Brevet FR2583885A1 — publié le 19861226

GRADIENTMETRE POUR CHAMP MAGNETIQUE UTILISANT PLUSIEURS SONDES A RMN La présente invention a pour objet un gra- dientmètre pour champ magnétique. ELLe trouve une ap- plication dans la mesure des faibles gradients magnéti- ques. Par faible gradient, on entend des différences de champ inférieures à quelques gammas, le gamma étant une unité de mesure égale à 10-9 Tesla. L'invention utilise certains éléments d'un appareil appelé magnétomètre à résonance magnétique nu- cléaire (RMN en abrégé) avec ou sans axe interdit. Cet appareil est d'un type particulier, dit à oscillateur à couplage de spin. De tels appareils sont connus et dé- crits notamment dans les demandes de brevets français FR-A-1 447 226 et FR-A-2 098 624. La figure I rappelle schématiquement la structure d'un magnétomètre à RMN. On y trouve un géné- rateur 10 de très haute fréquence (VHF) relié par un câble coaxial 12 à une sonde 14 comprenant une cavité résonnante dans laquelle sont disposés des échantillons (non représentés) de matière à rapport gyromagnétique déterminé. La sonde comprend en général deux enroule- ments 16 et 18 reliés à deux sorties de signal 21, 22. Les sorties sont reliées aux deux entrées 31 et 32 d'un amplificateur différentiel 30. La sortie 33 de celui-ci est rebouchée sur les entrées par l'intermédiaire de deux résistances 34 et 35. On montre qu'un tel circuit se comporte comme un oscillateur à la fréquence angulaire ú=yH si y dési- gne le rapport gyromagnétique de l'échantillon utilisé et H le champ magnétique dans lequel baigne la sonde. Dès lors, la mesure de la fréquence par un fréquence- mètre 40 permet de déterminer H. Eventuellement, un amplificateur supplémen- taire 42 peut être utilisé à la sortie de l'amplificateur différentiel, mais ce circuit sera pas- sé sous silence dans la suite, ne jouant pas de rôle essentiel. Un tel dispositif mesure un champ magnétique et non un gradient. Pour obtenir la différence de champ entre deux zones voisines Z1, Z2, on peut évidemment utiliser deux tels magnétomètres M1, M2, placer Les sondes de ces magnétomètres dans les deux zones Z1, Z2 en question, mesurer Les deux fréquences 511 et Q2 et calculer La différence 41 - 2. Un tel système fonctionnerait mais-sa préci- sion serait faible. Il faut savoir en effet que La fré- quence mesurée par ces-appareils est en général voisine de 2000 Hz pour le champ magnétique terrestre qui est de L'ordre de 50 000 gammas, ce qui signifie qu'un Hertz correspond sensiblement à 25 gammas. Si L'on veut obtenir une précision de l'ordre du milLigamia, iL fau- dra pouvoir mesurer la fréquence à 1/25000 près, et cela entre 1000 et 3000 Hz. Cela requiert un fréquence- mètre très spécial, donc cher. Par ailleurs, un tel système utiliserait deux oscillateurs ayant des fréquences très proches, mais non rigoureusement égales. Des battements de fréquence apparaîtraient inévitablement, ce qui perturberait La mesure. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. Pour cela, L'invention préconise encore l'utilisation de deux sondes (ou plus. de deux sondes) avec deux amplificateurs différentiels, ceux-ci recevant respectivement Les signaux délivrés par les sondes, mais avec un rebouclage particulier de la sortie sur Les entrées. Selon L'invention, pour l'un au moins des amplificateurs, La sortie est rebouclée non pas sur les entrées de cet amplificateur mais sur les entrées de l'autre amplificateur. Si l'on veut obtenir un montage symétrique, cette disposition est reprise pour Le second ampLificateur, de sorte que La sortie de chacun est reboucLée sur Les entrées de L'autre. Mais on peut aussi constituer, d'une part, un oscillateur maître, en rebouchant la sortie d'un ampli- ficateur sur les entrées de celui-ci et, d'autre part, un ou des oscillateur(s) esclave(s) en reliant la sor- tie de l'oscillateur maître aux entrées du ou des au- tres amplificateurs. Un oscillateur esclave joue alors le rôLe de filtre nucléaire à la fréquence gyromagnéti- que qui le caractérise. Un tel dispositif, à deux ensembles couplés et croisés fonctionne à une fréquence unique bien dé- terminée qui se situe entre les deux fréquences propres des deux oscillateurs, dans la partie commune aux deux raies de résonance caractérisant chaque sonde. Ces raies ont une largeur (exprimée en champ magnétique) d'environ 8 gammas et sont centrées sur le champ qui règne dans chaque sonde. Cela signifie qu'on ne pourra faire fonctionner le système de l'invention que dans une plage égale à la demi-largeur de raie de résonance des solvants. C'est le gradient de champ que l'on pour- ra mesurer selon l'invention. Autrement dit, si le champ de l'oscillateur maître est pris comme référence, le champ dans lequel baigne l'oscillateur esclave ne devra pas différer de plus d'une valeur égale à la demi-largeur de raie de résonance des solvants par rapport à.ce champ de réfé- rence pour que le système maitre-esclave puisse oscil- ler. On observera que la fréquence de fonctionne- ment du gradientmètre est unique et qu'ainsi tout ris- que de battement est exclu avec le système de l'inven- tion. Si la sonde maTtre et la sonde esclave tra- vaillent à la même fréquence, les signaux qu'elles délivrent sont néanmoins Légèrement déphasés l'un par rapport à l'autre, comme dans tout système à oscilla- teurs croisés. Si chaque oscillateur travaillait à sa fréquence propre, la tension de sortie serait en phase avec la tension d'entrée. Mais comme la fréquence de fonctionnement est supérieure à la fréquence propre de l'un des oscillateurs et inférieure à la fréquence pro- pre de l'autre, il se produit deux déphasages partiels de signes contraires qui constituent un déhasage glo- bal. C'est ce déphasage qui caractérise la différence de champs auxquels sont soumises les deux sondes. La mesure de cette différence devra donc faire appel non plus à un fréquencemètre mais à un phasemètre. L'expérience montre qu'à 1 gamma de différen- ce correspond un déphasage d'environ 20 pour le sol- vant utiLisé. La mesure d'un gradient de 1 milligamma requiert donc la mesure d'un déphasage de 0,02', ce qui est possible avec un bon phasemètre du commerce. De toute façon, les caractéristiques de L'in- vention 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, représente un magnétomètre selon l'art antérieur, - La figure 2 représente un gradientmètre selon l'invention à deux sondes identiques croisées, - la figure 3 représente un gradientmètre selon l'invention à un oscillateur maître et trois os- cillateurs esclaves disposées selon un trièdre trirec- tangle. Le dispositif représenté sur la figure 2 com- prend un unique générateur VHF 50 relié par un câbLe coaxial 52 à deux sondes S1 et S2 ayant des sorties de signal s'1, s"1 pour la première et s'2, s"2 pour la seconde. Des amplificateurs différentiels A1 et A2 ont des entrées e'1, e"l pour le premier et e'2, e"2 pour Le second. Les entrées des amplificateurs sont reliées aux sorties de signal. Les amplificateurs possèdent des sorties respectivement s"'1 et s'"'2. La sortie s'"1 du premier est reliée aux entrées du second par des résistances r'2, r"2, tandis que la sortie s'"2 du second est reliée aux entrées du premier par des résistances r'1, r"1. Un*phasemètre 60 est relié entre les sorties s'"1 et s'"2. Si Les champs dans lesqueLs baignent Les sondes S1 et S2 sont notés HI et H2, Le phasemètre 60 donne la mesure de H1-H2.' Le mode de réalisation qui vient d'être dé- crit est parfaitement symétrique. Mais on peut réaliser un gradientmètre un peu différent en privilégiant l'un des deux ensembles pour lui faire jouer le rôle d'os- ciltateur maître, L'autre ou les autres ensembles se comportant en oscillateurs esclaves. C'est ce qui est représenté sur la figure 3 o cette variante est repro- duite trois fois, dans trois directions orthogonales. De manière plus précise, le dispositif repré- senté sur cette figure comprend: - un oscillateur maître constitué d'une sonde SO et d'un amplificateur différentiel AO dont La sortie est rebouchée sur les entrées, - trois oscillateurs esclaves comprenant chacun une sonde, respectivement Sx, Sy, Sz et un am- plificateur différentiel, respectivement Ax, Ay, Az, dont les entrées sont reliées à la sortie de l'amplifi- cateur AC de l'oscillateur maître, - 'rois phasemètres PHx, PHy, PHz reliés res- pectivement entre la sortie de AO et les sorties de Ax, Ay, Az, - un fréquencemètre Fo. Un tel dispositif donne le gradient de champ magnétique dans les trois directions Ox, Oy, Oz selon B 8784.3 RS lesqueLLes sont orientés Les couples de sondes SOSx, SOSy et SOSz ainsi que le module du champ magnétique dans lequel baigne L'osciLLateur-maitre. Evidemment, L'invention protège tout gra- dientmètre qui comprendrait plus de quatre sous-ensem- bles tels que ceux de La figure 3 avec un oscilLateur maître et plus de 3 osciLLateurs esclaves, ou encore tout gradientmètre pour lequel les directions Le Long desquelles on mesure Les gradients ne sont pas orthogo- nales entre eLLes. REVENDICATIONS 1. Gradientmètre pour champ magnétique, ca- ractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux son- des (S1, S2) de magnétomètre à résonance magnétique nu- cléaire du type oscillateur à couplage de spin avec ou sans axe interdit, chaque sonde possédant deux sorties de signal (s'1, s"1, s'2, s"2), deux amplificateurs différentiels (A1, A2) à deux entrées (e'1, e"1, e'2, e"2) reliées respectivement aux deux sorties de signal, la sortie (s'"1, s'"2) de l'un au moins des amplifica- teurs (A1, A2) étant reliée aux entrées de l'autre am- plificateur par deux résistances (r'1, r"1, r'2, r"2), ce dispositif comprenant encore un phasemètre (60) con- necté entre les deux sorties (s'"1, s'"2) des deux am- plificateurs différentiels (A1, A2), ce phasemètre don- nant une mesure de la différence de champ magnétique dans lesquels sont placées les deux sondes. 2. Gradientmètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend deux ensembles identiques (S1, A1 - S2, A2) comprenant une sonde et un amplificateur différentiel, la sortie de l'amplifica- teur différentiel (A1, A2) de l'un des ensembles étant reliée aux entrées de l'amplificateur différentiel (A2, A1) de l'autre, par deux résistances. 3. Gradientmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - une première sonde (SO) et un premier am- plificateur différentiel (AO) dont la sortie est reliée aux entrées par deux résistances, - une deuxième sonde (Sx) et un deuxième am- plificateur différentiel (Ax) dont les entrées sont re- liées, à travers deux résistances à la sortie du pre- mier amplificateur différentiel (AO), un premier phase- mètre (PHx) connecté entre les sorties du premier et du deuxième amplificateurs différentiels, - une troisième sonde (Sy) et un troisième amplificateur différentiel (Ay) dont les entrées sont reliées, à travers deux résistances à la sortie du pre- mier amplificateur différentiel (AO), un deuxième pha- semètre (PHy) connecté entre les sorties du premier et du troisième amplificateurs différentiels, - une quatrième sonde (Sz) et un quatrième amplificateur différentiel (Az) dont les entrées sont reliées, à travers deux résistances à la sortie du pre- mier amplificateur différentiel CAO), un troisième pha- semètre (PHz) connecté entre les sorties du premier et du quatrième amplificateurs différentiels, les sondes (Sx, Sy, Sz) étant disposées par rapport à la sonde (SO) selon trois directions non colinéaires (Ox, Oy, Oz), les trois phasemètres (PHx, PHy, PHz) donnant les trois gradients de champ magnétique dans ces trois directions, le champ o se trouve la première sonde étant pris comme référence et étant, par exemple, mesuré par un fréquencemètre (Fo). 4. Gradientmètre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les 3 directions (Ox, Oy, Oz) sont orthogonales deux à deux et forment un trièdre trirectangle.