1.3 Détection radioélectrique de l’aimantation
1.3.2 Le dispositif RMN
Pour créer et détecter une aimantation transversale dans le volume C de la
cellule,
nous utilisonsune
technique
de résonancemagnétique
nucléaire(RMN)
enimpulsion.
1.3.2.1 Procédure
L’aimantation,
initialementparallèle
àB0,
est basculée d’unangle
03B1 par uneimpulsion
dechamp
(B
1
)
dont lafréquence
estégale
à lafréquence
de Larmor . 03C90 On observe ensuite lesignal
deprécession
libre de l’aimantation transverse ainsi crééegrâce
à unepaire
de bobines détectricesplacée
auvoisinage
de la celluleexpérimentale.
Nous avons
employé
undispositif
RMNclassique
à bobines croisées[Tastevin 87],
schématisésur la
figure
1.20.Figure
1.20 Vue d’ensemble dudispositif
RMNaccompagnant
la cellule.1.3.2.2 Les bobines inductrices
Le
dispositif
inducteur comporte 2 bobines en forme de "selles decheval",
d’une dizaine de tourscha-cune, qui ont été connectées en série dans nos
expériences.
Ellesgénèrent
unchamp radiofréquence
(RF) B1, qui
estperpendiculaire
auchamp magnétique statique B0.
Leur
géométrie
résulte d’uncompromis
entre deux exigences.Exigence
d’encombrement d’unen’est ni
particulièrement
spacieuse niparticulièrement
vide(elle
renfermedéjà
les organes vitaux duréfrigérateur :
son pot àhélium-4,
son pot à hélium-3 et laplaque
de cuivre attenante, mais aussi de nombreux thermomètres et la celluleexpérimentale...) ; exigences d’homogénéité
duchamp
radiofréquence
au niveau du volume C d’autrepart,
afin quel’impulsion radiofréquence
provoqueun
angle
03B1 de basculement de l’aimantationuniforme,
etprépare
ainsi une aimantation transversalehomogène (03B1
~03C0 2),
ou détruise entièrement l’aimantation(03B1 = 03C0 2),
ou enfin permette de retournerl’aimantation totale par
rapport
auchamp B0 (03B1
=03C0)
sansperte
d’aimantation.Nous avons
employé
des bobinesqui
s’inscrivent dans unrectangle
de hauteur 64 mm et delargeur
30 mm pour la sectionverticale,
etqui
s’inscrivent dans un cercle de rayon 15 mm pour la section horizontale. Lescaractéristiques géométriques
des bobines d’induction ont étéopti-misées
numériquement
afin que les variations relatives duchamp magnétique B1
sur la celluleexpérimentale
n’excédent pasquelques %.
Il est apparu que 2 formes de bobines sont à retenir :- d’une part la forme en selles de cheval en
respectant
unangle de 203C0 3
pour les arcs de cercle quereprésentent
les bobines vues de dessus(cf figure 1.21a).
- d’autre
part
la formeasymétrique,
en selle de chevaltoujours (cf figure 1.21b),
avec uneouverture d’environ
203C0 3.
Figure
1.21 Allure des bobines d’inductioncorrespondant
au calcul Dans les deux cas, la hauteur des bobines sera de l’ordre de deux fois leur diamètre.En
pratique,
laprésence
de laboîte
à vide(métallique,
et àproximité
desconducteurs)
et des différents élémentsqu’elle
contient peutperturber
leslignes
dechamp.
Nous avons donc vérifiéexpérimentalement
que notresystème répondait
auxexigences
formuléesci-dessus,
enparticulier
enquantifiant
lespertes
d’aimantation lors desimpulsions
RMN : celles-ci restent très faibles(de
l’ordre de 10
%
pour unangle 03C0).
1.3.2.3 Le circuit de détection
Les bobines de détection sont constituées de 2 enroulements de fils de cuivre
émaillé,
connectés ensérie,
d’environ 200 tours chacun Cettepaire
de bobines estplacée
àangle
droit des enroulementsinducteurs ;
leurorthogonalité
estajustée,
une fois enposition,
defaçon
à minimiser lesignal
parasite diectement
capté
par les bobines détectrices lors d’uneimpulson radiofréquence.
Cette
précaution
s’avère toutefoisinsuffisante ;
lesignal parasite capté
par les bobines détectrices lors d’uneimpulsion
RF sature eneffet, pendant
unlaps
detemps trop long,
la chaîne de détection. Pour yremédier,
nous avons utilisé uninterrupteur rapide (circuit
CMOS4066) placé juste
en amontde
l’électromque
dedétection, piloté
par la commmanded’impulsions RF ;
il met encourt-circuit,
pendant
la durée d’uneimpulsion,
les bobines détectrices et le circuitélectronique
dedétection,
tout en établissant entre ces 2 éléments un chemin de
grande impédance ; inversement,
en dehors d’uneimpulsion,
il relie par uneligne
de faibleimpédance
les bobines détectrices au reste du circuit dedétection,
permettant ainsi ausignal capté
par les bobines d’êtreanalysé
Les bobines
détectrices,
de diamètre 15 mm, sontdisposées
leplus près possible
de la celluleexpérimentale
afin de capter unsignal généré
par laprécession
desspins, d’amplitude
maximale. Un moyen commode(et classique)
pourdisposer
designaux électriques
assezgrands
consiste à utiliser un circuit de détection résonant un condensateur decapacité C, placé
enparallèle
avecles bobines de détection
(inductance L)
permet d’accorder le circuit à lafréquence
de Larmor 03C9L des spins Il suffit pour cela queLC03C92L
= 1. Nous avons enpratique
utilisé unecapacité
de 10 nFce qui nous a donné un facteur de
qualité Q
de 4.6 à 300 K et de 18 à froid.Si l’intérêt d’un tel circuit résonant est
indiscutable, puisqu’il amplifie
lesignal
d’un facteurQ,
il faut
cependant
restervigilant quant
aux effets secondaires que son utilisationimplique.
Il existeen effet des
couplages
entre l’aimantation transverse et un tel circuit dedétection, couplages
que G. Tastevin a étudiés en détail dans le cadre de sesexpériences
sur l’hélium-3polarisé [Tastevin 87].
Ces
couplages, lorsqu’ils
restentfaibles, produisent
undéplacement
03B403C9 de lafréquence
deprécession
de l’aimantation et une variation
supplémentaire
de son taux d’amortissement1 .
Ces effetspar-asites sont
susceptibles
d’entâcher d’erreur à la fois la mesure de lafréquence
deprécession
de l’aimantation transverse(et
par suite la mesure du taux depolarisation
nucléaire dans laphase
liquide,
voirparagraphe 1 4.2)
et celle de son taux d’amortissement. Nous reviendrons sur cescouplages
lors de l’étude RMN de l’hélium-3liquide polarisé (partie 4).
1.3.2.4 Le
dispositif électronique
La
procédure expérimentale employée
pour exciter et détecter une aimantation est la suivante :nous envoyons sur les bobines inductrices une
impulsion radiofréquence d’amplitude
environ3V,
àune
fréquence
de l’ordre de 42KHz, correspondant
à lafréquence
de Larmor d’un atome d’hélium-3placé
dans unchamp magnétique statique Bo
de l’ordre de 1.3 mTesla. Le rôle de cetteimpulsion
est de
créer,
àpartir
de l’aimantationlongitudinale,
unepetite composante
transverse. La durée 0394t de cetteimpulsion
et son intensité sont choisies pour quel’angle
de basculement de l’aimantationsoit assez faible
(typiquement l’amplitude B1
duchamp
oscillant est de3.10-2
mTesla et 0394t de 0.1 ms pour unangle
de basculement d’environ03C0 32) :
laperte
d’aimantationlongitudinale
résultanteest alors
négligeable (
~ 0.5%
pour un telangle).
Le
signal
deprécession
recueilli aux bornes des bobines de détection est de l’ordre de 1003BCV
initialement ;
il décroit avec une constante detemps T2,
de l’ordre dequelques
centaines de mil-lisecondes dans nosexpériences.
Cesignal
est directementenvoyé
dans unamplificateur
à détectionsynchrone
où il estmélangé
à unsignal
de référence(provenant
enpratique
dusynthétiseur qui
crée
B1),
dont lafréquence
03C9ref estproche
de lafréquence
de Larmor 03C9L. Lesamplitudes
enphase
et en
quadrature
dephase
dusignal
résultant sontenregistrées
defaçon digitale
dans unmicro-ordinateur,
et un traitementnumérique
ultérieur(en particulier,
nous aurons très souvent recoursà la transformée de Fourier
(FFT)
de cesignal :
celle-ci donne accès auspectre
enfréquence, qui
est le spectre
réel, simplement
translaté de lafréquence
de réference03C9ref) permet
d’en extraire ladépendance temporelle
C’est ce même microordinateurqui gère
la commande de basculement de l’aimantation
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Contributions à l'étude expérimentale de l'hélium-3 liquide polarisé
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