Réalisation d’un premier prototype

2.3.2.1 Présentation

Carte électronique

En parallèle des caractérisations menées sur les cellules, une nouvelle carte électronique de traitement analogique (Figure 2.3.8) a été développée par F. Bertrand et J.B. Legras du laboratoire LCI, et optimisée pour les mesures de champs biomagnétiques. Elle assure les principales fonctions suivantes :

- possibilité de recevoir directement le faisceau laser retour, sans devoir passer par un photodétecteur externe ;

- possibilité d’injecter en interne ou via un générateur de fonction les champs d’excitation RFs ;

- possibilité d’asservir en champ nul (i.e. en boucle fermée), et donc de réaliser des mesures de champ suivant les trois axes.

Sonde

Le premier prototype développé est constitué de la cellule 5 mm x 5 mm, 20 Torrs de VE et a été réalisé avec l’idée de limiter la distance entre la cellule de gaz et la source générant le champ biomagnétique (Figure 2.3.9).

Chapitre 2, Développement du capteur

Figure 2.3.8 : Photographie représentant les principales sorties de la carte de traitement. BO désigne la boucle ouverte, et BF

la sortie de la boucle fermée.

Chapitre 2, Développement du capteur

2.3.2.2 Performances, capteur unitaire

L’étape de validation de la carte associée à la sonde en fonctionnement nous a permis de réaliser les premières mesures avec l’asservissement en champ nul effectif, correspondant à la configuration « boucle fermée » notée « BF » par la suite. La Figure 2.3.10 présente la chaîne de mesure mise en place.

Figure 2.3.10 : Chaîne de mesure mise en place, avec l'observable associée affichée sur l’analyseur de spectre. Les traits

épais correspondent aux liaisons optiques, et les traits fins aux liaisons électriques. Par souci de clarté, l’injection de champ RF par la carte au niveau des bobines du cube ne figure pas ici.

En sortie de la boucle fermée, les deux paramètres-clés sont la bande-passante, et le plancher de bruit. C’est à partir de ce dernier, connaissant la fonction de transfert de la bobine de compensation, qu’il est possible de remonter à la valeur de sensibilité, en fT/√Hz. Le Tableau 2.3.1 présente les premiers résultats obtenus en boucle fermée avec ce prototype et la carte de traitement associée.

Tableau 2.3.1 : Résolutions obtenues avec le premier prototype comportant une cellule VE 5 mm x 5mm (20 Torrs) et la

nouvelle carte de traitement.

Axe Boucle ouverte, _fT/√Hz Boucle fermée, _fT/√Hz Limite théorique, _fT/√Hz

Axe X

(champ RF à 3 kHz) 760 4720 60

Axe Y

Chapitre 2, Développement du capteur

Dans le Tableau 2.3.1 figurent trois valeurs de résolution par axe. La première désigne la valeur de sensibilité en boucle ouverte calculée à partir de la pente de résonance en sortie de la détection synchrone et du plancher du bruit (dont le calcul est présenté dans le paragraphe 2.2.3). La deuxième correspond à la valeur mesurée en boucle fermée, lorsque l’asservissement en champ nul est effectif. La troisième correspond à la limite basse théorique, c’est-à-dire à la valeur obtenue si le bruit laser était au niveau du bruit quantique en tenant compte de la chaîne de traitement électronique. Dans ce cas-ci, cette valeur est déduite de la relation : _(2.3.1) avec :

- Bshot, le bruit « shot » ou bruit quantique du laser, exprimé en pW/√Hz ; - Plaser, la puissance laser en sortie de la sonde allumée, en mW ;

- h, la constante de Planck ;

- la fréquence associée au laser, 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 ;

- Gphot, le gain du photodétecteur, en pW/V.

Nous constatons que suivant l’axe Y, la mesure en boucle ouverte est conforme à la valeur présentée au paragraphe 2.3.1.1. En revanche, deux points sont à noter.

Tout d’abord, nous remarquons des différences significatives pour un axe donné entre les mesures réalisées en boucle ouverte et en boucle fermée. Ceci s’explique par l’incertitude des mesures en boucle ouverte qui ne constituent qu’une estimation de la sensibilité.

Ensuite, il existe un écart important entre les axes X et Y en sortie de la boucle ouverte, et de manière encore plus significative en sortie de la boucle fermée. L’hypothèse privilégiée est que le choix de la fréquence RF suivant l’axe X était adapté pour des cellules aux dimensions supérieures au cm, mais ne l'est plus pour des cellules cylindriques 5 mm x 5 mm.

En effet, les cellules utilisées auparavant (et notamment dans le prototype de la Figure 2.2.1) [75], [81], de tailles plus importantes, présentaient des temps de relaxation de l’ordre de la milliseconde et vérifiaient ainsi les conditions nécessaires citées au paragraphe 2.1.1, à savoir  <  Or les atomes confinés dans les cellules d’1 cm et de 5 mm de côté montrent des

temps de relaxation respectivement de 260 µs et de 130 µs15. Ceci implique que la condition

 <  (avec /2= 3 kHz) soit moins bien respectée, en particulier pour des cellules de 5 mm de côté. Afin de contrebalancer les effets observés au niveau de la sensibilité mesurée, la fréquence d’excitation de la RF, suivant l’axe X, a été augmentée, pour atteindre 9 kHz. Une amélioration substantielle de la résolution a pu être obtenue passant ainsi de 4 pT/√Hz à 750 fT/√Hz grâce à cette modification dans le cas de la cellule 5 mm x 5 mm, 20 Torrs. Ceci nous permet d’envisager de réaliser des mesures suivant deux axes.

Le paragraphe qui suit présente les modifications opérées sur la sonde afin de tenir compte des contraintes liées à l'environnement clinique.

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Chapitre 2, Développement du capteur