Brevet FR2581760A1 — publié le 19861114

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 solénoîdal 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 40 cm 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 Demande- resse décrit une méthode de calcul des caractéristiques d'un tel aimant constitué de bobines ayant toutes le même diamètre inté- rieur 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 comportant plusieurs bobines de même diamètre intérieur et extérieur espacées le long d'un axe longitudinal commun, caractérisé en ce que lesdites bobines sont connectées en série par des premiers conducteurs disposés parallèlement audit axe et s'étendant respectivement dans les espaces entre lesdites bobines, en ce que des seconds conducteurs sont disposés longitudinalement au voisinage desdits premiers conducteurs et en ce que ces seconds conducteurs sont connectés à des troisièmes conducteurs conformés et/ou disposés sur la longueur de chaque bobine pour répartir un écoulement de courant sensi- blement uniformément sur une surface cylindrique coaxiale audit axe, lesdits seconds et troisièmes conducteurs étant interconnectés et reliés dans leur ensemble en série avec lesdites bobines pour assurer le retour du courant vers une extrémité axiale dudit aimant. Les bobines constituant l'aimant décrit ci-dessus sont de préférence des bobines de Bitter. 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 métalliques (généralement en cuivre ou en aluminium), fendus pour former autant de spires et raccordés pour définir un enroulement sensiblement hécoîdal à spires plates. L'empilement de disques est maintenu par une pluralité de tirants. Cette structure est avantageuse 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 configuration d'un disque à l'autre pour matérialiser un ensemble de canaux parallèles à l'axe de la bobine, dans lequel circule un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau désio- nisée, 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 troisièmes conducteurs précités, répartissant le courant de retour sur une surface sensiblement cylindrique et coaxiale aux bobines, dans les tronçons de l'aimant occupés par ces dernières. Dans ce mode de réalisation, on peut connecter électriquement les extrémités des tirants en plaçant à chaque extrémité axiale de chaque bobine, une couronne ouverte, c'est-à-dire comportant une fente radiale au travers de laquelle est établi le point de connexion entre ledit premier conducteur correspondant et ladite bobine. La couronne est bien entendu isolée de la bobine et une paire de seconds conducteurs précités est agencée de part et d'autre dudit premier conducteur, chaque second conducteur étant connecté à une extrémité de ladite couronne. Avec une telle structure, la répar- tition du retour de courant dans les tirants des différentes bobines est sensiblement équilibrée lorsque chaque bobine comporte un nombre impair de demi-tours. L'invention apparaîtra plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation actuellement préféré d'un aimant conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une partie d'un aimant conforme au principe de l'invention, illustrant plus particulièrement une structure de raccordement entre deux bobines voisines; et - la figure 2 est une coupe Il-Il de la figure 1. En se reportant aux dessins, on a représenté une partie d'un aimant solénoTdial 11 à disques annulaires de Bitter, connus en soi, constitué de plusieurs bobines alignées le long d'un même axe principal de symétrie z'z. Plus précisément, on a représenté les deux bobines 14 et 15 les plus proches d'une extrémité axiale de l'aimant opposée à celle o sont agencés les moyens de connexion à une source d'alimentation en courant continu, non représentée. Ainsi, pour une application à l'imagerie par RMN, il est possible d'obtenir un champ magnétique d'homogénéité requise dans une sphère d'inté- rêt de volume suffisant dont le centre est confondu avec celui de l'aimant, à partir d'un jeu de sept bobines par exemple, en choisis- sant les longueurs de ces bobines et les espacements entre ces bobines. Un mode de calcul possible des caractéristiques des bobines de l'aimant et des espacements entre ces bobines est indiqué dans une autre demande de brevet français NI 84-19191 déposée par la 258 1760 Demanderesse et ce mode de calcul 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 d'une pluralité de tirants 18 régulièrement répartis sur une surface cylindrique d'axe z'z. Toutes les bobines sont reliées en série. Les tirants 18 sont propres à chaque bobine; ils ne s'étendent pas dans les espaces définis entre celles-ci, ils sont bien entendu électri- quement isolés des disques de Bitter qu'ils maintiennent. Les tirants ou certains d'entre-eux sont en outre utilisés pour ramener le courant vers la source de courant, c'est-à-dire vers l'extrémité axiale de l'aimant qui n'est pas représentée. Pour cela, un plateau de répartition de courant 19 (non fendu) est situé à l'extrémité externe de la bobine 15 et soudé à la dernière spire de celle-ci pour assurer une répartition sensiblement uniforme de l'écoulement du courant de retour entre les tirants, lesquels sont en contact électrique avec ledit plateau de répartition. Les tirants de chaque bobine sont connectés entre-eux aux deux extrémités de cette bobine de façon à définir une sorte de cage d'écureuil. L'interconnexion des tirants sera décrite plus loin. Sur les tronçons de l'aimant occupés par les - bobines, les tirants sont parcourus par des fractions sensiblement égales du courant de retour. Ils assurent ainsi la compensation de la faible composante axiale de courant due au pas d'hélice de l'enrou- lement défini par les disques de Bitter, dans la bobine correspon- dante. 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 qui circule dans cette bobine. On peut utiliser une simple enveloppe tubulaire cylindrique extérieure aux bobines et coaxiale, pour assurer le retour de courant sensiblement unifor- mément sur une surface cylindrique d'axe z'z dans chaque tronçon de l'aimant occupé par une bobine. On peut aussi utiliser une "cage d'écureuil" définie à partir d'autres tiges conductrices que les 258 1760 tirants. Selon une caractéristique importante de l'invention, les bobines sont connectées en série par des premiers conducteurs tels que 20 s'étendant respectivement dans les espaces entre bobines voisines tandis que des seconds conducteurs 21, participant au retour du courant, sont disposés longitudinalement au voisinage desdits premiers conducteurs, pour les entourer au moins partiellement. Dans l'exemple décrit, chaque conducteur 20, 21 a une section rectangulaire et deux conducteurs 21, isolés du conducteur 20, sont accolés le long de deux faces parallèles de celui-ci. La totalité du courant traversant les bobines circule donc dans chaque conducteur tandis que le courant de retour circulant en sens inverse se partage sensiblement également dans les deux conducteurs 21. La structure de raccordement entre deux bobines, qui vient d'être décrite ne crée pas de champ parasite dans l'espace entre les deux bobines considérées. Par ailleurs, la continuité du circuit de retour de courant est assurée par des troisièmes conducteurs intercon- nectés entre les seconds conducteurs, ces troisièmes conducteurs n'étant rien d'autre que, dans l'exemple décrit, les groupes de tirants 18 associés aux différentes bobines ou au moins une partie de ces tirants régulièrement espacés les uns des autres. Les seconds conducteurs 21 et les tirants 18 sont connectés en série dans leur ensemble avec les bobines elles-mêmes en série, par l'intermédiaire du plateau de répartition 19. Les liaisons entre lesdits seconds conducteurs et les groupes de tirants sont assurées par des cou- ronnes ouvertes 22 disposées aux extrémités axiales des bobines et avec lesquelles les tirants 18 d'une part et les extrémités des conducteurs 21 d'autre part sont interconnectés. Plus précisément, chaque couronne, isolée de la bobine à l'extrémité de laquelle elle est fixée à l'aide des tirants, comporte une fente 23 dans laquelle se situe le point de liaison entre le premier conducteur 20 et l'extré- mité de la bobine correspondante tandis que les extrémités 24 de la couronne matérialisées par la fente 23, sont connectées aux extré- mités des deux conducteurs 21 correspondants. En outre, les tirants 258 1760 de chaque bobine traversent les couronnes 22 correspondantes (une couronne et le plateau 19 en ce qui concerne la bobine 15) et sont serrés au moyen d'écrous entre lesdites couronnes, ce qui assure un contact électrique correct entre ces couronnes et ces tirants. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, chaque bobine comporte un nombre impair de demi-tours de sorte que, de part et d'autre d'une même bobine, les agencements de conducteurs 20, 21 soient opposés par rapport à l'axe z'z. En effet, si l'on se réfère par exemple à la figure 2, on constate que les tirants 18 sont plus ou moins "éloignés" des points de connexions des conducteurs 21 à la couronne 22 et cet éloignement dépend de la position du tirant considéré par rapport à la fente 23. Il pourrait en résulter des différences d'intensité entre les courants circulant dans les tirants, en raison de la portion plus ou moins longue de couronne 22 mise en série avec chacun d'eux. Ce déséquilibre est évité si la bobine comporte un nombre entier de demi- tours car, dans ce cas, les tirants les plus "éloignés" des conducteurs 21 à une extrémité axiale d'une bobine sont les plus rapprochés des conducteurs 21 homologues à l'autre extrémité axiale de cette même bobine. Par conséquent, les résistances réparties entre les tirants par la pré- sence des couronnés sont sensiblement égales de sorte que le courant de retour se partage sensiblement régulièrement entre les tirants dans chaque bobine et se partage sensiblement en deux fractions égales dans les conducteurs 21 dans chaque espace entre deux bobines voisines. 258 1760 REVENDICATIONS 1. Aimant solénoidal à haute homogénéité de champ magné- tique comportant plusieurs bobines (14, 15) de même diamètre intérieur et extérieur, espacées le long d'un axe longitudinal commun (z'z), caractérisé en ce que lesdites bobines sont connectées en série par des premiers conducteurs (20) disposés parallèlement audit axe et s'étendant respectivement dans les espaces entre lesdites bobines, en ce que des seconds conducteurs (21) sont disposés longitudinalement au voisinage desdits premiers conduc- teurs et en ce que ces seconds conducteurs sont connectés à des troisièmes conducteurs (18) conformés et/ou disposés sur la longueur de chaque bobine pour répartir un écoulement de courant sensi- blement uniformément sur une surface cylindrique coaxiale audit axe, lesdits seconds et troisièmes conducteurs étant interconnectés et reliés dans leur ensemble (19) en série avec lesdites bobines pour assurer le retour du courant vers une extrémité axiale dudit aimant. 2. Aimant solénoîdal selon la revendication 1, du type dans lequel les bobines précitées sont des bobines de Bitter, caractérisé en ce que, lesdits disques de chaque bobine étant maintenus de façon connue en soi, par des tirants (18) isolés de celle-ci et régulièrement répartis sur une surface cylindrique coaxiale, les troisièmes conduc- teurs précités sont constitués par au moins certains desdits tirants espacés régulièrement les uns des autres. 3. Aimant solénoîdal selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, dans chaque espace entre deux bobines voisines, un premier conducteur (20) précité et deux seconds conduc- teurs (21) précités accolés symétriquement le long dudit premier conducteur. 4. Aimant selon l'ensemble des revendications 2 et 3, caracté- risé en ce qu'au voisinage de chaque bobine, lesdits seconds conduc- teurs (21) sont reliés aux extrémités d'une couronne ouverte (22), en ce que le point de connexion entre ledit premier conducteur et la bobine correspondante est placé dans l'ouverture de ladite couronne et en ce que chaque couronne, isolée de la bobine à l'extrémité de laquelle elle est montée, est connectée aux tirants (18) constituant les troisièmes conducteurs précités. 5. Aimant solénoldal selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que chaque bobine comporte un nombre impair de demi-tours.