Brevet FR2560388A1 — publié le 19850830

l 2560388 On sait qu'un champ magnétique ie est défini d'une façon générale par ses trois composantes Ex, Hy et H en chaque point M de l'espace ainsi que par ses neuf dérivées spatiales premières Hi = à i = x, y, z; j = x, y, z. qui caractérisent l'évolution de son module dans chacune des trois directions de l'espace autour du point M consi- déré. Les neuf dérivées spatiales précédentes constituent un tenseur que l'on appelle couramment, par commodité, le gradient du champ magnétique. La présente invention a pour objet un gradient- mètre, c'est-à-dire un appareil capable de fournir la me- sure de l'un au moins de ces neuf termes. Le gradientmètre objet de la présente invention est dérivé du magnétomètre faisant l'objet du brevet français nO 72 31 277 déposé le 4 septembre 1972 par le Commissariat à l'Energie Atomique, en ce sens qu'il uti- o20 lise les mêmes- couches magnétiques que le magnétomètre précédent et-des sondes de mesure également de même natu- re que celles-décrites dans ce-document. On commencera donc par rappeler, en se référant aux figures schématiques i à 3, ci-jointes, un certain nombre d'éléments connus concernant les couches minces utilisées, leurs procédés d'excitation et les méthodes de détection de champs magnétiques mettant en oeuvre de telles couches minces. Les couches magnétiques minces connues, utili- sées dans le gradientmètre objet de l'invention, sont du type de celles qui sont représentées sur la figure 1 et comportent essentiellement sur un support cylindrique 1 une couche magnétique 2 ayant la forme d'un cylindre de révolution d'axe Z et d'épaisseur e. Cette couche mince 2 est anisotrope, c'est-à-dire qu'elle possède en chacun de 2 2560388 ses points M un axe de facile aimantation ou axe faci- le AF, dirigé tangentiellement à la surface et perpendi- culaire à l'axe Z, et un axe de difficile aimantation, ou axe difficile (désigné par AD) parallèle à l'axe Z du cylindre 2 constituant la couchemince. En d'autres ter- mes, et par extension de langage, on peut dire que l'axe de facile aimantation de la couche étant contenu dans le plan de celle-ci est un axe circulaire fermé sur lui-même dans les différentes sections droites du cylindre 2. L'exploitation dans un but de mesure d'un champ magnétique d'une couche mince conforme à celle de la fi- gure 1 nécessite, pour mesurer la composante de ce champ magnétique parallèle à l'axe Z de difficile aimantation de la couche mince, un certain nombre de bobinages d'ex- citation ou de prélèvement qui sont rappelés maintenant en se référant à la figure 2. - Sur cette figure 2, on a représenté un capteur magnétique ou sonde à couche mince d'un type en soi connu dans lequel on reconnaît d'abord au centre la couche min- ce proprement dite 2, entourée d'une bobine d'excitation 3, par laquelle-on superpose un champ alternatif de fai- ble amplitude parallèlement à la composante du champ à mesurer. Ce champ magnétique induit dans la couche 2 une force électromotrice que l'on prélève- à l'aide d'un en- roulement 4 d'axe parallèle à l'axe facile de la couche 2 et qui peut comporter, selon les cas, un certain nombre de spires pour augmenter d'autant l'amplitude du signal alternatif recueilli. Enfin, un fil de saturation 6, coaxial à la couche mince 2 permet d'obtenir une satura- tion initiale de cette couche 2 en lui appliquant un champ magnétique suivant son axe de facile aimantation. La théorie du magnétomètre utilisant la sonde - de la figure 2 et que l'on trouvera développée dans le BF n 72 31 277 montre que, moyennant quelques approxima- tions tout à fait acceptables dans le cas général, l'am- plitude des harmoniques 1 et 3 de la tension alternative 3 2560388 recueillie dans la bobine de prélèvement 4 est propor- tionnelle à la composante du champ à mesurer selon l'axe ZZ' de la sonde de la figure 2, ce qui fournit un moyen possible pour accéder à la mesure d'une telle composante. De façon courante néanmoins, on préfère pour des raisons de simplicité, recourir à une méthode de zéro pour mesurer la composante du champ selon l'axe difficile de la sonde et l'on utilise pour ce faire le schéma élec- trique de la figure 3. Sur cette figure 3, on a représenté schémati- quement la sonde 7 conforme à celle décrite précédemment sur la figure 2, et munie de sa sortie 4 correspondant à la bobine de prélèvement du signal alternatif. Ce signal alternatif de pulsation W, identique à celle du signal d'excitation injecté par la bobine 3 de la figure 2, at- taque ensuite un amplificateur 25 de gain T en boucle ouverte. Cet amplificateur 25 qui se compose lui-même d'un amplificateur sélectif 8, d'un détecteur synchrone 9 et d'un intégrateur 10 en série, délivre en sortie sur le conducteur 11, une tension continue proportionnelle par définition à la composante du champ à mesurer selon l'axe de difficile aimantation ode la sonde 7. Cette tension continue est accessible sur une sortie 12 branchée en dérivation sur le conducteur 11. La méthode de mesure utilisée dans le schéma de la figure 3 étant une méthode de zéro comportant une contreréaction, le schéma électri- que précédemment décrit est complété par un conducteur 13, une résistance réglable 14 en série avec ce conduc- teur et une bobine de contreréaction 5 entourant la sonde 7 et coaxiale à celle-ci. On appelle V la tension présen- te sur la ligne 11 en sortie de l'amplificateur 25, et ICR le courant qui parcourt la bobine de contreréaction 5 et ce courant compense, en l'annulant aussi exactement que possible, la composante du champ à mesurer. ICR est déterminé par les caractéristiques de la bobine 5 et la, valeur du champ à compenser et V est réglable à l'aide de la résistance 14. 4 2560388 Si l'on appelle H la composante selon l'axe de la sonde 7 du champ à mesurer et H' le champ de contreré- action de sens opposé créé dans la bobine 5 par le cou- rant ICR, on peut définir un champ d'erreur h = H - H' avec H' = Th. On en déduit: T E' = l+T * H Ceci montre que la composante H' est propor- tionnelle à la composante H et que la valeur du courant de contreréaction ICR est donc bien proportionnelle lorsque l'équilibre est atteint, à la composante H du champ à mesurer. Le demandeur a établi qu'il était possible d'utiliser en les combinant d'une certaine manière entre' elles plusieurs sondes magnétométriques à couche mince du type connu qui -vient d'être rappelé précédemment pour réaliser facilement un gradientmètre susceptible de mesu- -rer les- dérivées-spatiales premières du champ magnétique régnant en -un point quelconque de l'espace selon les trois directions-Ox, Oy et Oz. Le gradientmètre,-objet de l'invention, met en oeuvre des sondes magnétiques à couche mince du genre de celles-qui comportent: - une- couche magnétique de forme cylindrique de révolu- tion dont l'axe de difficile aimantation est parallèle à l'axe du cylindre et dont l'axe de facile aimantation est circulaire, fermé sur lui-même dans le plan de la couche selon une section droite du cylindre, ladite couche-étant initialement saturée selon son axe de fa- cile aimantation; - une bobine d'excitation d'axe parallèle à l'axe du cy- lindre pour créer, selon la direction de l'axe diffici- le, un champ d'excitation alternatif à la fréquence f; - une bobine d'axe parallèle à l'axe facile pour prélever le signal alternatif à l'une des fréquences f ou 3f découlant de l'excitation précédente; 2560388 - une bobine de contreréaction dans laquelle on réinjecte un courant continu fonction de l'amplitude du signal alternatif précédent et d'intensité telle que l'on an- nule aussi parfaitement que possible la composante du champ magnétique externe à étudier parallèlement à l'axe de difficile aimantation de la couche mince et se caractérise en ce que, pour mesurer la composante 7 du gradient du champ H, il comporte deux sondes ma- gnétiques à couche mince du type precedent, dont les axes geométriques des bobines de contreréaction sont alignés selon la direction de l'axe i, lesdites sondes étant es- pacées l'une de l'autre selon l'axe j, le courant de cons treréaction de la première sonde étant injecté dans la deuLxième sonde, le courant de contreréaction de ladite deuxième sonde étant alors représentatif de la grandeur bai à mesurer. S-37 Le résultat remarquablement simpleg selon le quel il suffit de deux sondes magnétiques dirigées dans l'espace selon l'axe i et espacées selon l'axe j, la se- conde recevant dans sa bobine de contreréaction le cou- rant de contreréaction de la première pour mesurer la % Hi composante du gradient peut s'expliquer de la façon suivante. Si l'on désigne par Ox la direction de l'espace selon laquelle est orienté l'axe de la bobine de contre- réaction de la première sonde située en un point o l'on désire mesurer le gradient du champ magnétique, le champ de contreréaction F mément au schéma de la figure 3 est donc toujours dirigé suivant Ox. La couche mince magnétique constituant l'élé- ment actif de la sonde est située, comme représenté sur cette même figure 3, à l'intérieur de la bobine de con- treréaction 5 et l'on s'efforce de la placer de façon telle que son axe difficile coincide le plus rigoureuse- ment possible avec l'axe Ox du champ de contreréaction 6 2560388 HCR. Cette condition ne peut toutefois être rigoureuse- ment remplie et ce n'est gu'approximativement que l'axe difficile de la couche magnétique mince est aligné dans la direction Ox avec l'axe de la bobine de contreréaction de champ. Si l'on imagine un vecteur S, aligné sur l'axe difficile de la couche mince, c'est-à-dire ayant des co- ordonnées: SxI1 = Sy 4 Sx Sz --l -- -... S. (H --HcR) = 0 (1) est satisfaite. En effet, l'équation (1) exprime que le champ résultant de l'application de la contreréaction à la com- posante à mesurer doit être- nul ou perpendiculaire au vecteur S pour qu'il n'y ait plus aucun signal induit dans la couche mince par cette composante, c'est-à-dire en d'autres termes pour que la méthode de zéro choisie pour la mesure soit appliquée-rigoureusement. Dans ces conditions, si l'on appelle Hx, Hy, Hz les composantes du champ H à mesurer au point o se situe la première couche mince, un calcul simple, fait à partir de l'équation (1) précédente conduit à exprimer sous for- me de l'équation (2) la relation liant au point considéré le champ de contreréaction HCR, le champ H et un vec- teur or défini selon l'équation (3): HCR =.H (2) AvecS xi 1 /8 (3) Si l'on place maintenant un deuxième capteur de champ ou sonde à couche mince identique au précédent, ayant la même orientation et situé, selon l'axe Ox, à une distance Ax du premier, en supposant que leurs bobines de contreréaction de champ sont parfaitement alignées selon cet axe Ox, l'invention consiste à injecter le courant de contreréaction ICR de la première bobine de contreréac- tion dans la deuxième bobine grâce à un circuit électri- que adéquat. On peut alors écrire, en utilisant les indi- ces 2 pour les éléments du deuxième capteur analogues à ceux du premier, la suite d'équations suivantes: s. (H1 -H R) = 0 (4) 2 2 2 0 S2. (H - HR HCR) équations dans lesquelles H1 et H2 désignent respective- ment le champ magnétique au voisinage de chacune des deux sondes-, leséquations (4) et (5) découlant directement de l'application à chacune des sondes de l'équation (1). Si l'on désigne maintenant par n le rapport (en général très peu différent de l'unité) des nombres de tours respectifs des bobines de contreréaction des deux sondes, il existe évidemment une relation entre le champ de contreréaction du premier capteur et une partie de celui de la bobine de contreréaction du deuxième capteur, puisque le courant de la première bobine est injecté dans la deuxième. On peut donc écrire, en appelant HR le champ magnétique correspondant retranché à la composante selon l'axe difficile au niveau du deuxième capteur, l'équation suivante: 2 2 ER = naCR (6) En appliquant l'équation (2) aux équations (4) et (5) et en tenant compte également de l'équation (6), un calcul 8 2560388 qu'il n'est pas nécessaire de développer ici montre que le champ de contreréaction total de la deuxième sonde peut alors, en négligeant les quantités du second ordre, s'écrire sous la forme: HCRi2 x+ s. s (7) formule dans laquelle le vecteur s a pour coordonnées: n-l -;?2 _ n 1 2 1 o z-no- Dans cette formule (7), le vecteur ta des com- posantes du second ordre par rapport à celles du vecteur iet l'on peut donc en déduire, qu'en première approxima- tion, le champ de compensation (ou ce qui revient au même le courant de compensation) de la deuxième sonde est di- 6 Hx rectement proportionnel à la grandeur -6x que l'on cher- che précisément à mesurer.-Le terme complémentaire s. H de l'équation (7) s'analyse donc comme une erreur systé- matique du second ordre que l'on peut, en première ap- proximation, négliger. Si pour des raisons particulières, on souhaite tenir compte de cette erreur systématique, on peut alors recourir à une caractéristique secondaire de l'invention. Selon cette caractéristique secondaire mais très importante du gradientmètre objet de l'invention, on équilibre l'appareil, c'est-à-dire que l'on rend minimal le signal d'erreur provenant du non alignement rigoureux des axes respectifs de chaque bobine de contreréaction (axe i) et de la direction de difficile aimantation de la couche mince correspondante. A cet effet, le gradientmè- tre comporte en plus de la première sonde deux sondes auxiliaires identiques disposées au même point et orien- tées suivant les deux axes orthogonaux complémentaires de 9 2560388 l'axe de la première, chacune des trois sondes mesurant alors l'une des composantes Hx Hy, Hz du champ à étudier au point considéré, ainsi que des moyens pour engendrer et injecter dans la bobine de contreréaction de la deuxi&me sonde distante des trois précédentes, des cou- rants continus proportionnels aux valeurs mesurées de HN Hy et Hz. D'après la formule (7), il est évident que pour réduire le signal d'erreur résultant de la sensibilité du gradientmètre au champ H, il faut réduire le vecteur so. A cet effet, on utilise les mesures des composantes Hx Hy et Iliz du champ local fourni par la première sonde et deux soudes auxiliaires identiques, orthogonales à la précé- dente selon les deux autres directions de l'espace, et on injecte dans la bobine de contreréaction du champ de la deuxième sonde distante de Ax des trois premières des courants proportionnels aux mesures des trois composantes précédentes. De cette façon, on retranche donc au niveau de la deuxième sonde distante des trois premières un champ de contreréaction H parallèle à l'axe Ox et d'am- le plitude He = aHx + bHy + Ez (8) L'équation (5) devient alors: _ H2 - He --H 2 2 2 S2 ' (H R e HCR) 0 La relation (7) demeure inchangée, mais les composantes du vecteur s s'écrivent alors ( n-!)-a 2 1 s 5 - n O- b (9) y y 2 1 3So L 52- n cz -c - La relation (9) précédente montre que l'on peut, en réglant les coefficients a, b, c, de manière 2560388 manuelle ou automatique d'ailleurs, annuler ou du moins diminuer fortement les composantes du vecteur s, c'est-à- dire rendre nulle ou minimale l'erreur systématique de lecture qui résultait du deuxième terme de l'équa- tion (7). Les démonstrations qui viennent d'être faites concernent la mesure des dérivées spatiales premières du champ magnétique de la forme i appelées parfois "termes diagonaux". Mais il est évident que l'on peut de la même manière mesurer les termes non "diagonaux" de la forme ÀHj dans lesquels j est différent de i. Enfin, il faut noter également que selon les formes de réalisation envisagées pour le gradientmètre objet de l'invention, celui-ci peut présenter, sous sa forme équilibrée, c'est-à-dire muni des dispositifs de correction d'erreur systématique décrits précédemment, de quatre à- douze sondes magnétiques situées sur un sup- port matériel permettant de concrétiser les trois direc- tions de l'espace -(par exemple barreau de forme parallé- lépipédique, cube ou parallélépipède). A titre d'exemple, on vient de voir qu'à l'aide de quatre sondes réparties aux deux extrémités d'un bar- reauparallélépipédique comportant trois sondes à la pre- mière extrémité et une-quatrième à la seconde extrémité, on peut mesurerle-gradient du champ magnétique selon la direction du barreau parallélépipédique; on peut imagi- ner facilement à partir de l'exposé précédent qu'un gra- dientmètre comportant un barreau parallélépipédique de même nature et six sondes réparties trois par trois à chaque extrémité, il est possible de mesurer trois des composantes du gradient d'un champ magnétique; à l'aide d'un appareil qui comporterait douze capteurs réunis trois par trois selon quatre sommets voisins d'un cube, on peut mesurer facilement les neuf composantes du gra- dient d'un champ magnétique. l 2560388 En dehors de sa simplicité de conception et de mise en oeuvre, le gradientmètre objet de l'invention of- fre, par rapport à des réalisations qui consisteraient à utiliser deux sondes magnétométriques espacées l'une de l'autre et à faire la différence de leurs mesures, un certain nombre d'avantages très substantiels parmi les- quels on peut citer: - la possibilité de mesurer des gradients d'amplitude très faible, de l'ordre par exemple de 1 y, ce qui est courant pour le champ terrestre. Si l'on utilisait au contraire une méthode différentielle à l'aide de. deux magnétomètres, même possédant de bonnes performances, c'est-à-dire dont chacun d'entre eux conduirait à une erreur de mesure de 10 -4 sur l'amplitude du champ, l'erreur absolue serait de 5 y et la mesure du gradient serait alors totalement inacessible car noyée littéra- lement dans l'erreur de mesure du magnétomètre; - le rapport de la tension de-sortie-à la valeur du gra- dient est très supérieur à ce -qu'il serait avec un ma- gnétomètre classique du fait même qu'il existe une am- plification du signal de sortie de chaque sonde pour réaliser la lecture sous forme d'une méthode de zéro; cette amplification est ainsi "gratuite" en quelque sorte. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture qui suit de la description de plusieurs exemples de--mise en oeuvre du gradientmètre, exemples donnés à titre descriptif et non limitatif. La descrip- tion qui suit sera faite en se référant aux figures 4 à 6 sur lesquelles: - la figure 4a représente le schéma de montage électrique de deux sondes magnétométriques alignées selon l'invention, - la figure 4b représente le montage électrique des mêmes sondes que celles de la figure 4a, l'ensemble étant cette fois muni d'un dispositif de correction pour 12)U4 équilibrer l'appareil et réduire au minimum l'erreur sys- tématique; - la figure 5 montre une disposition possible de quatre capteurs ou sondes aux deux extrémités d'un barreau de forme parallélépipédique, - la figure 6 représente un montage comportant douze sondes situées trois par trois aux quatre sommets voisins d'un support en forme de cuve. Sur la figure 4a, on a représenté les deux son- des 7a et 7b munies de leurs enroulements de contreréac- tion 5a et 5b. Selon l'invention, ces deux derniers en- roulements 5a et 5b ainsi que, dans toute la mesure du possible, les sondes 7a et 7b sont alignées selon une même direction de l'espace de façon à mesurer le gradient du champ magnétique dans lequel elles baignent selon cette même direction. Les points 12a et 12b correspondent aux sorties électroniques visibles sur le schéma de la figure 3 pour chacune des sondes 7a et 7b et les résis- tances 14a et 14b permettent l'équilibrage du signal de contreréaction de façon à compenser le plus exactement possible la composante du champ à mesurer. Le montage de la figure 4a montre clairement que le courant deconftrer- action IOR traversant le premier enroulement 5a est in- jecté également dans le deuxième enroulement 5b monté en série avec le premier. On retrouve sur la figure 4b l'ensemble des éléments de la figure 4a auxquels vient s'ajouter le dis- positif correcteur comportant quatre résistances varia- bles en parallèle Rx, Ry, Rz et R utilisées de la façon suivante. Comme expliqué précédemment, trois sondes sup- plémentaires situées au même endroit que la première son- de 7a mesurent respectivement les composantes Hx, Hy, Hz du champ en ce point et leurs sorties électroniques (identiques à la sortie 12 de la figure 3) sont figurées 13 2560388 sur la figure 4b aux points 15, 16 et 17. L'entrée 18 permet, au travers de la résistance potentiométrique R, de régler le zéro de 1a mesure de gradient. En faisant varier chacune des resistances potentiométriques RxP Xy, Rz on amène chacun des coefficients a, b et c de la formule (8) à la valeur souhaitée pour que le champ d'équilibrage e ait la valeur voulue et permette une annulation de l'erreur systématique Sur la figure 5, on voit quatre capteurs situés aux etr-remités d 'un barreau parallélépipédique 16 en ma- tiere non magnétique. Ce barreau 16 a ses arêtes orien- tées selon les trois directions de l'espace Ox, Oy, Oz. On reconnaît sur la figure 5 les sondes 7a, 7b des figu- res 4 dont les bobines de contreréaction 5a et 5b non représentëes, sont strictement alignées selon l'axe Ox, le dispositif de la figure 5 comporte en outre deux autres sondes identiques référencées 17 et 18 et placées au même point que la premiere sonde 7a selon les deux autres directions perpendiculaires de l'espace, à savoir, la direction Oy et la direction Oz. Le mode de réalisa- tion de la figure 5 permet, en utilisant le schéma décrit sur la figure 4b, de mesurer le gradient du champ magné- tique H a l'extrémité 19 du barreau 16 selon la direction HX Ox, c'est-à-dire la grandeur -d avec la précision décou- lant de l'équilibrage du gradientmètre. Sur la figure 6, on a représenté un support magnétique 20 ayant la forme d'un cube dont les arêtes sont parallèles aux trois directions de l'espace Ox, Oy et Oz. Aux sommets consécutifs 21, 22 et 23 de ce cu- be, se trouvent placées trois sondes magnétométriques à couches minces dont les branchements électriques selon l'invention permettent de mesurer, avec équilibrage du gradientmètre les neuf composantes du gradient du champ magnétique au sommet 22. A cet effet, les douze sondes 14 2560388 représentées travaillent comme dans l'exemple de la figu- re 5, en association à -distance, chaque couple de deux sondes alignées selon une direction mesurant le gradient du champ selon cette direction et les deux sondes voisi- * nes servant à la correction d'équilibrage. 2560388 REVENDICATIONS 1. Gradientmètre pour mesurer les dérivés spa- tiales - (i = x, y, z; j = x, y, z) d'un champ magné- tique H mettant en oeuvre des sondes magnétiques à couche mince du genre de celles qui comportent: - une couche magnétique (1) de forme cylindrique de révo- lution dont l'axe de difficile aimantation est parallè- le à l'axe du cylindre et dont l'axe de facile aimanta- tion est circulaire, fermé sur lui-même dans le plan de la couche selon une section droite du cylindre, ladite couche étant initialement saturée selon son axe de fa- cile aimantation, - une bobine d'excitation (3) d'axe parallèle à l'axe du cylindre pour créer, selon la direction de l'axe diffi- cile, un champ d'excitation alternatif à la fréquence f, - une bobine (4) d'axe parallèle à l'axe facile pour pré- lever le signal alternatif à l'une des fréquences f ou 3f découlant de l'excitation précédente, - une bobine de contreréaction (5) dans laquelle on réin- jecte un courant continu issu du signal alternatif pré- cédent après amplification, détection et integration et d'intensité telle que l'on annule aussi parfaitement que possible la composante du champ magnétique externe à étudier parallèlement à liaxe de difficile aimanta- tion de la couche mince, caractérisé en ce que, pour mesurer la composante L- du gradient du champ H, il comporte deux sondes magnétiques (7a, 7b) à couche mince du type précédent, dont les axes géométriques des bobines de contreréaction sont alignés selon la direction de l'axe i, lesdites sondes étant es- pacées l'une de l'autre selon l'axe j, le courant de con- treréaction de la première sonde étant injecté dans la deuxième sonde, le courant de contreréaction de ladite 16 2560388 deuxième sonde étant alors représentatif de la grandeur j à mesurer. 2. Gradientmètre selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que pour équilibrer l'appareil, c'est-à- dire rendre minimal le signal d'erreur provenant du non alignement rigoureux des axes respectifs de chaque bobine de contreréaction (axe i) et de la direction de difficile aimantation de la couche mince correspondante, il compor- te en plus de la première sonde (7a) deux sondes auxi- liaires identiques (17, 18) disposées au même point et orientées suivant les deux axes orthogonaux complémentai- res de l'axe de la première, chacune des trois sondes mesurant alors l'une des composantes Hx, Hy, Hz du champ à étudier au point considéré, ainsi que des moyens pour engendrer et injecter dans la bobine de contreréaction de la deuxième sonde (7b) distante des trois précédentes, des courants-continus proportionnels aux valeurs mesurées de Hx, H et Hz. y z