Brevet FR2566958A1 — publié le 19860103

La présente invention concerne un dispositif géné rateur de champ magnétique uniforme et stable au cours du temps, qui est utilisable plûs particulièrement mais non exclusivement pour les techniques d'examen par résonance magnétique nucléaire. Pour l'obtention d'un champ magnétique uniforme il est connu d'utiliser soit des systèmes de solénoïdes bobinés avec du fil fin de cuivre ou avec des disques de cuivre et refroidis par un liquide réfrigérant è une température voi sine de l'ambiante, soit des systèmes de solénoïdes supraconducteurs refroidis è la température de l'hélium liquide.Ces techniques présentent l'inconvénient de nécessiter des sources de courant stables au cours du temps ainsi que des systèmes de réfrigération Par ailleurs il est connu depuis longtemps que, lorsque l'on découpe, dans une substance magnétique aimantée de façon parfaitement uniforme9 un volume délimité par une surface du second degré (sphère ou ellipse) induction en tous les points de ce volume est parfaitement uniforme La présente invention a pour but de tirer parti de ce phénomène connu en l'appliquant è un dispositif généra- teur de champ magnétique de conception particulièrement simple et permettant d'obtenir une excellente uniformité ainsi qu'une bonne stabilité du champ magnétique produit A cet effet ce dispositif générateur de champ magnétique uniforme est caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'aimants permanents parallélépipèdiques parallèles les uns aux autres et disposés è proximité immédiate les uns des autres, aimantés axialement et ayant la même intensité d'aimantation, répartis en deux groupes de premiers et-seconds aimants distants les uns des autres et définissant, entre leurs faces polaires en regard, un entrefer délimité par une portion de surface de révolution de second degré (sphère ou cllip30lde), les premier et second a iman t s coaxiaux de chaque pairc d'aimants alignés dans les deux grou ps ayant chacun une longueur égaie ou proportionnelle à la moiti6. de la largeur dc l'entrefer qu'ils définissent, c'est-h-dire de la distance entre leurs faces polaires en regard, les premiers aimants ayant tous des faces polaires de même polarité qui est opposée à celle des fsces polaires des seconds aimants. On décrira ci-après,a titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue en coupe axiale et- verticale d'un dispositif générateur de champ magnétique uniforme suivant l'invention La figure 2 est une vue en coupe horizontale faite suivant la ligne II-II de la figure 1. Les figures 3,4 et 5 sont des schémas d'autres variantes d'exécution. Le dispositif générateur de champ magnétique uniforme suivant l'invention comprend, ainsi qu'il est représenté sur les figures 1 et 2, un ensemble d'aimants permanents parallélépipèdiques de même section droite mais de longueurs différentes, répartis en deux groupes è savoir un groupe d'aimants supérieurs 1 et un groupe d'aimants inférieurs 2. Chacun des aimants supérieurs 1 et inférieurs 2 peut être d'un seul bloc mais de préférence il est formé d'une superposition de petits parallélépipèdes rectangles identiques. Les aimants supérieurs 1 et inférieurs 2 sont associés par paire d'aimants coaxiaux, chaque paire d'aimants 1, 2 délimitant entre eux un entrefer de largeur d. Les faces polaires inférieures planes la des aimants supérieurs 1 et les faces polaires supérieures planes 2a des aimants inférieurs 2 sont disposées dans l'espace de telle façon que les centres de ces diverses faces polaires planes et transversales soient situés sur une portion d'un ellipsolde 3 qui, dans l'exemple non limitatif représenté sur les figures 1 et 2, est de révolution autour de son axe vertical xx' correspondant au petit axe de l'ellipse constituant sa génératrice.En fait la portion d'ellipsolde 3, lieu géométrique des centres des faces polaires la, 2, s'étend sur la presque totalité de l'ellipsoide, ,'. l'exception d'une partie tronquée délimitée par un cylindre n d'axe xx' et de rayon légèrement inférieur au demi-grand axe de l'ellipse formant la génératrice. Autrement dit les faces polaires la, 2a des aimants 1,2 ne s'étendent pas jusqu'au cercle équatorial engendré par les sommets du grand axe de l'ellipse constituant la génératrice de l'ellipsoide. I1 subsiste par conséquent un passage libre cylindrique entre les deux groupes d'aimants supérieurs 1 et inférieurs 2, pour permettre la mise en place des corps à analyser à l'intérieur du générateur. La longueur de chaque aimant d'une paire d'aimants supérieur 1 et inférieur 2 est choisie de telle façon qusel- le soit égale à la moitié de l'entrefer d entre les deux aimants considérés en regard l'un de l'autre ou à un multiple de d/2 . De ce fait on voit sur la figure 2 que les aimants 1 et 2 qui sont les plus voisins de l'axe de révolution xx' de l'ellipsolde 3 et qui définissent entre eux l'entrefer ayant la largeur d la plus grande, ont eux-mêmes chacun la plus grande longueur qui est égale à la moitié de cet entrefer. En fait il est nécessaire que la longueur totale desdeux aimants 1 et 2 de chaque paire d'aimants coaxiaux soit proportionnelle à l'entrefer d, le coefficient de proportionnalité étant un nombre entier quelconque mais le même pour tous les aimants. Du fait de cette proportionnalité des longueurs des divers aimants 1 et 2, les faces polaires supérieures lb des aimants supérieurs 1 et inférieures 2b des aimants inférieurs 2 ont elLes-mêmes leurs centres si- tués sur un ellipsoïde 4 de révolution autour de l'axe vertical xx' mais de plus petit rayon de courbure que 1' aIl i- solde 3. Comme on l'a vu précédemment, les aimants l et 2 sont avantageusement constitués par des empilages de petits aimants ayant la forme de parallélépipèdes rectangles. Ces empilages peuvent hêtre formés à 1' intérieur de cases paral lélépipèdiques définies par des cloisons de séparation 5 en matière non magnétique, disposées perpendiculairement leis unes aux autres, et formant deux ensembles de cases supérieures et de cases inférieures pour recevoir les aimants 1, 2 correspondants. Les aimants supérieurs 1 et inférieurs 2 sont disposés de manière à présenter des pôles de polarités opposées aux extrémités de l'entrefer, les aimants supérieurs 1 présentant, par exemple, des faces polaires inférieures la constituant des pôles Nord tandis que les aimants inférieurs 2 présentent des faces polaires supérieures 2a constituant des pâles Sud. Tous les aimants individuels 1, 2 sont aimantés suivant des directions parallèles à l'axe vertical xx' et ont la même intensité d'aimantation. Les aimants permanents 1, 2 peuvent btre réalisés en n importe quel matériau à aimants disponible actuellement. Toutefois il est préférable d'utiliser des aimants de la nuance du ferrite de baryum ou des alliage de terres rares, afin d'obtenir les inductions les plus fortes. La fermeture du flux magnétique est assurée par un ensemble de cales 6 en fer qui prolongent les divers aimants parallélépipèdiques 1, 2 jusqu'à des branches supérieure 7 et inférieure 8 d'une culasse magnétique 9 fermée sur elle-même. Les cales 6 en fer ont des longueurs qui sont fonctionde celles des aimants 1, 2, de manière à assurer la transmission des flux magnétiques individuels avec solution de continuité. Le réglage de l'uniformité du champ dans le volume de l'entrefer défini par l'ellipsoide 3 est réalisé en faisant varier la longueur des aimants parallélépipèdiques élémentaires par l'addition ou la soustraction de cales 10 en matériau à aimant, de faible épaisseur. Ces cales sont principalement accolées aux aimants 1, 2 proches de la zone cylindrique tronquée C de l'ellipsolde 3, et ce afin de compenser l'effet de la troncature résultant de l'arrêt des aimants à une certaine distance du cercle équatorial. Le réglage de l'uniformité du champ peut être également obtenu par la mise en position de petits aimants perme nent sur la surface du circuit magnétique 9 externe. A titre d'exemple, si llellipsolde 3 est de révolution avec un demi-grand axe e et un demi-petit axe b, avec un rapport a/b - 2 et un matdriau du type ferrite de ba- ryum, il est possible de créer une induction de 1500 gauss, avec une uniformité de 10-5, dans un volume sphérique de rayon r = 2b/3. La figure 3 illustre une variante d'exécution dans laquelle les ellipsoïdes 3 et 4 sont de révolution autour du grand axe yy'. La figure 4 illustre une variante d'exécution dans laquelle le surface interne sur laquelle se trouvent les centres des faces polaires la, 2a des aimants 1, 2 déliai tant l'entrefer,est une surface sphérique il -tandis que les faces polaires lb, 2b opposées sont situées sur un ellipaci- de 12. La figure 5 illustre la disposition inverse de la précédente, les faces polaires la, 2e délimitant l'entrefer étant situées sur un ellipsoïde 3 tandis que les faces polaires opposées lb, 2b se trouvent sur une sphère 140 Suivant une variante de réalisation les faces polai- res la, 2a délimitant l'entrefer pourraient être usinées de manière 9 avoir exactement la forme de la portion de la surface de l'ellipsoide ou de la sphère h l'endroit oè elles se trouvent, au lieu d'être planes. Egalement, les aimants parallélépipèdiques pourraient être assemblés les uns aux autres par collage ou autre moyen, en contact les uns avec les autres, sans discontinuité créée par l'épaisseur de la cloison. REVENDICATIONS 1.- Dispositif générateur de champ magnétique uniforme caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'aimants permanents (1,2) parallélépipèdiques parallèles les uns eux autres et disposés à proximité immédiate les uns des autres, aimantés axialement et ayant la même intensité d'aimantation, répartis en deux groupes de premiers et seconds aimants (1,2) distants les uns des autres et -définissant, entre leurs faces polaires (la,2a) en regard, un entrefer délimité par une portion de surface de révolution du second degré (3) (sphère ou ellipsoide), les premier et second aimants coaxiaux (182) de chaque paire d'aimants alignés dans les deux groupes ayant chacun une longueur égale ou proportionnelle à la moitié de la largeur (d) de l'entre- fer qu'ils définissent, c'est-g-dire de la distance entre leurs faces polaires (la,2a) en regard, les premiers aimants (1) ayant tous des faces polaires (la) de mgme po larité qui est opposée à celle des faces polaires (2a) des seconds aimants (2). 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les aimants (1 et 2) sont constitués par des empilages de petits aimants identiques ayant la forme de parallélépipèdes rectangles. 3.- Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les empilages d'aimants parallélépipédiques sont formés b l'intérieur de cases parallélépipèdiques définies par des cloisons de séparation (5) en matière non magnétique, disposes perpendiculairement les unes aux autres, et formant deux ensembles de cases supérieures et de cases inférieures pour recevoir les aimants (1, 2) correspondants. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la fermeture du flux magnétique est assurée par un ensemble de cales (6) enfer qui prolongent les divers aimants parallélêpipèdiquas (1,2) jusqu'a des branches supérieure (7) et inférieure (8) d'une culasse magnétique (9) ferme sur elle-même. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des cales (10) de réglage du champ, de faibles épaisseurs, en matériau h aimant, sont accolées à certains aimants (1,2). 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que de petits aimants permanents sont placés sur la surface du circuit magnétique externe (9), pour assurer le réglage de l'uniformité du champ. 7.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les faces polaires (la,2a) des aimants permanents (1,2) délimitant l'en- trefer sont planes et leurs centres sont situés sur la sur face de révolution (3) du second degré délimitant l'entre fer. 8,.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 h 6 caractérisé en ce que les faces polaires (la,2a) des aimants permanents (1,2) délimitant l'entrefer sont usinées de manière h avoir exactement la forme de la portion de la surface de l'ellipsolde ou de la sphère à l'endroit où elles se trouvent. 9. - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les aimants permanents (1,2) délimitant l'entrefer sont assemblés les uns aux autres par collage ou autre moyen, en contact les uns avec les autres, sans discontinuité créée par l'épaisseur d'une cloison.