Magnétomètre exploitant la résonance paramagnétique électronique (RPE) dans une cavité résonante en réflexion dans les hyperfréquences

Ce mémoire porte sur l’étude de la performance d’un magnétomètre qui exploite la résonance paramagnétique électronique (RPE). Le fonctionnement du capteur magnétique est modélisé afin de trouver une expression analytique pour la sensibilité du capteur. Le montage utilise une cavité résonante en réflexion dans laquelle est inséré un échantillon de DPPH, un radical libre paramagnétique. Le montage utilise également une diode de détection et un Lock-In Amplifier (LIA), un appareil qui permet de linéariser la réponse de la diode en donnant un signal proportionnel à la dérivée du pic de résonance magnétique. Un champ magnétique oscillant à 50 Hz d’une amplitude d’environ 14 µT est utilisé pour évaluer la performance expérimentale du capteur. Une sensibilité de (9.5 ± 0.9) mV/µT est observée. En considérant un niveau de bruit de l’ordre de 102 µV/Hz1/2, le bruit magnétique équivalent est d’environ (11±1) nT/Hz1/2. Avec un signal dont la bande passante est de 1 Hz, il serait possible de mesurer un champ magnétique aussi petit que 11 nT dans les conditions expérimentales actuelles et non optimisées. À partir de cette expression, il est possible d’estimer la sensibilité maximale théorique pouvant être atteinte par le capteur, dans des conditions idéales. Cette analyse porte sur le comportement intrinsèque du capteur, et néglige tous les gains pouvant être appliqués par les composantes de traitement du signal, notamment par le Lock-In Amplifier et la diode. En modélisant la résonance du YIG (grenat de fer et d’yttrium, un matériau ferrimagnétique), il est possible d’atteindre une sensibilité de 19 mV/µT. En considérant le bruit thermique du signal réfléchi par la cavité comme unique source de bruit, étant donné que le bruit des composantes de traitement du signal est mis de côté, on obtient un seuil de bruit entre 5 et 50 nV/Hz1/2, selon la figure de bruit utilisée. Le bruit magnétique équivalent intrinsèque au capteur est alors de l’ordre de 24-240 fT/Hz1/2. Cette performance est comparable à celle de technologies plus matures, comme les capteurs de type fluxgate, dont le bruit magnétique équivalent est de l’ordre de 7 pT/Hz1/2. L’atteinte d’un bruit magnétique équivalent inférieur à 1 pT/Hz1/2 est donc réaliste pour un magnétomètre RPE. Outre l’étude de la performance du capteur magnétique, ce mémoire présente des pistes d’amélioration du montage afin de maximiser la sensibilité du capteur. Parmi ces suggestions, on retrouve l’ajout d’une boucle de rétroaction du champ magnétique. Ce système permettrait de maintenir l’échantillon magnétique en résonance. Pour ce faire, la tension de sortie du LIA, qui est proportionnelle au champ magnétique à mesurer, alimenterait des bobines qui génèrent un champ magnétique opposé au champ magnétique à mesurer.

Abstract

This thesis focuses on the study of the performance of a magnetic sensor based on electron paramagnetic resonance. The sensor’s behaviour is modelled in order to derive an analytical solution for its sensitivity. The measurement setup comprises a reflection resonant cavity containing a DPPH sample, which is a paramagnetic free radical. The setup also includes a detection diode and a Lock-In Amplifier (LIA). This allows the diode’s response to be linearized. The setup can measure an oscillating magnetic field with an amplitude of approximately 14 µT, and a frequency of 50 Hz. Quantitative analysis of this measurement makes it possible to study the sensor’s performance, and a sensitivity of (9.5±0.9) mV/µT can be achieved. Considering a noise level of around 102 µV/Hz1/2, the equivalent magnetic noise is approximately (11 ± 1) nT/Hz1/2. Using a 1 Hz bandwidth, magnetic fields as small as 11 nT could be measured. From the modelled sensitivity equation, a theoretical value of the maximum sensitivity can be calculated. This theoretical value should not be influenced by the amplification of the components involved in signal processing; it must be specific to the behaviour of the magnetic resonance. Using YIG’s properties as a reference (Yttrium Iron Garnet, a ferrimagnet), a sensitivity of 19 mV/µT can be achieved. Assuming the thermal noise of the reflected signal is the main source of noise, the noise density varies between 5 and 50 nV/Hz1/2, depending on the noise figure considered. The overall equivalent magnetic noise would then be around 24-240 fT/Hz1/2. This level of equivalent magnetic noise rivals that achieved by well-established sensors, such as fluxgate sensors, whose equivalent magnetic noise is around 7 pT/Hz1/2. To improve the magnetometer’s sensitivity, improvements to the experimental setup are suggested, such as a feedback loop for the magnetic field. The LIA’s output signal is proportional to the magnetic field to be measured; it is possible to use that signal to power coils. These coils would generate a magnetic field opposite to the field to be measured, keeping the mag-netic sample in resonance. This increases the sensor’s dynamic range; without this feedback loop, the dynamic range is limited to the EPR line width of the magnetic sample, which is typically less than a mT.