Brevet FR2837929A1 — publié le 20031003

concave. 1 2837929 DISPOSITIF D'EMISSION ET DE CEPTION DE SIGNA PO L'EE DE MATERIAUX PAR RESONANCE MAGNETIQUE NIJCLEAIRE DO M AINE DE L' INVENTION La présente invention concerne les dispositifs d'émission et de réception pour l'étude de matériaux par la Résonance Magnétique Nucléaire définie par le sigle "RMN", notamment les dispositifs permettant d'évaluer la densité des protons présents dans un corps donné, qui trouvent des applications particulièrement avantageuses, notamment, dans le domaine de l'industrie pétrolière pour déterminer o par exemple la quantité d'eau dans la roche entourant la paroi d'un puits, la distribution de la porosité de cette roche et/ou sa perméabilité, et même aussi dans des domaines aussi différents que celui de l'imagerie médicale ou celui de i'industrie alimentaire en vue de déterminer par exemple la quantité d'eau eVou de graisse dans des aliments. ART ANTEREUR Il existe une technique connue utilisant la Résonance Magnétique Nucléaire connue sous la dénomination RMN, qui permet de déterminer la quantité de protons dans un matériau donné, c'est-à-dire le nombre de noyaux d'Hydrogène, et o éventuellement d'identifier ce matériau. De nombreux dispositifs ont été réalisés pour mettre en _uvre cette technique. Très schématiquement, ils comportent une source magnétique, par exemple un aimant permanent, pour induire un champ magnétique statique dans une zone donnée du matériau à investiguer, dont les lignes de forces ont une direction donnée pour polariser les protons présents dans 2s cette zone. Une antenne émettrice constituée par exemple par une bobine plate ou analog ue aii mentée par un générateur de cou rant électrique radiofréquence, est associée à la source magnétique de façon que les lignes de force du champ magnétique radiofréquence (RF) induit par cette bobine lorsqu'elle est alimentée par so le courant électrique radiofréquence, fasse, dans la zone du matériau à investiguer, un angle non nul avec les lignes de force du champ magnétique statique de l'aimant permanent, et avantageusement égal à quatre vingt dix degrés. La fréquence du champ radiofréquence RF est telle qu'elle correspond à la fréquence de précession des protons dans le champ statique afin d'induire une 2 2837929 interaction résonante entre les protons et le champ radiofréquence. Cette interaction permet de faire tourner la polarisation moyenne des protons à partir d'impuisions du champ radiofréquence d'un angle dépendant de l'amplitude du champ radiofréquence et de la durée des impuisions. Le dispositif comporte en outre une antenne réceptrice constituée par exemple par une bobine constituée par la même bobine que la bobine émettrice, cette antenne dans sa fonction réceptrice captant le flux magnétique produit par les protons lorsque le courant radiofréquence de l'antenne émettrice est annulé et qu'ils reviennent à leur polarisation initiale sous l'action uniquement du champ statique. o Des moyens pour alimenter l'antenne en courant électrique radiofréquence et analyser les signaux captés par elle sont décrits et illustrés par exemple dans le document EP-A-O 295 134. L'amplitude du flux magnétique détecté par l'antenne dans sa fonction réceptrice est une fonction du nombre de protons qui ont été excités dans la zone s d'investigation, et le temps que mettent les protons pour passer de leur seconde polarisation à la première, qui est connu des techniciens sous le terme de " temps de relaxation ", est une image de la nature du matériau auquel appartiennent ces protons. Cette technique bien connue des hommes du métier est décrite dans de o nombreux documents et ne sera donc pas plus amplement décrite ici. Il existe de nombreuses réalisations de dispositifs pour l'étude d'un matériau par RMN permettant de mettre en _uvre cette technique, par exemple celle décrite dans le US-A-5 610 522. Comme mentionné ci-avant la même bobine magnétique peut étre utilisée à s la fois com me anten ne émettrice et com me antenne réceptrice. Dans ces conditions, il est nécessaire de découpler le circuit d'émission qui alimente la bobine quand elle a la fonction d'émetteur' du circuit qui analyse les signaux reçus par la bobine quand elle a la fonction de récepteur. Il existe déjà des solutions qui sont essentiellement basées sur des o interrupteurs qui commutent l'un ou l'autre des deux circuits, sur la bobine de l'antenne. Cependant, les réalisations mises au point jusqu'à ce jour sont relativement compliquées et, pour certaines applications, le temps de commutation de ces interrupteurs est trop long. 3 2837929 BUT DE L'INVENTION La présente invention a pour but de réaliser un dispositif d'émission et de réception de signaux pour l'étude de matériaux par Résonance Magnétique Nucléaire définie par le sigle "RMN", qui pallie en grande partie les inconvénients s mentionnés ci-dessus des dispositifs antérieurs dans ce domaine. OBJET DE L'INVENTION Plus précisément la présente invention a pour objet un dispositif d'émission et de réception de signaux pour iéétude de matériaux par Résonance Magnétique o Nucléaire définie par le sigle "RMN", caractérisé par le fait qu'il comporte: À une antenne réalisant à la fois l'émission et la réception d'un flux magnétique, ladite antenne comportant une première bobine magnétique, À un générateur apte à émettre des signaux radio-fréquence sur deux bornes de sortie, i5 À une deuxième bobine magnétique montée en coopération avec la première bobine magnétique de façon qu'au moins une partie du flux magnétique émis par l'une des deux première et deuxième bobines magnétiques soit captée par J'autre, À des premiers moyens pour relier les deux bornes de sortie du générateur respectivement aux deux extrémités de la deuxième bobine magnétique, ces o premiers moyens de liaison comportant, monté en série entre le générateur et la deuxième bobine magnétique, un premier interrupteur électronique commandable à deux pôles d'entrée et de sortie, cedit premier interrupteur étant apte à prendre un état fermé et un état ouvert quand la tension appliquée entre ses deux pôles a une valeur respectivement supérieure et inférieure à une valeur de seuil, :s À une unité de traitement à deux bornes d'entrée, apte à traiter des signaux électriques correspondant à des valeurs de flux magnétique, À une troisième bobine magnétique montée en coopération avec la première bobine magnétique de façon qu'au moins une partie du flux magnétique émis par l'une des deux première et troisième bobines magnétiques soit captée par l'autre, so À des seconds moyens pour relier les deux bornes d'entrée de l'unité de traitement respectivement aux deux extrémités de la troisième bobine magnétique, et À un second interrupteur électronique commandable à deux pôles d'entrée et de sortie, ce dit second interrupteur étant apte à prendre un état fermé et un état ouvert quand la tension appliquée entre ses deux pôles a une valeur respectivement supérieure et inférieure à une valeur de seuil, ce dit second interrupteur étant monté en parallèle sur la troisième bobine magnétique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appara^'tront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lesquels: La figure 1 représente le schéma bloc de principe d'un dispositif d'émission et o de réception selon l'invention pour l'étude de matériaux par la Résonance Magnétique Nucléaire, et La figure 2 représente le schéma d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention conforme à la représentation selon la hgure 1. Il est précisé que, sur les deux figures 1 et 2, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à l'autre figure. Il est aussi précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, I'objet de o l'invention comporte Uau moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. De même, si le mode de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustré comporte plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que i'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, I'objet de l'invention pourra être défini comme comportant au moins un" de ces éléments. DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION PREFERE DE L'OBJET SELON L'INVENTION so La présente invention a pour objet un dispositif d'émission et de réception pour l'étude de matériaux par la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) comportant, par référence à la figure 1, trois circuits. Le premier circuit comporte une antenne 1 qui a pour fonction d'émettre ou de recevoir un flux magnétique, au moyen essentiellement d'une première bobine 2837929 magnétique B1. Une telle antenne est bien connue en elle-même et ne sera donc pas plus amplement décrite ici. Le deuxième circuit comporte un générateur 2 apte à émettre des signaux radio-fréquence sur ses deux bornes de sortie 3, 4, une deuxième bobine s magnétique B2 montée en coopération avec la première bobine magnétique B1 de façon qu'au moins une partie du flux magnétique émis par l'une de ces deux première et deuxième bobines magnétiques B1, B2 soit captée par l'autre, et des premiers moyens 10 pour relier les deux bornes de sortie 3, 4 du générateur 2 respectivement aux deux extrémités 5, 6 de la deuxième bobine magnétique B2, ces o premiers moyens de liaison comportant, monté en série entre le générateur 1 et la deuxième bobine magnétique B2, un premier interrupteur électronique commandable 20 à deux pôles d'entrée 21 et de sortie 22, ce premier interrupteur 20 étant apte à prendre un état fermé et un état ouvert quand la valeur de la tension appliquée entre ses deux pôles 21, 22 est respectivement supérieure et inférieure à s une valeur de seuil. Le troisième circuit comporte une unité de traitement 30 à deux bornes d'entrée 31, 32, apte à traiter des signaux éiectriques correspondant à des valeurs de flux magnétique, une troisième bobine magnétique B3 montée en coopération avec la première bobine magnétique B1 de façon qu'au moins une partie du flux o mag nétique ém is par l'une de ces de ux pre mière et troisième bobi nes magnétiq ues B1, B3 soit captée par l'autre, des seconds moyens 50 pour relier les deux bornes d'entrée 31, 32 de l'unité de traitement 30 respectivement aux deux extrémités 33, 34 de la troisième bobine magnétique B3, et un second interrupteur électronique commandable 40 à deux pôles 41, 42, ce second interrupteur 40 étant apte à s prendre un état fermé et un état ouvert quand la valeur de la tension appliquée entre ses deux pôles 41, 42 est respectivement supérieure et inférieure à une valeur de seuil, ce second interrupteur 40 étant monté en parallèle sur la troisième bobine magnétique B3. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la fa,con suivante: so Le principe de l'analyse d'un matériau par le procédé de la RMN est déjà bien connu en lui-même. Il ne sera donc pas décrit ici dans l'unique souci de simplifier la présente description. Ceci étant précisé, pour analyser une partie d'un matériau M au moyen du dispositif selon l'invention, dans une première étape correspondant à la fonction - 6 2837929 émission de l'antenne 1, le générateur radio-fréquence 2 est commandé pour envoyer une impuision d'un signal radio-fréquence sur la deuxième bobine magnétique B2 qui induit un flux magnétique de relativement grande intensité car la tension du signal radio-fréquence émis en sortie du générateur 2 appliquée entre les deux extrémités 5, 6 de cette deuxième bobine magnétique B2 est d'une façon générale très élevée et supérieure à la valeur de seuil de l'interrupteur 20 défini ci- dessus, cet interrupteur 20 étant donc dans son état fermé. Comme mentionné ci-dessus, la première bobine B1 de l'antenne 1 capte une partie du flux magnétique induit par la deuxième bobine B2. De façon connue en o elle-même, la bobine B1 induit alors, dans le matériau M, un flux magnétique qui excite les protons de ce matériau. Comme mentionné structurellement ci-dessus, une partie du flux magnétique induit par la bobine B1 est aussi captée par la troisième bobine B3 qui délivre, sur ses deux extrémités 33, 34, une tension d'une valeur élevée supérieure à la valeur de seuil de l'interrupteur 40. La tension entre les extrémités 33, 34 de la troisième bobine B3 est élevée du fait de la valeur élevée de la tension du signal radiofréquence émis par le générateur 2 et des couplages entre les bobines B2 et B1 d'une part, et les bobines B1 et B3 d'autre part. L'interrupteur 40 se trouve donc dans son état fermé, et les deux extrémités o 33, 34 de B3 sont court-circuitées. L'unité de traitement 30 ne peut pas recevoir de signal d'analyse. Dans cette première étape, il est apparent que les deuxième et troisième circuits sont parfaitement découplés. Lors de la seconde étape correspondant à la fonction réception de l'antenne 1, à la fin de l'impuision émise par le générateur radiofréquence 2, I'interrupteur 20 passe à son état ouvert, la bobine B2 n'induit plus de flux magnétique, ni B1. Les protons reviennent alors à teur état initial. Lors de leur retour à leur état initial, ils induisent de fa,con connue un flux magnétique qui, bien que de très faible valeur, est capté par la bobine B1 de l'antenne 1. so Une partie du flux magnétique induit à son tour par la bobine B1 est captée par les deux bobines B2 et B3. Cependant, les tensions aux deux extrémités 5, 6 de B2, et 33, 34 de B3, sont de très faibles amplitudes, en tout cas très inférieures à la tension de seuil des deux interrupteurs 20 et 40. De ce fait, ces deux interrupteurs se trouvent dans leur état ouvert. 7 2837929 Le générateur radiofréquence 2 est isolé de la bobine B2 du fait que l'interrupteur 20 dans son état ouvert est en série entre ses deux bornes de sortie 3, 4 et les extrémités 5, 6 de la bobine B2. En revanche, I'interrupteur 40 étant ouvert, les deux extrémités 33, 34 de la bobine B3 ne sont plus court-circuitées et le signal délivré entre ses deux extrémités est reçu par l'unité de traitement 30 et peut être analysé de la même façon qu'avec les dispositifs de l'art antérieur. Dans cette seconde étape, il est apparent que, comme dans la première étape, les deuxième et troisième circuits sont parfaitement découplés. A la description faite ci-dessus, apparaissent tous les avantages du dispositif o selon l'invention par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. Ces avantages sont essentiellement les suivants: Il n'existe pas de lien galvanique entre les trois circuits, ce qui assure une meilleure isolation de ces circuits et donc une plus grande sécurité. Les circuits sont parfaitement séparés les uns des autres, ce qui permet de s les optimiser en eux-mêmes sans qu'il y ait interaction entre eux, notamment en ce qui concerne la réponse en fréquence et le facteur de bruits des circuits de réception. Il est aussi possible d'optimiser les circuits d'émission en vue d'utiliser de très courtes impuisions. Dans l'application particulièrement avantageuse du dispositif dans le domaine de l'industrie pétrolière pour déterminer par exemple la quantité d'eau dans la roche entourant la paroi d'un puits, la distribution de la porosité de cette roche etiou sa perméabilité, la puissance couramment utilisée pour émettre les impuisions délivrées par le générateur 2 est par exemple de l'ordre de 1KW, ce qui induit, au cours de la première étape, des tensions aux extrémités des bobines B1, B2 et B3 de valeurs très élevées. En revanche, lors de la seconde étape, lorsque le courant radiofréquence est annulé et que les protons reviennent à leur polarisation initiale, les puissances délivrées sont de l'ordre du 10-44 W. ce qui induit des tensions aux extrémités des bobines B1, B2 et B3 très faibles. De fa,con préférentielle, un circuit oscillant est réalisé avec chaque bobine B1, B2 et B3. Dans ce cas, le dispositif comporte, selon le mode de réalisation plus détaillé illustré sur la figure 2, trois capacités C1, C2, C3 respectivement connectées aux deux extrémités respectivement des première, deuxième et troisième bobines 8 2837929 magnétiques B1, B2, B3. Dans le cadre du mode de réalisation avantageux décrit ci-dessus, chacun des deux interrupteurs 20, 40 définis ci-avant est constitué par deux diodes D1, D2 montées en parallèle "tête-bêche". s De façon préférentielte, ces deux diodes D1, D2 sont des diodes à effet de grêle, la valeur de tension de seuil étant alors la valeur à partir de laquelle se produit l'effet de grêle dans ces deux diodes. Ces deux diodes sont par exemple des diodes connues sous la dénomination "diodes Schottky". Dans une réalisation préférentielle, comme illustré sur la figure 2, les premiers o et seconds moyens de liaison 10, 50 comportent chacun respectivement une quatrième et une cinquième bobine B4, B5, ces quatrième et cinquième bobines étant montées respectivement découplées de la première bobine B1 et avantageusement aussi des deuxième et troisième bobines magnétiques B2, B3. Pour réaliser ce découplage des bobines B4 et B5 par rapport aux bobines s B1, B2 et B3, les bobines B4, B5 sont des bobines à flux fermé, par exemple en se présentant sous la forme d'un tore fermé ou analogue. Ces bobines ont été représentées schématiquement sur la figure 2. En outre, de façon appropriée, les premiers et seconds moyens de liaison 10 et 50 comportent chacun un amplificateur 7, 8. o Tous ces derniers éléments décrits ci-dessus en regard de la figure 2, essentiellement les capacités C1-C3, les deux bobines à flux fermé B4, B5 et les amplificateurs 7, 8 dans leur application à un dispositif selon l'invention sont connus en eux-mêmes et ne seront donc pas plus amplement décrits ici, d'autant plus qu'ils sont parfaitement explicités, quant à leur structure et leurs fonctions, dans le brevet s franc,ais N 2 665 265. 9 2837929 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'émission et de réception de signaux pour l'étude de matériaux par Résonance Magnétique Nucléaire définie par le sigle "RMN", caractérisé par le fait qu'il comporte: s une antenne (1) réalisant à la fois l'émission et la réception d'un flux magnétique, ladite antenne comportant une première bobine magnétique (B1), À un générateur t2) apte à émettre des signaux radio-fréquence entre ses deux bornes de sortie (3, 4), une deuxième bobine magnétique (B2) montée en coopération avec la e première bobine magnétique (B1) de façon qu'au moins une partie du flux magnétique émis par l'une des première et deuxième bobines magnétiques (B1, B2) soit captée par l'autre, À des premiers moyens (10) pour relier les deux bornes de sortie (3, 4) du générateur (2) respectivement aux deux extrémités (5, 6) de la deuxième bobine magnétique (B2), ces premiers moyens de liaison comportant, monté en série entre ledit générateur (1) et la deuxième bobine magnétique (B2), un premier interrupteur électronique commandable (20) à deux pôles (21, 22), ce dit premier interrupteur (20) étant apte à prendre un état fermé et un état ouvert quand la valeur de la tension entre ses deux pôles est respectivement supérieure et inférieure à une o valeur de seuii, À une unité de traitement (30) à deux bornes d'entrée (31, 32) apte à traiter des signaux électriques correspondant à des valeurs de flux magnétique, À une troisième bobine magnétique (B3) montée en coopération avec la première bobine magnétique (B1) de façon qu'au moins une partie du flux emis par s l'une des deux première et troisième bobines magnétiques (B1, B3) soit captée par l'autre, À des seconds moyens (50) pour relier les deux bornes d'entrée (31, 32) de l'unité de traitement (30) respectivement aux deux extrémités (33, 34) de ladite troisième bobine magnétique (B3), et so À un second interrupteur électronique commandable (40) à deux pôles (41, 42), ce dit second interrupteur (40) étant apte à prendre un état fermé et un état ouvert quand la valeur de la tension entre ses deux pôles est respectivement supérieure et inférieure à une valeur de seuil, ce dit second interrupteur étant monté en parallèle sur la troisième bobine magnétique (B3). 2837929 2. Dispositif selon ia revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte trois capacités (C1, C2, C3), ces trois capacités étant respectivement connectées aux deux extrémités respectivement des première, deuxième et troisième bobines magnétiques (B1, B2, B3) 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'au moins l'un des deux interrupteurs électroniques commandables (20, 40) est constitué par deux diodes (D1, D2) montées en parallèle "tête-bêche". o 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdites diodes (D1, D2) sont des diodes à effet de grêle, ladite valeur de tension de seuil étant la valeur à partir de laquelle se produit l'effet de grêle. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesUites diodes (D1, D2) sont des diodes Schottky. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les premiers et seconds moyens de liaison (10, 50) comportent chacun respectivement une quatrième et une cinquième bobine (B4, B5), ces quatrième et cinquième bobines (B4, B5) étant montées respectivement découplées d'au moins la première bobine (B1). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdites quatrième et cinquième bobines magnétiques (B4, B5) sont des bobines à flux fermé. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdites quatrième et cinquième bobines magnétiques (B4, B5) à flux fermé présentent chacune la forme d'un tore fermé. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'au moins les premiers et seconds moyens de iiaison (10, 50) comportent chacun un