EP0329666A1

EP0329666A1 - Aimant permanent spherique a acces equatorial

Info

Publication number: EP0329666A1
Application number: EP87906746A
Authority: EP
Inventors: Guy Aubert
Original assignee: General Electric CGR SA
Current assignee: General Electric CGR SA
Priority date: 1986-10-17
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1989-08-30
Also published as: FR2605452B1; US5028903A; JPH02501002A; FR2605452A1; WO1988002925A1

Abstract

Un aimant sensiblement sphérique (1, 2) comportant deux structures creuses (V), en vis-à-vis, de forme générale hémisphérique, et aimantées est proposé pour produire un champ d'induction B0 uniforme allant d'une structure à l'autre. En écartant suffisamment les deux structures on crée une ouverture équatoriale (Ee) pour permettre l'introduction de corps à soumettre à cette induction. On montre que l'homogénéité peut être atteinte à un ordre donné si chaque structure est constituée par des anneaux (3-8), en forme de portion de couronne sphérique, obtenus par juxtaposition de blocs magnétiques, et si le nombre de blocs dans chaque anneau est supérieur ou égal à 4 fois le nombre d'anneaux dans chaque structure.

Description

AIMANT PERMANENT SPHERIQUE A ACCES EQUATORIAL

La présente invention est due à M. Guy AUBERT, Directeur du Service National des Champs Intenses, et elle a pour objet un aimant de forme générale sensiblement sphérique à accès équatorial pour produire un champ d'induction uniforme. Elle trouve son application particulièrement dans le domaine médical où des aimants sont utilisés dans des expériences d'imagerie par résonance magnétique nucléaire. Elle peut aussi trouver son application dans tous les domaines où de tels champs d'induction magnétique sont requis.

Dans le domaine de l'imagerie par résonance magnétique il est nécessaire de placer les objets à imager, les patients dans le domaine médical, dans un champ d'induction magnétique élevécouramment de 0,1 à 1,5 tesla-homogène et uniforme - quelques parties par million de variation - dans un grand volume d'intérêt - couramment un sphère de 50 cm de diamètre. Plusieurs classes de générateurs de champ magnétique ont été développées jusqu'à présent. Les principales sont : les aimants supraconducteurs, les aimants dits résistifs et les aimants permanents. Les aimants permanents ont de nombreux avantages. En particulier ils ne nécessitent pas d'alimentation d'énergie pour produire le champ. Ils ne courent donc pas le risque de dérive de leur valeur de champ, due à une dérive de leur alimentation, ou éventuellement du système d'évacuation de la chaleur dissipée. Ils ne nécessitent donc pas de moyens de refroidissement, en particulier avec des techniques de régulation sophistiquées de l'écoulement de fluides cryogéniques. Leur température de fonctionnement est aisément stabilisée. Ils sont en outre particulièrement adaptés à la réalisation de structures ou de systèmes produisant un champ principal transverse, c'est-à dire perpendiculaire à une direction d'introduction des objets, des patients, dans l'aimant. Cette disposition est très favorable à la réalisation d'antennes réceptrices des signaux de résonance à haut gain et très uniforme. Un inconvénient important des aimants permanents se situe cependant au niveau de leur industrialisation.

Des structures d'aimant permanent produisant un champ magnétique uniforme transverse dans un volume relativement élevé ont été décrites dans l'état de la technique. En particulier dans une demande internationale de brevet nº WO 84/01226 déposée le 23 Septembre 1983 et publiée le 29 Mars 1984, D. LEE et AI. ont décrit un tel aimant. Dans celui-ci une structure cylindrique (en théorie de longueur infinie) est approximée par un empilage d'un certain nombre de sections annulaires munies chacunes d'un certain nombre de blocs aimantés. Les blocs sont répartis sur le pourtour d'anneaux en une architecture polygonale qui reproduit autant que possible l'aspect circulaire d'un cylindre théorique. Pour produire un champ transverse à l'axe du cylirxdre, l'aimantation dans chacun des blocs est constante en module et est orientée, par rapport à la direction du champ d'induction à produire, avec un angle égal au double de celui qui mesure l'angle de repérage du bloc en question. Les blocs décrits sont d'une manière préférée des volumes prismatiques à section trapézoïdale.

II résulte de la distribution de l'aimantation ainsi préconisée que l'aimantation de certains blocs doit être orientée, par rapport à ce bloc, selon une direction qui n'est parallèle avec aucun des côtés de la section trapézoïdale. La réalisation de tels blocs magnétiques nécessite donc, industriellement, d'utiliser des aimanteurs spéciaux. Si cette utilisation, quoique plus chère que l'utilisation des aimanteurs standards est encore possible, il n'en va pas de même du façonnage des blocs. En effet, la distribution de l'aimantation imposée dans le cylindre crée une excitation démagnétisante dont l'orientation est rarement parallèle, dans chaque bloc, à celle de l'aimantation. Ceci implique pour la réalisation le choix de matériaux magnétiques dits anisotropes. Or les matériaux magnétiques anisotropes, qui ont par ailleurs les meilleures propriétés magnétiques, présentent l'inconvénient d'être difficilement usinables dans des directions obliques par rapport à la direction de leur anisotropie. La demande de brevet citée ci-dessus indique, en particulier dans sa figure 5 et dans le texte associé, que la réalisation des blocs peut être obtenue par un empilage de briques élémentaires. Mais il est évident que des briques élémentaires, de formes parallélépipédiques, ont une direction d'aimantation privilégiée parallèle à un côté du parallélépipède. Aussi il reste qu'il est difficile, d'une part, de tailler les briques en oblique par rapport aux côtés de ce parallélépipède ou, d'autre part, d'aimanter efficacement les blocs constitués dans des directions obliques par rapport aux côtés de ces parallélépipèdes. En conséquence dans la structure présentée, certains blocs, ceux qui se trouvent dans l'alignement des bissectrices des quatre quadrants, ne peuvent pas facilement être aimantés. La répartition de l'aimantation dans cet aimant conduit en outre à une distribution correspondante de l'exitation démagnétisante. Celle-ci y est telle que par endroits elle peut être suffisante pour diminuer de façon importante l'aimantation. En conséquence l'aimant théoriquement calculé ne peut être réalisé et les performances de l'aimant réel sont bien éloignées de l'idéal.

Un aimant d'un tel type présente en outre d'autres inconvénients. En particulier il n'y a pas d'accès technique possible à l'intérieur de la zone d'intérêt hormis l'accès axial. Enfin, surtout, les aimants cylindriques présentent un inconvénient lié à la forme cylindrique elle-même. Avec une forme cylindrique, il est nécessaire que les blocs magnétiques situés aux extrémités du cylindre soient gros puisque, en raccourci, ils représentent et remplacent l'extension à l'infini des deux extrémités du cylindre. Or compte tenu de leur éloignement, ils contribuent peu efficacement à l'intensité du champ induit : ils ont surtout pour effet d'en améliorer l'homogénéité. Leur masse élevée et donc leur poids lié aux problèmes du coût des matériaux magnétiques est un frein à l'utilisation des aimants permanents.

L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités et dans ce but, elle concerne un aimant caractérisé en ce qu'il est sensiblement sphérique et qu'il comporte deux structures creuses en vis-à-vis, de forme générale hémisphérique, aimantées de manière à produire un champ d'induction allant de l'une à l'autre dans leur volume intérieur, et séparée suffisamment l'une de l'autre pour créer une ouverture équatoriale et pour permettre l'introduction dans ce volume de corps à soumettre à cette induction.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent :

- figures la et 1b : des vues en perspective de l'aimant sphérique de l'invention ; - figures 2 a à 2c : des coupes diamétrales d'aimants selon l'invention ;

- figures 3 à 6 : des étapes de montage de blocs en matériau magnétique pour obtenir un aimant conforme à celui de la figure 1.

Les figures la et lb représentent schématiquement et en perspective un aimant conforme à i'inγention. L'aimant représenté est sphérique de centre O. Il comporte deux structures creuses en vis-à-vis respectivement 1 et 2. Les deux structures sont de forme générale hémisphérique. La structure i de la figure la et la structure 2 de la figure lb sont vues en perspective de face, légèrement au dessus de la base de la demi-sphère et laissent apparaître en partie le volume intérieur creux V. Dans l'invention chaque structure est aimantée radialement et/ou tangentiellement, ou encore avec une aimantation tournante, de manière à produire un champ d'induction B₀ allant de l'une à l'autre : ici de la structure 1 à la structure 2. Les aimantations correspondantes apparaissent respectivement sur les figures 2a et 2c qui sont des coupes de la sphère selon un plan passant par un axe z'Oz. Les deux structures sont séparées l'une de l'autre par une ouverture équatoriale E_e dont la dimension e est suffisante pour permettre l'introduction, dans le volume V d'examen, de corps à soumettre à l'induction. D'une manière préférée l'aimant comporte, pour constituer les structures, un certain nombre d'anneaux, par exemple numérotés 3 à 8. Chaque anneau est en forme de portion de couronne sphérique. Chaque anneau est de préférence constitué par un certain nombre de blocs aimantés mis côte à côte, par exemple les douze blocs numérotés 10 à 21 de l'anneau 5.

Selon une caractéristique essentielle de l'invention, tous les blocs aimantés présentent la particularité que leur aimantation M est soit radiale (M_R pour la structure de la fig. 2a), soit tangentielle (M_T pour la structure de la figure 2b) à la sphère de centre O, soit enfin tournante, c'est à dire telle que la direction de l'aimantation fait, dans chaque bloc, un angle (avec la normale à l'ouverture équatoriale) dont la valeur est double de celle de l'angle de repérage de ce bloc (M_θ sur la figure 2c). Il en résulte dans les deux premières solutions que la fabrication et l'aimantation des blocs aimantés peut s'en trouver facilitée. En effet ces blocs disposés tangentiellement au volume d'intérêt de l'aimant dans les deux premières solutions ont toujours des directions de construction tangentielles (et, automatiquement radiales) à la sphère. Pour ces deux solutions on a découvert qu'un champ transverse uniforme et homogène pouvait être obtenu avec des aimantations radiales et/ou tangentielles si en chaque bloc le module de l'aimantation varie, selon le cas, comme le cosinus ou comme le sinus de l'angle θ de repérage du bloc par rapport à un axe z'Oz de la sphère orthogonal au plan de l'ouverture équatoriale E_e. Avec l'aimantation tournante, le module de M est constant mais la direction est variable d'un bloc à un autre. La solution à aimantation tournante est donc plus difficile à fabriquer. Elle est cependant la plus efficace en matière de masse de matériau magnétique nécessaire. La réduction de volume et de masse nécessaire pour produire le champ désiré est due dans les trois solutions à la forme même de l'aimant et au choix d'un accès par une ouverture équatoriale.

D'une manière préférée les structures 1 et 2 sont symétriques l'une de l'autre. Elles comportent donc un même nombre d'anneaux et, d'une manière préférée également, dans chaque anneau, un même nombre de blocs. En particulier l'anneau 8 comporte le même nombre de bloc que l'anneau 3. Cette contrainte ne se justifie cependant pas totalement, et, pour des raisons de réalisation industrielle il peut se justifier de choisir un nombre différent de blocs dans les anneaux situés près des calottes sphériques (3 et 8) de celui retenu pour les anneaux equatoriaux ( 5 et 6) : les anneaux equatoriaux peuvent comporter plus de blocs. On verra plus loin que les raisons de simplification ainsi que des raisons d'optimum de performance conduisent à la solution préférée et, dans cette solution préférée, à un nombre particulier de blocs dans les anneaux dépendant du nombre d'anneaux dans chaque structure ou dans l'aimant. En outre le calcul des aimants montre que les anneaux peuvent être disjoints les uns des autres. Ceci en facilite le montage et permet en outre de réaliser des accès techniques. En particulier les anneaux sommitaux peuvent être creux. On peut alors effectuer facilement toutes les liaisons avec les différents équipements d'un appareil d'imagerie par RMN qui sont introduits dans le volume V.

Dans une première configuration, figure 2a, la direction de l'aimantation est toujours radiale. Dans ce cas, la valeur de l'aimantation est proportionnelle au cosinus de l'angle θ de repérage du bloc. Ceci signifie que dans chaque bloc d'un même anneau l'aimantation est la même. Ceci signifie également que l'aimantation radiale est la plus forte dans les anneaux près des calottes hémisphériques (3 et 8) et est la plus faible dans les anneaux équatoriaux (5 et 6). Dans la partie basse de la figure les directions d'aimantation des différents blocs ont une allure radiale convergente vers le centre O. A cette partie basse où l'aimantation est convergente correspond une partie haute à aimantation divergente. Il en résulte qu'à l'endroit de l'ouverture équatoriale l'induction B₀ a la direction indiquée. Cette structure à l'avantage de réduire le coût de l'aimant il y a peu de matériaux magnétiques mis en oeuvre.

Dans une structure duale de la précédente (représentée par la figure 2b) l'aimantation est tangentielle à la spère. L'orientation de cette aimantation est sensiblement de haut en bas de manière à produire un même champ B₀ que dans la réalisation radiale. La valeur de cette aimantation est proportionnelle au sinus de l'angle de repérage des blocs : θ₁ , θ₂ et θ₃. Les lignes de champ de l'aimantation suivent le sens trigonometrique sur la partie gauche la figure et le sens trigonometrique inverse sur la partie droite. L'aimantation est nominale en module dans les blocs magnétiques des anneaux 5 ou 6 et elle est minimale dans les blocs les plus proches de l'axe z'z. Cette solution conduit donc à une masse de matériau plus grande pour lé même champ B₀ que la solution précédente. De même elle est également plus coûteuse en matériau magnétique que la solution à aimantation tournante de la figure 2c. Cette dernière, ou l'aimantation est constante en module, présente de plus l'inconvénient que la fabrication est moins rationnelle : les blocs de tous les anneaux ont des aimantations différentes alors que dans chacune des deux premières solutions il n'y a que trois types de blocs aimantés.

Dans une réalisation préférée, représentée par les figures 2a, 2b et 2c, les cosinus des angles repérant l'inclinaison des faces radiales telles que 25 et 26 par rapport à l'axe z'z, des portions de couronnes sphériques constituant les anneaux ont (dans une variante à trois anneaux) les valeurs suivantes : 0,98 ; 0,91 ; 0,81 ; 0,67 ; 0,49 pour la face 26 et 0,30 pour la face 25. Il est possible de réaliser au choix une des trois solutions. Cependant tous les aimants, y compris les aimants permanents, doivent avoir de préférence un moment dipolaire nul. Si ce n'est pas le cas il devient difficile d'approcher un pupitre de commande, muni d'une console de visualisation avec écran cathodique, dans l'environnement immédiat de l'aimant. Il est bien connu que les indications affichées sur cet écran sont distordues du fait de l'existence du champ magnétique extérieur de l'aimant. Ceci interdit d'ailleurs l'usage de consoles de visualisation en couleurs. Pour éviter ce problème le pupitre de commande doit être éloigné de l'aimant. Un opérateur qui dirige une expérimentation de RMN se trouve donc obligatoirement éloigné du patient qui subit un tel examen. Ceci est plutôt néfaste au confort psychologique de ce patient. On note en outre que les praticiens possesseurs d'appareils d'assistance cardiaque, sensibles aussi au champ d'induction parasite, ne peuvent pratiquer des expérimentations de RMN. Dans le but de créer un champ parasite extérieur nul (on dit que l'aimant a un moment dipolaire total nul), on préfère combiner les deux premières configurations ensemble. La troisième solution est déjà à moment dipolaire total nul de par sa conception. Mais elle est difficile à réaliser.

Pour combiner les deux premières configurations on peut réaliser ces deux structures concentriquement l'une à l'autre, l'une étant à aimantation radiale, l'autre étant à aimantation tangentielle. On peut aussi réaliser, d'une manière préférée, des anneaux comportants n₁ blocs à aimantation radiale (en cosinus) et n₂ blocs à aimantation tangentielle (en sinus). Le moment dipolaire nul est obtenu pour n₁ égal à 2n₂. Pour des raisons d'homogénéité vues plus loin, le nombre des blocs dans chaque anneau est un multiple par quatre du nombre d'anneaux dans chaque structure, on est conduit alors à réaliser, pour chaque bloc élémentaire, trois sous blocs : deux à aimantation radiale et un a aimantation tangentielle. Il y a donc dans ce cas 24 sous blocs radiaux et 12 sous blocs tangentieis. Pour des raisons d'homogénéité ils sont symétriquement et régulièrement répartis dans chaque anneau.

D'une manière préférée, plus économique en masse de matériau nécessaire pour réaliser un champ B₀ donné, on réalise une structure panachée qui est décrite plus loin. On a découvert qu'une solution panachée nécessite que chaque solution participe au panachage avec des aimantations dans chaque anneau, respectivement proportionnelles à a₁ cos θ et à a₂ sin θ fois une aimantation nominale commune aux deux solutions. Dans ce cas a₁ et a₂ doivent être tels que (a₁ )² + (a₂) ² est inférieur ou égal à 1. En outre le moment dipolaire nul est obtenu dans ce cas lorsque a₁ est égal à 2 a₂. La solution de ces équations indique qu'en prenant des proportions a₁ et a₂ égales respectivement à 2/√ 5 et 1/ √5 on obtient l'intensité du champ d'induction maximum compatible avec un moment dipolaire nul. Si on retient pour chacune des deux solutions des mêmes matériaux, susceptibles donc d'avoir une même aimantation nominale, on est conduit à faire une consommation supplémentaire en masse de produits aimantés, de l'ordre de 20 % par rapport à la solution radiale. II est possible de donner une expression analytique de la valeur du champ B₀ en fonction des coordonnées du lieu de l'espace V où ce champ règne. En particulier on peut exprimer la composante de B₀ selon l'axe z'z en une série de termes polynomiaux, fonction des variables x y z, et de puissance croissante. Les coefficients, qui pondèrent chacun de ces termes, peuvent être affectés d'un ordre égal à la puissance du terme en x y et z concerné. Il est connu que l'homogénéité du champ B₀ est d'autant plus élevée que ces coefficients peuvent être considérés comme nuls jusqu'à un ordre le plus élevé possible. On dit qu'un champ est homogène à un ordre h si tous les termes polynomiaux de puissance inférieure ou égale à h ont un coefficient nul. Dans l'invention on s'est rendu compte que pour un ordre h donné il existait un nombre minimum d'anneaux dans chaque structure et un nombre minimum de blocs dans chaque anneau pour lesquels cette homogénéité était atteinte. Cette découverte s'applique aux trois solutions. On a découvert ainsi que le nombre d'anneaux n _a dans chaque structure devait être tel que : n_a ≥ (h + 1)/4 Quand au nombre n_b de blocs par anneau il doit être tel que : n_b ≥ (h + 1).

Ceci amène aux conclusions suivantes. Premièrement l'optimisation préconisée par l'invention suggère une structure minimale, c'est-à-dire dont le nombre des blocs à réaliser est le moins grand possible pour obtenir une homogénéité à un ordre donné. Cettre structure mininale est telle que le nombre de blocs dans un anneau d'une structure est égal à 4 fois le nombre d'anneaux dans cette structure. Deuxièmement autant la fabrication des blocs et des anneaux est relativement facile, autant l'installation et le réglage de ces anneaux peut être délicat. Aussi et d'une manière préférée on s'arrange pour respecter l'homogénéité avec un nombre minimal d'anneaux. Par contre, on peut mettre en place un nombre de blocs supérieur à ce qu'il est nécessaire. En définitive la solution industrielle la plus pratique est telle que le nombre de blocs par anneau est supérieur ou égal à 4 fois le nombre d'anneaux par structure.

En fait dans l'invention on s'est rendu compte qu'il y avait en outre, pour une homogénéité donnée, une limite supérieure au rapport entre l'épaisseur e de l'ouverture équatoriale et le rayon interne r₁ des structures creuses. Compte tenu des exigences d'homogénéité propres aux expérimentations de RMN il a été découvert qu'un ordre d'homogénéité I l était souhaitable. Dans ces conditions typiquement le rapport e/r₁ doit être limité à 0,6 sinon le volume de matériau nécessaire devient prohibitif. L'ordre d'homogénéité Il correspond à l'aimant sphérique représenté sur les figures 1 et 2. Il comporte trois anneaux par structures ((11 + 1)/4) et douze (3 x 4) blocs par anneau. On remarque que la limite de ce rapport e/r₁ donne la position limite des anneaux equatoriaux 5 et 6 : elle est égale au double du cosinus de l'angle de repérage de la face équatoriale de ces anneaux. La justification de l'existence de cette limite s'explique ainsi. Si h est imposé pour l'aimant, le nombre minimal n_a d'anneaux est déterminé. Il faut alors placer ces anneaux dans la partie restante de l'hémisphère, une fois qu'on a enlevé ce qui est attribué à l'ouverture e. On arrive alors à l'intensité B₀ du champ voulu en augmentant le rayon extérieur r₂ de la sphère. A partir du moment ou on augmente l'ouverture, à h donné, la place pour le matériau magnétique (en terme de secteur d'angle) se réduit. Elle doit être compensée par une augmentation de r₂. Or l'efficacité du matériau, à la distance r₂, est faible comparée à l'efficacité, des parties proches de V. Le besoin de matériau magnétique croit alors assymptotiquement avec e/r₁. La valeur limite de ce rapport dans le cas où h vaut 11 est sensiblement de 0,8. Et dans ce cas la masse magnétique nécessaire est infinie. C'est pourquoi on retient 0,6.

Le choix de l'orientation des aimantations radiales ou tangentielles résout, comme évoqué précédemment, le problème de l'aimantation des blocs. En effet, les blocs sont toujours aimantés selon leurs orientations structurelles (et non pas avec des orientations quelconques par rapport à ces orientations structurelles). Il faut cependant résoudre le problème de la variation du module de leur aimantation suivant le cosinus ou le sinus de l'angle θ de repérage des blocs avec l'axe z' 0 z. Une première solution consiste à utiliser pour tous les blocs l'aimantation nominale du matériau en réduisant l'ouverture angulaire autour de z' 0 z de chacun des n_b blocs constituant un anneau donné, le matériau magnétique supprimé étant par exemple remplacé par un matériau de structure non magnétique (résine epo y ou autre). Ainsi pour l'aimant à variation en cosinus de la figure 2a, les n_b blocs de l'anneau sont assemblés de façon jointive et ont une ouverture angulaire autour de z' 0 z, φ₁ égale à 2 π/ n_b , les blocs de l'anneau 7 ont une ouverture angulaire réduite soit φ ₂ =(2 π/n_b ) (cos θ₂/ cos θ ₁) et laissent donc entre eux des intervalles angulaires réguliers de valeur

(2 π /n_b )(1 - (cos θ₂/ cosθ₁ )), ceux de l'anneau 6 ont une ouverture angulaire φ₃ = (2π/n_b )(cos θ ₃/ cos θ₁ ) avec des intervalles non magnétiques (2π /n_b) ( 1 -(cos θ₃/ cos θ₁ )). Pour la structure en sinus de la figure 2b, ce seraient les blocs de Panneau 6 qui seraient jointifs avec φ₃ = 2π / n_b alors que pour les anneaux 7 et 8 on aurait respectivement φ₂ = (2π/n_b) ( sin θ ₂/ sin θ₃) et φ₁ - ( 2π /n_b) ( sin θ₁/ sin θ₃) avec les intervalles angulaires réguliers non magnétiques correspondants. Ce procédé est évidemment applicable à la réalisation d'une structure combinée à un moment dipolaire nul.

On peut utiliser une deuxième méthode pour obtenir une aimantation de module ajustable qui permet en outre la réalisation de la structure panachée à moment dipolaire nul présentée plus haut. Les figures 3 à 5 montrent les différentes étapes de ce procédé général de construction d'un aimant selon l'invention. La figure 3 indique qu'on aboutit simplement au résultat en accolant des plaques (on pourrait aussi mettre des barres) en matériau magnétique aimantable 27 à des plaques 28 en matériau non magnétique. On fait varier la proportion du matériau magnétique par rapport au volume général en jouant sur l'épaisseur p₁ des plaques magnétiques par rapport à l'épaisseur p₂ des plaques non magnétiques. On peut montrer facilement que l'aimantation macroscopiquement équivalente d'un bloc ainsi constitué est égal au produit de l'aimantation intrinsèque des parties en matériau magnétique par la proportion (p₁/(p₁ + p₂)) de ces matériaux magnétiques dans l'ensemble. A défaut de disposer de plaques 27 de dimension adéquate on peut aussi utiliser des pavés 29 à 31 de matériau aimantable d'une manière permanente que l'on aboute les uns contre les autres avec un contact très fin de telle manière que leur direction d'anisotropie magnétique A soit alignée et continue, d'une part les uns avec les autres, et d'autre part avec le sens de l'aimantation A que l'on impose ultérieurement aux blocs.

Les briques constituées par l'empilage des plaques peuvent être de dimension standard. Elles sont calculées pour pouvoir être aimantées dans un aimanteur standard tel que l'aimanteur 33 de la figure 4. Le courant I qui parcourt cet aimanteur doit être suffisamment fort, et produire une excitation suffisamment importante, pour que toutes les parties en matériaux aimantables de la brique soient amenées à leur saturation d'aimantation. Si on appelle M cette aimantation de saturation, la brique sera aimantée avec une valeur macroscopiquement égale au produit de M par la proportion de matériaux magnétiques.

Des briques aimantées réalisées ainsi en matériau composite sont ensuite assemblées pour constituer les blocs aimantés décrits jusqu'à présent. Dans la solution à aimantation panachée, les blocs comportent, juxtaposées les unes aux autres, des briques aimantées orthogonalement les unes aux autres. Par exemple, un bloc 34 sur la figure 5 comporte des briques à aimantation radiale 35 à 37 juxtaposées, ou même empilées, à des briques 38 à 40 à aimantation tangentielle. Dans le cas ou la proportion de brique en cosinus et de briques en sinus ne vaut pas un, on complète avec du matériau non magnétique. L'assemblage des briques dans les blocs peut être effectuée de la même manière que l'assemblage des plaques ou des pavés dans les briques : c'est-à-dire par exemple avec des colles à base de résine époxy. Les blocs ainsi constitués peuvent ensuite être fixés à une couronne 41 en résine époxy pour former les anneaux. Si on choisit, pour simplifier la construction, d'utiliser des blocs parallèle pipediques, des cales telles que 42 en forme de coin sont insérées pour former les anneaux. En cas de besoin une autre couronne (non représentée) opposée à la couronne 41 peut venir prendre en sandwich les blocs pour assurer la rigidité de l'anneau.

D'une manière préférée, les couronnes 41 ne sont pas planes mais sont convexes de manière à s'adapter à la forme sphérique recherchée. La réalisation de portions de couronne sphérique constituant les anneaux nécessite alors de réaliser des blocs non parallélépipédiques. On coupe en biais des briques comportant déjà la bonne proportion de matériau magnétique. Cette coupe est effectuée avant l'aimantation. Lors du montage les couronnes (figure 6) peuvent être maintenues par des piliers tels que 43. A cette fin les couronnes sont munies de corbeaux 44 qui viennent reposer sur les sommets de vis de réglage 45 solidaires des piliers. De cette manière on dispose d'un moyen simple de corriger industriellement sur le site l'homogénéité de l'aimant construit.

D'une manière préférée, les matériaux magnétiques utilisés sont soit des ferrites, de Strontium ou de Baryum, soit des alliages de Samarium-Cobait, soit des alliages de Fer-Néodyme-Bore. En effet dans une telle structure, l'excitation démagnétisante dans les blocs n'est jamais colinéaire à l'aimantation et il faut en conséquence choisir un matériau magnétique anisotrope. Ces différents matériaux ont des aimantations rémanentes intrinsèques à saturation différentes. Ils sont par ailleurs de masse spécifique et de prix différents. On peut choisir de cette manière, en fonction des différentes spécifications de champ d'induction à produire, quelle est la solution la plus adaptée. Le calcul du rayon extérieur de la sphère et donc de la dimension des blocs est du même genre, dans le cas de l'invention, que celui qui conduit à la détermination des dimensions des blocs dans l'état de la technique cité. Le rayon extérieur de la sphère r₂ est donné par la valeur de l'aimantation nominale et par le champ d'induction à obtenir. En pratique on détermine l'aimant de la manière suivante. Connaissant l'application envisagée on choisit la dimension de l'ouverture e, le champ B₀ à obtenir, le matériau magnétique, et h Phomogénéité du champ. On en déduit r₁ (r₁ = e/0,6 si h = 11) et r₂.

Claims

REVENDICATIONS

1. Aimant caractérisé en ce qu'il est sensiblement sphérique et en ce qu'il comporte deux structures (1, 2) creuses en vis-à-vis, de forme générale hémisphérique, aimantées de manière à produire un champ d'induction (B₀) allant de Pune à l'autre dans leur volume intérieur (V), et séparées (e) suffisamment Pune de l'autre pour créer une ouverture équatoriale (E_e) et pour permettre l'introduction dans ce volume de corps à soumettre à cette induction.

2. Aimant selon la revendication 1 caractérisé en ce les structures sont symétriques l'une de Pautre.

3. Aimant selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que chaque structure comporte un certain nombre (n_a) d'anneaux concentriques, formés chacun par un certain nombre (n_b) de blocs magnétiques, et déterminés par une révolution des blocs autour d'un axe (z'z) de la sphère perpendiculaire au plan de l'ouverture équatoriale.

4. Aimant selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'aimantation dans les anneaux est au moins en partie radiale (fig 2_a) et en ce que le module de cette aimantation radiale varie comme le cosinus de l'angle (θ) de repérage qui relie la direction de l'induction à l'azimut de l'anneau .

5. Aimant selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'aimantation dans les anneaux est au moins en partie tangentielle (fig 2b) et en ce que le module de cette aimantation tangentielle varie comme le sinus de l'angle de repérage (θ ₁ ) qui relie la direction de l'induction à l'azimut de l'anneau.

6. Aimant selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'aimantation dans les anneaux fait un angle avec la direction de l'induction égal au double de Pangle de repérage de l'anneau par rapport à cette même direction (fig. 2c).

7. Aimant selon Pune quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que chaque structure comporte n_a anneaux comportant des nombres n_b de blocs de même aimantation, Pinduction étant homogène à un ordre de h si n_a est supérieur ou égal à (h + 1)/4 et si n_b est supérieur ou égal à (h + 1).

8. Aimant selon la revendication 7 caractérisé en ce que n_a vaut trois et que n_b vaut douze.

9. Aimant selon 1a revendication 3 caractérisé en ce que les blocs comportent des briques à aimantation radiale et des briques à aimantation tangentielle.

10. Aimant selon la revendication 9 caractérisé en ce que dans chaque bloc la présence des briques à aimantation radiale et des briques à aimantation tangentielle est respectivement 1/√5 et 2/√ 5 pour créer un aimant à moment dipolaire extérieur nul.

11. Aimant selon la revendication 7 caractérisé en ce que n_b≥ 4 n_a.

12. Aimant selon 1a revendication 3 caractérisé en ce que le volume creux a un rayon interne r₁ et l'ouverture équatoriale une hauteur e tels que e/r₁ ≤ 0,6.

13. Aimant selon 1a revendication 3 caractérisé en ce que des blocs de même aimantation d'un anneau sont disjoints les uns des autres dans cet anneau et sont séparés les uns des autres par des espaces fonction de la valeur de l'aimantation équivalente à obtenir dans cet anneau.

14. Aimant selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que dans chaque anneau le nombre des blocs à aimantation radiale (n ₁) est le double du nombre (n₂) des blocs à aimantation tangentielle.