Brevet FR2147148A1 — publié le 19730309

La présente invention concerne un magnétomètre à résonance nucléaire avec une sonde, qui est disposée dans le champ magnétique à mesurer et contient un échantillon, comportant des noyaux atomiques détermines et entouré par la bobine d'un oscillateur HF, et avec une bobine de modulation du champ qui, au point de mesure, superpose un faible champ modulateur au champ magnétique à mesurer. La résonance nucléaire magnétique est utilisée dans de tels magnétomètres pour ramener la mesure du champ magnétique à une mesure de fré quence. Le système de mesure est constitué par exemple par un échantillon contenant des protons, tel qu eau ou glycérine. Les protons contenus dans le liquide effectuent dans un champ magnétique un mouvement de précession dont la fréquence est directement proportionnelle au champ magnétique. Pour déceler cette fréquence de précession, un champ magnétique alternatif de haute fréquence est produit dans une bobine entourant l'échantillon, perpendiculairement au champ à mesurer. La bobine fait partie d'un circuit oscillant. De l'énergie est prélevée dans le circuit HF (absorption) quand la fréquence du champ HF est égale à celle de précession (résonance nucléaire). Le prélèvement d'énergie réduit le facteur de surtension du circuit oscillant, dont l'amplitude diminue par suite. Afin de trower facilement le point d'absorption, une bobine de modulation superpose un faible champ alternatif au champ magnétique à mesurer, de sorte que le signal d'absorption module la tension HF en amplitude, à une fréquence de l'oscillateur correspondant au champ magnétique fixe. Un signal de résonance est obtenu lors du passage à la résonance par variation croissante ou décroissante. Les signaux de résonance nucléaire sont équidistants quand la fréquence de l'oscillateur HF et la fréquence de précession des noyaux cotncident. Cette équidis- tance est utilisée comme critère de l'équilibrage à la résonance. Le dépouillement s'effectue soit sur l'écran d'un tube cathodique, soit à l'aide d'un redresseur sensible à la phase, en vue de la régulation automatique de la fréquence de l'oscillateur.La fréquence d'oscillateur correspondant à l'équilibrage à la résonance est déterminée par un fréquencemètre compteur (Zeitschrift fUr Instrumentenkunde 74, 1966, n" I, pages 12 à 19). Dans les magnétomètres connus, un champ modulateur sinusoEdal (50 Hz) est superposé au champ magnétique à mesurer. Il en résulte que la vitesse de variation du champ dH n'est pas constante. Fonction de dt l'amplitude de modulation, elle est maximale lors du passage de la dH modulation par zéro. dt varie aussi quand l'amplitude du champ modula teur est réduite. Lorsque le signal de résonance nucléaire apparait au moment du passage de la modulation par zéro, il présente une largeur déterminée sur l'échelle des temps (écran du tube cathodique).En cas de variation de l'intensité du champ de résonance, ajustée par l'intermédiaire de la fréquence du magnétomètre, le signal de résonance nu cléaire apparat sur la partie du flanc croissant ou décroissant du chars sinusoidal, différant du passage par zéro, de sorte que le séjour dans le domaine de résonance est beaucoup plus long et qu'on obtient un signal de résonance nucléaire plus large. Un séjour plus long dans le domaine de résonance entraîne toutefois d'autres conditions de saturation. L'amplitude du signal de résonance nucléaire diminue en effet pour une saturation plus élevée. L'amplitude du signal de résonance nucléaire est par suite fonction aussi de l'amplitude du champ modulateur. L'invention a pour objet un magnétomètre à résonance nucléaire, avec une modulation du champ magnétique telle que le signal de résonance nucléaire apparaît avec une largeur constante sur toute l'échelle des temps et une amplitude constante, indépendante des variations de l'amplitude de modulation. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le courant circulant dans la bobine de modulation est triangulaire. D'-autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et du dessin annexé sur lequel la figure 1 représente le schéma de principe du magnétomètre selon l'invertion et la figure 2 représente le diagramme des signaux du magnétomètre selon l'invention. La partie HF et BF du magnétomètre selon figure 1 est réalisée de façon connue. Une sonde 1 est: prévue pour la mesure de l'absorption à la résonance, avec un oscillateur haute fréquence 2, fonctionnant au voisinage du point d'al.iorçage des oscillations. L'oscillation HF modulée en ampli tude est appliquée à un démodulateur 3, dont la tension de sortie attaque un amplificateur BF 4. La tension du signal amplifiée est appli quée aux plaques de mesure du tube image 5 d'un poste de visualisation graphique 6. Le champ magnétique à mesurer est produit par un électroaimant 7, comportant une alimentation 8. Une bobine de modulation 9, généralement réunie à la sonde 1, est prévue pour la modulation du champ magnétique au point de mesure. La partie précédemment décrite du magnétomètre est connue. Selon la caractéristique essentielle de l'invention, la bobine de modulation 9 est parcourue par un courant modulateur IM0D triangulaire, comme le montre la figure 2. Un générateur de signal de référence 10 est prévu pour la production de ce courant triangulaire, à flancs croissant et décroissant de même durée; il délivre une tension en dents de scie UO, symétrique par rapport au zéro et dont la fréquence est double de celle du courant modulateur iOD (figure 2). Le générateur de signal de référence 10 peut être constitué par un intégrateur connu.La fréquence de ce générateur est variable entre 50 et 500 Hz par exemple En aval de ce générateur se trouve un déclencheur du signal de référence 11, qui délivre un train d'impulsions UTRO à partir des points d'inversion (retour) de la tension en dents de scie UO. Ce train d'impulsions attaque un diviseur 12 (bascule), qui délivre une tension de commande rectangulaire UFFM (figure 2) à une fréquence moitié. Cette tension de commande est appliquée à un intégrateur du courant modulateur 13, qui délivre le courant modulateur triangulaire IM0D (figure 2). Ce courant modulateur est envoyé dans la bobine de modulation 9. L'intégrateur 13 est réalisé dH de façon que dt soit ajustable à volonté. La tension en dents de scie UO du générateur de signal de réfe- rence 10 attaque en outre un déclencheur au passage par zéro 14. Ce déclencheur commute la tension en dents de scie UO du générateur de signal de référence 10 à un potentiel de sortie positif après un passage par zéro positif et à un potentiel de sortie négatif après un passage par zéro négatif (UTRp sur la figure 2). Le signal de sortie UTRp de ce déclencheur attaque un diviseur 15 (bascule), qui délivre une tension rectangulaire UFFp (figure 2) de fréquence moitié et décalée d'environ 90" par rapport au courant modulateur iOD. Cette tension rectangulaire UFFP à la fréquence f du courant modulateur ioD attaque un redresseur 16 sensible à la phase, également attaqué par la tension basse fréquence du signal de résonance nucléaire UNF (figure 2). Le redresseur sensible à la phase 16 délivre une tension rectangulaire Up (figure 2), dont la valeur moyenne est une mesure de l'écart en signe et valeur absolue.La valeur moyenne de la tension rectangulaire Up (figure 2) est nulle pour l'équilibre à la résonance (a sur la figure 2; équidistance des signaux de résonance nucléaire b) et en l'absence de signaux de résonance nucléaire (c sur la figure 2). Le décalage de la tension rectangulaire UFFp du diviseur 15 et par suite de la tension Up du redresseur sensible à la phase 16 ne doit pas être rigoureusement de 900 par rapport au courant modulateur IMOD car il n'intervient pas dans la précision de mesure. La phase est ajustée de façon qu'à l'équilibre à la résonance, les flancs de commutation de la tension rectangulaire Up se situent pendant la durée des signaux de résonance nucléaire b (cf. figure 2), qui apparaissent sous forme d'impulsions positives et négatives b' dans la tension rectangulaire Up. A l'équilibre à la résonance, les signaux de résonance nucléaire b apparaissent par suite au milieu de l'écran 5 du poste de visualisation graphique 6 (figure 1). La valeur moyenne résultant des alternances positives et négatives de la tension rectangulaire Up est nulle dans le cas de signaux de résonance nucléaire b équidistants, comme précédemment indiqué. Lorsque les signaux de résonance nucléaire ne sont pas équidistants, comme l'indiquent les signaux en tirets b" sur le tracé de la tension UNF (figure 2), les impulsions b' n'apparaissent plus sur les flancs de commutation de la tension rectangulaire Up, mais correspondent aux signaux b", comme l'indiquent les impulsions en tirets b"'. La valeur moyenne de la tension rectangulaire Up est ainsi différente de zéro.Deux signaux de résonance nucléaire, indiqués également par les tirets sur le tracé de la tension en dents de scie UO, apparaissent alors sur l'écran 5 du poste de visualisation graphique 6 et montrent qu'il n'y a pas d'équilibrage à la résonance. La tension de sortie Up du redresseur sensible à la phase 16 est utilisable de façon connue pour la régulation du champ magnétique produit par l'électroaimant 7 ou de la fréquence de l'oscillateur HF 2. La tension de réglage Up est appliquée dans ce but à un inverseur 17. Dans la position représentée de l'inverseur, la tension de réglage Up est appliquée à l'alimentation 8 de ltélectroaimant 7. Dans ce cas, l'entrée de correction de fréquence (par varicap) de l'oscillateur haute fréquence 2 est libre, de sorte que des fréquences quelconques peuvent s'établir, ce qui est gênant. Afin d'y remédier, la fréquence de l'oscillateur HF 2 est stabilisée de façon connue à une valeur fixe, à l'aide d'une boucle de régulation de fréquence (cf. référence bibliographique précitée). La fréquence de l'oscillateur HF2 est mesurée à l'aide d'un compteur, de sorte qu'une information numérique est obtenue. Il existe en outre un indexeur de consigne numérique (commutateur à décades) et une compa raison des valeurs de consigne et instantanée est effectuée par un com parateur numérique. Un convertisseur numérique-analogique est monté en aval du comparateur et délivre une tension de sortie qui agit sur la varicap de l'oscillateur HF2. Lorsque la tension de réglage Up est connectée par l'inverseur 17 à l'oscillateur HF2, elle agit de façon connue sur la varicap de cet oscillateur 2, dont la fréquence est corrigée en conséquence. Un équilibrage à la résonance automatique est obtenu par cet asservissement. La fréquence de l'oscillateur HF2 est également entraînée quand le champ magnétique de l'électroaimant 7 varie (cf. référence bibliographique précitée). Les avantages obtenus par l'invention résident essentiellement dans le fait que l'emploi d'un champ modulateur triangulaire donne une valeur du constante. te signal de résonance nucléaire apparatt ainsi toujours dt sur l'écran du poste de visualisation graphique 6 avec une même largeur et une même amplitude. Une variation de l'amplitude de modulation (variation de l'amplitude du courant modulateur IM0D par variation de la fréquence du générateur de signal de référence 10) ne fait pas varier dU dt > mais uniquement la fréquence de modulation. Un accroissement de l'amplitude de modulation réduit la fréquence de modulation. Une grande amplitude de modulation est favorable à la recherche (captage du signal de résonance nucléaire par syntonisation de l'oscillateur HF2). Après le captage du signal de résonance nucléaire, il est possible d'obtenir une précision de réglage particulièrement élevée pour la fréquence de l'oscillateur HF2 ou le champ magnétique de l'électroaimant 7, par réduc tion de l'amplitude de modulation, donnant une fréquence de modulation et par suite une fréquence porteuse plus élevées (200 Hz environ), avantageuses pour toutes les régulations. L'amplitude du signal de résonance nucléaire demeure constante. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Xagnétomètre à résonance nucléaire avec une sonde, qui est disposée dans le champ magnétique à mesurer et contient un échantillon comportant des noyaux atomiques déterminés et entouré par la bobine d'un oscillateur HF, et avec une bobine de modulation du champ qui, au point de mesure, superpose un faible champ modulateur au champ magnétique à mesurer, ledit magnétomètre étant caractérisé en ce que la bobine de modulation est parcourue par un courant modulateur triangulaire. 2. Nagnétomètre à résonance nucléaire selon revendication 1, caracté risé par l'emploi pour la production du courant modulateur triangulaire d'un générateur de signal de référence de fréquence variable, délivrant une tension en dents de scie et attaquant un déclencheur, commandé par les points d'inversion de la tension en dents de scie et dont la tension de sortie attaque un diviseur qui délivre une tension rectangulaire à la fréquence moitié et avec un rapport cyclique de 1/1, cette tension rec tangulaire attaquant un intégrateur dont le courant modulateur alimente la bobine de modulation.