FR2727200A1 - Gyrometre comportant un detecteur de rotation sensible au champ magnetique, tel qu'un interferometre electronique - Google Patents

Abstract

Gyromètre comportant un détecteur (1) de rotation sensible au champ magnétique, tel qu'un interféromètre électronique, caractérisé en ce que ce détecteur est disposé dans un écran fermé en un matériau magnétique (2), cet écran étant lui-même disposé dans un écran fermé en un matériau diamagnétique (3).

Description

La présente invention est relative aux gyromètres comportant un détecteur de rotation sensible au champ magnétique, tel qu'un interféromètre électronique.

Par interféromètre électronique, on entend tous les appareils de détection exploitant des phénomènes liés à des déphasages de fonction d'onde d'électrons ou de paires d'électrons de Cooper, dans des boucles de conduction, et en particulier les détecteurs à boucle en matériau supraconducteur et jonction(s) Josephson.

Des détecteurs de ce type sont par exemple ceux classiquement connus sous la dénomination DC SQUID (Direct
Current Superconducting Quantum Interference Detector, selon la terminologie anglo-saxonne). Un DC SQUID est composé d'une boucle supraconductrice dans laquelle sont interposées deux jonctions Josephson. Les détecteurs à DC
SQUID exploitent la propriété selon laquelle un DC SQUID est supraconducteur pour des valeurs de courant inférieures à un courant critique Ic qui est une fonction périodique du flux magnétique qui traverse la boucle en matériau supraconducteur.

Les interféromètres électroniques sont généralement utilisés comme magnétomètres ou pour la mesure de grandeurs transformées en flux magnétique. Ils présentent l'avantage d'être d'une grande sensibilité aux faibles champs magnétiques.

Il a déjà été proposé d'utiliser les interféromètres électroniques pour réaliser des gyromètres. On pourra à cet égard avantageusement se référer au brevet US-5.058.431, ainsi qu'aux Travaux de l'Equipe de Monsieur Cabrera de l'université de Trente.

De façon analogue à ce qui peut se passer dans les gyromètres laser à anneau à fibre optique, pour lesquels une rotation induit un déphasage entre les faisceaux cohérents se déplaçant dans un sens et un autre de l'anneau, dans la boucle de conduction d'un interféromètre électronique, un mouvement de rotation se traduit par un déphasage de la fonction d'onde des paires d'électrons de
Cooper, qui se superpose au déphasage dû au champ magnétique ambiant. L'interféromètre voit alors un champ magnétique global qui est la somme du champ magnétique ambiant et d'un champ magnétique induit par la rotation.

A titre d'exemple, dans le cas d'un DC SQUID, ce champ magnétique de rotation est de 0,55.10-16 T pour une vitesse de rotation de 10/h, de 0,55.10-18 T pour une vitesse de rotation de 0,010/h, de 1,14.10-11 T pour une vitesse de rotation de irais. Ces valeurs de champ sont extrêmement faibles. On rappelle par exemple que le champ magnétique terrestre est de l'ordre de 10-5 T.

Un problème rencontré avec les gyromètres à interféromètre électronique est donc celui de la séparation du champ magnétique de rotation, par rapport au champ magnétique ambiant.

Ce problème se pose de façon plus générale pour tous les gyromètres utilisant des détecteurs qui réalisent des mesures de rotation à partir de la mesure du champ magnétique induit par la rotation. L'induction magnétique par rotation est un phénomène général (effet Barnett), dont les gyromètres à interféromètre électronique, notamment à boucle supraconductrice, sont une application particulière.

Un but de l'invention est de proposer un gyromètre à détecteur sensible au champ magnétique dans lequel le champ magnétique de rotation mesuré est peu perturbé par le champ magnétique ambiant.

Un autre but de l'invention est de proposer un gyromètre de ce type qui présente en outre une bonne sensibilité.

I1 a déjà été propose, notamment dans US5.058.431, d'isoler l'interféromètre électronique de détection de rotation en le disposant dans un réceptacle supraconducteur formant écran.

Un tel écran ne permet cependant pas de séparer convenablement le champ magnétique de rotation et le champ ambiant. Un calcul simplifié montre que dans le champ magnétique global mesuré par l'interféromètre, le champ ambiant et le champ de rotation ont même importance.

Pour pallier cet inconvénient, il est proposé dans
US-5.058.431, de mesurer le champ ambiant à l'intérieur du réceptacle et de le soustraire au champ global mesuré par le détecteur de rotation. Toutefois, cette solution n'est pas pleinement satisfaisante : la mesure en sortie n'est pas stable.

L'invention propose quant à elle un gyromètre comportant un détecteur de rotation sensible au champ magnétique, tel qu'un interféromètre électronique, caractérisé en ce que ce détecteur est disposé dans un écran fermé en un matériau magnétique, cet écran étant lui-même disposé dans un écran fermé en un matériau diamagnétique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels
la figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à un premier mode possible de réalisation de l'invention
la figure 2 représente un dispositif conforme à un deuxième mode de réalisation possible
la figure 3 représente un dispositif conforme à un troisième mode de réalisation possible
la figure 4 représente un dispositif conforme à un quatrième mode de réalisation possible
la figure 5 représente un dispositif conforme à un cinquième mode de réalisation possible pour l'invention.

Le gyromètre représenté sur la figure 1 comporte principalement un détecteur de rotation 1 disposé à l'intérieur de deux écrans cylindriques concentriques 2 et 3 fermés.

Le détecteur de rotation 1 est par exemple un détecteur à SQUID-DC dont le montage est classiquement connu en soi par l'Homme du Métier. L'anneau supraconducteur du SQUID est choisi avec un rayon de l'ordre du mm. I1 a été référencé par la sur la figure 1, les deux jonctions Josephson ayant été référencées par lb.

L'anneau la est alimenté par une source de courant constant lc, qui le polarise avec un courant constant de valeur voisine du courant critique. En sortie du SQUID, la tension aux bornes du SQUID est relevée. Cette tension est une fonction périodique du flux magnétique qui traverse l'anneau la. Elle permet donc d'avoir accès au champ magnétique au niveau de l'anneau (signal de sortie BS).

La plupart du temps, un SQUID est utilisé avec une contre-réaction maintenant le flux à zéro à l'aide d'une simple spire, ainsi qu'éventuellement avec un circuit de modulation.

L'écran intérieur 2 est en un matériau magnétique ; l'écran extérieur 3 est en un matériau diamagnétique.

Par matériau magnétique, on entend tout matériau dont la perméabilité magnétique Ft est supérieure à 1. On choisit préférentiellement un matériau ferromagnétique, tel que celui classiquement connu sous la dénomination
Permalloy.

Le cylindre 2 en matériau magnétique est caractérisé par un coefficient d'écrantage k (lié à la perméabilité CI du matériau) tel que
Bext = k.Bi, où Bext est le champ à l'extérieur du cylindre 2 et Bi est le champ créé par l'aimantation engendrée par ce champ Be à l'intérieur dudit cylindre 2.

Les dimensions du cylindre 2 sont choisies de façon que k soit aussi petit que possible.

Par matériau diamagnétique, on entend tout matériau présentant une perméabilité inférieure à 1. On choisit préférentiellement un matériau supraconducteur, par exemple une céramique d'un composé YBCO à haute température critique. Dans le cas où le cylindre 3 est en un matériau supraconducteur, il est disposé dans une enceinte cryogénique (non représentée) qui permet de le maintenir à des températures inférieures à sa température critique.

Le cylindre 3 en matériau diamagnétique est caractérisé par son efficacité d'écrantage Q, donnée par a = Ri.d/2A2, où Ri est le rayon intérieur du cylindre, d son épaisseur, k étant la longueur d'écrantage égale à (mc2/8se2)l/2, où m et e sont la masse et la charge d'un électron, c étant la vitesse de la lumière.

Les dimensions du cylindre 3 sont choisies de façon que a soit aussi grand que possible (capacité d'écrantage du cylindre 3 importante). En particulier, l'épaisseur d dudit cylindre 3 est choisie très supérieure à A.

Dans une telle structure à écran diamagnétique 3 extérieur et écran magnétique 2 intérieur, le signal en sortie du détecteur 1 correspond à la mesure d'un champ magnétique Bs global tel que
Bs = 1/2 (k/Q.Be + Br) où Be est le champ magnétique ambiant à l'extérieur de l'écran 3 et où Br est le champ magnétique de rotation, qui serait mesuré par le détecteur en l'absence de toute structure d ' écrantage et en absence de champ ambiant. Ce champ magnétique Br est proportionnel à la vitesse de rotation Q, à laquelle il est relié par la relation de
London
Br = (2m/e) Q.

Le rapport entre la composante due au champ de rotation et la composante due au champ ambiant, dans le champ global, est en k/a et est petit.

Le champ de rotation et le champ ambiant sont donc convenablement séparés.

En outre, la sensibilité au champ de rotation est du même ordre de grandeur que celle du détecteur, puisque dans le champ global mesuré B5 la composante due au champ de rotation est 1/2.Br,
A titre comparatif, on notera que - dans le cas d'un détecteur protégé uniquement par un
écran diamagnétique, le champ global mesuré est tel
que
Bs =
ce qui correspond à une mauvaise séparation entre le
champ ambiant Be et le champ de rotation Br, ainsi qu'à
une mauvaise sensibilité, - dans le cas d'un détecteur protégé uniquement par un
écran magnétique, le champ global mesuré est tel que
Bs = kBe + 1/2.(k+l)Br,
ce qui correspond à une séparation qui est insuffisante
compte tenu des ordres de grandeur des champs ambiants
habituels (avec les meilleurs écrans ferromagnétiques, k
est voisin de 10-5 et il faudrait que Be soit de l'ordre
de 10-10 T pour que le terme kBe soit équivalent à
quelques degrés par heure, dans le cas où le détecteur
est un SQUID) - dans le cas d'un détecteur protégé par un écran
diamagnétique intérieur et un écran magnétique
extérieur, le champ global mesuré est tel que
Bs = 1/2(1+a).(2kBe + (k-l)Br),
ce qui correspond à la fois à une séparation
insuffisante entre le champ ambiant et le champ de
rotation et à un affaiblissement considérable de la
sensibilité.

Dans le gyromètre conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention qui vient d'être décrit, l'écran magnétique 2 est soumis à des niveaux de champs magnétiques extrêmement faibles (inférieures à 10-10 T ), ainsi qu'éventuellement à des températures très basses, notamment si l'écran extérieur 3 est en un matériau supraconducteur. I1 se peut par conséquent que le matériau magnétique de l'écran 2 subisse des micros hystérésis ou des non-linéarités locales de perméabilité magnétique, perturbant la linéarité du facteur k.

Ce problème est résolu en mettant en oeuvre les moyens qui vont maintenant être décrits en référence à la figure 2. On a repris, pour les éléments de cette variante qui se retrouvent sur la variante de la figure 1, les mêmes numérotations de référence augmentées de 10.

Le dispositif conforme à cette variante comporte un détecteur de rotation 11, un écran intérieur magnétique 12, et un écran extérieur diamagnétique 13.

Dans le volume intermédiaire défini par ces deux écrans 12 et 13 est disposé un bobinage 14, commandé par une source de courant alternatif 15 disposée à l'extérieur de l'écran 13. Le bobinage 14 génère dans ce volume intermédiaire un champ magnétique alternatif.

Ce champ magnétique alternatif permet d'atténuer statistiquement les effets des micros non-linéarités de perméabilité et des micros hystérésis.

En moyenne, le champ magnétique global mesuré par le détecteur 11 est le même que celui que mesure le détecteur 1.

A titre d'exemple, la fréquence d'excitation du bobinage 14 pourra être de l'ordre de quelques MHz, l'amplitude du champ magnétique généré par le bobinage 14 allant du 1/lOème de Tesla au Tesla.

En variante, ainsi qu'illustré sur la figure 3, ce champ magnétique d'excitation peut également être utilisé pour moduler le coefficient k et atténuer activement le champ magnétique extérieur.

On a repris pour les éléments du gyromètre de cette figure 3 qui se retrouvent sur la variante de la figure 2 les mêmes numérotations de référence augmentées de 10.

Le dispositif représenté sur la figure 3 comporte un détecteur de rotation 21, un écran intérieur magnétique 22, un écran extérieur diamagnétique 23, ainsi qu'un bobinage 24 alimenté par une source alternative 25 qui crée un champ magnétique alternatif entre les deux écrans 22 et 23.

Dans cette variante, l'amplitude de l'excitation alternative que réalise le bobinage 24 est choisie de l'ordre de grandeur de la valeur du champ d'induction à saturation de l'écran magnétique 22 (par exemple de l'ordre de 0,1 T dans le cas où le matériau magnétique est le Permalloy), ou supérieure, de sorte que l'écran 22 est le siège d'effets non linéaires à chaque demi-période de l'excitation. Le coefficient d'écrantage k de l'écran 22 est par conséquent modulé selon une fréquence double de la fréquence d'excitation du bobinage 24.

Dans le champ magnétique Bs global mesuré, qui est donné par
Bs = 1/2 (k/a.Be + Br), seule la composante due au champ extérieur ambiant Be est affectée par les variations de k (ou de a), la composante due au champ de rotation Br étant quant à elle sensiblement constante. Comme on l'aura compris, cette propriété peut être utilisée pour atténuer activement la composante du champ magnétique global due au champ magnétique ambiant extérieur.

Sur la variante de la figure 3, il est prévu à cet effet une boucle de contre-réaction 26 destinée à commander la composante continue du courant dans la bobine 24 de façon à annuler le champ magnétique Be.

Cette boucle 26 est schématisée par un amplificateur 27, recevant en entrée la sortie d'une unité de détection synchrone 28. La sortie de l'amplificateur 27 est la composante continue du courant envoyé sur la bobine 24. Cette composante continue est aditionnée au courant alternatif généré par la source 25, par l'intermédiaire d'un condensateur 25a monté entre la source 25 et la sortie de l'amplificateur 27.

L'unité de détection synchrone 28 reçoit quant à elle en entrée d'une part, la sortie du détecteur de rotation 21 et, d'autre part, un signal de référence dont la fréquence est double par rapport à la fréquence du courant alternatif généré par la source 25. Ce signal de référence lui est fourni par une unité de multiplication de fréquences 29.

Le signal en sortie du détecteur 21 est également envoyé sur un filtre passe-bas 30, qui filtre les hautes fréquences. Le signal en sortie de ce filtre 30 correspond à la composante non alternative du champ magnétique mesuré par le gyromètre. Ce signal converge vers Br/2.

D'autres variantes sont bien entendu possibles.

La modulation de k/a peut notamment être utilisée pour déterminer par corrélation le terme Be et soustraire du champ Bs mesuré la composante due au champ extérieur ambiant.

Toutefois, les grandeurs k et a n'étant pas d'une grande stabilité, l'utilisation d'une boucle de contreréaction annulant le champ Be extérieur, ainsi qu'illustré sur la figure 3, est plus particulièrement adaptée.

Egalement, il est possible de moduler le rapport k/a par une modulation du terme a. A cet effet, par exemple, si l'écran 23 est en un matériau supraconducteur, on peut prévoir sur cet écran 23 une partie amincie dans laquelle on fait circuler un courant alternatif dont l'amplitude est supérieure au courant critique du matériau supraconducteur, de sorte que le coefficient d'écrantage a est modulé avec une fréquence double de celle du courant alternatif.

On se réfère maintenant à la figure 4 sur laquelle a été représentée une autre variante de l'invention qui intègre une structure à écran supraconducteur complémentaire et barreau magnétique, du type de celle proposée par l'Université de Trente. On a repris pour les éléments de cette variante qui se retrouvent sur la variante de la figure 1, la même numérotation de référence augmentée de 30.

Le gyromètre représenté sur cette figure 4 comporte un détecteur de rotation 31 de type SQUID, un écran magnétique intérieur 32 et un écran diamagnétique extérieur 33.

Le détecteur 31 est enfermé dans un écran diamagnétique complémentaire 34 disposé à l'intérieur de l'écran magnétique 32. Cet écran 34 est également cylindrique et fermé.

Un barreau 35 en un matériau magnétique traverse la boucle du détecteur 31.

Avec une telle structure, la composante du champ magnétique relevé par le détecteur 31 qui correspond au champ de rotation est augmentée par l'aimantation que réalise le barreau ferromagnétique, de sorte que la sensibilité du gyromètre est améliorée.

En variante, l'aimantation à l'intérieur de l'écran 34 peut être réalisée par d'autres moyens, par exemple par un couplage de la boucle du détecteur 31, par mutuelle inductance avec l'une des boucles d'une double boucle résistive, dont l'autre boucle s'étend à extérieur des écrans 32 à 34 et est traversée par un barreau ferromagnétique.

La variante représentée sur la figure 5 inclut en combinaison les perfectionnements des variantes des figures 3 et 4. On a repris pour les éléments de cette variante qui ont déjà été décrits en référence à la variante de la figure 3, la même numérotation de référence augmentée de 20.

Le gyromètre de la figure 5 comporte plus particulièrement un détecteur 41 de type SQUID, un écran magnétique intérieur 42, un écran diamagnétique extérieur 43, un bobinage 44 interposé entre ces deux écrans, une source de courant alternatif 45, ainsi qu'une boucle de contre-réaction 46 qui comprend une unité de détection synchrone 47, un amplificateur 48, une unité 49 de multiplication de fréquences et un filtre passe-bas 50.

La boucle de conduction du détecteur SQUID 21 est traversée par un barreau ferromagnétique 51. Le détecteur 21 est disposé, avec son barreau 51, dans un réceptacle cylindrique 52 en un matériau diamagnétique, par exemple supraconducteur.

La sensibilité du gyromètre de cette variante est améliorée par rapport à celle du gyromètre de la variante de la figure 3.

Dans les différentes variantes qui viennent d'être décrites, l'invention a été présentée avec des écrans cylindriques. D'autres géométries sont bien entendu possibles pour les écrans.

On notera par ailleurs que les gyromètres à interféromètre électronique, notamment à boucle en matériau supraconducteur et jonction(s) Josephson, constituent des solutions tout électriques qui présentent en outre l'avantage d'être d'un encombrement moindre que les gyromètres optiques (surface de quelques mm2 pour la boucle d'un SQUID, au lieu d'une surface de 1,5 m2 et d'un nombre important de tours de fibres pour un gyromètre optique).

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Gyromètre comportant un détecteur de rotation (1, 11, 21, 31, 41) sensible au champ magnétique, tel qu'un interféromètre électronique, caractérisé en ce que ce détecteur est disposé dans un écran fermé en un matériau magnétique (2, 12, 22, 32, 42), cet écran étant lui-même disposé dans un écran fermé en un matériau diamagnétique (3, 13, 23, 33, 43).

2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (14, 24, 44 ; 15, 25, 45) pour générer entre l'écran magnétique intérieur (12, 22, 42) et l'écran diamagnétique extérieur (13, 23, 43) un champ magnétique alternatif.

3. Gyromètre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (24, 44 ; 25, 45) pour moduler le coefficient d'écrantage k de l'écran magnétique intérieur (22, 42) et/ou pour moduler l'efficacité a de l'écran diamagnétique extérieur (23, 43).

4. Gyromètre selon les revendications 2 et 3 prises en combinaison, caractérisé en ce que le champ magnétique alternatif généré entre l'écran magnétique intérieur (22, 42) et l'écran diamagnétique extérieur (23, 43) présente une amplitude de l'ordre de grandeur de la valeur d'induction à saturation du matériau magnétique ou supérieure, de sorte que le coefficient k d'écrantage du champ magnétique est modulé à une fréquence double de celle du champ magnétique alternatif.

5. Gyromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de contre-réaction (26, 46) qui commande la composante continue du champ magnétique généré entre l'écran magnétique intérieur (22, 42) et l'écran diamagnétique extérieur (23, 43) en fonction de l'amplitude de la composante du champ magnétique mesuré par le détecteur, de façon à annuler cette composante, ainsi qu'un filtre passe-bas (30, 50) en sortie du détecteur.

6. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sensibilité du détecteur (31, 41) est augmentée par un barreau (35, 51) en un matériau magnétique traversant une boucle de conduction, le détecteur étant disposé dans un écran en un matériau diamagnétique (34, 52), cet écran (34, 52) étant disposé à l'intérieur de l'écran en matériau magnétique (32, 42).

7. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau diamagnétique est un matériau supraconducteur.

8. Gyromètre selon les revendications 3 et 7 prises en combinaison, caractérisé en ce que l'écran extérieur présente une partie amincie dans laquelle circule un courant alternatif dont l'amplitude est supérieure au courant critique du matériau supraconducteur, de sorte que l'efficacité d'écrantage a du champ magnétique est modulée à une fréquence double de celle du courant alternatif.

9. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau magnétique est ferromagnétique.

10. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur (1, 11, 21, 31, 41) est un interféromètre électronique à boucle en matériau supraconducteur et jonction(s) Josephson.