Types de magnétomètres

Ce guide de haut niveau présente les types courants de magnétomètres, notamment les scalaires, les vecteurs, les gradients, etc.

Dans un article précédent, nous avons présenté les bases des magnétomètres et certaines de leurs principales applications. Aujourd'hui, nous allons aller plus loin et examiner les types de magnétomètres les plus courants.

Magnétomètres scalaires

Les magnétomètres scalaires effectuent une mesure précise de la valeur numérique du champ magnétique. Chaque type est basé sur des phénomènes physiques différents :

• Effet Hall : Détecter la tension induite à travers un conducteur électrique lors de l'application d'un champ magnétique peut être parfaitement utilisé pour mesurer les champs magnétiques
• Précession des protons (PPM) : Utiliser la résonance magnétique nucléaire pour mesurer la résonance des protons dans le champ magnétique, en mesurant la tension induite dans une bobine en raison de leur réorientation
• Overhauser : Similaire aux magnétomètres à effet Hall et à précession de protons, mais utilise des signaux radiofréquence pour polariser les spins des électrons

Un magnétomètre Overhauser pour les applications géophysiques. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Gem System

Magnétomètres vectoriels

• Inductif : Mesurer le moment dipolaire de certaines particules en mesurant le courant induit dans certaines bobines de détection après avoir soumis l'échantillon à un champ magnétique variable
• Fluxgate : Composé d'un noyau annulaire magnétique avec au moins deux enroulements de bobine :l'enroulement d'entraînement et l'enroulement de détection

Enroulements des magnétomètres Fluxgate. Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'Imperial College de Londres

• Effet Hall : Générer une tension proportionnelle au champ magnétique et fournir des informations sur son module et sa direction ; largement utilisé pour les applications de détection plutôt que pour caractériser les matériaux magnétiques
• Système microélectromécanique (MEMS) : Détecter le mouvement d'une structure résonante à l'aide de moyens optiques à l'échelle microscopique

Les magnétomètres MEMS sont bon marché et accessibles. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Sparkfun Electronics

Magnétomètres à gradient

Bien que chaque magnétomètre à gradient soit un peu différent, chacun a à peu près les mêmes éléments. Premièrement, ils nécessitent un dispositif pour générer un champ magnétique connu, qui peut être alternatif ou constant. Deuxièmement, les magnétomètres à gradient nécessitent une source pour un champ à gradient alternatif. Enfin, ils nécessitent également un moyen électronique ou optique pour détecter et mesurer la force résultante.

Ils ont également tous un fonctionnement résonant, de sorte que les échantillons magnétiques se déplacent autour de leur fréquence de résonance lorsque l'amplitude maximale est atteinte.

Un autre aspect important des magnétomètres est l'orientation du champ magnétique. Dans certains magnétomètres, comme celui de Zijlstra, les champs alternatif et continu étaient à la fois alignés et orientés verticalement. En revanche, dans le magnétomètre de Foner, l'échantillon vibre perpendiculairement au champ magnétique, ce qui réduit la complexité de la configuration nécessaire.

Magnétomètre à anche vibrante

Zijlstra a introduit l'un des premiers magnétomètres à gradient alternatif en 1970. Il était destiné à surmonter les limitations des magnétomètres précédents et à mesurer la courbe d'hystérésis complète des matériaux magnétiques.

Le magnétomètre à anche se compose d'un fil mince avec un tout petit échantillon à caractériser attaché à son extrémité. Il y a deux bobines connectées en opposition série, ou couplées différentiellement, pour créer un gradient de champ. Ce champ crée une force sur l'échantillon, et par conséquent une vibration de l'anche. Comme le mouvement est très subtil, la fréquence est réglée égale à la résonance mécanique de l'anche, de sorte que le mouvement est amplifié et plus facile à détecter. Le mouvement de l'anche est observé à l'aide d'un microscope et d'une lampe stroboscope. Lorsque le courant à travers les bobines est constant, le champ magnétique l'est aussi; le mouvement que nous mesurons est proportionnel au moment magnétique de l'échantillon.

La différence la plus importante entre les magnétomètres de Zijlstra et les précédents est la sensibilité et également la capacité à caractériser complètement les matériaux magnétiques. Pour avoir une caractérisation magnétique complète, les échantillons doivent être très petits pour éviter les imperfections, le problème est que les magnétomètres capables de caractériser des échantillons de la taille du micron ne peuvent caractériser que certaines propriétés magnétiques telles que la rémanence ou la susceptibilité, mais pas le cycle d'hystérésis complet .

Magnétomètres à échantillons vibrants (VSM)

La plupart des appareils qui mesurent le moment magnétique ont une bobine de détection alignée horizontalement avec les bobines générant un champ magnétique alternatif.

Les magnétomètres à échantillon vibrant (VSM), inventés par Foner en 1959, ont introduit la nouveauté que le mouvement de l'échantillon est perpendiculaire au champ magnétique appliqué. Foner a réduit la complexité de l'installation, évitant des modifications dures des aimants.

Les VSM sont présents dans de nombreux laboratoires et disponibles dans le commerce.

Un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM) commercial. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Microsense

Magnétomètres à champ alternatif combinés

Il existe une troisième catégorie de magnétomètres qui combine les caractéristiques des précédents; ce sont des magnétomètres dits combinés. Ils utilisent toujours deux champs magnétiques; cependant, au lieu d'appliquer un seul champ alternatif et un autre constant, ils appliquent deux champs alternatifs. Le plus grand avantage est la caractérisation des échantillons en AC, ainsi qu'en DC, par rapport aux VSM ou autres magnétomètres limités aux champs DC.

D'autres magnétomètres génèrent un champ magnétique d'une fréquence égale à la fréquence de résonance mécanique de l'échantillon. Les magnétomètres combinés génèrent deux champs magnétiques dont la différence est égale à la fréquence de résonance. Comme l'un des champs magnétiques peut être réglé sur 0 Hz, il peut parfaitement fonctionner comme un magnétomètre à gradient traditionnel. En faisant varier les deux fréquences, l'appareil fonctionne comme un susceptomètre, mesurant les harmoniques d'ordre élevé du moment magnétique. Ce type de magnétomètre a été inventé en 2015 par des chercheurs de l'Université technique de Madrid.