Brevet FR2053201A1 — publié le 19710416

""a présente invention se rapporte en général à la résonance gyromagnétique et plus particulièrement à un appareil pour la production de signaux "d'écho d'échange"0 Les signaux "d'écho d'échange" sont des signaux d'écho 5 récemment découverts apparentés au phénomène d'écho spin. Dans les dispositifs d'écho spin, des impulsions HP successives, séparées par un intervalle déterminé, sont introduites dans une cavité de résonance dans laouelle est située une prise d'écho spin, disposée entre un champ magnétique statique unidirectionnel pour établir 10 un état d'éciuilibre thermique. Quand un premier champ ou impulsion HF d'une fréquence égale à la fréauence caractéristique ou de Larmor de la prise est appliqué perpendiculairement au champ magnétique, il est appliqué au moment un couple qui l'incline hors de la direction du champ, -L'angle d'inclinaison, c'est-à 25 magnétique et tourne autour de la direction de ce dernier. La force du champ rotatif se développe jusqu'à un maximum puis s'affaiblit, ce qui est alors'recueilli et détecté sous la forme d'une impulsion électrique appelée signal d'écho spin. Les dispositifs d'écho spin à induction nucléaire puisée 30 sont bien connus des spécialistes en ce domaine. On peut en trouver un exemple dans le brevet Etats-Unis 2 887 673 au nom de E. L. Hahn. Un autre développement de la technique réside dans les dis» positifs d'écho spin électroniques dont un exemple est décrit dans le brevet Etats-Unis 3 129 1+10 au nom de P.P.Sorokin. La 35 différence existant entre les dispositifs spin électroniques et nucléaires réside dans la différence des fréquences de fonctionnement rencontrées. Cette différence est attribuée à la plus 70 27600 2 2053201 .petite masse de l'électron par rapport au proton du noyau. Les fréquences de précession ou de Larmor des électrons se situent donc dans la gamme d'hyperfréquences. Cependant, un autre dévelop-pement réside dans une récente découverte d'un signal d'écho 5 spin à champ zéro relaté le 31 mars 1Ç68, par D.E. Kaplan, dans un rapport final du Lockheed Research Laboratory sur la Convention N° 251+1(00). Ce rapport indique qu'un signal d'écho spin électronique fut observé à un champ zéro dans les conditions suivantes : La matière d'écho spin éiait du CaFp chargé de 0,1 à 0',S% de 3 + 10 CeJ . Les largeurs de raies observées étaient d'environ 20 MHz et les temps de mémoire de phase de 1 microseconde. L'invention réside dans un dispositif "d'écho d'échange" comprenant une première et une seconde impulsions micro-onde HF séparées par un intervalle déterminé, et des moyens pour produire 15 au moins la ,secQDde impulsion micro-onde HF : une ligne de trans- d^oncle. > misâon guide/étant couplée à cette première et cette seconde impulsions ; dispositif qui utilise une prise "d'écho d'échange" constituée d'une matière de base à forte charge présentant des 20 centres de défaut paramagné tique de l'ordre de 1 x 10 centres 20 de défaut/cm.3, prise située dans cette ligne de transmission guide d'onde, et répondant à ces première et seconde impulsions micro-onde HF ; cette prise d'écho d'échange produisant un signal "d'écho d'échange" à la réception de ces première et seconde impulsions. 25 Plus particulièrement, on utilise une matière de base très fortement chargée ayant une concentration de centres de 20 défaut paramagnétique de l'ordre de 1 x 10 centres de défaut cm3 dans une matière telle que le rutile chargé de fer situé dans une ligne de transmission d'hyperfréquences. Le dispositif 30 fonctionne à des températures cryogènes dans la région de 1+° K, de telle sorte que l'application d'une paire d'impulsions d'hy-perfréquence séparées par un intervalle déterminé, en l'absence de tout champ magnétique extérieur, fasse produire un "écho d'échange", par la prise, au bout*-cl'un temps égal à l'intervalle séparant 3? les deux impulsions ^appliquées. L'invention envisage également un dispositif comprenant des moyens pour recevoir une impulsion d'hyperfréouenc.e. extérieurement produite qui est couplée â la COPY ""x 70 27600 3 2053201 susdite matière fortement chargée, ainsi que des moyens pour produire intérieurement une seconde impulsion d'hyperfrénuence ou de rappel après une temporisation déterminée, laouelle est appliquée à la prise pour produire un 'ëcho d'échange", pour amplifier con-5 venablement et transmettre l'écho d'échange en retour à la source de la première impulsion d'hyperfréquence. La figure 1 est un schéma simplifié d'une première forme de réalisation de l'appareil pour la mise en oeuvre de l'invention, et 10 La figure 2 est un schéma simplifié d'une seconde forme de réalisation d'un appareil pour la mise en oeuvre de l'invention« En référence au dessin sur lequel les mêmes chiffres désignent les parties ixdentiques, on attirera l'attention sur la figure 1 qui représente une forme de réalisation de l'invention. 15 La référence 10 désigne une source d'hyperfréquences constituée par un klys^èn CW à bande X fonctionnant dans la gamme, par exemple de 9-10 GHz „ La source d'hyperfréouences 10 est couplée â un interrupteur à diode commandée HP 12 au moyen d'un circuit de signal hyperf séquence comprenant l'atténuateur 1/4. d ' établissement 20 de niveau. L'interrupteur t diode HP 12 est commandé par un circuit pûlseur double 16 qui a pour fonction de produire une paire de portes séparées par un temps déterminé T afin de produira/La sortie de la diode 12 une paire dTimpulsions d'hyperfréquence correspondant à l'impulsion initiale P^ et s l'impulsion de rap-25 pel Pp d'un dispositif d'écho spin„ Les impulsions P^ et P^ sont couplées à un circulateur 18 au moyen d'un circuit■guide~d'onde comprenant un second atténuateur 20 d'établissement de niveau, de telle sorte que les impulsions et P^ ■so/'i-ent transférées à une ligne de transmission guide d'onde 22 comprenant un dispo-30 sitif d'accord 2i+ à cruseur à vis. La ligne de transmission guide d'onde 22 se termine dans un cryostat 26 constitué par un vase de Dewar qui renferme une matière cryogène telle que l'hélium liquide pour fonctionnement s température extrêmement basse, par x»"» exemple ij.° K. Le guide d'onde 22 immergé dans l'hélium liquide 35 du cryostat 26 renfermé une matière â diélectrique élevé qui constitue une prise d'écho 28 fortement chargée. matière de prise est de préférence le rutile fortement chargé de fër produisant COPV 70 27600 k 2053201 des centres de défaut paramâgnétique, ayant une concentration de 19 21 l'ordre de 1 x 10 à 1 x 10 centres de défaut par cm3. Lorsqu'on le désire, on peut utiliser d'autres matières à diélectrique élevé fortement chargés ,. telles que le titanate de strontium 5 et le titanate de baryum chargés de fer, ainsi que le rutile chargés de chrome. Lorsqu'on utilise ces matières, aucune cavité n'est requise du fait des résonances de cavité du diélectrique, établies dans la matière elle-même. Ces modes de cavités permettent un très fort couplage entre le signal d'hyperfréauence et les 10 centres de défaut. En cas d'utilisation dfune matière à diélectri» que faible, telle que le tungstate de zinc, du degré ci-dessus de concentration de charge, une cavité hyperfréquence auxiliaire 30 est couplée au guide d'onde 22, et la prise d'écho 2b est placée dans cette dernière. Ceci est nécessaire en raison du 15 couplage relativement mauvais entre l'énergie hyperfréquence et les centres de défaut dans le cas d'une matière de base mauvais diélectrique. Par suite, lorsqu'on utilise une matière bon diélectrique fortement chargée, aucune cavité n'est requise, mais dans le cas d'une matière mauvais diélectrique, la cavité auxi-20 liaire 30 devient nécessaire. Quand les impulsions P^ et P^ sont couplées â la prise 28 fortement chargée, qui se trouve à une température de l'ordre de l+° K, en l'absence de tout champ magnétique, il se produit un signal d'écho qui est couplé en retour le long du guide d'onde 25 22 par l'intermédiaire du circulateur 18, à un guide d'onde de. branche de sortie comprenant un ondemètre 32, et à un amplifica» teur de bas niveau constitué par un tube à progression d'onde 3k-« Le signal "d'écho d'échange" est amplifié et appliqué au mélangeur équilibré 36 qui reçoit un signal d'oscillateur local de l'oscil- 30 lateur 38 au moyen du circuit guide d'onde comprenant un atténua»» teur variable 1+0. La sortie du mélangeur 36 consiste en un signal IF des deux impulsions hyperfréquences P^ et P utilisées pour produire le signal "d'écho d'échange" en plus du signal d'écho P , lui-même. Ce signal IP est couplé à un amplificateur IP ex ectio 3$ 1+2 qui le fait ensuite passer à un second détecteur I4J4., lequel produit un signal de sortie vidéo des induisions en question, signal que l'on peut observer sur un indicateur 1+6 qui peut être, 70 27600 2053201 par exemple, un oscilloscope. Un conducteur du double pulseur 16 est couplé à l'indicateur 1+6 pour fournir un signal "de synchro-nisation"pour l'observation de tout signal, ou de la totalité de ceux-ci. 5 Pour un centre particulier de défaut dans une "uatière de base particulière, il est possible d'avoir une division du champ zéro des spins électroniques si la division de champ zéro correspond exactement au signal de fonctionnement du dispositif. Toutefois, un tel dispositif présente une bande étroite par 10 inhérence (de l'ordre de 0,1$ de largeur de bande), en raison de la largeur de raie caractéristique des centres de défaut para»» magnétique. Dans la présente invention, l'effet est dû à une série de raies qui apparaissent du fait des ions de transition du groupe fer qui sont influencés par d'autres ions de fer situés 15 proches les uns des autres et couplés par interaction d'échange En d'autres termes, il se produit un grand nombre ie raies qui ne sont pas observables d'ordinaire avec des matières moins dopées. Par suite de cette concentration, ces signaux d'écho nouvellement découverts ont été désignés par les termes "échos d'échange". Les 20 raies d'absorption de résonance magnétique résultant de ces interactions d'échange ne s'expliquent pas complètement, toutefois, en général, on sait que, lorsque ces effets prévalent, ils peuvent donner naissance à un très grand nombre de raies qui peuvent se situer si proches les uns des autres qu'elles peuvent se superposer, 25 de sorte qu'il en résulte une large raie d'absorption. C'est-à-dire que l'on fait usage des raies qui sont apparentes en raison du dopage, et puisque la concentration de dopage est très forte, il en résulte une large raie composite d'absorption. Dans une prise constituée de rut?le chargé de fer située 30 dans une section de guide d'onde de bande X s I4-0 K, un signal "d'écho d'échange" fut produit en l'absence de tout champ magnétique, comprenant le champ magnétique terrestre entre 9 et 10 GHz, sans variation apparente d'amplitude en fonction de la fréquence. Puisque les effets d'échange produisent un grand nombre de raies, 35 il est tout-à-fait possible que l'effet puisse être observable sur la totalité de la bande X ainsi que sur d'autres fréauences. En raison de la faculté de large bande du signal "d'écho d'échange" 70 27600 2053201 de champ zéro produit selon la présente invention, il s'en développe logiquement une seconde forme de réalisation qui peut prendre la forme d'un répéteur d'impulsions d'hyperfréauences0 maintenant On attirera/l'attention sur la figure 2 qui représente 5 un dispositif d'antenne 50 constitué d'une antenne en cuvette pour hyperfréquence^ destinée à recevoir une impulsion d'entrée P^ d'une source extérieure non représentée. L'énergie d'hyperfréquence d'entrée est couplée à un dispositif émetteur-récepteur $2 couramment appelé "Boîte TR" au moyen d'un guide d'onde 51+. La sortie 10 du dispositif 52 est couplée â un amplificateur HF56 dont la sortie est couplée au moyen d'un circuit guide d'onde 58 à un cir-culateur 60. Un coupleur de guide d'onde 62 couple une partie du signal P. du circuit guide d'onde 58 à un circuit temporisateur 61+ au moyen d'un circuit guide d'onde comprenant un atténuateur 15 variable 66. La sortie temporisée du circuit de temporisation 61+ est couplée à un générateur d'impulsions 68 qui attaque une souree puisée HF 70 pour produire une seconde impulsion, ou impulsion de • rappel, L'impulsion de rappel P^ est alors couplée en retour au circuit guide d'onde 58 au moyen d'un second coupleur 72 d'hy-20 perfréquences. L'entrée du circulateur 60 est alors constituée d'une paire d'impulsions d'hyperfréquence qui sont ensuite couplées dans une ligne de transmission guide d'onde 7l+ qui se termine immergée dans un cryostat 76 renfermant une matière cryogène telle que l'hélium, liquide. Le guide d'onde 71+ immergé dans l'hélium 25" liquide renferme une prise 28 "d'écho d'échange" selon l'exposé ci-dessuso Cette prise, qui est de préférence très fortement chargée de fer, produit un signal "d'écho d'échange" en l'absence de champ magnétique, signal qui est couplé en retour dans le guide d'onde 7i+ et dans le circulateur 60. Ce circulateur 60 transmet 30 le signal d'écho à un amplificateur HP 78 qui est ensuite couplé en retour au dispositif TR 52. Ce dispositif 52 applique alors le signal "d'écho d'échange" en retour à l'antenne 50 qui fait rayonner le signal en retour à la source de l'impulsion Pi reçue. Puisque l'écho d'échange de champ zéro est une très 35 large bande, il est possible que la riême prise 28 reçoive et transmette ensuite de nombreuses impulsions à différentes fréquences dans la largeur de bande générale- Il est donc possible de capter 70 27600 ? 2053201 un certain nombre de générateurs externes différents d'hyperfréquences utilisant des frécuences entièrement différentes, et que le dispositif réponde à chacune de ces fréquence et les retrais-mette^ ' à leurs/réquences respectives. 5 Les signaux "d'écho d'échange" se comportent pratique ment comme le signal courant d'écho spin qui a fait l'objet de longuea études. Il est possible de faire varier la temporisation entre l'impulsion initiale et le signal d'écho en modifiant le temps entre 1'impulsion initiale et celle de rappel. En outre, 10 il est possible non seulement de produire les deux échos d'impulsions que l'on vient de décrire qui sont en synchronisme de phase avec l'impulsion d'entrée initiale, mais il est également possible de produire trois signaux d'écho d'impulsions ou échos "stimulés" qui ne sont pas en synchronisme de phase mais qui conservent 15 la forme d'impulsion et le synchronisme interne avec l'impulsion initiale. Cette dernière forme de signal d'écho a l'avantage de pouvoir être observée avec des retards supérieurs au temps de relaxation de réseau spin de la prise, qui peut être de l'ordre de millisecondes ou même de secondes selon la matière utilisée. Dans 20 le rutile chargé au fer, par exemple, on peut produire un "écho d'échange" stimulé ayant une temporisation d'environ une milliseconde . Bien que l'on ait décrit et représenté ce qui est actuellement considéré coimne la forme préférée de réalisation de 25 l'invention, on peut apporter â celle-ci des modifications qui se présenteront facilement à l'esprit des spécialistes. Par exemple, la forme de réalisation représentée â la figure 2 peut être conçue de telle sorte qu'une pré-impulsion initiale â 90° soit appliquée au dispositif,préalablement à la réception de 1'inçmlsion P^ d'en-30 trée. Au moment de l'application d'une seconde impulsion de rappel à 90° intérieurement produite, on observera un "écho d'échange" stimulé au bout d'un temps égal à l'intervalle compris entre la pré-impulsion et l'impulsion reçue, et entre l'impulsion reçue et l'impulsion de rappel. Cet écho aura la forme de l'impulsion 35 reçue et ne sera pas inversé comme c'est le cas du dispositif commun d'écho à deux impulsions. En amplifiant convenablement et en transmettant "l'écho d'échange" stimulé en retour à la source de 0 27600 8 2053201 l'impulsion P^s il est possible de produire une fausse information concernant la présence de la forme de réalisation objet de l'invention,, 70 27600 9 2053201 REVENDICATIONS 1. Dispositif "d^écho d1échange" comprenant une première et une seconde impulsions micro-onde HP séparées par un intervalle déterminé, et des moyens pour produire au moins la seconde imoul- 5 sion micro-onde HP ; une ligne de transmission guide dtnde couplée à ces première et seconde impulsions HP ; dispositif utilisant une prise "d'écho d'échange" constituée d'une matière de base fortement chargée présentant des centres de défaut paramagnétique de 20 l'ordre de 1 x 10 centres de défaut/cm.3, située dans cette ligne 10 de transmission guide d'onde, et répondant à ces première et seconde impulsions micro-onde HF ; cette prise d'écho d'échange pro4»-duisant un signal "d'écho d'échange" à la réception de ces première et seconde impulsions. 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le 15 fait que la ligne de transmission guide d'onde comprend en outre une cavité hyperfréquence enfermant cette prise. 3. Dispositif selon revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les centres de défaut paramagnétique consistent en ions métalliques de transition du groupe fer, 20 i+. Dispositif selon revendication 3, caractérisé par le fait que la prise consiste en tungstate de zinc chargé de fer. 5. 'dispositif selon l'une des revendications 1 à ij., caractérisé par le fait que la prise est chargée de ions métalliques de transition du groupe du fer. 25 6. Dispositif selon revendication 5» caractérisé par le fait que la matière est constituée de rutile chargé de fer. 7. Dispositif selon revendication caractérisé par le fait que cette matière est constituée de rutile chargé de chrome. 30 80 Dispositif selon revendication 5, caractérisé par le fait que cette matière est constituée de titanate de strontium chargé de fer. 9. Dispositif selcn revendication S, caractérisé par le fait que cette matière est constituée de titanate de baryum 35 chargé de fer0 10. Dispositif selon l'une des précédentes revendications, caractérisé par le fait que l'agencement est pourvu d'un 70 27600 10 2053201 dispositif entourant cette prise d'écho d'échange pour en réduire la température à une valeur cryogène déterminée. 11. Dispositif selon revendication 10, caractérisé par le fait que la température cryogène se situe dans la région de 5 i|° Ko 12o Dispositif selon revendication 11, caractérisé par le fait que le dispositif entourant la prise "d'écho d'échange consiste en un cryostat. 13. Dispositif selon revendication 12^ caractérisé par 10 le fait que le cryostat comprend en outre de l'hélium liquide.