DE2318335C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Konstanthalten von Magnetfeldern - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Konstanthalten von Magnetfelder, bei dem die Atomkerne einer in das konstant zu haltende Magnetfeld gebrachten Substanz mit HF-impulsen zu Präzessionsschwingungen angeregt werden, in den Intervallen zwi- sehen den HF-Impulsen von den freien Präzessionsschwingungen ein Empfangssignat mit der Präzessionsfrequenz abgeleitet, aus dem Empfangssignal und der Trägerfrequenz der HF-Impulse ein Differenzsignal gebildet und von der Frequenz des Differenzsignals Steuersignale zur Regelung des Magnetfeldes abgeleitet werden.

Ein solches Verfahren ist aus der DT-PS 9 49 357 bekannt Es dient vornehmlich als »externer Lock« bei Kernresonanzspektrometern, um das Magnetfeld dieser Spektrometer auf 10~⁷ bis 10"⁸ zu stabilisieren. Bei einer Präzessionsfrequenz der angeregten Atomkerne in der Größenordnung von IO⁸ Hz ist es demnach erforderlich, die Präzessionsschwingungen während der Dauer von 1 s zu beobachten, um für eine Stabilisierung von 10-⁸ eine Frequenzdifferenz von 1 Hz feststellen zu können. Hierin liegt eine erhebliche Schwierigkeit, welche die bekannten Einrichtungen für einen »externen Lock« sehr kostspielig machen. Diese Schwierigkeiten sind dann, wenn die Präzessionsschwingungen nicht durch ein Dauerstrichsignal, sondern durch H F-Impulse angeregt werden, noch erhöht weil die angeregten freien Präzessionsschwingungen infolge von Relaxation und Feldinhomogenität abklingen, bevor die erforderliche Beobachtungszeit erreicht ist, so daß also die Präzessionsschwingungen während der Beobachtungszeit mehrfach durch HF-Impulse angeregt werden müssen. Die Beobachtung der Präzessionsschwingungen zur Feststellung von Frequenzänderungen setzt aber voraus, daß die Schwingungen immer wieder phasenkohäreni angeregt werden, damit eine fortlaufende Beobachtung überhaupt möglich ist. Die damit verbundenen Schwierigkeiten hatten zur Folge, daß das Impulsverfahren für die Konstanthaltung von Magnetfeldern bisher praktisch kaum Anwendung gefunden hat sondern stets das Dauerstrichverfahren angewendet wurde, obwohl in die Meßtechnik selbst das Impulsverfahren zunehmend Eingang Findet und sich durch erhebliche Vorteile auszeichnet

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß seine praktische Anwendung möglich ist und die behandelten Schwierigkeiten, die sich aus den bisher notwendigen langen Beobachtungszeiten ergeben, vermieden werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst daß nach jeder breitbandigen Erregung mit einem HF-Impuls während der Dauer einer oder mehrerer Halbperioden des Differenzsignals die Impulse eines Taktsignals gezählt und die Steuersignale von der Anzahl der gezälten Impulse abgeleitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die bisher übliche Frequenzmessung durch eine Zeitmessung einer oder höchstens weniger Halbperioden des Differcnzsignals ersetzt die mit hoher Genauigkeit während einer sehr kurzen Zeit vorgenommen werden kann. Durch die Verwendung von HF-Impulsen zur Anregung der Präzessionsschwingungen braucht die Trägerfrequenz der H F-Impulse nicht mit der Präzessionsfrequenz der anregbaren Atomkerne übereinzustimmen, sondern es kann wegen des Frequenzspektrums von HF-Impulsen eine Trägerfrequenz angewendet werden, die in der Größenordnung von einigen Kilohertz von der Präzessionsfrequenz abweicht, so daß das Differenzsignal ein NF-Signal mit einer Frequenz von einigen Kilohertz ist. Unter Verwendung eines Taktsignals mit einer im Bereich von 10 MHz liegenden Impulsfolgefrequenz kann die Periode einer im Bereich von 1 kHz liegenden NF-Schwingung mit einer Genauigkeit von IO-⁴ gemessen werden, und es wird nur eine Meßzeit in der Größenordnung von 1 ms benötigt Die-

je Meßzeit steht nach jedem HF-Impuls zur Verfügung, jodaD bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Kontinuität der Phasenlage der angeregten Präzessionsschwingungen nicht geachtet zu werden SrauchL Daher würde das erfindungsgerräße Verfahten trotz kurzer Meßzeiten auf einfache Weise eine Stabilisierung mit einer Genauigkeit ermöglichen, die %fch aus dem Produkt aus dem Verhältnis der Frequenz des Differenzsignals zu der Präzessionsfrequenz und jder Genauigkeit der Messung der Periodendauer er- »ibt. Da das Verhältnis der Frequenz des Differenzsignals zu der Präzessionsfrequenz etwa 1O³ZlOe _ 10^s besagt und die Meßgenauigkeit der Periode nach dem Vorstehenden ΙΟ-⁴ betragen kann, könnte theoretisch eine Genauigkeit der Regelung von ΙΟ-⁹ erreicht werden, wenn nicht andere Störeinflüsse wirksam wären. Zu diesen Störeinflüssen zählt vornehmlich das Rauschen, das eine Verbreiterung der Nulldurchgänge des Differenzsignals und damit eine Unsicherheit hinsicht- lch des Zeitpunktes des NuHdurchgangs zur Folge hat. Durch diese Unsicherheit wird die erreichbare Geoauigkeit der Stabilisierung auf Werte zwischen 10~⁷ Und 10" ⁸ reduziert.

Da insbesondere das Rauschen und damit die Unsicherheit des Zeitpunktes des NuHdurchgangs immer größer wird, je kleiner die Amplitude des Signals wird, ist es zweckmäßig, die Zählung der Impulse des Taktsignals jeweils auf die erste sich an den HF-Impuls anschließende Penode des Differenzsignals zu beschränken.

Zur Ableitung des Steuersignals genügt es. den durch die Zählung der Impulse gewonnenen Zahlenwert in eine analoge Spannung umzusetzen und diese Spannung als Steuersignal zu verwenden. Dabei besteht noch der besondere Vorteil, daß ein korrigierter Weg dieses Steuersignals nach jedem HF-Impuls zur Verfügung steht, also beispielsweise nach jeweils 10 ms, so daß eine höhere Regelgeschwindigkeit möglich ist als bei dem bekannten Verfahren. Diese Tatsache ist besonders bei der Verwendung von extremen Korrekturspulen, die eine hohe Bandbreite zulassen, von erheblicher Bedeutung.

Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gegenstand, die einen impulsgetasteten H F-Sender, eine mit dem Ausgang des H F-Senders verbundene Spule, die einen Atomkerne mit einem von Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnis enthaltenden Stoff umschließt, einen an die Spule angeschlossenen Überlagerungsempfänger, der während der Dauer der HF-Impulse gesperrt ist und dem außer dem von der Spule gelieferten Empfangssignal das Trägersignal des HF-Senders als Überlagerungssignal zugeführt wird, und an den Überlagerungsempfänger angeschlossene Steuergeräte für einen Magneten umfaßt, dessen Feld der von der Spule umschlossene Stoff ausgesetzt ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an den Ausgang des Überlagerungsempfängers ein Nulldetektor angeschlossen, der die Nulldurchgänge des niederfrequenten Ausgangssignals feststellt und bei ausgewählten Nulldurchgängen eine Torschaltung öffnet bzw. schließt. An den Eingang der Torschaltung ist ein Taktgenerator mit hoher Impulsfolgefrequenz und an den Ausgang der Torschaltung ein Digitalzähler angeschlossen. Auf den Stand des Digitalzählers spricht ein Digital-Analog-Umsetzer zur Erzeugung eines Steuersignals an.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigt

F i g. I das Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung und

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. t.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen HF-Sender 1, dessen Ausgang 2 über ein geeignetes Kabel mit einer Meßsonde 3 verbunden ist. Die Meßsonde 3 enthält ein Gefäß 4, in dem sich ein Atomkerne mit einem von Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnis enthaltender Stoff befindet. Das Gefäß 4 ist von einer Spule 5 umgeben, die außer mit dem Ausgang 2 des HF-Senders auch mit dem Eingang eines Überlagerungsempfängers 6 verbunden ist. Der HF-Sender 1 enthält einen HF-Generator 7, einen Impulsgenerator 8 und einen Modulator 9, dem die Ausgangssignale des HF-Generators 7 und des Impulsgenerators 8 zugeführt werden und dessen Ausgangssignal eine Folge von HF-Imgulsen ist, die der Sonde 3 zugeführt werden. Der Überlagerungsempfänger 6 enthält einen H F-Verstärker 10 und einen Phasendetektor 11, dem außer dem Ausgangssignal des H F-Verstärkers 10 auch das von dem HF-Generator 7 erzeugte Signal mit der Trägerfrequenz der H F- Impulse zugeführt wird. Dem H F-Verstärker t0 werden vom Impulsgenerator 8 des HF-Senders 1 Impulse zugeführt, die den HF-Verstärker und damit den Überlagerungsempfänger 6 während der Dauer der von dem Sender 1 erzeugten HF-Impulse sperren. Im Betrieb werden die von dem HF-Sender 1 erzeugten HF-Impulse der Sonde 3 zugeführt, so daß in dem Stoff, der in dem Gefäß 4 der Sonde enthalten ist, mittels der Spule 5 ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt wird. Befindet sich die Sonde 3 in dem konstanten Magnetfeld Ho eines Magneten, dessen Pole 12 in der Zeichnung dargestellt sind, so werden die in dem Stoff enthaltenden Atomkerne, die ein von Null verschiedenes gyromagnetisches Verhältnis haben, zu Präzessionsschwingungen mit einer Frequenz angeregt, die in dem für die Atomkerne charakteristischen gyromagnetischen Verhältnis zu dem Feld des Magneten steht, sofern das Frequenzspektrum der zur Anregung verwendeten HF-Impulse eine mit der Präzessionsfrequenz zusammenfallende Frequenz enthält. Nach Beendigung des anregenden HF-Impulses führen die angeregten Atome freie Präzessionsschwingungen aus, die in der Spule 5 der Sonde 3 ein Empfangssignal mit der Präzessionsfrequenz induzieren. Dieses Empfangssignal wird dem HF-Verstärker 10 des Überlagerungsempfängers und dann dem Phasendetektor 11 zugeführt. In dem Phasendetektor 11 findet eine Überlagerung mit der vom HF-Generator 7. bei dem es sich um einen Quarzoszillator handeln kann, gelieferten Trägerfrequenz statt, so daß das Ausgangssignal des Phasendetektors ein NF-Signal ist, das in F i g. 2 durch die Kurve 13 dargestellt ist. Bei diesem NF-Signal handelt es sich um eine sich an den HF-Impuls, dessen Umhüllende 31 in F i g. 2 dargestellt ist, anschließende gedämpfte Schwingung, die für die freien Präzessionsschwingungen der in der Sonde 3 enthaltenen Atomkerne und damit für die Stärke des Magnetfeldes charakteristisch ist, dem die Atomkerne zwischen den Magnetpolen 12 ausgesetzt sind. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit einem vorgegebenen Wert der Frequenz des Differenzsignals gearbeitet, und es werden Abweichungen von diesem Wert dazu benutzt.

um das konstant zu haltende Magnetfeld zu regeln.

Statt einer unmittelbaren Frequenzmessung findet gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Messung der Periode des von dem Phasendetektor 11 gelieferten NF-Signals statt. Zu diesem Zweck wird das NF-Signal in Form der Kurve 13 einem Nulldetektor 14 zugeführt, der auf die Nullstellen am Anfang und am Ende der ersten auf den HF-Impuls folgenden Periode Γ des NF-Signals anspricht und eine Torschaltung 15 derart steuert, daß sie zu Beginn der Periode geöffnet und am Ende der Periode geschlossen wird. Während der Öffnungszeit läßt die Torschaltung 15 von einem Taktgenerator 17 gelieferte Impulse passieren, die einem Zähler 19 zugeführt werden. Infolgedessen hat der Zähler 19, der bei jedem HF-Impuls mit Hilfe eines vom Impulsgenerator 8 gelieferten Impulses zurückgestellt wird, am Ende einer jeden Periode T einen Stand, der der Dauer dieser Periode proportional und damit der Frequenz des NF-Signals 13 umgekehrt proportional ist. Das Ausgangssignal des Zählers 19 wird einem Digital-Analog-Umsetzer 20 zugeführt, der eine zum Endstand des Zählers 19 proportionale analoge Spannung erzeugt, die unmittelbar als Steuersignal für Regeleinrichtungen dienen kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers 20 einem P-Regler 21 zugeführt, dessen Ausgangssignal zur Steuerung eines Flugstabilisators 22 benutzt wird, der mit den Feldspulen 23 des Magneten in Verbindung steht. Außerdem wird das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers 20 einem I-Regler 24 zugeführt, der Korrekturspulen 25 speist. Die Regelung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von den vom Digital-Analog-Umsetzer 20 gelieferten Steuersignalen erfolgt in herkömmlicher Weise und braucht deshalb an dieser Stelle nicht weiter behandelt zu werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt daher gewöhnlich auch nur den HF-Sender 1, die Sonde 3, den Überlagerungsempfänger 6 und die den NuIldetektor 14, die Torschaltung 15, den Taktgenerator 17, den Zähler 19 und den Digital-Analog-Umsetzer 20 umfassende Auswerteeinrichtung und bildet in diesem Umfang ein selbständiges Gerät, das zur Stabilisierung von Magnetfeldern in Verbindung mit den zur Erzeugung und Regelung des Magnetfeldes vorhandener Einrichtungen benutzt werden kann. Dabei kann die Sonde 3 in solcher Weise in dem Feld des zu stabilisierenden Magneten angeordnet werden, daß sie zwai selbst einwandfrei diesem Feld ausgesetzt ist, jedoch die Vorgänge nicht stört, zu denen das stabilisierte Ma gnetfeld benötigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Konstanthalten von Magnetfeldern, bei dem die Atomkerne einer in das konstant s zu haltende Magnetfeld gebrachten Substanz mit HF-Impulsen zu Präzessionsschwingungen angeregt werden, in den Intervallen zwischen den HF-Impulsen von den freien Präzessionsschwingungen ein Empfangssignal mit der Präzessionsfre- quenz abgeleitet, aus dem Empfangssignal und der Trägerfrequenz der HF-Impulse ein Differenzsignal gebildet und von der Frequenz des Differenzsignals Steuersignale zur Regelung des Magnetfeldes abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder breitbandigen Erregung mir einem HF-Impuls während der Dauer einer oder mehrerer Halbperioden des Differenzsignals die Impulse eines Taktsignals gezählt und die Steuersignale von der Anzahl der gezählten Impulse abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse des Taktsignals jeweils während der sich an den HF-Impuls anschließenden ersten Periode des Differenzsignals gezählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Zählung der Impulse gewonnene Zahlenwert in eine analoge Spannung umgesetzt und diese Spannung als Steuersignal verwendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem impulsgetasteten HF-Sender, einer mit dem Ausgang des HF-Senders verbundenen Spule, die einen Atomkerne mit einem von Null verschiedenen gyromagnetischen Verhältnis enthaltenden Stoff umschließt, einem an die Spule angeschlossenen Überlagerungsempfänger, der während der Dauer der HF-Impulse gesperrt ist und dem außer dem von der Spule gelieferten Empfangssignal das Trägersignal des HF-Senders als Überlagerungssignal zugeführt -vird, und mit an den Überlagerungsempfänger angeschlossenen Steuergeräten für einen Magneten, dessen Feld der von der Spule umschlossene Stoff ausgesetzt ist, dadurch gekenn- zeichnet daß an den Ausgang des Überlagerungsempfängers (6) ein Nulldetektor (14) angeschlossen ist, der die Nulldurchgänge des niederfrequenten Ausgangssignals (13) feststellt und bei ausgewählten Nulldurchgängen eine Torschaltung (15) öffnet bzw. schließt, daß an den Eingang der Torschaltung ein Taktgenerator (17) mit hoher lmpulslolgefrequenz und an den Ausgang der Torschaltung ein Digitalzähler (19) angeschlossen ist und auf den Stand des Digitalzählers (19) ein Digital-Analog-Umsetzer (20) zur Erzeugung eines Steuersignals anspricht.