| WO/2003/067267 | SQUID DETECTED NMR AND MRI AT ULTRALOW FIELDS |
| JP2005140651 | PROBE FOR NMR |
| JP2011131045 | MAGNETIC RESONANCE IMAGING APPARATUS |
JACQUINOT, Jacques (42 boulevard Arago, Paris, F-75013, FR)
PANNETIER-LECOEUR, Myriam (41 avenue de la Mutualité, Bures Sur Yvette, F-91440, FR)
SCOLA, Joseph (11 rue André Theuriet, Bourg La Reine, F-92340, FR)
FERMON, Claude (6 Allée Boileau, Orsay, F-91400, FR)
JACQUINOT, Jacques (42 boulevard Arago, Paris, F-75013, FR)
PANNETIER-LECOEUR, Myriam (41 avenue de la Mutualité, Bures Sur Yvette, F-91440, FR)
SCOLA, Joseph (11 rue André Theuriet, Bourg La Reine, F-92340, FR)
REVEN DICATIONS
1. Système de mesure d'un signal de résonance magnétique au sein d'un échantillon (4) placé dans un champ magnétique extérieur (H), comprenant un dispositif d'excitation (1 à 3, 6 à 10) pour appliquer des impulsions radiofréquence de forte intensité à une fréquence d'émission prédéterminée f e dans une zone de mesure contenant l'échantillon (4), le dispositif d'excitation comprenant une bobine d'excitation (3) raccordée à ladite fréquence d'émission prédéterminée f e et disposée au voisinage de l'échantillon (4) de manière à émettre un champ électromagnétique essentiellement perpendiculaire au champ magnétique extérieur statique (H), caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un capteur hybride supraconducteur-magnétorésistif (5) comprenant une boucle supraconductrice (71) munie d'une constriction (72) apte à augmenter significativement la densité du courant et au moins un capteur magnétorésistif (73) placé à proximité immédiate de ladite constriction (72), en étant séparé de celle-ci par un dépôt isolant (77), ledit capteur magnétorésistif (73) et ladite constriction (72) étant recouverts d'au moins une couche (75) de matériau métallique non supraconducteur afin de servir de réservoir thermique et de réaliser une protection contre la destruction par des impulsions de radiofréquence.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur hybride supraconducteur-magnétorésistif comprend au moins deux capteurs magnétorésistifs (22) montés en demi-pont de Wheatstone.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque paire de capteurs hybrides montés en demi-pont de Wheatstone est en outre connectée à un préamplificateur basse fréquence additionnel (111) lui-même connecté à un filtre (112), de manière à permettre d'effectuer, à l'aide des mêmes capteurs, une mesure de champ magnétique à fréquence faible à côté d'une mesure de résonance magnétique.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque capteur magnétorésistif (73 ; 22) est alimenté par un courant alternatif à une fréquence prédéterminée f cap différente de ladite fréquence d'émission prédéterminée f e .
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la différence de fréquence entre la fréquence f cap du courant appliqué à chaque capteur magnétorésistif (73 ; 22) et la fréquence f r de résonance de l'échantillon (4) est constante.
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le capteur hybride (5) est placé directement au voisinage de l'échantillon (4).
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur hybride (5) est placé de telle sorte que son axe de sensibilité soit perpendiculaire au champ émis par ladite bobine d'excitation (3).
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le capteur hybride (5) est couplé à l'échantillon (4) au moyen d'un transformateur de flux (31).
9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le transformateur de flux (31) est au moins partiellement supraconducteur.
10. Système selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que le transformateur de flux (31) comprend une boucle secondaire (33) qui entoure l'échantillon (4) ou est disposée à proximité immédiate de l'échantillon (4).
11. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le transformateur de flux (31) comprend une boucle secondaire (33) qui est placée perpendiculairement à la bobine d'excitation (3).
12. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le transformateur de flux (31) comprend une boucle primaire (32) qui est placée parallèlement à la boucle supraconductrice du capteur hybride (5) et présente une taille équivalente à celle-ci.
13. Système selon les revendications 9 et 12, caractérisé en ce que ladite boucle primaire (32) et ladite boucle supraconductrice du capteur hybride (5) sont disposées dans une enceinte refroidie (34).
14. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le transformateur de flux (31) comprend une boucle primaire (32) qui est constituée directement par la boucle supraconductrice du capteur hybride (5).
15. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur hybride (5) double monté en gradiomètre comportant des premier et deuxième capteurs hybrides (5A, 5B) de telle sorte que leurs axes de sensibilité soient disposés symétriquement par rapport à la bobine d'excitation (3) et perpendiculairement au champ créé par celle-ci, et l'un (5A) des premier et deuxième capteurs hybrides (5A, 5B) étant placé à proximité immédiate de l'échantillon (4).
16. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation (1 à 3, 6 à 10) comprend des moyens d'émission à plusieurs canaux (la, Ib, Ic) pour émettre des impulsions radiofréquence de forte intensité avec une pluralité de fréquences d'émission prédéterminées f el , f e2 , f θ3 vers la bobine d'excitation (3) qui est du type à accord multiple de façon à pouvoir être accordée sur l'une quelconque desdites fréquences d'émission prédéterminées f e i, f β 2, f e 3-
17. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le capteur magnétorésistif est placé essentiellement perpendiculairement au champ magnétique extérieur statique (H).
18. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'échantillon est constitué par une surface (56) en regard de laquelle sont disposés des aimants permanents (51) pour créer ledit champ magnétique statique (H) dans un volume déterminé (52), en ce que la bobine d'excitation (53) est disposée parallèlement à ladite surface (56) au voisinage dudit volume déterminé (34), et en ce que le capteur hybride (5) est disposé au voisinage de ladite bobine d'excitation (53), parallèlement à celle-ci, en étant séparé de celle-ci par une paroi (54) et un espace vide d'isolement (55).
19. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que ledit dispositif d'excitation (1 à 3, 6 à 10) comprend un dispositif de synthèse de fréquence (9) pour émettre un signal radiofréquence à une fréquence d'émission f e , un séquenceur (8) pour émettre des impulsions de hachage du signal radiofréquence, un module d'émission (1) relié au dispositif de synthèse de fréquence (9) et au séquenceur (8) pour émettre lesdites impulsions radiofréquence de forte intensité avec ladite fréquence d'émission prédéterminée f e , un circuit de protection (2) pour appliquer lesdites impulsions à la bobine d'excitation (3), un préamplificateur (6) recevant le signal à la fréquence de résonance fr très proche de la fréquence d'émission f e , capté par le capteur hybride (5), un circuit de démodulation (7) recevant d'une part les impulsions émises à la fréquence d'émission f e à partir du séquenceur (8) et du dispositif de synthèse de fréquence (9) et d'autre part les impulsions reçues à la fréquence de résonance f r délivrées par le pré-amplificateur (6), et un dispositif d'acquisition (10) pour récupérer un signal de sortie à la fréquence f e -f r .
20. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de capteurs hybrides (5).
21. Système selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend une bobine d'excitation (3) unique et en ce que chaque capteur hybride (5) coopère avec un préamplificateur individuel (6).
22. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 4 à 21, caractérisé en ce que chaque capteur hybride est en outre connecté à un préamplificateur basse fréquence additionnel (111) lui-même connecté à un filtre (112), de manière à permettre d'effectuer à l'aide des mêmes capteurs une mesure de champ magnétique à fréquence faible à côté d'une mesure de résonance magnétique.
23. Système selon la revendication 3 ou la revendication 22, caractérisé en ce que les capteurs magnétorésistifs (22) des capteurs hybrides sont alimentés en courant continu et en ce que le filtre (112) est un filtre passe-bas.
24. Système selon la revendication 3 ou la revendication 22, caractérisé en ce que les capteurs magnétorésistifs (22) des capteurs hybrides sont alimentés en courant alternatif et en ce que le filtre (112) est un filtre passe-bande centré sur la fréquence dudit courant alternatif.
25. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que les capteurs magnétorésistifs (73 ; 22) des capteurs hybrides (5) sont choisis parmi les capteurs à effet Hall, les capteurs à magnétorésistance anisotrope, les capteurs à magnétorésistance géante, les capteurs à magnétorésistance tunnel, les capteurs à magnétorésistance colossale.
26. Procédé de mesure d'un signal de résonance magnétique au sein d'un échantillon (4) placé dans un champ magnétique extérieur statique (H), selon lequel on applique des impulsions radiofréquence de forte intensité à une fréquence d'émission prédéterminée f e , dans une zone de mesure contenant l'échantillon (4), à une bobine d'excitation (3) accordée à ladite fréquence d'émission prédéterminée f e et disposée au voisinage de l'échantillon (4) de manière à émettre un champ électromagnétique essentiellement perpendiculaire au champ magnétique extérieur statique (H), caractérisé en ce que l'on détecte un signal de résonance magnétique à l'aide d'au moins un capteur hybride supraconducteur- magnétorésistif (5) comprenant une boucle supraconductrice (71) munie d'au moins une constriction (72) et au moins un capteur magnétorésistif (73) placé à proximité immédiate de ladite constriction (72) en étant séparé de celle-ci par une couche isolante (77), ledit capteur magnétorésistif (73) et ladite constriction (72) étant recouverts d'au moins une couche (75) de matériau métallique non supraconducteur afin de servir de réservoir thermique et de réaliser une protection contre la destruction par des impulsions de radiofréquence. |
SYSTEME DE MESURE D ' UN SIGNAL DE RESONANCE MAGNETIQUE A BASE D ' UN CAPTEUR HYBRIDE SUPRACONDUCTEUR-MAGNETORESISTIF
La présente invention a pour objet un procédé et un système de 5 mesure d'un signal de résonance magnétique.
La résonance magnétique nucléaire (RMN) est largement utilisée en physique, chimie et biologie pour la caractérisatîon des matériaux et des molécules à travers la réponse des noyaux à une excitation magnétique radiofréquence. Plus récemment, des techniques d'imagerie 0 par résonance magnétique (IRM) basées sur ce principe se sont largement développées et sont couramment utilisées dans le domaine médical.
Jusqu'à présent, la RMN est toujours réalisée sur le principe de la mise en œuvre d'une ou de deux bobines accordées à la fréquence de résonance des noyaux que l'on cherche à détecter. 5 Des impulsions de radiofréquence sont envoyées sur l'échantillon ou le patient, suivant des séquences prédéfinies et un signal, correspondant à la réponse des noyaux observés est détecté dans la même bobine ou une seconde bobine située à 90° de la première. La fréquence de travail est donnée par un champ magnétique extérieur 0 multiplié par un facteur gyromagnétique qui est caractéristique de chaque atome.
La limite de sensibilité d'un spectromètre RMN est donnée par le bruit thermique associé à la bobine de résonance et au bruit du préamplificateur associé. Pour cette raison, un certain nombre de 5 chercheurs ont proposé d'utiliser des bobines refroidies qui permettent de réduire le bruit thermique associé à la bobine.
Une limitation intrinsèque de la détection avec une bobine de résonance provient du fait que la tension mesurée aux bornes du circuit accordé décroît comme la fréquence que l'on cherche à détecter. Ainsi à 0 bas champ et donc à faible fréquence, la sensibilité d'une bobine de résonance devient faible.
Des chercheurs ont proposé d'utiliser des capteurs à base de détecteurs supraconducteurs dénommés "SQUID" (Superconducting
Quantum Interférence Device : détecteur supraconducteur à interférence 5 quantique) qui présentent une sensibilité excellente à basse fréquence pour détecter le signal de RMN. Mais les SQUIDs présentent le
désavantage d'être très sensibles à l'application d'impulsions de radiofréquence intenses.
Des premières versions de capteurs hybrides ont été proposées dans les documents de brevets WO 2004/068152 Al et WO 2004/068158 Al ainsi que dans l'article de Pannetier M. et al intitulé "Femto-tesla Magnetic Field Measurement with Magnetoresistive Sensors" publié dans SCIENCE, 11.06.2004, Vol. 304. Les capteurs décrits dans ces documents comportent une boucle supraconductrice associée à un capteur de type magnétorésistif. L'axe de sensibilité d'un capteur mixte est perpendiculaire à la boucle supraconductrice.
La présente invention vise à permettre d'effectuer la mesure d'un signal de résonance magnétique d'une façon plus commode et plus efficace que selon les méthodes traditionnelles, avec une excellente sensibilité sur une gamme étendue de mesure. Ces buts sont atteints conformément à l'invention, grâce à un système de mesure d'un signal de résonance magnétique au sein d'un échantillon placé dans un champ magnétique extérieur statique, comprenant un dispositif d'excitation pour appliquer des impulsions radiofréquence de forte intensité à une fréquence d'émission prédéterminée f e dans une zone de mesure contenant l'échantillon, le dispositif d'excitation comprenant une bobine d'excitation raccordée à ladite fréquence d'émission prédéterminée f e et disposée au voisinage de l'échantillon de manière à émettre un champ électromagnétique essentiellement perpendiculaire au champ magnétique extérieur statique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un capteur hybride supraconducteur-magnétorésistif comprenant une boucle supraconductrice munie d'une constriction apte à augmenter significatîvement la densité du courant et au moins un capteur magnétorésistif placé à proximité immédiate de ladite constriction, en étant séparé de celle-ci par un dépôt isolant, ledit capteur magnétorésistif et ladite constriction étant recouverts d'au moins une couche de matériau métallique non supraconducteur afin de servir de réservoir thermique et de réaliser une protection contre la destruction par des impulsions de radiofréquence. Dans la suite de la description, le terme "échantillon" désignera tout objet ou patient soumis à une excitation magnétique radiofréquence.
Selon un mode particulier de réalisation, le capteur hybride supraconducteur-magnétorésistif comprend au moins deux capteurs magnétorésistifs montés en demi-pont de Wheatstone.
Dans ce cas, avantageusement, chaque paire de capteurs hybrides montés en demi-pont de Wheatstone est en outre connectée à un préamplificateur basse fréquence additionnel lui-même connecté à un filtre, de manière à permettre d'effectuer, à l'aide des mêmes capteurs, une mesure de champ magnétique à fréquence faible à côté d'une mesure de résonance magnétique. Les capteurs magnétorésistifs peuvent être alimentés en courant continu ou en courant alternatif.
Selon un mode particulier de réalisation, chaque capteur magnétorésistif est alimenté par un courant alternatif à une fréquence prédéterminée f cap différente de ladite fréquence d'émission prédéterminée f e .
Dans ce cas, de préférence, la différence de fréquence entre la fréquence f cap du courant appliqué à chaque capteur magnétorésistif et la fréquence f r de résonance de l'échantillon est constante.
Selon un mode de réalisation particulier qui est adapté à la mesure en champ magnétique faible, le capteur hybride est placé directement au voisinage de l'échantillon.
Dans ce cas, de préférence, l'axe de sensibilité du capteur est placé perpendiculairement au champ créé par la bobine d'excitation.
Selon un autre mode de réalisation particulier, qui est bien adapté à la mesure en champ magnétique fort le capteur hybride est couplé à l'échantillon au travers d'un transformateur de flux.
De préférence, le transformateur de flux est au moins partiellement supraconducteur.
Le transformateur de flux comprend une boucle secondaire qui entoure l'échantillon ou est disposée à proximité immédiate de l'échantillon.
Avantageusement, le transformateur de flux comprend une boucle secondaire qui est placée perpendiculairement à la bobine d'excitation. Selon un mode de réalisation préférentiel, le transformateur de flux comprend une boucle primaire qui est placée parallèlement à la
boucle supraconductrice du capteur hybride et présente une taille équivalente à celle-ci.
Lorsque le transformateur de flux est au moins partiellement supraconducteur, la boucle primaire et la boucle supraconductrice du capteur hybride sont disposées dans une enceinte refroidie.
Selon une variante de réalisation, le transformateur de flux comprend une boucle primaire qui est constituée directement par la boucle supraconductrice du capteur hybride.
Selon encore un autre mode de réalisation, le système de mesure d'un signal de résonance magnétique comprend un capteur hybride double monté en gradiomètre comportant des premier et deuxième capteurs hybrides disposés de telle sorte que leurs axes de sensibilité respectifs soient symétriques par rapport à la bobine d'excitation et perpendiculaires au champ créé par celle-ci, et l'un des premier et deuxième capteurs hybrides étant placé à proximité immédiate de l'échantillon.
Selon un mode de réalisation particulier le dispositif d'excitation comprend des moyens d'émission à plusieurs canaux pour émettre des impulsions radiofréquence de forte intensité avec une pluralité de fréquences d'émission prédéterminées f e i, fe, f e3 vers la bobine d'excitation qui est du type à accord multiple de façon à pouvoir être accordée sur l'une quelconque desdites fréquences d'émission prédéterminées f e i, fe, fe3-
D'une manière générale, de préférence, le capteur magnéto- résistif est placé essentiellement tel que son axe de sensibilité soit perpendiculaire au champ magnétique extérieur statique.
Selon encore un autre mode de réalisation particulier, l'échantillon est constitué par une surface en regard de laquelle sont disposés des aimants permanents pour créer ledit champ magnétique statique dans un volume déterminé, e la bobine d'excitation est disposée parallèlement à ladite surface au voisinage dudit volume déterminé, et le capteur hybride est disposé au voisinage de ladite bobine d'excitation, parallèlement à celle-ci, en étant séparé de celle-ci par une paroi et un espace vide d'isolement. Selon un exemple de réalisation préférentiel, le dispositif d'excitation comprend un dispositif de synthèse de fréquence pour
émettre un signal radiofréquence à une fréquence d'émission f e , un séquenœur pour émettre des impulsions de hachage du signal radiofréquence, un module d'émission relié au dispositif de synthèse de fréquence et au séquenceur pour émettre lesdites impulsions radiofréquence de forte intensité avec ladite fréquence d'émission prédéterminée f e , un circuit de protection pour appliquer lesdites impulsions à la bobine d'excitation, un préamplificateur recevant le signal à la fréquence de résonance f r très proche de la fréquence d'émission f e , capté par le capteur hybride, un circuit de démodulation recevant d'une part les impulsions émises à la fréquence d'émission f e à partir du séquenceur et du dispositif de synthèse de fréquences et d'autre part les impulsions reçues à la fréquence de résonance f r délivrées par le préamplificateur, et un dispositif d'acquisition pour récupérer un signal de sortie à la fréquence f e + f r ou f e - f r . Le système selon l'invention peut comprendre une pluralité de capteurs hybrides.
Dans ce cas, selon un mode particulier de réalisation, le système comprend une bobine d'excitation unique, et chaque capteur hybride permet de récupérer un signal utile avec un préamplificateur individuel. Selon l'invention, chaque capteur hybride peut en outre être connecté à un préamplificateur basse fréquence additionnel lui-même connecté à un filtre, de manière à permettre d'effectuer à l'aide des mêmes capteurs une mesure de champ magnétique à fréquence faible à côté d'une mesure de résonance magnétique. Dans ce cas, selon une variante de réalisation, les capteurs magnétorésistifs des capteurs hybrides sont alimentés en courant continu et le filtre est un filtre passe-bas.
Selon une autre variante de réalisation les capteurs magnétorésistifs des capteurs hybrides sont alimentés en courant alternatif et le filtre est un filtre passe-bande centré sur la fréquence dudit courant alternatif.
Les capteurs magnétorésistifs des capteurs hybrides sont choisis parmi les capteurs à effet Hall, les capteurs à magnétorésistance anisotrope (AMR), les capteurs à magnétorésistance géante (GMR), les capteurs à magnétorésistance tunnel (TMR), les capteurs à magnétorésistance colossale (CMR).
L'invention a également pour objet un procédé de mesure d'un signal de résonance magnétique au sein d'un échantillon placé dans un champ magnétique extérieur statique homogène, selon lequel on applique des impulsions radiofréquence de forte intensité à une fréquence d'émission prédéterminée f e dans une zone de mesure contenant l'échantillon, à une bobine d'excitation accordée à ladite fréquence d'émission prédéterminée f e et disposée au voisinage de l'échantillon de manière à émettre un champ électromagnétique essentiellement perpendiculaire au champ magnétique extérieur statique, caractérisé en ce que l'on détecte un signal de résonance magnétique à l'aide d'au moins un capteur hybride supraconducteur- magnétorésistif comprenant une boucle supraconductrice munie d'au moins une constriction et au moins un capteur magnétorésistif placé à proximité immédiate de ladite constriction en étant séparé de celle-ci par une couche isolante, ledit capteur magnétorésistif et ladite constriction étant recouverts d'au moins une couche de matériau métallique non supraconducteur afin de servir de réservoir thermique et de réaliser une protection contre la destruction par des impulsions de radiofréquence.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est un schéma-bloc d'ensemble montrant un premier exemple de spectromètre RMN selon l'invention à base de capteurs hybrides, adapté à des mesures en champ faible, - la Figure 2 est une vue schématique montrant un exemple de circuits électroniques connectés à un ensemble de deux capteurs magnétorésistifs utilisables dans un appareil selon l'invention,
- la Figure 3 est un schéma-bloc d'ensemble montrant un deuxième exemple de spectromètre RMN selon l'invention à base de capteurs hybrides, équipé d'un transformateur de flux/flux et adapté à des mesures en champ fort,
- la Figure 4 est un schéma-bloc d'ensemble montrant une variante de réalisation d'un spectromètre RMN avec plusieurs fréquences d'émission, - la figure 5 est une vue schématique d'un autre exemple de réalisation de l'invention adapté pour de la RMN de surface,
- la Figure 6 est un schéma-bloc d'ensemble montrant une variante de réalisation d'un spectromètre RMN avec des capteurs magnétorésistifs alimentés en courant alternatif,
- la Figure 7 est une vue schématique d'un exemple de capteur hybride protégé par une couche métallique utilisable dans le cadre de l'invention,
- la Figure 7a est une coupe selon la ligne VIIA-VIIA de la Figure 7,
- la Figure 8 est une vue schématique d'un mode particulier de réalisation de l'invention montrant une configuration où le capteur hybride est monté en gradiomètre et l'échantillon se trouve dans l'une des boucles du gradiomètre,
- la Figure 9 est une vue schématique d'un mode particulier de réalisation de l'invention montrant une configuration où un transformateur de flux/flux est combiné avec un transformateur de flux/champ,
- la Figure 10 est une vue schématique d'ensemble montrant un exemple de réalisation d'un spectromètre RMN avec un ensemble de plusieurs capteurs hybrides, et
- la Figure 11 est un schéma-bloc montrant un mode particulier de réalisation selon une configuration d'imagerie qui combine imagerie par résonance magnétique et imagerie magnétique à basse fréquence.
La résonance magnétique inclut de façon non exclusive la résonance magnétique nucléaire, la résonance quadrupolaire nucléaire, la résonance paramagnétique électronique et la résonance ferromagnétique. Dans la suite de la description de l'invention, il sera fait référence à la résonance magnétique nucléaire qui est l'application la plus répandue. Les modifications pour les autres types de résonance sont faibles.
Lors d'une expérience de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), des impulsions radiofréquence de forte intensité sont envoyées sur l'échantillon placé dans un champ magnétique extérieur qui peut être simplement le champ terrestre ou un champ magnétique homogène créé par une bobine ou des aimants permanents. Ces impulsions tournent l'aimantation des spins nucléaires observés qui se mettent alors à adopter un mouvement de précession à une fréquence donnée par le produit du champ magnétique et du rapport gyromagnétique caractéristique de chaque noyau. (42MHz/T pour l'atome d'hydrogène). Les impulsions de
radiofréquence engendrent des champs de l'ordre de quelques milliTesIa ce qui correspond à des puissances pouvant atteindre plusieurs kW durant des temps pouvant atteindre la milliseconde.
Le principe d'un spectromètre RMN permettant de réaliser une mesure avec un capteur hybride conformément à l'invention sera décrit d'abord en référence à l'exemple de réalisation de la Figure 1.
Un dispositif d'excitation permet de créer un signal de radiofréquence à une fréquence prédéterminée f e réglable en phase et en amplitude. Un dispositif de synthèse de fréquence 9 permet l'émission d'un signal radiofréquence à une fréquence d'émission f e . Un séquenceur 8 engendre des impulsions qui viennent hacher le signal radiofréquence produit par le dispositif 9 de synthèse de fréquence.
Un module d'émission 1 est relié à la fois au dispositif de synthèse de fréquence 9 et au séquenceur 8 pour émettre des impulsions radiofréquence de forte intensité avec la fréquence d'émission prédéterminée f e , à travers un circuit de protection 2 qui peut être formé de diodes tête-bêche, vers une bobine d'excitation 3 qui est en général accordée à la fréquence de travail afin de maximiser l'amplitude des impulsions.
La bobine d'excitation est construite afin de pouvoir contenir l'échantillon à mesurer 4, qui peut être un objet ou un patient, et est montée de façon à émettre un champ perpendiculaire au champ magnétique statique H. Conformément à l'invention, un capteur hybride supraconducteur-magnétorésistif 5 est utilisé pour récupérer le signal émis par la précession des noyaux de l'échantillon 4 à une fréquence de résonance f r très proche de la fréquence d'émission f e .
Dans le cas du mode de réalisation de la Figure 1, qui est adapté à la mesure en champ magnétique faible, c'est-à-dire en champ statique tel que le capteur n'est pas saturé, le capteur 5 peut être directement mis en contact de l'échantillon 4.
De préférence, le capteur hybride 5 est disposé de telle façon que son axe sensible soit perpendiculaire au champ créé par la bobine d'excitation 3 et perpendiculaire au champ magnétique statique H.
Les magnétorésistances du capteur hybride 5 détectent le signal à la fréquence f r et sont connectées à un préamplificateur à bas bruit 6 qui permet d'attaquer un circuit de réception 7 travaillant en démodulation.
Le circuit de démodulation 7 reçoit ainsi d'une part les impulsions émises à la fréquence d'émission f e à partir du séquenceur 8 et du dispositif de synthèse de fréquence 9 et d'autre part les impulsions reçues à la fréquence de résonance f r délivrées par le préamplificateur 6.
Le séquenceur 8 contrôle ainsi à la fois l'émission et la réception qui sont alimentées par un circuit 9 de synthèse de fréquence commun. Un dispositif d'acquisition 10 permet de récupérer un signal de sortie à la fréquence f e - f r ou f e + f r .
Le capteur hybride supraconducteur-magnétorésistif 5 comprend une boucle supraconductrice 71 munie d'au moins une constriction 72 et au moins un capteur magnétorésistif 73 placé à proximité immédiate de la constriction 72 (voir Figure 7).
La constriction 72 correspond à une réduction de section de la boucle supraconductrice 71 dans une mesure suffisante pour augmenter significativement la densité de courant.
D'une manière générale, le principe d'un capteur hybride est de contenir un transformateur de flux/champ qui est composé d'une grande boucle de capture 71 associée à une ou plusieurs constrictions 72 de quelques micromètres de large. Sur les constrictions sont placés un ou plusieurs capteurs magnétorésistifs 73 qui peuvent être des capteurs à effet Hall, des capteurs à magnétorésistance anisotrope (AMR), à magnétorésistance géante (GMR), à magnétorésistance tunnel (TMR) ou à magnétorésistance colossale (CMR). Les capteurs 73 sont séparés de la couche supraconductrice 72 par un dépôt isolant comme du Si O 2 ou du
Si 3 N 4 .
La mesure du ou des capteurs magnétorésistifs est réalisée à travers des contacts métalliques 76 qui peuvent être par exemple en or ou en cuivre protégé par du tantale.
Lorsque le transformateur flux/champ est soumis aux impulsions
RF, des courants de plusieurs ampères sont engendrés induisant une transition vers l'état normal de la constriction suivi d'un échauffement violent de celle-ci. Si l'impulsion est suffisamment intense, il s'ensuit la
destruction de celle-ci. A titre d'exemple, une impulsion de 400W détruit une constriction de 5μm de large et de lOOnm d'épaisseur.
Le capteur hybride doit donc être dessiné pour d'une part pouvoir travailler jusqu'à des fréquences assez élevées et d'autre part pouvoir résister aux impulsions de radiofréquence.
La première condition est réalisée en utilisant préférentiellement un support de capteur isolant comme du saphir Dans ce cas là, on peut obtenir une réponse de capteur hybride uniforme jusqu'à des fréquences de plus de 100MHz. Pour obtenir un capteur hybride qui résiste aux impulsions, il sera avantageux de dessiner la boucle supraconductrice de telle sorte qu'elle soit de grande largeur en dehors de la constriction afin d'une part d'optimiser la sensibilité du capteur et d'autre part de servir de réservoir de chaleur capable d'évacuer rapidement la puissance de l'impulsion. Un calcul d'optimisation basé sur le calcul du gain du transformateur flux/champ et d'autre part sur un calcul suivant une méthode d'éléments finis de la chaleur engendrée par une impulsion de radiofréquence donne une largeur de boucle égale à 0,7 fois le rayon de la boucle. Mais des largeurs de boucle comprises entre 0,1 et 0,9 fois le rayon peuvent fonctionner. Le calcul montre aussi qu'une surface supraconductrice 74 assez grande de part et d'autre de la constriction 72 permet aussi de mieux évacuer la chaleur lors de l'impulsion.
Dans le cas d'impulsions fortes (qui dépassent 400W), une protection supplémentaire peut être créée en recouvrant la constriction et les capteurs magnétorésistifs d'une couche métallique non supraconductrice 75. Cette couche métallique supplémentaire ne doit pas recouvrir la boucle principale mais juste la zone des constrictions. Cette couche a deux fonctions.
La première fonction est de servir de réservoir thermique. On choisit avantageusement un métal ayant une résistivité faible et une bonne conductivité thermique comme le cuivre ou l'aluminium. Cette couche métallique peut être en contact ohmique avec le supraconducteur mais ne doit pas être en contact électrique avec les capteurs. Lorsque la boucle est supraconductrice, l'ensemble du super-courant passe à travers la boucle et lorsque la constriction arrive au courant critique (au début de
l'impulsion), le courant peut s'évacuer dans la couche métallique adjacente qui sert de réservoir thermostatique pour la constriction.
La deuxième fonction est de servir de protection électromagnétique. La couche métallique 75 est alors placée de telle sorte qu'elle fasse écran à la bobine d'émission. Son épaisseur doit être plus grande que l'épaisseur de peau à la fréquence de travail.
Dans le cas d'une application à la mesure en champ faible, comme selon la Figure 1, la taille de la boucle supraconductrice 71 du capteur hybride 5 doit être adaptée à l'objet à mesurer. Le supraconducteur utilisé pourra être de la famille des oxydes à haute température critique comme par exemple YbaCuO, ayant une température de transition au dessus de 77K. Le capteur 5 est séparé de l'échantillon par une paroi non métallique et un vide d'isolement le plus faible possible. Le capteur 5 est relié à une source de refroidissement qui peut être de l'azote liquide. Il peut être directement plongé dans le liquide cryogénique. La bobine d'excitation est placée perpendiculairement à la boucle du capteur si cela est possible et perpendiculairement au champ magnétique statique H. Cette configuration s'applique en particulier à la résonance quadrupolaire nucléaire et à la résonance magnétique nucléaire en champ terrestre.
Le capteur hybride 5 peut par exemple être réalisé selon les dispositions prévues dans le document WO 2004/068158 Al.
De façon plus particulière, comme représenté sur la Figure 2, un capteur hybride destiné à la RMN peut être formé de deux capteurs 22 montés en demi-pont de Wheatstone. Cela permet d'une part de s'affranchir des fluctuations de température et de champ magnétique global et d'autre part d'avoir un signal de sortie nul en absence de signal de précession.
La lecture du signal aux bornes des capteurs magnétorésistifs 22 est une mesure de résistance qui sera avantageusement faite en 4 pointes. Chaque capteur est alors alimenté par une source de courant 21 avec des résistances d'équilibrage 23 et la tension est mesurée et amplifiée par le préamplificateur 6. Le préamplificateur est spécifiquement choisi pour avoir un bruit minimal pour une résistance égale à la résistance du ou des capteurs magnétorésistifs.
L'invention s'applique aussi à la mesure en champ relativement fort, typiquement supérieur à 1 mT.
Dans ce cas, comme illustré sur la Figure 3, le capteur hybride 5 n'est pas placé au voisinage immédiat de l'échantillon 4, mais est couplé à celui-ci à travers un transformateur de flux/flux 31 qui sera dénommé par la suite simplement transformateur de flux.
Le transformateur de flux 31 permet de maintenir le capteur hybride loin du champ magnétique statique H dans lequel se fait la mesure et permet d'éviter que le capteur magnétorésistif soit saturé par ce champ magnétique statique.
Le transformateur de flux 31 peut être formé de deux boucles 32, 33 reliées entre elles.
La première boucle 32 (primaire) est superposée à la boucle supraconductrice du capteur hybride 5, l'ensemble de ces deux boucles étant situé dans une enceinte refroidie 34.
La deuxième boucle 33 (secondaire) entoure l'échantillon 4 ou est placée à proximité immédiate de celui-ci,
Le transformateur flux/flux 31 peut être supraconducteur, normal ou partiellement supraconducteur. La taille du primaire 32 doit être prise égaie à la taille de la boucle 71 du capteur hybride 5. La taille du secondaire 33 doit être telle qu'elle puisse contenir l'échantillon 4 à mesurer. Le rapport du nombre de tours entre le primaire 32 et le secondaire 33 doit être tel que les inductances de chaque côté soient égales. Dans le cas d'un transformateur de flux 31 supraconducteur, la température critique de ce dernier sera avantageusement proche ou plus haute que celle du capteur hybride. Un transformateur flux/flux 31 supraconducteur présente l'avantage de ne pas être bruyant alors qu'un transformateur flux/flux normal présente un bruit thermique associé à sa résistance. De plus, le transformateur flux/flux normal présente une efficacité qui diminue à basse fréquence. Il est alors important de minimiser la résistance de celui-ci en utilisant soit des fils de gros diamètre, soit des fils multibrins isolés qui présentent l'avantage d'une résistance plus faible à haute fréquence. Le primaire 32, proche du capteur hybride, sera avantageusement formé d'un supraconducteur en veillant à avoir des résistances de contact faibles.
Le capteur 5 est placé dans une enceinte refroidie afin de rendre sa boucle 71 supraconductrice.
On utilisera avantageusement un supraconducteur à haute température qui permet de travailler jusqu'à 85K ou bien d'obtenir une meilleure sensibilité à très basse température. La chambre refroidie 34 contenant le capteur est magnétiquement blindée pour limiter le bruit parasite.
Cette chambre 34 comporte les sorties nécessaires ; celle du transformateur de flux 31, l'alimentation en courant des capteurs magnétorésistîfs et la lecture de la tension aux bornes des capteurs magnétorésistifs. Le primaire 32 du transformateur de flux 31 est mis en vis-à-vis de la boucle 71 du capteur hybride 5. Le primaire 32 et la boucle 71 de capture du capteur hybride 5 sont avantageusement de la même taille. Le primaire 32 peut avoir un diamètre primaire 32 plus faible que le diamètre intérieur de la boucle de capture 71.
Le secondaire 33 du transformateur de flux 31 entoure l'échantillon 4 de préférence avec une configuration dite en selle de cheval. Il est relié au primaire 32 par un fil torsadé afin d'éviter les boucles supplémentaires. Le transformateur de flux 31 doit être fabriqué avec du fil assez gros ou multibrins afin d'avoir la résistance la plus faible possible. Le diamètre du secondaire 32 est donné par la taille de l'échantillon 4 à mesurer.
Le secondaire 33 du transformateur de flux 31 est placé orthogonalement au champ magnétique principal H. La bobine d'excitation 3 est placée à la fois orthogonalement au champ magnétique principal H et au secondaire 33 du transformateur de flux 31.
Le capteur hybride 5 peut aussi avoir la configuration déjà décrite en référence à la Figure 7. Afin de maximiser le signal sur bruit, il est souhaitable d'utiliser des capteurs magnétorésistifs présentant une résistance assez grande. Une résistance de 3 kOhms est optimale mais elle peut varier entre 100 Ohms et 20 kOhms sans problème. De plus, comme indiqué plus haut, un montage en demi-pont tel qu'illustré sur la Figure 2 est souhaitable car il permet de s'affranchir des fluctuations de température ou dues à la présence de champs magnétiques planaires. L'exemple donné est celui de capteurs de type GMR montés en demi-pont. Chaque capteur a une longueur de 1 mm et est alimenté par des lignes de
courant. Deux lignes de tension permettent de mesurer la résistance. Les deux capteurs GMR sont construits de manière à répondre de façon identique à la présence d'un champ extérieur. La différence de tension entre les deux capteurs est mesurée par le préamplificateur monté en différentiel comme indiqué sur la Figure 2. Les capteurs sont alimentés avec une source de courant alternative donnée par f cap = f e + fι oc où fι oc est la fréquence de travail de la réception. On pourra choisir une fréquence assez basse, comme 77 KHz, qui permet d'utiliser des amplificateurs opérationnels très faibles bien adaptés pour une résistance de 3 kOhms.
Dans le cas où l'on utilise un transformateur de flux 31, il est possible, comme représenté sur la Figure 9, de combiner le transformateur de flux/flux 31 et le transformateur de flux/champ du capteur hybride 5 en un seul objet. Le primaire 32 du transformateur de flux 31 est ainsi constitué par la boucle supraconductrice 71 du capteur hybride 5. Cette solution est avantageuse dans le cas où la taille du capteur hybride 5 et la taille de l'échantillon 4 sont comparables.
Sur la Figure 3, les modules 1 à 3 et 6 à 10 peuvent être tout à fait identiques aux modules correspondants du spectromètre RMN de la Figure 1 portant les mêmes références, de sorte que ces modules ne seront pas décrits à nouveau.
La Figure 4 montre une variante de réalisation selon laquelle plusieurs fréquences d'émission f e i, f e2 , fe 3 sont utilisées. La bobine d'excitation est alors conçue à accord multiple. Le dispositif d'excitation comprend des moyens d'émission à plusieurs canaux la, Ib, Ic pour émettre des impulsions radiofréquence de forte intensité avec une pluralité de fréquences d'émission prédéterminées f eh f β2 , f e3 vers la bobine d'excitation 3 à accord multiple de façon à pouvoir être accordée sur l'une quelconque des fréquences d'émission prédéterminées.
Un capteur hybride 5 présente l'avantage d'être à large bande de sorte que la réception peut rester identique avec simplement un changement de fréquence de travail.
La Figure 8 montre un mode particulier de réalisation dans lequel le capteur hybride 5 double monté en gradiomètre comprend des premier et deuxième capteurs hybrides 5A, 5B disposés de telle manière
que leurs axes de sensibilité soient disposés symétriquement par rapport à la bobine d'excitation 3 et perpendiculairement au champ créé par celle-ci. Le premier capteur hybride 5A est placé à proximité immédiate de l'échantillon 4. Le montage en gradiomètre permet de compenser partiellement les effets des impulsions, dès lors que les deux parties du gradiomètre voient de la même façon la bobine d'excitation.
Le champ magnétique statique peut être créé par une bobine ou par des aimants permanents. Une utilisation possible des capteurs hybrides est le montage d'une détection de surface qui permet d'utiliser avantageusement la sensibilité du capteur. La figure 5 décrit un tel système.
Des aimants permanents 51 créent un champ magnétique connu dans un volume déterminé 52. Une bobine d'excitation 53 de surface induit une précession dans la zone déterminée. Le capteur hybride 5 permet de venir lire le signal de précession. Ce dernier est séparé de la surface 56 et de la bobine d'excitation 53 par une paroi 54 et un vide d'isolement 55. Un système de refroidissement basé soit sur des liquides cryogéniques, soit sur un système de cryogénérateur permet de refroidir le capteur afin de le maintenir en dessous de la température critique du supraconducteur.
Dans le cas où l'imagerie par résonance est visée, il est possible de ne plus mettre en œuvre un seul capteur hybride 5, mais plusieurs capteurs hybrides 5, chacun couvrant une zone de surface de mesure. Une telle configuration est représentée sur la Figure 10. Dans ce cas là, on peut utiliser une seule boucle d'excitation 3 de taille suffisante et les capteurs 5 possèdent chacun leur étage de préamplification 6. La réception peut être dans ce cas multiplexée grâce à une commutation suffisamment rapide réalisée par un commutateur 101 piloté par le séquenceur 8. Le champ magnétique H est créé, comme cela a été explicité en référence à la Figure 5, par des aimants permanents 51 qui sont préférentiellement en alliage de terre rare de type NdFeB ou SmCo afin de créer un champ magnétique suffisant. Des champs de l'ordre de 0.05T peuvent être ainsi créés. On ajuste finement la forme des aimants et leur position afin d'obtenir une homogénéité du champ statique dans la zone de mesure suffisante par rapport aux largeurs de raies de l'échantillon à
mesurer. La fréquence de travail est donnée alors par le rapport gyromagnétique de l'espèce de noyau observée. La bobine d'excitation est aussi ajustée afin d'homogénéiser le champ radiofréquence dans la zone de travail. Les capteurs 5 sont mis parallèlement à la bobine d'excitation 53 le plus près possible de la surface 56 sachant qu'il faut une paroi de protection non métallique et un vide d'isolement suffisant pour que le capteur reste en dessous de sa température critique. La taille des capteurs est mise égale à la distance du capteur à la zone de mesure afin de minimiser le nombre de capteurs tout en ayant une résolution suffisante. Chaque capteur 5 est alimenté en courant alternatif afin d'avoir un signal de sortie à suffisamment basse fréquence pour pouvoir utiliser des multiplexeurs analogiques bas bruit.
La Figure 6 montre comment il est possible de mieux utiliser les propriétés des capteurs hybrides 5 en les alimentant avec un courant qui n'est plus continu mais à une fréquence f cap différente de la fréquence d'émission f e . Cette fréquence f cap est générée par la synthèse de fréquence 9 et envoyée à la source de courant 21. Dans ce cas, le signal détecté et amplifié sera égal à la somme ou à la différence de la fréquence de résonance f r et de la fréquence du courant f cap . Cette dernière approche peut être particulièrement avantageuse en utilisant une fréquence de courant f cap telle que la différence entre fréquence de courant f cap et fréquence de résonance f r soit constante. Dans ce cas, la partie réception du spectromètre de résonance peut être fortement simplifiée car elle fonctionne toujours à la même fréquence. Dans le cadre d'applications médicales, la résonance magnétique à bas champ ou en champ terrestre peut être combinée avec l'imagerie magnétique qui mesure les signaux magnétiques émis par les courants circulant dans le corps humain dans la gamme courant continu- IKHz comme la magnéto-encéphalographie ou la magnéto-cardiographie. Imagerie magnétique et résonance magnétique peuvent être réalisées simultanément avec le même jeu de capteurs. En effet, la réponse des capteurs hybrides étant indépendante de la fréquence en dessous de plusieurs dizaines de MHz, on gardera la même sensibilité dans toute la gamme de mesure. Une telle configuration est donnée en Figure 11. Chaque capteur magnétorésistif 22 de l'imageur est relié à la fois à un
amplificateur RF 6 suivi d'un circuit de démodulation 7 pour la résonance magnétique comme présenté sur la Figure 7 mais en supplément, il est aussi connecté à un préamplificateur basse fréquence 111 suivi d'un filtre 112. Les capteurs magnétorésistifs 22 sont alimentés par une source de courant 21 continu ou alternatif. Si la source de courant est continue, le filtre 112 est un filtre passe-bas. Si la source de courant est alternative, le filtre est un filtre passe-bande centré sur la fréquence du courant.