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Verringerung der Messunsicherheit bei der Weitergabe der Einheit Tesla im Bereich von 20 µT bis 2 mT

05.12.2007

Im Bereich von 20 µT bis 2 mT wird die Einheit Tesla für die magnetische Flussdichte nach dem Prinzip der freien Präzession von Protonen im Magnetfeld (Nuclear Magnetic Resonance) weitergegeben. In dem hierzu benutzten Messplatz werden die Spins der Kerne von Wasserstoffatomen zunächst senkrecht zur Richtung des zu messenden Feldes polarisiert. Nach dem Abschalten des Polarisationsfeldes präzedieren die Spins in die Richtung des zu messenden Feldes zurück. Das resultierende abklingende Sinus-Signal (s. Bild 1a) wird mit Hilfe einer Induktionsspule gemessen und die Präzessionsfrequenz wird, mit Referenz zum PTB-Zeitnormal, mit hoher Präzision bestimmt. Die magnetische Feldstärke lässt sich aus der so gemessenen Frequenz und dem für Wasserstoff sehr genau bekannten gyromagnetischen Verhältnis berechnen.
Mit dem bisher zur Frequenzbestimmung eingesetzten Messverfahren konnte die Einheit Tesla mit einer relativen Messunsicherheit von 10-5 weitergegeben werden. Das Verfahren beruht auf der Auswertung des abklingenden sinusförmigen Signals mit einem Frequenzzähler. Die Schwierigkeit liegt dabei in der Kürze des Signals, das nur während weniger Schwingungsperioden zur Auswertung nutzbar ist. Jetzt kommt ein neues verbessertes Auswerteverfahren zum Einsatz, bei dem die Frequenz des Signals mit Hilfe einer Vorverarbeitung und anschließender Fourier-Transformation
(s. Bild 1b) bestimmt wird. Auf diese Art erhält man die Mittenfrequenz der Spektrallinie und somit die magnetische Feldstärke mit hoher Präzision. Dadurch konnte die Messunsicherheit der Weitergabe der Einheit Tesla auf 5.10-6 verbessert werden. Zusätzlich ergeben sich aus der Breite der Spektrallinie wichtige Daten zur Beurteilung der Messunsicherheit. Insbesondere kann die Homogenität des gemessenen Feldes festgestellt werden. Mit diesen Informationen lassen sich die Ergebnisse, die in verschiedenen Apparaturen erzielt wurden, leichter und genauer vergleichen.

Bild 1: 
a) Messsignal der präzedierenden Spins, 
b) Aus dem Signal in a) berechnete Spektrallinie mit Mittenfrequenz