Brevet FR2531233A1 — publié le 19840203

DISPOSITIF POUR DETECTER ET MESURER LE GRADIENT D'UN CHAMP MAGNETIQUE. Comme on le sait, le champ magnétique terrestre, présente de nombreuses inhomogénéités résultant de présence d'éléments ferromagnétiques,tels que composés à base de fer, de cobalt, de nickel ou d'éléments para- magnétiques,tels que pétrole, gaz, liquides en grandes quantités. Jusqu'à présent, pour mesurer de telles inhomogé- néités ou gradients,-il était nécessaire d'effectuer plusieurs mesures de champ magnétique à différents emplacements On constituait ainsi une carte des champs magnétiques à partir de laquelle on calculait les gra- dients de champ magnétique. Une méthode de ce type consiste par exemple à mesurer la fréquence de résonnance du proton de l'hy- drogène et-un calculateur établit alors une cartographie de ces gradients du champ magnétique à partir des mesures effectuées. Toutes ces méthodes, bien qu'étant très préci-ses et largement répandues, notamment pour la détection profonde, c'est-à-dire de l'ordre de plusieurs centaines de mètres> présentent-toutefois l'inconvénient, lors- qu'il s'agit de faire de la détection à faible profon- deur, c'est-à-dire moins de cinq mètres, de nécessiter un matériel lourd, complexe, d'être longues et surtout de ne pas donner des résultats immédiats, car il faut traiter les informations collectées. L'invention pallie ces inconvénients Elle concerne un dispositif pour détecter et mesurer le gradient d'un champ magnétique qui, tout en-étant précis pour les faibles profondeurs, c'est-à-dire de l'ordre de cinq mètres, soit néanmoins rapide; à lecture directe du gradient, économique et facile à mettre en oeuvre et facile à transporter, et qui permette en une seule mesure de détecter des gradients de champ magnétique de faible intensité et en un endroit donné. -2- On connait bien la méthode dite "de précession libre des protons" dans un champ magnétique H O après prépolarisation dans une direction perpendiculaire au champ magnétique H O par un champ magnétique H Le champ magnétique Hp est habituellement crée par une bobine dont l'axe est perpendiculaire au champ H O et est parcouru par un courant d'insentité I pendant un temps égal à deux ou trois fois le temps de relaxation du proton résonnant Un échantillon du proton résonnant est placé à l'intérieur de la bobine L'ensemble est dénommé "système résonateur protonique" Après coupure du champ H p la bobine recueille alors un signal d'in- duction correspondant à la variation de l'aimantation macroscopique oscillante du proton résonnant à une fréquence de: T=Y HC, dans laquelle: T désigne le rapport gyromagnétique du proton ( 4258 Hz/gauss), H O le champ magnétique ambiant. Le procédé selon l'invention fait appel à cette méthode connue dela précession libre des protons. Le dispositif selon l'invention pour la détection et la mesure du gradient d'un champ magnétique se caractérise en ce qu'il comporte: un moyen capteur du champ magnétique constitué par au moins deux systèmes résonateurs protoni- ques, formés chacun par une bobine dont l'axe est perpendiculaire au champ r Oagnéti- que à détecteret par un échantillon de proton résonnant placé à l'intérieur de ladite bobine, un support non ferromagnétique sur lequel sont fixés les systèmes résonateurs proto- niques, à une distance fixe mais réglable, destiné à permettre le déplacement de -3 l'ensemble sur le sol une source de courant électrique continu reliée aux bornes des bobines; un moyen apte à évacuer l'énergie accumulée dans lesdites bobines - un moyen lecteur destiné à recueillir les infor- mations données par les bobines, constitué par l'organe amplificateur accordé resonnant sur la fréquence du champ magnétique, un organeede sommation des signaux émis par chaque bobine, un organe de détection du battement de fré- quence -; un multiplexeur destiné à connecter les bobines soit sur la source de courant soit sur les moyens éva- cuateurs ou lecteurs. En d'autres termes, ce dispositif de détection et de mesure du gradient d'un champ magnétique naturel ou artificiel, secompose d'au moins deux systèmes réso- nateurs protoniques de précession libre des prôtons placés à une distance prédétermi née perpendiculaire au champ magnétique terrestre. Ce dispositif fonctionne de la manière suivante. Pour la commodité de la démonstration, on utilise un dispositif avec deux bobines. Dans un premier temps dit 'Lde prépolarisation", on prépolarise simultanément les bobines de chaque système résonateur en branchant ces bobines en parallèle ou de préférence en série, sur la source de courant électrique (batterie), ce qui-oriente alors l'aimantation macros- copique dans le champ H- p, Dans un deuxième temps, dit "d'évacuation", au moyen de l'interrupteur, on coupe le circuit électrique et on évacue l'énergie électrique accumulée dans les bobines par tous moyens connus, tels que mise à la masse, en prenant soin éventuellement de récupérer cette éner- gie dans la batterie. -4- Enfin, dans un troisième temps dit "de détection" on commute les bornes des bobines du système amplifica- teur accordé et on recueille la somme des deux signaux d'induction Eventuellement, selon le cas, on peut vi- sualiser cette sommation, par exemple sur un oscillos- cope. Après prépolarisation simultanée, chaque bobine recueille une onde radio fréquente de fréquence: 1 l = (H O + i 1 H 0) pour la première bobine et Q 2 = (H O + i 2 H 0) pour la deuxième bobine. Si H + a 1 H et H + -a 2 H désignent le champ o O 0 H O magnétique à l'emplacement de chaque bobine, la varia- tion locale du champ magnétique est H= 4 1 H L 2 H O Les signaux recueillis par chaque bobine sont en- suite sommés et l'on observe un battem&nt de fréquence V.=YA H superposé à la fréquence o = H O o. Si le champ H O est-le même dans les deux bobines, on obtient alors un signal de précession classique, c'est-à-dire sinusoïdal, de fréquence constante et unique, amortie selon une constante de temps T 2 o- En revanche, si le champ H O est différent au niveau des bobines, on observe alors un battement dont la frée- quence est égale à la différence du champ entre les deux bobines Connaissant la distance séparant ces deux bobines, il sera possible d'en déduire alors le gra- dient. En effet, on peut calculer la différence Al H - O 2 H et comme déjà dit, connaissant la distance sépa- rant les deux bobines, on peut ainsi mesurer la valeur absolue du gradient de champs. L'orientation du gradient est donnée par l'orienta- tion de l'axe joignant les deux bobines Dans le champ magnétique terrestre, la fréquence de résonnance ( 2000 Hz) z est dans le spectre audible Si l'on veut simplement - une détection qualitative du gradient, on perçoit le battement Si le gradient de champ est faible, la -5- fréquence du battement est difficilement perceptible à l'oreille On superpose alors un signal sonore de fréquence supérieure à 2000 Hz émis à chaque battement. La fréquence de répétition de ce signal est proportion- nelle au gradient de champ. Avantageusement: les bobinés des systèmes résonateurs sont placés en série à chacune des extrémités de l'élément non fer- romagnétique; - chaque bobine présente une densité de spires eni Ampères-tours maximum avec-un coefficient de qualité Q le plus grand possible et un coefficient de surtension le plus faible possible, -le système présente trois bobines, placées en série, voire en parallèle sur l'élément porteur non ferromagnétique, ce qui permet de détecter une source particulière, même lorsque celle-ci est à égale distance de deux bobines, puisque dans ce cas, la troisième bo- bine se trouve alors à une distance différente de cette source particulière et fournira alors le signal; l'échantillon de proton résonant placé dans les bobines est constitué soit par de l'eau, éventuellement addition- née d'un alcool tel que le méthanol pour éviter le gel lors de la détection en-pays froids, - soit par du benzène qui présente l'avantage de posséder un temps de relaxation assez long, donc de détecter un gradient plus fai- ble, mais toutefois en-prenant bien soin d'augmenter le temps de prépolarisation soit par des gels ne modifiant pas le temps de relaxation de l'élément résonnant, tels que par exemple les polyacrylamides les bobines du résonateur sont soit solénoïdales, soit encore mieux toroldales, ce qui est préférable pour ne pas être gêné par l'orientation du champ magnétique -6- terrestre les bobines baignent dans l'échantillon de proton résonnant, de manière à récupérer le plus possible de champ de polarisation; pour éviter des perturbations artificielles du champ magnétique ambiant, tout ce qui entoure les sys- tèmes résonateurs est réalisé en matériau amagnétique le multiplexeur forme conjointement système éva- cuateur d'énergie en permettant pendant un temps déter miné, soit la mise à la masse soit en créant une contre tension; l'organe de détection des battements est formé par un oscilloscope ou un oscillographe l'organe de détection des battements est consti- tué par des écouteurs portés par le manipulateur qui sont connectés auxdites bobines; il s'agit donc ainsi d'un système de détection très simplifié; le dispositif comporté en outre un organe d'alar- me connecté aux bobines qui s'enclenche lorsque l'un des signaux s'amortit trop rapidement et disparait, de sorte que le battement ne se produirait pas; en effet, dans ce cas, on est généralement sur l'une des bobines en présence d'un gradient très intense qui, de ce fait, amortit très rapidement le signal induit dans cette bobine et perturbe la mesure; cet organe d'alarme peut, à la demande, être envoyé sur l'un ou l'autre des écouteurs; ce système d'alarme se déclenchera par exemple dans le cas o l'un des signaux présente un amortissement qui serait au moins deux fois plus court que le temps de relaxation normal des protons utilisés l'organe de détection des battements est consti- tué par un système relié à un fréquencemètre faisant la différence entre les différents signaux émis; les organes de mesure, les organes de détection, le système amplificateur et les autres éléments (alarme etc) ainsi que la source électrique, sont situés le plus loin possible des systèmes résonateurs, par exemple 7- dans un sac placé dans le dos du manipulateur. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples -de réalisation qui suivent, donnés à titre in- dicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. la figure 1 représente en coupe sommaire un dispositif de détection conforme à l'invention; les figures 2 et 3 représentent lesschéma a de connection de ce dispositif respectivement pendant la phase de prépolarisation (figure 2), puis ensuite pen- dant la phase d'évacuation de l'énergie emmagazinée (figure 3); la figure 4 représente le schéma de connection de ce dispositif lors de-la phase de détection; la figure 5 présentre en coupe sommaire un autre dispositif de détection conforme à l'invention; la figure 6 montre le schéma de connection de ce dispositif lors de la phase de détection; enfin la figure 7 est une coupe sommaire d'un aimant utilisable pour'la mise en oeuvre de l'invention. Exemple 1: Référence est faite à la figure lo Le dispositif de détection et de mesure du gradient du champ magnétique comprend: une barre support ( 1), par exemple de un mètre cinquante de long en un matériau amagnétique tel qu'un alliage d'aluminium type duraluminium de 10 mm de dia- mètre; deux systèmes -résonateurs protoniques ( 2) e t ( 3) fixés à chacune des extrémités de la barre ( 1) consti- tués respectivement par un récipient cylindrique ( 4) ou ( 5) en matière plastique transparente ou translu- cide, par exemple de 10 cm de long et 5 cm de diamètre, muni d'un bouchon ( 6) ou 4-7) pour le remplissage par le liquide échantil- lon de proton résonnant ( 8), par exemple de l'eau additionnée d'lacool ou du-benzène 8 - une bobine ( 9) ou ( 10) solenoïdale de 8 x 3 cm de diamètre à spires jointives sur un centimètre d'épaisseur, entourée par le li- quide résonnant ( 8); ces bobines ( 9) ou ( 10) placées en série et reliées par le fil de liaison ( 11) qui court le long de la barre ( 1), sont réalisées un un fil de un mm de section carrée ou rectangulaire, en cuivre ou en aluminium, afin de diminuer le poids de l'ensemble; un manche de manipulation ( 12), soudé au centre de la barre ( 1), également en un matériau amagnétique, terminé par une poignée ( 13) de manipulation pour per- mettre de déplacer de l'ensemble horizontalement aussi près que possible du sol. Dans un premier temps, les bornes ( 14-15) du sys- tème résonnant sont connectées à une batterie étanche légère ( 16) (voir figure 2), par exemple du type cadmium/ nickel de 24 volts et 10 Ampères/heure pour prépolariser les deux bobines ( 9) et ( 10). Au bout d'un temps au moins égal à deux fois le temps de relaxation du liquide résonnant, à savoir pour l'eau à 25 C deux secondes et pour le benzène: 10 secondes, dans un deuxième temps dit "d'évacuation", au moyen du multiplexeur ( 17) à trois voies qui comprend: une première voie pour connecter à la batterie ( 16), une seconde voie pour connecter aux organes de détection, une troisième voie pour connecter aux organes capteurs, On coupe le circuit électrique et on évacue l'éner- gie accumulée dans les bobines ( 9) et ( 10) en plaçant leurs bornes ( 14) et ( 15) à la masse, -par exemple en les branchant sur le négatif de la batterie ( 16) (voir figure 3). Lorsque toute l'énergie électrique accumulée a 9 - été évacuée, c'est-àdire dans une durée inférieure à l'ordre de la seconde, on coupe le circuit en série des deux bobines ( 9) et ( 10) pour mettre celles-ci en parallèle (voir figure 4) On place les entrées de cha- que bobine ( 9) et ( 10) à la masse et les bobines ou sorties de ces bobines ( 9) et ( 10) sont reliées par le multiplexeur ( 17) à un amplificateur différentiel ac- cordé ( 20) après passage dans un organe d'alarme ( 25- 26) par exemple du type comparateur de tension L'organe amplificateur accordé ( 20) est connecté lui-même à l'organe de lecture ( 21) formé soit par un oscillographe soit par un casque d'écouteurs, soit par un fréquence- mètre. Cet appareil facilement transportable convient par- faitement pour la détection de sites archéologiques (archéomagnétisme). Dans une variante, l'ensemble (barre 1, manche 12, ) ets démontable pour être facilement transportable. Exemple 2: (voir figures 5 et 6) Ici, la barre ( 1) porte un troisième résonateur ( 30) avec sa bobine ( 31) en série entre les deux autres bobines d'extrémités ( 9) et ( 10) et la barre rectiligne de manipulation ( 12) a été remplacée par une barre en forme de U ( 32) soudée à la barre horizontale ( 1), cette barre ( 32) portant deux poignées de manipulation ( 33) et ( 34). Les deux premières phases de prépolarisation et d'évacuation s'effectuent comme précédemment, c'est- à-dire bobines en série. De même que précédemment, lors de la phase de dé- tection, les bobines ( 9-30 et 10) initialement placées en série sont coupées pour être placées parallèles (voir figure 6) Ainsi, lors de cette phase, les entrées des bobines sont placées à la masse alors-que leurs sorties sont connectées respectivement: tout d'abord au multiplexeur ( 7), ensuite à deux amplificateurs accordés ( 35-36) - après passage dans un organe d'alarme ( 37, 38,39) éga- lement du type comparateur de tension; à deux écouteurs ( 40-41), cecqui permet d'avoir une détection stéréophonique. Ces écouteurs ( 40-41) peuvent être remplacés comme précédemment soit par un oscillographe à deux voies, soit par un oscilloscope à deux pistes ou'par deux fréquencemètres. Ce dispositif permet grâce aux trois bobines, de détecter un signal même lorsque la source magnétique est à égale distance de deux bobines, et grâce au système d'alarme, de détecter des gradients très intenses, donc rapidement amortis, et également une indication immédiate de la direction o se situe la source à détecter. De la sorte, ce système peut être utilisé avec succès pour détecter un gradient de champ artificiel crée par des matériaux ferromagnétiques ou paramagné- tiques à des profondeurs moyennes A titre d'exemple, on peut détecter un aimant placé à quatre mètres alors que les meilleurs dispositifs comparables actuels ne permettent guère d'aller au-delà de un mètre. Exemple 3 Pour la détection de corsp enseveli sous la neige, avec utilisation d'un dispositif selon l'un des deux exemples précédents. Il suffit pour cela que le skieur porte sur lui un aimant qui s'orientera automatiquement dans la direc- tion Nord-Sud par rapport à la verticale afin d'obtenir l'effet optimum. Dans ce cas, il est souhaitable que l'orientation de l'aimant soit telle que son champ soit dans la même direction que te champ magnétique terrestre On obtient ce résultat par l'effet de la pesanteur Pour ce faire, l'aimant est monté mobile dans toutes les directions et son centre de gravité est positionné de telle sorte il - que l'on obtienne le gradient de champ le plus grand possible dans la zone de recherche située généralement au-dessus de l'aimant. Cet aimant (voir figure 6) ( 50) qui a la forme d'une sphère tronquée, est placé dans une bulle sphé- rique ( 51) en matière plastique dont le volume résiduel est rempli d'huile ( 52) Une dragone ( 53) permet au skieur de passer cet aimant autour de son bras sous l'anorak afin de ne pas être gêné lors de la pratique du ski. Si par malheur, lé skieurz se trouve enseveli sous la neige, la localisation de l'aimant ( 50) sera précise grâce aux dispositifs selon l'exemple 1 ou 2 et le skieur pourra être sauvé. Le dispositif selon l'invention présente de nom- breux avantages par rapport aux dispositifs actuels comparables On peut citer la facilité de construction et de mise en oeuvre même par des non spécialistes; la légèreté qui le rend transportable et auto- nome la possibilité d'avoir une lecture immédiate et sur place une sensibilité très nettement améliorée puisque, comme déjà dit, on peut détecter des objets à des profondeurs de l'ordre de cinq mètres contre un mètre actuellement avec les systèmes les plus performants le fait que tout signal correspond nécessairement à un gradient de champ, ce qui évite les fausses détec- tions: De la sorte, ce dispositif peut être utilisé avec succès pour la détection d'éléments ferro ou paramagné- tiques à faibles profondeurs, tels que des éléments naturels': sites archéologiques, minerais, détec- tions des failles de terrains, artificiels: corps ou objets ensevelis acciden- -tellement dans la boue, dans du sable, dans des terrains 12 - marécageux, dans des étangs ou sous de la neige ou même des corps ou objets ensevelis volontairement tels que des bornes de limitation de terrains, des conduites enterrées et leurs bornes, des mines explosives, etc 13 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la détection et la mesure du gradient d'Un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen capteur du champ magnétique constitué par * au moins deux systèmes-résonateurs protoni- ques ( 2-3) formés chacun par une bobine ( 9-10) dont l'axe est perpendiculaire au champ magnétique à détecter et par un échan( tillon de proton résonnant ( 8) placé à l'in- térieur desdites bobines ( 9-10), un support non ferromagnétique sur lequel sont fixés les systèmes résonateurs protoni- ques ( 2-3), à une distance fixe mais régla- ble, destiné-à permettre le déplacement de l'ensemble sur le sol, une source de courant électrique continu ( 16) reliée aux bornes ( 14-15) des bobines ( 8 9); un moyen ( 17) apte à évacuer l'énergie accumulée dans lesdites bobines ( 9-10) un moyen lecteur destiné à recueillir les informa. tions données par les bobines ( 9-10) constitué par un organe amplificateur accordé ( 20,35,36) résonnant Sur la fréquence du champ magné- tique, un organe de sommation des signaux émis par chaque bobine ( 9-10), un organe de détection ( 21,40,41) du batte- ment de fréquence un multiplexeur ( 17) destiné à connecter les bobines ( 9-10) soit sur la source de courant ( 16) soit aux moyens évacuateur ou lecteur. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines ( 8-9) sont placées en série à chacune des extrémités du support ( 1). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé 14 - en ce qu'il comporte trois bobines ( 8,9,31) placées en série sur le support ( 1). 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'échantillon de proton réson- nant ( 8) placé dans les bobines ( 9,10, 31) est constitué par un élément choisi dans le groupe constitué par l'eau, l'eau additionnée d'alcool, le benzène et les gels ne modifiant pas le temps de relaxation de l'élément réson nant ( 8). 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bobines ( 8,9,30,31) sont pla- cées perpendiculairement au champ magnétique terrestre à détecter et sont toroldales. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe de détection des batte- ments ( 21) e t formé par un oscillographe, un oscillos- cope ou un casque d'écouteurs ou un fréquencemètre relié aux amplificateurs ( 20,35,36). 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un organe d'alarme ( 25-26-3738-39) connecté aux bobines ( 8-9,31) qui s'enclenche dans le cas o l'un des signaux émis par l'une des bobines ( 9-10-31) a un amortissement au moins deux fois plus court que le temps de relaxation normal des protons. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le multiplexeur ( 17) forme conjoin- tement système évacuateur d'énergie en permettant pendant un temps déterminé soit la mise à la masse soit en créant une contre tension. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que pendant la phase de détection, les bobines ( 9-1031) initialement placées en série sont coupées pour être placées en parallèle. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la source de courant électrique ( 16), le moyen ( 17) apte à évacuer l'énergie, l'ensemble - lecteur: amplificateur ( 20-35-36), l'organe de somma- tion et l'organe de détection ( 21-40-41) et le multi- plexeur ( 17) sont situés dans un sac placé dans le dos du manipulateur.