DE1206522B - Vorrichtung zur Messung magnetischer Felder - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIr

Deutsche KI.: 2Ie-12

Nummer; 1206 522

Aktenzeichen: C 24631IX d/21 e

Anmeldetag: 18. Juli 1961

Auslegetag: 9. Dezember 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die absolute Messung von magnetischen Feldern, insbesondere von schwachen Feldern unterhalb von ungefähr 10 Gauß, ferner auf die sehr genaue Messung des magnetischen Erdfeldes (0,5 Gauß) sowie dessen Veränderungen, z. B. zum Zwecke der geophysikalischen Bodenerforschung (Entdeckung von Vorkommen an Mineralien und Kohlenwasserstoffen) und für militärische Zwecke (Auffindung von Unterseebooten, Flugzeugen od. dgl.). ίο

Es sind bereits verschiedene Arten von Kernmagnetometern bekannt, die zur absoluten Messung von magnetischen Feldern bestimmt sind. Diese bestehen aus wenigstens einer Ansammlung von subatomaren Teilchen oder Teilen von Atomen, wie Kernen, Elektronen od. dgl., mit einem Drehimpuls r und einem magnetischen, zu ? gleichgerichteten von Null verschiedenen Moment Tn (in der vorliegenden Beschreibung sind die Vektoren durch kleine oder große, mit einem Querstrich versehenen Buchstaben bezeichnet). Die Teilchen werden nachstehend Kernspins, falls sie durch Atomkerne gebildet werden, und Elektronenspins, falls sie durch Elektronen gebildet werden, genannt. Bei diesen Magnetometern bestimmt man genau die entsprechende oder die Larmorfrequenz / dieser Teilchen und insbesondere der Kernspins in dem zu messenden magnetischen Feld Ή mit der Stärke H. Die Frequenz /₀ ist die der Präzessionsbewegung des resultierenden magnetischen Momentes oder die Gesamtmagnetisierung M dieser Teilchen um die Richtung des Feldes Ή, das genau proportional H ist, während

^f=

wobei γ das gyromagnetische Verhältnis -=- für die

gewählten Teilchen ist (7 ist mit einer Genauigkeit von 10~⁵ för die hydrierten Kerne oder Protonen bekannt). Nach oder unter Einwirkung einer Störung wird das resultierende magnetische Moment Ή aus seiner entsprechend der Richtung von Ή bei thermischem Gleichgewicht ausgerichteten Lage verschoben.

Bei den Magnetometern, mit denen man die Stärke eines magnetischen Feldes durch Bestimmung der Larmorfrequenz der Kernspins, insbesondere von Protonen, in dem Feld ermittelt, kann man folgende unterscheiden:

1. Die Magnetometer mit Kernabsorption, bei denen man mittels eines einzigen elektrischen Kreises ein magnetisches Hilfswechselfeld mit einer Fre-Vorrichtung zur Messung magnetischer Felder

Anmelder:

Commissariat a L'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. W. P. Radt und Dipl.-Ing. E. E. Finkener,

Patentanwälte,

Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Als Erfinder benannt:

Georges Bonnet, Grenoble, Isere;

Antoine Salvi, Saint Egreve, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 18. Juli 1960 (833193)

quenz /, die in der Nähe von f₀ liegt, anwendet, wobei dieses Feld dazu dient, die Kernspins durch Transition von einer niedrigen Energiestufe auf eine höhere Energiestufe zu bringen. Dadurch wird ihre Präzession mit der Frequenz /₀ hervorgerufen, wobei die Energieabsorption im elektrischen Kreis maximal ist, wenn die Frequenz / gleich /₀ ist. Hierbei handelt es sich um das Phänomen der Kernresonanz: Bei dieser ersten Art von Magnetometern sieht man Mittel vor, um / und/oder H, d. h. /_e, leicht bis zur Resonanz verändern zu können.

2. Die Magnetometer mit Kerninduktion (mit weitem Bereich). Bei diesen bestimmt man, um eine Energieabsorption in dem Kreis zu erhalten, der die Präzession der Kernspins mit der Frequenz /₀ hervorruft, die Frequenz des Wechselstromes, die gleich /₀ ist, und die durch die Präzession der Kernspins in einer Spule induziert wird, die mit den Spins gekoppelt ist und zu einem zweiten elektrischen Kreis gehört. Diese zweite Art von Magnetometern kann man überdies in zwei Gruppen unterteilen, nämlich: a) Die kontinuierlich arbeitenden Magnetometer, bei denen ein erster elektrischer Kreis, wie bei den Magnetometern mit Kernabsorption, die Präzession der Kernspins erzeugt, wobei man sich eines Hilfswechselfeldes bedient, und ein zweiter elektrischer Kreis das Signal der Kernpräzession mittels einer mit den Spins gekoppelten Spule empfängt. Die Frequenz dieses Signals wird mittels eines Frequenzmessers bestimmt.

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b) Die diskontinuierlich arbeitenden Magneto- um eine Elektronenresonanzlinie zu sättigen, und meter (mit engem Bereich), die man auch einen Niederfrequenzkreis, der auf die Frequenz der Magnetometer mit Kerninduktion nennt. Bei Kernresonanz (ζ. B. 2000 Hz) abgestimmt ist, um diesen erzeugt man während einer ersten Phase das Kernsignal zu empfangen und damit die Frequenz mittels eines polarisierenden Hilfsfeldes, dessen 5 zu bestimmen. Dieser Effekt kann bei verschiedenen Richtung im wesentlichen senkrecht zur Rieh- Arten von Magnetometern Anwendung finden, um tung des zu messenden magnetischen Feldes Ή ihre Empfindlichkeit für die Messung von schwachen verläuft, eine Verlagerung des resultierenden Feldern und insbesondere des Erdfeldes zu vermagnetischen Momentes M in bezug auf die größern.

Richtung von TJ; darauf läßt man in einer zwei- io Es ist bereits ein Magnetometer mit Kernabsorpten Phase, nachdem man das polarisierende tion bekannt mit zwei solchen Ansammlungen von Feld plötzlich aufgehoben hat, dieses resultie- Spins (Kernspins des Lösungsmittels und Elekrende magnetische Moment Ή eine freie Prä- tronenspins einer darin aufgelösten paramagnetischen Zessionsbewegung mit der Larmorfrequenz f₀ Substanz). Es gehören ferner kontinuierlich arbeium die Richtung von Ή ausführen. Das Prä- 15 tende Magnetometer (mit Kerninduktion) zum zessionssignal wird in Form einer elektro- Stande der Technik, bei denen zwei solcher Anmotorischen Wechselkraft mit der Frequenz/₀ Sammlungen von Spins verwendet werden: Zum in einer Spule empfangen (nach einer Tran- anderen ist bereits beschrieben worden, daß es mögsistionsperiode zu Beginn der zweiten Phase). lieh ist — unter der Voraussetzung einer ausreichend Diese Spule benutzt man übrigens im allgemei- 20 festen Kopplung zwischen den Kernspins und der nen auch zur Erzeugung des polarisierenden Spule des Niederfrequenzkreises, die das Kernsignal Hilfsfeldes, wobei Mittel zur wechselweisen empfängt, und daß diese Spule in einem Resonanz-Kupplung mit einem Generator während der kreis liegt, der auf die Frequenz der Kernresonanz /₀ ersten Phase und einem Frequenzmesser in der abgestimmt ist und der einen genügend hohen Überzweiten Phase vorgesehen sind. 25 spannungs- oder Gütefaktor (ß-Faktor) besitzt Man hat schon vorgeschlagen, bei diesen ver- — wenn die Polarisation der Protonen negativ ist —, schiedenen Typen von Magnetometern nicht nur ein selbstschwingendes Magnetometer mit Kerneine einzige Ansammlung von subatomaren Teilchen induktion vom Typ »Maser« (Abkürzung für oder Teilen von Atomen, wie z. B. Atomkernen, zu microwave amplification by stimulated emission of benutzen, sondern zwei Ansammlungen. Insbesondere 30 radiations) durch angeregte Energieemission mit der hat der Erfinder bereits vorgeschlagen, eine An- Kernresonanzfrequenz zu erhalten. Die Sättigung der Sammlung von Kernspins und eine Ansammlung von Elektronenresonanzlinie stellt in Wirklichkeit ein Elektronenspins gleichzeitig zu benutzen, wobei als »Pumpen« mit hoher Frequenz zum Zwecke einer Probe mit gyromagnetischen Eigenschaften eine elektronischen Umwandlung dar, die sich wegen der Lösung dient, die aus einem hydrierten Lösungsmittel 35 Kopplung zwischen Elektronenspins und Kernspins besteht, das die Kernspins (Protonen) und eine para- dahingehend auswirkt, daß fortlaufend ein Teil diemagnetische Substanz (gepaarte oder nicht gepaarte ser letztgenannten Spins von einer niedrigeren auf Elektronen) enthält, deren Spektrum eine Hyper- eine höhere Energiestufe gebracht wird, wobei die feinstruktur aufweist. Dabei erfolgt eine Trennung ebenfalls kontinuierliche Rückkehr auf die nied- oder ein Aufspalten der Elektronenresonanzlinien 40 rigere Energiestufe eine angeregte Energieemission im magnetischen Feld Null. Die erwähnte Substanz mit der Frequenz /₀ der Kernumwandlung erzeugt, kann in -dem Lösungsmittel aufgelöst und ionisiert Es sind ferner diskontinuierlich arbeitende Masein. Man kann auch Ionen des Disulfonates des Per- gnetometer mit Kerninduktion bekannt, bei denen oxylamins oder des Diphenyl-Picryl-Hydrazyls in eine Lösung benutzt wird, die in dem Lösungsmittel Wasser benutzen. 45 Kernspins enthält und Elektronenspins einer in dem Der Erfinder hat in einer Veröffentlichung bereits Lösungsmittel gelösten paramagnetischen Substanz, dargelegt, daß, wenn man eine Elektronenresonanz- Die Polarisation der Kernspins in der ersten Arbeitslinie mit der von Null verschiedenen Frequenz F in phase wird einerseits, was die Richtung betrifft, miteinem im wesentlichen konstanten Nullfeld, wie z. B. tels eines magnetischen Hilfsfeldes sichergestellt, das dem schwachen Erdfeld, mittels eines Feldes hoher 5° eine Stärke hat, die ein wenig größer ist als die des Frequenz F (die in der Größenordnung von 55 bis zu messenden magnetischen Feldes Ή und das im 56 MHz für in Wasser aufgelöstes Nitrosodisulfat wesentlichen senkrecht zu 77, vorzugsweise während liegt) sättigt, die Intensität des Kernresonanzsignals, einer sehr kurzen Dauer, (ein wenig oberhalb der dessen Frequenz (2000 Hz für Protonen) streng pro- _{rf d} 1 _} j ^ _d portional der Intensität H des zu messenden magne- 55 f_a
tischen Feldes 77 ist, stark vergrößert wird wegen andererseits, was seine Stärke betrifft, durch die einer Kopplung zwischen den Kernspins und den Sättigung der Elektronenresonanzlinie der para-Elektronenspins; die Sättigung der Elektronen- magnetischen Substanz.

resonanzlinie wirkt sich in einer starken Steigerung Alle diese Arten von Magnetometern (mit Kernder Polarisation der Kernspins, d. h. der Gesamt- 60 absorption sowie die kontinuierlichen und diskontimagnetisierung M, aus. Diese Vergrößerung des nuierlichen mit Kerninduktion) bestehen, wenn die Kernsignals gestattet eine leichte und genaue Mes- Substanz mit gyromagnetischen Eigenschaften durch sung der Intensität eines schwachen magnetischen zwei Ansammlungen von untereinander gekoppelten Feldes (unterhalb von ungefähr 10 Gauß). Die An- Spins, insbesondere von Kernspins eines Lösungswendung dieser Sättigung einer Elektronenresonanz- 65 mittels und Elektronenspins einer paramagnetischen linie erfordert zwei elektrische Kreise, d. h. einen Substanz, gebildet wird, aus

Hochfrequenzkreis, der auf die Frequenz der Elek- a) einem elektrischen Kreis hoher Frequenz zur

tronenresonanz abgestimmt ist (z. B. 55 bis 56 MHz), Sättigung einer Elektronenresonanzlinie der

Elektronenspins, wobei diese hohe Frequenz in der Größenordnung von 55 bis 56 MHz im Falle einer Lösung von Kalium-Nitrosodisulfonat liegt,

b) einem elektrischen Kreis niedriger Frequenz, um (durch Absorption oder Induktion) das Kernsignal aufzufangen, wobei die niedrige Frequenz in der Größenordnung von 2000 Hz liegt, wenn die Kerne Protonen sind (Lösung in Wasser oder einem hydrierten Lösungsmittel).

Bei der Mehrzahl der Magnetometer besteht der Hochfrequenzkreis aus einer ersten Spule, genannt HF, die über eine Anpassungsvorrichtung (mit wenigstens einem veränderlichen Kondensator) durch einen Generator HF mit der Elektronenresonanzfrequenz F gespeist wird, während der Niederfrequenzkreis aus einer zweiten Spule, genannt BF, die Teil eines auf die Kernresonanzfrequenz /₀ im Feld Ή abstimmbaren Kreises ist, sowie Mitteln, wie z. B. einem Frequenzmesser, zur Bestimmung dieser ao Frequenz /₀ besteht.

Eine solche Vorrichtung mit zwei Spulen HF und BF weist eine Reihe von Nachteilen auf.

1. Die geringe Entfernung zwischen der Spule HF und der Spule BF ruft, wenn die Achsen der beiden Spulen nicht genau senkrecht aufeinanderstehen, eine Kopplung zwischen den entsprechenden Kreisen HF und BF hervor, wodurch eine starke Störung der Messung der Kernresonanzfrequenz entsteht. Man hat genaue Untersuchungen darüber angestellt, wie man diese Nachteile zeitweilig unterdrücken kann —

z. B. ordnet man die Spulen mit ihren Achsen absolut senkrecht aufeinander und gleich zur Richtung des Feldes Ή an (weil das Sättigungswechselfeld in einer zu 77 senkrechten Ebene liegen muß und weil die Spule mit ihrer Achse senkrecht zu Ή verlaufen muß, um eine gute Empfindlichkeit zu haben); in diesem Falle zeigt jedoch das Magnetometer eine einzige bevorzugte Orientierung im Verhältnis zu dem zu messenden Feld 77, dies ist sehr nachteilig, wenn die Feldmessungen mittels eines Magnetometers ausgeführt werden, das auf einem Fahrzeug auf der Erde oder in der Luft transportiert wird.

Man hat ferner zwischen den beiden Spulen BF und HF, die mit ihren Achsen parallel zueinander liegen, einen Faradaykäfig angeordnet, der die Kopplung verringert; diese Anordnung vermindert die Anforderungen bezüglich der Orientierung. Es genügt hierbei, daß die den Spulen gemeinsame Achse in einer im wesentlichen zu 77 senkrechten Ebene verläuft.

2. Auf Grund der Kopplung zwischen den beiden Spulen wird nur ein Teil der magnetischen Energie, die durch den Hochfrequenzkreis erzeugt wird, zur Sättigung der Elektronenresonanzfrequenz benutzt; der Rest geht in Form von Wärme in der Nähe der Spule HF verloren, teils im Hochfrequenzkreis, teils im Faradaykäfig; ferner besitzt das elektrische Feld, das notwendigerweise verbunden ist mit dem Magnetfeld hoher Frequenz, eine starke Intensität in der Nähe der Spule HF und bewirkt Energieverluste infolge von elektrischen Wirbelströmen in der Flüssigkeit.

3. Da die Frequenz der Elektronenresonanz in der Größenordnung von mehreren 10 MHz liegt, enthält die Spule HF, die das elektronische Sättigungsfeld schafft und die aus Gründen der Anpassung auf diese Frequenz mittels eines Kondensators abstimmbar sein muß, der in der Anpassungsvorrichtung angeordnet ist, notwendigerweise eine sehr geringe Anzahl von Windungen (z. B. zwei oder drei). Daraus ergibt sich, daß das von ihr geschaffene Feld nicht homogen ist und daß bestimmte Teile der Flüssigkeit mit zwei Spins, wo ein sehr schwaches magnetisches Feld herrscht, um die Sättigung der Kernresonanzlinie zu veranlassen, keine Rolle spielen; andererseits kann man dieses Feld nicht über eine bestimmte Grenze hinaus vergrößern, ohne in anderen Teilen der Flüssigkeit ein sehr starkes magnetisches Feld hervorzurufen, was zu einer unerwünschten Strahlenverdopplung führen würde. Der geeignete Kompromiß führt notwendigerweise zur Verwendung eines verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitsvolumens.

Die vorliegende Erfindung, die auf alle die erwähnten Arten von Magnetometern anwendbar ist, umfaßt als gyromagnetische Probe zwei Ansammlungen von Spins (im allgemeinen Kern- und Elektronenspins) und verwendet eine doppelte Resonanz (eine für jede Spinansammlung), um die erwähnten Nachteile zu vermeiden und um insbesondere

a) die Kopplung zwischen dem Hochfrequenzkreis der »Pumpung« (Elektronenresonanzfrequenz F) und dem Niederfrequenzkreis der Präzession (Kernresonanzfrequenz /₀) zu reduzieren, wenn nicht zu unterdrücken;

b) die Symmetrie oder Isotropie der Anordnung der Kreise zu vergrößern, um ein tragbares Magnetometer zu erhalten, das keine bevorzugte Orientierung aufweist;

c) die Energieverluste, insbesondere die, die durch den Joule-Effekt in der Probe auftreten, zu vermeiden;

d) die Empfindlichkeit solcher Magnetometer durch eine bessere Ausnutzung des Volumens der Probe zu erhöhen.

Bei Kernmagnetometern, bei denen man wenigstens teilweise eine elektromagnetische Resonanzlinie sättigt, um die Kernpolarisation zu vergrößern, bezieht sich die Erfindung auf die Mittel zur Sättigung der Elektronenlinie mit dem Ziel, bei diesen eine ausgezeichnete Isotropie und eine sehr große Wirksamkeit bei Frequenzen von einigen 10 MHz sicherzustellen. Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf Magnetometer, die eine flüssige Probe mit einem hydrierten Lösungsmittel und einer paramagnetischen Substanz mit einem Spektrum mit Hyperfeinstruktur bekannter Art enthalten, sondern in gleicher Weise auf solche Magnetometer, die andere flüssige oder feste Proben mit zwei Spinansammlungen verwenden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Stärke eines Magnetfeldes, insbesondere eines schwachen Magnetfeldes, wie z. B. des Erdfeldes, bestehend aus
a) wenigstens einem Behälter, der eine Probe aus einem Stoff mit einer ersten Ansammlung von Spins, die in dem Feld eine sättigungsfähige Resonanzlinie mit einer ersten Frequenz haben, und einer zweiten Ansammlung von Spins enthält, die mit den Spins der ersten Ansammlung derart gekoppelt sind, daß die Sättigung der Resonanzlinie eine Polarisation der Spins der zweiten Ansammlung hervorruft und die Intensität des Signals der Präzession der Spins der zweiten Ansammlung um die Richtung des FeI-

des mit einer zweiten Frequenz, die unterhalb der ersten Frequenz liegt und proportional der Stärke des Feldes ist, vergrößert,

b) Mitteln, um im Inneren des Behälters ein elektromagnetisches Feld mit der ersten Frequenz zu erzeugen, um wenigstens teilweise die Resonanzlinie zu sättigen,

c) Mitteln, insbesondere wenigstens einer Spule, die um den Behälter herum angeordnet sind, um das Signal der Präzession der Spins der ία zweiten Ansammlung zu empfangen, sowie

d) Mitteln zur Bestimmung der Frequenz des empfangenen Signals.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des. elektromagnetischen Feldes wenigstens eine elektrische Koaxialleitung mit einem inneren und einem äußeren Leiter enthalten, die an einem Ende kurzgeschlossen sind, dagegen am anderen Ende der Leitung mit einer Spannung der ersten Frequenz erregt werden, und der Behälter 2« wegen der Veränderungen des magnetischen Querfeldes in Längsrichtung entlang der erregten elektrischen Leitung zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter in wenigstens einem Schwingungsbauch, d. h. Bereich maximaler Stärke des magneti- sehen Feldes, angeordnet ist.

Infolge des Kurzschlusses entstehen im Inneren der Koaxialleitung stationäre Wellen des magnetischen Querfeldes und stationäre Wellen des elektrischen Querfeldes; dabei verlaufen die Schwingungsbäuche eines der Felder in denselben Querebenen wie die Schwingungsknoten des anderen Feldes. Der oder die Behälter sind in dem oder den Schwingungsbäuchen des magnetischen Feldes angeordnet, wo ein maximales magnetisches Feld (Nutzfeld) herrscht und ein minimales elektrisches Feld (hierbei handelt es sich um das. Feld, das die Verluste erzeugt, die sich aus der elektrischen Leitfähigkeit der Probe ergeben).

Damit kein elektromagnetisches Feld mit hoher Frequenz in Bereichen erzeugt wird, wo es nicht nützlieh ist, nimmt die Probe, um der notwendigen Isolierung und Dichtigkeit Rechnung zu tragen, den gesamten Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter ein. Da diese Probe in dem Bereich des maximalen magnetischen Feldes liegen muß, ist dieser Bereich derjenige, der dem Kurzschluß im Falle der Verwendung eines einzigen Behälters benachbart ist. Ferner hat die Koaxialleitung eine Länge, die ein Bruchteil in der Größenordnung eines Zehntels der Wellenlänge in der Probe entsprechend s& der Elektronenresonanzfrequenz F ist.

In F i g. 1 ist ein Magnetometer gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem die Koaxialleitung und der Behälter mit der flüssigen Probe teils als Ansicht, teils geschnitten, dargestellt, während die elektronischen Einheiten für die Speisung und die Messung der Larmorfrequenz in einem Blockschema wiedergegeben sind;

F i g. 2 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht des Behälters und des äußeren Leiters des Magnetometers der Fig. 1;

F i g. 3 zeigt die Kurve der Längsveränderung der magnetischen Felder in ausgezogenen Linien und der elektrischen Felder in unterbrochenen Linien in einer Koaxialleitung, wie sie bei dem Magnetometer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

F i g. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsformen des Magnetometers nach der Erfindung mit beinahe vollständiger Isotropie, bei der zwei Niederfrequenzspulen benutzt werden, die um die beiden Behälter herum angeordnet sind; die Behälter sind im Inneren der äußeren Enden der beiden Koaxialleitungen untergebracht, deren Achsen senkrecht aufeinanderstellen, oder von zwei Bereichen des magnetischen Maximalfeldes einer einzigen rechtwinklig abgebogenen Koaxialleitung;

F i g. 6 und 7 sind schematische Ansichten, insbesondere im Schnitt nach der Linie VI-VI der Fi g. 7 und im Grundriß (schraffiert) eines isotropen Magnetometers mit einer einzigen Koaxialleistung und einem einzigen Behälter, jedoch mit zwei Spulen BF;

F i g. 8 zeigt schematisch ein Magnetometer mit Kernabsorption;

F i g. 9 zeigt als Blockschema den Niederfrequenzkreis eines diskontinuierlich arbeitenden Magnetometers mit Kerninduktion, der in den Teil A des Kreises BF der Fig. 1, 4, 5 und 7 eingesetzt werden kann;

Fig. 10 ist ein Querschnitt durch die Koaxialleitung gemäß F i g. 1 und zeigt die wirksame Sättigungszone (schraffiert) in dem Fall, wo die Achse der Koaxialleitung senkrecht auf dem zu messenden magnetischen Feld Ή verläuft.

Ein Magnetometer gemäß der Erfindung besteht aus:

1. Einem Behälter aus einer dielektrischen oder isolierenden Masse, wie Methylpolymethacrylat (lichtdurchlässiger Kunststoff), oder einem gehärteten Kunstharz. Der Behälter setzt sich zusammen aus einem inneren Rohr 2, einem äußeren Zylinder 4a, dessen eines Ende (das obere Ende in den F i g. 1 und 2) einen Boden oder Deckel 4 m mit einer Bohrung 4 η hat, in der sich das Rohr 2 befindet, und einer Scheibe 4 p, die durch einen Rand 4q gehalten wird, welcher zum Inneren des Zylinders 4 a hin umgefaltet ist. Die Scheibe ist auf den umgefalteten Rand aufgeklebt, um einen zweiten Boden des Zylinders zu bilden; die Scheibe 4p ist ebenfalls· mit einer Bohrung versehen, die dazu dient, daß andere Ende des Rohres 2 zu halten.

2. Einer flüssigen oder eventuellen festen Probe 3 mit zwei Spinansammlungen, z. B. einem hydrierten Lösungsmittel, wie Wasser, in dem eine paramagnetische Substanz mit einem Spektrum mit Hyperfeinstruktur aufgelöst ist, die beim Feld Null eine Trennung der Energiezustände und folglich eine sättigbare Eiektronenvesonanzlinie aufweist, die bei einem von Null verschiedenen und schwachen Feld eine von Null verschiedene und im wesentlichen konstante Frequenz hat. Die Probe 3 kann z. B. aus einer wäßrigen Lösung von Kalium—Nitrosodisulfonat K₂ (SQg)₂NO bestehen mit einer Konzentration von 1 g/l.

3. Einer koaxialen elektrischen Leitung, die aus einem inneren Leiter 1 (der z. B. wie dargestellt ein Rohr mit einem Längsschlitz la oder eine Vollstange sein kann) aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden Material und einem äußeren Leiter 4 aus vorteilhafterweise einer sehr dünnen Schicht aus Kupfer oder Silber besteht, die auf die äußere Oberfläche des Zylinders 4 a aufgebracht ist. Die Schicht 4 ist vorzugsweise in Längsrichtung in verschiedene Zonen durch ausgeschnittene Streifen,, z. B„ drei Streifen 4 b, 4 Cy 4 d, eingeteilt. Das Aufbringen des Kupfers oder Silbers kann nach bekannten Verfahren erfolgen, wobei die Streifen 4b, 4c, 4d durch Schutzpapier freigehalten werden. Der innere Leiter ist in dem

isolierten Rohr 2 angebracht, er ragt mit seinem eines emaillierten Kupferdrahtes mit 0,4 mm Durchoberen Ende hervor und wird z. B. mittels einer lei- messer) enthält, und die um die Koaxialleitung 1, 4 tenden Scheibe Ic und einer Schweißung Ib elek- so gewickelt ist, daß ihre Achse längs der Achse XX irisch mit den leitenden Längszonen des äußeren Lei- verläuft.

ters 4 verbunden. Die Zonen vereinigen sich auf dem 5 Die Spule dient dazu, das Kernsignal zu empfangen, oberen Deckel 4m, wie aus Fig.2 ersichtlich, zu Der Niederfrequenzkreis besitzt ferner einen ver-

einem Kranz, während das andere Ende 16 des Roh- änderlichen Kondensator 12, der mit den Steckern 11 res 1 herausragt und einen Steckerstift bildet; in ahn- der Spule 10 verbunden ist, um einen Resonanzkreis licher Weise sind die leitenden Längszonen des äuße- zu bilden, der auf die Frequenz /₀ der Kernresonanz ren Leiters 4 mit herausragenden Steckerstiften 4e, io abstimmbar ist (2000Hz für Protonen im Erdfeld) 4/, 4 g verbunden. sowie einen Niederfrequenzverstärker 13, der geeignet

Die Abmessungen können beispielsweise folgende ist, die wegen der Kopplung zwischen den Kernspins sein (Fig. 1): und der Spule 10 in dem Schwingungskreis 10, 12

Innerer Durchmesser des erzeugte Wechselspannung zu verstärken während

Zylinders 4 a R= 23,5 mm ^{15 diese S}P^{ms eme} Präzessionsbewegung ausfuhren.

ν _n, _. , , Auch gehören zu dem Kreis em Frequenzmesser Äußerer Durchmesser des _ ₁₄ ^_{1 Messung der durch den} Verstärker 13 verRohres 2 r — 7,5 mm stärkten Schwingungen und ein Analog- oder Digital-Lange des Behälters 2,4 a L = 143 mm registriergerät 15, das die fortlaufenden Messungen

Durchmesser des Rohres 1 r₀ = 3 mm so des Frequenzmessers 14 registriert. Die Anordnung A

Dicke der Schicht, die den ^von Kondensator 12 und Einheiten 13, 14 und 15

Leiter 4 bildet e = 0,020 mm ^{bildet eine als solche} bekannte Vorrichtung zur

Messung der Frequenz /₀ der Wechselspannung, die

Die Dicke des Rohres 1, des Rohres 2 und des in der Spule 10 induziert wird und die genau propor-Zylinders 4 a ist nicht wesentlich, jedoch ist es zweck- 35 tional der Stärke H des zu messenden magnetischen mäßig, sie so schwach wie möglich auszubilden, Feldes Ή ist.

wobei gleichzeitig für eine gute mechanische Festig- Die Sättigung einer Resonanzlinie der Elektronen-

keit dieser Teile Sorge getragen werden muß. spins der Flüssigkeit 3 durch den Kreis HF 9, HF 8,

Die Anwesenheit eines metallisierten Zylinders im HF 7, HFl, HF 4 bewirkt infolge der Kopplung zwi-Inneren der Spule 10 des Niederfrequenzkreises stellt 30 sehen den Elektronenspins und den Kernspins dieser infolge der Kopplung einen Verlustwiderstand dar Flüssigkeit sowie der Kopplung zwischen diesen und führt zu einer Verminderung der Induktivität. Kernspins und der Spule 10, die angeregte Energie-Man vermeidet diesen Effekt, indem man die Metall- emission mit der Frequenz /₀ in dem Kreis BFlO, schicht 4 des Behälters oder Zylinders 4 a parallel BF12 unter der Bedingung, daß dieser einen auszur Längsachse XX aufschlitzt und die Stärke e der 35 reichend erhöhten Gütekoeffizienten aufweist.
Metallschicht auf einige 10 Mikron beschränkt. Aus Bevor auf die anderen Ausführungsformen eines

dem gleichen Grunde besteht der innere Leiter 1 aus Magnetometers gemäß der Erfindung eingegangen einem gemäß la aufgeschlitzten Rohr. Man hat fest- wird, soll an Hand der Fig.3 bis 10 die Verteilung gestellt, daß drei Schlitze auf der leitenden Schicht 4 der magnetischen und elektrischen Felder in der genügen, damit sich der Effekt der Kopplung nicht 40 Koaxialleitung und die Wirksamkeit des magnetischen schädlich bemerkbar macht. Feldes in dieser Leitung als Folge der Orientierung

4. Mittel, um die Koaxialleitung 1, 4 ständig mit desselben in bezug auf das zu messende magnetische der hohen Frequenz F zu erregen; diese Mittel dienen Feld Ή erläutert werden.

zusammen mit der Koaxialleitung dazu, die Elek- Man weiß, daß in einer koaxialen elektrischen Lei-

tronenresonanzlinie zu sättigen. Im einzelnen be- 45 tung das magnetische und das elektrische Feld quer stehen sie aus einem Generator HF 9 mit einer Lei- zueinander verlaufen. Zum anderen bilden sich, wenn stung von 5 Watt (50 Ohm) bei der »Pumpfrequenz« diese Leitung an einem Ende kurzgeschlossen ist, (56MHz im Falle von Nitrosodisulfonat in einem stehende magnetische und elektronische Wellen mit schwachen Feld) sowie einem Koaxialkabel 8 mit einem Bauch für das magnetische Feld und einem 50 Ohm, einem kleinen Durchmesser und einer Länge 50 Knoten für das elektrische Feld in der Ebene des von beispielsweise 30 m, um zu verhindern, daß der Kurzschlusses und Wiederholungen der Bäuche und Generator 9 auf den Kreis BF einwirkt. Knoten in um d/4 voneinander entfernten Ebenen,

Ferner gehören dazu eine Vorrichtung 7 zur An- wobei d die Wellenlänge mit der Frequenz /₀ in der passung der Impedanz zwischen dem Generator 9 Flüssigkeit 3 ist. In der Zeichnung sind die Längsund der Koaxialleitung 1, 4. Diese Vorrichtung 55 änderungen des magnetischen Feldes (durchgezogene besteht beispielsweise aus einem festen Kondensator Linie) und des elektrischen Feldes (gestrichelte Linie) 7 b (mit 2500 μΡ) und einem veränderlichen Konden- bei einer bestimmten Entfernung von der Achse XX sator Ta (zwischen 0,070 und 0,150 μΡ) und enthält der Koaxialleitung in Abhängigkeit von der Kurzvier Steckerhülsen, zu denen eine mittlere Hülse 6 c schlußstelle (senkrecht zur Achse XX) dargestellt; die für den Steckerstift 1 & am Ende des inneren Leiters 1 60 Entfernung ist auf der Abszisse und die Felder sind und drei äußere Hülsen 6 & gehören, die dazu dienen, auf den Ordinaten in willkürlichen Einheiten aufdie Steckerstifte 4e, 4/ und 4 g aufzunehmen. getragen.

Das untere Ende der Leitung 1, 4 wird durch den Gemäß der Erfindung muß die Probe im Inneren

Generator 9 über den Anpassungskreis 7 mit der der Koaxialleitung in Bereichen (Bäuchen) maximaler Pumpfrequenz erregt. 65 Stärke des magnetischen Feldes (schraffierte Zonen

5. Ein Niederfrequenzstromkreis, der eine Spule 10 der Fig. 3) angeordnet sein. Wenn man einen einmit einer sehr großen Anzahl von Windungen eines zigen Behälter verwendet, wird dieser in der Zone 16 feinen Drahtes (z. B. mehreren 1000 Windungen in der Nähe der Ebene des Kurzschlusses angeordnet.

11 12

Dabei ist die Länge L dieser Zone ein kleiner Bruch- zienten und folglich zu einer quasikonstanten Empteil (in der Größenordnung eines Zehntels) der WeI- findlichkeit für den Stromkreis HF führt,
lenlänge d. Wenn man die Probe in mehreren Be- Was den Radius R und den Radius r des isolierenreichen (wie in F i g. 5 dargestellt) angeordnet, sind den Zylinders anbelangt, der den inneren Leiter umdiese Bereiche durch η · d getrennt, wobei η eine S gibt, ist festzustellen, daß das Verhältnis zwischen ganze Zahl darstellt; in diesen Bereichen liegen die dem Maximalwert des elektrischen Feldes und dem Bäuche des magnetischen Feldes. Minimalwert des magnetischen Feldes im Innern des Die Anordnung der Probe in den Bäuchen des _Behäj_{ters bei einer gegebenen Höhe} proportional *- magnetischen Feldes ist mit zwei zufriedenstellenden ^{6 & F} * r Ergebnissen verbunden: io ist, da der Füllungskoeffizient für ein gegebenes R

1. Die Probe befindet sich in einem Bereich, wo das und eine gegebene Stromstärke wächst, wenn R aneinzig brauchbare magnetische Feld maximal ist. ^. _±m . . _{d ψ}^ ,R

2. Das elektrische Feld ist minimal in den Be- ^{& r} r reichen des maximalen magnetischen Feldes, das nach Versuchen des Erfinders bei 3 liegt,
wodurch man die Verluste, die sich durch die 15 Die Störungen, die im Niederfrequenzkreis (Freelektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit ergeben, quenz der Kernresonanz) durch das Hochfrequenzauf ein Minimum beschränkt. feld hervorgerufen werden, werden erheblich unter-

Andererseits tritt die gewünschte Sättigung in der drückt: Eine Kopplung magnetischer Art kann nicht

Elektronenresonanzlinie nur an solchen Stellen des auftreten, weil das in dem Zwischenraum herr-

Flüssigkeitsvolumens ein, wo die Intensität des 20 sehende magnetische Feld senkrecht zu seiner Achse

magnetischen Feldes der »Pumpung« als Projektion verläuft und axiale Symmetrie besitzt (eine Ausnahme

auf eine Ebene, die senkrecht zu dem darin zu mes- besteht bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten

senden magnetischen FeIdF verläuft, einen Wert Ausführungsform). Es erzeugt einen magnetischen

oberhalb eines bestimmten Grenzwertes H_min hat. Induktionsfluß, der quer zur Niederfrequenzspule 10

Man definiert als einen »Füllungskoeffizienten« 25 Null ist. Andererseits ist das elektrische Feld in dem

das Verhältnis zwischen dem nützlichen Volumen Raum außerhalb der Koaxialleitung 1, 4 Null, da die

und dem Gesamtvolumen der Probe, von dem die elektromagnetische Strahlung im Innern des äußeren

Amplitude der Kernpolarisation, die durch die Leiters 4 eingeschlossen ist.

»Pumpung« HF erhalten wird, direkt abhängt. Die Begrenzung dieser elektromagnetischen Strah-

In einer Koaxialleitung sind die Kraftlinien des 30 lung in diesem Raum führt zu einer Verminderung magnetischen Feldes Kreise, die senkrecht zur Achse der Energieverluste, die schon durch den geringen XX verlaufen und auf dieser Achse zentriert sind; Wert des Verhältnisses von elektrischem zu magnedie Intensität dieses Feldes an einem Punkt ist pro- tischem Feld begrenzt sind. Aus demselben Grund portional der Intensität des elektrischen Stromes, der vermeidet man jeden elektrischen Kontakt zwischen den inneren Leiter 1 in Höhe des so betrachteten 35 Flüssigkeit und den leitenden Oberflächen, wobei Punktes durchläuft und umgekehrt proportional der man das Rohr 2 und den Zylinder 4 a aus einer isoEntfernung dieses Punktes von der Achse XX. lierenden Substanz herstellt.

Da das permanente zu messende Feld Ή parallel Es ergibt sich, daß bei einer ausreichenden Stärke

der Achse XX der Koaxialleitung 1, 4 verläuft, ist des Erregerstromes der Koaxialleitung 1, 4, d. h.

das nützliche Volumen ein die Achse umgebender 40 wenn der Füllungskoeffizient für die quergerichteten

Zylinder, dessen Durchmesser von der Stärke des magnetischen Felder Ή in der Nähe von 1 liegt, die

durch die Leitung fließenden Stromes abhängt. Der Anordnung des Kreises HF und des Behälters, der

Füllungskoeffizient ist gleich 1, wenn diese Intensität die Probe mit zwei Spinansammlungen aufnimmt,

einen Wert hat, der oberhalb oder gleich einem eine fast vollständige Isotropie aufweist; d. h., daß die

Grenzwert /₀ ist, der abhängt von dem Radius R des 45 Stärke des Kern-Präzessionssignals mit der Frequenz

äußeren Leiters (der exakte Wert ist J₀ = ¹ZsRH_n,^; f₀ um die Richtung des Feldes Ή nur wenig von der

dabei ist H_min der Minimalwert der Amplitude des Orientierung der Koaxialleitung in bezug auf diese

magnetischen Feldes der »Pumpung«, unterhalb dem Richtung abhängt.

die elektronische Sättigung eine Polarisation hervor- Da das Kernsignal in der Spule BFlO eine beruft, die nicht mehr ausreicht, um eine exakte Mes- 50 rechenbare Wechselspannung mit der gleichen Fresung durchzuführen). quenz f₀ induziert, ist es notwendig, daß die Achse

Wenn im Gegensatz dazu das zu messende perma- der Spule 10 (Achse XX) einen bestimmten Winkel

nente Feld 77 in einer Ebene liegt, die senkrecht zur von vorzugsweise ungefähr 90° mit der Richtung Ή

Achse verläuft (wie in Fig. 10 dargestellt), umfaßt bildet.

die wirksame Zone nur einen Teil des Gesamtvolu- 55 Es ist daher von Interesse, um die Vorteile der

mens (in Fig. 10 schraffiert dargestellt). Insbeson- Quasiisotropie, die sich aus der Sättigung der Elektro-

dere ist, wenn der Strom gleich dem erwähnten Grenz- nenresonanzlinie mittels einer Koaxialleitung, in der

wert I₀ ist, der Füllungskoeffizient gleich 0,5. die Probe mit gyromagnetischen Eigenschaften ange-

Man vermindert die Differenz zwischen den Fül- ordnet ist, auszunutzen, den Kreis BF gleichfalls lungskoeffizienten für die axiale und für die trans- 60 quasiisotropisch anzubringen. Man kann beispielsversale Orientierung des permanenten Feldes Ή da- weise zwei Spulen 10 δ und 10 c für das Auffangen durch, daß man eine Stromstärke benutzt, die ober- des Kernpräzessionssignals vorsehen, wobei die halb dieses Grenzwertes I₀ liegt. Wenn man darüber Spulen mit ihren Achsen senkrecht zueinander angehinaus berücksichtigt, daß die Orientierung des per- ordnet und in Reihe oder parallel geschaltet sind, manenten Feldes in der Normalebene aus Symmetrie- 65 Dank dieser Anordnung wird das zu messende pergründen keinerlei Einfluß hat, sieht man, daß es leicht manente magnetische Feld, wie seine Orientierung ist, mittels der Koaxialleitung 1, 4 eine Verteilung zu zur Achse dieser beiden Spulen 10 δ und 10 c auch erhalten, die zu einem quasiisotropen Füllungskoeffi- sei, immer eine Komponente besitzen, die senkrecht

zu der einen oder der anderen Spule verläuft; das Kernsignal erzeugt daher in dieser Teilspule eine berechenbare elektromotorische Wechselkraft. Die gesamte elektromotorische Kraft, die durch die beiden in Reihe oder parallel geschalteten Spulen 10 ό und 10 c erhalten wird, wird sich nur vom Einfachen zum Doppelten (Wert) verändern, entsprechend der Orientierung von Ή zu den Achsen der Spulen 10 b und 10 c. Man erhält auf diese Weise ein quasiisotropes Magnetometer mit drei Freiheitsgraden.

In den Fig.4 bis 7 sind schematisch drei Ausführungsbeispiele mit zwei Spulen BFlOb und 10 c dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der F i g. 4 umfaßt zwei Koaxialleitungen 1, 4 in der Art, wie es in Fig. 1 dargestellt ist (mit einem Behälter 2, 4 a, der eine Flüssigkeit 3 mit zwei Spinansammlungen enthält). Jede Leitung ist von einer Spule 10 b und 10 c umgeben; die beiden Leitungen sind mit ihren Achsen senkrecht zueinander angeordnet und werden von Klemmen 166 und 16 c aus über ihre Stifte Ib, 4/ aa parallel erregt; die über eine nicht dargestellte Anpassungsvorrichtung mit einem Generator HF 9 verbunden sind. Eine der Anordnung .,4 der Fi g. 1 ähnliche Anordnung verarbeitet die Kernsignale, die über die Spulen 10 & und 10 c entnommen werden und an den Klemmen Ub und lic verfügbar sind. Im Gegensatz dazu besteht das in F i g. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel aus einer einzigen Koaxialleitung 1, 4, die im rechten Winkel abgebogen ist (oder zwei Enden der Koaxialleitungen mit senkrecht aufeinanderstehenden Achsen sind durch ein Anschlußstück mit rechtem Winkel miteinander verbunden) und in der zwei Behälter 2, 4 a mit einer Flüssigkeit 3 angeordnet sind, die einen Abstand voneinander haben, der gleich der halben Wellenlänge in der Flüssigkeit 3 mit der Frequenz F der Erregerquelle 9 ist (der Anpassungskreis der Impedanz ist nicht dargestellt). Genauer gesagt, ist die Entfernung L₁ gleich

-=-, so daß die Mitte des Behälters mit waagerechter

Achse in einem Bauch desMnagnetischen Feldes liegt. Beide Spulen 10 b und 10 c zum Auffangen des Kernsignals sind um die beiden Behälter 2, 4 a herum angeordnet, und das Gesamtsignal, das an den Klemmen 110 und lic abgenommen werden kann, wird durch eine Anordnung A, die ähnlich der der Fig. 1 ist, verarbeitet.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.6 und 7 sieht man eine einzige geradlinige Koaxialleitung 1,4 vor, die der entspricht, die im einzelnen in F i g. 1 dargestellt ist, mit zwei Erregereinrichtungen und der gleichen Anordnung des Behälters 2,4 a mit der Flüssigkeit 3 mit zwei Spins. Jedoch ordnet man beide Spulen BF10 b, 10 c so an, daß ihre Achsen aufeinander und zur Achse der Koaxialleitung 1, 4 senkrecht stehen, um in zwei senkrechten Ebenen das durch die Kernspins der Probe 3 erzeugte Kernsignal zu sammeln, wenn die Elektronenspins dieser Probe in Anwesenheit des zu messenden Feldes Ή dem Feld HF mit der Elektronenresonanzfrequenz unterworfen werden. Das empfangene Gesamtkernsignal wird in einer Vorrichtung A verarbeitet. Der Aufbau der F i g. 6 und 7 ist identisch dem der F i g. 1 mit der Ausnahme, daß man die einzige Spule BFlO durch zwei Spulen 10 a und 10 b ersetzt hat, die mit ihren Achsen zueinander und zu XX senkrecht verlaufen und in Reihe geschaltet sind (sie können auch parallel geschaltet werden).

Die Magnetometer mit zwei Spulen BFlOa, 10 & der Fig.4 bis 7 zeigen eine fast vollständige Isotropie, was ein großer Vorteil ist, wenn die Magnetometer auf Kraftfahrzeugen oder in Flugzeugen untergebracht sind.

Mit den Ausführungsformen der Fig. 1, 2, 4, 5, 6 und 7 kann man nicht nur kontinuierlich arbeitende Magnetometer mit Kerninduktion, insbesondere vom Typ »Maser« verwirklichen, sondern auch diskontinuierlich arbeitende Magnetometer mit Kernabsorption oder Kerninduktion.

Bei allen Anordnungen sind nicht dargestellte Hähne vorgesehen zum Füllen und Entleeren des bzw. der Behälter 2, 4 a.

In F i g. 8 ist schematisch ein Magnetometer mit Kernabsorption dargestellt, das aus einer flF-Einheit besteht, die der F i g. 1 entspricht (die Anpassungsvorrichtung ist nicht dargestellt). Der Kreis BF enthält außer einer Spule 10 einen Spektrometer 17 bekannter Bauart, einen Generator 18 mit 50Hz (europäisches Netz) oder 60 Schwingungen pro Sekunde (USA.-Netz) und eine Spule 19, die über diesen Generator 18 gespeist wird, um eine periodische Veränderung des gesamten magnetischen Feldes zu erhalten, dem die Flüssigkeit 3 ausgesetzt ist. Die Resonanz wird bei einem Absorptionsmaximum in das Spektrometer übertragen und kann gegenüber den Schwingungen des Generators 18 im Spektrometer, das diese ebenfalls empfängt, festgestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Stärke H des zu messenden Feldes Ή mittels der Formel

Zl =

2π

festzustellen.

Dabei ist f_t die Resonanzfrequenz, γ das gyrometrische Verhältnis der Kernspins der Probe 3, h die Intensität des durch die Spule 19 im Augenblick der Resonanz erzeugten Feldes. Einzelheiten über den Kreis BF und über den Modulationskreis sind bereits vorbekannt.

In F i g. 9 ist der Kreis BF dargestellt, der im Falle eines bekannten diskontinuierlich arbeitenden Magnetometers mit Kerninduktion aus der Spule 10, der Koaxialleitung, dem Behälter und den Mitteln zur Erregung der Koaxialleitung besteht, die den in den F i g. 1 und 2 dargestellten entsprechen. Der Kreis BF besteht aus

1. einer Gleichstromquelle 20, aus der während einer ersten Arbeitsphase (wenn der Unterbrecher 21 geschlossen ist, d.h. die gestrichelt angedeutete Lage einnimmt) die Spule 10 versorgt wird, um ein magnetisches Hilfsfeld zu erzeugen, das die Polarisation in Richtung der Kernspins der Probe 3 bewirkt (dagegen wird ihre verstärkte Polarisation durch die Sättigung der Elektronenspins dieser Probe durch den Kreis HF hervorgerufen);

2. einem Widerstand 22, mit dem unmittelbar nach dem Abtrennen des Hilfsfeldes durch Öffnen des Unterbrechers 21 die unerwünschten Schwingungen vernichtet werden können, wobei sich der Umschalter 23 in der mit gestrichelten Linien angeordneten Lage befindet;

3. einem veränderlichen Kondensator 12, der an die Spule 10 angeschlossen ist, um einen auf die Frequenz /₀ abstimmbaren Schwingungskreis zu

bilden, wenn der Umschalter 23 die durch ausgezogene Linien angedeutete Lage annimmt und den Widerstand 22 kurzschließt;

4. einem Verstärker 13 zum Verstärken der Schwingungen des Resonanzkreises 10, 12, einem Frequenzmesser 14 zum Bestimmen der Frequenz dieser Schwingungen und einem Registriergerät 15 zum Aufzeichnen der laufend von dem Frequenzmesser 14 gelieferten Werte;

5. einem Zeitgeber 24, der nach einem vorgegebenen Programm den Unterbrecher 21, den Umschalter 23 und den Frequenzmesser 14 steuert.

Einzelheiten des Kreises BF der F i g. 9 und dessen Arbeitsweise sind bereits bekannt. Die Fig.9 und deren kurze Beschreibung dienten lediglich dem Zweck, zu zeigen, daß man durch Ersatz der Anordnung A der F i g. 1 (oder der F i g. 4, 5 oder 6 und 7) durch die Anordnung Al der Fig.9 ein diskontinuierlich arbeitendes Magnetometer mit Kerninduktion verwirklichen kann, das die Vorteile der Erfindung aufweist.

Ein Magnetometer gemäß der Erfindung eignet sich infolge seiner fast vollständigen Isotropie zur Messung des magnetischen Erdfeldes und dessen Veränderungen von einem auf der Erde oder in der Luft befindlichen Fahrzeuges aus.

Man kann als Probe eine Substanz benutzen, die zwei Ansammlungen von Spins enthält (Kernspins und Elektronenspins), z. B. eine der folgenden Lösungen:

a) In Wasser, Pyridin oder Formamid gelöstes Kalium- oder Natriumnitrosodisulfonat;

b) in Benzol oder anderen organischen Stoffen gelöstes Diphenylpicrylhydrazyl;

c) in Äther gelöstes Tetraphenylstiboniumnitrosodisulfonat;

d) in Benzol gelöstes Picrylaminocarbazyl oder

e) in Wasser gelöste Ionen einen Semiquinons, z. B. (O = C₆H₄-Ο)".

Claims (12)

Patentansprüche: 45

1. Vorrichtung zur Messung der Stärke eines Magnetfeldes, insbesondere eines schwachen Magnetfeldes, wie z. B. des Erdfeldes, bestehend aus

a) wenigstens einem Behälter, der eine Probe aus einem Stoff mit einer ersten Ansammlung von Spins, die in dem Feld eine sättigungsfähige Resonanzlinie mit einer ersten Frequenz haben, und einer zweiten Ansammlung von Spins enthält, die mit den Spins der ersten Ansammlung derart gekoppelt sind, daß die Sättigung der Resonanzlinie eine Polarisation der Spins der zweiten Ansammlung hervorruft und die Intensität des Signals der Präzession der Spins der zweiten An-Sammlung um die Richtung des Feldes mit einer zweiten Frequenz, die unterhalb der ersten Frequenz liegt und proportional der Stärke des Feldes ist, vergrößert, b) Mitteln, um im Inneren des Behälters ein elektromagnetisches Feld mit der ersten Frequenz zu erzeugen, um wenigstens teilweise die Resonanzlinie zu sättigen,

c) Mitteln, insbesondere wenigstens eine Spule, die um den Behälter herum angeordnet sind, um das Signal der Präzession der Spins der zweiten Ansammlung zu empfangen, sowie

d) Mitteln zur Bestimmung der Frequenz des empfangenen Signals,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes wenigstens eine elektrische Koaxialleitung mit einem inneren und einem äußeren Leiter enthalten, die an einem Ende kurzgeschlossen sind, dagegen am anderen Ende der Leitung mit einer Spannung der ersten Frequenz erregt werden, und der Behälter wegen der Veränderungen des magnetischen Querfeldes in Längsrichtung entlang der erregten elektrischen Leitung zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter in wenigstens einem Schwingungsbauch, d.h. Bereich maximaler Stärke des magnetischen Feldes, angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine einzige Koaxialleitung enthält, deren Länge ein geringer Bruchteil der Wellenlänge in der Probesubstanz bei der ersten Frequenz ist, daß der Behälter im wesentlichen den ganzen Raum dieser Koaxialleitung zwischen dem äußeren und dem inneren Leiter einnimmt und daß die Mittel zum Empfangen des Präzessionssignals von einer einzigen Spule gebildet werden, deren Achse mit der der Koaxialleitung zusammenfällt (Fig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Empfangen des Präzessionssignals aus zwei Spulen bestehen, deren Achsen aufeinander senkrecht stehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes aus zwei parallel erregten elektrischen Koaxialleitungen bestehen, deren Länge ein geringer Bruchteil der Wellenlänge in der Probesubstanz bei der ersten Frequenz ist, sowie einem Behälter für die Probesubstanz, der so angeordnet ist, daß er den ganzen Raum jeder Koaxialleitung zwischen ihrem äußeren und ihrem inneren Leiter einnimmt, und daß eine Spule die erste Koaxialleitung auf der Höhe eines Behälters umgibt, während die andere Spule die zweite Koaxialleitung auf der Höhe des anderen Behälters umgibt (F i g. 4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes aus einer im rechten Winkel abgebogenen Koaxialleitung, deren Länge ein wenig größer ist als die Hälfte der Wellenlänge in der Probesubstanz bei der ersten Frequenz, sowie zwei Behältern für die Probesubstanz bestehen, von denen der eine am kurzgeschlossenen Ende der Koaxialleitung, der andere in einer Entfernung von diesem Ende angeordnet ist, die im wesentlichen der halben Wellenlänge entspricht, und daß eine der Spulen die Koaxialleitung in der Höhe des ersten Behälters, die andere in Höhe des zweiten Behälters umgibt (Fig. 5).

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes aus einer einzigen Koaxialleitung bestehen, deren Länge ein gerin-

ger Bruchteil der Wellenlänge in der Probesubstanz bei der ersten Frequenz ist, daß der Behälter im wesentlichen den gesamten Raum der Koaxialleitung zwischen dem äußeren und dem inneren Leiter einnimmt, und daß die beiden Spulen um diese Koaxialleitung herum angeordnet sind, wobei die Achse der zweiten Spule und die Achse der Koaxialleitung mit der Achse der ersten Spule ein System von Achsen bilden, von denen jeweils zwei senkrecht aufeinanderstehen (Fig. 6 und 7).

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Koaxialleitung und ihr Behälter aus einem dichten zylindrischen Umdrehungskörper, bestehend aus einem dielektrischen Werkstoff, der einen Boden hat und auf seiner Außenfläche und seinem Boden mit einer leitenden Schicht bedeckt ist, einem axialen Leiter sowie einem Zylinder aus einem dielektrischen Werkstoff be- ao stehen, der den Leiter umgibt und in eine in der Mitte des Bodens befindliche Öffnung eingelassen ist, wobei der Leiter mit der auf dem Boden aufgebrachten leitenden Schicht elektrisch verbunden ist, während die freien Enden des Leiters einerseits und der auf der Oberfläche aufgebrachten Schicht andererseits elektrisch an einer Stromquelle mit der ersten Frequenz angeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper aus Methylpolymethacrylat, die leitende Schicht und der Leiter aus Kupfer bestehen.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Stärke in der Größenordnung von einigen 10 Mikron hat.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 8, 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch einige, vorteilhafterweise drei, in Längsrichtung auf der Oberfläche verlaufende und bis zum Boden durchgehende Streifen unterbrochen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Leiter ein in Längsrichtung aufgeschlitztes Rohr ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialleitung zur Erzielung einer merklichen Sättigung der Resonanzlinie mit der Minimalamplitude für das magnetische Feld gespeist wird, dadurch, daß der darin fließende Strom mit der ersten Frequenz wenigstens gleich der halben maximalen Entfernung eines Punktes der Probesubstanz von der Achse der Koaxialleitung ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1177 112;

»Revue General de l'Electricite«, 67 (1958), S. 376;

»Electronic Engineering«, März 1959, S. 138 bis 140;

»Review of Scientific Instr.«, 31, Februar 1962, S. 204, 205.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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