Brevet FR2287148A1 — publié le 19760430

L'invention concerne un dispositif de blindage magnôtiqae, notamment un dispositif de blindage dont les dimensions linéaires sont supérieures à i m. On a, de plus en plus besoin de grands volumes blindés pour pouvoir, d'une part, travailler, dans un environnement exempt de champ perturbateur avec des appareils de haute sensibilité, par exemple des appareils d'électricité médicale destinés à l'enregistrement des courants cérébraux ou avec des microscopes électroniques de haute résolution et, d'autre part, pour pouvoir effectuer des mesures et des étalonnages dans des champs magnétiques ayant une intensité et une direction déterminée, par exemple avec des magnétomètres utilisés dans les vols spatiaux. Sans blindage magnétique efficace, les champs perturbateurs diminuent la précision des mesures, les rendent délicates ou empêchent pratiquement toute observation précise. Les champs perturbateurs peuvent aussi bien être des champs statiques tels que le champ magnétique terrestre que des champs variables de différentes intensités. Sont, en général, particulièrement critiques les perturbations magnétiques qui se produisent dans le domaine de la fréquence du réseau et de ses harmoniques. Pour tenir ces champs électromagnétiques perturbateurs de basse et de moyenne fréquence éloignés des appareils sensibles, il ne suffit pas d'utiliser comme blindage des cages de fils ou de tôles en matériaux conducteurs de ltélectricité puisqu'elles ne sont efficaces contre les perturbations magnétiques qu'à partir de fréquences relativement élevées (supérières à 20 z) et ne répondent, aux basses fréquences, qu'à la composante électrique. Pour parvenir à un affaiblissemet suffisant de la composante magnétique du champ perturbateur, il est nécessaire d'utiliser des matériaux magnétiques de haute perméabilité. Grâce à la publication de B.V. CONNOR dans "ESRO Space Doc. NO 66-11285, pages 163 à 187, (JPL Technical Memorandum NO 33-216), il est connu de protéger des volumes importants contre des champs magnétiques perturbateurs en composant les surfaces des parois, de tôles distinctes en matériau de haute perméabilité. Dans cette référence, il est indiqué que, sur une cellule de coffrage en bon contre-plaqué préfabriq.iêe, on applique par collage des tôles recuites d'un alliage magnétique nickel fer.Etant donné que les éléments de tôles slsperposés les uns aux autres laissent subsister dans l'enveloppe de blindage des vides gênants qui en réduisent considérablement L'effet de blindage, on recouvre en outre les interstices avec des bandes du même matériau. Avec des- éléments de blindage assemblés, l'effet de blindage que l'on peut obtenir dépend dans une forte mesure de la nature et de la taille des joints d'assemblage. Ces joints agissent en fait comme des hétérogénéités, et par suite des altérations qu'ils provoquent dans le circuit magnétique, ils réduisent sensiblement la perméabilité efficace de l'enveloppe de blindage, ce qi conduit à une forte réduction de l'effet de blindage. Même le collage de la tôle de blindage sur le contre plaqtlé conduit à des tensions dans le matériau magnétique qui est extremement sensible et abaisse ainsi ses caractéristiques de perméabilité. Il est, en outre, connu de réaliser des zoneg exemptes dans une large mesure de Champs magnâtiques disposant dans chacune de trois directions de coordonnées de l'espace des systèmes de bobines pour crier ainsi des champ magnétiques ayant un sena opposez a celui des champs perturhauteurs et opérant une compensation qui les réduisent à zéro. Sur les signaux de sondes disposées de façon appropriée dans le champ perturbateur, on prélève des courants que l'on fait passer dans les bobines de compensation. Toute modification du champ perturbateur se traduit par une modification du CQhtre champ créé par le système de bobines (DT-OS 2 146 071). Avec un système de bobines supplémentaire, il est en outre possible de créer des Champs magnétiques homogènes au sein de la zone blindée (Techn. Alite. AEG-TELEFUNKEN 60 (1970), pages 90 et 91). Il est pourtant difficile d'éviter des effets en retour intempestifs des divers systèmes de bobines sur les sondes. En outre, des dépenses considérables sont nécessaires pour parvenir à la constance requise des circuits de régulation. Dans certains cas défavorables, des effets de couplage en retour peuvent même provoquer une amplification de la perturbation (par exemple comportement suromcillatoire lors de perturbations par impulsions). Une régulation exacte des perturbations se produisant irrégulièrement est à peine possible de cette façon. En outre, dans toutes les propositions faites jusqu'à maintenant pour créer des champs définis, on est parti de l'idée que les bobines ou les systèmes de bobines doivent être à une distance suffisante des parois de la zone 3 ndée pour ne pas modifier le déploiement du champ créé par le système de bobines. Par ailleurs, on peut cependant parvenir à une homogénéisation du champ par une application recherchée de circuits magnétiques de retour. Ces façons de faire ne sont jusqu'à maintenant connues que dans le cas de dispositions de forme cylindrique circulaire (voir le livre "MAGNETOSTATIQUEt' de E. Durand, Paris 1968, page 544). Si l'on part de l'idée que, par exemple à l'intérieur d'un système de bobines de Helmholtz, il n'y a qu'une petite fraction du volume qui satisfasse aux conditions d'homogénéité et que, en outre, ce système de bobines doit être maintenu à une grande distance de l'enceinte blindé' pour éviter les effets en retour, on en arrive à avoir de très grands volumes vlindés ne comportant qu'un espace homogène utile relativement petit. C'est ainsi que, dans la publication déjà citée "Installations de simulation de champs magnétiques pour satellites (Techn. Mitt. AEG. TELEFUNKEN 60 (1970) pages 90 et 91, il est indiqué que l'on a besoin, dans le cas d'un système de. bobine quadratique de Braunbek, d'un diamètre de bobine d'envrion 15 s pour obtenir une zone d'homogénéité de 3 m de diamètre. 4 ne peut donc utiliser efficacement comme champ homogène que le cinquième de la dimension linéaire de la bobine. Si, par contre, l'on travaille nonpas avec la méthode de compensation, mais avec celle suivant laquelle on utilise une enveloppe de blindage en matériau de haute perméabilité, les dimensions de cette enveloppe devraient encore, suivant ce que l'on pensait jusqu'à maintenant, être importantes par rapport aux dimensions des bobines. Etant donné que la dépense pour le blindage croît cixe la dimension linéaire élevée à la puissance trois, de tels projets n'ont pas encore été techniquement réalisés. Il faut en outre encore considérer ici que l'augmentation de la dimension linéaire du blindage réclame une augmentation corrélative de 1'épaisseur du matériau utilisé pour conserver un facteur de blindage suffisant. L'efficacité d'un dispositif de blindage magnétique dépend de la perméabilité du matériau utilisé. Il va donc de soi d'utiliser des alliages de haute perméabilité pour réaliser des blindages. Ces alliages n'acquièrent toutefois leurs propriétés magnétiques favorables qu'après un traitement de recuit à des températures relativement élevées Il faut éviter donc une large mesure de procéder ensuite à un traitement puisque celuic-i diminue les caractéristiques magnétiques ; par conséquent les dispositifs de blindage de plus petite taille sont en général recuits à l'état complètement assemblé. Ce procédé n'est plus utilisable pour les dispositifs de'blindage de grande taille car on ne dispose pas des fours d'un volume correspondant. En outre, pour des raisons de stabilité, le recuit de corps creux de grande taille conduirait à des difficultés considérables. Le but de l'invention est de créer un dispositif de blindage magnétique évitant les défauts mentionnés ci-dessus et procurant un effet de blindage amélioré, notamment un dispositif dont les dimensions linéaires soient supérieures à 1 m. Dans ce dispositif de blindage, on doit pouvoir créer au moyen dtun dispositif supplémentaire des champs magnétiques homogène relativement importants ayant une direction et une intensité prédéterminées. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de blindage magnétique, nOtaent un dispositif de blindage dont les dimensions linéaires sont supérieures à 1 m caractérisé en ce que l'enveloppe de blindage est constituée d'au moins deux couches croisées l'une par rapport à l'autre réalisées en utilisant des bandes aussi longues que possible d'un matériau magnétique de haute perméabilité. Le dispositif de blindage suivant l'invention présente notamment un effet favorable de blindage lorsque le matériau magnétique est constitué d'un alliage nickel-fer contenant de 70 à 82 % en poids de nickel, de o, à 11 /0 de cuivre, de 0 à 6 % de molybdène, de O à 6 % de chrome, le reste étant constitué par du fer et la teneur en fer étant au minimum de 9 % en poids. Suivant une autre caractéristique de l,in- vention, on répartit régulièrement sur les faces intérieures des parois de blindage un ou plusieurs enroulements de fils ou de bandes parallèles pour pouvoir créer un champ magnétique homogène de direction et d'intensité prédéterminées. Dans le cas de plusieurs enroulements, il faut les disposer de façon à ce que les axes de leurs bobines soient perpendiculaires les uns aux autres. Le fait de constituer l'enveloppe de blindage, de deux couches croisées présente l'avantage que, grâce au recouvrement maximum ainsi obtenu, On parvient à un déploiement favorable du flux magnétique le long des diverses bandes et l'on utilise ainsi efficacement la perméabilité élevée des matériaux magnétiques. Etant donné que chaque champ magnétique peut dans le plan d'une couche se diviser en deux composantes perpendiculaires l'une à l'autre, le flux magnétique prend toujours dés directions favorables avec un minimum d'entrefer de telle sorte que, suivant toutes les directions du volume protégé, on obtient des coefficients de blindage élevés. Lorsque les exigences à l'égard de l'effet de blindage sont particulièrement sévères, on peut utiliser des blindages multiples dont les couches de blindage distinctes sont par exemple constituées de deux couches croisées. Un avantage essentiel du dispositif suivant l'invention réside en ce que, à l'intérieur de toute la zone protégée, on peut créer des champs magnétiques homogènes de direction et d'intensité prédéterminées en garnissant les parois de blindage de conducteurs de courant se croisant à angle droit et constitués de fils ou de bandes parallèles. Grâce au circuit magnétique de retour favorable par les parois de blindage, cette disposition permet dans son ensemble d'obtenir une répartition de champ de grande homogénéité. L'efficacité d'une telle disposition de bobines suivant l'invention pour la réalisation d'un champ magnétique homogène dans une zone blindée cubique ou parallélépipédique repose sur les réflexions théoriques suivantes Les champs potentiels sont parfaitement définis par leur valeur dans une zone marginale. Donc, si l'onparvrrt a créer sur lès faces latérales de l'espace blindé la repar- tition de polentiel et de champ correspondant à celle dDlln champ homogène Intiniment étendu, il existe alors nécessaire ment aussi un champ homogène à l'intérieur de cet espace. Si l'on ne garnit tout d'abord que les faces parallèles ;, '1,fle des arêtes de l'espace considéré (direction a) régulièrement et en partant de la face interne des parois de blindage avet des conducteurs de courant en fils parllèles, on peut alors, grâce à un courant correspondant, créer à l'aide de garnissage le bobines (dont l'axe est parallèle a a) un gradient constant de potentiel magnétique dans l'espace intérieur des bobines le long des quatre côtés correspondants, si l'on fait abstraction des faibles écarts de champ causés par la répartition des conducteurs. Sur les deux faces de délimitation perpendi- culaires à a, les lignes de champ se rencontrent perpendiculairement si la perméabilité du matériau de la paroi est suffisamment élevée et si l'épaisseur de la paroi de blindage est dimensionnée pour que la totalité du flux crée à l'inté- rieur lorsque le courant passe puisse être absorbé complètement et sans effet de Saturation. Dans ces conditions le parois de blindage perpendiculaires à d peuvent être conaidrées comme des sur- faces de potentiel magnétique constant. Le champ magnétique lli à l'intérieur du blindage résulte alors Immédiatement de la densité de courant i du garnissage de bobines. Si l'on tient compte du coefficient final de perméabilité du matériau magnétique, de petits écarts sont alors possibles. Même les propriétés d'hystérésis peuvent, avec des modulations plus importantes, être faiblement efficaces. En regard de l'influence, pour ce circuit magnétique, d'une forte altération avec un parcours dans l'air s'étendaiit sur toute la dimension du volume , ces effets peuvent- alors être négligés pour des matériaux ayant des intensités de champ coercitif suffisamment faibles (modulation importante) ou des constantes Rayleigh faibles (modulation faible). Par une idéalisation appropriée du champalternatit on peut éliminer ces effets généralement négligeables. Si l'on étend maintenant ce système aux trois directions perpendiculaires les tunes aux autres de l'espace blindé comportant des bobines correspondantes emboîtées trois fo@@s les unes dans. les autres et rEparties de façon homogène sur les parois intérieures, on peut créer des champs magnétiques homogènes d'orientation quelconque à l'intérieur de l'espace blindé. L'espace intérieur peut alors être utilisé presque complètement puisque les écarts ne se font sentir qu'à proximité immédiate des surfaces de délimitation à cause des subdivisions du bobinage que, de toutes façons, on peut en principe rendre aussi fines qu'on le veut. Un exemple de réalisation de l'invention est décrit plus en détail dans ce qui suit Pour construire un dispositif de blindage parallélépipédique de dimensions 3500 X I 2 500 - X 2 500 -t on monte tout d'abord un échafaudage conçu sous la forme d'une structure nervurée de poutrelles d'acier en double T. Pour améliorer la précision et la stabilité de la forme, toutes les poutrelles sont vissées les unes aux autres. Pour obtenir des surfaces de parois aussi planes que possible, l'échaufau- dage d'acier est recouvert intérieurement de tôles à emboutir aussi plates que possibles. Toutes les tôles de blindage sont constituées d'un alliage Nickel-fer-molybdèe-cuivre à 76 ,' en poids de nickel, 3 ,' de molybdène, 4,5 % de cuivré, le reste étant constitué par du fer. Ces tôles mesurent 2 500 mm I 380 mm I 2 - et ont subi au four un traitement final d recuit. Les tôles de blindage sont tout d'abord disposées à l'horizontale sur les surfaces latérales du dispositif de blindage.Ensuite on y pose les tôles perpendiculaires. De la même façon, le couvertce et le fond de l'espace à protéger sont ensuite garnis de tôles croisées. Pour réaliser la fermeture du circuit magnétique aux arêtes de l'espace on y applique des tôles de la longueur des arêtes ayant une largeur de 380 , après les avoir pliées à angle droit de façon à constituer des cornières ayant des ailes larges de 190 u . Les cornières ayant subi un recuit final sont disposées le long des arêtes intérieures pour que l'on ait ainsi un recouvrement parfait aux arêtes de l'espace. La fixation définitive sur les tôles à emboutir et la liaison étroite entre les deux couches partielles se fait dans tous les champs de croisement par des rivets creux borgnes qui permettent une liaison épargnant les tôles de hllndage de haute perméabilité. L'effet de blindage obtenu est mesuré à l'aide du lac. Ett de blindage S qui indique le rapport entre le champ ext erietjr lia et le champ intérieur Hi à l'intérieur du disposli@@l de blindage. Pour calculer le facteur de blindage magnétostatique, on détermine le champ continu en dehors et- le champ résiduaire qui subsiste à l'intérieur du dispositif de blindage à l'aide d'un magnetomètre. Une indication sur le facteur de blandage par rapport à tin champ alternatif ne peut être donnée qu'en admettant une constance suffisante du champ perturbateur à Lntérie',r et ii 1'extérieur du dispositif de blindage. On a mesuré la composante à 50 Hz la mieux observable dt champ perturbateur a 1'aide d'un amplificateur sensible atix phases et commandé par fréquences. Les résultats pour le domaine moyen di dispositif blittdé sont, pour les deux mesures rassemblés dans le tableau suivant: Nature de la Lien, de la Intensité du Facteur de perturbation mesure champ blindage S ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ champ continu à l'exiérieur 260 mA/cm 93 à l'intérieur 2,8 mA/cm ------------------------------------------------------------------- Champ alternatif à l'extérieur 16,1 + V V à l'intérieur 0, 11 # v 140 Les mesures avec champ continu montrent que l'intensité du champ à l'intérieur du dispositif de blindage est réduite à environ 1% et avec un champ alternatif. à 0,7 % de sa valeur à l'extérieur. Le facteur de blindage plus élevé à l'égard des perturbations par champs alternatifs s'explique par le fait qu'avec l'épaisseur de 2 mm des tôles ut@lisées et la perméabilité levée du matériau, il se produit un effet de protection sapplémentaire par apparition de courants de Foucault. Les coeflicients de blindage obtenusmont@ent que l'on peut, grace à l'invention disposer de grands volumes blindés tels que cenx dont on a besoin pour des mesures de haute sensibilité par exemple pour enregistrer les courants céré braux par électroencéphalogramme. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits, à partir desquels on pourra prévoir d'autres variantes, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Dispositif de blindage magnétique, notamment un dispositif de blindage dont les dimensions linéaires sont supérieures à 1 m, caractérisé en ce que l'enveloppe de blindage est constituée d'au moins deux couches croisées l'une par rapport à l'autre réalisées en utilisant des bandes aussi longues que possible d'un matériau magnétique de haute perméabilité. 2 ) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique est constitué d'un alliage Nickel-fer contenant de 70 à 82 % en poids de nickel, de O a 11 % de cuivre, de O à 6 % de molybdène, de O à 6 % de chrome, le reste étant constitué par du fer, et la teneur en fer étant au moins de 9 %. 30) Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 29 caractérisé en ce que pour la création d'un champ magnétique homogène de direction et d'intensité prédéterminées, on répartit régulièrement sur les faces intérieures des parois de blindage un ou plusieurs bobinages de fils ou de bandes parallèles, les axes des bobines étant perpendiculaires les uns aux autres dans le cas où il y a plusieurs enroulements.