FR2949601A1 - Dispositif d'aimant permanent cylindrique a champ magnetique induit d'orientation predeterminee et procede de fabrication - Google Patents

Abstract

Le dispositif induisant dans une zone d'intérêt centrale un champ magnétique homogène d'orientation prédéterminée, comprend deux structures aimantées annulaires (111, 121) disposées de façon symétrique par rapport à un plan (P) qui contient la zone d'intérêt centrale, et une troisième structure aimantée annulaire (112, 122) interposée entre les deux autres structures (111, 121) et également disposée de façon symétrique par rapport au plan (P) de symétrie. Les diverses structures (111, 121, 112, 122) sont divisées en éléments constitutifs en forme de secteurs. La troisième structure (112, 122) est divisée en au moins deux tranches (112A, 112B, 122A, 122B) et tous les éléments constitutifs des diverses structures (111, 121, 112, 122) sont aimantés selon une même direction.

Description

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un dispositif d'aimant permanent cylindrique induisant dans une zone d'intérêt centrale un champ magnétique homogène d'orientation prédéterminée par rapport à un axe longitudinal du dispositif, le dispositif comprenant des première et deuxième structures aimantées annulaires disposées de façon symétrique par rapport à un plan qui est perpendiculaire audit axe longitudinal et contient ladite zone d'intérêt centrale, et une troisième structure aimantée annulaire interposée entre les première et deuxième structures et également disposée de façon symétrique par rapport audit plan perpendiculaire à l'axe longitudinal et contenant la zone d'intérêt centrale, les première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires étant divisées en éléments constitutifs en forme de secteurs. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif d'aimant permanent.

Art antérieur

Dans le domaine de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), l'échantillon (objet ou patient) est placé à l'intérieur d'un champ magnétique qui doit être très intense et très homogène. Il convient donc de pouvoir fabriquer des structures aimantées capables de produire de tels champs magnétiques. Par ailleurs il est souvent utile de pouvoir produire un champ magnétique selon une direction prédéterminée. Ainsi, par exemple, selon la technique de la rotation d'échantillon à l'angle magique (en anglais Magic Angle Sample Spinning ou MAS) on fait tourner rapidement un échantillon à un angle dit angle magique (de 54° 44') par rapport à la direction du champ magnétique statique, afin d'améliorer la résolution. Les aimants utilisés actuellement en RMN pour créer des champs intenses et homogènes sont, pour la plus grande majorité, basés sur la circulation de courant dans des bobines. Que les bobines soient 1 résistives ou supraconductrices, il y a toujours nécessité d'approvisionner l'aimant en courant et également en fluides cryogéniques dans le cas des bobines supraconductrices. Les appareils sont de ce fait encombrants et difficilement déplaçables. Des bobines résistives nécessitent d'importantes amenées de courant tandis que des bobines supraconductrices impliquent l'utilisation d'un cryostat rempli de liquides cryogéniques, qui est difficile à déplacer. Une structure basée sur des aimants permanents permet de s'affranchir de ces contraintes puisque le matériau est aimanté une fois pour toutes et, s'il est manipulé de manière appropriée, conserve son aimantation sans maintenance extérieure. Par ailleurs, les matériaux dits permanents sont limités en rémanence (l'aimantation subsistant dans le matériau une fois aimanté) et la génération de champs importants dans de grandes zones utiles nécessite de grandes quantités de matière. La densité de ces matériaux étant d'environ 7.5 g cm-3, on aboutit rapidement à des systèmes très lourds. Il est donc important de minimiser la quantité de matériau pour un champ donné. La difficulté des systèmes magnétiques en matériaux permanents pour la RMN réside dans le besoin de coupler champs intenses avec forte homogénéité. Les procédés de fabrication des matériaux comme le NdFeB ou le SmCo ne permettent pas de garantir une parfaite homogénéité d'aimantation, ni une parfaite répétitivité. Aussi, bien qu'il soit possible de calculer des structures fournissant l'homogénéité désirée, il est nécessaire de ménager des possibilités de réglages a posteriori qui permettent de corriger les imperfections du matériau. La forme d'ensemble pour ces structures aimantées est généralement le cylindre, où la structure adopte au moins une symétrie axiale. Ceci permet de s'affranchir de nombreux facteurs d'inhomogénéité. La zone d'intérêt se trouve alors au centre du cylindre et l'accès à cette zone peut se faire selon l'axe en dégageant un trou dans le cylindre, ou alors par le côté en séparant le cylindre en deux. Très peu de structures à base d'aimant permanent ont été proposées dans le passé pour générer un champ homogène longitudinal au centre. Ceci est dû au fait que les applications RMN qui nécessitent une grande homogénéité demandent aussi aux appareils d'être soit très grands (cas de l'IRM où un corps humain doit rentrer dans l'appareil), ce qui implique une énorme quantité de matériau (plusieurs tonnes), soit très intenses (c'est le cas de la spectroscopie RMN qui utilise des champs supérieurs à 10 T, jusqu'à 20 T pour le moment), ce qui n'est tout simplement pas réalisable à l'heure actuelle avec des matériaux permanents. Ainsi, le plus ancien brevet concernant une structure cylindrique d'aimants permanents générant un champ longitudinal homogène capable a priori d'effectuer de la RMN est celui de Guy Aubert datant de 1991 (brevet US-A-5 014 032). Celui-ci propose d'utiliser des anneaux en matériau permanent, aimantés radialement. Les anneaux sont aimantés vers l'axe de symétrie d'un côté de la zone utile et vers l'extérieur de l'autre côté de la zone utile. La structure est symétrique par rapport au plan orthogonal à l'axe de symétrie et contenant le centre de la zone utile. Il y a aujourd'hui un regain d'intérêt pour les structures à base de matériaux permanents car ils se trouvent très adaptés pour les applications de RMN à bas champ, portables ou transportables. De plus, les nouveaux matériaux magnétiques offrent des rémanences et coercivités bien plus élevées, permettant des champs induits suffisants (des centaines de mT) pour trouver des applications en RMN. Enfin, ces matériaux se prêtent facilement à la rotation, ce qui permettrait d'obtenir une amélioration de la résolution, à l'instar de la méthode proposée par Bloch (brevet US-A-2 960 649), cette fois en faisant tourner le champ et non l'échantillon. Heninger et a/ ont proposé en 2006 une structure pour générer un champ longitudinal dans le contexte d'un piège à ions (demande de brevet WO 2006/024775). Cet aimant permet une homogénéité de 1 pour mille dans un volume de 10 cm3 avec un champ de 1T. Cette structure ne permet donc pas une homogénéité telle que celle requise par la RMN mais produit un champ comparable en magnitude à celui de certains imageurs médicaux (1.5 T). Par ailleurs, Halbach ( K. Halbach, "Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material", Nuclear Instruments and Methods, v. 169, p. 1-10, 1980).a proposé des structures cylindriques permettant de créer n'importe quel multipôle avec une homogénéité parfaite, mais seulement pour un aimant théorique infiniment long. Le multipôle de Halbach le plus célèbre étant le dipôle, qui génère un champ transverse à l'axe du cylindre, arbitrairement intense par l'augmentation du rapport du rayon extérieur sur le rayon intérieur (ceci est limité par la coercivité du matériau utilisé). La structure de Halbach est exacte en deux dimensions (impliquant que la structure est infinie dans la troisième dimension) et nécessite une variation continue de l'orientation de l'aimantation dans le matériau. Ces deux conditions sont irréalisables en pratique. On peut par contre discrétiser l'orientation de l'aimantation dans la structure sous forme de secteurs. Dans le cas d'une structure 2D, l'utilisation d'un nombre suffisant de secteurs permet d'obtenir l'homogénéité à un ordre arbitrairement choisi. L'aspect tridimensionel de la structure nécessite ensuite de tenir compte des effets de bords et implique des modifications de la géométrie afin d'obtenir l'homogénéité voulue. Ceci a donné lieu à diverses mises en application. Ces mises en application incluent le travail de Callaghan et a/. qui ont proposé une méthode de fabrication de structures de Halbach à partir d'aimants en forme de cubes (demande de brevet WO2007/120057). La structure résultante permet d'éliminer les termes d'ordre 2, ce qui ne permet pas une homogénéité suffisante pour être utile en RMN.

Miyata (brevet US 5 148 138) a aussi proposé une méthode de fabrication pour les structures de Halbach homogènes pour la RMN. Le brevet US 5 148 138 porte essentiellement sur l'utilisation de ferrite et de terres rares pour optimiser le poids et le coût de l'aimant. Holsinger (demande de brevet WO 88/10500) a aussi décrit une méthode alternative de fabrication utilisant des barreaux creux pour contenir la matière aimantée. Les barreaux sont disposés de manière axisymétrique. Ces barreaux sont remplis avec des morceaux d'aimants permanents aimantés dans la bonne direction. Les barreaux sont segmentés pour ajuster l'homogénéité.

Hormis les structures de Halbach, Guy Aubert a proposé un autre type de structure créant un champ homogène transverse (brevet US 4 999 600). Cette structure permet l'accès au centre le long de l'axe de symétrie. Il a par la suite proposé dans le brevet US 5 332 971 un autre type de structure offrant un fort champ homogène en son centre. Cette dernière permet un accès transverse à la zone utile. Cette structure fait usage de deux ensembles complémentaires d'anneaux situés de part et d'autre de la zone utile. Enfin, Leupold (brevet US 5 523 732) s'est inspiré de la structure de Halbach pour proposer un système permettant l'ajustement de la direction (dans le plan transverse) et de l'intensité du champ créé au centre. Il y a aussi eu un regain d'intérêt pour des structures homogènes à base d'aimants permanents dans le contexte de la RMN en champ tournant (R.D. Schlueter and T.F. Budinger, "Magic angle rotating field NMR/MRI magnet for in vivo monitoring of tissue", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, v. 18(2), p. 864-867, June 2008). Ceci fait suite à la découverte de la possibilité de tourner à faible vitesse pour augmenter la résolution (des dizaines de Hz contre des dizaines de kHz en rotation de l'échantillon classique) (R.A. Wind, J.Z. Hu and D.N.

Rommereim, "High resolution 1H NMR spectroscopy in organs and tissues using slow magic angle spinning", Magnetic Resonance in Medicine, v. 46, p. 213-218, 2001). Cette avancée s'inscrit dans l'intérêt qu'il y a à obtenir des spectres haute résolution dans des échantillons que l'on ne peut pas faire tourner aux vitesses habituelles en MAS. Notamment, dans le cas d'un être humain, il n'est pas concevable de le faire tourner dans l'appareil. Aussi, la rotation du champ par rapport au sujet d'étude peut-elle se révéler particulièrement intéressante en donnant accès à la haute résolution dans les milieux anisotropes sans faire tourner le sujet. L'exploration de la RMN en champ tournant ne nécessite pas d'avoir des champs extrêmement intenses. Par contre, il faut relever le défi technologique de la rotation entre 1Hz et 10Hz de l'appareil générant le champ. En cela, les matériaux permanents sont les plus appropriés puisqu'ils ne nécessitent ni amenées de courant, ni liquides cryogéniques. Jusqu'à présent, aucune structure d'aimants permanents n'a été proposée pour permettre la génération d'un champ arbitrairement homogène à un angle arbitraire avec l'axe de la structure. En effet, les solutions mises en application ont essentiellement consisté en l'imbrication d'un aimant permanent de type Halbach générant un champ transverse dans un électroaimant générant un champ longitudinal. L'aimant de Halbach est tourné à l'intérieur de l'électroaimant, permettant la rotation du champ. Il faut bien sûr prévoir au préalable le rapport Belectroaimant / BHalbach pour obtenir l'angle désiré. Il n'y a à l'heure actuelle aucune proposition pour générer un champ homogène à un angle arbitraire uniquement à partir de pièces aimantées, d'autant plus que la manipulation de pièces aimantées pour leur assemblage s'avère délicat compte tenu de toutes les forces liées au magnétisme des pièces qui peuvent être extrêmement intenses dans le cas d'assemblage de grosses pièces.

Définition et objet de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés plus haut et à offrir une solution pour remédier notamment à la difficulté d'assemblage des pièces aimantées afin de former des aimants permanents puissants capables de créer un champ homogène et intense au centre de la structure aimantée, le champ induit pouvant présenter une orientation prédéterminée arbitraire par rapport à l'axe longitudinal de la structure. L'invention peut entre autres trouver des applications dans les domaines de la RMN "légère" ou de la RMN-IRM à champ tournant.

D'une manière générale, la présente invention vise à permettre de réaliser une structure aimantée axisymétrique induisant un champ homogène longitudinal ou à un angle arbitraire en son centre. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un dispositif d'aimant permanent cylindrique induisant dans une zone d'intérêt centrale un champ magnétique homogène d'orientation prédéterminée par rapport à un axe longitudinal du dispositif, comprenant des première et deuxième structures aimantées annulaires disposées de façon symétrique par rapport à un plan qui est perpendiculaire audit axe longitudinal et contient ladite zone d'intérêt centrale, et une troisième structure aimantée annulaire interposée entre les première et deuxième structures et également disposée de façon symétrique par rapport audit plan perpendiculaire à l'axe longitudinal et contenant la zone d'intérêt centrale, les première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires étant divisées en éléments constitutifs en forme de secteurs, caractérisé en ce que la troisième structure aimantée annulaire est divisée en au moins deux tranches selon l'axe longitudinal et en ce que tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires définissant une structure axisymétrique sont aimantés selon une même direction de manière à créer dans ladite zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène et intense formant un angle prédéterminé compris entre 0 et 90° par rapport audit axe longitudinal. Selon un mode particulier de réalisation, ledit angle prédéterminé est nul et tous les éléments constitutifs en forme de secteurs sont aimantés selon l'axe longitudinal.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, ledit angle prédéterminé est égal à l'angle magique de 54,7° et tous les éléments constitutifs en forme de secteurs sont aimantés selon une même direction inclinée de 109,47° par rapport audit axe longitudinal. Selon un mode de réalisation préférentiel, la troisième structure 15 aimantée annulaire est divisée en au moins quatre tranches. Selon l'invention, les première et deuxième structures aimantées annulaires et chaque tranche de la troisième structure aimantée annulaire sont divisées chacune en une pluralité d'éléments constitutifs en forme de secteurs identiques régulièrement répartis. 20 Selon un mode particulier de réalisation, les première et deuxième structures aimantées annulaires et chaque tranche de la troisième structure aimantée annulaire sont divisées en au moins douze éléments constitutifs en forme de secteursidentiques. Selon une caractéristique préférentielle, les première et 25 deuxième structures aimantées annulaires présentent dans le sens de l'axe longitudinal une épaisseur plus grande que celle de chaque tranche de la troisième structure aimantée annulaire. Afin de faciliter la réalisation, les parois cylindriques intérieure et extérieure des première, deuxième et troisième structures aimantées 30 annulaires peuvent présenter une section polygonale dans un plan perpendiculaire audit axe longitudinal. Selon un mode de réalisation particulier, tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires définissant une structure axisymétrique sont jointifs, ce qui 35 simplifie la réalisation en optimisant l'efficacité. Toutefois, bien que le dispositif selon l'invention permette un assemblage commode et précis, dans certains cas particuliers, il est également possible d'avoir un dispositif avec l'une au moins des structures aimantées annulaires qui comprend un ensemble d'éléments constitutifs identiques non jointifs régulièrement répartis. Dans ce dernier cas, on dispose d'une possibilité de réglage fin a posteriori en jouant sur le positionnement précis de certains des éléments constitutifs non jointifs. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) fabriquer des éléments constitutifs en forme de secteurs à partir d'un matériau magnétisable mais non aimanté, b) assembler lesdits éléments constitutifs en forme de secteurs pour former des première et deuxième structures annulaires non aimantées disposées de façon symétrique par rapport à un plan qui est perpendiculaire à un axe longitudinal et contient une zone d'intérêt centrale, et pour former une troisième structure annulaire non aimantée interposée entre les première et deuxième structures et également disposée de façon symétrique par rapport audit plan perpendiculaire à l'axe longitudinal et contenant la zone d'intérêt centrale, c) soumettre tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures annulaires non aimantées à l'action du champ magnétique d'un aimant auxiliaire extérieur jusqu'à saturation pour aimanter selon une même direction l'ensemble desdits éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures annulaires formant une structure axisymétrique de telle manière que le dispositif d'aimant permanent obtenu par le procédé soit apte à créer dans ladite zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène et intense formant un angle prédéterminé compris entre 0 et 90° par rapport audit axe longitudinal.

Avec un tel procédé, l'assemblage est rendu aisé et peut être très précis puisque celui-ci s'effectue sur des pièces non aimantées n'exerçant pas de forces entre elles, de sorte que des ajustements ultérieurs sont inutiles ou très réduits, et que la structure peut être réalisée de façon simplifiée, par exemple avec des pièces jointives. Par ailleurs, le choix d'une même orientation pour toutes les pièces élémentaires autorise bien une telle aimantation postérieurement à l'assemblage.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble en perspective d'un dispositif d'aimant permanent cylindrique selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'aimant permanent cylindrique selon l'invention à section polygonale, - la figure 3 est une vue de dessus montrant une forme possible de structure polygonale avec une division en secteurs de forme trapézoïdale, - la figure 4 est une représentation schématique de l'orientation de magnétisation des différents éléments constitutifs d'un exemple de dispositif d'aimant selon l'invention à champ induit longitudinal, et - la figure 5 est une représentation schématique de l'orientation de magnétisation des différents éléments constitutifs d'un autre exemple de dispositif d'aimant selon l'invention à champ induit orienté selon l'angle dit angle magique.

Description détaillée des modes de réalisation préférentiels

D'une façon générale, la présente invention concerne un mode d'assemblage de manière essentiellement axisymétrique des pièces aimantées afin de créer un champ magnétique homogène et intense au centre de la structure. Le champ induit au centre est à un angle avec l'axe de la structure. Cet angle peut être choisi arbitrairement entre 0 et 90 degrés par le choix approprié de l'orientation de l'aimantation des pièces de l'assemblage. Le champ obtenu peut être rendu arbitrairement homogène en choisissant le nombre et les dimensions des éléments en respectant certaines règles générales qui seront rappelées ci-dessous. Une telle structure est particulièrement intéressante pour la RMN et l'IRM. Si l'on considère la figure 1, on voit une structure aimantée axisymétrique qui est un assemblage de tranches cylindriques annulaires d'aimants permanents. Ces tranches annulaires sont alignées selon un même axe longitudinal z et sont symétriques par rapport à un plan P. Toutes les tranches sont aimantées selon la même direction, qui peut être l'axe longitudinal z de la structure ou une direction formant un angle par rapport à cet axe z. Le centre de la région d'intérêt où doit être créé un champ intense et homogène est situé à l'intersection de l'axe z et du plan P. La structure d'ensemble est cylindrique avec un trou central qui s'étend le long de l'axe z et permet d'accéder au centre de la région d'intérêt. De façon plus particulière, on voit sur la figure 1 un dispositif 100 comprenant des première et deuxième structures aimantées annulaires 111, 121 disposées de façon symétrique par rapport au plan P qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal z et contient la zone d'intérêt centrale, et une troisième structure aimantée annulaire 112, 122 interposée entre les structures 111 et 121 et également disposée de façon symétrique par rapport au plan P.

On obtient ainsi deux ensembles 110 et 120 symétriques par rapport au plan P. L'ensemble 110 comprend la structure 111 et la moitié 112 de la structure médiane 112, 122, tandis que l'ensemble 120 comprend la structure 121 et la moitié 122 de la structure médiane 112, 122. La symétrie par rapport au plan P permet d'annuler tous les termes impairs dans le développement en harmoniques sphériques solides réguliers de la composante BZ du champ magnétique produit au voisinage du centre de la zone d'intérêt. Comme on peut le voir sur la figure 2, l'ensemble des structures aimantées annulaires 111, 121, 112, 122 sont divisées en éléments constitutifs en forme de secteurs repérés par les numéros de référence 1 à 12 sur la figure 3. L'invention n'est toutefois pas limitée à un nombre de secteurs égal à 12 et ce nombre pourrait être différent de 12. Le nombre de douze secteurs par anneau constitue un mode de réalisation préférentiel avec un ordre d'homogénéité satisfaisant. Un nombre de secteurs inférieur, par exemple dix secteurs ou même moins, permet également des résultats utiles, mais avec une homogénéité légèrement dégradée. Si l'on souhaite améliorer encore plus l'homogénéité, on peut diviser les structures aimantées annulaires 111, 121, 112, 122 en plus de douze secteurs.

D'une manière générale, il est avantageux de réaliser chaque structure cylindrique annulaire sous la forme d'une structure polyédrique régulière comprenant un ensemble de N segments identiques. Chaque segment est ainsi un prisme droit de section trapézoïdale isocèle et son aimantation est parallèle à la hauteur du prisme ou formant un angle prédéterminé par rapport à cette hauteur. Chaque segment élémentaire en forme de secteur peut être ou non contigu par rapport aux segments voisins. La présente invention qui supprime ou réduit les ajustements après assemblage peut avantageusement être réalisée avec des segments 1 à 12 jointifs au sein d'une même couronne comme représenté sur la figure 3. La structure aimantée annulaire médiane 112, 122 est divisée en tranches 112A, 112B, 122A, 122B selon l'axe longitudinal z. Ces tranches sont d'une épaisseur plus réduite selon l'axe z que celle des structures 111 et 121.

Tous les éléments constitutifs des structures aimantées annulaires 111, 121, 112, 122 définissant une structure axisymétrique sont aimantés selon une même direction de manière à créer dans la zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène et intense formant un angle prédéterminé compris entre 0 et 90° par rapport à l'axe longitudinal z. On décrira brièvement ci-dessous quelques notions de base utiles à la compréhension de l'invention. Dans la plupart des cas, la région d'intérêt (RoI) est en dehors de la région des sources de champ magnétique et l'on peut définir un potentiel magnétique pseudo-scalaire tel que : B = ùôc* Ce potentiel vérifie l'équation de Laplace: = 0 Dans le cas qui nous intéresse, on peut représenter la région d'intérêt comme une sphère dont le centre sera appelé l'origine. L'équation de Laplace peut s'exprimer dans un système de coordonnées sphériques et l'on peut obtenir un développement unique du potentiel en harmoniques sphériques, centré sur l'origine. La solution générale pour le potentiel peut alors s'écrire :

* = 1 -(1+1) 1=0 m=ù1 où: Yb?, ( 0) _ 21+1 (1ùm)! en (cos exp(im0) 4,r (l+m)! On peut retenir que le potentiel existe seulement dans les zones vides de l'espace. On peut diviser l'espace en deux zones où le potentiel existe : à l'intérieur de la plus grande sphère centrée sur l'origine qui ne contient aucune source et à l'extérieur de la plus petite sphère centrée sur l'origine qui contient toutes les sources. Lorsque les sources sont situées à l'extérieur de cette sphère, on peut écrire le développement de la façon suivante : c*(Y,0,q5)= 1 Z0 +r" Zn PIl (cos 0) + (xli'cos(m0)+Y,:" sin(m0))P"(cos 0 / Io /1 11=1 /]l=1 Où les termes Zn sont appelés les termes axiaux et les termes X;;1 et Y: sont appelés les termes non-axiaux. A partir de cette équation, on peut conclure que pour obtenir un champ homogène, il faut trouver une distribution de la source qui crée un potentiel pour lequel le développement ne contient que le terme Zl (dès lors que le champ est la dérivée du potentiel et que le terme Zo pour le champ correspond au terme Z1 pour le potentiel). Ceci est impossible au sens strict, mais on peut supprimer autant de termes que nécessaire pour obtenir l'homogénéité désirée dans un rayon r donné puisque le champ / \n varie comme r où a est une constante caractéristique de la géométrie. \a) En conclusion, pour obtenir l'homogénéité souhaitée, il faut supprimer les (r \k+1 k+1 k premiers ordres jusqu'à ce que r soit suffisamment petit.

De cette équation on peut aussi déduire qu'une structure axisymétrique est avantageuse dans la mesure où elle supprime les termes non axiaux. Si l'on veut obtenir une homogénéité de l'ordre n, la symétrie de rotation en n garantit qu'aucun terme non axial n'existe avant l'ordre n. Une fois que les termes non axiaux ont été éliminés, il reste les termes axiaux. Une autre symétrie intéressante est la symétrie en miroir ou l'antisymétrie qui ne laisse que les termes axiaux pairs (ou impairs). Il est alors possible d'éliminer arbitrairement les ordres 2p en agençant p+1 sources indépendantes. Une optimisation non-linéaire est ainsi possible. Par ailleurs la solution trouvée est extensible. Le système peut être étendu de façon uniforme dans toutes les dimensions (de façon homothétique) et peut être rendu aussi grand que possible, les propriétés d'homogénéité n'étant pas affectées et l'amplitude du champ magnétique restant constante. On peut montrer que les propriétés d'homogénéité du champ généré par une structure calculée comme précédemment varient de manière parfaitement prédictible si l'aimantation de toutes les pièces est inclinée dans une direction donnée. On se rend compte que lorsque l'on part d'une structure symétrique permettant de supprimer les termes non-axiaux jusqu'à l'ordre n, la composante orthogonale de l'aimantation introduite par l'inclinaison engendre des termes non-axiaux à partir de l'ordre n-2. Par ailleurs, le champ résultant voit son module diminuer et sa direction s'incliner. Il existe des situations, notamment en RMN où il peut être utile d'avoir un champ magnétique à un angle avec l'axe de symétrie. Par exemple, les bobines spirales ne peuvent pas être utilisées aisément pour une orientation du champ pointant parallèlement à l'axe géométrique du cylindre. Avec l'inclinaison du champ, ce type de bobines devient utilisable. On peut relier l'inclinaison 02 du champ avec l'axe de symétrie à l'inclinaison 01 de l'aimantation avec l'axe de symétrie par les formules suivantes : sin9 = 2sinO2 ,cos 01ù cos B2 + 3sin2 e2 -\11+ 3sin2 8235 sin B2 = sin , cos02 =ù 2cosB, -\11+3cos2B, +3cos2

On peut ainsi déterminer aisément l'inclinaison de l'aimantation pour donner celle désirée au champ. Ceci peut se révéler particulièrement utile en RMN des matériaux anisotropes. L'inclinaison du champ, à l'angle magique (-54.7°), doublée de la rotation de l'aimant sur son axe permettrait d'améliorer la résolution de la même manière que la technique MAS. De plus, l'homogénéité peut toujours être atteinte de manière arbitraire. On peut se baser sur un modèle aimanté longitudinalement en prévoyant d'éliminer les termes non-axiaux jusqu'à l'ordre n+2 pour obtenir l'homogénéité à l'ordre n après inclinaison de l'aimantation. Ceci est avantageux dans la mesure où il n'est plus nécessaire de faire tourner l'échantillon et où cela permet d'analyser des sujets fragiles (par exemple vivants) ou volumineux avec une haute résolution. Les structures des modes de réalisation des figures 1 et 2 mettent en application ce qui précède. Les figures 4 et 5 montrent deux cas différents d'orientation du sens de l'aimantation M de tous les éléments constitutifs et du champ magnétique induit Bo résultant de ces structures qui génèrent dans tous les cas un champ homogène en leur centre. L'une (structure 130 de la figure 4) crée un champ Bo parallèle à son axe et l'autre (structure 140 de la figure 5) un champ Bo à l'angle magique avec l'axe. Ces deux structures 130, 140 diffèrent l'une de l'autre uniquement par la direction de l'aimantation M des pièces, conformément à ce qui a été présenté précédemment et peuvent toutes deux être réalisées par exemple sous la forme illustrée sur la figure 2, l'assemblage étant réalisé avant l'aimantation des divers éléments constitutifs. La géométrie admet un plan de symétrie P contenant le centre de la structure et orthogonal à l'axe z. L'axe z est l'axe de symétrie de la structure qui est composée de divers éléments coaxiaux de forme cylindrique percés en leur centre pour dégager l'accès au centre. Un schéma de base de la structure est visible en Figure 1. La position et les dimensions selon z des éléments permettent de contrôler l'homogénéité (suivant la méthode de suppression des termes axiaux). Par ailleurs, la symétrie plane permet de supprimer un terme axial sur deux dans le développement en harmoniques sphériques, ainsi si l'on veut atteindre une homogénéité à l'ordre 2p, il faut p+1 éléments (puisqu'il reste à supprimer p termes). Des éléments parfaitement cylindriques comme représenté sur la figure 1 peuvent être envisagés, mais ne sont pas forcément les plus adaptés pour la fabrication (imperfections géométriques, besoin de réglages après assemblage). On peut par contre approcher le cylindre par une forme polygonale admettant des secteurs. Comme mentionné plus haut, si l'on veut atteindre une homogénéité jusqu'à l'ordre 10 (premiers termes à l'ordre 10) lorsque le champ est incliné, il faut prévoir que la structure générant un champ non-incliné soit homogène à l'ordre 12. Pour cela, elle doit admettre une symétrie axiale d'ordre 12 pour s'assurer de l'absence des termes non-axiaux, ce qui implique un dodécagone. Par ailleurs, la suppression des termes axiaux nécessite 6 éléments pour atteindre l'ordre 12. La figure 2 présente une géométrie satisfaisant les diverses conditions pour l'homogénéité. La figure 4 montre la direction de l'aimantation M dans une structure 130 qui voit tous ses éléments aimantés le long de l'axe .

Selon un exemple particulier, on constate l'homogénéité à l'ordre 12 avec un champ Bo créé au centre qui est le long de l'axe et de 496 mT pour une rémanence de 1.3T. La figure 5 montre la direction d'aimantation des différentes pièces dans une seconde structure 140 qui présente une même géométrie, mais est aimantée à 109,47° de l'axe pour générer un champ Bo en son centre à l'angle magique avec l'axe (54,7°). Selon un exemple particulier, on constate la réduction de l'homogénéité par les termes non-axiaux à l'ordre 10 avec un champ résultant qui est à l'angle magique avec l'axe et de 221 mT.

Il est naturellement possible de faire varier l'angle thêtas entre le sens de l'aimantation M et l'axe z pour faire varier l'angle thêta2 entre le vecteur du champ Bo et l'axe z. Un avantage de ces structures est que leurs éléments sont tous aimantés dans la même direction. Aussi, en utilisant un aimant auxiliaire suffisamment grand et fort, c'est-à-dire créant un champ suffisant pour saturer l'ensemble des éléments de la structure selon l'invention, il est possible d'aimanter l'ensemble de la structure en une fois. Ceci permet d'effectuer l'assemblage avec des pièces non aimantées. Ceci simplifie grandement l'assemblage car on peut s'affranchir ainsi de toutes les forces liées au magnétisme des pièces, ces forces pouvant être extrêmement intenses si l'on assemble de grosses pièces. Les structures selon l'invention sont ainsi avantageusement, bien que non exclusivement fabriquées selon le procédé suivant : a) on fabrique des éléments constitutifs en forme de secteurs à partir d'un matériau magnétisable mais non aimanté, b) on assemble ces éléments constitutifs en forme de secteurs pour former des première et deuxième structures annulaires 111, 121 non aimantées disposées de façon symétrique par rapport à un plan P qui est perpendiculaire à un axe longitudinal z et contient une zone d'intérêt centrale, et pour former une troisième structure annulaire médiane 112, 122 non aimantée interposée entre les structures 111 et 121 et également disposée de façon symétrique par rapport au plan P, et c) on soumet tous les éléments constitutifs des diverses structures annulaires 111, 121, 112, 122 non aimantées à l'action du champ magnétique d'un aimant auxiliaire extérieur jusqu'à saturation pour aimanter selon une même direction l'ensemble des éléments constitutifs des diverses structures annulaires 111, 121, 112, 122 formant une structure axisymétrique, de telle manière que le dispositif d'aimant permanent obtenu par le procédé soit apte à créer dans ladite zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène et intense formant un angle prédéterminé compris entre 0 et 90° par rapport à l'axe longitudinal z.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'aimant permanent cylindrique induisant dans une zone d'intérêt centrale un champ magnétique homogène d'orientation prédéterminée par rapport à un axe longitudinal (z) du dispositif, comprenant des première et deuxième structures aimantées annulaires (111, 121) disposées de façon symétrique par rapport à un plan (P) qui est perpendiculaire audit axe longitudinal (z) et contient ladite zone d'intérêt centrale, et une troisième structure aimantée annulaire (112, 122) interposée entre les première et deuxième structures (111, 121) et également disposée de façon symétrique par rapport audit plan (P) perpendiculaire à l'axe longitudinal (z) et contenant la zone d'intérêt centrale, les première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) étant divisées en éléments constitutifs en forme de secteurs (1 à 12), caractérisé en ce que la troisième structure aimantée annulaire (112, 122) est divisée en au moins deux tranches (112A, 112B, 122A, 122B) selon l'axe longitudinal (z) et en ce que tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) définissant une structure axisymétrique sont aimantés selon une même direction de manière à créer dans ladite zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène et intense formant un angle prédéterminé compris entre 0 et 90° par rapport audit axe longitudinal (z).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit angle prédéterminé est nul et tous les éléments constitutifs en forme de secteurs sont aimantés selon ledit axe longitudinal (z).
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit angle prédéterminé est égal à l'angle magique de 54,7° et tous les éléments constitutifs en forme de secteurs sont aimantés selon une même direction inclinée de 109,47° par rapport audit axe longitudinal (z).
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la troisième structure aimantée annulaire (112, 122) est divisée en au moins quatre tranches (112A, 112B, 122A, 122B).
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les première et deuxième structures aimantées annulaires (111, 121) et chaque tranche de la troisième structure 17aimantée annulaire (112A, 112B, 122A, 122B) sont divisées chacune en une pluralité d'éléments constitutifs en forme de secteurs identiques régulièrement répartis.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les première et deuxième structures aimantées annulaires (111, 121) et chaque tranche de la troisième structure aimantée annulaire (112A, 112B, 122A, 122B) sont divisées en au moins douze éléments constitutifs en forme de secteurs identiques.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les première et deuxième structures aimantées annulaires (111, 121) présentent dans le sens de l'axe longitudinal (z) une épaisseur plus grande que celle de chaque tranche de la troisième structure aimantée annulaire (112A, 112B, 122A, 122B).
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les parois cylindriques intérieure et extérieure des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) présentent une section polygonale dans un plan perpendiculaire audit axe longitudinal (z).
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 20 caractérisé en ce que tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) définissant une structure axisymétrique sont jointifs.
10. 10. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes 25 suivantes : a) fabriquer des éléments constitutifs en forme de secteurs (1 à 12) à partir d'un matériau magnétisable mais non aimanté, b) assembler lesdits éléments constitutifs en forme de secteurs (1 à 12) pour former des première et deuxième structures annulaires (111, 121) 30 non aimantées disposées de façon symétrique par rapport à un plan (P) qui est perpendiculaire à un axe longitudinal (z) et contient une zone d'intérêt centrale, et pour former une troisième structure annulaire (112, 122) non aimantée interposée entre les première et deuxième structures (111, 121) et également disposée de façon symétrique par rapport audit 35 plan (P) perpendiculaire à l'axe longitudinal (z) et contenant la zone d'intérêt centrale,c) soumettre tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures annulaires (111, 121, 112, 122) non aimantées à l'action du champ magnétique d'un aimant auxiliaire extérieur jusqu'à saturation pour aimanter selon une même direction l'ensemble desdits éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures annulaires (111, 121, 112, 122) formant une structure axisymétrique de telle manière que le dispositif d'aimant permanent obtenu par le procédé soit apte à créer dans ladite zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène et intense formant un angle prédéterminé compris entre 0 et 90° par rapport audit axe longitudinal (z).