Магнитометр Советский патент 1981 года по МПК G01R33/08 

1

Изобретение относится к магнитннм измерениям и может быть использовано для измерения магнитных полей на основе метода ядерного магнитного резонанса.

Известен магнитометр, выполненный на базе измерителя магнитного поля К 11 - 2,. Система автоматической подстройки частоты содержит две цепи обратной связи: электронную (на основе изменения емкости варикапа) и электромеханическую (на основе переменного конденсатора, механически связанного с реверсивньам двигателем) . Автоматический поиск сигнала ЯМР осуществляется путем разбаланса синхронного детектора 1.

Недостатками магнитометра является наличие электромеханической системы и значительные погрешности в определении величины магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения магнитного поля, содержащее автодин, усилитель высокой частоты, амплитудный детектор сигнала поглощения, усилитель низкой частоты, синхронный детектор вырабатывающий сигнал ошибки, и блок автоматического слежения и поиска сигнала ЯМР. Захват линии резонанса производится по напряжению второй гармоники частоты модуляции, которое максимально в центре резонансной линии сигнала поглощения. Устройство предпо- лагает наличие катушек модуляции поля в конструкции датчика или магнита, параметры которого измеряются 2.

Недостатком устройства является

0 нарушение однородности измеряемого поля в связи с необходимостью его модуляции, а следовательно, недостаточно высокая точность измерений.

Цель изобретения - повьвиение точ5ности измерений путем исключения влияния магнитометра на однородность измеряемого поля.

Эта цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий последова0тельно соединенные датчик ЯМР, варикап, усилитель низкой частоты, синхронный детектор и интегратор, а также автодин, подключенный к выходу датчика ЯМР, модулятор, первым вы5ходом связанный со вторым входом сингхронного детектора, а вторым выходом с выходом интегратора, и амплитудный детектор, входом подключенный к выходу усилителя низкой частоты, вве0дены последовательно соединенные гетеродин, балансный сместитель, фильт нижних частот и усилитель постоянного тока, а также последовательно соединенные реле времени и триггер, причем вход гетеродина соединен с выходом модулятора, второй вход балансного сместителя с выходом датчика ЯМР, выход усилителя постоянного тока со входом усилителя низкой частоты, второй вход интегратора с первым входом триггера, второй вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а выход - ко входу интегратора.

На фиг. 1 изображена структурная схема предложенного магнитометра; на фиг. 2 - напряжение на выходе усилителя постоянного тока.

Магнитометр содержит датчик ЯМР 1 варикап 2, автодин 3, балансный сместитель 4, фильтр 5 нижнихчастот, усилитель б постоянного тока, усилитель 7 низкой частоты, амплитудный детектор 8, синхронный детектор 9, реле времени 10, триггер 11, интегратор 12, модулятор 13 и гетеродин 14, Автодин 3 с варикапом 2, последовательно соединенные балансный сместитель 4, фильтр 5 нижних частот усилитель 6 постоянного тока и гетеродин 14 образуют детектор сигнала дисперсии, представляющий собой сиетему фазовой автоподстройки частоты. Детектор сигнала дисперсии, усилител

7низкой частоты, синхронный детек. тор 9, интегратор 12 образуют цепь

слежения за линией ЯМР. Усилитель 7 низкой частоты, амплитудный детектор

8и триггер 11 образуют цепь поиска ЯМР. Интегратор 12 выполняет функцию генератора пилообразного напряжения, управляющего напряжением на входе гетеродина 14 в режиме поиска.

Устройство работает следующим образом.

Датчик ЯМР 1 помещается в измеряемое магнитное поле. Ядерный магнитный резонанс наступает в момент выполнения условия;

, где W - частота резонанса;

-jr - гиромагнитное отношение, постоянная для данного равенства; Н - напряженность измеряемого

магнитного поля.

В колебательном контуре, образованном датчиком 1 и варикапом 2, возникают собственные колебания. Возникающее в области резонанса изменение магнитной восприимчивости вещества вызывает частотную и амплитудную модуляцию генерируе1мых автодином 3 высокочастотных калебаний, которые детектирьтотся последующими блоками и после чего выделяется либо сигнал дисперсии, либо поглощения.

В предлагаемом магнитометре исползуется сигнал дисперсии,

При сканировании частоты автодина 3 вблизи резонанса напряжение сигнала дисперсии, возникающее на выходе детектора сигнала дисперсии, то есть на .выходе усилителя 6, имее вид, изображенный на фиг. 2.

Если частоты гетеродина 14 и авкгодина 3 близки, то наблюдается явление так называемого захвата частотой гетеродина частоты автодина, в результате которого устанавливается определенное фазовое соотношение их колебаний (сдвиг фаз на 90), пр котором сигнал разбаланса на выходе балансного смесителя 4, и на выходе усилителя 6 нулевой.

Синусоидальное напряжение низкой Частоты с модулятора 13, воздейству на гетеродин 14, производит качание его частоты около фиксированного значения. Вследствие этого низкочастотное напряжение, появившееся на выходах балансного сместителя 4 и фильтра нижних частот 5, усиленное усилителем постоянного тока 6, воздействует на варикап 2 автодина 3 и изменяет частоту последнего по заказу изменения частоты гетеродина 14 (около того же фиксированного значения частоты).

При отклонениях от центра резонанса по обе стороны до половины ширины резонансной кривой сигнала дисперсии на выходе детектора сигнала дисперсии появляется возрастающее от нуля до максимума (в точках М и M,.j фиг. 2) напряжение удвоенной частоты модуляции со сменой фазы при переходе через центр резонанса (точка. О). Это напряжение выделяется и усиливается избирательным и низко.частотньм R С усилителем 7, настроенным на удвоенную частоту модуляции, поступает на один из входов синхронного детектора 9, на второй вход которого подано опорное напряжение с модулятора 13, Выходной сигнал детектора 9 - кривая производной сигнала дисперсии по 2-й гармонике модулирующей частоты. Полярность выходного сигнала синхронного детектора 9 определяется фазой входного сигнала. Выходное напряжение синхронного детектора 9 через интегратор 12 управляет напряжением на входе гетеродина 14. в процессе поиска линии резонанса выходное напряжение интегратора 12, нарастая от значения до U, будучи поданным на гетеродин 14, перестраивает его частоту и частоту автодина 3 в некотором интервале частот, которому (согласно соотношению w ТН) соответствует диапазон измеряемых магнитометром магнитных полей. При подходе к резонансу на выходе усилителя 7 появляется напряжение удвоенной частоты модуляции достигающее определенного уровня. Это напряжение, вьаделенное амплитудным детектором 8, воздействует на триггер 11. При подходе к центру резонанса указанное напряжение уменьшается и обращается в нуль в центре резонанса. Это уменьшение приведет к срабатыванию триггера 11, который изменяет свое первонав состоячальное состояние

ние 1 , При переходе триггера 11 в состояние Ч прекращается рост пилообразного напряжения выхода интегратора 12, которое теперь изменяется по закону производной сигнала дисперсии по 2-й гармонике частоты модуляции. Начинается процесс слежения, Если в процессе слежения за линией резонанса поле достигает определенного значения - выше или ниже пределов измерения, пульс с выхода интегратора 12 переведет триггер 11 в состояние О, Начнется новый цикл поиска резонансной линии. Реле времени 10 через короткий промежуток времени после подключения питания к устройству сбрасывает триггер 11 а О, так как после включения этот триггер может находиться в любом состоянии.

Использование частотной модуляции автодина вместо модуляции измеряемого поля исключает влияние работы магнитс 4етра на однородность измеряемого поля,

Применение предлагаемого магнитометра позволяет в ЭПР спектрометра наблюдать парамагнитный резонанс в исследуемых образцах и измерять магнитное поле одновременно, что зачастую является необходимый условием физического эксперимента, кроме того исключение модуляционных катушек обеспечивает возможность уменьшения габаритов датчика, что является существенным в спектрометрах, в частности в сверхпроводящих соленоидах, где полезный объем мал и габариты датчика определяются обмотками модуляции.

Формула изобретения

Магнитометр, содержащий последовательно соединенные датчик ЯМР, ва0рккап, усилитель низкой частоты, синхронный детектор и интегратор, а также автодин, подключенный к выходу датчика ЯМР, модулятор, первьм выходом связанный со вторым входом

5 синхронного детектора, а вторым выходом - с выходом интегратора, и амплитудный детектор, входом подключенный к выходу усилителя низкой частотыjO тличающийс я тем, что с целью повышения точности изме0рений путем исключения влияния магнитометра на однородность измеряемого него введены последовательно соединенные гетеродин балансный смеситель , фильтр нижних частот и усили5тель постоянного тока, а также последовательно соединенные реле времени и триггер, причем вход гетеродина соединен с выходом модулятора, второй вход балансного сместителя

0 с выходом датчика ЯМР, выход усилителя постоянного тока со входом усилителя низкой частоты, второй I выход интегратора с первьм входом триггера, второй вход которого под5ключен к выходу амплитудного детектора, а выход - ко входу интегратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1.Приборы и техника експеримента, 1975 № 4, с, 234,

2,Ж, ПНИ, 1972, №8, С, 61,