Устройство для управления полем электромагнита Советский патент 1977 года по МПК G05F7/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТА о мальная величина шага не должна превышать Г1СГ Т. Уменьшение шага в известном устройстве возможно лишь при снижении частоты колебаний опорного напряжения на фазовом детекторе петли авторегулирования частоты автогенератора. Однако при снижении частоты опорного напряжения возрастает инерционность системы авторегулирования частоты автогенератора, что приводит к снижению скорости изменения поля электромагнита и ухудшению кратковременной стабильности мапштного поля; отсутствие отсчета магнитного поля в значениях магнитной индукции, что затрудняет, например, оперативную обработку спектров магнитного резонанса; низкое отношение сигнала к шуму в петле стабилизации магнитного поля, обусловленное применением метода быстрого прохождения через ядерный магнитный резонанс с использованием магнитной модулящш большой амплитуды. (Получаемые при этом узкие импульсы сигнала ЯМР требуют широкой полосы пропускания усилительной части датчика ЯМР). Следствием низкого отношения сигнала к шуму является низкая точность управления магнитным полем. Цель изобретения - осуществление автоматической шаговой развертки поля электромагнита, увеличение быстродействия при любой величине, малости шага ускорение обработки данных магнитНЫУ; измерений путем получения отсчета поля в единицах магнитной индзлкции. Автоматическая шаговая развертка поля электр магнита и увехшчение быстродействия при любой величине малости шага установки и развертки поля достигаются тем, что в известное устройство, содержащее регулируемый источник питания электромагнита с аналоговым сумматором на входе, датчик ЯМР с модуляционными катушками, цифро-аналоговьш преобразователь, блок обработки сигнала ЯМР, генератор модуляции, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, переключатель установки частоты, фазовый детектор и источник напряжения стабильной частоты, дополнительно введены программный генератор импульсов шаговой развертки и счетчик, причем переключатель установки частоты подключен к установочным входам счетчика, кодовые выходы старших разрядов счетчика соединены с установочными входами делителя частоты с переменным коэффициентом деления, кодовые выходы младших разрядов счетчика подключены к цифровым входам цифро-аналогового преобразователя, аналоговый выход которого соединен с модутмционными катушками датчика ЯМР, выход программного генератора импульсов шаговой развертки подключен к счетным входам счетчика. Повьпиение точности управления полем достигается применением в датчике ЯМР метода малой магнитной модуляции с вьщелением в качестве управляющего сигнала первой производной линии поглощения ЯМР, в связи с чем блок обработки сигнала ЯМР полностью изменен: к выходу амплитудного детектора датчика ЯМР подключены первый и второй фильтры, вьщеляюшие соответственно сигналы ядерного магнитного резонанса с первой йчвторой гармонцками частоты магнитной модуляции.Выход первогЬ-Лильтра подключен к синхронномудетектору, опорный вход которого соединен с генера ром мoдyляции Выход второго фильтра подключен к амплитудному детектору. Выходы синхронного и амплитудного детекторов соединены со входами генератора напряжения автопоиска, выход которого и выход синхронного детектора подключены ко входам аналогового сумматора регулируемого ист(чника питания электромагнита. Ускорение обработки данных магнитных измерений путем (получения отсчета поля в единицах магнитной инд)лкции достигается тем, что частота колебаний опорного напряжения фазового детектора выбирается, исходя из условия: fa. -A-10% -гиромагнитное отношение ядер ЯМР где 7 вещества, п целое положительное или отрицательное число, а также нуль, определяющее величину шага перестройки, частоты автогенератора датчика ЯМР. На чертеже представлена блок-схема устройства управления полем электромагнита. Устройство управления полем электромагнит содержит датчик ЯМР 1, делитель 2 частоты с переменным коэффициентом деления, фазовый детектор 3, источник напряжения стабильной частоты 4, счетчик 5, программный генератор 6 импульсов шаговой развертки, переключатель установки частоты 7, цифро-аналоговый преобразователь 8, блок 9 обработки сигнала ЯМР, аналоговый сумматор 10, регулируемый источник питания электромагнита 11, генератор модуляции 12. Автогенератор 13 датчика ЯМР 1 соединен с измерительной катушкой индуктивности 14, содержащей ЯМР вещество и помещаемой в поле электромагнита 15. Модуляционные катушки 16 подключены к генератору модуляции 12. Вход амплитудного детектора 17 соединен с автогенератором 13. Управляющий элемент 18 подключен к выходу фазового детектора 3 и к автогенератору 13. Программный генератор импульсов шаговой развертки 6 содержит последовательно включенные генератор периодической последовательности, импульсов 19, ключ 20, делитель частоты 21 и переключатель скорости развертки 22, а также селектор 23 импульсов с переключателем 24 шага развертки, коммутирующие ключи 25 и выключатель развертки 26. Входы селектора 23 импульсов подключены к делителю частоты 21 и к ключу 20, а выход - к коммутирующим ключам 25, управляющие входы которых соединены с переключателем шага развертки 24. Выходы коммутирующих ключей подключены к счетным входам счетчика 5, а выключатель развертки 16 соединен с зттравляющим входом ключа 20. Блок 9 . содержит фильтр первой гармоники частоты модуляции 27, фильтр второй гармоники частоты модуляции 28, синхронный детектор 29, амплитудный детектор 30 и генератор напряжения автопоиска 31. Выход фильтра 27 подключен ко входу синхронного детектора 29, выход которого соединен с генератором 31 и с аналоговым сумматором 10. Выход фильтра второй гармоники частоты модуляции 28 подключен ко входу амплитудного детектора 30, выход которого соединен сгенератором 31, подключенного также к аналоговому сумматору 10. Входы фильтров 27 и 28 соединены с выходом амплитудного детектора 17 датчика ЯМР 1. Опорный вход синхронного детектора 29 соединен с генератором модуляции 12. Выход регулируемого источника питания электромагнита 11 подключен к питающим обмоткам 32 электромагнита 15. Переключатель установки частоты 7 соединен с установочными входами счетчика 5. Кодовые вьиоды младших разрядов счетчика 5 подключены к установочным входам щфро-аналогового преобразователя 8, аналоговый выход которого соединен с модулявдонными катушками 16. Кодовые выходы старших разрядов счетчика 5 подключены к установочным входам делителя 2 частоты с переменным коэффициентом деления, счетный вход которого соединен с автогенератором 13, а c4ehibiH ьыход - со входом фазового детектора 3. Опорньш вход фазового детектора 3 подключен к выходу источника напряжения стабильной частоты 4. С помощью переключателя скорости развертки 22 производится изменение коэффициента деления делителя частоты 21. Переключатель шага развертки 24 коммутирует цепи селектора 23 импульсов и счетные входы счетчика 5, подключаемые через ключи 25 к выходу селектора импульсов 23. Переключателем установки частоты 7 производится начальная установка счетчика 5 и, следовательно, начальная установка коэффициента деления N делителя 2 частоты с переменным коэффициентом деления, Под действием петли авторегулирования, включающей в себя делитель 2 частоты с переменным коэффициентом деления фазовый детектор 3 и управляюш11Й элемент 18, частода колебаний f р автогенератора 3 устанавливается равной , П) где ton - частота.колебаний источника 4 напряжения Стабильной.. частоты. Состояние мен ших разрядов счетчика 5 определяет величину тока через модуляционные катущки1 задаваемого цифро-аналоговым преобразователем 8. Ток, протекаюпдий через модуляционные катушки 16, создает в месте расположения измерительной катушки индуктивности 14 с ЯМР вешеством дополнительную индукцию Вдоп магнитного поля. После того, как частота fo автогейератора 13 и дополнительная индукция Вдоп установлены, включается генератор напряжения азтопоискаЗ, который воздействует через аналоговый сумматор 10 на вход регулируемого источника питания электромагнита 11. Регулируемый источник питания электромагнита 11 устанавливает ток в обмотка 32 электромагнита 15 такой величины, при которой вьшолняется чусловие ядерного магнитного резонадса в месте р арположения измерительной катушки индуктивности,4 с ЯМР веществом: |-В+1Вдоп1- у 1с где БОГ суммарная величина индукции магнитного поля. При вьшочнении условия (2) обусловленный ЯМР сигнал на выводе амплитудного детектора 30 вьжлючает генератор 31. При наличии ЯМР сигнала начинает функционировать петля авторегулирования магнитного поля, включающая в себя датчик ЯМР 1, фильтр 27, синхронный детектор 29, аналоговый сумматор 10, регулируемый источник питания электромагнита 11, обмотки 32 электромагнита и электромагнит 15. В процессе регулирования поддерживается режим .стабилизации поля электромагнита 15. Условие (2) с учетом (1) может быть записано в следующем виде. ,„ . (3) Малые шаги установки индукции В реализуются посредством изменения Вдоп. большие - за счет изменения N. При изменении Вдоп время на перестройку частоты автогенератора 13 не затрачивается, что повышает быстродействие устройства в целом. При шагах установки поля, превышающих полосу захвата петли авторегулирования поля, включается генератор напряжения автопоиска 31, который регулирует ток в обмотках 32 электромагнита 15 описанным выше образом. Развертка магнитного поля во времени от предварительно установленного значения индукции начинается после открывания ключа 20 выключателем 26. При малых шагах развертки выход селектора 23 импульсов с помощью переключателя шага развертки 24 подключается к счетным входам младших декад счетчика 5, при больших шагах - к счетным входам старших декад счетчика 5. Требуемый множитель шага развертки обеспечивается селектором 23 импульсов, формирующим необходимое количество импульсов в пачках, следзтощих с частотой, задаваемой переключателем скорости развертки 22. Число импульсов в пачке устанавливается переключателем 24 щага развертки. Из зътраженкя (3) следует, что, выбрав , где п - целое положительное или отрицательное число, а также нуль, и обеспечив равенство; , +K210 +..., где KI, Кг... - целые положительные числа от О до 9, получаем отсчет поля в единицах магнитной индукции и в десятичной системе. Для управления полем электромагнита в области малых значений магнитной индукции (менее

0.05 Т) аналогачное описанному устройство может использоваться с датчиком электронного гарамагнитного резонанса.

Данное устройство управления полем электромагнита вьп-одао отличается от известных устройств высокой точностью управления магнитным полем, возможностью осуществления автоматической шаговой развертки поля, высоким быстродействием при любой величине малости шага установки и развертки поля. Отмеченные преимущества позволяют достичь высокой долговременной стабильности магнитного поля, высокой воспроизводимости магнитных разверток и снижения времени, затрачиваемого на реализацию заданного числа разверток с малым шагом, что представляет особую практическую ценность, например, для магнитной радиоспектроскопии высокого разрешения как стационарной, так и с Фурье - преобразованием в сочетании с ЭВМ для накопления . и обработки спектров. Кроме того при использовании устройства в упомянутой области ускоряется и упрощается обработка спектров магнитного резонанса благодаря наличию возможности отсчета поля непосредственно в единицах магнитной индукции.

Формула изобретения

1. Устройство для управления полем электромаг|шта, содержащее регулируемый источник питания электромагнита с аналоговым сумматором на входе, датчик ядерного магнитного или электронного парамагнитного резонанса с модуляционными катушками цифро-аналоговый преобразователь, блок обработки сигнала ядерного мапщтного игш электронного парамагнитного резонанса, генератор модуляции, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, переключатель установки частоты, фазовый детектор и источник напряжения стабильной частоты, отличающееся тем, что, с целью осуществления автоматической шаговой развертки поля и увеличения быстродействия при любой малости шага установки и развертки поля, оно снабжено программным генератором импульсов шаговой развертки и счетчиком, причем переключатель установки частоты подключен к установочным входам счетчика, кодовые выходы старших разрядов счетчика соединены с установочными входами делителя частоты с переменным коэффициентом деления, кодовые выходы младших разрядов счетчика подключены к цифровым входам цифро-аналогового преобразователя, аналоговый Ёь1ход которого оединен с модуляционными катушй ми, а выход npWpaMMHoro генератора импульсов лиговой развертки подключен к счетным входам счетчика.

2.Уст ойство по П.1,отличающееся тем, что, с целью повьппения точности управления, блок обработки сигнала ядерного магнитного или электронног( парамагнитного резонанса вьшолнен в виде фильтра первой гармоники частоты модуляции с синхронным детектором на выходе, фильтра второй гармоники частоты модуляции с амплитудным детектором на выходе и генератора напряжения автопоиска, причем входы обоих фильтров подключены к выходу датчика ядерного магнитного или электронного парамагнитного резонанса, выход синхронного детектора и генератора напряжения автопоиска соединены с аналоговым сумматором, опорный вход синхронного детектора подключен к генератору модуляции, выходы синхронного и амплитудного детекторов соединены с генератором напряжения автопоиска.

3.Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что, с целью ускорения обработки данных магнитных измерений путем получения отсчета поля в единицах магнитной индукции, частота колебаний опорного напряжения на фазовом детекторе выбирается равной:

on |fiO

1« J

где у - гиромагнитное отношение ядер или элек тронов рабочего вещества;

п - целое положительное или отрицательное число, а также нуль.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Патент ФРГ. №1114237, НКИ 21 с 46/50 1962г.

2.Устройство, описанное в статье, опубликованной в журнале„Ыис1еаг Instruments and methods 1973 г. 109, N 2, стр. 365-370.