FR2666659A1 - Systeme a canaux multiples comportant des dispositifs squid pour la mesure de la distribution spatiale de flux magnetiques. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système à canaux multiples comportant des dispositifs SQUID pour la mesure de la distribution spatiale de flux magnétiques. Dans ce système comportant des capteurs formés de dispositifs SQUID et raccordés à un dispositif d'évaluation (AWE) comportant des boucles de régulation et de compensation, on utilise des capteurs (HFS1 à HFS3) du type dispositif SQUID à haute fréquence, le dispositif d'évaluation (AWE) est conçu pour une interrogation en série des capteurs, les intégrateurs (I1 à I3) de la boucle de régulation du flux sont prévus pour mémoriser les flux de compensation, et des générateurs à haute fréquence (HFG1 à HFG3) permettent de faire fonctionner les capteurs, pour séparer l'information, dans le mode dissipatif à des fréquences différentes. Application notamment à des mesures biomagnétiques.

Description

Système à canaux multiples comportant des dispositifs SOUID pour la mesure

de la distribution spatiale de flux magnétiques L'invention concerne un système à canaux multiples comportant des détecteurs supraconducteurs d'interférence quantique (SQUID), désignés ci-après sous le terme capteurs servant à mesurer la distribution spatiale de flux magnétiques, et dans lequel les capteurs sont raccordés à un dispositif électronique d'évaluation possédant une boucle de

régulation du flux et des bobines de compensation.

On utilise des systèmes à canaux multiples de ce type notamment pour des mesures biomagnétiques, une disposition bidimensionnelle de nombreux capteurs (actuellement jusqu'à 40 dispositifs SQUID) permettant une mesure de la distribution spatiale de champ de signaux biomagnétiques sur une surface de plusieurs centaines de centimètres carrés Jusqu'alors, la lecture d'une telle multiplicité de capteurs était réalisée moyennant l'évaluation de chaque dispositif SQUID individuel par un dispositif électronique séparé, auquel il est raccordé d'une série de conducteurs de mesure (en fonction des capteurs, jusqu'à quatre conducteurs pour un dispositif SQUID à courant continu, deux conducteurs dans le cas de dispositifs SQUID à

haute fréquence).

On connaît deux types différents de dispositifs SQUID à haute fréquence La différence réside dans la dépendance entre le flux effectif X dans l'anneau SQUID et le flux externe DE qui est caractérisé par le paramètre 2 Ls Jc e e avec Ls: inductance du dispositif SQUID à haute fréquence c: courant critique du pont O: quantum de flux Pour Me > 1, on parle du mode dissipatif, et pour Ne < 1, on part du mode dispersif Un dispositif SQUID à haute fréquence, qui fonctionne dans le mode dissipatif, est accouplé à un circuit oscillant électrique parallèle possédant une fréquence de résonance déterminée Un générateur à haute fréquence branché en aval fournit la fréquence de résonance nécessaire pour la lecture du

dispositif SQUID.

Dans des systèmes à canaux multiples de ce type connnu, un inconvénient réside déjà dans la dépendance du

point de vue appareillage.

D'après Furukawa, Shirae, Jap Journ of Appl.

Phys Vol 28, page L 456, 1989, il est connu de simplifier un système à canaux multiples du type indiqué plus haut, mais ce système à canaux multiples connu nécessite toujours au moins deux conducteurs pour chaque capteur et se caractérise en outre par un dispositif électronique d'évaluation qui est complexe. C'est pourquoi l'invention a pour but de créer un système à canaux multiples moins coûteux, du type mentionné

plus haut.

Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait qu'on utilise des capteurs (HF 51 à HF 53) du type dispositif SQUID à haute fréquence, que le dispositif électronique d'évaluation (AWE) est conçu pour une interrogation en série des capteurs, que les intégrateurs (Il à I 3) de la boucle de régulation du flux sont prévus pour mémoriser les flux de compensation et qu'il est prévu des générateurs à haute fréquence (HFG 1 à HFG 3), qui permettent de faire fonctionner les capteurs, pour séparer l'information, dans le mode dissipatif à des fréquences différentes. Dans un dispositif conforme à l'invention, pendant un intervalle de temps prédéterminé t, seul travaille un dispositif SQUID déterminé, qui est débranché pendant un intervalle de temps ultérieur (n-1) t Pendant cet intervalle de temps, tous les autres capteurs sont successivement évalués Le branchement et le débranchement des capteurs s'effectuent par l'intermédiaire du branchement et du débranchement des générateurs à haute fréquence nécessaires pour faire fonctionner les capteurs, ou par modification du niveau du courant à haute fréquence injecté dans les capteurs De cette manière, on peut évaluer quasiment simultanément tous les capteurs, dans l'hypothèse o la fréquence du signal à mesurer est faible par rapport à la

fréquence de la commutation entre les différents capteurs.

Pour faire fonctionner les capteurs dans la boucle de régulation du flux, les bobines de compensation des capteurs sont raccordées entre elles, en série ou en parallèle, et sont raccordées par l'intermédiaire d'une bobine d'arrêt des hautes fréquences, au conducteur de mesure qui sort du bain

de refroidissement.

Étant donné qu'habituellement chaque capteur est traversé par un autre flux magnétique, il faut que le flux de compensation, qui appartient à chaque capteur, soit stocké jusqu'à l'instant immédiatement suivant d'évaluation Ceci est obtenu au moyen de l'intégrateur nécessaire dans la

boucle de régulation du flux.

En raison de l'interrogation en série des capteurs, on peut simplifier plus encore le système à canaux multiples conforme à l'invention par rapport à des systèmes classiques

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par le fait que le dispositif électronique d'évaluation comporte uniquement un amplificateur à haute fréquence, un

démodulateur d'amplitude et un détecteur de phase.

Dans une autre forme de réalisation particulièrement avantageuse du système à canaux multiples conforme à l'invention, les capteurs sont raccordés au dispositif électronique d'évaluation uniquement par l'intermédiaire d'un seul conducteur bipolaire de mesure, tandis que, dans les systèmes à canaux multiples connus, chaque capteur est raccordé au moyen du dispositif électronique séparé par l'intermédiaire d'un conducteur respectif de mesure Cette autre forme de réalisation du système à canaux multiples conforme à l'invention évite les inconvénients importants de la multiplicité de conducteurs de mesure dans les systèmes à canaux multiples connus: Cependant, étant donné que les dispositifs SQUID doivent être refroidis pendant le fonctionnement (les dispositifs SQUID au niobium sont refroidis avec de l'hélium liquide à 4, 2 K; des dispositifs SQUID à haute température sont refroidis avec de l'azote liquide à 77 K), le dispositif électronique d'évaluation est placé à la température ambiante, les conducteurs de mesure transfèrent de la chaleur dans le bain de refroidissement, ce qui conduit à une évacuation rapide du liquide de refroidissement (notamment dans le cas de l'hélium liquide) et ceci réduit la durée de mesure entre les remplissages complémentaires du fluide de refroidissement En outre, des contraintes mécaniques dues à un échauffement et à un refroidissement permanents dans les conducteurs de mesure peuvent détruire ces derniers Pour30 éviter une influence réciproque des capteurs, il faut en outre bien protéger les conducteurs de mesure les uns par

rapport aux autres.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention d'un système à canaux multiples conforme à l'invention (ici comportant trois canaux) ressortiront de la

description donnée ci-après prise en référence aux dessins

annexés, sur lesquels: la figure 1 représente un schéma-bloc d'un système à trois canaux comportant un montage en série des bobines de compensation KS; et la figure 2 représente la séquence temporelle

d'évaluation des capteurs.

Comme cela est visible sur la figure 1, trois capteurs du type dispositif SQUID à haute fréquence HSF 1 à HSF 3 sont couplés magnétiquement à trois circuits oscillants parallèles P 51 à P 53, qui sont raccordés d'une manière capacitive pour permettre une adaptation au guide d'ondes WL à 50 Q Ces trois capteurs sont alimentés par trois générateurs à haute fréquence HFG 1 à HFG 3, qui sont raccordés au guide d'ondes WL par l'intermédiaire des coupleurs directionnels RK 1 à RK 3 Les bobines de compensation K 51 à K 53 des capteurs sont branchées en série et sont raccordées au guide d'ondes WL par l'intermédiaire des bobines d'arrêt des hautes fréquences HF Dr. Pour faire fonctionner les capteurs dans une boucle de régulation du flux, un courant alternatif à basse fréquence, qui est produit par un générateur à basse

fréquence NFG, est injecté dans les bobines de compensation.

Ce courant alternatif à basse fréquence, également désigné sous le terme de courant de modulation, sert également de signal de référence pour le détecteur de phase du dispositif électronique classique d'évaluation AWE et de signal de

référence pour la minuterie ZG.

Les tensions à haute fréquence, qui chute dans les circuits oscillants parallèles P 51 à P 53 et contiennent l'information concernant le flux magnétique mesuré par le capteur, sont amplifiées dans le dispositif électronique d'évaluation AWE et subissent une modulation d'amplitude et le signal résultant est comparé, du point de vue de sa phase, à la tension de référence qui est produite par le générateur de courant alternatif NFG à 150 k Hz La minuterie électronique ZG assure le branchement et le débranchement des générateurs à haute fréquence et l'application des signaux d'entrée et des signaux de sortie des intégrateurs à la sortie du dispositif électronique d'évaluation AWE ou à la résistance de réaction RR, par l'intermédiaire des interrupteurs SIE(n) et SIA(n) (n représentant le numéro des canaux, ici 1 à 3) Les tensions de sortie respectives, qui contiennent en définitive la variation, détectée par le capteur respectif, du flux magnétique, sont prélevées à la sortie de chaque intégrateur I(n) par l'intermédiaire

d'amplificateurs tampons PV 1 à PV 3.

Lors du fonctionnement du système à canaux multiples, il faudrait respecter une séquence temporelle déterminée afin d'éviter des erreurs lors de l'évaluation des différents capteurs: Après le débranchement du (n-1)-ème capteur, la tension de sortie de l'intégrateur du n-ème canal Ua(n) est envoyée, par l'intermédiaire de la résistance RR, à savoir ce qu'on appelle la résistance de réaction, au conducteur de mesure WL qui est raccordé aux capteurs Ce raccordement est réalisé par l'intermédiaire de l'interrupteur analogique SIA(n) à commande électronique, par exemple un transistor à effet de champ A l'autre extrémité du conducteur de mesure, cette tension, qui contient uniquement des composantes à basse fréquence, est séparée de la tension à haute fréquence, qui est utilisée pour l'évaluation du capteur, par l'intermédiaire d'une bobine d'arrêt des hautes fréquences HF Dr. Au bout d'un intervalle de temps tein, qui doit être respecté pour éviter des erreurs de mesure pouvant être provoquées par des phénomènes transitoires à l'entrée dans la bobine de compensation, le signal de sortie d'un dispositif électronique classique d'évaluation est appliqué par l'intermédiaire de l'interrupteur SIE(n) à l'entrée de l'intégrateur I(n) Ensuite, pendant un intervalle de temps

tnor, le capteur fonctionne de la manière usuelle connue.

Puis, l'entrée de l'intégrateur I(n) est déconnectée de la sortie du dispositif électronique d'évaluation, et au bout d'un intervalle de temps taus, la sortie de l'intégrateur

I(n) est déconnectée de la résistance de réaction Rr.

L'intervalle de temps taus doit être utilisé, d'une manière analogue à l'intervalle de temps tein, pour éviter des erreurs de mesure dues à des phénomènes transitoires à la

sortie dans la bobine de compensation.

Ensuite, le dispositif SQUID (n) est arrêté moyennant le débranchement du générateur à haute fréquence HFG (n) Ensuite, comme pour le canal n, tous les autres canaux sont évalués successivement de sorte qu'au bout d'un intervalle de temps (tein + tnor + taus) n, le canal N est à nouveau évalué Afin d'éviter des erreurs de mesure indiquées plus haut, il faut que l'intervalle tein ou taus soit nettement supérieur au rapport L/R des bobines de compensation, L représentant l'inductance globale et R la résistance globale du branchement en série ou en parallèle des bobines de compensation L'intervalle de temps tnor devrait être égal à plusieurs périodes du courant de modulation à basse fréquence (désigné ici également comme étant le signal de référence), afin d'obtenir un signal

utilisable en aval du détecteur de phase.

Étant donné que le signal de mesure de chaque canal n est stocké dans l'intégrateur associé I(n), on peut le prélever à tout moment Par conséquent, il n'est en aucune manière nécessaire d'attendre que ce capteur soit précisément évalué Avantageusement, le signal de mesure est prélevé de l'intégrateur par l'intermédiaire d'un amplificateur tampon PV(n), de manière à empêcher des influences de l'intégrateur

par des appareils de mesure externes.

Les intervalles tein, taus et tnor (voir à cet effet la figure 2) sont obtenus à partir du courant de

modulation ou du signal de référence pour la minuterie ZG.

Dans l'exemple de réalisation, la fréquence de ce signal de référence est égale à 150 k Hz, la durée des intervalles de temps tein et taus est égale à 6,67 ps, ce qui correspond à une demi-période du signal de référence, et l'intervalle de temps tnor est égal à 60 ps, ce qui correspond à neuf périodes du signal de référence La désignation "ein" sur la figure 2 signifie que l'interrupteur respectif SIE(n) ou SIA(n) est branché ou que le générateur à haute fréquence respectif et par conséquent le capteur respectif fonctionnent.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1 Système à canaux multiples comportant des détecteurs supraconducteurs d'interférence quantique (SQUID), désignés ci-après sous le terme capteurs servant à mesurer la distribution spatiale de flux magnétiques, et dans lequel les capteurs sont raccordés à un dispositif électronique d'évaluation possédant une boucle de régulation du flux et des bobines de compensation, caractérisé par le fait qu'on utilise des capteurs (HF 51 à HF 53) du type dispositif SQUID à haute fréquence, que le dispositif électronique d'évaluation (AWE) est conçu pour une interrogation en série des capteurs, que les intégrateurs (Il à 13) de la boucle de régulation du flux sont prévus pour mémoriser les flux de compensation et qu'il est prévu des générateurs à haute fréquence (HFG 1 à HFG 3), qui permettent de faire fonctionner les capteurs, pour séparer l'information, dans le mode dissipatif à des

fréquences différentes.

2 Système à canaux multiples suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif électronique d'évaluation (AWE) possède seulement un amplificateur à haute fréquence, un démodulateur d'amplitude

et un détecteur de phase.

3 Système à canaux multiples suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les capteurs (HF 51 à HF 53) sont raccordés au dispositif

électronique d'évaluation (AWE) uniquement par l'intermédiaire d'un seule ligne bipolaire de mesure (WL).