Brevet FR2583887A1 — publié le 19861226

SONDE DE MAGNETOMETRE A RMN A CAVITE ACCORDABLE EN SON CENTRE ET A GALETTE CENTRALE DEDOUBLEE La présente invention a pour objet une sonde de magnétomètre à résonance magnétique nucléaire (RMN en abrégé). Elle trouve une application dans la mesure précise des champs magnétiques, notamment du champ ma- -5 gnétique terrestre dont La valeur est de 5.10 5 Tesla ou encore 50 000 gammas, le gamma étant une unité par- ticulièrement commode dans l'application envisagée (1 gamma = 10 9 TesLa). Le magnétomètre dans lequel est utilisée l'invention est du type oscillateur à couplage de spin sans axe interdit. Un tel dispositif est connu et est décrit notamment dans les demandes de brevets français FR-A1 447 226 et FR-A 2 098 624. Il n'est donc pas utile de décrire en détail un tel dispositif. Il suffit de rappeler que cet appareil comprend (conformément à la figure 1) au moins deux échantillons liquides conte- nus dans des flacons (4 dans la variante illustrée, soit 2, 4, 6, 8) ces flacons étant disposés dans une cavité résonnante en très haute fréquence. Cette cavité est constituée-par un conducteur central 10 et une pa- roi extérieure conductrice 12, ce conducteur central et cette paroi sont connectés à un câble coaxial 14 relié à un générateur VHF non représenté. La sonde comprend encore des enroulements 16, 18 de prélèvement et de réinjection d'un signal à la fréquence de LARMOR défi- nie, d'une part, par le champ magnétique dans lequel baigne la sonde et, d'autre part, par le rapport gyro- magnétique propre aux échantillons utilisés. A ce sujet il faut encore rappeler que le terme "échantillon" désigne une masse de solvant pré- sentant des noyaux atomiques à moment magnétique et à moment cinétique non nuls, donc à rapport gyromagnéti- que bien défini. Ce solvant contient en solution, une substance paramagnétique possédant au moins une raie de résonance électronique saturable. Cette raie de résonance est excitée par Le champ de très haute fréquence (VHF), établi dans La cavité résonnante. Comme La fréquence de résonance de cette cavité ne peut être prévue avec suffisamment de précision, on utilise un élément accordable, qui est en général capacitif, et qui permet, en Laboratoire, un ajustage de la fréquence de résonance. Dans l'art antérieur rappelé plus haut et notamment dans le document FR-A2 098 624, L'élément capacitif réglable présente la forme illustrée sur la partie droite de la figure 1. IL s'agit d'un disque 15, par exemple en quartz, percé d'un trou central et revê- tu, sur la face externe, de secteurs argentés 17 reliés à la paroi extérieure conductrice 12. Ces secteurs ne s'étendent pas jusqu'au trou central du disque. Sur la face interne, le disque est revêtu de secteurs argentés de faible épaisseur 19, disposés en regard des secteurs 17. Les secteurs 19 sont reliés entre eux par un dépôt métallique 21 qui recouvre le trou central et sert en même temps de liaison avec le conducteur central 10. Ainsi constitué, cet ensemble joue le rôle de condensateur, les secteurs 17 et 19 en constituant les armatures et le disque en quartz 15 le diélectrique. Ce condensateur est inséré entre le conducteur central 10 et la paroi extérieure 12 de la cavité. L'ajustage de ce condensateur permet donc le réglage de la fréquence de résonance de la cavité. Pour cela l'opérateur gratte plus ou moins l'argenture 17 recouvrant le disque 15. S'il donne satisfaction à certains égards, ce moyen de réglage présente néanmoins des inconvénients. En effet, tout d'abord, il est très Lié à la forme des flacons utilisés, qui, comme on peut le voir sur la figure 1, présentent une forme cylindrique. Or, tel n'est pas toujours le cas puisque les formes peuvent être très diverses et, être par exemple hémisphériques. Par ailleurs, le dispositif est essentiellement dissy- métrique, puisqu'il est placé à une extrémité de la sonde. Il est également assez complexe et cher puis- qu'il requiert un disque en quartz recouvert de sec- teurs argentés. Enfin, et comme on le comprendra mieux par la suite, la présence inévitable d'une buttlle dans le flacon d'extrémité vient perturber le réglage lors- que la sonde est en position verticale, surtout dans le cas des flacons hémisphériques. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un moyen d'accord beaucoup plus simple, moins coOteux, symétri- que et insensible à la position des bulles dans les flacons. Selon l'invention, l'élément capacitif de réglage est constitué par au moins un condensateur ré- glable disposé au centre de la cavité, entre deux moi- tiés du conducteur central de la cavité, l'extrémité du conducteur central qui n'est pas reliée au coaxial étant reliée directement à la paroi extérieure conduc- trice par un court-circuit. De toutes façons, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explica- tif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre l'art antérieur, - la figure 2 représente une variante à deux flacons hémisphériques et à quatre bobines, - la figure 3 montre un flacon hémisphérique dans deux positions verticales, - la figure 4 illustre une autre variante de réalisation à quatre flacons et à deux bobines. La sonde représentée sur la figure 2 comprend deux flacons 20, 22 constitués chacun (comme on peut mieux le voir sur La figure 3) par un hémisphère 26 et une galette cylindrique 28. Ces deux flacons sont revê- tus extérieurement par une couche métallique argentée respectivement 30, 32, constituée de bandes non jointi- ves (pour éviter les courants de Foucault circonféren- tiels). La sonde comprend encore un conducteur central formé de deux demitronçons 33a et 33b, l'extrémité gauche 34 du tronçon 33a étant reliée au conducteur central d'un coaxial 36 et l'extrémité droite 38 du tronçon 33b étant connectée à la couche conductrice 32 du flacon 22 par des bandes conductrices 39. Les enroulements de prélèvement et d'excita- tion de cette sonde comprennent, d'une part, deux en- roulements hémisphériques 40 et 42 et, d'autre part, deux bobines plates 44 et 46. Les enroulements hémi- sphériques 40 et 42 sont obtenus par bobinage sur un gabarit sphérique et imprégnation par une résine. La forme en escaliers présentée par Les zones extérieures vient de ce que des spires qui seraient situées dans ces zones participeraient peu à l'excitation et au prélèvement du signal de mesure et ont donc été suppri- mées, ce qui allège d'autant la sonde. Les enroulements 40 et 42, d'une part, 44 et 46, d'autre part, sont bobinés et connectés de telle sorte que les signaux utiles s'ajoutent et les signaux parasites se retranchent, comme expliqué dans les docu- ments précédemment cites. La forme particulière donnée aux enroulements de la figure 2 conduit à un champ ma- gnétique schématisé par la ligne H. Il résulte de cette forme que, quelle que soit l'orientation de la sonde par rapport au champ à mesurer, il existe toujours un volume de L'échantillon pour lequeL le champ d'excita- tion n'est pas parallèle au champ à mesurer, ce qui évite tout axe interdit de mesure. La sonde représentée se complète par un blin- dage extérieur 48 formé par des bandes métalliques dé- posées sur un support isolant. Conformément à l'invention, un condensateur réglable 50 est disposé entre les tronçons 33a et 33b du conducteur central. Ce condensateur est accessible de l'extérieur grâce à une ouverture 52 pratiquée dans le blindage. Une tige ou l'extrémité d'un tournevis 53 permet d'ajuster manuellement la valeur de la capacité du condensateur en passant entre les deux flacons 20, 22 et entre les deux bobines plates 44 et 46. Naturellement, étant situé dans la cavité ré- sonnante et étant soumis au champ magnétique à mesurer, le condensateur 50 doit être rigoureusement amagnéti- que. On observera la parfaite symétrique du dispo- sitif de la figure 2 et sa simplicité. En outre, il présente un autre intérêt qui peut être souligné en liaison avec la figure 3. Un flacon y est représenté avec sa partie hémisphérique 26 et sa galette cylindri- que 28. Le remplissage s'effectue par un queusot 29 qui, une fois scellé, constitue une petite protubérance sur le c8té du flacon. Le remplissage du flacon n'est, en fait, jamais total car, pour permettre la dilatation du liquide, il est nécessaire de prévoir une bulle 31. Lorsque le flacon se présente verticalement, la partie hémisphérique en haut (partie a de la figure 3), la bulle 31 se place au sommet de l'hémisphère et occupe une superficie relativement réduite. Dans la sonde, cela signifie que cette bulle se trouve autour de l'ex- trémité 38 du conducteur central. Dans l'art antérieur, c'est justement cette extrémité qui servait à ajuster La fréquence de La cavité, de sorte qu'en position ver- ticale La cavité se trouvait déréglée. Cet inconvénient est évité avec L'invention puisque le condensateur de régLage est situé au centre de la cavité. Naturellement, Lorsqu'on considère la posi- tion inversée (partie b), La bulle vient au contact de La paroi plane de La gaLette du flacon 20, à proximité de la zone de réglage; mais, dans ce cas, la surface offerte à la buLLe 31 est grande et celle-ci est dont très mince, ce qui n'a pratiquement aucun effet sur le réglage. L'invention ne s'applique pas uniquement aux sondes à flacons hémisphériques, mais à tout type de sonde. La figure 4 montre en particulier une sonde à quatre flacons 61, 62, 63, 64 dans lesquels Les échan- tillons sont répartis 2 à 2 comme expliqué dans Les documents antérieurs; deux enroulements 66 et 68 sont disposés entre les flacons. La cavité résonnante est formée, d'une part, par un conducteur central formé de deux demi-tronçons 70a et 70b et, d'autre part, par une paroi conductrice formée de bandes argentées 72 sur la partie cylindrique de la sonde et de secteurs argentés 73 sur les deux parois latérales. Selon l'invention, un condensateur réglable 74, amagnétique, est connecté entre les deux demi- tronçons 70a et 70b. Ce condensateur est accessible de l'extérieur de la sonde à travers une ouverture 76 pra- tiquée dans la couche extérieure, un espace étant ména- gé, à cet effet, entre les flacons 62 et 63. L'extrémi- té 78 du tr.Qnçon 70b est électriquement reLiée par une feuille métallique 80 aux secteurs 73 de La paroi Laté- rale de droite. REVENDICATIONS 1. Sonde de magnétomètre à résonance magnéti- que nucléaire à couplage de spin sans axe interdit, cette sonde comprenant au moins deux échantillons li- quides contenus dans au moins deux flacons (20, 22, 61, 62, 63, 64), ces flacons étant disposés dans une cavité résonnante en très haute fréquence, cette cavité étant constituée par un conducteur central (33a, 33b, 70a, b) et une paroi extérieure conductrice (30, 72), le conducteur central étant relié à un élément capacitif permettant le réglage de la fréquence de résonance de la cavité, la sonde comprenant encore au moins deux enroulements (40, 42, 66, 68) de prélèvement et de ré- injection d'un signal à la fréquence de LARMOR définie par le champ magnétique dans lequel baigne la sonde et par le rapport gyromagnétique propre aux échantillons utilisés, ces enroulements entourant au moins une par- tie des échantillons; cette sonde étant caractérisée par le fait que l'élément capacitif de réglage est constitué par au moins un condensateur réglable (50, 74) disposé au centre de la cavité, entre deux demi- tronçons du conducteur central (33a, 33b, 70a, 70b), une extrémité (38, 78) du conducteur central étant re- liée à la paroi extérieure conductrice par un court- circuit (39, 80). 2. Sonde selon la revendication 1, caractéri- sée par le fait qu'elle comprend une paroi extérieure recouverte de bandes métallisées formant soit la paroi extérieure de la cavité, soit un blindage, cette paroi étant percée d'une ouverture (52, 76) permettant d'ac- céder au condensateur pour le régler manuellement dé l'extérieur. 3. Sonde selon La revendication 1, caractéri- sée par le fait que le condensateur réglable (50, 74) est amagnétique. 4. Sonde selon La revendication 1, caractéri- sée par le fait qu'elle comprend deux flacons (20, 22) ayant chacun la forme d'un hémisphère (26) accolé à une galette cylindrique plate (28), les deux flacons (20, 22) étant disposés en regard l'un de l'autre, leurs galettes plates se faisant face, les flacons ayant leur paroi extérieure recouverte de bandes conductrices for- mant la paroi extérieure de la cavité résonnante, le condensateur de réglage (50) étant disposé entre les deux galettes des deux flacons (20, 22). 5. Sonde selon la revendication 4, caractéri- sée par le fait qu'elle comprend deux premiers enroule- ments (40, 42) chacun bobiné sur une surface hémisphé- rique concentrique à la partie hémisphérique (26) des flacons (20, 22), et deux seconds enroulements (44, 46) en forme de bobines plates disposées entre les deux galettes plates (28), ces deux enroulements participant à la récupération du signal et améliorant l'isotropie de la sonde, le condensateur réglable (50) étant dispo- sé entre les deux seconds enroulements (44, 66).