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Magnetometer zum Messen eines Magnetfeldes Die Erfindung betrifft
ein Magnetometer zum Messen des Augenblickswertes eines sich ändernden Magnetfeldes,
beispielsweise zur Bestimmung der Wirkung eines sich ändernden Feldes an einer Probe
mit nuklearen magnetischen Resonanzeigenschaften, mit einer im Magnetfeld angeordneten
und an eine Integrierschaltung anschließbaren Spulenwicklung, die der Integrierschaltung
eine auf die Änderung der Stärke des Magnetfeldes bezogene Spannung zuführt.
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Eine Anwendung der Erfindung liegt in der Messung eines Magnetfeldes
in magnetischen Resonanzuntersuchungen oder in Versuchen bzw. Untersuchungen, wo
ein Magnetfeld benutzt wird, um einen Strahl geladener Partikel abzulenken.
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Es ist bereits bekannt, daß die Ausgangsleistung, die von einer in
einem sich ändernden Magnetfeld angeordneten
Sondenspule erhalten
wird, mittels einer Integrierschaltung integriert werden kann, um eine Spannung
zu erzeugen, die direkt auf das Feld bezogen ist. In Verbindung mit sich schnell
ändernden oder impulsförmigen Magnetfeldern ist bereits eine Integrierschaltung
mit einem Gleichstromverstärker verwendet worden, welcher eine Rückkopplung durch
einen Kondensator aufweist und eine Änderung der Phase um 1800 herbeiführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung
zum Messen der sich ändernden Größe eines sich ändernden Magnetfeldes einschließlich
eines solchen zu schaffen, dessen Änderungsgeschwindigkeit langsam ist, beispielsweise
in der Größenordnung von 2 Gauss je Minute oder auch weniger liegt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine von einem Signal betätigbare
Schalteinrichtung, die in einer ersten Stellung die Ausgangsgröße der Integrierschaltung
auf Null hält und d in einer zweiten Stellung die in die Spulenwicklung induzierte
Spannung an den Eingang der Integrierschaltung legt und diese gleichzeitig von dem
auf Null gehaltenen Zustand freigibt und durch eine in dem Magnetfeld angeordnete
Feldstärken-Meßeinrichtung gelöst, die die Schalteinrichtung von ihrer ersten in
die zweite Stellung umschaltet, wenn die Magnetfeldstärke einen vorbestimmten genau
bekannten Wert erreicht.
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Dadurch wird der Vorteil einer wesentlich verbesserten Genauigkeit
erreicht. Es kann eine Genauigkeit in der Größenordnung von 0, 05 Gauasoder besser
bei einem Feld von 3000 Gaus erzielt werden. Die Genauigkeit wahlweiser bekannter
Verfahren liegt bei einem solchen Feld in der Größenordnung von 3 GausS Somit erzielt
die Erfindung eine etwa 100-fach genauere Messung als bisher möglich war.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die
Integrierschaltung einen Hochleistungs-Phasenumkehrungs-Gleichstromverstärker mit
einem in Reihe geschalteten Eingangswiderstand und einem Rückkopplungskondensator
zwischen Eingang und Ausgang.
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Vorteilhaft weist die Feldstärken-Meßeinrichtung einen Nuklear-Resonanzdetektor
mit einem in dem Magnetfeld angeordneten Detektorglied auf. Dadurch kann die Umschaltung
der Schalteinrichtung aus ihrer ersten in ihre zweite Stellung genau übereinstimmend
mit der Ankunft des sich ändernden Feldes bei einer bestimmten Größe durchgeführt
werden, die danach die Bezugs-Feldgröße bildet.
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Ferner sieht die Erfindung vor, dasein Signalimpuls, der von dem Nuklear-Resonanzdetektor
geliefert wird, zur Betätigung einer Auslösungsschaltung vorgesehen ist, deren Ausgangsgröße
einen Erregerstrom für ein Relais liefert, das die Schalteinrichtungen bildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schalteinrichtung
zwischen der Spulenwicklung und dem Eingangswiderstand eine erste Schaltvorrichtung
auf, die entweder die Verbindung der Spulenwicklung zu dem Verstärkereingang herstellt
oder die die Spulenwicklung abtrennt und gleichzeitig den in Reihenschaltung vorgesehenen
Eingangswiderstand quer vor den Verstärkereingang schaltet.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung hat die Schalteinrichtung
eine zweite Schaltvorrichtung, die zur Festlegung der Verstärker-Ausgangsspannung
auf den Wert Null vorgesehen ist, wenn sich die erste Schaltvorrichtung in der Stellung
befindet, in welcher die Spulenwicklung abgetrennt ist.
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Die Erfindung wird in folgendem anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigens
Fig. 1 ein zum Teil schematisch als Blookdarstellung gezeichnetes Diagranm einer
vorriohtungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der nuklearen magnetischen Resonanzvorgänge
unter Verwendung von erfindungsgemäßen Mitteln zur Messung eines sich ändernden
Magnetfeldes ; und
Fig. 2-5 Schaltbilder von vier Ausführungsformen
eines integrierenden Magnetometers, das zur Verwendung mit der vorrichtungsgemäßen
Anordnung nach Fig. 1 geeignet ist.
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In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.
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Die gezeigte vorrichtungsgemäße Anordnung besitzt einen Blektromagneten
10 mit zwei einander entgegengerichteten Polflächen 11. Der Magnet hat Wicklungen
12, die durch eine Leistungsquelle 13 erregbar sind. Das magnetische Feld des Magneten
10 zwischen den Polflächen 11 ist veränderbar und kann langsam durch einen erwünschten
Bereich verschiedener Feldstärken mittels eines Ablenkungsgenerators 14 geführt
werden, der mit der Leistungsquelle 13 verbunden ist.
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Der Ablenkungsgenerator 14 ist vorzugsweise ein vollständig anpassungsfähiger
elektronischer Ablenkungsgenerator, der in der Lage ist, einen durchgehenden und
ununterbrochenen Durchlauf von einem gewählten größten Feldwert zu einem Feld-Null
wert/oder auch durch Null zu einem größten umgekehrten Feld zu erzeugen.
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Eine Sondenspule 15, die aus einer oder mehreren Drahtwindungen besteht,
die einen Flächenbereich A einschließen, ist in von dem Fluß durchgesetzten Spalt
zwischen den Polflächen 11 angeordnet, und diese Spule ist mittels Leitungen 16
mit einem Magnetometer 17 verbunden, dessen Ausführungsform
im
einzelnen später noch beschrieben wird. In dem Luftspalt zwischen den Polflächen
11 ist auch ein Detektorkopf 19 einer nuklearen magnetischen Resonanz-oder elektronischen
Dreh (spin)-Resonanzvorrichtung angeordnet, deren zugeordnete Steuerung und andere
Schaltungen bei 18 gezeigt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht ein
solcher Detektor aus der Kopfeinheit eines Proton-Resonanz-Oszillators und besitzt
einen Oszillator und eine Sonde mit eingebauten Modulationsspulen. Die Schaltungen
18 sind mit einer Auslösungsschaltung 20 verbunden, die durch Anlegung eines Signalimpulses
eingesetzt bzw. eingeschaltet wird.
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Dieser Signalimpuls wird in der Resonanzvorrichtung 18 entwickelt,
wenn das Magnetfeld zwischen den Polflächen 11 eine genau bekannte Größe hat. Wenn
diese Auslösungsschaltung 20 in ihrem"Ein"-Zustand ist, dient sie zur Betitigung
eines Relais 21, das bestimmte Schaltvorgänge in dem Magnetometer 17 durchführt,
um es in den Zustand zu versetzen, daß es die Integrierung der bpannung beginnt,
die in die Sondenspule 15 induziert wird.
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Die in Figur 1 gezeigte Anordnung enthält auch eine Wicklung 22, die
eine Probe 23 aus einem Material umgibt, das untersucht wird und das die Erscheinung
der magnetischen Resonanz aufweist bzw. zur Erscheinung bringt, wenn es in dem Magnetfeld
angeordnet ist. Die Wicklung 22 ist mit einer ihr zugeordneten Resonanzanzeigeausrüstung
24 verbunden. Deren Signalausgang wird den Eingangskiemmen zugeführt, die einer
Wiedergabeachse
einer grafischen Aufzeichnungseinrichtung 25 zugeordnet
sind. Die Aufzeichnungseinrichtung 25 empfängt auch über die Leitung 26 Signale
von dem Magnetometer 17* Nun wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Diese zeigt ein Schaltbild
einer Ausführungsform des Magnetometers 17. Die Wicklung 15 ist über einen SchalterS1
angeschlossen, wenn dieser in der Stellung p ist. Ein Reihen-Eingangswiderstand
R 1 ist an die Eingangsklemmen eines Hochleistungs-Gleichstrom-Verstärkers A angeschlossen,
dessen Ausgangssignal auf den Leitungen 26 entgegengesetzte Polarität zu der des
Eingangssignales auf den Leitungen 16 hat e Ein Rückkopplungskondensator 0 ist zwischen
dem Ausgang und Eingang des Verstärkers angeschlossen. Dadurch arbeitet die Schaltung
als Miller-Integratorschaltung. Mittels der Schalter 82 und S3 kann, wenn diese
in der Stellung e sind, ein erster Widerstand R2 parallel zum Verstärkereingang
angeschlossen und ein zweiter Widerstand R3 parallel zum Kondensator C angeschaltet
werden. Der Schalter Bl ist ein Umschalter, so daß dann, wenn er sich in der entgegengesetzten
Stellung e befindet, die Sondenspule 15 abgetrennt ist und der Eingangswiderstand
R1 parallel an den Verstärkereingang geschaltet ist. Diese Schalter S1, S2 und S3
werden in dieser Ausführungsform durch Kontakte des Relais 21 gebildet. Die Schalter
sind in der Stellung p, wenn das Relais betätigt iat, und in der Stellung e, wenn
es freigegeben ist.
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Befinden sich die Schalter S1, S2 und 83 in den Stellungen P, wie
gezeigt, wird jegliche Änderung in dem Feld um einen Wert dH, welcher durch die
Sondenspule 15 aufgenommen wird, zu einer Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkere
un einen Wert dV führen, wobei A . dH 108 . R . C wenn A = der Flächenbereich in
cm2, der von der Sondenspule 15 senkrecht zu dem Feld erfaßt wird, V des Verstärkers
A in Volt, H-die Feldstärke in Oersted, R = Widerstandswert des Reiheneingangs-Widerstandes
R1 in Ohm und C-Kapazität des Kondensators C in Farad ist.
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Wenn die Schalter S2 und S3 in Stellung e geschlossen werden, ist
die Ausgangsspannung V des Verstärkers A auf Null herabgesetzt. In einer Betriebsweise
der Anordnung wird die Sondenspule 15 in das Magnetfeld gebracht, das langsam zunimmt
oder abnimmt, wobei sich die Schalter S1, S2 und S3 in der Stellung e befinden,
um'die Verstärker-Ausgangsspannung zu Null zu machen.
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In dem Augenblick, in welches das sich ändernde Feld die vorbestimmte
Anfangsgröße erreicht, wie sie durch die Resonanzvorrichtung des Detektorkopfes
19 und die Schaltungen 18 (Fig. 1) bestimmt ist, wird die Auslösung-bzw.
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Kippschaltung 20 eingeschaltet und das Relais 21 betätigt.
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Dementsprechend werden die Schalter S2 und S3 geöffnet und der Schalter
S1 gleichzeitig in die btellung p umgeschaltet, um die Sondenspule 15 an den Verstärkereingang
adzuschließen. Danach ist die Ausgangsspannung V des Verstärkers genau auf den Unterschied
dH zwischen dem tatsächlichen Feldwert zu irgendeinem Augenblick und dem genau bekannten
Anfangsfeldwert in dem Augenblick der Umlegung des Schalters bezogen. Die Größe
des Magnetfeldes in jedem folgenden Augenblick, z. B. wenn ein Vorgang in der magnetischen
Resonanz-Probe 23 (Fig. 1) stattfindet, kann dann durch Messen der Ausgangsspannung
V bestimmt werden, indem diese in die entsprechende Feldänderung dH durch Verwendung
der Beziehung dH. 108. V. R. C/A umgewandelt wird und dann der so erhaltene Feldänderungswert
dH dem genau bekannten Anfangs oder Bezugewert unter richtiger Beachtung des Vorzeichens
hinzugefügt wird.
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Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Form der Schaltung nach Fig. 2. Der
Schalter S3 ist fortgelassen, da es durch die Auswahl geeigneter Werte für den ersten
und zweiten Widerstand R2 und R3 und durch Verwendung eines Schalters hoher Qualität
für S2 möglich ist, die ersten und zweiten Widerstände R2 und R3 bleibend über den
Verstärkerausgang angeschlossen
zu halten.
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Eine weitere Abänderung ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser ist der
erste Widerstand R2 (Fig. 2) fortgelassen und der in Reihe angeschlossene Eingangswiderstand
R1 wird zur Erfüllung der gleichen Funktion wie der erste Widerstand benutzt. Zur
Vereinfachung ist ein weiterer von Hand betätigbarer Schalter S 4 zwischen den Eingangswiderstand
R1 und den Verstarker A geschaltet, um eine Auswahl verschiedener Werte dieses Eingangswiderstandes
zu ermöglichen.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Magnetometerschaltung.
In dieser Ausführungsform ist der Eingangswiderstand R1 zwischen dem Schalter S1
und der Sondenspule 15 angeordnet und der erste Widerstand R2 wieder einbezogen.
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Zusätzlich ist ein von Hand betätigbarer Schalter S5 vorgesehen, um
entweder die Verbindung des Schalters S1 mit den Verstärkereingang oder die Vorschaltung
der weiteren Widerstände R4 oder R5 quer vor den Verstärkereingang zu ermöglichen.
Diese Widerstände R4, R5 haben geringe Größe und sind vorgesehen, damit die Auswanderungsgeschwindigkeit
des Verstärkers leichter auf Null gebracht werden kann. Ein kleiner Widerstand,
der quer vor den Verstärkereingang geschaltet ist, ergibt einen Anstieg zu einer
hohen Auswanderungsgeschwindigkeit. Das erleichtert die Einstellung der Verstärker-Abgleich-Steuerung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 5 dargestellt
ist, sind typische, experimentell bestimmte Impedanzwerte : Widerstand R2 : 100
K# Widerstand R3 : 1 i-CL Widerstand R4 : Ka Widerstand R5 : 200 # Kondensator C
: 1 microfarad.
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Wenn der unter Beobachtung stehende Vorgang eine Form hat, die als
sich ändernde Spannung oder Strom angezeigt werden kann, kann es vorteilhaft sein,
eine fortlaufende Wiedergabe des Vorganges als Funktion des Feldes auf einem Oszilloskop
oder in einer anderen Form einer x-y Wiedergabe oder auf der Aufzeichnungsvorrichtung
25 zu erzeugen, indem die Verstärker-Ausgangespannung zu den Ablenkungsmitteln für
beispielsweise die x-Achse und die Spannungs-oder Stromsignale, welche den Vorgang
darstellen und von der magnetischen oder elektronischen Nuklear-Spin-Resonanzausrüstung
24 zu den Ablenkungsmitteln für beispielsweise die y-Achse zugeführt werden. Die
sich ergebende Karte wird dann die Resonanzkurven gegenüber der FeldgröBe graphisch
aufgetragen zeigen, so daß die Linienstellungen und-weiten unmittelbar abgelesen
werden können. Wahlweise kann die Verstärker-Ausgangsspannung einem genauen Voltmeter
oder einem Digital-Voltmeter zugeführt werden.
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O » gei¢h die Schalter S1, S2 und S3 als Relaiskontakte beschrieben
sind, können sie als von Hand betätigbare Schalter ausgeführt sein, die zur gleichzeitigen
Wirkung gekuppelt sind.
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Die vorbestimmte Bezugsgröße des Magnetfelds, bei welcher die Schalteinrichtung
betätigt wird, schließt das Magnetfeld Null ein. Die Verstärker-Ausgangsspannung
V wird, wenn danach ein Feld angelegt wird, auf den tatsächlichen Wert dieses Feldes
durch die Gleichung H-108. V. R. C/A bezogen. Eine vorteilhafte vorrichtungsgemäße
Anordnung zur automatischen Steuerung des Schaltvorgangs infolge Ankunft des sich
ändernden Magnetfeldes bei dem Wert Null liegt darin, als Detektorelement in dem
Feld eine Einrichtung zu verwenden, die in der Nuklear-Technik in der angelsächsischen
Literatur als sog."peaking strip"bekannt ist.
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Eine solche"peaking strip"-Vorrichtung besitzt einen Streifen aus
magnetischen Material mit einer rechteckigen Form der Hysteresis-Kennlinie, der
von einer Wicklung umgeben und parallel zu dem Feld angeordnet ist. Die plötzliche
Änderung der Magnetisierungsrichtung in dem Streifen induziert bei Richtungsumkehr
des Feldes in der Wicklung g einen Strom, der verstärkt und als ein Auslöse-oder
Anstoßmittel zur Betätigung des Relais verwendet wird, das die Schalteinrichtung
bildet. Eine solche Anordnung
schaltet bei einer Feldgröße um,
die etwas von der Zeit Null versetzt i. st, und zwar infolge der Hysteresis des
Streifenmaterials. Das kann aber in einer bereits bekannten Weise durch Anordnung
einer besonderen Wicklung ausgeglichen werden, die mit einem geeigneten Vorspannungsstrom
gespeist wird.