Brevet FR2616551A1 — publié le 19881216

La présente invention concerne les magnétomètres à résonance magnétique nucléaire du type de ceux o l'on - mesure la fréquence de précession de deux échantillons de matière, ayant des propriétés gyromagnétiques appropriées. au moyen de deux bobines assurant la mesure et l'entretien de la précession des spins nucléaires et accouplées, à un amplificateur différentiel, à un déphaseur, pour constituer une boucle comprenant une capacité d'accord et dans laquelle on mesure la fréquence. Cette technique de magnétomètre est décrite dans les brevets français NO 1 447 226 du 20 Avril 1965 et 2 098 624 du 14 Février 1972, notamment en ce qui concerne la technique à double effet permettant grâce à un choix judicieux des matériaux d'obtenir des polarisations inversées pour chaque échantillon pour une même fréquence d'excitation de raie électronique. Mais ce type de magnétomètre présente des inconvénients. Ainsi la sélectivité naturelle du circuit oscillant limite la plage d'exploration du magnétomètre qui ne peut s'étendre sur tout le domaine du champ magnétique terrestre. D'autre part, le déphaseur fait intervenir des rotations de phases sur le domaine de mesure d'o entraînement de la fréquence. Enfin ce magnétomètre est sensible aux variations de température de la sonde contenant les échantillons de matière. Le dispositif selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients. Dans celui-ci en effet il est prévu, pour étendre la plage de mesure, des moyens pour faire varier la capacité du circuit oscillant selon le lieu des mesures à effectuer ou en cours de mesures dynamiques. Pour ce faire, il est prévu de remplacer la capacité d'accord par une batterie de condensateurs dont la mise en parallèle est obtenue par un double commutateur électronique, commandé par un circuit piloté selon les informations issues du fréquencemètre de mesure. En outre il comprend des moyens pour stabiliser le déphasage de réinjection et des moyens pour réduire la rotation de phase des signaux dans la boucle de mesure. Pour tenir compte de l'influence de la température il est également prévu, dans le circuit de bouclage, un amplificateur d'injection à gain commandé par un circuit électronique assurant la mesure de la température de la sonde et établissant une loi de correction. Enfin, le dispositif se caractérise en ce que, pour s'affranchir de l'influence de l'orientation de la sonde dans le champ magnétique à mesurer, il est prévu de compenser électriquement les variations d'amplitude des signaux électriques de la sonde en fonction des informations issues d'un capteur d'attitude, par rapport au champ magnétique, agissant simultanément d'une part sur le niveau d'amplitude de l'oscillateur VHF et d'autre part sur la loi de commande de gain de l'amplificateur de réinjection. L'invention sera mieux comprise à la vue des dessins d'un mode de réalisation d'un dispositif conforme à la présente invention. La figure 1 représente un magnétomètre selon l'état de la technique, La figure 2 représente un magnétomètre du même type mais conforme à l'invention. Selon la figure 1, le dispositif de mesures magnétomètriques comprend dans une sonde 101 deux échantillons 200 d'un matériau ayant des propriétés gyromagnétiques. Ces échantillons sont entourés d'une cavité résonante 201, assurant une polarisation dynamique des noyaux du matériau, et de deux demi-bobines 181. 182 assurant la mesure et l'entretien de la précession des spins nucléaires. La force électromotorice induite par les spins, à la fréquence de LARMOR, est amplifiée par la sélectivité du circuit résonant que constituent les bobines et la capacité 220. Le signal est amplifié, par un amplificateur différentiel 121, déphasé par un déphaseur sélectif 128 puis rebouclé par une ligne 281 sur un potentiomètre 321 assurant l'entretien de l'oscillateur. La cavité 201 est alimentée par un générateur VHF 141 à fréquence et amplitude fixes. Un tel dispositif a une plage de mesure limitée par la sélectivité naturelle de son circuit oscillant et le déphaseur 128, introduit des rotations de phases qui engendrent un entrainement de la fréquence. Le magnétomètre de la figure 2 comprend une sonde de mesure 10 placée dans le champ magnétique à mesurer, un amplificateur différentiel de bouclage 12 qui exploite le signal recueilli à la fréquence de résonance nucléaire, un oscillateur 14 de très haute fréquence, destiné à exciter des raies de résonance électronique des échantillons de la sonde 10 et un appareil de mesure de la fréquence 16. La sonde de mesure 10 est constituée de deux demi-bobines 81 et-82 enroulées concentriquement autour des deux échantillons 201 et 202 contenant un solvant comportant des noyaux atomiques à moment magnétique et à moment cinétique non nuls, et une substance paramagnétique en solution stable (radical libre comportant un électron non pairé en interaction avec un noyau atomique de la substance). Les extrémités des bobines 81 et.82 sont reliées aux entrées de l'amplificateur différentiel 12. Une batterie de condensateurs 22 permet de toujours disposer d'un condensateur adapté aux bornes des bobines. L'organisation de la batterie de condensateurs est telle que leur mise en parallèle judicieuse permet de couvrir un domaine d'oscillation large avec un nombre minimum de condensateurs. Ceci est obtenu par un double commutateur électronique 241 et 242. Le circuit de commande 26 de ce commutateur permet d'assurer une commutation continue le long du domaine de mesure, en mode poursuite, ainsi qu'une présélection au démarrage, en mode initialisation du magnétomètre. Pour cela le circuit de commande 26 utilise les informations provenant d'un fréquencemètre 16. Le choix des valeurs des condensateurs ainsi que l'étalement de chaque gamme sont faits en tenant compte du déphasage ramené par cet accord de sélectivité. Un circuit déphaseur 28 fixe sur le domaine de mesure, est introduit dans la boucle après l'amplificateur 12. La rotation de phase, engendrée par le fonctionnement autour de l'accord des bobinages avec la sélection des condensateurs 22, est le paramètre qui permet de choisir le domaine de fonctionnement d'une gamme. Les signaux de sortie du déphaseur 28 sont réinjectés dans les deux demi-bobines 81 et 82 qui jouent un double rôle (prélèvement des signaux utiles et réinjection). Pour cela le signal, prélevé à la sortie du déphaseur 28, est ajustée en amplitude par un amplificateur à gain commandé 30 puis injecté de façon symétrique, par l'intermédiaire d'un potentiomètre 32 aux bornes des bobines. Le niveau du signal de réinjection, élaboré par l'amplificateur à gain commandé 30 est asservi à la température grâce à une sonde 34 qui joue sur la valeur de consigne de l'amplificateur 30. La loi de variation du niveau, en fonction de la température, est telle qu'elle permet un niveau de réinjection compatible avec le signal recueilli par les bobines qui, lui, est fonction de la température. 26165-51 Le niveau de réinjection, élaboré par l'amplificateur à gain commandé 30 est aussi asservi à l'attitude de la tête 10. Les signaux de sortie du déphaseur 28 sont réinjectés dans les deux demi-bobines 81 et 82 qui jouent un double rôle (prèlevement des signaux utiles et réinjection). Pour cela, le signal prélevé à la sortie du déphaseur 28, est ajusté en amplitude par un amplificateur à gain commandé puis injecté, de façon symétrique, par l'intermédiaire d'un potentiomètre 32 aux bornes des bobines. Le niveau du signal de réinjection, élaboré par l'amplificateur à gain commandé 30 est asservi à la température grâce à une sonde 34 qui joue sur la valeur de consigne de l'amplificateur 30. La loi de variation du niveau, en fonction de la température, est telle qu'elle permet un niveau de réinjection compatible avec le signal recueilli par les bobines qui, lui, est fonction de la température. Le niveau de réinjection, élaboré par l'amplificateur à gain commandé 30 est aussi asservi à l'attitude de la tête 10 par rapport au champ magnétique à mesurer, grâce à un capteur 36. Cette correction permet de rendre optimal le niveau de réinjection vis à vis du signal utile, recueilli par les bobinages 81 et 82. Cette correction utilise les informations d'attitude de la sonde 10 fournies par le capteur d'attitudes 36 équipant le porteur du magnétomètre. Le signal de sortie de l'étage déphaseur 28 est utilisé pour établir une contre-réaction en courant dans le circuit des bobines de mesure 81 et 82. Pour cela on dispose deux résistances 381 et 382 en série avec les bobines. Ces résistances sont de très faible valeur et sont parcourues par des courants de contre-réaction en opposition de phase. Ces courants proviennent de la sortie du déphaseur 28 pour l'un et d'un inverseur à gain unitaire 40 pour l'autre. La linéarisation apportée par cette contre réaction, tout en conservant le rapport signal sur bruit, autorise une marge de phase plus grande dans l'oscillateur et par là un meilleur étalement des gammes par l'intermédiaire du choix des condensateurs 22. L'équilibrage des deux demi-bobines est obtenu par fabrication, pour une part et grâce à l'adjonction d'une cellule de correction 42 disposée en série avec l'une des deux bobines, d'autre part. Cette cellule permet d'appairer les résistances ohmiques des bobines grâce à une résistance 421 en série d'une part, et d'appairer les capacités parasites par rapport à la masse grâce au condensateur 420 d'autre part. Les deux flacons contenant les échantillons sont entourés par une cavité 21 accordée en haute fréquence et alimentée par le générateur haute fréquence 14. De façon à compenser les variations d'amplitude du signal recueilli par les bobines lors de changement d'orientation de la sonde, par rapport au champ à mesurer, on commande la puissance délivré par le générateur 14 en fonction des attitudes de la tête 10 fournies par le capteur d'attitude 36. L'invention concerne plus particulièrement les magnétomètres à couplage de spin destinés à mesurer avec précision les champs magnétiques faibles tels que le champ magnétique terrestre dont la valeur varie de 0,2 à 0,7 oersted et à détecter des variations de très faibles amplitudes de ces champs, de l'ordre du 107 oersted par exemple. REVENDICATIONS 1 - Magnétomètre à résonance magnétique nucléaire du type de ceux o l'on mesure la fréquence de précession de deux échantillons (201, 202) de matière, ayant des propriétés gyromagnétiques appropriées, au moyen de deux bobines (81, 582) assurant la mesure et l'entretien de la précession des spins nucléaires et accouplées, à un amplificateur différentiel (121), à un déphaseur (128), pour constituer une boucle, comprenant une capacité d'accord (220) et dans laquelle on mesure la fréquence, caractérisé en ce que, pour étendre la plage de mesure, il est prévu des moyens pour faire varier la capacité du circuit oscillant selon le lieu des mesures à effectuer ou en cours de mesures dynamiques. 2 - Magnétomètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens pour faire varier la capacité du circuit oscillant, il est prévu de remplacer la capacité d'accord (220) par une batterie de condensateurs (22) dont la mise en parallèle est obtenue par un double commutateur électronique, (241, 242) commandé par un circuit (26) piloté selon les informations issues du fréquencemètre de mesure (16) associée à des moyens (28) pour stabiliser le déphasage de réinjection et des moyens (38, 381) pour réduire la rotation de phase des signaux dans la boucle de mesure. 3 - Magnétomètre selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que, pour tenir compte de l'influence de la température il est également prévu, dans le circuit de bouclage, (281) un amplificateur d'injection à gain commandé par un circuit (34) électronique assurant la mesure de la température de la sonde et établissant une loi de correction. M 4 - Magnétomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que, pour s'affranchir de l'influence de l'orientation de la sonde dans le champ magnétique à mesurer, il est prévu de compenser électriquement les variations d'amplitude des signaux électriques de la sonde en fonction des informations issues d'un capteur d'attitude, (36) par rapport au champ magnétique, agissant simultanément d'une part sur le niveau d'amplitude de l'oscillateur VHF (141) et d'autre part sur la loi de commande de gain de l'amplificateur de réinjection (30).