DE2136237B2

DE2136237B2 - Kernresonanzmagnetometer

Info

Publication number: DE2136237B2
Application number: DE19712136237
Authority: DE
Inventors: Henri Grenoble; Salvi Antoine Fontaine; Glenat (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-07-22
Filing date: 1971-07-20
Publication date: 1973-03-22
Also published as: JPS55709B1; NL177148B; IL37232A0; DE2136237A1; CH569290A5; DK135013B; DK135013C; NL7109982A; NO130378B; IL37232A; BE769507A; NL177630C; FR2098624A5; DE2136236A1; NL177148C; SE363533B; GB1341865A; US3735246A; DE2136237C3; DE2136236B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kernresonanzmagnetometer mit Spinkopplung, bei denen Spulen mit mindestens einer Probe aus einem Material mit gyromagnetischen Eigenschaften gekoppelt und mit dem Eingang und dem Ausgang eines linearen Ver-

stärkers so verbunden sind, daß eine Schleife entsteht, in der die Frequenz von Kernschwingungen gemessen werden kann.

Zur Verkürzung der Ausdrucksweise soll im folgenden zum einen das Gesamtgebilde aus den Spulen

und den Proben als »Kopf« bezeichnet werden. Außerdem wird zur Vereinfachung der Ausdruck »Probe« als Sammelbezeichnung für ein in einem Behälter enthaltenes Lösungsmittel verwendet, das Atomkerne mit von Null verschiedenem magnetischem Moment und mechanischem Drehimpuls, also genau definierten gyromagnetischem Verhältnis aufweist, und in dem eine paramagnetische Substanz wie beispielsweise freie Ionen oder Radikale mit unpaaren Elektronen gelöst sind, die mindestens eine Elekiiünenresonanzlinie aufweisen, die sich durch ein elektromagnetisches Feld von hohem Wert und vorge gebener Frequenz und unabhängig von einem die Probe umgebenden schwachen Magnetfeld sättigen läßt.

Insbesondere betrifft die Erfindung Magnetometer mit Spinkopplung, die zur genauen Messung sehr schwacher Magnetfelder wie des magnetischen Erdfeldes, dessen Größe bei 50 000 gamma, also 0,5 Oe liegt, und zur Erkennung von Änderungen geringer Amplitude innerhalb dieser Felder von beispielsweise einem Zehntel gamma dienen.

In der französischen Patentschrift 1 447 226 der Anmeiderin ist ein Magnetometer beschrieben, das zwei Halbproben aufweist, die jeweils mit einem Paar von zueinander parallelen Spulen und mit Mitteln zur Erregung zweier Elektronenresonanzlinien in diese beiden Proben in der Weise gekoppelt sind, daß die Sättigung der einen dieser Resonanzlinien

eine Zunahme der Energieabsorption bei der Kernresönanzfrequcüz der Atomkerne im Lösungsmittel bewirkt, während die Sättigung der anderen Resonanzlinie eine stimuliert; Energieemission bei der Kernresonanzfrequenz eben desselben Lösungsmittels auslöst

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetometer dieser Art in seinen Eigenschaften zu verbessern, indem es insbesondere einen einfacheren konstruktiven Aufbau, ein verbessertes Nutzsignal-Rausch-Verüältnis und bei einer besonderen Ausführungsfc.rm keinerlei für die Messung verbotene Achse aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird, ausgehend von einem Kemresonanzmagnetometer mit Spinkopplung, bei dem mit zwei Proben mit gleichen Atomkernen mit von Null verschiedenem magnetischem Moment und mechanischem Drehimpuls, die zum einen einem zu messenden Magnetfeld und zum anderen einem zur Sättigung einer eine gesteigerte Energieabsorption bei der Kernresonanzfrequenz bewirkenden Resonanzlinie in der einen Probe und einer eine Energieemission bei der Kernresonanzfrequenz bewirkenden Resonanzlinie in der anderen Probe ausreichenden elektromagnetischen Feld mit Elektronenresonanzfrequenz ausgesetzt sind, mindestens je eine von mindestens zwei aufeinander ausgerichteten Spulen gekoppelt ist, von denen mindestens zwei jeweils mit je einer der beiden Proben gekoppelte Spulen außerdem mit einem Niederfrequenzverstärker verbunden sind und gemeinsam damit und mit einem Frequenzmesser für die Resonanzfrequenz eine Resonanzerhaltungsschleife bilden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der Proben eine zu der oder den zugehörigen Spuleu radial liegenden Teii und einen seitlich davon angeordneten Teil aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zur Erzeugung des die Proben beeinflussenden elektromagnetischen Feldes mit Elektronenresonanzfrequenz ein aus einem in der gemeinsamen Achse der beiden Proben und der beiden Spulen angeordneten Zentralleiter und aus einem Proben und Spulen umgebenden Schirm aus dünnen Längsbändern aui einem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Silber, bestehender Resonanzhohlraum, ein Höchstfrequenzgenerator und ein Koaxialkabel vorgesehen, dessen Innenleiter mit dem Zentralleiter und dessen Außenleiter mit dem Schirm des Resonanzhohlraumes verbunden ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nunmehr als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Erfindung ein in der Zeichnung veranso^piiüchter Magnetometer ohne für die Messung verbotene Achse beschrieben werden. Dabei zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 ein Blockschaltbild für ein Magnetometer, das zwei verschiedene Proben und einen gemeinsamen Hochfrequenzgenerator verwendet,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der relativen Lage der verschiedenen Bestandteile eines im Rahmen eines Magnetometers nach Fig. 1 verwendbaren Kopfes, der in einem Axialschnitt gezeigt ist,

F i g. 3 eine schematisch gehaltene perspektivische Darstellung für den Abstimm-Kondensator des Hochfrequenzkreises in Fig. 2 mit durch die Sichtlinie TII-IIT in F i g. 2 gegebener Blickrichtung,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung der Verbindungen zwischen dem Hochfrequenzresonanzhohlraum und seiner koaxialen Speiseleitung,

Fig. 5 und 7 schematische Axialschnitte durch den Kopf von Fig. 2, in denen die an der Signalentstehung beteiligten Bereiche der Proben für ein entlang der Probenachse verlaufendes Magnetfeld H₀ (Fig. 5) bzw. für ein senkrecht zu dieser Achse verlaufendes Magnetfeld H₀ (Fig. 7) jeweils schraffiert dargestellt sind, und

F i g. 6 und S Schnitte durch die Köpfe von F i g. 5 bzw. 7 entlang der Schnittlinien VT-VI in F i g. 5 bzw.

ίο VIII-VIII in Fig. 7.

Das in F i g. 1 schematisch dargestellte Magnetometer besitzt einen Meßkopf 10, der sich in einem zu messenden Magnetfeld der Feldstärke H₀ befindet, einen Differenzverstärker 12 mit geschlossener Schleife, der ein Signal mit der dem Meßkopf 10 eingeprägten Kernresonanzfrequenz F auftreten lassen soll, einen bei Höchstfrequenz / arbeitenden Oszillator 14, der in den Proben im Meßkopf 10 Elektronenresonanzlinien anregen soll, und einen Frequenzmes-

ao ser 16 für die Messung der Kernresonanzfrequenz F. Der Meßkopf 10 kann aus zwei ähnlichen und aufeinander ausgerichteten Untergruppen aufgebaut gedacht werden. Jede dieser Untergruppen besteht aus einer Spule 18 und 18', die konzentrisch um eine Probe 20 oder 20' herumgewickelt ist. Der größeren Klarheit halber sind die Spulen 18 und 18' in F i g. 1 neben den zugehörigen Proben 20 und 20' dargestellt, ihre tatsächliche Lage ist jedoch die in F i g. 2 ersichtliche. In F i g. 2 erkennt man, daß jede der Proben 20 oder 20' in zwei Flaschen eingeschlossen ist. Die Anordnung auf der linken Seite von Fig. 2 umfaßt beispielsweise zwei konzentrische Flaschen 22 und 24, die eine solche Form aufweisen, daß sie bei Ineinanderschachtelung einen Torus-Raum von etwa quadratischem Querschnitt umschließen, in dem die Spule 18 so angeordnet ist, daß ihr Querschnitt in der Mitte des Torus-Querschnitts liegt. Dabei haben die Flaschen 22 und 24 eine solche Lage relativ zur Spule 18, daß die darin enthaltene Probe 20 aus einem radial zur Spule 18 liegenden Teil 20a und einen seitlich daneben liegenden Teil 20 b besteht. Die Probe 20' besitzt in anlaoger Weise einen radial zur Spule 18' liegenden Teil 20a' und einen seitlich daneben liegenden Teil 20 b'. Die Probe 20 selbst besteht zum einen aus einem Lösungsmittel, das Atomkerne mit von Null verschiedenem magnetischem Moment und mechanischem Drehimpuls besitzt, und zum anderen aus einer paramagnetischen Substanz in stabiler Lösung. Das magnetische Moment und der mechanische Drehimpuls der Atomkerne im Lösungsmittel legen gleichzeitig deren gyromagnetisches Verhältnis y fest, uüd die Kcmresonarizfi cquenz für diese Kerne in einem Magnetfeld der Stärke H₀ berechnet sich dann zu:

F =

2 π

Die Atomkerne im Lösungsmittel sind im allgemeinen Protonen, jedoch lassen sich auch andere Atomkerne wie insbesondere Kerne von Fluor oder¹ Phosphor für die Zwecke der Erfindung verwenden. Im ersten Falle besteht das Lösungsmittel im allgemeinen aus einer wasserstoffhaltigen Flüssigkeit oder aus einer Mischung von Wasser und einer mit Wasser mischbaren wasserstoffhaltigen Flüssigkeit, die erst bei tiefen Temperaturen erstarrt. Die naramaeneti-

sehen Substanzen sind freie Ionen oder Radikale, die ein unpaares Elektron enthalten, das mit den Atomkernen des Stoffes in Wechselwirkung treten kann.

Wie F i g. 1 zeigt, liegt jeweils ein Ende der beiden Spulen 18 und 18' auf Masse, die anderen Enden der Spulen 18 und 18' sind mit verschiedenen Eingängen des Differenzverstärkers 12 verbunden. Der Differenzverstärker 12 muß im wesentlichen linear arbeiten, worunter in diesem Zusammenhang verstanden werden soll, daß einem sinusförmigen Eingangssignal für den Differenzverstärker 12 auch ein sinusförmiges Ausgangssignal entspricht, das aber nicht unbedingt mit dem Eingangssignal in Phase sein muß. F i g. 1 zeigt weiter, daß etwaige Störsignale, die in den identischen Spulen 18 und 18' durch elektromagnetische Störfelder und durch Verschiebungen dieser Spulen 18 und 18' in einem feststehenden Magnetfeld für den Fall eines Einsatzes des Magnetometers in einem Flugkörper entstehen können, am Differenzverstärker gleichmodig anliegen. Diese Störsi^ale bleiben daher unter der Voraussetzung eines hinreichend großen Unterdrückungsfaktors für gleiche Mode ohne störenden Einfluß. Zwischen die mit den Eingängen des Differenzverstärkers 12 verbundenen Enden der Spulen 18 und 18' ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Abstimmkondensator eingefügt, der dem Eingangskreis des Differenzverstärkers 12 einen Überspannungskoeffizienten Q verleiht, der zur Vermeidung von Frequenzmitnahme-Erscheinungen nicht zu groß werden darf; praktisch wählt man diesen Koeffizienten zwischen 7 und 10.

Im Gegensatz zu den Störsignalen müssen sich die Nutzsignale, also die an den Spulen 18 und 18' abgenommenen und auf Kernresonanzerscheinungen zurückgehenden elektromotorischen Kräfte zueinander addieren. Dieses Ergebnis wird nur dann erreicht, wenn die makroskopische Resultante der magnetischen Momente der Atomkernsysteme in der einen Probe der makroskopischen Resultante für die magnetischen Momente in dem Atomkernsystem der anderen Probe entgegengesetzt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform mit nur einem Hochfrequenzgenerator müssen sich diese unterschiedlichen Reaktionen als Folge einer Erregung mit der gleichen Frequenz für beide Proben ergeben. Deshalb werden zwei verschiedene Proben verwendet, die jedoch gleiches Volumen aufweisen. Dafür bieten sich insbesondere zwei Möglichkeiten an:

a) Zum einen kann man Proben mit demselben Lösungsmittel, jedoch unterschiedlichen paramagnetischen Stoffen wählen, die bei im wesentlichen gleicher Erregerfrequenz zwei zueinander inverse Elektronenresonanzlinien zeigen. Dann wird für die eine Probe, beispielsweise die Probe 20 die paramagnetische Substanz so ausgewählt, daß die Sättigung durch ein elektromagnetisches Feld mit der Frequenz / für eine Elektronenresonanzlinie mit einer nahe bei dem Wert / liegenden Frequenz zu einer gesteigerten Energieabsorption bei der Frequenz dieser Resonanzlinie führt Für die andere Probe, also die Probe 20', wird eine paramagnetische Substanz ausgewählt, in der durch die gleiche Resonanzfrequenz/ eine Elektronenresonanzlinie erregt wird, deren Sättigung zu einer stimulierten Energieemission bei der Frequenz dieser Linie führt.

Beispielsweise kann man als erste Probe eine Lösung von Di-tertiärbutyl-stickstoffoxid in einer Mischung aus 50 Raumteilen Wasser und 50 Raumteilen Aceton und für die zweite Probe eine Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in einer Mischung aus 70 Raurnteilen Wasser und 30 Raumteilen Äthylenglycol wählen. Die Anlage eines elektromagnetischen Feldes mit einer Frequenz / in der Größenordnung von 68,5 MHz führt dann zur Sättigung der unteren Elektronenresonanzlinie für das Tri-aceton-N-oxid, woraus sich dafür eine gesteigerte Energieabsorption ergibt, sowie zur Sättigung der oberen Elektronenresonanzlinie von 69,4 MHz des Di-tertiär-butylstickstoffoxid, woraus sich für dieses eine Energieemission ergibt.

b) Zum anderen kann man ein und dasselbe freie Radikal in zwei verschiedenen Lösungsmitteln verwenden. So kann man insbesondere als erste Probe eine 10~³-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in reinem Di-mcthoxyäthan und als zweite Probe eine 10"^s-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in einer Mischung aus 73% Dimethoxyäthan und 27° 0 Wasser verwenden. Außerdem empfiehlt es sich, zur Erhöhung der Resonanzanregung und zur Vergrößerung der Signalamplitude das Tri-acetonamin-N-oxid zu deuterieren.

Die optimale Frequenz für das Erregerfeld liegt dann bei etwa 62,65 MHz.

In gleicher Weise kann man als erste Probe eine 10~³-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in reinem Di-methoxyäthan und als zweite Probe eine 10~³-molare Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in reinem Methanol verwenden.

Die Signale am Ausgang des Differenzverstärkers 12 werden auf die Spulen 18 und 18' rückgekoppelt, die damit eine doppelte Rolle, nämlich einer Abnahme und einer Wiedereinspeisung der Nutzsignale spielen. Dazu wird der mit dem Frequenzmesser 16 verbundene Ausgang 32 des Differenzverstärkers 12 über einen Rückkopplungszweig mit zwei einander gleichen Widerständen 34 und 34' mit den Eingängen des Differenzverstärkers 12 verbunden, wobei die Widerstände 34 und 34' groß sind gegenüber der Impedanz der Spulen 18 und 18'. Zur Einstellung eines genauen Gleichgewichts am Meßkopf 10, erfolgt die Verbindung des Ausgangs 32 des Differenzversiärkers mit den Widerständen 34 und 34' über ein Potentiometer 38, dessen Schleife 36 mit dem Ausgang 32 und dessen Enden mit jeweils einem Ende der Widerstände 34 bzw. 34' verbunden sind. Ist dann der Eingangskreis des Differenzverstärkers 12 auf Resonanz abgestimmt, so muß der Differenzverstärker 12 selbst für die Aufrechterhaltung einer niederfrequenten Schwingung eine Phasenverschiebung um π/2 liefern.

Beispielsweise können die Widerstände 34 und 34' einen Wert von 10OkQ aufweisen, während das Potentiometer 38 einen Wert von 1 kQ besitzt Die Kapazität des Abstimmkondensators 30 kann einige Tausend Picofarad betragen. Die beiden Spulen 18 und 18' können einige Tausend Windungen aufweisen, beispielsweise 1700 Windungen von ³%oo mm oder 2500 Windungen von ²Vioo mm. Die Verstärkung des Differenzverstärkers 12 muß dann hoch sein, beispielsweise bei 80 db liegen.

Die Elektronenresonanzlinien in den Proben 20 und 20' werden durch einen einzigen Höchstfrequenzoszillator 14 erregt der über ein Koaxialkabel 26 einen Resonanzhohlraum speist, der die beiden Proben 20 und 20' umschließt Dieser Resonanzhohlraum ist unten im einzelnen beschrieben; er ist über einen

ψ- '^Λίί

einstellbaren Kondensator 28 von einigen Hundert Picofarad angeschlossen.

Das Arbeitsprinzip für das beschriebene Magnetometer ergibt sich aus der vorangehenden Beschreibung ohne weiteres und soll daher nur gedrängt geschildert werden:

Die durch den Höchstfrequenzoszillator 14 in den Proben 20 und 20' erregten Resonanzlinien führen bei Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes zum Auftreten einer makroskopischen Komponente, die in der Probe 20 eine vorgegebene Richtung und in der Probe 20' die entgegengesetzte Richtung hat. Daraus folgt dann, daß auch die makroskopischen Resultierenden für die magnetischen Momente in dem Atomkernsystem der Proben 20 einerseits und 20' andererseits gegenphasig zueinander sind; die auf die induzierte Kernresonanz zurückgehenden elektromotorischen Kräfte in den beiden Halbspulen 18 und 18' addieren sich daher zueinander.

Nunmehr soll an Hand von F i g. 2 bis 4 der Aufbau des Meßkopfes 10 im Einzelnen beschrieben werden. Dieser Meßkopf 10 enthält zwei Untergruppen, die symmetrisch zu seiner Mittelebene liegen und auf den Zentralleiter 39 des Resonanzhohlraumes aufgebracht sind, in dem die vom Höchstfrequenzgenerator 14 abgegebene Höchstfrequenz zur Resonanz kommt.

Wie bereits oben erwähnt, umfaßt jede dieser Baugruppen zwei in der linken Hälfte der Zeichnung mit den Bezugszahlen 22 und 24 bezeichnete Flaschen aus Pyrex-Glas, die beide identische Proben enthalten. Eine mechanische Bearbeitung der Flaschen 22 und 24 ist zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit nicht erforderlich. Die Spule 18 dieser Baugruppe, die aus ohne Kern in Araldit eingebettetem und emailliertem Silberdraht besteht, ist zwischen den Flaschen 22 und 24 eingeschlossen.

Die Flaschen 22 und 24 und die Spule 18 sind mit Vorteil so ausgebildet, daß der durch die Spule 18 entstehende Fluß in der gesamten Probenmasse in der gleichen Größenordnung liegt. Ein zu geringer Fluß führt nämlich zu einem Signal, dessen Größe unterhalb des theoretisch erreichbaren Wertes bleibt. Ein zu großer Fluß dagegen führt ?u einer Verbreiterung der Resonanzlinien und damit zu einer Verschlechterung des Nutzsignal-Rausch-Verhältnisses. Daher ist es erwünscht, dem Fluß rund um die Spule 18 einen in der gleichen Größenordnung nahe dem Optimalwert liegenden Wert zu geben. Dieses Kriterium führt ganz allgemein zur Verwendung von Spulen mit etwa quadratischem Querschnitt und von Proben mit ebenfalls angenähert quadratischem Querschnitt, wobei die Werte rund um die Spulen in der gleichen Größenordnung liegen.

Der Resonanzhohlraum umfaßt einen Zentralleiter 39 und eine Abschirmung 40, die das Auftreten von Foucaultschen Wirbelströmen unterdrücken soll. Diese Abschirmung 40 besteht aus dünnen Bindern oder Belägen aus magnetischem Metall von guter Leitfähigkeit, wie beispielsweise Silber. Dabei umfaßt der Schirm 40 eine Reihe von Längsbändern, die auf die aneinandergesetzten Flaschen 22 und 24 aufgebracht sind und zu beiden Seiten der Proben in Belägen auf Quarzscheiben ihre Fortsetzung finden. Auf der Seite des Koaxialkabels 26 sind auf einer dünnen Quarzscheibe 43 (Fig. 4) versilberte Sektoren angeordnet, deren Anzahl der Anzahl der leitenden Bänder des Schirmes 40 entspricht, die ihrerseits um die Sektoren 41 herumgelegt und bei 42 (F i g. 2) damit verschweißt sind. Die Verbindung der Abschirmung 40 mit dem Koaxialkabel 26 erfolgt über einen Kranz von Fingern 44, an den inneren Enden der Sektoren 41 (Fi g. 2 und 4), während der Innenleiter des Koaxialkabels 26 mit dem Zentralleiter 39 des Resonanzhohlraumes verbunden ist.

In ähnlicher Weise ist an die Probe 20' eine zur ersten Quarzscheibe 43 symmetrische Quarzscheibe

ίο 46 (Fig. 2 und 3) angesetzt. Diese zweite Quarzscheibe 46 übernimmt die Rolle des Kondensators 28. Dazu trägt sie auf ihrer Außenseite versilberte Sektoren 48, die fest mit den Bändern des Schirmes 40 verbunden sind und die nicht bis zu einem zentralen Loch in der Quarzscheibc 46 reichen. Die zweite Seite der Quarzscheibe 46 trägt versilberte Sektoren 50 von geringer Dicke, die den Sektoren 48 gegenüberstehen und an ihren inneren Enden über einen Belag 52 nach außen durchverbunden sind. Der End-

21) abschnitt des Zentralleiters 39 ist ebenfalls mit dem Belag52 (Fig. 2) verbunden. Die Abstimmung des Kondensators 28 erfolgt in einfacher Weise durch mehr oder weniger starkes Abkratzen des Silberbelages auf der Quarzscheibe 46. Die Anpassung des

Resonanzhohlraumes an das Koaxialkabel 26 erfolgt mit Hilfe einer Koppelschleife 56.

Die Quarzscheibe 46 besitzt eine Ausnehmung 54 (Fig. 3) für die Durchführung von Füllstutzen für die Flaschen in der rechten Baugruppe. In die Quarzscheibe 43 ist eine entsprechende Ausnehmung eingearbeitet. Die Quarzscheibe 43 trägt außerdem eine in der Zeichnung nicht dargestellte Isolierscheibe, durch die die von den verschiedenen Halbspulen kommenden Leiter hindurchgeführt sind. Diese Leiter gehen zwischen den Flaschen hindurch und dann entlang des Schirmes in dessen Innenraum hinein.

Da die Spulen 18 und 18' innerhalb des Resonanzhohlraums liegen, werden.darin hochfrequente Ströme induziert. Diese Ströme stören jedoch nicht, sie lassen sich nämlich mit Hilfe einer Drosselspule 58 (Fig. 1) ohne weiteres unterdrücken, da zwischen den Resonanzfrequenzen F — von 1000 bis 3000 Hz für den Fall einer Messung des magnetischen Erdfeldes mit einem Protonenmagnetometer — und den eingespeisten Frequenzen / — in der Größenordnung von 60 MHz — ein hinreichender Abstand besteht.

Der in F i g. 2 dargestellte Meßkopf ist insofern von Vorteil, als er keine für die Messung verbotene Achse zeigt und außerdem in einem Magnetfeld vorgegebener Intensität Signale liefert, deren Amplitude von der Orientierung des Kopfes nahezu unabhängig ist. Zur Erläuterung dieser vorteilhaften Eigenschaften, die sich auch experimentell haben bestätigen lassen, sollen lediglich einige qualitative Hinweise ge-

bracht werden, da eine strenge Herleitung zu kompliziert würde.

Allgemein wirken bei der Entstehung eines Nutzsignals nur die Teile der Proben mit, die folgenden drei Bedingungen genügen:

Das durch den infolge der Wiedereinspeisung in die Halbspulen fließenden Strom erzeugte Magnetfeld muß darin die Präzession für den Kernspin der Atomkerne aufrechterhalten;

das elektromagnetische Feld von Höchstfrequenz

muß darin eine zur Sättigung der Elektronenresonanzlinie in der Probe ausreichende Amplitude aufweisen;

die makroskopische Resultante für die magneti-

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sehen Momente des Atomkernsystems muß in den Es verbleiben dann nur die Felder H₁, die in entSpulen eine elektromotorische Kraft induzieren. gegengesetzten Gebieten entgegengesetzte Richtung

1. Betrachtet man nun dazu Fig. 7.und 8, die den (Fig. 6) aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt Fall veranschaulichen, in dem das zu messende Ma- sind die Resultierenden für die Projektion der Spingnetfeld H₀ senkrecht zur Achse der Spulen verläuft, S rotation in die Ebene von F i g. 6 für entgegengesetzte so sieht man, daß in den seitlich der Spulen gelegenen Zonen der Probe Vektoren von umgekehrter Rich-Bereichen die Feldlinien des zu messenden Magnet- tung, wobei jedoch der Rotationssinn für die Vekfeldes H₀ und die des durch den Strom in den Halb- toren H₁ stets der gleiche bleibt. Berücksichtigt man spulen entstehenden magnetischen Wechselfeldes H₁₁ dann weiter noch, daß sich die Spins für jede Spule im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Unter io wie phasenverschobene rotierende Doubletten verdiesen Bedingungen vermag das Feld der Spulen die halten, die den Spulen gegenüberstehen, so ergibt sich Präzession der Spins um das zu messende Gleichfeld für diese Spulen die Induktion eines resultierenden H₀ nicht zu unterhalten. Diese Bereiche wirken also Stromes. Dabei ist der Einfluß der in dem mit den nicht mit, wie dies F i g. 7 zeigt. Spulen durchmessergleichen Zonen liegenden Spins

Dagegen kann das Feld H_a die Präzession der Spins 15 offensichtlich überwiegend; die seitlich der Spulen

in den radial zu den Spulen innerhalb und außerhalb gelegenen Zonen mit kleinerem oder größerem

davon liegenden Zonen unterhalten, die in Fig. 7 Durchmesser liefern jedoch einen nicht vernach-

schraffiert dargestellt sind. Die erste Bedingung ist lässigbaren Beitrag.

damit erfüllt. Betrachtet man nun aber F i g. 8, so Nachzutragen bleibt noch ein Aspekt, der zwar

stellt man fest, daß für bestimmte radiale zu den Spu- 20 sekundär ist, dennoch aber große Bedeutung hat:

len liegende Teile der Probe die eine der beiden an- Wenn die Orientierung des Magnetfeldes K₀ die in

deren Bedingungen nicht erfüllt ist. F i g. 5 und 6 angegebene ist, hat der Meßkopf keinen

Zum einen ist unter der Annahme eines senkrech- gyromagnetischen Effekt, die Frequenz der an den ten Verlaufs des Magnetfeldes H₀ zur Achse die Re- Enden der Spulen auftretenden Signale bleibt also sonanzmode für den Resonanzhohlraum bei Höchst- 25 unabhängig von etwaigen dem Meßkopf aufgezwunfrequenz so, daß die Sättigung der Elektronenreso- genen Rotationsbewegungen gleich der Fernresonanznanzlinien nur in zwei Keulen auftritt, die einen um frequenz / = γ/2 .7 H₀. Außerdem führen Rotationsso größeren Teil der Probe ausmachen, je größer die bewegungen der Spulen um ihre Achse nicht zu gyro-Stärke des Magnetfeldes ist. In F i g. 8 sind diese Keu- magnetischen Effekten, wie dies für den Fall der bislen für eine bestimmte Feldstärke mit strichpunktier- 30 her bekannten Magnetköpfe mit einer verbotenen ten Kurven 60 angedeutet. Achse in der bereits zitierten französischen Patent-

Zum anderen kann es nur dann eine Induktion in schrift 1 447 226 der Anmelderin beschrieben ist. den Halbspulen geben, wenn die Spins eine Präzes- Wegen dieser beiden Eigenschaften werden Magnetosion um eine Richtung (Feldrichtung des Magnet- meter, die in einen beweglichen Körper, wie beispielsfcldes H₀) zeigen, die durch die Achse einer Spule 35 weise ein Flugzeug eingebaut werden sollen, dessen geht. Damit nehmen auch die Teile der Probe, die in abrupteste Rotationsbewegungen Rollbewegungen F i g. 8 durch die strichpunktierten Linien 62 be- sind, so installiert, daß die Achse des Meßkopfes der grenzt werden, nicht an der Signalentstehung teil, Rollachse folgt, so daß es dann unabhängig von der somit verbleiben für die Signalentstehung insgesamt Inklination des zu messenden magnetischen Erdnur die in F i g. 8 schraffiert gezeichneten Probenteile. 40 feldes keine verbotene Achse mehr gibt. Der Vorteil

2. Betrachtet man nun den anderen Extremfall, in des erfindungsgemäß ausgebildeten Magnetometers dem das Magnetfeld H₀ parallel zur Achse (Fig. 5 tritt vor allem nahe dem Äquator auf, wo die FeId- und 6) verläuft, so nehmen alle in den nicht schraf- linien des magnetischen Erdfeldes praktisch horizonfierten Bereichen von Fig. 5 gelegenen Probenteile tal verlaufen, was einen Einbau eines Meßkonfes mit nicht an der Signaientstehung teil. In diesen Teilen 45 einer verbotenen Achse in der Weise, daß durch kann das Magnetfeld H₁₁ der Spulen die Präzession Rollbewegungen veranlaßte gyromagnetische Effekte der Spins nicht unterhalten, da seine Kraftlinien par- unterdrückt werden, unmöglich macht.

allel oder angenähert parallel zu denen des zu mes- Da außerdem der gyromagnetische Effekt nicht für

senden Magnetfeldes H₀ verlaufen. jede Rotation des Meßkopfes um seine Achse auf-

Dagegen liegt die Aufrechterhaltung der Präzes- 50 tritt und nur auf die Komponente des zu messenden

sionsbewegung der Spins in den in F i g. 5 schraffier- Magnetfeldes H₀ wirkt, die nicht parallel zu dieser

ten Gebieten auf der Hand. Daher genügt es für Achse ist, wird er gegenüber bisher bekannten Meß-

die Entstehung eines Signals in jeder Spule, köpfen für alle Richtungen des Magnetfeldes H₀ mit

daß die makroskopische Resultierende der magne- Ausnahme der zur Achse senkrechten Richtung er-

tischen Momente der Atomkernsysteme in einem vor- 55 heblich vermindert.

gegebenen Gebiet auf einer Seite der Halbspulenachse Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß das erStröme in gleicher Richtung induziert wie die Ströme, findungsgemäße Magnetometer alle obenerwähnten die auf die makroskopische Resultierende der magne- Vorteile aufweist: Sein konstruktiver Aufbau ist sehr tischen Momente der Kernsysteme in der diametral einfach und verlangt keine Bearbeitung der Flaschen gegenüberliegenden Zone zurückgehen. In F i g. 6 60 für die Proben, der Meßkopf zeigt keine verbotene sieht man, daß an den Stellen, wo die Feldlinien des Achse, und der gyromagnetische Effekt ist vermin-Magnetfeldes H₀ radial verlaufen, das Wechselfeld H„ dert Was diesen letzten Punkt anbelangt, so ist anzuin zwei mit einer der Kernresonanzfrequenz entspre- merken, daß man eine Wahl zwischen zwei Eigenchenden Frequenz umlaufende Vektoren zerlegt wer- schäften des Meßkopfes treffen kann: Man kann entden kann. Der eine dieser Vektoren bleibt ohne Ein- 65 weder ein Signal anstreben, dessen Amplitude unfluß, da das entsprechende Feld sich wie eine Größe abhängig von der Orientierung des Meßkopfes prakder Frequenz — 2/ gegenüber einem auf die Fre- tisch konstant ist, was eine gleichmäßige Verteilung quenz +2/ abgestimmten Filter (Kernfilter) verhält. der Proben rund um die Spulen verlangt oder man

ann eine verstärkte Abschwächung des gyromagneschen Effektes durch Verminderung des radial zu en Spulen liegenden Probenvolumens anstreben, iberdies ist der Füllkoeffizient für den Meßkopf, Iso der Volumenanteil des Kopfes der von den roben erfüllt ist, sehr hoch. Da die rund um die

Spulen angeordnete Abschirmung einen Schutzschirm bildet, sind zum einen die außerhalb des Kopfes liegenden Anlagen der niederfrequenten Strahlung des Kopfes entzogen, während umgekehrt die Spulen gegen eine Einwirkung äußerer Felder abgeschirmt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernresonanzmagnetometer mit Spinkopplung, bei dem mit zwei Proben mit gleichen Atom-

schem Moment und mechanischem Drehimpuls, die zum einen einem zu messenden Magnetfeld und zum anderen einem zur Sättigung einer eine gesteigerte Energieabsorption bei der Kernresonanzfrequenz bewirkenden Resonanzlinie in der einen Probe und einer eine Energieemission bei ■der Kernresonanzfrequenz bewirkenden Resonanzlinie in der anderen Probe ausreichenden elektromagnetischen Feld mit Elektronenresonanzfrequenz ausgesetzt sind, mindestens je eine von mindestens zwei aufeinander ausgerichteten Spulen gekoppelt ist, von denen mindestens zwei jeweils mit je einer der beiden Proben gekoppelte Spulen außerdem mit einem Niederfrequenzverstärker verbunden sind und gemeinsam damit und mit einem Frequenzmesser für die Resonanzfrequenz eine Resonanzerhaltungsschleife bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Proben (20, 20') einen zu der oder den zugehörigen Halbspulen (18, 18') radial liegenden Teil (20 a, 20 a) und einen seitlich daneben liegenden Teil (20 b, 20 b') aufweist.

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Teile (20 b, 20 b') der Proben (20, 20') die mit verschiedenen Proben gekoppelten Spulen (18, 18') voneinander trennen, während ihre radialen Teile (20 α, 20 α') im Inneren der Spulen liegen.

3. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Proben (20, 20') jeweils einen Torus mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt bilden und die zugehörigen Spulen (18 bzw. 18') darin so, daß ihr Querschnitt in der Mitte des Torus-Querschnitts liegt, angeordnet sind.

4. Magnetometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Proben (20, 20') jeweils aus zwei ineinandergeschachtelten halben Flaschen (22, 24) bestehen, zwischen denen der erforderliche Zwischenraum für die zugehörigen Spulen (18,18') verbleibt.

5. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18, 18') jeweils einen Querschnitt von angenähert quadratischer Form aufweisen.

6. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzerhaltungsschleife einen Differenzverstärker (12) und eine Spule (18 bzw. 18') je Probe (20, 20') enthält, die jede zum einen mit einem festen Bezugspotential und zum anderen zu gleichmodiger Einspeisung der in ihnen induzierten parasitären Spannungen mit jeweils einem anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden sind, und daß der Ausgang (32) des Differenzverstärkers über untereinander gleiche und gegen die der Halbspulen große Impedanzen (34 bzw. 34') mit dessen Eingängen und außerdem mit einem Frequenzmesser (16) verbunden ist.

7. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des die Proben beeinflussenden elektromagnetischen Feldes mit Elektronenresonanzfrequenz ein aus einem in der gemeinsamen Achse der beiden Proben (20, 200 und ^der b^{eiden S}P^U" len (18, 18Q angeordneten Zentralleiter (39) und aus einem Proben und Spulen umgebenden Schirm (ak\ £rjc fKjnnen Län°sbändcm aus einem Metall''hoher elektrischer" Leitfähigkeit, wie Silber, bestehender Resonanzhohlraum, ein Höchstfrequenzgenerator (14) und ein Koaxialkabel (26) vorgesehen sind, dessen Innenleiter mit dem Zentralleiter (39) und dessen Außenleiter mit dem Schirm (40) des Resonanzhohlraumes verbunden ist

8. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Probe aus einer 10-³-molaren Lösung von Tri-acetonamin-N-oxid in reinem Di-methoxyäthan und die andere Probe aus einer 10~³-molaren Lösung aus Tri-acetonamin-N-oxid in reinem Methanol besteht.