teknik används i regel ett litet mätsampel vars innehåll är mycket rikt på protoner (t.ex. vatten eller olja). Kring mätsamplet anordnas en spole genom vilken en radiofrekvent signal sänds. När RF- frekvensen överensstämmer med precessionsfrekvensen byter flertalet av protonerna energitillstând och spolens impedans ändras karaktäristiskt. Genom att inkoppla spolen i en brygg- koppling eller genom att låta spolen tillsammans med en kapacitans ingå i en resonanskrets kan spolens impedansändring registreras. Den radiofrekvens vid vilket detta inträffar mäts och genom det ovan nämnda sambandet mellan magnetfält och precessionsfrekvens kan det okända magnetfältet lätt beräknas med mycket hög noggrannhet. Det ovan nämnda sambandet är linjärt, dvs. är magnetfältet 1/2 T precesserar en fri proton med frekvensen 1/2 x 42,5759 MHz.

För att öka mätnoggrannheten moduleras den radiofrekventa signalen och/eller superponeras ett svagt magnetfält parallellt med det okända magnetfältet, vars induktion skall bestämmas. På detta sätt kommer resonansvillkoret att uppfyllas två gånger under varje period av modulations~ signalen.

En magnetometer av det inledningsvis beskrivna slaget mäter magnetfält från 0,1 T upp till 2 T i steg om 0,1 T/sekund.

Frekvensgeneratorn börjar vid en frekvens som motsvarar 0,1 T (4,2S MHz) och stegar uppåt ända tills resonans inträffar varvid frekvensgeneratorn låser på resonansfrekvensen. Denna långa mätningstid är en olägenhet.

Ett annat problem med nuvarande NMR-teknik är att det okända magnetfältet måste vara homogent i det område där mätsamplet befinner sig. Om det förekommer magnetfältsgradienter inom den 458 397 3 volym som mätsamplet upptar kan villkoret för att protonreso- nans skall uppstå i hela mätsamplet inte uppfyllas. Detta innebär att den detekterbara impedansändringen i mätspolen uteblir eller blir kraftigt försvagat.

En annan olägenhet med nuvarande NMR-teknik är att mätmetoden är känslig för yttre elektromagnetiska störningar. Olika typer av störkällor förekommer, såsom yttre RF-källor typ radiosändare och kristalloscillatorer i närbelägna utrustning- ar, till- och frånslag eller tyristorstyrning av stora belastningar anslutna till elnätet. Dessa yttre störningar kan lätt uppfângas av och interferera med magnetometern och yttrar sig i form av försämrat signal/brus-förhållande på den detek- terade resonanssignalen eller som falska resonanssignaler vilka detekteras av resonansdetekteringskretsen. Ännu ett problem med nuvarnade NMR-teknik är att tidsderivatan av frekvensändringen (typiskt 4,25 MHz/sekund) inte får vara för hög utan måste ligga inom det nämnda storleksomrâdet för att maximal impedansändring i mätspolen skall uppstå. Maximal impedansändring innebär även att resonansdetektorsignalen blir maximal. Är tidsderivatan för hög för fält- och/eller frekvensmoduleringen hinner inte protonerna ändra sina spinn- tillstånd och den detekterbara impedansen i mätspolen uteblir eller blir kraftigt försvagad. ' För att lösa problemet med inhomogena magnetfält inom mätsamp- lets volym är det känt att anordna tillkommande spolar i mätsamplet. Eftersom magnetfältet från en spole är proportio- nellt mot strömmen genom spolen kan olika grad av magnetfält- gradientkompensation erhållas. Denna kompensationsmetod begränsas av att endast gradienter av första ordningen kan bortkompënšeras. En annan begränsning är att strömmen i kompensationsspolarna inte får blir otillåtet hög eftersom den ohmska värmeutvecklingen då blir otillåtet stor.

Det nämnda problemet med elektromagnetiska störningar kan på känt sätt reduceras genom noggann skärmning, jordning och 458 397 4 filtrering av signalerna till och från samt i magnetometern.

För ytterligare skydd mot främst transienta störningar kan medelvärdesbildning och olika formen av korrelationsalgoritmer användas på resonansdetektorsignalen. Dessa metoder medför dock att mätförfarandet går ännu långsammare, vilket ger ännu lägre sök- och låshastigheter.

Problemet med tidsderivatan är förknippat med tídskonstanten för protonresonansen.Denna tidskonstant kan påverkas genom tillsatser av paramagnetiska salter till mätsamplet. Vid låga tidskonstanter för protonresonansen kan frekvensen och/eller amplituden av den pålagda fält- och/eller frekvensmoduleringen ökas. Detta medför att sök- och låshastigheter snabbar upp mätförfarandet. na ökas, vilket Till lösning av de ovan nämnda problemen föreslås enligt uppfinningen att en magnetkänslig sensor anordnas i det okända magnetfältet för mätning av dettas magnetiska induktion. Nog- grannheten i den ovan beskrivna NMR-mätningen förbättras inte däremot förbättras sök- och låshastigheten samtidigt som mät- förfarandet blir betydligt okänsligare för störningar och för magnetfältgradienter.

Den enligt uppfinningen föreslagna magnetfältkänsliga sensorn, vilken förläggs i en NMR-baserad mätprob får inte störa MNR- detekteringen och måste därför uppfylla följande krav: - Den får ej innehålla magnetiskt material i det okända magnetfältet störs i NMR-mätningen är placerad. sådan mängd att områden där mätsamplet för - Den får ej ha några egenskaper som påverkar eller stör den radiofrekventa energin som tillförs mätspolen eller mätspolar- na vid NMR-mätningen.

- Den får heller inte ha sådana egenskaper som påverkar eller stör den fält- och/eller frekvensmodulation som används vid_ NMR-mätningen.

- Den får ej heller ha sådana egenskaper som påverkar impedansen av mätspolen eller mätspolarna vid NMR-mätningen.

Den får icke heller ha sådana egenskaper att den påverkar de 458 397 5 Q gradientkompenserande magnetfält som eventuella kompensations- spolar avger.

Den enligt uppfinningen förslagna magnetfältkänsliga givaren förbättrar det beskrivna NMR-mätfarandet på följande punkter: - Sökning av protonresonans i okänt magnetfält: Genom att först läsa av det värde som den magnetfältkänsliga givaren avger och som således är ett mått på det okända magnetfältets induktion, kan det sökområde genom vilken RF-frekvensgenera- torn letar för att hitta protonresonansen reduceras, vilket medför att protonresonansen snabbt hittas och att sök- och lâstiderna förkortas. Typiskt blir söktiden i storleksordning- en 5 sekunder oberoende av storleken av det okända magnetfäl- tet.

- Läsning av protonresonans Å störd miljö: Den absoluta noggrannheten av den extra magnetfältkänsliga givaren är betydligt sämre än den för den ovan beskrivna NMR-baserade metoden. Genom att emellertid kontinuerligt och periodiskt avläsa det okända magnetfältets magnetiska induktion med hjälp av den enligt uppfinningen föreslagna magnetfältkänsliga givaren (t.ex. med samma frekvens som den pålagda fält- och/eller frekvensmoduleringen) ernås en hög relativ noggrann- het vid mätningen av den magnetiska induktionen. Det är med andra ord lätt att registrera förändringar i det okända magnetfältet. Under förhållanden när yttre elektromagnetiska störningar förekommer inträffar ofta, om anordningen enligt uppfinningen inte utnyttjas, att en protonresonans missas, dvs. frekvensgeneratorn låser inte på resonansfrekvensen, alternativt att resonansdetekteringskretsen triggar på en yttre transient. Genom att enligt uppfinningen avläsa utsignalen från den magnetfältkänsliga givaren kan man avgöra om det okända magnetfältet ändrat sig eller om protonresonan- sen temporärt míssats på grund av elektromagnetiska störningar._ _ - Kraftiga gradienter E det okända magnetfältet: Med den magnetfältkänsliga givaren enligt uppfinningen avläses ett värde på det okända fältets magnetiska induktion. Detta värde används för att bestämma ett sökområde för NMR-mätningen. 458 397. 6 Sökomrâdet är således ett frekvensomrâde genom vilket frekvensgeneratorn stegas. Pâ grund av de otillâtet stora gradíenterna i nmgnetfältet kommer emellertid NMR-mätningen inte att pâträffa någon protonresonans inom sökområdet. Slut- satsen i detta fall blir att gradienterna är alltför kraftiga Detta förhållande kan indikeras, t.ex. genom att en varnings- lampas eller att en varningstext visas på en presentations- enhet.

En utföringsform av uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna. i vilka fig. 1 visar en perspektivvy av den magnetfältkänsliga givaren enligt uppfinningen anordnad i en mätsond som förs in i det magnetfält B vars magnetiska induktans skall bestämmas, fig. 2 visar ett blockschema för en magnetometer försedd med den magnetfältkänsliga givaren enligt uppfinningen, fig. 3 visar ett diagram över den RF- energi med vilken mätspo- larna matas och fig. 4 illustrerar fasförhållandet mellan RF-energinfältet och resonansdetekteringskretsens resonansdetektorsignal.

Fig. 1 visar schematiskt i perspektivvy en mätprob 1 vilken införs i det okända magnetfält B vars magnetiska induktion skall mätas. Mätproben innefattar mätspolar 2 och 3, den ena, av vilka t,ex. 3, omger en behållare med den protonrika Mätspolarna 2, 3 är anordnade med rät vinkel relativt varandra och mellan mätspolarna är en magnetfältkänslig givare 4 anordnad. vätskan.

Den magnetfältkänsliga givaren är t.ex. en magnetoresistor eller ett Hall-element. Mätspolarna 2, 3 ingår 1 en 1 fig. 2 visad balanserad bryggkoppling bestående av sekundärlindningen av en transformator 5. Sekundärlindningen är försedd med ett mittuttag 6 och mätspolarna 2, 3 är kopplade i serie med varandra över sekundärlindningarnas ändar. Transformatorns S primärlindning matas med RF-energi 458 397 7 från en spänningsstyrd oscillator 7. En integrator 8 avger en rampspänning som styr den spänningsstyrda oscillatorn 7. Denna rampspänning och den motsvarande stegningen av oscillatorns frekvens visas i fig.3. Denna frekvens detekteras med hjälp av en frekvensräknare 9.

Bryggkopplingens impedanser är så valda att bryggan 2, 3, 6 är i balans så länge oscillatorns frekvens skiljer sig från den NMR-frekvens vid vilken protonerna ändrar sitt spinntillstånd för det aktuellt rådande, okända magnetfältet B. När oscillatorns frekvens överensstämmer med NMRffrekvensen ändrar sig impedansen i mätspolen 3 och bryggan kommer obalans.

Bryggans obalanssignal detekteras i en resonansdetektor ll och när resonansdetektorsignalen erhålls stannar mikroprocessorn 10 integratorns 8 rampning och integratorn avger en spänning med konstant nivå, vilken således motsvarar en bestämd frekvens från oscillatorn, närmare bestämt NMR-frekvensen för protonerna. För att öka noggrannheten i integratorns 8 inställning av oscillatorfrekvensen moduleras oscillatorns frekvens med en lågfrekvent sinussvängning, vilken alstras i en svepgenerator 12. RF-frekvensen moduleras på rampfunktionen från integratorn 8 i en blandare 13. När oscillatorfrekvensen överensstämmer med resonansfrekvensen för protonerna blir obalanssignalen en RF-svängning amplitudmodulerad med den lågfrekventa sinussvängningen. Enveloppen av obalanssignalen detekteras i en amplítuddetektor 14 innan den matas till resonansdetektorn 11- Resonansdetektorsignalen har det utseende som visas vid kurva A i fig. 4. Kurva B i fig. 4 visar det modulerade RF-magnetfältet. Medelst en känd ej visad faslåsningskrets inställs integratorn så att resonans- detektorsignalen inträffar i nollgenomgångarna för kurvan B.

Den magnetfältkänsliga givaren 4 enligt uppfinningen matas från en konstantströmkälla 15. Spänningen över givaren 4 beror av givarens motstånd, vilket i sin tur är beroende av induktionen av det magnetfält i vilket givaren är placerad.

Spänningen över givaren omvandlas till digital form i en analog/digitalomvandlare 16 och matas till mikroprocessorna 10 där spänningsvärdet omvandlas till ett värde på den rådande '458 397 . 8 induktionen i det okända magnetfältet. Såsom tidigare omnämnts föreligger ett linjärt förhållande mellan induktionen av det okända magnetfält i vilket mätproben 1 är placerad och protonernas precessionsfrekvens. Med andra ord bör utsignalen från givaren 4 ange den frekvens vid vilken protonerna ändrar sitt spinntillstånd. Teoretiskt sett är det därför möjligt att ställa in oscillatorn 7 direkt på denna resonansfrekvens, varvid man kan förvänta sig att direkt erhålla en resonans- detektorsignal. Den magnetfältskänsliga givaren 4 har emellertid begränsad noggrannhet och noggrannheten varierar från exmplar till exemplar. Det är därför lämpligt att ställa in oscillatorn 7 på en frekvens som ligger nära den uppmätta "resonansfrekvensen". Denna inställning sker med hjälp av mikroprocessorn 10 vilken styr integratorn 8 så, att denna inställer oscillatorn 7 på en grundfrekvens, som ligger nära den förväntade resonansfrekvensen varefter integratorn 8 börjar stega resonansfrekvensen till dess resonansdetektorn ll avger sin resonansdetektorsignal, varvid stegningen avbryts.

Genom denna grovinställning av oscillatorn innan frekvensen börjar ändras förkortas sökningstiden till dess låsning sker på resonansfrekvensen.

Oscillatorns 7 sökområde kan även bestämmas på förhand.

Sökomrâdets undre gräns utgörs av den nämnda frekvensen som svarar mot oscillatorns grovinställning ooh sökområdets övre frekvensgräns bestäms på motsvarande sätt med ledning av den av givaren 4 uppmätta induktionen. Sedan bredden på sökområdet fastställts, genom lämplig programmering av mikroprocessorn, startar mikroprocessorn 10 integratorns 8 rampfunktion.

Påträffas nu inte någon resonansfrekvens inom sökområdet kan den slutsatsen dras, att magnetfältet ändrat sig så kraftigt från den tidpunkten när givaren 4 avlästes. Inträffar en elektriskïstörning, som stör RF-magnetfältet kan denna störning, markerad vid C i fig. 4 detekteras av resonansdetek- torn ll och ge upphov till att mikroprocessorn 10 låser ramp- funktionen i integratorn 8 på ett konstant värde svarande mot den falska resonansfrekvensen. Till undvikande av detta är míkroprocessorn 10 så programmerad att den periodiskt, före- 458 397 9 trädesvis med moduleringsfrekvensen, avläser utsignalen från givaren 4. Om utgångsspänningen inte ändrat sig, och inte heller fasläget för resonanssignalen ändrat sig från noll- genomgângsläget kan den slutsatsen dras att det rörde sig om en nätstörning varför stegningen av oscillaotrfrekvennsen kan fortsätta utan att någon låsning inträffar. Givaren 4 är, såsom omnämnts, tämligen okänslig och reagerar inte på nätstörningar. Ändrar sig magnetfältet vill man kunna mäta det nya magnetfältet. Funnes icke givaren 4 enligt uppfinningen skulle en magnetfältändring ge sig till känna som en förskjutning av fasläget för resonansdetektorsignalen relativt modulerings- signalen. En nätstörning skulle ge upphov till exakt samma fenomen, dvs. förskjutning av fasen. Genom att enligt föreliggande uppfinning periodiskt avkänna utsignalen från givaren 4 och jämföra dessa utsignaler med varandra kan man fastställa om det okända magnetfältet ändrat sig. Utsignalerna skiljer sig då från varandra- Mikroprocessorn 10 får då styra integratorn, så att denna ändrar oscillatorns 7 frekvensinställning till dess resonansdetektorsignalen âterförs till läget för moduleringssignalens noll-genomgång.

Avger den magnetfältkänsliga givaren en signal, som anger, att magnetfältet B t.ex. är 1,5 T, vilket motsvarar en grovmätt resonansfrekvens på ca. 63 MHz fastställer datorn att frekvensgeneratorn skall börja söka resonansfrekvensen vid t.ex. 50 MHz och att sökområdets övre gräns skall vara t.ex. 80 MHz. Sökningen startar därefter vid 50 MHz och fortgår tills en resonansfrekvens hittas.

Den ovan beskrivna utföringsformen av uppfinningen kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för uppfinningens grundtanke.

Claims (5)

458 597. 10 PATENTKRAV

1. Magnetometer utnyttjande WMR-effekten, innefattande - en frekvensgenerator (7) - en integrator (8) för stegvis ändring av frekvensgene- ratorns frekvensinställning - mätspolar (2, plan, förlagda 3) anordnade vinkelrätt mot varandra i samma i det okända magnetfält (B) vars magnetiska induktion skall mätas och matade med RF- frekvensgenratorn, energi från - ett mätsampel (1) anordnat i det okända magnetfältet och vars impedans ändrar sig när det RF-frekventa magnetfältets frekvens överensstämmer (= är i resonans) med den mot det okända magnetfältet svarande NMR-Frekvensen för mätsamplet - en resonansdetekteringskrets (5, 9, ll) för detektering av impedansändringen och för avgivande av resonansdetektorsignal (A), och - en stvrkrets (12) för stegning av integratorn tills resonansdetektorsignalen erhålls, varvid stegningen avbryts och frekvensgeneratorn är låst på resonansfrekvensen, k ä n n e t e c k n a d av - en magnetfältkänslig givare (4) anordnad i mätspolarnas plan inuti det okända magnetfältet och avgivande en mot det okända magnetfältets magnetiska induktion svarande elektrisk utgångssignal (B), - en omvandlare (16) för omvandling av givarens utgångssignal till en mot det okända Fältet svarande resonansfrekvens. - en loqikkrets (10), ansluten till integratorn, för grov- inställning av frekvensgeneratorn på en grundfrekvens, som ligger nära men skiljer sig från den detekterade resonans- frekvensen och som är vald med ledning av det av givaren uppmätta induktionsvärdet, och för aktivering av styrkretsen (12) eftërïden företagna grovinställningen av resonans~ Frekvensen.

2. Magnetometer enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av en tillkommande styrkets (10) anordnad att efter frekvens- generatorns låsning på resonansfrekvensen periodiskt avkänna 458 397 ll den magnetfältkänsliga givarens (4) utgångssignal och för utlösning av integratorns stegvisa ändring av frekvens- generatorns RF-frekvens endast om givarens utgångssignal visar, att det okända magnetfältet ändrat sig från den Föregående eller några närmast föregående perioder.

3. Magnetometer enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den magnetfältkänsliga givaren är en magnetoresistor eller ett Hall-element.

4. Magnetometer enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att den periodiska avkänningen sker med låg frekvens, företrädesvis den frekvens med vilken RF-magnetfältet på i och För sig känt sätt är modulerad

5. Magnetometer enligt något eller några av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att omvandlaren och logikkretsen är implementerade i form av en dator med en ingångsport för givarens elektriska utgângssignal, en ingångsport för resonansfrekvenssignalen samt en utgångsport För stvr- och logikkretsarna.