DE1623381B1 - Magnetischer gradientenmesser - Google Patents

Description

l 2

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Gradien- frequenz ist) des Spinsystems in dem magnetischen tenmesser zur Messung der Differenz der magnetischen Feld in der zweiten Zone koppelt.
Feldstärken in einer ersten und in einer zweiten Zone, Zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen insbesondere zur Messung der Änderungen der Stärke der ersten und zweiten elektromotorischen Kraft des magnetischen Erdfeldes zum Zwecke der Boden- 5 enthält der Gradientenmesser in weiterer Ausgestalerforschung, tung der Erfindung eine Phasendifferenz-Meßeinrich-

Meßgeräte zur Messung der Feldstärke des magne- tung, bestehend aus:

tischen Erdfeldes sind an sich bekannt; sie werden im _{einem Paar yon Emrichtungeil5 die} den beiden

allgemeinen Magnetometer genannt Zur Messung normalerweise um 180° phasenverschobenen elek-

des Gradienten eines magnetischen Feldes hat man bis- *ο tromotorischen Kräften Rechteckform erteilen;

her zwei voneinander unabhängig arbeitende Magneto- . „ _. . , ^.„

meter verwendet, wobei die Magnetometerköpfe an einem Paar von Einrichtungen zur Differenzie-

zwei voneinander entfernten Stellen angeordnet wer- ^runS ^der beiden so auf Rechteckform gebrachten

den und aus den jeweils gemessenen Werten die elektromotorischen Kräfte;

Differenz gebildet wird, die dem magnetischen Feld- 15 einem Paar von Einrichtungen, die in den beiden

gradienten entspricht. Diese Art der Messung des ^so durch Differenzieren erhaltenen Impulsfolgen

magnetischen Feldgradienten ist nicht besonders nur die Impulse beibehalten, die eine bestimmte

vorteilhaft. Abgesehen davon, daß bei den Polarität haben, die für die beiden Folgen die

beiden Magnetometerköpfen eine genaue Einhai- gleiche ist;

tung eines vorgegebenen Abstandes beachtet werden 20 einer bistabilen Kippschaltung, die die beibehal-

muß, hat dieses Verfahren noch den Nachteil, tenen Impulse einer bestimmten Polarität emp-

daß Störeinnüsse, die sich nur auf eines der fängt und aus einem stabilen Zustand beim Emp-

beiden Magnetometer auswirken, das Meßergebnis fang eines jeden Impulses in den anderen kippt;

verfälschen. einem Integrator zur Integrierung der aus der

Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung eines 25 Kippschaltung austretenden Spannungsstufen, und

einheitlichen Meßgerätes zur Messung der Differenz Einrichtungen zur Messung der Ausgangsspan-

der Feldstärken eines magnetischen Feldes an zwei _nung des Integrators, die zu der zu bestimmenden

vorgegebenen Stellen, d. h. eines magnetischen Gra- Phasendifferenz proportional ist.
dientenmessers.

Ein magnetischer Gradientenmesser nach der Er- 30 Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Grafindung ist gekennzeichnet durch einen in der ersten dientenmesser wird die Eingangsspannung für den Zone befindlichen ersten Magnetometerkopf, der eine zweiten Magnetometerkopf vom ersten Magnetoerste praktisch sinusförmige elektromotorische Kraft meterkopf abgeleitet und die Messung des ma- U₂ mit einer zur Stärke des Magnetfeldes in dieser gnetischen Feldgradienten auf eine Messung der ersten Zone proportionalen Frequenz liefert, einen 35 Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspulen der zweiten, in der zweiten Zone befindlichen Magneto- beiden Magnetometerköpfe zurückgeführt, die der meterkopf, der wie ein Bandpaßfilter mit sehr schmaler Differenz der magnetischen Feldstärken in der ersten Bandbreite auf ein sinusförmiges Eingangssignal U₀ und zweiten Zone proportional ist. Mit diesem Graveränderlicher Frequenz anspricht und eine zweite dientenmesser können die Gradienten von Magnetelektromotorische Kraft U₃ liefert, deren Amplitude 40 feldern, insbesondere des magnetischen Erdfeldes, sich als Funktion der Frequenz des Eingangssignals mit einer sehr hohen Genauigkeit in der Größenordentsprechend einer Resonanzkurve (Lorentz-Kurve) nung eines Zehntel Mikrooersted bestimmt werden, ändert, die auf seine, zur Stärke des Magnetfeldes in Ferner eignet sich der Gradientenmesser auch zur der zweiten Zone proportionale Resonanzfrequenz Messung des Absolutwertes eines magnetischen Feizentriert ist, Einrichtungen zur Rückführung eines 45 des. Das Meßgerät hat verhältnismäßig kleine AbAnteiles der von dem ersten Kopf gelieferten elektro- messungen und kann als tragbares Gerät ausgeführt motorischen Kraft U₂ an den Eingang des zweiten werden; der Stromverbrauch ist relativ gering.
Kopfes, der das Eingangssignal U₀ für den zweiten Die Magnetometerköpfe des Gradientenmessers Kopf darstellt, und Einrichtungen zur Bestimmung arbeiten vorzugsweise nach dem Prinzip des Overder Phasendifferenz^ zwischen den elektromotorischen 50 hauser-Abgragam-Effektes. Durch diesen Effekt läßt Kräften U₂ und U₃. sich die Stärke des Resonanzsignals dadurch ver-

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht größern, daß in den beiden Magnetometerköpfen

darin, daß der erste Magnetometerkopf als Spin- gleichzeitig Kernspins und Elektronenspins ausge-

oszillator mit subatomaren Teilchen (Atomkerne, nutzt werden, wobei die Sättigung der elektronischen

Elektronen) ausgebildet ist und eine elektromotorische 55 Resonanzlinie (durch eine elektromagnetische Strah-

Kraft U₂ mit der Larmorfrequenz der Spins in dem lung mit der elektronischen Resonanzfrequenz) die

Magnetfeld in dieser ersten Zone, in der sich die Stärke des Resonanzsignals der Kernspins steigert.

Spins befinden, liefert. Ein auf diesem Prinzip beruhendes Magnetometer ist

In weiterer Ausbildung der Erfindung enthält der in der deutschen Patentschrift 1191480 beschrieben,

zweite Magnetometerkopf eine Eingangsspule, in 60 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

Reihe dazu einen in der Impedanz erheblich höher Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher

liegenden Widerstand, eine Ausgangsspule mit einem erläutert.

parallelgeschalteten Kondensator, der mit der Aus- Fig. 1 und 3 zeigen die Schaltungen der beiden

gangsspule einen Resonanzkreis bildet, der mit einer Magnetometerköpfe eines erfindungsgemäßen Gra-

Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz schwingt, 65 dientenmessers;

und ein Spinsystem mit subatomaren Teilchen, wobei F i g. 2 zeigt die Änderung der Amplitude der

das Spinsystem die Ausgangsspule mit der Eingangs- elektromotorischen Ausgangskraft des Kopfs der

spule bei der Larmorfrequenz (die gleich der Resonanz- F i g. 1 in Funktion der Frequenz des Eingangssignals;

3 4

F i g. 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen feld Null und dem magnetischen Erdfeld hat, durch Gradientenmesser, dessen beide Köpfe zweckmäßig Anlegung eines wechselnden (oder rotierenden) Magemäß F i g. 1 und 3 ausgeführt sind; gnetfeldes mit dieser Frequenz f_e gesättigt wird, welches

F i g. 5 zeigt die Änderung der Phasenlage (und der von einem mit dieser Frequenz schwingenden Os-Amplitude) zwischen dem Eingang und dem Ausgang 5 zillator 9 und einer von diesem gespeisten, in die eines der Köpfe des Gradientenmessers der Fig. 4, Flüssigkeit 8 eintauchenden Spule 10 erzeugt wird, nämlich des zweckmäßig gemäß Fig. 1 ausgebilde- Eine nicht dargestellte, den Behälter 7 umgebende ten; Abschirmung ist für die Kernresonanzfrequenz /₀

Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform durchlässig, aber für die Frequenz der elektronischen der Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendiffe- io Linie f_e > /₀ undurchlässig (für eine wäßrige Nitrosorenz zwischen den Ausgangsgrößen der beiden Köpfe disulfonatlösung beträgt z. B. in dem magnetischen des Gradientenmessers der F i g. 4. Erdfeld f_e = 55 bis 56 MHz und /₀ = 2100 Hz).

F i g. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform Wenn man an die Eingangsklemmen A, B des

eines der Köpfe des Gradientenmessers, bei welcher Vierpols der F i g. 1 eine Wechselspannung U₀ mit der Overhauser-Abragam-Effekt ausgenutzt wird. 15 der Frequenz Eine Eingangsspule 1 liegt in Reihe mit einem

Widerstand 2, dessen rein Ohmsche (d. h. reelle) * __ ^ω

Impedanz R erheblich größer als die Impedanz coL 2 π

der Spule 1 (mit der Induktivität L) bei der Betriebskreisfrequenz ω ist (R > coL), so daß die Spannung U₀ 20 anlegt, so daß ein Wechselstrom mit der Frequenz / des an die Klemmen A, B angelegten sinusförmigen und der Stärke I₀ in der Spule 1 fließt, welcher mit U₀ Eingangssignals praktisch in Phase mit dem durch die J_n phase ist, da R > coL, und wenn man die Ampli-Spule fließenden ebenfalls sinusförmigen Strom I₀ tude α der an den Ausgangsklemmen C, D des Vierist, pols verfügbaren Spannung U₁ mißt, indem man / Eine Ausgangsspule 3 ist parallel zu einem gegebe- 25 _{von emem} Wert /«, welcher erheblich kleiner als /₀ nenfalls abstimmbaren Kondensator 4 geschaltet, um ist, allmählich steigert, erhält man die Resonanzkurve einen Resonanzkreis 5 zu bilden, wobei die beiden der Fig. 2, welche eine Lorentz-Kurve ist. Spulen 1 und 3 normalerweise elektrisch entkoppelt Fern von /₀ ist nämlich die induktive Kopplung sind und ein etwaiger Widerstand 6 den Gütekoeffi- zwischen den Spulen 1 und 3 Null, und α ist praktisch zienten des Resonanzkreises herabsetzt, wobei die 30 Null. Wenn sich / dem Wert /₀ nähert, tritt über das Spule 3 normalerweise von der Spule 1 entkoppelt ist Spinsystem eine Kopplung zwischen den Spulen 1 und 3 (so daß der Koeffizient ihrer gegenseitigen Induktion auf, wobei die Spins einen Teil der durch die Spule 1 praktisch Null ist), indem z. B. diese Spulen senkrecht ausgegebenen Energie wieder an die Spule 3 zurückzueinander angeordnet sind. geben. Anders ausgedrückt, in der Nähe der Frequenz Ein Spinsystem mit subatomaren Teilchen (welche 35 f_Q spielt das Spinsystem zwischen dem durch die Spulel einer in einem Behälter 7 enthaltenen Flüssigkeit 8 gebildeten Sender einer elektromagnetischen Strahangehören) koppelt die Ausgangsspule 3 mit der Ein- lung und dem durch die Spule 3 gebildeten Empfängangsspule 1 mit der Resonanzfrequenz des Spin- ger der elektromagnetischen Strahlung etwa die gleiche systems in dem Magnetfeld, in welchem es sich be- Rolle wie eine undurchsichtige Substanz in der Nähe findet, wobei diese Frequenz /₀, Larmorfrequenz 40 eines Durchsichtigkeitsbandes (in welchem der komgenannt, zu der Stärke H₀ dieses Magnetfeldes pro- _pi_exe Index und die komplexe Dielektrizitätskonstante protional ist und durch folgende Gleichung gegeben auf ihren reellen Teil beschränkt sind) gegenüber einer ist: »leuchtenden« Strahlung.

γ Man erhält so (F i g. 1) ein elektrisches Filter mit

* ° ⁼ "^ °' 45 einer sehr schmalen Bandbreite (Breite df) und einem

sehr hohen Gütekoeffizienten (Q gemessen = 6250).

worin γ das gyromagnetische Verhältnis des Spin- Wenn / = /₀, ist U₁ in Phase mit U₀, da die die systems ist. Spulen 1 und 3 koppelnde magnetische Suszeptibili-

Die Ausbildung wird so getroffen, daß die Resonanz- tat eine reelle Zahl ist. Wenn sich dagegen / von /₀ frequenz Z₁ des Resonanzkreises 5 der Frequenz /₀ 50 entfernt, tritt eine gewisse Streuung auf, da die masehr nahe liegt, wobei der verringerte Gütefaktor dieses gnetische Suszeptibilität komplex wird, was eine Pha-Kreises übrigens die Wirkung hat, die Frequenzmit- senverschiebung zwischen U₁ und U₀ zur Folge hat, nähme (pulling) zu verringern, d. h. zu verhindern, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf F i g. 5 daß der Resonanzkreis seine Resonanzfrequenz der genauer erläutert ist.

Ausgangsgröße des Filters aufprägt, welche die Fre- 55 Das Filter der F i g. 1 mit einer sehr schmalen quenz /₀ hat, wie dies nachstehend unter Bezugnahme Bandbreite kann in einer Rückkopplungsschleife wie auf F i g. 2 erläutert ist. ein üblicher Schwingkreis benutzt werden. Es genügt,

Die Stärke des Resonanzsignals der Spins wird an die Eingangsklemmen A, B einen Teil der an den vorzugsweise durch den Overhauser-Abragam-Effekt Ausgangsklemmen C-D verfügbaren Spannung nach gesteigert. Die Flüssigkeit 8 wird daher durch eine 60 Verstärkung ohne Phasenverzerrung zurückzuführen, Lösung gebildet, welche in einem Lösungsmittel um einen (Spinoszillator genannten) Oszillator zu (insbesondere Wasser), welches Kernspins (insbe- erhalten, welcher eine Spannung mit einer Frequenz sondere Protonen) enthält, ein freies paramagnetisches liefert, welche zu der Stärke des Magnetfeldes propor-Radikal aufweist, z. B. Ditertiobutalnitroxyd oder tional ist, in welchem sich die Spins befinden. Nitrosodisulfonat, von welchen eine elektronische 65 In F i g. 3 ist ein derartiger Spinoszillator darge-Resonanzlinie mit einer Frequenz f_e, welche in einem stellt, welcher eine bekannte, z. B. in.der französischen Magnetfeld von der Größe Null von Null verschieden Patentschrift 1 351 587 vom 28. Dezember 1962 beist und praktisch die gleiche Größe in einem Magnet- schriebene Bauart aufweist.

In Fig. 3 findet man bei T₀ das Filter T₂ der des zweiten Kopfs T₂ zurück, wodurch das Eingangs-

F i g. 1 wieder (die entsprechenden Teile der beiden signal U₀ entsteht.

Figuren tragen in F i g. 3 die gleichen Bezugszeichen Schließlich sind Einrichtungen vorgesehen, welche

wie in Fig. 1, zu welchen jedoch in Fig. 3 der die Phasendifferenz ρ zwischen der ersten und der Buchstabe α hinzutritt), mit Ausnahme der folgenden 5 zweiten elektromotorischen Kraft bestimmen, welche

Abänderung: zur Sicherstellung einer besseren elek- zu dem Gradienten des Magnetfeldes zwischen der

irischen Entkopplung zwischen der Eingangsspule ersten und zweiten Zone proportional ist.

und der Ausgangsspule bei Fehlen einer Kopplung Ferner wird zweckmäßig außerdem ein Verstärker 11

durch die Spins ist die Eingangsspule in zwei Ab- derart vorgesehen, daß die (verstärkte) Ausgangsgröße schnitte la und Ib unterteilt, wobei der Mittelpunkt io U₃ des Kopfs T₂ und die Ausgangsgröße U₂ (nach

B₁ Körper Schluß hat, und die Anordnung Ia-Ib Entnahme durch den Leiter 12 a) des Kopfs T₁ prak-

wird über ein Ausgleichspotentiometer 2b, 2 c gespeist. tisch die gleiche Amplitude haben. Die Messung der

Bei 11a ist der ohne Phasenverzerrung arbeitende Phasendifferenz ρ zwischen U₂ und ZJ₃ erfolgt in einer

Verstärker dargestellt, dessen Eingang mit dem Aus- Vorrichtung 13, welche einen Empfindlichkeitsumgang E, F des Filters T₀ und dessen Ausgang mit den 15 schalter 14 speist, dessen Ausgang mit einem Regi-

Ausgangsklemmen E₁, F₁ des Oszillators verbunden striergerät 15, z. B. einem Registriergalvanometer,

ist. Ein Teil der Ausgangsgröße des Verstärkers 11a verbunden ist.

wird durch den Leiter 12 wieder an den Eingang A₁ In F i g. 5 ist die Phasenänderung ρ in Funktion des Filters T₀ zurückgeführt, dessen anderer Eingang der Frequenz / des in den Kopf oder das Filter T_z B₁ wie bereits ausgeführt ebenso wie die Ausgänge F 20 eintretenden Signals U₀ zusammen mit der Resonanz- und F₁ Körperschluß hat. kurve, welche die Amplitude α des Ausgangssignals U₁ Wenn g der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 α ebenfalls in Funktion von / angibt, dargestellt. Wenn / und ζ die Überführungsimpedanz des Filters T₀ den Wert f_x (Frequenz in dem Feld H_x) erreicht und genannt wird, genügt es, daß gilt: gz > 1, damit der dieser gleich /₀ (Resonanzfrequenz des Spinsystems in Oszillator der Fig. 3 eine sinusförmige elektromo- 25 dem Magnetfeld mit der Stärke H₂, von der angetorische Kraft U₂ liefert, welche von dem Gütefaktor nommen ist, daß sie gleich H₀ ist) ist, hat die Amplides Schwingkreises 5 a unabhängig ist, so daß also der tude α den Höchstwert (den Wert m), und die Phasen-Gütekoeffizient durch den Widerstand 6a auf etwa verschiebung ρ zwischen der Eingangsgröße U₀ und 6 heruntergesetzt werden kann, wodurch eine sehr der Ausgangsgröße U₁ und somit zwischen U₂ und U₃ geringe Frequenzmitnahme in einem Bereich der 30 ist Null. Infolgedessen ist die Phasenverschiebung magnetischen Feldstärke in der Größenordnung von zwischen U₂ und U₃ Null, wenn das Magnetfeld in der 1000 Gamma oder 0,1 Oersted erreicht wird. ersten und in der zweiten Zone genau die gleiche Der Verstärker 11a wird durch die Wirkung der Stärke hat, d. h., wenn H₁ gleich H₂ ist. Der Apparat 15 magnetischen Resonanz der Spins (insbesondere der registriert dann Null. Sobald ein Feldgradient zwischen Protonen) der Flüssigkeit 8 a gesteuert (welche gleich 35 der ersten und der zweiten Zone auftritt, d. h. sobald der Flüssigkeit 8 ist, falls das Filter T₂ und der Os- H₂ von H_x verschieden ist, erscheint eine Phasendiffezillator T₁ in dem gleichen Gradientenmesser der renz ρ zwischen U₀ und U_x und somit zwischen U₂ F i g. 4 benutzt werden), da die den Durchgang durch und U₃, wobei die Änderung dieser Phasendifferenz das Filter (Ausgangsspannung in Funktion der Ein- eben durch die untere Kurve der F i g. 5 dargestellt gangsspannung) darstellende Kurve nicht durch eine 40 wird, aus welcher hervorgeht, daß für eine Änderung lineare Gleichung, sondern durch eine Van de Polsche von /um d/die Phase ρ sich zwischen —pm und +pm Gleichung dargestellt wird. ändert. Bei der im einzelnen beschriebenen Ausfüh-In Fig. 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßer rungsform beträgt die Phasenänderung π/2 für eine Gradientenmesser dargestellt. Er enthält einen ersten Änderung von 15 Gamma (Iy = 10~⁵ Oersted) von Magnetometerkopf T₁, welcher in Wirklichkeit bei der 45 der /₀ entsprechenden mittleren Stärke des Magnetbevorzugten Ausführungsform durch einen Oszillator feldes aus, was eine sehr bedeutende Empfindlichkeit der in F i g. 3 dargestellten Art (mit einem Filter T₀) des Apparats ergibt.

gebildet wird und bei E₁, F₁ eine erste praktisch sinus- In F i g. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform

förmige elektromotorische Kraft U₂ liefert, deren der Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz

Frequenz zu der Stärke Ji₁ des Magnetfeldes in der 50 ρ zwischen U₂ und U₃ dargestellt,

ersten Zone, in welcher sich der Kopf T_x befindet, Eines der Signale U₂ oder U₃ wird zunächst um 180°

proportional ist. phasenverschoben, so daß zwei Signale Ja, Jb ent-

Ein zweiter Magnetometerkopf T₂ bildet ein Kern- stehen, welche um 180° gegeneinander phasenverscho-

filter (in Wirklichkeit bei dieser Ausführung das Filter ben sind, wenn die Phasenverschiebung ρ zwischen

der Fig. 1), welches bei C, D bei Ansprechen auf 55 U₂ und U₃ Null ist. Die Einrichtungen zur Bestimmung

ein sinusförmiges Eingangssignal JJ₀ veränderlicher der Phasendifferenz enthalten dann außerdem ein

Frequenz eine zweite elektromotorische Ausgangs- Paar von Einrichtungen, welche die beiden elektro-

kraft U₃ überträgt, deren Amplitude α sich in Funktion motorischen Kräfte Ja und Jb auf Rechteckform

der Frequenz des Eingangssignals gemäß einer Reso- bringen und zweckmäßig die durch eine Schmittsche

nanzkurve oder Lorentz-Kurve (nämlich der in F ig. 2 60 Kippschaltung 16 a, 16 b für Ja, Jb gebildet werden,

dargestellten) ändert, welche auf seine Resonanz- welche Ka, Kb liefern.

frequenz zentriert ist, wobei diese Resonanzfrequenz Ein Paar von Einrichtungen zur Differentiierung wie oben erläutert zu der Stärke H₂ des Magnetfeldes der so auf Rechteckform gebrachten elektromotoriin der zweiten Zone proportional ist, in welcher sich sehen Kräfte Ka, Kb wird je z. B. durch einen Reihender zweite Kopf T₂ befindet. 65 kondensator 17 a, YIb und einen Ableitungswiderstand

Einrichtungen, z. B. elektrische Leiter 12a, führen 18a, l%b gebildet.

einen Teil der ersten von dem ersten Kopf T_x gelief er- Ein Paar von Einrichtungen behält in den beiden so

ten elektromotorischen Kraft U₂ an den Eingang A, B durch Differentiieren erhaltenen Impulsfolgen nur die

Impulse La, Lb mit einer bestimmten Polarität bei, welche für die beiden Folgen die gleiche ist, z. B. die positive Polarität (wie dargestellt), wobei diese Einrichtungen zweckmäßig durch zwei Dioden 19 a, 20 a für das eine Paar und 19 b, 20 b für das andere Paar gebildet werden.

Eine bistabile Kippschaltung 21 empfängt die Impulse La, Lb und kippt aus einem stabilen Zustand in den anderen bei Empfang eines jeden Impulses La oder Lb, wobei sie eine Spannung M mit abwechselnd positiven und negativen Rechteckstufen liefert.

Ein Integrator 22 integriert die Ausgangsspannung M der Kippschaltung.

Einrichtungen 15 messen die Ausgangsspannung des Integrators 22, welche zu der zu bestimmenden Phasendifferenz proportional ist.

Wenn nämlich die Phasendifferenz ρ zwischen den elektromotorischen Kräften CZ₂ und U₃ Null ist, beträgt die Phasendifferenz zwischen den elektromotorischen Kräften Ja und Jb 180°. Dies ist der für die verschiedenen Signale der Fig. 6 dargestellte Fall. Die Signale Ka und Kb sind dann ebenfalls um 180° phasenverschoben, und die Impulse Lb legen sich zwischen die Impulse La, wobei die vorderen Flanken der Impulse Lb gerade in der Mitte des Zwischenraums zwischen zwei vorderen Flanken von Impulsen La auftreten. Die bistabile Kippschaltung bleibt während der gleichen Zeitdauer in jedem Zustand, und das Signal M besitzt einander gleiche positive und negative Halbwellen. Sobald eine Phasenverschiebung ρ zwischen U₂ und U₃ auftritt, sind die Signale Ja und Jb nicht mehr genau um 180° phasenverschoben, und die vorderen Flanken der Impulse Lb verschieben sich je nach dem Zeichen vonp in Richtung auf den vorhergehenden oder den nächsten Impuls La. Die Kippschaltung 21 bleibt dann langer in einem der Zustände als in dem anderen, so daß das Signal M Halbwellen einer Polarität aufweist, welche länger als die Halbwellen der anderen Polarität sind.

Der Integrator 22 gibt den Mittelwert des Signals M wieder, welcher Null ist, wenn/; == 0, dessen Absolutwert jedoch mit ρ zunimmt, wenn dieser von Null verschieden ist, wobei das Zeichen dieses mittleren Signals von dem Zeichen von ρ abhängt.

Bei der dargestellten Ausführungsform geht die von dem Integrator 22 gelieferte Spannung von 0 auf 10 V für eine von 0 bis π/2 wachsende Phasenverschiebung/?, d. h. für einen von 0 auf 15 γ zunehmenden Gradienten zwischen der ersten und zweiten Zone. Da das elektronische Grundgeräusch nicht den Wert eines Mulivolts übersteigt, kann mit diesem Apparat ein Gradient von l,5-10~^sy festgestellt werden, was für die im allgemeinen vorzunehmenden Messungen eine viel zu große Empfindlichkeit darstellt. Es kann daher zwischen dem Integrator 22 und dem Registriergerät 15 ein Abschwächer 14 eingeführt werden, welcher die Empfindlichkeit auf einen Höchstwert von 0,01 γ begrenzt. Die Ausgangsspannung des Abschwächers 14 kann registriert oder auf einem üblichen Galvanometer 15 abgelesen werden, wobei der Abschwächer 14 z. B. drei verschiedene Empfindlichkeiten hat, nämlich 1 γ bzw. 2 γ bzw. 5 γ für die ganze Skala.

Es können Einrichtungen vorgesehen werden, um den Abstand zwischen den Köpfen T₁ und T₂ gemäß der Verwendung oder dem Zustand des Geländes zu verändern. So können z. B. die Köpfe T₁ und T₂ in einem rohrförmigen Halter aus Kunststoff eingeschlossen werden, in welchem sie in der Längsrichtung verschoben und in ihrer Stellung befestigt werden können, wobei der übliche Abstand zwischen den beiden Köpfen z. B. 80 cm beträgt.

Mit einem derartigen Apparat können Änderungen in der Größenordnung von 0,01 γ, d. h. 0,1 Mikrooersted, beobachtet und bestimmt werden, wobei die Änderungen der magnetischen Feldstärke registriert werden und den allgemeinen Verlauf der Störungen liefern können, z. B. zur Bodenerforschung unter Bestimmung der Anomalien des Magnetfeldes.

Es ist zu bemerken, daß an dem Apparat der F i g. 4 ein einfach an E₁, F₁ angeschlossener Ausgang vorgesehen werden kann, welcher in einem Frequenzmesser die Stärke H₁ des Magnetfeldes angibt.

Ein vollständiger transistorierter Gradientenmesser gemäß der unter Bezugnahme auf Fig. 1, 3, 4 und 6 beschriebenen Ausführungsform verbraucht 0,4 A unter 28 V, d. h. etwa 12 W, wobei ein einziger Oszillator die beiden Oszillatoren 9 und 9 a zur Speisung der Spulen 10 bzw. 10 a der Köpfe T₂ bzw. T₁ ersetzt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetischer Gradientenmesser zur Messung der Differenz der magnetischen Feldstärken in einer ersten und in einer zweiten Zone, gekennzeichnet durch einen in der ersten Zone befindlichen ersten Magnetometerkopf (T₁), der eine erste praktisch sinusförmige elektromotorische Kraft (CZ₂) mit einer zur Stärke des Magnetfeldes in dieser ersten Zone proportionalen Frequenz liefert, einen zweiten, in der zweiten Zone befindlichen Magnetometerkopf (T₂), der wie ein Bandpaßfilter mit sehr schmaler Bandbreite auf ein sinusförmiges Eingangssignal U₀ veränderlicher Frequenz anspricht und eine zweite elektromotorische Kraft U₃ liefert, deren Amplitude sich als Funktion der Frequenz des Eingangssignals entsprechend einer Resonanzkurve (Lorentz-Kurve) ändert, die auf seine zur Stärke des Magnetfeldes in der zweiten Zone proportionale Resonanzfrequenz zentriert ist, Einrichtungen zur Rückführung eines Anteiles der von dem ersten Kopf (T₁) gelieferten elektromotorischen Kraft CZ₂ an den Eingang des zweiten Kopfes (T₂), der das Eingangssignal U₀ für den zweiten Kopf (T₂) darstellt, und Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz ρ zwischen den elektromotorischen Kräften CZ₂ und U₃.

2. Magnetischer Gradientenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnetometerkopf (T₁) als Spinoszillator mit subatomaren Teilchen (Atomkerne, Elektronen) ausgebildet ist und eine elektromotorische Kraft U₂ mit der Larmorfrequenz der Spins in dem Magnetfeld in dieser ersten Zone, in der sich die Spins befinden, liefert.

3. Magnetischer Gradientenmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magentometerkopf (T₂) eine Eingangsspule (1), in Reihe dazu einen in der Impedanz erheblich höher liegenden Widerstand (2), eine Ausgangsspule (3) mit einem parallelgeschalteten Kondensator (5), der mit der Ausgangsspule (3) einen Resonanzkreis bildet und mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz schwingt, und ein Spinsystem (8) mit subatomaren Teilchen aufweist, des die Ausgangsspule mit der Eingangsspule bei der Larmorfrequenz (die gleich der Resonanz-

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frequenz ist) des Spinsystems in dem Magnetfeld

an der zweiten Zone koppelt.

4. Magnetischer Gradientenmesser nach einem

der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Phasendifferenzmeßeinrichtungen ρ enthalten: ein Paar von Einrichtungen, die den beiden normalerweise um 180° phasenverschobenen elektromotorischen Kräften Rechteckform erteilen;

ein Paar von Einrichtungen zur Differenzierung der beiden so auf Rechteckform gebrachten elektromotorischen Kräfte;
ein Paar von Einrichtungen, die in den beiden so durch Differenzieren erhaltenen Impuls-

folgen nur die Impulse beibehalten, die eine bestimmte Polarität haben, die für die beiden Folgen die gleiche ist;

eine bistabile Kippschaltung, die die beibehaltenen Impulse einer bestimmten Polarität empfängt und aus einem stabilen Zustand beim Empfang eines jeden Impulses in den anderen kippt;

einen Integrator zur Integrierung der aus der Kippschaltung austretenden Spannungsstufen, und

Einrichtungen zur Messung der Ausgangsspannung des Integrators, die zu der zu bestimmenden Phasendifferenz proportional ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen