Brevet FR2112288A1 — publié le 19720616

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de stabilisation d'un champ magnétique engendré par des bobines, dans lesquelles la tension perturbatrice, créée aux bornes des bobines par une variation de champ ou de flux, est utilisée pour géné-5 rer, dans des moyens électroniques qui représentent une résistance négative, une tension de même valeur absolue mais de polarité opposée de façon que la tension résultante aux bornes de l'inductance des bobines soit nulle. Cet état est maintenu grâce au fait qu'un courant de correction est engendré dans les bobines, et génère à 10 son tour un champ de correction d'une valeur telle que la variation de champ ou de flux est compensée et annulée. Le dispositif suivant l'invention comprend des moyens électroniques incorporés au circuit de court-circuitage des bobines d'excitation et qui représentent une tension négative égale à la résistance interne de ces bobines. Dans 15 le dispositif suivant l'invention, les bobines d'excitation assurent elles-mêmes la détection et la correction des fluctuations de champ ou de flux, ce qui rend superflue l'utilisation à cet effet de bobines de détection et/ou de correction supplémentaires. Le système de correction autonome décrit peut être combiné avec d'autres procédés de 20 stabilisation tels que, par exemple, des procédés assurant une stabilisation au moyen d'une résonance magnétique nucléaire. Les procédés et dispositifs de stabilisation de champs magnétiques engendrés par des bobines connus jusqu'à présent utilisent généralement des moyens séparés pour la détection de variations de 25 champ ou de flux, c'est-à-dire des moyens indépendants de la ou des bobines d'excitation tels que, par exemple, des bobines de détection séparées, des résistances sensibles au champ magnétique ou des têtes de mesure de résonance magnétique nucléaire. Le signal d'erreur généré par ces moyens engendre à son- tour, après un traitement approprié, 30 u*1 signal de correction. Ce signal, qui est destiné à compenser 1' écart de champ ou de flux, mesuré, est généralement appliqué à des bobines de correction séparées; il est, toutefois, connu d'utiliser comme bobine de correction, la ou les bobines d'excitation elles-mêmes. 35 Par contre, il n'a pas été proposé jusqu'à présent d'utili ser la ou les bobines d'excitation, non seulement comme bobines de correction, r.ais encore et en même temps comme bobines détectrices. 71 10952 2112288 le procédé de stabilisation d'un, champ magnétique engendré par une ou plusieurs bobines suivant l'invention utilise la ou les bobines d'excitation, à la fois comme bobines détectrices et comme bobines de correction et, à cet effet, la tension perturbatrice créée aux 5 bornes de la ou des bobines d'excitation génératrices de champ, par des variations de champ ou de flux involontaires, engendre un courant de correction dans des moyens électroniques prévus dans le circuit de court-circuitage de la ou des bobines, tandis que les moyens électroniques précités représentent une résistance négative dimen-10 sionnée de telle manière que la tension résultante aux bornes de l1 inductance des bcbines soit compensée et annulée et que, par conséquent, les variations de champ ou de flux soient également compensées. le dispositif de stabilisation d'un champ magnétique engendré par une ou plusieurs bobines ne comporte, en plus de la ou des 15 bobines d'excitation, aucun élément de détection de champ magnétique supplémentaire, ni aucune bobine de correction de champ magnétique adr ditionnelle, mais comprend, dans le circuit de court-circuitage de la ou des bobines d'excitation des moyens électroniques qui représentent une résistance négative, dont la valeur absolue est égale à celle de 20 la ou des résistances internes de la ou des bobines d'excitation. L'invention part du principe suivant : si une bobine parfaite sans pertes, c1 est-à-dire par exemple une bobine supraconductrice, est court-circuitée dans un champ à stabiliser, les phénomènes suivants se produisent : toute variation de champ induit dans la bobine 25 une tension qui génère, à son tour, dans la bobine, un courant additionnel. Ce courant passe dans un sens tel que le champ engendré par lui agit à 1'encontre de la variation de champ initiale. Etant donné que, dans une bobine sans pertes, une variation de champ aussi faible qu'on le désire peut engendrer un courant aussi intense qu'on 30 le désire, la variation de champ résultante (formée par la superposition de la variation de champ proprement dite et du champ antagoniste de la bobine) reste suffisamment faible pour être négligeable. Avec des bobines court-circuitées imparfaites, la résistance interne IL de chaque bobine limite l'intensité du courant induit. 35 Pour pouvoir représenter mathématiquement d'une manière simple les résultats qu'on obtient avec une telle bobine, et pour mieux faire com- • prendre les principes de base de l'invention, on a prévu sur les dessins joints trois schémas représentant, respectivement : 15 71 10952 2112288 Sur la figure 1, le flux magnétique et les tensions et courants induits dans une bobine court-circuitée d'une résistance interne IL £ 0. Sur la figure 2, la génération d'une résistance négative 5 (-IL)) en série avec la résistance de perte (R-^) d'une bobine, par utilisation d'une réaction positive, et sur la figure 3, le flux magnétique et les tensions et courants induits dans une bobine avec le dispositif suivant l'invention en vue de la compensation des pertes dans cette bobine. 10 En réponse à une perturbation déterminée du flux to tal 0 dans la bobine court-circuitée, il se produit une variation A 0-fcQ-j; flux total 0 qui, comme on peut le voir sur la figure 1, résulte de la superposition du flux antagoniste 0-^ et du flux perturbateur 0g^- 0n peut déduire du schéma de la figure 1 l'équation 0tot = „ ,VT • «U M R1 + 3 C0 Lx où R-^ désigne la résistance interne, le nombre de spires et L-^, l'inductance de la bobine, i^ le courant passant dans le circuit de court-circuitage de la bobine et IL la tension induite aux bornes de la bobine de champ. Cette équation signifie que la variation de flux totale A0^o^. induite par une perturbation de flux 0g^_ est d'autant plus faible que le facteur R-^/(R^+j &)L-^) est plus petit. Si R-^ pouvait être annulé par un procédé quelconque, les fluctuations de champ résultantes seraient également annulées par compensation et le champ serait stabilisé. Le procédé suivant l'invention utilise une résistance négative pour réaliser de telles conditions. Cette résistance négative -R2 doit être incorporée au circuit de court-circuitage de la bobine. La résistance de perte totale de la bobine a donc pour valeur R^ - R£ et l'équation (l) est modifiée comme suit : 0 = _A : Hz 0 (2) ?t0t (h.B2) + ]Uh ^ On voit immédiatement que la variation de flux totale À0tot s'annule lorsque la résistance négative R^ devient égale à la résistance interne Ri . La formule /R^ /R-^/ est donc caractéristique pour uxi dispositif ""suivant l'invention. 20 25 30 35 10 71 10952 2112288 La création d'une résistance négative dans le circuit de court-circuitage de la bobine peut être réalisée par exemple à l'aide d'une réaction positive. Le schéma de la figure 2 contient, outre les grandeurs déjà décrites R^, R^, i^ et IL la tension •-■= ^'^"l représente la tension réinjectée dans la bobine de champ. R£ est une résistance normale qui, par suite de sa position dans le circuit de commutation, se comporte comme une résistance négative -R2 : il = (XI, + U2> . gi-= (ïï. + R^) . gL- = U± . ^ (3) Par ailleurs, pour pouvoir incorporer la résistance négative au circuit de court-circuitage, il est nécessaire de disposer de moyens électroniques se trouvant eux-mêmes dans ce circuit de court-circuitage et qui, inévitablement, introduisent dans celui-ci une résistance extérieure additionnelle R, . Tout au moins, il est néces- 1"5 saire de prévoir un amplificateur à réaction, de façon que les résistance d'entrée et de sortie de ce moyen électronique, ainsi que d'autres résistances de transfert parasites, se combinent avec R^. Le schéma de la figure 3 représente la/6ombinaison de la bobine court-circuitée de la figure 1 avec l'amplificateur à réaction de la figure 2 : On a maintenant, en négligeant provisoirement la nouvelle grandeur i ; ^ (Rj + R^ — R2) A ^tot - (R^ + R^ - R2) + jCOL1 0 ^st ^ On voit immédiatement d'après cette équation que R2 doit maintenant être choisi égal à R^ + R^, pour que la condition de compensation soit remplie. R^ est , comme précédemment, la résistance interne de la bobine, mais la résistance négative ajoutée, par contre, n'est plus -R2J mais bien R^-R2« Ainsi, comme précédemment décrit, la résistance négative est égale à la résistance interne de la bobine. Comme la bobine considérée doit -maintenant jouer également le rôle de bobine d'excitation, il y a lieu de prévoir des moyens permettant la génération du champ, ou sa modification volontaire, en dépit de l'effet de compensation de la résistance négative. A cet effet, on peut injecter un courant i dans le circuit de court-circuitage, comme représenté sur la figure 3- Le flux magnétique résultant total 0, , devient alors :. tôt 20 .25 30 35 10 71 im h2 .^2112288 13 2 2 IiL 0 # 0 _ i (5) tot (R1+R3-R2)+ jcoi^ m (R1+R3-R2)+ iuJ^ Pour une compensation totale des variations du champ, c'est-à-dire pour R^ + R^ = R^, l'équation (5) se réduit à : 0 = -i . 3 - (6) 'tôt ^ juIJi ou, en représentation sous l'aspect temps : R 0+ + (t) = - —zr i dt *xot v m c'est-à-dire que le flux total 0^^ peut être commandé ou par exemple modulé de façon univoque, également à l'état stabilisé, le flux évaluant comme l'intégrale du courant de commande i . 15 ni L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de réalisation. Sur ces dessins : La figure 4 représente, à titre d'exemple, une bobine 1 à l'intérieur de laquelle le champ doit être stabilisé, ce qui est obtenu à l'aide des moyens électroniques suivant l'invention 2 qui sont incorporés au circuit de court-circuitage de ladite bobine et qui représentent une résistance négative. La figure 5 représente une paire de bobines de Helmholz 1,1 dont le champ doit être stabilisé. La figure 6 représente une paire de bobines 1,1 d'un élec-tro-aimant à noyau ferromagnétique 4,4, dans, cet exemple, le champ entre les pièces polaires du noyau doit être stabilisé. La figure 7 représente une forme d'exécution comportant une bobine de champ 1 mise à la masse et des amplificateurs à entrée symétrique. La figure 8 représente une forme d'exécution comportant une 35 bobine de champ 1 non mise à la masse et des amplificateurs à entrées asymétriques, et la figure 9 représente une formejd'exécution dans laquelle un second dispositif de stabilisation est combiné avec le dispositif suivant 1'invent i on. 20 25 71 10952 2112288 Une première forme d'exécution du dispositif suivant l'invention est représentée sur la figure 4. La "bobine 1 engendre par exemple un champ magnétique interne qui doit être stabilisé. Dans le circuit de court-circviitage de la bobine 1 sont montés des moyens électroniques 2 qui représentent une résistance négative dont la valeur absolue est égale à celle de la résistance interne de la bobine 1 générant le champ. Cet exemple d'exécution est caractérisé par le fait qu'aucun moyen de détection de champ magnétique ni aucune bobine de correction de champ magnétique ne sont prévus en plus de la bobine d'excitation. Une seconde forme d'exécution est représentée sur la figure 5- Dans cette variante, c'est, par exemple, le champ d'une paire de bobines de Helmholz 1,1, qui doit être stabilisé, c'est-à-dire maintenu constant. Dans cet exemple, les bobines sont montées en parallèle. Dans le circuit de court-circuitage des bobines 1,1 montées en parallèle, sont branchés suivant l'invention les moyens électroniques 2. Pour alimenter les bobines, un appareil d'alimentation 3 produit un. courant qui est appliqué au circuit de court-circuitage des bobines. Ce courant peut également être utilisé pour moduler 1' intensité du champ magnétique, par exemple suivant une courbe de modulation sinusoïdale ou en dents de scie, si l'appareil d'alimentation est équipé de tels modulateurs de courant. La figure 6 représente un autre exemple d'exécution. Dans cette variante, deux ou plus de deux bobines l/l, par exemple montées en série, constituent les bobines d'excitation d'un électro-aimant qui comporte un noyau magnétique 4, le champ entre les pièces polaires de ce noyau magnétique devant être maintenu constant. A cet effet, comme dans les exemples précédents, on incorpore des moyens électroniques 2 au circuit de court-circuitage. L'alimentation de 1'électroaimant est assurée, dans cette variante, par un appareil d'alimentation 3 dont le courant est transmis au circuit de court-circuitage par l'intermédiaire des moyens électroniques. Cet exemple d'exécution est caractérisé par le fait que le champ magnétique précité est engendré par des bobines à noyau de fer. La figure 7 représente un schéma de câblage plus détaillé d'un autre exemple d'exécution. Dans cette variante, la bobine 1 symbolise toutes ]es autres bobines génératrices de champ pré cède Wox/u mentionnées. La bobine 1 peut être symbolisée comme indiqué sur le schéma équivalent de la figure 7a, par une inductance L-^ et une ré- 71 10952 7 2112288 sistance interne R^. Dans le circuit de court-circuitage représenté en trait rerforcé sur la figure 7, on a monté comme moyens électroniques, un amplificateur opérationnel 5 et une résistance R^. Dans le circuit de l'amplificateur opérationnel 5 est prévue une réaction 5 positive assurée par une résistance fixe R^ et une résistance variable Rg qui forment ensemble un diviseur de tension, l'ensemble du montage électronique représente une résistance négative. Entre les points P et E règne une tension -R^.i^, i^ étant le courant présent dans le circuit de court-circuitage de la bobine 1. la chute de ten-10 sion dans R^ est donc -x.(R^.i-^), x étant une fraction de l'unité, dont la valeur peut être choisie au moyen du diviseur de tension réglable Rpj, Rg. Gomme la tension d'entrée appliquée entre les deux bornes + et - de l'amplificateur opérationnel est suffisamment faible pour être négligeable, (propriété inhérente aux amplificateurs opéra-15 tionnels), la tension régnant entre le point E et la masse ne comprend pratiquement que la composante aux bornes de la résistance R^, c'est-à-dire qu'elle est égale à -x.(R^.i^). L'impédance entre le point E et la masse,vue vers l'amplificateur opérationnel, est par définition égale au quotient de la tension d'entrée (-xR^i^) par le 20 courant d'entrée (i^) e^> Par conséquent, égale à -xR^. Ceci démontre que les moyens électroniqiies représentent une résistance négative, qui est incorporée au circuit de court-circuitage de la bobine, et qui est obtenue au moyen d'une réaction positive d'un amplificateur. La condition de compensation est remplie lorsque R^ - xR^ = 0, dest-à-25 dire lorsque la valeur absolue de la résistance négative /-xR^/ est égale à celle de la résistance interne /R-^/. L'application du courant du générateur ou courant de modulation i au circuit de court-° m circuitage est également représentée sur la figure 7- Dans le cas où l'on ne dispose que d'amplificateurs opé-30 rationnels mûris d'entrées mises à la masse d'un seul côté, il faut en prévoir au moins deux pour réaliser une résistance négative. Un exemple d'exécution correspondant est représenté sur la figure 8. Dans cette variante, les amplificateurs opérationnels 6 et 7 sont incorporés au circuit de court-circuitage de la bobine 1 représenté en 35 trait plein. Entre les points E et A, apparaît, vue vers les amplificateurs opérationnels, une résistance négative .dont la valeur est donnée par le rapport .entre la tension régnant entre ces deux points (-xR^i^ et le courant d'entrée (i^ et, par conséquent, est égale à 71 10952 2112288 -xR^. La résistance Rg représente la résistance de sortie de l'amplificateur opérationnel 7 et celui-ci réduit la résistance négative effective à -xR. + R0. La condition de compensation est diaintenant t R. 4 o -L - xR^ + Rg = 0. Cet exemple esi/caractérisé par le fait que plusieurs 5 amplificateurs dont les entrées sont mises à la masse d'un seul côté sont compris dans les moyens électroniques. Comme dans toute méthode de stabilisation, il existe également, dans le procédé suivant l'invention, une constante de teiips qui limite son efficacité à une gamme de fréquence déterminée de si-10 gnaux de perturbation. Il est donc désirable, ici comme dans les autres procédés de stabilisation, de combiner plusieurs procédés. Il suffit, à cet effet, d'injecter le signal de perturbation d'un autre procédé sous la forme d'un signal de courant différencié, au même point que le courant d'excitation i . Bien entendu, il y a lieu de 15 teni^compte, dans ce cas, des lois connues de la superposition de plusieurs circuits de régulation,en particulier en ce qui concerne la réponse en fonction de la fréquence. Une forme d'exécution d'une telle stabilisation combinée est représentée sur la figure 9. Les bobines 1 alimentent -un électro-20 aiment comportant un noyau et des pièces polaires indiqués dans, leur ensemble en 4. L'alimentation 3 et la stabilisation 2 s'effectuent de la manière précédemment décrite» Dans le champ entre les pièces polaires, se trouve une tête de mesure de résonance magnétique nucléaire 8, dont la sortie alimente un dispositif de mesure comportant un 25 émetteur 9. Dans ce dispositif de mesure est généré un signal de perturbation qui provient d'un écart de la fréquence d'émission de la tête de résonance nucléaire 8 par rapport à la fréquence de résonance de la substance utilisée dans le champ magnétique donné. Ce signal de perturbation est alors appliqué sous la forme d'un courant de pertur-30 bation au circuit de court-circuitage des bobines 1 et assure ainsi une correction du champ» Cet exemple est caractérisé par le fait qh'. un signal de courant de perturbation provenant d'un autre dispositif de stabilisation et, de préférence, d'un dispositif de stabilisation de champ à résonance nucléaire est injecté dans le circuit de court-35 cuicuitage de la bobine. Le grand avantage technique du procédé et du dispositif suivant l'invention réside dans le fait que la suppression d'clé^.xts de & 71 10,952 2112288 détection et/ou "bobines de correction supplémentaires permet une réduction d1 encombrement appréciable ainsi qu'un abaissement considérable du prix de revient. 71 10952 REVENDICATIONS 1.- Procédé de stabilisation d'un champ magnétique engendré par une ou plusieurs bobines, caractérisé en ce que la tension 5 perturbatrice créée par des variations de champ ou de flux involontaires, aux bornes de la ou des bobines génératrices du champ, engendre, dans des moyens électroniques incorporés au circuit de court-circuitage de la ou desdites bobines, un courant de correction, en ce que lesdits moyens électroniques représentent une résistance négative et en ce que cette résistance négative est di-mensionnée de telle manière que la tension résultante aux bornes de la ou des bobines génératrices du champ soit compensée et ramenée à une valeur sensiblement nulle, de sorte que les variations de champ ou de flux précitées sont également compensées, au moins 15 à peu près complètement, par le champ antagoniste généré par ledit courant de correction. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance négative précitée est réalisée au moyen d'une réaction positivé, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs amplificateurs. 20 3.- Dispositif de stabilisation d'un champ magnétique engen dré par une ou plusieurs bobines, caractérisé en ce que des moyens électroniques représentant une résistance négative sont incorporés au circuit de court-circuitage de la ou desdites bobines et en ce que la valeur absolue de ladite résistance négative est égale ou 25 sensiblement égale à celle(s) de la ou des résistances internes de la ou des bobines engendrant ledit champ. 4.- Dispositif suivant la revendication 3,' caractérisé en ce que les moyens électroniques représentant une résistance négative comprennent un ou plusieurs amplificateurs, auquel ou auxquels 30 est appliquée une réaction positive. 5.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'aucun moyen de détection de champ magnétique, ni aucune bobine de correction de champ magnétique ne sont prévus en plus de la bobine d'excitationt 35 6.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'en vue de 1a. génération du champ magnétique et/ou d'une muauxa-tion du champ en fonction du temps, un courant engendré par un appareil d'alimentation est injecté dans le circuit de court-circuitage 71 10952 ii 2112288 précité. 7.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit champ magnétique est engendré par des bobines à noyau de fer. 5 8.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'un signal de courant de correction, qui provient d'un autre dispositif de stabilisation de champ, agissant sur le même champ magnétique est injecté dans lecircuit de court-circuitage de la ou des bobines précitées. 10 Dispositif suivant l'une des revendications 3 et 8, caractérisé en ce que ledit autre dispositif de stabilisation de champ fonctionne d'après le principe de la résonance magnétique nucléaire. i I