Brevet FR2579362A1 — publié le 19860926

AIMANT SOLENOIDAL A HAUTE HOMOGENEITE DE CHAMP MAGNETIQUE L'invention, due. à la collaboration du Service National des Champs Intenses du CNRS (Directeur M. AUBERT) a généralement pour objet un aimant solénoidal à haute homogénéité de champ magnétique, constitué de plusieurs bobines espacées les unes des autres; elle a plus particulièrement pour objet une structure de raccordement entre les bobines, permettant d'éviter la création de composantes de champs parasites. On sait que les installations d'imagerie par RMN nécessitent un aimant de grandes dimensions capable d'engendrer un champ magnétique uniforme dans une région déterminée de l'espace. Typi- quement, il est nécessaire d'engendrer un champ magnétique de 0,15 à 0,5 teslas avec une homogénéité de I à 10 parties par million (ppm) dans une sphère de 40cm de diamètre au moins. Il est connu de réaliser un tel aimant à partir d'un ensemble de bobines espacées les unes des autres de distances choisies, le long d'un axe commun. Dans une autre demande de brevet, la Deman- deresse décrit une méthode de calcul des caractéristiques d'un tel aimant constitué de bobines ayant toutes le même diamètre in- térieur et extérieur et plus particulièrement constitué de bobines de type Bitter. Dans le calcul d'un tel aimant, on suppose qu'aucun courant en circulation dans les espaces entre bobines n'est suscep- tible de créer de champ magnétique. Or, les bobines sont reliées en série et des conducteurs de liaison traversent nécessairement ces espaces. L'invention concerne plus spécifiquement une structure de liaison entre bobines, agencée pour éviter la formation de compo- santes de champs parasites entre lesdites bobines. - Dans cet esprit, l'invention concerne un aimant solénoidal à haute homogénéité de champ magnétique, constitué d'un ensemble de bobines de même diamètre intérieur et extérieur, espacées les unes des autres de distances choisies le long d'un axe commun, lesdites bobines étant connectées en série, caractérisé en ce que deux bobines voisines sont connectées par deux groupes de conduc- teurs symétriques par rapport à un plan passant par ledit axe et les extrémités desdites bobines voisines, de façon que les composantes de courant perpendiculaires audit axe dans lesdits groupes de conducteurs, créent des ampères-tours en opposition, en tout point de l'espace entre lesdites bobines. Selon un mode de réalisation spécifique, les deux groupes de conducteurs précités sont matérialisés par un ou plusieurs anneaux conducteurs circulaires, chaque groupe comportant ainsi les parties d'anneaux situées de part et d'autre du plan précité. Ce ou (de préférence) ces anneaux sont agencés sensiblement transver- salement à l'axe tout en étant légèrement déformés pour définir, chacun, deux demi-spires sensiblement hélicoïdales et opposées. En outre, ce ou ces anneaux sont connectés aux extrémités desdites bobines d'une part et/ou entre eux d'autre part, par des jonctions successivement diamétralement opposées. Autrement dit, si un seul anneau est utilisé (cas d'un espacement relativement faible entre deux bobines adjacentes), celui-ci est connecté aux deux extrémités des deux bobines adjacentes en des points diamétralement opposés. Si en revanche on utilise plusieurs anneaux, connectés bout à bout pour traverser l'espace entre deux bobines, alors le premier anneau est connecté à une extrémité de bobine en un premier point et à un anneau voisin en un second point diamétralement opposé et ainsi de suite jusqu'à la liaison du dernier anneau avec l'extrémité de l'autre bobine. Avec la structure décrite jusqu'à présent, on peut estimer, en première approximation, que les composantes de champ magnétique engendrées par les courants qui circulent dans les groupes de conducteurs tels que définis ci-dessus, s'annulent mutuellement. Il subsiste une composante longitudinale du courant dirigée selon l'axe commun des bobines, laquelle dépend notamment du pas d'hélice des conducteurs de liaison. Cette composante de courant est toujours faible (surtout si on augmente le nombre d'anneaux connectés bout à bout) et crée peu de champ. Si les circonstances l'exigent, elle peut aussi être compensée en mettant à profit le retour de courant vers la source d'alimentation, c'est-à-dire en faisant passer ce courant de retour dans au moins chaque espace entre deux bobines, par au moins un conducteur de retour de courant conformé et/ou disposé pour répartir son écoulement sensiblement régulièrement et longitu- dinalement sur une surface cylindrique coaxiale audit axe. Par ailleurs, les bobines de Bitter sont bien connues pour la production de champs magnétiques intenses. La structure proposée par Bitter est un bobinage constitué de disques annulaires métal- liques (généralement en cuivre ou en aluminium), fendus pour former autant de spires et raccordés pour définir un enroulement sensi- blement hélicoïdal à spires plates. L'empilement de disques est maintenu par une pluralité de tirants. Cette structure est avan- tageuse car elle permet un refroidissement efficace de l'aimant, en pratiquant des trous dans les disques (et dans les isolants séparant ces disques), ces trous étant disposés suivant une même configu- ration d'un disque à l'autre pour matérialiser un ensemble de canaux parallèles à l'axe de la bobine, dans lesquels circule un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau désionisée, du kérozène ou de l'huile. L'invention s'applique de préférence à un aimant construit à partir de telles bobines de Bitter dans la mesure o, notamment, certains au moins des tirants précités peuvent être utilisés pour réaliser les conducteurs de retour de courant, répartissant ce courant sur une surface sensiblement cylindrique et coaxiale aux bobines, comme indiqué ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un aimant construit conformément à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue générale en coupe représentant schéma- tiquement un aimant constitué de plusieurs bobines de type Bitter, séparées les unes des autres de distances choisies et raccordées par des systèmes de conducteurs selon l'invention; - la figure 2 est une vue partielle en perspective d'cPun tel système de conducteurs; - la figure 3 est une vue de détail d'un point de jonction du système de conducteurs de la figure 2. En se reportant aux dessins, on a représenté un aimant solénôîdal 11 à disques annulaires de Bitter, connus en soi, constitué de sept bobines 13a, 14a, 15a, 16, 13b, 14b, 15b alignées le long d'un même axe principal de symétrie z'z. Pour une application à l'ima- gerie par RMN, il est possible d'obtenir un champ magnétique d'homogénéité requise dans une sphère d'intérêt de volume suffisant dont le centre O est confondu avec celui de Paimant, en choissant les longueurs des bobines et les espacements entre ces bobines. De plus, l'aimant est symétrique par rapport à un plan transversal passant par O. Un mode de calcul possible des caractéristiques des bobines de Paimant et des espacements entre ces bobines est indiqué dans une autre demande de brevet français N 84 19191, déposée par la Demanderesse, et ne fait pas partie de l'invention présentement décrite. On entend par bobine de Bitter, toute bobine répondant à la définition rappelée ci-dessus. A ce titre, les disques fendus radia- lement constituant les spires, sont connectés, par exemple soudés, bout à bout et maintenus en un empilage serré au moyen cPd'une pluralité de tirants I8a ou 18b régulièrement répartis sur une surface cylindrique d'axe z'z. Toutes les bobines sont reliées en série. La source de courant, non représentée, est par exemple connectée à l'extrémité externe de la bobine 13a. Les tirants 18a sont en plusieurs tronçons propres à chaque bobine; ils ne s'étendent pas dans les espaces définis entre celles-ci. Les tirants 18b s'é- tendent sur toute la longueur de l'aimant et sont donc communs à toutes les bobines. Ils sont utilisés d'une part pour maintenir des tubes rigides isolés 20, formant entretoises, permettant de fixer les distances entre les bobines (les longueurs des entretoises déter- minant les espacements voulus entre bobines) et d'autre part pour ramener le courant vers la source de courant, c'est-à-dire vers l'extrémité externe de la bobine 13a. Un plateau de répartition de courant 21, situé à l'extrémité externe de la bobine 13b, assure une répartition sensiblement uniforme de l'écoulement du courant de retour entre les tirants 18b lesquels sont régulièrement répartis, comme mentionné ci-dessus, sur une surface cylindrique d'axe z'z. Un autre plateau de répartition 22, isolé de la bobine 13a, est placé à l'extrémité de l'aimant la plus proche de la source de courant. Ce plateau est aussi en contact électrique avec les tirants 18b de sorte que cet agencement définit une sorte de cage d'écureuil connectée en série dans son ensemble avec les bobines de l'aimant, les tirants l8b étant parcourus par des fractions sensiblement égales du cou- rant total qui traverse les bobines. Bien entendu, il n'est pas indispensable d'utiliser les tirants des bobines de Bitter pour assurer la compensation de la composante axiale du courant. Si cette compensation est recherchée, on peut utiliser une simple enveloppe tubulaire cylindrique extérieure aux bobines et coaxiale, pour as- surer le retour de courant. On peut aussi utiliser une "cage d'écureuil" définie à partir d'autres tiges conductrices que les tirants. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la liaison électrique entre deux bobines voisines quelconques est assurée par deux groupes g1, g2 de conducteurs symétriques par rapport à un plan P passant par l'axe Z'Z et les extrémités 25, 26 des bobines adjacentes (voir figure 2). Une telle structure de raccordement est seulement illustrée entre les bobines 15b et 14b de la figure 1. Dans l'exemple spécifiquement décrit, chaque groupe de conducteurs précité est constitué par les moitiés de deux anneaux conducteurs circulaires 28, 29 situées respectivement d'un même côté du plan P. De plus, chaque anneau 28 ou 29 se compose de plusieurs (par exemple deux) conducteurs circulaires concentriques 30 et 31 fixés par tout moyen convenable à des pièces de raccordement 35, 36, 37. L'anneau 28 est fixé à l'extrémité 25 de la bobine 15b par une pièce métallique de raccordement 35. L'anneau 29 est fixé à l'extrémité 26 de la bobine 1 4b par une pièce métallique de raccordement 36, semblable. Les anneaux 28 et 29 sont connectés entre eux par une pièce métallique de raccordement 37 diamétra- lement opposée aux pièces 35 et 36. Deux tirants 18a situés dans le plan P et appartenant respectivement aux deux bobines à relier sont mis à profit pour fixer les pièces de raccordement 35 et 36 aux extrémités de ces bobines (trous de montage 40). Par ailleurs, l'un des tirants 18b muni de son entretoise traverse la pièce de rac- cordement 37 (trou 41). Les autres tirants 18b passent entre les deux conducteurs concentriques 30 et 31 de chaque anneau. Ceux-ci sont à section rectangulaire - et sont fixés par vis et/ou soudées aux différentes pièces de raccordement (voir figures 2 et 3). Comme le montrent les figures 1 et 2, lorsqu'un tel agencement est en place entre deux bobines, les anneaux conducteurs 28 et 29 sont disposés sensiblement transversalement à l'axe tout en étant légèrement déformés longitudinalement pour définir chacun deux demi-spires approximativement hélicoïdales et opposées, symétriques par rap- port au plan P. Par conséquent, à la sortie de la bobine 15b considérée, le courant se partage également dans les deux demi- spires et les composantes de courant circulant dans les deux demi- spires d'un même anneau créent des ampère-tours en opposition, ceci en tout point de l'espace entre les bobines. Sensiblement aucun champ magnétique axial n'est donc engendré par le système de liaison entre les bobines. Par ailleurs, comme mentionné précé- demment, la composante axiale de courant, si faible soit telle, peut être assez précisément compensée par les tirants de retour de courant. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réali- sation spécifiquement décrit de la structure de raccordement. En particulier, dans le cas o les bobines de l'aimant sont effectivement des bobines de Bitter, il peut être avantageux de réaliser les anneaux conducteurs 28, 29 à partir des mêmes disques annulaires de Bitter utilisés pour la fabrication des bobines, non fendus et raccordés bout à bout en des points diamétralement opposés. Par ailleurs, le nombre d'anneaux utilisés dans un espace donné entre deux bobines sera fonction de la longueur de cet espace. REVENDICATIONS 1. Aimant solénoildal à haute homogénéité de champ magné- tique, constitué d'un ensemble de bobines (13, 14, 15, 16) de même diamètre intérieur et extérieur, espacées les unes des autres de distances choisies le long d'un axe commun (z'z), lesdites bobines étant connectées en série, caractérisé en ce que deux bobines voisines sont connectées par deux groupes de conducteurs (gl, g2) symétriques par rapport à un plan (P) passant par ledit axe et les extrémités desdites bobines voisines, de façon que les composantes de courant perpendiculaires audit axe dans lesdits groupes de conducteurs créent des ampère-tours en opposition, en tout point de l'espace entre lesdites bobines. 2. Aimant solénoYdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux groupes (gl, g2) de conducteurs précités sont matérialisés par un ou plusieurs anneaux conducteurs circulaires (28, 29) agencés sensiblement transversalement à l'axe tout en étant légèrement déformés pour définir, chacun, deux demi-spires op- posées sensiblement hélicoïdales et en ce que ce ou ces anneaux sont connectés aux extrémités desdites bobines d'une part et/ou entre eux d'autre part, par des jonctions (35, 36, 37) successivement diamétralement opposés, chaque groupe comportant ainsi les parties d'anneau situées d'un même côté dudit plan (P). 3. Aimant solénoldal selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par au moins un conducteur de retour de courant conformé et/ou disposé pour répartir l'écoulement dudit retour de courant sensi- blement régulièrement sur une surface cylindrique coaxiale audit axe (z'z) dans au moins chaque espace entre deux bobines. 4. Aimant solénoidal selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tiges longitudinales (18b) régulièrement réparties sur ladite surface cylindrique et en ce que ces tiges sont connectées entre elles de façon à définir une sorte de cage d'écureuil, cette cage étant connectée en série dans son ensemble avec lesdites bobines de façon que lesdites tiges soient parcourues par des fractions sensiblement égales du courant total qui traverse lesdites bobines. 5. Aimant solénoldal selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites bobines sont des bobines de type Bitter, connues en soi, constituées par des empilements, avec interposition d'isolant, de disques annulaires conducteurs comportant chacun une coupure matérialisant une spire et comportant en outre des tirants main- tenant les empilements de disques et en ce que lesdites tiges sont constituées par des tirants communs à toutes les bobines. 6. Aimant solénoidal selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits tirants (18b) constituant lesdites tiges, sont entourés de tubes rigides (20) isolés formant entretoise, dans les espaces précités entre bobines voisines, les longueurs de ces entretoises déterminant les espacements voulus entre bobines. 7. Aimant solénoTdal selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que chaque anneau conducteur précité se compose de plusieurs conducteurs circulaires concentriques (30, 31). 8. Aimant solénoidal selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lesdites bobines sont des bobines du type Bitter et que les anneaux conducteurs précités raccordant deux bobines voisines sont constitués par des disques annulaires de Bitter non fendus semblables aux disques desdites bobines.