Brevet FR2658615A1 — publié le 19910823

Dispositif de détermination complète du tenseur de gradients d'un champ magnétique La présente invention concerne un dispositif de détermination des cinq composantes indépendantes linéaires du tenseur de gradients d'un champ magnétique. La mesure complète du tenseur de gradients magnétique exige par principe que des variations spatiales de champ magnétique doivent être mesurées dans la direction des normales à la surface d'une bobine de détection du champ magnétique A cette fin, on utilise habituellement des dispositions tridimensionnelles de bobines. En vue de la mesure du tenseur de gradients, on utilise soit des bobines de fil enroulées (M W Wynn et al; IEEE Trans Mag MAG-11,2 ( 1975)) soit des techniques de revêtement tridimensionnelles (DE 3.247 543 AI) L'équilibrage du magnétomètre s'effectue typiquement à l'aide d'éléments auxiliaires (Wynn et al, loc cit), soit numériquement, soit électroniquement (P V Czipott, W N Podney; IEEE Trans Mag MAG-25,2 ( 1989)). Des bobines enroulées présentent par principe des défauts relativement importants Des bobines planaires peuvent être facilement réalisées selon la technique des couches minces De telles bobines suffisent seulement pour la mesure des éléments non diagonaux du tenseur de gradients Ainsi, grâce à deux bobines se trouvant dans le plan x-y, on peut par exemple déterminer les gradients d B /dx et d B /dy Pour les gradients d B /dz, les bobines doivent être superposées dans deux plans Un tel dispositif, dans lequel, on utilise pour la mesure des éléments diagonaux, deux bobines superposées dans des plans différents et pour la mesure des éléments non diagonaux deux bobines se trouvant dans le même plan, est décrit dans le document US 4.646 025 En particulier, les bobines superposées considérées ne sont que difficilement réalisables par des éléments planaires Il est difficile de réaliser des stuctures tridimensionnelles en technique des couches minces, en particulier de réaliser des revêtements sur des bords. L'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de détermination des cinq composantes indépendantes linéaires du tenseur de gradients d'un champ magnétique, dans lequel les inconvénients précités sont évités. Ce but est, selon l'invention, atteint grâce à un dispositif caractérisé par la disposition de cinq gradiomètres (G) sur trois ou plus surfaces non parallèles entre elles, chaque gradiomètre (G) comportant au moins deux bobines de détection de champ, qui se trouvent dans un plan. Selon des caractéristiques particulières de l'invention les gradiomètres (G) sont disposés sur des surfaces d'un polyèdre comportant au moins trois surfaces non parallèles, comme une pyramide ou quatre, cinq, six, sept ou plus surfaces latérales, comme un tétraèdre, un octaèdre, un dodécaèdre ou un icosaèdre; sur chaque surface se trouve en outre un magnétomètre, grâce auquel peut être déterminée la composante de champ magnétique perpendiculaire à cette surface; l'enveloppe de la pyramide possède cinq ou six surfaces latérales; l'angle d'inclinaison des surfaces latérales dans le cas de la pyramide à cinq c 6 tés est de 32 ou 580, ou dans le cas de la pyramide à six côtés de 27 ou 63 ; on utilise des gradiomètres et des magnétomètres à SQUID. Grâce à la disposition selon l'invention de plusieurs gradiomètres planaires, le tenseur de gradients complet peut être calculé de façon simple Au minimum, cinq gradiomètres planaires sont prévus sur au moins trois surfaces non parallèles entre elles, mais également six, sept, huit ou davantage gradiomètres peuvent être utilisés. L'invention présente les avantages suivants. Dans le cas de la disposition planaire, à chaque gradiomètre peut être incorporé un magnétomètre sur la même puce Un calcul d'équilibrage optimal est ainsi possible en vue d'éviter le défaut de déséquilibre. Des bobines enroulées avec leurs défauts importants inhérents sont évitées. Des procédés de revêtement compliqués, dans lequel des liaisons supraconductrices doivent être disposées sur des bords, ne sont pas nécessaires. L'invention sera décrite plus en détail en référence au dessin annexé dans lequel: La Figure 1 illustre un gradiomètre de champ magnétique à SQUID, les Figures 2 et 3 illustrent deux dispositifs selon l'invention. La Figure 1 illustre un gradiomètre de champ magnétique à SQUID, G comportant deux bobines détectrices de champ Si et 52 et un circuit SQUID en vue de la mesure de la différence du flux magnétique à travers les bobines Si et 52 Les points milieux des bobines Si et 52 sont désignés par M Pl et MP 2 Le couplage du flux différentiel s'effectue par exemple par une bobine de couplage AS. Il est également possible, mais non représenté, d'utiliser des gradiomètres non supraconducteurs, dans lesquels deux bobines de détection de champ SI, 52 se trouvent dans un plan, par exemple sont intégrées sur une puce planaire Ces gradiomètres ne comportent ainsi, contrairement à ceux représentés sur la Figure 1, ni une bobine de couplage AS, ni le magnétomètre à SQUID Ils suffisent cependant pour effectuer la mesure de la variation des composantes du champ magnétique perpendiculaires au plan de la puce dans la direction MP 1, MP 2. Le tenseur de gradients est décrit, à partir des équations de Maxwell de l'électrodynamique, par cinq composantes indépendantes, dont trois sont des éléments non diagonaux et deux des éléments diagonaux de la matrice tensorielle Seuls les éléments non diagonaux peuvent être mesurés directement à l'aide de gradiomètres planaires Avec les cinq gradiomètres planaires au moins disposés selon l'invention, la détermination de toutes les composantes indépendantes linéaires du tenseur de gradients peut être effectuée grâce à un calcul simple. La Figure 2 représente une disposition selon l'invention de gradiomètres planaires G en vue inclinée. La Figure 3 représente une telle disposition en vue de dessus. Avec les deux dispositifs il est possible de déterminer par le calcul les cinq composantes du tenseur de gradients. Le dispositif peut être composé d'éléments identiques Les dispositifs se composent ici de plusieurs (au moins cinq) gradiomètres G, qui sont disposés à symétrie de rotation autour d'un axe (axe z) sur les surfaces d'une pyramide régulière L'utilisation de composants identiques présente, lors de la fabrication, l'avantage d'un déroulement de fabrication unitaire. Les gradiomètres disposés selon l'invention, peuvent comporter comme cela n'est pas représenté sur la Figure 3, mais est représenté sur la Figure 1, sur chaque surface de pyramide un magnétomètre à SQUID supplémentaire Grâce à ce magnétomètre coplanaire, la composante de champ magnétique perpendiculaire à la surface de la pyramide, peut être mesurée Le résultat de la mesure peut être exploité directement, afin de corriger avec une précision élevée des défauts de mesure (déséquilibre) du gradiomètre (proportions homogènes du champ magnétique) Cette possibilité de correction simple n'existe pas dans les gradiomètres classiques, qui sont utilisés pour la détermination des éléments diagonaux Simultanément, grâce aux magnétomètres, le vecteur champ magnétique peut être déterminé Les gradiomètres sont ici dirigés de sorte que la direction de différentiation est tournée vers la pointe de la pyramide. Sur la Figure 2,Y désigne l'angle d'inclinaison du plan de chaque gradiomètre respectif par rapport à l'axe z. Sur la Figure 3,J O désigne l'angle entre deux gradiomètres adjacents, plus précisément l'angle entre les projections des droites MP 1-M 2 de gradiomètres adjacents sur la surface de base de la pyramide Dans le cas d'une pyramide régulière à cinq surfaces latérales, l'angle W O serait ainsi de 360/5 = 72 . Les signaux de mesure 9 i des gradiomètres s'obtiennent par le calcul, dans le cas de la pyramide, par ( 1) O i = i YEi =l m avec E: Sensibilité du gradiomètre (unité m 3) Composantes du tenseur de gradient r du champ magnétique en représentation vectorielle = ( xx' yy' r xy' r xz' r yz) f: = Vecteurs géométrie i = (l/2 ( 1 +cos 2 yi)sin 2 ô, 1/2 (l+sin Z\i)sin 2, 1/2 sin 2 i sin 2, cos i cos 2 ?, sina 3 i cos 2 ô) ? i = (i-1) O m: Nombre des gradients (ordre de la pyramide) Lorsque l'ordre m est supérieur ou égal à 5 et l'angle d'inclinaisons différent des angles 0, 45 , 90 , 135 , 180 , les vecteurs f sont indépendants linéairement et les équations ( 1) peuvent être inversées: ( 2) 1/E -T) - 0 Vecteur des signaux de mesure O i ( 01 ' 02 ''0 m) 1 T (f) Matrice des vecteurs géométrie f 2 f / fm T Ceci signifie Il est possible de déterminer par le calcul à partir des signaux de mesure de la disposition proposée des gradiomètres, toutes les composantes du tenseur de gradients lorsque les conditions qui précèdent sont adaptées à la géométrie. L'angle d'inclinaisonypde la disposition pyramidale possède des optima pour 32 ou 58 pour m = 5 et 27 ou 63 pour m = 6. Pour ces angles, l'influence du tenseur de gradients à mesurer sur les signaux de mesure est la plus identique possible, ce qui signifie que les composantes de tenseur sont calculables à partir des signaux de mesure avec la précision maximale La correction de déséquilibre du gradiomètre s'effectue simplement par formation de la différence à l'aide des données de mesure du magnétomètre 0 mi mi 0 co = 0 U = Om corr m 0 corr Vecteur de signal de mesure de gradio- mètre corrigé O Vecteur de signal de mesure de gradio- mètre 0 m: Vecteur de signal de mesure de magnéto- mètre U: Facteur de correction de déséquilibre. Les dispositifs selon l'invention peuvent être utilisés par exemple dans le cas de la détection d'anomalies magnétiques, dans le cas de la détection de gisements ou pour des appareils de diagnostic en vue de la mesure de magnétoencéphalogrammes et de magnétocardiogrammes. 6 2658615 REVENDICATIONS 1 Dispositif de détermination des cinq composantes indépendantes linéaires du tenseur de gradients d'un champ magnétique, caractérisé par la disposition de cinq gradiomètres (G) sur trois ou plus surfaces non parallèles entre elles, chaque gradiomètre (G) comportant au moins deux bobines de détection de champ, qui se trouvent dans un plan. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gradiomètres (G) sont disposés sur des surfaces d'un polyèdre comportant au moins trois surfaces non parallèles, comme une pyramide ou quatre, cinq, six, sept ou plus surfaces latérales, comme un tétraèdre, un octaèdre, un dodécaèdre ou un icosaèdre. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur chaque surface se trouve en outre un magnétomètre, grâce auquel peut être déterminée la composante de champ magnétique perpendiculaire à cette surface. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation de gradiomètres et de magnétomètres à SQUID. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe de la pyramide possède cinq ou six surfaces latérales. 6 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des surfaces latérales dans le cas de la pyramide à cinq cotés est de 320 ou 58 , ou dans le cas de la pyramide à six côtés de 27 ou 63 .