Brevet FR3134456A1 — publié le 20231013

Dispositif concentrateur de flux (5) disposé en amont d’un magnétomètre ultrasensible (3), prévu pour recevoir en entrée un flux magnétique externe et délivrer un flux concentré en entrée dudit magnétomètre (3), caractérisé en ce qu’il comprend une antenne primaire de détection magnétique volumique gradiométrique (50) refroidie à une température cryogénique et un transformateur de flux (55) disposé entre l’antenne primaire de détection (50) et le magnétomètre (3), ce transformateur de flux (55) ayant un enroulement primaire (6) relié à l’antenne primaire de détection (50). Voir Figure 3 CONCENTRATEUR DE FLUX GRADIOMETRIQUE DE VOLUME POUR DETECTION MAGNETIQUE ULTRASENSIBLE ET SYSTEME DE DETECTION MAGNETIQUE A BASE DE SQUID METTANT EN ŒUVRE CE CONCENTRATEUR DE FLUX. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une antenne primaire destinée à être utilisée comme concentrateur de flux pour un magnétomètre ultrasensible. Cette antenne est un gradiomètre de géométrie volumique en cuivre. L'invention vise également des équipements intégrant cette antenne : dispositif de détection magnétique à SQUID, ou tous autres types de magnétomètres ultra-sensibles (centres NV, capteurs à magnétorésistance géante, magnétomètres atomiques), IRM basée sur une détection à SQUID, biomagnétisme, ou plus généralement magnétométrie ultrasensible en champ proche. ETAT DE LA TECHNIQUE Le SQUID (« Superconducting Quantum Interference Device » pour dispositif d’interférence quantique supraconducteur) est un magnétomètre de taille micrométrique, constitué d’une boucle en matériau supraconducteur interceptée par deux Jonctions Josephson. Les technologies et matériaux utilisés sont très variables, mais on distingue deux grandes familles : les SQUID à basse température critique (bas Tc), fonctionnant sous les 10 K, présentant des performances supérieures mais nécessitant une cryogénie plus lourde, et les SQUID haute température critique, de performances moindres et de fabrication plus complexe, mais pouvant fonctionner à la température de l’azote liquide (77 K). Le SQUID se comporte comme un flux-mètre, c’est-à-dire qu’il produit une tension V (Φ) sinusoïdale dépendant du flux magnétique Φ le traversant. Ce sont des magnétomètres présentant de très hautes performances : parmi leurs nombreux avantages, on trouve en premier lieu leur extrême sensibilité (seuil de détection approchant les 1 fT.Hz − 1 / 2 ) [1], leur large bande d’utilisation, jusqu’à plus de 100 MHz [2], et la conservation de leur sensibilité jusqu’aux très basses fréquences, y compris en champ continu (DC). Une description détaillée du fonctionnement des SQUID est donnée dans le livre de John Clarke [3]. En raison de leur petite taille, les SQUID sont beaucoup utilisés en champ proche, c'est-à-dire pour mesurer le magnétisme local aux petites échelles, par exemple pour cartographier les domaines magnétiques de certains matériaux. L'utilisation de SQUID en champ plus lointain, en particulier pour des expériences d’IRM ou de mesure du biomagnétisme, requiert en général l’utilisation d’un concentrateur de flux. Il s’agit d’une antenne magnétique classique en série avec une bobine d'entrée placée au-dessus du SQUID. Le flux magnétique est capté par l'antenne primaire, puis retransmis au niveau du SQUID via la bobine d'entrée. En somme, on peut comprendre l'utilisation du concentrateur de flux comme si la surface du SQUID était virtuellement augmentée, lui permettant de capter un large flux magnétique malgré sa petite taille. Ces concentrateurs de flux peuvent être de géométries diverses, fabriqués à partir de métaux comme le cuivre ou de matériaux supraconducteurs comme des fils de Niobium-Titane. Un état des lieux des diverses implémentations des concentrateurs de flux est donné dans la revue de Fagaly [4] ou de manière plus détaillée dans le chapitre du livre de Weinstock [5]. Jusqu'à présent, le point commun des implémentations de concentrateurs de flux est d'utiliser des antennes primaires de surface, le plus souvent gradiométriques. Supposons que le signal magnétique à mesurer est émis de manière isotrope dans l'espace par une source S . Une antenne de surface n'intercepte qu'une fraction du signal émis par la source, tandis qu'une antenne de volume a pour rôle d'englober la source S afin de recueillir le maximum de signal. Jusqu'à présent, dans le cadre de la détection magnétique à SQUID a basse température critique, les antennes de surface ont toujours été préférées. En effet, on cherche à avoir une antenne de résistance électrique la plus basse possible afin de minimiser le bruit de Johnson-Nyquist. Les concentrateurs de flux sont donc le plus souvent fabriqués en matériau supraconducteur, par exemple en fil de Niobium-Titane, et doivent donc être refroidis à 4K. Pour cette raison, l'antenne primaire doit être confinée au fond d'un cryostat, ce qui impose l'utilisation d'une antenne de surface. Dans le cas des SQUIDs à haute température critique, il n'est pas possible d'utiliser des antennes filaires supraconductrices comme pour le bas Tc, car les matériaux utilisés sont des céramiques qui se prêtent mal à la fabrication de fils. Les technologies les plus répandues sont des antennes planaires supraconductrices, même si certaines expériences ont fait usage d'antennes volumiques en cuivre couplées au SQUID. Le SQUID couplé à une antenne primaire étant un dispositif très sensible, il est également très vulnérable face au bruit électromagnétique ambiant. Pour s'en prémunir, on peut configurer l'antenne primaire comme un gradiomètre. Prenons le cas simple d'un gradiomètre axial d'ordre l. Dans ce cas, l'antenne est constituée de deux boucles de même axe tournant en des sens opposés, séparées d'une distance b . Ce dispositif est moins sensible au signal d'intérêt qu'une simple boucle, car la deuxième boucle tournant en sens opposé aura tendance à compenser le signal reçu par la première boucle. En revanche, ce système aura tendance à rejeter le bruit provenant de sources situées à une distance R >> b . En effet, du point de vue de la source du bruit, les deux boucles du gradiomètre se situent à la même distance, et donc le signal reçu par le gradiomètre de la part de la source de bruit se compense entre les deux boucles. En réalité, le système ainsi décrit se nomme gradiomètre car il est sensible au gradient du champ magnétique, plut6t qu'au champ magnétique lui-même. Il existe de nombreux autres systèmes de gradiométrie de géométrie plus complexe, sensibles aux dérivées d'ordre supérieur du champ magnétique. Plus l'ordre du gradiomètre est élevé, plus la propriété de réjection du bruit est efficace, mais moins le système sera sensible au signal d'intérêt : il y a donc un compromis à trouver. D'une manière générale, on retiendra que si le champ émis par une source décroît comme R − 3 avec la distance R à la source, le gradient décroît comme R − 4 , et la dérivée d'ordre k du champ décroît comme R − 3 − k . On trouvera une description détaillée des différentes implémentations de gradiomètres de surface dans la revue de Fagaly précédemment citée. Il existe diverses implémentations de systèmes de SQUID avec concentrateur de flux. Ci-dessous sont listées quelques antériorités classées par type de technologie. Pour les gradiomètres bas Tc, on se référera utilement aux documents cités [6] à [11]. Pour les gradiomètres haut Tc, on se référera utilement aux documents cités [12] à [18]. Pour autant, ces concentrateurs de flux ne résolvent pas le problème du manque de sensibilité des systèmes de détection à SQUID actuels. Le but de l’invention est de proposer un nouveau concentrateur de flux qui, combiné à un détecteur à SQUI D , permet de réaliser un magnétomètre présentant une sensibilité nettement supérieure à celle des magnétomètres actuels, tout en robuste face au bruit électromagnétique ambiant. L'invention propose de répondre au problème de manque de sensibilité des systèmes de détection à SQUID actuels grâce à une antenne gradiométrique de volume en cuivre, permettant de recueillir plus de signal tout en gardant une robustesse face au bruit. Cet objectif est atteint avec un dispositif concentrateur de flux disposé en amont d’un magnétomètre ultrasensible , prévu pour recevoir en entrée un flux magnétique externe et délivrer un flux concentré en entrée dudit magnétomètre, caractérisé en ce qu’il comprend une antenne primaire de détection magnétique volumique gradiométrique refroidie à une température cryogénique et un transformateur de flux disposé entre l’antenne primaire de détection et le magnétomètre, ledit transformateur de flux ayant un enroulement primaire relié à ladite antenne primaire de détection. Dans une configuration particulière de l’invention, l’antenne primaire comprend deux antennes en série respectivement interne et externe, présentant une même inductance et agencées de sorte que le courant parcourant l’antenne externe est de sens opposé à celui parcourant l’antenne interne. Dans une configuration particulière de l’invention, l’antenne primaire comprend deux antennes en série respectivement interne et externe, présentant une même surface orientée totale et agencées de sorte que le courant parcourant l’antenne externe est de sens opposé à celui parcourant l’antenne interne. L’antenne interne peut être disposée à l’intérieur de l’antenne externe et présente une longueur et un diamètre respectivement inférieurs à la longueur et à au diamètre respectifs de l’antenne externe. Les antennes respectivement interne et externe peuvent être réalisées à partir de fils conducteurs respectivement interne et externe, le fil conducteur interne présentant une section inférieure à la section du fil conducteur externe. Dans d’autres configurations de l’invention, l’antenne primaire de détection comprend en outre au moins une antenne intermédiaire disposée en série entre l’antenne externe et l’antenne interne. Le dispositif concentrateur de flux peut en outre comprendre en outre des moyens pour blinder électromagnétiquement l’antenne primaire de détection. Ces moyens de blindage électromagnétique peuvent être de type passif ou actif, mettant alors en œuvre au moins une bobine de compensation de bruit extérieur. L’antenne primaire de détection peut être refroidie par des moyens pour refroidir l’antenne primaire de détection par circulation d’un liquide cryogénique tel que de l’azote liquide, ou bien l’antenne primaire de détection peut être disposée dans un cryostat comportant un tube pulsé et un circuit d’hélium gazeux. Suivant d’autres aspects de l’invention, il est proposé un équipement de résonance magnétique nucléaire, un équipement d'imagerie par résonance magnétique, un équipement de détection magnétique mis en œuvre dans des applications de biomagnétisme, dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’invention. On peut aussi prévoir un équipement pour mesurer des variations très faibles de champ magnétique statique ou bien un équipement de détection magnétique large bande, ou encore un équipement de détection magnétique ou de résonance magnétique nucléaire utilisé pour le contrôle qualité dans l'industrie agroalimentaire, dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’invention. Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé un système de détection et d’acquisition radiofréquence (RF) à base de SQUID, prévu notamment pour être intégré dans un appareil à résonance magnétique nucléaire (IRM ou RMN), comprenant: un dispositif concentrateur de flux selon l’invention, un dispositif SQUID, agencé pour être soumis au flux issu dudit dispositif concentrateur de flux, et délivrer un signal de détection secondaire, un dispositif de cryogénie prévu pour refroidir le dispositif SQUID, un étage de traitement du signal de détection secondaire émis par le dispositif SQUID, pour délivrer un signal analogique d’acquisition, comprenant une boucle à verrouillage de flux (FLL) prévue pour linéariser la réponse du dispositif SQUID. Le dispositif concentrateur de flux mis en œuvre dans ce système peut avantageusement comporter une zone interne prévue à l’antenne de détection primaire pour recevoir une partie du corps d’un sujet humain ou animal. DESCRIPTION DES FIGURES La présente différentes géométries d’antennes volumiques envisagées dans le cadre de la présente invention ; La présente, sur l'exemple de la géométrie selle de cheval, les différents ordres de gradiomètre qu'il est possible d'implémenter ; La présente une implémentation possible de l'antenne dans le cadre d'une expérience de détection magnétique à SQUID pour l'IRM. Dispositif concentrateur de flux (5) disposé en amont d’un magnétomètre ultrasensible (3), prévu pour recevoir en entrée un flux magnétique externe et délivrer un flux concentré en entrée dudit magnétomètre (3), caractérisé en ce qu’il comprend une antenne primaire de détection magnétique volumique gradiométrique (50,60,70) refroidie à une température cryogénique et un transformateur de flux (55) disposé entre l’antenne primaire de détection (50,60,70) et le magnétomètre (3), ledit transformateur de flux (55) ayant un enroulement primaire (6) relié à ladite antenne primaire de détection (50,60,70). Dispositif concentrateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’antenne primaire (60) comprend deux antennes en série respectivement interne et externe (63,65), présentant une même inductance et agencées de sorte que le courant parcourant l’antenne externe (65) est de sens opposé à celui parcourant l’antenne interne (63). Dispositif concentrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’antenne primaire (60) comprend deux antennes en série respectivement interne et externe (63,65), présentant une même surface totale orientée et agencées de sorte que le courant parcourant l’antenne externe (65) est de sens opposé à celui parcourant l’antenne interne (63). Dispositif concentrateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’antenne interne (63) est disposée à l’intérieur de l’antenne externe (65) et présente une longueur et un diamètre respectivement inférieurs à la longueur et à au diamètre respectifs de l’antenne externe. Dispositif concentrateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les antennes respectivement interne et externe (63,65) sont réalisées à partir de fils conducteurs respectivement interne et externe, le fil conducteur interne présentant une section inférieure à la section du fil conducteur externe. Dispositif concentrateur l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l’antenne primaire de détection (70) comprend en outre au moins une antenne intermédiaire (75) disposée en série entre l’antenne externe (77) et l’antenne interne (73). Dispositif concentrateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour blinder électromagnétiquement l’antenne primaire de détection. Dispositif concentrateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de blindage électromagnétique sont de type passif. Dispositif concentrateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de blindage électromagnétique sont de type actif et mettent en œuvre au moins une bobine de compensation de bruit extérieur. Dispositif concentrateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour refroidir l’antenne primaire de détection par circulation d’un liquide cryogénique tel que de l’azote liquide. Dispositif concentrateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’antenne primaire de détection est disposée dans un cryostat comportant un tube pulsé et un circuit d’hélium gazeux. Equipement de résonance magnétique nucléaire dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’une quelconque des revendications précédentes. Equipement d'imagerie par résonance magnétique dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. Equipement de détection magnétique mis en œuvre dans des applications de biomagnétisme, dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. Equipement pour mesurer des variations très faibles de champ magnétique statique, dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. Equipement de détection magnétique large bande, dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. Equipement de détection magnétique utilisé pour le contrôle qualité dans l'industrie agroalimentaire, dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. Equipement de résonance magnétique nucléaire utilisé pour le contrôle qualité dans l'industrie agroalimentaire, dont le système de détection intègre un dispositif concentrateur de flux selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. Système (1) de détection et d’acquisition radiofréquence (RF) à base de SQUID, prévu notamment pour être intégré dans un appareil à résonance magnétique nucléaire (IRM ou RMN), comprenant: un dispositif concentrateur de flux (5) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, un dispositif SQUID (3), agencé pour être soumis au flux issu dudit dispositif concentrateur de flux (5), et délivrer un signal de détection secondaire, un dispositif de cryogénie (56) prévu pour refroidir le dispositif SQUID (3), un étage (4) de traitement du signal de détection secondaire émis par le dispositif SQUID (3), pour délivrer un signal analogique d’acquisition, comprenant une boucle à verrouillage de flux (FLL) prévue pour linéariser la réponse du dispositif SQUID (3). Système (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif concentrateur de flux (5) comporte une zone prévue à l’intérieur de l’antenne de détection primaire (50) pour recevoir une partie (2) du corps d’un sujet humain ou animal.