Brevet FR2603384A1 — publié le 19880304

MAGNETOMETRE A RPE OMNIDIRECTIONNEL DESCRIPTION La présente invention a pour objet un magnétométre omnidirectionnel, c'est-à-dire pouvant fonctionner quelle que soit L'orientation du champ à mesurer. Cet appareil repose sur le principe de la résonance paramagnétique électronique (RPE en abrégé). Le magnétomètre de l'invention est plutôt destiné à la mesure de champs magnétiques faibles (de l'ordre de 10-9 T). Il trouve donc des applications en géophysique, en prospection minière, en détection militaire et spatiale, et aussi en robotique industrielle. L'existence du spin de L'électron et, par conséquent, d'un moment magnétique non nul, est La cause du mouvement de précession de L'électron autour de L'axe d'un champ magnétique ambiant. La fréquence de précession, dite de Larmor, est déterminée par la relation suivante F = # HO/Z # où HC est le module du champ ambiant et Y Le rapport gyromagnétique de l'électron. Le principe d'un magnétomètre à résonance paramagnétique électronique consiste à détecter la variation de flux magnétique engendrée par la précession du moment magnétique d'une collection d'électrons. Pour cela on utilise un enroulement sensible à l'induction variable, laquelle fait apparattre, aux bornes de cet enroulement, une tension alternative qui est à La fréquence de Larmor. La mesure de cette fréquence donne la valeur du champ. La figure 1 illustre ce principe. Le mouvement de précession de l'aimantation macroscopique M d'un échantillon paramagnétique Ech autour de L'axe du champ ambiant HO est symbolisée par le cercle 2. Cette aimantation est la somme des contributions élémentaires des moments magnétiques des électrons de L'échantillon. Aux bornes d'un enroulement El apparat une tension électrique dont l'amplitude est proportionnelle au carré du module du champ HO et dont la fréquence est égale à la fréquence de Larmor. Un circuit de nesure permet de mesurer ces deux grandeurs. Pour entretenir le mouvement de précession de l'aimantation macroscopique, il faut entra@ner celle-ci par un champ tournant H1 à la fréquence de Larmor. Ce champ doit avoir une composante perpendiculaire à HO. Pour cela, on utilise un second enroulement E2 qui est alimenté par le circuit 4, par une tension à une fréquence aussi voisine que possible de la fréquence de Larmor. Ce magnétomètre est donc un appareil qui mesure la fréquence de la tension induite par la précession de L'aimantation et qui, de plus, engendre un champ d'entraînement dont ta fréquence doit être en permanence liée au module du champ ambiant. La tension détectée due à la précession du soin des électrons présente une courbe de réponse en fréquence dite d'absorption, qui est une courbe en cloche de type lorentzienne, centrée sur la fréquence de Larmor. Cette courbe est obtenue si l'on mesure, dans le plan perpendiculaire à HO, la composante en quadrature de phase avec le champ d'entraînement H1. Si l'on s'intéresse à la composante en phase avec H1, on obtient une courbe dite de dispersion, qui est une fonction impaire centrée elle aussi sur la fréquence de Larmor. On peut observer que si H1 ne présente pas de composante perpendiculaire à HO, son effet d'entraînement est nul et aucune tension n'apparaît aux bornes de L'enroulement de mesure. Le magnétomètre ne peut donc fonctionner. Il est donc impératif que H1 ait une composante perpendiculaire a HO. En pratique, le champ d'entratnement H1 induit, par mutuelle inductance, une tension dans l'enroulement de détection. Cette tension se superpose à celle qui résulte de la précession des électrons. Il est donc nécessaire d'extraire ou de séparer l'information due à l'aimantation tournante de cetle due à La tension produite par H1. En effet, Si l'on détectait cette dernière, ce qui pourrait se produire si elle était prépondérante par rapport au signal dû à L'aioantation électronique, le système pourrait s'auto-entretenir à une fréquence indépendante du champ magnétique ambiant. Cette fonction de séparation de la tension utile et de la tension parasite peut s'effectuer soit au niveau de la sonde, si celle-ci est agencée de telle sorte que l'enroulement de detection El soit découplé du champ H1, soit au niveau du traitement électronique.La combinaison de ces deux solutions est ualement possible. Les substances paramagnétiques utilisables dans de tels systèmes doivent présenter une raie de résonance intense et étroite. La largeur de raie idéale mesurée en champ faible (de l'ordre du champ terrestre soit 50 50 T) T) serait de L'ordre de O,IAT. D'autre part, Leur stabilité chimique doit être suffisante : une durée de vie d'un an est un minimum. Des substances possibles sont connues : ce sont des solutions de métaux alcalins, des complexes à transfert de carge, des sels de cations radicaux, des semi-conducteurs moléculaires. On peut en citer quelques uns - Les solutions de métaux alcalins : une solution de sodium à 0,1 Mcle/litre, dans l'ammoniaque fournit une raie de resonance oe 2 > T de large ; mais la densité de spin, donc L'intensité de la raie est faible ; par ailleurs, la stabilité de la solution n'est pas excellente ; une telle substance est decrite dans un article de D.BOURDEL et aL publié dans la Revue de Physique Appliquée, 5, 187 (1970) ; - les complexes à transfert de charge : Le tétracyanoquino- diméthane quinolinium, par exemple, présente un signal intense de Largeur 20 T ; ce produit est parfaitement stable ; - les sels de cations radicaux : les sels cristallins de cations radicaux de molécules aromatiques A X ou A représente le fluoranthène, le naphtalène, le triphénylène, Le pyrène, le perylene et x un anion PF-, As F, Sb@@ Clo@, BF4, ont 6 36 6 4 4 des caractéristiques RPE intéressantes ; l'hexafluorophosphate de fluoranthêne présente une largeur de raie de 1,3 T ; sa stabilité n'est pas suffisante actuellement. Une telle substance est décrite dans l'article de E. DORMANN et al publié dans Applied Physics A30 227-231 (1983). Les magnétomètres fonctionnant selon ce principe donnent satisfaction à certains égards lais ils présentent cependant un inconvénient qui est la nécessité de devoir être orientés en fonction du champ à mesurer pour que le champ d'entraînement H1 ait une composante perpendicutaire au cham à mesurer. L'invention a justement pour but de renédier à cet inconvénient. A cette fin, elle préconise un magnétométre omnidirectionnel, c'est-à-dire qui fonctionne quelle aue scit L'orientation de HO. De façon précise, l'inventics a pour obiet un magnétomètre tel que ceux qui ont été déct@ts plus haut et ou est caractérisé par le ffait que l'enceinte contenant La substance paranagmétique électronicue est en forme de tore, l'enroulement de cétesti@r étant bobiné autour de ce tore. Cas une première variante, Le de@x@éme enroulement qui sert à créer le champ d'entraînement H1 est constitué par deux bobines encadrant Le tore, ces bobines ayant un axe confondu avec celui du tcre, ces deux bobines étant alimentées par des courants alternatifs de sens tels que les pôles magnetiques créés scient en op@osition. Dans une seconde variante, Le deuxiéme enroulement est lui aussi bobine autour du tore. De toute façon, les caractéristiques de L'inventionn apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, illustre Le principe d'un magnétomètre à RPE, - la figure 2 montre une première variante d'une sonde à deux bobines d'entretien, de part et d'autre du tore, - la figure 3 montre une seconde variante de l'invention, - la figure 4 montre un circuit électronique à oscillateur direct, - la figure 5 montre un circuit à oscillateur asservi, - la figure 6 montre un circuit à oscillateur asservi par modulation, - la figure 7 montre une variante d'exécution d'un des éléments du circuit précédent. Sur La partie a de la figure 2, on voit un récipient 10 en forme de tore contenant une substance paramagnétique tel le que celles énumérées plus haut. Autour de ce tore est bobiné un enroulement E1, qui épouse donc lui aussi la forme du tore. Ce tore possède un plan médian 12 et un axe 18. De part et d'autre du plan médian, on trouve deux bobines E2 et E'2 coaxiales au tore. Ces bobines sont alimentées de telle scrte que les champs magnétiques qu'et Les créent scient en opposition, ou, si l'on veut, que les putes en regard soient de même type (nord-nord ou sud-sud). Il en résulte des lignes de champ formant, dans le plan médian 12, un champ H1 de distribution radiale dont on voit bien la répartition sur la partie b de la figure (laquelle ne reproduit pas les deux bobines E2, E'2 pour plus de clarté). Ainsi, quelle que soit l'orientation du camp HO, il existe toujours au moins une fraction de La substance paramagnétique pour laquelle le champ H1 est perpendiculaire à HO. Par exemple, sur la partie b, on voit un champ HO situé dans un plan Oy, Oz. Pour ce champ, les volumes 20 et 20' situés sur L'axe Ox voient un champ H1 perpendiculaire à HO. Les inductions magnétiques dans ces deux volumes sont en opposition de phase, mais comme les deux parties d'enroulements sont bobinées en sens inverse, les deux tensions induites dans ces deux volumes s'additionnent. Ainsi se trouve assure le caractère omnidirectionnel du dispositif. Dans l'exemple illustré, Le champ H1 est situe dans le plan des spires de l'enroulement de prélèvement E1. Le cha; pré Levé par celui-ci correspond donc à une composante en quadrature avec H1. La courbe amplitude-fréquence qu'on peut ainsi relever est donc une courbe d'absorption. Dans un autre mode de réalisation illustre sur La figure 3, L'enroulement E2 d'entretien de la précession est bobiné autour du tore 10, comme l'enroulement de détection E1. Le champ H1 est donc dirigé selon l'axe des spires et là enccre quelle que soit L'orientation de HO, il y aura une fraction de l'échantillon ou H1 sera perpendiculaire à HO. Dans le cas ou HC est dans le plan yOz, comme sur la figure 2b, ce seront Les fractions situées sur l'axe Cx. Dans le cas de cette seconde variante, c'est la composante en phase avec le champ d'entraînement de la précessior que l'on détecte, ce qui donne accés à la courbe de dispersion de la résonance. La structure torique présente deux autres avantages - absence de fuites magnétiques : tout le flux engendré par la précession des électrons demeure à l'intérieur de la bobine de détection, contrairement par exemple à une bobine rectiligne o@ les extrémités permettent la fuite des lignes de champ ; ta structure torique conduit donc à un meilleur rendement énergétique de la sonde, - immunité vis-à-vis des champs parasites : tout champ variable et uniforme dans lequel est immergée La bobine torique se décompose en une composante perpendiculaire au plan du tore et une autre situee dans ce plan ; la première sera inopérante à l'égard de la bobine de détection, puisque parallèle au plan de ses spires ; seul un effet indirect par la fluctuation de la fréquence de précession des spins peut être perçu ; La seconde va créer dans deux zones de la bobine, symétriques par rapport au centre du tore, deux tensions de signes opposes. La tension résultante, après intégration sur toute la longueur du bobinage, sera donc nulle. Les sondes représentées sur les figures 2 et 3 doivent être associées à des moyens électroniques qui ont une double fonction : extraire de La sonde l'information correspondant à La précession électronique et entretenir le champ d'excitation à la fréquence de Larmor. Sur la figure 4, on voit une sonde torique S, selon l'invention, associee à un circuit à oscillateur direct qui comprend un amplificateur 22 relié aux bornes de l'enroulement E1 et un déphaseur 24 qui alimente le second enroulement E2. Cette configuration ne peut être utilisée que si le rapport de La tension engendrée par La précession de l'aimantation électronique à la tension induite par H1 est élevé, et ce, dans toute la gamme d'utilisation du magnétométre. Une variante de ce circuit consiste à conparer en permanence la fréquence d'entraînement et la fréquence de précession des spins, auquel cas le montage utilise est celui de La figure 5. On y trouve un amplificateur à large bande 30 relié à l'enroulement torique El de la sonde S, un comparateur de fréquence 32, un second amplificateur 3', un intégrateur 36 et un osciLLateur commandé en tension 38 (en terminologie anglosaxonne VCO pour "Voltage Controled Oscillator"). Ce dernier alimente l'enroulement E2. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Le signal électrique provenant de la sonde S subit une amplification dans 30, puis sa fréquence est comparee à celle du champ d'entraînement dans le comparateur de phase 32. Après une nouvelle amplification dans 34, le signal est intégré dans 36 de façon à piloter L'oscillateur commandé en tension. Celui-ci fournit La frequence de Larmor dans les bobines d'excitation E2. Dans L'exemple de realisation illustre sur la figure 6, on trouve un amplificateur à large bande 40, un démodulateur 42, un amplificateur basse fréquence 44, un@oscillateur asservi 46, un intégrateur 48, un oscillateur VCO 50, un oscillateur basse fréquence 52 et un modulateur 54. L'oscillateur VCO 50 est centre sur La fréquence de Larmor, par exemple 1,4 MHz pour HO:50AT. La tension qu'il délivre est modulée en fréquence dans 54 par le signal basse fréquence issu de l'oscillateur 52. Cette modulation est telle que sa période basse fréquence soit inférieure au temps de relaxation de la précession électronique et que son excursion soit inférieure à la largeur de la raie. Le signal provenant de la sonde attaque l'amplificateur Large bande 40.Par exemple, pour une mesure du champ terrestre, qui est de l'ordre de 20 à 70 T, la bande passante typique est de 0,5 à 2 MHz. L'opération suivante est le transfert du signal utile vers une fréquence plus basse. Ceci s'effectue dans le démodulateur 42, par exemple par détection cohérente ou non, soit directement comme c'est Le cas du schéma de la figure 6, scit par passage par une fréquence intermédiaire, comme c'est le cas si Le démodulateur 42 présente la structure de la figure 7 : un demodulateur à fréquence intermédiaire 43, un amplificateur 45 à cette fréquence intermédiaire et enfin un démodulateur basse fréquence 47. Pour en revenir au fonctionnement du circuit de la figure 6, après un surcroît d'amplification dans 44, une détection synchrone est effectuée dans 46 à L'aide d'une fréquence de référence fournie par L'oscillateur basse fréquence 5 qui a permis la modulation de fréquence dans 54. Aprés intégration dans 48, le signal permet de verrouiller le VCO 5G sur la fréquence de Larmor. REVENDICATiONS 1. Magnétomètre omnidirectionnel à résonance paramagnétique électronique, comprenant une enceinte contenant une substance présentant un moment magnétique électronique, un premier enroulement (El) bobine autour de cette enceinte et apte à produire une tension due à une variation de flux magnétique résultant de la précession du moment magnétique électronique autour d'un champ magnétique ambiant (HO), cette tension ayant une fréquence dite de Larmor égale à # #HO/2# ou Y est le rapport gyromagnétique propre à la substance utilisée, un deuxieme enroulement (E2) apte à créer un champ magnétique tournant (H1) à cette fréquence de larmor pour entretenir La précession, et des moyens électroniques aptes, d'une part, à mesurer la fréquence du signal prélevé aux bornes du premier enroulement, ce qui donne le module du champ magnétique ambiant (HO) et, d'autre part, à délivrer le champ d'entretien (H1), ce magnétomètre etant caractérisé par le fait que l'enceinte contenant la substance paramagnétique électronique présente une forme de tore (10), le premier enroulement (El) étant bobiné autour de ce tore. 2. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le deuxième enroulement (E2) est constitue par deux bobines (E2, E'2) encadrant le tore et ayant un axe confondu avec l'axe du tore (18), ces deux bobines (E2, E'2) étant parcourues par des courants de sens tels que les pôles magnétiques créés par ces deux bobines soient en opposition. 3. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le deuxième enrouLement (E2) est bobiné autour du tore (10).