Brevet FR2543747A1 — publié le 19841005

La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour produire une résonance magnétique nucléaire. L'invention concerne plus particulièrement le pompage opti- que perfectionné d'une cellule à résonance magnétique nucléaire. L'utilisation de la résonance magnétique nucléaire (qu'on appellera ciaprès "RMN"} dans un gyroscope est décrite dans le brevet US 4 157 495. Le gyroscope décrit dans le brevet précité fonc- tionne selon le principe de la détection de la vitesse de rotation angulaire ou du déplacement angulaire inertiel autour d'un axe sensible, sous la forme d'un décalage res- pectivement de la fréquence ou de la phase de la précession de Larmor d'un ou de plusieurs isotopes qui possèdent des moments magnétiques nucléaires. Le gyroscope comprend un capteur de rotation angulaire et des circuits électroniques associés Les prin- cipaux éléments du capteur sont une source de lumière, une cellule de RMN, un photodétecteur, un ensemble de blindages magnétiques et un ensemble de bobines de génération de champs magnétiques Les principaux éléments des circuits électroniques sont des circuits de traitement de signal destinés à extraire l'information de fréquence et de phase de la précession de Larmor, ainsi que des circuits destinés à produire et à commander divers champs magnétiques, cer- tains fixes et d'autres variant de façon sinusoïdale en fonction du temps, qui sont nécessaires au bon fonctionne- ment du dispositif. La cellule de RMN est montée à l'intérieur d'un ensemble de blindages magnétiques afin d'atténuer les champs magnétiques externes jusqu'à des niveaux suffisam- ment bas pour être acceptables On utilise des bobines de génération de champs magnétiques pour appliquer des champs magnétiques uniformes à la cellule de RMN On applique à la fois un champ fixe et un champ porteur alternatif dans la direction de l'axe sensible du dispositif, et on applique un champ de réaction alternatif dans la direction de l'un des axes transversaux On commande les champs magnétiques conti- nus dans les directions des deux axes transversaux de façon qu'ils soient pratiquement égaux à zéro La cellule de RMN contient une vapeur d'un seul métal alcalin, comme le rubi- dium, ainsi que deux isotopes d'un ou de plusieurs gaz rares, comme le krypton ou le xénon La cellule peut égale- ment contenir un ou plusieurs gaz tampons, comme de l'hélium ou de l'azote. Comme il est décrit dans le brevet précité, la cellule de RMN est éclairée par un faisceau de lumière en polarisation circulaire qui provient d'une lampe au rubi- dium et qui traverse ensuite la cellule sous un certain angle par rapport au champ magnétique fixe L'absorption d'une partie de cette lumière entraîne un alignement partiel des moments magnétiques atomiques des atomes de rubidium dans la direction du champ magnétique fixe Cet alignement est partiellement transféré aux moments magnétiques nucléai- res des gaz rares, et ces moments sont soumis à un mouvement de précession autour de la direction du champ magnétique fixe, ce qui a pour effet de créer des champs magnétiques qui tournent aux fréquences de précession de Larmor respec- tives des deux gaz rares Ces champs magnétiques tournants modulent les mouvements de précession des moments magnéti- ques du rubidium, ce qui produit des modulations correspon- dantes de la lumière transmise, permettant ainsi de détecter par des moyens optiques les fréquences de précession de Larmor des deux gaz rares. Un photodétecteur convertit en signaux électriques les modulations de l'intensité lumineuse, et ces signaux sont ensuite démodulés et filtrés de façon électronique pour produire des signaux aux fréquences de précession de Larmor des deux gaz rares On utilise la différence entre les deux fréquences de précession pour commander le champ magnétique fixe de façon qu'il soit pratiquement constant On soustrait d'une fréquence'de référence de précision l'une des fré- quences de précession des gaz rares, et on utilise la fré- quence de différence résultante en tant que mesure de la vitesse de rotation angulaire du gyroscope La valeur d'un moment magnétique nucléaire individuel est extrêmement fai- ble, la condition d'équilibre naturel étant une condition dans laquelle il existe une orientation presque aléatoire des moments dans un ensemble d'atomes On utilise des techniques pour orienter une fraction notable de tels moments magnétiques dans uné seule 'direction, de façon à produire un moment magnétique macroscopique, et par consé- quent un signal mesurable - Les moments magnétiques alignés du système d'ato- mes correspondant à un seul métal alcalin et des systèmes d'atomes correspondant aux deux gaz rares sont sujets à des mécanismes de relaxation qui tendent à réduire leur aligne- ment au cours du temps, vers une orientation d'équilibre aléatoire Chaque système de moments est caractérisé par une constante de temps de relaxation individuelle qui dépend des sortes et des quantités de tous les constituants et de l'environnement global dans la cellule L'alignement frac- tionnaire en régime permanent de chaque système de moments est fonction à la fois de la vitesse de pompage optique et du temps de relaxation du système. La lampe à vapeur de métal alcalin alimentée par de l'énergie RF qu'on utilise pour le pompage optique et la détection magnétométrique dans un gyroscope à RMN du type décrit ci-dessus, produit, lorsqu'elle est correctement accordée, un spectre de fréquence de sortie qui constitue une excellente approximation du spectre d'absorption de la vapeur de rubidium dans la cellule de RMN Une telle coin- cidence des spectres est inhérente à l'utilisation de la même vapeur de métal alcalin dans un milieu d'émission et dans un milieu d'absorption. 2543747- Bien que la lampe à vapeur de métal alcalin alimen- tée par de l'énergie RF ait procuré un pompage optique acceptable de la cellule de RMN, ce type de source de lumière est caractérisé par une taille, un poids et une consommation d'énergie relativement élevés De telles caractéristiques ont, en fait, rendu le gyroscope à RMN impropre pour certai- nes applications et n'ont donné à ce dispositif qu'un inté- rêt marginal dans d'autres applications. La diode laser est une source optique qui possède des caractéristiques fonctionnelles favorables par rapport à la lampe à vapeur, dans les domaines de la taille, du poids et de la consommation d'énergie Outre les gains relatifs sur les exigences d'encombrement et de consommation que per- met un tel dispositif, l'utilisation de lumière laser intro- duit dans le processus de pompage optique l'avantage de la possibilité d'accord en fréquence et d'une collimation éle- vée du faisceau. Un inconvénient associé à l'utilisation de la lumière d'un laser, au lieu de celle d'une lampe à vapeur, résulte du fait que sa largeur de bande est par nature étroite Bien que la largeur de bande étroite d'émissions laser soit une propriété très avantageuse pour de nombreuses applications, elle limite le niveau de signal de RMN qui peut être produit, du fait de la non-utilisation d'une par- tie notable du spectre d'absorption de la vapeur de rubi- dium (ou dlun autre métal alcalin) dans la cellule de RJ 4 N. L'invention aborde et résout les problèmes préci- tés de l'art antérieur, ainsi que d'autres, en procurant, selon un premier aspect, un procédé de pompage optique d'une cellule de RMN Le procédé comprend les opérations consistant à diriger vers la cellule un faisceau de lumière en polarisation circulaire et à faire varier le profil spectral de la lumière laser pour obtenir une approximation du profil d'absorption de la cellule. Un second aspect de l'invention porte sur un dis- 254314 ? positif de pompage optique d'une cellule de RMN Un tel dis- positif comprend la combinaison d'une diode laser et de moyens destinés à moduler la diode de façon que le profil spectral de la lumière laser émise par la diode constitue une approximation du profil d'absorption de la cellule. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels les éléments semblables sont toujours désignés par les mêmes références numériques, et sur lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un capteur de rotation à RMN comportant un dispositif de pompage optique conforme à l'invention; La figure 2 est une représentation schématique fonctionnelle d'une cellule de RMN ayant pour but d'illus- trer un processus de pompage optique par laser conforme à l'invention; La figure 3 est une représentation graphique du spectre d'absorption Dl du rubidium; La figure 4 est un graphique représentant les spectres de sortie produits par une diode laser de type ML 4001-5340 attaquée par des courants d'injection modulés conformément à l'invention et non modulés; et La figure 5 est une représentation graphique de la caractéristique donnant la longueur d'onde en fonction du courant d'injection pour la diode laser ML 4001-5340. La figure 1 montre une représentation schémati- que d'un capteur de rotation ou gyroscope du type à RMN ayant une configuration conforme à l'invention et utilisant le pompage optique conformément à l'invention Dans le gyroscope, on utilise de la lumière laser, et non celle émise par une lampe à vapeur de métal alcalin, pour réaliser à la fois la génération d'une quantité de mouvement angu- laire (c'est-à-dire un pompage optique) et le processus de détection de signal. Le système comprend des diodes laser 10, 12, pour accomplir respectivement les processus de pompage et de détection Ces diodes peuvent être des diodes du type Ga Al As fonctionnant en régime continu Dans un mode de réa- lisation effectif du système, on a employé pour les deux processus des diodes laser commercialisées par la firme Mitsubishi Corporation sous la référence ML 4001-5340 Les températures de fonctionnement de ces lasers sensibles à la température sont régulées par des éléments de chauffagel refroidissement thermoélectriques 14, 18, sous la commande de dispositifs de commande de température respectifs 16 et Un générateur de courant de diode laser, 22, fournit un courant d'injection pour commander l'émission du laser 10. (Le laser 12 est également excité par un dispositif qui lui applique un courant dtinjection (non représenté); cepen- dant, contrairement au dispositif associé à la diode laser 12, le générateur de courant de diode laser 22 utilise des circuits de mise en forme de signal et de synchronisation, de type classique, pour moduler le courant de sortie d'une alimentation associée, conformément à l'invention) Comme on le verra ci-après, le courant de sortie du générateur de courant 22 module le spectre de fréquence du laser 10 pour améliorer les performances du système. Le faisceau de lumière qui est émis par le laser tombe sur un polariseur circulaire 24 qui peut être une lame quart d'onde Après avoir traversé le polariseur 24, il entre dans une cellule de RMN 26 Certaines interactions atomiques et électroniques qui se produisent dans la cellule 26 sous l'effet de la lumière laser et qui sont essentielles au fonctionnement du dispositif à RMN seront envisagées ci-après en relation avec la figure 2 La température des éléments à l'intérieur de la cellule de RMN 26 est régulée avec soin au moyen d'un élément de chauffage/refroidissement 28, en association avec un dispositif de commande de tempé- rature 29 Des bobines de génération de champ magnétique 42 établissent un champ magnétique local autour de la cellule 26, tandis qu'une double couche de blindage magnétique 44 atténue les effets de champs magnétiques externes. Le faisceau laser qui émerge de la diode 12 est dirigé de façon à traverser la cellule de RMN 26 dans une direction transversale par rapport au faisceau provenant de la diode 10, et il est ensuite dirigé vers un-circuit de détection opto-électronique, par la configuration de miroirs 30, 32 et 34 qui est indiquée; Comme il est bien connu dans la technique, le champ de RMN animé d'un mouvement de pré- cession qui est créé à l'intérieur de la cellule, 26 module l'activité optique de la vapeur de rubidium à l'intérieur de la cellule; par conséquent, le faisceau qui provient de la diode 12, après avoir traversé la cellule 26, est modulé de façon optique en correspondance avec cette activité. Après réflexion sur le miroir 34, le faisceau de détection traverse un polariseur de sortie 36 qui diminue le bruit dans le faisceau (il s'agit essentiellement de bruit limité par les quanta des photons) L'intensité du faisceau de sortie est transformée en un signal électrique lorsque ce faisceau tombe sur un photodétecteur au silicium classique 38, et les données de rotation désirées sont extraites du signal au moyen de circuits électroniques de traitement de signal 40, de type approprié. La figure 2 est un schéma de principe montrant, pour chacun des gaz rares contenus dans la cellule 26, les processus de pompage optique et de modulation de l'intensité de la lumière qui est transmise à-travers la cellule Du fait que ces processus sont similaires pour les deux gaz rares employés, ils ne sont représentés et décrits que pour un seul'de ces gaz La lumière de pompage en polarisation circulaire 46, qui entre dans la cellule de RMN 26,est dirigée selon l'axe z indiqué, et la lumière de détection 48 qui provient de la diode laser 12 est dirigée selon l'axe x indiqué Sous l'effet des interactions enzrea iumiére de pompage optique 46 et un champ mafietue fixe 50, produit par les bobines 42 (représentées sur la Mgure l -, 'es moments magnétiques d'atomes de rubidium 52 s'alignent de façon préférentielle dans la direction z Cet alignement des moments magnétiques est en-suite transféré des atomes de - rubidium 52 vers les noyaux de gaz rare 54 par un processus d'échange de spin. Un champ magnétique de réaction alternatif sinu- soïdal 56, qui coincide en fréquence et en phase avec la fréquence de précession de Larmor du moment magnétique collectif des noyaux de gaz rare 54, est appliqué dans la direction x et a pour action d'exercer un couple sur le moment magnétique des noyaux pour l'amener dans le plan x-y Cette composante de moment magnétique nucléaire du gaz rare accomplit alors une précession dans le plan x-y autour du champ magnétique fixe 50, à la fréquence de précession de Larmor du gaz rare Le moment magnétique nucléaire soumis à une précession crée un champ magnétique de précession nucléaire d'intensité ha, qui tourne dans le plan x-y avec une composante dans la direction y qui est égale à (hacoswat). La lumière de détection 48 donne lieu à une interaction avec les atomes de rubidium 52, qui sont sous l'influence du champ magnétique fixe 50, d'un champ magnéti- que porteur alternatif superposé 58 et de la composante y du champ de précession nucléaire ha Cette interaction a pour effet de moduler à la fréquence porteuse c l'intensité de la composante x de la lumière transmise 60 Cette lumière modulée est ensuite convertie en signaux électriques par le photodétecteur au silicium 38 La figure 3 est une représentation graphique du spectre d'absorption mesuré pour la transition Dl (qui peut se produire dans la gamme de fréquence de la lumière laser) de la vapeur de Rb 87 dans une cellule de RMN du type Rb Xe. g En plus de 10 à 20 microgrammes de métal Rb 87 purifié, la cellule contenait également environ 66 Pa de Xe 129, 266 Pa de Xe 131, 13 300 Pa d'hélium et 5320 Pa d'azote gazeux Les raies marquées "cl, 'Id", "le"' et "f" indiquent la structure hyperfine de la transition Dl On a maintenu la cellule à 800 C, et, dans ces conditions, le spectre d'absorption résultant consiste en deux composantes larges, avec un écart de fréquence entre les pics d'environ 6,8 G Hz La forme de la courbe d'absorption traduit les divers effets d'élargissement résultant de l'effet Doppler, de la température, de la pression et des collisions, et elle représente une mesure statistique de la probabilité qu'une transition Dl ait lieu sous l'effet de l'application d'une gamme de longueurs d'onde d'énergie à la cellule de RMN. Diverses longueurs d'onde (et fréquences) de rayonnement correspondent à différents niveaux d'énergie. Lorsqu'un rayonnement en polarisation circulaire, comme le faisceau optique provenant de la diode laser 10, est absorbé, il produit non seulement un changement dans l'état d'énergie de la vapeur de rubidium, mais également un chan- gement résultant de la quantité de mouvement angulaire des atomes de rubidium Ce changement résultant de quantité de mouvement angulaire, nécessaire au fonctionnement d'un gyroscope à RMN, traduit le peuplement différentiel des divers états atomiques qui, conformément à la théorie quan- tique, décrit un atome de rubidium donné. Comme il résulte implicitement de la courbe de la figure 3, la cellule de RMN peut absorber une gamme de fré- quences d'énergie laser et, comme décrit ci-dessus, une telle absorption aura en partie pour effet d'augmenter la quantité de mouvement angulaire des atomes de rubidium. Comme mentionné ci-dessus, une telle quantité de mouvement angulaire est ensuite transférée aux noyaux des gaz rares contenus dans la cellule, qui peuvent alors prendre un mou- - vement de précession dans un champ magnétique local, ce qui produit un signal de sortie. La figure 4 est une représentation graphique des spectres de sortie (intensité en fonction de la longueur d'onde) que produit une diode laser ML 4001-5340 attaquée par des courants d'injection modulés conformément à l'inven- tion (ligne continue) et non modulés (ligne en pointillés). La courbe en ligne continue a été obtenue en attaquant la diode avec un courant carré à 10 k Hz, fourni par le générateur- de courant de diode laser 22, ayant une amplitude crête à crête de 2,8 m A et une composante continue de 21 m A Pour la courbe particulière représentée sur la figure 4, la diode laser 10 a été maintenue à 240 C par l'élément de chauffage/ refroidissement 14 et le dispositif de commande de tempéra- ture 16 Comme on peut le voir, le spectre de sortie résul- tant de la diode laser 10 est considérablement modifié par rapport au spectre de sortie lorsque la diode est attaquée uniquement par du courant continu Ainsi, le signal de sor- tie d'une diode laser modulée conformément à l'invention donne un spectre d'intensité à deux pics pour une puissance d'entrée donnée En retournant à la figure précédente, on peut voir que l'intensité de l'émission laser de sortie est étalée sur une gamme de fréquence du fait de l'utilisation d'un courant d'injection modulé en alternatif, de façon à coincider plus étroitement avec le spectre d'absorption de la cellule de RMN que ne le fait le spectre de sortie d'une diode laser attaquée par un courant d Finjection purement continu En comparant les deux courbes de la figure 4, on note que le spectre de sortie en pointillés de la diode attaquée uniquement en continu indique une concentration relative de l'énergie laser dans un spectre étroit qui peut au mieux être accordé de façon à coïncider avec un seul des deux pics du spectre d'absorption de la cellule de RMN. Ceci diffère nettement de la forme du spectre de sortie du laser attaqué par un courant d'injection modulé en alterna- il tif qui, comme on peut le voir, s'approche de plus près de la forme du spectre d'absorption. Du fait de la coïncidence notablement améliorée entre le spectre d'émission du laser et le spectre d'absorption du rubidium, on voit qu'en modulant l'émission de sortie du laser conformément à l'invention, une plus grande quantité d'énergie produite par le laser sera absor- bée par les atomes et les électrons dans la cellule, augmen- tant ainsi la quantité de mouvement angulaire communiquée aux atomes de rubidium, et donc le niveau du signal produit par le système d'ensemble. On pourrait obtenir une augmentation comparable de l'absorption de la lumière laser en augmentant la tempéra- ture de la cellule et donc la densité de Rb Ce procédé diminuerait la durée de relaxation transversale du moment nucléaire des gaz rares et dégraderait donc les performances du gyroscope Le procédé de l'invention est particulièrement important dans le cas d'une faible densité de vapeur de Rb, lorsque la vitesse de pompage de la diode laser dépasse notablement la vitesse d'échange de spin Rb-Rb, ce qui est une condition qui existe dans le cas du gyroscope à RMN Rb-Xe En modelant le profil des raies d'émission, en moyenne temporelle, de façon à le faire correspondre au pro- fil d'absorption, on parvient àaun pompage plus efficace sans dégradation de la précession des moments nucléaires des gaz rares. Lorsqu'on produit un courant d'injection conformé- ment à l'invention, le courant alternatif doit osciller avec une fréquence telle que sa période d'oscillation ne dépasse pas la constante de temps de relaxation des atomes de rubi- dium En choisissant ainsi la forme du signal modulant, on bénéficie de la forme du profil d'absorption de la cellule de RMN Si la période des oscillations du courant modulant, et les périodes résultantes de l'intensité de deux longueurs d'onde de sortie distinctes (bien qu'élargies) qui en résul- tent, dépassaient la constante de temps de relaxation du rubidium, l'effet de moyenne temporelle d'un profil de laser à deux pics disparaîtrait, privant ainsi le système de pompa- ge des avantages décrits ci-dessus du spectre d'intensité de sortie élargi, à deux pics, de la courbe en trait continu, qui coîncide plus étroitement avec le spectre d'absorption de la cellule de RMN. La figure 5 est un graphique de la longueur d'onde de sortie en fonction du courant d'injection pour une diode laser ML 4001-5340 fonctionnant à 23 C Comme on peut le voir, la courbe présente une série de plages de réponse linéaire et illustre le choix d'un point de fonctionnement autour duquel la fréquence de sortie du laser peut être modu- lée de façon progressive et continue sur une gamme de 6,8 G Hz. On a trouvé qu'en choisissant de façon appropriée la forme du courant de modulation du laser, il était possi- ble de produire un spectre de sortie tel que celui représenté sur la figure 4 On a sélectionné l'onde carréeparticulière choisie en faisant osciller le courant autour d'une valeur continue correspondant à la longueur moyenne de la structure hyperfine Dl (c'est-à-dire la longueur d'onde moyenne des raies c, d, e et f) Comme mentionné ci-dessus-, on choisit la fréquence de la composante alternative du signal de façon que la période du signal ne dépasse pas la constante de temps de relaxationdu rubidium, et on choisit les valeurs crête à crête du courant d'attaque de façon que les pics de l'émission du laser coïncident de façon générale avec les pics du spectre d'absorption du rubidium. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, on peut remplacer les éléments décrits ici par des éléments comparables, on peut régler le rapport cyclique du signal modulant de façon à produire des hauteurs de pics inégales dans le profil à deux pics, et on peut utiliser des signaux de courant alternatif modulant le laser pour amélio- rer la correspondance entre l'émission du laser et les spectres d'absorption de RMN. REVENDICATIONS 1 Procédé de pompage optique d'une cellule de résonance magnétique nucléaire, caractérisé en ce que: (a) on dirige vers la cellule ( 26) un faisceau de lumière laser en polarisation circulaire; et (b) on modifie le pro- fil spectral de la lumière laser pour le faire correspondre approximativement au profil d'absorption de la cellule ( 26). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on modifie le profil spectral de la lumière laser en modulant une diode laser ( 10). 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on module une diode laser ( 10) en appliquant à cette diode un signal de courant alternatif présélectionné. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit signal est un signal carré ayant une compo- sante continue qui correspond à la longueur d'onde moyenne des composantes hyperfines du spectre d'absorption de la cellule ( 26). Dispositif de pompage optique d'une cellule de résonance magnétique nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: (a) une diode laser ( 10); et (b) des moyens ( 22) destinés à moduler la diode de façon que le profil spectral de la lumière laser émise par celle-ci constitue une approximation du profil d'absorption de la cellule ( 26). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que les moyens de modulation ( 22) comprennent des moyens destinés à fournir un signal de courant alternatif ayant une composante continue qui correspond à la longueur d'onde moyenne des composantes hyperfines du spectre d'absorption de la cellule ( 26). 7 Dispositif selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que la diode laser ( 10) est du type monomode fonc- tionnant en régime continu. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que la diode laser ( 10) est une diode laser du type Ga Al As.