FR2485206A2 - Dispositif de detection de resonance magnetique nucleaire - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES TECHNIQUES D'UTILISATION DE LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE. UNE CELLULE A RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE CONTIENT NOTAMMENT DEUX GAZ RARES A MOMENT MAGNETIQUE NUCLEAIRE, TELS QUE DU XENON 129 ET DU XENON 131, ET DEUX VAPEURS DE METAL ALCALIN, COMME DE LA VAPEUR DE RUBIDIUM 60 ET DE LA VAPEUR DE CESIUM 61. LA VAPEUR DE RUBIDIUM FAIT FONCTION D'ELEMENT OPTIQUEMENT POMPABLE, TANDIS QUE LA VAPEUR DE CESIUM FAIT FONCTION D'ELEMENT DE DETECTION. UN PHOTODETECTEUR 40 DETECTE LES MODULATIONS QUE LA CELLULE COMMUNIQUE A DE LA LUMIERE DE DETECTION 66 A LA LONGUEUR D'ONDE DU CESIUM. APPLICATION AUX GYROSCOPES.

Description

La présente addition concerne la génération et la

détection d'une résonance magnétique nucléaire. Elle concer-

ne plus particulièrement l'application de la résonance

magnétique nucléaire à un capteur de vitesse angulaire.

Un certain nombre de techniques ont été proposées dans l'art antérieur pour mettre en oeuvre le principe

fondamental d'un gyroscope à résonance magnétique nucléai-

re. Elles utilisent de façon générale un oscillateur commandé par résonance magnétique nucléaire et elles tirent une information de rotation des phases des signaux de précession de Larmor d'un moment magnétique nucléaire, au moyen d'un circuit approprié de comparaison de phase et

de commande du champ magnétique.

Ces dispositifs comportent des défauts impor-

tants qui entravent la mise au point d'un instrument utile.

Par exemple, ces dispositifs sont limités par les durées

de relaxation relativement courtes des gaz qui sont utili-

sés. De plus, le fort couplage direct entre ces gaz et la lumière qui est utilisée comme moyen d'alignement ou de détection du moment magnétique peut limiter à la fois les durées de relaxation et le rapport signal/bruit et, par conséquent, peut aussi limiter l'utilité potentielle de

tels instruments.

Le brevet principal décrit un capteur de vitesse angulaire ou gyroscope à résonance magnétique nucléaire (dénommé ci-après gyroscope "RMN") qui fonctiornesir lepriripadé la mesure d'une vitesse angulaire inertielle ou d'un déplacement angulaire autour d'un axe sensible du dispositif sous la forme, respectivement, d'un décalage de la fréquence ou de la phase d'une précession de Larmor

d'un ou plusieurs isotopes qui possèdent des moments magné-

tiques nucléaires. Le gyroscope est constitué par un

capteur de rotation angulaire et par un appareillage élec-

tronique associé. Les principaux éléments de ce capteur

sont une source de lumière, une cellule à résonance magné-

tique nucléaire, un détecteur photosensible, une série

d'écrans magnétiques et une série d'enroulements engen-

drant des champs magnétiques. Les principaux éléments de l'appareillage électronique sont des circuits de traitement des signaux destinés à extraire les informations concernant la fréquence et la phase de la précession de Larmor, ainsi que des circuits destinés à produire et à commander divers champs magnétiques, aussi bien stationnaires que variant sinusoidalement en fonction du temps, qui sont nécessaires

à un bon fonctionnement de l'appareil.

La cellule à résonance magnétique nucléaire est montée à l'intérieur d'un groupe d'écrans magnétiques pour affaiblir les champs magnétiques extérieurs jusqu'-à des niveaux bas acceptables. On utilise des bobines produisant

des champs magnétiques pour appliquer des champs magnéti-

ques très uniformes à la cellule à résonance magnétique nucléaire. Un champ stationnaire et un champ magnétique alternatif à fréquence porteuse sont appliqués suivant l'axe sensible du dispositif et des champs alternatifs de

réaction sont appliqués suivant l'un des axes transversaux.

Les champs magnétiques continus qui sont appliqués selon

les deux axes transversaux sont réglés de façon-à être pra-

tiquement nuls. La cellule à résonance magnétique nucléaire contient une vapeur d'un seul métal alcalin, tel que du rubidium, ainsi que deux isotopes d'un ou de plusieurs gaz rares tels que le krypton 83 et le xénon 129 ou le xénon 131. La cellule peut également contenir un gaz tampon tel

que l'hélium.

La cellule à résonance magnétique nucléaire est

éclairée par un faisceau de lumière en polarisation circu-

laire qui provient d'une source telle qu'une lampe au rubi-

dium ou un laser à l'état solide au rubidium et qui tra-

verse la cellule sous un certain angle par rapport à la direction du champ magnétique stationnaire. L'absorption d'une fraction de cette lumière provoque un alignement partiel des moments magnétiques atomiques des atomes de

rubidium dans la direction du champ magnétique stationnai-

re. Cet alignement est partiellement transféré aux moments magnétiques nucléaires des gaz rares, et ces moments sont amenés à accomplir un mouvement de précession autour de la direction du champ magnétique stationnaire, ce qui à son tour crée des champs magnétiques qui tournent à des vitesses correspondant aux fréquences respectives de précession de Larmor des deux gaz rares. Ces champs tournants modulent les

mouvements de précession des moments magnétiques du rubi-

dium, qui produisent à leur tour des modulations correspon- dantes de la lumière transmise, donnant ainsi la possibilité de détecter optiquement les fréquences de précession de

Larmor des deux gaz rares.

Les modulations de l'intensité de la lumière sont

converties en signaux électriques par un détecteur photo-

sensible et ces signaux sont ensuite démodulés et filtrés électroniquement pour produire des signaux aux fréquences de précession de Larmor des deux gaz rares. La différence entre les deux fréquences de précession est utilisée pour régler avec précision le champ magnétique stationnaire de façon qu'il soit constant. Une des fréquences de précession

de gaz rare est comparée à une fréquence de référence défi-

nie avec précision et la fréquence de différence résultante est une mesure de la vitesse angulaire de rotation du

gyroscope.

Les deux signaux de précession de gaz rare détec-

tés sont également utilisés pour produire deux champs magnétiques alternatifs de réaction aux fréquences de précession de Larmor des gaz rares et ceux-ci ont pour fonction d'entretenir la précession des moments magnétiques

nucléaires des gaz rares. L'utilisation d'un champ magné-

tique alternatif à fréquence porteuse facilite la détec-

tion optique des moments de précession des gaz rares et

fournit également un moyen de commande des champs magnéti-

ques à courant continu suivant les deux axes transversaux

du gyroscope.

Selon le brevet principal, le gyroscope RMN comprend des éléments pour l'alignement simultané des moments magnétiques nucléaires d'au moins deux gaz avec un

moment magnétique nucléaire, constituant ainsi un disposi-

tif d'alignement des moments magnétiques nucléaires; des éléments pour réaliser une précession entretenue de ces moments, constituant ainsi un oscillateur à résonance magnétique nucléaire capable d'exécuter des oscillations entretenues; des éléments pour la détection optique desdits moments nucléaires animés d'un mouvement de précession, constituant ainsi un dispositif de détection d'une résonance magnétique nucléaire; des éléments pour réguler avec précision le champ magnétique intérieur de l'appareil et des éléments pour la mesure précise de la fréquence ou de la phase des signaux détectés de précession

du moment nucléaire d'au moins un des gaz à moment nucléai-

re pour réaliser une mesure de la vitesse angulaire de rotation ou du déplacement angulaire, respectivement, de l'appareil par rapport à l'espace inertiel, constituant

ainsi un gyroscope-à résonance magnétique nucléaire.

Plus particulièrement, un champ magnétique sta-

tionnaire est appliqué à une cellule à résonance magnéti-

que nucléaire qui est à peu près complètement protégée vis-à-vis des autres champs magnétiques stationnaires. La cellule à résonance magnétique nucléaire contient une

substance en phase gazeuse qui possède un moment magnéti-

que qui peut être aligné par pompage optique, en même temps qu'un ou plusieurs gaz additionnels dont chacun possède un moment magnétique nucléaire. La cellule à

résonance magnétique nucléaire est éclairée par une lumiè-

re de pompage optique qui a une composante de direction parallèle à la direction du champ magnétique stationnaire et qui a une longueur d'onde appropriée pour être absorbée par la substance optiquement pompable, et pour aligner

partiellement les moments magnétiques de cette substance.

Les moments magnétiques des gaz à moment nucléaire sont

amenés à s'aligner et à accomplir un mouvement de préces-

sion à leurs fréquences de précession de Larmor respecti-

ves autour de la direction du champ magnétique stationnai-

re. Un champ magnétique alternatif à une fréquence-porteu-

se appropriée est aussi appliqué à la cellule à résonance magnétique nucléaire et cette cellule est éclairée par la lumière soumise à la détection qui a une composante de direction orthogonale à la direction du champ magnétique alternatif à fréquence porteuse et qui a une longueur d'onde à peu près égale à celle du rayonnement de pompage optique. L'intensité de la partie du rayonnement de détection qui est transmise par la cellule est modulée en conformité avec la totalité des champs magnétiques présents dans la cellule, y compris les champs magnétiques qui sont produits par la précession de moments magnétiques nucléaires. Ces modulations de l'intensité du rayonnement transmis sont détectées par un détecteur photosensible et sont ensuite démodulées électroniquement pour obtenir des signaux aux fréquences de précession de Larmor des gaz à moment nucléaire, Dans un mode d'exécution qui fait l'objet du brevet principal, l'alignement des moments magnétiques nucléaires de chaque gaz à moment nucléaire est réalisé par des interactions résultant de collisions entre les atomes de la substance servant au pompage optique et les atomes du gaz ou des gaz à moment nucléaire. La précession entretenue des moments magnétiques nucléaires de chaque gaz à moment nucléaire est réalisée par l'application d'un champ magnétique alternatif de réaction à la fréquence de précession de Larmor du gaz à moment nucléaire, dans une direction qui est orthogonale à celle du champ magnétique stationnaire. Le champ magnétique alternatif à fréquence porteuse est appliqué avec une fréquence à peu près égale à la fréquence de précession de Larmor de la substance utilisée pour le-pompage optique et dans une direction qui

est à peu près parallèle à celle du champ magnétique sta-

tionnaire, ce qui permet de faire fonctionner l'appareil à

des valeurs plus élevées de l'intensité du champ magnéti-

que stationnaire et avec des valeurs augmentées en consé-

quence des fréquences de précession de Larmor pour les gaz

à moment nucléaire.

Dans la forme de réalisation préférée, une substance utilisable pour le pompage optique telle qu'une seule vapeur de métal alcalin est placée dans une cellule à résonance magnétique nucléaire en même temps que deux gaz rares et les moments magnétiques nucléaires de ces deux gaz sont alignés en même temps par des interactions dues à des collisions entre les atomes du métal alcalin unique et les atomes des deux gaz rares. Dans cette forme

de réalisation préférée du brevet principal, le métal alca-

lin est du rubidium et les gaz rares sont du xénon 129 et du xénon 131. Une autre caractéristiquedabrevet principal fait

intervenir l'utilisation d'au moins un gaz tampon en quan-

tité importante dans la cellule à résonance magnétique nucléaire.

Selon une autre caractéristique du brevet princi-

pal, l'intensité du champ magnétique stationnaire est maintenue constante par une commande par réaction de ce champ, de manière que la différence entre les fréquences de précession de Larmor des deux gaz rares dans la cellule à résonance magnétique nucléaire soit maintenue égale à

une valeur constante prédéterminée.

Selon une autre caractéristique encore du brevet principal, une des fréquences de précession de Larmor est

comparée à une fréquence de référence déterminée avec pré-

cision et la fréquence de différence résultante est utili-

sée pour fournir une mesure du déplacement angulaire ou de

la vitesse angulaire de l'appareil par rapport à la direc-

tion du champ magnétique stationnaire.

Conformément à l'invention qui fait l'objet de la présente addition, on envisage d'inclure deux vapeurs

de métal alcalin, au lieu d'une, dans la cellule à réso-

nance magnétique nucléaire. On utilise l'une des vapeurs, par exemple le rubidium, du fait qu'elle est aisément excitée ou pompée par la lumière provenant d'une lampe au rubidium ou d'un laser fonctionnant à la longueur d'onde du rubidium. L'autre vapeur de métal alcalin, par exemple du césium, est aisément pompée par une lampe au césium ou

par un laser fonctionnant à la longueur d'onde du césium.

Le césium contenu dans la cellule à résonance magnétique nucléaire est modulé aux fréquences de précession de Larmor des deux gaz à moment magnétique nucléaire, tels que le xénon 129 et le xénon 131. La vapeur de césium est éclairée, par exemple par une lampe au césium ou un laser, et la radiation qui est émise par le césium est modulée aux fréquences de précession de Larmor des deux gaz à moment nucléaire. La lumière émise est détectée et les signaux détectés sont utilisés d'une manière identique à celle qui est décrite dans le brevet principal. L'invention a donc pour but de réaliser un gyroscope RMN qui utilise une vapeur pompable et une vapeur de détection différente. L'expression "vapeur

différente" est prise ici dans un sens qui englobe diffé-

rents isotopes de la même vapeur, en particulier lorsque

la vapeur est une vapeur de métal alcalin.

L'invention a plus particulièrement pour but

d'utiliser deux vapeurs de métaux alcalins dans un gyros-

cope R14N.

Un but encore plus particulier de l'invention est d'utiliser de la vapeur de rubidium en tant que vapeur de pompage et de la vapeur de césium en tant que vapeur de détection dans un gyroscope RMN qui emploie deux gaz à moments magnétiques nucléaires alignés qui sont animés

d'un mouvement de précession à leurs fréquences de préces-

sion de Larmor.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de

la description qui va suivre d'un mode de réalisation et

en se référant au dessin annexé qui est un schéma de prin-

cipe illustrant les processus de pompage optique et de modulation de l'intensité de la lumière qui est transmise

par la cellule à résonance magnétique nucléaire.

La figure est un schéma de principe qui repré-

sente pour chaque gaz rare le processus de pompage optique et de modulation de l'intensité de la lumière qui est transmise par la cellule à résonance magnétique nucléaire 28. Du fait que ces processus sont très similaires pour les deux gaz rares, ils ne sont représentés et décrits que pour l'un des deux gaz rares. La lumière de pompage en polarisation circulaire, provenant par exemple d'un laser à la longueur d'onde du rubidium, qui entre dans la cellule à résonance magnétique nucléaire 28 présente une composante 64 orientée selon l'axe z. Sous l'effet des interactions

entre la lumière de pompage optique 64 et le champ magnéti-

que stationnaire 68, les moments magnétiques des atomes de rubidium 60 sont alignés de façon préférentielle dans la direction z. Les collisions interatomiques transfèrent cet alignement des moments magnétiques des atomes de rubidium

aux noyaux de gaz rare 62 et aux atomes de césium 61.

Un champ magnétique alternatif de réaction sinusoïdal 70,.

dont la fréquence et la phase sont adaptées à la fréquence de précession de Larmor du moment magnétique collectif des noyaux de gaz rare 62,est appliqué dans la direction-x et sert à appliquer un couple au moment magnétique' de ces noyaux pour les amener dans le plan x-y. Cette composante du moment magnétique nucléaire du gaz rare accomplit alors un mouvement de précession dans le plan x-y, à la fréquence de précession de Larmor du gaz rare, autour du champ magnétique stationnaire 68. Cette composante de moment magnétique nucléaire animée d'un mouvement de

précession crée un champ magnétique de précession nucléai-

re qui tourne dans le plan x-y.

La lumière de détection 66, à la longueur d'onde du césium, provenant par exemple d'une lampe au césium ou d'un laser, manifeste une interaction avec les atomes de

césium qui sont sous l'influence du champ magnétique sta-

tionnaire 68, d'un champ magnétique alternatif à-fréquence porteuse superposé, 69, et de la composante y du champ de

précession nucléaire. Cette interaction provoque une modu-

lation à la fréquence porteuse de l'intensité de la compo-

sante x de la lumière du césium transmise 72, avec une enveloppe de modulation 74 à la fréquence de précession

nucléaire. Ces modulations de lumière sont ensuite conver-

ties en signaux électriques par un photodétecteur 40. Les signaux électriques peuvent être utilisés par un circuit électronique pour créer des signaux qui sont des mesures de la vitesse angulaire du gyroscope, comme dans le brevet

principal.

On trouvera ci-après à titre documentaire une

liste de brevets concernant le domaine général de l'inven-

tion. Numéro du brevet (Etats-Unis (Certains de ces brevets sont d'Amérique) Titre d'origine française) 3 103 623 Gyroscope nucléaire 3 103 624 Gyroscope nucléaire 3 396 329 Magnétomètres à résonance magnétique pour la mesure de faibles champs magnétiques à bord

d'un véhicule mobile tel qu'un aéronef.

3 404 332 Appareils à résonance magnétique pour lamesure précise des champs magnétiques, en particulier

ceux ce faible intensité, à bord d'un mobile.

3 500 176 Procédé et appareil pour commander un champ magnétique, en utilisant une résonance

nucléaire à pompage optique.

3 513 381 Lumière considérée comme une sonde, en dehors de la résonance, utilisant des vapeurs de

métaux alcalins avec pompage optique.

3 729 674 Appareil gyroscopique nucléaire numérique et boucle numérique verrouillée en phase pour celui-ci. Pour conclure, on peut dire que si l'invention a

été décrite sous forme d'éléments particuliers et d'agen-

cements physiques particuliers, il est évident que des modifications raisonnables, telles que l'utilisation de chemins optiques différents conduisant à des résultats identiques, ou l'utilisation de différentes combinaisons de gaz rares ou l'utilisation d'une substance pompable différente du rubidium et du césium, ou l'utilisation

d'autres valeurs pour les fréquences et les champs magné-

tiques précités,entrent toutes dans le cadre de l'inven-

tion. Plus généralement, il va de soi que l'invention

n'a été décrite qu'à titre indicatif mais nullement limita-

tif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans

sortir de son cadre.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de détection de résonance magnétique nucléaire selon la revendication 1 du brevet principal, comprenant: une cellule à résonance magnétique nucléaire(28), une vapeur d'une première substance optiquement pompable(60)qui possède un moment magnétique et qui est capable d'être pompée optiquement, cette substance étant contenue dans la cellule; au moins un gaz à moment nucléaire(62),chacun deces gaz ayant un moment magnétique nucléaire et étant également contenu dans la cellule, les moments magnétiques nucléaires

de chaque gaz à moment nucléaire étant au moins partielle-

ment alignés; un premier dispositif destiné à éclairer la cellule avec de la lumière de pompage capable d'aligner au moins partiellement dans une première direction les moments magnétiques de ladite substance optiquement pompable, par absorption de cette lumière; un dispositif destiné à

communiquer un mouvement de précession aux moments magnéti-

ques nucléaires alignés de chacun des gaz à moment nucléai-

re, autour de la direction d'un champ magnétique statiormaire (68) aux fréquences de précession de Larmor respectives de chaque gaz à moment nucléaire; un dispositif destiné à appliquer à la cellule un champ magnétique alternatif à fréquence porteuse(69>,unsecond dispositif pour éclairer la cellule avec de la lumière de détection dans une direction orthogonale à la direction du champ magnétique alternatif à fréquence porteuse, afin de produire des modulations de l'intensité de la fraction transmise de la lumière de

détection, à peu près à la fréquence d'au moins un harmo-

nique, y compris le fondamental, du champ magnétique alter-

natif à fréquence porteuse; et un dispositif(40)pourdétecter

l'une au moins des modulations de l'intensité de la frac-

tion transmise de la lumière de détection, caractérisé en

ce qu'il comprend: une vapeur d'une seconde substance OPti-

quement pompable (61) qui est contenue dans la cellule, qui

possède un moment magnétique et qui est capable d'être pom-

pée optiquement; et en ce que le second dispositif pour éclairer la cellule avec de la lumière de détection produit il un éclairage à une fréquence lumineuse approximativement égale à une fréquence qui peut être absorbée par la seconde

substance optiquement pompable.

2. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les deux substances optiquement pompables(60961)

sont des vapeurs différentes de métaux alcalins.

3. Dispositif selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que la première substance optiquement pompable

est de la vapeur de rubidium et la seconde substance opti-

quement pompable est de la vapeur de césium.

4. Dispositif selon la revendication 3, caracté-

risé en ce que le premier dispositif pour éclairer la cellule est un laser fonctionnant à la longueur d'onde du rubidium et le second dispositif pour éclairer la cellule

est un laser fonctionnant à la longueur d'onde du césium.