Brevet FR2678737A1 — publié le 19930108

MAGNETOMETRE A RESONANCE ET A POMPAGE OPTIQUE UTILISANT UNE DECHARGE ELECTRIQUE PULSEE Domaine technique La présente invention a pour objet un magnétomètre. Elle trouve une application dans la mesure précise des champs magnétiques faibles (typiquement dans la plage de 20 à 70pT correspondant aux valeurs du champ magnétique terrestre). Etat de La technique Le magnétomètre de L'invention entre dans la catégorie des magnétomêtres dits à résonance, dont on pourra trouver une description générale dans l1arti- cLe de F. HARTMAN intitulé "Resonance Magnetometers", publié dans la revue "IEEE Transactions on Magnetics", vol. MAG-8, n 1, Mars 1972, pp. 66-75. Un magnétomètre à résonance est un appareil qui, plongé dans un champ magnétique Bo, délivre un signal électrique ou optique de fréquence F dont la va Leur est liée à Bo par la relation dite de LARMOR F=Bo où 6 est un rapport gyromagnétique (d'un électron ou d'un nucléon seLon La substance utilisée). Pour l'électron par exempLe, ce rapport est égal à 28Hz/nT. Dans cette cLasse d'appareiLs, le magnétomètre à pompage optique occupe une place privilégiée. La constitution généraLe d'un magnétomètre à pompage optique et à résonance magnétique est représentée schématiquement sur la figure 1. Une cellule 10, au moins partiellement transparente, est remplie d'un gaz 12, en général de l'he- Lium à une pression de 1 à quelques torrs. Une source lumineuse 14 délivre un faisceau lumineux dont La Longueur d'onde se situe autour de 1,18Jm dans le cas de L'hélium. Ce faisceau est convenablement polarisé par un moyen 16 (ou directement polarisé si la source 14 est un laser). Le faisceau polarisé 18 est ensuite injecté dans La cellule 10. Par ailleurs, une décharge radio-fréquence (dite "faible" ou "douce") est produite dans le gaz par un générateur 30 délivrant une tension radio-fréquence v(HF) appliquée à deux électrodes 32, 33 disposées autour de la cellule 10. Cette décharge produit des atomes dans un état métastable (triplet 23S1). Le faisceau lumineux incident "pompe" ces atomes à partir de L'état métastable pour les amener dans un autre état excité (23P). En présence d'un champ magnétique Bo, Les niveaux d'énergie se séparent en sous-niveaux, dits ZEEMAN. Une résonance radio-fréquence entre de tels sous-niveaux peut être établie par un champ radio-fréquence (résonance magnétique) ou par une modulation de la Lumière (double résonance optique ; COHEN/TANNOUDJI, Ann. Phys., 7, 1962, p. 423). Dans Le cas de L'hélium, La résonance s'établit entre les sous-niveaux électroniques ZEEMAN de l'état métastable. Cette résonance est mise en évidence par divers moyens électroniques connus de L'homme du métier. Une variante de ces moyens est représentée sur la figure 1 sous la référence générale CC. Ces moyens comprennent un enroulement 20 disposé de part et d'autre de la cellule 10 (dans une disposition dite de HELMOLTZ), un générateur radio-fréquence 22, un photodétecteur 24 recevant le rayonnement lumineux ayant traversé La cellule, un amplificateur 25, un détecteur synchrone 21, un intégrateur 23 et un fréquencemètre 26. Le générateur 22 alimente L'enroulement 20 en courant S(F) à la fréquence F, ce qui crée un champ magnétique oscillant dont une composante entretient la résonance et module Le faisceau lumineux ayant traversé la cellule. Cette modulation constitue l'information utile permettant de mesurer la fréquence. Elle est mise en évidence par le détecteur synchrone 21 en sortie du photodétecteur 24 via l'amplificateur 25. La référence nécessaire à la détection synchrone est donnée par le générateur 22. Le signal de sortie du détecteur synchrone 21 correspondant à la composante du signal en phase avec le signal de référence peut servir de signal d'erreur (e). L'intégrateur 23 en élimine l'erreur statique. Le signal délivré par L'intégrateur 23 réajuste La fréquence F du générateur 22 à La fréquence de LARMOR. Pour cela, le générateur 22 est pilotable en tension. Il peut être constitué par un oscillateur commandé en tension (V.C.O.). Un signal électrique de résonance S(F) s'éta- blit ainsi dans cette boucle, à la fréquence F de LARMOR. Un fréquencemètre 26 en donne la valeur. Le champ magnétique à mesurer Bo s'en déduit par La relation Bo=F/g. Les magnétomètres à hélium de ce type ont d'abord utilisé des Lampes à hélium. L'obtention récente de cristaux d'aluminate de lanthane-néodyme (ou LNA) ayant permis de réaliser des lasers accordables autour de La longueur d'onde de 1,083ym correspondant précisément à la raie de pompage optique de l'hélium, ce type de laser s'est substitué tout naturellement à ces lampes avec une amélioration sensible des performances, ce qui a donné un regain d'intérêt à ces appareils. Un tel magnétomètre, équipé d'un laser à LNA, est décrit dans Le document FR-A-2 598 518. Exposé de L'invention Bien que donnant satisfaction à certains égards, ces appareils présentent des inconvénients. En particulier, leur largeur de raie est souvent trop grande, ce qui nuit à la précision de la mesure. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle propose un magnétomètre du genre de ceux qui ont été décrits plus haut et qui est caractérisé par le fait que La décharge haute fréquence établie dans le gaz n'est plus continue mais pulsée (autrement dit elle est établie sous forme d'impulsions ayant une certaine durée et une certaine fréquence de récurrence). Sans que la portée de l'invention soit en rien limitée par Les considérations qui vont suivre, on peut tenter d'expliquer L'amélioration obtenue sur La finesse de la raie de résonance par le caractère pulsé de la décharge de la manière suivante. Tout d'abord, on rappelle que La Largeur de raie du phénomène mis en jeu dans un magnétomètre à résonance et à pompage optique est inversement proportionnelle au temps de relaxation des atomes portés dans l'état métastable impliqué dans la transition optique utilisée. Par ailleurs, dans une cellule remplie de gaz et soumise à un champ électrique de haute fréquence, les électrons primaires voient leur énergie moyenne augmenter sous l'effet de ce champ. Dès que leur énergie devient supérieure au seuil d'excitation du gaz (correspondant à l'énergie du niveau métastable, soit 19,4 eV dans Le cas de L'hélium), ces électrons subissent des collisions inélastiques au cours desquelles ils cèdent à l'atome une fraction de leur énergie. Ce gain d'énergie permet alors d'exciter, voire d'ioni ser, les atomes de gaz et de créer ainsi des électrons secondaires. En augmentant l'intensité du champ éLectrique haute fréquence, on accroît progressivement La densité éLectronique jusqu'à l'établissement d'une décharge. Celle-ci se produit Lorsque Les phénomènes d'ionisation du gaz compensent les pertes par diffusion des électrons. Le dépeuplement ' des niveaux métastables est lie à la diffusion des atomes vers Les parois de la cellule et à leur désexcitation sur celles-ci ainsi qu'à des collisions avec- des atomes non excités ou avec des électrons. La réaction typique de désexci tation sous L'effet d'électrons est He métastabLe+éLectron )He excité (ou He ionisé)+électron Si, conformément à L'invention, on coupe la décharge haute fréquence, les électrons perdent très rapidement de leur énergie et deviennent vite incapables de dépeupler Le niveau métastable par de telles réactions. Il en résulte que La durée de vie des atomes portés au niveau métastable s'accroît. NatureLlement, Le nombre d'atomes métastables créés par chocs d'atomes du niveau fondamental contre des électrons diminue, mais L'effet de cette diminution est inférieur à celui de L'augmentation du temps de relaxation des atomes métastables, de sorte que, globalement (tout au moins pendant un certain intervalle de temps), le biLan demeure Largement positif. Le caractère pulsé de la décharge se traduit donc par un affinement de la raie de résonance, ce qui est bien L'effet recherché. Un autre effet très favorable peut être observé également. En effet, l'amplitude du signal plus grande qu'avec les appareils à décharge continue. La sensibilité de l'appareil se trouve ainsi doublement accrue. Le fait de pulser la décharge présente un troisième avantage qui est de diminuer la puissance HF moyenne du magnétomètre. A titre d'exemple, pour une cellule de longueur 6 cm et un diamètre de 3,5 cm, avec une puissance laser de 1 mW et une fréquence HF de 50 MHz, l'inven- tion permet de passer d'une largeur de raie de 5 kHz à une Largeur de 1,5 kHz (ce qui correspond, en terme de champ magnétique, à une diminution de 180 nT à 50 nT). Simultanément La puissance moyenne HF tombe de 30 à 5 mw. Brève description des dessins - La figure 1, déjà décrite, montre un magné tomette selon L'art antérieur, - La figure 2 illustre un magnétomètre conforme à L'invention, - La figure 3 montre un mode de réalisation d'un générateur haute fréquence impulsion ne I, - La figure 4 montre une courbe de résonance obtenue selon l'art antérieur et selon L'invention, - la figure 5 montre l'influence du bruit d'amplitude, - la figure 6 (a,b) montre l'amplitude et La phase du signal de résonance, - la figure 7 montre L'origine du décalage en fréquence Lié à un déphasage dans la boucle d'asservissement, - La figure 8 permet de comparer Les varia tions de phase du signal de résonance pour des largeurs de raie différentes. Exposé détaiLLé d'un mode de réaLisation Un magnétomètre conforme à l'invention est représenté sur la figure 2. Il comprend des moyens déjà représentés sur la figure 1 et qui portent pour cette raison les mêmes références. La particularité du magnétomètre de la figure 2 est de comprendre un moyen 31 apte à rendre la décharge haute fréquence pulsée. Un mode de réalisation de ces moyens est illustré sur La figure 3. Les moyens 31 y sont constitués par un générateur basse fréquence délivrant un signal s(bf) composé d'impulsions de largeur t et de période T (ou, si L'on veut de fréquence de récurrence fr=1/T). Ce générateur commande le générateur haute fréquence 30, lequel est constitué, d'une part, par un générateur haute fréquence 34 délivrant une tension haute fréquence V(HF), par exemple à 50 MHz, et d'autre part, par un amplificateur de puissance 35. La sortie 36 de L'amplificateur 35 est reliée à La terre par une résistance 37, par exemple de valeur 50 Ohms. Cette sortie délivre une tension V(HF) sous forme d'impulsions de haute fréquence de durée t et de période T. De préférence, la fréquence de récurrence fr est comprise entre quelques centaines de Hertz et quelques dizaines de kiloHertz. Quant à la durée t des impulsions, elle est de préférence comprise entre quelques microsecondes et quelques millisecondes. La figure 4 permet d'apprécier La diminution de La Largeur de raie obtenue conformément à l'invention. En ordonnées, on trouve L'amplitude de La composante du signal de résonance en phase avec La radiofréquence du signal de résonance en fonction du champ B (exprimé en nT), ou, ce qui revient au même, de la fréquence F (exprimée en kHz). La courbe C1 correspond à un magnétomètre à décharge continue (art antérieur) et la courbe C2 à un magnétomètre à décharge pulsée (selon l'invention). La largeur de La raie est notée dB1 dans Le premier cas et AB2 dans le second. On voit, sur la figure 4, qu'en plus de la réduction de la largeur de raie, on bénéficie d'une augmentation de La sensibilité. Un autre avantage de l'invention est illustré sur la figure 5. Il s'agit de la réduction du bruit de fréquence. En effet, si L'asservissement de fréquence réalisé par la boucle décrite plus haut à propos de la figure 1, est réalisé sur Le signal en phase, le bruit parasite d'amplitude Bpar dû au Laser de pompage (bruit symbolisé par les fluctuations du signal représenté sur La partie gauche de La figure) se traduit par un bruit de fréquence Bf par rapport à L'axe des abcisses. Ce bruit de fréquence est d'autant plus faible que la pente de la courbe de résonance est plus grande. C'est bien le cas dans L'invention. Par ailleurs, les erreurs liées à des dérives de phase des composants électroniques utilisés dans la boucle de magnétomètre par exemple dans le photodétecteur 24), se trouvent réduites à mesure que la largeur de raie du signal de résonance diminue. C'est ce qui est illustré sur Les figures 6 à 8. Sur la partie a de La figure 6, tout d'abord, on voit L'amplitude A du signal de résonance en fonction de la pulsation w. Le maximum AM correspond à La résonance wO. La largeur de La courbe pour l'ampli- tude moitié AM/2 donne La Largeur de raie. Sur La partie b de cette même figure 6, on voit la variation de La phase # en fonction de La pulsation w. Dans cet exemple, La largeur de raie Aw correspond à L'intervalle entre +4 et -t/4 et la fréquence de résonance wO correspond à la phase 0. Un déphasage AvP introduit par l'un des composants se traduit par une erreur #w sur la fréquence de résonance comme illustré sur La figure 7. Sur cette figure, on voit une courbe de déphasage semblable à celle de La figure 6b mais décalée de ot. On voit alors que la fréquence correspondant à un déphasage nul n'est plus wO comme sur La figure 6b mais wl. IL existe donc un décalage de fréquence ssw=w1-wO. Ce décalage est d'autant plus faible que La pente de La variation de phase est grande. On voit ainsi sur La figure 8, deux courbes de variation de phase, soit Cl et C2, La seconde correspondant à une Largeur (#w)2 plus faible que pour La première (w)1. Le décalage bw dû à un déphasage a > P est plus faible pour un magnétomètre à faible largeur de raie, comme celui de L'invention, que pour un magnétomètre de L'art antérieur. La disposition qui vient d'être décrite, consistant à pulser La décharge, peut être appliquée à tout type de magnétomètre à résonance et à pompage optique, et notamment aux magnétomètres qui ont fait L'objet des quatre demandes de brevet français déposées par Le Demandeur sous Les numéros respectifs : EN 90 07410, EN 90 07411, EN 90 07412 et EN 90 07413. REVENDICATIONS 1. Magnétomètre à résonance et à pompage optique comprenant : une cellule (10) remplie d'un gaz (12) dont Les atomes présentent un rapport gyromagnétique tS, des moyens (30, 32, 33) pour créer une décharge haute fréquence dans cette cellule, des moyens (14, 16) pour émettre un faisceau lumineux polarisé (18), ce faisceau étant injecté dans La cellule (10) et y pompant optiquement Le gaz, des moyens de prélè- vement et de détection (20 à 25) d'un signal électrique de résonance S(F) à une fréquence de LARMOR F de valeur 2;Bo où Bo est un champ magnétique ambiant dans Lequel plonge la cellule (10), un moyen (26) pour mesurer cette fréquence (F), l'amplitude Bo du champ magnétique ambiant se déduisant de la fréquence F par la relation Bo=F/, ce magnétomètre étant caractérisé par le fait que Les moyens (30 à 36) pour créer La décharge haute-fréquence dans la cellule (10) sont aptes à créer une décharge pulsée. 2. Magnétomètre selon La revendication 1, caractérisé par Le fait que la décharge pulsée possède une fréquence de répétition (fr) comprise entre quel ques centaines de Hertz et quelques dizaines de kilo Hertz. 3. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que La décharge pulsée est formée d'impulsions de décharge d'une durée comprise entre quelques microsecondes et quelques millisecondes. 4. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que Les moyens (30 à 36) pour créer la décharge pulsée comprennent : un générateur haute-fréquence (34), un amplificateur (35) relié à ce générateur (34), un générateur basse fréquence (31), commandant l'amplificateur (33) et délivrant des impulsions rectangulaires de durée (t) et de fréquence de répétition (fr), une sortie (36) reliée à L'amplificateur (35) et délivrant des impulsions de haute fréquence, des électrodes (32, 33) reliées à la sortie (36) et appliquées à la cellule (10).