Brevet FR3035719A1 — publié le 20161104

B14078 - DD16097LP 1 STRUCTURE DE MAGNÉTOMÈTRE À POMPAGE OPTIQUE Domaine La présente demande concerne les magnétomètres à pompage optique et plus particulièrement une structure de magnétomètre à pompage optique adaptée à des applications 5 médicales. Exposé de l'art antérieur On a développé des magnétomètres à pompage optique extrêmement sensibles utilisés notamment dans le domaine médical pour détecter et mesurer des champs magnétiques produits par le 10 corps humain, par exemple au voisinage du cerveau ou du coeur. Ces magnétomètres permettent de fournir une mesure scalaire et vectorielle d'un champ magnétique. La figure 1 représente de façon très schématique les composants principaux d'un magnétomètre à pompage optique. Ce 15 magnétomètre comprend une cellule ou flacon 1 ayant par exemple une forme cylindrique et dont des faces opposées 2 et 3 sont transparentes au faisceau lumineux utilisé. La cellule 1 est remplie d'un gaz spécifique tel que l'isotope 4 de l'hélium (4He). Pour porter les électrons du gaz dans un état sensible au 20 champ magnétique à mesurer, il est nécessaire d'appliquer un champ électrique à haute fréquence. Dans cet exemple, le champ étant généré entre deux anneaux conducteurs 5 et 6 disposés 3035719 B14078 - DD16097LP 2 autour du cylindre et dont chacun est relié par une borne A, B à une bobine de surtension respective 7 et 8 liée à une source d'alimentation haute fréquence (fréquence HF comprise entre 1 et 100 MHz, de préférence entre 3 et 30 MHz) pour ioniser le gaz contenu dans la cellule. Un faisceau lumineux 10 traverse la cellule. Il provient par exemple d'une fibre optique 12 reliée à un laser non représenté et ressort vers une fibre optique 13 dont la sortie est reliée à un système d'analyse de caractéristiques d'absorption. De façon courante, il est prévu un collimateur d'entrée 14 pour envoyer un faisceau parallèle à travers la cellule 1 et un collimateur de sortie 15 pour réinjecter le faisceau lumineux de sortie dans la fibre optique 13. Si le faisceau provenant de la fibre 12 n'est pas polarisé, il est en outre prévu un polariseur 17 à l'entrée de la cellule. Des bobinages non représentés appliquent au gaz contenu dans la cellule des champs orthogonaux Hx, Hy et Hz. Ces bobinages sont par exemple des bobines de Helmholtz destinées à appliquer un champ homogène dans la cellule. Les champs appliqués sont des champs radiofréquence (fréquence RF comprise entre 1 et 100 kHz) avec éventuellement une composante continue. De façon connue, un tel magnétomètre à pompage optique permet, en fonction des réglages des champs Hx, Hy et Hz, de fournir une mesure scalaire et vectorielle d'un champ magnétique H traversant la cellule. Comme on l'a indiqué précédemment, le champ à mesurer peut par exemple provenir d'organes du corps humain ou animal tel que le cerveau et/ou le coeur. Ce type de champs est extrêmement faible, par exemple de l'ordre du millionième du champ magnétique terrestre. Dans l'exemple représenté, la cellule 1 comprend un 30 queusot 19 utilisé pour la remplir du gaz choisi et la refermer une fois qu'elle est remplie du gaz. Pour des applications médicales, on cherche à réaliser des cellules de très petites dimensions, ayant par exemple un diamètre et une hauteur inférieurs au centimètre. On cherche ici 35 à prévoir une structure de montage particulièrement efficace. On 3035719 B14078 - DD16097LP 3 cherche notamment à obtenir une telle structure qui puisse être placée au plus près de la source du champ à détecter ainsi qu'une structure qui produise aussi peu que possible de champs parasites HF et RF. 5 Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit une structure de magnétomètre à pompage optique dans laquelle une cellule de détection est disposée dans un support cubique de bobines de champ lui-même inséré dans un boîtier monté sur une carte de 10 circuit imprimé, le support cubique de bobines de champ débordant d'un plan inférieur du boîtier et venant s'insérer dans une ouverture de la carte de circuit imprimé destinée à être placée du côté d'un échantillon à analyser. Selon un mode de réalisation, la cellule de détection 15 est une cellule cylindrique ayant des faces extrêmes parallèles, cette cellule étant montée dans deux demi-cubes venant s'accoler l'un à l'autre, les deux demi-cubes étant en un matériau isolant et leurs faces externes étant munies de rainures permettant d'insérer des bobines de Helmholtz selon les trois directions de 20 l'espace tout en assurant leur isolation mutuelle. Selon un mode de réalisation, le gaz contenu dans la cellule est ionisé par des bobines génératrices de champ électrique HF. Selon un mode de réalisation, le boîtier comprend des 25 ouvertures en regard de fenêtres du cube et comprend des prolongements adaptés à recevoir des composants optiques en regard desdites ouvertures. Selon un mode de réalisation, les composants optiques comprennent un collimateur d'entrée et un collimateur de sortie. Selon un mode de réalisation, les prolongements sont dimensionnés pour recevoir et bloquer des fibres optiques d'entrée et de sortie. Selon un mode de réalisation, le boîtier comprend, en regard des fenêtres d'entrée et de sortie de la cellule, des 35 miroirs orientés à 45° pour renvoyer orthogonalement les 3035719 B14078 - DD16097LP 4 faisceaux d'entrée et de sortie, de sorte que les fibres optiques d'entrée et de sortie sont insérées verticalement et parallèlement l'une à l'autre. Selon un mode de réalisation, le boîtier comporte des 5 logements adaptés à recevoir des bobines de surtension. Selon un mode de réalisation, la carte de circuit imprimé porte des composants électroniques propres à faire fonctionner le magnétomètre et est munie d'un capot de blindage ouvert du côté où dépasse le cube. 10 Un mode de réalisation vise une utilisation d'une structure telle que ci-dessus à la mesure de champs magnétiques ayant pour origine des organes du corps humain ou animal. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 15 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente très schématiquement les composants principaux d'un magnétomètre à pompage optique ; 20 les figures 2 et 3 représentent un support cubique de bobines de champ contenant une cellule de magnétomètre à pompage optique ; les figures 4A et 4B sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe illustrant le montage dans un 25 boîtier d'alignement optique du type de celui des figures 2 et 3 ; et la figure 5 représente le montage sur une carte de circuit imprimé du boîtier des figures 4A, 4B. Description détaillée 30 Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position ou d'orientation absolue, tels que les termes "supérieur", "inférieur", "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des figures. Sauf précision contraire, les 3035719 B14078 - DD16097LP 5 expressions "sensiblement" et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. La figure 2 est une vue en perspective éclatée et la figure 3 est une vue en perspective assemblée d'un support 5 cubique de bobines de champ ou cube. Ce cube 20 est constitué de deux demi-cubes creux symétriques 21 et 22 dont les évidements sont adaptés à recevoir la cellule 1. Les dimensions des demi-cubes sont aussi peu supérieures que possible au diamètre de la cellule cylindrique 1. Les parois externes du cube sont 10 rainurées de façon à accueillir, quand le cube est fermé, des bobines propres à fournir les champs orthogonaux Hx, Hy et Hz, susmentionnés. Des premières rainures 31 et 32 sont adaptées à recevoir des premières bobines de Helmholtz aptes à fournir un champ dans la direction x. Des secondes rainures 33 et 34 sont 15 adaptées à recevoir des secondes bobines de Helmholtz aptes à fournir un champ dans la direction y. Des troisièmes rainures 35 et 36 sont adaptées à recevoir des bobines de Helmholtz aptes à fournir un champ dans la direction Z. Ces rainures ont des profondeurs différentes de façon que les bobines dans les trois 20 directions n'entrent pas en contact les unes avec les autres. Le cube est muni de premières ouvertures en vis-à-vis 41 et 42 adaptées à recevoir l'entrée et la sortie du faisceau optique. Dans la figure, ces deux ouvertures 41 et 42 sont alignées dans la direction x. Des ouvertures 44 et 45 sont 25 destinées à laisser passer des fils de connexion aux anneaux 5 et 6 de production du champ électrique HF d'ionisation de la cellule. On a également représenté une ouverture 47 dans la partie supérieure du cube, mieux visible en figure 3. Cette ouverture 47 est destinée à laisser passer et à bloquer le 30 queusot 19 de la cellule. Les figures 4A et 4B sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe selon un plan xz. Ces figures illustrent un boîtier 50 comportant une ouverture 51 dont les dimensions correspondent sensiblement à celles du cube 20 fermé et muni de ses bobinages. Le cube 20 est adapté à être inséré à 3035719 B14078 - DD16097LP 6 force dans l'ouverture 51 du boîtier. En regard des ouvertures 41 et 42 du cube destinées à laisser le passage au faisceau optique, le boîtier 50 comprend des prolongements 53 et 54. Ces prolongements comprennent des ouvertures 55A, 55B et 56A, 56B 5 adaptées à laisser le passage au faisceau lumineux à travers la cellule. Les prolongements 53 et 54, sont dimensionnés de façon que l'on puisse insérer et bloquer à l'intérieur les composants optiques nécessaires à l'optimisation du faisceau et sont également adaptés à recevoir l'extrémité des fibres optiques 10 d'entrée et de sortie 12 et 13. Comme on l'a indiqué en relation avec la figure 1, les composants optiques peuvent comprendre des collimateurs d'entrée et de sortie et un polariseur. L'extérieur du boîtier 50 comprend également des ouvertures ou des échancrures 58, dont une seule est visible en 15 figure 4A, en regard des ouvertures 43 et 44 du cube une fois ce cube mis en place, pour assurer le passage des fils électriques de fourniture des signaux RF et HF susmentionnés. De préférence, comme cela est représenté en figure 4A, la partie externe supérieure du boîtier comprend des logements 61 et 62 adaptés à 20 recevoir les bobines de surtension 7 et 8 décrites en relation avec la figure 1. Comme on le notera en relation avec la figure 4B, l'ouverture 51 de réception du cube 20 formée dans le boîtier 50 est un peu moins profonde que la dimension maximale du cube 20 25 de façon que celui-ci (représenté en pointillés) déborde légèrement de la face inférieure du boîtier. La figure 5 est une vue en perspective du boîtier 50 dans lequel est positionné le cube 20. Ce boîtier est adapté à venir se placer sur une carte de circuit imprimé 70 munie d'une 30 ouverture 71, l'ouverture 71 ayant les dimensions de la partie du cube 20 en saillie par rapport au boîtier. Cette saillie a de préférence une valeur égale à l'épaisseur de la carte de circuit imprimé, par exemple de l'ordre de 2 mm. Ainsi, la face inférieure du cube affleure au niveau de la face inférieure de 35 la carte de circuit imprimé. Ceci procure l'avantage notamment 3035719 B14078 - DD16097LP 7 que, quand le magnétomètre est en fonctionnement, une face du cube vient directement au niveau de la source de champ magnétique que l'on veut mesurer. Dans le cadre de l'application médicale visée, ce système permet de rapprocher au maximum le 5 magnétomètre de l'organe mesuré, par exemple le coeur ou le cerveau. La face inférieure du cube ou la face inférieure de la carte de circuit imprimé est de préférence recouverte d'un film isolant mince, par exemple du Kapton, pour garantir l'isolement électrique entre le magnétomètre et le patient, comme requis par 10 les normes imposées aux équipements destinés à un usage médical. On comprendra que la carte de circuit imprimé 70 porte tous les éléments de circuit électriques et électroniques adaptés à assurer le fonctionnement du système. De préférence, cette carte est adaptée à recevoir un capot métallique (par 15 exemple d'une épaisseur de 0,3 mm) servant de blindage du système. Ce capot est ouvert du côté de la face de l'ouverture 71 pour permettre la mesure du champ magnétique. Ce capot permet notamment d'assurer la compatibilité électromagnétique du dispositif, comme requis par les normes imposées aux équipements 20 destinés à un usage médical. Le matériau du cube et celui du boîtier sont isolants et amagnétiques, par exemple du PEEK ou de l'ABS. La structure de magnétomètre décrite ici est adaptée à des cellules cylindriques de petites dimensions ayant par 25 exemple un diamètre et une hauteur de 5 mm. Cette structure permet de satisfaire aux contraintes techniques imposées par la miniaturisation et l'usage médical, à savoir : - assurer que les 3 paires de bobines RF respectent les conditions d'Helmholtz (2 boucles identiques séparées d'une 30 distance égale au rayon des boucles) afin d'assurer une bonne homogénéité du champ magnétique généré dans le volume de la cellule d'hélium 4, - veiller à ce que les bobines RF ne se court-circuitent pas entre elles, 3035719 B14078 - DD16097LP 8 - maintenir un écart suffisant entre les 2 boucles HF d'excitation et les bobines tri-axes RF afin d'éviter tout problème d'induction de courant, - minimiser la distance entre la source (coeur, cerveau) et la 5 cellule d'hélium 4, - maximiser le diamètre du faisceau lumineux traversant la cellule, sans qu'il ne soit déformé par la cellule et sans qu'il ne soit obturé par le cube de support des bobines ni par les fils des bobines RF, 10 - garantir un bon alignement entre le collimateur optique d'entrée et le collimateur optique de sortie (pour maximiser le couplage optique), - maîtriser la propagation du faisceau laser pour assurer la sécurité oculaire du patient et de l'utilisateur : en 15 bloquant par exemple les collimateurs en place dans le porte- collimateur à l'aide d'une vis de serrage, - garantir une compatibilité électromagnétique (CEM) pour la sécurité du patient et l'absence d'interférence avec les autres équipements médicaux à proximité, notamment des 20 capteurs SQUID (Super Quantum Interference Device) situés dans l'enceinte de la chambre blindée amagnétique dans laquelle sont opérés les enregistrements avec notre magnétomètre à 4He, - apporter une robustesse du capteur, notamment au niveau des 25 connexions, suffisante pour un usage médical, et - assurer une isolation électrique parfaite du magnétomètre pour le patient. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de 30 l'art, parmi lesquelles on peut noter les suivantes. Le faisceau lumineux traversant la cellule peut être replié, ce faisceau arrivant verticalement dans le plan de la figure et ressortant verticalement sous l'effet de miroirs de renvoi. Ceci présente l'avantage de pouvoir augmenter la densité 35 surfacique de capteur présent dans la zone de mesure et de 3035719 B14078 - DD16097LP 9 simplifier la connexion des fibres optiques d'entrée et de sortie. Il est envisageable de remplacer le support cubique de bobines de champs par une sphère ; cette forme assure aussi une 5 homogénéité du champ magnétique RF. Bien que l'on ait décrit une cellule à champ d'ionisation axial, on pourrait prévoir une cellule à champ transverse. REVENDICATIONS1. Structure de magnétomètre à pompage optique dans laquelle une cellule de détection (1) est disposée dans un support cubique de bobines de champ (20) lui-même inséré dans un boîtier (50) monté sur une carte de circuit imprimé (70), le support cubique de bobines de champ débordant d'un plan inférieur du boîtier et venant s'insérer dans une ouverture (71) de la carte de circuit imprimé destinée à être placée du côté d'un échantillon à analyser. 2. Structure de magnétomètre selon la revendication 1, 10 dans laquelle la cellule de détection (1) est une cellule cylindrique ayant des faces extrêmes parallèles, cette cellule étant montée dans deux demi-cubes (21, 22) venant s'accoler l'un à l'autre, les deux demi-cubes étant en un matériau isolant et leurs faces externes étant munies de rainures (31-32, 33-34, 35- 15 36) permettant d'insérer des bobines de Helmholtz selon les trois directions de l'espace tout en assurant leur isolation mutuelle. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le gaz contenu dans la cellule est ionisé par des 20 bobines génératrices de champ électrique HF. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le boîtier comprend des ouvertures (55A, 55B, 56A, 56B) en regard de fenêtres du cube et comprend des prolongements (53, 54) adaptés à recevoir des composants 25 optiques en regard desdites ouvertures. 5. Structure selon la revendication 4, dans laquelle les composants optiques comprennent un collimateur d'entrée (14) et un collimateur de sortie (15). 6. Structure selon la revendication 4 ou 5, dans 30 laquelle les prolongements sont dimensionnés pour recevoir et bloquer des fibres optiques d'entrée et de sortie. 7. Structure selon la revendication 6, dans laquelle le boîtier comprend, en regard des fenêtres d'entrée et de sortie de la cellule, des miroirs orientés à 45° pour renvoyer 3035719 B14078 - DD16097LP 11 orthogonalement les faisceaux d'entrée et de sortie, de sorte que les fibres optiques d'entrée et de sortie sont insérées verticalement et parallèlement l'une à l'autre. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications 5 1 à 7, dans laquelle le boîtier comporte des logements (61, 62) adaptés à recevoir des bobines de surtension (7, 8). 9. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la carte de circuit imprimé porte des composants électroniques propres à faire fonctionner le magnétomètre et est munie d'un capot de blindage ouvert du côté où dépasse le cube. 10. Utilisation d'une structure de magnétomètre à pompage optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à la mesure de champs magnétiques ayant pour origine des organes 15 du corps humain ou animal.