Erste Messungen magnetischer Gleichfelder mit einem optisch gepumpten ³He-Magnetometer

Zur Darstellung der Einheit Tesla der magnetischen Flussdichte wird in der PTB ein Messsystem mit Kernresonanz (NMR) in Wasserproben genutzt. Proben mit gasförmigem ³He erlauben aber mehrere Größenordnungen längere auswertbare Messzeiten, was eine verringerte Messunsicherheit und eine deutliche Vergrößerung des zugänglichen Flussdichtebereichs verspricht.

Bei der Darstellung und Weitergabe der Einheit Tesla durch NMR-Magnetometer ist die gemessene Präzessionsfrequenz der Kernspins proportional zur angelegten magnetischen Flussdichte B₀. Die Genauigkeit der Frequenzbestimmung steigt erheblich mit der Messdauer. Aufgrund der geringeren Dichte in ³He-Proben (s. Abb. 1) führen verringerte interatomare Wechselwirkungen und diffusionsbedingte Robustheit gegen Feldgradienten zu langen Abkling- und Kohärenzzeiten. Dies gilt auch in dem mit freier Protonenpräzession in Wasserproben unzugänglichen Messbereich höherer Felder (> 2 mT). Um ein messbares magnetisches Moment zu erreichen muss eine optische Hyperpolarisation des Gases vorgenommen werden. Dabei werden die Protonenspins durch Zuführung von Drehimpuls über Laserlicht ausgerichtet.

In einem Vorversuch wurde die ³He-Methode mit dem momentan genutzten Verfahren verglichen. Mit beiden Methoden konnten relative Unsicherheiten bei der Messung der magnetischen Flussdichte von besser als 10^-6 erzielt werden. Der große Vorteil der ³He-Methode liegt darin, dass die einmalig angeregte Spinpräzession über eine lange Zeit (T2*) abklingt. Dies ermöglicht quasikontinuierliche Messungen und macht die Methode auch für Kalibrieraufgaben in der PTB interessant. Gemessen wurden Abklingzeiten T2* > 300 s bei sehr gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis, gegenüber T2* ≈ 2 s bei freier Protonenpräzession in Wasser. Kontinuierlich zeitaufgelöste Feldschwankungen könnten so mit äußeren Einflüssen korreliert und kompensiert werden. Insbesondere könnte die neue Methode genauere Flussdichtemessungen mit freier Präzession in bisher unzugänglichen Feldbereichen ermöglichen.

Abb. 1: Kugelprobe mit 1 mbar ³He
(Abbildung W. Heil, Universität Mainz, aus einem Vortrag in der PTB)