Magnétomètre optiquement pompé à quatre canaux pour une matrice de capteurs de magnétoencéphalographie

Contexte de la recherche

Les magnétomètres optiquement pompés (Optically Pumped Magnetometer, OPM) en état de relaxation libre par échange de spin (SERF) sont des capteurs de champ magnétique extrêmement sensibles, avec une sensibilité pouvant descendre jusqu’à 0.16 ft/√Hz et 0.54 ft/√Hz. L’OPM est basé sur l’interaction entre les atomes polarisés par spin et le champ magnétique, transférant le moment angulaire du faisceau de pompe aux atomes (typiquement vapeur de métal alcalin) pour les polariser. La précession de Larmor fait interagir cette polarisation avec le champ magnétique, et en détectant la projection de la polarisation du spin dans la direction du faisceau de détection, le champ magnétique externe peut être déterminé. Dans l’état SERF à densité atomique élevée et à champ magnétique quasi nul, la relaxation de polarisation causée par les collisions d’échange de spin est fortement supprimée, améliorant significativement la sensibilité de l’OPM.

Ces dernières années, l’application des OPM dans la biomagnétisme a attiré l’attention, notamment la mesure du champ magnétique du cerveau humain (magnetoencéphalographie, MEG). Les instruments MEG traditionnels utilisent principalement des interféromètres quantiques supraconducteurs (SQUID) pour la détection des signaux, mais ces dispositifs nécessitent un refroidissement à l’hélium liquide, ce qui entraîne une série d’inconvénients. En revanche, les OPM, de par leur miniaturisation et leur légèreté, permettent de détecter les champs magnétiques du cuir chevelu, améliorant ainsi la résolution spatiale et permettant de construire une matrice de capteurs portables pour scanner les sujets en mouvement.

Source du papier

Cet article a été rédigé par Joonas Iivanainen et sept autres auteurs, provenant du Sandia National Laboratories et du Center for Quantum Information and Control de l’Université du Nouveau-Mexique. Il a été publié dans la revue “Optics Express” le 6 mai 2024.

Contenu de la recherche

Cet article présente le nouveau capteur OPM-SERF à quatre canaux développé par les auteurs et décrit en détail les améliorations de conception, les méthodes expérimentales et l’évaluation des performances.

2. Aperçu du capteur

Le nouveau capteur OPM à quatre canaux est basé sur des travaux antérieurs (référence [25]), utilisant une conception intégrée de l’axe optique avec une configuration de pompe/détection bichromatique. Le nouveau capteur intègre plusieurs améliorations, notamment la réduction de la température de fonctionnement de la chambre de vapeur, l’amélioration des composants optiques de détection, la réduction des besoins en puissance lumineuse, et la conception de nouvelles bobines électromagnétiques offrant un contrôle tridimensionnel du champ magnétique.

2.1 Améliorations de la conception

Le nouveau capteur utilise de la lumière polarisée circulairement à 795 nm pour pomper les atomes de 87Rb, opérant en état SERF et mesurant les composantes de la polarisation du spin par détection optique pour détecter le champ magnétique externe. Comparé aux conceptions précédentes, le nouveau capteur a été optimisé de plusieurs manières :

1. Température de fonctionnement de la chambre de vapeur : réduite de 150℃ à 135℃.
2. Composants optiques de détection : module de détection amélioré, chaque canal utilisant des dispositifs optiques de détection indépendants pour réduire les interférences optiques et améliorer la précision.
3. Conception des bobines électromagnétiques : nouvelle conception des bobines améliorant l’uniformité du champ et la capacité de contrôle tridimensionnel.

3. Conception des bobines de la tête du capteur et caractéristiques expérimentales

3.1 Conception et simulation des bobines

Une paire de bobines Bx et By orientées transversalement et une bobine Bz orientée longitudinalement ont été conçues sur la surface du boîtier du capteur. Ces bobines ont été optimisées par des fonctions de flux numériques et des méthodes de champ cible pour assurer la production d’un champ magnétique uniforme à l’emplacement cible tout en minimisant les fuites de champ magnétique dans les zones adjacentes.

3.2 Mesures expérimentales

Après l’installation des bobines, les auteurs ont mesuré l’efficacité et l’uniformité des bobines par diverses méthodes expérimentales, y compris l’utilisation de la décroissance induite libre (FID) et la mesure en mode Mz de l’effet d’extension du gradient du champ magnétique. Les résultats expérimentaux montrent que les bobines optimisées atteignent les objectifs de performance en termes d’uniformité de champ et d’efficacité.

4. Évaluation des performances du capteur

Les performances du nouveau capteur OPM ont été évaluées de plusieurs manières, y compris la sensibilité magnétique, la bande passante et l’analyse des sources de bruit. Les résultats expérimentaux montrent que le nouveau capteur présente une excellente performance en termes de bruit, de sensibilité magnétique et de rapport de suppression des modes communs, avec une sensibilité moyenne atteignant 12.3 ft/√Hz dans la plage de 10-44 Hz.

5. Conclusion

Le nouvel capteur OPM-SERF à quatre canaux présenté dans cet article comporte de nombreuses améliorations en termes de performance de détection et de conception structurelle. Notamment, la réduction de la température de fonctionnement, la réduction des besoins en puissance lumineuse et l’amélioration des performances des dispositifs optiques de détection montrent des avantages significatifs. La recherche présentée dans cet article améliore non seulement la sensibilité et la stabilité des systèmes MEG, mais fournit également une base technique pour l’intégration future de plusieurs capteurs. À l’avenir, les auteurs prévoient d’optimiser davantage les capteurs dans une chambre blindée à plus grande échelle pour permettre l’enregistrement de signaux MEG de meilleure qualité.

Importance de la recherche

Le nouveau capteur OPM à quatre canaux présenté dans cette recherche montre d’excellentes performances sur de nombreux paramètres techniques et est prometteur pour fournir des moyens de détection de champ magnétique à plus haute résolution et précision dans les recherches sur le cerveau et les applications cliniques. Comparé aux systèmes SQUID traditionnels, l’OPM ne nécessite pas de refroidissement à basse température, est léger et portable, et peut être appliqué de manière flexible, notamment pour les recherches et les détections en mouvement, offrant un avenir prometteur.