Brevet FR2521730A1 — publié le 19830819

-1- La présente invention concerne les appareils de mesure du gradient d'un champ magnétique, et en particulier la façon dont les bobines de détection utilisées dans un appareil de mesure du gradient sont équilibrées. Dans une forme connue d'appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique, deux bobines de détection supraconductrices sont couplées à un appa- reil à interférences de Quanta supraconducteurs (SQUID) agencé pour engendrer un niveau de sortie re- présentatif du gradient d'un champ magnétique présent entre les bobines De façon idéale, il est préférable que les bobines de détection soient identiques et ali- gnées dans des plans exactement parallèles; cependant, en pratique, ceci est rarement possible a réaliser. C'est pourquoi, afin de compenser le dêéaéquilibre des bobines, on a prévu une ou plusieurs lamelles en un matériau supraconducteur, qui peuvent être déplacées dans le voisinage des bobines jusqu'à ae que la con- dition d'équilibre soit remplie Cette technique est souvent difficile et longue à exécuter de façon sa- tisfaisante en pratique. L'invention a pour objet de proposer un ap- pareil de mesure du gradient d'un champ magnétique dans lequel le problème mentionné ci-dessus est réso- lu. A cet effet la présente invention concerne un appareil de mesure du gradient d'un champ maglé- tique caractérisé par le fait qu'il comprend un sys- tème à bobines comprenant une première bobine couvrant une première région de l'espace et une seconde bobine à enroulement dans le sens inverse, reliée en série avec la première bobine, couvrant une seconde région de l'espace, un appareil de détection supraconducteur, associé au système à bobines, destiné à engendrer un signal de sortie représentatif de la différence des flux magnétiques présents dans les première et seconde régions de l'espace, et des moyens de contrôle compre- nant un élément de contrôle constitué d'un matériau supraconducteur et des moyens agencés pour faire va- rier la proportion dudit élément qui est dans l'état supraconducteur, l'élément étant agencé pour influen- cer le champ magnétique s'étendant entre les deux bo- bines, de quantités différentes selon la taille de ladite proportion. Iles moyens agencés pour faire varier ladite proportion peuvent être un réchauffeur. Afin que l'invention soit mieux comprise et mise en oeuvre, des formes de réalisation particuliè- res de celle-ci sont décrites ci-dessous en référence aux dessins annexés, D'autres caractéristiques et avan- tages ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre et des dessins annexés, sur lesquels: la Figure I représente un appareil de me- sure du gradient d'un champ magnétique comprenant un appareil à interférences de quanta supraconducteurs à haute fréquence, la Figure 2 est une vue schématique en perspective d'un élément de contrôle supraconducteur, et la Figure 3 représente un appareil de me- sure du gradient d'un champ magnétique faisant appel à un contrôle par contre-réaction. Les formes de réalisation de la présente invention, décrites ci-après, comprennent un appareil de détection supraconducteur sous forme d'un appareil à interférences de quanta supraconducteurs (SQUID). Comme le décrit un article qui a pour titre "Josephson Effect Devices't, par John Clarke (Phys Bull Vol 30 p 206-208), un appareil à interférences de quanta -5- supraconducteurs (Sq UID) comprend une ou deux jonctions Josephson qui interrompent une bague supraconductrice. Le flux magnétique traversant la bague peut alors être représenté par un signal de sortie engendré conséquem- ment à l'interférence d'un courant électrique traver- sant la (ou les) jonction(s). La Figure 1 représente un appareil à inter- férences de quanta supraconducteurs 10 utilisé dans un appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique. La bague supraconductrice 11 est couplée à un transfor- mateur de flux 20 comprenant deux bobines supraconduc- trices sensiblement identiques 21, 22, reliées en série et en opposition, et séparées par une distance d de fa- çon à couvrir des régions différentes de l'espace. Chaque bobine répond, en ces circonstances, à la compo- sante perpendiculaire (dans ce cas, le long de la di- rection Z) du champ magnétique présent dans les régions respectives, de façon à engendrer un courant induit correspondant i 21, i 22 Lorsqu'un gradient de champ ma- gnétique -6 est présent entre les bobines 21, 22, les courants i 21, i 22 sont différents, de sorte qu'un cou- rant différentiel Ai z i 21 i 22 est engendré, ce qui provoque l'apparition d'un flux, via une bobine 23, dans la bague supraconductrice 11 de l'appareil à in- terférences de quanta supraconducteurs Dans l'exemple illustré on utilise un appareil à interférence de quanta supraconducteurs à haute fréquence, ne compor- tant qu'une seule jonction Josephson 12, un rayonnement à haute fréquence étant fourni à la bague via un cir- cuit résonant LC 13, et un signal de sortie, représen- tatif d'un gradient de champ, étant délivré en un point de sortie 0/P. En pratique, il peut s'avérer impossible de prévoir des bobines de détection 21, 22 strictement identiques, dont la réponse à un champ magnétique uni- -4- forme soit zéro, car, par exemple, les surfaces de leurs sections transversales peuvent être légèrement différentes En outre, les plans des deux bobines peu- vent ne pas être précisément parallèles, comme c'est préférable dans un appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique Tout déséquilibre dans le système-à bobines, dû à une différence des surfaces des bobines et/ou un écart par rapport à l'alignement parfait peut avoir pour conséquence qu'un signal de sortie soit en- gendre en O/P même en l'absence d'un gradient de champ magnétique, et ceci peut rendre la mesure du gradient de champ tout à fait imprécise, et empêcher l'appareil à interférences de quanta supraconducteurs de fonction- ner Ainsi ce problème a été résolu en prévoyant une ou plusieurs lamelles supraconductrices destinées à déformer les lignes de champ magnétique reliant les bo- bines de détection Les lamelles peuvent être déplacées, dans le voisinage des bobines, pour prendre des posi- tions appropriées à l'obtention de la condition d'é- quilibre optimale, mais, en pratique, ceci s'avère sou- vent difficile à réaliser. Selon la présente invention on adopte une ap- proche différente, en prévcyant un élément supraconduc- teur de réglage qui est monté fixe à proximité des bo- bines de détection et qui est muni, à une extrémité, de moyens de chauffage ou réchauffeur L'autre extrémi- té est maintenue à la température de l'hélium liquide ( 4,21 K) par une plaque de refroidissement et ainsi, en chauffant l'élément, un gradient de température est établi sur sa longueur La quantité de chaleur fournie par les moyens de chauffage peut être choisie de façon à ce que seule une partie choisie de l'élément, éloi- gnée des moyens de chauffage, soit dans son état supra- conducteur et soit actif pour régler la condition d'é- quilibre des bobines En réglant de façon appropriée -5- la quantité de chaleur fournie, la position, dans le sens de la longueur de l'élément, de l'interface supra- conducteur/normal peut être modifiée pour obtenir la condition d'équilibre optimale Ainsi cette technique est avantageuse en ce qu'elle ne fait appel à aucun mouvement mécanique de l'élément de réglage En ces circonstances la partie supraconductrice de l'élément peut agir sur le flux magnétique traversant l'une des bobines de détection de façon plus prononcée que sur le flux magnétique traversant l'autre bobine, d'une façon suffisante pour compenser tout déséquilibre inhé- rent au système à bobines lui-même. La Figure 2 représente une vue schématique en perspective de l'élément supraconductezur utilise dans l'approche décrite ci-dessus L'élément comprend une feuille supraconductrice 30, typiquement en un alliage de plomb et d'indium, supporté par un substrat thermi- quement isolant 31, et sur une extrémité de laquelle est monté un réchauffeur 32 L'autre extrémité 33 de la feuille est agencée pour être en contact thermique avec le bain d'hélium liquide utilisé pour refroidir l'appa- reil à interférences de quanta supraconducteurs et les bobines de détection, et ainsi tenir lieu de refroidis- seur, et la feuille, et le réchauffeur étant encapsulés dans une enveloppe thermiquement isolante 354, éventuel- lement en résine époxyde Le diamètre typique des bo- bines peut être de 4 cm et, dans ce cas, la feuille 30 peut avoir une longueur de I cm, une largeur de 0,1 cm, et une épaisseur de 0,0125 cm, l'épaisseur de l'enve- loppe en époxyde étant d'environ I cm Un réchauffeur agencé pour fournir une puissance d'environ 10 m W à l'élément devrait alors suffire pour réaliser un con- trôle adéquat de la position de l'interface supraconduc- teur/normal, indiquée en INF sur la Figure 2 On peut démontrer que la distance x de l'interface, mesurée à -6- partir de l'extrémité 33, est donnée de façon approxima- tive par l'expression x =sinh i c x=r Ci|Fsinh (r 1) Eouation 1, LT en supposant que la température du bain d'hélium est de 0 K, et o 1 est la distance entre le réchauffeur 32 et l'extré- mité 33, Tc est la température de transition de l'état supra- conducteur de la feuille, T 1 est la température du réchauffeur, et R f Y/b fr / o R est la résistivité thermique (au bain d'hélium) de la résine époxyde utilisée pour l'enve- loppe 54, et Rf est la résistivité thermique (au bain) de la feuille supraconductrice. En taillant la forme du film et l'épaisseur d'époxyde de façon appropriée, il est possible de con- cevoir un élément de contrôle présentant une variation de x en fonction de T 1 quelque peu simplifié, ce qui peut être particulièrement avantageux dans un système d'équilibrage automatique asservi du type décrit ci- après, dans lequel une variation linéaire ou logarith- mique peut être souhaitable. La constante de temps thermique Tdu film doit également être suffisamment longue pour que les fluctuations de la température du bain d'hélium li- quide, provoquées par des bulles, etc, n'affectent pas de façon significative la position de l'interface INF Une constante T de I à 2 secondes devrait norma- lement suffire En outre, le réchauffeur devra être excité de préférence par l'utilisation de signaux al- ternatifs d'une fréquence supérieure à la fréquence de fonctionnement maximale de l'appareil de mesure du -7- gradient, pour ainsi éliminer les interférences magné- tiques éventuelles Puisque l'appareil de mesure du gra- dient opère à une fréquence maximale d'environ 100 Hz, une fréquence du réchauffeur d'environ 10 k Hz devrait éliminer les possibilités d'interférence. La position précise de l'élément de contrôle par rapport aux bobines de détection dépendra, d'une certaine façon, de l'ampleur du déséquilibre entre deux bobines données En général, cependant, l'élément pour- ra être positionné entre les bobines de façon à ce que le matériau supraconducteur, en l'absence de courant de chauffage, puisse servir à surcompenser tout déséqui- libre inhérent entre les bobines Autrement, l'élément pourra être positionné à proximité d'une seconde paire de bobines de l'appareil de mesure du gradient, de taille plus petite, reliées en série avec la paire principale La seconde paire pourra être positionnée à proximité des bobines principales, et ne servir qu'à permettre le réglage de l'équilibre total de l'appareil de mesure du gradient On pourra ainsi réduire les ef- fets de couplage parasite dans un appareil de mesure du gradient multidirectionnel, dans lequel le réglage d'une paire de bobines affecte de façon involontaire l'équilibre d'une autre paire de bobines Un courant de chauffage peut alors être appliqué à l'élément de façon à réduire la quantité de matériau supraconducteur de façon compatible avec l'obtention de la condition d'équilibre. En pratique, les bobines de détection pour- ront être initialement équilibrées avant qu'une mesure du gradient d'un champ soit effectuée, mais, dans une autre approche, la condition d'équilibre pourra être réalisée de façon continue en utilisant un système d'équilibrage automatique du type décrit ci-dessous en référence à la Figure 3. -8- Les bobines de détection de l'appareil de me- sure du gradient, indiquées en 40, 41, sont associées à un appareil à interférences de quanta supraconducteurs à haute fréquence 42 qui est alimenté, via un circuit résonnant LC 43, par des signaux à haute fréquence en- gendrés par un circuit de contrôle 44 L'appareil à interférences et les bobines de détection sont montés dans un cryostat, CRYO, et sont maintenus à la tempéra- ture de l'hélium liquide, 4,20 K Comme précédemment, l'appareil à interférences 42 est capable d'engendrer des signaux électriques représentatifs de la différence d'intensité d'un flux magnétique joignant les deux bo- bines de détection 40, 41, et ces signaux sont amplifiés en 44 pour produire un niveau de signal Vs en un point de sortie O/P Bien que la différence de flux détectée puisse être provoquée par un gradient de champ magné- tique, elle peut résulter d'un déséquilibre inhérent aux bobines de détection elles-mêmes Pour compenser le déséquilibre des bobines de détection 40, 41, un élément de réglage ou décompensation supraconducteur , du type décrit plus haut, est monté fixe dans le voisinage des bobines de détection, et est muni d'un réchauffeur 46 destiné à ajuster quelle partie de l'é- lément sera dans l'état supraconducteur L'énergie fournie au réchauffeur est réglée par une unité de con- tr 8 le 47 qui est sensible aux signaux de contrôle CONT qui y sont appliqués via un circuit de contre-réaction. Le circuit de contre-réaction comprend un circuit os- cillateur 48 destiné à fournir un signal alternatif de fréquence f O à une autre bobine 49 qui engendre un champ magnétique alternatif dont le flux dans les deux bobines de détection 40, 41 est identique Si les bo- bines de détection sont déséquilibrées, alors le signal de sortie engendré en O/P comprendra une composante alternative de fréauence f O, représentative de l'am- -9- pleur du déséquilibre, qui peut être utilisée pour en- gendrer un signal de contrôle CONT approprié pour faire varier la chaleur fournie au circuit de réglage 45, dans un sens permettant de réduire le déséquilibre On sup- posera, dans cet exemple, que les variations du signal de sortie Vs, provoquées par des variations du gra- dient du champ magnétique, auront une fréquence rela- tivement basse, typiquement inférieure à 100 Hz - et ainsi des signaux sont appliqués à l'autre bobine à une fréquence f O relativement élevée, typiquement com- prise entre 500 Hz et ' k Hz Les signaux correspondants (de fréquence f 0) engendrés au point de sortie 0/P et représentatifs du déséquilibre des bobines de détection, sont alors isolés du signal de sortie total V, grâce à un filtre passe-haut 50, et sont dirigés à l'entrée d'un détecteur de phase 51 Le circuit oscillateur 48 fournit également un signal de référence (de fréquence f) à l'entrée de référence du détecteur de phase, via o un déphaseur 52 Un signal de sortie engendré par le détecteur de phase, représentatif de l'ampleur de tout déséquilibre dans les bobines de détection, est alors numérisé grâce à un convertisseur analogique, numérique 53, et dirigé vers un processeur 54, programmé selon l'équation 1, ou selon une expression équivalente, pour engendrer des signaux de contrôle CONT appropriés pour le réglage du réchauffeur 46 de la façon souhaitée Les composantes de fréquence plus basse de V, représenta- tives de l'amplitude d'un gradient de champ magnétique, peuvent être isolées grâce -à un filtre passe bas 55 et introduites dans un système de stockage de données 56, pour être ultérieurement exploitées Ces données peu- vent également être dirigées vers le processeur 54, pour aider à l'équilibrage des bobines de détection. Bien que ce soit une bobine 49 qui est utili- sée dans l'exemple décrit ci-dessus pour établir la -10- condition d'équilibre des bobines de détection 40, 41, d'autres moyens capables d'engendrer un champ magnéti- que dont le flux dans les deux bobines est identique, pourraient être utilisés, tels que deux bobines ou un fil traversé par un courant et disposé symétriquement par rapport aux bobines de détection En outre, le champ magnétique engendré par une ou plusieurs autres bobines 49 ou par un fil traversé par un courant, ne doivent pas nécessairement occasionner des quantités égales de flux magnétiques dans les bobines de détec- tion Dans ce cas, on programmera le processeur 54 pour qu'il décale de façon appropriée les signaux de con- trôle CONT appliqués au réchauffeur 46, de façon à compenser toute nonuniformi -té dans le champ engendré par l'autre bobine 49 Ce décalage peut être calculé lors d'un étalonnage préliminaire réalisé dans un cryostat d'essais. Puisque les champs appliqués par la bobine 49 ne doivent pas nécessairement occasionner sur les deux bobines de détection un flux identique, il est possible d'utiliser la même bobine 49 en association avec un certain nombre de paires de bobines de détec- tion, chaque paire étant alignée de façon à déterminer le gradient du champ selon un axe différent de l'appa- reil de mesure du gradient (par exemple les axes x, y ou z) De même, chaque paire de bobines de détection sera initialement calibrée, et un signal de décalage respectif stocké dans le processeur 54 Afin de dis- tinguer les champs magnétiques appliqués par la bobine 49 aux différentes paires de bobines de détection, on pourra utiliser pour chacun une fréquence différente. Par un filtrage sélectif de la sortie de l'appareil à interférences de quanta supraconducteurs, un signal de contr 8 le séparé peut alors être obtenu pour être appliqué au circuit de réglage supraconducteur respec- -11 - tif 45 associé à chaque paire de bobines de détection de l'appareil de mesure du gradient. On notera que, bien que le système à contre- réaction a été décrit en association avec un élément de réglage supraconducteur du type utilisant un réchauf- feur, le système pourrait également être utilisé pour contrôler le déplacement d'un élément de réglage dans le voisinage des bobines de détection. -12- REVENDICATIONS - 1 Appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique caractérisé par le fait qu'il comporte un système à bobines comprenant une première bobine ( 21, 40) couvrant une première région de l'espace et une se- conde bobine ( 22, 41) à enroulement dans le sens in- verse, reliée en série avec la première bobine ( 21, 40), couvrant une seconde région de l'espace, un appareil ( 10, 42) de détection supraconducteur, associé au sys- tème à bobines, destiné à engendrer un signal de sortie représentatif de la différence des flux magnétiques présente dans les première et seconde régions de l'es- pace, et des moyens de contrôle comportant un élément de contr 8 le ( 30, 45) constitué d'un matériau supracon- ducteur et des moyens ( 32, 46) agencés pour faire va- rier la proportion dudit élément qui est dans l'état supraconducteur, l'élément étant agencé pour influencer le champ magnétique traversant les deux bobines de quantités différentes selon la taille de ladite propor- tion. 2 Appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens agencés pour faire varier la pro- portion dudit élément ( 30, 45) qui est dans l'état su- praconducteur est un réchauffeur ( 32, 46). 3 Appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément de contrôle comprend une feuille ( 30) en un matériau supraconducteur montée sur un subs- trat ( 31), une-extrémité de ladite feuille étant en contact thermique avec le réchauffeur ( 32), et l'autre extrémité ( 33) en contact thermique avec un refroidis- seur. 4 Appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique selon l'une des revendications 1 à 3, carac- -13- térisé par le fait que ledit matériau supraconducteur est un alliage de plomb et d'indium. Appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens ( 48, 49) pour sou- mettre lesdites première et seconde bobines ( 40, 41) d'un champ magnétique alternatif d'lmune fréquence (f o) prédéterminée, des moyens ( 50) pour détecter, dans ledit signal de sortie (Vs) représentatif d'une diff 6- rence des flux magnétiques présents dans lesdites pre- mière et seconde régions de l'espace, une composante à ladite fréquence prédéterminée (f), et des moyens ( 54, 47), sensibles à l'amplitude de la composante, destinés à régler les moyens agencés pour faire -arier ladite proportion de l'élément ( 45) qui est dans 'é- tat supraconducteur, pour ainsi réduire le déséquilibre des bobines. 6 Appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens pour soumettre lesdites première et seconde bobines ( 40, 41) à un champ magnétique alter- natif comprennent une autre bobine ( 49) agencée pour soumettre chacune desdites première et seconde bobines à des quantités égales de flux magnétique. 7 Appareil de mesure du gradient d'un champ magnétique selon l'une des revendications 5 et 6, carac- térisé par le fait que lesdits moyens pour soumettre lesdites première et seconde bobines ( 40, 41) à un champ magnétique alternatif soumettent au moine une autre paire de bobines à un champ magnétique alternatif, les paires de bobines étant agencées pour détecter les gradients d'un champ magnétique externe respectifs le long de directions sensiblement différentes.