Magnétomètre à résonance magnétique nucléaire du type oscillateur à couplage de spin
La présente invention a pour objet un magnétomètre à résoncance magnétique nucléaire du type oscillateur à couplage de spin , c'est-à-dire à bobines de Bloch (entourant un récipient contenant un échantillon de matière à propriétés gyromagnétiques) branchées à l'entrée et à la sortie d'un amplificateur linéaire pour constituer une boucle dans laquelle on mesure la fréquence d'oscillation à la fréquence de résonance nucléaire qui est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique dans lequel est placé le magnétomètre.
Le brevet principal avait pour objet un magnétomètre comportant en combinaison: - une paire de récipients renfermant chacun un échantillon de matière à propriétés gyromagnétiques; - un amplificateur sensiblement linéaire; - deux paires de bobines connectées, la première, à l'entrée et, la seconde, à la sortie dudit amplificateur, les deux bobines d'une même paire étant sensiblement identiques entre elles et enroulées, suivant des axes parallèles, mais en sens inverses, autour d'un récipient différent, de manière qu'à l'entrée dudit amplificateur les f. e. m. induites dans les deux bobines connectées à cette entrée, par la résonance magnétique nucléaire, s'ajoutent, tandis que les f. e. m.
qui pourraient être induites dans ces deux bobines, tant par les champs électromagnétiques extérieurs éventuels que par les déplacements éventuels du magnétomètre dans le champ magnétique à mesurer, s'opposent et s'annulent, les bobines étant agencées de manière que le couplage entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur ait lieu uni quement par l'intermédiaire de particules de matière à propriétés gyromagnétiques; - et un fréquencemètre également branché sur la sortie dudit amplificateur.
On a décrit au brevet principal deux catégories de modes de réalisation, dans lesquelles les deux bobines enroulées autour d'un même échantillon et connectées l'une à l'entrée et l'autre à la sortie de l'amplificateur ont leurs axes soit perpendiculaires (première catégorie), soit parallèles (seconde catégorie) entre eux, respectivement.
Dans la seconde catégorie de modes de réalisation du brevet principal, les deux bobines enroulées autour d'un même récipient sont disposées avec leurs axes parallèles, les coefficients de couplage étant opposes pour les deux échantillons qui renferment, d'une part, un solvant avec des noyaux atomiques à moment magnétique et moment cinétique non nuls, donc à rapport gyromagnétique bien défini, et, d'autre part, dissoute dans ce solvant, une substance paramagnétique, notamment un ion ou radical libre à électron non pairé, possédant au moins une raie de résonance électronique saturable par un champ électromagnétique de fréquence non nulle même dans un champ magnétique tendant vers zéro, l'ensemble des deux échantillons,
sensiblement identiques ou différents mais renfermant alors les mêmes noyaux atomiques dans le solvant comportant deux raies de résonance électronique, à des fréquences différentes ou à la même fréquence, la saturation de l'une raies produisant un accroissement de l'absorption d'énergie à la fréquence de résonance nucléaire desdits noyaux atomiques, tandis que la saturation de l'autre raie provoque l'émission stimulée d'énergie à ladite fréquence de résonance nucléaire, des moyens étant prévus pour produire dans chaque échantillon un champ électromagnétique afin de saturer pour l'ensemble des deux échantillons les deux raies de résonance électronique susmentionnées.
Pour plus de simplicité, on utilise dans la description: - le terme échantillon pour désigner une masse de solvant (enfermée dans un récipient) comportant des noyaux atomiques à moment magnétique et moment cinétique non nuls (donc à rapport gyromagnétique bien défini) et contenant en solution une substance paramagnétique (telle qu'un ion ou un radical libre à électrons non pairésl) avec au moins une raie de résonance électronique saturable par un champ électromagnétique à une fréquence donnée, quel que soit le valeur du champ magnétique dans lequel est placé l'échantillon; - et le terme tête pour désigner l'ensemble constitué par les bobines et les échantillons qui leur sont asso ciés.
L'invention concerne plus particulièrement - bien que non exclusivement - un magnétomètre du type oscillateur à couplage de spin destiné à mesurer avec précision les champs magnétiques faibles, tels que le champ terrestre dont la valeur est de l'ordre de 0,5 Oe, soit 50 000 gammas, ou à détecter des variations de très faible amplitude de ces champs, de l'ordre du dixième de gamma par exemple.
On connaît déjà différents magnétomètres du type oscillateurs à couplage de spin. La plupart comportent seulement un échantillon et deux bobines perpendiculaires entre elles et présentent divers inconvénients, notamment la présence de deux axes de mesure interdits (c'est-à-dire suivant lesquels on ne peut effectuer de mesure), cette expression signifiant que toute mesure est impossible lorsque les lignes de force du champ magnétique sont parallèles à l'axe de l'une des deux bobines, placées perpendiculairement l'une à l'autre, et une sensibilité excessive aux champs électromagnétiques parasites et aux déplacements rapides de la tête de mesure.
Cette double sensibilité excessive a été déjà pratiquement éliminée par le brevet principal à deux échantillons et deux paires de bobines; en outre lorsque (suivant la seconde catégorie de modes de réalisation du brevet principal) les deux bobines associées à un même échantillon sont parallèles entre elles, le magnétomètre du brevet principal présente l'avantage supplémentaire de limiter à un seul le nombre des axes de mesure interdits.
Dans la majeure partie des cas, la présence d'un seul axe interdit ne constitue pas une gêne sensible.
Toutefois, pour certaines applications, notamment à bord des avions et surtout des fusées et des satellites, il peut arriver que la tête de mesure se trouve placée de telle sorte que son axe interdit coïncide avec la direction des lignes de force.
La présente invention a pour objet la réalisation d'un magnétomètre répondant mieux que les magnétomètres antérieurs aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il ne comporte plus aucun axe interdit, tout en conservant ou même en améliorant les performances des réalisations antérieures.
La présente invention a pour objet un perfectionnement à un magnétomètre du type précité, le perfectionnement consistant en ce que, chacun des échantillons est constitué par deux échantillons et chacune des bobines par deux bobines connectées en série dont la première conserve son orientation antérieure et dont la seconde est orientée perpendiculairement à la première.
Par conséquent l'invention a pour objet un magnétomètre à résonance magnétique nucléaire du type oscillateur à couplage de spin comportant un amplificateur, sensiblement linéaire, avec une entrée et une sortie, un fréguencemètre connecté à la sortie dudit amplificateur, un certain nombre de récipients renfermant chacun un échantillon de particules à propriétés gyromagnétiques, un nombre de couples de bobines égal au nombre de récipients, la première bobine de chaque couple étant connectée à l'entrée dudit est connectée à la sortie dudit amplificateur, les deux bobines de chaque couple étant sensiblement identiques entre elles et enroulées suivant des axes parallèles autour d'un récipient, différent pour chaque couple,
de manière que le couplage entre la sortie et l'entrée dudit amplificateur ait lieu uniquement par l'intermédiaire de particules de matière à propriétés gyromagnétiques du récipient associé audit couple, et les bobines connectées à l'entrée dudit amplificateur étant enroulées dans des sens tels que les f. e. m. induites dans ces bobines par la résonance magnétique nucléaire s'ajoutent tandis que les f. e. m.
qui pourraient être induites dans ces bobines tant par les champs électromagnétiques externes éventuels que par les déplacements éventuels du magnétomètre dans le champ magnétique à mesurer s'opposent et s'annulent, caractérisé par le fait qu'il comprend quatre récipients renfermant respectivement quatre échantillons et quatre couples de bobines, savoir quatre premières bobines connectées à l'entrée dudit amplificateur et quatre secondes bobines connectées à la sortie dudit amplificateur, les quatre récipients, chacun avec son couple associé de bobines, formant quatre ensembles orientés deux suivant une première direction et deux suivant une seconde direction perpendiculairement à la première direction, les deux ensembles, chacun avec deux récipients, deux échantillons et deux couples de bobines, orientés suivant une même direction formant un couple,
et les quatre premières bobines étant connectées en série-opposition et les quatre secondes bobines en parallèle par série de deux bobines appartenant à des couples différents.
Dans un premier mode de mise en oeuvre, les deux échantillons de chaque couple contiennent, dans un volume sensiblement identique du même solvant, deux substances paramagnétiques pour lesquelles la même fréquence du champ électromagnétique excite deux raies électroniques opposées c'est-à-dire produisant, l'une, un acroissement de l'absorption d'énergie et, l'autre, l'émission stimulée d'énergie, à la fréquence de résonance nucléaire, et le magnétomètre comporte un seul générateur pour exciter ces deux raies électriques opposées des deux substances paramagmétiques.
Dans un second mode de mise en oeuvre, tous les échantillons sont identiques et le magnétomètre comporte deux générateurs à très haute fréquence de production du champ électromagnétique, les fréquences de ces deux générateurs étant prévues pour exciter deux raies électroniques opposées, c'est-à-dire produisant, l'une, un accroissement de l'asorption d'énergie et, l'autre, l'émission stimulée d'énergie à la fréquence de résonance nucléaire, de la substance paramagnétique contenue dans les mêmes échantillons d'un même couple.
Quel que soit le mode de mise en oeuvre adopté, on peut noter que l'invention apporte un avantage supplémentaire, consistant en la réduction de l'effet gyromagnétique. On désigne par ce terme une erreur de mesure due au fait que la fréquence de précession des spins nucléaires est mesurée avec l'axe de bobines comme référence et que, si cet axe se déplace à une vitesse angulaire déterminée autour du champ magnétique, cette vitesse s'ajoute à la vitesse de précession ou s'en retranche.
Lorsqu'on utilise la disposition suivant l'invention, et que l'effet gyromagnétique est maximal sur l'un des couples de bobines et nul sur l'autre, l'amplificateur se fixe sur une fréquence qui est sensiblement la moyenne entre la fréquence de précission réelle (détectée par les bobines soumises à l'effet gyromagnétique nul) et la fréquence détectée par les autres bobines: on peut ainsi pratiquement réduire l'importance de l'effet gyromagnétique dans un rapport de l'ordre de 2.
Les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit le mode de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs.
La description se réfère aux des;sins qui l'accompagnent, sur lesquels:
La fig. 1 est un bloc diagramme schématique d'un magnétomètre suivant l'invention, utilisant deux types d'échantillons contenant des substances paramagnétiques différentes.
La fig. 2 montre la disposition relative des différents constituants de la tête du magnétomètre de la fig. 1.
La fig. 3, similaire à la fig. 1 illustre un mode de réalisation utilisant quatre échantillons identiques.
Le magnétomètre représenté schématiquement sur les fig. 1 et 2 comprend une tête de mesure A placée dans le champ à mesurer, un amplificateur de boucle B destiné à provoquer l'apparition d'un signal à la fréquence F de résonance nucléaire imposée par la tête, un oscillateur C à une très haute fréquence f destiné à exciter des raies de réonance électronique des échantillons de la tête et un appareil D de mesure de la fréquence F.
La tête de mesure A se compose de quatre ensembles similaires 4a, 4b, 4c, 4d, constituant deux couples qui sont disposés à 900 et qui comprennent chacun deux ensembles alignés. Chaque ensemble 4a, 4b, 4c, 4d respectivement, se compose de deux bobines 6a, 6b, 6c ou 6d, d'une part, et 8a, 8b, 8c ou 8d, d'autre part, enroulées concentriquement autour d'un flacon 10a, lob, 10c ou 10d contenant un échantillon 12a, 12b, 12c ou 12d respectivement. Pour plus de clarté, les bobines relatives à chaque échantillon ont été représentées sur la fig. 1 adjacentes l'une à l'autre et placées à côté de cet échantillon.
Les bobines d'entrée 6a et 6d sont montées bobinées dans le même sens, opposé à celui des bobines d'entrée 6b et 6c respectivement du même couple; au contraire les deux bobines de sortie appartenant à un même couple sont orientées dans le même sens.
Les bobines d'entrée étant coaxiales aux bobines de sortie correspondantes, elles n'en sont pas découplées par orientation; pour éliminer les signaux induits dans les bobines par les causes parasites (champs électromagnétiques externes, déplacements ou magnéto mètre dans le champ à mesurer, etc...), on donne au coefficient de couplage par induction mutuelle entre les bobines 6a et 8a (ou 6d et 8d) une valeur égale et opposée à celle du coefficient de couplage entre les bobines 6b et 8b (ou 6c et 8c) du même couple.
L'égalité des coefficients de couplage étant obtenue par réglage, et l'opposition réalisée grâce à la disposition mentionnée à la phase précédente, un groupement approprié des bobines, qui sera décrit plus loin, permet de compenser l'action sur l'amplificateur des forces électromotrices induites par des causes parasites.
Chaque échantillon 12a, 12b, 12c, 12d est constitué par: - un solvant comportant des noyaux atomiques à moment magnétique et moment cinétique non nuls; ces moments fixent le rapport gyromagnétique r des noyaux et la fréquence F de résonance de ces noyaux dans un champ magnétique d'intensité H est donnée par la formule:
EMI3.1
les noyaux atomiques sont en général des protons, mais on peut également utiliser d'autres noyaux, en particulier des noyaux de fluor; dans le premier cas, le solvant sera généralement constitué par un mélange d'eau et d'un liquide hydrogéné miscible avec l'eau et ne se solidifiant qu'à basse température; - une substance paramagnétique en solution stable (ion ou radical libre comportant un électron non pairé en interaction avec un noyau atomique de la substance).
Dans le mode de réalisation présenté à la fig. 1, les deux ensembles alignés (4a et 4b par exemple) constituant un couple, contiennent deux échantillons. 12a et 12b différents et de préférence de même volume: les deux substances paramagnétiques de ces échantillons sont choisies pour présenter, sensiblement à la même fréquence d'excitation, deux raies de résonance électro nique inversées. Pour l'un des échantillons (12a par exemple), la substance paramagnétique est choisie telle que la saturation, par le champ électromagnétique à fréquence f, d'une raie de résonance électronique à une fréquence proche de f produise un accroissement de l'intensité d'absorption d'énergie à la fréquence de résonance (nucléaire) des noyaux, donnée par la formule (1).
Pour l'autre échantillon, la substance est choisie pour que la méme fréquence f excite une raie de résonance électronique dont la saturation produit une émission stimulée d'énergie à la fréquence de résonance (nucléaire) des noyaux, donnée par la formule (1).
On peut par exemple utiliser comme premier échantillon une solution de concentration M/800 de
DTBN (ditertio-butylnitroxyde- dans un mélange à 50 O/o en volume d'eau et 50 6/o d'acétone et comme second échantillon une solution M/1600 de TANO (triacétonamine nitroxyde) dans un mélange constitué de 70 O/o d'eau et 30 /o d'éthylène-glycol:
l'application d'un champ électromagnétique à une fréquence f de l'ordre de 68,5 MHz sature la raie de résonance électronique inférieure du TANO, d'où accroissement de l'absorption d'énergie par celui-ci à la fréquence de rséonance nucléaire (de 2000 à 2100 Hz pour les protons dans le champ magnétique terrestre), et la raie de résonance électronique supérieure à 69,4 MHz du
DTBN, d'où émission stimulée d'énergie par celui-ci à la fréquence nucléaire de 2000 à 2100 Hz pour les protons dans le champ magnétique terrestre.
D'autres couples d'échantillons peuvent évidemment être utilisables; on peut par exemple utiliser, d'une part, la solution de TANO définie ci-dessus et, d'autre part, une solution millinormale de tanoxime six NO [ C(CH3)2CH2 ] 2C = NOH dans de l'eau additionnée d'un tiers de glycol (fréquence de résonance 69 MHz).
L'excitation des raies de résonance électronique des échantillons est effectuée à partir d'un oscillateur unique à très haute fréquence 14 (constituant l'ensemble C) par des coaxiaux i6a, 16b, 16c et 16d, attaquant des cavités résonnantes (non représentées sur la figure 1) occupées par les échantillons 12a, 12b, 12c et 12d, disposés dans les flacons 10a, 10b, 10c, 10d de forme annulaire: la disposition relative de chaque coaxial et de l'échantillon correspondant peut être similaire à celle représentée sur les figures 4 et 5 du brevet principal.
Les bobines d'entrée ou d'excitation 6a, 6b, 6c, 6d sont connectées en série à l'entrée d'un amplificateur linéaire 18 basse fréquence (2000 à 2100 Hz dans le cas où H = 0,5 oersted et où les noyaux sont des protons). Un condensateur ajustable 20 d'accord de quelques milliers de pF, placé en parallèle sur l'entrée, constitue avec le groupement en série des quatre bobines 6a, 6b, 6c, 6d un circuit résonant, à faible surtension, pour éviter l'entraînement de fréquence ou pulling.
Les quatre bobines de sortie ou de prélèvement 8a, Sb, 8c, 8d sont reliées à la sortie de l'amplificateur 18 et associées de façon que les signaux utiles de tous les ensembles s'ajoutent et que les signaux parasites soient éliminés du fait de l'opposition des signaux parasites qui apparaissent dans deux bobines appartenant à un même couple. (Sur la figure 1, on a indiqué par E et S respectivement l'entrée et la sortie de quelques bobines).
Dans ce but, les deux bobines 8a et 8d, associées toutes deux à un premier type d'échantillon et présentant avec les bobines d'entrée 6a et 6b des coefficients de couplage égaux et de même sens, sont montées en série; les deux bobines 8b et 8c sont de même montées en série. Les deux branches ainsi constituées sont reliées, d'une part, à la masse en 21, d'autre part, aux extrémités d'un potentiomètre ajustable 22-23 dont le point milieu 24 est relié à la sortie de l'amplificateur 18. Le potentiomètre 22-23 permet d'équilibrer parfaitement le circuit en cas de légères différences dans les coefficients d'induction.
Le fréquencemètre 26 permet de mesurer la fréquence de résonance nucléaire F dans la boucle de l'amplificateur, fréquence rigoureusement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique en l'absence d'entraînement de fréquence, ce dernier phénomène étant pratiquement éliminé du fait de la faible surtension du circuit d'entrée.
Le fonctionnement du magnétomètre ressort clairement de ce qui précède et des indications du brevet principal; il ne sera donc décrit que succinctement: les raies de résonance électronique excitées par l'oscillateur 14 dans les quatre échantillons provoquent (en présence d'un champ magnétique) l'apparition d'une composante macroscopique ayant un sens donné dans les échantillons 12a et 12d et le sens opposé dans les échantillons 12b et 12c; il s'ensuit que les résultantes macroscopiques des moments magnétiques de l'ensemble des noyaux atomiques des échantillons 12a et 12b, d'une part, 12c et 12d, d'autre part, sont en opposition de phase, car le sens d'enroulement des deux bobines 6a et 6d est inverse de celui des deux bobines 6b et 6c et les couplages entre les bobines des ensembles sont fixés:
donc les forces électromotrices dues à la résonance nucléaire induites dans les bobines 6a, 6b, 6c et 6d s'ajoutent.
La tête de mesure illustrée schématiquement à la figure2, disposée dans un boîtier support (non représenté) en matériau amagnétique, est constituée de quatre ensembles réunis par des conducteurs reliant les bornes des bobines indiquées par des points. Les ensembles 4a et 3d comportent un flacon annulaire renfermant quelques cm3 d'une solution de DTBN à une concentration de M/800 dans 50 /o en volume d'eau et 50 /o en volume d'acétone. Les ensembles 4b et 4c renferment une quantité égale d'une solution à
M/1600 de TANO dans un mélange d'eau et d'éthylène-glycol.
La saturation des raies de résonance électronique des quatre échantillons est réalisée par quatre dérivations 16a, 16b, 16c et 16d d'un même câble coaxial alimenté par un oscillateur à 68,5MHz (non représenté). Chaque dérivation 16a, 16b, 16c ou 16d attaque une cavité résonante délimitée par des clinquants d'argent disposés côté à côté sur la paroi externe du flacon pour constituer un écran opaque au champ électromagnétique à 68,5 MHz, mais transparent à la fréquence de résonance nucléaire (de l'ordre de 2000-2100 Hz dans le champ magnétique terrestre).
Autour du flacon 10a par exemple sont disposées concentriquement une bobine d'entrée 6a et une bobine de sortie 8a. La bobine 6a connectée en série avec les bobines 6b, 6c et 6d prélève une tension à la fréquence de résonance nucléaire; les bobines telles que 8a effectuant la réinjection du signal, sont reliées par deux, en parallèle, entre la masse et la sortie de l'amplificateur 18.
A titre d'exemple, chaque bobine d'entrée peut comporter 2128 spires de fil émaillé (diamètre 30/100 mm) et chaque bobine de sortie 114 spires de fil émaillé (diamètre 30/100 mm également); les résist tances 23 (figure 1) peuvent être de 4700 ohm chacune et le potentiomètre 22 peut avoir une valeur totale de 100 ohms.
Il faut noter la symétrie de construction de cette tête qui offre de nombreux avantages: un premier équilibrage peut être effectué en modifiant simplement la disposition mécanique des quatre ensembles par rapport au centre de la tête; l'excitation des quatre échantillons à partir des coaxiaux est identique pour tous les échantillons. Ce dernier point constitue un avantage par rapport à la disposition décrite aux figures 4 et 5 du brevet principal, dans laquelle l'entrée du coaxial, pour l'un des échantillons., doit être éventuellement compensée.
Par ailleurs, l'espace central entre les quatre ensembles fournit un emplacement protégé permettant de placer les connexions entre les bobines des ensembles.
La figure 3 montre schématiquement la tête et les oscillateurs haute fréquence d'un magnétomètre consltituant un autre mode de réalisation de l'invention avec des échantillons identiques. Sur cette figure 3 les éléments correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence que sur la figure 1. Les quatre échantillons sont constitués par exemple par une solution de DTBN dans un solvant constitué par un mélange à 50 /o, en volume d'eau et 50 /o en volume d'acétone.
Le DTBN comporte deux raies de résonance électronique opposées à 69,4 et 72 MHz dans un champ magnétique de l'ordre de 50 000 gammas (correspons dant à la valeur moyenne du champ terrestre): l'oscillateur 30 qui excite ls échantillons des ensembles 4a et 4d est piloté par quartz et calé sur une fréquence de 69,4 MHz, tandis que l'oscillateur 32 qui excite les échantillons des ensembles 4b et 4c est calé par quartz sur 72 MHz: le fonctionnement est alors le même que celui du mode de réalisation précédent.
Bien que possible, la mise en oeuvre de cette variante se heurte à certaines difficultés; en effet, les échantillons étant très proches les uns des autres, il il est difficile d'éviter des interférences d'effet entre les deux oscillateurs. L'accord des cavités résonnantes devient beaucoup plus complexe dans le cas précédent où il est facilité par la symétrie du montage. La présence de deux oscillateurs au lieu d'un seul se traduit par une consommation accrue d'énergie.
L'invention ne se limite évidemment pas aux deux modes de mise en oeuvre qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples comme étant ceux qu'il est en général préférable d'utiliser. Des variantes sont évidemment possibles qui restent dans le cadre de la présente invention.