La boucle magnétique haute fréquence (HF) fait partie de la famille des capteurs magnétiques inductifs dont le principe repose sur la loi de Lenz. Cette loi dit que toute variation du flux magnétique qui traverse une surface limitée par un circuit électrique induit une force électromotrice aux bornes de ce circuit. Les capteurs inductifs sont donc dédiés à la mesure des champs magnétiques variables et la fréquence de travail souhaitée déterminera la technologie à employer. Les search-coils couvrent traditionnellement les fréquences situées entre 10 Hz et 100 kHz, mais au-delà le matériau qui compose le concentrateur de flux présente une baisse significative de la perméabilité et des pertes importantes. De plus, la géométrie allongée du capteur, favorable à une plus grande sensibilité, agit comme une antenne électrique et augmente sa sensibilité à la composante électrique du champ électromagnétique aux plus hautes fréquences. La boucle magnétique HF dont l’élément détecteur est constitué d’une spire unique est parfaitement adaptée aux fréquences qui s’étendent de 10 kHz à plusieurs dizaines de MHz.
PRINCIPE
Le principe de la boucle magnétique HF est représenté sur la figure ci-contre. Une boucle collectrice de grand diamètre est fermée sur un tore en matériau magnétique sur lequel un bobinage de plusieurs dizaines de spires a été réalisé. L’ensemble constitue un transformateur courant-tension qui produit un signal aux bornes du bobinage secondaire proportionnel à l’amplitude du flux magnétique qui traverse la boucle, ainsi qu’à sa fréquence. Ce signal est ensuite amplifié par un préamplificateur dont le signal de sortie est utilisé pour générer un courant de contre réaction qui vient s’opposer au courant induit dans la boucle. La réponse du transformateur au champ magnétique est celle d’un circuit LC résonant constitué par le bobinage secondaire et sa capacité parallèle, augmentée de la capacité d’entrée du préamplificateur, dont la fréquence de résonance est choisie au milieu de la bande d’intérêt. La contre réaction a pour effet « d’aplatir » la bande de part et d’autre de la fréquence de résonance et de définir la bande passante effective du capteur qui sera d’autant plus large que le gain de la chaîne d’amplification en boucle ouverte sera plus fort. La valeur de la résistance de contre réaction fixe le facteur d’échelle du capteur, habituellement exprimé en mV/nT.
APPLICATIONS
Plusieurs versions de la boucle magnétique ont été développées au LPC2E, mais la plus aboutie est équipée d’une boucle de 20 cm de diamètre et a volé sur la fusée sonde CHARM en janvier 2010. Elle couvre la bande de fréquences de 70 kHz à 13 MHz et sa sensibilité est inférieure à 0.4 fT/Hz1/2. Sa masse est d’environ 250 g et consomme une puissance électrique de 300 mW sous +/- 5 V.
La boucle a également été proposée pour la mission JUICE mais n’a pas été retenue lors de la sélection finale des instruments.
Une version terrestre de la boucle HF est fabriquée sous licence par IRIS Instruments pour une application géophysique au BRGM.
REFERENCES
Claude Cavoit, « Closed loop applied to magnetic measurements in the range of 0.1–50 MHz, » Rev. Sci. Instrum. 77, 064703 (2006)