Brevet FR2605451A1 — publié le 19880422

AIMANT PERMANENT CYLINDRIQUE A CHAMP INDUIT LONGITUDINAL La présente invention est due à Monsieur Guy AUBERT, Directeur du Service National des Champs Intenses, et elle a pour objet un aimant permanent cylindrique à champ induit longitudinal. Elle trouve son application particulièrement dans le domaine médi- cal o de tels aimants sont utilisés dans des expériences d'imagerie par résonance magnétique nucléaire à des fins d'aide au diagnostic. Elle peut néanmoins trouver son application dans d'autres domaines o des champs d'induction uniforme sont recherchés. Dans le domaine de l'imagerie par résonance magnétique, il est nécessaire de placer les objets à imager, les patients dans le domaine médical, dans un champ d'induction magnétique élevé - couramment de 0,1 à 1,5 tesla - homogène et uniforme - quelques parties par millions de variation - dans un grand volume d'intérêt - couramment une sphère de cinquante centimètres de diamètre. Plusieurs classes de générateurs de champ magnétique ont été développées jusqu'à présent. Les principales sont: les aimants supraconducteurs, les aimants dits résistifs, et les aimants perma- nents. Les aimants permanents ont de nombreux avantages. En particulier ils ne nécessitent pas d'alimentation d'énergie pour produire le champ. Ils ne courent donc pas le risque de dérive de leur valeur de champ due à une dérive de leur alimentation, ou éven- tuellement du système cPd'évacuation de la chaleur dissipée.Ils ne nécessitent pas de moyen de refroidissement, en particulier avec des techniques de régulation sophistiquées, de l'écouiement des fluides cryogéniques. Leur température de fonctionnement est aisément stabilisée. Ils sont particulièrement adaptés à la réalisation de structures ou de systèmes produisant un champ principal transverse, c'est-à-dire perpendiculaire à une direction d'introduction des objets, des patients, dans l'aimant. Des structures cylindriques d'aimant permanent, produisant un champ magnétique uniforme, mais transverse au cylindre, dans un volume relativement élevé ont été décrites dans l'état de la technique. En particulier, dans une demande internationale de brevets n W O 84/01226 déposée le 23 Septembre 1983 et publiée le 29 Mars 1984, D. LEE et AI. ont décrit un tel aimant. Or pour des raisons historiques et techniques (insuffisance de l'intensité du champ induit produit par un aimant permanent) les premiers systèmes d'imagerie par résonance magnétique ont été conçus pour des aimants supraconducteurs ou des aimants résistifs dont les champs sont longitudinaux. L'adoption de structures d'aimant permanent à champ transverse ne conduit alors aux avan- tages de ces aimants qu'à condition de remettre en question le savoir faire acquis pour le reste des équipements de ces systèmes. Ces équipements annexes sont par exemple les antennes radio- fréquences, les bobines de gradient ainsi que les dispositifs de correction de l'homogénéité du champ. C'est un objet de la présente invention que de proposer un aimant, à aimantation permanente, cylindrique, et à champ induit longitudinal qui permette l'utilisation des équipements déjà existants des systèmes d'imagerie par réso- nance magnétique nucléaire. Dans des conditions comparables d'uti- lisation, en particulier à volume utile d'examen égal, l'invention propose un aimant dont l'intensité du champ et donc le poids en matériaux magnétiques aimantés est comparable aux nouvelles structures d'aimant permanent à champ transverse. L'invention concerne un aimant permanent cylindrique à champ induit longitudinal caractérisée en ce qu'il comporte deux structures annulaires, disposées de part et d'autre du centre d'une zone d'intérêt de l'aimant, aimantées radialement par rapport à laxe du cylindre avec une aimantation divergente dans une structure et convergente dans l'autre. L'invention sera -mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'in- vention. Les figures montrent: - Figure la à lc: des vues en perspective d'aimants perma- nents cylindriques conformes à l'invention; - Figures 2a et 2b: des coupes respectivement transverses et longitudinales de l'aimant de la figure lc. -Figure 3: un détail de montage de l'aimant de l'invention. Les figures la à lc représentent en perspective des aimants permanents cylindriques à champ induit longitudinal selon l'in- vention. Leur champ induit est orienté selon l'axe z'z. Le volume d'intérêt de ces aimants se situe dans leur milieu et dans leur volume intérieur creux. On peut considérer que ce volume d'intérêt a approximativement la forme d'une sphère. Les aimants sont divisés chacun en deux structures, respectivement 1 et 2, annulaires, c'est- à-dire par exemple comportant un certain nombre d'anneaux. Ces anneaux peuvent être formés par des blocs magnétiques, tels que 3 à 14 sur les figures lb et lc. Les deux structures de chaque aimant sont disposées de part et d'autre de la zone d'intérêt de cet aimant et sont aimantées, toutes deux, radialement. Les sens des aiman- tations Mdans les blocs magnétiques sont représentés par des flèches. Le module de ces aimantations est constant en tous points de l'anneau. Dans les blocs des structures I l'aimantation est divergente, dans les blocs des structures 2 elle est convergente. D'une manière préférée les deux structures sont symétriques. Elles comportent toutes deux un même nombre na d'anneaux. Elles comportent également dans des anneaux symétriques, et quand ces anneaux sont réalisés à partir de blocs, un même nombre nb de blocs magnétiques répartis sur le pourtour de l'anneau. Dans ce cas, la distribution de l'aimantation est elle même antisymétrique. D'une manière préférée tous les anneaux de l'aimant possèdent de plus un même nombre nb de blocs. Ceci n'est cependant pas une obligation. En particulier le nombre cd'anneaux dans chaque structure pourrait être différent. De même le nombre de blocs dans chaque anneau pourrait être différent d'un anneau à l'autre. On verra plus loin que des raisons de simplification de fabrication et des raisons d'optimum de performance conduisent à la solution préférée, et, dans cette solution préférée, à la symétrie géométrique des structures 1 et 2 et à un nombre particulier de blocs dans les anneaux dépendant du nombre d'anneaux dans l'aimant. La figure la correspond à une distribution théorique de l'aimantation qui conduit à la solution recherchée. Mais à l'époque actuelle on ne sait pas aimanter un matériau magnétique avec une distribution radiale pure. Aussi on approxime cette distribution par une distribution pseudo-radiale. Dans celle ci un anneau est consti- tué par un ensemble de blocs aimantés. Dans la réalisation préférée de la figure lc, les blocs ont une section (perpendiculaire au champ induit) trapézoïdale. Dans une réalisation plus simple à fabriquer, figure lb les blocs sont remplacés par des parallélipipèdes rec- tangles. Dans cette solution plus simple à fabriquer la consommation de matériau magnétique pour obtenir un champ donné dans un volume fixé est cependant plus grande. La figure 2a représente une coupe transverse d'un anneau de la structure I: par exemple l'anneau des blocs 3 à 14 de la figure lc. Les blocs magnétiques à aimantation M constante et identique, en module et en direction dans tous les blocs, sont accolés les uns aux autres par leur base telle que 15. Ils circonscrivent le volume d'intérêt de l'aimant dans un prisme à base polygonale corres- pondant. La figure 2b montre une coupe longitudinale d'une moitié de l'aimant selon l'invention:celle de la structure 2. Cette structure comporte cd'une manière préférée trois anneaux 22 à 24, et, dans chaque anneau, douze blocs identiques. Les anneaux sont disposés longitudinalement à Paxe z z'. Les anneaux ont de préférence un même diamètre intérieur r1. Cette caractéristique est propice à une homogénéité de champ la plus forte compatible avec une masse minimum de matériau magnétique. Elle est de plus propice à une utilisation optimale du volume V d'intérêt à l'intérieur de l'aimant. On a trouvé que cette solution préférée conduisait à des blocs tels que 16 à 21 dont les hauteurs a et les longueurs b augmentent avec la distance au plan médian de l'anneau auquel ils appartiennent. Il est possible de donner une représentation analytique, le cas échéant en coordonnées cylindriques ou sphériques, de la valeur du champ B0 en fonction des coordonnées des lieux de l'espace, de la sphère d'intérêt V, o ce champ règne. Cette expression analytique peut se mettre sous une forme polynomiale dont les termes, fonction des puissances croissantes des variables x y z, sont affectés de coefficients représentatifs de l'homogénéité du champ produit. Il est connu de dire qu'un champ d'induction produit est homogène à un ordre h donné si les coefficients de ces termes sont nuls jusqu'aux termes de puissance h compris. On a alors découvert que le champ dans la zone d'intérêt pouvait être considéré comme homogène à un ordre h si le nombre d'anneaux na dans chaque structure est supérieur ou égal à (h + 1) / 4 et si le nombre de blocs dans chaque anneau est supérieur ou égal à (h+ 1). Ces deux conditions simul- tanées conduisent à retenir une structure minimale en nombre de blocs, telle que le nombre de blocs dans chaque anneau soit égal à quatre fois le nombre d'anneau dans chaque structure. A cet égard la structure représentée sur les figures lb et lc est optimum: il y a trois anneaux dans chaque structure et douze blocs dans chaque anneau. L'aimant est homogène à l'ordre 11. Un autre aimant également intéressant comporte dans chaque structure deux anneaux, et huit blocs dans chaque anneau. Cet autre aimant est homogène à l'ordre 7. Un aimant dont les structures ne com- porterait qu'un anneau et quatre blocs par anneau serait homogène à l'ordre 3 seulement, et peu propre aux expérimentations de rés- onance magnétique nucléaire. Il pourrait cependant servir à d'autres 260S451 fins. Les structures à quatre anneaux et à seize blocs par anneau, homogènes à l'ordre 15, doivent être réservées aux applications o le rayon intérieur r1 du cylindre de l'aimant est faible. Pour des raisons de simplification de fabrication le nombre des blocs dans chaque anneau peut être supérieur au minimum indiqué par l'homogénéité à atteindre. Par contre, compte tenu de difficultés d'installation, le nombre des anneaux est toujours pris minimum. Il en résulte que, d'une manière préférée, le nombre de blocs dans un anneau est supérieur ou égal à quatre fois celui du nombre des anneaux de chacune des deux structures symétriques. En réalisant tous les anneaux de l'aimant en un même matériau magnétique, et comportant donc une même aimantation interne intrinsèque, on a pu établir que les coordonnées longitudinales zi et les dimensions radiales ai et longitudinales bi des anneaux pouvaient être données en valeur réduite fonction du rayon rI commun à tous les anneaux du cylindre d'aimant. Le tableau ci-dessous donne l'ensemble des cotes préférées de réalisation d'un exemple d'un tel aimant o le champ a l'homogénéité requise: ici h vaut 11. ,: :: ,:: I -z a1 i b:-z2: a2: b2 -z' a3 b3 2 2 2 3 3 3 0,218 0,l O 0,148 0,558:0,249:0,261 1,215 1,032 1,7211 Connaissant la valeur B0 d'un champ nominal d'induction à produire on adopte un matériau magnétique dont l'aimantation rémanente intrinsèque à saturation Br a une valeur correspondante dans un rapportoCprédéterminé (f inférieur à 1): B0 =CBr. On peut dire qu'à rayon interne fixé le volume de matériau magnétique augmente sensiblement comme C2. A titre indicatif, dans un exemple préféré de réalisation, pour un rayon interne r1 de l'aimant valant quarante centimètres, on a obtenu un aimant dont le poids total vaut de l'ordre de onze tonnes avec une ferrite de Strontium et produit un champ interne dont l'intensité vaut 0, 12 teslas. L'induction réma- nente de la ferrite utilisée vaut environ 0,4 tesla (ô= 0,3). La construction de l'aimant proprement dit ne présente pas de difficulté particulière. Les anneaux peuvent être constitués, indé- pendamment les uns des autres, en maintenant les blocs déjà aimantés, par collage vissage ou autres moyens, entre deux flasques telles que 25 et 26 (fig 2b). Le cas échéant cette structure peut être renforcée par un élément de tube 27 qui vient contrecarrer les efforts radiaux subis par les blocs magnétiques. Chaque anneau peut être ainsi monté dans une armature dont la solidité, l'Pépaisseur, est calculée mécaniquement en fonction du poids des blocs de l'anneau et surtout des forces magnétiques qu'ils subissent. En outre, quand les structures sont symétriques, les blocs de deux anneaux symé- triques peuvent être reliés extérieurement par des pièces en fer doux qui assurent un meilleur retour des lignes du champ d'induction d'un bloc à l'autre. Une telle pièce est représentée en 28 sous le bloc 19 de la figure 2b. La présence de ces pièces n'est cependant pas totalement nécessaire. Pour un même champ B0 elles contribuent à réduire le volume de matériau pour aimant nécessaire mais elle rendent le calcul ab initio des dimensions des blocs ainsi que le reglage final de l'aimant plus délicats. Il faut alors calculer l'aimant, le construire, mesurer l'influence de ces pièces, et recommencer l'opération. Lors du montage de l'aimant les anneaux maintenus par leurs flasques 25 et 26 sont approchés au dessus de berceaux tels que 29 (figure 3). Ces berceaux possèdent des vis de réglage 30 pour s'appuyer sur des pomelles 31 ou 32 solidaires des flasques. De cette manière on peut provoquer la rotation ou le décalage de l'anneau afin de corriger l'homogénéité du champ sur le site d'installation de l'aimant. On dispose ainsi d'une manière simple de corriger le champ. En outre les berceaux peuvent être montés sur des patins tels que 33 qui permettent leur déplacement longitudinalement à l'axe z'z. Il est alors aussi possible de régler la position d'un anneau dans cette direction de manière à corriger l'homogénéité du champ. D'une manière préférée les matériaux magnétiques utilisés pour les blocs magnétiques sont des matériaux magnétiques aniso- tropes: des ferrites de Strontium ou de Baryum, des alliages SamariumCobalt ou au Fer-Néodyme-Bore. En effet dans une telle structure l'excitation démagnétisante dans les blocs n'est jamais colinéaire à l'aimantation que l'on souhaite radiale. On choisit parmi ces matériaux en fonction de leur prix et en fonction de l'intensité du champ Bo que l'on veut obtenir. REVENDICATIONS 1. Aimant permanent cylindrique (figure 1) à champ induit longitudinal (z'z) caractérisé en ce qu'il comporte deux structures (1, 2) annulaires, disposées de part et d'autre du centre d'une zone d'intérêt de l'aimant, aimantées (M) radialement par rapport à l'axe du cylindre avec une aimantation divergente dans une structure et convergente dans l'autre. 2. Aimant selon la revendication I caractérisé en ce que les structures comportent chacune un certain nombre d'anneaux (na) et un certain nombre de blocs magnétiques (nb) répartis sur le pourtour des anneaux. 3. Aimant selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les structures sont symétriques l'une de l'autre. 4. Aimant selon la revendication 3 caractérisé en ce que les diamètres intérieurs (r1) des anneaux déterminés par les blocs sont tous égaux entre eux. 5. Aimant selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que la grosseur des blocs augmente au fur et à mesure de leur éloignement axial de la zone d'intérêt. 6. Aimant selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 produisant un champ homogène à un ordre h caractérisé en ce que le nombre d'anneaux dans chaque structure est supérieur ou égal à (h + 1) / 4 et en ce que le nombre de blocs dans chaque anneau est supérieur ou égal à (h + 1). 7. Aimant selon la revendication 5 caractérisé en ce que le nombre de blocs dans un anneau est supérieur ou égal à quatre fois le nombre d'anneaux dans la structure de cet anneau. 8. Aimant selon la revendication 6 caractérisé en ce que le nombre d'anneaux vaut deux et en ce que le nombre de blocs dans chaque anneau vaut huit. 9. Aimant selon la revendication 6 caractérisé en ce que le nombre d'anneaux vaut trois et en ce que le nombre de blocs dans chaque anneau vaut douze (figure 1). 10. Aimant selon l'une quelconque des revendications I à 9 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (33) pour déplacer les anneaux selon l'axe de l'aimant. 11. Aimant selon l'une quelconque des revendications I à 10 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (30 - 32) pour déplacer les anneaux orthogonalement à l'axe de l'aimant. 12. Aimant selon l'une quelconque des revendications I à 11 caractérisé en ce qu'il comporte des pièces (28) auxiliaires en matériau à forte perméabilité reliant les structures pour augmenter le champ produit, ou pour réduire le volume de matériau nécessaire pour produire un champ donné. 13. Aimant selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce qu'il cDmporte des anneaux et des blocs disposés et conformés selon le tableau suivant pour réaliser un aimant à un ordre 11, avec des valeurs rapportées au rayon intérieure r1, t::: , :: :: : Izl a *: 2z': a3 b3 0,218 0,10 0,14 0,558-0,249 0,261:,25,032: 1,72 0,218: 0,101 0,lZ48'0,55g:O,2910,261 1,215:1,032:1,721