Le magnétomètre vectoriel à hélium 4 est le capteur conçu par le LETI le mieux adapté aux mesures MCG et MEG, du fait de la possibilité de mesurer les composantes vectorielles du champ magnétique à température ambiante. Le premier capteur développé dans les années 2000 au LETI présentait une sensibilité de 500 fT/√Hz avec l’asservissement en champ nul enclenché. Il s’agissait alors d’un capteur comportant une cellule cylindrique de 52 mm de hauteur et de 34 mm de diamètre qui était basé sur l’utilisation d’une électronique obsolète aujourd’hui [75]. Un second prototype non optimisé aux dimensions réduites a été réalisé en 2011 au cours du stage de Kamel Fodil [81]. Si les précédents résultats obtenus sont encourageants, il a été nécessaire au cours de cette thèse d’optimiser les performances du prototype de 2011 et de le miniaturiser. La prise en compte des contraintes liées aux mesures biomagnétiques nous a amenés à modifier de manière significative l’architecture de ce prototype. Les paragraphes qui suivent présentent le travail expérimental mené dans cette optique.
2.2.1 Spécificités du prototype de 2011
La spécificité de ce prototype (Figure 2.2.1) est de comporter un rétro-réflecteur : le faisceau pompe traverse ainsi deux fois la cellule de gaz, permettant ainsi de placer les fibres optiques aller et retour du même côté de la sonde et donc de réduire l’encombrement du dispositif.
Figure 2.2.1 : Prototype de 2011. A gauche, représentation schématique de la sonde, extraite de [81]. A droite, photographie
de la sonde développée par Kamel Fodil en 2011 comportant une cellule cylindrique d’4
He de 14 mm de diamètre et de 22 mm de hauteur, adapté de [81]. La sonde présente les dimensions suivantes : 9 cm x 4,5 cm x 5 cm.
Les deux champs d’excitation RF à 3 et 40 kHz induisent des modulations d’intensité lumineuse au niveau du photodétecteur à des fréquences de 3, 40 et à 40 +/- 3 kHz. Il convient de préciser que les caractérisations préliminaires présentées aux paragraphes 2.2.2 et 2.3.1 ont été menées avec une carte électronique (analogique) réalisée par Laurent Dravert en 2001 [79].
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Chapitre 2, Développement du capteur
2.2.2 Identification et réglage des paramètres-clés
La carte électronique utilisée pour ces mesures préliminaires ne permet pas de réaliser une mesure en boucle fermée, c’est-à-dire une mesure avec un asservissement en champ nul effectif. Aussi, l’optimisation des réglages du magnétomètre est ici réalisée en maximisant la pente des signaux de résonance de façon à optimiser la sensibilité en boucle ouverte du capteur et d'accéder de fait à une estimation des performances du dispositif.
Les développements théoriques issus de [73] et présentés au paragraphe 2.1.1 montrent que l’amplitude des signaux de résonance paramétrique dépend du temps de relaxation des atomes
et de fonctions de Bessel d’argument
, avec :
- , le rapport gyromagnétique du gaz considéré (28,04 Hz.nT-1 pour l’hélium), - fi, la fréquence du champ d’excitation RF appliqué suivant l'axe i, égale à
,
- Hi, l’amplitude du champ RF, en nT suivant l’axe i.
Les paramètres ajustables qui permettent d’optimiser la sensibilité sont par conséquent les amplitudes respectives des deux champs RF, la puissance HF et la puissance laser (ces deux derniers paramètres influent sur le temps de relaxation des atomes métastables). Les gammes de variation de ces paramètres à optimiser sont présentées dans le Tableau 2.2.1. Le réglage consiste à faire varier la valeur du paramètre étudié jusqu’à atteindre la pente de résonance maximale, obtenue en sortie de la boucle ouverte, après l'étage de détection synchrone.
Tableau 2.2.1 : Détail du protocole de réglage des paramètres de fonctionnement de la sonde pour un axe.
Paramètre à régler Domaine d’étude Pas Grandeur(s) observée(s) Champ RF, rapport 0,1 Pente de résonance, en mV/nT Puissance HF14, mW PHF . . mW 10 mW pour PHF [L.E. ; 100] mW 50 mW pour PHF [100 ; 900] mW Pente de résonance, en mV/nT
Plancher de bruit laser à la fréquence d’excitation RF
Puissance laser, mW Plaser mW 0,25 mW
Pente de résonance, en mV/nT
Plancher de bruit laser à la fréquence d’excitation RF
Le dispositif expérimental utilisé pour mesurer la pente des signaux de résonance en boucle ouverte, et placé à l'intérieur du blindage du laboratoire (Figure 2.2.3), est présenté dans la Figure 2.2.2.
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Chapitre 2, Développement du capteur
Figure 2.2.2 : Représentation de la chaîne de mesure mise en place. L’observable est ici la pente de résonance obtenue en
sortie de la boucle ouverte, i.e. directement en sortie de la détection synchrone. Pour observer cette pente, une rampe de champ externe de +/- 500 nT à 5 Hz de part et d’autre du champ nul est générée suivant l’axe de la mesure. A gauche, photographie de la sonde placée au centre de bobines d'Helmholtz générant les rampes de champ. A droite, exemple de pente de résonance obtenue.
Figure 2.2.3 : Photographie du blindage utilisé lors des tests fonctionnels menés au laboratoire.
2.2.3 Performances mesurées
La sensibilité en sortie de la boucle ouverte est déterminée à partir des mesures de la pente de résonance et du plancher de bruit laser selon la relation :
(2.2.1)
avec :
- Blaser, le bruit laser mesuré, en pW/√Hz ;
- Penteentrée, la pente ramenée à l’entrée de la carte, en V/nT, elle est calculée à partir de la valeur de la pente mesurée, de la fonction de transfert de la bobine générant la rampe de champ externe et des gains de la chaîne électronique de traitement ;
Chapitre 2, Développement du capteur
Le Tableau 2.2.2 présente les meilleures sensibilités mesurées à l’issue de l’étape d’optimisation. Les rapports adimensionnels optimisés obtenus sont du même ordre de grandeur que ceux issus des développements théoriques [80].
Tableau 2.2.2 : Résolutions obtenues en sortie de la boucle ouverte déduites de l’étape d’optimisation (axe par axe) des
paramètres de la sonde prototype réalisée en 2011.
Axe étudié Résolution, fT/√Hz Paramètres optimisés (nTcc) PHF (mW) Plaser (mW) X 74 533 5,0 100 1,25 Y 87 940 0,7 100 1,25
Les résultats obtenus dans cette série de mesures sont encourageants. Il a été possible d’obtenir une résolution inférieure à 100 fT/√Hz suivant les deux axes étudiés.
Pour autant, ce prototype de 2011 n’est pas adapté à l’enregistrement de champs biomagnétiques de très faibles amplitudes. En effet, les mesures MCG ou MEG requièrent des capteurs de plus petites dimensions, et conçus de telle sorte que la distance entre la cellule de gaz et la source du champ biomagnétique soit la plus faible possible. Afin d'envisager une miniaturisation du dispositif, il s'est avéré nécessaire d'étudier l’influence de la taille et de la pression des cellules sur les performances du magnétomètre champ nul, d’évaluer la pureté du gaz pour les cellules fournies par différents verriers et d’optimiser la forme des bobines de compensation du champ afin de générer un champ de compensation homogène avec des bobines les plus petites possibles. L’ensemble de ces paramètres influe sur le temps de relaxation des atomes et par conséquent sur l’amplitude des signaux de résonance mesurée.
Chapitre 2, Développement du capteur