Brevet FR2549281A1 — publié le 19850118

AIMANT SUSCEPTIBLE DE CREER UN CHAMP MAGNETIQUE UNIFORME L'invention concerne un aimant susceptible de créer un champ magnétique sensiblement uniforme dans toute une région de l'espace. L'invention est particulièrement utilisable pour produire le champ magnétique de base ou "champ orientateur" d'un système d'imageries par Résonnance Magnétique Nucléaire. Pour l'imagerie RMN, il est nécessaire de disposer d'un champ magnétique relativement important et surtout bien uniforme dans tout un volume d'examen où lton place l'objet à examiner. La réalisation d'aimants susceptibles de fournir un champ d'uniformité et d'intensité convenable dans un volume suffisant s'est heurtée à des problèmes techniques importants. L'un des problèmes à résoudre était le choix de la technologie d'aimant susceptible de produire un champ présentant les caractéristiques mentionnées ci-dessus. Parmi les différentes solutions possibles, on s'est principalement orienté vers des aimants à bobines sans fer : jeu de bobines résistives coaxiales ou bobines en état de supra-conductivité. Les aimants à carcasse de fer n'ont pas été expérimentés parce qu'on pensait très généralement que les inhomogénéltés dans le fer auraient des répercussions directes sur l'homogénéité du champ magnétique. L'invention découle principalement de la constation contraire pendant la mise au point d'aimants à fer pour des applications très différentes dans le domaine des accélérateurs de particules. On a à cette occasion constaté une homogénélté du champ magnétique créé très supérieure à ce qui était attendu malgré un rapport très défavorable entre la distance parcourue par les lignes de flux dans le fer d'une part et dans l'entrefer d'autre part, ce rapport étant de l'ordre de 60.Partant de cette constatation, l'invention a consisté à imaginer une structure d'aimanttunnel, utilisable en RMN dans lequel, de surcroît, le rapport défini ci-dessus serait nécessairement modifié par construction, dans un sens favorable. Dans cet esprit, I'invention concerne donc essentiellement un aimant susceptible de créer un champ magnétique sensiblement uniforme dans une région de l'espace, caractérisé en ce qu'il comporte une carcasse en matériau ferro-magnétique formant un tunnel d'axe rectiligne à sections rectangulaires et définissant un entrefer, ainsi qu'une bobine dont les conducteurs actifs s'étendent le long de deux parois parallèles dudit tunnel. Avec une telle structure et compte tenu des caractéristiques dimensionnelles imposées du volume d'examen, la section du tunnel est telle que la longueur du trajet des lignes de flux dans la carcasse est du même ordre de grandeur que dans l'entrefer délimitant le volume d'examen, le rapport pouvant varier entre un et cinq. La bobine peut prendre différents aspects. On peut adopter comme on le verra plus loin une bobine "à chignons relevés", soit réalisée à partir d'un conducteur plat en bande ou à partir d'un conducteur creux, ce dernier ayant l'avantage de pouvoir être facilement refroidi par circulation de fluide. - Selon un autre concept, on peut réaliser un unique enroulement d'une bande large de conducteur, comportant deux parties plates et parallèles s'étendant le long des deux parois parallèles - précitées du tunnel et dont les portions d'extrémités comportent des fenêtres découpées, rétablissant Paccès à entrefer, c'est-à-dire au volume d'examen. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation possibles d'un aimant à fer conforme au principe de base de l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:: - la figure 1 est une demie vue en perspective d'un aimant conforme à l'invention, la partie avant étant représentée en coupe transversable; - la figure 2 est une vue en perspective d'une spire de la bobine de l'aimant de la figure 1 - les figures 3 et 4 représentent des vues de détails de deux variantes de formation des chignons relevés de la bobine de l'aimant des figures 1 et 2 - la figure 5 représente une coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un aimant conforme à l'invention; - la figure 6 est une coupe longitudinale de la carcasse ferromagnétique du même aimant; - les figures 7 et 8 illustrent la formation et la configuration finale d'un autre type de bobine utilisable dans le cadre de l'invention. En se référant aux dessins, l'aimant selon l'invention se compose essentiellement d'une carcasse 10 en matériau ferromagnétique, formant un tunnel à section rectangulaire et d'axe rectiligne Z, Z', ainsi que d'une bobine 12 dont les conducteurs actifs 13 s'étendent le long de deux parois parallèles 14, 15 du tunnel. On entend par "conducteurs actifs" les portions rectilignes de chaque spire 16 (figure 2) qui sont à l'intérieur du tunnel et s'étendent parallèlement aux parois 14, 15. Ainsi, chaque spire 16 comporte deux conducteurs actifs 13, parallèles. La carcasse est constituée de quatre plaques de fer de même longueur assemblées entreelles. Deux plaques latérales 18, 19 parallèles, sont par exemple fixées par leurs champs, à deux autres plaques parallèles, respectivement inférieure 20 et supérieure 21. Les faces internes des plaques latérales 18, 19 sont les faces 14 et 15 précitées le long desquelles sont plaqués les conducteurs actifs 13 des spires 16. Selon une particularité importante de l'invention, les conducteurs actifs 13 définissent de chaque côté du tunnel, le long de chaque paroi 14, 15 une nappe de conducteurs de même hauteur h que l'entrefer du tunnel suivant la direction parallèle à l'induction magnétique. Le rapport des largeurs des plaques 18, 19 d'une part et 20, 21 d'autre part est tel que le trajet des lignes de flux dans la carcasse est du même ordre de grandeur que dans l'entrefer, ce qui correspond bien par ailleurs aux caractéristiques dimensionnelles auxquelles le tunnel 11 doit répondre pour pouvoir être utilisé en imagerie RMN puisque l'objet à examiner "typiquement un corps humain" doit être placé le plus possible au centre dudit tunnel. Le rapport précité est voisin de un, près des conducteurs actifs et peut atteindre trois à cinq au centre du tunnel, suivant les proportions transversales données à la carcasse. Dans le cas des figures 1 à 4, la bobine est essentiellement constituée à partir de conducteur plat en bande formant deux bobinages symétriques par rapport à un plan médian PP' du tunnel Il perpendiculaire aux parois parallèles 14 et 15 précitées. Chaque bobinage présente ainsi deux chignons 25 relevés sensiblement à angle droit aux extrémités respectives du tunnel. I1 est en effet indispensable d'avoir recours à ces "chignons relevés" pour avoir accès au tunnel. La figure 3 montre une vue de détail d'une spire au voisinage d'un chignon 25. La portion de bande plate formant le conducteur actif 13 et qui se prolonge à l'extérieur de la carcasse, est recourbée à angle droit (pliage 30) puis coupée. La spire est alors complétée en soudant un tronçon 31 perpendiculairement à l'ex- trémité coupée.Quatre connexions soudées de ce genre permettent de reconstituer la spire de la figure 2. Une autre possibilité est illustrée à la figure 4 où après le pliage 30 à angle droit, on replie complètement le transducteur de 1800, suivant une ligne faisant un angle de 450 avec la direction de ladite bande plate, ce qui évite la soudure. La figure 5 illustre une variante de la bobine. Celle-ci est constituée à partir de conducteur creux 35. I1 s'agit d'un tube à section externe sensiblement carrée, le conduit interne étant de section circulaire. Un tel type de conducteur est couramment utilisé dans le domaine des accélérateurs de particules (cyclotrons par exemple). Bien entendu, la bobine ainsi constituée est reliée à des moyens d'alimentation de fluide de refroidissement, non représentés. Comme dans l'exemple précédent, la bobine se subdivise en deux bobinages symétriques par rapport au plan médiant PP' perpendiculaire aux deux parois parallèles 14, 15 et ces bobinages présentent chacun des chignons relevés à angle droit, aux extrémités respectives du tunnel, de sorte que l'allure générale d'une spire est la même qu'à la figure 2. La carcasse est la même que précédemment mais les figures 5 et 6 montrent en outre une autre particularité de celle-ci qui n'était pas visible sur la figure 1. Selon une autre caractéristique utile de l'invention, en effet, l'entrefer est resserré aux extrémités du tunnel par des saillies en matériau ferromagnétique 37 (connues sous le nom de "shims" dans la technique) s'étendant le long des bords des deux autres parois 38, 39 du tunnel, c'est-à-dire celles qui sont définies par les plaques 20, 21.Les figures 7 et 8 illustrent un autre type de bobine utilisable avec la carcasse des figures 1, 5 et 6, ainsi que la formation de cette bobine. On commence en effet par réaliser un unique enroulement 40 (figure 7) d'une large bande de conducteur plat. Les spires ont une section sensiblement rectangulaire de façon que la bobine comporte deux parties plates et parallèles, 41 et 42, dans le sens longitudinal, dont l'écartement hors tout (distance d sur la figure 7) correspond à celui des parois parallèles 14 et 15 définies précédemment. Pour pouvoir utiliser une telle bobine sans perdre l'accès à l'entrefer, il est au minimum nécessaire de découper deux fenêtres 44, 45 (figure 8) dans les portions. d'extrémité de la bobine qui s'étendent transversalement aux parties plates 41, 42 précitées.En outre, pour que la hauteur des fenêtres soit égale à celle de l'entrefer disponible, on prévoit une bobine de hauteur supérieure à cet entrefer et on pratique une encoche à fond plat 46 le long de chaque bord de chaque partie plate 41 ou 42 pour que la distance séparant le fond de deux encoches d'une même partie plate corresponde à la hauteur h du tunnel formant l'entrefer. Après l'usinage des fenêtres 44 et des encoches 45, on élimine les court-circuits entre spires par ébavurage électrolytique. Tous les modes de réalisation des aimants décrits ci-dessus peuvent être, et en général sont, pourvus de conducteurs supplémentaires de correction, placés dans le tunnel parallèlement et perpendiculairement aux conducteurs actifs. Ils sont alimentés par des moyens d'alimentation en courant continu distincts de ceux de la bobine principale et réglables indépendemment. Le nombre et les emplacements de ces conducteurs de correction pourront être déterminés expérimentalement. Par exemple, on utilisera longitudinalement au moins quatre conducteurs de ce genre répartis au voisinage et le long des jonctions des quatre faces du tunnel, pour rendre le champ homogène dans une grande région selon une coupe perpendiculaire à l'axe du tunnel. Cette correction importante est de nature géométrique spécifique de l'invention. D'autres conducteurs longitudinaux permettront des corrections liées aux "imperfections" des bobines et du fer. Les conducteurs transversaux permettront d'affiner les corrections de nature géométrique approchées à l'aide des saillies (ou "shims"). REVENDICATIONS 1. Aimant susceptible de créer un champ magnétique sensiblement uniforme dans une région de l'espace, caractérisé en ce qu'il comporte une carcasse (10) en matériau ferro-magnétique formant un tunnel (11) d'axe (ZZ') rectiligne à section rectangulaire et définissant un entrefer, ainsi qu'une bobine (12) dont les conducteurs actifs (13) s'étendent le long de deux parois parallèles (14, 15) dudit tunnel. 2. Aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits conducteurs actifs (13) définissent le long de chaque paroi (14, 15) précitée une nappe de conducteurs de même hauteur que ledit entrefer, dans la direction parallèle à l'induction. 3. Aimant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la longueur du trajet des lignes de flux dans ladite carcasse est du même ordre de grandeur que dans l'entrefer. 4. Aimant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit entrefer est resserré aux extrémités dudit tunnel par des saillies (37) en matériau ferro-magnétique (ou shims) s'étendant le long des bords des deux autres parois (38, 39) de ce tunnel. 5. Aimant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite bobine est essentiellement constituée à partir de conducteur plat en bande formant deux bobinages symétriques par rapport à un plan médian (P, P') dudit tunnel (11) perpendiculaire aux parois parallèles (14, 15) précitées et présentant chacun deux chignons (25) relevés sensiblement à angle droit aux extrémités respectives dudit tunnel. 6. Aimant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite bobine est essentiellement formée d'un unique enroulement (40) d'une bande large de conducteur plat comportant deux parties plates et parallèles (41, 42) dont l'écartement hors tout (d) correspond à celui desdites parois parallèles (14, 15) et en ce que des fenêtres (44, 45) sont découpées dans les portions d'extrémités de la bobine qui s'étendent transversalement auxdites parties plates, pour permettre l'accès audit entrefer. 7. Aimant selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une encoche à fond plat (46) est pratiquée le long de chaque bord de chaque partie plate (41, 42) précitée pour que la distance h séparant le fond de deux encoches d'une même partie- plate corresponde à la hauteur dudit entrefer. 8. Aimant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite bobine est constituée à partir de conducteur creux (35) formant deux bobinages symétriques par rapport à un plan médian (PP') dudit tunnel perpendiculaire aux parois parallèles (14, 15) précitées et présentant chacun deux chignons relevés sensiblement à angle droit aux extrémités respectives dudit tunnel, et en ce que ladite bobine est -connectée à des moyens d'alimentation en fluide de refroidissement. 9. Aimant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par des conducteurs supplémentaires de correction, placés dans ledit tunnel. 10. Aimant selon la revendication 9, caractérisé en ce que ces conducteurs supplémentaires de correction sont au moins au nombre de quatre répartis au voisinage et le long des jonctions des quatres faces dudit tunnel.