Brevet FR2104786A1 — publié le 19720421

La présente invention a trait à un magnétomètre qui se distingue par une grande précision dans une large gamme d'applications. On sait qu'il est possible de mesurer avec une très grande précision des champs magnétiques sur la base du pompage optique. 5 Par rayonnement dans une vapeur atomique -de préférence sont appropriées à cette fin les vapeurs d'hélium et de métaux alcalins de lumière résonante polarisée, des niveaux de Zeeman des états atomiques se trouvent différemment occupés. Le degré d'excitation se manifeste par une variation de la transmission de la lu-10 mière par la vapeur. Par irradiation des fréquences de résonance de Zeeman qui sont fonction du champ magnétique, cette variation de transmission de la lumière disparaît par suite de la réoccupa--tion uniforme des états de Zeeman qui résulte de cette irradiation. La mesure de ces fréquences de résonance permet de déterminer 15 le champ magnétique avec une précision extraordinaire. Ce principe est ainsi semblable à la résonance protonique connue. Il a toutefois sur celle-ci l'avantage qu'il s'agit d'une résonance paramagnétique dont la fréquence est plus grande du facteur 100, pour une largeur de lignes comparables. En outre, l'amplitude du 20 signal est indépendante de la grandeur du champ magnétique. Pour ces deux raisons le pompage optique se prête donc particulièrement également à la mesure de précision de faibles champs magnétiques. Les magnétomètres connus jusqu'à présent reposant sur le principe du pompage optique ne se prêtaient pas aux travaux de 25 laboratoire et de mesure en général. Ils servaient essentiellement à la mesure de champs magnétiques étendus, par exemple du champ terrestre. Le but de la présente invention est de supprimer les inconvénients exposés ci-dessus, donc de créer un magnéto-mètre reposant sur le principe du pompage optique et permettant 30 de mesurer des champs magnétiques même dans un espace restreint, par exemple à l'intérieur de bobines ou entre des pièces polaires magnétiques, ce magnétomètre satisfaisant ainsi aux exigences posées par la plupart des mesures de champ magnétique aux fins de laboratoire et d'essais. Pour parvenir à ce but, l'invention 35 prévoit essentiellement que le prisme, le polariseur, la cellule, le filtre, la cellule photo-électrique et le chauffage sont réunis au moyen d'un support pour constituer une sonde de faible 71 27163 2 2104786 encombrement qui est reliée à une source de rayonnement par l'intermédiaire d'un photoconducteur mobile. Le volume actif de la sonde est de l'ordre de 0,1 cm3; ainsi même les champs magnétiques relativement inhomogènes peuvent être mesurés. En tant que 5 photoconducteur mobile il est fait usage d'un photoconducteur souple en fibre de verre qui peut être posé comme un câble ordinaire. Le diamètre de ce photoconducteur en fibre de verre est, selon le diamètre de la cellule, d'environ 5 mm, sa longueur d'environ 3 mètres. 10 Le domaine de champ du dispositif selon l'invention s'é tend de 1 milligauss jusqu'au domaine des kilogauss (testé jusqu'à 1,2 KG); il est donc considérablement plus grand que celui de la résonance protonique (limite inférieure avec les instruments usuels : environ 1 gauss). La précision de mesure est située au-15 tour de 10 microgauss; elle peut être encore accrue par des moyens appropriés. Suivant une forme d'exécution particulière, le dispositif selon l'invention peut également être utilisé pour la régulation de champs magnétiques. Cette régulation est rendue possible par réaction du signal de résonance sur l'appareil d'alimentation 20 qui engendre le champ magnétique. Par cette disposition la valeur du champ magnétique est réglée automatiquement en fonction de la fréquence prescrite. La réaction peut être effectuée de façon connue en soi par voie électronique. D'autres possibilités d'application de l'objet de l'in-25 vention sont la détection sans contact de courants électriques jusqu'à des valeurs d'un ordre de grandeur aussi bas que 100 micro-ampères (pour des fils rectilignes; pour des bobines, moins, selon le nombre d'enroulements); la détection des plus petites perturbations de matière d'ordre magnétique, même dans des matériaux non 30 ferromagnétiques, tels par èxemple les aciers spéciaux; la découverte d'objets en fer dans le sol ou autres environnements, par la perturbation du champ magnétique terrestre. L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide d'un exemple d'exécution représenté au dessin. 35 Le dispositif comporte l'émetteur à lampe 1, le chauffage de lampe 2, la sonde thermo-électrique 3, la bobine 4, la lampe 5 et le filtre d'interférence 6. Le rayonnement émis par la source 71 27163 3 2104786 constituée par ces éléments est conduit à la sonde par le photoconducteur souple. La sonde est située dans le champ magnétique à mesurer, engendré par exemple par les pièces polaires 8 d'un aimant. Elle comporte le prisme 9 avec la feuille d'aluminium 10 5 pour dévier de 90° la trajectoire du rayonnement. Dans cette trajectoire se trouvent aussi le polariseur 11, un disque quart-de-lambda 12 et la cellule 14 équipée du chauffage coaxial 13. Cette cellule est remplie de vapeur de même composition chimique que la source de lumière, et ses parois intérieures sont revêtues 10 d'une couche de paraffine. Si donc on utilise une source de lumière à l'hélium, la cellule sera remplie d'hélixM, tandis qu'elle sera remplie de .vapeur de rubidium si la source de lumière est au rubidium. La cellule 14 est entourée par la bobine de couplage à haute fréquence 15. Le rayonnement issu de la cellule 14 parvient 15 à la cellule photo-électrique 17 par le filtre 16. La sonde comporte en outre le palpeur de température 18 et l'impédance d'adaptation 19. Toutes les parties de la sonde se trouvent dans un boîtier 20 ayant un écran au cuivre 21. Trois câbles coaxiaux 22 conduisent, par l'intermédiaire d'un amplificateur 23, à l'ap-20 pareil indicateur 24, à un générateur à haute fréquence 25 et à un émetteur de chauffage 26. Le mode de 'fonctionnement du dispositif selon l'invention est expliqué ci-après pour l'exemple particulier d'une sonde au rubidium. 25 Le rayonnement émis par la source de rayonnement dont la longueur d'onde est située dans l'infrarouge et va vers le domaine du visible, parvient par le photoconducteur souple 7 et le prisme 9 au polariseur 11, 12 qui polarise le rayonnement circu-lairement à droite. L'irradiation de la vapeur atomique située 30 dans la cellule 14 par la lumière circulairement polarisée conduit à une occupation différente des niveaux de Zeeman des états atomiques, ce qui se manifeste par une variation de la transmission de la lumière par la vapeur. Par la bobine de couplage à haute fréquence 15 un rayonnement électromagnétique dans la gamme des 35 hautes fréquences est envoyé dans la cellule 14 située dçms le champ magnétique. La fréquence du générateur à haute fréquence 25 est modifiée, et le degré d'excitation, ici sous forme du degré de transmission, est mesuré à l'aide de la cellule photo 71 27163 4 2104786 électrique 17 et de 11 amplificateur 23 en fonction de la haute fréquence rayonnée. A une fréquence dépendant de l'intensité du champ JBagnétique (environ 0,7 MHz par gauss dans le cas du ribi-dltun), il se produit une résonance qui, dans le cas le plus simple 5 est indiquée par une oscillation de l'instrument 24. A partir de la fréquence de résonance ainsi mesurée on peut, au moyen de formules connues, déterminer l'intensité du champ magnétique. Le dispositif selon l'invention est simple à utiliser et ne requiert de son utilisateur aucune formation préalable. La con-10 version des unités de fréquence en unités de champ magnétique peut être effectuée au moyen de tables. 71 27163 5 2104786 REVENDICATIONS 1. Magnétomètre reposant sur le principe du pompage optique, comportant une cellule contenant une vapeur atomique, une source da lumière, des moyens d'amenée à la cellule de la lumière émise 5 par la source de lumière, des moyens d'excitation, par un signal HP, de la vapeur contenue dans la cellule, et des moyens de mesure du degré d'excitation de la cellule, ce magnétomètre étant remarquable en ce que la cellule, les moyens d'excitation de la vapeur contenue dans cette dernière, par un signal HF, et les 10 moyens de mesure du degré d'excitation sont réunis dans une sonde, et en ce que la source de lumière est reliée à cette sonde par l'intermédiaire d'un photoconducteur mobile. 2. Magnétomètre selon la revendication 1, remarquable en ce que le volume actif de la sonde est inférieur à ljcm3• 15 3• Magnétomètre selon la revendication 2, remarquable en ce que le valume actif de la sonde est inférieur à 0,1 cm3. 4. Magnétomètre selon la revendication 1, remarquable en ce que dans la sonde sont disposés d'une part entre l'extrémité du photoconducteur et la cellule un élément optique qui dirige sur la 20 cellule le rayon issu du photoconducteur, d'autre part, dans la trajectoire du rayon lumineux, un polariseur et une plaquette quart-de-lambda. 5. Magnétomètre selon la revendication 1, remarquable en ce que la cellule est entourée par un chauffage et une bobine HP. 25 6• Magnétomètre selon la revendication 1, remarquable en ce que les moyens de mesure du degré d'excitation comprennent un filtre et un élément photo-électrique, tous deux disposés du côté de la cellule par lequel le rayon lumineux amené par le photoconducteur et ayant traversé la cellule sort de cette dernière. 30 7. Dispositif de régulation d'un champ magnétique comprenant un magnétomètre selon la revendication 1, remarquable en ce que dans le champ magnétique est disposée la sonde à laquelle est relié un système électronique de régulation qui, du signal de résonance fourni par les moyens de mesure du degré d'excitation, dérive un 35 signal de réglage pour le champ magnétique.