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.