Brevet FR2551258A1 — publié le 19850301

AIMANT MUNI DE MOYENS DE CORRECTION DE CHAMP POUR CREER UN CHAMP UNIFORME L'invention concerne un aimant muni de moyens de correction de champ, Cest-à-dlre un aimant susceptible d'engendrer, grâce à des moyens de correction, un champ magnétique à haute homo généîté dans une région de l'espace relativement étendue, pour créer, par exemple, le champ magnétique orientateur nécessaire à l'élaboration d'une image par Résonance Magnétique Nucléaire. L'invention concerne plus particulièrement un nouveau concept d'agencement des inévitables conducteurs de correction qu'il est nécessaire d'incorporer à la structure de l'aimant pour compenser les défauts, connus ou non. Différents types d'aimants sont utilisés en RMN pour créer le champ orientateur nécessaire. Parmis ceux-ci, on distingue notamment les aimants sans fer constitués uniquement de bobines alimentées en courant continu, les aimants supraconducteurs dans lesquels un courant élevé et auto-entretenu s'instaure dans les bobines et les aimants à fer qui sont principalement de deux sortes, les uns comportant une carcasse métallique en forme de tunnel à section rectangulaire et une bobine à chignons relevés et les autres constitués simplement d'un solénolde blindé. Bien que le concept de correction de champ qui va etre exposé ci-dessous soit décrit en liaison avec des aimants à fer, il est à noter qu'il peut néanmoins s'appliquer à tous types d'aimants munis d'une bobine. Jusqu'à présent, les constructeurs de tels aimants pour imagerie RMN, se sont surtout attachés à construire l'aimant en prenant toutes les précautions possibles pour réduire, autant que faire se peut, les inhomogénéltés puis, à corriger celles qui n'ont pu être évitées. Les inhomogénéltés résiduelles sont dues principalement à la présence d'interstices sans courant entre les conducteurs actifs de la bobine (ou les spires selon le type de bobinage).Dans cet esprit, il est classique de corriger empiriquement un défaut en introduisant un conducteur supplémentaire le plus près possible d'une zone de défaut de la bobine, localisée avec plus ou moins de certitude selon les cas, et en alimentant séparément ce conducteur. I1 faut en effet noter que certains défauts, bien qu'on ne connaisse pas exactement leur importance, sont assez précisément localisable s'ils découlent de la géométrie de la bobine. D'autres en revanche résultent d'imperfections dans la régularité même du bobinage et peuvent se situer à des emplacements quelconques de l'aimant. Ils peuvent néanmoins être localisés approximativement par l'expérience.On verra que l'invention apporte une solution à la correction de tous ces défauts, connus ou localisables, avec des performances supérieures à celles qui étaient obtenues jusqu'à présent. L'invention propose en effet une correction à un ordre supérieur, remarquable notamment par plusieurs correcteurs de correction pour chaque défaut et une disposition particulière de ces conducteurs vis à vis du défaut et de la zone dans laquelle on désire obtenir un champ uniforme. Dans cet esprit, l'invention concerne un-aimant comportant une bobine alimentée en courant continu pour engendrer un champ magnétique à haute homogénéité dans une région de l'espace et comportant des conducteurs de correction distincts de ladite bobine et destinés à être alimentés séparé ment, caractérisé en ce qu'au moins deux conducteurs de correction sont agencés de part et d'autre d'une zone de défaut de ladite bobine de façon que l'un desdits conducteurs soit disposé approximativement entre ladite zone de défaut et ladite région et que l'autre desdits conducteurs soit disposé au-delà de ladite zone de défaut par rapport à ladite région. Lorsqu'un défaut (matérialisé par une absence de courant à l'intérieur de la bobine) est compensé à partir de deux conducteurs de correction entourant de cette façon la zone de défaut, on constate que la valeur de l'induction magnétique développée par ces conducteurs le long d'un axe Ox traversant la région de l'espace définie à l'intérieur de la bobine et coupant les deux conducteurs de correction, décroit très rapidement en 1/x3 de la bobine vers le centre pour se stabiliser à une valeur relativement constante à peu de distance de la bobine de sorte que la presque totalité de l'espace délimité par cette bobine est utilisable pour l'imagerie RMN, par exemple. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation d'aimant muni de corrections selon 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 représente la forme des spires de la bobine de l'aimant de la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique de détail de cette bobine, avec modélisation d'un défaut et représentation d'un mode de correction de ce défaut selon l'invention; - la figure 4 est un graphe illustrant la correction de la figure 9; - la figure 5 est une vue longitudinale en coupe de l'aimant de la figure 1, montrant des corrections supplémentaires;; - la figure 6 est une vue longitudinale en perspective d'un autre aimant conforme à l'invention, et - la figure 7 illustre des supports de conducteurs de correction utilisables avec la structure d'aimant de la figure 6. En se reportant à la figure 1, on a représenté un type d'aimant connu en soi, utilisable en imagerie RMN et auquel le principe de l'invention peut s'appliquer. Cet aimant se compose essentiellement d'une carcasse 10 en matériau ferro-magnétique, formant un tunnel Il à section rectangulaire (ou carrée) et d'axes Z'Z ainsi que d'une bobine 12 dont les conducteurs actifs s'étendent le long de deux parois parallèles 14, 15 du tunnel. Plus précisément, la bobine est constituée de deux bobinages 16, 17 sensiblement symétriques par rapport à un plan de séparation médian P, P' du tunnel il perpendiculaire aux parois 14 et 15. Ces deux bobinages formant la bobine 12 sont connectés pour être alimentés en commun.Les spires isba, 1 7a de chacun de ces bobinages sont représentées à la figure 2, on voit que l'ensemble de ces spires donne à la bobine 12 des chignons 18 relevés sensiblement à angle droit aux extrémités axiales du tunnel, ce qui permet d'avoir accès à ce dernier Pour de telles spires, les conducteurs actifs précités sont les portions rectilignes 19 situées à l'intérieur du tunnel et s'étendant paralîelement à son axe Z'Z le long des parois 14 et 15. Ainsi, chaque spire 16a ou 17a comporte deux conducteurs actifs parallèles. Ces derniers sont donc structurellement partagés en deux groupes 14a, lfa recouvrant respectivement les parois 14 et 15 aussi parfaitement que les techniques de bobinages mises en oeuvre le permettent.Il ntest cependant guère possible d'éviter complètement l'existence un vide (c'est-à-dire d'une zone sans courant lorsque la bobine est alimentée) à la séparation des deux bobinages, c'est-à-dire au voisinage du plan P, P' et aussi au voisinage de chaque interface entre la bobine 12 et les deux autres parois parallèles 20, 21 de la carcasse. La figure 3 donne une approche du concept de correction selon l'invention, dans le cas particulier où le défaut de la bobine (une zone sans courant) est localisée avec une relative précision, comme par exemple à la séparation des deux bobinages 16, 17 (plan PP'). Dans ce cas, le défaut peut être modélisé par un conducteur fictif D dans lequel circulerait un courant l(D) de sens contraire au sens de circulation du courant dans les conducteurs actifs des bobinages 16 et 17. Sur la figure 3 les deux sens possibles de circulation du courant dans telle ou telle partie de l'aimant sont repérés respectivement par un point ou une croix. Selon l'invention, on utilise deux conducteurs de correction C1, C2 agencés de part et d'autre de la zone de défaut D de façon que l'un des conducteurs (C2) soit disposé approximativement entre la zone de défaut et la région où l'on désire uniformiser le champ et que l'autre desdits conducteurs (C1) soit disposé au-delà de la zone de défaut par rapport à cette même région. Bien entendu, ces conducteurs de correction sont alimentés indépendemment pour que le courant y circule dans le même sens que dans les bobinages 16 et 17, c'est-à-dire avec un sens opposé au sens de circulation du courant fictif I(D) modélisant le défaut. Si on étudie la variation du champ créé par la seule contribution des conducteurs C1, C2, D de la figure 3, le long d'un axe perpendiculaire aux conducteurs de correction C1, C2 et coupant ces derniers (ctest-à-dire en se déplaçant transversalement à l'intérieur du tunnel dans le plan PP') on constate que cette contribution de champ B (x) a l'allure de la courbe: - k est une con ou:: - I=I(C1)=I(C2)=12(D) - d est la moitié de la distance séparant les conducteurs C1 et Ci en supposant que le conducteur fictif soit situé à égale distance de ceux-ci. La figure 4 représente l'allure d'une telle courbe et l'on observe que l'action du défaut se trouve relativement bien corrigée dans la plus grande partie du tunnel dès que l'on s'éloigne un peu de la bobine 12. Dans ce graphe, l'axe Oy est placé de façon que le conducteur fictif D soit à l'origine O, la paroi interne de la bobine étant schématisée par une droite en trait interrompu parallèle à cet axe Oy. Une courbe en trait interrompu montre ce que serait la variation de champ sans correction. Considérant à nouveau la figure 1, l'application du concept de l'invention développé ci-dessus conduit à disposer au moins deux conducteurs de correction C1, C2 parallèles aux conducteurs actifs de la bobine 12 et disposés sensiblement dans le plan PP' de part et d'autre de chaque groupe 14a, 1Sa de conducteurs actifs de la bobine 12, pour corriger Minhomogénélté de champ résultant du fait que cette bobine est structurellement partagée en deux bobinages symétriques.L'application du même concept conduit à prévoir en outre au moins deux conducteurs de correction C'1, C'2 parallèles auxdits conducteurs actifs et situés au voisinage de chaque interface 1 entre la bobine et les parois 20 et 21, les conducteurs de chaque paire étant là encore disposés de part et d'autre du groupe 14a, 15a de conducteurs actifs correspondant, pour corriger les effets d'une zone sans courant à chaque interface i précitée. Une correction plus fine amènera à faire circuler des courants légèrement différents dans les conducteurs C1 et C2. Toutes les corrections décrites cidessus sont destinées à pallier les effets de défauts structurels dus à la géométrie particulière de la bobine, c'est-à-dire des défauts relativement bien localisés. Cependant des inhomogénéités de bobinage peuvent créer d'autres défauts plus difficiles à localiser. Selon une autre particularité de l'invention, on affecte, par construction et en prévision de la correction de ces défauts, d'autres conducteurs de correction à la bobine. Ainsi, en se référant à la figure 1, des conducteurs de corrections dl, d2 sont agencés longitudinalement deux par deux de part et d'autre de chaque groupe 14a, 15a des conducteurs actifs précités, à des emplacements choisis.A titre d'exemple, les conducteurs dl, d2 peuvent former avec les conducteurs C1, C2 et C'1, C'2 un ensemble de paires de conducteurs régulièrement réparties le long des parois 14 et 15. Le réglage des courants dans les conducteurs C1, C2 et C'1, C'2 pourra faire l'objet d'un calcul approché mais comportera le plus souvent une phase d'ajustement empirique. De même, un réglage grossier des valeurs de courant dans les conducteurs dl, d2 pourra être déterminé en partie empiriquement avec l'assistance d'un relevé des variations du champ suivant l'axe longitudinal Z'Z du tunnel, ce relevé étant effectué en alimentant la bobine 12, seule, à courant constant. D'autre part, en considérant la figure 5, on voit qu'il est possible d'appliquer le principe de l'invention à la correction de défauts dus aux imperfections des chignons. Sur cette figure, l'aimant est représenté en coupe longitudinale. On peut modéliser les inhomogénéités dues aux chignons par des conducteurs fictifs (points blancs) s'étendant transversalement en haut et en bas du tunnel, c'est-à-dire au voisinage du pliage à angle droit des spires de la bobine. Dans ces conditions, on peut envisager une correction de ces conducteurs fictifs en plaçant au moins deux conducteurs de correction el, e2 au voisinage de chaque chignon précité, l'un des conducteurs el étant à l'intérieur et l'autre e2 à l'extérieur de la carcasse 10.Si cette dernière comporte des saillies transversales internes 25 (connues sous le nom de ?'shims" dans la technique) resserant l'entrefer aux extrêmites du tunnel, le conducteur el sera par exemple placé le long de la face interne de cette saillie tandis que le conducteur e2 sera placé près de l'extrémité du chignon correspondant. Dans tout ce qui précède, on a utilisé l'expression "au moins deux conducteurs de correction". Cela signifie que chaque conduc teur de correction C1, C2, C'1, C12, dl, dd! ou el, e2 peut en fait être remplacé par un faisceau de conducteurs paralleles. Le choix du nombre de conducteurs de correction dans chaque 2isceau peut par exemple être dicté par les caractéristiques nominales (tension- intensité) des alimentations stabilisées utilisées pour le réglage du système de correction. La figure 6 illustre l'application du principe de l'invention a un autre type d'aimant, à savoir un sj,olénoIde 30 blindé par une carcasse tubulaire 31 en matériau ,rro-magnétique. Les faces axiales de cette carcasse comportent également des parois annulaires 32 en matériau ferro-magnétique, ménageant deux ouvertures crculaires, coaxiales à l'axe longitudinal Z'Z du tunnel matérialisé par le solénoïde. L'application du principe de l'invention à ce type d'aimant amène à définir des conducteurs de correction en forme de spires coaxiales au solénoïde. Chaque unité de correction est ainsi cons tituée d'au moins deux spires coaxiales au solénoïde 30, l'une des spires étant à extérieur du solénoïde et l'autre à l'intérieur. Dans un tel type d'aimant, les défauts dus à la structure même du solénoïde sont essentiellement localisés aux extrémités axiales du fait que ledit solénoïde est complété par des bobines auxiliaires 33 relativement courtes ou par un plus grand nombre de spires au voisinage de ces extrémités, dans le but d'augmenter localement le nombre d'ampère-tours. Le solénoïde 30 et les bobines auxiliaires 33 sont parcourus par le même courant. Par conséquent, une solution possible pour corriger ces défauts, consiste à prévoir pour chaque bobine auxiliaire 33 au moins deux conducteurs de correction en forme de spires 51 S2 coaxiales au solénoïde et respectivement situés au voisinage des extrémités axiales de la bobine auxiliaire 33. Selon l'exemple représenté, la spire S1 est sensiblement au diamètre externe du solénoïde 30 tandis que la spire S2 est sensiblement au diamètre interne de ce même solénoïde. Cet agencement a pour avantage de bien entourer la zone de défaut si on considère celles vue du centre O du tunnel. D'autres défauts du solénoïde seront dus à des irrégularités du pas des spires le long de l'axe Z'Z et l'emplacement de ces défauts n'est pas prévisible. On pourra cependant les déceler et les localiser approximativement après bobinage complet du solénoïde 30, en alimentant ce dernier et en mesurant let variations de champ magnétique le long de l'axe Z'Z. Pour corriger ces défauts, on prévoit; selon l'invention, plusieurs groupes d'au moins deux conducteurs de correction en forme de spires S'1 S. Ces deux spires sont chaque fois sensiblement dans un même plan perpendiculaire à l'axe Z'Z. La spire S'1 est à l'extérieur du solénoïde et la spire 5'2 est à l'intérieur.Les différents groupes de telles spires sont de préférence disposés à intervalle sensiblement régulier le long de l'axe Z'Z. Une fois de plus l'expression "au moins deux spires" signifie que chaque spire telle que représentée sur la figure 6 peut être remplacée par une petite bobine de longueur axiale relativement faible.Dans cet esprit, compte tenu du fait que les défauts les plus importants à corriger seront, comme indiqué plus haut, localisés aux extrémités axiales, on pourra prévoir une plus grande densité de conducteurs de correction en forme de spires au voisinage des extrémités axiales, voire, pour chaque extrémité, deux solénoldes de correction d'une certaine longueur axiale du même ordre de grandeur de celle de la bobine auxilaire, l'un des solénoïdes de correction étant à l'extérieur du solénoïde 30 et l'autre à l'intérieur. Enfin, le concept de l'invention peut être adapté à ce type d'aimant pour corriger les effets. d'une eventuelle ovalisation du solénoïde. Pour cela, on prévoit plusieurs paires de conducteurs de correction rectilignes L1, L2 (ou des faisceaux de tels conducteurs) agencées deux par deux parallèlement à l'axe longitudinal Z'Z et de part et d'autre du solénoïde 30. La figure 7 illustre une structure support de ces conducteurs. Il s'agit de deux mandrins tubulaires 35 et 36. Le mandrin externe 35 est destiné à être inséré entre le solénolde 30 et la carcasse 31, tandis que le mandrin interne est destiné à être placé à l'intérieur du tunnel au voisinage de la face interne du solénoïde. Le mandrin externe 35 porte tous les conducteurs de correction rectilignes L1 tandis que le mandrin interne 36 porte tous les conducteurs rectilignes de correction L2 correspondants. Bien entendu, ces deux mandrins 35 et 36 peuvent aussi porter les spires S'12 S'2 décrites plus haut ainsi que les spires d'extrémité S1 et S2 et/ou les solénoïdes de correction précités. Le réglage des courants dans tous ces conducteurs de correction se lera essentiellement expérimentale ment, en s'aidant néanmoins du relevé suivant l'axe Z'Z des variations du champ magnétique créé par le solénoïde 30 et ses bobines auxiliaires 33. REVENDICATIONS 1. Aimant comportant une bobine (11) alimentée en courant continu pour engendrer un champ magnétique à hautehomogénélté dans une région de l'espace (11) et comportant des conducteurs de correction distincts de ladite bobine et destinés à être alimentés séparément, caractérisé en ce qu'au moins deux conducteurs de correction (C1, C2 - C1, C2 - dl, d2) sont agencés de part et d'autre d'une zone de défaut de ladite bobine de façon que l'un (C2) desdits conducteurs soit disposé approximativement entre ladite zone de défaut et ladite région et que l'autre (C1) desdits conducteurs soit disposé au-delà de ladite zone de défaut par rapport à ladite région. 2. Aimant selon la revendication 1, du type comportant une carcasse en matériau ferro-magnétique en forme de tunnel (11) à section carrée ou rectangulaire et une bobine (11) à chignons (18) relevés aux extrémités dudit tunnel, dont les conducteurs actifs (19), parallèles, sont agencés en deux groupes (14a-15a) recouvrant deux parois parallèles (14, 15) de ladite carcasse, ladite bobine étant constituée de deux bobinages sensiblement symétriques par rapport à un plan de séparation (PP1) perpendiculaire auxdites parois, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux conducteurs de correction précités (C1, C2) parallèles aux conducteurs actifs et disposés sensiblement dans ledit plan de séparation de part et d'autre de chaque groupe précité, pour corriger les effets d'une zone sans courant à la séparation des deux bobinages. 3. Aimant selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins deux conducteurs de correction (C'1, C'2) précités parallèles aux conducteurs actifs et situés au voisinage de chaque interface (i) entre la bobine et les deux autres parois parallèles (20, 21) de ladite carcasse, les conducteurs de chaque paire étant disposés de part et d'autre du groupe (14a, l5a) de conducteurs actifs correspondant, pour corriger les effets d'une zone sans courant à chaque interface (i) précitée. 4. Aimant selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins deux conducteurs de correction précités (el, e2)* perpendiculaires aux conducteurs actifs et situés au voisinage de chaque chignon (18) précité, l'un des conducteurs (e1) étant à l'intérieur et l'autre (e;2) à l'extérieur de ladite carcasse, pour corriger l'inhomogénéité de champ due auxdits chignons. 5. Aimant selon la revendication 3, caractérisé en ce qu?il comporte d'autres conducteurs de correction (d1, d2) précités agen- ces longitudinalement deux par deux de part et d'autre des groupes des conducteurs actifs précités pour corriger les effets d'autres zones sans courant à localisation incertaine. 6, Aimant selon la revendication 1, du type comportant un solénoïde blindé par une carcasse tubulaire en matériau ferre magnétique, caractéri.sé en ce qu'il comporte au moins deux conducteurs de correction en forme de spires (S1,S2-S'l,S'2) coaxiales audit solénoïde, l'une des spires (S1, S'13 étant à l'extérieur dudit solénoïde et d'autre (S2 5') à l'intérieur. 7. Aimant selon ia revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs groupes d'au moinsdeux spires (S'1,S'2) précitées disposésà intervalles sensiblement réguliers le long de l'axe longitudinal (;ZtZ) dudit solénolde, lesdites deux spires étant chaque fois sensiblement dans un même plan perpendiculaire audit axe longitudinal (Z'Z). 8. Aimant selon les revendications 1, 6 ou 7, caractérisé par une plus grande densité de conducteurs de correction en forme de spires, au voisinage des extrémités axiales dudit solénoïde. 9. Aimant selon l'une des revendications 1, 6, 7 ou 8, du type comportant un solénoïde blindé par une carcasse tubulaire en matériau ferrc-magnétique et deux bobines auxiliaires (33) agencées aux extrémités axiales dudit solénoïde pour augmenter localement le nombre d'ampère-tours au voisinage desdites extrémités, caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque bobine auxiliaire, au moins deux conducteurs de correction (S1, S2) précités en forme de spires coaxiales audit solénoïde et respectivement situés au voisinage des extrémités axiales de la bobine auxiliaire (33) correspondante. 10. Aimant selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre plusieurs paires de conducteurs de correction rectilignes (L1, L2) agencés deux par deux parallèlement à l'axe longitudinal (Z'Z) dudit solénoïde (30) et de part et d'autre de ce dernier, pour corriger les effets d'une éventuelle ovalisation dudit solénoïde.