Soutenance mémoire
Mesure du champ magnétique et applications : problématique
De l’invention de la boussole (XIIe siècle) à nos jours, la mesure du champ magnétique a trouvé de nombreuses applications, par exemple pour la navigation, la physique fondamentale (dans des expériences telles que la mesure du moment dipolaire électrique du neutron ), la détection d’anomalies magnétiques (détection de sous-marins, détection de mines) ou encore la détection magnétique appliquée au domaine médical. Certaines applications telles que la compréhension du magnétisme terrestre ou la détection des champs biomagnétiques requièrent des magnétomètres avec d’excellents niveaux de justesse et/ou de résolution. Parmi les magnétomètres habituellement mis en œuvre, on peut citer les magnétomètres fluxgate, les SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Device), les magnétomètres à résonance magnétique nucléaire (RMN) . Les magnétomètres à pompage optique sont également bien adaptés pour ce type d’applications.
Magnétométrie pour la mesure du champ terrestre
La mesure précise du champ magnétique à l’échelle de la planète permet de réaliser des cartographies magnétiques locales de la croûte terrestre utiles pour l’étude de la composition des sols ou pour la prospection minière. La connaissance du champ magnétique permet également d’étudier la magnétosphère qui nous protège des particules chargées émissent par le rayonnement solaire ainsi que la dynamique du noyau terrestre pour actualiser la position du nord magnétique et maintenir à jour les instruments de navigation. L’étude du champ magnétique terrestre et de ses variations a été réalisée pendant de longues années majoritairement à partir des données extraites de stations de mesure situées au sol. Toutefois, compte tenu du nombre limité de stations, ces études restaient partielles et incomplètes. Ainsi, la mesure du champ magnétique terrestre depuis l’espace, à bord de satellites, prend tout son sens. En effet, ces mesures en orbite offrent la possibilité d’obtenir une étude du champ sur l’ensemble de la surface du globe plutôt qu’en des points fixes et en nombre limité, et de pouvoir discrétiser dans le temps les différentes contributions au champ total telles que le champ ionosphérique, le champ de la lithosphère ou celui des marées . Il est aussi possible, grâce à des mesures réalisées sur différentes orbites, de reconstituer une cartographie mettant en évidence les différents phénomènes qui contribuent au champ magnétique en fonction de l’altitude à laquelle on se trouve .
Cependant réaliser des mesures à bord d’un satellite impose plusieurs contraintes :
– les dimensions des satellites, ainsi que les sources d’alimentation électriques sont limitées,
– le champ magnétique à mesurer varie continuellement en amplitude et en orientation, ce qui impose aux magnétomètres embarqués d’avoir une excellente précision, garante de la qualité des modèles scientifiques dérivés de leurs mesures. Notamment ils doivent pouvoir assurer une mesure du champ quelle que soit son orientation. De plus, comme il n’est pas possible de re-calibrer les magnétomètres en vol, ils doivent être stables dans le temps et leurs erreurs statiques doivent être préalablement connues pour ensuite être corrigées,
– les magnétomètres doivent être opérés dans un environnement très inhospitalier (vide, changements rapides et extrêmes de températures, fortes radiations),
– il faut aussi prendre en compte les perturbations générées par le satellite lui même.
Le lancement de satellites étant très couteux, il y a actuellement une tendance à multiplier leur nombre en réduisant leur taille et poids : on parle ainsi de cube-sats ou nanosatellites. Cette tendance pourrait permettre d’alléger les contraintes sur la résistance à l’environnement des satellites car la perte d’un satellite serait alors compensée soit par le grand nombre ayant été mis en orbite initialement soit par l’envoi de satellites miniatures supplémentaires en tant que passager(s) auxiliaire(s) sur un prochain lancement conventionnel. Toutefois, la miniaturisation des satellites entraîne des contraintes supplémentaires sur les magnétomètres. En plus de nécessiter une intégration plus poussée des instruments, elle rapproche le magnétomètre du corps du satellite. Celui-ci n’étant pas amagnétique, il induit des perturbations dans la mesure du champ. Une solution à ce problème serait d’utiliser une architecture gradiométrique pour pouvoir soustraire cette perturbation. Dans le cas de ces mesures différentielles, les sondes doivent être disposées très proches les unes des autres sans se perturber mutuellement. Il est donc important d’avoir des magnétomètres que l’on peut approcher les uns des autres sans avoir de diaphonie entre eux. Par contre, la solution à ce problème ne doit pas compromettre la robustesse et la compacité des capteurs. La même problématique se retrouve dans des applications mobiles terrestres (forage, prospection des sols, détection au sol, en vol…) où le magnétomètre peut être associé à une structure en mouvement (avion en déplacement, tête de forage…) et l’arrivée de nombreux câbles peut rendre le capteur encombrant et fragile dans un environnement où les disponibilités de volume sont très faibles.
Cartographie des champs magnétiques émis par le cœur et le cerveau
L’électrocardiographie et l’électroencéphalographie sont des techniques médicales bien connues qui permettent de caractériser respectivement les activités du cœur et du cerveau par une mesure des potentiels électriques que celles-ci génèrent à la surface du corps. Toutefois ces mesures souffrent de perturbations liées à l’anisotropie de conductivité électrique des tissus traversés, qui dégradent très fortement leur résolution spatiale. Les anisotropies de perméabilité magnétique sont nettement plus faibles, ce qui permet d’avoir une meilleure reconstruction des sources de champ à partir d’une mesure du champ magnétique à la surface du corps . La mesure des champs magnétiques générés par l’activité électrique du cœur et du cerveau permet d’améliorer les méthodes de diagnostic en complément des techniques classiques d’électro-cardio/encéphalo-gramme, ceci sans avoir recours à des méthodes invasives , ce qui permet d’améliorer le diagnostic et/ou les connaissances de certaines pathologies. La mesure du champ magnétique généré par l’activité électrique du cœur est la MagnétoCardioGraphie (MCG). Les champs détectés sont de l’ordre de 100 pT à la surface du corps dans un domaine de fréquence s’étendant de 0 à 100 Hz . La MCG fournit par exemple des informations sur des problèmes d’arythmie , de maladies coronariennes ou intervient encore comme une aide à la détection des cardiomyopathies et des anomalies fonctionnelles myocardiques .
|
Table des matières
I. Introduction
1. Mesure du champ magnétique et applications : problématique
a. Magnétométrie pour la mesure du champ terrestre
b. Cartographie des champs magnétiques émis par le cœur et le cerveau
2. Les magnétomètres à pompage optique
a. Mesure scalaire isotrope du champ magnétique
b. Mesure vectorielle d’un champ magnétique de très faible amplitude
3. Structure de ce manuscrit de thèse
II. L’hélium-4 pour la magnétométrie
1. Les niveaux d’énergie de l’hélium-4
2. Pompage optique de l’hélium-4 métastable
a. Section efficace d’absorption
b. Pompage optique sur la transition D0
3. Description mathématique de l’ensemble atomique utilisé pour la mesure et de son évolution
a. Décomposition multipolaire
b. Description de l’évolution de l’état du gaz atomique : modèle en trois étapes
4. Conclusion
III. Magnétomètres scalaires à hélium-4 pour la mesure du champ terrestre
1. Résonance magnétique induite par un champ radiofréquence
a. Dépendance des signaux de résonance avec l’orientation du champ magnétique
b. Magnétomètre scalaire isotrope du CEA-Leti
2. Résonance magnétique excitée par un champ RF fictif
a. Le Vector Light-Shift
b. Amplitudes de champ RF atteignables en utilisant le VLS
c. Mesure du champ magnétique fictif créé par un faisceau de VLS
d. Résonance magnétique excitée par un champ RF fictif : étude de l’anisotropie d’amplitude
3. Résonance magnétique induite par modulation d’intensité du faisceau de pompage
a. Modulation de l’intensité du faisceau de pompe à la fréquence de Larmor
b. Modulation de l’intensité du faisceau de pompe au double de la fréquence de Larmor
4. Magnétomètres à triple résonance
5. Conclusion et perspectives
IV. Magnétomètre vectoriel pour la mesure de champ de très faible amplitude
1. Architectures existantes de magnétomètres vectoriels pour des mesures de champs très faibles
a. Magnétomètres basés sur l’effet Hanle sur un ensemble atomique orienté
b. Magnétomètre à résonance paramétrique basé sur un milieu atomique orienté
c. Magnétomètres vectoriels en champ nul basés sur un milieu atomique aligné
2. Etude d’un magnétomètre Hanle multi-faisceaux basé sur un milieu atomique aligné
a. Etude de la direction de polarisation des faisceaux de sonde
b. Etude des directions de propagation des faisceaux de sonde pour optimiser la compacité
c. Mesures expérimentales avec un magnétomètre Hanle biaxe basé sur l’alignement atomique
d. Réalisation d’un capteur de champ magnétique bi-axe
e. Mesure de la troisième composante du champ magnétique par l’utilisation d’un faisceau de pompe avec une polarisation linéaire partielle
3. Conclusions et perspectives
V. Conclusion
VI. Bibliographie
