DE1231807B - Nach der Kernresonanzmethode arbeitende Vorrichtung zur Messung magnetischer Feldstaerken - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIr

Deutsche Kl.: 21 e -12

1231 807
S 66339IX d/21e
18. Dezember 1959
5. Januar 1967

Nach der Kernresonanzmethode arbeitende
Vorrichtung zur Messung magnetischer
Feldstärken

Die Erfindung betrifft eine nach der Kernresonanzmethode arbeitende Vorrichtung zur Messung magnetischer Feldstärken mit einer aus einem Protonen enthaltenden, mit paramagnetischen Ionen versetzten und einem Hochfrequenzfeld ausgesetzten Körper bestehenden Kernspinprobe, einer Erreger- und einer Abnahmespule, deren letztere an den Eingang und deren erstere an den Ausgang ein und desselben, die Maßsignale liefernden Verstärkers angeschlossen sind, wobei der Kopplungskoeffizient dieser die Kernspinprobe umschließenden Spulen bei fehlender Kernspinprobe Null ist.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist an die Erregerspule ein selbsterregter Oszillator zur Erzeugung des Hochfrequenzfeldes angeschlossen, dem 15 die Kernspinprobe zur Anregung der Kernresonanz ausgesetzt ist. Die Abnahmespule ist Teil eines auf die Kernresonanz abgestimmten Schwingkreises hoher Güte, dem zur Auswertung der Meßsignale ein Verstärker nachgeschaltet ist (französische Patentschriften 20 1177 122,1155 469). Um die Frequenz des Oszillators möglichst genau gleich der Kernresonanzfrequenz zu halten, ist es bekannt, den Oszillator mit der Ausgangsspannung des der Abnahmespule nachgeschal- ^A

teten Verstärkers zu synchronisieren (USA.-Patent- 25 suchungen proportional der Differenz aus der Eigenschrift 2 589 494). Um bei fehlender Kernspinprobe eine Selbsterregung des aus Abnahmespule, Verstärkerund Erregerspule im Rückkopplungskreis geschalteten Systems zu vermeiden, ist es bekannt, die Erregerund die Abnahmespule mit um 90° gegeneinander verdrehten Achsen anzuordnen, so daß die beiden Spulen entkoppelt sind.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird für den Meßvorgang davon Gebrauch gemacht, daß die Frequenz der Kernresonanz in einem allein durch die verwendete Kernspinprobe bestimmten festen VerAnmelder:

Sud-Aviation Societe Nationale de Constructions

Aeronautiques, Paris

Vertreter:

Dipl.-Phys. Dr. W. Andrejewski, Patentanwalt,

Essen, Kettwiger Str. 36

Als Erfinder benannt:

Georges Jacques Raymond Martin,

Colombes, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 22. Dezember 1958 (782 276) - -

frequenz des Schwingkreises und der Kernresonanzfr^quenz sind. Der Proportionalitätsfaktor hängt einerseits von den Eigenschaften der Kernspinprobe, andererseits von der Güte des Schwingkreises ab. Um aber im Kernresonanzfall die Schwingungen im Schwingkreis aufrechtzuerhalten, muß seine Güte einen Mindestwert besitzen. Im Ergebnis hat daher auch der Proportionalitätsfaktor einen Mindestwert, so daß die obengenannten Frequenzabweichungen nur durch sehr genaue Messung oder entsprechend genaue Einstellung der Kerngrößen des Schwingkreises und bei entsprechend vollkommener Frequenzstabilität ermittelt oder unterdrückt werden können. Diese in der Technik »pulling« oder Zieherscheinung genannte Frequenzmitnahme selbsterregter Oszillatoren findet ihre Ursache darin, daß in einem Schwingkreis eine bestimmte Beziehung zwischen Güte und Phasengang vorhanden ist. Der relative Frequenzfehler und damit der relative Fehler des zu messenden magnetischen

hältnis zu der zu messenden magnetischen Feldstärke steht und daher diese Frequenz ein Maß für die magnetische Feldstärke ist. Tritt die Kernresonanz em, so ändert sich durch die dann stattfindende Wechselwirkung zwischen der Kernspinprobe und dem auf die Kernresonanzfrequenz abgestimmten Schwingkreis die in diesem Schwingkreis enthaltene Hochfrequenzenergie, was zu einer an den der Abnahmespule nachgeschalteten Verstärker gegebenen 45 Feldes ist durch die Gleichung gegeben: Spannungsänderung führt. Üblicherweise setzt man ^f IAf

die Frequenz des Oszillators, bei der diese Spannungs- —j- = -^ ψ-,

änderung auftritt, der Kernresonanzfrequenz gleich, * *

jedoch führt dies zu einem gewissen Fehler. Tatsäch- worin / der Unterschied zwischen der Frequenz des lieh ergeben sich infolge des Schwingkreises Ab- 50 selbsterregten Oszillators und der Kernresonanzweichungen der Oszillatorfrequenz von der Kern- frequenz/, /„ der Unterschied zwischen der Eigenresonanzfrequenz, die nach theoretischen Unter- frequenz des Schwingkreises und der Kernresonanz-

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frequenz und K ein Zahlenfaktor ist, welcher praktisch messer angeschlossen. Zur Durchführung von Relativ-

zwischen 85 und 50 liegt. Will man eine Genauigkeit messungen sind zweckmäßig zwei Spulen- und Ver-

Stärkersysteme des beschriebenen Auf baus auf einen

γ = 10 "~⁵ Vergleichskreis geschaltet.

■' 5 Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht

erhalten, so erfordert dies im wesentlichen darin, daß die erfindungsgemäße Vor-

£ χ richtung es gestattet, ohne umständliche Eichmes-

—^- = K- 10~⁵. sungen oder Eicheinstellungen Magnetfeldmessungen

* mit einer Genauigkeit von Vioooooo durchzuführen und

Dies ist die dann erforderliche Genauigkeit, mit der io dabei die oben erläuterten Frequenzmitnahmeerschei-

die Eigenfrequenz des Schwingkreises gemessen oder nungen auszuscheiden oder wenigstens im Rahmen

eingestellt werden muß, und die Genauigkeit der vom der angegebenen Genauigkeit zu unterdrücken. Dies

Schwingkreis verlangten Stabilität. wird im wesentlichen durch den dem Verstärker er-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine teilten Phasengang erreicht

Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszu- 15 Im folgenden wird die Erfindung an einem in der

bilden, daß die beschriebenen Zieherscheinungen und Zeichnung dargestellten Beispiel näher erläutert; es

Frequenzabweichungen auf das Meßergebnis ohne zeigt

Einfluß sind und also genaue Messungen oder Ein- F i g. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Anstellungen des Schwingkreises, vermieden werden. Ordnung in schematischer Darstellung,

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß der 20 F i g. 2 ein Schaltschema des in der Anordnung

Verstärker zumindest einen Phasenschieberkreis auf- nach F i g. 1 verwendeten Verstärkers,

weist, der die Einstellung einer Phasenverschiebung Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform

von 90° zwischen der Eingangsspannung und dem besitzt das nach den Methoden der Kernresonanz

Ausgangsstrom zuläßt und mit Schaltelementen aus- arbeitende Magnetometer einen Behälter 1, der die

gerüstet ist, welche Amplitude und Phase der als 35 zur Messung benutzte Kernspinprobe enthält, wobei

Meßsignale dienenden Ausgangssignale des Verstär- als Probesubstanz beispielsweise Wasser mit den darin

kers konstant halten. enthaltenen Protonen verwendet werden kann. Die

Bei der Anordnung nach der Erfindung ist somit die Kernspinprobe ist einem magnetischen Gleichfeld und

Erregerspule nicht mehr an den Oszillator, sondern einem Hochfrequenzfeld ausgesetzt, jedoch sind die

allein an den Ausgang des der Abnahmespule nach- 3° hierfür erforderlichen Einrichtungen, da allgemein

geschalteten Verstärkers angeschlossen. Da die Ab- bekannt, in der Figur nicht dargestellt. Der Behälter I

nahmespule nur mit der Frequenz der Kernresonanz ist von einer Abnahmespule 2 umgeben, in welcher

induzierte Spannungen aufnimmt, führt somit auch die durch die Kernresonanz erzeugte Magnetisierung

die Erregerspule Spannung genau dieser Frequenz, der Kernspinprobe eine Wechselspannung mit der

so daß Zieherscheinungen zwischen beiden Spulen 35 Frequenz der Kernresonanz induziert. Weiter ist der

nicht auftreten können und die Frequenz des vom Behälter 1 von einer Erregerspule 3 umgeben, welche

Verstärkerausgang abgenommenen Meßsignals genau von einem Wechselstrom von ebenfalls der Frequenz

gleich der Kernresonanzfrequenz ist. Die Frequenz der Kernresonanz durchflossen wird. Dazu ist an die

des Oszillators, der über eine selbständige Spule an die Abnahmespule 2 der Eingang eines elektronischen

Kernspinprobe angekoppelt ist, ist für die Messung 40 Verstärkers 4 mit besonderem Phasengang angeschlos-

ohne Bedeutung. Der Oszillator dient lediglich noch sen, dessen Ausgang an die Erregerspule 3 geschaltet

zur Anregung der Kernresonanz und kann daher in ist. Außerdem ist der Ausgang des Verstärkers 4 an

seiner Frequenz vom genauen Wert der Kernresonanz- eine Vorrichtung 5 zur weiteren Verwertung der vom

frequenz abweichen. Verstärker 4 abgegebenen Signale angeschlossen.

Im einzelnen kann die Erfindung auf verschiedene 45 Die Abnahmespule 2 und die Erregerspule 3 sind Weise verwirklicht werden. Um einen konstanten so angeordnet, daß ihr gegenseitiger Kopplungskoeffi-Amplituden- und Phasengang zu erreichen, ist vor- zient im Bereich der benutzten Frequenzen Null ist, zugsweise der Verstärker als aperiodischer Verstärker so daß die gesamte Vorrichtung bei nicht in Kernausgebildet, In vorteilhafter Ausführungsform wird resonanz befindlicher Kernspinprobe nicht in Schwindies dadurch erreicht, daß der Phasenschieberkreis aus 50 gungen geraten kann. Diese Entkopplung kann enteinem mit einer Elektronenröhre arbeitenden Inte- weder durch eine geeignete geometrische Anordnung grator, insbesondere einem Miller-Integrator, der die der Spulen oder, wenn sich dies als unzureichend er-Amplitudenzunahme mit der Frequenz infolge der weist, durch eine äußere elektrische Kompensations-Induktion in der Abnahmespule genau ausgleicht. vorrichtung erreicht werden. Eine geeignete geome-Zweckmäßig ist der Phasenschieberkreis zwischen 55 irische Anordnung ist in F i g. 1 dargestellt, bei der einer Eingangsverstärkerstufe, an welche die Ab- die Achsen der beiden Spulen in derselben Ebene nahmespule angeschlossen ist, und einer Ausgangs- liegen und aufeinander senkrecht stehen. Bei Beverstärkerstufe mit Ausgangstransformator angeord- nutzung einer derartigen Anordnung der Abnahmenet. Die Entkopplung der Abnahme- und Erregerspule und Erregerspule zeigt die Rechnung, daß zur Vererfolgt entweder durch eine entsprechende geome- 60 meidung der Frequenzmitnahmeerscheinungen die Irische Anordnung der Spulen mit um 90° gegenein- durch den Verstärker erzeugten Phasenverschiebung ander verdrehten Spulenachsen oder durch äußere zwischen dem in die Spule 3 gelieferten Strom und der elektrische Kompensationsmaßnahmen bekannter Art, von der Spule 2 gelieferten Eingangsspannung 90° beetwa dadurch, daß ein gleicher Satz identischer Spulen tragen muß.

ohne Kernspinprobe dem ersten entgegengeschaltet 6g Die elektrische Schaltung des Verstärkers ist in

ist. Zur Frequenzbestimmung und damit zur Messung F i g. 2 dargestellt. Das aus der Abnahmespule 2

der Feldstärke ist an den Verstärkerausgang ein an kommende Signal wird einer Verstärkerstufe 6 mit

sich bekannter, mit Zählung arbeitender Frequenz- einer Elektronenröhre 7 aufgegeben. Nach Verstär-

kung in der Stufe 6 werden die Signale an einen Phasenschieberkreis 8 angelegt, der durch einen mit einer Elektronenröhre bestückten Integrator 9 gebildet ist, welcher als Miller-Integrator ausgebildet ist und die gewünschte Phasenverschiebung von 90° erzeugt. Die von diesem Phasenschieberkreis 8 kommenden Signale werden in der nachgeschalteten Verstärkerstufe 10 mit einer Elektronenröhre 11 verstärkt, in deren Anodenkreis über einen Transformator 12 die Erregerspule 3 geschaltet ist. Die Aperiodizität der gesamten Vorrichtung wird dadurch gewährleistet, daß die Amplitudenzunahme mit der Frequenz infolge der Induktion in der Abnahmespule 2 genau durch den Amplituden- und Phasengang des Integrators 9 ausgeglichen wird. Die Verstärkerstufe 10 ist noch mit einem Ausgang 13 zur Verwertung der Signale in einem nachgeschalteten Gerät 5 versehen. Falls Absolutmessungen von Magnetfeldern vorgenommen werden sollen, kann dieses Gerät 5 durch einen als Zähler arbeitenden Frequenzmesser gebildet werden, der einen zu dem zu messenden Feld proportionalen Frequenzwert gemäß folgender Formel liefert:

f =

2π

H,

in welcher γ das gyromagnetische Verhältnis der der Resonanz ausgesetzten Spinprobe ist.

Falls Relativmessungen durchgeführt werden sollen, um z. B. den Unterschied der Magnetfeldstärke an Stellen zu bestimmen, an welchen zwei der beschriebenen Vorrichtungen angeordnet sind, können die Ausgangssignale der beiden Verstärker 4 auf einen nicht dargestellten Vergleichskreis zur Durchführung von Differenzmessungen geschaltet werden.

Claims (6)

Patentansprüche: 35

1. Nach der Kernresonanzmethode arbeitende Vorrichtung zur Messung magnetischer Feldstärken mit einer aus einem Protonen enthaltenden, mit paramagnetischen Ionen versetzten und einem Hochfrequenzfeld ausgesetzten Körper bestehenden Kernspinprobe, einer Erreger- und einer Abnahmespule, deren letztere an den Eingang und deren erstere an den Ausgang ein und desselben, die Meßsignale liefernden Verstärkers angeschlossen sind, wobei der Kopplungskoeffizient dieser die Kernspinprobe umschließenden Spulen bei fehlender Kernspinprobe Null ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker zumindest einen Phasenschieberkreis aufweist, der die Einstellung einer Phasenverschiebung von 90° zwischen der Eingangsspannung und dem Ausgangsstrom zuläßt und mit Schaltelementen ausgerüstet ist, welche Amplitude und Phase der als Meßsignale dienenden Ausgangssignale des Verstärkers konstant halten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker als an sich bekannter aperiodischer Verstärker ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieberkreis aus einem mit einer Elektronenröhre arbeitenden Integrator, insbesondere einem Millerintegrator, besteht, der die Amplitudenzunahme mit der Frequenz infolge der Induktion in der Abnahmespule genau ausgleicht.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieberkreis zwischen einer Eingangsverstärkerstufe, an welche die Abnahmespule angeschlossen ist, und einer Ausgangsverstärkerstufe mit Ausgangstransformator angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verstärker (zur Auswertung der Meßsignale) ein an sich bekannter, als Zähler arbeitender Frequenzmesser angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung von Relativmessungen zwei Spulen- und Verstärkersysteme des beschriebenen Aufbaus auf einen Vergleichskreis geschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 949 357;
französische Patentschrift Nr. 1155 469;
USA.-Patentschriften Nr. 2 561 489, 2 589 494;
»Annalen der Physik«, 15 (1955), S. 311 bis 324.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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