WO2011023910A1 - Dispositif d'aimant permanent cylindrique a champ magnetique induit d'orientation predeterminee et procede de fabrication - Google Patents

Dispositif d'aimant permanent cylindrique a champ magnetique induit d'orientation predeterminee et procede de fabrication Download PDF

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WO2011023910A1
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structures
annular
longitudinal axis
constituent elements
magnetized
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PCT/FR2010/051781
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Dimitrios Sakellariou
Cédric HUGON
Guy Aubert
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the subject of the present invention is a cylindrical permanent magnet device inducing, in a zone of central interest, a homogeneous magnetic field of predetermined orientation with respect to a longitudinal axis of the device, the device comprising first and second annular magnetized structures arranged with symmetrically with respect to a plane which is perpendicular to said longitudinal axis and contains said central area of interest, and a third annular magnetic structure interposed between the first and second structures and also arranged symmetrically with respect to said plane, the first, second and second and third annular magnetized structures being each divided into a plurality of constituent elements in the form of uniformly distributed regular sectors.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a permanent magnet device.
  • the overall shape for these magnetized structures is generally the cylinder, where the structure adopts at least one axial symmetry. This makes it possible to overcome many inhomogeneity factors.
  • the zone of interest is then in the center of the cylinder and access to this zone can be done along the axis by clearing a hole in the cylinder, or else by the side separating the cylinder in two.
  • said second predetermined angle ⁇ 2 is equal to the magical angle of 54.7 ° and all the sector-shaped constituent elements are magnetized in the same inclined direction of 109.47 ° with respect to said axis. longitudinal.
  • the first and second annular magnetized structures and each slice of the third annular magnetized structure are divided into at least twelve constituent elements in the form of identical sectors.
  • the inner and outer cylindrical walls of the first, second and third annular magnetized structures may have a polygonal section in a plane perpendicular to said longitudinal axis.
  • all the constituent elements of the first, second and third annular magnetic structures are contiguous, which simplifies the implementation by optimizing the efficiency.
  • the device according to the invention allows a convenient and precise assembly, in some particular cases, it is also possible to have a device with at least one annular magnetized structure which comprises a set of identical constituent elements. non-joined regularly distributed. In the latter case, there is a possibility of fine adjustment a posteriori playing on the precise positioning of some of the non-contiguous constituent elements.
  • FIG. 1 is a schematic overall perspective view of a cylindrical permanent magnet device according to
  • the present invention relates to a method of assembling the magnetized parts to create a homogeneous and intense magnetic field in the center of the structure.
  • the induced field in the center is at an angle to the axis of the structure. This angle can be chosen arbitrarily between 0 and 90 degrees by the appropriate choice of the orientation of the magnetization of the parts of the assembly.
  • the obtained field can be rendered arbitrarily homogeneous by choosing the number and the dimensions of the elements by respecting certain general rules which will be recalled below.
  • Such a structure is particularly interesting for NMR and I 1 MRI.
  • All of the constituent elements of the annular magnetized structures 111, 121, 112, 122 defining an axisymmetrical or quasi-axisymmetric structure are magnetized in the same direction so as to create in the central zone of interest a homogeneous and intense induced magnetic field forming an angle predetermined between 0 and 90 ° with respect to the longitudinal axis z.
  • the geometry admits a plane of symmetry P containing the center of the structure and orthogonal to the z axis.
  • the axis z is the axis of symmetry of the structure which is composed of various cylindrical coaxial elements drilled in their center to clear access to the center.
  • a basic diagram of the structure is visible in Figure i.
  • the position and the dimensions according to z of the elements make it possible to control the homogeneity (according to the method of suppression of the axial terms).
  • the plane symmetry makes it possible to eliminate one axial term out of two in the development in spherical harmonics, so if one wants to reach a homogeneity with the order 2p, one needs p + 1 elements (since it remains to be removed p terms).
  • Figure 4 shows the direction of the magnetization M in a structure 130 which sees all its magnetized elements along the axis.
  • FIG. 5 shows the direction of magnetization of the different parts in a second structure 140 which has the same geometry, but is magnetized at 109.47 ° of the axis to generate a field Bo at its center at the magic angle with the axis (54.7 °).
  • An advantage of these structures is that their elements are all magnetized in the same direction. Also, by using a sufficiently large and strong auxiliary magnet, that is to say creating a sufficient field to saturate all the elements of the structure according to the invention, it is possible to magnetize the entire structure In one time. This makes it possible to assemble with non-magnetized parts. This greatly simplifies the assembly because one can thus get rid of all the forces related to the magnetism of the parts, these forces being able to be extremely intense if one assembles large parts.
  • a) sector-shaped constituent elements are made from a magnetizable but non-magnetized material

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Abstract

Le 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, comprend des première et deuxième structures aimantées annulaires (111, 121) disposées de façon symétrique par rapport à un 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 première et deuxième structures (111, 121) et également disposée de façon symétrique par rapport au plan (P) de symétrie. Les première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) sont divisées en éléments constitutifs en forme de secteurs. La troisième structure aimantée annulaire (112, 122) est divisée en au moins deux tranches (112A, 112B, 122A, 122B) selon l'axe longitudinal (z) et tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) 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 par rapport à l'axe longitudinal (z). L'assemblage des pièces du dispositif peut avoir lieu avant l'aimantation de l'ensemble.

Description

Dispositif d'aimant permanent cylindrique à champ magnétique induit d'orientation prédéterminée et procédé de fabrication
Domaine de [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, les première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires étant divisées chacune en une pluralité d'éléments constitutifs en forme de secteurs identiques régulièrement répartis.
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° 440 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 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'inhomogénéîté. 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 I1IRM où un corps humain doit rentrer dans l'appareil), ce qui implique une énorme quantité de matériau (plusieurs tonnes), soit très intenses (c'est Ie 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 Ia 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 radîalement. 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 Ia méthode proposée par Bloch (brevet US-A-2 960 649), cette fois en faisant tourner le champ et non l'échantillon.
Heninger et al ont proposé en 2006 une structure pour générer un champ longitudinal dans Ie 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 IT. 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 matériel", Nuclear Instruments and Methods, v, 169, p. 1-10, 1980).a proposé des structures cylindriques permettant de créer n'importe quel multipole avec une homogénéité parfaite, mais seulement pour un aimant théorique infiniment long. Le multipole 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 Ie rayon intérieur (ceci est limité par la coercivité du matériau utilisé). La structure de Hafbach 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 al. 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 axîsymétrique. 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. II a par Ia 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 fleld NMR/MRI magnet for in vivo monitoring of tissue", IEEE Transactions on Applied Superconducttvity, 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, XZ. Hu and D.N. Rommereïm, "High resolution 1H NMR spectroscopy in organs and tissues using slow magie angle spinning", Magnetic Résonance 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 IHz 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 Ie rapport Beιectroaimant / BHaibach 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 RNN "légère" ou de la RMN-IRM à champ tournant
D'une manière générale, la présente invention vise à permettre de réaliser une structure aimantée 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 (z) du dispositif, comprenant des première et deuxième structures aimantées annulaires 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 interposée entre les première et deuxième structures et également disposée de façon symétrique par rapport audit plan (P), les première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires étant divisées chacune en une pluralité d'éléments constitutifs en forme de secteurs identiques régulièrement répartis, caractérisé en ce que la troisième structure aimantée annulaire est divisée en au moins deux tranches selon l'axe longitudinal (z) et en ce que tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires formant un premier angle prédéterminé θi par rapport audit axe longitudinal (z) sont aimantés selon une même direction de manière à créer dans ladite zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène formant un deuxième angle prédéterminé Θ2 par rapport audit axe longitudinal (z).
Selon un mode particulier de réalisation, ledit deuxième angle prédéterminé Θ2 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 deuxième angle prédéterminé Θ2 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 aimantée annulaire est divisée en au moins quatre tranches.
Selon l'invention, le premier angle prédéterminé θi et le deuxième angle prédéterminé Θ2 sont déterminés par les formules suivantes : smé?, =
l+ 3sin26>2 -yl + 3skr <92 s
Figure imgf000009_0001
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 secteurs identiques.
Selon une caractéristique préférentielle, les première et deuxième structures aimantées annulaires présentent dans le sens de l'axe longitudinal une épaisseur plus grande que celte 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 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 sont jointifs, ce qui 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 Ie positionnement précis de certains des éléments constitutifs non jointifs.
L'invention concerne également un dispositif dans lequel les parois cylindriques intérieure et extérieure des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires présentent une section circulaire dans un plan perpendiculaire audit axe longitudinal (z) de manière à définir une structure axisymétrique.
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 identiques 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 formant un premier angle prédéterminé O1 par rapport audit axe longitudinal (z) l'ensemble desdits éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures annulaires 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 formant un deuxième angle prédéterminé Θ2 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 tes 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 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 I1IRM.
Si l'on considère la figure 1, on voit une structure aimantée axïsymétrique 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 Ie voir sur Ia 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 Ia 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 tes éléments constitutifs des structures aimantées annulaires 111, 121, 112, 122 définissant une structure axisymétrique ou quasi-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 :
Ce potentiel vérifie l'équation de Laplace:
ΔΦ* = 0
Dans le cas qui nous intéresse, on peut représenter Ia région d'intérêt comme une sphère dont Ie 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 Ie potentiel peut alors s'écrire :
Figure imgf000014_0001
On peut retenir que Ie potentiel existe seulement dans les zones vides de l'espace. On peut diviser l'espace en deux zones où Ie potentiel existe ; à l'intérieur de la plus grande sphère centrée sur l'origine qui ne contient aucune source et à l'extérieur de Ia 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 Ia façon suivante ;
Figure imgf000014_0002
Où les termes Zn sont appelés les termes axiaux et les termes X'" et Fn" 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 Ia source qui crée un potentiel pour lequel le développement ne contient que Ie terme Z1 (dès lors que Ie champ est Ia dérivée du potentiel et que Ie terme Zo pour le champ correspond au terme Zi pour Ie 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 Ie champ varie comme ( - Y où a est une constante caractéristique de la géométrie.
KaJ
En conclusion, pour obtenir l'homogénéité souhaitée, il faut supprimer les k premiers ordres jusqu'à ce que - soit suffisamment petit.
KaJ
De cette équation on peut aussi déduire qu'une structure axisymétrique est avantageuse dans Ia mesure où elle supprime les termes non axiaux. Si l'on veut obtenir une homogénéité de l'ordre n, Ia 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 Ia 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, Ia 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 Θ2 du champ avec l'axe de symétrie à l'inclinaison θi de l'aimantation avec l'axe de symétrie par les formules suivantes ; sm , q =
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0002
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 B§ 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 Ia 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 Ia forme illustrée sur Ia figure 2, l'assemblage étant réalisé avant l'aimantation des divers éléments constitutifs. La géométrie admet un plan de symétrie P contenant Ie centre de Ia structure et orthogonal à l'axe z. L'axe z est l'axe de symétrie de Ia 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 Ia structure est visible en Figure i. La position et les dimensions selon z des éléments permettent de contrôler l'homogénéité (suivant Ia méthode de suppression des termes axiaux). Par ailleurs, Ia symétrie plane permet de supprimer un terme axial sur deux dans Ie 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 Ia 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 Ia direction de l'aimantation M dans une structure 130 qui voit tous ses éléments aimantés Ie long de l'axe .
Selon un exemple particulier, on constate l'homogénéité à l'ordre 12 avec un champ B0 créé au centre qui est Ie long de l'axe et de 496 mT pour une rémanence de 1.3T.
La figure 5 montre Ia 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 θi entre le sens de l'aimantation M et l'axe z pour faire varier l'angle Θ2 entre le vecteur du champ B§ 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 formant un premier angle prédéterminé θi par rapport à l'axe longitudinal z l'ensemble des éléments constitutifs des diverses structures annulaires 111, 121, 112, 122, 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 deuxième angle prédéterminé Θ2 compris entre 0 et 90° par rapport à l'axe longitudinal z.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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), les première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) étant divisées chacune en une pluralité d'éléments constitutifs en forme de secteurs identiques régulièrement répartis (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) sont aimantés selon une même direction formant un premier angle prédéterminé θi par rapport audit axe longitudinal (z) de manière à créer dans ladite zone d'intérêt centrale un champ magnétique induit homogène formant un deuxième angle prédéterminé Θ2 par rapport audit axe longitudinal (z).
2, Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième angle prédéterminé Θ2 est nul et tous les éléments constitutifs en forme de secteurs sont aimantés selon ledit axe longitudinal (z).
3. Dispositif selon Ia revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième angle prédéterminé Θ2 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, 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. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier angle prédéterminé θi et ledit deuxième angle prédéterminé Θ2 sont déterminés par les formules suivantes :
Figure imgf000020_0001
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 (112Â, 112B, 122Â, 122B) sont divisées en au moins douze éléments constitutifs en forme de secteurs identiques.
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. 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. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que tous les éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures aimantées annulaires (111, 121, 112, 122) sont jointifs.
10, Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et 9, 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 circulaire dans un plan perpendiculaire audit axe longitudinal (z) de manière à définir une structure axisymétrique.
11. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes ;
a) fabriquer des éléments constitutifs en forme de secteurs identiques (l 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) 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 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 formant un premier angle prédéterminé θi par rapport audit axe longitudinal (z) l'ensemble desdits éléments constitutifs des première, deuxième et troisième structures annulaires (111, 121, 112, 122) 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 formant un deuxième angle prédéterminé Θ2 par rapport audit axe longitudinal (z).
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