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Verfahren und Gerät zum Messen und Steuerh magnetisdher Felder und
zur Werkstoffprüfung
Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zum. Messen
und Steuern von Magnetfeldern.
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Die in den letzten Jahren in USA. entwickelten Verfahren zur Magnetfeldmessung
und -stabilisierung benutzen ebenso wie diese Erfindung kernmagnetische Resonanzen,
jedoch werden dort die kernmagnetischen Resonanzen mit kontinuierlich arbeitenden
Sendern angeregt. Demgegenüber be steht (1i Erfindung darin, daß eine in das zu
untersuchende Magnetfeld gebrachte Spule, die eine Substanz unsschließt, die Atomkerne
mit von Null verschiedenem gyroma; schem Verhältnis enthält, mit Hochfrequenzimpulsen
gespeist wird, daß die Abweichungen der in der Spule unter Mitwirkung der Kerne
angeregten Schwingungen von dem gesendeten Impulsverlauf verstärkt werden und daß
diese verstärkten Abweichungen zur Steuerung bzw. Messung des Magnetfeldes benutzt
werden.
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Vorzug dieses neuen Verfahrens ist es, daß durch die Anregung mit
kurzen Impulsen ein breites Frequenzspektrum auf die Kerne einige strahlt wird,
so daß die Kerne auch überhalb der Resonanzstelle angeregt werden. Bei Mngnetfeldmessungen
hat dies zur Folge, daß die Magnetfelder in breiten Bereichen mit der gleichen Apparatur
und mit der gleichen Anregungsfrequenz ver-
messen werden können,
während bei den kontinuierlichen Verfahren nur die genaue Messung einer einzigen,
bestimmten Feldstärke möglich ist. Das Verfahren erlaubt somit zur Messung von Magnetfeldstärken
von o GauB bis über 10 000 Gauß die Beschränkung auf eine diskrete Folge von Senderfrequenzen
- etwa die Oberschwingungen eines Quarzes. Die Lücken zwischendiesendiskretenFrequenzen
werden überbrückt durch die Spektrumsbreite schmaler Impulse. Durch das Verfahren
nach der Erfindung wird die Magnetfeldmessung durch Vergleich - mit einer Normalfrequenz
und einer Differenzfrequenzmessung zu einer Frequenzmessung im niederfrequenten
Gebiet. Dies ist aber gerade das genaueste Verfahren für Frequenzmessungen.
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Es ist daher erstens die Meßgenauigkeit des neuen Verfahrens größer
als bei dem bekannten mit kontinuierlicher Anregung der Resonanzen, und zweitens
kann diese Genauigkeit in breiten MeBbereichen erzielt werden. Die Erfindung erlaubt
die Messung von Feldstärken mit einer Genauigkeit von ist 11ion Gauß, möglicherweise
sogar mit einer Genauigkeit von 11iooo Gauß. Das Verfahren läßt sich daher mit besonderem
Vorteil bei Kern- und Elektronenbeschleunigungsmaschinen, wie z. B. dem Cyklotron,
Synchroton, Bevatron, Massenspektrograph, anwenden. Ebenso wichtig kann das Verfahren
bei der Konstruktion und Entwicklung von Elektromotoren, Generatoren und Transformatoren
werden sowie bei vielen anderen, auch kleineren elektromagnetischen Vorrichtungen
und Entwicklungsarbeiten. Das gleiche Signal, welches bei dem neuen Verfahren die
Feldstärke von Ort zu Ort angibt, kann auch dazu benutzt werden, über an sich bekannte
Meß- und -Steuergeräte die Stromversorgung eines Elektre magneten zu steuern, insbesondere
das Magnetfeld konstant zu halten. Diese Steuermöglichkeit ist zur Erhöhung der
Betriebssicherheit, der Ausbeute und des Wirkungsgrades bei vielen solchen Anlagen
und Vorrichtungen vorteilhaft.
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Die Möglichkeit, Magnetfelder sehr genau vermessen zu können, erlaubt
zugleich eine andere Anwendung des Verfahrens. Will man ein ferrit magnetisches,
paramagnetisches oder diamannetisches Material auf seine innere Homogenität, Struktur
oder Zusammensetzung (auch Flüssigkeiten) oder auf die Güte einer vorgenommenen
Oberflächenbearbeitung untersuchen, dann bringt man dieses Material in ein Magnetfeld
und untersucht mit dem angegebenen Verfahren die dadurch eintretenden Feldstärkëänderungen,
Verzerrungen des Feldverlaufs und die Inhomogenität des Feldes selbst in kleinen
Bereichen. Damit werden erstmals Materialuntersuchungen mit Hilfe von Magnetfeldmessungen
möglich.
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Das Meßverfahren macht von folgenden physikalischen Erkenntnissen
Gebrauch: Gewisse Atomkerne besitzen -ein Drehimpulsmoment und ein magnetisches
Moment. Befindet sich ein solcher Atomkern in einem magnetischen Feld, dann versackt
dieses Magneffeld das - magnetische Moment des Kernes in seine Richtung zu drehen.
Dem wirkt entgegen die Kreiseleigenschaft des Atomkernes, weiche er auf Grund seines
Drehimpulsmomentes besitzt. Wie jeder Kreisel weicht der Kern einem Zwang seitwärts
aus und beginnt so mit um die Richtung des Magnetfeldes zu präzessieren, und zwar
mit der sogenannten Lamorfrequenz. Zwischen der Magnetfeidstärke H, dem Drehimpulsmoment,
dem magnetischen Moment und der Lamorfrequenz y besteht die Beziehung w = H, worin
ist y = gyromagnetisches Verhältnis = Kern-g-Faktor = magnetisches MomentlDrehimpulsmoment;
a> = 2 X V.
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Führen Gruppen solcher Atomkerne synchrone Präzessionsbewegungen
aus, dann induzieren sie in einer sie umgebenden Spule Spannungen, deren Frequenz
und Amplitude gemessen werden kann.
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Die Messung dieser Frequenz wird damit zugleich zur Messung der Magnetfeldstärke.
Die Messung der Amplitude der induzierten Spannung gibt Ausknuft über die Phasenübereinstimmung
der einzelnen Präzessionsbewegungen. Solche synchronen Präzessionsbewegungen können
insbesondere angeregt werden durch die Einstrahlungen von Hoch frequenzimpulsen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung. Die Anordnung nach der Erfindung enthält einen Elektromagneten,
zwischen dessen Polschuhen sich das zu vermessende Feld befindet. In diesem Magnetfeld
befindet sich eine Spule, die eine Substanz enthält, die Kerne enthält, deren gyromagnetisches
Verhältnis nicht gleich Null ist. An die Spule ist angeschlossen ein Hochfrequenzimpulssender
und ein Verstärker.
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Die beiden letztgenannten Geräte können galvanisch, kapazitiv oder
auch induktiv angeschlossen sein. An den Verstärker können weitere Geräte an sich
bekannter Bauart zur Messung oder Steuerung angeschlossen werden. . Anstatt der
Spule können auch ein oder mehrere Schwingkreise verwendet werden, wie z. B. zwei
Schwingkreise, deren Spulen senkrecht aufeinanderstehen und deren eine zur Einstrahlung
von der Senderseite her dient, während die andere die in ihr induzierten Signale
empfängt und zum Verstärker weiterleitet. Beim Verfahren nach der Erfindung ist
es zur Frequenzmessung der Signale zweckmäßig, die Lamorfrequenz mit einer normalen
Frequenz zu mischen und die Differenzfrequenz zu bestimmen.
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Bei einerAbart des Verfahrens gemäß der Erfindung wird diese Normalfrequenz
in den Impulspausen der Spule zugeführt. Es ist zweckmäßig, wenn die Amplitude dieser
Normalfrequenz größenordnungsmäßig gleich der Spannung ist, die durch die präzessierenden
Kerne in der Spule induziert wird da hierbei die Amplitude der am Ausgang des Verstärkers
erhaltenen Differenzfrequenz besonders groß ist. In weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens
kann das Verfahren dahingehend ausgebildet sein, daß die Normalfrequenz gleich der
Hochfrequenz der gesendeten Impulse gewählt wird, da -hierbei beide Frequenzen von
dem gleichen Oszillator erzeugt werden können, der elektronische
Aufwand
somit besonders klein ist. Weiter ist es zweckmäßig, dieImpulsbreite und die Amplitude
der Hochfrequenz so einzustellen, daß dieAnregung der Kerne zur synchronen Präzession
maximal wird.
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Bei einer weiteren Abart nach der Erfindung wird die Anregung der
Kerne durch Impulsgruppen vorgenommen, und zwar durch Gruppen, bei denen die Breite
und Höhe jedes Impulses und deren Abstände beliebig einstellbar sind, bei denen
weiter auch der Abstand zwischen den Impulsgruppen beliebig einstellbar ist. Dieses
Verfahren erlaubt es erstens, für die Homogenitätsuntersuchung des Magnetfeldes
besonders günstige und übersichtliche Signalformen zu erzeugen, und gestattet zweitens,
zeitlich lang andauernde synchrone Präzessionsbewegungen von Kerngruppen anzuregen.
Auf diese Weise lassen sich auch Kurvenformen des Kerninterferenzsignals erzeugen,
die zur Auswertung besonders geeignet sind. Günstig ist in allen diesen Fällen die
Verwendung von Impulsen, welche die vor der Einstrahlung in Richtung des Magnetfeldes
vorhandene kernpuramagnetische Polarisation um die Winkel 45, 90 und I800 aus der
Richtung des Magnetfeldes herausdrehen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen
und der Zeichnung, die schematisch den Aufbau einer Meßanordnung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung zeigt.
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In dem sich zwischen den Polschuhen 1 eines Elektromagneten erstreckenden
Magnetfeld befindet sich eine Spule 2, die eine Substanz 3 enthält, die Kerne mit
einem von Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnis enthält. Die Spule 2 ist
an den Ausgang eines Hochfrequenzimpulsgruppensenders 4 angeschlossen und andererseits
mit dem Eingang eines Verstärkers 5 verbunden.
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Der in der Aktenzeichnung mit 4 bezeichnete Impulshochfrequenzsender
besteht aus zwei Geräten, und zwar aus einem Impulsgruppensender und einem zweiten
eigentlichen Hochfrequenzsender. a) Der Impulsgruppensender liefert ausgangsseitig:
I. Vor jedem Impulsprogramm einen Triggerimpuls. Mit Hilfe dieses Triggerimpulses
können weitere Geräte der Apparatur angestoßen oder synchronisiert werden, z. B.
die Zeitablenkung eines Oszillographen.
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2. Drei positive Rechteckimpulse. Die Breiten und Höhen dieser drei
Impulse sowie ihre Abstände voneinander sind beliebig einstellbar. Ebenso ist auch
die Gruppenwiederholungsfrequenz beliebig einstellbar. Diese positiven Impulse können
entweder dazu dienen, gesperrte Verstärkerstufen eines Hochfrequenzsenders zu öffnen,
oder sie können dazu benutzt werden, den Arbeitspunkt eines Oszillators so zu verschieben,
daß er nur während der Impulsdauer schwingfähig ist.
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3. Negative Impulsgruppen, deren Form und Variabilität ebenso ist,
wie die der beschriebenen positiven Impulsgruppen. Diese negativen Impulse können
dazu verwendet werden, einen Verstärker -genau in den gleichen Zeiten (oder in etwas
größeren Zeiten), in denen der Sender Hochfrequenzimpulse liefert, zu sperren. Der
Impulsgruppengenerator wurde aufgebaut aus einem Triggergenerator (Sperrschwinger)
und einseitig stabilen Multivibratoren sowie aus Verstärkerstufen und Phasenumkehrstufen.
b) Ein Hochfrequenzsender wurde als einstufiger Oszillator ausgeführt, und zwar
in Huth-Kühn-Gegentaktschaltung. Vorzug der Verwendung eines einstufigen Oszillators
ist der geringe elektronische Aufwand sowie seine Eignung für Untersuchungen von
Kernsignalformen. Weiter wurde ein Hochfrequenzsender gebaut, bestehend aus einem
quarzgesteuerten Oszillator und mehreren im C-Betrieb arbeitenden Verstärkerstufen.
Vorzug dieser Ausführung ist die größe -Frequenzkonstanz des Senders. Ferner ist
es hierbei besonders leicht, die beschriebene Mischung der von den Kernen indazierten
Schwingungen mit einer Normalfrequenz vorzunehmen. Man koppelt hierzu von dem stetig
durchschwingenden Quarzoszillator einen kleinen Teil seiner Spannung mehr oder weniger
stark an die Endstufe an und kann somit beliebig wählbare Amplitudenvefhältnisse
der beiden zu mischenden Schwingungen herstellen. Origens - kann dieses Schaltprinzip
auch bei ganz anderen Anwendungsgebieten der Impulstechnik von Interesse sein (Radartechnik).
Die Tastung des Hochfrequenzsenders wurde an dem Bremsgitter einer der Verstärkerröhren
vorgenommen. Als äufwandsparende Schaltung wurde gefunden, daß man den Quarzoszillator
bauen kann aus dem Schirmgitter, dem Gitter und der Kathode einer Pentode, wobei
der Quarz zwischen dem Gitter und der Kathode liegt, während zwischen dem Schirmgitter
und der Kathode (an letzterer kapazitiv angekoppelt) ein auf die Quarzfrequenz abgestimmter
Schwingkreis liegt. Zwischen der Anode und der Kathode (an letzterer kapazitiv angekoppelt)
liegt ein zweiter Schwingkreis, der auf das Doppelte oder auf ein höheres Vielfaches
der Quarzfrequenz abgestimmt ist. Die Impulse werden auf das Bremsgitter gegeben,
dessen Potential so gewählt wurde, daß- nur während des Impulses die Röhre ganz
geöffnet ist Es ist somit bei dieser Schaltung möglich, mit einer Röhre einen kontinuierlich
schwingenden Quarzoszillator zu bauen, seine Frequenz gleichzeitig zu vervielfachen
und die Schwingungen ausgungsseitig impulsförmig zu entnehmen. c) Spule 2 und Probensubstanz
3. Ein besonders großes gyromagnetisches Verhältnis haben Protonen. Sie wurden daher
durchweg als Probesubstanz verwendet, und zwar enthalten in H20. Die Hülle des Wasserstoffmoleküls
hat kein paramagnetisches Moment, ist also für das beschriebene Verfahren gut geeignet.
Zweckmäßig ist es, dem Wasser paramagnetische Ionen (z. B.
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Feld oder Cu++-) zuzusetzen, um den Relaxatioiszeiten der kernmagnetlschen
Prozesse eine für dhs Verfahren geeignete Größe zu geben.
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Die die Prbbe umschließende Spule ist zweck-
mäßig
durch eine veränderliche Kapazität zu einem Schwingkreis zu ergänzen. Ist im eiahsten
Fall die Spule bzw. der Schwingkreis direkt mit dem Senderausgang und dem Verstärkereingang
verhunden, dann entstehen technische Schwierigkeiten, wenn die Hochfrequenzimpulse
eine große Amplitude haben sollen. Es wird nämlich einmal der Senderausgang durch
den Verstärkereingang bedämpft, die Senderimpulsamplitude also herabgesetzt; weiter
besteht am Verstärkereingang, da auch an ihm die volle Senderausgangsspannung liegt,
die Gefahr von Uberschlägen. Will man also höhere Senderspannungen verwenden (über
einige roo V), dann wird es notwendig, zwei gekreuzte Spulen zu verwenden, die in
ihrer Mitte die Probesubstanz enthalten. Es wurde eine solche Anordnung gebaut,
und zwar ohne Verwendung von Helmholtzspulen. Bei dieser Anordnung liegt die Achse
der Senderspule senkrecht zur Achse der Empfängerspule. Die kleinere Empfängerspule
umschließt die Probesubstanz; die größere Senderspule umschließt die Empfängerspule.
Beide oben beschriebenen Schwierigkeiten werden somit vermindert, und zwar mit kleinerem
Raumbedarf als bei der obenerwähnten Ausführung einer der beiden Spulen als Helmholtzspule.
d) Der Verstärker. Am Eingang des Verstärkers wurde eine Doppeltriodenstufe benutzt.
Dabei ist die erste Triode in Anodenbasis geschaltet, die zweite Triode in Gitterbasis.
Diese Eingangsschaltung ist besonders rauscharm und wirkt zugleich auf die Senderimpulse
stark begrenzend. In den weiteren Stufen wurden Pentoden verwendet sowie verstimmte,
stark gedämpfte Schwingkreise.
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Die Bandbreite des Verstärkers wurde so gewählt, daß die zu vermessenden
Kernsignale formgetreu verstärkt werden, nicht aber die rechteckigen Senderimpulse,
da die zu ihrer formgetreuen Wiedergabe erforderliche Bandbreite das Signalrauschverhältnis
verschlechtert. Alle Zeitkonstanten des Gerätes wurden möglichst klein gehalten,
damit der Verstärker nach der übers teuerung durch die starken Hochfrequenzimpulse
seine volle Empfindlichkeit bald wieder erreicht und somit die kleinen nachfolgenden
Kernsignale richtig verstärken kann. Um das Signalrauschverhältnis erforderlichenfalls
noch weiter verbessern zu können, wurde vor der Gleichrichtung dieses ersten Ge
rätes die Ausgangsspannung noch zu einer zweiten Ausgangsbuchse geführt, nachdem
mit diesem Schaltteil zuvor eine starke Spannungsteilung vorgenommen wurde. An diese
Ausgangsbuchse kann ein zweiter schmalbendiger Verstärker angel schlossen werden.
Wird die Verstärkung und Begrenzung des ersten Verstärkers so geregelt, daß die
Spannung der Senderimpulse und der Kernsignale an seinem Ausgang von der gleichen
Größenordnung sind, dann kann der zweite Verstärker nicht mehr durch die Senderimpulse
übersteuert werden. Seine Zeitkonstanten können also groß gewählt werden und die
Kreisbedämpfung niedrig, und dies sind die Merkmale eines Schmalbandempfängers.
Zur Magnetfeldmessung muß nun die Frequenz der Kernspannung bestimmt werden.
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Bei der-Verwendung des beschriebenen Frequenzmischverfahrens ist
dies besonders leicht, da man dann nach der hochfrequenten Gleichrichtung direkt
die Differenzfrequenz erhält. Die Messung dieser Differenzfrequenz kann nach den
üblichen Verfahren zur Messung niederer Frequenzen erfolgen. Bei der ausgeführten
Apparatur wurde sie einfach auf einem Oszillographenschirm beobachtet und vermessen.
Zum Konstanthalten des Magnetfeldes kann man z. B. einen weiteren Verstärker benutzen,
der eine stark frequenzabhängige Durchpaß kurve hat und somit bei Differenzfrequenzänderungen
bei Mars,netfeldschwankungen eine verschieden große Ausgangsspannung liefert, die
zur Steuerung der Stromversorgung des Magneten benutzt werden kann.
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PATENTANSPROCEIE: I. Verfahren zum Messen und Steuern, insbesondere
Konstanthalten von Magnetfeldern, dadurch gekennzeichnet, daß eine in das zu untersuchende
Magnetfeld gebrachte Spule, die eine Substanz umschließt, die Atomkerne mit von
Null verschiedenem gyromagnetischem Verhältnis enthält, mit Hochfrequenzimpulsen
gespeist wird, daß die Abweichungen der in der Spule unter Mitwirkung der Kerne
angeregten Schwingungen von dem gesendeten Impulsverlauf verstärkt werden und daß
diese verstärkten Abweichungen zur Steuerung bzw. Messung des Magnetfeldes benutzt
werden.