1.3 Détection radioélectrique de l’aimantation
1.3.1 Le champ magnétique statique Bo
1.3.1.1 Production d’un champ magnétique statique
En l’absence de tout autre processus de relaxation
nucléaire,
l’interactionmagnétique
entrespins
ne constitue pas un facteur limitatif à l’obtention de fortespolarisations
dans le gaz, car les tempscaractéristiques
associés à ce processus sont trèslongs
dans un milieu peu dense[Chapman 74].
Ce sont la relaxation sur les
parois
d’unepart
et laprésence
degradients
dechamp magnétique
d’autre part
qui
vont favoriser la destruction de l’aimantation dans le gaz d’hélium-3.Quant
auliquide,
son temps de relaxationlongitudinale intrinsèque T1 (de
l’ordre dequelques minutes)
nedoit pas être
masqué
par ces deux processus.C’est
pourquoi
toutes nos cellules ont été intérieurement enduites de césium pourpallier
la relaxation sur les parois(comme
nous l’avons vu auparagraphe 1.1.2.4)
et aussipourquoi
toutesles
expériences
sur les solutionspolarisées
se déroulent enprésence
d’unchamp magnétique statique
B
0
,
suffisammentuniforme,
danslequel
s’effectuent à la fois le pompageoptique,
le transfert depolarisation
à bassetempérature
et la détection par RMN.Dans les doubles cellules
présentées
auparagraphe 1.1.2.1,
le volume de pompageoptique
estdistant d’environ 80 cm de la cellule d’étude où s’effectuent les mesures RMN.
B0
doit donc êtrehomogène
lelong
de l’axe défini par lestuyaux
dejonction.
Enoutre,
de fortes contraintes sontimposées
dans lesrégions occupées
à la fois par le volume de pompageoptique (A)
et la celluleexpérimentale (C) :
dans le volumeA,
la relaxation nucléaire du niveau fondamental induite par lesvariations
spatiales
duchamp
doit rester faible devant celle due à ladécharge
pour que le pompageoptique soit
efficace ;
dans la celluleexpérimentale,
ils’agit
à la fois de minimiser la relaxationlongitudinale
et de faciliter la détection RMNgrâce
à destemps
de relaxation transversale assezlongs
Lechamp magnétique
doit donc êtrehomogène
sur les volumes A et C.Or l’environnement
magnétique
du laboratoire provoque desinhomogénéités
inférieures ouégales
aumG/cm
Il faut donc réaliser des bobines dechamp magnétique qui
nedégradent
pascette
homogénéité,
afin de ne pas détériorer le temps de relaxation transversale lors de l’étude RMN.Pour
produire
lechamp magnétique statique B0,
nous avons utilisé un ensemble de bobines dont lagéométrie
et les courants ont été calculés etoptimisés numériquement [Nacher 87] :
ils’agit
de 5 bobinesoctogonales,
danslesquelles
est bobiné du fil de cuivre émaillé de 1.3mm2
de section(cf
figure 1 17)
La résistance totale est de l’ordre de 3503A9,
et une alimentation(modèle
ASF 1000 de la marqueFontaine,
stable à mieux que10-3,
et qui délivre au maximum 150 V sous 10A)
en sériefournit un
champ magnétique
de 13 Gauss sous 3A,
sans refroidissement nécessaire des bobines.Figure
1.17: Ensemble de bobinesoctogonales
fournissant unchamp homogène
sur une cellule doubleLa
figure
1 18représente
dans les conditionsoptimales
de courant et depositionnement
des bobines. la carte dechamp
calculée au niveau de l’axe des bobines(le long duquel
se trouve lacellule)
la variation relative duchamp magnétique
est de l’ordre dequelques 10-4
sur lalongueur
de la cellule, et inférieure à
10-5
sur les dimensions de la cellule C(moins
d’1cm)
Ledispositif
est donc
parfaitement adapté
aux mesures RMNpuisque,
pour unchamp magnétique
de l’ordre de 13Gauss,
les variations dechamp magnétique
créées sont de l’ordre de10-1 mG/cm.
Un second
circuit,
enroulé sur leprécédent
en respectant les mêmesrapports
de nombres detours. permet de varier la valeur du
champ statique
d’environ 1 G autour de la valeur choisie sansmodifier
l’homogénéité
ou la stabilité duchamp principal.
En ce
qui
concerne le pompage optique(volume A),
les variations dechamp magnétique
restentcelles dues à l’environnement du
laboratoire,
et on a donc interêt à choisirBo
leplus grand possible.
En
effet,
on peut montrer[Abragam] [Barbé 74]
que la relaxationlongitudinale
due auxgradients
de
champ
s’effectue sur untemps
donné par :où D est le temps de diffusion d’un atome dans le volume
considéré, Bo
la norme duchamp
magnétique
moyen et03B4B0
une mesure de ses variationsspatiales
sur la cellule. 03B3 est le facteurFigure
1.18. Carte dechamp
calculée pour l’ensemble de bobines ci-dessus(elle
estsymétrique
eton n’a
représenté
que la moitiéinférieure)
gyromagnétique
d’un atome d’hélium-3égal
à -3.24 x107 Hz/T.
Remarque
La formule 1.2 ne peut êtreappliquée
quequand l’amplitude
des variations duchamp magnétique
sur tout le volume reste faible de telle sorte que le moyennage par le mouvementpeut avoir lieu
pendant
letemps
de diffusion despin
D(c’est l’hypothèse
du rétrécissement par le mouvement que traduitl’inégalité 03B303B4B0D
«1, qui
est valide pour du gaz à bassepression
et àtempérature ambiante)
Dans le volume de pompage optique à
température ambiante,
letemps
de diffusion D est de l’ordre de 1 ms.Aussi,
dès que lechamp magnétique 0B
excède10-4 T,
on peut écrireT1m
sousla forme
simplifiée
Un temps de relaxation
T1m supérieur
à 1000 s dans la tête de la cellulerequiert
unehomogénéité
relative meilleure que
10-3
sur uncylindre
de 11 cm de haut et 5 cm dediamètre ;
il faut doncappliquer
unchamp magnétique supérieur
à 10 Gauss compte-tenu des variations dechamp 03B4B0
existant.
En pratique, nous travaillerons avec un
champ magnétique
de 13Gauss,
cequi permet
de vérifier à la fois les conditions requises par la RMN et par le pompageoptique.
1.3.1.2 Bobines de
gradient
dechamp
Afin d’améliorer
localement,
au niveau de la celluleexpérimentale (volume C), l’homogénéité
duchamp magnétique statique,
nous avons réalisé un ensemble de bobines situées autour de larégion
qui
accueille la cellule d’étude et destinées à créer de pursgradients
dechamp longitudinal
parrapport
aux trois directions del’espace.
Ces bobines sont
représentées
sur lafigure
1.19: les bobines0Bx~
et~yB0
sontidentiques,
de formetrapézoïdale (afin d’augmenter
legradient
suivant z tout en tenantcompte
de l’encombrement du vase àazote),
et constituées pourchaque
direction de 2 enroulements de 200 tours de fils decuivre de diamètre 0.35 mm. Les bobines
~zB0
sont, quant àelles,
circulaires etcomprennent
2 enroulements de 100 tours de fil de cuivre de diamètre 0.5 mm.Figure
1.19 Vue de la cellule d’étude et des bobines degradient.
Chaque paire
debobines,
parcourue par un courantélectrique , xI Iy
ouIz,
crée unchamp
àpeu
près
vertical(et parallèle
àB0)
dont la valeur nedépend (linéairement
aupremier ordre)
que de x, y ou z respectivementChaque
courant permet donc de compenserindépendamment
unecomposante de
~B0z,
ou encored’appliquer
volontairement ungradient
dechamp magnétique.
On obtient ainsi des
gradients
de l’ordre de 0.5mG/(cm
Atour)
dans les directions x et y etde l’ordre de 1.5
mG/(cm
Atour)
dans la direction z.Ces enroulements permettent de compenser au
premier
ordre lesinhomogénéités
surl’échantillon ,
ils peuvent aussi être utilisés pourappliquer
ungradient
dechamp magnétique
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Contributions à l'étude expérimentale de l'hélium-3 liquide polarisé
(Page 35-39)