Магнитометр

Союз Советских Соцкалисткческкх Республик СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТО РС(22) Заявлено 24.07.79 (21)с присоединением заявки Мю -01171 18-2(51) М. Кл.б 01 К 33/00 6 01 И 24/00 Гасударственный кемнте СССР ле делам нзебретеннй н еткрмтнй(72) Авторы изобретения Специальное конструкторско-технологическое б Донецкого физико-технического института АН Украинской ССР(71) Заявитед 54) МАГНИТОМЕ 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 являются отсутствие системы поиска и захвата линии резонанса, сложная технология изготовления и настройки датчика. Известен также следящий магнитометр, содержащий автодин, 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 катушек модуляции поля в конструкции датчика или магнита, параметры которого измеряются 2.Недостатки этого устройства заключаются в нарушении 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 ЯМР3производится по напряжению второй гармоники частоты модуляции, которое максимально в центре резонансной линии сигнала поглощения, Устройство предполагает наличиекатушек модуляции поля в конструкции датчика или магнита, параметры которого измеряются Я,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 10 модуляции.Цель устройства - повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий автодин с подключенными к нему датчиком ЯМР и вари-. кзлом, связанным с модулятороМ и генератором пилообразного напряжения, первый вход которого соединен с ключом Хранение дополнительно введены последовательно соединенные с датчиком ЯМР детектор, режек торный фильтр, избирательный усиитель, первый фазочувствительный детектор, выпрямитель, второй фазочувствительный детектор и интегратор, выход которого соединен со вторым входом генератора пилообразного напряжения, последовательно соединенные с модулятОром 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 35 схема устройства.Устройство состоит из датчика ЯМР 1, соединенного с выходом автодина 2, вари- капа 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 вещест 55 вом помещается в измеряемое магнитное поле. При наступлении ядерного магнит 4ного резонанса (ЯМР) поиск и слежениеза линией ЯМР производится по напряжению второй гармоники частоты модуляцииавтодина 2, которое максимально в центрелинии резонансного поглощения, При этомподаваемое с модулятора 17 на варикап 3низкочастотное напряжение имеет такую амплитуду, чтобы девиация (качание) частотыбыло меньше ширины линии резонансногопоглощения,Сигнал паразитной амплитудной модуляции вместе с сигналом ЯМР, первой гармоникой частоты модуляции подавляетсярежекторным фильтром 5, сигнал ЯМР с частотой 21,усиливается избирательным усилителем 6 и поступает на один вход первогоКСФД 7, на второй вход которого поданоопорное напряжение - прямоугольные импульсы с частотой следования 2 у - с формирователя 19,При наличии интегрирующей цепочки навыходе первого КСФД 7 получаем кривуювторой производной сигнала поглощения,непригодную в качестве сигнала рассогласования для следящей системы.Без интегрирующей цепочки на выходепервого КСФД 7, имеем сигнал, который после выпрямителя 8 поступает на один входвторого КСФД 9, на второй вход которогов качестве опорного с формирователя 20 подан сигнал - прямоугольные импульсы счастотой следования фФорма напряжений на выходе второгоКСФД 9 определяется величиной расстройкичастоты автодина 2 по отношению к частотеЯМР.Как было сказано выше, частота автодина 2 модулирована звуковой частотой ,.т.е. отклоняется от среднего значения по закону синусоидальных низкочастотных коле-.баний. Если среднее значение частоты автодина 2 соответствует центру резонанснойлинии поглощения, на выходе второго КСФД9 сигнал соответствует нулевому значениюнапряжения на выходе интегратора 11. Приуходе частоты автодина 2 от резонансногозначения ее среднее значение проходит область поглощения при различных фазах модулирующего напряжения, в результате чего на выходе второго КСФД 9 возникаютимпульсы различной полярности, В одномслучае будут преобладать импульсы положительной полярности, в другом - отрицательной.Итак, в результате протяжки частотыавтодина 2 по линейному закону через резонансное значение одновременно с ее сканированием около среднего значения по закону сигнала модуляции на выходе интегратора 11 получаем кривую напряжения рассогласования, меняющую полярность припереходе через ноль-центр резонанса.Напряжение рассогласования с выходавторого КСФД 9 через интегратор 11 подается на вход интегратора 15, выход кото834623 Формула изобретения 5рого соединен с варикапом 3 через ограничивающий резистор 16, осуществляя таким способом подстройку частоты автодина 2 к центру линии резонансного поглощения.Интегратор 15, компартор 13 гпах 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 10 интервале частот, которому, согласно соотношению 9 = . Н, соответствует диапазон измеряемых магнитометром магнитных полей.При подходе к центру резонанса на выходе выпрямителя 8 появляется напряже 15 ние, воздействующее на ключ 10 Хранение последний, замыкаясь, прекращает рост пилообразного напряжения на выходе интегратора, которое теперь изменяет по закону напряжения рассогласования с выхода 20 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, по-уровню которого срабатывает компаратор 13, дающий импульс вкАючения ключа 14 разряда и цикл поиска повторяется.Использование частотной модуляции автодина 2 вместо модуляции измеряемого30 поля позволяет исключить влияние работы магнитометра на однородность измеряемого поименение магнитометра позволяет в ЭПР спектрометрах наблюдать парамагнит- з 5 ный резонанс в исследуемых образцах и измерять магнитное поле одновременно, что зачастую является необходимым условием физического эксперимента. 6Кроме того, исключение модуляционных катушек обеспечивает возможность умень- шения габаритов датчика, что является существенным в спектрометрах, в частности в сверхпроводящих соленоидах, где полезный объем мал и габариты датчика определяются обмотками модуляции. магнитометр, содержащий автодин с подключенными к нему датчиком ЯМР и вари- каном, связанным с модулятором и генератором пилообразного напряжения, первый вход которого соединен с ключом Хранения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в него дополнительно введены последовательно соединенные с датчиком ЯМР детектор, режекторный фильтр, избирательный усилитель, первый фазочувствительный детектор, выпрямитель, 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 1. Ни 1 вег 1,1. К 1. о 1 Рйуз 1 сз. 1976, ч.9,4, р. 283.2. Андерсон, Стоун. ПНИ, 1972,8, с. 61.3. ПТЭ, 19792, с. 202 - 205.Зм вская Ко ПСнницка Составитель Г Техред А, Войк Тираж 732 И Государственного делам изобретений осква, Ж - 35, Рау Патент, г. Ужгокомитета и откры шская на од, ул.