Магнитометр Советский патент 1981 года по МПК G01R33/00 G01N24/00 

(54) МАГНИТОМЕТР

I

Изобретение относится к измерениям магнитных полей на основе метода ядерного магнитного резонанса и предназначено для измерений магнитных полей, однородность которых не искажается влиянием магнитометра при уменьшении габаритов датчика магнитометра.

Известен магнитометр, в котором датчик представляет собой катушку с образцом, находящуюся на конце длинной коаксиальной линии. Катушка сконструирована так, что ведет себя как линия передачи с распределенной емкостью между витками катушки и землей. Характеристический импеданс катушки равен импедансу коаксиальной линии, это равенство нарушается в момент резонанса, так как происходит отражение высокочастотной энергии. Система слежения за линией резонанса основана на определении нуля амплитуды второй гармоники частоты модуляции из дисперсивной части отражения 1.

Недостатками такого магнитометра ярляются отсутствие системы поиска и захвата линии резонанса, сложная технология изготовления и настройки датчика.

Известен также следящий магнитометр, содержащий автбдин, усилитель высокой частоты, 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 предполагает наличие катущек модуляции поля в конструкции датчика или магнита, параметры которого измеряются 2.

Недостатки этого устройства заключаются в нарущении однородности измеряемого поля в связи с необходимостью его модуляции, увеличение габаритов датчика из-за обязательного введения обмоток модуляции. . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее автодин, детектор сигнала поглощения, усилитель низкой частоты, синхронный детектор, вырабатывающий сигнал ошибки, и блок автоматического поиска и слежения за сигналом ЯМР. Захват линии ЯМР

производится по напряжению второй гармоники частоты модуляции, которое максимально в центре резонансной линии сигнала поглощения. Устройство предполагает наличие катушек модуляции поля в конструкции дат-чика или магнита, параметры которого измеряются 3J,

Однако в таком устройстве нарушена однородность измеряемого поля в связи с необходимостью его модуляции, увеличены габариты и усложнена конструкция датчика из-за обязательного наличия обмоток модуляции.

Цель устройства - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий автодин с подключенными к нему датчиком ЯМР и вари кэпом, связанным с модулятором и генератором пилообразного напряжения, первый вход которого соединен с ключом «Хранение дополнительно введены последовательно соединенные с датчиком ЯМР детектор, режекторный фильтр, избирательный усиитель, первый фазонувствительный детектор, выпрямитель, второй фазочувствительный детектор и интегратор, выход которого соединен со вторым входом генератора пилообразного напряжения, последовательно соединенные с модулятбром удвоитель частоты и первый формирователь опорного напряжения, выход которого подключен ко второму входу первого фазочувствительного детектора, а также второй формирователь опорного напряжения, вход которого подключен к выходу модулятора, а выход - ко второму входу второго фазочувствительного детек.тора, первый вход которого связан с входом ключа «Хранение.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство состоит из датчика ЯМР- 1, соединенного с выходом автодина 2, варикапа 3, детектора сигнала поглощения 4, режекторного фильтра 5, избирательного усилителя 6, ключевого синхронного фазочувствительного детектора (КСФД) 7, выход которого соединен через выпрямитель 8 с одним из входов второго КСФД 9 и ключа 10 «Хранение, упомянутый второй КСФД 9 через интегратор 11 подключен к генератору 12 пилообразного напряжения, выполненному в виде компаратора 13. ключа 14 разряда и интегратора 15, резистор 16, модулятор 17, а через удвоитель 18 и последовательно соединенный формирователь 19 опорного напряжения - ко второму входу первого КСФД 7. Выход модулятора 17 через второй формирователь 20 опорного напряжения соединен со вторым входом КСФД 9.

Устройство работает следующим образом.

Датчик ЯМР 1 с резонирующим веществом помешается в измеряемое магнитное поле. При наступлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) поиск и слежение за линией ЯМР производится по напряжению второй гармоники частоты модуляции автодина 2, которое максимально в центре линии резонансного поглошения. При этом

подаваемое с модулятора 17 на варикап 3 низкочастотное напряжение имеет такую амплитуду, чтобы девиация (качание) частоты было меньше ширины линии резонансного поглощения.

Сигнал паразитной амплитудной модуляции вместе с сигналом ЯМР,.первой гармоникой частоты модуляции подавляется режекторным фильтром 5, сигнал ЯМР с частотой 2fj усиливается избирательным усилителем 6 и поступает на один вход первого КСФД 7, на второй вход которого подано опорное напряжение - прямоугольные импульсы с частотой следования формирователя 19.

При наличии интегрирующей цепочки на выходе первого КСФД 7 получаем кривую

второй производной сигнала поглощения, непригодную в качестве сигнала рассогласования для следящей системы.

Без интегрирующей цепочки на выходе первого КСФД 7, имеем сигнал, который пос ле выпрямителя 8 поступает на один вход

второго КСФД 9, на второй вход которого в качестве опорного с формирователя 20 подан сигнал - прямоугольные импульсы с частотой следования

Форма напряжения на выходе второго

0 КСФД 9 определяется величиной расстройки частоты автодина 2 по отнощению к частоте ЯМР.

Как было сказано выще, частота автодина 2 модулирована звуковой частотой jj,т.е. отклоняется от среднего значения по закону синусоидальных низкочастотных коле-, баний. Если среднее значение частоты автодина 2 соответствует центру резонансной линии поглощения, на выходе второго КСФД 9 сигнал соответствует нулевому значению напряжения на выходе интегратора И. При

уходе частоты автодина 2 от резонансного значения ее среднее значение проходит область поглощения при различных фазах модулирующего напряжения, в результате чего на выходе второго КСФД 9 возникают

5 импульсы различной полярности. В одном случае будут преобладать импульсы положительной полярности, в другом - отрицательной.

Итак, в результате протяжки частоты автодина 2 по линейному закону через ре зонансное значение одновременно с ее сканированием около среднего значения по закону сигнала модуляции на выходе интегратора 11 получаем кривую напряжения рассогласования, меняющую полярность при

J переходе через ноль-центр резонанса.

Напряжение рассогласования с выхода второго КСФД 9 через интегратор 11 подается на вход интегратора 15, выход которого соединен с варикапом 3 через ограничивающий резистор 16, осуществляя таким способом подстройку частоты автодина 2 к центру линии резонансного поглощения.

Интегратор 15, компартор 13 «max и ключ 14 разряда образуют генератор пилообразного напряжения. В процессе поиска линии резонанса выходное напряжение интегратора 15, нарастая от минимального до максимального значения, будучи поданным на варикап 3, перестраивает частоту колебательного контура автодина 2 в некотором интервале частот, которому, согласно соотношению tS f Н, соответствует диапазон измеряемых магнитометром магнитных полей.

При подходе к центру резонанса на выходе выпрямителя 8 появляется напряжение, воздействующее на ключ 10 «Хранение последний, замыкаясь, прекращает рост пилообразного напряжения на выходе интегратора, которое теперь изменяет по закону напряжения рассогласования с выхода интегратора 11.

Таким образом осуществляется процесс слежения за линией ЯМР. При исчезновении по каким-либо причинам сигнала ЯМР ключ 10 «Хранение размыкается, емкость интегратора 15 дозаряжается до максимального значения напряжения, поуровню которого срабатывает компаратор 13, дающий импульс включения ключа 14 разряда и цикл поиска повторяется.

Использование частотной модуляции автодина 2 вместо модуляции измеряемого поля позволяет исключить влияние работы магнитометра на однородность измеряемого поля.

фименение магнитометра позволяет в ЭПР спектрометрах наблюдать парамагнитный резонанс в исследуемых образцах и измерять магнитное поле одновременно, что зачастую является необходимым условием, физического эксперимента.

Кроме того, исключение модуляционных катушек обеспечивает возможность уменьщения габаритов датчика, что является существенным в спектрометрах, в частности в сверхпроводящих соленоидах, где полез5 ный объем мал и габариты датчика определяются обмотками модуляции.

Формула изобретения

Магнитометр, содержащий автодин с подключенными к нему датчиком ЯМР и вариканом, связанным с модулятором и генератором пилообразного напряжения, первьш вход которого соединен с ключом «Хранения, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерений в него дополнительно введены последовательно соединенные с датчиком ЯМР детектор, режекторный фильтр, избирательный усилитель, первый фазочувствительный детектор, выпрямитель,

0 второй фазочувствительный детектор и интегратор, выход которого соединен с вторым входом генератора пилообразного напряжения, последовательно соединенные с модулятором удвоитель частоты и первый формирователь опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу первого фазочувствительного детектора, а также второй формирователь опорного напряжения; вход которого подключен к выходу модулятора, а выход - к второму входу второго

фазочувствительного детектора, первый вход которого связан с входом ключа «Хранение.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 35 1. HulBert J. К., J. of Physics. 1976, V.9, № 4, p. 283.

3.ПТЭ, 1979 № 2, с. 202-205.