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2025-07-10T14:04:06Z

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Ein '''Protonenmagnetometer''' (auch '''Protonen-Präzessions-[[Magnetometer]]''') ist ein [[Messgerät]] für [[Magnetismus|Magnetfelder]], welches auf der [[Präzession]] des [[Spin]]s von [[Proton]]en basiert.

== Aufbau und Funktionsweise ==
[[Bild:magnetics-ppm.jpg|mini|hochkant|Tragbares Protonenmagnetometer im Feldeinsatz, 1995]]
Ein Protonenmagnetometer besteht aus einem nichtmagnetischen Gefäß, das mit einer Flüssigkeit gefüllt und von einer [[Spule (Elektrotechnik)|Spule]] umgeben ist. Als Flüssigkeit kommt ein Kohlenwasserstoff wie z. B. [[Petroleum]] oder auch Wasser zum Einsatz; es muss eine Substanz sein, die viel [[Wasserstoff]] enthält, da Protonen [[Atomkern]]e von Wasserstoff sind. Mit Hilfe der Spule wird ein starkes Magnetfeld angelegt, das den [[Kernspin]] in die Richtung des Magnetfelds ausrichtet. Anschließend wird dieses starke Magnetfeld entfernt, so dass die Protonen nur noch dem viel schwächeren zu messenden Magnetfeld ausgesetzt sind.

Weil letzteres nicht in die gleiche Richtung zeigt wie das Spulenmagnetfeld, werden die Protonenspins zur [[Larmorpräzession]] gebracht. Dabei senden sie eine [[elektromagnetische Strahlung]] aus, welche in der Spule eine [[Elektrische Spannung|Spannung]] [[Elektromagnetische Induktion|induziert]]. Die Präzessions[[kreisfrequenz]] <math>\omega_L</math> ist dabei [[proportional]] zur [[Magnetische Flussdichte|Stärke]] <math>B_{\rm erd}</math> des Erdmagnetfelds:

:<math>\omega_L = \gamma B_\mathrm{erd} \ ,</math>

der konstante Proportionalitätsfaktor <math>\gamma</math> heißt [[gyromagnetisches Verhältnis]] und hat für Protonen den Wert <math>\gamma = 2\pi \cdot 42{,}5\, \tfrac{\mathrm{kHz}}{\mathrm{mT}}</math> (für Details siehe [[Larmorpräzession]], [[Kernspinresonanz]]).

Mit einem Protonenmagnetometer kann nicht kontinuierlich gemessen werden, sondern die Protonenspins müssen regelmäßig ausgerichtet werden; die Präzession klingt nach dem Abschalten des Ausrichtungsfeldes innerhalb weniger Sekunden [[exponentiell]] ab, nur in dieser Zeit kann gemessen werden. Gleichzeitig wird dadurch auch die [[Trägheit]] des Instruments bestimmt, denn die Präzessionsfrequenz passt sich nicht sofort an eine Änderung der [[Magnetische Feldstärke|magnetischen Feldstärke]] an.

Mit dem Protonenmagnetometer kann nur die absolute Magnetfeldstärke gemessen werden, ''nicht'' jedoch die Feldrichtung – man spricht von einem [[Skalar (Physik)|skalar]]en Magnetometer, im Unterschied zu einem [[vektor]]iellen Magnetometer wie z. B. der [[Förster-Sonde]]. Da Frequenzen sehr genau gemessen werden können, ist die [[Messgenauigkeit]] eines Protonenmagnetometers sehr hoch, ungefähr bei 0,5 [[Tesla (Einheit)|nT]].

Eine besondere Art von Protonenmagnetometer ist ein [[Kernspintomographie|Kernspintomograph]] – hier wird allerdings nicht das Magnetfeld gemessen, sondern anhand eines bekannten Magnetfeldes die Protonen, insbesondere ihr Vorhandensein sowie ihre Wechselwirkungen mit Nachbaratomen. Dabei werden die Präzessionsfrequenzen durch einen Sender im Radiobereich angeregt. Durch die Allgegenwart von Wasser im menschlichen Körper ist dies eine besonders vielseitige Untersuchungsmethode in der Medizin.

Vom Funktionsprinzip ähnlich ist das [[Cäsium-Magnetometer]]; hier wird jedoch der [[Elektronenspin|Spin von Elektronen]] verwendet. Dabei geschieht die Ausrichtung des Spins auf eine andere Weise, nämlich durch [[optisches Pumpen]].

== Anwendungsgebiete ==
* [[Archäologie]]:
** [[Metallisch]]e Gegenstände können entdeckt werden.
** Der [[Oberboden]] ist meist stärker magnetisiert als der Untergrund, weil sich durch die [[Verwitterung]] magnetische Minerale gebildet haben. Daher zeichnen sich Gräben und Vertiefungen, die sich im Laufe der Zeit mit Oberboden gefüllt haben, als stärker magnetisiert ab;<br />dagegen sind Grabungsstellen, die sofort wieder zugeschüttet wurden (d. h. kein Oberboden konnte sich dort ablagern), schwächer magnetisiert als die Umgebung, weil die natürliche Ausrichtung der Minerale bei der Grabung durcheinandergebracht wurde.
** [[Töpferware]]n zeichnen sich deutlich ab, weil die enthaltenen [[Tonmineral]]e [[antiferromagnetisch]]e Bestandteile enthalten, die durch das [[Keramik #Der Brennprozess|Brennen]] [[ferromagnetisch]] und beim Abkühlen im [[Erdmagnetfeld]] dauerhaft [[Polarisation|polarisiert]] werden.
* [[Geophysik]]:
** Magnetische [[Störkörper]] (z. B. [[Erzlagerstätte]]n) können untersucht werden
** oder [[Gestein]]e mit starker [[Magnetisierung]] (z. B. [[Serpentingruppe|Serpentin]])
* Im Wasser können damit [[Schiffswrack]]s gefunden werden.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor = Kurt H. J. Buschow
|Titel = Handbook of Magnetic Materials
|Verlag = Elsevier Science | Datum = 2009 | Sprache = en | ISBN = 978-0-08091506-7 | Band = 18 | Kapitel = Kapitel 4.8.1 }}

[[Kategorie:Elektrotechnisches Messgerät]]
[[Kategorie:Magnetismus]]
[[Kategorie:Magnetik]]
[[Kategorie:Messgerät (Geophysik)]]

Protonenmagnetometer - Versionsgeschichte

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